융합바이오·신소재공학과 유정목 교수 연구팀이 물 부족 문제 해결을 위한 태양광열 증발기를 제작하여 새로운 기술적 접근을 제시했다. 사진은 셀룰로오스 나노섬유와 CO₂ 레이저 탄화층을 결합한 하이브리드 구조의 친환경 태양열 증발기 개요.

융합바이오·신소재공학과 유정목 교수 연구팀, 친환경 태양광열 증발기 제작
저비용, 고효율의 지속 가능한 기술

융합바이오·신소재공학과 유정목 교수 연구팀이 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 기반으로 한 태양광열 증발기를 제작하여, 물 부족 문제 해결을 위한 새로운 기술적 접근을 제시했다. 이 증발기는 CO₂ 레이저 탄소화 공정과 아이스-템플레이팅(Ice-Templating) 기법을 결합해 효율적인 물 증발과 환경친화적인 물 처리를 실현한다. 따라서, 기존의 고비용 담수화 기술을 대체할 가능성을 시사한다.

현재, 전 세계적으로 약 20억 명이 물 부족 문제에 직면해 있다. 기후 변화와 환경 오염, 인구 증가 등 다양한 요인으로 그 문제가 점점 심화되고 있다. 유엔은 2050년까지 세계 인구의 약 30%가 물 부족 상태에 직면할 것이라고 경고한다. 이에 따라 물을 효율적으로 정화하고 증발시키는 지속 가능한 기술의 필요성이 높아지고 있다.

셀룰로오스 기반의 친환경 기술
연구팀은 셀룰로오스를 기반으로 한 태양광열 증발기를 제작하여 물 부족 문제 해결에 도전했다. 셀룰로오스는 나무와 식물에서 자연적으로 얻을 수 있는 물질이다. 생분해가 가능하고 환경에 미치는 영향이 적다. 연구팀은 이 셀룰로오스를 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 형태로 가공해 물을 빠르게 전달할 수 있는 섬유 구조를 만들었으며, 이를 다시 셀룰로오스 에어로겔(Cellulose Aerogel, CA)의 형태로 변형했다. 에어로겔은 공기처럼 가볍고 다공성이 뛰어난 특성의 물질로, 열을 잘 전달하고 물을 빠르게 이동시켜 태양광열 증발기에서 중요한 역할을 한다.

연구팀은 태양광열 증발기의 성능을 극대화하기 위해 두 가지 혁신적인 기법을 결합했다. 첫 번째는 아이스-템플레이팅 기법이다. 이 기법은 셀룰로오스 나노섬유를 분산시킨 액체를 얼음으로 얼려 다공성 구조를 형성하는 방법이다. 얼음이 녹을 때 생긴 빈공간은 효율적인 물 흐름 경로를 제공하며, 증발 성능을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 두 번째는 CO₂ 레이저 탄소화 공정이다. 이 공정은 셀룰로오스 에어로겔 표면에 레이저를 사용해 광열 변환층을 추가하는 방법이다. 레이저로 만들어진 탄소층은 다양한 파장의 태양열을 매우 효율적으로 흡수하고, 열로 변환하는 성능을 향상시켜 물 증발 속도를 빠르게 한다.

효율적인 증발 성능과 환경 보호
제작된 태양광열 증발기는 물 증발 속도와 효율성 면에서 우수한 성과를 기록했다. 순수 물에서 1.9 kg m⁻² h⁻¹의 증발률과 83.8%의 증발 효율을 달성했으며, 모의 해수 환경에서도 안정적으로 작동했다. 또한, 연구팀은 증발기 표면에 폴리디메틸실록산(PDMS)을 덧입혀 부력을 향상시키고 열 손실을 줄여 최적의 성능을 유지할 수 있도록 설계했다.

셀룰로오스를 사용한 증발기는 성능 향상뿐만 아니라 환경적인 측면에서도 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 기존의 담수화 과정에서는 필터링 단계에서 미세 입자가 발생할 가능성이 높지만, 셀룰로오스 나노섬유는 물 흐름을 원활하게 만들어 증발 과정에서 미세플라스틱이 생성되지 않도록 돕는다. 이를 통해 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 이외에도 자가 세척 기능을 통해 증발기 표면에 축적된 염을 자연적으로 제거할 수 있어, 염 축적 문제도 해결할 수 있을 것으로 보인다.

유정목 교수 연구팀의 기술은 물 부족 지역에서의 해수 담수화, 농업용수 정화, 산업 폐수 처리 등 다양한 분야에 실용적으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 셀룰로오스와 같은 친환경 소재를 사용하여 기존 담수화 기술에서 발생하는 환경 오염 문제를 해결하는 동시에 경제적이고 지속 가능한 물 처리가 가능하다는 점에서 의의가 크다. 유정목 교수는 “대학원생 연구자들과 다양한 아이디어를 공유하며 얻을 수 있었던 값진 결과였다. 이번 연구를 기반으로 물 부족 문제 해결을 위해 경제적이고 지속 가능한 기술 개발을 위해 노력할 계획”이라고 밝혔다. 또한, “환경과 사회에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 연구를 계속 이어나가고 싶다”라는 포부도 전했다.

연구팀의 성과는 11월 17일 세계적인 학술지인 ＜Advanced Functional Materials＞에 게재되었으며, 물 부족 문제 해결을 위한 혁신적이고 지속 가능한 기술로서 큰 주목을 받고 있다.

글 정예솔 wg1129@khu.ac.kr

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