DES 기반 공융 PCM 합성 및 건축재료 적용 = Synthesis of DES-Based Eutectic PCM and Application to Building Materials

국문 초록 (Abstract)

건물 부문의 이산화탄소 배출 저감을 위한 한 가지 방안으로, 상변화물질(PCM)을 활용하여 시멘트계 건축재료의 열용량을 증대시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 건축 분야에서 널리 사용되는 파라핀계 유기 PCM은 화석 연료 기반으로 원료를 사용하며, 누출에 따른 수화 반응 간섭과 강도 저하, 재활용성 저하 등의 한계를 가진다. 본 연구에서는 이러한 문제를 보완하기 위해 친수성 DES(Deep Eutectic Solvent) 기반 PCM과 소수성 HDES(Hydrophobic Deep Eutectic Solvent) 기반 공융 PCM을 대상으로 합성-안정화-적용 가능성을 단계적으로 검토하였다.
먼저, Choline chloride 계 친수성 DES를 이용하여 공융 PCM을 합성하고, DSC 분석을 통해 우리나라 기후 조건(-10∼30 ℃)에서 활용 가능한 상변화 온도 구간과 잠열 특성을 갖는 조성을 선정하였다. 선정된 친수성 DES 기반 공융 PCM은 진공함침을 통해 유리섬유(glass fiber) 내에 안정화한 후 시멘트 페이스트에 혼입하였으며, SEM, SEM-EDS 및 FT-IR 분석을 통해 PCM이 용출 없이 매트릭스 내부에 정착되어 있음을 확인하였다. 또한 압축강도, HFM(Heat Flow Meter)을 이용한 열전도율 측정, DSC를 통한 열적 성능 평가를 수행한 결과, 무처리 PCM을 직접 혼입한 경우에 비해 유리섬유 함침을 통한 안정화가 강도 저하를 완화하면서 열적 성능과 열전도율 저감에 기여하는 것으로 나타났다.
다음으로, 건축용 소수성 DES(HDES) 기반 공융 PCM을 합성하였다. 각 조성에 대해 DSC 분석을 수행하여 상변화 온도, 다단 상변화 거동 및 잠열 특성을 비교·분석한 결과, Men:UDA=1:1 조성이 –10∼30 ℃ 범위에서 뚜렷한 상변화 피크와 비교적 높은 잠열을 확보하는 조성으로 확인되었다. 이에 따라 Men-UDA=1:1 HDES 기반 공융 PCM을 소수성 시스템의 대표 조성으로 선정하고, 진공함침 및 TEOS 유래 졸-겔(sol-gel) 코팅을 결합한 안정화 방안을 적용하여 시멘트 페이스트에 혼입하였다. 미세구조 분석과 DSC·압축강도 평가 결과, 직접 혼입 대비 안정화 공정을 적용한 시편에서 열에너지 저장 기능이 유지되면서도 강도 저하가 상대적으로 완화되는 경향을 확인하였다.
마지막으로, 소수성 DES 기반 PCM의 설계 방향을 보다 명확히 하기 위해 HBD를 L-menthol로 고정하고, Lauric, Myristic, Palmitic, Stearic acid를 HBA로 사용하는 Men-지방산 계 HDES 공융 PCM을 추가 합성하였다. 다양한 몰비에 대한 DSC 분석을 통해 지방산 종류 및 배합비에 따른 상변화 온도와 잠열 특성의 변화를 정량적으로 비교한 결과, L-menthol:Myristic acid=1:1 조성이 상온 부근에서 목표 온도 범위에 부합하면서 상대적으로높은 잠열을 보였다. 선정된 PCM에 대해서는 O/W(oil-in-water) 피커링 에멀전과 TEOS 유래 실리카 졸-겔 코팅을 결합한 입자형 mPCM 안정화 공정을 적용하였으며, 광학 현미경 및 SEM 관찰을 통해 캡슐화 공정 중 미세방울 형성과 건조 후 입자형 mPCM 형성이 가능한 것을 정성적으로 확인하였다.
본 연구는 친수성 DES 기반 PCM에 대해서는 시멘트 페이스트 수준까지의 적용성과 성능을 실험적으로 검증하고, 소수성 HDES 기반 PCM에 대해서는 Men:UDA=1:1 시스템의 시멘트계 적용과 더불어 Men-지방산계 HDES PCM의 열적 특성 및 초기 안정화 가능성을 제시하였다. 이를 통해 DES/HDES 기반 공융 PCM이 기존 파라핀계 PCM의 한계를 보완하면서 시멘트계 건축재료의 열용량 향상을 위한 잠재력을 지니고 있음을 보여주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phase change materials(PCMs) are increasingly explored to enhance the thermal energy storage capacity of cementitious building materials and thereby reduce CO2 emissions from the building sector. However, conventional paraffin-based PCMs are fossil-fuel-derived and suffer from leakage, interference with cement hydration, and strength reduction when directly incorporated into cement matrices. This study investigates hydrophilic DES(Deep Eutectic Solvent)-based PCM and hydrophobic HDES-based eutectic PCMs as alternative systems, focusing on synthesis, stabilization, and applicability to cement paste.
