[논문]세라믹 나노코팅에 의한 목재의 난연성능 연구

안찬솔; 조남욱

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안찬솔 (한국건설기술연구원) , 조남욱 (한국건설기술연구원)

나노입자에 의한 세라믹 코팅은 제품의 방청, 내식, 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 내열성을 향상시키는 데에도 효과적인 성능을 보이고 있다. 특히 지르코니아(YSZ), 산화알루미늄($Al_2O_3$), 이산화 타이타늄($TiO_2$) 등과 같이 차열 성능이 우수한 세라믹 계열을 이용한 TBC(Thermal Barrier Coating)은 이미 항공기 엔진부품이나 고성능 베어링과 같이 고온에서도 우수한 성능을 유지해야 하는 기계부품에 보편적으로 사용되어 오고 있는 방법이다. 본 연구에서는 이와 같은 차열서능이 우수한 세라믹 소재를 이용해 건축물에 많이 사용되고 있는 목재에 난연성능의 향상을 목적으로 세라믹 나노코팅을 하였을 때 목재의 연소특성이 어떻게 변화하는가를 관찰 및 분석하였다.

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문제 정의

기계부품의 내열성능을 향상시키기 위해 사용되고 있는 세라믹 나노입자와 TBC 기법을 이용해 건축물에서 많이 사용되고 있는 목재에 적용하여 난연성능의 향상 여부를 관찰하는 것을 목적으로 2개의 코팅 시험편과 1개의 무코팅 시험편에 대한 연소시험을 수행하였다. 연소시험 결과 미시적인 TBC의 역할을 관찰 할 수 있었으나 목재의 난연성능 확보의 측면에서는 매우 미미한 변화이며, 가시적인 난연성능을 확보하기 위해서는 세라믹 코팅의 두께를 증가시키기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
특히 지르코니아(YSZ), 산화알루미늄(Al₂O₃), 이산화 타이타늄(TiO₂) 등과 같이 차열 성능이 우수한 세라믹 계열을 이용한 TBC(Thermal Barrier Coating)은 이미 항공기 엔진부품이나 고성능 베어링과 같이 고온에서도 우수한 성능을 유지해야 하는 기계부품에 보편적으로 사용되어 오고 있는 방법이다. 본 연구에서는 이와 같은 차열서능이 우수한 세라믹 소재를 이용해 건축물에 많이 사용되고 있는 목재에 난연성능의 향상을 목적으로 세라믹 나노코팅을 하였을 때 목재의 연소특성이 어떻게 변화하는가를 관찰 및 분석하였다.

제안 방법

세라믹 나노코팅을 하기 위한 나노입자는 이산화 타이타늄(TiO₂)을 사용하였으며, 이를 목재의 표면에 증착하기 위해 AD(aerosol Deposition) method를 사용하였다. 또한 세라믹 코팅 층의 두께에 따른 연소특성을 관찰하기 위해 3중 코팅 시험편과 9중 코팅 시험편을 제작하였다. Figure 1은 AD method를 이용하여 목재 시험편의 표면에 세라믹 나노입자를 증착시키는 사진이며, Figure 2는 3중 코팅(왼쪽사진)과 9중 코팅(오른쪽)을 시공한 후의 사진이다.
각 시험편의 밀도와 함수율의 측정값을 Table 1에 표시하였다. 목재 시험편의 연소시험은 Cone Calorimeter를 사용하였고, ISO 5660의 시험방법에 따라 시험편을 상부에서 방출되는 50kW의 복사열에 노출하여 연소를 유도하였으며 연소시험은 시험편의 중량변화가 없을 때 까지 진행하였다.
연소특성 시험은 위와 같이 제작된 3중, 9중 코팅 시험편 및 비교분석을 위한 무코팅 목재시험편에 대하여 실시하였으며, 각 시험편은 건조기의 100℃ 온도에서 14일간 건조하여 평균 함수율을 3% 이하로 조정하였다. 각 시험편의 밀도와 함수율의 측정값을 Table 1에 표시하였다.

