본 연구에서는 팽창흑연의 함량 변화를 달리하여 제조한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열적거동에 관하여 고찰하였다. 팽창흑연이 도입된 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 표면 및 구조특성은 scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), 그리고 X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 관찰하였으며, 열적특성은 differential scanningcalorimetry (DSC)와 thermal conductivity (TC)를 이용하여 분석하였다. 실험 결과 팽창흑연의 함량이 증가함에 따라 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도가 증가하였으며, 반면에 잠열은 팽창흑연의 존재 하에 약간 감소하였다. 결론적으로 팽창흑연은 상변이 물질의 높은 열 전달성능 및 열 저장능력을 향상시키는데 적합한 소재라 판단된다.
본 연구에서는 팽창흑연의 함량 변화를 달리하여 제조한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열적거동에 관하여 고찰하였다. 팽창흑연이 도입된 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 표면 및 구조특성은 scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), 그리고 X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 관찰하였으며, 열적특성은 differential scanning calorimetry (DSC)와 thermal conductivity (TC)를 이용하여 분석하였다. 실험 결과 팽창흑연의 함량이 증가함에 따라 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도가 증가하였으며, 반면에 잠열은 팽창흑연의 존재 하에 약간 감소하였다. 결론적으로 팽창흑연은 상변이 물질의 높은 열 전달성능 및 열 저장능력을 향상시키는데 적합한 소재라 판단된다.
In this paper, the thermal behaviors of expanded graphite(EG)/erythritol composites with different contents of EG were studied. The surface and structure properties of the composites were determined by using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray diffra...
In this paper, the thermal behaviors of expanded graphite(EG)/erythritol composites with different contents of EG were studied. The surface and structure properties of the composites were determined by using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray diffraction (XRD), respectively. The thermal properties were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal conductivity (TC). As experimental results, the thermal conductivity of the composites increased with increasing the EG content. However, the latent heat was somewhat decreased in the presence of EG. We could concluded that EG was highly promising materials for improving the heat transfer enhancement and energy storage capacity of phase change materials (PCMs).
In this paper, the thermal behaviors of expanded graphite(EG)/erythritol composites with different contents of EG were studied. The surface and structure properties of the composites were determined by using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray diffraction (XRD), respectively. The thermal properties were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal conductivity (TC). As experimental results, the thermal conductivity of the composites increased with increasing the EG content. However, the latent heat was somewhat decreased in the presence of EG. We could concluded that EG was highly promising materials for improving the heat transfer enhancement and energy storage capacity of phase change materials (PCMs).
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 저렴한 비용과 낮은 밀도를 가지고 열적 특성이 우수하며 다공성을 갖는 팽창흑연과 잠열량이 크고 식품첨가제로서 사용되고 있을 정도로 인체에 무해한 물질인 에리스리톨을 사용하여 팽창흑연의 함량에 따른 팽창흑연/에리스리톨 복합체를 제조한 후 이에 대한 열적거동에 관하여 고찰하였다.
본 연구에서는 팽창흑연의 함량을 달리하여 제조한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열적특성을 고찰하였다. 그 결과 팽창흑연이 첨가됨에 따라 팽창흑연/에리스리톨 복합체는 순수한 에리스리톨에 비해 열전도도 값이 약 84%가 증가하였으나 잠열은 약간 감소한 것을 알 수 있었다.
제안 방법
또한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 구조 변화를 측정하기 위하여 CuKα (λ = 0.154 nm)를 장착한 X-선 회절분석(XRD, X’PERT-MRD, Phillips Co., Netherlands) 장비를 이용하여 측정하였다.
또한, 팽창흑연의 함량 변화에 따른 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열적특성을 측정하기 위하여 시차주사열량계(DSC, TA-60, SHIMADZU Co., Japan)를 사용하였으며, 승온조건 10 ℃/min으로 150 ℃ 온도범위까지 측정하였다.
