경상국립대학교(GNU·총장 권순기)는 공과대학 기계공학부 김덕종 교수팀이 향후 열에너지의 이송 및 저장 성능을 높이는 데 중요한 역할을 할 흡탈착 구조체 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구 결과는 기계공학 분야 저명 국제학술지 ‘Applied Thermal Engineering(JCR 6.3%)’ 최신호에 ‘고성능 흡착식 히트펌프 시스템을 위한 에어로젤 기반 흡착구조(An aerogel-based adsorption structure for a high-performance adsorption heat pump system)’라는 제목으로 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 한국에너지기술평가원 알키미스트프로젝트의 지원을 받았으며, 김덕종 교수팀의 정규영, 수바니 샤이크(Subhani Shaik) 씨가 연구에 참여했다.

최근 기후 변화로 인해 냉난방을 위한 전 지구적인 에너지 사용이 급격히 증가하고 있으며 이에 따른 화석 연료 사용 증가 및 추가적인 환경 영향을 최소화하고자 재생 에너지로 구동되는 냉난방 기기가 점차 주목받고 있다.

그 대표적인 예가 재생 열원에 의해 냉매가 구동되면서 열에너지를 이송할 수 있는 흡착식 히트펌프이다. 흡착식 히트펌프에서 가장 핵심적인 부분은 냉매의 흡탈착이 이뤄지는 흡탈착 반응기이며 여기서 냉매의 흡탈착이 원활하고 안정적으로 이뤄지도록 하는 것이 매우 중요하다.

흡탈착 반응기는 흡착 소재, 흡착 소재 온도 조절을 위한 유체가 통과하는 금속관, 그리고 금속관과 흡착 소재 간의 열전달을 위한 휜 구조로 이뤄지는데, 기존에는 흡착 소재를 휜 구조 표면에 코팅하거나 휜 사이 공간에 적층하는 형태로 반응기를 구성하여 사용해 왔다.

이렇게 할 경우 전자의 경우는 충분한 양의 냉매를 흡탈착하기에 부족하고, 후자의 경우는 냉매와 흡착 소재 간의 접촉이 원활하지 않아 원활한 냉매 흡탈착에 어려움이 있었다.

이번 연구에서는 열전도 특성이 우수한 소재로 ‘에어로젤’이라는 표면적이 크고 내부 공극이 잘 발달한 다공성 물체를 만들어 이것이 기존의 금속 휜 구조를 대체하도록 하고 에어로젤의 표면에 흡착 소재를 코팅하여 충분한 흡착 용량을 확보할 뿐만 아니라 원활한 흡탈착이 이뤄지도록 함으로써 흡탈착 구조체 질량 대비 달성 가능한 냉동 성능을 나타내는 Specific cooling power)를 기존의 금속 휜 구조 대비 46.8배 수준으로 향상시킬 수 있었다. 또한 수치 해석을 통해 그러한 향상의 원인을 조사하고 향후 성능을 더욱 높이기 위해 어떠한 방향으로 연구가 이뤄져야 할 것인지에 대한 방안도 제시했다.

김덕종 교수는 “이번 연구를 통해 대표적인 열에너지 이송 장치인 히트펌프를 재생 열원으로 보다 효율적으로 구동할 수 있는 방안을 찾게 됐다.”라고 말하고 “이 연구에서 개발한 새로운 흡탈착 구조체는 흡착열을 저장하는 열에너지 저장 시스템에도 활용되어 열에너지를 장기간 보관할 뿐만 아니라 열에너지를 저장하고 방출하는 과정도 한층 신속하게 만들 수 있을 것으로 기대된다.”라고 언급했다.