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표면 ‘결함’ 활용해 물방울 ‘잘 맺히고 잘 떨어지게’…열전달 5.5배 향상
물방울이 더 잘 맺히고, 더 빨리 떨어지게 해 열전달 성능을 최대 5.5배 높이는 기술이 개발됐다. 발전소와 담수화 설비의 에너지 효율을 높이고, 전자기기의 냉각 성능을 개선하는 데 활용될 것으로 기대된다.
우리 대학은 기계공학과 남영석 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동연구팀이 표면에 입히는 매우 얇은 고분자 코팅막의 두께와 구조를 조절해, 수증기가 물로 변할 때 물방울은 더 많이 생기고, 생긴 물방울은 더 빨리 떨어지게 하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
수증기가 물로 변하는 ‘응축’은 우리 주변에서도 쉽게 볼 수 있다. 차가운 음료수 컵 표면에 물방울이 맺히는 것과 같은 현상이다. 산업 현장에서는 발전소의 증기를 다시 물로 바꾸거나, 바닷물에서 민물을 얻고, 전자기기에서 발생한 열을 식히는 데 폭넓게 이용된다.
응축 과정에서는 표면에 생긴 물이 얼마나 빨리 빠져나가느냐가 중요하다. 일반 금속 표면에서는 작은 물방울들이 서로 합쳐져 얇은 물막을 만든다. 겨울철 옷을 여러 겹 입으면 체온이 빠져나가기 어려운 것처럼, 이 물막도 열이 빠져나가는 것을 가로막는 ‘열저항’ 역할을 해 열전달 효율을 떨어뜨린다.
반대로 물이 작은 물방울 형태로 맺혔다가 계속 떨어져 나가면 새로운 표면이 반복해서 드러난다. 이렇게 물방울 형태로 응축되는 현상을 ‘적상응축’이라고 한다. 쉽게 말해 물이 표면을 계속 덮고 있는 대신, 물방울이 생기고 떨어지는 과정이 빠르게 반복되는 것이다. 이 경우 열을 더욱 효과적으로 전달할 수 있다.
하지만 기존 기술에는 딜레마가 있었다. 물방울이 처음 만들어질 자리를 늘리기 위해 표면을 울퉁불퉁하게 만들면 물방울이 그 구조에 걸려 잘 떨어지지 않았다. 반대로 표면을 매끄럽게 만들면 물방울은 잘 떨어지지만 새 물방울이 만들어질 자리가 줄어들었다. 씨앗을 심을 자리를 많이 만들면 수확한 열매를 꺼내기 어렵고, 꺼내기 쉽게 만들면 씨앗을 심을 자리가 부족해지는 것과 비슷하다.
연구팀은 이 문제를 기존에는 고분자막의 ‘결함’으로 여겨졌던 나노 크기의 작은 알갱이(응집체)를 활용해 해결했다. 고분자막은 플라스틱과 비슷한 성질의 고분자 물질을 표면에 매우 얇게 입힌 코팅막이다.
연구팀은 기체 상태의 원료를 표면에 입혀 아주 얇은 고분자막을 만드는 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD)’을 활용했다. 고분자막을 얇게 만들자 표면에 나노 크기의 작은 알갱이가 촘촘하게 생겼고, 이들이 물방울이 처음 맺히는 ‘씨앗 자리’ 역할을 했다. 그 결과 얇은 고분자막에서는 두꺼운 막보다 물방울이 약 3배 많이 생겼다.
여기에 열처리를 더해 물방울이 표면에 달라붙는 힘도 줄였다. 덕분에 물방울이 크게 자라기 전에 쉽게 떨어질 수 있었다. 즉, 고분자막을 얇게 만들어 물방울이 생길 자리는 늘리고, 열처리로 생긴 물방울은 빨리 떨어지게 한 것이다. 물방울을 많이 만드는 것과 빨리 없애는 것을 동시에 해결한 것이 이번 연구의 핵심이다.
물방울이 떨어진 자리에는 다시 새로운 물방울이 생긴다. 빈자리가 생기면 곧바로 다음 사람이 앉는 것처럼, 물방울이 생기고 떨어지는 과정이 빠르게 반복될수록 수증기를 물로 바꾸면서 열도 더 효과적으로 전달할 수 있다.
연구팀은 실제 응축기에 많이 쓰이는 구리관에 이 고분자막을 입혀 성능을 확인했다. 그 결과 열을 전달하는 능력을 나타내는 ‘응축 열전달계수’가 최대 약 88 kW·m⁻²·K⁻¹를 기록했다. 이는 물막이 생기는 일반 구리 표면보다 열전달 성능이 최대 약 5.5배 높은 수준이다. 물을 잘 튕겨내는 기존 발수 코팅 표면과 비교해도 50% 이상 높은 성능을 보였다.