팽창흑연/에리스리톨 복합체는 10 g의 에리스리톨에 팽창흑연의 비율을 5, 10 그리고 20%로 달리하여 제조하였고 에리스리톨 내에 첨가된 팽창흑연의 고른 분산을 위하여 약 5∼10 min 동안 120 ℃로 가열하며 교반시켜 주었다. 얻어진 혼합물은 성형용 몰드에 채운 후 상온에서 5 min 동안 경화시켜 팽창흑연/에리스리톨 복합체를 제조하였다. 이렇게 팽창흑연 함량을 달리하여 제조한 복합체를 pure erythritol, EG 5%, EG 10%, 그리고 EG 20%라 각각 명명하였다.
천연흑연의 산처리 및 열처리를 통한 층상화합물을 제조하기 위하여 천연흑연을 황산/질산(4 : 1)의 혼합용액에 24 h 동안 실온에서 침적 처리하였다. 산처리에 의해 제조된 층상화합물을 증류수로 세척하고 90 ℃의 오븐에서 8 h 동안 건조하였으며, 완전 건조 후 층상화합물은 박스형 furnace에서 900 ℃로 90 s 동안 반응시켜 최종적으로 팽창흑연을 제조하였다[22].
팽창흑연/에리스리톨 복합체는 10 g의 에리스리톨에 팽창흑연의 비율을 5, 10 그리고 20%로 달리하여 제조하였고 에리스리톨 내에 첨가된 팽창흑연의 고른 분산을 위하여 약 5∼10 min 동안 120 ℃로 가열하며 교반시켜 주었다.
팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도는 열전도율측정기(Thermo Con Tester M100, Metrotech Co., Ltd., Korea)를 사용하여 동일한 시편으로 두께를 달리하여 5회 측정한 후 평균값으로 열전도도를 구하였다. 열전도율측정기는 ASTM D5470 규격의 열평형법을 이용해서 열전도율을 측정하였다.
팽창흑연/에리스리톨 복합체의 표면을 관찰하기 위해 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-840A, JEOL, Japan)과 투과전자현미경(FE-TEM, JEM-2100F, JEOL, Japan)을 사용하였다. 또한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 구조 변화를 측정하기 위하여 CuKα (λ = 0.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 천연흑연(Aldrich, 평균직경 >500 µm, 비중 2.09∼2.23)은 flake상을 사용하였다.
)을 정제 없이 사용하였고 에리스리톨은 Cargill Co.에서 순도 99%, Mw : 122.12인 분말을 구입하여 사용하였다. 이에 대한 물성을 Table 1에 나타내었다[21].
이론/모형
, Korea)를 사용하여 동일한 시편으로 두께를 달리하여 5회 측정한 후 평균값으로 열전도도를 구하였다. 열전도율측정기는 ASTM D5470 규격의 열평형법을 이용해서 열전도율을 측정하였다. 장치의 냉각부, 히팅부에는 구리봉을 사용하였기에 상부, 하부의 열량이 평형이 되는 순간의 시편의 열전도율을 구하는 것을 기준으로 하고 있으며, heat flow가 이루어진 상태에서의 총열량 Q는 식 (1)로 구할 수 있다.
팽창흑연의 층간거리는 Bragg’s 법칙의 XRD 곡선의 (002) 피크에서 구한 d002 층간거리는 아래 식 (2)을 이용하였다[27].
성능/효과
Figure 8에 DSC를 이용하여 측정한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열분석 결과와(Figure 8(a)), 이를 흡열피크의 면적으로 측정하여 분석한 잠열 결과(Figure 8 (b))를 나타내었다. 결과에 나타낸 바와 같이 에리스리톨은 융점이 125.2 ℃, 잠열 236.22 J/g, EG 5% 복합체는 126.5 ℃에서 221.92 J/g, EG 10% 복합체는 123.2 ℃에서 210.31 J/g, EG 20% 복합체는 116.2 ℃에서 179.99 J/g의 잠열량을 가지는 데이터를 얻었다. 순수 에리스리톨 보다 팽창흑연을 가장 많이 첨가한 EG 20%의 결과에서는 피크온도 9 ℃가 저하, 융해되었고 잠열값도 약 23.
