본 논문에서는 도심 열섬현상 방지 및 에너지 효율을 높이기 위하여 적외선 반사율이 30%이상인 건물 내 외장재용 흑색 차열안료 및 도료에 대한 연구를 하였다. 안료는 $Fe_2O_3$과 $Cr_2O_3$의 혼합원료를 $900{\sim}1,200^{\circ}C$에서 소성하여 합성하였으며, 도료는 합성한 안료에 아크릴수지와 기타첨가제를 사용하여 제조하였다. 연구결과, Cr과 Fe을 1:0.9 몰비로 혼합하여 $1,000^{\circ}C$에서 소성한 안료의 발색도가 가장 우수하였고, 차열안료 20%에 분산제 1.5%를 첨가하여 제조한 차열도료로 $125{\mu}m$ 두께의 도막을 형성시켰을 때 적외선 반사가 가장 우수하였다. 차열도료와 일반도료의 표면온도 차이는 $36.5^{\circ}C$로 나타났으며 700~2,500nm 파장대의 적외선 반사율(TSR)은 39.3%로 측정되었다. 또한, 500시간의 내후성 평가에서 색상변화는 거의 나타나지 않았다.
본 논문에서는 도심 열섬현상 방지 및 에너지 효율을 높이기 위하여 적외선 반사율이 30%이상인 건물 내 외장재용 흑색 차열안료 및 도료에 대한 연구를 하였다. 안료는 $Fe_2O_3$과 $Cr_2O_3$의 혼합원료를 $900{\sim}1,200^{\circ}C$에서 소성하여 합성하였으며, 도료는 합성한 안료에 아크릴수지와 기타첨가제를 사용하여 제조하였다. 연구결과, Cr과 Fe을 1:0.9 몰비로 혼합하여 $1,000^{\circ}C$에서 소성한 안료의 발색도가 가장 우수하였고, 차열안료 20%에 분산제 1.5%를 첨가하여 제조한 차열도료로 $125{\mu}m$ 두께의 도막을 형성시켰을 때 적외선 반사가 가장 우수하였다. 차열도료와 일반도료의 표면온도 차이는 $36.5^{\circ}C$로 나타났으며 700~2,500nm 파장대의 적외선 반사율(TSR)은 39.3%로 측정되었다. 또한, 500시간의 내후성 평가에서 색상변화는 거의 나타나지 않았다.
Infrared(IR) reflective black cool pigment and paint which is used for interior/exterior materials(IR reflectance >30%) to prevent heat island effect and to increase energy efficiency were studied. Cool pigment was synthesized using mixture of $Fe_2O_3$ and $Cr_2O_3$ with calci...
Infrared(IR) reflective black cool pigment and paint which is used for interior/exterior materials(IR reflectance >30%) to prevent heat island effect and to increase energy efficiency were studied. Cool pigment was synthesized using mixture of $Fe_2O_3$ and $Cr_2O_3$ with calcination from 900 to $1,200^{\circ}C$. Cool paint was prepared by formulation of cool pigment, acrylic resins, and other additives. Results showed that optimum color fixation of pigment obtained by mole ratio of Fe to Cr was 0.9 with calcination temperature at $1,000^{\circ}C$. The cool paint formulated by 20% pigment and 1.5% dispersive additive with $125{\mu}m$ thickness of coated layer showed optimum IR reflectance. Temperature difference on surface between cool paint and ordinary paint(STD) was $36.5^{\circ}C$ and IR reflectance(TSR) was 39.3% at wavelength from 700 to 2,500nm. And color change was not detected during 500hrs weathering test.
Infrared(IR) reflective black cool pigment and paint which is used for interior/exterior materials(IR reflectance >30%) to prevent heat island effect and to increase energy efficiency were studied. Cool pigment was synthesized using mixture of $Fe_2O_3$ and $Cr_2O_3$ with calcination from 900 to $1,200^{\circ}C$. Cool paint was prepared by formulation of cool pigment, acrylic resins, and other additives. Results showed that optimum color fixation of pigment obtained by mole ratio of Fe to Cr was 0.9 with calcination temperature at $1,000^{\circ}C$. The cool paint formulated by 20% pigment and 1.5% dispersive additive with $125{\mu}m$ thickness of coated layer showed optimum IR reflectance. Temperature difference on surface between cool paint and ordinary paint(STD) was $36.5^{\circ}C$ and IR reflectance(TSR) was 39.3% at wavelength from 700 to 2,500nm. And color change was not detected during 500hrs weathering test.
