원적외선 방사세라믹은 인체의 피부 안쪽으로 깊숙이 적외선을 침투시켜 온열 및 치료환경을 주는 매력적인 재료로써, 열적 치료 장치, 온열 매트, 히터 등과 같은 분야에 많은 응용이 되고 있다. 본 연구에서는 소결 온도와 시간을 변화시킴으로써 높은 방사율을 가지는 원적외선 방사세라믹의 소결 조건을 최적화하고자 하였다. 원적외선 방사체의 상 분석은 XRD로, 그 파단면의 미세구조는 SEM을 이용하여 분석하였다. 원적외선 방사율의 측정은 FT-IR으로 행하여, 결과를 종합적으로 해석하여 소결체의 최적 공정 조건을 확립하였다.
원적외선 방사세라믹은 인체의 피부 안쪽으로 깊숙이 적외선을 침투시켜 온열 및 치료환경을 주는 매력적인 재료로써, 열적 치료 장치, 온열 매트, 히터 등과 같은 분야에 많은 응용이 되고 있다. 본 연구에서는 소결 온도와 시간을 변화시킴으로써 높은 방사율을 가지는 원적외선 방사세라믹의 소결 조건을 최적화하고자 하였다. 원적외선 방사체의 상 분석은 XRD로, 그 파단면의 미세구조는 SEM을 이용하여 분석하였다. 원적외선 방사율의 측정은 FT-IR으로 행하여, 결과를 종합적으로 해석하여 소결체의 최적 공정 조건을 확립하였다.
Far-infrared radiation ceramic is an attractive material that provides thermal therapy by permeating the infrared rays into the deep inside of the human skin. Therefore, it is currently used for thermal therapy devices, thermal mat, heating equipment and so on. This work aims to optimize the sinteri...
Far-infrared radiation ceramic is an attractive material that provides thermal therapy by permeating the infrared rays into the deep inside of the human skin. Therefore, it is currently used for thermal therapy devices, thermal mat, heating equipment and so on. This work aims to optimize the sintering process of the far-infrared radiation ceramic with the process parameters of temperature and time. A variety of characterization tools have been used to investigate the optimal sintering condition of far-infrared radiation. The phase of far-infrared radiation ceramic was characterized by using X-ray diffraction (XRD) and microstructure of fracture surface was studied by scanning electron microscopy (SEM). The FT-IR was also performed to measure the far-infrared emissivity.
Far-infrared radiation ceramic is an attractive material that provides thermal therapy by permeating the infrared rays into the deep inside of the human skin. Therefore, it is currently used for thermal therapy devices, thermal mat, heating equipment and so on. This work aims to optimize the sintering process of the far-infrared radiation ceramic with the process parameters of temperature and time. A variety of characterization tools have been used to investigate the optimal sintering condition of far-infrared radiation. The phase of far-infrared radiation ceramic was characterized by using X-ray diffraction (XRD) and microstructure of fracture surface was studied by scanning electron microscopy (SEM). The FT-IR was also performed to measure the far-infrared emissivity.
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문제 정의
본 연구에서는 동일한 조성에서 다양한 공정 변수를 적용하여 원적외선 방사 세라믹을 제조하여, 구조적 특성 비교 및 원적외선 방사율을 측정함으로써, 원적외선 방사 세라믹의 제조 공정을 최적화하고자 하였다.
본 연구에서는 여러 가지 분석 장비를 활용하여 온도와 시간을 변수로 원적외선 방사체 소결의 최적공정을 확인하였다. 1100℃ 미만의 소결 조건에서는 미소결 된 형태임을 확인하였고, 1100℃ 이상의 온도에서는 시편의 용융이 시작됨을 확인하였고, 이를 바탕으로 최적의 소결공정 온도를 1100℃임을 확인할 수 있었다.
가설 설정
1000℃ (a), 1050℃ (b)에서 소성한 시편의 경우 내부의 파단면은 1050ºC에서 소결하였을 때, grain의 크기가 더 증가하였다. 이는 좀 더 고온의 영역에서 소결로 인하여 입자의 성장이 진행되어, 1050℃ (b) 시편의 결정립이 더 조밀한 구조를 가짐을 알 수 있다. 1100℃ (c), 1150℃ (d), 1200℃ (e) 에서 1시간 동안 소결한 시편의 경우 표면에 기공들이 발생하였는데, 1100℃ (c)에서 소성시킨 sample의 기공의 크기는 약 10 µm, 1150℃ (d)에서는 약 15 µm의 기공의 크기를 보였다.
제안 방법
건조된 분말은 원적외선 방사율 측정에 적합한 형태로 자체 제작한 성형몰드(4 × 4 cm2)로 성형체를 제조하였다.
