미국 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스(The University of Texas at Austin)의 연구팀은 최근 완전히 새로운 ‘슈퍼 사파이어(Super Sapphire)’ 나노 구조를 개발하는 데 성공했습니다. 이 기술은 방진, 눈부심 방지, 김서림 방지 기능을 갖추었을 뿐만 아니라, 사파이어 고유의 내구성도 유지하고 있습니다. 자연에서 영감을 받은 이번 획기적인 혁신은 향후 전자, 광학, 우주, 국방 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대되며, 실용화를 향해 나아가고 있습니다.
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사파이어의 초능력
여러 번 떨어뜨려도 손상되지 않는 스마트폰 화면, 성가신 눈부심을 제거해 주는 안경, 더 이상 먼지가 쌓이지 않는 자동차 앞유리창을 상상해 보세요. 새로운 사파이어 나노 구조의 등장으로 이러한 꿈같은 기술이 머지않아 현실이 될 것입니다.
전통적으로 사파이어는 뛰어난 경도로 잘 알려져 있으며, 거의 긁히지 않는 특성 덕분에 고성능 응용 분야에서 각광받아 왔습니다. 그러나 그 생산의 어려움으로 인해 미세한 영역에서의 활용에는 한계가 있었습니다. 이번 연구의 수석 과학자이자 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 기계공학과(Walker Department of Mechanical Engineering) 부교수인 장즈하오(Chih-Hao Chang)는 다음과 같이 밝혔습니다.“사파이어는 매우 높은 경도와 기타 우수한 특성으로 인해 고부가가치 소재이지만, 이러한 특성 때문에 소규모 생산이 매우 도전적인 과제가 됩니다.”
기록을 깨는 나노 구조
장 교수 연구팀이 학술지 Materials Horizons에 발표한 연구에 따르면, 새로운 나노 구조 기술을 통해 매우 높은 종횡비를 가진 사파이어 나노 구조를 구현하는 데 성공했으며, 이를 통해 강성과 경도를 동시에 유지하면서도 탁월한 기능성을 갖추게 되었습니다.
이러한 나노 구조는 기존의 벌크 사파이어에 비해 스크래치 저항성은 다소 낮지만, 텅스텐이나 일반 유리 수준의 긁힘 저항을 가지고 있습니다. 그러나 해당 기술은 김서림 방지, 방진, 눈부심 방지 등에서 탁월한 성능을 보이며, 자가 세정 기능도 갖추고 있습니다.
“이 기술이 흥미로운 이유는, 나노 구조는 일반적으로 약하다고 여겨지지만 우리는 사파이어를 통해 그 문제를 극복했기 때문입니다,”라고 이번 연구의 주요 저자 중 한 명이자 최근 박사 학위를 취득한 지앤쿤지에(Kun-Chieh Chien)는 밝혔습니다.
생체모방 설계와 자가 세정 특성
연구팀은 자연에서 영감을 받아, 사파이어 나노 구조의 원뿔형 윤곽을 나방의 눈 구조에서 모방함으로써 광 투과율을 높이고 눈부심을 줄였습니다. 또한 이 구조는 높은 표면 에너지와 종횡비를 통해 초친수성 표면을 형성하여 김서림 응결을 방지합니다. 이 기술은 초소수성 표면으로도 조절 가능하여, 물방울이 빠르게 미끄러져 내려가는 연잎 효과와 유사한 특성을 가집니다.
“저희 사파이어 나노 구조는 다기능성을 갖추고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 기계적 강도를 지니고 있어, 높은 내구성과 성능이 요구되는 응용 분야에 이상적인 선택입니다,”라고 연구생이자 주요 저자 중 한 명인 메흐메트 케페넥치(Mehmet Kepenekci)는 밝혔습니다.
광범위한 활용과 향후 발전
이 기술은 다양한 실용적 이점을 가져올 것입니다. 예를 들어, 소비자 입장에서는 스마트폰이 강한 조명 환경에서도 가독성을 유지할 수 있으며, 카메라 렌즈의 김서림과 눈부심을 방지하고, 창문과 자동차 앞유리창을 더욱 깨끗하게 유지할 수 있습니다.
우주 탐사 분야에서는 이 기술의 방진 성능이 다른 행성 착륙 임무 중 장비를 먼지로부터 보호하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 국방 분야에서는 보다 강력한 적외선 센서와 보호용 윈도우를 제작하는 데 활용될 것으로 기대됩니다.
“저희의 자가 세정 사파이어 표면은 중력만으로도 98.7%의 무먼지 영역을 유지할 수 있습니다,”라고 먼지 부착 실험을 담당한 학생 앤드류 투넬(Andrew Tunell)은 말했습니다. “이는 기존의 제진 기술보다 상당한 개선을 보여주며, 특히 물 자원이 제한된 우주 환경에 매우 적합합니다.”
연구팀은 현재 제조 규모를 적극적으로 확대하고 있으며, 나노 구조의 기계적 및 화학적 특성을 지속적으로 개선하여 기능을 더욱 강화하고 있습니다. 이들은 이 기술을 통해 실제 세계에 혁신적인 변화를 가져오기를 기대하고 있습니다.
참고 문헌
- ‘방진・눈부심 방지・김서림 방지’ 슈퍼 사파이어 나노 구조, 다양한 분야에 혁신 예고
- Scientists Develop “Super Sapphire” That Resists Scratches, Glare, Fog, and More
- “눈부심 방지, 김서림 방지, 방진 기능을 갖춘 스크래치 방지 사파이어 나노 구조”,작성자：Kun-Chieh Chien、Mehmet Kepenekci、Andrew Tunell 和 Chih-Hao Chang，2025 년 2 월 11 일，Materials Horizons。 DOI: 10.1039/D4MH01844C
(이미지 출처: 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스)
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