▲ 태양열 증기 생성용 열반응성 자가 형태 변환 액추에이터 / 해수나 강물 위에서 열반응성 하이드로겔이 태양의 일조 시간에 따라 스스로 형태를 변형시키며 태양열을 이용해 증기를 생성하는 모습을 나타내는 모식도임. 4D 프린팅 기법으로 설계된 열반응성 하이드로겔 액추에이터는 한낮에는 가장 큰 변형을 보이며, 이른 아침과 늦은 오후에는 변형이 작습니다. 이를 통해 매 시간 최적의 증기 발생을 위한 형상을 자율적으로 조절할 수 있음.(그림 및 설명=전남대학교 이원오 교수)  © 특허뉴스

한국연구재단은 전남대학교 이원오 교수 연구팀이 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 결합해 태양열 발전의 효율을 높인 새로운 설계법인 ‘태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론’을 개발했다고 밝혔다. 이 설계법은 물과 에너지를 동시에 생산할 수 있어 친환경 에너지 개발과 환경 문제 해결의 가능성을 높이고 있다.

최근 에너지, 로봇, 생의학 등 다양한 첨단 분야에서는 시간에 따라 변형이 가능한 4D 프린팅과 스마트 액추에이터 기술이 융합되어 활용되고 있다. 스마트 액추에이터는 온도, 빛, 전기 등 외부 자극에 반응해 형태나 성질을 변화시키는 장치로, 자가 조절이 가능한 스마트 소재를 이용해 작동한다.

4D 프린팅은 하이드로겔과 같은 스마트 소재를 사용하여 시간에 따라 변형 가능한 구조물을 제조하는 기술로, 기존의 단순 물질과 차별화된 기능을 구현할 수 있다. 연구에 활용된 열반응성 하이드로겔은 물을 흡수하고 팽창할 수 있으며, 온도 변화에 따라 물리적 형태가 변해 태양열을 열에너지로 변환하여 물을 증발시키는 데 효과적이다.

연구팀은 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅을 융합하여, 태양열을 직접 활용해 물을 증발시키고 에너지를 생산하는 시스템을 개발했다. 이 시스템은 자가 정화 기능도 갖춰 염분 축적이나 오염 문제를 방지하며, 다양한 환경에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있다.

한낮에는 큰 변형을 통해 증기 발생을 최적화하고, 이른 아침과 늦은 오후에는 작은 변형으로 에너지 효율을 극대화하는 자동 조절 기능을 갖췄다. 연구팀은 유한 요소 해석을 통해 하이드로겔 시스템을 수학적으로 모델링하여 증기 발전 효율을 높이는 기술도 함께 소개했다.

이원오 교수는 “하이드로겔과 4D 프린팅 융합 기술이 물과 에너지를 동시에 생산할 수 있는 잠재력을 지닌다”며, “다양한 환경에서의 적용 가능성을 확장하기 위해 다른 스마트 소재와의 융합 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘프로그레스인머터리얼즈사이언스(Progress in Materials Science)’에 9월 22일 온라인으로 게재되어 학계의 주목을 받고 있다.

논문명은 A comprehensive review of 4D-printed thermo-responsive hydrogel-based smart actuators for solar steam generation: Advanced design, modeling, manufacturing, and finite element analysis 이다.