연구배경은? 

• 2018년 12월, 경기도 고양시 백석역 인근에서 지역난방 공사 온수관 파열 사고가 발생했습니다. 이 사건으로 낡은 난방 온수 공급 시스템의 개선이 국가적 이슈로 주목 받았습니다. 
• 가정에서 사용하는 난방 용수는 약 50도 정도이지만, 지역난방 공사는 온수를 공급하는 과정에서 발생하는 열 손실이 크기 때문에 110도가 넘는 고온의 용수를 고압 배관을 통해 전달하고 있습니다. 
• 고압, 고온을 버틸 수 있도록 노후 배관을 전반적으로 교체하는 것이 중요합니다. 
• 하지만 문제를 해결하는 근본적인 대책은 아니기 때문에 새로운 난방 기술의 혁신이 시급한 시점입니다. 

뭘 발견했는데?

• 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 신유환 박사팀은 차세대 신 난방기술로써 PCM(Phase Change Material, 상변화물질) 캡슐을 이용한 열 수송 기술을 제시했습니다. 
• PCM의 대표적인 물질로는 양초의 재료인 파라핀 오일이 있습니다. 이러한 재료는 고체에서 액체로 상변화 시 열을 흡수해 내부에 저장하고 반대로 다시 고체로 변화 시에 저장된 열을 방출하는 특성이 있습니다. 
• 본 기술의 핵심 아이디어는 열을 흡수시킨 PCM을 작은 타원형의 구슬 모양으로 캡슐화해 배관을 통해 이송시키는 것입니다.
• 이번 연구는 에너지 분야 국제 저널인 <Energy Conversion and Management>에 게재됐습니다. 

어떻게 조사했나

• 연구팀은 열 수송의 핵심 기술인 기존의 딱딱한 구슬 모양의 열 저장 용기를 아주 작은 마이크로 사이즈의 유연한 타원형 PCM 캡슐 형태로 바꾸면서 성능을 대폭 개선했습니다.
• 기존 대비 열전달 성능을 5.5배 증가시켰고, 열 저장시 소요되는 시간을 50% 감소시키는 데 성공했습니다.
• KIST 연구진은 이 기술을 이용해 마치 주유소와 같이 열 스테이션(heat station)을 분기점별로 조성해 온수를 안정적으로 공급하는 아이디어를 제시했습니다. 

특이한 점은?

• 개발된 PCM 신 물질은 고체에서 액체로 상변화 시 약 50도로 온도를 유지합니다. 이때, 같은 온도의 일반 물보다 70배 이상 많은 열을 내부에 저장할 수 있습니다. 
• PCM 캡슐을 활용하면, 기존에 110도로 수송해야 했던 온수를 50도로 수송할 수 있습니다. 

이 연구가 왜 중요할까

• 수송하는 온도가 낮기 때문에 열 손실이 획기적으로 감소하고 배관의 안전성 문제도 해결됩니다. 
• 이 물질은 반영구적으로 사용 가능하여 환경적, 경제적 이점을 갖고 있습니다. 

"본 연구를 통해 개발된 기술이 정부 및 산학연과의 협력기반을 마련해 'PCM 열 수송' 기술이 미래 신산업으로 발전되길 기대합니다"

-KIST 신유환 박사

향후 연구 계획은?

• 현재 연구팀에서는 PCM 열 수송 기술을 건축물의 온도제어에 활용하는 일명 '열에너지 플러스 빌딩' 응용 연구를 진행중입니다. 
• 여름철 건물 외벽의 뜨거운 열을 벽면 내부 PCM 캡슐에 저장한 뒤, 이를 건물 지하 20m 땅속에 단열해 보관하고 겨울철에 다시 꺼내 건물의 온도를 올리는데 쓸 수 있습니다. 
• 마찬가지로, 겨울에는 냉기를 저장했다가 여름철에 냉방용으로 사용할 수 있습니다.

함예솔 다른기사 보기