A sensor element array for combinatorial solution deposition research was fabricated using LTCC (Low-temperature Co-fired Ceramics). The designed LTCC was co-fired at 800˚C for 1 hour after lamination at 70˚C under 3000 psi for 30 minutes. SnO2 sol was prepared by a hydrothermal method at 200˚C for 3 hours. Tin chloride and ammonium carbonate were used as raw materials and the ammonia solution was added to a Teflon jar. 20 droplets of SnO2 sol were deposited onto a LTCC sensor element and this was heat treated at 600˚C for 5 hours. The gas sensitivity (S = Ra/Rg) values of the SnO2 sensor and 0.04 wt% Pd-added SnO2 sensor were measured. The 0.04 wt% Pd-added SnO2 sensor showed higher sensitivity (S = 8.1) compared to the SnO2 sensor (S = 5.95) to 200 ppm CH3COCH3 at 400˚C.

최근 에너지 수요 증가로 인한 에너지 수급 불균형, 장기적인 화석연료 고갈 위험성, 기후변화 등으로 전 세계적인 에너지 확보 경쟁이 심화되고 있으며 에너지 안보가 모든 국가의 중요한 문제로 부상하고 있다. 이러한 신재생에너지에 대한 관심이 증가하면서 그 일환으로 열에너지 이용에 대한 관심도가 증가하고 있다. 특히 다양한 열원을 사용하여 저급의 에너지를 냉난방이나 급탕 등의 고급에너지로 변환시키는 열펌프 시스템을 이용한 열회수 기술이 널리 적용되고 있다. 공기, 수열, 지열 등의 열원이 적용되고 있으며, 최근에는 하천수, 하･폐수, 광산 등을 열원으로 이용한 연구 사례가 보고되고 있다. 폐기물매립지는 가용 토지자원 잠식뿐만 아니라 주변환경오염 방지 및 매립 종료 후 사후관리에도 많은 비용이 소요되는데, 일반적으로 폐기물매립지 내부는 혐기성 조건으로 운영되며 매립종료 후 30년 동안 사후관리를 의무화하고 있다. 이에 사후관리기간 단축방안 및 사후관리기간 동안 수익을 창출할 수 있는 부지활용방안이 필요하게 되었다. 유럽에서는 독일, 이탈리아 등을 중심으로 매립지 내부에 공기주입을 통한 폐기물의 분해 촉진 기술에 대한 연구가 증가하고 있다. 강제적으로 매립지 내부에 공기를 주입하여 매립지 내부를 호기성으로 전환시킬 경우 폐기물 내의 유기물 분해를 촉진시켜 사후관리 기간 감소 및 침출수 처리 비용 등을 절감시킬 수 있으며, 온실가스 저감효과도 입증되어 최근 CDM 사업으로도 적용되고 있다. 이와 별도로 적정 공기 및 수분의 주입은 폐기물매립지 내부 유기물질의 분해를 극대화할 뿐만 아니라 유기물 분해를 통한 열 발생도 증가시키고 있다. 이에 매립지 내부로 공기주입 시 폐기물의 안정화뿐만 아니라 매립지에서 발생하는 가스의 온도(약 50-80℃)에 주목하고 있다. 폐기물매립지에서의 열에너지 활용 가능성을 A 매립지를 통해 산출하면 A 매립지는 2011년까지 1,145,000톤의 생활폐기물을 매립하였으며, 이중 복토재, 수분, 불연성 물질, 그리고 일부 분해된 가연성 물질을 제외한 잔존 가연성 물질의 함량을 30%로 가정하면 가연성 물질의 양은 343,500톤으로 산정된다. 가연성 물질 중 가연물 함량 50%, 가연물 함량의 원소조성 중 탄소함량 50%로 가정하고 탄소성분에서도 미생물에 의한 분해 가능 탄소와 고정탄소가 있으며, 생분해가능 유기탄소를 60%로 가정 시 생분해가능 유기탄소의 양은 51,525톤이다. 생분해가능 유기탄소 1g당 24 kJ의 열이 배출된다고 가정하면 유기탄소가 호기성 조건에서 분해 시 발생 가능한 잠재열량은 1.24×1012 kJ(2.95×1011 kcal)을 가지게 된다. 이를 열펌프 회수가능열량을 3%로 가정하면 열량은 8.85×109 kcal이며, 난방부하용량 207,8 kW 열펌프의 필요 열량을 1년에 378,432 Mcal로 가정하면 열에너지 회수가능 연한은 약 23년으로 나타나게 된다. 열펌프와 화석연료의 경제성에 대하여 동일열량을 기준으로 살펴보면 전력가격은 산업용 판매단가는 106.83 원/kWh로 전력 1 kWh는 최종사용자 기준으로 860 kcal/kWh이므로 1 Mcal당 91.9원으로 열펌프 난방성능계수를 3.0으로 가정하였을 경우 열펌프의 에너지 비용은 30.6 원/Mcal로 산정된다. 이를 등유와 경유에 비교하면 등유는 1,092 원/L(발열량 8,950 kcal/L), 경유는 1,260 원/L(발열량 9,050 kcal/L)로 가정하였을 때 등유의 비용은 122.0 원/Mcal, 경유는 139.2 원/Mcal로 나타나 등유와 경유를 열펌프 사용으로 대체하였을 때 약 4배의 에너지 비용을 절감시킬 수 있다.

