[논문]다공성 TiO2-SiO2 복합 단열재의 열전도율 평가

최병철; 김종호; 김종범; 정우남; 이상현

doi:10.22710/jict.2018.8.1.021

다공성 TiO2-SiO2 복합 단열재의 열전도율 평가
Evaluation of Thermal Conductivity of Porous TiO2-SiO2-Base Thermal Insulation 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.8 no.1, 2018년, pp.21 - 25

최병철 (전남대학교 기계공학부) , 김종호 (전남대학교 화학공학부) , 김종범 ((주)빛과환경) , 정우남 (전남대학교) , 이상현 (한국표준과학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

We developed nano-porous $TiO_2-SiO_2$ composites (commercial name : PTI, porous titania insulator) with low thermal conductivity as thermal insulating material as well as function of photocatalyst. The objectives of this paper are, firstly, to evaluate of the thermal conductivity of the PTI powder in the temperature range from -160 to $250^{\circ}C$, secondly to evaluate of thermal conductivities of insulation materials that is applied PTI powder. The structure of the PTI powder that has the pores size of 20-30 nm and the particle diameter of 2-10 nm. The PTI had a high surface area of $400m^2/g$ and a mean pore size of $45{\AA}$, which was fairly uniform. The thermal conductivity was measured by GHP(guarded hot plate) method and HFM(heat flux method). The PTI structure is a three-dimensional network nano-structures composed by a pearl-necklace that involved a precious stone in the center of the necklace. The thermal conductivities of PTI-PX powder by the GHP and HFM were 0.0366 W/m.K, 0.0314 W/m.K at $20^{\circ}C$, respectively. This is similar to values that are proportional to the square of the absolute temperature of the thermal conductivity of static air. The thermal conductivities of insulating sheets coated with PTI powder were similar results with that of the PTI powder.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1 Thermal conductivities of insulation materials at 300 K .¹⁾
그림 Fig. 1 Heat conductivity measurement equipments (a) GHP method, (b) HFM.
그림 Fig. 2 Sampling zig for the GHP method(a) and actual insulator of the porous TiO₂-SiO₂ composite plate(b).
그림 Fig. 3. XRD patterns of porous TiO₂-SiO₂ composite.
그림 Fig. 4. SEM image of porous TiO₂-SiO₂composite.
그림 Fig. 5. TEM image of porous TiO₂-SiO₂ composite.
그림 Fig. 6. Nitrogen sorption isotherms patterns of porous TiO₂-SiO₂ composite.
그림 Fig. 7. Model of the PTI-PX structure.
그림 Fig. 8. Thermal conductivities of PTI-PX powder by the GHP method and HFM.
그림 Fig. 9. Thermal conductivities of insulating sheets coated PTI-PX powder by the GHP method.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구의 목적은 새로 개발한 PTI 단열재의 원료물질인 분말과 이를 단열재에 코팅하여 제조한 단열재 시트의 열전도율을 평가하여 단열재로서의 가능성을 검토하는 것이다.

