한국화학연구원은 CCP 융합연구단 장종산 박사 연구팀이 프랑스 CNRS 연구소와 함께 전력소모가 거의 없는 '친환경 냉·난방기용 흡착제'를 개발했다고 최근 밝혔다.

이번 연구결과는 세계적 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’지의 최신호 온라인판에 게재됐다. 논문제목은 'A robust large-pore zirconium carboxylate metal–organic framework for energy-efficient water-sorption-driven refrigeration'이다.

일상생활에서 주로 많이 쓰는 냉난방기는 전기식 에어컨, 전기히트펌프(EHP, Electric Heat Pump) 등이다

그러나 이는 전력피크 문제, 프레온 가스의 오존층 파괴 및 지구 온난화 문제, 화석연료 고갈 문제 등을 유발해 친환경적인 차세대 냉난방기에 대한 연구가 활발하다.

이 가운데 '흡착식 냉난방기'는 전기를 거의 쓰지 않고 천연냉매인 물과 흡착제, 재생열원(지역난방열, 태양열 또는 산업용 폐열) 등으로만 구동할 수 있기 때문에 대표적 친환경 냉난방기로 손꼽힌다.

흡착식 냉·난방기는 물이 수증기로 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 냉방이 되고, 반대의 시스템으로 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방이 되는 원리다. 냉·난방기의 주요 소재인 흡착제는 냉·난방기 안에서 수분을 빨아들여(흡착) 냉방을 촉진시키고, 포화되면 외부의 열로 수분을 내뱉은(탈착) 후 재생된다.

흡착식 냉난방기가 광범위하게 활용되려면 냉난방기 에너지 효율이 높고 흡착제의 수분흡착 용량이 크며, 70도 이하의 낮은 온도에서도 흡착제 재생이 잘 돼야 하나 기존 흡착제인 실리카겔의 경우 흡착 용량이 작고 제올라이트는 150도 이상의 고온에서 재생시켜야 하는 등 상용화에 제약이 컸다.

이에 따라 장 박사팀은 프랑스와 공동연구를 추진해 고효율, 큰 흡착용량, 낮은 온도에서 뛰어난 재생능력을 갖춘 흡착제를 개발하는데 성공했다.

새로운 흡착제의 효율은 기존 제올라이트 흡착제보다 24% 이상 높아졌고 흡착용량도 실리카겔 흡착제보다 2배 이상 크다. 또 70도 이하의 저온에서도 손쉽게 수분이 탈착 재생될 수 있다.

연구팀이 개발한 흡착제는 지르코늄 물질을 사용한 다공성 금속-유기 골격체(MOF)로 지르코늄 양이온과 방향족 카르복시산 음이온을 결합시켜 3차원 골격구조를 이루면서 내부에 구멍을 많이 갖고 있는 새로운 물질이다.

이 흡착제는 물을 잘 흡착하는 성질(친수성)과 물을 싫어하는 성질(소수성)을 동시에 갖고 있어 냉방 운전조건에서 수분 흡착력은 증가하고 저온 재생능력도 크게 향상된다고 연구팀은 설명했다.

또한 황산, 염산 등 초강산에 노출돼도 구조 손상이 없고 기존 금속-유기 다공성 소재에 비해 고압에서도 기계적 강도가 매우 높아 수분 흡착제 외에 스마트 공조기, 제습 건조기 등 다양한 흡착소재로도 활용될 수 있다.

장종산 박사는 "이번에 개발한 금속-유기 골격체 수분흡착제의 설계 기술은 기상이변과 지구온난화에 대응해 태양열 또는 중저온 폐열을 활용하는 미래형 냉·난방 산업의 핵심 기술이다"며 "스마트 공조, 제습 및 건조 분야의 사업화에도 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.