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흡착식 냉방기술, 연구개발 우수성과 100선 '최우수'

장종산 화학硏 박사 개발 주도…기술이전·사업화

장종산 한국화학연구원 박사가 개발한 ‘저온재생의 나노세공체 수분흡착제 및 실외기가 필요없는 흡착식 냉방·제습기술’이 지난 2월 세계일류 수준의 경쟁력을 보유한 연구성과로 인정받아 ‘2018년 세계적 혁신기술’로 선정된 데 이어 최근 과학기술정보통신부와 한국과학기술기획평가원이 선정하는 ‘2019년 국가연구개발 우수성과 100선’ 중 '최우수' 기술로 선정되는 영예를 안았다.  

특히 장 박사가 개발한 ‘혁신적 MOF 수분흡착제 및 에너지절약형 흡착식 냉방·제습기술’은 세계적 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy, IF(Impact factor)=46.859)’에 지난해 10월22일자 온라인판에 게재된 바 있다. 

‘흡착식 냉난방기’는 대표적 친환경 냉난방기로 전기를 거의 쓰지 않고 천연냉매인 물과 흡착제, 재생 열원(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 난방되는 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 70 이하의 낮은 온도에서도 흡착제 재생이 잘돼야 한다. 그동안 이 세 가지 성능조건을 동시에 만족시키기가 어려웠으며 기존 흡착제인 실리카겔의 경우 흡착 용량이 작고 제올라이트의 경우 150℃ 이상의 고온에서 재생시켜야 했다.

장종산 박사는 상용화를 위한 세 가지 성능 조건을 모두 만족시키는 흡착제를 개발했다. 개발한 흡착제는 친환경 흡착식 냉방기에 쓰일 수 있는 저온 재생형 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF) 수분흡착제로 프랑스의 CNRS 연구소와 공동으로 개발했다.  

장종산 박사는 "지르코늄 양이온과 방향족 카르복시산 음이온을 결합시켜 3차원 골격구조를 이루면서 내부에 구멍이 많은 새로운 물질을 만들었다"라며 "이 흡착제는 물을 잘 흡착하는 성질(친수성)과 물을 싫어하는 성질(소수성)을 동시에 가지고 있어 냉방운전 조건에서 수분 흡착력은 증가하고 저온 재생능력도 크게 향상됐다"고 밝혔다.

이는 안정성이 높고 기존 흡착제인 제올라이트대비 24% 높은 냉방효율, 실리카겔대비 수분 흡착량 2배 이상의 성능을 가지고 있으며 55~65℃ 저온재생이 가능하다. 



전기식 에어컨대비 1/20 이하로 전력사용을 최소화하며 수분흡착제의 재생 열원으로 70℃ 이하의 △태양열 △지역난방열 △산업폐열 등에 적용할 수 있다.

장 박사는 지난 2012년부터 Advanced Materials지 속표지 논문에 게재했고 최초의 저온 재생 수분흡착제 미국특허를 등록해 차세대 수분흡착제 기술을 이끌고 있다. 

현재까지 저온 재생 수분흡착제 특허를 포함해 13편의 MOF 물질 및 응용기술관련 미국특허를 등록해 특허기술 포트폴리오를 구축하고 있으며 수분 흡착제 합성 및 수분 응용기술 일부에 대해 기술이전 및 사업화를 진행 중이다.

장종산 박사는 "2012년 금속-유기 골격체 흡착제분야 최초로 100℃ 이하에서 저온 재생이 가능한 MOF 흡착제를 개발해 미국 및 주요 국가에 국제특허를 등록한 바 있으며 금속-유기 골격체 수분흡착제의 설계기술은 기상이변과 지구온난화에 대응해 태양열 또는 중저온 폐열을 활용하는 미래형 냉난방산업의 핵심기술"이라며 "황산, 염산 등의 초강산에 노출돼도 구조 손상이 없고 기존 금속-유기 다공성 소재에 비해 고압에서도 기계적 강도가 매우 높아 수분 흡착제 외에 스마트 공조기, 제습 건조기 등의 다양한 흡착소재로도 활용될 수 있어 공조, 제습 및 건조분야의 사업화에도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.