외부에 노출된 재료는 자외선, 열, 온도, 습도 등의 다양한 환경 인자에 의해 성능저하가 일어나게 되며, 열화속도 및 사용수명에 대한 예측은 매우 중요한 문제이다. 본 연구에서는 가장 많이 사용되고 있는 색상 중 흰색, 초록색 재귀반사시트를 가지고 미국 아리조나, 인도 첸나이, 프랑스 세너리, 한국 서산 등 4개 지역에서 옥외폭로시험 및 제논아크촉진시험을 통하여 재귀반사시트 반사성능의 변화율을 측정하였다. 서산지역 및 제논아크 촉진시험을 통하여 얻어진 반사성능 값을 통해 회귀분석을 이용하여 가속계수를 구하였다. 또한, solar uv 프로그램을 이용하여 다양한 기후지역별 가속계수를 구할 수 있었으며, 그 결과 서산지역을 기준으로 프랑스 세너리 1.04배, 미국 아리조나 1.82배, 인도 첸나이 1.92배의 가속계수를 확인할 수 있었다.
외부에 노출된 재료는 자외선, 열, 온도, 습도 등의 다양한 환경 인자에 의해 성능저하가 일어나게 되며, 열화속도 및 사용수명에 대한 예측은 매우 중요한 문제이다. 본 연구에서는 가장 많이 사용되고 있는 색상 중 흰색, 초록색 재귀반사시트를 가지고 미국 아리조나, 인도 첸나이, 프랑스 세너리, 한국 서산 등 4개 지역에서 옥외폭로시험 및 제논아크촉진시험을 통하여 재귀반사시트 반사성능의 변화율을 측정하였다. 서산지역 및 제논아크 촉진시험을 통하여 얻어진 반사성능 값을 통해 회귀분석을 이용하여 가속계수를 구하였다. 또한, solar uv 프로그램을 이용하여 다양한 기후지역별 가속계수를 구할 수 있었으며, 그 결과 서산지역을 기준으로 프랑스 세너리 1.04배, 미국 아리조나 1.82배, 인도 첸나이 1.92배의 가속계수를 확인할 수 있었다.
Materials exposed to outside will deteriorate due to various weathering factors such as sunlight, heat, temperature, humidity and so on. Therefore, predicting speed of degradation and life time is a very important issue. This research uses retro-reflective sheets with white and green which are most ...
Materials exposed to outside will deteriorate due to various weathering factors such as sunlight, heat, temperature, humidity and so on. Therefore, predicting speed of degradation and life time is a very important issue. This research uses retro-reflective sheets with white and green which are most commonly used colors to conduct the outdoor exposure test and acceleration test of xenon arc in Arizona state in the United States, Chennai in India, Sanary in France and Seosan in Korea to measure the reflective performance of retro-reflection. The accelerated factor was obtained by using regression analysis through reflective values obtained from the acceleration test of xenon arc from Seosan area. Also, by using solar uv program, the accelerated factor of various climate regions were obtained and it was confirmed that the accelerated factor of Senary was 1.04, Arizona 1.82, Chennai 1.92 times higher than that of Seosan.
Materials exposed to outside will deteriorate due to various weathering factors such as sunlight, heat, temperature, humidity and so on. Therefore, predicting speed of degradation and life time is a very important issue. This research uses retro-reflective sheets with white and green which are most commonly used colors to conduct the outdoor exposure test and acceleration test of xenon arc in Arizona state in the United States, Chennai in India, Sanary in France and Seosan in Korea to measure the reflective performance of retro-reflection. The accelerated factor was obtained by using regression analysis through reflective values obtained from the acceleration test of xenon arc from Seosan area. Also, by using solar uv program, the accelerated factor of various climate regions were obtained and it was confirmed that the accelerated factor of Senary was 1.04, Arizona 1.82, Chennai 1.92 times higher than that of Seosan.
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문제 정의
본 연구에서는 한국 서산, 인도 첸나이, 미국 아리조나, 프랑스 마르세유 지역의 지리정보, 기후정보, 추산결과를 확인하였다. 추정결과에서 uv exposure time (hours)은 ASTM 4956 시험규격으로 1년을 모사하기 위해 소요되는 시간으로 가속계수를 추정하기 위해 필요한 내용이다.
