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문제 정의
- 목질판상제품을 열분해하여 제조한 탄화보드는 포름알데히드 흡착성, 전자파차폐성 등과 같은 특성을 가진 친환경 소재이다. 또한 목탄과 같이 다공질 (porous) 구조를 가져 흡음적 특성을 가지는 것으로 조사되어 이러한 흡음적 특성을 살린 친환경 실내건축재료로서 가능성을 확인하였다. 탄화 MDF의 흡음 성능을 높이기 위해서 타공과 샌딩처리를 적용한 결과 타공에 의한 흡음성능 개선은 미미한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 MDF로 탄화보드를 제조하고, 이탄화보드의 흡음성능 개선을 위해 선행연구 방안을 접목하는 한편, 실대형 탄화보드 흡음판을 제작하여 흡음성능을 조사함으로 기존에 흡음재료들이 가지고 있던 단점을 보완할 수 있는 친환경 흡음건축재 개발을 목표하였다.
제안 방법
- 실대형 흡음시험은 잔향실법에 의한 흡음률 측정 방법(KS F 2805; 2004)에 의거하여 실시하였다. Fig. 2에서와 같이 12 m2의 면적으로 5가지의 시험편을 잔향실 바닥에 깔고 흡음률을 측정하였다. 시험환경은 20.
- 또한, 샌딩의 정도에 따른 흡음특성을 파악하기 위하여 MDF 탄화시편을 각 조건당 3개씩 선택하여 4회 측정하여 평균값으로 흡음특성을 평가하였다. MDF 탄화시편의 샌딩처리는 단면을 1 mm, 2 mm, 3 mm로 샌딩처리하여 흡음률을 측정하였다.
- MDF를 길이 40 cm × 폭 40 cm의 시험편으로 재단한 후 850℃의 온도와 질소가스(200 mℓ/min)가 흐르는 전기식 탄화로에서 탄화보드를 제조하였다.
- 그리하여 탄화 MDF에 샌딩과 타공처리를 병행한 후 흡음특성을 평가하였다. 샌딩처리는 가장 높은 흡음률을 나타낸 2 mm 두께로 단면 샌딩처리를 실시하고 타공방법을 달리하여 실시하였다.
- 3 mm 샌딩의 경우, 흡음률이 다시 감소하는 것을 관찰하였는데 이는 탄화 MDF의 최종 두께가 얇아지기 때문이라고 판단된다. 또한, 본 실험에서는 전면만 샌딩처리하여 높은 흡음률 개선을 확인하였기에 양면을 샌딩하여 흡음률을 측정하였다. 탄화시편을 양면으로 양 단면의 두께를 합하여 1 mm, 2 mm, 3 mm, 샌딩처리하였다.
- 1에 십자모양(타공 5개), 직사각형모양(타공 9개), 일자모양(타공 5개)으로 타공처리 후 모습을 나타내었다. 또한, 샌딩의 정도에 따른 흡음특성을 파악하기 위하여 MDF 탄화시편을 각 조건당 3개씩 선택하여 4회 측정하여 평균값으로 흡음특성을 평가하였다. MDF 탄화시편의 샌딩처리는 단면을 1 mm, 2 mm, 3 mm로 샌딩처리하여 흡음률을 측정하였다.
- 850℃의 최고온도에서 MDF를 탄화시킨 탄화 MDF의 흡음성능의 향상을 위한 한 방법으로 선행연구에서 알려져 있는 샌딩처리와 타공기법을 적용하였다. 본 연구에서 탄화 MDF의 타공시 패턴의 종류를 달리하여 두께 6.8 mm의 탄화 MDF에 전동드릴로 직경 4 mm의 크기로 깊이 3 mm로 타공처리 하였다. Fig.
- 그리하여 탄화 MDF에 샌딩과 타공처리를 병행한 후 흡음특성을 평가하였다. 샌딩처리는 가장 높은 흡음률을 나타낸 2 mm 두께로 단면 샌딩처리를 실시하고 타공방법을 달리하여 실시하였다. 흡음률을 측정한 결과는 Table 4에 나타내었다.
- 이상의 결과를 바탕으로 전면에 목재, 뒷면에 탄화보드를 부착하는 흡음판을 고안하였다. 전면에 MDF를 16 mm 간격으로 줄홈을 내고 뒷면은 지름 10 mm로 타공을 하였다.
