2024년 유네스코 보고서에 따르면 전 세계 약 22억 명이 안전한 식수 사용에 어려움을 겪고 있다. 심각해지는 물 부족 문제를 해결하기 위한 ‘해수 담수화’ 기술이 발전하고 있지만, 높은 에너지 소모와 초기 설비 비용 때문에 외딴 지역이나 저개발 국가에서는 적용이 제한적이다.
‘태양열 기반 증발식 담수화(Solar Steam Generation, 이하 SSG)’ 기술은 태양광을 이용해 물을 국소적으로 가열해 증발시키는 방식으로, 에너지 효율이 높고 구조가 단순하여 기존 기술의 대안으로 주목받고 있다. 그러나 증발 면적이 커질수록 중심부에 수증기가 축적되어 오히려 증발을 저해하는 문제가 있었다.
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기존 태양열 증발기의 한계와 이를 극복한 얼룩말 줄무늬 패턴의 3D 태양열 증발기의 모식도.[POSTECH 제공] |
연구팀은 셀룰로스 박막에 빛을 흡수하여 열로 전환하는 특성이 우수한 폴리피롤(Polypyrrole)을 입혀 검은색의 SSG 박막을 제작하고, 이를 일정 간격의 줄무늬 (검은색 80%, 투과 공간 20%) 형태로 절단했다. 그리고 이 구조 아래에 태양전지를 배치함으로써, 수분 증발과 동시에 전력생산이 가능하도록 설계했다.
특히 이 구조를 단순한 평면이 아닌 지그재그 형태로 접어 3차원 줄무늬 SSG로 제작한 경우, 온도 차이에 따른 공기 대류 촉진 효과 외에도 증발기 뒷면에서의 추가 증발과 내부에서의 빛 산란이 증가함에 따라, 2차원 구조에 비해 담수 생산량이 28% 향상했고, 전기 생산 역시 약 10% 향상되는 성과를 보였다.
전상민 교수는 “얼룩말 줄무늬 3D 태양열 증발기는 간단한 구조를 가지고 있어 대형화에 유리하며, 전기와 담수를 동시에 생산할 수 있어 전력과 식수 공급이 어려운 지역에서 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 전했다.
