유리 섬유 고온 절연체의 개발과 열전도도

이진혁, 김영채

한양대학교 화학공학과, 서울, 133-791

Development of Glass Fibrous High-Temperature Insulator

and Thermal Conductivity

Lee, Jean-Hyeok and Young Chai Kim

Dept. of Chemical Engineering, Hanyang University, Seoul, 133-791

1. 서론

유리 섬유질의 다공성 세라믹은 다양한 물리적 성질(열안정성, 일정한 강도와 기공)과 화학적 성질(비활성도)을 지닌 우수한 물질이다. 이러한 물질은 그 용도 또한 다양하여, 우주항공분야에서의 절연타일과 기반 산업 분야에서 열절연체나 열교환기, 또는 환경분야에서의 필터나 다공성 세라믹 막으로 사용이 가능하다.

우주항공분야에서의 절연타일 개발은 공기 열역학적 가열 환경에 의해 동체가 손상되거나, 단 한번밖엔 사용할 수 없었던 이전의 우주 비행체들의 단점을 극복하여 동체를 보호하고 이를 재사용하기 위하여 시작되었다. 따라서 RFC(rigid fibrous ceramic)의 우수성에 대한 연구가 집중적으로 이루어 졌으며, 미국 등에서는 보다 우수한 특성들을 지닌 섬유질 절연타일을 이용한 절연 시스템을 개발하여 실제 우주 왕복선 등에 사용하고 있다[1]. 한편 이러한 다공성 세라믹은 낮은 열전도도와 높은 기공도, 그리고 화학적 안정성 등으로 고온 반응기의 외부 절연체나 환경분야의 공기정화용 필터로서도 사용이 가능하며, 그 성능 또한 매우 우수하다고 알려져 있다[2].

하지만 지금까지 이러한 고온용 유리 섬유질 다공성 세라믹의 다양한 응용 가능성에 대하여 절실하게 인식하지 못했던 것이 사실이다. 그렇지만 이러한 기술은 우리나라에서도 미래의 우주항공시대의 도래에 앞서 고속으로 비행하는 항공기나 군용 미사일 등에, 그리고 각종 환경정화시설이나 열절연체로서 이용가치가 높으므로, 더 이상 이러한 분야를 간과해서는 안될 것이다. 따라서 고온용 유리 섬유질 절연체를 개발하는 것은 매우 중요한 것이다.

본 실험의 목적은 앞서 언급했던 여러 가지 응용성에 부합될 수 있는 고온용 다공성 유리 섬유질 절연체를 개발하고, 이의 열적 특성을 극대화하는데 있다. 따라서, 이에 따라 다양한 절연체를 개발하여 열적 응답을 알아내었으며, 이를 이용하여 절연체의 열전도도를 구하여 여러 조건에 따라서 비교해 보았다.

2. 실험 방법

절연체의 열적 응답을 알아내기 위하여 본 실험에 사용된 장치의 개략도가 Figure 1에 보여져 있다. 열전도도를 측정하는 실험에는 다양한 방법들이 사용되고 있지만, 본 실험에서는 □Guarded Hot Plate Method□에 기초를 둔 방법으로 실험을 수행하였다[3].

우선 절연체의 고온 성능에 대하여 압력이 미치는 영향을 파악할 수 있도록 기체의 압력을 조절할 수 있는 chamber를 제작하였다. 그리고 chamber 내에서 절연체의 양면에 매우 큰 온도차를 두어 시간에 따른 열전달 현상을 거리에 따른 온도로 표현되도록 즉, 절연체의 히터로부터의 거리에 따른 열적 응답을 알아내는 실험을 수행하였다. 절연체의 한쪽 면을 자체 제작한 히터로 가열하였으며, 반대쪽 면은 구리로 된 냉각 장치를 이용하여 냉각수와 같은 온도로 유지되도록 하였다. 그리고 다양한 온도에 따른 절연체의 열적 응답을 알아내기 위하여 히터에 공급되는 전압을 다르게 하고 chamber 내부의 압력을 다르게 유지시키면서 이에 따른 정상상태 온도분포를 알아내었다.

