한국에서 개발한 초고효율 태양광 증류 장치
한국 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 태양광만으로 작동하는 담수화 장치를 개발했다. 이 장치는 태양광 1sun 조건에서 시간당 제곱미터당 3.4리터의 증발률을 보였다. 시제품은 외부 전력 없이 햇빛과 La0.7Sr0.3MnO3라는 첨단 광열 소재를 이용해 바닷물을 식수로 바꾼다. 또한 태양광 담수화의 가장 까다로운 문제 중 하나인 증발기 표면의 염분 축적도 해결한다. 염분이 빛을 차단하고 성능을 떨어뜨리는 현상을 막기 위해 용해된 염분을 뜨거운 중앙부에서 가장자리 쪽으로 이동시킨다. 덕분에 장치는 오랜 시간 작동하면서 응축해 액체로 만들 수 있는 깨끗한 수증기를 생산한다.
목차
UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수가 이끈 이번 연구는 《Advanced Energy Materials》에 게재됐다. 간단한 종이 기반 모세관 구조와 고효율 광열 표면을 결합한 것이 특징이다. 내구성 시험에서 장치는 염분 농도가 20%인 염수에서도 2주 동안 안정적으로 작동했다. 이는 일반적인 바닷물의 염도인 3.5%보다 훨씬 높은 수치다. 연구팀은 같은 설계를 활용해 자원 회수도 가능하다고 밝혔다. 농축 염수를 바다에 다시 버리는 대신 가장자리에서 소금을 결정화해 수거할 수 있다.
더 많은 지역에서 물 부족이 심화하면서 수동형 태양광 담수화에 대한 관심이 높아지고 있다. 수십억 명이 안전하게 관리되는 식수를 안정적으로 이용하지 못하고 있으며, 해안 지역 사회는 운영비가 많이 들고 대량의 염수를 배출하는 디젤 구동 역삼투압 시설에 의존하는 경우가 많다. 햇빛만으로 담수를 생산하고 유지보수가 거의 필요 없으며 전력망에 의존하지 않는 모듈형 시스템은 외딴 마을과 섬, 농장, 재난 구호 현장의 중요한 물 부족 문제를 해소할 수 있다. UNIST 장치는 단순한 소재와 독창적인 구조, 햇빛을 활용해 대규모 설비에 의존하지 않는 방식으로 이러한 수요를 겨냥한다.
장치의 작동 원리
UNIST 설계는 물을 흡수하는 종이를 중심으로 구성한 독특한 역 L자형 증발기를 사용한다. 종이는 리트머스 종이처럼 모세관 작용으로 바닷물을 위쪽으로 끌어올린다. 수직 부분의 상단에는 La0.7Sr0.3MnO3로 만든 광흡수 광열층이 놓여 있다. 페로브스카이트 산화물인 이 소재는 들어오는 햇빛을 높은 효율로 열로 바꾼다. 바닷물이 뜨거운 표면에 닿으면 빠르게 증발하고 염분은 남는다. 수증기는 이후 더 차가운 표면으로 이동해 응축되며, 액체 담수로 수거된다.
핵심 요소는 유체의 흐름 방향이다. 연구팀은 뜨거운 표면을 가로질러 한 방향으로 흐르는 유체 이동을 설계해 염분 농도 기울기를 만들었다. 용해된 이온은 물의 활동도가 낮은 가장자리 부근으로 이동해 빛을 가리지 않는 곳에서 고체 염분으로 결정화된다. 이러한 자가 세척 효과는 중앙 광열 영역이 햇빛에 계속 노출되도록 유지하는 한편, 가장자리에서 염분을 포집해 제거하거나 재사용할 수 있게 한다. 구조와 유체 경로가 핵심 역할을 하므로 펌프와 막, 잦은 수동 세척의 필요성이 줄어든다.
