- 한국화학硏·구성이엔드씨 협력...2020년 전후 상용화 계획

- MOF 흡착량 기존 제품 대비 2~4배 높아

- 70℃ 이하 저급 폐열원도 이용 가능

저온 재생 능력이 뛰어난 초다공성 하이브리드 나노세공체 MOF(Metal-Organic Framework, 이하 MOF) 수분 흡착제를 적용하고 70°C 이하의 저급 열원(폐열/폐온수)을 구동에너지원으로 사용한 한국형 흡착식 냉동기가 2020년 전후로 상용화 될 것으로 보인다. 이 냉동기는 전기식 냉동기 대비 전력소모량이 1/20 이하다.

한국화학연구원 CCP융합연구단 올레핀분리팀(팀장 장종산 박사)과 구성이엔드씨(대표 윤석구)는 최근 1kW과 5㎾급의 MOF 흡착식 냉동장치에 대한 파일롯 테스트를 통해 수분재생 성능과 시스템 효율에 대한 좋은 성과를 이끌어내면서 상용화 준비에 박차를 가한다는 계획이다.

한국화학연구원 장종산 박사팀이 개발한 MOF 수분 흡착제는 기존 상업용 실리카겔 흡착제 대비 2~4배 이상 유효 수분 흡착 용량이 향상되고 50~70℃ 범위에서 총 흡착량의 80% 이상 탈착 가능한 저온 재생 능력을 갖는 신개념의 저온 재생 하이브리드 나노세공체이다

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장종산 박사팀은 흡착식 냉동기 기술을 보유하고 있는 구성이엔드씨와 협력을 통해 2~3년 전부터 1kW과 5㎾급 MOF 흡착식 냉동장치에 대한 파일롯 테스트를 진행해왔으며 이 결과를 토대로 올 상반기 중 경기도 시흥에 위치한 모 업체에 5~10kW급 설비를 구축, 필드테스트를 진행할 예정이다. 1~2년간 피드백을 받아 보다 완성도 높은 시스템을 구현할 예정이다. 여기에 구성이엔드씨는 히트펌프 사이클을 도입해 냉방은 물론 난방 겸용 제품 개발도 추진할 예정인 것으로 알려졌다.

한국화학연구원 장종산 박사를 만나 MOF 흡착제는 무엇이며 흡착식 냉동장치 상용화 계획에 대해 들어봤다.

기존 흡수식 냉동기와 흡착식 냉동기의 차이점은?

오존층 파괴 물질인 프레온 가스를 비롯한 불소계 냉매를 사용하는 기존 냉난방기는 지구온난화 문제를 유발하는 요인으로 꼽힌다. 이런 문제를 해결하기 위해 최근 자연 냉매인 물을 사용하는 친환경 냉난방기에 대한 수요가 늘고 있다 .

물을 활용하는 냉방기는 흡수식과 흡착식이 있는데 흡수식 냉방 장치는 소형화가 어려워 가정용으로 적용하기 어렵고, 냉매 재생을 위한 80℃ 이상의 제한된 열원, 장기간 사용 시 장치부식과 에너지 효율 감소 등의 문제가 발생할 수 있다. 또 흡수식 냉방기는 건물용과 산업용 냉방기로 사용되고 있지만 초기 투자비가 높기 때문에 친환경성과 에너지 절약적인 특징에도 불구하고 시장이 크게 확대되지 못하고 있다.

이 때문에 흡착식 시스템에 대한 연구가 활발한데, 상대적으로 흡착식 냉방 시스템은 소형화가 가능하고 흡수식 냉방시스템의 단점을 보완할 수 있는 장점이 있다. 국내외 연구결과에 따르면 흡착식 냉방을 이용할 경우 기존 전기식 냉방시스템에 비해 최대 67%까지 에너지를 절약할 수 있는 것으로 알려져 있다.

 

▲MOF: Metal-Organic Framework (초다공성 배위고분자 소재)

 

 

수분 흡착식 냉방장치의 원리 및 특징은?

수분 흡착식 냉방 및 히트펌프 장치의 원리는 수분 흡착제를 장착하여 증발된 수분의 흡착 및 탈착, 그리고 탈착된 수분의 응축을 반복하면서 소모되거나 발생된 열을 작은 구동 에너지로 냉방 및 난방에 활용하는 개념을 활용한다. 냉방의 경우, 수분 증발기에서 진공 상태에서 높은 잠열을 갖고 있는 수분이 증발하면서 증발량만큼의 증발 열량을 주변으로부터 뺏어서 냉각을 유도한다.

​수분 흡착식 냉방 장치에는 과립형 또는 코팅형 열교환기에 충진된 수분 흡착제가 수분 증발량을 높이기 위해 사용되는데, 핵심은 저습의 흡착 조건과 탈착 조건에서 높은 유효 흡착량을 갖고 낮은 온도에서 많은 양의 수분이 탈착되어 높은 재생률을 갖는 수분 흡착제를 적용하는 것이다. 재생 온도는 외부의 태양열, 지열 등의 신재생에너지 또는 지역난방열, 산업용 폐열 등의 온도에 의존하기 때문에 55~75℃의 낮은 온도에서 재생될 수 있는 흡착제의 개발이 흡착식 냉방 장치의 경제성을 좌우한다.

​신재생에너지 또는 폐열을 사용할 경우 수분 흡착식 냉방장치 구동에는 제어기기, 센서, 펌프 등의 저전력 장치에만 전력이 소비되므로 실제 전력소비량은 동일 용량의 전기식 에어컨의 전력소비량의 1/20에 불과하다.

