에어컨 및 제습건조시스템 등에 적용 가능한 냉난방기용 흡착제인 새로운 나노세공형 수분흡착제가 개발돼 세계적 학술지에 게재돼 기술력을 인정받고 상용화를 앞두고 있어 주목받고 있다.  

한국화학연구원 CCP융합연구단 장종산 박사 연구팀은 프랑스 CNRS연구소와 공동으로 전기를 거의 쓰지 않아도 되는 친환경 냉난방기용 흡착제를 개발했다. 장종산 박사를 만나 새로운 흡착제 개발 배경 및 기대효과 등에 대해 얘기를 나눴다. 

도시 건물의 냉난방에 투입되는 화석에너지 사용 증대는 이산화탄소 배출을 야기한다. 친환경의 에너지절약형 냉난방시스템 개발은 화석연료 고갈과 지구온난화 방지를 위한 중요한 주제다. 미국 DOE 보고서에 따르면 미국 1차 에너지 사용량의 20%는 주거용 건물이 차지하며 이중 절반은 냉난방 및 온수 등 열을 이용하는데 사용되고 있다. 

최근 기상이변과 지구온난화로 하절기 전기 에어컨사용이 급격히 늘어나고 있다. 전 세계적으로 16억대의 에어컨이 가동 중이다. 특히 대도시는 에어컨 실외기의 방열에 의한 온난화 및 도시 열섬화 문제가 심각해지고 있다. 

태양열, 지열 등의 신재생에너지원이나 저급 폐열을 이용한 흡착 구동형 히트펌프 및 냉방장치 개발은 건물 공조 및 냉난방을 위한 미래형 에너지 활용방식이다. 흡착 냉방장치는 장치 구동에 전기를 사용하지 않을 뿐만 아니라 전기 에어컨과 달리 실외기에 의한 외부 방열문제가 없는 장점이 있다. 

그러나 핵심소재인 수분흡착제의 성능 문제로 기존의 냉난방시스템에 대해 경쟁력을 갖추지 못하고 있다. 나노세공 내에 친수성과 소수성을 동시에 보유한 유무기 하이브리드 나노세공체, 소위 금속-유기 골격체(MOF: Metal-Organic Framework)는 세공구조 및 세공 특성을 다양하게 조절할 수 있어 저습에서의 높은 수분흡착량과 70℃ 이하에서 용이하게 재생될 수 있는 물질이 차세대 수분흡착제로 개발되고 있다. 

기존에 개발된 수분흡착제들은 아직까지 사용조건에서 냉방에너지 효율 개선, 수분흡착 용량 향상, 70℃ 이하에서의 재생성 문제를 동시에 충족시키지 못하기 때문에 흡착식 냉방, 제습, 건조분야에 다양하게 적용되지 못하고 있다. 

기존 상업용 수분흡착제의 단점을 보완하고 성능을 개선할 수 있는 새로운 지르코늄계 하이브리드 나노세공 흡착제의 설계기술을 개발하고 흡착식 히트펌프 및 냉방장치에 적용할 수 있는 친환경 하이브리드 수분흡착제를 개발했다. 

이번에 개발한 MIP-200으로 명명된 지르코늄계 MOF 수분흡착제는 6개의 지르코늄 옥소클러스터(oxocluster) 양이온과 두 분자의 이소프탈산과 한 분자의 포름알데히드의 축합으로 형성된 방향족 카르복시산 분자의 4개의 카르복실레이트 음이온과 강하게 배위결합해 생성된 물질이다. 

이 물질은 1,000m²/g 이상의 높은 표면적과 약 0.4cm³/g의 높은 기공부피를 갖는 안정한 3차원 다공성 하이브리드 골격구조로 합성된다. 구조는 13Å 크기의 6각형 미세기공과 6.8Å 크기의 3각형 미세기공으로 구성되며 기공 내에 물에 대한 친수성과 소수성을 동시에 갖는 특성 때문에 수분 흡착력이 증가하고 저온 재생능력이 크게 향상됐다. 끓는 물은 물론 황산, 염산, 왕수(aqua regia) 등의 초강산에 노출돼도 구조 손상이 거의 없이 안정적이다. 

지르코늄계 MOF MIP-200 물질은 흡착식 냉방장치 및 히트펌프의 주요 운전 영역인 상대습도 15~35% 범위에서 S자형의 높은 수분 흡착등온선을 나타내고 70℃ 이하의 저온에서도 흡착된 수분용량의 75% 이상이 탈착되는 특징을 보였다. 흡착온도 30℃와 상대습도 35%에서의 수분흡착과 탈착온도 63℃와 상대습도 10%에서의 수분탈착 조건에서의 유효 수분흡착 용량은 MIP-200 물질에서 0.30g/g으로 상업용 수분흡착제 SAPO-34 제올라이트의 0.15g/g에 2배 이상 높고 증발기 온도 5℃의 운전조건에서 냉방에너지 효율(COPc)은 24% 이상 높았다. 

기존의 상업용 수분흡착제의 성능을 넘을 수 있는 새로운 개념의 하이브리드 나노세공체 소재 및 미래형 냉난방기술의 연구가치를 인정받아 10월22일자 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’지 논문으로 온라인에 공개됐다.

MOF 수분흡착제는 흡착식 냉방용 장치에 사용 중인 상용 수분흡착제 실리카겔 및 제올라이트에서 부족한 냉방에너지 효율 개선, 수분흡착 용량 향상, 70℃ 이하에서의 재생성 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 수분흡착제다. 이번에 개발한 지르코늄계 MOF 흡착제는 기존 수분흡착제대비 냉방에너지 효율 24% 이상 향상, 70℃ 이하에서의 용이한 재생능력, 70℃ 이하 재생온도에서 2배 이상 증가된 수분 흡탈착 용량을 얻을 수 있기 때문에 흡착식 냉방과 함께 수분제어용 에너지절약형 흡착제, 기체 분리 및 정제용 멤브레인 등의 소재와 건물 공조기, 스마트 공조기, 히트펌프, 제습냉방기, 에너지절약형 제습기 등의 시스템에도 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 

특히 새로 개발된 소재가 흡착식 냉난방기에 적용되면 전기를 에어컨의 5% 미만으로 쓸 수 있어 과다한 전기사용을 줄이고 전력피크를 감소시킬 수 있다. 지역냉방에 친환경 냉매인 물을 적용할 때 10만세대 기준으로 하절기 전력피크부하 약 234MW, 연간 에너지 약 7,300톤(TOE) 및 온실가스 약 1만9,500톤을 줄일 수 있다. 

금속-유기 골격체 수분흡착제의 설계기술은 기상이변과 지구온난화에 대응해 태양열 또는 중저온 폐열을 활용하는 미래형 냉난방산업의 핵심기술이다. 스마트 공조, 제습 및 건조분야의 사업화에도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 특히 2020년 연간 333억달러로 예상되는 전 세계 히트펌프시장에서 선진국대비 산업화가 이뤄지지 못하고 있는 취약한 흡착식 히트펌프의 국내 시장 개척에 기여할 수 있다. 

지난 2012년 금속-유기 골격체 흡착제분야 최초로 100℃ 이하에서 저온재생이 가능한 MOF 흡착제를 개발해 미국 및 주요 국가에 국제특허를 등록한 바 있다. 지난 5월에는 국내 특허로 출원했다. 

다양한 히트펌프 중 잠열 축열식 히트펌프 시스템에 적합한 핵심 수분 흡착제의 산업화와 개발된 흡착제의 대량생산 및 성능개량을 통해 히트펌프분야 중소·중견 벤처기업에 기술 이전 및 산업화에 기여하겠다.