- 1, 2차원 반도체 혼합 구조의 하이브리드 광다이오드 소자 개발 - 개발한 광다이오드 소자로 차세대 나노반도체 기반 이미지 센서 구현 일반적으로 광다이오드 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 디지털 카메라 또는 휴대폰 카메라의 이미지 센서 픽셀을 구성하는 필수 요소 중의 하나이다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 경우 광다이오드 소자에서 가시광의 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고 구동회로 칩을 통해 이러한 신호를 처리하는 방식으로 이루어져있으며, 최종적으로 우리가 촬영하는 사진이나 동영상을 디스플레이를 통해 볼 수 있게 해준다. 최근 국내 연구진이 2개의 차원을 혼합한 하이브리드 광다이오드 소자를 개발하여 차세대 나노 반도체 기반 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사팀은 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 텅스텐 디셀레나이드*(Tungsten diselenide, WSe2) 나노시트 반도체와 1차원 산화아연 (ZnO) 산화물 나노선 반도체의 차원 혼합 이중 접합 구조를 제작하고, 이를 이용하여 자외선에부터 근적외선까지 빛을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공하였다. *텅스텐 디셀레나이드 : 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2)는 칼코겐화물의 일종이며 다양한 표면에 코팅되어서 저전력 소자, 저렴하고 유연한 디스플레이, 센서, 유연 전자소자에 사용가능한 2차원 적층 결정 구조를 가지고 있는 나노 반도체 소재 저차원 나노 반도체 소재는 차세대 반도체 시대를 준비하는 미래 반도체 소재의 유력한 후보군으로서 이를 적용한 소자 연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히 2차원 원자막 반도체 소재의 경우 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있어 흥미로운 물리·화학적 특성을 구현해 낼 수 있다. 또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있어 다양한 전자 소자 및 광소자로써의 응용이 가능하다. KIST 연구진이 사용한 2차원 소재(텅스텐 디셀레나이드(WSe2))의 경우 광응답 특성이 우수하며 홀 이동도가 우수한 p형 반도체 소재이며, 1차원 산화아연(ZnO) 나노선은 현재 가장 유망한 1차원 나노 반도체 중 하나로 우수한 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 전자 소자 응용이 가능한 n형 반도체 소재이다. 연구진은 단결정 벌크에서 박리한 2차원 나노시트와 화학기상증착법으로 합성된 1차원 ZnO 나노선 소재와의 차원 혼합 이종 접합 구조(pn형)를 형성하여 광다이오드 소자를 개발하였다. 연구진은 제작된 하이브리드 광다이오드 소자를 이미지 센서 픽셀로 사용하여, “뽀로로” 관련 내용이 기사에 인용될 경우, 반드시 ㈜아이코닉스의 사전 승인 부분을 언급해 주시기 바랍니다. 국내 인기 어린이 애니메이션의 “뽀로로” 캐릭터 이미지를 ㈜아이코닉스의 사전승인과 협조를 받아 이미지화하는데 성공하였다. KIST 황도경 박사는 “이번 연구를 통해 1, 2차원 저차원 반도체 소재의 하이브리드 소자를 개발하여 자외선에서 근적외선에 이르는 빛을 감지하는 광다이오드 기본 소자를 구현했다.”고 말했으며, 박민철 박사는 “이번 연구는 새로 개발한 소자를 이용, 성공적인 2차원 이미지화를 구현하였으며, 향후 나노 스케일의 반도체 픽셀을 기반으로 하는 차세대 이미지 센서 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업, 중견연구자지원사업, Giga KOREA 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124)에 11월 3일(금)자 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림> 1차원 나노선-2차원 나노시트 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 소자 (a) 완성된 하이브리드 광다이오드 소자의 모식도 (b) 광다이오드 소자의 청색광 응답 특성 (c) 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 구현 모식도 및 실제로 얻어진 애니메이션 캐릭터 ‘뽀로로’ 이미지

- 1, 2차원 반도체 혼합 구조의 하이브리드 광다이오드 소자 개발 - 개발한 광다이오드 소자로 차세대 나노반도체 기반 이미지 센서 구현 일반적으로 광다이오드 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 디지털 카메라 또는 휴대폰 카메라의 이미지 센서 픽셀을 구성하는 필수 요소 중의 하나이다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 경우 광다이오드 소자에서 가시광의 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고 구동회로 칩을 통해 이러한 신호를 처리하는 방식으로 이루어져있으며, 최종적으로 우리가 촬영하는 사진이나 동영상을 디스플레이를 통해 볼 수 있게 해준다. 