[사례로 알아보는 자연 모사 기술] ③ 생태모사청정표면가공기술개발 한국기계연구원 나노융합기계본부 김완두 박사 과학기술연합대학원대학교(UST)의 교수이자, 대한기계학회 수석 부회장인 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 영년직 연구원 김완두 공학박사는 SCI(과학기술논문 인용색인) 논문 게재만 21건, 2012 국가 녹색 기술 대상’ 국무총리상 수상, 2013년에는 2012년도 국가연구개발우수성과 100선에 선정된 과학 전문가다. 김 공학박사를 만나 자연 모사 기술의 사례를 들어봤다.김 공학박사는 연구팀과 함께 청정생산기반전문기술개발초발수 청정표면 공정기술을 이용한 태양전지 커버유리와 실리콘 음료 용기 양산기술을 개발했다. 비가 오면 저절로 청소되는 연잎 효과를 모사해 넓은 면적의 태양전지 커버 유리의 표면과 실리콘 음료 용기 내부 표면을 청정하게 만드는 친환경 나노마이크로 구조물 양산 가공 공정기술이다. 김 공학박사는 이에 관한 연구를 2011년 10월부터 2013년 9월까지 2년 동안 2단계까지 진행했다. 청정생산기반전문기술개발사업의 성과 발생 시기는 2013년 10월부터 현재까지로 본다. 전 세계의 초발수 표면 연구 수준 아직... 김 공학박사의 말에 따르면 전 세계적으로 나노와 마이크로 구조를 이용한 초발수 표면에 대한 연구는 기초 이론 연구에서부터 응용까지 다양한 물질과 표면에 대해 광범위하게 연구가 진행되고 있으나, 기술의 상용화는 초발수 표면의 내구성 문제와 양산 공정 개발의 어려움으로 인해 지지부진한 상황이다. 국내에서는 중소기업을 중심으로 화합물을 이용한 발수코팅을 개발 중이며, 대학과 연구기관을 중심으로 고가의 공정을 이용하는 방법으로 초발수, 초발유 표면을 제작해 논문으로 발표한 정도다. 김 공학박사는 “연잎의 초발수 효과를 모방한 Lotusan 페인트와 기타 방수 의류 등의 분야에 제한적으로 초발수 기술의 제품화가 이뤄지고 있다. 그러나 태양전지 커버유리와 같은 투명 제품에 대한 초발수 표면처리 기술의 제품화는 전무한 상황”이라며, “최근 국내에서 요구르트 용기의 커버에 초발수 표면 처리 기술을 적용해 내용물이 커버에 묻지 않도록 해 제품화한 예가 있으나, 음료 용기의 내부에 초발수 표면처리 기술을 적용해 제품화에 성공한 예는 없는 상황”이라고 제언했다. 청정 초발수 표면 양산 기술 개발생태모사 표면제어기술을 이용한 청정 초발수 제품 양산 기술이 핵심 기술이다. 김 공학박사는 연구팀과 청정표면 태양전지 커버유리 가공기술 자기 세정이 가능하며, 광투과도가 우수해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 초발수 태양전지 커버유리 제작기술을 개발했다. 또한, 태양전지 커버유리의 표면을 대기압 플라스마 나노 식각 공정을 이용, 표면 거칠기를 형성한 후 발수 물질을 표면에 매우 얇게 코팅함으로써 자기세정기능을 가지면서도 광투과도가 기존 커버 유리에 비해 우수한 ‘자기세정 태양전지 커버유리’를 제작했다. 태양전지 커버유리에 대한 초발수 표면처리 기술을 양산에 적용하기 위해 이에 적합한 양산 공정을 개발하고, 대면적 대기압 플라스마 나노 식각 장비를 개발했다. 초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술은 세척이 쉽고 항균성이 뛰어난 초발수 실리콘 음료 용기 제작 기술 개발이다. 이 기술은 환경친화적이면서도 대량 생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세 패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용해 초발수 표면 구현 제품 양산 기술을 개발했다. 이 제품은 환경호르몬이 없으면서도 미생물 및 기타물질의 접착력이 약해 세척이 쉬운 장점이 있다. 생태모사 표면제어기술 이용 ‘청정 초발수 제품 양산 기술 개발’“250W급 태양전지 모듈용 커버유리를 장당 1만5천 원 정도의 비용으로 표면 처리가 가능하다면 유리가 가지는 자기세능 성능을 고려할 때, 제품 상용화가 가능할 것으로 생각됐습니다. 따라서 저비용 공정을 개발에 총력을 다 하고 있습니다”김 공학박사의 말에 따르면 리엔리하이테크는 PuttiAtti라는 자체 상표를 가지고 실리콘 유아용 젖병을 이미 시장에 출시해 판매 중이다. 초발수 기능을 가지는 실리콘 음료수 용기를 이용해 시장을 확대할 계획을 세우고 있다. 김 공학박사는 이러한 자연친화 제품기술을 통해 환경성 개선 효과를 기대했다. “청정표면을 구현함으로써 물 자원 절약, 생활하수 중 포함된 유해물질 저감 등의 효과와 더불어 친환경 기술의 실현을 통해 환경오염 문제 및 에너지 문제에 대처하려는 사회적 합의가 더욱 구체화 될 것입니다”또한, 초발수 청정표면 가공 원천기술 확보로 첫째, 초발수 표면을 제작하기 위한 미세패턴의 대량생산 기술개발로 고부가가치 구현. 둘째, 반영구적인 초발수 투명 유리는 현재까지 시판되지 않고 있어 향후 자동차 산업, 건설 산업 등에 응용될 수 있는 블루오션 분야로 봤다.마이크로 나노 성형기술은 생활 전반에 폭넓게 응용돼 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생용품의 표면뿐 아니라 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 칩 표면을 구현할 수 있다. 이뿐만 아니라 김 공학박사는 현재 수출보다 수입이 월등히 많은 음료수병 시장에서 국내외 매출을 증가함으로써 수입을 대체하고 수출을 증대를 기대했다.이 밖에도 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서는 기능성 표면의 제조방법, 초발수 표면 제조 방법 등 국외 특허 3개와 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치와 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법, 모재의 표면에 마스킹에 의한 돌기 형성방법과 장치 등 총 17건을 특허 출원하며, 국내 먹거리 산업 발전에 이바지하는 중이다.

