[신기술] POSTECH, 24시간 담수 생산 가능한 목재 증발기 개발

나무판 말아 만든 원통형 구조로 밤낮없이 해수담수화

태양열과 공기열 활용…전력 공급 어려운 지역·재난 현장 활용 기대

최근 기후변화와 가뭄으로 물부족 문제가 심화되면서 별도의 전력 공급이나 복잡한 설비 없이 해수를 담수화하는 친환경 기술이 주목받고 있다. 이 가운데 전상민 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 교수 연구팀이 얇게 가공한 나무판을 말아 원통형 구조의 증발기를 개발해 낮에는 태양열을, 밤에는 주변 공기의 열을 활용해 24시간 해수를 담수화하는 기술을 선보였다.

태양광 기반 해수담수화는 태양에너지를 이용해 물을 증발시키고, 발생한 수증기를 응축해 담수를 얻는 방식이다. 전기나 복잡한 기계장치 없이 태양에너지를 활용할 수 있어 전력 인프라가 부족한 지역의 유망한 담수화 기술로 떠오르고 있다. 그러나 기존의 태양광 기반 증발 기술은 증발기의 높이가 높아질수록 물을 위쪽까지 공급하기 어려워 증발 면적을 확대하는 데 한계가 있으며, 증발 과정에서 소금 결정이 표면에 쌓여 물의 흐름을 방해하는 문제가 있었다.

그림 1. 친환경 증발기의 담수 생산 메커니즘 모식도 및 증발 담수로 재배한 보리

연구팀은 얇게 켠 나무판인 베니어(Veneer)를 말아 원통형의 ‘우드 스크롤(Wood Scroll)’ 증발기를 제작했다. 나무판을 말면서 형성된 층 사이의 미세한 틈을 물이 이동하는 통로로 활용한 것이 핵심이다. 물은 모세관 현상을 통해 증발기 상단까지 이동하고, 증발 과정에서 남은 염분은 물길을 따라 다시 해수 쪽으로 이동해 용해된다. 이를 통해 물공급과 염분 제거가 동시에 이뤄지도록 설계했다.

특히 물이 이동하는 통로가 좁을수록 모세관 현상에 의해 물이 더 잘 올라갈 것이라는 기존의 예상과 달리, 충분한 공간을 확보해야 물공급과 염분 제거가 원활하게 이뤄진다는 사실을 확인했다. 이는 담수화 증발기의 성능을 높이기 위해서는 단순히 물을 끌어올리는 능력뿐 아니라 소금이 축적되지 않도록 충분한 물길을 확보하는 구조 설계가 중요하다는 것을 보여준다.

높이 40㎝로 제작한 우드 스크롤은 1-sun 조건에서 시간당 35.8㎏/㎡의 물을 증발시킨다. 또한 수직으로 길게 확장된 원통형 구조 덕분에 외부에 노출되는 표면적이 넓다. 이 넓은 표면은 태양빛이 없는 시간에도 주변 공기와 환경으로부터 열에너지를 흡수해 물을 증발시키는 ‘암흑 증발(Dark Evaporation)’을 가능하게 한다. 즉, 낮에는 태양에너지를 주요 열원으로 활용하고 밤에는 주변의 열에너지를 이용해 증발을 이어갈 수 있는 구조다. 해수와 유사한 3.5wt% 염도 조건에서는 낮 동안 표면에 쌓인 소금이 밤사이 다시 녹아 제거되는 ‘자가 염 제거’ 현상도 확인됐다.

연구팀은 실제 야외 환경에서 여러 대의 우드 스크롤 증발기를 이용해 담수화 성능을 검증했다. 생산된 담수는 세계보건기구(WHO)의 음용수 기준을 충족했으며, 해당 담수를 이용해 보리를 재배하는 데도 성공했다. 이는 우드 스크롤 기술이 실험실 수준을 넘어 식수와 농업용수를 생산하는 데 활용될 가능성을 보여준다.

이번 기술은 전력 공급이 어려운 도서·오지 지역이나 재난 현장에서 별도의 복잡한 설비 없이 담수를 생산하는 데 활용될 것으로 기대된다. 특히 목재를 소재로 활용하면서 태양에너지가 없는 시간에도 물을 생산할 수 있어 기존 태양광 기반 담수화 기술의 한계를 보완할 수 있을 것으로 전망된다.

전상민 교수는 “기존 연구들이 태양광을 얼마나 효율적으로 흡수하는지에 집중했다면, 이번 연구는 증발기의 구조를 바꿔 주변의 열에너지까지 적극적으로 활용하는 새로운 접근”이라며 “목재 구조만으로 하루 종일 안정적으로 물을 생산할 수 있어 물부족 지역을 위한 친환경 담수화 기술의 대안이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 물·환경 분야 국제 학술지 『npj Clean Water』에 ‘Vertically extended cylindrical wood scrolls with guided water transport for salt-resistant all-day vapor generation’이라는 제목으로 게재됐다.

[『워터저널』 2026년 9월호에 게재]