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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 최근 신소재 단열재로 주목받고 있는 실리카 에어로겔을 이용하여 현재 사용되고 있는 다겹보온커튼의 단점을 보완하고 보온성을 유지 및 향상시킬 수 있는 새로운 조합의 다겹보온커튼을 제작 하고, 보온 특성을 분석하고자 한다.
- 또한 보온성을 높이기 위해 보온커튼의 두께가 증가함에 따라 하중 증가, 통기성 감소 등 여러 문제점이 발생하고 있다(Chang 등, 1996). 이러한 다겹보온커튼의 문제점을 해결하기 위하여 보온성이 우수하며 무게가 가볍고, 부피가 작은 실리카 에어로겔을 단열재로 대체하는 방법에 대하여 연구를 진행하였다.
- 이에 본 연구에서는 최근 신소재 단열재로 주목받고 있는 실리카 에어로겔을 이용하여 현재 사용되고 있는 다겹보온커튼의 단점을 보완하고 보온성을 유지 및 향상시킬 수 있는 새로운 조합의 다겹보온커튼을 제작 하고, 보온 특성을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 2와 같이 하단에 설치하여 내부의 대류 등에 의한 공기 온도분포를 고려하였다. 또한 두 개의 소형 대류팬을 설치하여 장치 내 균일한 온도분포가 되도록 제작하였다.
- 시험에 사용된 다겹보온커튼은 Table 1과 같이 총 6개의 조합으로 제작하여 시험을 실시하였다. 모든 조합에는 마트지를 양면에 사용하였는데, 이는 마트지가 내광성과 내구성이 우수하여 시판되고 있는 다겹보온커튼에도 사용되고 있어 새로운 조합의 다겹보온커튼에도 적용하였다. 내부 단열재는 마트지(Ⓐ), 중공사부직포(Ⓑ), 에어로겔 멜트블로운(Ⓒ), 발포 에어로겔 부직포(Ⓓ) 4가지를 조합하여 사용하였다.
- 부직포에 에어로겔을 첨가하기 위해 0.36mm의 직경을 갖는 노즐을 장착한 멜트블로운 설비를 이용하여 MI 1,800의 폴리프로필렌 수지를 방사온도 290ºC, 공기온도 300ºC, 토출량 0.5g/hole의 조건으로 방사하고 에어로겔 분말을 원료 대비 5% 투입되도록 하였다.
- 시험 장치는 철제 프레임을 기본구조로 사용하였으며, 장치 측면과 바닥면을 압축발포폴리스티렌(두께 50mm, 열전도율 0.028W/mºC)으로 보강하여 외부로 방출되는 열을 최소화 하였으며, 장치의 크기는 1,000×1,000×900mm(W×D×H)로 제작하였다(Chung 등, 2009; Kim 등, 2009; Jin 등, 2018)(Fig. 1).
- 5℃,상대습도 75 ± 3%의 조건에서 외부 변수를 차단하기 위하여 밀폐된 공간에서 시험을 실시하였다. 시험은 장치를 20~30분간 가열하여 60℃가 되는 시점에 열원의 전원을 차단한 뒤 장치 내부온도가 상온으로 복귀되는 과정의 열유속과 온도를 측정하여 각 다겹보온커튼별 보온성을 비교 분석하였다.
- Table 3은 보온커튼별 실내외 온도차에 따른 열관류율을 나타낸 것이다. 실내외 온도차는 10℃, 20℃, 30℃ 3가지로 구분하여 열관류율을 계산하였다. 열관류율은 단위 면적당 열이 이동하는 양으로 낮을수록 단열이 잘되어 보온성이 높은 것으로 판단된다.
- 실험실 환경조건은 온도 23 ± 0.5℃,상대습도 75 ± 3%의 조건에서 외부 변수를 차단하기 위하여 밀폐된 공간에서 시험을 실시하였다.
- 본 연구는 최근 신소재 단열재로 주목받고 있는 실리카 에어로겔을 이용하여 현재 사용되고 있는 다겹보온커튼의 단점을 보완하고 보온성을 유지 및 향상 시킬 수 있는 새로운 조합의 다겹보온커튼을 제작 하고, 보온 특성을 분석하고자 한다. 실험에 사용된 다겹보온커튼은 에어로겔이 함유된 부직포를 사용하여 총 6가지의 조합으로 제작하였으며 중량, 두께 및 온도변화에 따른 열유속을 측정하여 비교분석하였다.