제안 방법
추정결과에서 uv exposure time (hours)은 ASTM 4956 시험규격으로 1년을 모사하기 위해 소요되는 시간으로 가속계수를 추정하기 위해 필요한 내용이다. 가속계수 추정은 상대적인 것이므로 기준이 되는 지역을 정하고 그 지역에 비해서 나머지 지역의 광 열화 가속계수가 어느 정도인지 추산해 내는 것으로 기준지역과 상대지역의 비(rate)를 통해 계산하였으며, 기준지역은 서산으로 선정하였다.
각 지역별 옥외폭로 누적 자외선 에너지는 서산과 세너리는 300MJ, 첸나이는 360 MJ, 아리조나는 420 MJ까지를 기준으로 반사성능을 측정하였다. 지역별 300 MJ의 누적 자외선 에너지양은 1년 이상노출기간을 의미한다.
이러한 다양한 기후들은 위도, 날씨형태, 지형적, 지리적 특징이 복합되어 다르게 나타난다. 도로용 표지판 재귀반사시트는 자외선, 온도, 그리고 수분 등이 재료의 노화에 영향을 주기 때문에 기후환경을 근거 및 재귀반사시트 해외수출국을 고려하여 옥외폭로사이트를 정하였다. 세계기상기구(WMO; World Meteorological Organization)에서 지구상의 일곱 가지 주요 기후를 정하고 있는데 그중에사막기후지역(아리조나)과 고온다습지역(첸나이), 지중해성기후지역(세너리), 해양성 기후(서산) 등 다양한 기후환경에서의 지역을 설정하여 옥외노출을 진행하였으며, 각 지역별 기후특성은 아래와 같다.
둘째, 필드데이터와 가속시험 데이터로부터 얻어진 회귀직선으로부터 각각의 가속수명시험 시간과 필드에서의 수명을 예측하였다.White 색상의 경우 가속계수가 약 3배이며, 이에 따른 필드 예측수명은 2720 h 기준 약 0.
본 연구에서는 다양한 기후지역별 필드 데이터를 기반으로 하여 제논촉진시험과의 회귀분석을 통한 가속계수를 산출하였으며, 산출된 가속계수를 기반으로 지역별 기후 특성이 반영된 촉진내후성시험을 설계하고, 그로부터 정확한 지역별 광 열화 수명을 예측할 수 있는 solar uv 프로그램을 이용하여 전 세계 다양한 지역별 가속계수를 산출할 수 있었다[3].
본 연구에서는 도로용 표지판 재귀반사시트의 자연노화와 제논을 이용한 가속시험을 통해서 가속계수를 구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
도로용 표지판 재귀반사시트는 자외선, 온도, 그리고 수분 등이 재료의 노화에 영향을 주기 때문에 기후환경을 근거 및 재귀반사시트 해외수출국을 고려하여 옥외폭로사이트를 정하였다. 세계기상기구(WMO; World Meteorological Organization)에서 지구상의 일곱 가지 주요 기후를 정하고 있는데 그중에사막기후지역(아리조나)과 고온다습지역(첸나이), 지중해성기후지역(세너리), 해양성 기후(서산) 등 다양한 기후환경에서의 지역을 설정하여 옥외노출을 진행하였으며, 각 지역별 기후특성은 아래와 같다.
실내촉진 시험은 미국 ATLAS사의 제논아크를 이용한 촉진시험으로 CI 4000 모델을 이용하여 ASTM D 4956규격 기준에 따라 진행하였으며, 평가주기는 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000,4500, 5000 KJ/m2로 설정하였다.
자연환경에 직접 폭로하여 물리·화학적 성질의 경시변화를 조사하는 옥외폭로시험은 한국 서산, 인도 첸나이, 프랑스 세너리, 미국 아리조나 4개 지역을 선정하여 진행하였으며, 평가주기는 지역마다 받는 자외선 에너지양이 상이하기 때문에 약간의 차이는 있으나, 60,120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540, 600 MJ/m2로 정하였다.
재귀반사시트에 대한 xenon arc 시험기를 이용한 가속수명시험과 실제 수명의 상관관계를 파악하기 위해 평가주기를 500 KJ마다 5,000 KJ까지 반사성능을 측정하였다. 일반적으로 가속시험기에서 더욱 가혹한 시험조건을 설정할 수 있으나, 가속계수가 높아져서 더욱 짧은 시간에 수명 예측이 가능해 지지만 상관성이 떨어지기 때문에 일정이상 가속설정은 하지 않았다.