이러한 에너지 절약 특성 때문에 하절기 지역냉방이나 태양열, 폐열 등 저급 열원에 친환경 냉매인 물을 적용할 때 10만 세대(냉동능력 20만 USRT) 기준으로 하절기 전력피크부하 약 234㎿, 연간 에너지 약 7.3천 톤(TOE) 및 온실가스 약 19.5천 톤을 줄일 수 있는 것으로 산출되고 있다.

 

 

 

흡착식 냉동기 시장은 어느 정도 형성되어 있는지?

흡착식 냉방 장치는 여러 가지 장점에도 불구하고 비싼 장치비와 시스템의 부피 때문에 아직까지 시장에서 널리 사용되지 못하고 주로 독일과 일본, 미국 등 일부 선진국에서만 데이터센터 등 한정된 용도로 활용되고 있다.

저온 재생의 흡착식 냉방장치에 가장 널리 사용되는 저온 재생형 수분 흡착제는 메조세공의 실리카겔이다. 이 흡착제는 가격이 저렴하고 내구성이 비교적 좋은 대신에 유효 수분 흡착량이 낮은 단점이 있다. 따라서 냉방 용량 대비 시스템의 부피를 감소시켜 장치비를 낮추는 것이 이 분야의 가중 중요한 현안이다.

최근 유효 흡착량이 향상된 SAPO/AlPO계 제올라이트 수분 흡착제가 개발되어 일부 적용되고 있는데, 가격이 비싸고 유효 흡착량 향상에 대한 추가 개발의 필요성도 갖고 있다.

이런 이유에서 최근 실리카겔과 제올라이트 흡착제에 비해 유효 수분 흡착량이 높고, 재생 운전조건을 더 낮춰서 재생 열원의 적용 범위를 넓힐 수 있는 신개념의 하이브리드 나노세공체 소위 MOF(Metal-Organic Framework)를 설계, 합성하고 적용하려는 연구가 여러 곳에서 활발히 이루어지고 있다.

MOF 수분 흡착제란?

MOF는 다공성 배위고분자 화합물로 결정성 골격을 가지며, 금속이온의 클러스터와 유기 리간드 분자가 배위되어 골격을 형성한다. 수분 흡착제로 고려하고 있는 MOF는 비표면적이 실리카겔과 제올라이트에 비해 3~5배 이상 높고, 수분 흡착 용량도 그에 비례하여 높다. 이러한 MOF 수분 흡착제는 일반적으로 골격에 친수성 부분과 소수성 부분을 동시에 보유하고 있어서 수분의 선택적 흡착과 저온에서의 용이한 탈착이 가능하다.

한국화학연구원에서는 2007년에 신개념의 저온 재생 하이브리드 나노세공체 수분 흡착제를 처음 특허로 출원한 이래 5종 이상의 하이브리드 나노세공체 수분 흡착제를 개발했다. 현재까지 수분 흡착제의 물질특허와 흡착제 합성 및 응용에 대해 국내 특허 10건, 미국/유럽 특허 7건을 확보했고, 국제 유명 학술지에 10편 이상의 논문을 게재한 바 있다.

한국화학연구원에서 개발한 MOF 흡착재 개발 성과는?

흡착식 냉동기를 개발하기 위해선 증발기에서 수분 증발에 의해 냉각이 일어날 때 수분을 빨아들이고 70℃ 이하의 저온에서 열을 가해 다시 배출하는 흡착제 물질의 성능을 높이는 게 관건이다. 기존 실리카겔이나 제올라이트 흡착제를 적용한 냉난방기는 제한된 용량과 더불어 낮은 재생온도에서 에너지 효율 저하 문제가 있어 확산에 한계가 있었다.

국내의 경우 지역 난방열의 공급온도가 섭씨 80℃ 이하로, 이 온도에서 재생이 가능한 수분 흡착제 개발이 필수적이다.

한국화학연구원 올레핀분리팀박사팀이 개발한 MOF 흡착재는 기존 상업용 흡착제와 비교해 수분 흡착량을 최대 4배 이상 높였다. 흡착제 재생온도 역시 120℃ 이상에서 70℃ 이하로 크게 낮췄다.

이런 장점으로 이 기술은 지난해 초 과학기술정보통신부의 연구성과사업화 지원 기술컨설팅(유망기술) 과제로 선정돼 상용화가 추진되고 있는 것이다.

이를 통해 MOF 생산기술과 냉방시스템 적용성 등이 검증될 경우 △지역난방열, 열병합발전 및 산업용 폐온수 등을 활용하는 가정용 냉난방 겸용 시스템 △석유화학 및 화학공정용 흡착제 △환경정화 및 군수용 촉매 분야 △산업용 제습 에너지 효율 개선을 위한 수분제어 분야 △태양열 기반 냉방·제습 분야 △가정용 및 산업용 제습제·제습기·공기필터 분야 등에 폭넓게 적용될 수 있을 전망이다.

특히 상용화 되면 해외와 차별화된 한국형 흡착식 냉동기 시장을 확보한 후 이를 기반으로 중국과 동남아 지역은 물론 유럽까지 진출할 수 있을 것을 전망된다.

장종산 박사는 서울대 화학교육과를 졸업한 후 KAIST에서 석·박사 학위를 받았다. 1988년 한국화학연구원 선임연구원으로 입사 후 미국 UC산타바바라대 방문연구원, 한국화학연구원 나노촉매 연구센터장을 거쳐 현재 CCP융합연구단 올레핀분리팀장, 성균관대 화학과 학연 겸직 교수를 맡고 있다. 전문 연구분야는 제올라이트 및 하이브리드 나노세공체, 나노촉매, 바이오리파이너리, 에너지 절약형 흡착제 및 기체 분리 등이다.