축열용 PCM 나노유체의 마이크로 캡슐 합성

Abstract

본 연구에서는 상변화물질(Phase change material, PCM)의 캡슐화율 및열저장 특성에 영향을 주는 인자들을 분석하고, PCM 나노유체의 캡슐화에 따른 열저장 및 열전달 특성의 변화를 실험을 통해 확인하였다. 캡슐의 코어 물질로 녹는 점이 낮고 잠열이 큰 옥타데칸(Octadecane)을 사용하였고, 물에 대한 용해도가 낮고 열적 안정성이 큰 탄산칼슘(CaCO3)을 쉘로 사용하였다. Oil Phase의 옥타데칸을 증류수 (Water Phase)에 분산하여 자가조립 방법(Self-Assembly Method)으로 캡슐을 합성하였다. PCM 캡슐의 합성 과정에서 계면 활성제의 농도(%)와 옥타데칸의 질량 (g)과 교반 RPM을 변화하여 각 파라미터들의 영향을 조사하였다. 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 PCM 캡슐의 열물성을 측정하였고, 전자주사현미경(SEM)을 통해 캡슐의 형상과 크기를 확인하였다. 계면활성제의 농도가 0.67 % 일 때 캡슐화율은 19 %, 옥타데칸의 질량이 0.6 g 일 때 캡슐화율은 28 %로 확인되었다. RPM에 따른 캡슐화율은 1200 rpm일 때 32 %로 확인되었다. PCM 코어의 열물성 향상을 위해 실리카 나노 입자를 계면활성제(Span 80)을 이용하여 PCM 나노유체(nanofluid)를 합성하였고, 이를 캡슐화하여 PCM 나노유체 캡슐을 합성하였다. PCM 나노유체의 열전도도는 PCM에 비해 39.7 % 향상되었다. PCM 나노유체를 코어로 한 PCM 나노유체 캡슐은 75.1 %의 열전도도 증가를 나타내었다. 또한, 나노유체 캡슐의 비열은 순수 옥타데칸에 비해 실리카 나노입자의 함유량이 3 % 일 때, 고체 상태에서 40.7 %, 액체 상태에서 39 % 감소하는 것이 확인되었다. 열저장 물질로 사용되는 Solar Salt와 PCM 캡슐의 열저장 용량을 비교하였다. PCM 캡슐의 열저장 용량이 Solar Salt에 비해 약 24.9 %, PCM 나노유체 캡슐은 16.7 % 향상됨을 확인하였다. 부피당 TES 성능을 Solar Salt와 비교하면, PCM 캡슐은 4.1 %, PCM 나노유체 캡슐은 25.7 %의 향상을 확인하였다. PCM 캡슐 및 PCM 나노유체 캡슐을 통해 고밀도의 안전한 열저장이 가능하고, 이를 통해 태양열, 지열 및 폐열 등의 다양한 재생에너지원의 활용이 가능할 것으로 기대된다.