- 탄화시편을 양면으로 양 단면의 두께를 합하여 1 mm, 2 mm, 3 mm, 샌딩처리하였다. 즉 1 mm를 샌딩할 때 한 단면을 0.5 mm, 나머지 다른 단면도 똑같이 0.5 mm 샌딩처리하였다. 나머지 2 mm, 3 mm 도 동일하게 처리하였다.
- 5). 탄화 MDF, 샌딩처리(단면) 탄화 MDF, 줄 타공처리(단면) 탄화 MDF, 탄화 MDF+타공 MDF, 샌딩처리 탄화 MDF+타공 MDF 5가지 종류의 시험편을 각 주파수영역대별 흡음계수를 측정한 후, 감음 계수(Noise Reduction Coefficient, NRC)를 구하여 Table 5에 나타내었다. 감음계수는 중파수인 250, 500, 1000, 2000 Hz의 흡음계수의 평균으로 단일 지수로 나타낸 것으로 감음계수가 0에 가까울수록 음향반사율이 높으며 1에 가까울수록 흡수율이 높은 특징이 있다.
- 탄화 MDF의 흡음률을 개선하기 위해 선행연구에서 알려진 표면샌딩과 타공을 각각 또는 병행 처리하였다. 흡음률을 측정한 결과, 타공처리 전 탄화 MDF의 흡음률은 14% 정도를 나타내었고, 직사각형 모양 타공 시편이 타공처리를 한 시편 중에서는 16.
- 또한, 본 실험에서는 전면만 샌딩처리하여 높은 흡음률 개선을 확인하였기에 양면을 샌딩하여 흡음률을 측정하였다. 탄화시편을 양면으로 양 단면의 두께를 합하여 1 mm, 2 mm, 3 mm, 샌딩처리하였다. 즉 1 mm를 샌딩할 때 한 단면을 0.
-
3. 탄화보드의 흡음성능
흡음특성시험은 2개의 마이크로폰을 사용하는 중간형 튜브를 사용하여 행하였다
. 흡음측정장치는 임피던스 측정 튜브(impedance measurement tube, Type 4206A), 신호분석장치, signal analyzer unit, Type 2035), 파워엠플리파이어(power amplifier, Type 2706) 그리고 2개의 마이크로폰(two microphones, Type 2670)으로 구성되어 있다.
대상 데이터
- MDF의 뒷면에 5 cm 폭의 홈을 깎아 6∼7 mm 두께의 탄화 MDF를 삽입하는 형태의 목재 복합 탄화보드 음향판을 제작하였다 (Fig. 5).
- 본 연구에서 탄화보드 제조를 위해 시판되는 크기 4ʺ × 8ʺ, 두께 12 mm, 밀도 0.72 g/cm3의 중밀도섬유판(MDF, 선창기업, 한국)을 사용하였으며 또한, 실대형 탄화보드 음향판 제조를 위해 같은 MDF를 기본골격으로 사용하였다.
- 시험환경은 20.5 ± 0.5℃의 온도와 57 ± 5%의 상대습도의 조건하에 이루어졌으며, 시험장비로는 Multi channel signal analyzer (SA-01, RION), omni-directional speaker (SS-05T, Wakabayashi Acoustic Design), lower frequency speaker (SR 4145SUB, VASCOM), microphone calibrator (42AB, G.R.A.S), microphone (40AQ, G.R.A.S) 등이 사용되었다.
- 흡음특성시험은 2개의 마이크로폰을 사용하는 중간형 튜브를 사용하여 행하였다. 흡음측정장치는 임피던스 측정 튜브(impedance measurement tube, Type 4206A), 신호분석장치, signal analyzer unit, Type 2035), 파워엠플리파이어(power amplifier, Type 2706) 그리고 2개의 마이크로폰(two microphones, Type 2670)으로 구성되어 있다. 주파수 측정범위는 500 Hz∼3200 Hz이며 각 조건당 3개의 시편을 사용하여 앞⋅뒤면에서 100회 측정하고 180도 돌린 후 다시 100회 측정 후 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 850℃의 최고온도에서 MDF를 탄화시킨 탄화 MDF의 흡음성능의 향상을 위한 한 방법으로 선행연구에서 알려져 있는 샌딩처리와 타공기법을 적용하였다. 본 연구에서 탄화 MDF의 타공시 패턴의 종류를 달리하여 두께 6.