최근 국내 연구진이 2개의 차원을 혼합한 하이브리드 광다이오드 소자를 개발하여 차세대 나노 반도체 기반 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사팀은 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 텅스텐 디셀레나이드*(Tungsten diselenide, WSe2) 나노시트 반도체와 1차원 산화아연 (ZnO) 산화물 나노선 반도체의 차원 혼합 이중 접합 구조를 제작하고, 이를 이용하여 자외선에부터 근적외선까지 빛을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공하였다. *텅스텐 디셀레나이드 : 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2)는 칼코겐화물의 일종이며 다양한 표면에 코팅되어서 저전력 소자, 저렴하고 유연한 디스플레이, 센서, 유연 전자소자에 사용가능한 2차원 적층 결정 구조를 가지고 있는 나노 반도체 소재 저차원 나노 반도체 소재는 차세대 반도체 시대를 준비하는 미래 반도체 소재의 유력한 후보군으로서 이를 적용한 소자 연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히 2차원 원자막 반도체 소재의 경우 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있어 흥미로운 물리·화학적 특성을 구현해 낼 수 있다. 또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있어 다양한 전자 소자 및 광소자로써의 응용이 가능하다. KIST 연구진이 사용한 2차원 소재(텅스텐 디셀레나이드(WSe2))의 경우 광응답 특성이 우수하며 홀 이동도가 우수한 p형 반도체 소재이며, 1차원 산화아연(ZnO) 나노선은 현재 가장 유망한 1차원 나노 반도체 중 하나로 우수한 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 전자 소자 응용이 가능한 n형 반도체 소재이다. 연구진은 단결정 벌크에서 박리한 2차원 나노시트와 화학기상증착법으로 합성된 1차원 ZnO 나노선 소재와의 차원 혼합 이종 접합 구조(pn형)를 형성하여 광다이오드 소자를 개발하였다. 연구진은 제작된 하이브리드 광다이오드 소자를 이미지 센서 픽셀로 사용하여, “뽀로로” 관련 내용이 기사에 인용될 경우, 반드시 ㈜아이코닉스의 사전 승인 부분을 언급해 주시기 바랍니다. 국내 인기 어린이 애니메이션의 “뽀로로” 캐릭터 이미지를 ㈜아이코닉스의 사전승인과 협조를 받아 이미지화하는데 성공하였다. KIST 황도경 박사는 “이번 연구를 통해 1, 2차원 저차원 반도체 소재의 하이브리드 소자를 개발하여 자외선에서 근적외선에 이르는 빛을 감지하는 광다이오드 기본 소자를 구현했다.”고 말했으며, 박민철 박사는 “이번 연구는 새로 개발한 소자를 이용, 성공적인 2차원 이미지화를 구현하였으며, 향후 나노 스케일의 반도체 픽셀을 기반으로 하는 차세대 이미지 센서 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업, 중견연구자지원사업, Giga KOREA 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124)에 11월 3일(금)자 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림> 1차원 나노선-2차원 나노시트 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 소자 (a) 완성된 하이브리드 광다이오드 소자의 모식도 (b) 광다이오드 소자의 청색광 응답 특성 (c) 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 구현 모식도 및 실제로 얻어진 애니메이션 캐릭터 ‘뽀로로’ 이미지

- 1, 2차원 반도체 혼합 구조의 하이브리드 광다이오드 소자 개발 - 개발한 광다이오드 소자로 차세대 나노반도체 기반 이미지 센서 구현 일반적으로 광다이오드 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 디지털 카메라 또는 휴대폰 카메라의 이미지 센서 픽셀을 구성하는 필수 요소 중의 하나이다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 경우 광다이오드 소자에서 가시광의 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고 구동회로 칩을 통해 이러한 신호를 처리하는 방식으로 이루어져있으며, 최종적으로 우리가 촬영하는 사진이나 동영상을 디스플레이를 통해 볼 수 있게 해준다. 최근 국내 연구진이 2개의 차원을 혼합한 하이브리드 광다이오드 소자를 개발하여 차세대 나노 반도체 기반 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사팀은 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 텅스텐 디셀레나이드*(Tungsten diselenide, WSe2) 나노시트 반도체와 1차원 산화아연 (ZnO) 산화물 나노선 반도체의 차원 혼합 이중 접합 구조를 제작하고, 이를 이용하여 자외선에부터 근적외선까지 빛을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공하였다. *텅스텐 디셀레나이드 : 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2)는 칼코겐화물의 일종이며 다양한 표면에 코팅되어서 저전력 소자, 저렴하고 유연한 디스플레이, 센서, 유연 전자소자에 사용가능한 2차원 적층 결정 구조를 가지고 있는 나노 반도체 소재 저차원 나노 반도체 소재는 차세대 반도체 시대를 준비하는 미래 반도체 소재의 유력한 후보군으로서 이를 적용한 소자 연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히 2차원 원자막 반도체 소재의 경우 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있어 흥미로운 물리·화학적 특성을 구현해 낼 수 있다. 