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문제 정의
- 이 연구는 폐지가 적용된 셀룰로오즈 흡음재를 다양한 배합비와 공정을 통하여 개발하고 개발된 흡음재의 음향적인 특성을 분석하여 향후 다양한 친환경 재료 개발의 기초적인 자료로 제공하고자 한다.
- 이러한 환경적인 측면을 바탕으로 친환경 건축재료 재료개발을 위하여 버려지는 폐지(셀룰로오즈)를 활용하고자 한다. 건축물의 음향적인 조건 개선에 사용될 수 있는 셀룰로오즈 흡음재를 연구를 통하여 개발하고 있다.
제안 방법
- 다양한 구성조건을 가진 셀룰로오즈 흡음재의 흡음률 측정은 임피던스 튜브를 활용하여 수직입사음에 대한 흡음률 측정을 진행하였다. 그 결과로 기존 연구(3)를 통해 랜덤입사의 흡음률을 예측하였다.
- 다양한 구성조건을 가진 셀룰로오즈 흡음재의 흡음률 측정은 임피던스 튜브를 활용하여 수직입사음에 대한 흡음률 측정을 진행하였다. 그 결과로 기존 연구(3)를 통해 랜덤입사의 흡음률을 예측하였다.
- 사용된 경량벽체는 스터드 폭 75 mm에 양방향으로 각각 15 mm 석고보드 2장이 붙여지는 구조이다. 동일한 경량벽체의 조건에서 내부에 글라스울을 삽입하고 측정을 진행하였다.
- 셀룰로오즈 흡음재의 측정시료 조건은 첫 번째 Table 1과 같이 흡음재의 두께, 밀도 등에 대해 검토하였다. 또한, Fig. 3과 같이 압출되어 나올 때 시료의 표면이 매끈한 경우와 그 면을 수평으로 절삭 하여 오픈셀을 유도한 부분으로 구분하여 측정을 진행 하였으며, 그 결과를 토대로 Table 2와 같이 셀룰로오즈 흡음재의 두께 증가와 면의 형태를 변화시켜 글라스울과 폴리에스터의 흡음률 비교를 진행하였다.
- 36 %으로 증가시켜 흡음률 측정을 진행하였다. 또한, 글라스울과 폴리에스터의 흡음률 측정도 타공을 제외하고 동일한 조건에서 측정하여 흡음성능의 차이를 살펴보았다. 측정조건은 Table 4와 같다.
- 측정 방법은 KS F 2868(8)에 준하여 하였으며, 시료는 밀도 55 kg/m3 , 두께는 30 mm의 시료를 사용하였다. 또한, 비교대상인 EPS, EVA는 1종씩 선정하여 동탄성계수를 비교 분석하였다.
- 상기식에 준하여 시료의 표면에 Ø2, 깊이 25 mm를 가진 타공을 타공률 0.34 %, 0.68 %, 1.36 %으로 증가시켜 흡음률 측정을 진행하였다.
- 셀룰로오즈 흡음재의 바닥충격음 완충재의 활용성 부분을 확인하기 위하여 동탄성계수 측정을 진행하였다. 측정 방법은 KS F 2868(8)에 준하여 하였으며, 시료는 밀도 55 kg/m3 , 두께는 30 mm의 시료를 사용하였다.
- 셀룰로오즈 흡음재의 측정시료 조건은 첫 번째 Table 1과 같이 흡음재의 두께, 밀도 등에 대해 검토하였다. 또한, Fig.
- 셀룰로오즈 흡음재의 흡음률, 음향투과손실 및 동탄성계수를 포함한 음향적 특성을 평가하였다.
- 셀룰로오즈의 제조상 종이와 전분을 사용하기 때문에 인체에 유해한 황색포도 상구균과 폐렴균의 서식을 방지하기 위하여 흡음재에 항균처리 후 흡음률 측정을 진행하였다. 측정조건은 Table 3과 같다.
- 실제로 글라스울이 적용된 벽체와 셀룰로오즈 흡음재가 적용된 벽체의 차음성능을 상호 비교하였다. 결과는 Fig.
