화학연구원, 여름 ‧ 겨울철 냉난방 전기료 걱정 없는 친환경 냉난방기용 흡착제 개발

한국화학연구원 화학공정(CCP) 융합연구단 장종산 박사 연구팀은 프랑스 CNRS 연구소와 함께, 전기를 거의 쓰지 않아도 되는 친환경 냉난방기용 흡착제를 개발했다.

이번 연구결과는 세계적 학술지 ‘네이처 에너지’의 최신호 온라인 논문으로 게재되었다.

일상생활에서 주로 많이 쓰는 냉난방기는 전기식 에어컨, EHP 등이다.

그러나 이는 전력피크 문제, 프레온 가스의 오존층 파괴 및 지구 온난화 문제, 화석연료 고갈 문제 등을 유발하여 친환경적인 차세대 냉난방기 보급이 시급한 상황이다.

EHP는 전기히트펌프(Electric Heat Pump). 전기모터 가동으로 압축기(컴프레서)를 구동하여, 냉매의 발열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 시스템을 말한다.

‘흡착식 냉난방기’는 대표적 친환경 냉난방기다. 전기를 거의 쓰지 않고 천연냉매인 물과 흡착제, 재생열원(지역난방열, 태양열 또는 산업용 폐열) 등으로만 구동할 수 있다. 물이 수증기로 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 냉방이 되고, 반대의 시스템으로 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방 되는 원리다.

여기에 흡착제가 주요 소재로 쓰이는데 냉난방기 안에서 수분을 빨아들여(흡착) 냉방을 촉진시키고, 포화되면 외부의 열로 수분을 내뱉은(탈착) 후 재생된다. 이때 하절기에 남아도는 태양열 또는 폐열을 냉방에 활용할 수 있어서 자원 재활용 측면에서 유용하다.

그러나 기존 흡착제는 성능이 좋지 않아 ‘흡착식 냉난방기’가 광범위하게 상용화되지 못했다. 시장에서 널리 활용되려면 냉난방기 에너지 효율이 높고 흡착제의 수분흡착 용량이 크며, 70도 이하의 낮은 온도에서도 흡착제 재생이 잘 되어야 한다.

연구팀은 상용화를 위한 세 가지 성능 조건을 모두 만족시키는 흡착제를 개발했다. 새로운 흡착제의 효율은 기존 제올라이트 흡착제보다 24% 이상 높아졌고 흡착용량도 실리카겔 흡착제보다 2배 이상 크며, 섭씨 70도 이하의 저온에서도 손쉽게 수분이 탈착 재생될 수 있다.

새로 개발된 소재가 흡착식 냉난방기에 적용되면, 전기를 에어컨의 5% 미만으로 쓸 수 있어 과다한 전기 사용을 줄이고 전력 피크를 감소시킬 수 있다.

화학연구원 장종산 박사 연구팀은 2012년 금속-유기 골격체 흡착제 분야 최초로, 섭씨 100도 이하에서 저온 재생이 가능한 MOF 흡착제를 개발하여 미국 및 주요 국가에 국제특허를 등록한 바 있다. 지난 5월에는 금번 기술을 국내 특허로 출원했으며, 현재는 흡착식 냉방/제습/건조기 제품의 사업화를 위해 기술계약 및 기술이전을 진행하고 있다.

장 박사는“이번에 개발한 금속-유기 골격체 수분흡착제의 설계 기술은 기상이변과 지구온난화에 대응해 태양열 또는 중저온 폐열을 활용하는 미래형 냉-난방 산업의 핵심 기술이다. 또한 스마트 공조, 제습 및 건조 분야의 사업화에도 크게 기여할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 글로벌프론티어사업 중 ‘하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단’의 세부과제와 EU-Framework 국제공동 협력연구로 수행되었으며, 국가과학기술연구회 화학공정(CCP) 융합연구단 과제에서 일부 지원 받았다.

[e-mail] 조석장 기자