최근 에너지절약 및 대체 에너지 자원 확보, 환경보호 등의 관점에서 안정적이고 친환경적인 신․재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있으며 그 일환으로 지열에너지 이용에 대한 관심도 높아져, 국내에서는 2000년경부터 지열의 활용이 이루어지기 시작했다. 특히 열펌프(Heat pump)의 개발 및 발달로 저온의 열에너지 활용이 가능하게 되면서 다양한 열원을 대상으로 열에너지가 활용되고 있다. 열펌프 시스템은 다양한 열원을 적용하여 저급의 에너지를 냉난방이나 급탕 등의 고급에너지로 변환시키는 대표적인 고효율 에너지 기기이다. 열펌프를 이용하여 얻어지는 에너지 효율은 결국 열원측에서 얻을 수 있는 열원의 온도에 따라 결정되는데 주로 공기, 수열, 그리고 지열 등의 열원이 적용되고 있다. 이에 최근에는 하수열, 소각시설 등 환경기초시설 내의 미활용 열원을 대상으로 한 열펌프의 적용사례가 보고되고 있으나, 폐기물매립지의 경우에는 관련 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 폐기물매립지 내부로 공기 주입 시 발생하는 가스를 열원으로 한 열펌프의 적용 가능성을 평가하기 위한 기초연구로서 호기성 매립지 열원 회수 시스템을 실제 폐기물매립지에 설치 후 현장 실험을 하여 시스템 성능을 평가하고자 하였다. 본 연구 대상 매립지인 A 위생매립지는 경상북도에 위치한 계곡형 매립지(매립면적 56,500 m², 매립용량 1,278,000 m³)이며, 공기주입을 통한 추출가스 열 에너지의 이용 가능성을 평가하기 위해 호기성 안정화 장치, 열펌프, 축열조로 구성된 시스템을 설치하였다. 대상 매립지에 설치된 호기성 안정화 장치는 송풍기, 공기주입용 수직정, 가스 추출정, 바이오필터 등으로 구성되어 있다. 공기주입량은 100 m³/h이며 바이오필터에 투입되는 가스 추출량은 공기주입량과 동일하게 하였다. 가스 추출정은 공기주입정과 5m 거리를 두고 설치하였다. 매립지에서 추출된 가스는 열펌프의 부식을 방지하기 위해 바이오필터(우드칩)를 통해 암모니아와 황화수소를 제거된 후 열펌프에 투입되도록 하였다. 열펌프에 투입된 추출가스는 우선 증발기에서 냉매(R407)와 열교환을 통해 열에너지를 뺏기게 되며, 열을 흡수한 고온저압의 냉매는 압축기를 통해 고온고압의 상태가 된다. 이후 응축기를 거치면서 축열조로 순환하는 물과 열 교환하여 열에너지를 물로 전달하고 열을 빼앗긴 냉매는 저온고압의 상태로 팽창펌프로 들어가 저온저압의 상태가 되어 다시 증발기로 순환하게 된다. 축열조는 열펌프로 얻어지는 열에너지를 저장하는 것으로 물이 순환하여 열에너지를 저장하며 열펌프의 순환이 계속될수록 축열조의 온도는 상승하게 된다. 열펌프의 용량은 3 RT(Refrigeration ton)이며, 가스-냉매-물 방식이다. 실험결과 추출가스의 온도는 30-39℃를 나타났으며, 증발기에서는 평균 7.63 kW, 응축기에서는 평균 10.18 kW의 열량을 흡수하여 외기온도에 따라 증발기와 응축기 내에 유･출입되는 유체의 온도는 변화하였지만 안정적으로 열량을 흡수한 것으로 나타났다. 전력은 평균 3.1 kW가 소비된 것으로 나타났다. 열펌프의 난방성능계수(Coefficient of performance, COP)는 평균 3.2로 열펌프에 전력 1 kW 소비 시 3.2 kW의 열량을 발생시키는 것으로 나타났다. 기존 공기열원 열펌프는 외기온도가 낮은 동절기에는 COP가 낮아지는 문제점이 있으나 호기 성매립지의 경우에는 동절기에도 가스의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있기 때문에 외기온도 저하에 따른 COP저하는 크지 않을 것으로 판단된다.

