태양열 발전 혁신 이끌 新소재·공정 융합 설계법
물과 에너지 등 환경 문제 해결의 잠재력 확대
□ 국내 연구진이 ‘태양열 증기 발전 시스템’의 효율을 높인 소재‧공정 융합 설계법을 제시해 친환경에너지 개발의 청신호를 켰다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이원오 교수(전남대학교) 연구팀이 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 결합하여 효율을 증대한 ‘태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론’을 제시했다고 밝혔다.
□ 최근 에너지, 로봇, 생의학 등 첨단과학 분야에서 4D 프린팅과 스마트 액추에이터*를 결합한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
* 스마트 액추에이터: 외부 자극(예: 온도, 빛, 전기, 자성 등)에 반응하여 형태나 성질을 변화시키는 장치. 기존의 기계적 방식이 아닌 스마트 소재(예: 형상기억합금, 전기 활성 고분자 등)를 이용하여 자가 조절이 가능함.
○ 4D 프린팅은 시간에 따라 변형 가능한 구조를 설계‧제조하는 기술로 하이드로겔과 같은 스마트 소재를 사용하면 차별화된 장치를 만들 수 있다.
○ 열반응성 하이드로겔은 물을 흡수하고 팽창하는 특성이 있으며, 온도 변화에 따라 물리적 형태 변화가 가능해 태양열을 열에너지로 변환하고, 물을 증발시키는 시스템 구현에 용이하다.
○ 하지만, 물 증발 시스템을 위한 액추에이터는 기존 하이드로겔만으로는 성능이 충분하지 않아 다층 구조와 열반응성 물질을 결합한 시스템 설계가 요구된다.
□ 연구팀은 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 융합하여 태양열을 직접 활용해 물을 증발시키고, 에너지와 물을 동시 생성하는 ‘태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론’을 개발하였다.
○ 열반응성 하이드로겔은 응답 속도가 빨라 효율적인 증기 발생이 가능하며, 4D 프린팅 설계는 물리적 강도와 내구성을 높여 다양한 환경에서 장기간 안정적인 작동이 가능하다.
□ 4D 프린팅 기법으로 설계된 열반응성 하이드로겔 액추에이터는 한낮에는 변형이 크고, 이른 아침과 늦은 오후에는 변형이 작아 매시간 최적의 증기 발생을 위한 형상을 자율적으로 조절할 수 있다.
○ 또한 자가 정화 기능을 통해 염분 축적이나 오염으로 인한 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
□ 또한, 연구팀은 보다 정밀하고 효율적인 증기 발전 시스템 설계를 위하여 유한 요소 해석을 통해 하이드로겔 시스템을 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션할 수 있는 기술을 소개하였다.
□ 이원오 교수는 “하이드로겔과 4D 프린팅 융합 기술은 물과 에너지 등 환경 문제 해결을 위한 잠재력을 가지고 있다”라며 “다양한 환경에서의 적용 가능성 확대를 위해 앞으로 다른 스마트 소재와의 융합 연구도 추진할 계획이다”라고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ‘프로그레스인머터리얼즈사이언스(Progress in Materials Science)’에 9월 22일 온라인 게재되었다.