본 연구에서는 팽창흑연의 함량을 달리하여 제조한 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열적특성을 고찰하였다. 그 결과 팽창흑연이 첨가됨에 따라 팽창흑연/에리스리톨 복합체는 순수한 에리스리톨에 비해 열전도도 값이 약 84%가 증가하였으나 잠열은 약간 감소한 것을 알 수 있었다. 또한, 팽창흑연 함량이 가장 높은 EG 20%의 경우가 가장 높은 열전도도 값을 나타냄을 확인하였다.
이러한 현상은 상변이 고분자 재료에 열전도도가 우수한 다른 재료를 혼합한 경우 고분자 재료의 분자 배열 사이에 다른 물질이 들어감으로서 응고 시에 방해를 받게 되고, 또한 분자 사이의 상호작용의 힘이 작아지기 때문에 복합재료의 융점 저하가 일어난다고 판단된다[32]. 그러나 에리스리톨 내의 팽창흑연 함량 증가는 높은 열전달을 위한 효과적인 네트워크를 형성하며, 열이 빠르게 이동할 수 있는 전달 경로를 증가시켜 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 상변화 물질로 사용 가능함을 확인하였다.
첫째, 일반적으로 상변이 물질의 잠열은 현열보다 50∼100배 이상 높은 저장 밀도를 가지고 있다. 둘째, 상변이 물질은 폐열의 온도보다 약간 높은 온도에서 열에너지를 생성할 수 있기 때문에 온도 저하와 열 회수에 용이하다. 셋째, 상변이 물질의 용융 및 응고 과정을 오랫동안 반복할 수 있다[9-10].
그 결과 팽창흑연이 첨가됨에 따라 팽창흑연/에리스리톨 복합체는 순수한 에리스리톨에 비해 열전도도 값이 약 84%가 증가하였으나 잠열은 약간 감소한 것을 알 수 있었다. 또한, 팽창흑연 함량이 가장 높은 EG 20%의 경우가 가장 높은 열전도도 값을 나타냄을 확인하였다. 이러한 결과로부터 에리스리톨 내의 팽창흑연 함량의 증가는 높은 열전달을 위한 효과적인 네트워크를 형성하며, 이에 따른 표면적의 증가는 접촉면이 증가되어지는 결과를 야기하며, 열이 빠르게 이동할 수 있는 전달 경로의 증가로 이어진다.
99 J/g의 잠열량을 가지는 데이터를 얻었다. 순수 에리스리톨 보다 팽창흑연을 가장 많이 첨가한 EG 20%의 결과에서는 피크온도 9 ℃가 저하, 융해되었고 잠열값도 약 23.80% 줄어든 것을 확인하였다. 이러한 현상은 상변이 고분자 재료에 열전도도가 우수한 다른 재료를 혼합한 경우 고분자 재료의 분자 배열 사이에 다른 물질이 들어감으로서 응고 시에 방해를 받게 되고, 또한 분자 사이의 상호작용의 힘이 작아지기 때문에 복합재료의 융점 저하가 일어난다고 판단된다[32].
Figure 7은 순수 에리스리톨 및 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도를 측정하여 평균치를 구한 결과이다. 순수한 에리스리톨로 제조된 복합체에 비해 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도가 높게 관찰되었다. 특히 팽창흑연 20%를 첨가하였을 경우 순수 에리스리톨보다 약 84% 향상되어 팽창흑연/에리스리톨 복합체에서 열전도도의 향상효과가 뛰어난 것을 확인하였다.