- 시험에 사용된 부직포용 원사는 폴리에스테르 3De’, 길이 51mm, 중공율 20%를 사용하였으며, 에어로겔은 분산 액의 제조에 있어서 침투 및 가공특성에 중요한 인자인 입도를 제어하기 위해 5~100µm의 에어로겔 파우더를 선택하였다. 에어로겔을 포함한 발포 부직포의 제작은 자체 선행연구 결과를 바탕으로 아크릴계 수지를 적용하고 vinyl chloride계와 amine계, co-polymer의 저비점 탄화수소를 포함하는 열팽창성 microcapsule을 혼합하여 에어로겔 함량을 5%로 함침조에 투입하였다. 이를 통해 선행 연구에서 확보된 조건으로 중공사 보온재를 함침하고 wet pick-up율을 50~60%로 제어하기 위해 스퀴징 로울러를 통과시키고 전개하여 발포 개시 온도인 약 80ºC까지 1차 승온 시켰다.
- 2와 같이 열유속 센서(AHLBORN, ZA9007-FS, Germany) 2개를 중심과 외각에 설치하여 평균값을 취해서 열유속을 측정하였다. 온도 측정은 AHLBORN사의 온습도센서(FH A646-E1C, Germany)를 각각 실내외에 설치하여 시험 장치내부의 온도변화와 실외 온도변화를 측정하였다. 실험 데이터는 1초 간격으로 측정하였으며, 1분간 데이터의 평균값을 이용하여 그래프를 작성하고 각 다겹보온커튼별 차이를 분석하였다.
- 이를 통해 선행 연구에서 확보된 조건으로 중공사 보온재를 함침하고 wet pick-up율을 50~60%로 제어하기 위해 스퀴징 로울러를 통과시키고 전개하여 발포 개시 온도인 약 80ºC까지 1차 승온 시켰다.
- 이어서 팽창온도인 110~130ºC로 재차 승온하고 6~8m/min의 속도로 진행시켜 최대 150ºC에서 발포, 안정화 할 수 있도록 하였다.
- 열유속은 단위면적당 통과하는 열의 흐름을 의미(Yang, 2005)하는 것으로, 열유속 측정을 통해 보온커튼별 열의 흐름을 분석하여 보온성을 구명하였다. 이에 본 연구에서는 열유속을 측정하기 위하여 Fig. 2와 같이 열유속 센서(AHLBORN, ZA9007-FS, Germany) 2개를 중심과 외각에 설치하여 평균값을 취해서 열유속을 측정하였다. 온도 측정은 AHLBORN사의 온습도센서(FH A646-E1C, Germany)를 각각 실내외에 설치하여 시험 장치내부의 온도변화와 실외 온도변화를 측정하였다.
- 조합된 다겹보온커튼은 1,200×1,200mm(W×D)의 크기로 재단하여 시험 장치 상부에 패드와 사철을 이용하여 탈부착이 용이하게 설치하고, 외부와의 열접촉을 차단하여 실험을 실시하였다.
- 조합된 다겹보온커튼은 기본 물성치를 측정하기 위하여 다이얼치크니스게이지(H, PEACOCK, Japan)와 분석용 전자저울(GF-400, A&D, Japan)을 이용하여 두께와 단위면적당 무게를 측정하여 열유속과의 상관성을 분석하였다.
대상 데이터
- 모든 조합에는 마트지를 양면에 사용하였는데, 이는 마트지가 내광성과 내구성이 우수하여 시판되고 있는 다겹보온커튼에도 사용되고 있어 새로운 조합의 다겹보온커튼에도 적용하였다. 내부 단열재는 마트지(Ⓐ), 중공사부직포(Ⓑ), 에어로겔 멜트블로운(Ⓒ), 발포 에어로겔 부직포(Ⓓ) 4가지를 조합하여 사용하였다. 조합된 다겹보온커튼은 1,200×1,200mm(W×D)의 크기로 재단하여 시험 장치 상부에 패드와 사철을 이용하여 탈부착이 용이하게 설치하고, 외부와의 열접촉을 차단하여 실험을 실시하였다.
