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문제 정의
- 크기는 상용 다공컵의 크기와 유사하게 외경 22 mm, 토양과 접촉하는 부분의 길이는 65 nun로 하였다. 목표가 다공컵 구성 성분의 비율을 조절하여 상용 수분장력계보다 안정적으로 1 bar용 장력계를 개발하는 것이다. 따라서, 성분 비율을 바꾸면서 제작된 다공컵을 기존 상용 장력계에 장착하여 그림 2와 같은 실험장치를 구성하여 통기성을 검토하였다.
- 본 연구는 수입에 의존하고 있는 토양수분관리시스템 구성요소 중 핵심부품인 디지털 토양수분장력계를 국산화하기 위해 수행되었다. 구체적인 연구의 목표는 1) 이론분석 및 제작시험을 통해 다공컵 구성 재료의 적절한 성분조합으로 1 bar 용량의 다공컵을 제작하고 2) 디지털 출력이 가능한 시작기를 개발하고 3) 상용제품과 비교성능시험을 실시하는 것이었다.
- 측정하고자 하는 수분장력의 최대 값(Ua-Uw, Airentry value)과 다공컵 공극 최대 유효반경(Rs)의 관계는 식 (1)로 나타낼 수 있다(Lu and Likos, 2004). 본 연구에서는 Rs를 만족시키기 위한 다공컵을 제조하고자 하는 것이다.
- 본 연구에서는 토양 수분 측정 및 관리에 많이 사용되고 있는 토양 수분 장력계 국산화를 위하여 이론분석을 통한 다공컵 유효 공극 결정, 다공컵 및 수분 장력계 시작품 제작 성능평가를 실시하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (3) 샘플제작 및 통기성 시험결과를 근거로 선정된 다 공 컵은 중량비율로 산화알루미늄 87.0%, 이산화규소 11.0%, 규조토(조공제) 1.5%, 해교제 0.5%를 배합하고 성형한 다음 1150℃까지 소결 온도를 상승시키고 자연 냉각하여 제작하였다.
- 대기 중 시험은 시작기와 상용 수분장력계에 물을 채우고 대기 중에 방치한 상태에서 장력계내의 수분이 완전히 대기 중으로 증발할 때까지 수분장력 변화를 모니터링 하였으며, 시작기와 상용 수분장력계를 각각 3개씩 사용하였다.
- 목표가 다공컵 구성 성분의 비율을 조절하여 상용 수분장력계보다 안정적으로 1 bar용 장력계를 개발하는 것이다. 따라서, 성분 비율을 바꾸면서 제작된 다공컵을 기존 상용 장력계에 장착하여 그림 2와 같은 실험장치를 구성하여 통기성을 검토하였다. 실험장치는 압축기, 압력 조절기, 수분장력계, 수조로 이루어졌으며, 다공컵으로부터 수조로 공기방울이 배출되기 시작할 때까지 압축기에서 제공하는 압력을 0에서부터 0.
- 포화 수분 상태로부터 시작하여 25일간 토양을 상온 통풍 건조시키면서 10분에 1회씩 디지털 진공게이지 출력을 저장하였다. 또한, 시험 토양에 대하여 토양 수분 장력과 수분 함량의 관계를 확립하기 위하여 probe의 길이가 120 mm, 정밀도 ±3%인 상용 토양수분 센서(Model: WT-1000A, RFSENSOR, Seoul, Kog)를그림 3과 같이 3곳에 설치하고 무선 데이터 로거(Model: WP- 600, RFSENSOR, Seoul, Korea)로 10분에 1회씩 저장하였다. 수분장력계의 다공컵(길이 65 mm) 중간부분과 수분 함량 센서 probe(길이 120 mm)의 중간부분은 토양 표면으로부터 100 mm 깊이에 위치하도록 하였다.
- 1% 범위에 있었다. 또한, 전자현미경 영상을 살펴본 후 성분의 소결상태와 조직감(texture)의 거칠기로 추정하여 1000℃ 내외의 온도에서 소결되었을 것이라는 요업기술원의 의견을 얻었다.
- 진행하였다. 상용 다공컵 물성분석은 우리나라 수입업체를 통해 공급되고 있는 기종 중에서 3가지 기종의 수분장력계용 다공컵을 4개씩 샘플하여 서울시 금천구에 위치한 요업기술원(www.kicet. re.kr)에 성분조성 및 기공율 분석을 의뢰하였다.
