안녕 서리! 새로운 표면은 열 없이 서리를 방지합니다

언젠가 사람들은 마침내 냉동고의 서리를 녹이거나 미끄러운 표면에서 서리를 긁어내는 일과 작별할지도 모릅니다. 노스웨스턴 대학교 엔지니어들은 서리가 형성되기 전에 이를 방지하는 새로운 전략을 개발했습니다.

새로운 연구에서 연구자들은 모든 표면의 질감을 조정하고 그래핀 산화물의 얇은 층을 추가하면 표면에 서리가 1주일 또는 그 이상 형성되는 것을 100% 방지할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 현재 최첨단 서리 방지 표면보다 1,000배 더 깁니다.

추가 보너스로, 새로운 확장 가능한 표면 디자인은 균열, 긁힘 및 오염에도 강합니다.

연구자들은 질감이 있는 표면을 인프라에 통합함으로써 기업과 정부 기관이 유지 관리 비용과 에너지 비효율성을 줄여 매년 수십억 달러를 절약할 수 있을 것으로 예상합니다.

해당 연구는 수요일(10월 30일) Science Advances 저널에 게재될 예정입니다.

"원치 않는 서리 축적은 산업, 주거 및 정부 부문에서 주요 관심사입니다." 연구를 주도한 노스웨스턴의 Kyoo-Chul Kenneth Park가 말했습니다. "예를 들어, 2021년 텍사스의 전력 위기는 160시간 이상 서리, 얼음 및 극한의 추위로 인해 직접적으로 발생한 1,950억 달러의 피해가 발생했습니다. 따라서 극한의 환경 조건에서 장기간 견고한 서리 방지 기술을 개발하는 것이 중요합니다. 또한 제작 및 구현이 쉬운 서리 방지 방법을 개발하는 것도 필요합니다. 우리는 이러한 모든 요구 사항을 염두에 두고 하이브리드 서리 방지 기술을 설계했습니다. 잠재적으로 몇 주 동안 서리가 내리는 것을 방지할 수 있으며 확장 가능하고 내구성이 뛰어나며 3D 프린팅을 통해 쉽게 제작할 수 있습니다."

파크는 노스웨스턴 매코믹 공과대학의 기계공학 조교수이며, 폴라 M. 트리넨스 지속 가능성 및 에너지 연구소와 국제 나노기술 연구소에 소속된 교수입니다.

잎에서 영감을 얻은 발견

새로운 연구는 Park의 연구실에서 수행한 이전 연구를 기반으로 합니다. 2020년, Park와 그의 팀은 표면에 밀리미터 크기의 텍스처를 추가하면 이론적으로 서리 형성이 최대 80% 감소한다는 것을 발견했습니다. 미국 국립과학원 회보에 발표된 이 연구는 잎의 물결 모양 기하학에서 영감을 받았습니다.

"잎의 볼록한 부분에 서리가 더 많이 형성됩니다." 당시 박은 말했다. "오목한 부분(맥)에서는 서리가 훨씬 적게 형성됩니다. 사람들은 수천 년 동안 이것을 알아차렸습니다. 놀랍게도 이러한 패턴이 어떻게 형성되는지에 대한 설명은 없었습니다. 우리는 이것을 제어하는 ​​것이 재료가 아니라 기하학이라는 것을 발견했습니다."

실험 작업과 계산 시뮬레이션을 통해 Park와 그의 협력자들은 물결 모양 표면의 봉우리에서는 응축이 증가하고 골짜기에서는 억제된다는 것을 발견했습니다. 그러면 골짜기에 있는 소량의 응축수가 증발하여 서리 없는 지역이 생깁니다.

그래핀산화물 포집력

이전 연구에서 Park의 팀은 그 사이에 작은 각도가 있는 밀리미터 크기의 봉우리와 골짜기가 있는 표면을 개발했습니다. 새로운 연구에서 Park의 팀은 평평한 골짜기에 그래핀 산화물을 추가하여 그 골짜기에서 서리 형성을 100% 줄였습니다. 새로운 표면은 5mm의 봉우리 간 거리를 가진 작은 융기로 구성되어 있습니다. 그런 다음 두께가 600마이크론에 불과한 그래핀 산화물의 얇은 층이 봉우리 사이의 골짜기를 덮습니다.

"그래핀 산화물은 수증기를 끌어들인 다음 물 분자를 구조 내에 가두어 둡니다." 박 교수가 말했다. "그래핀 산화물 층은 수증기가 얼지 않도록 하는 용기 역할을 합니다. 그래핀 산화물을 매크로텍스처 표면과 결합했을 때, 높은 과포화 상태에서도 오랫동안 서리에 강했습니다. 하이브리드 표면은 안정적이고 오래 지속되는 서리 없는 구역이 됩니다."

다른 최첨단 방빙 표면과 비교했을 때, Park의 방법이 명확한 승자였습니다. 초소수성(발수) 및 윤활유 주입 표면이 최대 5시간 동안 5-36%의 서리 형성을 견뎌낸 반면, Park의 표면은 160시간 동안 100%의 서리 형성을 견뎌냈습니다.

"대부분의 다른 프로스팅 방지 표면은 긁힘이나 오염으로 인해 손상되기 쉽고, 시간이 지남에 따라 표면 성능이 저하됩니다."라고 Park는 말했습니다. "하지만 저희의 프로스팅 방지 메커니즘은 긁힘, 균열 및 오염 물질에 대한 견고성을 보여주어 표면의 수명을 연장합니다."

왜 중요한가

이 하이브리드 매크로텍스처-그래핀 산화물 표면은 다양한 응용 분야에서 서리 형성을 방지하기 위한 유망한 솔루션을 제공합니다. 대부분의 사람들은 서리가 자동차 앞 유리를 덮거나 야외 식물을 죽일 때만 서리에 대해 걱정합니다. 하지만 서리는 성가신 것 이상입니다.

비행기 날개의 서리는 항력을 발생시켜 비행을 위험하게 만들거나 심지어 불가능하게 만들 수 있습니다. 냉동고와 냉장고 내부에 서리가 쌓이면 가전제품의 에너지 효율이 크게 떨어집니다. 서리는 전선에 너무 많은 무게를 더해 파손을 초래하고 궁극적으로 정전을 일으킬 수 있습니다. 또한 차량의 센서를 손상시켜 물체를 정확하게 감지하는 능력을 손상시킬 수 있습니다.

"새로운 서리 방지 기술을 개발하는 것은 중요한 운영에 대한 값비싼 기계적 고장, 에너지 비효율성 및 안전 위험을 예방하는 데 매우 중요합니다."라고 Park는 말했습니다. "현재 모든 애플리케이션에 특정 요구 사항이 있기 때문에 '일률적인' 접근 방식은 없습니다. 비행기는 몇 초의 서리 저항만 필요하지만, 예를 들어 추운 환경에서 작동하는 전력선은 며칠 또는 몇 주의 서리 저항이 필요할 수 있습니다. 새로운 통찰력을 통해 얼음 접착력이 감소된 전력선과 비행기 날개를 설계할 수 있습니다. 이러한 유형의 변경은 연간 유지 관리 비용을 크게 줄일 것입니다."

"장기적 확장 가능한 서리 방지를 위한 견고한 하이브리드 확산 제어"라는 제목의 이 연구는 국가과학재단(연구비 번호 CBET-2337118)과 한국과학기술연구원(연구비 번호 2E32527)의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241030145719.htm