제논을 이용한 촉진시험은 5000 KJ, 필드 시험은 3년까지 경과한 도로용 표지판 재귀반사시트 샘플을 수거하여 초기 반사성능 대비 변화율을 측정한 후 회귀직선을 구하였다. 촉진시험은 97% 신뢰수준을 보였으며, 필드시험은 84% 신뢰수준을 보였다.
필드 데이터와 가속시험 데이터로부터 얻어진 회귀직선으로부터 재귀반사시트에 대한 반사성능변화율의 가속계수를 계산하였으며, 이에 대한 각각의 가속수명시험 시간과 필드에서의 수명을 예측하였다.또한, 필드에서 15000 h일 때 가속시험 시간을 산출하였다.
한국 ABNEXO사의 solar uv 프로그램을 이용하여 다양한 지역별(한국 서산, 인도 첸나이, 프랑스 세너리, 미국 아리조나) 가속계수를 산출하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 재귀반사시트는 크게 Top film, Backing film과 Pressure sensitive adhesive 세 가지로 구분되어 진다. Top 필름은 PMMA (Poly methyl methacrylate) 필름과 PC (Polycarbonate) 필름으로 구성되어 있으며, 표지판용 재귀반사시트 반사에 관여하는 주요 파트이다.
상기 단계까지 성형된 재귀반사시트를 표지판에 접착하기 위한 영구 접착형 점착제를 사용한다.재귀반사시트 칼라는 white, green, yellow로 선정하여 진행하였다.
해당지역별 기후데이터는 미국 ATLAS사에서 제공하는 글로벌 옥외사이트지역정보를 참고하였다[4]. 각 지역별 평균온도는 인도 첸나이가 28℃로 가장 높으며, 한국 서산지역이 11.
데이터처리
회귀분석방법은 기존 필드 측정 데이터를 근거로 모델 식을 유도한 후 가속계수를 산출하였으며, 모델링에 사용된 회귀분석방법은 독립변수(경과시간)와 종속변수(반사성능)가 각각 1개씩이고, 이들 사이의 관계가 비교적 직선관계(1차 함수)이므로, 단순회귀분석(simple regression analysis)을 사용하였다[5-6].
이론/모형
반사성능은 미국 ROADVISTA사의 940D photometric range system을 이용하여 옥외폭로 및 실내촉진 시험방법에 따라서 열화된 샘플표면을 각각 평가 주기별로 측정하였으며, 측정각도는 0.2°/30°이다.
성능/효과
해당지역별 기후데이터는 미국 ATLAS사에서 제공하는 글로벌 옥외사이트지역정보를 참고하였다[4]. 각 지역별 평균온도는 인도 첸나이가 28℃로 가장 높으며, 한국 서산지역이 11.8 ℃로 가장 낮고, 전체 일사량은 미국 아리조나가 8004 MJ로 가장 높았으며, 서산지역은 4700 MJ로 가장 낮았다.
넷째, 필드시험(서산지역) & 가속시험(제논) = 회귀분석(가속계수) × solar uv를 활용 다양한 지역별 가속계수를 통해 아래 표와 같은 가속계수를 구할 수 있었으며, 필드에서 15000 h (재귀반사시트의 인도시장에서 요구하는 필드 시험기간)에 해당하는 가속시험 시간을 구할수 있었다.
본 연구에서 사용한 solar uv 프로그램은 4개 지역의 실제 기후조건과 실험실 조건을 비교 분석하여 최적의 온도와 연간 uv조사량, 유효자외선, uv노출 시간을 추산하여 소재의 수명예측을 할 수 있었다. 즉,소재의 열화특성과 지역의 기후조건이 반영되지 못한 임의 조건으로 획일화된 규격시험에서 벗어나 소재별 열화특성과 지역별 기후특성을 반영하는 정밀하게 targeting된 촉진내후성 시험의 설계 가이드 프로그램이다.
서산지역을 기준으로 가속계수는 인도 첸나이 1.92, 미국 아리조나 1.82배, 프랑스 세너리 1.04배인 것을 확인할 수 있었다. 광 열화에 대한 소재의 민감도는 모를 경우 중간 정도의 값을 선택하는 것이 가장 이상적이나, 아는 경우에는 값을 선택하여 정밀한 테스트를 할 수 있다.
셋째, 본 연구에서 이용한 solar uv 프로그램을 활용한 해당 지역별 가속계수는 기준지역과 상대지역의 비를 통하여 계산하였으며, 서산을 기준지역으로 하여 인도 첸나이는 278/145 = 1.92, 미국 아리조나는 252/145 = 1.82, 프랑스 세너리는 150/145 = 1.04로 가속계수를 구할 수 있었다.
