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상온에서 따뜻한 얼음 생성…압력만으로 얼음 조절 기술 개발

2019-05-31박응서 기자

동적 고압을 형성하기 위한 다이아몬드 앤빌셀을 확대한 모습. 사진제공 KRISS

상온이나 심지어 물이 끓는 고온에서 얼음이 얼 수 있을까? 따뜻한 얼음은 일반적으로 상상하기 어려운 현상이다. 하지만 액체가 고체로 변화하는 응고 현상은 온도뿐만 아니라 압력에도 영향을 받아 조건만 맞추면 실현할 수 있다. 다만 대기압보다 1만 배가 넘는 기가파스칼(GPa) 같은 초고압이 필요해 실현할 수 없는 것으로 생각됐다.

한국표준과학연구원(KRISS)이 초고압 극한 환경을 구현해 상온에서 얼음을 만들고 형상을 조절하는 데 성공했다. 바이오와 식품, 의료, 항공우주 같은 다양한 산업에 적극 활용될 것으로 전망된다.

KRISS 융합물성측정센터 극한연구팀은 자체 기술로 물을 1만 기압을 넘게  압축해 얼음을 만드는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 또 압력 조건을 조절해 3차원 얼음에서 2차원 변화를 관찰하고, 얼음 형태 변화 메커니즘을 규명했다.

이번 기술은 온도에 구애받지 않고 얼음 크기나 형태, 성장 속도를 인위적으로 조절할 수 있다는 데 큰 의의가 있다.

자연에서 관찰되는 얼음은 육각판, 기둥, 뿔 같이 1만 가지가 넘는 결정을 가진다. 다양한 형태를 가진 얼음결정은 자연에 대한 호기심은 물론 산업적으로 다양하게 활용된다. 특히 얼음결정을 온도가 아닌 압력으로 조절하면 기존 얼음이 가진 문제를 해결할 수 있어 관심이 높다.

대표적인 예가 식품이다. 일반 대기압에서 육류를 냉동시키면 바늘처럼 뾰족한 육각형 얼음결정이 발생해 세포와 조직을 손상시킨다. 냉동실에서 꺼낸 고기의 육질과 맛이 떨어지는 이유다. 하지만 고압에서 냉동시키면 뾰족하지 않은 다른 형태로 얼음결정이 생겨 육질을 보호할 수 있다.

비행기에 생기는 얼음은 기체 결함과 추락까지도 유발할 수 있다. 눈이 오는 날은 물론, 섭씨 영하 40도까지 떨어지는 고도 1만m 상공에서는 비행기 날개에 결빙이 일어난다. 얼음결정이 비정상적으로 성장하면 날개 모양에 변화를 일으키고 양력을 떨어뜨린다. 그만큼 얼음결정 성장속도와 형태 조절은 비행기 안전과 운행 효율에 큰 영향을 미친다.

 

KRISS 융합물성측정센터 이윤희(오른쪽), 이근우 책임연구원이 얼음성장 과정을 실시간으로 관측하는 초고속카메라를 조정하고 있다. 사진제공 KRISS

KRISS 연구팀의 이윤희, 이수형, 이근우 책임연구원은 초당 대기압의 500만 배까지 압력을 가할 수 있는 ‘실시간 동적 다이아몬드 앤빌셀(anvil cell)’ 장치를 개발, 고압에서 얼음 성장에 적용했다. 그 결과 상온에서 물을 압축해 고압얼음을 만들고, 동적인 압력 조작으로 3차원 팔면체 얼음을 2차원 날개 모양으로 변화시키는 데 성공했다.

이 기술은 초고압 환경을 구현하는 다이아몬드 앤빌셀에 구동제어, 분자 진동 측정기술 등을 동기화해 물질 압력과 부피, 영상, 분자 구조 정보까지 동시 측정할 수 있는 독자 기술이다.

KRISS 이윤희 책임연구원은 “고압 냉동기술을 활용하면 식품 맛과 신선도를 유지하는 새로운 형태를 띤 얼음결정과 냉동공정을 만들 수 있다”며 “이 기술을 신선식품 물류에 사용하는 콜드체인 시스템에 적용하면 식품 상품성을 더욱 높일 것”이라고 말했다.

이 연구는 세계 3대 학술지인 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, IF 9.661)에 게재됐다.

 

박응서 테크엠 기자  gopoong@techm.kr