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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기능성이 요구되는 노약자, 학생뿐만 아니라 한랭환경에서 장시간 업무를 수행해야 하는 군인이나 경찰, 냉동작업자 등 특수업무자들을 위하여 발의 보호와 보온성을 증진시 킬 수 있는안창을, 신소재인 에어로젤이 함유된 섬유상 복합체를 이용하여 試作한 후, 에어로젤을 함유하고 있지않은 일반 섬유상 부직포와 시판 안창의 기능성과 비교, 평가하여 신발 안창으로의 용도 전개 가능성을 알아보고 더 나아가 방한복, 동계스포츠웨어의 패딩소재로서의 이용 가능성을 밝히고자 하였다.
- 신소재인 에어로젤이 함유된 섬유상 복합체를 보온성 이 우수한 신발 안창소재로의 이용 가능성을 살펴보기 위해서 이 소재로 신발 안창을 시작한 후 소재의 표면형태, 열전도율, 보온성, 흡습성, 투습성 및압축성을 평가하였으며 일반 부직포 및 시판 안창과비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이 소재들의 특징을에 제시 하였다.
제안 방법
- 패딩용 소재를 동일한 크기(15cmxl5cm, 20cmx20cm)로 커팅하여 그것을 코팅된 투습방수포 (S1), 3층 구조 직물(S2), 고밀도 직물(S3)로 싸서 동일한 바늘땀으로 2면을 박은 후 뒤집어서 시판 부직포 및 에어로젤 섬유복합체를 패딩한 후 나머지 1면을 박는 순서로 에어로젤 dust가 빠져나오지 못하도록 촘촘히 박아 제작하였다. 3종의 실링포의 선정기준은 첫째 에어로젤 dust가 빠져나오지 않도록 기공이 에어로젤 입자보다 작은 직물을 선정하였고, 둘째 구조가 달라 열전도율 및 보온성에서 차이가 날 것으로 예상되지만 쾌적성을 저하시키지 않도록 투습방수포로 선정하였다. 시료 1-2에는 시판되는 안창을 조사하여 제시하였다.
- 열전도율만 측정하여 비교하였다. 각 항목의 실험 방법은 아래와 같으며, 모든 시료를 표준상태에서 24시간 컨디셔닝시킨 후 실험하였다.
- 신발 속의 습도가 높으면 냉감을 가져와 발이 더 시려움은 물론 무좀이나 동상의 원인이 될 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 흡습성을 환경온 35℃, 상대습도 90%의 고온 다습한 환경 에서 측정하여 분석하였다. 실 링포의 수분율은 나일론 100% 고밀도 직물인 S3가 가장 우수하고 우레탄 코팅 이 되어 있는 S1과 우레탄 필름이 삽입되어 있는 폴리에스터 소재인 S2는 거의 동일한 수준이다(Fig.
- 보온성은 시판시료의 경우 크기가 작아 보온성 측정 장비로 측정할 수 없어 부직포와 에어로젤을 패딩 한 시료 6종만을 측정하였다. 측정결과는 부직포를 실링 한 시료 3종과 에어로젤 섬유복합체를 실링한 시료 3종의 전력소모량을 <Table 3>에 제시하였고, 보온율을 계산한 결과는 <Fig.
- 에어로젤 함유 섬유복합체와 시판 부직포, 실링포 3종의 표면형태는 주사 전자현미경(S.3400N, 일본) 을 사용하여 실링포와 패딩소재는100배, 에어로젤 입자는 30000배의 배율로 촬영하였다.
- 에어로젤 함유 섬유복합체의 안창소재로서의 사용 가능성을 살펴보기 위해서 본 연구에서 제작한 시료는 열전도율, 보온성, 흡습성 , 투습성, 압축성을 측정하였고 표면형태를 관찰하였으며, 시판 안창 제품은 라텍스 폼이나 고무창이 중첩되어 있으므로 흡습성, 투습성, 열전도율만 측정하여 비교하였다. 각 항목의 실험 방법은 아래와 같으며, 모든 시료를 표준상태에서 24시간 컨디셔닝시킨 후 실험하였다.
- 이를 위하여 에어로젤의 우수한 보온성과 경량성을 살리고, 쾌적성을 향상시킬 수 있는 실링(sealing) 소재를 선정하고 일반 부직포와 시판 안창의 성능과 비교하여 신소재 복합체의 신발 안창소재로서의 적합성을 평가하였다.
- 중량은 Mettler사의 H 261모델(스위스)을 사용하여 시료당 4회씩 측정하여 평균하였고, 두께는 Kafer digital사의 JD50A 모델(미국)로 4회씩 측정하여 평균하여 나타내었다.
