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고온 공정을 위한 열 저장
산업 탈탄소화 과정에서 열에너지의 효율적인 사용은 점점 더 에너지 기술의 초점이 되고 있습니다. 특히 집광형 태양광 발전소(CSP) 와 금속 가공 산업에서는 변동이 심한 에너지원을 원활하게 공급하고 산업 폐열을 회수하기 위해 몇 시간 또는 며칠 동안 고온(>600°C )을 저장해야 할 필요성이 상당히 커지고 있습니다. 예를 들어 금속 가공에서는 열처리 과정에서 발생하는 폐열을 저장 재료에 일시적으로 저장했다가 나중에 재료를 예열하거나 건조 공정에 재사용할 수 있습니다.
이를 위해 축열기가 사용되는데, 축열기는 민감하게(온도 상승을 통해), 잠재적으로(상 변화를 통해) 또는 화학적으로(가역 반응을 통해) 열 에너지를 흡수합니다. 고온 애플리케이션은 수백 번의 충전 및 방전 주기 동안 기계적, 열적, 화학적으로 안정적으로 유지되는 저장 소재가 필요하기 때문에 특히 까다롭습니다. 주요 과제는 여러 사이클에 걸쳐 열 저장 용량이 일정하게 유지되는 소재를 찾는 것입니다.
흑연, 세라믹 절연체 또는 이러한 구성 요소로 구성된 복합 시스템과 같은 고체에 특히 주의를 기울입니다. 이러한 재료는 열 운반체, 구조 재료 또는 다른 기능적 상(예: 염, 산화물)을 위한 매트릭스와 같은 광범위한 응용 분야를 제공합니다. 그러나 화학적 조성이나 융점만으로는 성능을 평가할 수 없으며 주기적인 열 스트레스 하에서의 장기적인 거동이 결정적입니다.
재료 특성 분석에서 이러한 특성을 체계적으로 평가하기 위해 다음을 사용하여 수행됩니다. 시차 주사 열량 측정법(DSC) 를 사용하여 재료 특성 분석에 사용됩니다. 열 분석 방법으로서 반복되는 온도 주기에 따른 열용량, 전이 온도 및 엔탈피 변화를 정확하게 측정할 수 있습니다. 따라서 DSC는 고온 범위에서 사이클 강도 및 열 안정성과 관련하여 재료 시스템을 분석하는 데 없어서는 안 될 도구입니다.
최근 연구에 따르면 세라믹-그래피틱 복합재와 같은 특정 재료 조합을 사용하여 수백 사이클에 걸쳐 높은 부하에도 일정한 열 성능을 발휘하는 시스템을 개발할 수 있습니다(Yang et al., 2025; Ran et al., 2020). 이 글에서는 이러한 열 저장 재료에 대한 요구 사항을 조명하고 관련 재료 시스템을 제시하며 DSC가 사용 적합성 평가에 어떻게 기여하는지 보여줍니다.
고온 축열 탱크에 대한 요구 사항
고온 축열기는 산업 현장에서 안정적으로 사용하려면 복잡한 요건을 충족해야 합니다. 건물 서비스에 사용되는 저온 또는 중온용 저장 탱크와 달리, 여기서 주요 요구 사항은 열 부하 용량, 내화학성 및 여러 사이클에 걸친 기계적 무결성입니다. 재료 선택은 이러한 여러 기준의 결정에 따라 크게 영향을 받습니다.
열 요구 사항
열 에너지를 효율적으로 흡수하고 방출하는 능력이 핵심입니다. 현열 축열의 경우, 이는 재료의 온도를 높여서 달성할 수 있으며 비열용량(cₚ )에 따라 저장되는 에너지의 양이 결정됩니다. 고온 애플리케이션의 경우 전체 온도 범위에서 cₚ 값이 가능한 한 일정하게 유지되는 소재가 필요합니다. 절대 열용량이 높은 것이 바람직하지만, 여러 충전 주기에 걸쳐 열용량이 떨어지지 않는 것이 더 중요하며, 이는 반복 측정을 통해서만 명확하게 평가할 수 있는 부분입니다.