- 완충재료로서의 활용성을 확인하기 위하여 셀룰로오즈 시료의 동탄성계수를 측정하였다. 측정결과 4.
- 2와 같이 복합 다공성 셀 형태로 일반적으로 경량벽체에 사용되는 글라스울의 섬유상 단면형태와 상반되는 모양을 띄고 있다. 이러한 셀룰로오즈 흡음재의 음향적 특성을 평가하기 위하여 우선적으로 소량의 제품만 소요되고, 수직입사음(1,2)에 대한 흡음률을 측정할 수 있는 임피던스 튜브를 활용하여 흡음률 측정을 진행하였으며, 임피던스 튜브 측정결과를 토대로 시료를 잔향실법 측정에 필요한 수량만큼 생산하여 잔향실법으로 흡음률 측정 및 평가를 진행하였다.
- 일반적인 경량벽체용 내부 흡음재로 사용중인 글라스울을 대신하여 대체 사용의 검증을 위해 음향투과손실량 측정을 셀룰로오즈 흡음재를 삽입하고 측정하였다. 측정방법은 KS F 2808(6), 평가방법은 KS F 2862(7)에 준하였다.
- 임피던스 튜브를 활용한 흡음률 측정 결과를 토대로 셀룰로오즈 흡음재의 밀도를 55 kg/m3로 정하였으며, 두께는 30 mm, 60 mm로 했다. 또한, 표면의 절삭과 절삭면에 타공하여 흡음면적을 최대한 증가시켜 흡음계수를 측정한 결과는 Fig.
- 흡음률 측정결과를 토대로 건식벽체의 내부 흡음재로 적합한 밀도 및 두께 등을 결정하여 경량 건식벽체에 삽입 후 음향투과손실을 검증하였으며, 일반적으로 건식 경량벽체에 내부 흡음재로 사용되는 글라스울이 삽입된 벽체와 비교하였다. 측정은 1/3 octave band로 하였으며, 추가적으로 바닥 완충재로 사용 가능성을 살펴보기 위해서 동탄성계수 측정을 진행하였다.
- 흡음률 측정 전 흡음률에 영향을 주는 요인으로 흡음재의 두께와 표면형태를 고려하여 흡음재의 두께 변화와 면의 형태를 변화시켜 흡음률 측정을 진행 하였다.
- 흡음률 측정결과를 토대로 건식벽체의 내부 흡음재로 적합한 밀도 및 두께 등을 결정하여 경량 건식벽체에 삽입 후 음향투과손실을 검증하였으며, 일반적으로 건식 경량벽체에 내부 흡음재로 사용되는 글라스울이 삽입된 벽체와 비교하였다. 측정은 1/3 octave band로 하였으며, 추가적으로 바닥 완충재로 사용 가능성을 살펴보기 위해서 동탄성계수 측정을 진행하였다.
- 이 연구에서 흡음률 측정 시 사용한 임피던스 튜브(BSEA SW-260)는 직경 60 mm 튜브와 직경 30 mm로, 직경 60 mm는 125 Hz~2500 Hz 대역, 30 mm는 500 Hz~6300 Hz대역의 흡음률 측정 범위를 가지고 있으며, 최종적으로 중첩되는 주파수 대역을 음압에너지 합으로 나타낸다. 흡음률 측정을 위한 시료는 시료틀 크기와 동일하게 재단하였으며, 튜브에 삽입할 경우 가장자리 부분에 틈이 생기지 않도록 크림을 도포하여 마무리 하였다.
대상 데이터
- 사용된 경량벽체는 스터드 폭 75 mm에 양방향으로 각각 15 mm 석고보드 2장이 붙여지는 구조이다. 동일한 경량벽체의 조건에서 내부에 글라스울을 삽입하고 측정을 진행하였다.