- 승온 속도는 시간당 50∼100℃로 조정하였으며, 설정온도 도달 후 2시간 유지시킨 다음 자연 냉각하였다. 기존의 탄화방법에 따라 시험편의 상하에 그라파이트(graphite)판을 놓아 압체 탄화하였다(Park et al. 2009).
- 시험 장비를 KS F 2805;2004에 의거하여 A형 설치법에 따라 설치한 후 음원 중단법(Interrupted Noise Method)을 이용하여 잔향 시간을 측정하였으며, 시험편의 설치 전⋅후의 잔향시간을 이용하여 흡음계수를 산출하였다. 또한, ASTM C 423:2009a에 따라 감음계수(Noise Reduction Coefficient)를 구하였다.
- 시험 장비를 KS F 2805;2004에 의거하여 A형 설치법에 따라 설치한 후 음원 중단법(Interrupted Noise Method)을 이용하여 잔향 시간을 측정하였으며, 시험편의 설치 전⋅후의 잔향시간을 이용하여 흡음계수를 산출하였다.
- 실대형 흡음시험은 잔향실법에 의한 흡음률 측정 방법(KS F 2805; 2004)에 의거하여 실시하였다. Fig.
- 주파수 측정범위는 500 Hz∼3200 Hz이며 각 조건당 3개의 시편을 사용하여 앞⋅뒤면에서 100회 측정하고 180도 돌린 후 다시 100회 측정 후 평균값을 사용하였다. 흡음계수는 KS F 2814-1:2001에 의거하여 계산되었다.
성능/효과
- 샌딩처리 후 탄화 MDF의 흡음률 측정 결과, 샌딩처리를 하기 전 탄화시편의 흡음률은 13%를 나타내었다. 1 mm 샌딩처리한 후부터 흡음률은 점차적으로 증가하다가 2 mm 샌딩처리 했을 때의 흡음률이 가장 높게 나타났고 3 mm 샌딩처리 경우 흠음율이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 샌딩처리를 하기 전 탄화시편의 주파수 1600 Hz 대에서 흡음률은 25% 정도를 나타내었고, 2 mm 샌딩을 했을 때 주파수 1600 Hz대에서 40% 정도의 흡음률을 나타내었다. 3 mm 샌딩을 한 후의 1600 Hz 대 주파수에서는 흡음률이 35% 이하로 떨어졌고 샌딩을 할수록 흡음률이 떨어지는 결과를 나타내었다. 앞의 시험 결과, 가장 높은 흡음률을 나타내는 시편은 두께를 1∼2 mm 정도 샌딩처리한 탄화보드 시편이었다.
- Ahn and Paik (2011)은 목탄을 이용하여 친환경 건축자재로 이용하기 위해 건축자재에 목탄을 함유하여 에너지 절감 및 차음 특성에 관한 연구를 하였다. 그 결과 중량충격음과 경량충격음 모두에서 저감효과를 나타내는 것으로 확인한 바 있다.
- 그 결과, 단면만을 샌딩처리한 경우보다 1∼2% 정도 흡음률이 더 높게 나타났지만 유의성 검증에서 차이는 나타나지 않았다.
- 또한, 타공의 종류에 따라서 흡음률이 근소한 차이를 보였으나 통계적으로 유의성이 나타나지 않았다. 그러나 5개와 9개의 타공수에 따른 통계적 유의성이 나타남으로서 흡음률은 타공의 모양보다는 타공수에 영향을 더 받는 것으로 조사되었다.
- 10으로 다소 낮은 값을 나타내었다. 샌딩처리 탄화 MDF와 흠음판으로 사용되는 타공 MDF와의 복합화에 의해 0.45의 가장 높은 감음효과를 얻을 수 있었다.
