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문제 정의
- 이로 인해, 본 연구에서는 멤브레인형 LNG운반선의 탑재 재료인 유리섬유의 재료개발에서, 구조 복합재료에 기인한 실리카 에어로젤, 케블라 섬유, 글라스버블 등의 다양한 재료를 삽입 후 열전도 성능평가에 대한 연구를 수행한다.
- 본 연구에서는 상기 전술한 유리섬유의 이종재료 첨가에 의한 열전도 향상을 목적으로 시험편 제작을 수행하였다.
- 본 연구는 유리섬유의 열전도를 저감시키기 위해 이종재료를 삽입하며, 각기 다른 중량으로 인해 밀도를 변수로 열전도의 향상을 보고자 한다.
- 이러한 결과에 기인하여 본 연구에서는 밀도대비 성능을 확인하고자 하였으며, Fig. 11-14는 밀도 대비 열전도의 결과를 나타내었다.
- 본 연구는 순수 유리섬유에 이종재료를 첨가하여 열전도 향상을 목적으로 구조 복합재료에 기인하여 열전도 측정 실험을 수행하였다. 다음은 본 연구의 결과를 나타내었다.
제안 방법
- LNG운반선의 NO96타입에서 단열 시스템에 탑재되는 1차 방벽에서 균열 및 파손으로 인한 LNG의 누수, 선체의 균열로 인한 바닷물의 유입을 고려하여 유리섬유가 가진 열적 성능을 평가하였다.
- 이 연구는 opacifier와, 섬유 그리고 에어로젤의 첨가량을 달리하였으며, 최종적인 열전도는 유리섬유가 가진 0.03-0.04 W/mK보다 뛰어난 0.019-0.02 W/mK를 확보하였다.
- 열전도 성능평가는, 유리섬유를 기준으로 이종재료의 중량비(wt%; weight percent) 변화와 함께 밀도에 따른 열전도의 변화양상을 보고자, 측정시의 두께를 달리하여 열전도를 계측하였다.
- 이종재료가 지닌 열전도 성능이 미치는 영향을 확인하기 위해 열전도가 우수한 글라스버블, 실리카에어로겔과 유리섬유보다 다소 높은 열전도를 지닌 케블라 섬유를 고려하였다.
- 케블라 섬유의 길이에 따른 열전도에 기인한 변화를 계측하기 위하여 섬유길이 6 mm와 1 mm를 선정하였다. 첨가 후의 열전도는 측정한 유리섬유와의 열전도를 비교하며, 삽입 후의 모든 시험편들은 첨가량에 따른 중량비(wt%)와 측정시의 두께로 시나리오를 구분하였다. 이후, 두께 변화에 따른 밀도를 변수로 분석을 진행하였다.
- 첨가 후의 열전도는 측정한 유리섬유와의 열전도를 비교하며, 삽입 후의 모든 시험편들은 첨가량에 따른 중량비(wt%)와 측정시의 두께로 시나리오를 구분하였다. 이후, 두께 변화에 따른 밀도를 변수로 분석을 진행하였다. 삽입하는 이종재료는 Table 1에 나타내었으며, 이종재료의 원재료에 대한 일반적으로 알려진 열전도 성능은 Table 2에 도시하였다.
- 이종재료는 유리섬유의 내부에 삽입하여 열전도 측정을 수행하였으며, 내부에 삽입하기 위해서는 유리섬유를 분리하여야하기 때문에 본 연구에서는 분리 후의 유리섬유의 열전도를 재측정하였다.
- 열전도 측정은 상온 20℃에서 계측하였으며, 두 시험편은 동일한 유리섬유를 분리 전·후로 나누었다.
- 또한, 본 연구는 두께를 이종재료 첨가에 따른 두께 대비 열전도를 계측하기 위해 상하부의 패널의 위치를 제어하였다.
- 해당 장비는 평판열류계법으로 다양한 범위의 두께를 가진 시료에 일정한 온도 편차를 부과하여 두 개의 Heat flux 센서를 통해 열전도를 계측한다. 또한, 본 연구는 두께를 이종재료 첨가에 따른 두께 대비 열전도를 계측하기 위해 상하부의 패널의 위치를 제어하였다.
- 유리섬유의 열전도를 향상시키기 위해, 케블라 섬유 1 mm와 6 mm를 중간에 삽입하여 열전도를 측정하였다.
- 케블라 섬유는 유리섬유를 기준으로 중량비(10%, 20%, 30%, 40%)로 분류하였으며, 각각의 중량비는 유리섬유와 삽입된 케블라 섬유의 밀도를 변화시키기 위해 두께를 3 mm, 4 mm, 5 mm로 설정하였다.
- 케블라 섬유는 우수한 기계적 강도와 함께 내충격성 그리고 절연성이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 또한, 섬유의 길이에 따라 기계적 성능과 함께 열적 성능이 차이남에 따라 본 연구에서는 1 mm, 6 mm에 대한 섬유 길이를 선정하여 열전도 측정시험을 수행하였다. 케블라 섬유의 자체적인 열전도는 0.
- 또한, 동일한 절차로 두께를 변화시켜 밀도를 변수로 하였다.
- 글라스버블의 첨가는 1wt% - 5wt%까지 1wt%로 증가하여 열전도를 계측하였다. Table 7, Fig.
- 실리카에어로젤의 첨가는 5wt% - 15wt%까지, 1wt%로 증가하여 첨가량에 따른 열전도를 계측하였다. 또한, 동일한 절차로 두께를 변화시켜 밀도를 변수로 하였다.