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문제 정의
본 연구는 토목, 건설용 도료, 플라스틱, 고무, 잉크, 피혁, 콘크리트, 아스팔트 등의 광범위한 산업분야에 적용하기 위하여 도심 열섬현상 방지 및 에너지 효율을 높이는데 목적을 두고 적외선 반사율이 30% 이상인 세라믹 안료 및 도료를 개발하였다.
제안 방법
2개의 250W 적외선 램프(필립스), 단열재(스티로폼), 온도측정기(HANSUNG, HS55CT)를 사용하여 표면온도 측정시스템을 구성하였다.
고속 분산 후, 숙성(안정화) 과정을 거쳐 최종적으로 제조한 흑색도료를 PE 필름에 도막을 형성시켜 오븐에서 80℃, 10분간 건조시킨 후 도료의 표면온도, 적외선 반사율(%), 내후성(Q.U.V) 을 평가하였다.
내후성 평가결과는 표 5와 같이 나타났으며, 적외선 차열도료의 옥외폭로시 도료의 고유색상 상태를 판단하기 위하여 도막이 형성된 철판을 Q.U.V(Q-Panel) 시스템에서 최대 1,000hr 동안 UV-B Light(50℃)에 4hr 노출시킨 후 2hr 동안 수분(습기) 분사(40℃)를 반복적으로 진행하면서 촉진내후성을 평가하였다. 내후성 평가시 1시간을 1일로 보았으며, 제조한 도료의 내후성 평가 후 도막 표면 변화를 육안으로 관찰하고, 내후성 평가 전, 후(STD, 500hr, 1,000hr)의 색차값을 수치화하여 비교 · 분석을 하였다.
내후성 평가시 1시간을 1일로 보았으며, 제조한 도료의 내후성 평가 후 도막 표면 변화를 육안으로 관찰하고, 내후성 평가 전, 후(STD, 500hr, 1,000hr)의 색차값을 수치화하여 비교 · 분석을 하였다.
따라서 일반도료와 유사한 색상을 발현시키며, 도료로 사용할 수 있는 상태의 안료(전량대비 20%)를 선정하여 분산제와 도막두께에 따른 차이를 고찰하였다.(표 4)
혼합된 원료를 고온(900∼1,200℃)으로 소결하여 결정화하고 Jar Mill을 사용하여 1∼2㎛ 크기로 습식분쇄한 후, 100℃에서 12시간동안 건조하였다. 또한 건조한 원료를 믹서기로 미분쇄 하여 세라믹 안료를 제조하였다.
온도는 90분 동안 5분 간격으로 측정하였고, 적외선 램프와 도료시편과의 거리는 20㎝를 유지하였다. 또한 램프에서 나오는 적외선으로부터 도료시편을 제외한 부분에 영향을 미치지 않도록 단열 처리를 하였다.
본 실험에서는 Cr과 Fe의 1:1 몰비를 기준으로 하되 Fe을 0.7∼1.2범위에서 0.1mol씩 변화를 주면서 발색 정도를 확인하였다.
적외선 반사 특성을 갖는 세라믹 안료를 합성하기 위하여 Fe2O3, Cr2O3의 원료를 900∼1,200℃에서 소성하여 결정상과 적외선 반사율을 분석하였으며, 적외선 반사안료와 아크릴수지를 사용하여 차열도료를 제조하고 첨가제와 도막두께에 따라 PE 필름 위에 형성된 도막상태의 표면온도, 적외선 반사율(%), 내후성(Q.U.V), 색차를 평가하여 다음과 같은 결론을 유추해 낼 수 있었다.
적외선 반사기능이 있는 도료와 일반도료의 성능차이를 확인하기 위해 안료 함량(10%, 20%, 30%, 40%), 첨가제 영향(1%, 1.5%, 2%, 2.5%) 에 따라 차열도료를 제조하고, 제조한 도료를 도막두께(75㎛, 100㎛, 125㎛, 150㎛)에 따라 준비하여 (주)한일에서 생산하는 일반도료와 도료의 색상 및 차열성능을 비교․분석함으로써 최적의 제조조건을 선정하였다.
제조된 안료의 적외선 반사율을 측정하기 위하여 아크릴수지에 안료를 분산하여 투명 PE필름에 코팅시편을 제작하였다. 적외선 반사율 측정은 Perkin Elmer사의 Lambda 950 UV/VIS/NIR Spectrophotometer로 하였다.
