UNIST, 해수 담수화용 고성능 증발기 개발..."바닷물 달궈 식수 얻어"

[주영곤 기자]

(사진제공=UNIST) [연구진사진] (좌측부터) 장지현 교수, 라나 이르판 박사(제1저자), 김성도 박사, 이진영 연구원

(울산=국제뉴스) 주영곤 기자 = 전력 공급 없이 태양광만으로 바닷물을 가열해 마시는 물로 바꿀 수 있는 기술이 나왔다. 전력 인프라가 부족한 개발도상국이나 도서 지역의 식수난 해결에 큰 도움이 될 전망이다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 햇빛을 받아 바닷물을 가열하는 3원계 산화물 기반 증발기를 개발했다고 12일 밝혔다.

이 장치로 바닷물을 증발시킨 뒤 이를 응축하면 전력 없이도 마실 수 있는 담수를 얻을 수 있다.

연구팀이 개발한 증발기를 바닷물에 띄워 놓으면 1제곱미터(1㎡) 크기에서 1시간 만에 약 4.1L(리터)의 식수를 생산할 수 있는 수준이다. 자연적인 해수 증발 속도의 7배 가까이 되며, 현재까지 학계에 보고된 산화물 소재 기반 장치 중 세계 최고 수준의 증발 속도다.

이러한 고성능의 비결은 새로운 광열변환 소재에 있다. 광열변환 소재는 태양 빛을 흡수해 열로 바꾸는 소재로, 증발기 표면에 얇게 코팅된다.

연구팀은 내식성이 뛰어난 망간 산화물의 망간 일부를 구리와 크롬으로 치환해 3원계 산화물 광열 변환 소재를 만들었다. 물질의 조성을 조절해 물질이 흡수할 수 있는 태양광 파장 대역을 설계하는 '밴드갭 엔지니어링' 기술이다. 일반적인 산화물 소재는 가시광선 파장 영역까지만 흡수하는 데 그치지만, 개발된 소재는 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 빛의 97.2%를 흡수한다.

또 흡수된 태양광이 열로도 잘 변환된다. 망간 자리를 크롬이나 구리가 차지하게 되면 흡수된 태양 빛 에너지가 다시 빛 형태로 방출되기보다 열로 전환되는 비율이 높아지기 때문이다.

덕분에 소재 표면 온도가 80℃까지 올라간다. 이는 같은 조건에서 63℃에 그쳤던

기존 망간 산화물이나, 74℃를 기록한 구리망간 산화물보다 월등히 높은 성능이다.

장치 구조 설계 또한 염 축적을 최소화하는 방법으로 최적화했다. 역U자형 구조로, 광열변환 소재가 코팅된 증발면 부분은 물을 잘 흡수하는 면 소재를, 나머지 부분은 폴리에스터 소재가 적용됐다. 폴리에스터의 섬유 구조는 빨대처럼 물을 빠르게 끌어 올리는 역할을, 폴리에스터 자체의 소수성 성질은 소금이 증발면에 달라붙지 않게 흘려보내는 통로 역할을 해준다.

장지현 교수는 "기존 산화물 광열변환 소재들이 빛을 흡수하는 대역이 좁아 효율이 낮았던 점을 근본적으로 개선하고, 광열변환 특성 또한 향상시켜, 고성능 증발기를 만들 수 있었다"며 "소재의 내구성이 뛰어나고 대면적화도 쉬워, 실제 식수 부족 문제 해결에 도움이 될 수 있을 것"이라고 설명했다.

연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 16일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.

연구 수행은 '미세플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터'의 ERC 과제와 중견연구과제, Brainpool사업, 이노코어사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

(논문명: Scalable Solar Evaporator Based on Bandgap Engineered CuMnCrO4 Spinel Oxide with Salt-Resistant Property for Contaminated Seawater)

■ 연구 결과 개요

1. 연구배경

전 세계적으로 담수 부족 문제가 심화되면서, 풍부한 태양광을 이용해 해수를 증발시키는 태양열 기반 담수화 기술이 대안으로 거론되고 있다. 이 과정에서 태양빛을 흡수해 열로 전환하는 광열 재료(PTM)는 증발 성능을 좌우하는 요소로, 자외선부터 근적외선을 아우르는 광대역 흡수(250–2500 nm)와 낮은 열손실, 대면적 제조 가능성, 비용 경쟁력을 함께 갖추는 것이 요구된다. 그러나 지금까지 제시된 탄소계, 고분자, 에어로겔·하이드로겔, 플라즈모닉 소재, 반도체, MXene 계열의 광열 재료들은 내구성이나 장기 안정성, 제조 공정의 복잡성, 비용 측면에서 한계를 보여 왔다. 이에 본 연구는 가혹한 조건에서도 구조적으로 안정적인 스피넬 산화물(AB₂O₄)에 주목하되, 넓은 밴드갭으로 인해 태양광 흡수가 제한적이었던 Mn₃O₄의 한계를 전이금속 치환을 통해 극복하는 것을 목표로 했다.