La0.7Sr0.3MnO3 소재가 주목받는 이유
장치의 핵심에는 흔히 LSMO라고 줄여 부르는 La0.7Sr0.3MnO3가 있다. 광학적·전기적 특성을 조절할 수 있는 소재군인 페로브스카이트 산화물에 속한다. 태양전지에 흔히 쓰이는 납 기반 할라이드 페로브스카이트와 달리 LSMO는 란타넘, 스트론튬, 망가니즈로 구성되며 휘발성이 있거나 독성이 있는 납을 사용하지 않는다. 안정성과 환경 안전성이 중요한 수처리 분야에 적합한 소재다.
LSMO가 광열 변환에 뛰어난 이유는 햇빛을 받을 때 여기된 전하 운반자를 처리하는 방식에 있다. 간단히 말해 이 소재는 전자 구조 안에 트랩 상태를 형성한다. 빛이 전자를 더 높은 에너지 상태로 들뜨게 하면, 상당수가 빛을 방출하지 않고 재결합하면서 에너지를 열로 직접 방출한다. 흔히 열화라고 불리는 이 비복사 경로를 통해 들어온 태양 에너지의 상당 부분이 표면에 집중된 열로 바뀐다. 효율적인 열 방출은 온도를 빠르게 높여 같은 양의 햇빛으로 더 빠른 증발을 유도한다.
염분 문제 해결
염분에 의한 오염은 오랫동안 태양광 담수화의 발목을 잡아왔다. 물이 증발하면 용해된 염분이 농축돼 결국 뜨거운 표면에서 결정화한다. 결정은 빛을 산란시키고 열 전달을 막아 증발률을 크게 떨어뜨린다. 이전에 개발된 여러 시스템은 몇 시간 동안은 잘 작동했지만, 이후 세척이 필요하거나 염분을 씻어내기 위해 작동을 멈춰야 했다. UNIST 연구팀은 복잡한 코팅이나 움직이는 부품 대신 구조와 제어된 흐름으로 이 문제에 대응한다.
역 L자형 구조와 한 방향 흐름은 지속적인 염분 농도 기울기를 만들어 이온을 가장 밝고 뜨거운 영역에서 멀어지게 한다. 결정은 가장자리에서 핵을 형성하고 자라나 쉽게 수거할 수 있다. 실험실 시험에서 장치는 총 용존 염분 농도가 20%인 매우 짠 용액에서도 2주 동안 성능을 유지했다. 이는 산업 공정에서 배출되는 염수의 전형적인 농도이며 외해의 바닷물보다 훨씬 높은 수준이다. 따라서 실제 바닷물 운용에 충분한 여유가 있고, 염수 농축과 자원 회수에도 활용될 가능성이 있음을 보여준다.
성능 수치의 의미
보고된 증발률은 태양광 1sun 조건에서 시간당 제곱미터당 3.40킬로그램이다. 1sun은 제곱미터당 약 1킬로와트인 표준 시험용 햇빛을 뜻한다. 비슷한 시험에서 수동형 태양광 증류 장치 다수는 시간당 제곱미터당 약 0.3~0.4킬로그램을 생산한다. 따라서 UNIST 시제품의 속도는 8~10배 빠르다. 실제 하루 물 생산량은 하루 전체의 지역별 일사량과 수증기를 다시 액체로 바꾸는 응축기의 효율에 달려 있다. 햇볕이 강한 날 몇 시간 동안 작동한다면 보고된 증발률 기준으로 면적 1제곱미터 모듈은 하루 수십 리터 정도를 생산할 수 있다. 여러 모듈을 배열하면 생산량을 더 늘릴 수 있다.