열전도율도 결정적인 역할을 하는데, 전도율이 낮은 소재는 부피 전체에 열을 고르게 분산시키지 못해 원치 않는 온도 구배와 소재 응력을 유발합니다. 흑연과 같이 전도성이 높은 구성 요소를 통합하면 온도 분포를 균일화하는 데 기여할 수 있습니다.
화학적 및 기계적 안정성
산업용 고온 애플리케이션의 축열기는 열뿐만 아니라 반응성 대기, 압력 차이 또는 금속, 산화 또는 부식성 매체와의 물질 접촉에 노출되는 경우가 많습니다. 따라서 화학 반응에 대한 내성은 기본 요건입니다. 산화, 가수분해 또는 불안정한 중간 단계의 형성은 저장 용량의 점진적인 저하로 이어질 수 있습니다.
한 가지 예로 흑연은 약 600°C의 산소 분위기에서 산화되기 때문에 보호 조치 없이는 많은 애플리케이션에서 사용이 제한됩니다. 반면 세라믹, 특히 SiC 또는 Si₃N₄ 기반 세라믹은 고온에서 확산 장벽으로 작용하여 산소의 침투를 막는 보호 SiO₂ 층을 형성합니다.
기계적 안정성도 중요합니다. 가열 및 냉각 과정이 반복되면 열팽창과 수축이 발생하여 재료에 응력이 발생합니다. 열팽창이 적고 파단 인성이 높은 소재가 유리합니다. 세라믹은 치수 안정성이 뛰어나며, 팽창 흑연과 같은 유연한 다공성 구조는 재료 응력을 부분적으로 흡수할 수 있습니다.
차동 주사 열량 측정법(DSC)을 통한 평가
위에서 언급한 요구 사항은 물질 데이터 시트만으로는 기록할 수 없습니다. DSC로 수행한 것과 같은 주기적 열 분석만이 실제 작동에서 cₚ, 엔탈피 또는 상 전이가 어떻게 변하는지를 보여줍니다. DSC 측정에서는 여러 가열/냉각 사이클이 특별히 시뮬레이션됩니다. 결과 열량 측정 곡선의 편차는 초기 단계에서 성능 저하 또는 구조적 변화를 나타냅니다.
DSC는 특히 세라믹, 흑연 및 염으로 만든 복합 시스템과 같은 새로운 재료 조합의 경우 이러한 다중 물리적 변화를 동시에 기록할 수 있는 몇 안 되는 방법 중 하나입니다. 다음과 같은 연구 Yang et al. (2025) 또는 Ran et al. (2020) 는 오래 지속되는 축열 시스템 개발의 필수 전제 조건인 재료 시스템의 열 가역성과 안정성에 대해 신뢰할 수 있는 진술을 하는 데 DSC를 사용할 수 있음을 보여줍니다.
열 저장 및 매트릭스 재료로서의 흑연
흑연은 열적 특성뿐만 아니라 구조적 유연성 때문에 고온 범위에서 열 저장을 위해 가장 자주 연구되는 재료 중 하나입니다. 다공성 또는 팽창된 형태의 흑연은 염이나 금속 산화물과 같은 다른 저장 물질의 매트릭스 재료 역할을 하는 동시에 열 분배와 구조적 안정성에 기여할 수 있습니다.
열 전도성 및 온도 거동
흑연의 주요 특징은 뚜렷한 이방성 열전도율로, 기저면(층면과 평행한 면)에서 수직보다 훨씬 높다는 점입니다. 따라서 효과적인 측면 열 분배가 가능하며, 이는 모듈형 또는 계층형 스토리지 시스템에서 특히 유리합니다. 흑연의 비열 용량은 다른 고체에 비해 보통이지만 온도가 상승함에 따라 지속적으로 증가하므로 민감한 열 저장에 활용할 수 있는 특성입니다.
작동 시 흑연은 여러 온도 사이클에 걸쳐 불활성 가스 환경에서 열적으로 안정적으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 이와 같은 연구는 Yang et al. (2025) 에 따르면 세라믹으로 안정화된 흑연 복합재는 수백 번의 열 사이클 동안 저장 용량을 거의 일정하게 유지하는 것으로 나타났습니다. 세라믹 소재와의 조합은 흑연을 구조적 열화로부터 보호하고 온도 안정화 효과도 있습니다.
