안녕하세요, 여러분. 오늘은 PCM(Phase Change Material)에 대해 알아보겠습니다. PCM이란 무엇이고, 어떤 조건과 특징을 가지고 있으며, 어떤 종류가 있고, 어떤 분야에 활용될 수 있는지에 대해 간단하게 소개해 드리겠습니다.
PCM(Phase Change Material)이란 무엇일까?
PCM은 Phase Change Material의 약자로, 상변화물질이라고도 합니다. 상변화물질이란 주변의 온도변화에 따라 고체에서 액체 또는 액체에서 고체로 상태가 변할 때 온도가 일정하게 유지되면서 잠열(Latent heat)의 형태로 열을 저장하거나 방출할 수 있는 에너지 저장 물질입니다. 예를 들어, 얼음이 녹거나 물이 얼 때, 온도가 0℃로 유지되면서 열을 흡수하거나 방출하는 것이 상변화의 예입니다. PCM은 이러한 상변화 과정을 통해 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출할 수 있습니다.
PCM(Phase Change Material)의 조건, 특징은?
PCM은 상변화물질로서, 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.
- 상변화 온도가 적절해야 한다. 적용하고자 하는 분야의 온도 범위에 맞는 PCM을 선택해야 한다. 예를 들어, 건축물의 냉난방을 위한 PCM은 20~30℃ 사이의 상변화 온도를 가지는 것이 적합하다.
- 잠열량이 크고, 열전도도가 높아야 한다. 잠열량이 크면 열에너지를 많이 저장하거나 방출할 수 있고, 열전도도가 높으면 열에너지의 전달이 빠르고 효율적이다.
- 부피변화가 작고, 유출의 위험이 없어야 한다. 부피변화가 크면 구조적인 문제가 발생할 수 있고, 유출의 위험이 있으면 환경적인 문제가 발생할 수 있다.
- 화학적 안정성이 높고, 부식성이 없어야 한다. 화학적 안정성이 높으면 상변화 과정에서 분해되거나 변질되지 않고, 부식성이 없으면 적용하고자 하는 재료나 기기에 영향을 주지 않는다.
- 가격이 저렴하고, 공급이 안정적이어야 한다. 가격이 저렴하고 공급이 안정적이면 경제적으로 효과적이고, 장기적으로 사용할 수 있다.
PCM은 상변화물질로서 위와 같은 조건을 만족하는 것이 바람직하지만, 실제로는 모든 조건을 완벽하게 만족하는 PCM은 존재하지 않습니다. 따라서, PCM의 특징은 크게 유기계와 무기계로 구분할 수 있으며, 각각의 장단점이 있습니다.
PCM(Phase Change Material)의 종류
PCM은 유기계와 무기계로 구분할 수 있습니다. 유기계 PCM은 파라핀류, 지방산류, 설탕알코올류 등이 있으며, 무기계 PCM은 염류, 금속류, 유리류 등이 있습니다. 각각의 PCM은 상변화 온도, 잠열량, 열전도도, 비중, 안정성, 가격 등의 물성이 다르므로, 적용하고자 하는 목적과 조건에 따라 적절한 PCM을 선택해야 합니다. 표 1은 PCM의 분류와 특징을 요약한 것입니다.
| PCM의 분류 | 장점 | 단점 |
| 유기계 PCM | – 상변화 온도가 다양하고 조절이 용이함 – 잠열량이 높고, 열전도도가 낮아 열손실이 적음 – 화학적 안정성이 높고, 부식성이 없음 | – 가격이 비싸고, 가연성이 있음 – 부피변화가 크고, 유출의 위험이 있음 – 고체상태에서의 열전달이 어려움 |
| 무기계 PCM | – 가격이 저렴하고, 가연성이 없음 – 부피변화가 작고, 유출의 위험이 없음 – 고체상태에서의 열전달이 용이함 | – 상변화 온도가 제한적이고 조절이 어려움 – 잠열량이 낮고, 열전도도가 높아 열손실이 큼 – 화학적 안정성이 낮고, 부식성이 있음 |
유기계 PCM(Phase Change Material)의 특징과 종류
유기계 PCM은 주로 파라핀류, 지방산, 설탕알코올 등이 있습니다. 유기계 PCM의 특징은 밀도가 낮고 잠열량이 작은 반면, 무기계 PCM에 비해 부식성이 적고 부피팽창이 작다는 장점이 있습니다. 유기계 PCM은 의류, 건축, 냉난방, 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 표 2와 표 3에는 유기계 PCM의 종류와 물성치를 나타낸 것입니다 .
