고온 열저장을 위한 용융염 마이크로/나노 캡슐 합성 및 열성능 평가

Abstract

본 연구에서는 고온 열저장을 목적으로 하는 용융염 마이크로/나노 캡슐을 합성하고, 합성 매개변수가 캡슐에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 열성능 평가를 통해서 용융염의 마이크로/나노 캡슐화에 따른 열저장 및 열전달 특성의 변화를 분석하였다. 용융염 마이크로 캡슐은 졸겔법을 이용하여 합성하였으며, 서로 다른 2가지 종류의 용융염(질산염 및 이원탄산염)을 코어 물질로 사용하여 각각 300 ℃와 500 ℃ 부근의 영역에서 사용할 수 있는 용융염 캡슐을 합성하였다. 합성 매개변수 영향을 분석한 결과, 질산염 마이크로 캡슐은 고농도 촉매조건에서 가장 견고한 쉘을 갖는 캡슐을 합성하였으며, 이원탄산염 마이크로 캡슐은 아세톤을 합성 용매로 사용하여 고온에서도 부서지지 않는 캡슐을 만들 수 있었다. 질산염 마이크로 캡슐과 이원탄산염 마이크로 캡슐은 코어로 사용된 각각의 용융염 보다 20.7, 39.9% 높은 열전도도를 가지며, 열성능 평가를 통해 열저장 용량이 현열매체 보다 110, 91.1% 증가한 것을 확인하였다. 용융염 나노 캡슐은 에멀젼 및 졸겔 공정을 기반으로 합성하였다. 코어 물질은 단일염부터 이원혼합염까지 서로 다른 상변화 온도를 갖는 물질을 사용하여 각각의 온도 영역에서 사용할 수 있는 용융염 캡슐을 합성하였다. 매개변수 분석을 통해 교반속도 및 계면활성제의 양이 합성되는 캡슐의 크기에 영향을 미치는 것이 확인되었으며, 최적의 합성 조건에서 약 420 nm의 평균 직경과 25 nm의 쉘 두께를 갖는 질산염 나노 캡슐이 합성되었다. 50회의 열주기 반복을 통해 나노 캡슐의 우수한 열신뢰성을 확인하였으며, 이 나노 캡슐은 용융염의 잠열을 바탕으로 현열매체 대비 64.6% 높은 열저장 용량을 갖는 것으로 확인되었다. 용융염을 마이크로/나노 캡슐화함으로써 고온에서의 열안정성 및 열신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 이 마이크로/나노 캡슐들은 용융염의 높은 상변화 엔탈피를 이용한 고밀도의 열에너지 저장이 가능하다. 따라서, 용융염 마이크로/나노 캡슐을 고온 축열 물질로 활용한다면 우수한 열저장 및 열전달 성능을 바탕으로 열에너지 저장 기술을 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.