산화 및 보호 조치에 대한 민감성
특히 대기 중 산소가 있는 산화 환경에서 흑연은 약600°C의 온도에서 산화되기 시작하므로 개방형 시스템에서의 사용이 심각하게 제한됩니다. 이로 인해 개방형 시스템에서의 사용이 심각하게 제한됩니다. 적용 온도 범위를 확장하기 위해 부동태화 보호 조치를 취하는 경우가 많습니다:
- 불활성 가스 분위기에서 작동(아르곤, 질소)
- 세라믹 클래딩 구조에 내장(예: Al₂O₃, SiC)
- 확산 억제 특성을 가진 코팅 시스템 사용
실제적인 예는 다음과 같은 작업입니다. Ran et al. (2020)팽창 흑연이 공융 염 및 세라믹 첨가제와 결합된 복합체를 개발했습니다. 이 복합체는 순수 염 시스템에 비해 열전도율이 개선되었을 뿐만 아니라 사이클 안정성도 크게 향상되었습니다. 여기서 흑연의 역할은 소금을 흡수하고 부피의 열 분포를 개선하는 것이었습니다. DSC를 사용한 열 분석 결과, 저장된 엔탈피는 수십 사이클 동안 거의 일정하게 유지되었습니다.
애플리케이션 시나리오 및 자료 통합
흑연은 활성 저장 재료로서의 역할 외에도 보다 복잡한 재료 복합체에서 구조적 운반체 역할도 할 수 있습니다. 특히 CSP 플랜트나 산업 공정 열 시스템과 같은 모듈 기반 고온 저장 시스템에서 흑연은 단열 시스템 내에서 열 전도성 경로를 구현하는 데 사용할 수 있습니다.
다공성 흑연 구조의 통합으로 PCM 구성 요소에 함침하거나 금속 저장 매체와 결합할 수도 있습니다. 흑연은 하나의 구성 요소에 열 및 기계적 기능을 결합하는 성형 매체 역할을 합니다.
세라믹 절연체: 고온 저장 탱크의 구조, 보호 및 안정성
세라믹 소재는 고온 범위에서 열 에너지 저장의 맥락에서 전략적으로 중요한 역할을 하는데, 주로 에너지 저장이 아니라 구조적, 열적, 화학적 안정화 구성 요소로서 역할을 합니다. 세라믹은 매트릭스, 레이어 또는 기능성 임베딩의 형태로 사용되며 열 저장 시스템의 내구성과 안전성에 결정적인 기여를 합니다.
열적 특성 및 적용 한계
산화알루미늄 (Al₂O₃), 산화지르코늄(ZrO₂) 또는 탄화규소(SiC) 와 같은 일반적인 고성능 세라믹은 극한의 온도 저항성 (>1500°C), 낮은 열전도율 (일반적으로 <10W/m-K) 및 매우 낮은 열팽창이 특징입니다. 이러한 특성으로 인해 모듈식 저장 장치의 단열재, 특히 열 전도 영역과 열 저장 영역을 분리하거나 민감한 재료를 차폐하는 데 사용됩니다.
낮은 열전도율은 원치 않는 열이 환경으로 방출되는 것을 막아주며, 높은 치수 안정성은 여러 사이클에 걸쳐 기계적 무결성을 보장합니다. 고온 저장 탱크의 충방전 작업에서 흔히 볼 수 있는 반복적인 열 스트레스에서도 이러한 소재는 관련 구조적 변화가 나타나지 않습니다.
화학적 안정성: 패시베이션 및 확산 장벽
세라믹 절연체의 또 다른 장점은 산화, 부식 또는 반응성 매체에 대한 화학적 불활성이라는 점입니다. 이는 600°C 이상의 산소와 접촉하면 산화되는 흑연과 같은 소재와 함께 사용할 때 특히 중요합니다. 이러한 조건에서 SiC 또는 Si₃N₄와 같은 세라믹은 표면에 부동태화 실리콘 산화물 층(SiO₂ )을 형성합니다. 이는 산소에 대한 확산 장벽 역할을 하여 주변 재료를 산화로부터 보호할 수 있습니다.
