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신소재/부품 자동차 축열 세라믹 개발

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-06-09 16:39:00
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동경대학대학원 / 이학계연구원ㆍ이학부

출처 : https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6544/

 

[ 발표 내용 ]

 

승용차, 트럭, 버스 등의 자동차는 엔진에서 연료를 연소시켜 얻어지는 열에너지를 이용하여 동력을 얻는다. 엔진을 가동시키면, 먼저 에너지를 사용하여 내부 시스템을 적절한 온도로 높이고, 이윽고 운전할 수 있는 상태가 된다. 한편, 운전 중에는 열에너지가 과잉 발생하기 때문에 대기 중으로 방출된다. 만약 운전 중에 발생하는 열에너지를 비축해 두었다가 엔진의 시동을 다시 걸었을 때 사용할 수 있다면, 연비를 향상시킬 수 있다. 일반적으로 열에너지를 축적할 수 있는 재료를 축열 재료라 부르며, 크게 현열 축열 재료 및 고체/액체 잠열 축열 재료로 나뉜다. 현열 축열 재료에는 벽돌과 콘크리트가, 고체/액체 잠열 축열 재료에는 물, 파라핀, 폴리에틸렌글리콜이 포함된다. 하지만 이러한 재료들 역시 시간이 지나면 축적된 열에너지가 서서히 방출된다.

 

본 연구 그룹은 람다형 오산화삼티탄에 주목하였다. 람다형 오산화삼티탄은 오코시 교수가 발견한 산화티탄의 신물질로서, 열에너지를 축적할 수 있으며 압력을 가하면 다시 방출한다. 기존의 물질 중에서는 이러한 축열ㆍ방열을 할 수 있는 것이 없다. 람다형 오산화삼티탄은 새로운 유형의 축열 재료이며, 잠재적인 니즈가 있음이 드러났다. 한편, 축적된 열에너지를 방출하기 위한 압력이 10MPa(100bar) 미만이면, 적용할 수 있는 용도가 넓어질 것으로 생각된다.

 

본 연구에서는 저압응답성 축열 세라믹의 개발에 착수하였다. 루틸형 이산화티탄을 수소 분위기하에서 고온소성(1300℃에서 2시간)함으로써 합성했다. 얻어진 시료는 한 변이 서브 마이크로 미터인 블록 형태의 결정이었으므로, 해당 재료를 블록형 람다형 오산화삼티탄(블록형 λ-Ti3O5)이라 부르게 되었다. (그림1) 블록형 람다형 오산화삼티탄은 낮은 압력에서 베타 오산화삼티탄으로 압력 유기 상전이를 일으킨다는 사실을 알게 되었다. 람다 구조에서 베타 구조로의 상전이는 수십 기압에서 시작하며, 70기압(7MPa)에서 람다 구조의 비율이 절반까지 줄어든다. (그림2a) 70기압은, 시판되는 7㎥ 압력 봄베의 압력의 절반 정도이며, 고체의 압력 유기 상전이 중에서는 가장 약한 압력이다. 서모그래피를 사용하여 압력 유기 상전이 중인 시료의 온도 변화를 측정하면, 시료를 망치로 친 순간(67밀리초 미만)에 온도가 26.8℃에서 85.5℃까지 올라가는 것을 관측할 수 있다. (그림2b, 3) 그 후, 온도는 감쇄시간 1.7초로 기하급수적으로 저하된다. 또한 시차 주사 열계량을 사용하여 축열 온도와 축열 에너지의 양을 측정해보니, 471K(198℃)까지 가열하면 베타 구조에서 람다 구조로 전이되며, 237kJ L−1의 열량을 축적된다는 사실을 알게 되었다. 실온까지 냉각해도 방열은 일어나지 않으며, 열에너지가 축적된다는 사실이 드러났다. 이번에 관측된 블록형 람다형 오산화삼티탄의 장기 축열이라는 특성과 저압에서의 열축적 에너지의 방출은, 이 물질이 쌍안정성(람다 구조와 벤더 구조)을 갖고 있다는 점을 시사하며, 이는 두 가지 형태 사이에 에너지 장벽이 존재하기 때문이다. 열역학계산으로 인해, 낮은 압력에서 에너지 장벽이 소실되기 때문에 람다 구조는 벤더 구조로 변화하고, 축적된 잠열 에너지를 방출한다는 사실을 알게 되었다. (그림4)

 