파단면의 표면 형상은 주사전자현미경(JSM-5900LV, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 원적외선 방사에너지 및 방사율의 측정은 Fig. 1에 제시된 본 연구에 적합하게 구성된 FTIR spectrometer(M2400-C, MIDAC Ltd., USA)를 활용하여, 흑체와 대비하여 비교 측정을 하였다.
현재 (주)한빛나노의료기에서 제품으로 사용하고 있는 형태로 성형한 시편을 제공받아 소결하였고, 원적외선 방사율을 측정하기 위한 판상의 시편으로 제조하였다. 원적외선 방사율을 측정하기 위한 시편의 제조는 우선 혼합된 원료 분말을 D.I water를 용매로 하여 6시간 동안 ball mill을 한 후, 전기 오븐으로 60℃에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 분말은 원적외선 방사율 측정에 적합한 형태로 자체 제작한 성형몰드(4 × 4 cm2)로 성형체를 제조하였다.
건조된 분말은 원적외선 방사율 측정에 적합한 형태로 자체 제작한 성형몰드(4 × 4 cm2)로 성형체를 제조하였다. 정확한 온도에서 시편 제조를 위해 thermocouple 부근에 위치한 고순도 알루미나 plate 위에 시편을 놓고 소결하였다. 소결 조건으로 승온속도는 5℃/min로 고정하고, 1000~1200℃에서 10~60분 사이에서 행하였다.
소결된 시편의 밀도는 아르키메데스법을 활용하여 측정하였으며 총 5회에 걸쳐서 평균값과 표준편차를 계산하였으며, 결정구조 분석은 X-선 회절(RADC, Rigaku, Japan)를 사용하여 측정하였다. 파단면의 표면 형상은 주사전자현미경(JSM-5900LV, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 원적외선 방사에너지 및 방사율의 측정은 Fig.
대상 데이터
초기 원료는 (주)한빛나노의료기 측에서 제품생산에 사용하는 조성과 동일한 것으로, 이는 맥반석, 금강약돌, 세리사이트, 흑운모, 토르말린, 화산석, 엽장석을 자체 노하우로 설정한 혼합비로 혼합한 형태의 분말이다. 현재 (주)한빛나노의료기에서 제품으로 사용하고 있는 형태로 성형한 시편을 제공받아 소결하였고, 원적외선 방사율을 측정하기 위한 판상의 시편으로 제조하였다. 원적외선 방사율을 측정하기 위한 시편의 제조는 우선 혼합된 원료 분말을 D.
데이터처리
소결 조건으로 승온속도는 5℃/min로 고정하고, 1000~1200℃에서 10~60분 사이에서 행하였다. 소결된 시편의 밀도는 아르키메데스법을 활용하여 측정하였으며 총 5회에 걸쳐서 평균값과 표준편차를 계산하였으며, 결정구조 분석은 X-선 회절(RADC, Rigaku, Japan)를 사용하여 측정하였다. 파단면의 표면 형상은 주사전자현미경(JSM-5900LV, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
성능/효과
본 연구에서는 여러 가지 분석 장비를 활용하여 온도와 시간을 변수로 원적외선 방사체 소결의 최적공정을 확인하였다. 1100℃ 미만의 소결 조건에서는 미소결 된 형태임을 확인하였고, 1100℃ 이상의 온도에서는 시편의 용융이 시작됨을 확인하였고, 이를 바탕으로 최적의 소결공정 온도를 1100℃임을 확인할 수 있었다. 1100℃에서 30~60분간 소결한 시편의 원적외선 방사 결과를 바탕으로 1100℃에서 60분간 소결한 시편에서 90.
1100℃ 미만의 소결 조건에서는 미소결 된 형태임을 확인하였고, 1100℃ 이상의 온도에서는 시편의 용융이 시작됨을 확인하였고, 이를 바탕으로 최적의 소결공정 온도를 1100℃임을 확인할 수 있었다. 1100℃에서 30~60분간 소결한 시편의 원적외선 방사 결과를 바탕으로 1100℃에서 60분간 소결한 시편에서 90.4 %로 가장 높은 원적외선 방사율을 보임을 확인하였다. 결과적으로 (주)한빛나노의료기에서 개발한 조성에서의 가장 높은 방사율을 보이는 최적의 공정조건을 찾을 수 있었다.
4 %로 가장 높은 원적외선 방사율을 보임을 확인하였다. 결과적으로 (주)한빛나노의료기에서 개발한 조성에서의 가장 높은 방사율을 보이는 최적의 공정조건을 찾을 수 있었다.
7(b)는 1100℃ 소결 시간에 따른 FT-IR 데이터를 나타낸다. 그림과 마찬가지로 동일 파수에서 peak이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 30~40분에서의 투과율이 (주)한빛나노의료기 사의 시편보다 더 낮은 투과율을 보임을 확인할 수 있었다.