따라서 복합 시스템에서 이러한 세라믹은 한편으로는 기계적 지지 구조의 역할을 하고, 다른 한편으로는 흑연 코어 또는 PCM 구성 요소를 환경 영향으로부터 보호하는 화학적 불활성 쉘의 역할을 하는 이중 기능을 수행합니다(예: 환경 영향으로부터 보호). 이를 통해 전체 시스템의 서비스 수명을 크게 연장하는 제어된 미세 환경이 만들어집니다.
복합 재료의 구조적 기능
세라믹은 다공성 캐리어 재료, 플레이트, 벌집 또는 벌크 고체 등의 형태로 원하는 방식으로 구조화할 수 있으므로 저장 탱크의 열 흐름을 정밀하게 설계할 수 있습니다. 흑연과 같은 열 전도성 구성 요소와 함께 세라믹의 기계적 저항성과 화학적 안정성, 흑연의 열 분배 및 에너지 저장 등 두 재료의 장점이 기능적으로 결합된 하이브리드 시스템이 만들어집니다.
성공적인 예는 다음과 같은 작업입니다. Ran et al. (2020)세라믹 성분이 소금-흑연 시스템에 내장되어 있습니다. 세라믹 매트릭스는 저장 물질의 균일한 분포를 보장하고 열역학적 응력을 줄임과 동시에 전체 복합체의 내산화성을 향상시켰습니다. 여러 온도 사이클에 걸친 DSC 측정을 통해 장기적인 안정성이 확인되었습니다.
| Graphite | 0.7–1.0 | >100 | High | Low (oxidation-prone) |
| Aluminum oxide (Al₂O₃) | 0.8–1.1 | <10 | High | High |
| Ceramic–graphite composite | variable | medium to high | High | adaptable (via composition) |
차동 주사 열량 측정(DSC): 사이클 안정성을 평가하는 핵심 요소
고온 범위에서 사이클이 안정적인 축열재를 개발하려면 열 특성을 정밀하게 정량화하는 신뢰할 수 있는 분석 방법이 필요합니다. 시차 주사 열량 측정법(DSC) 은 이와 관련하여 핵심적인 테스트 방법 중 하나로 자리 잡았습니다. 이 방법을 사용하면 온도와 반복되는 부하 주기에 따른 재료의 상 전이, 엔탈피 변화 및 비열 용량(cₚ )을 측정할 수 있습니다.
DSC의 원리
DSC는 시료와 기준이 모두 제어된 방식으로 정의된 온도로 가열 또는 냉각되는 동안 시료와 기준 사이의 열 흐름 차이를 측정합니다. 열 흐름의 변화는 예를 들어 시료의 물리적 또는 화학적 변화를 나타냅니다:
- 흡열 공정: 예: 용융, 상 변화
- 발열 프로세스: 예: 결정화, 반응
- 온도에 따른 cₚ 변화
이러한 열 특성이 여러 사이클에 걸쳐 어떻게 변화하는지는 고온 축열기의 평가에 특히 흥미롭습니다. 가열/냉각 사이클을 반복함으로써 구조 변화, 산화 또는 상 분리와 같은 재료의 성능 저하 여부와 속도를 파악할 수 있는 것이 바로 DSC의 강점입니다.
고온 소재에 적용
흑연, 세라믹-흑연 복합재 또는 PCM 함유 복합재와 같은 재료의 경우 DSC를 사용하여 신선한 상태뿐만 아니라 여러 열 사이클 후에도 열용량 및 전이 온도와 같은 주요 파라미터를 분석할 수 있습니다. 예를 들어, 저장된 엔탈피가 시간에 따라 감소하는지 또는 상전이가 발생하는 온도 범위가 이동하는지 여부를 확인할 수 있습니다.
의 작업에서 Yang et al. (2025) 세라믹 안정화 흑연 복합재를 여러 가열/냉각 사이클에서 테스트했습니다. DSC 결과는 열용량이나 용융 거동에 큰 변동 없이 수백 사이클에 걸쳐 안정적인 열 성능을 보여주었습니다. 이러한 결과는 재료의 적합성뿐만 아니라 테스트 방법으로서 DSC의 유효성을 입증합니다.