- 이 연구에서 흡음률 측정 시 사용한 임피던스 튜브(BSEA SW-260)는 직경 60 mm 튜브와 직경 30 mm로, 직경 60 mm는 125 Hz~2500 Hz 대역, 30 mm는 500 Hz~6300 Hz대역의 흡음률 측정 범위를 가지고 있으며, 최종적으로 중첩되는 주파수 대역을 음압에너지 합으로 나타낸다. 흡음률 측정을 위한 시료는 시료틀 크기와 동일하게 재단하였으며, 튜브에 삽입할 경우 가장자리 부분에 틈이 생기지 않도록 크림을 도포하여 마무리 하였다.
이론/모형
- 흡음재의 두께는 30 mm 두겹을 합친 60 mm로 정하였다. 시료의 흡음면은 임피던스 튜브를 활용한 흡음률 측정시와 동일하게 시료가 초기에 만들어진 상태인 코팅면에서 수평으로 절삭하여 표면을 거칠게 하여 측정하였으며, 고주파수 대역인 2000 Hz의 흡음률을 높이기 위하여 기존연구(5)를 토대로 Helmholtz resonator 이론식 (1)을 적용하였다.
- 임피던스 튜브를 활용한 수직입사음에 대한 셀룰로오즈 흡음재는 난입사음에 대한 흡음률 검토를 위해 잔향실을 이용하여 KS F 2805(4)에 준해 측정을 진행하였다. 흡음재의 두께는 30 mm 두겹을 합친 60 mm로 정하였다.
- 셀룰로오즈 흡음재의 바닥충격음 완충재의 활용성 부분을 확인하기 위하여 동탄성계수 측정을 진행하였다. 측정 방법은 KS F 2868(8)에 준하여 하였으며, 시료는 밀도 55 kg/m3 , 두께는 30 mm의 시료를 사용하였다. 또한, 비교대상인 EPS, EVA는 1종씩 선정하여 동탄성계수를 비교 분석하였다.
- 일반적인 경량벽체용 내부 흡음재로 사용중인 글라스울을 대신하여 대체 사용의 검증을 위해 음향투과손실량 측정을 셀룰로오즈 흡음재를 삽입하고 측정하였다. 측정방법은 KS F 2808(6), 평가방법은 KS F 2862(7)에 준하였다.
성능/효과
- (1) 임피던스튜브를 활용하여 수직입사음에 대한 흡음률 측정결과 시료의 두께와 밀도 증가에 따라 NRC는 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 표면 형상의 변화에 따라 흡음재의 면이 절삭된 경우 NRC 값이 0.
- (2) 건식벽체 차음성능 측정결과, 글라스울이 내부 심재로 적용된 벽체보다 약 10 dB 차음성능이 저하되었다.
- (3) 셀룰로오즈 흡음재의 동탄성계수는 바닥충격음 완충재로 사용되는 EPS, EVA 시료와 유사한 수치를 보이고 있었다.
- 18이하로 미비하게 나타났으며, 두께 증가에 따른 흡음계수 상승도 미비하게 나타났다. 그러나 시료의 표면을 원래상태에서 2 mm 가량 수평으로 절삭하여 흡음률을 측정한 결과 절삭 되기전 상태보다 315 Hz에서 1250 Hz 대역의 흡음 계수 증가로 0.30 이상 NRC가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 표면 절삭을 통한 내부 셀을 노출시켜 나타난 결과로 판단된다.
- 단면구조가 닫힌구조와 열린구조의 복합 셀 구조를 갖는 다공성 셀룰로오즈 흡음재와 섬유상 구조의 폴리에스터의 흡음률을 비교한 결과 글라스울이 NRC 0.84로 가장 높게 나타났다. 또한, 추가적으로 폴리에스터 두께 25 mm에서는 NRC 0.
- 또한, Helmholtz 식에 따라 2000 Hz 증가 유도를 위해 두께 60 mm 시료면에 Ø2, 깊이 25 mm, 간격 30 mm로 타공률을 0.34 %로 한 결과 NRC 0.55로 약 0.1 NRC값이 증가한 것으로 나타났다.
- 84로 가장 높게 나타났다. 또한, 추가적으로 폴리에스터 두께 25 mm에서는 NRC 0.60, 40 mm 에서는 0.72로 셀룰로오즈 흡음재보다 NRC가 높게 나타났다.
