[논문]전통한식기와의 나노알루미노실리케이트 첨가에 따른 성능연구

김순호

doi:10.5345/jkibc.2020.20.5.425

전통한식기와의 나노알루미노실리케이트 첨가에 따른 성능연구
A Study on the Properties of Traditional Korean Roof Tile by Using Nano Alumino Silicate 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.5, 2020년, pp.425 - 432

김순호 (Industry-University Cooperation Foundation, Changwon University)

초록
AI-Helper

전통한식 점토기와는 외관이 미려하고, 내수성 및 내화성, 내구성이 우수하나 높은 소성온도를 요구하여 경제성과 중량문제 등으로 인하여 전통양식의 기와를 사용하기 보다 기존의 공법을 사용하고 있는 것이 현 추세이다. 이에 본 연구에서는 우리나라의 산청에서 생산되는 고령토와 점토의 기와 소재에 나노알루미나실리케이트를 첨가하여 1,000℃ 이하의 저온소성하면서 전통한식 점토기와로서의 요구되는 물성을 만족하는 최적배합과 재료의 공정을 설계하고 이를 통해 나노코팅 전통한식 점토기와 소재개발에 관한 특성은 연구하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The appearance of Korean traditional roof tiles is beautiful and excellent in water resistance, fire resistance and durability, but a high sintering temperature of 1,200℃ or higher is required. Therefore, due to the economical and heavy weight problem, the current trend is to use different roof finishing materials than Korean traditional roof tiles. By adding nanoaluminosilicate to clay and kaolin, which are the materials of the clay roof tiles, the sintering temperature is sintered at a low temperature of 1,000℃ or less, and the optimal mixing and material process is designed to satisfy the characteristics required as a Korean traditional roof tile. The results of this study again demonstrate the superiority of Korean traditional tiles with roof finishing materials using nanoaluminate. The properties of Korean traditional roof tiles that satisfy the criteria of KS F 3510 by applying fire resistance of natural minerals and nanoparticle technology to flexural strength of 2800N, Bulk specific gravity of 2.0g/㎤ and absorption rate of less than 10.0%, through which and researched materials development.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Experimental procedure for clay roof tile
표 Table 1. Target values of clay roof tile test analysis
표 Table 2. Chemical composition of starting materials
그림 Figure 3. Manufacture of clay roof tile
그림 Figure 2. Derivation of optimal blending conditions for clay roof tile and physical property testing
표 Table 3. Mixing ratio of materials for clay roof tile experiment
표 Table 4. Optimum mixing ration of clay roof tile
$Figure 4. Flexural fracture load test$ 그림 Figure 4. Flexural fracture load test
그림 Figure 5. Grinding test results of particle size for kaolin powder
그림 Figure 6. Manufacture of clay roof tile physical properties of specimens prepared at different sintering temperatures at 975~1,100℃
표 Table 5. Results of flexural strength
그림 Figure 7. Principle of nano coating
그림 Figure 8. SEM microstructure of clay roof tile with low temperature sintering at 975~1,100℃
표 Table 6. Results of total shrinkage

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Kaolin의 분쇄 경향성과 최적의 분산조건은 ①선속도, ②분쇄시간, ③분쇄매체 크기, ④분산제 종류에 따른 변수를 갖고 있으며, 상용으로 출시되는 분산제 중 Plycar boxylic Ammonium(PCA)계의 6종에 대한 결과를 활용하였다[8-10]. 또한 나노고령토 5.0% 그리고 저융점의 결합재인 나노알루미노실리케이트를 5.5% 첨가하여 제조 가능한 조건으로 전통한식 점토기와 소성온도 저하를 이루고자 하였다. 본 실험에 사용된 나노고령토의 입도는 0.
본 연구에서 개발한 나노코팅 건축용 전통한식 점토기와는 고령토와 같은 천연 광물질이 갖는 우수한 특성과 나노입자 제어기술 및 조성·흡착·분쇄·분산을 적용하여 전통한식점토기와를 제조함으로써 흡수율 및 휨 강도 등 우수한 특성의 최적배합과 제조공정을 설계하고 이를 통해 전통한식 점토기와 개발에 관한 것으로 세라믹 건축자재의 개발이 가능하게 되었다.
본 연구에서 개발한 최적 배합실험을 통한 점토기와에 대해 상기 시험결과를 Table 1의 목표치를 확인하기 위해 최적소성온도의 소성시험 결과 및 물리적 특성을 살펴보았다.
따라서 이를 해결하기 위해서는 기존의 열에너지를 이용하는 나노소재 및 Flux 투입에 따른 치밀화로 결합강도 증가를 유도하였다. 본 연구에서의 최적배합의 조건으로 성형된 시편의 물리적인 특성을 확보한 상태에서 향후 저온소성용 점토기와의 시제품 크기를 가정할 경우 제품을 연속 성형하기 위해 각 공정별 수축율 확인이 필요하였다. 이에 최적 소성온도 조건의 물성은 975℃(Figure 6 참조)이며, 수축율은 10.
그리고 우리나라 전통 건축물을 대표하는 한옥 건축물에 사용하고 있는 기와가 경제성 때문에 전통과는 거리가 멀고 환경적으로 부정적인 이미지를 갖고 있는 시멘트기와나 외국제품의 기와를 사용하는 것 또한 불편한 현실이다[2]. 이에 본 연구에서는 우리나라의 산청에서 생산되는 고령토와 점토의 기와의 주 원재료로 사용하고 나노알루미노 실리케이트를 첨가하여 1,000℃이하의 저온소성 기술[5,6]과 경량화 문제를 해결하고 전통한식 점토기와로서의 요구되는 물성을 만족하는 사용재료의 최적배합과 제조공정을 설계하고 이를 통해 전통한식 점토기와 소재개발에 관한 특성을 연구하여 관련 기초자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

