[논문]가열패널과 열풍을 이용한 자동차용 도료의 건조특성에 관한 실험적 연구

김성일; 박기호

가열패널과 열풍을 이용한 자동차용 도료의 건조특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Drying Characteristics of Automotive Paint Using Heating Panels and Hot Air 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.22 no.12, 2010년, pp.828 - 836

김성일 (한국에너지기술연구원 효율.소재융합연구본부) , 박기호 (한국에너지기술연구원 효율.소재융합연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The drying is a process that involves coupled and simultaneous heat and mass transfer. When a wet solid is subjected to thermal drying, two processes occur simultaneously. Drying is classified according to heat transfer characteristics in terms of conduction, convection and radiation. In thermal drying, radiation is easier to control than conduction and convection drying and involves a relatively simple structure. In this study, we measured energy consumption, surface hardness of paint and surface gloss with variation of surface temperature of drying materials and drying time. Drying characteristics and energy consumption between heating panels and hot air heating have been presented. The present study shows that a dryer using heating panels is more effective than a hot air dryer from the viewpoint of energy conservation. The hot air dryer, however, was not optimized and more studies on various parameters related to drying will need to be investigated for definite comparison of drying characteristics of the dryers. The result, even if limited, would present the effective availability of paint drying.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가열패널은 소규모 건조에 유리한 이점뿐만 아니라 구조가 단순하고 설치가 용이하므로 현재 운영되고 있는 열풍을 이용하는 중·소규모형 비연속식자동차 도장 보수용 건조장치의 구조를 변경하지 않고 열원을 열풍에서 가열패널로 변경하여 쉽게 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구의 목적은 동일한 기초실험장치 내에서 가열패널을 이용한 건조장치와 열풍을 이용한 건조장치의 건조특성과 에너지소비량을 비교하는 것이며 건조특성을 비교하기 위한 측정값으로 도료의 표면경도와 표면광택도를 선택하였으며 건조시간과 피건조물의 표면온도를 변수로 선정하였다.

가설 설정

10은 가열패널과 열풍 건조장치의 온도와 건조시간에 따른 에너지소비량과 표면경도를 각각 나타낸 것이다. 기존의 열풍 건조장치에서 적용하고 있는 온도 및 건조시간을 고려하여 본 실험에서 허용 표면경도를 10 HV 이상이라고 가정하면 가열패널을 이용한 건조장치의 경우 최소 에너지소비량은 80℃, 20분에서 약 0.1 kW이며 열풍 건조장치의 에너지소비량은 80℃, 20분에서 약 0.5 kW이다. 이 때, 표면광택도는 두 장치 모두 약 90을 나타낸다.