폐기물매립지에서 발생되는 메탄(CH₄)가스는 폐기물 분야에서 배출하는 온실가스 물질 중에서 가장 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 폐기물매립지에서 발생되는 메탄가스의 배출량은 폐기물매립지의 일반적인 특성인 불균질성에 기인하여 시공간에 따른 배출량의 차이가 매우 커서 지속적인 메탄가스의 배출량 측정이 필요하다. 폐기물매립지에서의 메탄가스 배출량 측정은 매립가스 배출경로에 따라 매립지 복토층을 통한 표면발산량, 가스 배제공을 통한 배출량. 매립가스 회수 시 매립가스 포집량 등에 대하여 주로 이루어지고 있다. 그러나 상기에서 나타낸 것처럼 폐기물매립지의 특성상 기온, 대기압, 강수 등의 기상조건, 매립폐기물 물리화학적 특성에 따른 메탄플럭스(Flux)변동, 그리고 복토층 두께, 복토층 균열여부, 사면부 등 매립지의 구조적 특성에 따라 매립지에서 배출되는 메탄가스 배출량의 대표적인 값을 산정하는 것이 어려우며 매립장 전체면적에 대한 조사에도 한계가 따른다. 특히 복토가 이루어진 폐기물매립지의 표면발산량에 대한 연구는 많이 진행된 반면에 복토가 미흡한 폐기물매립지 사면부의 경우 메탄 배출특성에 대한 연구가 미흡한 실정이어서 메탄 배출 저감을 위한 사면부 관리에 대한 관심이 매우 낮으며, 매립가스 포집시설 설치 시 사면부 인근에 설치된 수직 가스 포집정의 경우 매립가스 포집 효율이 저하되는 특성을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 위생매립지인 A매립지를 대상으로 매립지의 구조적 특성 중 하나인 사면부에서 배출되는 메탄가스 발생량을 평가하여 향후 메탄 배출량 저감 및 사면부 인근 수직 가스 포집 설치 설계를 위한 기초자료를 제공하는 것이 목적이다. A매립지의 면적은 38,280 m², 매립용량은 568,225 m²이며, 생활 폐기물 매립 직후 일일복토 및 중간복토를 시행하고 있다. 메탄배출량 측정은 챔버(Chamber)에 레이저 메탄검지기를 이용한 방법을 통하여 실험을 진행 하였으며, 매립지를 구역별로 매립종료 지점, 매립 진행 지점, 사면부로 나누어 메탄가스의 표면 발산량을 측정하였다. 실험결과, 매립종료 지점의 표면 발산량은 3.25 ~ 26.42 g/m²/d (평균 8.08 g/m²/d)으로 나타났으며, 매립 진행지점의 표면 발산량은 1.80 ~ 3.51 g/m²/d (평균 2.74 g/m²/d)으로 매립종료 지점의 표면 발산량보다 낮은 결과를 나타내었다. 반면에 사면부의 표면 발산량은 17.30 ~ 35.10 g/m²/d(평균 22.56 g/m²/d)으로 매립종료 지점에 비해 약 3배 정도 높게 나타났다. A매립지의 경우 사면부 면적이 매립지 전체 면적의 약 4%로, 구조별 메탄배출량을 산정하면 사면부 전체 메탄배출량은 표면 배출량의 약 12%로 면적에 비해 매립지 전체 메탄배출량에 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 산정되었다. 따라서 사면부 메탄가스의 표면 발산량의 저감을 위해 사면부에 대한 지속적인 관리가 필요할 것으로 사료된다.