- 패딩시료를 크기 15cmxl5cm로 커팅한 것을 각각 4겹씩 겹쳐 실링하여 제작한 시료 위에 나무판(아크릴판)을 올려놓은 후 25kg의 하중을 가하였을 때의높이를 4면 각 1점에서 측정하였다. 시료를 교체하여 2회 반복측정 하였고 그 평균값의 변화로 압축률과 회복률을 분석하여 결과를 <Fig.
- 직물로 실링 (sealing)하여 제작한 시료로서 모두 6종류이다. 패딩용 소재를 동일한 크기(15cmxl5cm, 20cmx20cm)로 커팅하여 그것을 코팅된 투습방수포 (S1), 3층 구조 직물(S2), 고밀도 직물(S3)로 싸서 동일한 바늘땀으로 2면을 박은 후 뒤집어서 시판 부직포 및 에어로젤 섬유복합체를 패딩한 후 나머지 1면을 박는 순서로 에어로젤 dust가 빠져나오지 못하도록 촘촘히 박아 제작하였다. 3종의 실링포의 선정기준은 첫째 에어로젤 dust가 빠져나오지 않도록 기공이 에어로젤 입자보다 작은 직물을 선정하였고, 둘째 구조가 달라 열전도율 및 보온성에서 차이가 날 것으로 예상되지만 쾌적성을 저하시키지 않도록 투습방수포로 선정하였다.
-
3) 흡습성
흡습율(%)은 환경온 35℃, 상대습도 90%에서 KS K 0220에 의거하여 Mechanical Circulation Oven(서진과학사)을 이용하여 측정한 후 4회 측정치의 평균값을 사용하여 계산하였다.
대상 데이터
- 시료 1-1은 본 연구에서 제작한 시료이며, 에어로젤 함유 섬유복합체(실리카 에어로젤 60%, 폴리에스터 부직포 40%)와 이와 유사한 구조의 시판 부직포를, 3종의 직물로 실링 (sealing)하여 제작한 시료로서 모두 6종류이다. 패딩용 소재를 동일한 크기(15cmxl5cm, 20cmx20cm)로 커팅하여 그것을 코팅된 투습방수포 (S1), 3층 구조 직물(S2), 고밀도 직물(S3)로 싸서 동일한 바늘땀으로 2면을 박은 후 뒤집어서 시판 부직포 및 에어로젤 섬유복합체를 패딩한 후 나머지 1면을 박는 순서로 에어로젤 dust가 빠져나오지 못하도록 촘촘히 박아 제작하였다.
- 3종의 실링포의 선정기준은 첫째 에어로젤 dust가 빠져나오지 않도록 기공이 에어로젤 입자보다 작은 직물을 선정하였고, 둘째 구조가 달라 열전도율 및 보온성에서 차이가 날 것으로 예상되지만 쾌적성을 저하시키지 않도록 투습방수포로 선정하였다. 시료 1-2에는 시판되는 안창을 조사하여 제시하였다.
- 시판 안창의 소재들은 9개 회사 제품으로 A, B, C, D, E 9종이며 그 특징을에 제시하였다.
이론/모형
- 본 시료에 적합한 규정이 없어 KS K 2617에 준하고, KS M ISO 844를 참고로 하여 하중 25kg을 가한 후 두께를 4면 각 1곳에서 측정하여 일정시간 경과에 따른 두께 변화로 압축률과 회복률을 다음 식에 의해 계산하였다.
- 카와바타법 (Thermolabo Ⅱ, 일본)에 의해 표준상태의 항온항습실에서 시료판(Cooling base) 온도 20℃, 열판(BT box: 5cmx5cm) 온도 30℃에서 측정한 후식에 의해 열전도율(W/cm ℃)을 계산하였다.
- 카와바타법(Thermolabo Ⅱ, 일본)을 이용하여 소비전력을 측정한 후에 식에 의해 보온률을 계산하였다. 이때 실험은 환경온 20℃, 열판(BT box) 온도 30℃, 픙속 30cm/sec의 조건에서 실시되었다.
-
4) 투습성
투습도는 40℃±2℃, 50%±2%RH로 설정한 항온항습기(Weiss Co. 독일)에서 워터법(KS K 0594)에 의거, 투습량을 측정한 후 투습도를 계산하였다.
성능/효과
- 1. 열전도율은 에어로젤 함유 섬유복합체 소재(0.00069-00071W/cm℃)가 일반 부직포 함유 소재(0.00087-0.00108 W/cm℃)보다 실링포에 관계없이 모두 낮은 것으로 나타났으며 대부분의 시판 소재보다도 열전도율이 낮았다. 또한 보온성 측정결과에서도 에어로젤 섬유 복합체 소재가 일반 부직포 패딩소재보다 실링포에 관계 없이 모두 우수한 것으로 나타났다.