대상 데이터
- 케블라 섬유의 길이에 따른 열전도에 기인한 변화를 계측하기 위하여 섬유길이 6 mm와 1 mm를 선정하였다.
- 유리섬유는 가공이 용이하여, 일정한 길이와 폭으로 열전도 실험이 진행되었으며, 길이와 폭은 운용하는 장비에서 제안하는 치수인 300mm, 300mm로 각각 설정하였다.
- 본 연구에서 사용한 열전도 측정 장비는 HFM 436이다. 열전도 측정 장비의 측정 가능한 시험편의 치수는 가로, 세로 각각 300 mm, 300 mm, 두께는 1~200 mm이며, 온도범위는 –20~70℃ 그리고 열전도율범위는 0.
데이터처리
- 본 실험은 3회 반복 실험을 통해 신뢰도 검증을 수행하였으며, 계측 결과는 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 유리섬유의 실험 결과는 이종 재료 첨가시 기준이 되는 유리섬유의 열전도는 본 연구에서 수행하는 두께 3 mm, 4 mm, 5 mm에 대한 이종재료의 첨가에 따른 변화된 열전도의 비교지표로서 사용된다.
성능/효과
- 실험결과 산정한 모든 시나리오에서 KS 표준 규격이 제시한 열전도율보다 낮은 결과로 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타내었다.
- 하얼빈과 베이징의 추운 지역 건축물에 적용 후 결과로서 에너지 흡수의 효율성 측면에서 단열 두께는 20mm 이상이 탁월하다는 결과를 얻었다.
- 실험결과 분리 이전 유리섬유는 0.031905 W/mK 였으며, 분리 후 0.03201 W/mK로 열전도는 1.74%로 소폭 상승하였다.
- 케블라 섬유 1 mm를 삽입한 유리섬유는 두께 3 mm, 4 mm, 5 mm에서는 모든 중량비에서 열전도가 상승하는 결과를 얻었다.
- 각각의 두께별로는 첨가량이 증가할수록 일정하게 열전도가 떨어지는 결과를 획득하였으며, 1 wt%별로는 큰 폭의 변화는 없었다.
- 실리카에어로젤을 첨가한 유리섬유는 두께 3 mm에서 중량비 (wt%) 7%, 두께 4mm에서 또한 7wt%, 10wt% 및 두께 5 mm에서 7 wt%, 10 wt%, 11 wt%, 12 wt%, 15 wt%를 제외하고는 열전도가 향상되는 결과를 얻었다.
- 유리섬유에 글라스버블을 첨가한 경우, 극히 미소하다고 판단되는 1wt% 폭으로 증가할 때마다 열전도가 일정하게 변화하는 결과를 얻었다.
- 글라스버블을 첨가한 유리섬유는 중량비가 증가하는 3%, 4%, 5%에서 모두 열전도가 극히 낮아지는 결과를 얻었다.
- 반면에 케블라 섬유 6 mm가 삽입된 유리섬유는 두께 3mm에서 는 열전도가 소폭 상승하였으나, 이후의 두께 4 mm, 5 mm에서 는 모든 중량비에서 열전도가 낮아짐을 확인하였다.
- 밀도대비 성능에서 케블라 섬유 1 mm에서는 20 wt%에서 열전도가 낮게 측정되었으며, 케블라 섬유 6 mm는 오히려 두께 4 mm, 5 mm에서 열전도가 낮게 측정된 반면, 밀도 대비 열전도 성능은 30 wt%에서만 낮은 결과를 확보하였다.
- 두께대비 열전도 실험결과에서는 3wt%이후부터 열전도가 극히 낮아졌으며, 반면에 밀도대비 열전도에서는 1wt% 또한 열전도가 낮은 결과를 확보하였다.
- 실험 결과, 케블라섬유 1mm에서는 삽입한 유리섬유는 모두 열전도가 상승하였나, 케블라섬유 6mm에서는 두께 4mm 이상에서 오히려 열전도가 모든 시나리오에서 낮아져 향상되는 결과를 획득하였다.
- 실리카에어로겔 역시 중량비의 증가에 따른 경향성은 동일하나 글라스버블과 반대로 모든 시나리오가 열전도 성능이 다소 상승하였으며, 이러한 결과로 중량비 6, 10, 11, 12, 1 5wt%에서 열전도가 상승함을 볼 수 있다.
- 밀도대비 성능에서 케블라 섬유 1 mm에서는 20 wt%에서 열전도가 낮게 측정되었으며, 케블라 섬유 6 mm는 오히려 두께 4 mm, 5 mm에서 열전도가 낮게 측정된 반면, 밀도 대비 열전도 성능은 30 wt%에서만 낮은 결과를 확보하였다. 글라스버블이 삽입된 유리섬유는 wt%의 증가에 따른 경향성을 동일하나, 오히려 1 wt%에서 열전도 성능이 우수하게 측정되었다. 실리카에어로겔 역시 중량비의 증가에 따른 경향성은 동일하나 글라스버블과 반대로 모든 시나리오가 열전도 성능이 다소 상승하였으며, 이러한 결과로 중량비 6, 10, 11, 12, 1 5wt%에서 열전도가 상승함을 볼 수 있다.
- ● 실리카에어로겔의 자체적인 열전도는 0.02W/mK이며, 두께대비 열전도에서는 8wt%이후부터는 일정 열전도가 낮아졌으나, 밀도대비 성능에서는 8wt%, 9wt%, 13wt% 및 14wt%에서만 성능이 좋아짐을 확인하였다.
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