경상국립대학교(총장 권진회, 이하 경상국립대) 공과대학 기계공학부 김덕종 교수팀은 고성능 다공성 소재를 에너지 시스템에 효과적으로 통합해 시스템의 성능을 혁신적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구 결과는 기계공학 분야 저명 국제학술지 ‘에너지 변환 및 관리(Energy Conversion and Management)’(JCR 1.5%) 최신호에 ‘관 외벽에의 유동 기반 방향성 동결주조에 의한 그래핀 에어로젤 형성을 통한 열에너지 관리 성능 향상(Flow-driven directional freeze-casting of graphene aerogels on tubular components for enhanced thermal energy management)’이라는 제목으로 게재됐다
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌 기초연구실지원사업, 한국에너지기술평가원 알키미스트프로젝트의 지원을 받았다. 연구에는 김덕종 교수팀 수바니 샤이크(Subhani Shaik) 박사과정생, 반다나 쿠마리 자(Vandana Kumari Jha) 박사, 배강현 학부연구생이 참여했다.
최근 에너지 기술은 지속 가능성과 효율성을 최우선 과제로 삼으며 급격한 발전을 이루고 있다. 특히 열 에너지 저장 및 관리 기술은 전 세계적으로 증가하는 에너지 수요와 환경 문제에 대응하는 데 있어 핵심적인 역할을 하고 있다.
흡착 기반 열에너지 저장 시스템 및 흡착식 히트펌프는 재생 열원을 효과적으로 활용함으로써 기존의 전기 구동식 냉각 및 난방 시스템에 비해 화석 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 기존 흡착 시스템은 낮은 열 밀도와 느린 흡착/탈착 속도, 그리고 복잡한 설계로 인해 효율성과 경제성이 제한되는 문제를 안고 있다.
이러한 문제의 해결을 위해 냉매의 흡탈착이 일어나는 반응기 내부의 흡탈착 구조를 개선해야 하는데, 김덕종 교수팀은 그래핀 에어로젤을 기존 시스템 부품에 효과적으로 통합하는 동시에 에어로젤의 기공 구조를 원하는 형태로 제어하는 독창적인 공정 기술을 통해 해결책을 찾았다.
유동 기반 방향성 동결주조(FDFC, flow-driven directional freeze-casting)라고 명명된 이 새로운 기법은 그래핀 에어로젤이 기존의 핀 기반 구조를 효과적으로 대체하도록 할 수 있는 차세대 기술로 에너지 시스템에 흔히 사용되는 튜브형 구성 요소에 그래핀 에어로젤을 효과적으로 통합할 수 있도록 한다.
김덕종 경상국립대 교수는 “FDFC 기법을 통해 만든 에어로젤 기반 흡탈착 구조체는 뛰어난 냉매 흡탈착 성능을 보여주며 측정된 결과를 기반으로 예측해 보면 열 배터리의 출력 밀도를 기존 최고 성능 대비 61%, 흡착식 히트펌프의 냉각 성능은 최대 98% 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다”라고 말했다.
또한 “이번 연구를 통해 재생 열원 기반의 고성능 열 관리 기술을 실현할 수 있는 혁신적인 접근법을 찾게 됐다”면서 “이번 연구에서 개발한 공정 기술이 향후 배터리, 연료전지, 냉각 시스템 등 다양한 에너지 분야로 적용돼 기존의 한계 극복을 뒷받침할 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 강조했다.