3) 특히 결합재는 소성온도 1,000℃ 이하의 조건에서의 물성조건을 만족하는 범위를 찾기 위하여 저온소성의 융점을 낮추도록 Nano Alumino Silicate와 나노고령토를 첨가하는 조건으로 설정하였다. 또한 Nano Alumino Silicate 첨가량을 증가시켜 저온소성 및 강도가 증가할 수 있었으나 수축율의 증가로 향후 생산을 위한 가소성과 금형설계에 문제점을 고려한 최적배합을 설정하였다.
Kaolin의 분쇄 경향성과 최적의 분산조건은 ①선속도, ②분쇄시간, ③분쇄매체 크기, ④분산제 종류에 따른 변수를 갖고 있으며, 상용으로 출시되는 분산제 중 Plycar boxylic Ammonium(PCA)계의 6종에 대한 결과를 활용하였다[8-10]. 또한 나노고령토 5.
그리고 싱글 나노입자의 평가 등을 고감도, 고정도로 3가지 항목(나노입자측정·제타전위측정·분자량 측정)을 추가 분석하였다.
기존에 사용되고 있는 점토기와와 본 연구에서 개발한 점토기와의 물리적 특성을 KS F 3510에 따라 실시하였으며, RT-1은 기존 점토기와의 생산조건, RT-2는 최적배합조건의 원광상태에서 NAS를 첨가한 조건, RT-3은 최적배합조건의 원광 점토 및 고령토를 44㎛ 이하의 입도 조건으로 설정하였다. 이를 975℃, 1,000℃, 1,050℃, 1,100℃ 각각의 소성온도로 구분하여 검토한 결과는 Figure 6과 같이 나타났다.
내동해성 시험은 KS F 3510에 따라 총 30회 동결융해를 실시하였으며, 그 결과 모든 배합조건(RT-1, RT-2, RT-3)의 기와에서 외관의 균열이나 박리 등의 결점이 발생하지 않았다. KS 기준에서는 내동해성 시험은 10회 이상으로 규정되었으나 총 30회 실시한 바, 결점이 발생하지 않았기에 충분한 내동해성을 가지고 있는 것으로 판단된다.
이에 통상적으로 고온에서 저온경화는 거의 불가능하였다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 기존의 열에너지를 이용하는 나노소재 및 Flux 투입에 따른 치밀화로 결합강도 증가를 유도하였다. 본 연구에서의 최적배합의 조건으로 성형된 시편의 물리적인 특성을 확보한 상태에서 향후 저온소성용 점토기와의 시제품 크기를 가정할 경우 제품을 연속 성형하기 위해 각 공정별 수축율 확인이 필요하였다.
3) 특히 결합재는 소성온도 1,000℃ 이하의 조건에서의 물성조건을 만족하는 범위를 찾기 위하여 저온소성의 융점을 낮추도록 Nano Alumino Silicate와 나노고령토를 첨가하는 조건으로 설정하였다. 또한 Nano Alumino Silicate 첨가량을 증가시켜 저온소성 및 강도가 증가할 수 있었으나 수축율의 증가로 향후 생산을 위한 가소성과 금형설계에 문제점을 고려한 최적배합을 설정하였다.
전통한식 점토기와의 배합설계는 각 원재료의 입도와 화학성분을 Table 2와 같이 분석하고 1,000℃에서 소성하여 예상 배합을 설정하였다. 또한 소성온도별 제조한 전통한식 점토기와의 물리적 특성을 알아보기 위해 비율을 변화시켜 예비실험을 실시하였다.
본 연구에서 개발하고자 하는 전통한식 점토기와는 점토질 광물로써, 점토와 고령토, 나노고령토, 나노알루미노 실리케이트 등을 조합하고 성형성 및 작업성, 수축율을 고려하여 1,000℃이하 소성조건에 대한 예비실험을 실시하였다. 이를 최적배합을 선정 후, 소성온도별 시편을 제작하여 전통한식 점토기와의 물리적 특성을 검토하였다(Figure 1 참고).
본 연구에서 개발한 전통한식 점토기와의 물리적 특성을 알아보기 위하여 Table 1과 같이 5가지로 구분하고 목표품질을 달성하기 위해 기준값의 흡수율은 KS F 3510을 기준 10%이하와 부피비중과 기공율은 KS L 3114을 적용하여 2.00, 20%이하를 목표로 하였다. 방오성능은 KS L 2110기준으로 접촉각 105°이상을 목표로 하였으며, 휨강도는 KS F 3510를 기준으로 2,800N 이상의 값을 목표로 하였다.
휨 파괴 하중시험시 기와는 스팬 200㎜의 지지봉에 밀착시켰으며 이때 지지봉의 지름은 약 30㎜ 이상의 강재로 하였다. 스팬 중앙에 지지봉과 평행하게 지름 약 30㎜의 강재 환봉을 걸어 하중 49.0 N/s의 속도로 재하하였다.
본 연구에서 개발하고자 하는 전통한식 점토기와는 점토질 광물로써, 점토와 고령토, 나노고령토, 나노알루미노 실리케이트 등을 조합하고 성형성 및 작업성, 수축율을 고려하여 1,000℃이하 소성조건에 대한 예비실험을 실시하였다. 이를 최적배합을 선정 후, 소성온도별 시편을 제작하여 전통한식 점토기와의 물리적 특성을 검토하였다(Figure 1 참고).
8시간 이상이 경과 후 다시 20±5℃의 맑은 물속에 6시간 이상 담근다. 이후 시험체의 균열, 유약의 들뜸 유무 등을 관찰하는 것을 1회로 하여 총 30회의 동결 융해에 관한 내동해성 시험을 실시하였다.
입도분석(Particle Size Analyzer)은 Horriba사 LA-950으로 동적광산란식 입도분포 측정하였으며, 측정범위는 0.1∼8,000㎚이다.
점토기와의 최적배합의 시험편을 각각 975℃, 1,000℃, 1,050℃, 1,100℃ 소성온도별 결정상 미세구조의 변화를 SEM사진으로 10,000배율로 확대분석하였고 그 결과는 Figure 8과 같이 나타났다. 소성온도 975℃의 경우, Figure 8(a)와 같이 전체적으로 NAS의 Flux 액상으로 융착된 상태에서 서서히 결정 성장 SEED가 확인 가능한 상태로 나타나기 시작하였다.
최종적으로 상기와 같이 처리된 기와를 820∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하였으며 특히 5 내지 10분간 미연소 성분을 LPG 가스를 분사시켜 탄소성분을 토기와에 흡착시킨 후 냉각하여 기와를 제조하였다(Figure 3 참조).
출발원료의 사용은 1,000℃ 이하의 소성으로 KS L 3114에 따라 부피비중 2.00 이하, KS F 3510에 따라 흡수율 10% 이하 등의 조건을 고려한 최적배합을 도출하기 위한 예비실험을 Table 3의 배합비율을 변화시키며 진행하였다.