제조된 안료의 적외선 반사율을 측정하기 위하여 아크릴수지에 안료를 분산하여 투명 PE필름에 코팅시편을 제작하였다. 적외선 반사율 측정은 Perkin Elmer사의 Lambda 950 UV/VIS/NIR Spectrophotometer로 하였다.
차열도료의 도막 물성과 표면온도 결과로부터 선정된 흑색의 적외선 반사율을 측정해본 결과, 그림 5와 같이약 700～1,200㎚ 혹은 700～2,500㎚ 파장대에서 대체로 높은 반사율이 측정되었으며 최종적으로 Shepherd사(미국)의 흑색도료와 적외선 차열성능을 비교하였다.
대상 데이터
도료 제조에 사용한 시약 및 재료는 적외선 반사안료((주)한일), 아크릴수지(노루페인트), xylene(덕산이화학), 침강방지제 bentone27(elementis specialties, 미국), 습윤 분산제 Disperbyk-191(BYK-Chemie, 미국)를 사용하였으며, 원료혼합을 거친 후 안료의 고른 분산을 하기위하여 2㎜ 크기의 ZrO2 비드가 있는 Ring Mill(암스텍산업)을 사용하여 약 3,000rpm으로 10분간 분쇄 및 분산을 하였다.
안료 제조 시 Fe2O3(중국 99.5%), Cr2O3(중국 99.5%)를 몰%에 따라 배합비를 달리하고 믹서기로(필립스 HR 2860, 네덜란드) 1분간 건식 혼합하였다. 혼합된 원료를 고온(900∼1,200℃)으로 소결하여 결정화하고 Jar Mill을 사용하여 1∼2㎛ 크기로 습식분쇄한 후, 100℃에서 12시간동안 건조하였다.
이론/모형
촉진내후성은 ASTM G-53에 따라 accelarated weathering tester(Q-Panel Co.)를 사용하였으며 광원은 UV-B313 램프(280～315㎚, 일본, Sankyo Denki)를 사용하여 시간대에 따른 색상차를 평가하였다.
성능/효과
1. Cr과 Fe의 몰비에 따른 안료의 발색을 측정한 결과 Cr과 Fe가 약 1:0.9 일 때 가장 우수하였다.
2. 1,000℃에서 안료를 소성하였을 때, X선 회절분석에서 결정피크 값이 양호하고, Strength 값이 가장 높으며, ∆L값이 -값(색감이 짙음)으로 측정되었다. 또한 적외선 반사율(TSR)은 35.
3. 도료의 표면온도 평가에서는 흑색안료 20%, 분산제 1.5%, 125㎛으로 도막을 형성시켰을 때(B-7) 가장 우수하였으며, 대체적으로 도막두께가 두껍고, 기능성 물질의 함량이 높으며, 도막이 고르게 형성될 경우 효율이 우수하였다.
4. 도료의 적외선 반사율이 700～1,200㎚에서는 20.8%, 700～2,500㎚에서는 39.3%로 나타나 대부분 적외선 파장영역에서 양호하였다.
5. 내후성 평가시간에 따른 색차는 STD(철판표면에 형성된 도막의 초기 Color값) 대비 500hr 까지 자외선에 노출이 되어도 Color의 고유값 및 도막상태에 변화가 거의 나타나지 않았으나, 1,000hr 지난 후 색차값이 크게 나타났다.
S사 흑색안료의 EDS 분석결과에서 Cr과 Fe가 약 1:1의 몰비로 이루어져 있음을 확인할 수 있었으며, squioxide인 CrFe2O3의 화학양론적 조성과도 일치하는 결과이다.
X선 회절분석 결과, 결정피크(peak)가 모두 유사한 것을 확인할 수 있었으나 색상은 표 2와 같이 온도가 상승할수록 L값이 높아지며 a값과 b값이 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 900℃에서 STD와 L, a, b값이 가장 유사하였으나 Strength가 낮았으며, 1,100℃와 1,200℃의 경우 a값이 낮게 측정되었다.
이상의 결과에서 흑색도료(B-7)는 안료 20%, 분산제 1.5%로 제조하여, 125㎛으로 도막을 형성시켰을 때 가장 우수한 결과를 보였으며, 대체적으로 반사안료의 함량이 높으며, 도막이 고르게 형성될 경우 효율이 우수하였다.