본 실험에 사용된 여러 가지 절연체들은 정사각형 모양으로 한쪽 면의 길이가 대략 12cm였으며, 두께는 2.00∼2.50cm, 그리고 밀도는 0.10∼0.25g/cm3 였다. 여러 가지 방법에 의한 절연체 제작과 여러 조건의 실험을 통하여 주위의 압력, 그리고 절연체의 밀도와 구조 등이 열적 응답에 영향을 준다는 사실을 확인할 수 있었다.

3. 결과 및 고찰

고온용 유리 섬유질 다공성 절연체에서 발생하는 열전달 현상은 전도, 대류, 그리고 복사로 나뉠 수 있다. 이 중에서 복사에 의한 열전달은 고온 영역으로 갈수록 그 영향력이 상당한 증가한다. 본 실험에서 사용된 가정은 다음과 같다. (1) 절연체는 실험 중에 밀도가 변하지 않는다. (2) 열은 오직 한 방향으로만 전달되고, 절연체의 열이 전달되는 면의 온도 구배는 없다. 그리고 (3) 절연체, 히터, 냉각 장치의 주위는 완전하게 단열을 이룬다. 또한 chamber 내부의 압력을 각각 대기압 상태와 0.7∼0.8torr 정도로 유지시키면서 실험을 하였는데, 0.7∼0.8torr 정도의 압력이라면 convection에 의한 열전달은 다른 항에 비해 상대적으로 무시할 수 있을 정도로 작을 것이라고 가정하였다.

한편 실험에서 얻은 열적 응답으로부터 열전도도를 계산하기 위하여 사용된 식은 다음과 같다.

[eqn: q INT _{ x sub {0} }^{ x } {1 over {A`(x``)}}`dx````= ```` - INT _{ T sub 0 }^{ T } k`(T```)`` dT]

k Ａ kso ／ kr (／ kg)

여기서,	q	:	공급 열량	k	:	열전도도
	x	:	열전달 방향	kso	:	전도에 의한 열전도도
	A	:	절연체의 면적	kg	:	대류에 의한 열전도도
	T	:	온도	kr	:	복사에 의한 열전도도

위의 식은 정상상태에서의 열적 응답에 적용하여 열전도도를 구하는데 사용하였다. 여기서 열전도도 k(T)는 온도에 대한 함수로서, 세 가지 열전달 메커니즘에 의한 각각의 항으로 나룰 수 있다. 열전달 과정에서 열전도도에 포함되는 전도, 대류, 그리고 복사 성분들을 모두 포괄하는 보다 상세한 식은 참고 문헌에 나와 있다[4].

본 실험에서 위의 식을 이용하여 계산한 열전도도가 Figure 2와 3에 보여져 있다. 이번 실험에 사용된 절연체들은 원료 성분은 모두 동일하지만, 제작하는 방법이 달라짐으로 하여 밀도나 구조가 각각 다르다. 각 절연체들의 열전도도 값은 온도에 따라 달라지기는 하지만, 대략 4.5×10-3∼1.8×10-2 W/(m oC)의 범위를 보였다. 이 값들은 문헌상에 발표된 값들보다는 컸다. 하지만 보다 나은 절연체를 개발하는 실험을 계속함으로써 지금보다 우수한 낮은 열전도도 값을 갖는 절연체를 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.