대상 데이터

원료조합은 Table 3과 같이 도출된 배합을 Ball Mill과 Pot mill에서 각각 24시간 milling한 후, 표준체 44㎛를 전통하는 입도를 사용하였다. 입도분석(Particle Size Analyzer)은 Horriba사 LA-950으로 동적광산란식 입도분포 측정하였으며, 측정범위는 0.
점토는 경남산청지역의 점토 원광을 분쇄 가공하고, 건축내화 재료용으로 사용되는 Al₂O₃, SiO₂을 주성분으로 하였다. Table 2는 사용재료의 화학조성과 평균입도를 X-선 형광분석기와 입도분석기로 분석한 결과이다.

이론/모형

내동해성 시험은 KS F 3510에 따라 실시하였다. 시험체를 20±5℃의 맑은 물속에 24시간 담근 후 꺼내어 –20±3℃의 냉동조에 넣어둔다.
방오성능은 KS L 2110기준으로 접촉각 105°이상을 목표로 하였으며, 휨강도는 KS F 3510를 기준으로 2,800N 이상의 값을 목표로 하였다.
수축율은 버니어캘리퍼스를 사용하여 시편을 30㎜ 간격으로 성형하고 건조 및 소성 후, 각각의 시편 길이의 변화를 KS F 4914 기준으로 측정하였다.

성능/효과

1) 본 연구를 통한 저온소성용 전통한식 점토기와는 Nano Alumino Silicate를 활용하였으며 최적배합조건은 중량기준으로 기와용 점토 74.5%, 나노고령토 5.0%, Nano Alumino Silicate 5.5%, 고령토 15.0%로 나타났다.
2) 최적배합조건에서 휨 강도는 14,203N로 나타났으며, 부피비중 2.00이하, 흡수율은 8.40%로 KS F 3510의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
4) SEM사진 분석결과 975℃ 부근의 NAS의 Flux에 의한 액상으로 융착된 상태에서 서서히 결정 성장의 SEED 결정상이 나타났으며, 1,000℃ 부근에서 재결정화로 이어져 점점 Mullite pick상이 증가되는 경향을 볼 수 있었다.
5) 최적의 배합 및 소성온도 조건에서 총 수축율의 변화는 10.58% 정도로 나타났으며, 나노코팅제를 적용한 접촉각 시험결과는 110°로 나타났다.
6) 이에 본 연구에서 저온소성용 전통한식 점토기와는 나노고령토와 Nano Alumino Silicate를 활용한 배합설계로, 지붕용 외장 마감재로 적용이 가능한 것으로 확인하였다.
Nano Alumino Silicate를 활용한 점토기와의 조성은 중량%를 기준으로 기와용 점토는 74.5%, 나노고령토는 5.0%, Nano Alumino Silicate는 5.5%이며, 고령토는 15.0%를 포함하는 배합으로 도출되었다. 이 저온소성용 전통한식 점토기와 조성의 배토를 토련기로 토련하고 24시간이상 숙성한 조건에서 보온 및 보습하여 기와를 성형하였다.
휨 파괴강도(Flexural fracture strength)는 KS F 3510 기준으로 측정한 결과는 Table 5와 같다. RT-0 1200℃ 공장생산품을 측정하였으며, RT-1 현장 생산배합을 실험실에서 시편제조, RT-2 최적배합의 나노알루미노실리케이트와 나노고령토첨가, RT-3 최적배합의 초미분쇄 5.0㎛이하 입도관리 배합을 1000℃ 소성 후 측정결과로 휨 파괴하중은 KS기준을 충족하였다.
