생체모방 표면 설계를 통한 태양열 담수 시스템의 응축 효율 향상 연구 = Enhancing condensation efficiency in solar desalination system through biomimetic surface design

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 물 부족 위기에 대응하여 기존의 화석 연료 집약적인 담수화 기술의 대안으로 태양 에너지를 활용하는 계면 태양 증기 발생(ISSG) 기술이 주목받고 있 다. 그러나 기존 ISSG 연구는 증발 효율 극대화에만 집중되어 생성된 증기를 회수 하는 응축 표면의 효율이 전체 담수 성능을 저해하는 한계가 있었다. 본 연구는 이 러한 문제를 해결하기 위해 고효율 광열재료 제작과 생체모방 응축표면 설계를 동 시에 진행하였다. 우선 광열재료로는 멜라민 스펀지(Ms)의 3차원 다공성 구조에 전 도성 고분자인 폴리피롤(PPy)을 화학적 산화중합으로 코팅한 Ms@PPy를 제작하였다. 이 Ms@PPy는 태양광 스펙트럼에서 98%의 높은 흡광률과 83.5%의 기공률을 가졌으 며 1 sun 조사 조건에서 84.9%의 높은 광열 변환 효율과 비코팅 스펀지 대비 3.2배 향상된 증발률을 달성하였다. 이와 동시에 증기 응축 효율을 높이기 위해 열대우림 식물(Ficus religiosa)의 잎끝 '드립팁(drip tip)' 구조가 물을 신속히 배출하는 원리에 착안하여, TiO2 (친수성)와 Si (초소수성) 코팅제로 이중 젖음성 표면 에너지 구배를 갖춘 생체모방 응축표면을 설계하였다. 다양한 잎끝 형상을 비교한 담수 실험 결과, drip tip 형상이 평면 대비 65% 향상된 0.32 kg∙m-2∙h-1의 가장 높은 물 수집율을 보였다. 액적 가시화를 통해 효율 향상의 메커니즘이 팁(tip) 영역에 의한 액적 가속 화에 있음을 규명하였다. 액적의 속도는 팁 구간 진입 시 최대 4배까지 가속되었는 데 이는 기하학적 구조가 유도하는 라플라스 압력 구배(FL)가 핀닝 저항력(Fc)을 극 복하는 능동적 구동력으로 작용하기 때문이다. 이로 인해 액적의 이탈 주기가 1.8배 빨라져 응축-이탈-회복 사이클이 가속화되었으며, 표면 잔류수도 최소화되었다. 나아 가 팁의 너비(Wbase)를 3mm로 최적화한 표면은 라플라스 구동력과 핀닝 저항의 균 형을 통해 평면 대비 약 2배 향상된 0.34 kg∙m-2∙h-1의 최고 수집 효율을 달성했다. 본 연구는 고성능 광열재료와 기하학 기반의 능동형 응축표면 설계를 결합하여 ISSG 시스템의 담수 효율을 근본적으로 향상시킬 수 있는 정량적 설계 지침을 제시 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 그 림 목 차·ⅲ
• 국 문 요 약·ⅴ
• Ⅰ. 서론 1
• 1-1. 연구 배경1
• 1-2. 연구 목적4
• Ⅱ. 계면 태양 증발을 위한 광열재료 제작 5
• 2-1. 광열재료 제작 및 선정·5
• 2-1-1. 재료 및 방법 6
• 2-1-2. 광열변환 특성 부여7
• 2-1-3. 광열재료 특성화9
• 2-1-4. 광열재료 증발 성능 평가12
• 2-2. 응축표면 설계 및 제작14
• 2-2-1. 재료 및 방법 14
• 2-2-2. 표면 특성화 16
• Ⅲ. 생체모방 응축표면 액적 수집량 측정18
• 3-1. 담수 실험 장치 제작 및 구성 18
• 3-1-1. 설계 및 제작 19
• 3-1-2. PIV 기법 및 셋업 구성21
• 3-2. 액적 수집량 측정 및 분석23
• Ⅳ. 액적 가시화 및 메커니즘 분석26
• 4-1. 액적 가시화·26
• 4-2. 이론적 고찰·29
• 4-3. 곡률 비에 따른 실험31
• Ⅴ. 결론 및 고찰33
• 참 고 문 헌 34
• ABSTRACT37