태양열 증기 발전 혁신 이끌 신소재·공정 융합 설계법 개발
이원오 교수 연구팀, 태양열 증기 발전 시스템 성과 발표
국내 연구진이 4D 프린팅과 하이드로겔을 결합한 태양열 증기 발전 시스템 설계법을 개발해 물과 에너지 문제 해결에 새로운 가능성을 열었다. 한국연구재단(이사장 이광복)은 이원오 전남대학교 교수 연구팀이 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 융합해 태양열을 활용한 효율적인 증기 발전 시스템을 설계했다고 밝혔다.
태양열 활용한 증기 발전의 효율 극대화
이 시스템은 열반응성 하이드로겔의 물 흡수·팽창 특성과 온도에 따른 물리적 형태 변화를 이용해 태양열을 효율적으로 열에너지로 변환하고 물을 증발시키는 방식으로 작동한다. 기존 하이드로겔 기반 시스템보다 응답 속도가 빠르며, 염분 축적 및 오염 문제를 스스로 해결할 수 있어 다양한 환경에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있다.
4D 프린팅 기반 자율적 형태 변화 기술 도입
한낮과 아침·저녁의 태양광 강도에 맞춰 자율적으로 형상을 조절할 수 있는 4D 프린팅 기반 액추에이터를 도입했다. 이 기술로 태양열의 시간대별 변화에 따라 최적의 증기 발생을 유지할 수 있으며, 염분이나 오염 물질로 인한 성능 저하를 방지하는 자가 정화 기능도 탑재했다.
정밀한 시스템 설계 위한 유한 요소 해석 도입
연구팀은 정밀한 증기 발전 시스템 설계를 위해 유한 요소 해석을 도입해 하이드로겔의 물리적 특성을 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션을 수행했다. 이를 통해 하이드로겔의 변형과 에너지 전달 과정을 정밀하게 분석해 시스템의 효율성을 높이는 데 기여했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원을 받아 수행한 것으로, 재료분야 국제학술지 프로그레스인머터리얼즈사이언스(Progress in Materials Science)에 9월 22일 온라인판에 게재됐다.
A. 4D 프린팅과 스마트 액추에이터의 결합이 에너지, 로봇, 생의학 등 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있습니다. 특히 열반응성 하이드로겔은 외부 자극에 민감하게 반응하는 특성으로 주목받아 태양열을 활용한 물 증발 시스템에 활용 가능성을 봤습니다. 효율성과 비용 절감을 고려한 설계를 통해 재료와 구조, 수치 해석까지 통합적 접근을 시도한 것이 본 연구의 출발점이었습니다.
Q. 이번 연구가 다른 점은 무엇?
A. 이번 연구는 태양열을 직접 활용해 물 증발에 최적화된 시스템을 설계했다는 점에서 차별화됩니다. 특히 다층 구조의 설계를 통해 하이드로겔의 빠른 응답 속도와 내구성을 극대화함으로써 기존 증기 시스템의 한계를 넘고자 했습니다.
Q. 실용화되면 어떻게 활용될 수 있나?
A. 이 연구는 주로 태양열을 활용한 물 증발 시스템, 해수 담수화와 같은 청정 에너지 생산 분야에 응용될 수 있습니다. 실용화를 위해서는 하이드로겔의 장기 안정성, 소금 내성, 대규모 제조 가능성을 높여야 하며, 외부 자극에 대한 대응성 강화를 위해 추가 연구가 필요합니다.
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