[논문]바닥난방시스템 적용을 위한 MPCM 성능평가

정수광; 전지수; 김수민

문제 정의

이러한 PCM을 활용한 건축자재가 에너지 절약 및 CO2저감에 기여하고 있음은 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 본 논문에서는 이러한 PCM을 목질바닥재의 열적성능을 향상시키기 위해 파우더 형태의 MPCM을 목질바닥재의 시공에 쓰이는 접착제와 혼합을 하였다. 목질바닥재는 장판에 비해서 표면이 단단하고, 내구성이 좋으며, 화재에 안정적이며, 미적으로 우수한 외관을 가지고 있는 등 다양한 소비자들의 욕구를 충족시킬 수 있는 최적의 바닥재로 각광받고 있다[6].
이러한 목질바닥재는 온돌과 같은 바닥난방시스템에 적용이 되는데 현재 국·내외의 많은 기관에서 바닥난방시스템과 관련한 연구가 활발히 진행되고 있고 이러한 난방방식이 매우 효과적이라는 것을 증명하고 있다. 이에 본 논문은 MPCM 적용을 통한 목질바닥재를 통한 바닥난방시스템에서의 열적성능 개선에 대한 연구를 진행하였다.
실험은 5시간동안 건조된 MPCM을 접착제와 혼합함으로서 목질바닥재 시공 시에 적용함으로서 열적 특성을 높이는 것을 목적으로 하였다. 목질바닥재의 시공에 들어가는 접착제는 주제와 경화제를 1:1비율로서 혼합하고 stirring과정을 거쳐 제조한다.
현재 국·내외적으로 건축물의 에너지소비 저감과 관련한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 바닥난방시스템에 적용하는 목질바닥재의 열 성능의 개선을 통해 냉난방부하를 낮춰 결과적으로 에너지소비를 저감시킬 수 있는데 본 논문에서는 MPCM을 통한 목질바닥재의 열성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 파우더 형태의 MPCM을 Epoxyresin과 Hardener와의 혼합물에 wt% 비율로 혼합한 MPCM/Adhesivecomposites를 제조하였다.

제안 방법

61kJ/kg이다. 또한 목질바닥재에 시공이 되는 접착제는 주제가 에폭시 수지로서 오공접착회사에서 공급받았으며 여기에 경화제를 혼합해서 제조하였다.
목질바닥재의 시공에 들어가는 접착제는 주제와 경화제를 1:1비율로서 혼합하고 stirring과정을 거쳐 제조한다. 본 실험은 1:1비율로 제조된 목질바닥재 시공용 접착제에 건조된 MPCM을 3wt%,5wt%, 7wt%, 10wt%의 비율로 10분간 shearing stirrer로 stirring함으로서 실험을 진행하였다. 실험에 들어간 목질바닥재 시공용 접착제와 MPCM의 혼합비율은 다음의 표 1에 나타내었다.
실험에 들어간 목질바닥재 시공용 접착제와 MPCM의 혼합비율은 다음의 표 1에 나타내었다. 실험은 SEM (scanningelectronmicroscopy) 분석과 FTIR(Fouriertransform infrared)분석과 DSC (differentialscanningcalorimetry) 분석을 통한 분산 및 열적특성에 관한 분석을 실시하였다.
순수한 Epoxyresin과 Hardener의 혼합을 통해 제조된 접착제의 경우 축열 특성이 없다. 따라서 본 논문에서는 MPCM을 wt% 비율에 따라 혼합하였다. 실험에 사용된 MPCM의 잠열량은 66.
61kJ/kg이다. DSC분석은 순수한 Adhesive와 MPCM의 5wt%와 10wt% 혼합에 따른 Heatflow값을 구하는 것으로 실시하였다. DSC 분석결과는 다음의 그림 3에 나타내었다.
바닥난방시스템에 적용하는 목질바닥재의 열 성능의 개선을 통해 냉난방부하를 낮춰 결과적으로 에너지소비를 저감시킬 수 있는데 본 논문에서는 MPCM을 통한 목질바닥재의 열성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 파우더 형태의 MPCM을 Epoxyresin과 Hardener와의 혼합물에 wt% 비율로 혼합한 MPCM/Adhesivecomposites를 제조하였다. 이에따른 결과로서 SEM 분석을 통해서는 분산이 잘 일어났음을 확인할 수 있었고 FTIR 분석을 통해서 MPCM과 접착제가 물리적인 결합을 하여 결과적으로 MPCM의 축열 성능이 발휘될 수 있음을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