- 물성측정에 사용된 Sample은 조합된 다겹보온커튼별로 임의의 위치에서 100×100 mm(W×D)의 크기로 무작위 5개를 선택하여 실시하였다.
- 시험에 사용된 다겹보온커튼은 Table 1과 같이 총 6개의 조합으로 제작하여 시험을 실시하였다. 모든 조합에는 마트지를 양면에 사용하였는데, 이는 마트지가 내광성과 내구성이 우수하여 시판되고 있는 다겹보온커튼에도 사용되고 있어 새로운 조합의 다겹보온커튼에도 적용하였다.
- 시험에 사용된 부직포용 원사는 폴리에스테르 3De’, 길이 51mm, 중공율 20%를 사용하였으며, 에어로겔은 분산 액의 제조에 있어서 침투 및 가공특성에 중요한 인자인 입도를 제어하기 위해 5~100µm의 에어로겔 파우더를 선택하였다.
- 에어로겔 멜트블로운은 부직포에 에어로겔 페이스트 형태와 분말형태의 두 가지로 제조하여 사용하였다. 부직포에 에어로겔을 첨가하기 위해 0.
데이터처리
- 온도 측정은 AHLBORN사의 온습도센서(FH A646-E1C, Germany)를 각각 실내외에 설치하여 시험 장치내부의 온도변화와 실외 온도변화를 측정하였다. 실험 데이터는 1초 간격으로 측정하였으며, 1분간 데이터의 평균값을 이용하여 그래프를 작성하고 각 다겹보온커튼별 차이를 분석하였다. 실험실 환경조건은 온도 23 ± 0.
이론/모형
- Table 2는 보온커튼의 두께, 무게 그리고 겉보기 두께를 나타낸 것이다. 두께 측정은 KS K 0506 섬유 두께측정법에 의거하여 측정을 실시하였으며, 겉보기 두께는버니어 캘리퍼스를 사용하여 보온커튼이 압축되지 않을 때의 두께를 측정한 값이다. 보온커튼별 단위면적당 무게는 No.
성능/효과
- 또한 Yoon과Koo(2012)와 Park 등(2013)은 에어로겔을 이용한 단열재를 제작하여 구조적인 특성, 열 및 기계적인 특성을 분석하였다. 그 결과 공통적으로 에어로겔 함량이 증가함에 따라 열전도율이 감소하여 단열효과가 향상되는 결과를 얻었으나, 에어로겔 함량 증가에 따라 급격한 강도저하를 확인할 수 있었다고 하였다.
- 이와 관련하여 Cha와 Kim(2011)은 아크릴계 점착제(PSA)에 에어로겔을 섞어 만들어진 점착제를 건물 창호에 적용하여 단열 특성을 파악하였다. 그 결과 에어로겔이 섞인 PSA를 필름에 도포하면 열전도율이 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며, 수지의 질량대비 에어로겔 함유 20wt%일 때 전체 열전도율은 약 28%정도 낮아짐을 확인하였다. 또한 Yoon과Koo(2012)와 Park 등(2013)은 에어로겔을 이용한 단열재를 제작하여 구조적인 특성, 열 및 기계적인 특성을 분석하였다.
- 하지만 에어로겔 발포 부직포(Ⓓ)의 경우 에어로겔을 발포제와 혼합하여 페이스트 형태로 만들고 여기에 중공사 부직포를 담갔다 꺼내서 건조하는 공정으로 비교적 제작공정이 단순한 장점이 있었다. 그리고 중공사 부직포(Ⓑ)와 에어로겔 발포 부직포(Ⓓ)가 조합된 No.4의 보온성은 No.5에 비해 상대적으로 낮게 측정되었으나 그 차이는 미미하고 다른 조합의 다겹보온커튼에 비해 높은 보온성을 나타내어 추후 양산을 고려한다면 No.4 다겹보온커튼이 실제 농가에서 사용하기에 가장 적합하다고 판단된다.
