국내 연구진이 태양열 증기 발전 시스템의 효율성을 높이는 혁신적인 소재와 공정 융합 설계법을 개발하여 친환경 에너지 개발에 긍정적인 신호를 보내고 있다.
한국연구재단은 이원오 교수(전남대학교) 연구팀이 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 결합하여 효율을 향상시킨 '태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론'을 제시했다고 밝혔다.
최근 에너지, 로봇, 생의학 등 첨단 과학 분야에서는 4D 프린팅과 스마트 액추에이터를 활용한 다양한 연구가 진행되고 있다. 스마트 액추에이터는 외부 자극에 따라 형태나 성질을 변화시키는 장치로, 기존의 기계적 방식 대신 스마트 소재를 이용해 자가 조절이 가능하다.
4D 프린팅 기술은 시간이 지남에 따라 변형 가능한 구조를 설계하고 제조할 수 있는 기술로, 하이드로겔 같은 스마트 소재를 활용해 차별화된 장치를 만들 수 있다. 특히 열반응성 하이드로겔은 물을 흡수하고 팽창하는 특성을 가지며, 온도 변화에 따라 물리적 형태를 변화시킬 수 있어 태양열을 열에너지로 변환하고 물을 증발시키는 시스템 구현에 유리하다. 하지만 기존 하이드로겔만으로는 물 증발 시스템의 성능이 충분하지 않아, 다층 구조와 열반응성 물질을 결합한 새로운 시스템 설계가 필요하다.
연구팀은 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 융합하여 태양열을 직접 활용해 물을 증발시키고, 에너지와 물을 동시에 생성하는 '태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론'을 개발했다. 이 시스템은 열반응성 하이드로겔의 빠른 응답 속도로 효율적인 증기 발생이 가능하며, 4D 프린팅 설계를 통해 물리적 강도와 내구성을 높여 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있다.
특히 4D 프린팅 기법으로 설계된 열반응성 하이드로겔 액추에이터는 낮에는 변형이 크고 이른 아침 및 늦은 오후에는 변형이 적어 매시간 최적의 증기 발생을 위한 형상을 자율적으로 조절할 수 있다. 또한, 자가 정화 기능을 통해 염분 축적이나 오염 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
연구팀은 보다 정밀하고 효율적인 증기 발전 시스템 설계를 위해 유한 요소 해석을 통해 하이드로겔 시스템을 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션하는 기술도 소개했다.
이원오 교수는 "하이드로겔과 4D 프린팅 융합 기술은 물과 에너지 등 환경 문제 해결에 대한 잠재력을 가지고 있다"며 "다양한 환경에서의 적용 가능성을 확대하기 위해 다른 스마트 소재와의 융합 연구도 추진할 계획"이라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원으로 진행되었으며, 성과는 재료 분야 국제학술지 '프로그레스 인 머터리얼즈 사이언스(Progress in Materials Science)'에 9월 22일 온라인으로 게재되었다.
