신기술

KIST, 고효율 태양열 막증류 기술 개발
   (송경근·최원준 박사팀)                                                                                                   
 
태양열 흡수성능 우수한 흡수체 적용…물 생산량 2배 이상 증가
수처리 기술에 소재 기술 접목한 혁신적 융합연구의 성공적 사례

국내 연구진이 티타늄(Ti) 금속과 불화마그네슘(MgF₂)을 이용한 새로운 태양열 흡수체를 적용하여 물 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있는 고효율 태양열 막증류 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구센터 송경근 박사와 광전소재연구단 최원준 박사 공동연구팀은 신재생에너지인 태양열을 이용해 바닷물이나 하수를 먹는물로 생산할 수 있는 고효율 태양열 막증류 기술을 개발했다고 지난 7월 2일 밝혔다.

막증류 기술은 바닷물로부터 먹는물을 만드는 담수화 기술의 하나로 바닷물을 가열해 수증기만 통과되는 소수성 분리막으로 통과시켜 바닷물과 분리하여 모아 응축하여 먹는물을 생산하는 기술이다. 기존 증발방법에 비해 낮은 온도에서 구동이 가능해 에너지 사용량을 줄일 수 있어 차세대 담수화 기술로 각광받고 있다. 특히 신재생에너지인 태양열을 열원으로 이용하는 태양열 막증류 기술은 화석연료 사용을 줄여 지구온난화를 방지할 수 있다.

태양열 막증류 기술에서 가장 중요한 부분은 태양열을 모아 물을 가열하는 역할인 태양열 흡수체다. 기존 상용화된 태양열 흡수체는 태양열 흡수성능이 낮아 태양열 조건이 좋은 일부지역에서만 적용이 가능하며, 이 경우에도 태양열 흡수에 필요한 흡수체의 면적이 매우 넓어야하는 단점이 존재했다.

연구진이 개발한 태양열 흡수체는 태양에너지의 대부분 영역인 0.3∼2.5㎛ 파장의 태양에너지를 85% 이상 흡수하고, 물 온도를 80℃ 이상으로 가열할 수 있는 성능을 가지고 있다. 개발된 흡수체를 태양열 막증류에 적용한 결과, 9월 맑은 날 기준 10시간 동안 4.78L/㎡의 먹는물을 생산할 수 있었다. 이는 기존 물 생산량의 2배 이상이다.

새로운 태양열 흡수체는 전자 빔을 이용해 티타늄(Ti) 7.3㎚ 두께와 불화마그네슘(MgF₂) 96.5㎚ 두께로 10층을 교대로 증착하는 간단한 방법으로 제조가 가능하며 우수한 태양열 흡수성능을 가지고 있어 태양열 보일러 등에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

▲ 티타늄(Ti)·불화마그네슘(MgF₂) 태양열 흡수체 적용 태양열 막증류 기술의 작동원리

개발된 태양열 막증류 기술은 태양열을 열원으로 사용하기 때문에 에너지 인프라가 없는 고립지역에 적용할 수 있다. 먹는물이 부족한 해외 저개발국 및 국내 도서지역 또는 오지에 먹는물을 공급하는 시설로 적용할 수 있으며, 해외 파병지역, 야전 주둔지 등 군사용 시설에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

송경근 박사는 “이번 연구는 수처리 기술에 소재 기술을 접목해 혁신적인 성과를 창출한 융합연구의 성공적인 사례로 큰 의미가 있다”면서 “앞으로도 지속적인 융합연구를 통하여 최첨단 소재 기술을 적용한 수처리 기술 개발에 매진할 계획이다”라고 말했다.

이번 연구는 국토교통부(장관 김현미) 지원으로 국토교통기술촉진연구사업 등으로 수행됐다. 연구결과는 수자원 분야 국제 저널인 『Desalination』 최신 호에 게재됐다.

[『워터저널』 2020년 8월호에 게재]