吳有根공학박사 요업기술원 도자구조세라믹본부장 朴宣敏공학박사 요업기술원 도자구조세라믹본부 선임연구원 文盛載요업기술원 도자구조세라믹본부 연구원 방사에너지를 방사율로 계산하여 보면 방사율도 마찬가지로 조도가 클수록 크다는 것을 알 수 있다.(그림 124) 측정온도 40℃에서의 표면조도에 따른 방사율과 마찬가지로 표면온도 60℃, 80℃에서도 같은 경향을 보임으로서, 원적외선 방사율은 표면조도의 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 표40은 측정온도 60, 80, 100, 200, 250, 300℃에서의 표면조도에 따른 방사율을 나타낸다. 나. 괴상에서 표면조도가 방사율에 미치는 영향 괴상에서 표면조도가 방사율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 천연광물인 장석을 이용하여 시료크기 40×40×3mm로 제작하고 장석표면의 조도를 조절하여 시편을 제작하였다. 그리고 측정온도가 40℃,60℃, 80℃, 100℃, 200℃, 250℃, 300℃에서 각각 표면조도가 다른 장석을 측정한 결과를 표 41에 나타내었다. 측정온도가 40℃일 때 표면조도가 낮아짐에 따라 방사율이 0.891에서 0.8794로 약 1.2%가 저하되었으며 300℃에서는 1.5%정도 떨어졌다. 모든 시료들에서 표면조도가 낮을수록 원적외선 방사율 값이 낮아지는 경향을 나타냈으며, 같은 표면조도라도 측정온도가 상승될수록 원적외선 방사율이 낮아졌다. 그림 126은 괴상의 표면조도 변화와 각 측정온도에서의 방사율 변화를 나타낸 것으로서 어느 온도든지 표면조도가 낮아질수록 방사율이 떨어지는 경향을 나타내고 있으며 이것은 표면에서의 광학적인 특성과 관련이 있다. 표면에서 조도가 낮을수록 반사율이 상승하기 때문에 상대적으로 흡수율이 적어지므로 방사율이 낮아진다. 따라서 흡수율과 방사율이 같다는 키르히호프 법칙을 따른다. 그림 127은 측정온도 40℃에서 표면조도가 다른 시료들의 방사율 그래프로서 6~12㎛ 파장영역에서의 방사율 특성을 보여주고 있다. 특히 9~11㎛ 파장영역에서 표면조도가 낮아질수록 다른 파장영역에 비해 방사율 특성이 낮아지는데 장석성분 중에 SiO2의 반사특성에 의한 것으로서 표면조도가 낮고 측정온도가 상승할수록 방사율이 낮아지는 원인으로 생각할 수 있다. 그림 128은 측정온도 40℃에서 조도에 따른 방사에너지분포를 나타내는 것으로서 9~11㎛ 파장영역에서 표면조도가 낮아질수록 방사에너지 또한 낮아지고 있다. 그림 129는 온도가 300℃일 때 표면조도에 따른 방사율 그래프로서 표면조도가 낮아질수록 방사율이 떨어지고 있다. 40℃에 비해 9~11㎛ 파장영역에서 방사율은 더 많은 폭으로 저하되고 있지만 표 41의 결과로 보아 표면조도에 따른 방사율값 저하는 전파장에서는 40℃ 측정온도의 방사율값과 같은 비율로서 떨어지고 있다. 그림 130은 300℃에서 방사에너지 분포를 보여주고 있다. 이상의 결과로 보아 물질표면의 표면조도가 원적외선 방사율에 영향을 주고 있는 것을 알 수 있다. 다. 괴상에서 측정온도가 방사율에 미치는 영향 그림 131은 조도가 2.58㎛인 시료표면의 온도에 따른 방사율 변화를 보여주는 것으로서 40℃에서는 0.892이고 300℃에서는 0.816으로 약 7.6%정도를 차이가 있다. 60℃~100℃에서는 방사율이 완만하게 낮아지지만 100℃~300℃에서는 방사율이 낮아지는 기울기가 급격하다. 