▲ 3원계 스피넬 산화물 기반 태양광 해수 담수화 시스템의 작동 원리와 구조 (a) 기존 망간 스피넬 산화물에서는 흡수된 빛 에너지가 방사 재결합으로 일부 손실되는 반면, 구리(Cu)와 크롬(Cr)을 치환한 3원계 스피넬 산화물(우측)에서는 비방사 재결합(non-radiative recombination)이 증가해 더 많은 에너지가 열로 전환됨. (b) 상부에는 석영 창이 설치돼 태양광을 투과시키고, 중앙에는 광열 재료가 코팅된 증발면이 위치한다. 물은 폴리에스터 스트립을 따라 증발면으로 공급되며, 증발 과정에서 소금은 가장자리로 이동해 축적된다. 발생한 수증기는 석영창에 응축돼 담수로 회수된다. (c) 해수 정화를 위한 확장형 부유식 장치.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

 

전력 인프라가 부족한 지역에서도 태양광만으로 바닷물을 데워 마실 수 있는 물을 얻는 길이 열렸다. 별도의 전기 공급 없이 햇빛으로 해수를 가열·증발시켜 담수를 생산하는 고성능 증발기가 국내 연구진에 의해 개발돼, 개발도상국과 도서 지역의 식수난 해결에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다.

 

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 태양광을 받아 바닷물을 효율적으로 가열하는 3원계 산화물 기반 광열 증발기를 개발했다고 밝혔다. 이 장치를 바닷물 위에 띄워 증발을 유도한 뒤, 발생한 수증기를 응축하면 전력 없이도 담수(식수)를 얻을 수 있는 구조다.

 

1㎡에서 1시간 4.1L... 자연 증발의 7배, 산화물 기반 최고 성능

 

연구팀이 개발한 증발기는 1㎡ 크기에서 1시간당 약 4.1리터(L)의 담수 생산이 가능하다. 이는 자연적인 해수 증발 속도의 약 7배에 해당하며, 연구진은 현재까지 보고된 산화물 소재 기반 장치 중 세계 최고 수준의 증발 속도라고 설명했다.

 

무엇보다 이 기술은 전력 없이 작동한다는 점에서 의미가 크다. 태양광만으로 물을 증발시키는 방식은 유지비 부담이 낮고 설치가 간단해, 전력망이 취약한 지역에서 특히 활용도가 높다.

 

핵심은 ‘빛을 열로 바꾸는 소재’... 97.2% 흡수하는 광열변환 성능

 

고성능의 비결은 새롭게 개발한 광열변환(photothermal) 소재에 있다. 광열변환 소재는 태양빛을 흡수해 열로 바꾸는 물질로, 증발기 표면에 얇게 코팅돼 해수 가열 효율을 좌우한다.

 

연구팀은 내식성이 뛰어난 망간 산화물을 기반으로, 망간 일부를 구리(Cu)와 크롬(Cr)으로 치환한 3원계 산화물 광열변환 소재를 구현했다. 이는 소재 조성을 조절해 흡수 가능한 빛의 파장 범위를 넓히는 ‘밴드갭 엔지니어링’ 기술을 적용한 결과다.

 

일반적인 산화물 소재는 가시광선 영역까지만 흡수하는 경우가 많지만, 이번 소재는 자외선부터 가시광선, 근적외선까지 태양광의 97.2%를 흡수할 수 있다. 흡수 범위를 대폭 확장하면서도, 흡수한 에너지가 다시 빛으로 빠져나가지 않고 열로 전환되는 비율을 높여 실질적인 증발 효율을 끌어올렸다.

 

표면 온도 80℃... 기존 산화물보다 ‘더 뜨겁게, 더 빠르게’

 

연구팀은 소재의 광열 변환 효율이 높아지면서 증발기 표면 온도가 최대 80℃까지 상승했다고 밝혔다. 이는 같은 조건에서 63℃ 수준이었던 기존 망간 산화물보다 크게 향상된 수치이며, 구리망간 산화물이 기록한 74℃보다도 높은 성능이다.

 

표면 온도가 높아질수록 물의 증발 속도는 빨라진다. 즉, 이번 연구는 “빛을 더 많이 흡수하고, 흡수한 빛을 더 효율적으로 열로 바꾸는” 두 가지 성능을 동시에 끌어올려 담수 생산량을 극대화한 셈이다.

 

염 축적까지 잡았다... 역U자 구조로 내구성·지속성 확보

 

해수 담수화 장치가 장기간 안정적으로 작동하기 위해서는 염(소금) 축적 문제를 해결하는 것이 중요하다. 증발 과정에서 소금이 표면에 쌓이면 성능이 급격히 떨어지고 장치 수명이 단축될 수 있기 때문이다.

 

연구팀은 이를 최소화하기 위해 장치 구조를 역U자형으로 설계했다. 광열변환 소재가 코팅된 증발면에는 물을 잘 흡수하는 면 소재를 적용했고, 나머지 부분에는 폴리에스터 소재를 활용했다. 폴리에스터의 섬유 구조는 빨대처럼 물을 빠르게 끌어올리는 역할을 하고, 동시에 소수성 특성은 소금이 증발면에 달라붙지 않고 흘러나가도록 유도해 염 축적을 줄이는 통로로 작동한다.

 

“내구성 뛰어나고 대면적화 쉬워... 식수난 해법 될 것”

 

장지현 교수는 “기존 산화물 광열변환 소재들은 빛 흡수 대역이 좁아 효율이 낮았던 점을 근본적으로 개선했다”며 “광열변환 특성을 향상시켜 고성능 증발기를 구현했고, 내구성이 뛰어나며 대면적화도 쉬워 실제 식수 부족 문제 해결에 도움이 될 수 있다”고 설명했다.

 

이번 연구 성과는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 16일 온라인 공개됐으며, 정식 출판을 앞두고 있다.

 

논문명은 Scalable Solar Evaporator Based on Bandgap Engineered CuMnCrO4 Spinel Oxide with Salt-Resistant Property for Contaminated Seawater이다. 

기사 내용과 관련이 없는 글, 욕설을 사용하는 등 타인의 명예를 훼손하는 글은 관리자에 의해 예고없이 임의 삭제될 수 있으므로 주의하시기 바랍니다. 댓글 작성 시 상대방에 대한 배려와 책임을 담아주세요.

• 닉네임
• 비밀번호
• 
• 도배방지 입력