울산과학기술원(UNIST)은 전력 공급 없이 햇빛만으로 바닷물을 식수로 전환하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 이 기술은 전력 인프라가 열악한 개발도상국이나 섬 지역의 물 부족 문제 해결에 활용될 것으로 기대된다.

장지현 에너지화학공학과 교수팀은 태양광을 받아 바닷물을 가열하는 3원계 산화물 기반 증발기를 만들었다. 이 장치로 바닷물을 증발시킨 후 응축하면 전력 없이 마실 수 있는 물을 얻을 수 있다.

개발된 증발기를 바닷물에 띄우면 1㎡ 크기에서 1시간에 약 4.1L의 식수를 만들어낸다. 이는 자연 해수 증발 속도의 7배 가까이 되며 지금까지 학계에 보고된 산화물 소재 기반 장치 가운데 세계 최고 수준의 증발 속도다.

핵심은 새로운 광열 변환 소재에 있다. 광열 변환 소재는 태양 빛을 흡수해 열로 전환하는 소재로, 증발기 표면에 얇게 코팅된다.

연구팀은 내식성이 우수한 망간 산화물의 망간 일부를 구리와 크롬으로 바꿔 3원계 산화물 광열 변환 소재를 제작했다. 물질 조성을 조절해 흡수 가능한 태양광 파장 대역을 설계하는 밴드갭 엔지니어링 기술을 적용한 것이다.

일반 산화물 소재는 가시광선 파장까지만 흡수하지만, 개발된 소재는 자외선부터 가시광선, 근적외선까지 빛의 97.2%를 흡수한다.

흡수된 태양광의 열 전환 효율도 높다. 망간을 크롬이나 구리가 대체하면 흡수된 태양 빛 에너지가 다시 빛으로 방출되기보다 열로 바뀌는 비율이 높아진다.

그 결과, 소재 표면 온도는 80℃까지 상승한다. 같은 조건에서 63℃에 머물렀던 기존 망간 산화물이나 74℃를 기록한 구리망간 산화물보다 훨씬 높은 수치다.

장치 구조도 염 축적을 최소화하는 방식으로 설계했다. 역U자형 구조에서 광열 변환 소재가 코팅된 증발면은 물을 잘 흡수하는 면 소재, 나머지는 폴리에스터 소재를 사용했다. 폴리에스터의 섬유 구조는 빨대처럼 물을 빠르게 끌어올리고, 폴리에스터의 소수성 성질은 소금이 증발면에 달라붙지 않도록 흘려보내는 역할을 한다.

장지현 교수는 "기존 산화물 광열 변환 소재들의 좁은 빛 흡수 대역을 근본적으로 개선하고 광열 변환 특성도 향상시켜 고성능 증발기를 만들 수 있었다"며 "소재 내구성이 뛰어나고 대면적화도 쉬워 실제 식수 부족 문제 해결에 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼즈에 지난달 16일 온라인 공개됐으며 정식 출판을 앞두고 있다. 연구는 미세 플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터의 ERC 과제와 중견 연구 과제, Brainpool 사업, 이노코어 사업의 지원으로 이뤄졌다.