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바닷물로 전기만드는 부품 내구성을 높였다

에너지기술연구원, 물결무늬 패턴형 이온교환막 개발
기존 장치보다 내구성 2배 이상 향상돼 유지비 절감
3차원 프린터 이용해 대면적·대용량 제작 문제 해결
한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 최지연·정남조 박사팀이 3차원 프린터로 만든 염분차 발전용 물결무늬 패턴형 이온교환막. 에너지기술연구원 제공
한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 최지연·정남조 박사팀이 3차원 프린터로 만든 염분차 발전용 물결무늬 패턴형 이온교환막. 에너지기술연구원 제공
[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 최지연·정남조 박사팀이 하수방류수와 바닷물을 이용한 염분차 발전기에 들어가는 물결무늬 패턴형 이온교환막을 개발했다.

3차원 프린터로 만든 물결무늬 패턴형 이온교환막은 오염에 강하고 염분차 발전기 스택 내부의 압력 손실이 매우 적어 에너지 소모를 최소화할 수 있다. 또한 기존 장치보다 두배 이상의 내구성을 보였다. 연구진은 이를 통해 염분차발전 부품의 유지비용을 최대 20%까지 절감할 것으로 전망하고 있다.

13일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 3차원 프린터로 패턴 구조물을 이온교환막 표면에 직접 인쇄해 120 미크론(㎛) 정도로 매우 얇은 패턴형 이온교환막을 만들었다.

기존의 직조형 스페이서는 직교형태로 구성돼 작은 공간이 생겨 해수와 방류수에 존재하는 오염 물질들이 쉽게 갇혀 스택의 압력을 증가시키는 원인이 된다.

한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 연구자가 롤투롤과 결합된 3D 프린터로 대면적 패턴형 이온교환막을 만들어내고 있다. 에너지기술연구원 제공
한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 연구자가 롤투롤과 결합된 3D 프린터로 대면적 패턴형 이온교환막을 만들어내고 있다. 에너지기술연구원 제공
연구진은 세공충진형 이온교환막의 표면에 물결무늬 패턴을 적용해 마이크로 크기의 해수 및 담수의 유로를 만들어 이 문제를 해결했다. 그결과, 해수와 담수는 물결무늬의 패턴을 따라 막힘없이 유로를 따라 흐른다. 이로 인해 오염 물질들이 스택 내부에 쌓이지 않아 내오염성 향상 됐으며, 기존 장치대비 3분의 1수준으로 압력을 낮췄다.

또한 실제 바닷물과 하수방류수를 사용해 기존 장치와의 비교 실험을 실시했다. 그결과, 스페이서와 평막을 사용한 스택은 압력이 초기대비 3배 이상 상승해 6일 만에 운전이 중단됐으나, 연구진이 개발한 패턴막은 14일 이상 안정적으로 운전할 수 있었다.

이와함께 패턴형 이온교환막은 10~20% 수준으로 유지비용을 절감할 수 있는 것으로 분석됐다. 스택을 장기간 운전할 경우, 직조형 스페이서를 사용하는 역전기투석의 유지비용은 전체의 30~50%를 차지한다.

뿐만아니라 패턴형 이온교환막 기술은 3차원 프린터를 이용해 대면적화, 양산화 문제를 동시에 해결했다. 연구진은 성능 손실 없이 다양한 패턴 구조물을 구현할 수 있고 기존 분리막 소재 기술의 응용분야 확장 등 기술 확산에 기여할 것이라고 전망했다.

최지연 박사는 "이번에 개발한 패턴형 이온교환막은 하수처리장 방류수를 재사용해 안정적인 전기 생산이 가능한 기술로, 탄소중립 실현 및 하수처리장의 에너지 자립도를 높이는 데 기여할 수 있는 기술"이라고 설명했다. 또한 "이온교환막 기반 다양한 전기화학 공정 분야에 적용될 수 있어 국내 소재와 부품 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 네이처스프링거에서 발행하는 환경·물 분야의 국제학술지인 'npj Clean Water' 3월호에 발표됐으며, 해당 기술은 특허 등록을 완료했다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자