대상 데이터

세라믹 나노코팅에 사용한 목재는 국내에서 일반적으로 유통되고 있는 미송의 원목을 사용하였으며, 시험편의 크기는 가로-세로-높이를 100×100×10 mm 로 재제한 판재를 사용하였다.

이론/모형

세라믹 나노코팅에 사용한 목재는 국내에서 일반적으로 유통되고 있는 미송의 원목을 사용하였으며, 시험편의 크기는 가로-세로-높이를 100×100×10 mm 로 재제한 판재를 사용하였다. 세라믹 나노코팅을 하기 위한 나노입자는 이산화 타이타늄(TiO₂)을 사용하였으며, 이를 목재의 표면에 증착하기 위해 AD(aerosol Deposition) method를 사용하였다. 또한 세라믹 코팅 층의 두께에 따른 연소특성을 관찰하기 위해 3중 코팅 시험편과 9중 코팅 시험편을 제작하였다.

성능/효과

총발열량 측면에서의 연소특성을 관찰하면 무크팅 시험편의 경우 70 MJ 의 총발열량이 측정되었고, 3중 코팅 시험편의 경우 67 MJ, 9중 코팅 시험편의 경우 58 MJ의 총발열량이 측정되었다(Figure 3 right). 무코팅 시험편에 비해 밀도가 가장 큰 9중 코팅 시험편이 가장 낮은 총발열량을 갖는 것으로 보아 세라믹 코팅 층이 Thermal barrier의 역할을 하고 있음을 추정할 수 있다. Figure 4는 연소시험 후의 시험편 잔해의 사진이다.
열방출율 측면에서의 연소특성을 관찰하면 불꽃연소 과정에서 2개의 최대 열방출율점을 가지며 이후의 훈소연소 과정이 매우 길다는 점이며 무코팅, 3중코팅, 9중코팅의 순서로 열방출율이 작아지는 특성을 보였으나 크게 차이는 보이지 않았다. 불꽃연소 과정은 열방출율이 최대 150~180kW까지 상승하여 약 5분을 전후로 종료되었으며, 훈소연소는 불곷연소 이후로 열방출율이 약 40kW되는 지점에서 시작하여 서서히 감소하며 약 20분간 지속되었다(Figure 3 left).
불꽃연소 과정은 열방출율이 최대 150~180kW까지 상승하여 약 5분을 전후로 종료되었으며, 훈소연소는 불곷연소 이후로 열방출율이 약 40kW되는 지점에서 시작하여 서서히 감소하며 약 20분간 지속되었다(Figure 3 left). 총발열량 측면에서의 연소특성을 관찰하면 무크팅 시험편의 경우 70 MJ 의 총발열량이 측정되었고, 3중 코팅 시험편의 경우 67 MJ, 9중 코팅 시험편의 경우 58 MJ의 총발열량이 측정되었다(Figure 3 right). 무코팅 시험편에 비해 밀도가 가장 큰 9중 코팅 시험편이 가장 낮은 총발열량을 갖는 것으로 보아 세라믹 코팅 층이 Thermal barrier의 역할을 하고 있음을 추정할 수 있다.

후속연구

기계부품의 내열성능을 향상시키기 위해 사용되고 있는 세라믹 나노입자와 TBC 기법을 이용해 건축물에서 많이 사용되고 있는 목재에 적용하여 난연성능의 향상 여부를 관찰하는 것을 목적으로 2개의 코팅 시험편과 1개의 무코팅 시험편에 대한 연소시험을 수행하였다. 연소시험 결과 미시적인 TBC의 역할을 관찰 할 수 있었으나 목재의 난연성능 확보의 측면에서는 매우 미미한 변화이며, 가시적인 난연성능을 확보하기 위해서는 세라믹 코팅의 두께를 증가시키기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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