2. 연구내용

연구팀은 Mn₃O₄에 구리(Cu)와 크롬(Cr)을 치환해 조성을 제어함으로써 CuMnCrO₄(CMCO) 삼원 스피넬 산화물을 합성했다. 이 과정에서 소재의 전자 구조가 변화하며 밴드갭이 1.49 eV까지 줄어들었고, 그 결과 가시광과 근적외선 영역에서의 태양광 흡수가 강화됐다. 이렇게 제작한 CMCO를 광열 재료로 적용해 태양 담수화 시스템을 구현했다.

시스템 설계에서는 CMCO 분말 잉크를 면 스트립 위에 스크린 프린팅 방식으로 인쇄하고, 그 아래에 소수성 폴리에스터 부직포 스트립을 배치한 inverted U형 이중 물 수송 구조를 도입했다. 이 구조는 증발면으로의 물 공급을 안정적으로 유지하는 동시에, 증발 과정에서 생성되는 염이 표면에 축적되지 않도록 유도한다. 해당 시스템은 1 sun 조건에서 4.1 kg m⁻² h⁻¹의 증발률을 기록했으며, 3주 동안 성능 저하 없이 안정적으로 구동됐다. 염 농도가 1%에서 20%까지 증가해도 증발 성능 변화는 크지 않았고, 20% 조건에서도 3.3 kg m⁻² h⁻¹의 증발률을 유지했다. 또한 생성된 응축수의 주요 이온 농도는 세계보건기구(WHO) 권고치 이하로 낮아졌으며, 염료나 오일이 섞인 오염수와 강산·강염기 조건에서도 담수 생산 성능이 유지되는 것이 확인됐다.

3. 기대효과

본 연구는 고염도 해수나 염료·오일이 섞인 오염수에서도 증발 성능 저하가 제한적이며, 생성된 물의 염분과 이온 농도가 크게 감소함을 보여준다. 아울러 스크린 프린팅 기반의 직물 코팅 공정과 이중 물 수송 구조를 결합해, 대면적 확장과 저비용 제조, 장기 안정 운전 가능성을 함께 제시한다.

■ 용 어 설 명

1. 태양열 담수화

햇빛으로 해수를 증발시키고 수증기를 응축해 소금과 오염물을 남기고 물을 얻는 친환경 담수화 방식.

2 광열 재료(Photothermal Material, PTM)

태양광을 흡수한 뒤 그 에너지를 열로 전환해서 물을 데우고 증발을 돕는 소재.

3. 스피넬 산화물(AB₂O₄)

스피넬 산화물은 화학식이 AB₂O₄ 형태인 산화물로, A 자리와 B 자리에 서로 다른 금속 이온이 들어가며 규칙적인 결정 격자를 이루는 재료군. 이 구조는 비교적 안정적이고, A 또는 B 자리에 들어가는 금속 조합을 바꾸면서 물성(색, 흡수, 전기적 성질, 촉매성 등) 제어가 용이함.

4. 전이금속 치환

전이금속 치환은 스피넬 같은 결정에서 A 또는 B 자리에 있는 금속을 다른 전이금속으로 일부 바꾸는 것. 이는 전자의 에너지 상태가 달라져 밴드갭이 변하고, 그 결과 흡수 가능한 빛의 범위(예: 가시광, 근적외선)가 달라짐.

5. 밴드갭(Bandgap)

밴드갭은 전자가 차지할 수 있는 에너지 상태 사이의 간격으로, 물질이 어떤 파장의 빛을 흡수할 수 있는지를 결정하는 지표다. 일상적으로는 물체의 색과도 연결된다. 예를 들어 흰색 물체는 대부분의 빛을 반사해 잘 흡수하지 않는 반면, 검은색 물체는 많은 파장의 빛을 흡수해 쉽게 달궈진다. 밴드갭이 큰 물질은 흡수 가능한 빛의 범위가 좁아 밝게 보이는 경우가 많고, 밴드갭이 작아질수록 더 넓은 파장의 빛을 흡수해 어둡게 보이거나 열로 잘 전환되는 특성을 보인다.

6. 스크린 프린팅

분말이 잉크 형태로 분산된 페이스트를 망 형태의 스크린을 통해 원하는 영역에만 통과시켜 코팅하는 공정이다. 분말 상태의 소재를 그대로 활용할 수 있어 비교적 단순한 장비로도 균일한 막을 형성할 수 있으며, 반복 제작과 대면적 공정에 적합하다. 이번 연구에서는 3원계 산화물 분말 광열 재료(CMCO)를 잉크로 만들어 면 스트립 위에 스크린 프린팅 방식으로 인쇄했다.

7. 1 sun

태양광 시뮬레이터를 이용해 맑은 날 정오 무렵 태양광 세기인 1 kW m⁻²를 실험실에서 재현한 표준 조사 조건이다. 이번 연구에서는 이 조건에서 광열 증발 성능을 평가했다.

■ 그 림 설 명

그림설명. 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.

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