일상생활 중 주로 쓰는 냉난방기는 전기식 에어컨, EHP(전기히트펌프) 등인데, 이는 ▲전력피크 문제 ▲프레온 가스의 오존층 파괴 ▲지구 온난화 ▲화석연료 고갈 등을 유발했다.

이에 친환경 냉난방기 연구로 '흡착식 냉난방기'가 개발됐다. 흡착식 냉난방기는 전기를 거의 쓰지 않고 천연냉매인 물과 흡착제, 지역난방열, 태양열 등으로만 구동할 수 있다.

물이 수증기로 증발해 주변 열을 빼앗아 냉방이 되고, 반대로 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방되는 원리다. 여기에는 흡착제가 주 소재로 쓰이는데 냉난방기 안에서 수분을 빨아들여 냉방을 촉진하고, 포화되면 외부의 열로 수분을 내뱉은 후 재생된다. 여름철 태양열과 폐열을 냉방에 사용할 수 있어 자원 재활용도 가능하다.

그러나 기존 흡착제는 성능이 떨어져 수분흡착 용량이 크며, 70도 이하 낮은 온도에서 흡착제 재생이 잘되고, 에너지 효율이 높아야한다는 기준에 못미쳤다.  기존 흡착제인 실리카겔의 경우 흡착용량이 작고 제올라이트는 150도 이상의 고온에서 재생시켜야 했다.

연구팀은 상용화를 위한 세 가지 조건을 모두 만족하는 흡착제를 만들었다. 새 흡착제의 효율은 기존 제올라이트 흡착제보다 24% 이상 높고, 실리카겔 흡착제보다 2배 이상 용량이 크며, 섭씨 70도 이하 저온에서도 손쉽게 수분이 탈착 재생될 수 있다

연구팀이 개발한 흡착제는 지르코늄 물질을 사용한 금속-유기 골격체 MOF(Metal-Organic Framework)다. 연구팀은 프랑스 CNRS 연구팀과 함께 지르코늄 양이온과 방향족 카르복시산 음이온을 결합시켜, 3차원 골격구조를 이루면서 내부에 구멍이 많은 새로운 물질을 만들었다.

개발된 흡착제는 물을 잘 흡착하는 성질(친수성)과 물을 싫어하는 성질(소수성)을 동시에 가지고 있어서, 냉방 운전조건에서 수분 흡착력은 증가하고 저온 재생능력도 크게 향상됐다. 황산, 염산 등의 초강산에 노출돼도 구조 손상이 없다.

또 기존 금속-유기 다공성 소재에 비해 고압에서도 기계적 강도가 매우 높다. 수분 흡착제 외에 스마트 공조기, 제습 건조기 등의 다양한 흡착소재로도 활용될 수 있다.

새로 개발된 소재가 흡착식 냉난방기에 적용되면, 전기를 에어컨의 5% 미만으로 쓸 수 있어 과다한 전기 사용을 줄이고 전력 피크를 감소시킬 수 있다.

장종산 박사 연구팀은  2012년 금속-유기 골격체 흡착제 분야 최초로, 섭씨 100도 이하에서 저온 재생이 가능한 MOF 흡착제를 개발, 미국 등 주요 국가에 국제특허를 등록한 바 있다. 지난 5월에는 이번 기술을 국내 특허로 출원, 현재는 흡착식 냉방, 제습 건조기 제품의 사업화를 위해 기술계약과 이전을 진행중이다.

장 박사는 "이번에 개발한 금속-유기 골격체 수분흡착제의 설계 기술은 기상이변과 지구온난화에 대응해 태양열과 중저온 폐열을 활용하는 미래형 냉-난방 산업의 핵심 기술"이라며 "스마트 공조, 제습와 건조 분야의 사업화에도 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과기부에서 지원하는 글로벌프론티어사업 중 '하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단'의 세부과제와 EU-Framework 국제공동 협력연구로 진행됐고, 연구회 화학공정 융합연구단 과제에서 일부 지원 받았다.

한편, 이번 연구결과는 '네이처 에너지(Nature Energy)' 온라인 판 최신호에 게재됐다.