제안 방법

Table 1에 실험장치의 자세한 내용을 나타내었다. 건조 후, 가열패널에 의한 건조와 열풍 건조의 에너지소비량과 건조된 도료의 표면경도 및 표면광택도가 측정되었다. 소비전력은 3상식 소비전력측정장치인 Multiver3H가 사용되었고 표면광택도는 Tasco사의 Gloss checker인 TMS-723가 이용되었다.
고정된 에너지소비량에서 유입공기의 온도와 유량은 투입공기의 유속의 변화에 따라 서로 반비례관계에 있으므로 적절한 유속을 결정할 필요가 있다. 본 실험에서는 하단부 중앙에 위치한 시편까지 열풍이 도달할 수 있고 건조에 유리한 높은 온도를 확보할 수 있는 유입속도를 선행실험을 통하여 결정하였다. 1.
본 실험은 기존에 도장 보수용으로 많이 사용되어오고 있는 열풍을 이용한 자동차용 도료 건조특성과 에너지소비량을 가열패널 건조장치와 비교하였다. 열풍 건조장치의 경우 실험조건 전체에 대한평균 소비전력, 평균 표면강도, 평균 표면광택도가 전반적으로 가열패널을 이용한 건조장치보다 높게 나타났으며 열풍을 이용한 건조장치의 경우 유입된 상온보다 높은 고온의 공기가 출구를 통해 건조가 이루어지는 동안 지속적으로 배출되므로 효율적인 측면에서 불리한 반면, 시편 주위의 증발에 의해 높아진 수분농도를 낮출 수 있으므로 표면경도는 가열패널을 이용한 장치보다 유리하다고 생각된다.
일반적으로 보수를 목적으로 사용되는 도료건조장치 경우열풍을 사용하며 온도 및 건조시간 조건은 각각 60℃와 30분이다. 본 실험은 이를 고려하여 챔버 내의 건조온도를 40℃에서 80℃까지 변화시켰으며 건조시간은 최소 10분에서 최대 50분까지 10분 간격으로 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 전력소비량이 고정된 열풍 건조장치에서 유입속도가 증가할수록 유입공기의 양은 많아지나 온도는 낮아진다.
특히, 이 중에서 온도조건에 영향을 받는 것은 핀홀과 오렌지필이며 핀홀의 유무는 육안을 통해서 구별가능하고 오렌지필의 정도는 광택도를 측정함으로써 수치화된 값으로 계측가능하다. 본 연구에서는 얇은 도료 박막이 시편의 표면에 도포되어 건조되어지는 도료건조의 특성상 일반적으로 건조특성을 나타내기 위하여 사용되어지는 건조곡선(Drying curves)은 표면경도로 도막품질은 표면광택도로 대체하였다.⁽¹⁴⁾
전력소비량이 고정된 열풍 건조장치에서 유입속도가 증가할수록 유입공기의 양은 많아지나 온도는 낮아진다. 본 연구에서는 적정한 열풍 유입속도를 결정하기 위하여 고정된 전기소비량에서 유입속도를 0.5 m/s에서 2.0 m/s까지 변화시켜가며 실험을 수행한 기존의 연구⁽¹³⁾를 참고하였다. 참고문헌에서는 열풍 유입속도가 너무 낮을 경우 챔버 입구측 온도는 높지만 챔버의 하부에 위치한 피건조물까지 도달하는 유량이 적어 충분한 열량 공급이 어렵다는 실험결과를 보여주었으며 Fig.
2(a)에 나타내었으며 본 실험에서 건조되어지는 시료의 양을 감안하여 공기 중으로 증발하는 도료에 포함된 휘발성 물질을 챔버 밖으로 배출시키기 위한 별도의 환기장치는 설치되지 않았다. 실험변수는 온도와 건조시간이며 측정온도는 시편과 근접한 상단에서 측정되었다. 설정온도를 맞추기 위해 가열패널 및 열풍발생장치에 인가된 전원은 on-off 방식으로 조절되어진다.
위에서 언급한 가열패널과 열풍을 이용한 자동차용 도료의 건조실험결과를 바탕으로 에너지소비량, 표면경도, 표면광택도를 비교할 수 있다. Fig.
1과 같은 장치내에서 실험이 수행되었다. 피건조물에서부터 수직상단으로 1 cm 떨어진 지점에서 측정된 온도의 평균값과 건조시간을 실험조건으로 선택하였으며 두 조건을 변화시켜가며 에너지소비량, 표면경도, 표면광택도가 측정되었다. 건조실험은 챔버 내의 온도가 정상상태에 도달하였을 경우, 도료가 도포된 시편을 챔버의 하단 중앙에 위치시키고 수행되었다.

대상 데이터

신차에서의 도장은 하도, 중도, 상도의 3층 구조로 이루어져 있으며 차종에 따라서 중도를 생략하는 경우도 있다. 본 실험은 가장 외관에 도포되어지는 상도의 도장만으로 한정하기로 한다. 상도에 사용되어지는 도료는 여러 가지 종류가 있으나 주요성분은 수지, 안료, 용제의 3가지로 나눌 수 있다.
아크릴 수지 또는 폴리에스테르 수지를 주성분으로하는 보수용으로 사용되는 우레탄 도료는 반응형이라 할 수 있다. 본 실험은 보수용으로 사용되는 우레탄 도료를 건조시료로 선택하였다.
본 연구를 위한 실험은 Fig. 1과 같은 한변의 길이가 600 mm인 정육면체 챔버에서 가열패널과 열풍을 이용하여 각각 수행되었다. 건조챔버의 유입구는 상단에 있으며 배기구는 측면에 위치한다.