증발률과 실제 식수 생산량은 구분할 필요가 있다. 실험실 수치는 뜨거운 표면에서 매시간 수증기로 빠져나오는 질량을 측정한다. 실제 시스템은 열 손실을 줄이면서 수증기의 거의 전부를 포집해 깨끗한 저장조에 응축해야 한다. 응축기를 잘 설계하고 단열을 강화하며 잠열을 재사용하면 전체 시스템의 생산량을 증발기 성능에 더 가깝게 끌어올릴 수 있다. UNIST 연구팀은 오염을 막는 장치의 특성도 안정적인 생산량의 핵심 요인으로 꼽았다. 광열 표면이 깨끗하게 유지돼야 시간이 지나도 빛을 흡수하고 열을 생성하는 능력이 유지되기 때문이다.
기존 담수화 방식과의 비교
현대 담수화의 주류는 역삼투압이다. 바닷물을 고압으로 미세막에 통과시켜 도시와 산업에 필요한 대량의 담수를 생산한다. 하지만 이러한 성능에는 대가가 따른다. 역삼투압은 물 1세제곱미터를 생산하는 데 수킬로와트시의 전력을 소비하고, 막을 보호하기 위한 전처리가 필요하며, 책임 있게 처리해야 하는 농축 염수를 배출한다. 시설에는 막대한 자본이 들어가고 대개 전력망이나 전용 전력원에 연결해야 한다.
UNIST 설계와 같은 수동형 태양광 증발기는 압력과 펌프, 높은 전력 수요를 피할 수 있다. 단위 시간과 면적당 생산량은 적지만 전력망과 소음에 의존하지 않고 더 간단한 유지보수로 작동할 수 있다. 염분 결정화를 가장자리로 유도하는 기능은 염수 배출량도 줄인다. 적합한 기후에서는 모듈형 증발기를 여러 대 설치해 가정과 진료소, 농장에 식수를 공급할 수 있고, 더 큰 시설은 지역 사회 단위의 수요를 뒷받침할 수 있다. 도시에서는 태양광 증발이 대규모 생산 시설을 대체하기보다 보완할 가능성이 크다. 회복력 있는 비상용 설비나 전력망 외곽의 외딴 지역을 위한 해법으로 활용될 수 있다.
활용 분야와 보급 경로
이 장치는 전력망 이용이 제한되고 유지보수 인력이 부족한 환경을 겨냥한다. 섬 지역 사회와 어촌, 해안 농장이 이에 해당한다. 폭풍과 지진, 분쟁으로 물 기반 시설이 마비된 뒤의 인도주의 구호 현장도 마찬가지다. 연구팀의 구상은 모듈형이어서 소규모 수요에는 단일 패널을, 더 큰 수요에는 여러 대를 묶은 설비를 설치할 수 있다. 소음이 적고 고압 장비가 없다는 점에서 신뢰성과 안전성이 중요한 학교와 진료소에도 적합하다.
설계가 염분을 가장자리로 유도하므로 자원 회수에도 활용할 수 있다. 농축 액체 염수를 방류하는 대신 운영자는 고체 소금과 결정화된 다른 광물을 수거할 수 있다. 이는 환경 영향을 줄이고 소규모 수익원을 만들 수 있다. 연구팀은 역 L자형 증발기를 여러 대 결합해 더 큰 모듈을 구성하는 차세대 설계도 제안했다. 이는 현장 설치와 유지보수를 더 간편하게 하는 방안이다.
대규모 확장과 공학적 과제
실험실 시제품을 현장 장비로 발전시키려면 소재와 제조, 열 관리에 세심한 주의를 기울여야 한다. 증발기의 종이 심지는 수개월 동안 반복되는 습윤·건조 주기와 해양 생물에 의한 오염, 자외선 노출을 견뎌야 한다. 광열 표면도 성능 저하를 최소화하면서 빛 흡수와 열 변환 능력을 유지해야 한다. LSMO는 열 안정성이 높은 페로브스카이트 산화물이어서 유리한 점이 있다. 비용에는 제조 방식이 중요하다. 저온에서 넓은 면적을 균일하게 코팅할 수 있는 기술은 비용을 낮추고 재현성을 높일 수 있다.
