기존보다 태양열을 효과적으로 흡수할 수 있도록 설계해 담수 전환 양을 늘리고, 장치 내구성도 3배 이상 향상시킴으로써 식수난을 겪고 있는 개발도상국에 큰 도움을 줄 것이란 게 연구진의 기대다.
울산에 위치한 연구중심 특수대학인 UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 태양열을 효과적으로 흡수할 수 있는 '광 증기 증발 장치'를 개발했다고 22일 밝혔다. 이 증발 장치를 1㎡ 크기로 만들 경우 1시간에 1.6㎏ 이상의 담수를 얻을 수 있는 수준이다.
'광 증기 증발 장치'(Solar Evaporator)는 태양열로 물을 증발시키는 장치다. 이 장치로 빨려 들어간 바닷물에서 순수한 물이 증기 상태로 나오고 소금과 같은 염 찌꺼기는 증발 장치에 남게 된다. 증발된 물을 다시 응결시키면 식수로 쓸 수 있다.
이 장치는 열 분산을 잘 막는 것이 중요하다. 바닷물 위에 떠서 작동하는 특성상 열 손실이 일어나기 쉽기 때문이다.
연구팀은 태양광을 잘 가둘 수 있도록 광 증기 증발기를 디자인해 빛 흡수를 최대화했다.
다중반사 시스템으로 반사된 빛이 재흡수될 수 있도록 설계, 광 흡수체가 흡수하는 빛(열)의 양을 늘렸다. 광 증기 증발기의 광 흡수체가 흡수한 열과 바닷물이 만나면서 증발이 일어난다. 광 흡수체가 더 많은 열을 흡수하게 되면서 얻을 수 있는 담수 양이 10% 정도 증가 했다.
또 광 흡수체에 염분이 쌓이는 것을 효과적으로 막아, 수명도 3배 이상 늘었다. 광 흡수체에 염이 쌓이면 수명이 준다. 이를 막기 위해 광 흡수체를 두 종류 물질로 만들었다. 위쪽은 마치 연꽃잎처럼 바닷물을 튕겨내는 소수성 물질을, 바닷물과 직접 닿는 하부에는 친수성 물질을 썼다. 하부 쌓이는 염은 바닷물에 씻겨 내려간다.
개발된 광 증기 증발기의 증기 변환 효율은 90%에 가깝다. 연구팀은 열전달 해석과 추가적 실험을 통해 증발기가 이 같은 초고효율을 보인 원인도 찾아냈다. 광 흡수체 표면에 생긴 증기 박막이 열 손실을 줄인 것이다.
제1 저자인 소우롭 샬레(Sourav Chaule) UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 "이번 연구를 통해 광 증기 증발기 연구에 꼭 필요한 새로운 열전달 모델을 수학적으로 제시했다"고 강조했다.
장지현 교수는 "기존 탄소소재 광 흡수체 기반 증발기는 태양광의 열을 증기로 바꾸는 효율이 70~80%에 그치는 한계가 있었다"며 "이번 연구에서는 광 흡수체 형태와 열 물리적 특성을 제어해 90% 효율을 달성했다"고 설명했다.
이어 "개발된 3D 프린팅 광-증기 증발기는 매우 경제적인 방법으로 전 세계 담수 부족 문제를 해결해 줄 수 있을 것이라고 덧붙였다.
이번 연구 성과는 독일에서 격주로 발행되는 재료공학분야 세계 정상급 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 8월4일자 표지논문(frontispiece)으로 공개됐다.
연구 수행은 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원 사업 및 온사이트 수소충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업의 지원으로 이뤄졌다.
KPI뉴스 / 박동욱 기자 pku24@kpinews.kr
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