[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

도시화 및 인구 증가로 인한 담수 자원의 고갈 문제는 전 세계적으로 점차 심화되고 있으며, 이는 인간의 생존과 직결된 중대한 환경‧사회적 이슈로 대두되고 있다. 특히 에너지 자원이 제한된 지역에서는 안정적인 수자원 확보가 더욱 어려워지며, 이를 해결하기 위한 지속 가능한 담수화 기술의 개발이 절실한 상황이다. 이러한 맥락에서, 계면(interfacial) 태양열 담수화 기술은 최소한의 에너지 인프라로 담수를 생산할 수 있는 유망한 솔루션으로 주목받고 있다. 그러나 기존 기술은 낮은 광열 변환 효율 및 장시간 운전 시 발생하는 염 축적(salt accumulation) 문제로 인해 상용화에 제약이 따른다.

2.연구내용

본 연구에서는 자연광 하에서도 높은 증발 성능과 오랜 내구성을 구현할 수 있는 신규 무기 광열 재료 및 염 저감 설계를 동시에 적용한 태양열 담수화 시스템을 개발하였다.

구체적으로, 연구팀은 산화물 페로브스카이트(La₀.₇Sr₀.₃MnO₃)를 고효율 광열 변환 재료로 설계하였다. 이 물질은 에너지 밴드 내 다수의 트랩 상태(trap states)를 형성함으로써, 광여기된 전자-정공 쌍의 비복사적(non-radiative) 재결합을 유도하고 이를 통해 흡수된 태양 에너지를 열로 효과적으로 전환하는 메커니즘을 구현하였다. 그 결과, 자연광 하에서의 물 증발 속도 향상이 가능해졌다.

또 연구팀은 태양열 담수화 장치의 장기 운전에서 빈번히 발생하는 염 축적 문제를 해결하고자, 단방향 유체 흐름이 유도되는 역L자형(inverse-L shaped) 증발기 구조를 설계하였다. 해당 구조는 담수화 과정 중 생성되는 염 농도 차이를 활용하여, 염 이온을 자발적으로 광열 재료의 바깥쪽으로 유도함으로써 염의 적층 및 광 차폐 현상을 현저히 줄였다. 이와 같은 고효율 광열 소재와 염 저감 구조를 결합함으로써, 본 장치는 1 sun(태양광 시뮬레이터) 실험 조건 하에서 3.40 kg m⁻² h⁻¹의 물 증발률을 달성하였으며, 복잡한 외부 조건에서도 탁월한 성능을 유지하였다.

3.기대효과

이번 연구는 고성능·고내구성 무기 페로브스카이트 기반 광열 소재와 저비용 구조 설계를 통합해 태양열 담수화 기술에 진전을 가져왔다.

La₁₋ₓSrₓMnO₃ 기반의 고성능 무기 페로브스카이트 소재는 우수한 광열 변환 효율을 바탕으로, 일조량이 제한적인 겨울철이나 고위도 지역에서도 안정적인 작동이 가능하다. 증발 장치는 종이 기반 기판 위에 스크린 프린팅 방식으로 제작할 수 있어 공정이 단순하고 비용이 저렴해 대량 생산과 현장 설치가 용이하다. 또한 외부 전력 없이도 작동하는 구조이기 때문에, 전력 인프라가 부족한 개발도상국에서도 안정적인 식수 공급 수단으로 활용될 수 있다. 깨끗하고 안전한 물에 대한 접근성을 높이고, 동시에 친환경 자원 회수 기술로도 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

[붙임] 용어설명

1.태양열 담수화 장치

태양 에너지를 이용하여 바닷물이나 오염된 물에서 담수를 생산하는 장치. 바닷물을 증발시키고, 수증기를 다시 식혀서 순수한 물로 응축시키는 방식으로 간단하고 유지보수가 쉬우며 화석연료 없이 작동할 수 있어 친환경적임. 에너지 비용이 낮아 개발도상국이나 외딴 지역의 가정용으로 적합하지만, 흐린 날이나 밤에는 작동 불가하거나 효율 저하 문제를 극복해야 함.

2.산화물 페로브스카이트

ABO₃ 형태의 결정 구조를 가지는 금속 산화물로, A와 B는 서로 다른 양이온이며 O는 산소 음이온 여기서 A 자리는 보통 큰 알칼리 또는 알칼리토금속 이온(예: La³⁺, Sr²⁺), B 자리는 작은 전이금속 이온(예: Fe³⁺, Ti⁴⁺, Mn³⁺ 등)임. 이 구조는정육면체 격자 안에서 B 이온이 중심에, 산소 이온들이 꼭짓점에, A 이온이 격자의 모서리에 위치하는 형태로 구성되며, 조성 변화나 도핑을 통해 전자적, 자성적, 광학적 특성이 매우 다양하게 조절될 수 있음. 산화물 페로브스카이트는촉매(산소 발생 반응, 이산화탄소 환원 등), 연료전지 전극, 광촉매 및 광전소자, 강유전체, 자성재료, 초전도체등 재료과학 및 에너지 응용 분야에서 매우 중요한 물질.

3.광열흡수체

빛 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환하는 물질 또는 구조. 주로 태양광을 열로 전환하는 데 사용되며,광열변환 효율이 높고, 넓은 파장 범위에서 강한 흡수를 가지는 특성이 요구됨. 주로 사용되는 광열흡수체 재료로는 검정색 금속 산화물, 탄소계 재료(예: 그래핀, 카본 나노튜브), 귀금속 나노입자(예: 금, 은)등이 있으며, 최근에는 나노구조 설계를 통해 흡수 효율을 극대화한 메타물질 기반 광열흡수체도 활발히 연구되고 있음. 핵심적으로, 광열흡수체는광 → 열로의 에너지 전환 과정의 중심적인 역할을 하며, 태양에너지를 실용적 형태로 활용하는 데 필수적인 요소임.

[붙임] 그림설명

그림 1. 페로브스카이트 기반 ㄱ자형(역구조 L) 증발기의 개략도 (좌) 태양열 담수화 장치의 광열흡수체 소재인 산화물 페로브스카이트(La₁₋ₓSrₓMnO, LSMO) 의 특징과 역할. 이 소재는 가시선 영역 빛을 강하게 흡수하고, 흡수된 빛을 열 에너지로 고효율 전환시키는 성질을 지님. 이 열이 수면 위에서 물을 증발시키는 데 활용된다. 잉크 형태로 만든 광열흡수체를 종이에 프린트에 쉽게 제작할 수 있다. (우) 우측은 증발 중에 함께 딸려온 염(소금)이 장치 중앙이 아닌 바깥쪽으로만 이동하도록 설계된 구조를 보여준다. 이 구조 덕분에 광열흡수체 표면에는 염이 축적되지 않아 오염을 방지하고(Antifouling), 열 손실도 최소화된다. 물은 종이를 타고 위로 쉽게 이동하며(Easy water transport), 장치는 오랜 시간 안정적인 담수화 성능을 유지할 수 있다. (중앙) 실험에 사용한 소형 태양열 증발 장치의 실제 사진