단독 [사례로 알아보는 자연 모사 기술] ③ 생태모사청정표면가공기술개발

한국기계연구원 나노융합기계본부 김완두 박사

기사입력 2016-03-21 07:00:00

[산업일보]

과학기술연합대학원대학교(UST)의 교수이자, 대한기계학회 수석 부회장인 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 영년직 연구원 김완두 공학박사는 SCI(과학기술논문 인용색인) 논문 게재만 21건, 2012 국가 녹색 기술 대상’ 국무총리상 수상, 2013년에는 2012년도 국가연구개발우수성과 100선에 선정된 과학 전문가다. 김 공학박사를 만나 자연 모사 기술의 사례를 들어봤다.

김 공학박사는 연구팀과 함께 청정생산기반전문기술개발초발수 청정표면 공정기술을 이용한 태양전지 커버유리와 실리콘 음료 용기 양산기술을 개발했다. 비가 오면 저절로 청소되는 연잎 효과를 모사해 넓은 면적의 태양전지 커버 유리의 표면과 실리콘 음료 용기 내부 표면을 청정하게 만드는 친환경 나노마이크로 구조물 양산 가공 공정기술이다.

전투과도 94% 이상, 접촉각 120도 이상의 태양전지 커버 유리 (자료: 한국기계연구원)

김 공학박사는 이에 관한 연구를 2011년 10월부터 2013년 9월까지 2년 동안 2단계까지 진행했다. 청정생산기반전문기술개발사업의 성과 발생 시기는 2013년 10월부터 현재까지로 본다.

전 세계의 초발수 표면 연구 수준 아직...
김 공학박사의 말에 따르면 전 세계적으로 나노와 마이크로 구조를 이용한 초발수 표면에 대한 연구는 기초 이론 연구에서부터 응용까지 다양한 물질과 표면에 대해 광범위하게 연구가 진행되고 있으나, 기술의 상용화는 초발수 표면의 내구성 문제와 양산 공정 개발의 어려움으로 인해 지지부진한 상황이다.

국내에서는 중소기업을 중심으로 화합물을 이용한 발수코팅을 개발 중이며, 대학과 연구기관을 중심으로 고가의 공정을 이용하는 방법으로 초발수, 초발유 표면을 제작해 논문으로 발표한 정도다.

김 공학박사는 “연잎의 초발수 효과를 모방한 Lotusan 페인트와 기타 방수 의류 등의 분야에 제한적으로 초발수 기술의 제품화가 이뤄지고 있다. 그러나 태양전지 커버유리와 같은 투명 제품에 대한 초발수 표면처리 기술의 제품화는 전무한 상황”이라며, “최근 국내에서 요구르트 용기의 커버에 초발수 표면 처리 기술을 적용해 내용물이 커버에 묻지 않도록 해 제품화한 예가 있으나, 음료 용기의 내부에 초발수 표면처리 기술을 적용해 제품화에 성공한 예는 없는 상황”이라고 제언했다.

