화학과 장종산 교수(화학과 학연교수, 한국화학연구원 연구위원)는 프랑스 CNRS 연구소와의 공동연구로 실외기와 프레온 가스 사용이 없고 전기를 거의 사용하지 않는 차세대 냉방용 하이브리드 나노세공체 수분흡착제를 개발하여 2018년도 11월호 네이처 에너지(Nature Energy)’지 논문(doi:10.1038/s41560-018-0261-6)으로 게재하였다.

최근의 기상이변과 지구온난화로 하절기 전기 에어컨 사용이 급격히 늘어나고 있다. 전세계적으로 약 16억대의 전기 에어컨이 가동 중인데 대도시의 경우 에어컨 실외기의 방열에 의한 온난화 및 도시 열섬화가 심각한 문제로 대두되고 있다. 전기식 냉방은 지구 온난화 문제 이외에도 피크전력 상승, 프레온 가스의 오존층 파괴 및 화석연료 고갈 등의 문제를 안고 있기 때문에 에너지절약형 차세대 냉방기술 개발은 중요한 연구주제이다.

수분 흡착식 냉방은 대표적인 친환경 냉방기술로서 실외기가 필요 없고 전기를 거의 쓰지 않으며 천연냉매인 물과 흡착제, 재생열원(지역난방열, 태양열 또는 산업용 폐열) 등으로만 구동할 수 있다. 물이 수증기로 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 냉방이 되고, 반대로 증발된 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방이 되는 원리다. 수분 흡착제는 흡착식 냉방기술의 핵심 소재로서 냉난방기 안에서 수분을 흡착하여 냉방을 촉진시키고 포화되면 외부의 열로 수분을 탈착하여 재생된다. 그동안 상업용 흡착제인 실리카겔과 제올라이트가 주로 사용되었지만 성능이 좋지 않아 흡착식 냉방기가 광범위하게 상용화되지 못했다.

장종산 교수와 프랑스 CNRS 연구팀은 상업용 수분흡착제에 비해 성능과 안정성이 크게 향상된 혁신적인 지르코늄계 MOF (Metal-Organic Framework) 다공성 흡착제를 개발했다. 연구팀은 프랑스 CNRS 연구팀과 함께 8개의 결합자리를 갖는 지르코늄 옥소클러스터 양이온과 방향족 카르복시산 음이온을 결합시켜 내부에 6.8 Å 크기의 3각형 나노기공과 약 13 Å 크기의 6각형 나노기공을 갖는 새로운 3차원 골격구조 화합물을 합성하였다. 이 물질은 물을 친수성과 소수성을 동시에 지니고 있어서, 냉방 운전조건에서 수분 흡착력은 증가하고 저온 재생능력이 크게 향상되었다. 새로운 흡착제는 기존 제올라이트 흡착제보다 냉방효율이 24% 이상 높고 흡착용량도 실리카겔 흡착제보다 2배 이상 크며, 70oC 이하의 저온에서도 손쉽게 수분이 탈착 재생될 수 있는 특징을 갖고 있다. 새로 개발된 소재를 태양열 또는 폐열 기반의 흡착식 냉방기에 적용하면 전기 에어컨 대비 5% 미만의 전기로 구동할 수 있어 과다한 전기 사용을 줄이고 피크 전력을 감소시킬 수 있다. 지르코늄계 MOF 물질은 수분에 안정하고 황산, 염산 등의 초강산에 노출되어도 구조 손상이 없으며, 기존 다공성 MOF 물질에 비해 고압에서도 기계적 강도가 매우 높다. 따라서 흡착식 냉방 외에 스마트 공조기, 제습 건조기 등의 다양한 흡착소재로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

*논문 제목: A robust large-pore zirconium carboxylate metal–organic framework for energy-efficient water-sorption-driven refrigeration, Nature Energy, 3, 985-993 (2018). (DOI:10.1038/s41560-018-0261-6)