제안 방법

77 K에서 질소 흡탈착 장치를 이용하여 다공성TiO₂-SiO₂ 복합재의 흡탈착 등온선과 표면적을 조사하였다(Fig. 6). 다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재는 400 m²/g의 높은 표면적을 가지고 있으며, 평균 세공 크기는 45 Å으로 상당히 균일하였다.
250℃에서 2시간 동안 가열하면서 진공펌프로 배기하였다. 77 K에서 측정한 흡착등 온선에 BET식을적용하여 표면적을 계산하였다. Porous TiO₂-SiO₂ composites의 입자 크기와 모양은 SEM (EX-200, S-4700/Horiba, Hitachi), TEM(JEM 2000 FXII, JEOL)으로 관찰하였다.
77 K에서 측정한 흡착등 온선에 BET식을적용하여 표면적을 계산하였다. Porous TiO₂-SiO₂ composites의 입자 크기와 모양은 SEM (EX-200, S-4700/Horiba, Hitachi), TEM(JEM 2000 FXII, JEOL)으로 관찰하였다.
복합재는 single stage acid catalyzed process에 의해 sol-gel 법으로 합성하였다. TiO₂ 분말을희석된 sodium silicate(containing 30 wt% of SiO₂)와 혼합하여 sol을 만든 후 hydrochloric acid (1 M HCl)을 pH가7이 될 때까지 서서히 첨가하였다. 이후 hydrogel이 생성되었으면 sodium ion을 제거하기 위하여 따뜻한물로 3회 세척 후 필터링하여 케이크를 얻었다.
다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재를 포함하는 시트는 다공성TiO₂-SiO₂ 복합재를 진한 현탁액으로 만들어 유리섬유를 함침하는 방법으로 제조하였다. 다공성 TiO₂- SiO₂ 복합재는 표면이 소수성이므로 수용성 무기 binder와섞이지 않는 문제점을 가지고 있다.
새로 개발한 PTI 단열재의 원료물질인 분말과 이를 단열재에 코팅하여 제조한 단열재 시트의 열전도율을 평가하여 단열재로서의 가능성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
40 kV와40 mA 조건에서 5 ~ 80 ˚ 범위를 2 ˚/min 속도로 주사하였다. 액체 질소 온도에서 질소의 흡착등온선을 부피식 자동 흡착 장치(Mirae SI, nanoPorosity-XG)로 그렸다. 250℃에서 2시간 동안 가열하면서 진공펌프로 배기하였다.
이를 극복하기 위하여 일정량 습윤제를 이용하여 표면을 친수성으로 바꾼 후 물에 혼합하여 진한 현탁액을 제조하였다. 여기에 무기 바인더를 첨가하여 밀링한 후 밀도가 낮은 유리섬유를 함침하였다. 이후 롤러를 거쳐 10 mm 두께의 시트로만든 후 150℃에서 12시간 건조하여 다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재를 포함하는 단열재를 제조하였다.
다공성 TiO₂- SiO₂ 복합재는 표면이 소수성이므로 수용성 무기 binder와섞이지 않는 문제점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위하여 일정량 습윤제를 이용하여 표면을 친수성으로 바꾼 후 물에 혼합하여 진한 현탁액을 제조하였다. 여기에 무기 바인더를 첨가하여 밀링한 후 밀도가 낮은 유리섬유를 함침하였다.

대상 데이터

열전도율 측정에 사용한 시편은 가로 x 세로 x 두께가200 x 200 x 10 mm이다(Fig. 2(a).
여기에 무기 바인더를 첨가하여 밀링한 후 밀도가 낮은 유리섬유를 함침하였다. 이후 롤러를 거쳐 10 mm 두께의 시트로만든 후 150℃에서 12시간 건조하여 다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재를 포함하는 단열재를 제조하였다.

이론/모형

9. Thermal conductivities of insulating sheets coated PTI-PX powder by the GHP method.
다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재 분말의 및 단열재 판의 열전도도 특성은 GHP(guarded hot plate)법과 HFM(heat flux method)에 의해 측정하였다(Fig. 1). GHP법 측정장치는 NETZSCH사의 Model GHP 456으로, 열전도율2 W/(m.
다공성 TiO₂-SiO₂ 복합재는 single stage acid catalyzed process에 의해 sol-gel 법으로 합성하였다. TiO₂ 분말을희석된 sodium silicate(containing 30 wt% of SiO₂)와 혼합하여 sol을 만든 후 hydrochloric acid (1 M HCl)을 pH가7이 될 때까지 서서히 첨가하였다.