소성온도 1,100℃ Figure 8(d)의 경우, 결정의 성장을 확인하기 어려웠으며 특히 1,000℃ 보다는 점점 액상이 증가함을 확인하였다. 또한 결정의 성장이후 전체적으로 유리액상이 융착되는 것을 확인가능한 상태로 나타났으며 Mullite 결정상이 유리상으로 완전히 코팅되는 형태로 나타났다.
0이하를 달성하는 체적의 소성온도조건은 975℃로 나타났다(Figure 6 (b) 참조). 또한 최적 배합비율조건과 소성온도별 부피비중을 확인한 바, 소성온도가 975℃이상으로 올라가면 부피비중은 2.0 이상으로 나타났다. 이는 Nano Alumino Silicate 저온소결재가 액상이 증가하여 비중도 증가한 것으로 보인다.
2.2 전통한식 점토기와 최적배합조건의 도출 배합
배합실험결과, 결합재의 종류 및 배합비율에 따른 최적배합은 Table 4와 같이 주 원재료인 점토를 74.5%, 고령토 15.0%, 나노고령토 5.0% 그리고 저융점의 결합재인 나노알루미노실리케이트를 5.5%로 하는 최적조건으로 배합 도출되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통한식 점토기와의 특징은 무엇인가?	전통한식 점토기와는 외관이 미려하고 내수성 및 내화성, 내구성 등이 우수하여 전통 건축물뿐만 아니라 현대 건축물에도 많이 사용되고 있는 지붕재료이다. 그러나 제조공정에서 높은 소성온도가 요구되며 이는 점토 내부의 이산화규소, 산화알루미늄 또는 산화칼륨 등의 조성 물질들이 고온소성 시 유리상의 투명한 고체로 융해되어 점토기와 내부에 균질하게 분포함으로써 조성물의 강도와 함수율을 결정하기 때문이다[1,2].
	전통한식 점토기와의 제조 공정에서 높은 소성 온도가 요구되는 이유는 무엇인가?	전통한식 점토기와는 외관이 미려하고 내수성 및 내화성, 내구성 등이 우수하여 전통 건축물뿐만 아니라 현대 건축물에도 많이 사용되고 있는 지붕재료이다. 그러나 제조공정에서 높은 소성온도가 요구되며 이는 점토 내부의 이산화규소, 산화알루미늄 또는 산화칼륨 등의 조성 물질들이 고온소성 시 유리상의 투명한 고체로 융해되어 점토기와 내부에 균질하게 분포함으로써 조성물의 강도와 함수율을 결정하기 때문이다[1,2]. 이에 소결 중 1,150℃까지 온도를 높이기 위해서는 다른 기와제조방법에 비해 연료와 시간이 많이 필요하고, 높은 소성온도를 오랫동안 유지시켜야 함으로써 경제적이지 않다[1,3].
	기와가 전통 건축물을 대표하는 한옥에 사용하는 것이라는 이유로 사용하기에 불편하여 어떤 상황에 처해있는가?	따라서 이러한 문제점을 개선하기 위하여 많은 지붕재의 마감 건축공법들이 제안되어 왔으나 경제성과 중량, 내구성 등의 문제로 기존의 공법을 사용하고 있는 것이 현 추세이다[4,5]. 그리고 우리나라 전통 건축물을 대표하는 한옥 건축물에 사용하고 있는 기와가 경제성 때문에 전통과는 거리가 멀고 환경적으로 부정적인 이미지를 갖고 있는 시멘트기와나 외국제품의 기와를 사용하는 것 또한 불편한 현실이다[2]. 이에 본 연구에서는 우리나라의 산청에서 생산되는 고령토와 점토의 기와의 주 원재료로 사용하고 나노알루미노 실리케이트를 첨가하여 1,000℃이하의 저온소성 기술[5,6]과 경량화 문제를 해결하고 전통한식 점토기와로서의 요구되는 물성을 만족하는 사용재료의 최적배합과 제조공정을 설계하고 이를 통해 전통한식 점토기와 소재개발에 관한 특성을 연구하여 관련 기초자료를 제시하고자 한다.