이번에 블록형 람다형 오산화삼티탄이라는 새로운 축열 세라믹을 보고하였다. 이 재료는 장기간에 걸쳐 열에너지를 저장하며, 저압인가로 인해 열에너지를 방출한다. 블록형 람다형 오산화삼티탄은 237kJ L−1이라는 거대한 잠열 에너지를 축적할 수 있다. 이러한 축열 에너지는, 예를 들어 물(320 kJ L−1), 파라핀(140 kJ L−1), 그리고 폴리에틸렌글리콜(165 kJ L−1)과 같은 고체/액체 상전이 재료의 잠열 에너지와 비슷한 수준이다. 블록형 람다형 오산화삼티탄에 축적된 열에너지는 불과 수 MPa~7MPa의 약한 압력을 가하는 것만으로도 방출된다. 축열 세라믹은 자동차의 시동을 다시 걸 때 냉각된 내부 시스템을 예열할 수 있기 때문에, 엔진 및 머플러와 가까이 있는 자동차 부품에 있어 유용할 것으로 기대된다. (그림5a) 그밖에는 태양열발전소의 축열재로서 응용할 수 있을 것으로 기대된다. (그림5b) 해당 재료는 장기 잠열 축열과 현열 축열 모두의 특성을 갖추고 있기 때문에, 태양광발전소의 축열 시스템에 있어 유용할 것으로 기대된다.

 

[ 발표 잡지 ]

 

잡지명 : Scientific Reports (사이언티픽 리포트)

논문 제목 : Low-pressure-responsive heat-storage ceramics for automobiles

논문 제목의 뜻 : 저압에 대응하는 자동차용 축열 세라믹

저자 : Shin-ichi Ohkoshi, Hiroko Tokoro, Kosuke Nakagawa, Marie Yoshikiyo, FangdaJia, and Asuka Namai

DOI 번호 : 10.1038/s41598-019-49690-0

 

[ 용어 해설 ]

 

블록형 람다형 오산화삼티탄(block-type λ-Ti3O5) : 람다형 오산화삼티탄은 2010년에 오코시 신이치 교수 등이 발견한 새로운 결정 구조를 가진 산화티탄 재료로서[Nature Chemistry, 2, 539 (2010)], 최근 축열 세라믹이라는 새로운 개념을 제안하고 있다. [Nature Communications, 6, 7037 (2015)] 금속적인 성질을 가진다. 이번에 발견한 물질은 블록 형태를 가진 람다형 오산화삼티탄이다.

 

벤더 오산화삼티탄(β-Ti3O5) : 기존에 알려진 오산화삼티탄의 갈색 결정상으로, 반도체적인 성질을 가진다.

 

[ 첨부 자료 ]

 

<그림1> 블록형 람다형 오산화삼티탄(block-type λ-Ti3O5)의 결정 구조와 형상. (a) 블록형 람다형 오산화삼티탄(block-type λ-Ti3O5)의 b축 방향(왼쪽) 및 c축 방향(오른쪽)에서 본 결정 구조. (b)투과형 전자현미경에서 본 모습(왼쪽)과 격자무늬를 나타낸 확대 그림(오른쪽). 삽입된 그림은 푸리에 변환된 모습과 그에 대응하는 격자무늬의 원자 위치.

 

<그림2> 블록형 람다형 오산화삼티탄의 압력 변화와 압력 유기의 방열. (a)람다 형태(●) 및 벤더 형태(○)의 상분율의 압력의존성. (b)서모그래피로 얻은, 압력인가로 인한 시료 온도의 시간의존성. 압력은 시간 t = 0 으로 얻는다.

 

<그림3> 블록형 람다형 오산화삼티탄에 압력인가한 후의 서모그래피 영상의 시간에 따른 변화. 압력은 시간 t = 0 으로 얻는다. 시료 온도는 최고 온도 85.5℃까지 도달하였다.

 

<그림4> 통계열학 계산에 근거한 압력 유기 상전이의 메커니즘. (a) 압력이 0.1PMa(위쪽) 및 30MPa(아래쪽)일 경우의 람다상분율(x)의 온도의존성. 계산은 강온과정 및 승온과정에 대해 실시하며, ΔH = 13.7 kJ mol-1, ΔS = 34.6 J K-1 mol-1, γb = -2.4 J K-1 mol-1, and γc= -0.12 kJ MPa-1 mol-의 조한 하에서 실시하였다. γa값은 12.88 kJ mol-1을 중심으로 하는 정규분포를 가진다고 가정하였다. (b)300K에서의 x의 의존성 곡선.

 

(a) 자동차에 대한 응용 전개

(b) 태양열발전에 대한 응용 전개

 

<그림5> 블록형 람다형 오산화삼티탄의 응용 예시. (a) 블록형 람다형 오산화삼티탄의 자동차에 대한 응용 예시. 축열 재료를 사용한 곳 : 연소실, 크랭크샤프트, 머플러. (b)블록형 람다형 오산화삼티탄의 태양열발전에 대한 응용 에시. (ⅰ)낮에는 태양열을 사용하여 발전하고, 축열 세라믹이 도입된 축열 탱크에서 열을 비축한다. (베타 형태 → 람다 형태) (ⅱ)밤중에는 축열 탱크 안의 축열 세라믹에 압력을 인가하여, 낮에 비축한 열을 방출한다. (람다 형태 → 베타 형태)

 

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