- 샘플제작은 상용 다공컵에 대한 요업기술원의 성분 및 기공 분석 결과에 기초하여 세라믹 제조업체를 통해 제작하였다. 크기는 상용 다공컵의 크기와 유사하게 외경 22 mm, 토양과 접촉하는 부분의 길이는 65 nun로 하였다.
- 성능평가를 위해 두 가지 서로 다른 크기를 가진 토양입자를 준비하였는데, 생황토를 풍건(air-dried)하고 2 mm 체를 통과시키고, 다시 0.5 mm 체를 통과시켜 0.5-2 mm 토양(비교적 입자크기가 큰 soil, Soil A), 0.5 mm 이하 토양(비교적 입자크기가 작은 soil, Soil B)으로 분류하였다. 각 토양에 대하여 그림 3(오른쪽)에서 보는 바와 같이 제작된 수분 장력계와 상용 수분장력계를 2개씩 총 4 곳에 설치하였다.
- 또한, 시험 토양에 대하여 토양 수분 장력과 수분 함량의 관계를 확립하기 위하여 probe의 길이가 120 mm, 정밀도 ±3%인 상용 토양수분 센서(Model: WT-1000A, RFSENSOR, Seoul, Kog)를그림 3과 같이 3곳에 설치하고 무선 데이터 로거(Model: WP- 600, RFSENSOR, Seoul, Korea)로 10분에 1회씩 저장하였다. 수분장력계의 다공컵(길이 65 mm) 중간부분과 수분 함량 센서 probe(길이 120 mm)의 중간부분은 토양 표면으로부터 100 mm 깊이에 위치하도록 하였다. 실험장면을 그림 4에 나타내었다.
- 시작기 제작을 위하여 상용 다공컵 물성분석, 샘플제작 및 통기성 시험, 통합 시작기 제작 3단계 과정으로 진행하였다. 상용 다공컵 물성분석은 우리나라 수입업체를 통해 공급되고 있는 기종 중에서 3가지 기종의 수분장력계용 다공컵을 4개씩 샘플하여 서울시 금천구에 위치한 요업기술원(www.
- 시작품과 상용제품의 성능, 토양수분함량과의 관계 고찰을 위한 토양 중 시험을 실시하였으며, 포화수분함량으로부터 25일간 상온 통풍 건조 시간에 따른 토양 수분장력과 수분함량 변화를 그림 9와 10에 각각 나타내었다. 그림 9에서, Soil A(0.
- 따라서, 성분 비율을 바꾸면서 제작된 다공컵을 기존 상용 장력계에 장착하여 그림 2와 같은 실험장치를 구성하여 통기성을 검토하였다. 실험장치는 압축기, 압력 조절기, 수분장력계, 수조로 이루어졌으며, 다공컵으로부터 수조로 공기방울이 배출되기 시작할 때까지 압축기에서 제공하는 압력을 0에서부터 0.1 bar 간격으로 증가시켰다. 압축기(Model: UD-2025, United, China) 로압축공기를 공급하면서, 단계적인 과정을 살펴보기 위하여 압력 증가 사이에 1분의 시간 간격을 두었으며, 상용 다공컵보다 더 높은 압력에서 공기방울이 배출되는 샘플을 최종 선정하였다.
- 1 bar 간격으로 증가시켰다. 압축기(Model: UD-2025, United, China) 로압축공기를 공급하면서, 단계적인 과정을 살펴보기 위하여 압력 증가 사이에 1분의 시간 간격을 두었으며, 상용 다공컵보다 더 높은 압력에서 공기방울이 배출되는 샘플을 최종 선정하였다. 통합 시작기는 선정된 다공컵, 디지털 진공 게이지(부압 센서)를 상용 수분장력계 본체에 결합하여 제작하였다.
- 토양 수분 장력과 용적수분함량의 관계를 정립하기 위하여두 데이터를 비교하였다. 그림 9에서 압력이 해제된 데이터를 제외하고 그림 9의 수분 장력과 그림 10의 용적 수분함량을 토양별로 평균값을 구하여 그 관계(토양 수분 특성 곡선, soil water characteristic curve)를 그림 11에 나타내었다.
- 토양이 담겨질 용기(container)의 바닥에 일정 간격으로 작은 구멍을 내어 물이 자유롭게 이동하도록 하였으며 그 위에 천을 2겹 위치시켜 용기내로 들어온 물이 전면으로 잘 퍼지도록 하였다. 이러한 토양 용기를 물이 들어있는 용기에 넣으면, 물은 외부의 수분압력과 토양의 모세관 현상에 의해 토양 용기 상단까지 올라와 토양은 전체적으로 포화수분함량을 가지게 된다.
