포스텍 연구팀, 바닷물로 식수·전기 동시 생산 '얼룩말 줄무늬 증발기' 개발

체온조절 가능한 얼룩말 무늬 특성 활용

포스텍 전상민 교수

포스텍 토시프 와니 박사

포스텍(포항공대) 화학공학과 전상민 교수, 토시프 와니 박사 연구팀이 태양광을 이용해 바닷물을 증발시키면서 식수와 전기를 동시에 생산할 수 있는 일명 '얼룩말 줄무늬 증발기'를 개발했다.

연구 결과는 해수 담수화 연구 분야에서 권위 있는 국제 학술지 '해수담수화'에 온라인 게재됐다.

2024년 유네스코 보고서에 따르면 전 세계 인구 약 22억명이 안전한 식수 사용에 어려움을 겪고 있다. 이 같은 물 부족 문제를 해결하기 위해 '해수 담수화' 기술이 꾸준히 발전하고 있긴 하지만 높은 에너지 소모와 초기 설비 비용 때문에 저개발 국가에서의 적용은 쉽지 않다.

그간 연구가 다양하게 이뤄진 '태양열 기반 증발식 담수화(이하 SSG)' 기술은 태양광을 이용해 물을 국소적으로 가열해 증발시키는 방식으로, 에너지 효율이 높고 구조가 단순하다는 강점이 있다.

하지만 증발 면적이 커질수록 중심부에 수증기가 축적되면서 오히려 증발이 줄어드는 문제가 생겼다.

이에 연구팀은 아프리카 얼룩말의 줄무늬가 단순한 무늬가 아니라 체온 조절에 핵심적인 역할을 한다는 점에 주목했다.

검은색 줄무늬는 햇빛을 흡수해 온도를 높이고, 흰색 줄무늬는 빛을 반사해 온도를 낮추며, 이로 인해 양쪽 사이에 온도 차가 발생하면서 자연적인 공기 대류가 유도돼 체온이 조절된다는 사실에 영감을 얻었다.

연구팀은 셀룰로스 박막에 빛을 흡수해 열로 전환하는 특성이 우수한 폴리피롤을 입혀 검은색의 SSG 박막을 제작하고, 이를 일정 간격의 줄무늬 형태로 잘랐다.

그리고 이 구조 아래에 태양전지를 배치해 수분 증발과 동시에 전력생산이 가능하도록 설계했다.

특히 이 구조를 단순한 평면이 아닌 지그재그 형태로 접어 3차원 줄무늬 SSG로 제작할 경우, 온도 차이에 따른 공기 대류 촉진 외에도 증발기 뒷면에서의 추가 증발과 내부에서의 빛 산란 증가 효과가 나타났다.

실험결과 2차원 구조에 비해 담수 생산량은 28%, 전기 생산량은 10% 향상됐다.

전상민 교수는 "얼룩말 줄무늬 3D 태양열 증발기는 간단한 구조를 가지고 있어 대형화에 유리하다. 또 전기와 담수를 동시에 생산할 수 있어 전력과 식수 공급이 어려운 지역에서 유용하게 활용될 것으로 기대된다"고 했다.