In the first stage, a choline chloride-based hydrophilic DES was formulated as a eutectic PCM. DSC analysis was used to select a composition with phase change behavior suitable for the –10 to 30 ℃ range. The selected PCM was stabilized by vacuum impregnation into glass fiber and mixed within the matrix without noticeable leaching, while compressive strength, thermal conductivity (HFM), and DSC tests showed that fiber-based stabilization mitigated strength loss and contributed to latent heat storage and reduced effective thermal conductivity compared with direct PCM mixing.
In the second stage, HDES PCMs were synthesized using Thymol and L-menthol with fatty-acid HBAs such as 10-undecylenic acid. DSC screening identified the Men:UDA=1:1 system as a promising composition, and its stabilization and incorporation into cement paste were evaluated.
Finally, L-menthol was fixed as the HBD and additional Men-fatty acid eutectic systems were synthesized to clarify the relationship between composition and thermal response. The Men:Myristic acid=1:1 formulation was identified as a promising HDES PCM, and a Pickering emulsion-sol-gel route was demonstrated as a feasible particle-type stabilization method. Overall, the results highlight the potential of DES/HDES-based eutectic PCMs as more sustainable thermal energy storage options for cementitious building materials compared with conventional paraffin-based PCMs.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 2
• 1.3. 이론적 고찰 3
• 1.3.1. Phase Change Material(PCM)의 개념 및 건축 분야 적용 3
• 1.3.2. Deep Eutectic Solvent(DES, 공융용매)의 개념 및 특성 4
• 1.3.3. DES 기반 공융 PCM의 적용 가능성 및 연구 동향 5
• 1.3.4. PCM 안정화 방안 6
• 1.3.4.1. 골재 함침형(경량 골재·다공성 골재 기반) 6
• 1.3.4.2. 섬유·직물 함침형 안정화 6
• 1.3.4.3. 마이크로캡슐화 (microencapsulation) 기반 안정화 7
• 1.4. 연구 필요성 및 연구 방향 7
• Ⅱ. 실험계획 및 방법 9
• 2.1. DES 기반 PCM 합성 10
• 2.1.1. 친수성 공융 PCM 합성 10
• 2.1.2. 소수성 공융 PCM 합성Ⅰ 11
• 2.1.3. 소수성 공융 PCM 합성Ⅱ 12
• 2.2. PCM 안정화 13
• 2.2.1. 친수성 DES 기반 공융 PCM의 안정화 14
• 2.2.2. 소수성 DES(HDES) 기반 공융 PCM의 안정화Ⅰ 14
• 2.2.3. HDES 기반 공융 PCM의 안정화Ⅱ 15
• 2.3. 시험체 제작 16
• 2.3.1. 친수성 DES 기반 공융 PCM 16
• 2.3.2. 소수성 DES 기반 공융 PCMⅠ 16
• 2.4. 미세구조 분석 18
• 2.4.1. 친수성 DES 기반 공융 PCM 18
• 2.4.2. 소수성 DES 기반 공융 PCMⅠ,Ⅱ 18
• 2.5. 압축강도 측정 18
• 2.6. 열적성능 평가 19
• Ⅲ. 실험결과 및 분석 20
• 3.1. 친수성 DES 기반 PCM 20
• 3.1.1. 몰비 조성에 따른 공융 PCM의 열적성능 20
• 3.1.2. PCM 안정화 23
• 3.1.2.1. SEM 23
• 3.1.2.2. SEM-EDS 24
• 3.1.2.3. FT-IR 24
• 3.1.3. 친수성 PCM 혼입 시멘트 페이스트의 압축강도 26
• 3.1.4. 시멘트 페이스트 시험체의 열적 성능 27
• 3.1.4.1. DSC 27
• 3.1.4.2. HFM 28
• 3.1.5. 소결 30
• 3.2. 소수성 DES 기반 PCMⅠ 31
• 3.2.1. 몰비 조성에 따른 공융 PCM의 열적 성능 31
• 3.2.2. PCM 안정화 43
• 3.2.3. 소수성 PCM 혼입 시멘트 페이스트의 압축강도 45
• 3.2.4. 시멘트 페이스트 시험체의 열적 성능 47
• 3.2.5. 소결 55
• 3.3. 소수성 DES 기반 PCM Ⅱ 56
• 3.3.1. 몰비 조성에 따른 공융 PCM의 열적 성능 56
• 3.3.2. PCM 안정화 60
• 3.3.3. 소결 61
• Ⅳ. 결론 62
• □ 참고문헌 63
• □ Abstract 70