문헌상의 보고에 따르면[1], 일반적으로 밀도가 일정한 동일한 물질의 경우에 저온 영역에서는 전도가, 고온 영역에서는 복사가 열전도도에 주요한 영향을 준다. 그리고 섬유질 다공성 절연체의 열전도도는 밀도가 클 경우에는 전도의 영향력이 크고, 밀도가 작으면 복사의 영향력이 크다고 알려져 있다. 또한 압력이 낮아지면 전도도가 낮아지며, 대체로 온도가 올라감에 따라 열전도도가 증가한다고 보고되어 있다. 이번 연구에서 얻어진 열전도도의 경향을 살펴보면, 이를 충분히 반영해 주는 것을 알 수 있다. 밀도에 따른 열전도도의 영향을 보여주고 있는 Figure 2에서 알 수 있듯이, 실험한 모든 절연체들은 온도가 증가함에 따라 열전도도가 증가하는 경향을 보였으며, 상대적으로 밀도가 작은 절연체의 열전도도가 밀도가 큰 절연체보다 컸으며, 보다 저밀도인 절연체의 열전도도는 고온 영역으로 갈수록 급격하게 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 다음과 같이 설명된다. 1500oC에서의 소성으로 인해 절연체의 밀도가 증가하였는데, 이는 곧 기공도의 감소, 구성하고 있는 세라믹 섬유의 바깥 지름(d)의 증가와 내부 표면적과 기공 크기(L)의 감소를 의미한다. 따라서 [d·(1-□2)/□2(2１□)]에 비례하는 다공성 섬유질 절연체의 복사 열전도도 kr은 밀도가 커짐에 따라 그 영향력이 상대적으로 감소하게 되는 것이다(단, □Ａd/L). 그리고 Figure 3은 열전도도에 미치는 압력의 영향을 보여 주고 있는데, 같은 물질의 경우에 압력이 낮아지면 열전도도가 낮아지고 있음을 관찰할 수 있다. 이것은 0.7∼0.8torr의 압력범위에서 무시했던 열전도도에 대한 대류의 영향이 760torr에서는 그 영향력을 발휘하기 때문이라고 설명될 수 있다.

한편, 실험에 사용된 절연체들의 구조를 살펴보면, 이들은 섬유질 물질을 재료로 하여 만들어 졌으며, 이로 인하여 섬유들의 사이에 비어 있는 공간들은 절연체를 섬유질 물질을 이용하여 만드는 중요한 이유를 설명해 주는데, 이러한 기공들이 차지하는 부피가 클수록 절연타일의 밀도는 낮아지는 반면에, 기계적 강도나 열적 특성에 많은 영향을 준다. 따라서 어느 정도의 기공도를 갖는 것이 절연체를 가볍게 하면서도 가장 우수한 최적의 열적(열전도도, 열팽창률 등)·기계적(인장·압축 강도 등) 특성을 제공할 것인지에 대한 보다 상세한 고찰이 요구된다. 그리고 절연체의 성분을 변화시키거나, 다양한 성분으로 복합 절연체를 제작하는 것도 고려해 볼 점이다.

4. 결론

본 실험에서는 고온용 절연체를 제작하고, 넓은 온도범위에서의 절연체의 정상 상태에서의 열적 응답을 알아 내고, 이를 이용하여 열전도도를 구해 보았다. 그리고 열전달 현상에 영향을 줄 수 있는 요인들을 연구하기 위해 chamber 내의 압력을 변화시키고, 절연타일의 밀도와 구조에 변화를 주면서 실험을 수행하였다. 따라서 다음과 같은 결과들을 얻을 수 있었다.

(1) 정상상태에서 절연체의 열전도도는 온도에 따라 증가한다.

(2) 압력이 낮아짐에 따라서 절연체의 열전도도는 낮아진다.

(3) 절연체의 밀도가 커짐에 따라 고온에서의 열전도도는 밀도가 작은 물질에       비해 상대적으로 감소하였다.

(4) 다공성 유리 섬유질 절연체의 열전도도는 절연체 내부의 표면적, 섬유의        바깥지름, 그리고 기공 크기 등 구조적인 인자들의 영향을 많이 받는다.

5. 참고 문헌

1. McCormick, M. J. : Ceram. Eng. Sci. Proc., 9, 603(1988).

2. Zievers, J. F., Eggerstedt, P. and Zievers, E. C. : Am. Ceram. Soc. Bull.,      70, 108(1991).

3. Sheffield, G. S. and Schorr, J. R. : Am. Ceram. Soc. Bull., 70, 102(1991).

4. Stewart, D. A., Leiser, D. B., Kolodziej, P. and Smith, M. : AIAA paper      85-1056, AIAA 20th Thermophysics Conference, Virginia(1985).

Figure 1. Apparatus for Measurement of Thermal Response of Insulator

Figure 2. Effects of Density on Thermal Conductivity	Figure 3. Effects of Pressure on Thermal Conductivity