이론/모형

건조 후, 가열패널에 의한 건조와 열풍 건조의 에너지소비량과 건조된 도료의 표면경도 및 표면광택도가 측정되었다. 소비전력은 3상식 소비전력측정장치인 Multiver3H가 사용되었고 표면광택도는 Tasco사의 Gloss checker인 TMS-723가 이용되었다. 또한, 도료의 코팅두께를 측정하기 위해 Automation Dr.

성능/효과

0 m/s의 평균온도보다 건조시간 약 50분까지의 기록에서 낮게 측정된 것이다. 동일한 에너지소비량을 갖는 조건에서 입구속도 0.5 m/s의 온도는 입구속도 1.0 m/s의 온도를 건조시간 약 55분 전후에서 역전하지만, 일반적인 보수를 목적으로 사용되는 열풍도료 건조장치의 건조시간은 30분이며 본 연구에서 수행한 최대 건조시간인 50분을 고려하더라도 역전점은 이보다 긴 시간이다. 유입구 속도가1.
열풍을 이용한 건조장치의 경우 유입된 상온보다 높은 고온의 공기가 출구를 통해 건조가 이루어지는 동안 지속적으로 배출되므로 효율적인 측면에서 불리한 반면, 시편주위의 증발에 의해 높아진 수분농도를 낮출 수 있으므로 표면경도는 가열패널을 이용한 장치보다 높게 측정되는 것을 볼 수 있다. 두 실험장치에서 평균 표면광택도는 유사한 크기를 가지나 온도 및 건조시간의 설정조건에 따른 패턴은 상이함을 보이고 있다.
10에서 가열패널과 열풍을 이용한 실험에서 사용된 에너지소비량을 시간에 따른 그래프로 표현하였다. 먼저, 열풍의 경우 실험조건 전체에 대한 평균 소비전력, 평균 표면강도, 평균 표면광택도는 각각 0.53 kW, 7.86 HV, 84.4이고 가열패널을 이용한 건조실험의 경우 각각 0.07 kW, 4.19 HV, 82.44이다. 평균소비전력에 있어서 열풍 건조장치가 가열패널 건조장치보다 약 7.
수회 반복된 실험에서 표면광택도가 ±10의 오차범위를 갖지만, 일정한 설정 변수값 이상에서 측정값은 수렴하는 것을 볼 수 있으며 본 실험에서는 약 50℃, 30분이상의 조건을 만족할 때, 표면광택도의 크기변화는 작은 것으로 나타났다.
본 실험은 기존에 도장 보수용으로 많이 사용되어오고 있는 열풍을 이용한 자동차용 도료 건조특성과 에너지소비량을 가열패널 건조장치와 비교하였다. 열풍 건조장치의 경우 실험조건 전체에 대한평균 소비전력, 평균 표면강도, 평균 표면광택도가 전반적으로 가열패널을 이용한 건조장치보다 높게 나타났으며 열풍을 이용한 건조장치의 경우 유입된 상온보다 높은 고온의 공기가 출구를 통해 건조가 이루어지는 동안 지속적으로 배출되므로 효율적인 측면에서 불리한 반면, 시편 주위의 증발에 의해 높아진 수분농도를 낮출 수 있으므로 표면경도는 가열패널을 이용한 장치보다 유리하다고 생각된다. 두 실험장치에서 평균 표면광택도는 유사한 크기를 가지나 온도 및 건조시간의 설정조건에 따른 패턴은 상이함을 보이고 있다.
10에서 일정한 표면경도를 가지면서 최소의 에너지소비량을 갖는 곡선을 추적하면 된다. 챔버가 상온에서 정상상태의 온도까지 도달하는데 소요되는 에너지를 포함하여 다시 계산하면 가열패널과 열풍 건조장치의 에너지소비량은 각각 약 0.486 kW, 1.485 kW가 되며 열풍의 에너지소비량이 가열패널을 이용한 경우보다 약 3배정도 큰 것을 볼 수 있다. 하지만 도료 내에 포함된 휘발성 액체의 양이 많은 실험에서 분압구배에 의한 기체 확산이 현재보다 상대적으로 중요해져 가열패널을 이용한 건조장치의 건조속도는 본 실험에 비해 느려질 것이다.