- 통기성 시험을 통과한 샘플에 대하여 요업기술원에 주사전자현미경 영상 촬영, 조성비 및 기공율 조사를 의뢰하였다. 그림 7에서 보는 바와 같이 기존 상용 제품인 SM 샘플에 비하여 시작품의 다공질 입자와 공극 크기가 현저히 작음을 확인하였고 이는 DK 및 SD 샘플과 비교하였을 경우에도 유사한 결과를 얻었다.
- 압축기(Model: UD-2025, United, China) 로압축공기를 공급하면서, 단계적인 과정을 살펴보기 위하여 압력 증가 사이에 1분의 시간 간격을 두었으며, 상용 다공컵보다 더 높은 압력에서 공기방울이 배출되는 샘플을 최종 선정하였다. 통합 시작기는 선정된 다공컵, 디지털 진공 게이지(부압 센서)를 상용 수분장력계 본체에 결합하여 제작하였다. 사용한 디지털 진공게이지(Model: PSA-V01, Antonies, Yangsan, Gyeongnam province, Korea)는 -101.
- 통합시작품 성능평가는 최대 측정 장력 범위 검증을 위한대기 중 시험, 시작기의 안정성과 토양수분함량과의 관계도출을 위한 토양 중 시험으로 이루어진 2단계 과정으로 실시하였다. 대기 중 시험은 시작기와 상용 수분장력계에 물을 채우고 대기 중에 방치한 상태에서 장력계내의 수분이 완전히 대기 중으로 증발할 때까지 수분장력 변화를 모니터링 하였으며, 시작기와 상용 수분장력계를 각각 3개씩 사용하였다.
- 각 토양에 대하여 그림 3(오른쪽)에서 보는 바와 같이 제작된 수분 장력계와 상용 수분장력계를 2개씩 총 4 곳에 설치하였다. 포화 수분 상태로부터 시작하여 25일간 토양을 상온 통풍 건조시키면서 10분에 1회씩 디지털 진공게이지 출력을 저장하였다. 또한, 시험 토양에 대하여 토양 수분 장력과 수분 함량의 관계를 확립하기 위하여 probe의 길이가 120 mm, 정밀도 ±3%인 상용 토양수분 센서(Model: WT-1000A, RFSENSOR, Seoul, Kog)를그림 3과 같이 3곳에 설치하고 무선 데이터 로거(Model: WP- 600, RFSENSOR, Seoul, Korea)로 10분에 1회씩 저장하였다.
대상 데이터
- 통합 시작기는 선정된 다공컵, 디지털 진공 게이지(부압 센서)를 상용 수분장력계 본체에 결합하여 제작하였다. 사용한 디지털 진공게이지(Model: PSA-V01, Antonies, Yangsan, Gyeongnam province, Korea)는 -101.3 kPa까지 부압을 즉정하며 정밀도는 ±2% F.S.이었다.
성능/효과
- (1) 이론 분석 결과, 다공컵 공극 최대 유효 크기 증가에 따라 최대 장력 측정값은 감소하였고 현장에서 주로 사용되고 있는 100 kPa 범위 수분장력 측정을 위한 유효 최대 공극 직경은 2.9 ㎛이었다
- (2) 국내에서 주로 유통되는 수분 장력계 용 다공컵 3 기종에 대한 물성을 분석한 결과, 기공율은 33.8-49.3% 범위이었으며, Talc(활석)을 포함한 기종을 제외하고는산화알루미늄(AI2O3)과 이산화규소(SiCh)가 주요 성분이었으며 산화알루미늄은 63.5-92.1% 범위에 있었다.
- (4) 선정된 다공컵과 디지털 진공게이지를 이용하여 제작된 토양 수분 장력계 시작품(SD)의 성능을 상용 제품과 비교하기 위하여 대기 중 상온통풍 상태에서 시험한 결과, 시작품이 85.0 kPa, SD 제품이 83.7 kPa로 최대 1.3 kPa의 차이를 보였으나 이는 100 kPa 용량을 기준으로 1.3% 수준으로 시작품이 SD 상용제품과 유사하고 압력해제 없이 안정된 작동상태를 보였다.
