나노구조의 CuO/MgO 복합 핵생성제를 이용한 Na₂SO₄·10H₂O의 과냉 억제 및 열저장 특성 연구
Supercooling Suppression and Thermal Storage Properties of Na₂SO₄·10H₂O Using Nanostructured CuO/MgO Composite Nucleation Agents
- 주제(키워드) 저온 상변화 열저장체 , 이종핵생성 , 과냉각 제어 , 복합 핵생성제
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 류학기
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036539
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
저온 영역 （10–60 ℃） 의 열관리를 위해 유기계, 무기계 및 공융계 상변화물 질 （phase change material, PCM）을 활용한 열저장 연구가 활발히 진행되고 있 다. PCM은 상변화 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 열을 저장·방출함으로 써 효과적인 열관리가 가능하다는 장점이 있다. 그중 무기계 PCM에 속하는 salt hydrate는 높은 체적 열저장 밀도, 낮은 화재 위험성 및 저렴한 가격을 바 탕으로 저온 열저장 매체로서 많은 연구와 활용이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 황산나트륨 십수화물 （Na₂SO₄·10H₂O, SSD）은 유망한 저온 PCM 을 사용하였다. 하지만 용융 후 심각한 과냉각 문제가 발생한다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 본 연구에서는 복합 핵생성제로서 나노구조의 꽃 모양 CuO（f-CuO）와 다공성 MgO（p-MgO）를 도입한 SSD 기반 복합체를 개발하였다. f-CuO 는 높은 분산성을 제공하는 반면, p-MgO 는 f-CuO 보다 약 13 배 큰 비표면적을 가지며 탈수된 SSD 클러스터와 더 우수한 공간적 중첩성을 나타낸다. 냉각 곡선 분석 결과, f-CuO 와 p-MgO 는 각각 과냉각도를 5.4 ℃ 및 2.7 ℃까지 감소시켰다. 특히 f-CuO:p-MgO 비율이 1:4 인 복합 혼합물은 가장 낮은 과냉각도인 1.8 ℃를 달성하였다. 핵생성제가 첨가되었음에도 불구하고, 해당 복합체는 순수 SSD의 83%에 해당하는 184.8 J/g 의 잠열을 유지하였다. 또한 이 복합 핵생성제를 적용한 SSD 복합체를 알루미늄 합금 기판에 코팅했을 때, 연속 가열 조건에서 온도 상승을 3.9 ℃ 지연시키고 목표 온도인 50 ℃에 도달하는 시간을 약 5 분 연장함으로써 우수한 열 완충 성능을 입증하였다. 이러한 결과는 이중 핵생성제 전략이 열 저장 용량을 크게 저하시키지 않으면서 과냉각을 최소화하는 데 효과적임을 보여주며, 30–50 ℃ 범위에서 작동하는 열관리 시스템의 수동 열 조절 분야에 중요한 잠재력을 제공한다.
more목차
1. 서론 1
2. 이론적 배경 4
2.1 잠열 (Latent Heat) 4
2.2 Salt hydrate 7
2.3 Sodium Sulfate Decahydrate 10
2.4 핵생성제와 과냉각 제어 원리 13
2.5 수열합성 (Hydrothermal synthesis) 17
3. 실험방법 19
3.1 핵생성제 합성 및 SSD-C 합성 방법 19
3.1.1 나노구조 꽃 모양 CuO (f-CuO) 합성 19
3.1.2 다공성 MgO (p-MgO) 합성 21
3.1.3 SSD 복합체 (SSD-C) 합성 23
3.2 분석 방법 24
3.2.1 X-ray diffraction (XRD) 분석 24
3.2.2 주사 전자 현미경 분석 27
3.2.3 투과 전자 현미경 분석 29
3.2.4 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 비표면적 분석 32
3.2.5 제타 전위 분석 34
3.2.6 시차 주사 열량법 36
3.2.7 냉각 곡선 측정 37
3.2.8 적외선 열화상 카메라 측정 38
4. 결과 및 고찰 39
4.1 핵생성제 특성화 39
4.1.1 f-CuO와 p-MgO 결정 구조 분석 39
4.1.2 f-CuO와 p-MgO의 구조적 특성 분석 41
4.2 SSD composite의 과냉각 특성 분석 45
4.2.1 f-CuO 첨가량에 따른 SSD-C의 과냉각 특성 45
4.2.2 p-MgO 첨가량에 따른 SSD-C의 과냉각 특성 47
4.2.3 f-CuO/p-MgO 혼합 핵생성제에 따른 과냉각 억제 효과 49
4.3 SSD-C의 핵생성 메커니즘 분석 53
4.3.1 f-CuO의 표면 구조 및 핵생성 메커니즘 53
4.3.2 p-MgO의 표면 구조 및 핵생성 메커니즘 56
4.3.3 제타 전위에 따른 분산성 및 표면 전하 특성 58
4.3.4 f-CuO/p-MgO 복합 핵생성 시스템 작용 원리 60
4.3.5 핵생성제 표면에서의 SSD 결정 성장 분석 63
4.4 열저장 성능 분석 65
4.5 SSD-C(1:4)의 열완충 성능 분석 69
5. Conclusion 72
참고 문헌 74