흑색도료는 700～1,200㎚ 구간에서 20.8%, 700～2,500㎚ 구간에서는 39.3%로 비교적 높게 측정되었으며, Shepherd사의 적외선 반사 그래프와 비교해 볼 때, 유사한 곡선을 나타내고 있으며 1,000㎚ 이상의 구간에서는 제조한 도료의 적외선 반사율이 더 우수하게 나타남을 알 수 있다.
흑색도료의 내후성 평가 후 육안으로 표준시료(STD) 와 비교하였을 때, 500hr 경과 후, 표준시료(STD)와 표면 상태나 색차에서 거의 변화가 없었으며, 1,000hr이 경과하면 색상이 옅어지는 것을 확인할 수 있었고, 미세한 균열이 발생하였다.
후속연구
도료의 색차(ΔE)는 500hr에서 0.088, 1,000hr에서 1.417로 표준시료와 비교적 색차값의 차이가 있어 향후 1.0 이하의 색차값을 갖는 성능개선 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열섬현상의 주요 원인 중 하나는?
열섬현상에 의한 도시기온의 급격한 상승은 생태계나 인간 환경에 다양한 형태로 악영향을 주며 대기오염을 가중시키는 2차적인 악순환을 일으킨다. 이러한 열섬현상을 방지하기 위해서 정확한 원인파악이 필요하며, 주요 원인 중에 하나인 적외선(IR)을 차단하는 기술개발이 필요하다.
적외선 반사 특성을 갖는 세라믹 안료를 합성하기 위하여 결정상과 적외선 반사율, 도막상태의 표면온도, 적외선 반사율, 내후성 색차를 평가한 결과는?
1. Cr과 Fe의 몰비에 따른 안료의 발색을 측정한 결과 Cr과 Fe가 약 1:0.9 일 때 가장 우수하였다.
2. 1,000℃에서 안료를 소성하였을 때, X선 회절분석에서 결정피크 값이 양호하고, Strength 값이 가장 높으며, ∆L값이 -값(색감이 짙음)으로 측정되었다. 또한 적외선 반사율(TSR)은 35.08%로 나타났다.
3. 도료의 표면온도 평가에서는 흑색안료 20%, 분산제 1.5%, 125㎛으로 도막을 형성시켰을 때(B-7) 가장 우수하였으며, 대체적으로 도막두께가 두껍고, 기능성 물질의 함량이 높으며, 도막이 고르게 형성될 경우 효율이 우수하였다.
4. 도료의 적외선 반사율이 700～1,200㎚에서는 20.8%, 700～2,500㎚에서는 39.3%로 나타나 대부분 적외선 파장영역에서 양호하였다.
5. 내후성 평가시간에 따른 색차는 STD(철판표면에 형성된 도막의 초기 Color값) 대비 500hr 까지 자외선에 노출이 되어도 Color의 고유값 및 도막상태에 변화가 거의 나타나지 않았으나, 1,000hr 지난 후 색차값이 크게 나타났다.
적외선(IR) 차단기술은 어떻게 우리에게 쾌적한 생활환경을 제공해주는가?
따라서 국내에서도 생활수준의 향상으로 상품감성의 다양화 및 기능성에 대한 요구가 높아져 가고 있기 때문에 높은 안락감 및 안전성을 부여해줄 수 있는 고기능성 적외선 반사안료의 제조 및 이를 이용한 건축내장재용 도료 제조 기술이 반드시 필요한 상황이다. 이러한 적외선(IR) 차단기술은 도시의 열대야 현상, 축사지붕의 복사열에 의한 가축의 떼죽음, 건물 외벽의 급격한 온도상승 등을 방지함으로써 쾌적한 생활환경을 제공할 수 있는 첨단기술이다.
참고문헌 (7)
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Kwang-Ho Lee, Buung-Ha Lee, "Preparation and Characterization of Black Zirconia Ceramics by Black Color Spinel Pigment", Journal of Korean Ceramic Society, Vol.45, No.4, PP. 214- 219, 2008.
Bretz, S. and H. Akbari., "Long-term Performance of High-Albedo Roof Coatings for Energy Efficient Buildings," Energy and Buildings-Special Issue on Urban Heat Islands and Cool Communities, Vol. 25, No. 2, pp. 159-167, 1997.
Ashwini K. Bendiganavale and Vinod C. Malshe. "Infrared Reflective Inorganic Pigments" Recent Patents on Chemical Engineering, 2008, 1, 67-79
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Kai L. Uemoto, Neide M. M. Sato, Vanderley M. John, "Estimating Thermal Performance of Cool Colored Paints", Energy and Buildings, Vol. 42, pp. 17-22, 2010.
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