이번 연구는 표면을 매끄럽게 만들거나 물을 잘 튕겨내는 데 집중했던 기존 방식과 달리, 표면의 작은 ‘결함’을 적극 활용했다. 그동안 없애야 할 것으로 여겼던 나노 크기의 작은 알갱이가 오히려 물방울이 잘 생기도록 돕는다는 점을 발견해 새로운 표면 설계에 활용했다.
향후 이 기술을 발전소나 산업용 열교환기에 적용하면 열을 더 효과적으로 전달해 에너지 효율을 높이는 데 도움이 될 수 있다. 또 담수화·수분 포집 장치에서는 물을 더 효과적으로 모으고, 전자기기에서는 열을 빠르게 빼내 냉각 성능을 높이는 기술로 활용될 것으로 기대된다.
남영석 교수는 “이번 연구는 기존에 결함으로 여겨졌던 나노 구조를 물방울이 잘 생기도록 돕는 요소로 활용했다는 데 의미가 있다”며 “물방울의 생성과 제거를 각각 조절해 열전달 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”고 말했다. 이어 “이 기술은 복잡한 모양의 표면에도 매우 얇고 균일하게 코팅할 수 있어 산업용 열교환기를 비롯한 다양한 에너지·환경 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김준수 연구원과 생명화학공학과 강민정 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 7월 16일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Rational design of polymer film morphology via structure–performance linkage for enhanced condensation performance, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-75621-5
한편, 이번 연구는 중견연구사업(과학기술정보통신부·한국연구재단), 중소기업기술혁신개발사업(중소벤처기업부·중소기업기술정보진흥원), 딥사이언스 창업 활성화 지원사업(과학기술정보통신부·과학기술사업화진흥원)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.08.24 조회수 1448 -
차세대 무음극 리튬 전지 상용화 난제 풀었다
전기차와 드론, 차세대 고성능 배터리 후보로 주목받아 온 무음극 리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높지만, 짧은 수명 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 우리 대학 연구진이 전해질을 반복적으로 바꿔야 했던 기존 접근에서 벗어나, 전극 표면 설계만으로 배터리 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다.
우리 대학은 생명화학공학과 이진우·임성갑 교수 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터(nm)의 초극박 인공 고분자층을 도입해, 무음극 금속 전지의 최대 약점인 계면 불안정성 문제를 근본적으로 해결했다고 4일 밝혔다.
무음극 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체만 사용하는 단순 구조를 갖는다. 이로 인해 기존 리튬이온전지 대비 30~50% 높은 에너지 밀도, 낮은 제조 비용, 공정 단순화라는 장점이 있지만, 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 직접 쌓이며 전해질이 빠르게 소모되고 불안정한 보호막(SEI)이 형성돼 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.
연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신, 문제가 시작되는 전극 표면 자체를 설계하는 전략을 선택했다. iCVD(개시제 기반 화학증착) 공정을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성한 결과, 이 층이 전해질과의 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로를 정밀하게 제어하는 것으로 나타났다.
기존 전지에서는 전해질 용매가 분해되며 부드럽고 불안정한 유기물 보호막이 형성돼 리튬이 고르게 쌓이지 않고 가시처럼 뾰족한 수지상이 쉽게 자랐다. 반면 이번 연구에서 개발된 고분자층은 전해질 용매와 잘 섞이지 않아, 용매 대신 염 성분의 분해를 유도했다. 그 결과 단단하고 안정적인 무기물 보호막(SEI)이 형성되며 전해질 소모와 과도한 보호막 성장이 동시에 억제됐다.
연구진은 오페란도(operando) 라만 분석과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 전지 작동 중 전극 표면에 음이온이 풍부한 환경이 형성되고, 이것이 안정적인 무기물 보호막 생성으로 이어진다는 메커니즘을 규명했다.
이번 기술은 전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층만 추가하는 방식으로, 기존 공정과의 호환성이 높고 비용 부담도 적다. 특히 iCVD 공정은 롤투롤 방식의 대면적 연속 생산이 가능해, 연구실 수준을 넘어 산업적 대량 생산에 적합하다.
이진우 교수는 “이번 연구는 새로운 소재 개발을 넘어, 전극 표면 설계를 통해 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있다는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 무음극 리튬 금속 전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 이주현 박사과정생과 김진욱 박사후 연구원이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 ‘줄(Joule)’에 2025년 12월 10일 게재됐다.
