▲태양열 증기 생성용 열반응성 자가 형태 변환 액추에이터. 해수나 강물 위에서 열반응성 하이드로겔이 태양의 일조 시간에 따라 스스로 형태를 변형시키며 태양열을 이용해 증기를 생성하는 모습을 나타내는 모식도. 4D 프린팅 기법으로 설계된 열반응성 하이드로겔 액추에이터는 한낮에는 가장 큰 변형을 보이며, 이른 아침과 늦은 오후에는 변형이 작다. 이를 통해 매 시간 최적의 증기 발생을 위한 형상을 자율적으로 조절할 수 있다. (자료=전남대 이원오 교수)
국내 연구진이 태양열 증기 발전 시스템의 효율을 크게 높이는 신소재 및 공정 융합 설계법을 개발하며, 친환경 에너지 발전에 새로운 가능성을 제시했다. 한국연구재단(이사장 이광복)은 전남대학교 이원오 교수 연구팀이 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅 기술을 결합하여 보다 효율적인 '태양열 증기 발전 시스템 설계 방법론'을 발표했다고 밝혔다.
최근 4D 프린팅과 스마트 액추에이터 기술은 에너지, 로봇, 생의학 등 첨단 과학 분야에서 활발히 응용되고 있다. 4D 프린팅은 시간이 지나며 변형 가능한 구조를 제조하는 기술로, 하이드로겔과 같은 스마트 소재를 사용해 차별화된 장치를 설계하는 데 강점을 갖는다. 열반응성 하이드로겔은 물을 흡수하고 팽창하는 특성이 있으며, 온도 변화에 따라 형태가 변해 태양열을 열에너지로 변환해 물을 증발시키는 시스템에 적합하다. 그러나 기존 하이드로겔만으로는 물 증발 시스템의 성능이 부족해 다층 구조와 열반응성 물질을 결합한 고도화된 설계가 요구된다.
이에 연구팀은 열반응성 하이드로겔과 4D 프린팅을 융합한 시스템을 통해 태양열을 직접 활용하여 물을 증발시키고 에너지를 동시에 생성하는 태양열 증기 발전 설계 방법론을 제시했다. 연구에 따르면, 열반응성 하이드로겔은 빠른 응답 속도를 가져 증기 발생 효율이 높으며, 4D 프린팅 설계는 물리적 강도와 내구성을 강화해 다양한 환경에서 안정적으로 작동한다. 특히, 4D 프린팅으로 설계된 열반응성 하이드로겔 액추에이터는 시간대에 따라 최적의 증기 발생을 위해 자율적으로 형상을 조절할 수 있다. 한낮에는 변형이 크게 일어나고, 아침과 저녁에는 변형이 줄어드는 등 환경 변화에 능동적으로 반응하며, 염분 축적이나 오염으로 인한 문제를 해결하는 자가 정화 기능도 탑재하고 있다.
더불어 연구팀은 정밀하고 효율적인 시스템 설계를 위해 유한 요소 해석법을 통해 하이드로겔 시스템의 수학적 모델링과 시뮬레이션 기술도 도입했다. 이원오 교수는 “하이드로겔과 4D 프린팅 융합 기술은 물과 에너지 문제 해결에 큰 잠재력을 가진다"며 “다양한 환경에 적용할 수 있도록 다른 스마트 소재와의 융합 연구도 앞으로 추진할 계획"이라고 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업을 통해 수행되었으며, 연구 성과는 재료과학 국제학술지 '프로그레스 인 머터리얼즈 사이언스(Progress in Materials Science)'에 9월 22일 온라인으로 게재되었다.
▲교신저자 이원오 교수(왼쪽), 제1저자 니타이 찬드라 아닥 박사(사진=한국연구재단)
< 논문 정보 >
- 논문명 : A comprehensive review of 4D-printed thermo-responsive hydrogel-based smart actuators for solar steam generation: Advanced design, modeling, manufacturing, and finite element analysis
- 저널명 : Progress in Materials Science
- 키워드 : Hydrogel(하이드로겔), Actuator(액추에이터), Finite element analysis(유한요소해석), 4D printing(4D 프린팅), Evaporation dynamics(증발 동역학)
- 저 자 : 교신저자 이원오 교수(전남대), 제1저자 니타이 찬드라 아닥(Nitai Chandra Adak) 박사(전남대)
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