서리는 일상처럼 보일 수 있지만, 항공우주 분야에 큰 혼란을 초래합니다. 그래핀으로 이를 바꿀 수 있습니다.

매년 서리는 찾아와 아름답고 고요한 풍경을 만들어냅니다. 온도가 영하 수준 이하로 떨어지면 땅과 같은 고체 표면에 얇은 얼음 층이 형성됩니다.

공기 중에 특정 온도에서 포함할 수 있는 양보다 더 많은 수증기가 있을 때 서리가 형성됩니다.

아름답지만 서리는 잠재적으로 위험합니다. 미끄러운 표면을 긁어내는 것이 번거로울 뿐만 아니라 차량 센서 오작동, 냉장고와 냉동고의 에너지 효율 감소, 전선에 무게가 추가되어 정전 및 소중한 채소와 꽃밭에 손상을 초래하는 등 심각한 문제를 야기합니다.

이것이 전부가 아닙니다. 서리는 항공기의 속도 저하, 제어 효율 감소, 피치 불안정을 초래해 추락 위험을 높입니다. 또한 날개의 공기역학적 특성을 변화시켜 이륙을 방해함으로써 비행을 위험하거나 불가능하게 만들기도 합니다.

아이언맨의 토니 스타크가 슈트에 쌓인 얼음을 전략적으로 활용할 수 있을지도 몰라도, 일반인에게는 불가능합니다.

우리가 필요로 하는 것은 수백억 달러 규모의 문제에 대한 효과적인 해결책이며, 노스웨스턴 대학교 엔지니어들이 이를 찾아냈습니다. 그들은 서리가 처음부터 형성되지 않도록 하는 전략을 개발했습니다.

오랜 기간 동안 서리 없는 영역 달성

그렇다면 해결책은 무엇일까요? 노스웨스턴 대학 엔지니어들이 발견한 해결책의 주요 요소 중 하나는 그래핀에 기반합니다.

흑연에서 추출된 그래핀은 순수 탄소로 이루어져 있으며, 가장 중요한 원소 중 하나이자 네 번째로 풍부한 자연 원소입니다.

이 소재는 특히 가벼운 것으로 알려져 있습니다. 원자 하나 두께에 불과한 그래핀은 알려진 가장 얇은 화합물이며, 강도는 강철보다 약 100~300배 강합니다. 유연성 외에도 그래핀은 전기의 최고의 전도체이며 빛을 균일하게 흡수하는 것으로 유명합니다.

이러한 모든 특성 덕분에 그래핀은 복합재, 전자기기, 센서 및 영상, 에너지, 통신, 바이오메디컬 기술 등 다양한 분야에서 유망한 적용 가능성을 가지고 있습니다.

노스웨스턴 대학교 연구원들은 이제 이 소재를 활용해 서리를 해결하고 있습니다. 구체적으로, 150여 년 전 제안된 화합물이며 최근 그래핀 대량 생산의 잠재적 전구체로 사용되는 그래핀 옥사이드(GO)를 이용하고 있습니다.

그래핀보다 먼저 알려진 이 탄소 기반 나노소재는 강력한 산화제를 사용해 천연 흑연을 화학적 산화 과정을 통해 생산됩니다.

새로운 연구에서 엔지니어들은 표면의 질감을 변경하고 얇은 GO 층을 추가하면 일주일 동안, 심지어 그보다 더 오랫동안 서리 형성을 완전히 방지한다는 것을 발견했습니다.

그래핀 옥사이드는 물증기를 끌어들인 뒤 구조 내에 가두어 물이 얼지 않도록 효과적으로 방지합니다. 매크로텍스처 표면과 결합하면 높은 과포화 상태가 장기간 지속됩니다.

이 일주일 간의 서리 방지는 기존의 고급 방서리 표면이 달성하는 것보다 천 배 이상 오래 지속됩니다. 게다가 확장 가능한 새로운 표면 설계는 긁힘, 균열 및 오염에도 강합니다.

이 텍스처 표면을 인프라에 적용하면 기업과 정부가 연간 수십억 달러의 에너지 비효율을 절감하고 유지보수 비용을 피할 수 있다고 연구원들은 추정합니다. 연구 책임자인 노스웨스턴 대학 매코믹 공대 기계공학 조교수 박규철(Kyoo-Chul Kenneth Park) 교수에 따르면:

“원치 않는 서리 축적은 산업, 주거, 정부 부문 전반에 걸쳐 주요 우려 사항입니다.”

이번 회계연도에 대학은 10억 5천만 달러의 연구 자금을 기록적으로 확보했으며, 이는 전년 대비 5% 증가한 수치입니다.

