잠열미립자의 제조 및 슬러리 축열 특성

성준희·이재구·홍재창·이효진*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, *대전산업대학교 건축설비과

Preparation of Microencapsulated Phase Change Material and Characteristics of the Heat Storage of the Slurry

Jun-Hee Sung, Jae-Goo Lee, Jai-Chang Hong, and Hyo-Jin Lee*

Energy & Environment Division, Korea Institute of Energy Research(KIER)

서   론

잠열미립자(Micro-PCM : Microencapulated Phase Change Materials)를 열이송 유체와 혼합하여 고효율의 냉난방용열 저장 및 수송을 위한 새로운 기능성 마이크로캡슐 제조 기술이 최근 주목받고 있다. 잠열 물질의 마이크로캡슐화는 표면적이 증가하여 열의 흡수·방출속도가 빨라지고 열교환기 전열면적과 일정열량 수송을 위한 소요동력을 감소시킬 수 있다.

이    론

잠열미립자 (microPCM)는 마이크로캡슐 방법에 의해 잠열물질을 고분자물질로 감싸진 형태로써 물과 같은 이송매체와 혼합된 슬러리로 이용하면 잠열물질의 동적(動的)인 이용이 가능하게 된다. 잠열미립자 슬러리는 유체내에서 열교환시 미세 대류 효과가 증가되어 전열효율이 향상되며, 미립화에 의한 표면적의 증가로 열흡수 및 방출속도가 빨라져 열교환기 전열면적을 줄일 수 있다. 또한 축열 밀도의 증가로 동일한 열량을 저장하거나 이송하기 위한 펌프나 배관 및 저장조의 용량을 감소시킬 수 있어 냉난방 에너지 이용분야에서 새로운 기술로 이용이 기대되고 있다[1]. 마이크로캡슐을 제조에서 입자의 미세화를 위해서는 화학적인 방법으로 접근할 수 있는데 계면 축중합과 in situ 중합법으로 분류된다[2]. In-situ 중합법에 의한 마이크로캡슐 제조 공정은 내부물질의 유화공정과 껍질물질을 형성하는 중합공정으로 이루어진다. 유화공정에서 사용되는 계면활성제는 캡슐화될 물질을 분산 유화와 유화된 에멀젼의 안정시킴과 동시에 캡슐벽을 형성하기 위한 촉진제로써 기능을 수행한다[3]. 즉, 내부와 껍질물질의 계면에서 배향하여 각 액적 주위에서 입체 및 전하 경계층을 만들어 분산된 액적간에 대한 장애물로 작용하여 균일한 입도분포를 유지하여 에멀젼이 안정성을 유지하도록 해준다. 만들어진 잠열미립자의 슬러리는 균일 분산 안정성을 필요로하는데 열저장 목적으로 용기내에서 대류 특성없이 장기간 잠열미립자 슬러리를 정치하는 경우에 입자의 분리가 초래되고 시스템의 재가동시 자장을 초래할 가능성이 존재한다. 잠열미립자의 미세화에 의해 입자 직경이 감소하게 되고 슬러리 중에 양호한 입자 분산상태를 유지할수있도록 장시간 동안 안정한 슬러리를 조제하여야한다[4]. 축열시스템은 냉각수를 코일에 이용하여 축열조내를 순환시켜 열을 공급또는 회수하는 간접접촉식 방법으로 수축열이나 100% 잠열재를 이용할 때 많이 사용되는 방식이다. 간접접촉식의 효율을 증대시키기 위하여 구상한 것으로 표면적을 극대화하기위해 잠열재를 캡슐화하여 이용하는 방식이다.

본 연구는 in situ 중합법을 이용하여 내부물질을 냉방 잠열물질로 잠열미립자를 제조하였고 만들어진 슬러리의 유체역학적인 특성을 파악하였고 열저장의 축열성능을 알아보았다.

실   험

냉방용 잠열물질로써 용융온도가 4℃인 테트라데칸(CH3(CH2)12CH3)을 사용하여 벽물질은 아미노계 수지인 멜라민수지(MF)로 잠열미립자를 만들었다. 유화공정에서 사용된 음이온성 수용성 계면활성제로는 PSSA(polystyrenesulfonicacid)와 SMA(styrene- maleic acid anhyride copolymer)를 사용하였다.

반응온도 조절을 위하여 승온 및 냉각이 가능하도록 이중자켓형 반응기를 사용하였다. 멜라민 22g(0.17mol/g), 포르말린(37% 포름알데히드) 38g(0.469mol/g)으로 몰비 1 : 2.75의 비율을 유지하여 물 60g을 60℃에서 30∼40분동안 혼합, 교반하여 조제하였다. 반응시간의 60℃에서 3∼4시간동안 600rpm을 유지하여 캡슐화된 슬러리를 제조하였다.