※ 논문명 : A Strategic Tuning of Interfacial Li+ Solvation with Ultrathin Polymer Layers for Anode-Free Lithium Metal Batteries 저자 정보 : 이주현 (KAIST, 공동 제1 저자), 김진욱 (KAIST, 공동 제1 저자) 및 이진우 (KAIST, 교신저자), 임성갑 (KAIST, 교신저자) 포함 총 18 명, DOI : 10.1016/j.joule.2025.102226
한편, 이번 연구는 KAIST와 LG에너지솔루션이 공동 설립한 ‘프론티어 리서치 랩 (Frontier Research Laboratory)’에서 수행되었으며, 또한 한국연구재단(NRF) 중견연구사업, 산림청(한국임업진흥원) 목재자원의 고부가가치 첨단화 기술개발사업, KAIST 장영실 Fellowship 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2026.01.05 조회수 4236 -
기술가치창출원, 창업지원 벤처 투자자 정기미팅(DCM) 개최
우리 대학이 창업과 기술사업화 확대를 위한 벤처캐피탈(이하 VC) 대표들과의 미팅을 5월 2일부터 이틀간 대전 롯데시티호텔대전에서 진행했다.
기술가치창출원이 주관하는 이번 행사는 우리 대학 교수진과 VC 대표들이 정기적인 만남(Department Capital Meeting, 이하, DCM)을 통해 상호 네트워크를 구축하는 자리다. 창업과 기술사업화에 관심 있는 교수들의 도전 정신을 장려하고 역량을 강화하는 취지로 21년 11월에 시작했다.
6회째를 맞은 올해 행사에는 미래과학기술지주, 블루포인트파트너스, 선보엔젤파트너스, 에이티넘인베스트먼트, 카이스트청년창업투자지주, 카이트창업가재단, 컴퍼니케이파트너스, 포스코기술투자, 프라이머사제파트너스, DSC인베스트먼트까지 총 10개의 중대형 투자 회사와 창업 초기 투자 VC 기관의 대표이사가 참여했다.
우리 대학에서는 김동규 교수(물리학과), 김민혁 교수(전산학부), 김세종 교수(경영공학부), 김윤기 교수(생명과학과), 김진우 교수(생명과학과), 임성갑 교수(생명화학공학과), 전상용 교수(생명과학과), 하동수 교수(조천식모빌리티대학원)까지 총 8명의 교원이 자리를 함께했다.
2일 진행된 'KAIST DCM 워크숍'에서는 김요한 DSC인베스트먼트 전무가 '바이오 산업 투자 현황 및 방향성' 주제로 발표했고, 오종훈 선보엔젤파트너스 대표의 '투자유치의 준비와 사업위기의 대비' 주제 발표가 이어졌다. 이후, VC 대표 · 우리 대학 교수진 · 기술가치창출원 관계자 · 창업원 관계자 간 토론이 진행됐다.
3일 열린 본 행사에서는 참석한 교수진들의 창업 경험 여부 및 창업 시기에 따라 두 개의 그룹으로 나누어 각각 초기 기술사업화에 적합한 자문과 중대형 투자에 적합한 자문을 진행했다.
이들은 연구 중인 첨단기술에 대한 사업화 아이디어를 공유했으며, 기술창업·신산업 발굴·기술이전·전략투자 파트너십·비즈니스 시뮬레이션 등에 대한 기술사업화 방안과 투자 방안도 함께 논의했다.
행사를 총괄한 이건재 기술가치창출원장은 "DCM 행사를 통해 VC 대표들과 교수들이 네트워크를 형성하고, 나아가 많은 교원창업기업이 우수한 기술사업화성과를 거두길 바란다"라고 전했다.또한, 산학협력센터 김성완 센터장은 "향후 DCM을 통해 창업 단계별 기업 현황에 따른 체계적 투자(Pre-seed/Angel, Seed, Series A,B,C) 지원 플랫폼을 강화하고 더 나아가 글로벌 투자를 받을 수 있는 프로그램으로 확장하고자 한다"라고 전했다.