응축과 열 회수는 시스템 효율의 핵심이다. 수증기 1킬로그램에는 많은 양의 잠열이 담겨 있다. 유입되는 바닷물과 열을 공유하는 표면에서 수증기를 응축하는 설계는 이 에너지를 재활용해 전체 생산량을 높일 수 있다. 외함은 세척이 쉬우면서 열 손실과 증기 누출을 최소화해야 한다. 먼지와 물보라, 염분 결정은 간단한 세척 절차로 관리해야 한다. 매우 높은 염도에서 진행한 연구팀의 내구성 시험은 고무적이지만, 해안 환경에서 수개월 동안 시험해야 장기적인 내구성과 유지보수 요건을 입증할 수 있다. 구호 단체 및 지역 공공사업자와의 협력은 이러한 시험을 지원하고 기후별 설계 선택을 안내하는 데 도움이 될 수 있다.
기후와 지속가능성 고려 사항
태양광 담수화는 전력망에서 벗어난 지역에 뚜렷한 기후상 이점을 제공한다. 전기를 햇빛으로 대체해 디젤 발전기의 연료 소비와 배출을 피할 수 있다. 다만 란타넘과 스트론튬의 조달부터 흡수체와 외함의 제조까지 전 과정의 환경 영향도 중요하다. 내구성 있는 소재와 간단한 조립 방식을 사용하면 운용 수명을 늘리고 내재 탄소를 여러 해에 걸쳐 분산할 수 있다. 고압 펌프가 없어 에너지 사용과 작동 소음이 줄어 해안 지역 사회와 야생 생물에도 이롭다.
폐기물 흐름도 기존 담수화 시설과 다르다. UNIST 방식은 가장자리에서 염분을 결정화해 연안 해역으로 배출되는 농축 염수의 양을 줄일 수 있다. 여건이 되면 수거한 소금을 산업 공정에 재사용하거나 염전에 안전하게 돌려보낼 수 있다. 이는 담수화와 해양 생태계의 양립을 돕고, 국제 개발 목표인 깨끗한 물과 위생에도 부합한다. 기후변화로 가뭄과 폭염이 더 심해지는 가운데, 풍부한 바닷물을 최소한의 에너지로 안전한 식수로 바꾸는 실용적 기술은 지역별 기후 적응 계획의 일부가 될 전망이다.
핵심 내용
- UNIST 연구진은 전기 없이 작동하는 태양광 담수화 장치를 개발했으며, 태양광 1sun 조건에서 시간당 제곱미터당 3.40킬로그램의 증발률을 보고했다.
- 이 설계는 종이 심지와 역 L자형 구조를 사용해 바닷물을 광열 표면으로 끌어올린다.
- 광열층은 비복사 재결합으로 햇빛을 열로 바꾸는 페로브스카이트 산화물 La0.7Sr0.3MnO3로 구성된다.
- 한 방향 흐름이 염분을 가장자리로 이동시켜 뜨거운 중앙부의 오염과 빛 차단을 줄인다.
- 내구성 시험에서 일반적인 바닷물보다 염분 농도가 높은 20% 용액에서도 2주간 안정적으로 작동했다.
- 일반적인 수동형 태양광 증류 장치의 생산량은 시간당 제곱미터당 0.3~0.4킬로그램으로, 보고된 증발률보다 약 8~10배 낮다.
- 이 방식은 소금을 수확할 수 있고 여러 기존 방식에 비해 액체 염수 배출량을 줄인다.
- 모듈을 배열하면 전력망이 닿지 않는 마을과 진료소, 섬, 재난 구호 현장에 물을 공급할 수 있다.
- 이번 연구는 《Advanced Energy Materials》에 게재됐으며, 장지현 교수가 이끌고 주저자는 사우라브 차울레 박사다.
- 현장 시험과 응축기 설계, 대량 생산이 실제 생산량과 비용을 좌우할 전망이다.