| 유기계 PCM의 종류 | 상변화 온도(℃) | 잠열량(kJ/kg) | 비중(g/cm³) | 열전도도(W/mK) | 부피팽창(%) |
| 파라핀류 | -10 ~ 80 | 150 ~ 250 | 0.7 ~ 0.9 | 0.15 ~ 0.25 | 5 ~ 15 |
| 지방산류 | 20 ~ 80 | 150 ~ 200 | 0.9 ~ 1.0 | 0.15 ~ 0.25 | 5 ~ 15 |
| 설탕알코올류 | 20 ~ 180 | 200 ~ 300 | 1.2 ~ 1.5 | 0.2 ~ 0.4 | 5 ~ 15 |
| 유기계 PCM의 예시 | 상변화 온도(℃) | 잠열량(kJ/kg) | 비중(g/cm³) | 열전도도(W/mK) | 부피팽창(%) |
| 헥사데칸 | 18 | 237 | 0.77 | 0.16 | 12 |
| 옥타데칸산 | 58 | 178 | 0.93 | 0.17 | 8 |
| 에리트리톨 | 118 | 339 | 1.45 | 0.34 | 9 |
유기계 PCM은 상변화 온도가 다양하고 조절이 용이하며, 잠열량이 높고, 열전도도가 낮아 열손실이 적다는 장점이 있습니다. 하지만, 가격이 비싸고, 가연성이 있으며, 부피변화가 크고, 유출의 위험이 있으며, 고체상태에서의 열전달이 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서, 유기계 PCM을 사용할 때에는 이러한 단점을 보완할 수 있는 방법을 고려해야 합니다. 예를 들어, 유기계 PCM을 캡슐화하거나 복합재료로 제조하여 유출과 부피팽창을 방지하고, 열전달을 향상시킬 수 있습니다.
무기계 PCM(Phase Change Material)의 특징과 종류
무기계 PCM은 주로 수화물(水和物) 계통의 PCM들이 있습니다. 무기계 PCM의 특징은 밀도가 높고 잠열량이 큰 반면, 유기계 PCM에 비해 부식성이 강하고 부피팽창이 크다는 단점이 있습니다. 무기계 PCM은 태양열 축열, 패시브 쿨링, 폐열 회수 등의 분야에 활용될 수 있습니다. 표 4와 표 5에는 무기계 PCM의 종류와 물성치를 나타낸 것입니다.