2024.05.10 조회수 12138 -
2020 온라인 기술이전 설명회 개최
우리대학이 9월 17일 '2020 KAIST 온라인 기술이전 설명회'를 개최한다. 올해로 4회째를 맞는 설명회는 코로나19 확산 예방을 위해 지난 3년간의 행사와는 다르게 온라인을 통해서만 진행될 예정이다. KAIST와 성남산업진흥원(원장 류해필)이 *K-GLOBAL 사업의 일환으로 공동 개최하는 이번 설명회는 KAIST 연구진이 보유한 우수 기술을 기업에 이전해 산업 경쟁력을 높이고 이를 기술 가치 창출로 연결하는 선순환 모델을 구축하기 위해 마련됐다.(K-GLOBAL사업: KAIST와 성남시가 협력해 성남시 중소/벤처기업 및 스타트업의 글로벌 시장 진출 지원과 4차 산업혁명 선도도시 구현을 위해 추진 중인 사업)
KAIST 기술가치창출원(원장 최경철)은 코로나19 팬데믹으로 사회 전반이 변화하고 있는 상황에서 불확실한 미래에 대응하기 위해 핵심 바이오 분야 및 소재·부품·장비 분야에서 총 10종의 미래 유망 신기술을 선정해 소개한다. 4개의 바이오 기술을 선보이는 1부에서는 고령화로 인한 만성질환 증가에 대비하고 삶의 질을 향상하기 위한 기술들이 소개된다. ① 초저온 전자현미경 이용 단백질 구조 기반 신약개발 기술(생명과학과 송지준 교수), ② 호메오 단백질 특성 기반 망막재생 촉진 기술(생명과학과 김진우 교수), ③ 고화질 초소형 3차원 내시경 카메라 기술(바이오및뇌공학과 정기훈 교수), ④ TSP1 단백질 억제제 함유 파브리병의 예방 및 치료제(생명과학과 한용만 교수) 등이다.
특히, 김진우 교수의 호메오 단백질 특성 기반 망막재생 촉진 기술은 녹내장·나이 관련 황반변성·망막색소변성증 등 전 세계 2% 이상의 인구가 앓고 있는 망막 퇴행성 질환의 망막 재생 촉진 기술로 주목받고 있다. 망막 신경 재생을 담당하는 뮬러글리아세포의 분열을 촉진하는 기술로 신경 세포 분화 기술을 접목할 경우 다양한 망막 신경 퇴행성 질환을 치료하기 위한 신개념 단백질 및 항체 치료제 개발로 이어질 수 있다.
또한, 송지준 교수는 초저온 전자현미경을 이용해 거대 단백질의 3차원 구조를 고해상도로 규명하는 기술을 선보인다. 단백질 구조를 바탕으로 한 AI 신약개발 기술로 세계적 수준의 첨단 초저온 전자현미경 구조 규명 기술이며 송 교수 연구팀이 독보적으로 보유하고 있는 연구 성과다. 2부 순서에서는 소재·부품·장비 분야에서 엄선한 기술이 소개된다. ① iCVD를 이용한 유기막 공정 및 장치(생명화학공학과 임성갑 교수). ② 열전달 패턴 분석을 기반 자동 평가/모니터링 기술(건설및환경공학과 손훈 교수), ③ 물과 친수성 섬유 멤브레인을 이용한 발전기술(신소재공학과 김일두 교수), ④ 의료용 금속 3D 프린팅 기술(신소재공학과 최벽파 교수), ⑤ 나트륨 및 황화구리를 이용한 2차전지 기술(신소재공학과 육종민 교수), ⑥ 다채널을 이용한 음성인식 방법(신소재공학과 이건재 교수) 등 모두 6개다.
육종민 교수의 나트륨 및 황화구리를 이용한 2차전지 기술은 황화구리를 이용해 기존 리튬이온 전지와 비슷한 성능을 내면서도 30% 이상 저렴한 전지를 만들 수 있는 나트륨 저장 기술이다.
김일두 교수는 물을 이용한 전기에너지 생성장치 기술을 선보인다. 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 활용한 전기에너지 생성장치는 물리적인 에너지를 이용하지 않아 가장 저렴하면서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있어 그린 뉴딜정책의 에너지 분야에 큰 힘을 실어줄 것으로 기대가 크다. KAIST 기술가치창출원 관계자는 "직접 연구·개발해 특허권을 보유한 교내 우수 기술을 지난 6월부터 발굴했으며 교수 및 변리사·벤처 투자자·사업화 전문가 등 10명으로 구성된 심사단이 평가를 진행했다ˮ라고 말했다. 그는 이어 "다양한 분야에 적용할 수 있는 응용 가능성과 시장 규모, 기술 혁신성 등을 주요 평가 지표로 삼아 우수 특허기술을 선정했다ˮ고 덧붙였다.
17일 열리는 행사에서는 설명회가 진행되는 동안 참여 기업이 댓글로 질의를 올리면 연구자들이 실시간으로 답변한다. 이밖에 사전등록을 마친 기업을 대상으로 온라인 기술이전 상담도 함께 진행된다.
최경철 기술가치창출원장은 "이번 기술이전 설명회는 참여 기업들이 KAIST의 기술을 적극적으로 이전받아 일자리 창출 및 글로벌화를 모색하는 산학협력을 강화하는 계기가 될 것ˮ이라면서 "KAIST의 기술이전을 통해 코로나19로 어려움을 겪고 있는 국내 기업이 위기 상황을 극복하고 나아가 포스트 코로나 시대를 선도할 수 있도록 힘을 보태고자 한다ˮ고 강조했다.
2020.09.10 조회수 32582