- 1 순으로 낮게 측정되었다.두께와 겉보기 두께는 동일한 결과로 나왔으며, 중공사 부직포(Ⓑ)가 포함된 보온커튼이 다른 조합의 보온커튼에 비해 상대적으로 높은 두께를 나타냈다. 무게는 두께와 거의 유사한 결과가 도출되었으며, 중공사 부직포(Ⓑ)가 포함된 보온커튼이 다른 조합의 보온커튼에 비해 상대적으로 높은 무게를 나타냈다.
- 4조합은 가장 무겁고 두꺼웠으나, 보온성은 보온커튼 중 상대적으로 비교적 높은 수치로 분석되어 무게와 두께는 보온성과 상관성이 높은 것으로 판단된다. 또한 조합된 단열재의 매수가 증가함에 따라 보온성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 두께와 겉보기 두께는 동일한 결과로 나왔으며, 중공사 부직포(Ⓑ)가 포함된 보온커튼이 다른 조합의 보온커튼에 비해 상대적으로 높은 두께를 나타냈다. 무게는 두께와 거의 유사한 결과가 도출되었으며, 중공사 부직포(Ⓑ)가 포함된 보온커튼이 다른 조합의 보온커튼에 비해 상대적으로 높은 무게를 나타냈다.
- 열유속은 시험장치를 가열하는 25분간 급격하게 상승한 뒤 열원을 차단시킨 후 3시간에 걸쳐 서서히 초기값으로 복귀하였다. 보온커튼별 초기값으로 원상 복귀하는 시간에는 크게 차이가 없었고, Fig. 5와 같이 최고 열유속에서 뚜렷한 차이를 나타냈으며, 이후 차이를 유지하며 초기값으로 복귀하였다.
- 8℃)순으로 낮게 나타났다. 시험 후 3시간이 경과한 시점에서 No.2, No.3는 외기 온도와 같은 수준으로 온도가 하강하였으나, 그 외 조합은 외부기온보다 평균 2℃가량높게 온도를 유지하였다. 이는 내부 단열재의 매수 차이를 통해 나타난 결과로 판단되며, 단열재의 매수가 많을수록 보온성이 우수하여 열손실이 적게 나타난 것으로 사료된다.
- 표면온도는 내부온도와 달리 시험경과 3시간 뒤에도 뚜렷한 차이를 나타냈다. 실험 결과 내부 단열재 매수가 많아짐에 따라 보온성이 우수한 것을 확인 할 수 있었으며, 단열재 Ⓑ와 Ⓒ에 따라서도 보온성의 차이를 나타냈다. Ⓑ를 두 개 조합한 No.
- 실험 결과 다겹보온커튼의 보온성은 내부단열재의 사용매수와 무게 및 두께가 증가함에 따라 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 조합별 보온커튼의 무게와 두께는No.
- 실험결과 조합별 보온커튼의 열유속은 마트지+에어로겔 멜트블로운+발포 에어로겔 부직포+에어로겔 멜트블로운+마트지 조합이 가장 낮게 측정되었다. 열유속은 단위면적당 단위시간에 통과하는 열량을 뜻하며 수치가 높을수록 다겹보온커튼을 통과하는 열량이 많다는 것을 의미하여 보온성이 낮다고 판단할 수 있다.
- 열유속은 단위면적당 단위시간에 통과하는 열량을 뜻하며 수치가 높을수록 다겹보온커튼을 통과하는 열량이 많다는 것을 의미하여 보온성이 낮다고 판단할 수 있다.이에 따른 실험 결과로는 No.5 조합의 다겹보온커튼이가장 우수한 보온성을 나타내며, 그 다음으로 큰 차이 없이 No.6, No.4 순으로 보온성이 우수한 것으로 나타났다.
- 열유속은 단위면적당 단위시간에 통과하는 열량을 뜻하며 수치가 높을수록 다겹보온커튼을 통과하는 열량이 많다는 것을 의미하여 보온성이 낮다고 판단할 수 있다. 조합형 보온커튼의 무게와 두께는 보온성과 상관이 높은 것으로 나타났으며, 특히 에어로겔 멜트블로운 부직포가 조합된 보온커튼이 같은 매수의 단열재가 조합된 보온커튼에 비해 보온성이 상대적으로 높게 나타났다. 하지만 에어로겔멜트블로운 부직포는 내광성과 내구성이 약하고, 까다로운 제작공정과 에어로겔이 비산하는 문제점이 있다.
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