또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있어 다양한 전자 소자 및 광소자로써의 응용이 가능하다. KIST 연구진이 사용한 2차원 소재(텅스텐 디셀레나이드(WSe2))의 경우 광응답 특성이 우수하며 홀 이동도가 우수한 p형 반도체 소재이며, 1차원 산화아연(ZnO) 나노선은 현재 가장 유망한 1차원 나노 반도체 중 하나로 우수한 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 전자 소자 응용이 가능한 n형 반도체 소재이다. 연구진은 단결정 벌크에서 박리한 2차원 나노시트와 화학기상증착법으로 합성된 1차원 ZnO 나노선 소재와의 차원 혼합 이종 접합 구조(pn형)를 형성하여 광다이오드 소자를 개발하였다. 연구진은 제작된 하이브리드 광다이오드 소자를 이미지 센서 픽셀로 사용하여, “뽀로로” 관련 내용이 기사에 인용될 경우, 반드시 ㈜아이코닉스의 사전 승인 부분을 언급해 주시기 바랍니다. 국내 인기 어린이 애니메이션의 “뽀로로” 캐릭터 이미지를 ㈜아이코닉스의 사전승인과 협조를 받아 이미지화하는데 성공하였다. KIST 황도경 박사는 “이번 연구를 통해 1, 2차원 저차원 반도체 소재의 하이브리드 소자를 개발하여 자외선에서 근적외선에 이르는 빛을 감지하는 광다이오드 기본 소자를 구현했다.”고 말했으며, 박민철 박사는 “이번 연구는 새로 개발한 소자를 이용, 성공적인 2차원 이미지화를 구현하였으며, 향후 나노 스케일의 반도체 픽셀을 기반으로 하는 차세대 이미지 센서 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업, 중견연구자지원사업, Giga KOREA 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124)에 11월 3일(금)자 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림> 1차원 나노선-2차원 나노시트 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 소자 (a) 완성된 하이브리드 광다이오드 소자의 모식도 (b) 광다이오드 소자의 청색광 응답 특성 (c) 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 구현 모식도 및 실제로 얻어진 애니메이션 캐릭터 ‘뽀로로’ 이미지

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석

- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발 - 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화 깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다. 바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다. 해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다. 막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다. 연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다. KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions - (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원 - (교신저자) KIST 송경근 책임연구원 그림설명 [그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교 그래프의 가로축 =생산되는 물의양 그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR) 즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함. [그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교 공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임. [그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 Specific energy consumption, SEC 생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨. (SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.) Gained output ratio, GOR 일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.) [그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석