참고문헌 (10)

Kim EH, Yeo HJ, Lee YK. A study on reasonable policy direction for strengthening building safety. Institute of Architectural Urban Space. 2016 Oct;23:216-22.
Song KL, Choi JL, Song JK, Cheon DY, Lee BY. Properties of eco-friendly korean traditional rooftile based on alkali-activated blast Furnace Slag. Journal of the Archi tectural Institute of Korea. 2013 Aug;15(4):77-83.
Kim SH. On study of the energy analysis with mock-up house to hip green home. Proceeding of the Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems; 2011 Mar 25 : Seongnam, Korea. Seoul (Korea): Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems; 2011. p. 279-89.
Bang HC, Koo CW, Yeon HJ, Hong TH, Hyun CT, Koo KJ. Life-cycle performance model for selecting a exterior cladding in the design phase. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2007 Feb;23(2):75-8.
Kim SH, Choi JM. A study on the characteristics of low temperature sintering ceramic siding using natural minerals. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2019 Dec;35(12):149-56. https://doi.org/10.5659/JAIK_SC.2019.35.12.149
Kim SH. The study on development of porous lightweight construction materials with the hwangto [dissertation]. [Jinju (Korea)]: Kyeongsang National University; 2004. 163 p.
Kim SH, Kim HY. A study on the physical properties of MgO board for wall system. Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment. 2007 Aug;7(4):135-40.
Lee HS, Kim SH, Choi JM. A study on the natural cooling effect by ventilation control mode of window at school classroom. Journal of the Korean Solar Society of Korea. 2018 Aug;38(4):67-76. https://doi.org/10.7836/kses.2018.38.4.067
Kim SH, Hong SW, Lee DW, Kim SW, Shin CH, Kim KT. On study of the energy analysis with mock-up house to HIP green home. Proceeding of the Regional Association of Architectural Institute of Korea; 2010 Dec 10; Korea. Daegu (Korea): the Regional Association of Architectural Institute; 2010. p. 575-8.
Kim SH, Sung JK, Lee HR. A study for prevent condensation at corner copulas in outer wall of apartment building. Proceeding of the Regional Association of Architectural Institute of Korea; 2008 Dec 10; Korea. Daegu (Korea): the Regional Association of Architectural Institute; 2010. p. 507-10.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증