후속연구

본 연구는 현재 운영되는 보수용 도장 건조장치의 구조를 변경하지 않고 열원만을 열풍에서 가열패널로 변경하였을 경우를 가정하고 수행한 기초 실험이며 열풍 건조장치의 최적화는 연구범위에 포함되지 않았으므로 정량적인 판단기준을 수립하기 위해 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 또한, 온도조건에 영향을 받는 오렌지 필과 핀홀과 같은 도막결함은 두 실험 모두 발견되지 않으나 도막품질에 관한 비교는 도료건조의 이용적합성을 판단하기 위해 필요할 것이라 생각된다.
486 kW를 소비하였다. 본 연구는 현재 운영되는 보수용 도장 건조장치의 구조를 변경하지 않고 열원만을 열풍에서 가열패널로 변경하였을 경우를 가정하고 수행한 기초 실험이며 열풍 건조장치의 최적화는 연구범위에 포함되지 않았으므로 정량적인 판단기준을 수립하기 위해 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 또한, 온도조건에 영향을 받는 오렌지 필과 핀홀과 같은 도막결함은 두 실험 모두 발견되지 않으나 도막품질에 관한 비교는 도료건조의 이용적합성을 판단하기 위해 필요할 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건조는 어떤 과정인가?	건조는 건조대상물에 다양한 열적, 화학적, 물리적 방법을 이용하여 수분 또는 유기용제를 제거하는 과정이며 화학공업, 농산물, 생물공학, 음식물, 폴리머, 세라믹, 약품, 제지, 광물 등의 최종제품, 중간가공, 후처리 등의 전 산업분야에서 사용되는 공통 기술이라 할 수 있다. 또한, 국내 산업분야의 전체 에너지소비량 중에서 건조는 단일부문으로 7%를 차지하는 에너지 다소비 공정이다.
	복사건조가 유리한 환경은?	이 중에서 대류 열전달을 이용하는 열풍 건조는 전통적으로 많이 이용되고 있는 방식으로 국내건조장치의 약 70%를 차지하고 있다. 열전달방식 중에서 복사에 의한 방식은 장치의 구조적 단순함과 건조대상물의 본래의 향과 색을 보존해야하는 특수한 경우 다른 방식에 비해 유리하며 최근 이에 관한 연구가 이루어지고 있다. (2-5) 하지만, 건조에 대한 이해가 오랜 기간을 갖고 접근방법이 확립(6-11) 되었음에도 불구하고, 건조대상물의 다양성과 열 및 물질전달이 동시에 수반되는 특성상 고려해야할 변수가 많고 설계 및 수치적 해석이 용이하지 않는 어려움을 가지고 있다.
	열적 건조에서 다루는 주요한 4가지 전달메커니즘은 무엇인가?	열적 건조에 있어서 고체에 포함되어 있는 수분이동의 근본적 메커니즘은 기존의 연구자들에 의해많은 연구가 되어오고 있으며 모세관력에 의한 액체의 이동, 농도구배에 의한 액체의 확산, 분압구배에 의한 기체 확산, 건조대상물 표면에서 흡착되어진 액체층에서의 확산은 열적 건조에서 다루는 주요한 4가지 전달메커니즘이다. 일반적으로 모세관현상은 굵은 입자형태의 물질 건조에 응용되며 액체 확산은 콜로이드나 겔과 같은 구조의 단상 고체에 지배적으로 작용한다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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