본 실험은 Rubitherm사의 RT31이라는 PCM을 corematerial로 적용하고 멜라민을 shellmaterial로 제조된 MPCM을 실험재료로 사용하였다. 사용된 MPCM의 상변화온도는 27-31℃이고, 잠열량은 66.
MPCM/Adhesive composites의 경우 shell material로 멜라민이 사용되었다. 따라서 아민기(-NH2)로 인한 peak가 FTIR분석을 통해 발생함을 확인할 수 있었고 이는 MPCM의 wt% 비율에 따라 증가한다.
따라서 본 논문에서는 MPCM을 wt% 비율에 따라 혼합하였다. 실험에 사용된 MPCM의 잠열량은 66.61kJ/kg이다. DSC분석은 순수한 Adhesive와 MPCM의 5wt%와 10wt% 혼합에 따른 Heatflow값을 구하는 것으로 실시하였다.

이론/모형

MPCM/Adhesivecomposites의 접착강도를 측정하기 위해서 UTM을 사용하였다. 아래의 그림은 순수한 접착제와 MPCM이 혼합된 샘플에 대한 그래프를 나타낸다.

성능/효과

그림1의 (a)는 순수하게 1:1의 비율로 혼합된 Epoxyresin과 Hardener의 모습을 보여주고 있으며,(b),(c),(d)는 1:1의 비율로 혼합된 접착제에 MPCM이 각 각3wt%,7wt%,10wt% 씩 들어간 이미지를 나타내고 있다. SEM 이미지를 통해 MPCM이 stirring을 통한 분산과정에서 접착제 사이로 분산이 잘 되었음을 확인할 수 있었다. reference에 비해 wt%가 증가할수록 SEM 이미지에서 구형의 미립자가 늘어남을 확인할 수 있는데 이것은 MPCM의 미립자가 접착제 내부에서 늘어난 양에 비례함을 알 수 있다.
MPCM/Adhesive composites의 경우 shell material로 멜라민이 사용되었다. 따라서 아민기(-NH2)로 인한 peak가 FTIR분석을 통해 발생함을 확인할 수 있었고 이는 MPCM의 wt% 비율에 따라 증가한다. 이는 다음의 그림 2의 FTIR 분석 결과를 통해 확인할 수 있다.
멜라민은 C6H6N6의 분자식을 가지며 구조상으로는 2,4, 6-트리아미노-1,3,5-트리아진에 해당하며, 내열성, 내수성 및 기계강도가 우수한 성질을 가지고 있다. FTIR 분석결과로 3369cm^-1와 3298cm^-1에서의 peak가 MPCM의 wt%의 증가율에 따라 증가함을 보이고 있다. 이는 아민기(–NH2)의 영향으로 인한 것으로 분석하였다.
또한 Alkane 계열의 corematerial의 메틸기(-CH3)와 N-CH3의 결합을 형성함에 따라 N-methyl의 그룹을 형성하는데 이는 2775-2765cm^-1의 peak를 통해 알 수 있다. 또한 Adhesive에서 보이는 peak가 MPCM과의 혼합 후에도 여전히 존재함을 확인할 수 있는데 이는 Adhesive와 MPCM이 물리적인 결합을 한 것으로 분석하였다.
하지만 MPCM이 들어간 MPCM/Adhesive composites의 경우 peak가 존재함을 알 수 있다. 측정된 Heatflow 값은 5wt%의 MPCM이 혼합된 경우 Heating시에 3.278kJ/kgcooling 시에 3.230kJ/kg임을 확인하였으며,10wt%의 MPCM이 혼합된 경우 Heating시에 6.220kJ/kg cooling시에 6.103kJ/kg이 측정된 것으로 확인하였다. 측정된 잠열량은 계산상의 잠열량과 비슷하지만 조금 낮은 값을 보이고 있다.