- 2. 흡습성은 부직포, 에어로젤 섬유복합체 모두 소수성 섬유이므로 좋지는 않았으나 실링포에 관계 없이 모두 에어로젤 함유 섬유복합체 패딩시료가 부직포 패딩시료보다는 좋은 것으로 나타났다. 그러나 시판 안창과 비교했을 때, 발열 안창인 A그룹을 제외하고는 나머지 시판 안창의 흡습성이 더 좋은 것으로 조사되었다.
- 3. 압축률은 에어로젤 함유 섬유복합체(SP2)가 일반 부직포 패딩소재(SP1)보다 압축이 적고 회복이 빨라 사용도중 두께를 유지할 수 있어 보온성을 유지할수 있으리라 기대된다.
- <Fig. 5>에 제시한 시판 안창재료의 열전도율 결과를 살펴보면 시판 상품 중에서는 A그룹이 PCM 발열안창이지만 열전도율(0.00110-0.00129W/cm℃)이 큰 것으로 나타났고, C그룹과 D는 모두 천연양모소재 제품으로 0.00076-0.00081W/cm℃ 범위의 열전도율을 나타내 본 실험에서 일반 부직포 패딩소재로 제작한 시료보다 열전도율이 낮고 에어로젤 함유 소재로 제작된 시료보다는 열전도율이 높은 것으로 나타났다. E는 Fleece에 foam rubber, 알루미늄박이 접착되어 있는 소재제품으로 3층 구조를 이루고 있고 두께도 얇아 열전도율이 가장 낮았으며 (0.
- 시판 안창과 비교해 볼 때vFig. 8>, A그룹을 제외한 모든 천연울소재로 되어 있는 상품의 흡습성이 試 作한 소재보다 좋은 것으로 나타났다. 상품 D가 흡습성이 현저하게 좋은 이유는 이것만이 베이스가 코르크로 되어 있고 나머지는 라텍스나 고무, 우레탄 등으로 되어 있는 데에 기인한 것으로 사료된다.
- S1은 나일론 100% 투습방수포이 기는 하나 우레탄 코팅이 되어 있고, S2는 폴리에스터 100%의 양면 사이에 폴리우레탄 필름이 삽입되어 있는 3층 구조 직물이기 때문에 투습도가 가장 낮은 것으로 나타났다. SP소재의 투습도는 실링포에 관계없이 일반 부직포가, 에어로젤 섬유복합체보다 다소 높은 것으로 나타났다.
- 00108 W/cm℃)보다 실링포에 관계없이 모두 낮은 것으로 나타났으며 대부분의 시판 소재보다도 열전도율이 낮았다. 또한 보온성 측정결과에서도 에어로젤 섬유 복합체 소재가 일반 부직포 패딩소재보다 실링포에 관계 없이 모두 우수한 것으로 나타났다.
- 둘째, 밀도가 낮아 고체상으로 전도가 잘 되지 않아 현재까지 개발된 소재 중에서 열전도율이 가장 낮은 물질로 알려져 있다. 셋째, 실리카 에어로젤은 열에 강하여 800℃ 이상까지의 고온에서도 안정하므로 방염소재로도 주목된다. 넷째, 에어로젤은 초경량 소재로 신발, 의류 등에도 이용가치가 높을 것으로 예상된다(요업기술연구원, 2007).
- 시료의 중량은 본 연구에서 시작한 소재가 353.28- 906.73g/m2의 범위로 고밀도 직물에 부직포를 패딩한 시료(SP3-1)가 가장 가볍고, 3층 구조 실링포에 에어로젤 함유 섬유복합체를 패딩한 시료(SP2-2)가 가장 무겁다. 시판 안창의 중량은 741.
- 시판 안창과 비교했을 때도 시판 B를 제외하고는 에어로젤 소재 복합체인 SP1-2와 SP3-2가 비교적 높아 투습률은 일반 부직포 패딩소재>에어로젤 섬유복합체>시판 안창 순으로 우수한 것으로 나타났다.
- 실링포별로 패딩소재의 차를 비교하면 시료 S1 에서는 부직포 소재 (SP1-1)가 58%에 비해 에어로젤 소재(SP1-2)가 68%, 시료 S2에서는 69%에 비해 75%, 시료 S3에서는 53%에 비해 70%로 나타나 실링 포의 종류에 관계없이 3종 모두 에 어로젤 패 딩 소재 가 우수한 것으로 나타나 단열성이 우수하다는 에어로젤의 특성이 확인되었다.