유사한 접근 방식은 다음에서 찾을 수 있습니다. Ran et al. (2020)공융 염-흑연-세라믹 매트릭스를 분석했습니다. 여기에서도 반복적인 온도 스트레스에 대한 열 전이의 가역성을 테스트하기 위해 DSC를 사용했으며, 사이클 안정성 측면에서 긍정적인 결과를 얻었습니다.
중요성 및 한계
재료 스크리닝에서 DSC의 장점은 다음과 같습니다.
- 작은 열 효과에 대한 높은 감도
- 실제 스토리지 부하 시뮬레이션을 위한 사이클 지원 테스트 프로토콜
- 열용량 및 엔탈피의 정량적 측정
- 폭넓은 온도 적용성 (장치에 따라 최대 >1500°C)
동시에 한계도 있습니다: 극도로 높은 온도나 매우 큰 시료, 열전도율이 높은 고이방성 물질의 경우 측정 부정확성이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우 열 중량 측정(TG) 또는 팽창도 측정과 같은 다른 방법과 조합하는 것이 좋습니다.
결론 및 전망: 체계적인 열 저장 평가
고온 범위에서의 목표 열 저장은 산업 공정 및 재생 에너지 시스템의 핵심 문제입니다. 집광형 태양열 발전(CSP) 또는 금속 가공 산업과 같은 애플리케이션에서 고효율 저장 솔루션은 에너지 손실을 줄이고 피크 부하를 완화하며 수요에 맞춰 공정 열을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.
분석 결과 흑연이나 세라믹 소재는 단독으로 모든 요구 사항을 충족하지 못합니다. 그러나 복합 소재에서 두 소재를 조합하면 열 전도성, 저장 용량 및 화학적 안정성을 목표한 방식으로 결합할 수 있습니다. 세라믹은 구조적 강도와 화학적 보호 기능을 제공하는 반면 흑연은 매트릭스 또는 첨가제로서 열을 효율적으로 분배하고 저장합니다.
사이클 안정성은 소재 선택의 핵심입니다. 축열기는 많은 충전 및 방전 공정에서 일정한 성능을 제공해야만 실제 사용에 적합합니다. 시차 주사 열 량 측정(DSC) 은 성능 저하를 조기에 파악하고 열용량 및 엔탈피와 같은 관련 특성 값을 정량화하며 현실적인 조건에서 다양한 재료 시스템을 직접 비교할 수 있게 해주는 등 결정적인 기여를 합니다.
인용된 저작물 Yang et al. (2025) 그리고 Ran et al. (2020) 는 표적화된 재료 조합과 정밀한 분석을 통해 매우 안정적인 저장 재료를 개발할 수 있는 방법을 보여줍니다. 이러한 연구 결과는 산업용 스토리지 솔루션의 재료 개발에 점점 더 많이 활용되고 있습니다.
관점
향후 개발은 다음과 같은 측면에 초점을 맞출 예정입니다:
- 확장성 및 비용 최적화된 복합 재료 생산
- 사이클 안정성을 비교 평가하기 위한 표준화된 테스트 방법
- 실제 운영 조건에서의 장기 테스트
- DSC와 다른 분석 방법 (예: TG, X-선 회절 분석)의 조합
산업적 구현을 고려할 때 재료 과학이 DSC와 같은 체계적인 분석을 통해 축열 시스템의 효율, 내구성 및 운영 신뢰성을 높이는 데 크게 기여할 수 있음은 분명합니다. 따라서 실험실 규모에서 산업 규모에 이르기까지 지속 가능한 에너지 시스템의 필수적인 부분입니다.
참조
- 양, X. 외. (2025): 안정적인 열 에너지 저장 용량을 가진 자체 가열 세라믹-흑연 복합체, ACS 에너지 편지, 10(3), 1234-1242. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03270
- Ran, X., Wang, H., Zhong, Y., Zhang, F., Lin, J., Zou, H., Dai, Z., & An, B. (2021). 고온 열 에너지 저장을위한 공융 염 / 세라믹 / 팽창 흑연 복합 상 변화 재료의 열적 특성. 태양 에너지 재료 및 태양 전지, 231, 111047. DOI: 1016/j.solmat.2021.111047