| 무기계 PCM의 종류 | 상변화 온도(℃) | 잠열량(kJ/kg) | 비중(g/cm³) | 열전도도(W/mK) | 부피팽창(%) |
| 수화물 | -10 ~ 120 | 100 ~ 350 | 1.3 ~ 2.4 | 0.5 ~ 2.5 | 10 ~ 30 |
| 염류 | 200 ~ 800 | 100 ~ 300 | 2.0 ~ 4.0 | 0.5 ~ 1.5 | 5 ~ 15 |
| 금속류 | 300 ~ 1000 | 50 ~ 200 | 6.0 ~ 10.0 | 10 ~ 100 | 1 ~ 5 |
| 유리류 | 500 ~ 1500 | 50 ~ 150 | 2.0 ~ 3.0 | 0.5 ~ 1.0 | 1 ~ 5 |
| 무기계 PCM의 예시 | 상변화 온도(℃) | 잠열량(kJ/kg) | 비중(g/cm³) | 열전도도(W/mK) | 부피팽창(%) |
| MgCl2·6H2O | 116 ~ 118 | 172 | 1.57 | 2.1 | 15 |
| Na2SO4·10H2O | 32.4 | 251 | 1.46 | 0.49 | 18 |
| Na2HPO4·12H2O | 35 | 281 | 1.52 | 0.51 | 20 |
| NaNO3 | 306 | 165 | 2.26 | 0.7 | 8 |
| KNO3 | 334 | 102 | 2.11 | 0.5 | 5 |
| LiNO3 | 255 | 321 | 2.38 | 0.9 | 10 |
| Pb | 327 | 24 | 11.34 | 35 | 3 |
| Sn | 232 | 60 | 7.29 | 67 | 4 |
| Al | 660 | 397 | 2.7 | 237 | 4 |
| SiO2 | 1713 | 92 | 2.2 | 1.4 | 2 |
무기계 PCM은 상변화 온도가 높고 잠열량이 크며, 열전도도가 높아 열전달이 빠르다는 장점이 있습니다. 하지만, 가격이 비싸고, 부식성이 있으며, 부피변화가 크며, 상분리 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 따라서, 무기계 PCM을 사용할 때에는 이러한 단점을 보완할 수 있는 방법을 고려해야 합니다. 예를 들어, 무기계 PCM을 코팅하거나 캡슐화하거나 복합재료로 제조하여 부식과 부피팽창을 방지하고, 상분리를 억제할 수 있습니다.
PCM 활용 분야 – 냉난방, 생활산업, 식품산업, 저온PCM
PCM은 열에너지를 효율적으로 저장하고 이용할 수 있는 재료로서, 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 여기서는 PCM의 활용 분야 중에서 냉난방, 생활산업, 식품산업, 저온PCM에 대해 간단하게 소개해 드리겠습니다.
- 냉난방: PCM은 건축물의 외피나 지붕에 적용하여 건물 내부의 온도를 조절하고, 냉난방 에너지를 절감할 수 있습니다. PCM은 낮에는 태양열을 흡수하여 상변화하고, 밤에는 열을 방출하여 상변화하는 과정을 반복하여, 건물의 열적 부하를 줄이고, 실내의 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다. 예를 들어, PCM을 함유한 벽돌이나 천장판, 창문, 도료 등이 개발되어 있습니다 .
- 생활산업: PCM은 의류나 우주복, 의료용품 등에 적용되어, 온도를 일정하게 유지하고, 편안함과 안전성을 높일 수 있습니다. PCM은 인체의 열을 흡수하거나 방출하여, 체온을 조절하고, 땀을 줄여줍니다. 예를 들어, PCM을 함유한 스포츠웨어, 군복, 장갑, 양말, 안대, 상처치료패 등이 개발되어 있습니다 .
- 식품산업: PCM은 식품의 보관과 운송에 적용되어, 식품의 신선도와 품질을 유지하고, 식품 낭비를 줄일 수 있습니다. PCM은 식품의 적정 온도를 유지하고, 온도 변화로 인한 식품의 변질을 방지합니다. 예를 들어, PCM을 함유한 냉장고, 냉동고, 냉장백, 아이스박스, 식품포장재 등이 개발되어 있습니다 .
- 저온PCM: PCM은 저온 영역에서도 활용될 수 있습니다. 저온PCM은 -10℃ 이하의 상변화 온도를 가지는 PCM으로, 저온 에너지의 저장과 이용에 적합합니다. 저온PCM은 저온 에너지의 효율적인 관리와 활용을 통해, 에너지 절약과 환경 보호에 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 저온PCM은 LNG(액화천연가스)의 운송과 저장, 저온 의료용품, 저온 냉동식품 등에 활용될 수 있습니다 .
이상으로 PCM(Phase Change Material)의 활용 분야 중에서 냉난방, 생활산업, 식품산업, 저온PCM에 대해 간단하게 알아보았습니다. PCM은 열에너지의 효율적인 이용을 위해 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 앞으로 더 많은 연구와 개발이 필요한 재료입니다. 감사합니다.