- Table 3에 탄화보드의 샌딩처리 효과를 나타내었다. 샌딩처리 후 탄화 MDF의 흡음률 측정 결과, 샌딩처리를 하기 전 탄화시편의 흡음률은 13%를 나타내었다. 1 mm 샌딩처리한 후부터 흡음률은 점차적으로 증가하다가 2 mm 샌딩처리 했을 때의 흡음률이 가장 높게 나타났고 3 mm 샌딩처리 경우 흠음율이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 샌딩 시 탄화 MDF 표면이 마찰로 인해 표면질감이 거칠어지며 이로 인해 다공질 구조가 늘어남에 따라 마찰계수가 증가하여 흡음률이 높아지는 것으로 판단된다. 이 결과를 바탕으로 실대형 탄화 MDF 복합 목재 흡음판을 샌딩처리 탄화 MDF와 타공 MDF의 조합으로 제조하여 그 성능을 비교한 결과 소음저감계수 0.45의 비교적 높은 흡음률을 나타냈다. Park et al.
- 흡음률을 측정한 결과는 Table 4에 나타내었다. 탄화 MDF를 타공과 샌딩처리를 병행했을 때 흡음률은 크게 증가함을 알 수 있었다. 하지만 샌딩한 개별 시편의 1600 Hz대에서 주파수는 크게 차이나지 않았으나 흡음률은 직선으로 5개 타공을 한 탄화 MDF 시편이 흡음률 24.
- 또한 목탄과 같이 다공질 (porous) 구조를 가져 흡음적 특성을 가지는 것으로 조사되어 이러한 흡음적 특성을 살린 친환경 실내건축재료로서 가능성을 확인하였다. 탄화 MDF의 흡음 성능을 높이기 위해서 타공과 샌딩처리를 적용한 결과 타공에 의한 흡음성능 개선은 미미한 것으로 나타났다. 하지만 샌딩처리를 함으로서 탄화 MDF의 흡음률이 2배로 높아짐을 확인하였다.
- 탄화 전⋅후 실험재료의 치수, 중량 및 밀도변화율을 조사한 결과, 가로감소율은 19.4%, 세로감소율은 21.0%, 두께감소율은 41.7%, 부피감소율은 62.9%, 중량감소율은 72.2%, 밀도감소율은 25.0%를 나타내었다(Fig. 3).
- 탄화온도에 따른 흡음성능의 차이를 조사한 결과, 6%의 흡음률을 가진 원재료를 800℃∼900℃에서 열분해한 탄화보드의 흡음률이 13%로 두배 이상 증가함을 확인하였다(Park et al. 2014).
- 탄화 MDF의 흡음 성능을 높이기 위해서 타공과 샌딩처리를 적용한 결과 타공에 의한 흡음성능 개선은 미미한 것으로 나타났다. 하지만 샌딩처리를 함으로서 탄화 MDF의 흡음률이 2배로 높아짐을 확인하였다. 샌딩 시 탄화 MDF 표면이 마찰로 인해 표면질감이 거칠어지며 이로 인해 다공질 구조가 늘어남에 따라 마찰계수가 증가하여 흡음률이 높아지는 것으로 판단된다.
- 탄화 MDF를 타공과 샌딩처리를 병행했을 때 흡음률은 크게 증가함을 알 수 있었다. 하지만 샌딩한 개별 시편의 1600 Hz대에서 주파수는 크게 차이나지 않았으나 흡음률은 직선으로 5개 타공을 한 탄화 MDF 시편이 흡음률 24.35%로 가장 높게 나타났다.
- 탄화 MDF의 흡음률을 개선하기 위해 선행연구에서 알려진 표면샌딩과 타공을 각각 또는 병행 처리하였다. 흡음률을 측정한 결과, 타공처리 전 탄화 MDF의 흡음률은 14% 정도를 나타내었고, 직사각형 모양 타공 시편이 타공처리를 한 시편 중에서는 16.01%로 흡음률이 가장 높았다. 십자형 타공 시편이 15.
후속연구
- 45의 비교적 높은 흡음률을 나타냈다. Park et al. (2014)의 선행 연구에서 구명한 탄화보드의 유해물질 흡착과 같은 기능에 더하여 천정이나 벽판재 이용을 통한 소음 저감용 친환경 실내건축재료로써 그 역할이 기대된다.
- 2014). 또한, 원재료의 흡음특성을 가진 탄화보드는 탄화과정에서 수축하여 그 두께가 절반 정도로 줄어들어 공간 활용적인 측면에서 장점이 될 것으로 판단된다.
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