박 교수는 2021년 텍사스의 전력 위기가 1,950억 달러에 달하는 피해를 초래했으며, 이는 5일 이상 지속된 얼음, 서리 및 극심한 추위가 직접적인 원인으로 450만 가구에 영향을 미쳤다고 지적했습니다.

“따라서 극한 환경에서도 장기간 견고하게 작동하는 방서리 기술을 개발하는 것이 중요합니다.”

– 박 교수, 국제 나노기술 연구소 및 Paula M. Trienens 지속가능성 및 에너지 연구소 소속 교수

하지만 우리는 방서리 기술뿐만 아니라 제작 및 구현이 용이한 기술도 필요합니다. 이를 염두에 두고 연구원들은 내구성이 뛰어나고 확장 가능하며 3D 프린팅으로 손쉽게 제작할 수 있는 하이브리드 방서리 방법을 개발했으며, 몇 주 동안 서리를 방지할 수 있습니다.

잎의 기하학과 GO의 흡습 특성 결합

새로운 연구는 실제로 2020년 박 팀의 이전 연구를 기반으로 하며, 그때 질감 변화를 통해 서리 형성을 최대 60% 감소시켰다고 밝혔습니다. 동시에 자연에서 관찰되는 최적화된 톱니 모양 봉우리와 골짜기 형태의 밀리미터 규모 텍스처를 표면에 추가하면 서리 형성을 최대 80%까지 감소시킬 수 있습니다.

이 발견을 위해 엔지니어들은 민트 잎의 기하학에서 영감을 얻었습니다. 박 교수는 당시 잎의 볼록한 부분이 오목한(맥) 부분보다 더 많은 서리가 형성되며, 실제로 오목한 부분은 “훨씬 적은 서리”가 생긴다고 설명했습니다.

오랫동안 이러한 현상이 관찰되어 왔지만, 왜 그리고 어떻게 발생하는지에 대한 설명은 없었습니다. 그는 이렇게 말했습니다:

“우리는 이것을 제어하는 것이 재료가 아니라 기하학이라는 것을 발견했습니다.”

잎의 물결치는 기하학은 봉우리에서는 응축이 강화되어 서리가 형성되지만, 골짜기에서는 응축이 억제되어 거의 서리가 생기지 않음을 의미합니다. 물결 표면의 골짜기에 있는 소량의 응축수는 증발하여 서리 없는 영역을 만들게 됩니다.

흥미롭게도 물을 끌어당기는 표면 소재를 사용해도 같은 결과가 관찰됩니다: 영하 온도에서 물이 골짜기에서 증발합니다.

이 정보를 바탕으로 팀은 최적의 표면 텍스처를 찾았으며, 이는 40~60도 각도로 이루어진 밀리미터 높이의 봉우리와 골짜기를 포함하는 표면이었습니다.

이 표면의 봉우리에서 여전히 형성되는 얇은 서리선은 훨씬 적은 에너지로 해동할 수 있어, 낮은 동결점을 가진 코팅제나 액체를 사용할 필요가 없어집니다.

“서리 없는 영역이 해동 과정을 시작합니다. 따라서 서리 문제를 해결하는 데 사용되는 재료와 에너지를 줄일 수 있습니다.”

– 박

새로운 연구에서 팀은 혼합물에 그래핀 옥사이드(GO)를 도입했으며, 이는 평평한 골짜기에 추가되어 골짜기에서도 서리 형성을 완전히 억제합니다.

GO는 뛰어난 흡습 특성 때문에 선택되었습니다. 이는 물분자를 흡수하여 끌어당기고 유지하는 능력입니다. GO의 수증기 흡수율은 실리카 겔보다 2배이며, 나노 제한 효과를 통해 삽입된 물분자의 동결을 억제하는 고유한 능력을 가지고 있습니다.

새로운 표면은 또한 피크 간 거리가 5 mm인 작은 돌기를 가지고 있습니다. 피크 사이 골짜기에 600 마이크론 두께의 얇은 GO 층이 코팅됩니다. 박 교수에 따르면:

“그래핀 옥사이드는 수증기를 끌어들인 뒤 물분자를 구조 내에 가두어, 그래핀 옥사이드 층이 수증기의 동결을 방지하는 용기 역할을 합니다.”

매크로텍스처 표면에 그래핀 옥사이드를 추가하면 고과포화 상태에서도 오랜 기간 서리를 견디게 되어, 실험적인 하이브리드 표면을 “안정적이고 장기간 지속되는 서리 없는 구역”으로 만들었습니다.

이 기술의 시연을 YouTube에서 확인할 수 있으며, 공식 NU 채널에 게시되었습니다:

영상은 표면의 벌집 모양 봉우리에서 서리가 형성되는 반면, 평평한 골짜기는 서리가 없음을 보여줍니다. 오른쪽 표면은 얇은 GO 코팅이 적용되었습니다.