- 이상의 결과로부터 초다공성인 에어로젤은 열전도율이 낮아 보온성이 좋은 물질임이 확인되었고 흡습성도 일반 PET 부직포로 제작한 안창보다 좋으며, 그중 에어로젤 패딩 고밀도 직물 실링의 조합시료(SP3- 2)가 보온성, 열전도성, 흡습성 면에서 가장 우수하여 본 연구의 목적에 가장 적합한 소재로 확인되었다. 또한 신발에 필요한 성질인 압축회복률도 에어로젤소재가 우수한 것으로 나타나 보온성을 유지하기에 유리할 것으로 기대된다.
- 6>에 제시하였다. 전력소모량은 부직포 패딩시료(Pl)에서는 S3>S1>S2로 나타났고, 에어로젤 패딩(P2)에서는 S1>S3>S2 순으로 나타나 전력소모량이 적은 시료일수록 보온력은 커 P1 시료에서의 보온력은 SP2-1>SP1-1>SP3-1 이나, P2 시료에서는 SP2-2>SP3-2>SPl-2로 나타났다.
- 제작시료와 시판 안창의 투습성을 비교할 때 SP2를 제외하고 SP1(SP1-1, SPl-2)4 SP3(SP3-1, SP3-2)는, B(펠트+강화 베이스)를 제외하고 나머지 시판 안창보다는 투습성이 높은 것으로 나타났고, 그 중 SP3 제작시료가 가장 좋은 것으로 나타났다. 시판 안창에서는 B>A2>D 의 순으로 나타났으며 <Fig.
- 이는 전체 체적에서 실링포의 비중이 현저히 낮아 전체적인 흡습률은 낮게 나온 것으로 판단되며 S1과 S3가 모두 나일론 100%이나 S1은 폴리우레탄이 코팅된 투습방수포이므로 우레탄 코팅의 영향으로 감소한 것으로 보아진다. 종합하여 분석하면 홉습성이 가장 좋은 시료는 에어로젤 함유 섬유복합체를 패딩소재로 하고 고밀도 직물로 실링한 SP%2로 나타났고, 이 실링포는 두께가 가장 얇아 건조성도 좋을것으로 예측되어 안창소재로는 가장 쾌적한 소재로추측된다.
- 있다. 첫째, 기공도가 높으며 그 기공은 상온에서 열이 기상으로 잘 전달되지 않는다. 둘째, 밀도가 낮아 고체상으로 전도가 잘 되지 않아 현재까지 개발된 소재 중에서 열전도율이 가장 낮은 물질로 알려져 있다.
- 투습성은 부직포를 패딩한 소재가 에어로젤 섬유 복합체를 패딩한 소재보다 실링포에 관계없이 모두 높은 것으로 나타났으며 그 중에서도 1층 구조의 고밀도 직물로 실링한 시료(SP3-1)가 현저하게 높은 것으로 나타났다.
- 실링 포 자체의 열전도율은 S2>S1>S3 순으로 나타났다. 패딩한 시료에서는 3종 모두 에어로젤 패딩소재(0.00069- 0.00071W/cm℃)가 일반 부직포 패딩소재 (0.0008Z0.00108 W/cm℃)보다 낮은 것으로 나타나 에어로젤 섬유 복합체 소재가 열전도가 어렵다는 것을 나타내고 있다. (Fig.
후속연구
- 확인되었다. 또한 신발에 필요한 성질인 압축회복률도 에어로젤소재가 우수한 것으로 나타나 보온성을 유지하기에 유리할 것으로 기대된다. 그러므로 에어로젤 함유 섬유복합체는 보온을 요구하는 방한용 신발의 안창소재로서 사용가능성이 높다고 할 수 있다.
- 넷째, 에어로젤은 초경량 소재로 신발, 의류 등에도 이용가치가 높을 것으로 예상된다(요업기술연구원, 2007). 에어로젤은 위와 같은 특성을 가지고 있어 우리생활의 많은 곳에 적용될 것으로 전망되는데, 이 물질의 단열성을 이용하여 고온 또는 저온 환경에서의 작업자들을 위하여 의류나 신발에 적용하면 기존의 단열소재보다 성능이 우수하여 쾌적한 상태에서 장시간 작업이 가능할 것으로 기대된다.
- 이 문제는 신발의 안창(insole) 소재를 적합한 신소재로 교체함으로써 어느 정도 개선시킬 수 있을 것이다. 즉 에어로젤(aerogel)이라는 열전도성이 낮으며 , 경 량인 신소재 (Schmidt & Schwertfeger, 1998)를 신발에 도입하여 보온성을 증진시킴으로써 1차적으로 발의 쾌적감을 높일 수 있는 안창 개발이 가능해질 것이다.
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