[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 ‘태양열 증기 발전 시스템’의 효율을 높인 소재‧공정 융합 설계법을 제시했다.
한국연구재단은 전남대 이원오 교수 연구팀이 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 결합하여 효율을 증대한 ‘태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론’을 제시했다고 30일 밝혔다.
최근 에너지, 로봇, 생의학 등 첨단과학 분야에서 4D 프린팅과 스마트 액추에이터를 결합한 다양한 시도가 이뤄지고 있다.
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 개발했다.
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.
또 자가 정화 기능을 통해 염분 축적이나 오염으로 인한 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
아울러 연구팀은 보다 정밀하고 효율적인 증기 발전 시스템 설계를 위하여 유한 요소 해석을 통해 하이드로겔 시스템을 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션할 수 있는 기술을 소개했다.
이원오 교수는 “하이드로겔과 4D 프린팅 융합 기술은 물과 에너지 등 환경 문제 해결을 위한 잠재력을 가지고 있다”며 “다양한 환경에서의 적용 가능성 확대를 위해 앞으로 다른 스마트 소재와의 융합 연구도 추진할 계획”이라고 말했다.