첫째, 필드 측정 데이터와 가속시험을 이용한 측정 데이터를 근거로 반사성능 변화율을 측정한 후 회귀분석을 실시하여 필드시험의 경우 97% 신뢰수준을 보였으며, 가속시험의 경우 84%의 신뢰수준을 확인하였다.
제논을 이용한 촉진시험은 5000 KJ, 필드 시험은 3년까지 경과한 도로용 표지판 재귀반사시트 샘플을 수거하여 초기 반사성능 대비 변화율을 측정한 후 회귀직선을 구하였다. 촉진시험은 97% 신뢰수준을 보였으며, 필드시험은 84% 신뢰수준을 보였다.
후속연구
즉,소재의 열화특성과 지역의 기후조건이 반영되지 못한 임의 조건으로 획일화된 규격시험에서 벗어나 소재별 열화특성과 지역별 기후특성을 반영하는 정밀하게 targeting된 촉진내후성 시험의 설계 가이드 프로그램이다. 향후 다양한 소재별 해당 지역에서의 광 열화 재현을 위한 최적의 촉진내후성 시험조건을 제시하여 그로부터 정확한 지역별광 열화 수명을 예측할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미국 3M에서는 어떤 데이터를 통해 무엇을 수행하고 있는가?
또한 다양한 기후 지역에 따라서 고장현상이 상이하기 때문에 필드 데이터는 매우 중요하다.미국 3M에서는 10년 이상 오랜 기간의 지역별 필드 데이터를 확보하여, 빛, 온도, 습도 등의 고장인자를 적용하여 수명예측을 수행하고 있으며[1], 이러한 필드 결과를 기반으로 수요기업에서의 요구 충족을 통하여 세계시장 80% 이상의 점유율을 차지하고 있다.
재귀반사시트란 무엇인가?
재귀반사시트는 입사된 빛이 특유의 패턴(Bead, Prism) 내에서 반사되어 입사된 방향으로 되돌아 나가는 재귀반사 원리를 이용하여 만들어진 시트를 말한다. 일반적으로 도로 위에서 볼 수 있는 도로/교통표지판에 재귀반사시트가 적용되는데, 야간 운전 시 차량(광원/전조등)으로부터 나온 라이트 빛이 표지판(재귀반사시트)에 의해 반사되어 다시 차량(광원/운전자) 쪽으로 되돌아가는 현상을 이용한 것이다.
재귀반사시트가 적용되는 표지판에는 어떤 문제가 생길 수 있는가?
일반적으로 도로 위에서 볼 수 있는 도로/교통표지판에 재귀반사시트가 적용되는데, 야간 운전 시 차량(광원/전조등)으로부터 나온 라이트 빛이 표지판(재귀반사시트)에 의해 반사되어 다시 차량(광원/운전자) 쪽으로 되돌아가는 현상을 이용한 것이다. 이러한 표지판은 오랜 시간 동안 옥외에 노출됨으로써 반사성능, 접착강도 저하, 침수 등 다양한 고장현상이 발생하게 된다. 그러나 이러한 고장현상 거동을 평가하는 방법에는 ASTM D 4956에서 2200 h 이후 반사성능 80% 이상이면 합격이라는 판정으로 기준이 명시되어 있으나, 실제 가속시험에 의한 결과가 필드 사용 조건에서의 상관관계 및 사용 수명을 모르고 사용하는 경우가 많다.
참고문헌 (6)
W. D. Ketola, Weathering testing for retro reflective sheeting a retro-perspective after 25 years of research, Proceedings of CORM 2007 Annual Conference: Optical Radiation Consensus Standards and Industry, May 8-11, USA (2007).
J. Back and K. Rhie, A development of a reliability prediction program using the field failure, Trans. Korean Soc. Automot. Eng., 20, 1-7 (2012).
D. J. Byun, WEESUR, Global exposure models for plastics material. International Workshop on Automotive Weathering Evaluation/Technology, April 1-40, Korea (2013).
Matthew McGreer, Weathering Testing Guidebook, 19-22, USA (2003).
D. Y. Kim and Y. J. Kim, Accelerated weathering test of urethane paint for heavy construction equipment, Int. J. Reliab. Appl., 1, 79-94 (2001).
L. S. Crump, Evaluation the durability of gel coats using outdoor and accelerated weathering techniques, Atlas Sun Spots, 3, 1-6 (1996).
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