전력 공급 없이 태양광만으로 바닷물을 가열해 마시는 물로 바꿀 수 있는 해수 담수화 기술이 나왔다. 전력 인프라가 부족한 개발도상국이나 도서 지역의 식수난 해결에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

울산과학기술원은 에너지화학공학과 장지현 교수 연구팀이 햇빛을 받아 바닷물을 가열하는 3원계 산화물 기반 고성능 증발기를 개발했다고 12일 밝혔다. 이 장치는 해수를 증발시킨 뒤 응축 과정을 거쳐 전력 없이도 식수를 얻을 수 있는 구조다.

 

연구팀이 개발한 증발기를 바닷물 위에 띄워 놓을 경우, 1제곱미터(1㎡) 기준으로 1시간에 약 4.1리터의 식수를 생산할 수 있다. 이는 자연적인 해수 증발 속도의 약 7배에 달하는 수준으로, 현재까지 학계에 보고된 산화물 소재 기반 증발기 가운데 세계 최고 수준의 성능이다.

 

 

이 같은 고효율의 핵심은 새로운 광열변환 소재에 있다. 광열변환 소재는 태양빛을 흡수해 열로 바꾸는 물질로, 증발기 표면에 얇게 코팅돼 해수를 가열한다. 연구팀은 내식성이 뛰어난 망간 산화물에서 망간 일부를 구리와 크롬으로 치환해 3원계 산화물 광열변환 소재를 구현했다.

 

이는 물질 조성을 조절해 태양광 흡수 대역을 설계하는 ‘밴드갭 엔지니어링’ 기술을 적용한 결과다. 일반적인 산화물 소재가 가시광선 영역까지만 흡수하는 데 비해, 이번에 개발된 소재는 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 태양광의 97.2%를 흡수하는 것으로 나타났다.

 

흡수된 빛이 열로 전환되는 효율도 크게 향상됐다. 망간 자리를 크롬이나 구리가 대체하면서 흡수된 에너지가 다시 빛으로 방출되기보다 열로 변환되는 비율이 높아졌기 때문이다. 이에 따라 소재 표면 온도는 80℃까지 상승했으며, 이는 기존 망간 산화물(63℃)이나 구리망간 산화물(74℃) 대비 높은 수치다.

 

장치 구조 역시 염 축적을 최소화하도록 설계됐다. 역U자형 구조를 적용해 광열변환 소재가 코팅된 증발면에는 물을 잘 흡수하는 면 소재를 사용했고, 나머지 부분에는 폴리에스터 소재를 적용했다. 폴리에스터의 섬유 구조는 물을 빠르게 끌어올리고, 소수성 특성은 소금이 증발면에 달라붙지 않고 흘러내리도록 돕는다.

 

장지현 교수는 “기존 산화물 광열변환 소재의 한계였던 좁은 흡수 대역 문제를 근본적으로 개선하고, 광열변환 특성도 함께 향상시켜 고성능 증발기를 구현했다”며 “소재 내구성이 뛰어나고 대면적화도 용이해 실제 식수 부족 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

 

이번 연구 결과는 국제학술지 Advanced Materials에 지난달 16일 온라인으로 공개됐으며, 정식 출판을 앞두고 있다. 연구는 ‘미세플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터’ ERC 과제와 중견연구과제, Brainpool사업, 이노코어사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |