<연구 배경>
태양은 깨끗한 에너지로 옛날부터 주목을 받고 있지만, 상업적으로 이용하려면 얻어지는 에너지 생산/운영 비용의 수지가 낮은 것이 문제점으로 지적되고 있다. 태양광 이용의 주역은 확실히 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양 전지이지만 태양광을 효율적으로 이용하는 방법은 태양 전지뿐만이 아니다. 전기 에너지 변환에 비해 열에너지 변환의 이용 용도는 좁지만 태양광 에너지를 남김없이 흡수하여 물 가열에 사용하는 태양열 온수기는 가열에 필요한 전기 에너지를 절약할 수 있고 충분히 에너지 문제 해결에 기여할 수 있다.

본 연구에서는 가능한 생산/운영 비용을 낮추는 재료를 설계하면서 정적몰 비열이 일반적인 금속보다 4 분의 1 정도 낮은 다공성 그래핀 소재를 개발했다. 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있는 다공질이 내부에 있어 물을 국소 가열할 수 있는 3차원 나노 다공성 그래핀은 낮은 생산 / 운영 비용으로 수증기를 대량으로 발생시킬 수 있다. 따라서, 태양광 에너지 이용 효율을 높일 것으로 기대되고 있다. 또한 탄소만으로 구성되기 때문에 부식되지 않으며 환경 부하가 적고, 폐기물 문제도 없는 깨끗한 재료이다.

<연구 내용>
본 연구는 나노 미터 크기의 다공성 내부에 갇힌 물을 태양광을 이용하여 국소 가열하여 수증기를 만들어내는 것을 목적으로 하고 있다. 물 국소 가열의 개념도 (그림 1 (a))에 나타난 바와 같이, 다공성은 열수의 확산을 막고 물을 가열하는 히터 (태양광 흡수부), 모세관 현상에 의해 물을 빨아 올리는 펌프 수증기를 방출하는 배기구 및 태양 광의 난반사 촉진에 의한 태양광 흡수 역할을 담당하고 있다. 실제 나노 다공성 그래핀은 다공성 구조를 가지고 있기 때문에 검은색을 하고 있으며, 빛을 잘 흡수하고 있는 것을 알 수 있다 ( 그림 1 (b)). 주사 전자 현미경(SEM)으로 그래핀을 관찰한 결과, 두께가 35마이크로미터에서 표면에 깨끗한 다공성 구조가 되어 있는 것을 확인했다 ( 그림 1 (c-d)). 또한 그래핀에 렌즈에서 집광된 태양광을 조사하면 2분 이내에 증기(수증기)가 발생하는 것을 확인했다 ( 그림 1 (e)).

가상 태양광(태양광 시뮬레이터)를 그래핀에 조사하여 수증기를 발생시키는 실험을 실시했다. 그림 2 는 가상 태양 아래에서 물 증발량을 나타낸 그림이다. 물만 있는 경우에 비해 그래핀이 물 표면에 존재하는 경우, 물의 증발량이 크게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 그래핀은 소수성이지만, 질소 화학 도핑 (일부 탄소 원자를 질소 원자로 치환)함으로써 친수성화할 수 있으며 소수성 그래핀에 비해 친수성 그래핀 쪽이 물의 증발 속도가 빨랐다. 이것은 친수성의 경우 모세관 현상에 의한 물의 흡수가 빠르기 때문이다. 이번 실험에서는 최대의 물의 증발 속도는 단위 면적당 1.5kg/h가 되는 것을 알 수 있었다. 태양광 에너지 변환 효율은 80%에 상당하고, 지금까지 발표된 수증기 발생 효율에서 세계 최고 수준이다. 단순히 흑연 분말을 사용한 경우에 비해 두께를 200분의 1 에도 불구하고 효율을 24% 증가시켰다. 두께를 감소시킨 것은 히터의 열용량을 감소시키는 것을 의미하며, 다른 어떤 탄소 재료보다 단시간에 고온이 되기 쉽다.

다음은 소수성과 친수성 그래핀의 물의 증발 능력의 차이를 이해하기 위해 온도 변화 측정을 실시했다. 소수성 그래핀은 시간이 지나도 좀처럼 온도가 상승하지 않는 반면 친수성 그래핀은 5분 이내에 100도에 도달하고 있는 것을 알 수 있다 ( 그림 2 (b)). 이것은 친수화(질소 화학 도핑)할 때 그래핀의 구조가 일부 파괴되어 그래핀에 있는 전도 특성이 일부 손실되어 열전도가 감소한 결과 열이 분산하기 어려워 열국소화 효율이 상승했기 때문이라는 것을 알 수 있다.

<앞으로의 전개>
3차원 다공성 그래핀을 이용하면 저렴한 비용으로 태양광 에너지를 수증기 발생을 위한 열 에너지로 고효율 변환하는 방법을 제공할 수 있는 가능성이 제시되었다. 환경 부하가 높은 금속을 사용하지 않고, 또 정적 몰 비열이 가장 낮은 탄소를 사용함으로써 환경 부하를 줄일 뿐만 아니라 장치 자체를 가열하기 위한 열량도 작기 때문에 열 낭비를 줄일 수 있다.

(그림 1) 나노 다공성 그래핀의 모형과 수증기 발생
(a) 태양광을 흡수하여 국소 가열된 물이 수증기가 되어 방출되는 개념도.
(b) 실제로 사용되고 있는 나노 다공성 그래 핀의 실물 사진.
(c) 나노 다공성 그래핀 표면의 SEM 이미지.
(d) 나노 다공성 그래핀의 측면의 SEM 이미지.
(e) 실제로 집광된 태양 광을 이용하여 발생한 수증기의 사진.

(그림 2) 나노 다공성 그래 핀의 수증기 발생 능력
(a) 가상 태양광 조사 하에서의 소수성 그래핀, 친수성 그래핀을 띄운 경우와 물만 경우 물의 증발 속도. 조사 강도는 1000W/m2 . 최대의 물의 증발 속도는 단위 면적당 1.5kg/h.
(b) 가상 태양광 조사 하에서의 소수성 그래핀, 친수성 그래 핀 물의 온도 변화. 그래핀 시료에서 떨어진 장소의 물의 온도는 대부분 상승하지 않는다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 26일]