- 표면 절삭을 통한 내부 셀을 노출시켜 나타난 결과로 판단된다. 또한, 표면이 절삭된 동일한 시료에서 밀도를 28 kg/m3에서 31 kg/m3로증가시킨 경우는 0.06 정도 NRC가 증가하는 것으로 나타났다.
- 밀도를 23 kg/m3 , 27 kg/m3 , 36 kg/m3로 변화시킨 시료의 흡음계수는 0.18이하로 미비하게 나타났으며, 두께 증가에 따른 흡음계수 상승도 미비하게 나타났다. 그러나 시료의 표면을 원래상태에서 2 mm 가량 수평으로 절삭하여 흡음률을 측정한 결과 절삭 되기전 상태보다 315 Hz에서 1250 Hz 대역의 흡음 계수 증가로 0.
- 시료의 두께 30 mm, 절삭한 면일 경우 NRC 0.37로 나타났으며, 동일한 시료의 두께를 60 mm로 증가시켰을 경우 1000 Hz 이하에서 흡음계수 증가로 NRC값이 0.46으로 증가되었다. 또한, Helmholtz 식에 따라 2000 Hz 증가 유도를 위해 두께 60 mm 시료면에 Ø2, 깊이 25 mm, 간격 30 mm로 타공률을 0.
- 실험에 사용된 경량벽체 타입에서 글라스울이 삽입된 경량벽체의 경우 55 dB(Rw)로, 셀룰로오즈 흡음재가 삽입된 46 dB(Rw) 보다 현저하게 높게 나타났다. 이러한 결과는 두 개의 시료의 밀도 차이는 크지만, 셀룰로오즈 흡음재의 경우에 글라스울 흡음재와 달리 저항재의 역할보다는 구조재의 역할로 석고보드의 sound bridge 역할로 500 Hz부분의 중음역 대역에서 차음성능을 높이지 못한 결과로 사료된다.
- 임피던스 튜브를 활용하여 셀룰로오즈 흡음재의 두께, 밀도, 표면형태 등을 변화시켜 측정한 결과 잔향실법 측정 시 NRC가 최대 0.50 이상 나타날 것으로 예상된다.
- 1 가량 증대되었다. 잔향실 측정결과, 두께 60 mm, 밀도 55 kg/m3의시료면을 절삭하고 타공율 1.34 %로 구성된 시료에서 NRC 0.64로 가장 높은 흡음률을 보였다.
- 그러나 예상했던 2000 Hz의 흡음계수는 미미하였지만, 500 Hz 대역의 흡음계수가 높게 나타났다. 추가적으로 타공률을 0.68%과 1.36 %로 증가시킨 결과 NRC 0.61, 0.64로 흡음계수 증가량이 대동소이하였으며, 최초 타공률 0.34 %일 경우와 동일하게 500 Hz 대역 이상에서 흡음계수가 증가하였다. 예상했던 흡음계수의 증가가 2000 Hz가 아닌 500 Hz 대역에서 증가된 것은 시료의 특성과 타공 시 사람이 인위적으로 타공하여 간격 및 정확한 타공이 되지 않았고, 타공부위 주변의 처리가 미비했기 때문이라고 사료된다.
- 완충재료로서의 활용성을 확인하기 위하여 셀룰로오즈 시료의 동탄성계수를 측정하였다. 측정결과 4.7 MN/m3로 바닥충격음 완충재인 EPS와 EVA 시료와 유사하게 나타났다. 향후, 완충재로서 사용하기 위해서는 동탄성계수 이외의 잔류변형이나 흡수율등 기타 물리적 성질에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
후속연구
- 셀룰로오즈 흡음재의 흡음률 개선과 적용분야 확대를 위하여 추가적인 연구가 진행중에 있다.
- 7 MN/m3로 바닥충격음 완충재인 EPS와 EVA 시료와 유사하게 나타났다. 향후, 완충재로서 사용하기 위해서는 동탄성계수 이외의 잔류변형이나 흡수율등 기타 물리적 성질에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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