그래프에서 보면 MPCM의 함유량이 증가할수록 접착강도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 우선 순수한 접착제의 경우 13.73Mpa로 가장 접착강도가 높은 것을 확인할 수 있으며, 3wt%,5wt% 및 7wt%의 MPCM이 혼합된 샘플은 각 각 11.33Mpa,10.85Mpa와 9.22Mpa임을 확인할 수 있다. 하지만 MPCM의 함량이 7wt%를 넘어가면서부터 급격하게 접착강도가 떨어지는 것을 확인할 수 있는데,10wt%의 MPCM이 혼합된 경우 접착강도는 5.
09Mpa까지 감소한 것을 알 수 있었다. 하지만 대한주택공사의 온돌마루재 시방서 별첨자료를 살펴보면 에폭시 접착제의 최소 인장접착강도는 0.8Mpa임을 명시한 것으로 보아 10wt%의 MPCM이 혼합된 접 착제의 경우 접착강도 기준에 적합함을 확인할 수 있었다. 하지만 MPCM이 함량에 따른 시공성의 저하는 염두 해야 할 점으로 분석된다.
하지만 MPCM이 함량에 따른 시공성의 저하는 염두 해야 할 점으로 분석된다. 따라서 시공성만 확보된다면 10wt%의 MPCM이 혼합된 접착제가 열적으로 효율적일 것이라고 분석하였다.
파우더 형태의 MPCM을 Epoxyresin과 Hardener와의 혼합물에 wt% 비율로 혼합한 MPCM/Adhesivecomposites를 제조하였다. 이에따른 결과로서 SEM 분석을 통해서는 분산이 잘 일어났음을 확인할 수 있었고 FTIR 분석을 통해서 MPCM과 접착제가 물리적인 결합을 하여 결과적으로 MPCM의 축열 성능이 발휘될 수 있음을 확인할 수 있었다. DSC 분석결과로 혼합된 MPCM의 혼합비율에 따라 잠열 특성이 있음을 확인할 수 있었다.
이에따른 결과로서 SEM 분석을 통해서는 분산이 잘 일어났음을 확인할 수 있었고 FTIR 분석을 통해서 MPCM과 접착제가 물리적인 결합을 하여 결과적으로 MPCM의 축열 성능이 발휘될 수 있음을 확인할 수 있었다. DSC 분석결과로 혼합된 MPCM의 혼합비율에 따라 잠열 특성이 있음을 확인할 수 있었다. 실험에 적용된 MPCM의 경우 캡슐화된 PCM으로서 순수한 PCM보다 잠열량은 조금 떨어진다.
하지만 leakage의 위험이 없으며 형태 안정성이 높아 건축재료에 적용하기에 유리하다. 잠열량은 떨어지지만 wt%비율에 따른 잠열량의 상승을 확인할 수 있었고 최종적으로 열적 성능이 있음을 확인할 수 있었다. 또한 UTM 분석결과 MPCM의 함량의 증가에 따른 접착강도의 감소가 있었지만,실질적으로 시공 시에 필요한 최소 인장접착강도인 0.
잠열량은 떨어지지만 wt%비율에 따른 잠열량의 상승을 확인할 수 있었고 최종적으로 열적 성능이 있음을 확인할 수 있었다. 또한 UTM 분석결과 MPCM의 함량의 증가에 따른 접착강도의 감소가 있었지만,실질적으로 시공 시에 필요한 최소 인장접착강도인 0.8Mpa을 넘어서는 결과가 나왔기 때문에 시공성이 확보된다면 10wt%의 MPCM이 들어간 접착제가 열적인 성능확보면에서 가장 우수하다고 판단된다. 끝으로 본 연구를 통해서 향후 MPCM과 접착제 및 기타 건축재료로의 적용에 대한 연구가 활발히 일어날 것을 기대한다.

후속연구

측정된 잠열량은 계산상의 잠열량과 비슷하지만 조금 낮은 값을 보이고 있다. 하지만 축열성능이 전혀 없는 접착제에 MPCM을 혼합함으로서 잠열 peak가 존재함을 확인할 수 있었고 MPCM을 통해 향후 접착제의 열적성능 개선을 위한 가능성을 확인할 수 있었다.
8Mpa을 넘어서는 결과가 나왔기 때문에 시공성이 확보된다면 10wt%의 MPCM이 들어간 접착제가 열적인 성능확보면에서 가장 우수하다고 판단된다. 끝으로 본 연구를 통해서 향후 MPCM과 접착제 및 기타 건축재료로의 적용에 대한 연구가 활발히 일어날 것을 기대한다.

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