청정 초발수 표면 양산 기술 개발
생태모사 표면제어기술을 이용한 청정 초발수 제품 양산 기술이 핵심 기술이다. 김 공학박사는 연구팀과 청정표면 태양전지 커버유리 가공기술 자기 세정이 가능하며, 광투과도가 우수해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 초발수 태양전지 커버유리 제작기술을 개발했다.

태양전지 커버유리 (자료: 한국기계연구원)

또한, 태양전지 커버유리의 표면을 대기압 플라스마 나노 식각 공정을 이용, 표면 거칠기를 형성한 후 발수 물질을 표면에 매우 얇게 코팅함으로써 자기세정기능을 가지면서도 광투과도가 기존 커버 유리에 비해 우수한 ‘자기세정 태양전지 커버유리’를 제작했다.
태양전지 커버유리에 대한 초발수 표면처리 기술을 양산에 적용하기 위해 이에 적합한 양산 공정을 개발하고, 대면적 대기압 플라스마 나노 식각 장비를 개발했다.

청정표면 태양전지 커버유리 가공기술개발 개념도 (자료: 한국기계연구원)

초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술은 세척이 쉽고 항균성이 뛰어난 초발수 실리콘 음료 용기 제작 기술 개발이다. 이 기술은 환경친화적이면서도 대량 생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세 패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용해 초발수 표면 구현 제품 양산 기술을 개발했다. 이 제품은 환경호르몬이 없으면서도 미생물 및 기타물질의 접착력이 약해 세척이 쉬운 장점이 있다.

[패턴설계]→[금형설계]→[금형코어가공]→[실리콘사출]→[초발수 특성평가] 초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술개발 개념도 (자료: 한국기계연구원)

생태모사 표면제어기술 이용 ‘청정 초발수 제품 양산 기술 개발’
“250W급 태양전지 모듈용 커버유리를 장당 1만5천 원 정도의 비용으로 표면 처리가 가능하다면 유리가 가지는 자기세능 성능을 고려할 때, 제품 상용화가 가능할 것으로 생각됐습니다. 따라서 저비용 공정을 개발에 총력을 다 하고 있습니다”

김 공학박사의 말에 따르면 리엔리하이테크는 PuttiAtti라는 자체 상표를 가지고 실리콘 유아용 젖병을 이미 시장에 출시해 판매 중이다. 초발수 기능을 가지는 실리콘 음료수 용기를 이용해 시장을 확대할 계획을 세우고 있다.

(왼쪽부터 시계 방향)실리콘 음료 용기 양산기술과 친환경 나노 마이크로 구조물 양산 가공 공정기술 (자료: 한국기계연구원)

김 공학박사는 이러한 자연친화 제품기술을 통해 환경성 개선 효과를 기대했다. “청정표면을 구현함으로써 물 자원 절약, 생활하수 중 포함된 유해물질 저감 등의 효과와 더불어 친환경 기술의 실현을 통해 환경오염 문제 및 에너지 문제에 대처하려는 사회적 합의가 더욱 구체화 될 것입니다”

또한, 초발수 청정표면 가공 원천기술 확보로 첫째, 초발수 표면을 제작하기 위한 미세패턴의 대량생산 기술개발로 고부가가치 구현. 둘째, 반영구적인 초발수 투명 유리는 현재까지 시판되지 않고 있어 향후 자동차 산업, 건설 산업 등에 응용될 수 있는 블루오션 분야로 봤다.

마이크로 나노 성형기술은 생활 전반에 폭넓게 응용돼 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생용품의 표면뿐 아니라 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 칩 표면을 구현할 수 있다. 이뿐만 아니라 김 공학박사는 현재 수출보다 수입이 월등히 많은 음료수병 시장에서 국내외 매출을 증가함으로써 수입을 대체하고 수출을 증대를 기대했다.

이 밖에도 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서는 기능성 표면의 제조방법, 초발수 표면 제조 방법 등 국외 특허 3개와 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치와 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법, 모재의 표면에 마스킹에 의한 돌기 형성방법과 장치 등 총 17건을 특허 출원하며, 국내 먹거리 산업 발전에 이바지하는 중이다.

뒤로 기사목록

산업일보 영상뉴스 모아보기

산업일보 페이스북 바로가기

김현지 기자 press1@kidd.co.kr

이 기자의 다른기사 보기 >

반갑습니다. 산업1부 김현지 기자입니다. 산업 관련 빅데이터(Big Data), 3D프린터, 스마트기계, 기계학습(Machine Learning), 인공지능(AI), 웨어러블 기기, 가상현실(VR) 분야 등과 함께, ‘산업인 24시’, ‘동영상 뉴스’, ‘동영상 인터뷰’ 를 통해 여러분을 찾아뵙겠습니다.