인구의 증가, 화석연료의 고갈 등으로 인한 고유가 현상과 함께 기후변화협약에 따른 온실가스 배출 제제안의 발의는 신재생에너지에 대한 관심을 증가시키고 있다. 신재생에너지 중 바이오가스는 온실가스 감축이라는 과제와 함께 유기성폐기물의 처리에 대한 어려움도 함께 해결이 가능해 정부에서는 관련 법령의 개정 등의 노력을 기울이고 있다. 이러한 이유로 바이오가스를 발전설비 에너지원으로 활용하는 시설이 점차 증가하는 추세이다. 바이오가스를 에너지자원으로 활용하기 위해서는 수분, 황화수소, 실록산(Siloxane) 등의 자원화에 부정적인 영향을 미치는 물질을 제거해야 한다. 그 중 실록산은 바이오가스의 연소설비 내에서 이산화규소로(SiO2)전환되어 흰색 침적물을 형성하는데 이로 인해 가스엔진 내 열교환기, 피스톤 등의 마모 및 손상과, 출력저하를 일으켜 효율저하 및 부품교체, 세척에 대한 비용 상승의 원인이 되고 있다. 따라서 바이오가스 자원화시설의 효율적인 운영 및 전처리 기술의 개발을 위해서는 실록산 전처리 설비는 필수적이다. 실록산 전처리 설비를 설계하기 위해서는 바이오가스 중의 실록산 농도에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있어야한다. 이에 실록산의 채취 및 분석방법에 대해 많은 연구가 이루어지고 있지만 규정화된 방법은 세계적으로도 정립되어있지 않은 실정이다. 문헌에 따라 다르지만 일반적으로 실록산 채취에 사용되는 방법으로는 용매 흡수법, 직접채취법, 고체흡착법 등이 알려져 있으며 용매흡수법이 모든 종류의 Siloxanes에 대해여 비교적 낮은 검출한계에서 정량적인 분석이 가능하다는 장점으로 인해 가장 자주 활용되고 있다. 용매흡수법은 임핀저(Impinger)에 채워진 용매 바이오가스를 통과시켜 실록산을 흡수한 후 분석하는 방법이다. 임핀저 내의 빠른 공기유속으로 인해 실록산이 메탄올에 100%용해되기 어려우므로 연구자에 따라 다르지만 1단의 임핀저 만으로는 실록산의 채취율을 보장할 수 없으므로, 보통 3단의 임핀저를 활용하고 있다. 이 과정에서 임핀저와 임핀저 사이를 연결할 수 있는 튜브(Tube)가 필요한데, 앞서 언급한 바와 마찬가지로 이에 대한 규정은 없는 상황이다. 하지만 튜브에 흡착되는 실록산에 의한 오차를 줄이고 현장 측정의 편리성을 확보하기 위해서는 적절한 재질의 튜브선정이 반드시 이루어져야 한다. 튜브가 지니고 있어야할 성질로서 우선 바이오가스 중의 실록산에 가급적 흡착이 덜 되어야 하며, 산성가스로 인한 튜브의 변질을 방지하기 위해 화학적으로 안정한 재질이 좋다. 또한 임핀저 간의 연결이 용이하도록 유연성이 좋은 재질이면 더욱 좋다. 이에 본 연구에서는 용매흡수법을 이용한 실록산 시료 채취 시에 사용되는 최적 Tube를 선정하기 위하여 실험을 진행하였다. 실험은 농도를 알고 있는 표준가스를 제조하여 3단 임핀저 흡수장치를 구성한 후 튜브의 재질별 실록산 회 수율을 평가하였다. 실록산의 회수율은 흡수법으로 측정한 실록산 농도를 표준가스의 실록산 농도로 나누어 산정하였으며, 회수율이 높은 튜브를 최적 튜브재질로 결정하였다. 실험에 사용된 튜브는 Silicon tube, Teflon tube, Tygon tube 총 3가지로 재질, 유연성, 화학적 안정성 등을 고려하여 선정하였다. 실험에 사용된 실록산 표준가스는 바이오가스 중에서 가장 높은 농도로 검출되는 D4(Octamethyl Cyclotetrasiloxane)를 이용하여 제조하였고, 용매로는 메탄올을 이용하였다. 실록산 농도는 질량분석기가 장착된 가스크로마토그래프(Gas Chromatograph/Mass Spectrometer, QP2010, Shimazu)로 분석하였다.