성능/효과

1) 다공성 TiO₂-SiO₂ 복합 단열재(PTI)는 400 m²/g의높은 표면적을 가지고 있으며, 평균 세공 크기는 45 Å 으로 상당히 균일하였다.
2) –25 ~ 225℃의 온도 범위에서 PTI-PX 분말의 열전도율은 0.03 ~ 0.045 W/(m.K)을 나타내었다.
^1-2) 자동차 분야에서는 최근 전기자동차가 겨울철이나 추운지방에서 운전할 경우 배터리의 방전이 심해져 운행 마일리지가 줄어들어 배터리의 단열문제도 대두되고 있다.³⁾ 또한 우주의 극저온상태에서 우주인들이 활동을 하려면 우주복의 단열은 매우 중요하다.^4-6)
단열재의 대표적인 종류를 Table 1에 나타낸다.⁷⁾ 표에 나타난 가장 열전도율이 낮은 질 좋은 단열재는 실리카 분말임을 알 수 있다.우주에서는 주로 실리카-에어로겔이라는 분말의 단열재를 사용하고 있다.
측정 온도 범위는 –25 ~ 225℃이다. HFM에 의한 열전도도가 GHP법에 의한 것보다 약간 낮은 특성을 보이나, 그 차이는최대 0.004 W/(m.K) 정도이다. –25 ~ 225℃의 온도 범위에서 PTI-PX 분말의 열전도율은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질 좋은 단열재(insulation)를 요구하는 곳은 무엇이 있는가?	우리 주변에 단열재(insulation)를 사용하는 곳은 다양하다. 주택, 연소기, LNG(liquified natural gas)선1-2), 자동차3), 우주선4-6) 등에 질 좋은 단열재를 요구하고있다. 특히 LNG선의 단열은 매우 중요하다.
	가장 열전도율이 낮은 질 좋은 단열재는 무엇인가?	단열재의 대표적인 종류를 Table 1에 나타낸다.7) 표에 나타난 가장 열전도율이 낮은 질 좋은 단열재는 실리카 분말임을 알 수 있다.우주에서는 주로 실리카-에어로겔이라는 분말의 단열재를 사용하고 있다.
	LNG선의 단열이 중요한 이유는 무엇인가?	특히 LNG선의 단열은 매우 중요하다. 액화천연가스의 끓는점이 –163인 점을 감안하면 단열의 중요성을 알 수 있다. 2012년 3월 12일 일본 후쿠시마 원자력발전소의 사고 후 세계 각국에서는 원전을 줄이려는 노력을 하고 있다. 원전을 줄이면 발전량은 LNG를이용한 화력발전이 증가하여 LNG선의 사용빈도가높아진다. 우리나라와 같이 전 에너지의 95%를 수입에 의존하는 나라에서는 LNG의 수입 운반선의 단열은 매우 중요한 문제로 거론되고 있다.1-2) 자동차 분야에서는 최근 전기자동차가 겨울철이나 추운지방에서 운전할 경우 배터리의 방전이 심해져 운행 마일리지가 줄어들어 배터리의 단열문제도 대두되고 있다.

참고문헌 (7)

Y.H. Yu, B.G. Kim, D.G. Lee, "Cryogenic reliability of the sandwich insulation board for LNG ship", Composite Structures 95, p.547-556, 2013.

상세보기
Y.H. Yu, B.G. Kim, D.G. Lee, "Cryogenic reliability of composite insulation panels for liquified natural gas (LNG) ships", Composite Structures 94 (2), p.462-468, 2012.
How to Extend Your Electric Vehicle's Range During the Winter, https://www.fleetcarma.com/.
H.H. Tang, E.S. Orndoff, L.A. Trevino, "Mechanical Properties and Durability Study of Aerogel-Base Thermal Insulation for Advanced Space Suit", SAE paper No. 2003-01-2446, 2003.
H.H. Tang, E.S. Orndoff, L.A. Trevino, "Thermal Performance of Space Suit Elements with Aerogel Insulation for Moon and Mars Exploration", SAE Technical paper No. 2006-01-2235, 2006.
L.A. Trevino, E.S. Orndoff, H.H. Tang, G.L. Gould, R. Trifu, "Aerogel-Based Insulation for Space Suit", SAE Technical paper No. 2002-01-2316, 2002.
F.P. Incropera, D.P. DeWitt, "Fundamentals of heat and mass transfer 4th ed," John Wiley & Sons, p.833-838, 1996.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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