7(a)는 소결온도에 따른 FT-IR 측정한 결과를 보여준다. 모두 동일한 파수에서 peaks이 위치하였으며, 소결을 하지 않은 시편을 제외한 모든 조건에서 (주)한빛나노의료기에서 제공한 시편들에 비해 투과율이 낮음을 확인할 수 있었다. 투과율이 낮다는 것은 그만큼 흡수율이 높다는 것을 반증하는 바이며, 흡수를 많이 하는 시편일수록 방사량의 증가를 가져온다.
2(b)의 시편의 밀도 값을 나타낸 결과이다. 소결 시간이 증가함에 따라서 시편의 밀도 값이 점점 감소하는 경향을 보이는데, 이 또한 소결 시간이 증가함에 따라서 휘발되는 물질의 양이 증가하여, 내부의 미세구조에 영향을 끼쳤으리라 판단되며, 이 결과도 후에 나올 미세구조의 관찰 내용으로 확인할 수 있다.
흑체란 흡수율이 100 %인 이상적으로 설정한 가상의 물체 대비 상대적인 값으로 양을 표현하는 방법이다[1, 11, 13, 23, 24]. 이러한 방법으로 측정한 원적외선 방사율은 89.3~90.4 % 사이의 값을 가짐을 확인할 수 있다. 특히, 1100℃에서 60분간 소결한 시편의 경우 가장 높은 90.
모두 동일한 파수에서 peaks이 위치하였으며, 소결을 하지 않은 시편을 제외한 모든 조건에서 (주)한빛나노의료기에서 제공한 시편들에 비해 투과율이 낮음을 확인할 수 있었다. 투과율이 낮다는 것은 그만큼 흡수율이 높다는 것을 반증하는 바이며, 흡수를 많이 하는 시편일수록 방사량의 증가를 가져온다. Fig.
4 % 사이의 값을 가짐을 확인할 수 있다. 특히, 1100℃에서 60분간 소결한 시편의 경우 가장 높은 90.4 %의 값을 보였으며, 이는 30~50분 사이에 측정한 원적외선 방사량의 변화에 비해 더욱 급격한 변화를 보임을 확인하였다.
시편들은 모두 갈색 빛을 띠었으며, (주)한빛나노의료기 제품과 유사한 외관을 보였다. 하지만 10분, 20분에서 소결한 시편의 경우 뒷면의 중앙 부분의 색상은 다른 부분과 다름을 확인 할 수 있었는데, 이는 소결 시간이 짧아 충분히 진행되지 못한 채 소결 과정이 종료되었다고 판단되며, 유관상으로 보이는 표면의 광택 또한 거의 없음을 확인할 수 있었다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원적외선이 특히 효과가 있는 의료분야는?
원적외선은 1800년경 최초로 발견된 이 후, 의료뿐만 아니라 국방, 에너지 등 다양한 분야에서 그 기능이 사용되고 있다[1-3]. 특히, 의료분야에서는 혈액순환촉진, 심혈관계치료, 피부질환, 암세포억제, 대사기능 촉진 등에서 많은 효과가 있다[3-8]. 이는 지구의 생명체가 흡수하는 에너지 파의 파장대가 6~12 µm에 집중되어 있고, 원적외선의 파장대가 3~1000 µm 범위 내에 있으므로 공명흡수 작용이 일어나 유기물의 내 · 외부에 온도상승을 통해 세포를 활성화시키기 때문으로 보고하고 있다[1, 8, 9].
원적외선 방사 세라믹에서 필수적인 것은?
이러한 이유로 원적외선 방사 세라믹에 관한 많은 연구가 이루어지고 있는데[15], 맥반석, 토르말린, 금강석, 화산석, 적철석, 방해석 등은 원적외선을 방사한다고 알려진 광물이며, 이는 원적외선 방사체 제조에 흔히 혼합되어 사용되는 재료이다[13-17]. 원적외선 방사 세라믹이란 가열 시 3 µm 이상의 원적외선을 방출하는 물질을 일컫는데, 이 세라믹 원료는 순도 및 조성의 편차를 보이게 되어, 이에 대한 원적외선 방사 제품의 소결 조건의 최적화가 필수적이다[16].
원적외선 방사 세라믹이란?
이러한 이유로 원적외선 방사 세라믹에 관한 많은 연구가 이루어지고 있는데[15], 맥반석, 토르말린, 금강석, 화산석, 적철석, 방해석 등은 원적외선을 방사한다고 알려진 광물이며, 이는 원적외선 방사체 제조에 흔히 혼합되어 사용되는 재료이다[13-17]. 원적외선 방사 세라믹이란 가열 시 3 µm 이상의 원적외선을 방출하는 물질을 일컫는데, 이 세라믹 원료는 순도 및 조성의 편차를 보이게 되어, 이에 대한 원적외선 방사 제품의 소결 조건의 최적화가 필수적이다[16].
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