따라서 표면조도가 같을 때 측정온도의 상승으로 방사율은 많은 영향을 받는 것을 알수 있다. 3. 표면코팅면 표면코팅 두께가 방사율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 투명코팅과 불투명코팅으로 구분하여 코팅두께가 5㎛, 10㎛, 20㎛, 30㎛, 40㎛일 때 측정온도에 변화를 주어 원적외선 방사율 측정했다. 코팅두께 및 기지소재에 따라 원적외선 방사율이 영향을 받는 것으로 나타났다. 가. 투명한 세라믹코팅 두께가 방사율에 미치는 영향 표 42는 코팅두께와 각 측정온도에서의 방사율 변화를 나타낸 것으로서 어느 온도든지 코팅두께가 두꺼울수록 방사율이 상승하는 경향을 나타내고 있으며 같은 두께의 코팅막이라도 측정온도가 방사율에 많은 영향을 주고 있다. 이것은 코팅막의 특성, 코팅두께에 따라 코팅막의 소재에 대한 광학적인 특성과 기지소재에 대한 영향과 관련이 있는 것으로 생각된다. 5㎛두께의 코팅막 시료에 대해 측정온도가 40℃와 200℃일 때 방사율은 약 0.8541과 0.6186으로 약 24% 정도의 차이가 있지만 40㎛ 두께의 시료에 대해서는 0.874와 0.7393으로 약 13% 정도로 줄었다. 따라서 원적외선 방사율은 코팅막의 두께가 적을수록 온도에 따라 방사율이 더 크게 저하되고 두께가 클수록 온도에 따라 방사율의 변화가 적다. 이결과로 보아 투명 코팅막의 두께와 측정온도에 원적외선 방사율은 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다. 그림 132는 코팅두께 변화와 각 측정온도에서의 방사율 변화를 나타낸 것으로서 40℃에서는 두께에 따라 약 2%정도가 상승했지만 200℃에서는 12%정도가 상승했다. 측정온도가 낮을때는 코팅두께에 따른 방사율 차이는 적었지만 높은 온도에서는 많은 차이를 나타냈으며, 또한 어느 온도에서든지 코팅두께가 30㎛이상에서는 방사율에 변화가 거의 없다. 따라서 투명세라믹 코팅에서는 30㎛이상이 되어야 코팅막자체의 원적외선 방사특성이라 할 수 있을 것으로 판단된다. 그림 133에서는 측정온도 40℃에서 코팅막 두께에 따른 방사율 그래프로서 9㎛이상의 파장영역은 코팅막 두께에 따라 방사율에 영향이 거의 없다. 그러나 5㎛~9㎛사이의 파장에서는 코팅막의 두께가 상승할수록 방사율이 높아지고 있으며 30㎛, 40㎛의 두께에서는 다른 두께의 코팅막에 비해 유사한 형태를 나타내고 있다. 그림 134는 40℃에서 코팅막의 두께에 따른 방사에너지 분포를 보여주고 있다. 방사율 그래프에서와 같이 에너지분포도 8㎛ 이하의 파장영역에서 코팅막의 두께가 증가함에 따라 방사에너지도 증가함을 보이고 있다. 측정온도가 200℃일때의 방사율 그래프를 그림 135에 보여주고 있다. 40℃ 표면 온도의 방사율에 비해 5~9㎛ 파장영역에서 코팅두께가 증가함에 따라 방사율이 증가하고 있는 것을 나타내고 있다. 그러나 30㎛, 40㎛ 두께의 시료에서는 방사율 그래프에서 거의 동일한 특성을 나타내고 있다. 또한 그림 136에 나타낸 방사에너지 분포에서도 30㎛과 40㎛의 두께는 같은 분포를 보이고 있다. 나. 불투명한 세라믹코팅 두께가 방사율에 미치는 영향 표 43은 불투명 세라믹 코팅막의 두께에 따른 방사율의 변화를 나타낸 것으로 투명코팅과 마찬가지로 코팅막의 두께가 증가할수록 방사율이 상승하였다. 