그 방법의 우수성을 보여주기 위해 박 팀은 이를 다른 고급 방서리 표면과 비교했습니다.

150시간 동안 100% 서리 형성 저항을 보인 것에 비해, 초발수 및 윤활제 함유 표면은 서리 형성 저항률이 5~36%에 불과했으며, 그 지속 시간도 5시간에 불과했습니다. 또한 다른 방서리 표면은 긁힘이나 오염에 취약해 시간이 지남에 따라 표면 성능이 저하된다는 문제가 있습니다.

반면 박 교수의 하이브리드 매크로텍스처‑그래핀 옥사이드 표면은 이러한 손상에 강해 표면 수명을 연장합니다.

현재 시장에는 다양한 적용 분야의 특수한 요구 때문에 ‘모두에게 맞는’ 접근법이 없습니다. 예를 들어, 항공기는 몇 초 정도의 서리 저항만 필요하지만 전력선은 지속적으로 추운 환경에서 작동하므로 며칠 또는 몇 주 동안의 서리 저항이 필요합니다.

연구진에 따르면, 새로운 기술은 항공기 날개와 전력선 설계에 적용되어 얼음 부착을 감소시켜 연간 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 또한 이 방법은 에너지 비효율을 방지하고 추운 환경에서 인프라의 안전한 운영을 돕습니다.

가혹한 기후로부터 인프라 보호

추운 기후는 따뜻한 담요, 핫초코, 축제 분위기의 포근함을 동반하지만, 동시에 건강 문제와 인프라 손상이라는 자체적인 문제를 야기합니다.

얼음과 눈이 쌓이면 선박, 자동차 앞유리, 전력선, 풍력 터빈, 항공기의 성능과 안전이 저하될 수 있습니다. 그래서 연구원들은 이러한 문제 해결에 주목하고 있습니다.

특히 얼음 성장을 억제할 수 있는 표면은 최근 연구에서도 확인된 바와 같이 비용 효율적인 대안으로 큰 관심을 받고 있습니다.

올해 초에 공유한 바와 같이, Drexel 공과대학 연구원들은 눈과 결빙 비를 스스로 제거하는 자체 발열 콘크리트를 개발했으며, 이를 위해 사람의 제설, 삽질, 제설제 사용이 필요 없으며, 제설제가 표면에 3년간 부정적인 영향을 주는 문제도 없습니다.

도로 및 기타 인프라의 운영 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하기 위해 연구원들은 저온 상변화 물질(PCM)인 액체 파라핀을 사용했습니다. 온도가 약 0°C(32°F) 이하로 떨어지면 물질이 열을 방출하며 액체에서 고체로 변해 서리를 서서히 녹입니다.

그 후 캐나다 연구팀은 개발하여 열 절연성과 초소수성을 결합한 자체 눈 방지 표면을 만들었습니다. 이 그룹은 실리카 에어로겔이 눈 녹는 것을 최소화하고 접착성 얼음층 형성을 방지하며, 초소수성이 접촉 면적을 줄이고 계면 물방울을 튕겨내어 눈 접착 강도를 더욱 낮춘다고 밝혔습니다.

또 다른 연구에서 중국 연구원들은 초저온에서 뛰어난 방빙 및 발수 성능을 보이는 초소수성 표면에 집중했습니다. 이러한 표면은 특히 항공우주 분야에서의 잠재력 때문에 널리 연구된 초소수성 표면과 달리 아직 충분히 보고되지 않았습니다.

이러한 표면을 만들기 위해 연구원들은 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)/폴리(디메틸실록산)(PDMS) 필름에 정사각형 마이크로기둥 배열을 식각했으며, 그 결과 −40 °C에서도 활성화되는 삼중 방빙성을 얻었습니다.

연구원들은 이것이 얼음 방지 응용 분야에서 바이오닉 스마트 다기능 소재의 새로운 가능성을 열어줄 것이라고 믿습니다.

미끄러운 액체 주입 다공성 표면(SLIPSs)에 대한 별도 연구에서는, SLIPS가 결빙 재해를 감소시키는 효과적인 수동 방식으로 널리 사용되며, 내구성을 위한 핵심 특징으로 작은 기공(약 100 nm)과 윤활제에 강한 모세관 압력을 가하고, 높은 다공성(66%)이 큰 윤활제‑액체 접촉 비율을 제공한다는 점을 밝혔습니다.

전 계절 스마트 루프 코팅은 겨울에는 건물을 따뜻하게, 여름에는 시원하게 유지합니다. 이 코팅은 전기나 가스를 필요로 하지 않으며, 온도 적응형 복사 코팅(TARC)을 사용해 겨울에는 복사 냉각을 자동으로 차단하여 에너지 낭비를 방지합니다.