열적 특성은 DSC(주사열량분석장치, Instriment Specialists Insorporated)를 사용하였으며 유화된 내부물질의 액적 분포는 광학현미경(Olympus BX50)으로 분석하였고 잠열미립자의 표면특성은 SEM(Scanning Electron Microscopy, Philips EX30)으로 관찰하였다.

축열장치의 구성은 직경이 10Cm이고 길이가 20Cm인 아크릴재질로 제작하였다. 내부에는 1/4인치의 copper tube를 이용하여 냉각수가 순환하도록 하였으며 위로부터 5Cm, 10Cm, 15Cm위치에 각 1Cm간격으로 3개씩 총 9개의 T-type 열전대를 설치하여 이때 공급수에 의해 회수되는 열량, 코일에서 내부로 전달되는 열전달 계수를 알아보았다.

결과 및 토론

1. 계면활성제와 내부물질에 따른 잠열미립자 제조특성

수용성 음이온성 계면활성제 PSSA와 SMA를 사용하여 각각 오일의 액적을 형성한 후 MF 수지를 이용하여 만들어진 마이크로캡슐의 크기는 10□내외로 작은 크기를 보였으며 균일한 크기 분포를 갖는 것을 볼 수 있었다. Fug. 1a는 계면활성제를 PSSA로 사용한 결과로써 표면은 SMA보다 매끄러운 구형 구조를 보여주고 있다.

(a) PSSA                   (b) SMA

Fig. 1 Surface characteristics of MPCM with various surfactants

Fig. 1b는 SMA 계면활성제를 사용한 것으로 각각 테트라데칸을 내부물질로 한 MF 마이크로캡슐이다. PSSA와는 달리 표면에 많은 돌출부분을 볼 수 있는데 껍질의 찌꺼기가 붙은 것처럼 보이는 것은 중합에서 MF가 생성되는 과정에서 껍질의 표면 안에서 부터 겹겹이 생성된 것으로 추정이 가능하다. 벽물질이 MF 수지로써 같은 물질임에도 불구하고 계면활성제의 종류에 따라 자체 특성에 따라 상이한 표면을 보이는 것을 알 수 있다. SMA의 경우 자체 기포 발생이 많아서 기포에 의해 MF의 잔여 물질이 부가적으로 붙어서 표면이 울퉁불퉁한 것을 볼 수 있다.

2. 축열 성능 실험

축열 성능을 파악하기 위하여 물, 파라핀 오일과 잠열 미립자 슬러리를 사용하였다. 물은 열전도도가 커서 축냉 및 방열이 원활하였고 파라핀 오일은 열전도도가 낮은 요인으로 위치별 온도편차가 심한 과냉 특성을 보였다. 잠열 미립자 슬러리의 농도 증가에 따라 축열조 내 다양한 위치에서의 온도는 축열 초기에는 다르다가 일정시간이 경과한 후부터는 거의 동일한 온도는 나타내 주었다. 이는 공급되는 냉각열이 입자 내부까지 전달되는 과정에서 껍질 물질의 저하에 의하여 지연되고 상변화가 본격적으로 시작되어 주위로부터 열을 흡수하는 과정에 의해 나타난 현상으로 여겨진다. 현재의 축열 시스템으로 최적 성능을 평가하기에는 많은 어려움이 있지만 실험결과를 토대로 볼 때 40∼50wt%가 가장 적합하고 이 때 축열조의 밀도는 수축열에 비해 3배 수준임을 알 수 있었다.

(a) water

(b) tetradecane

(c) 40wt%PCM

(d) 50wt%PCM

Fig. 2 Temperature changes on the cooling time in the thermal storage

Fig. 2a는 증류수를 이용한 온도변화는 온도 강하가 고르게 분포되는 것으로 열전도도가 다른 잠열물질에 비하여 높기 때문인 것으로 여겨진다. Fig. 2b는 100% 테트라데칸을 이용한 것으로 공급수가 위로 주입되기 때문에 가장 위에 위치한 곳에서 과냉각이 발생하는 것을 알 수 있다. Fig. 2c는 40%의 PCM으로 각 열전대의 온도가 뚜렷이 차이를 보여주고 있으며 어느시간 경과후 한곳에 모아지는 현상으로 상변화가 완료되는 시점이 보인다. Fig. 2d는 (c)와는 달리 온도가 지속적으로 감소하고 있는 현상을 보인다.

참고문헌

1. D. P. Colin, J. C. Mulligan, Y. G. Bryant, Internation Conference on Environmental Systems, Seatle, 13∼16, July, (1992).

2. How to Make Microcapsules, Thies, 7, (1995).

3. Hutchungs David A., Unitied States Patent 5,283,015 (1994).

4. Inaba, H., Fujisaki, M., and Morita, A., The 16th Japan Symposium on Thermophysical Properties, Vol. 16, pp. 24 (1995)