그러나 두께에 따른 방사율은 온도가 낮은 경우에는 코팅막에 따라 큰 변화는 없지만 온도가 높을수록 코팅막 두께에 영향을 받는 것을 알 수 있다. 5㎛ 두께의 코팅막은 어느 온도에서든지 투명코팅막에 비해 높은 방사율 값을 나타내고 있다. 이것은 불투명에 따른 기지소재의 영향이 적은 것으로 생각할 수 있다. 그림 137에서 코팅막의 두께가 증가함에 따라 200℃, 250℃, 300℃의 측정온도에서 불투명코팅막은 방사율이 4% 이상으로 상승되어 코팅막 특성과 기지소재에 큰 영향을 받는 것으로 생각되며 40℃, 60℃, 80℃, 100℃의 측정온도에서는 방사율 상승폭은 2% 이하로서 높은 온도에 비해 코팅막 두께에 영향이 적은 것을 알수 있다. 그리고 모든 온도에서 코팅막의 두께가 30㎛이상이면 방사율의 변화가 없다. 그림 138에서 측정온도가 40℃일 때 코팅두께에 따른 방사율 그래프를 나타내며 코팅막 두께가 방사율에 대한 영향이 적고, 거의 같은 특성을 보이고 있다. 그림 139에는 40℃에서 방사에너지 분포를 보여주고 있다. 측정온도 300℃에서 코팅두께에 따른 방사율 그래프를 그림140에 보여주고 있다. 이 그래프에서 8㎛이상의 파장영역에서는 거의 같은 특성을 보이고 있으나 8㎛이하의 파장영역에서는 코팅막의 두께에 따라 방사율에 차이가 있다. 10㎛과 20㎛두께의 시료, 30㎛과 40㎛두께의 시료는 각각 방사특성이 동일하게 나타났다. 이 결과 측정온도가 높아지면 30㎛이상의 코팅막 두께가 필요하다. 그림 141은 300℃ 측정온도의 방사에너지 분포를 보여주며, 코팅막 두께에 따라 방사에너지도 변화가 크다. (다음호에 계속) 표 40. 측정온도와 표면조도에 따른 방사율 표 41. 표면조도가 방사율에 미치는 영향 그림 126. 표면조도와 측정온도에 따른 방사율 변화 그림 127. 측정온도 40℃에서 조도에 따른 방사에너지 그래프 그림 128. 측정온도 40℃에서 조도에 따른 방사율 그래프 그림 129. 측정온도 300℃에서 조도에 따른 방사율 그래프 그림 130. 측정온도 300℃에서 표면조도에 따른 방사에너지 그래프 그림 131. 조도가 2.58㎛인 표면의 온도에 따른 방사율 변화 표 42. 코팅두께가 방사율에 미치는 영향 그림 132. 코팅두께와 측정온도에 따른 방사율 변화 그림 133. 측정온도 40℃에서 코팅두께에 따른 방사율 그래프 그림 134. 측정온도 40℃에서 코팅두께에 따른 방사에너지 그래프 그림 135. 측정온도 200℃에서 코팅두께에 따른 방사율 그래프 그림 136. 측정온도 200℃에서 코팅두께에 따른 방사에너지 그래프 표 43. 코팅두께가 방사율에 미치는 영향 그림 137. 코팅두께와 측정온도에 따른 방사율 변화 그림 138. 측정온도 40℃에서 코팅두께에 따른 방사율 그래프 그림 139. 측정온도 40℃에서 코팅두께에 따른 방사에너지 그래프 그림 140. 측정온도 300℃에서 코팅두께에 따른 방사율 그래프 그림 141. 측정온도 300℃에서 코팅두께에 따른 방사에너지 그래프 오유근(吳有根) 명지대학교 대학원 무기재료공학과 공학박사 마산도자기시험소 원료과 공업연구사 충북지방중소기업청 공업연구사 기술표준원 요업과 공업연구관 요업기술원 원료과 공업연구관 현재 요업기술원 도자·구조세라믹본부장 박선민(朴宣敏) 단국대학교 대학원 화학공학과 공학박사 기술표준원 신뢰성과 공업연구사 요업기술원 원료과 공업연구사 현재 요업기술원 도자·구조세라믹본부 선임연구원 문성재(文盛載) 홍익대학교 무기재료공학과 학사 현재 요업기술원 도자·구조세라믹본부 연구원