표면을 대상으로 하는 것 외에도, 유지보수 비용을 절감하고 환경을 보호하는 인프라 개선의 다른 진전으로는 온도에 따라 반응하는 복사 스위치를 갖춘 적응형 지붕 타일이 있습니다.

주목할 기업들

이제 방서리 기술 개발로 혜택을 받을 수 있는 기업과 이 분야를 선도하고 있는 기업들을 살펴보겠습니다.

항공우주 분야에서 Lockheed Martin (LMT )은 널리 알려진 기업이며, 서리‑저항 표면은 군용 및 상용 항공기의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있습니다. 시가총액 1292.6억 달러인 이 회사의 주가는 현재 545.35달러이며, 올해 20.32% 상승했습니다. EPS(TTM)는 27.65, P/E(TTM)는 19.73, 배당 수익률은 2.42%입니다.

Boeing (BA )은 항공우주 분야의 또 다른 기업으로, 안전성과 효율성을 높이기 위해 제설 기술에 대규모 투자를 하고 있습니다. 그러나 이 950억 달러 규모 기업의 주가는 현재 155.33달러이며, 연초 대비 40.69% 하락했는데, 이는 항공기 파손과 내부 고발자 사망 때문입니다.

3M (MMM )과 같은 기업은 소재 혁신에 관여함으로써 중요한 역할을 합니다. 시가총액 690억 달러인 이 회사의 주가는 현재 127.22달러이며, 연초 대비 16.37% 상승했고, EPS(TTM)는 7.63, P/E(TTM)는 16.68, 배당 수익률은 2.20%입니다.

1. Raytheon Technologies

NU의 그래핀 옥사이드 기반 기술은 이 항공 및 방위 기술 제공업체가 추운 환경에서 안전한 운영을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. Raytheon은 시가총액 1,580억 달러 기업으로, 주가는 현재 118.75달러이며, 41.13% 상승했으며, EPS(TTM)는 3.52, P/E(TTM)는 33.78, 배당 수익률은 2.12%입니다.

2024년 3분기 매출은 보고된 바에 따르면 201억 달러로 전년 대비 6% 증가했으며, 백로그는 2,210억 달러였습니다. 이 백로그는 상업 부문 1,310억 달러와 방위 부문 900억 달러를 포함합니다. 분기 말 자유 현금 흐름은 20억 달러였으며, 11억 달러의 자본이 주주에게 반환되었습니다.

2. Proto Labs

이러한 새로운 기술이 시장에 빠르게 진입하려면 생산도 신속히 이루어져야 합니다. 바로 Proto Labs (PRLB ) 와 같은 기업이 그 역할을 할 수 있습니다. 이 회사는 3D 프린팅, 사출 모델링, CNC 가공을 활용해 부품을 제조합니다. 시가총액 9억 5,560만 달러인 이 기업의 주가는 현재 38.75달러이며, 2.46% 하락했지만 EPS(TTM)는 0.94, P/E(TTM)는 40.30입니다.

2024년 3분기에 이 회사는 보고된 매출이 1억 2,560만 달러였으며, 이는 전년 동기 대비 3.9% 감소한 수치입니다. 순이익은 720만 달러였고, EBITDA는 1,750만 달러였습니다. 이 기간 동안 22,511건의 고객 접점을 처리했습니다. 그러나 회사는 4년 만에 가장 높은 분기 영업 현금 흐름을 기록했으며, CEO Dan Schumacher는 이를 “어떠한 거시적 환경에서도 Protolabs 모델의 수익성을 입증하는 증거”라고 말했습니다.

결론

노스웨스턴 대학교 연구진이 발견한 최신 기술은 어떤 표면에서도 서리 형성을 크게 감소시켜, 얇은 서리 한 겹으로 인해 취소되는 항공편 수를 줄이고 강력한 제설제 사용을 감소시켜 사람들의 삶을 보다 원활하게 만들 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

견고한 방서리 도구인 하이브리드 매크로텍스처‑GO 표면은 해동에 필요한 에너지와 비용을 더욱 줄이는 데 기여할 수 있습니다. 이를 통해 항공우주, 전력 배분, 운송 등 장기간 수동 방서리가 필요한 산업에서 강력히 활용될 수 있습니다.

전반적으로, 이러한 방서리 기술의 진보는 매년 겪는 기후 관련 문제에 대한 내구성 있고 지속 가능한 해결책을 제공하여 보다 효율적이고 회복력 있는 인프라 구축에 기여하고, 상당한 경제적 영향을 미칩니다.

자체 발열 콘크리트에 대해 모두 알아보려면 여기를 클릭하세요.