또한, 팽창흑연 함량이 가장 높은 EG 20%의 경우가 가장 높은 열전도도 값을 나타냄을 확인하였다. 이러한 결과로부터 에리스리톨 내의 팽창흑연 함량의 증가는 높은 열전달을 위한 효과적인 네트워크를 형성하며, 이에 따른 표면적의 증가는 접촉면이 증가되어지는 결과를 야기하며, 열이 빠르게 이동할 수 있는 전달 경로의 증가로 이어진다. 따라서, 팽창흑연/에리스리톨 복합체는 열을 효율적으로 저장 및 방출할 수 있는 상변이 물질로서 활용 가능하다고 판단된다.
첫째, 일반적으로 상변이 물질의 잠열은 현열보다 50∼100배 이상 높은 저장 밀도를 가지고 있다.
순수한 에리스리톨로 제조된 복합체에 비해 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 열전도도가 높게 관찰되었다. 특히 팽창흑연 20%를 첨가하였을 경우 순수 에리스리톨보다 약 84% 향상되어 팽창흑연/에리스리톨 복합체에서 열전도도의 향상효과가 뛰어난 것을 확인하였다. 이는 팽창흑연이 에리스리톨 내에서 효과적인 분산이 이루어졌고 팽창흑연 자체의 우수한 열전도성의 기여가 큰 것으로 판단된다.
Figure 4는 팽창흑연의 함량에 따라 제조된 팽창흑연/에리스리톨 복합체의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 팽창흑연의 함량이 증가함에 따라 표면이 점점 조밀하게 되는 것을 확인하였다. 이는 에리스리톨의 표면에 팽창흑연이 부착하여 조밀하고 불균일한 상을 형성하게 되는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물질의 상변화를 이용해 에너지를 저장하는 것은 무엇이 가능한가?
에너지 저장장치는 열에너지의 저장손실을 최소화하여 에너지 효율을 증가시키고 시스템의 비용 효율성을 개선하며 환경에 미치는 영향을 줄여 에너지 절약에 도움이 되는 잠재력을 가지고 있기 때문에 현재, 에너지 저장 시스템 관련기술 개발이 활발히 이루어지고 있다[1-6]. 이러한 열에너지 기술 가운데 가장 효과적인 방법 중 하나는 물질의 상변화를 이용해 에너지를 저장하는 것이며 이러한 방법은 물질의 현열이 아닌 잠열을 이용해 저장이 가능하기 때문에 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 일정한 온도에서의 축⋅방열이 가능하다[7-8].
에너지 저장장치는 어떤 장점이 있는가?
에너지 저장장치는 열에너지의 저장손실을 최소화하여 에너지 효율을 증가시키고 시스템의 비용 효율성을 개선하며 환경에 미치는 영향을 줄여 에너지 절약에 도움이 되는 잠재력을 가지고 있기 때문에 현재, 에너지 저장 시스템 관련기술 개발이 활발히 이루어지고 있다[1-6]. 이러한 열에너지 기술 가운데 가장 효과적인 방법 중 하나는 물질의 상변화를 이용해 에너지를 저장하는 것이며 이러한 방법은 물질의 현열이 아닌 잠열을 이용해 저장이 가능하기 때문에 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 일정한 온도에서의 축⋅방열이 가능하다[7-8].
상변이 물질을 이용하여 잠열을 저장할 때 어떤 장점이 있는가?
이러한 상변이 물질을 이용하여 잠열을 저장하는 것은 다음과 같은 장점들이 있다. 첫째, 일반적으로 상변이 물질의 잠열은 현열보다 50∼100배 이상 높은 저장 밀도를 가지고 있다. 둘째, 상변이 물질은 폐열의 온도보다 약간 높은 온도에서 열에너지를 생성할 수 있기 때문에 온도 저하와 열 회수에 용이하다. 셋째, 상변이 물질의 용융 및 응고 과정을 오랫동안 반복할 수 있다[9-10]. 따라서 이러한 여러 가지 장점 때문에 업계에서는 상변이 물질을 이용하여 에너지 절감하는 사례가 늘어나고 있다.
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