- (4) 시작품의 성능 및 토양 수분 함량과의 관계정립을 위한 토양 중 시험의 결과, 시작품과 상용제품은 모두 안정적으로 작동하였으며, 용적수분함량 센서 출력값과 전형적인 토양 수분 특성 곡선을 얻을 수 있었다.
- SM 샘플은 5회 실험한 결과 그림 6에 원형으로 표시한 바와 같이 대부분 250 kPa 이하의 압력에서 공기방울 배출이 관찰되었으나, 시작품은 모두 700 kPa까지도 공기 방울 배출이 관찰되지 않았다. 고압에 의한 시험장치의 손상위험으로 인하여 더 이상 압력을 증가시키지 않았으나, 이 결과로부터 본 연구에서 개발된 다공컵이 상용 다공컵보다 통기성이 낮음을 확인할 수 있었다.
- 그림 10에서 보는 바와 같이, 수분 함량 변화 또한 시간에 따라 Soil A와 B에 대하여 각각 유사한 경향이 관찰되었으나, 입자 크기가 상대적으로 큰 Soil A의 경우에는 Soil B에 비하여 센서 위치별 측정값의 변이가 다소 큰 것으로 나타났으며 특히 그림에 표시한 원형 부분과 같이 수분 변화가 급격하게 진행됨을 관찰하였다.
- 변화를 그림 9와 10에 각각 나타내었다. 그림 9에서, Soil A(0.5-2 mm 토양)와 Soil B(0.5 mm 이하 토양)에 대하여 시작품과 SD 상용 제품이 매우 유사한 경향을 보였으며(여러 그래프가 거의 겹쳐있는 상태이므로 범례를 생략하였음), SD 제품은 Soil A에 대하여 시간이 얼마 지나지 않아 압력이 해제되어 불안정한 성능을 보였다.
- 최대 유효직경의 이론적인 관계를 그림 5에 나타내었다. 다공컵 공극 최대 유효 크기가 증가함에 따라 최대 장력 측정값은 감소하였으며, 특히 100 kPa(l bar) 부근에서 민감한 것으로 나타났다. 현장에서 많이 사용되고 있는 상용 토양수분 장력계의 측정 범위인 100 kPa까지의 수분장력 측정을 위한 유효 최대 공극 직경은 식 1을 이용하여 계산한 결과 2.
- 3% 수준으로 시작품이 SD 상용제품과 유사하였다. 또한, 동일한 시험을 여러 번 반복한 결과, 정량적인 결과를 도출하지 못하였으나 SD 제품은 80 kPa 이상에서 주로 압력 해제가 되었으나 시작품은 압력해제 없이 작동함을 알 수 있었다.
- 산화알루미늄과 이산화규소의 조성비, 가공 온도 등을 변화시키면서 샘플을 제작하고 통기성 시험을 실시한 결과 본연구에서 목표로 하는 다공컵을 제작할 수 있었다. 그림 6은 SM 샘플과 본 연구에서 제작된 다공컵에 대한 통기성 시험 장면이다.
- 시작품을 완성하였다. 예비시험 결과, SD, SM, DK 수분장력계는 공통적으로 -80 kPa 정도의 토양 수분 장력을 측정할 수 있었으나 다공컵과 디지털 진공게이지 장착이 용이한 SD 장력계를 선택하게 되었다. 그림 8은 시작품과 상용 SD 장력계에 대한 대기 중 시험결과이다.
- 그림 7에서 보는 바와 같이 기존 상용 제품인 SM 샘플에 비하여 시작품의 다공질 입자와 공극 크기가 현저히 작음을 확인하였고 이는 DK 및 SD 샘플과 비교하였을 경우에도 유사한 결과를 얻었다. 정량적인 평가는 어려웠으나 육안으로 볼 때 100 kPa용 상용제품은 최대 공극 직경이 2.9 ㎛와 큰 차이를 보이지 않았으나, 시작품의 공극이 상용제품의 공극보다 매우 작음을 알 수 있었다. 그림 5로부터 판단할 때 시작품의 air-entry value는 공극 직경 0.
- 최종 선정된 다공컵은 중량비율로 산화알루미늄 87.0%, 이산화규소 11.0%, 규조토(조공제) 1.5%, 해교제(산토프코(주) 5468) 0.5%를 배합하고 성형한 다음 1150℃까지 소결 온도를 상승시키고 자연 냉각하여 얻을 수 있었다. 선정된 다 공 컵의 표 2에서 보는 바와 같이 기공율이 43.
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