세라믹스 건자재｜타일

세라믹 바닥 타일의 열적 편안함

편집부(외신)

열적 편안함을 갖는 고성능 세라믹 제품을 디자인하기 위해 다공성 세라믹 바닥 타일과 인간의 맨발의 상호 작용에 대해 연구하였다.

세라믹 바닥 타일의 미적인 기능과 기술적인 기능, 특히 단열 기능은 빌딩에서 사용될 때 매우 중요한 요소이다.
인간의 몸은 활동 정도에 따라 100에서 100와트의 열을 발생시키는 기계라고 생각할 수 있다. 인간 몸에 의해 발생한 열은 체온을 일정하게 유지하기 위해 반드시 발산되어야 한다. 이러한 일은 체온 유지 메커니즘이 맡고 있다.
편안함에 기여하는 요인들은 각 환경에 반응하는 신체적, 정신적 반응 밀도에 의해 결정된다. 주된 환경 변수에는 대기 온도, 상대 습도, 풍속 그리고 복사열 등이 있다.
그러나 예를 들어 맨발이 뜨겁거나 찬 바닥에 맨발이 닿으면 사람들은 국부적인 불편함에 직면하게 된다. 바닥 온도에 반응하는 인간의 반응에 대한 연구결과 신발이나 양말과 같은 것을 착용했을 경우에는 마감 재료가 어떻든 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알아냈다. 그러나 사람들이 맨발로 있어야 하는 장소의 경우에는 바닥 재료가 중요하게 된다. 태양 복사열에 노출된 외부 바닥 표면 (수영장)이나 차가운 내부 실내 바닥(화장실, 침실)은 불편하다.
열분산율
발의 표면이 보도와 닿아 있는 경우에는 열에 대한 사람의 느낌은 피부 온도와 관련이 있다. 접촉 온도는 ‘열분산율’(ε)이라는 특성과 관계가 된다. 보도 열분산율은 접촉온도와 체온이 비슷할 때 가장 작은 값을 가지며 가장 편안한 느낌을 주게 된다.
이번 연구의 목적은 열적으로 편안한 고성능 세라믹 제품을 디자인하기 위해 인간의 맨발과 다공성 세라믹 바닥 타일 간의 상호관계를 이해하는 것이다. 열분산율은 연전도도와 재료 밀도와 직접적인 관계가 있다. 열전도도와 밀도가 낮은 재료는 다공성을 띄도록 만듦으로써 얻어질 수 있다.
일반적으로 다공성 재료의 열전도도는 다공성이 증가할수록 줄어든다. 세라믹 재료의 다공성은 보통 사용된 가공 조건에 의해 좌우된다. 높은 다공성은 일반적으로 재료의 강도가 낮음을 의미한다. 그러나 원재료와 처리 기술을 적절히 조합하면 높은 기계적 강도와 화학 내부식성을 갖는 다공성 세라믹을 얻을 수 있다. 주어진 응용분야에서 높은 내화성과 균일한 내구성이 선호되는 특성이다.
다공성 세라믹을 얻는 방법에는 여러 가지가 있다. 초창기에는 세라믹 바디에 유기 제품을 함께 첨가하여 열처리 단계에서 제거하는 방법이 널리 사용되었다. 이 때 얻어지는 다공성은 사용된 유기 입자의 크기에 좌우된다. 다른 방법들은 각각 이점들과 응용범위를 가지고 있다. 가공 컨트롤과 그에 따른 최종 재료 특성이 일반적인 문제가 된다.
이번 연구에서는 다양한 비성질 실리카 섬유(AFS) 조성 분율(10, 20, 30, 40%)을 가지고 있는 세라믹 파우더를 구입하여 압축하여 다공성 세라믹 타일을 만들었다. 섬유질이 들어있지 않은 타일도 압축 압력의 영향을 알아보기 위해 평가되었다. 다공성 세라믹 타일은 다양한 압축 압력을 가하여 제작되었다.(10, 15, 20, 25, 30MPa) 원료와 압축 공정을 통해 얻어진 샘플을 화학 분석과 SEM(scanning electron microscope), EDS(energy dispersive spectrometry)을 통해 열전도도와 열분산율, 다공성을 평가하였다.
다공성이 증가된 세라믹 바닥 타일은 열전도도와 열분산율이 낮았다. 그렇기 때문에 사용된 열 흐름 변환기가 열 시스템의 변화를 평가하는데 중요한 역할을 하였다.
만약 두 준-무한 고체가 균일한 온도였으며 접촉하고 있었다면 평형상태를 이루고 있을 것이다. 만약 접촉 저항을 무시할 수 있다면 계면 온도는 시간에 대해서 일정하게 되고 원래 온도와 열전도도, 밀도로부터 계산될 수 있다.
열분산율은 열전도도와 밀도, 비열에 따라 달라진다. 다공성과 비다공성 세라믹 재료는 비슷한 비열을 가지고 있다. 결과적으로 열분산율은 열전도도와 밀도에 좌우된다고 할 수 있다.
Aivazov와 Domashnev에 의해 제안된 이론적인 모델은 다공성 세라믹의 열전도도와 다공성 간의 관계를 설명해주고 있다. Sugawara와 Yoshizawa는 세라믹 타일의 열전도도를 측정하였다.

재료와 방법
단일 가열 초벌 타일의 제조에는 산업적으로 사용되고 있는 스프레이-건조된 세라믹 바디를 사용하였고 천연 ASF를 선택하였다.
세라믹 바디는 불연속 볼밀을 이용한 그라인딩과 수용액이 응집되지 않도록 스프레이 건조를 사용하여 공장에서 제작되었다. 이는 세라믹 바디의 준비를 위한 세라믹 공장의 절차를 따랐음을 의미한다. 세라믹 바디와 천연 ASF를 특성화하기 위해 화학적 EDS 분석이 수행되었다.
스프레이-건조 세라믹 바닥 타일은 열적 거동에 미치는 다공성의 영향을 알아보기 위해 자동 유압기를 사용하여 다섯 가지 압력으로 압축되었다. 압력은 10에서 10 MPa로, 제품 제조에 사용되고 있는 전형적인 압력 값이다. 원자화된 세라믹 파우더를 포함하고 있는 4가지의 다른 세라믹 바디와 볼밀을 사용하여 습식 균일화된 10~50wt%의 천연 ASF를 포함하고 있는 샘플이 제작되었다. 얻어진 혼합물은 혼합되고 물기를 더한 다음 30 MPa로 압축되었다.
압축된 샘플은 100×100×10mm의 크기를 가지고 있다. 압축된 샘플은 110℃에서 2시간 열처리 한 후 단일 급속 열처리 사이클 55분에 해당하는 급속-열처리 사이클 연구실의 롤(roll) 퍼니스에서 1170℃에서 열처리되었다. 열처리된 샘플의 측정 밀도와 이론 밀도는 25℃ 수은으로 아르키메데스의 원리와 헬륨 비중을 이용하여 측정하였다. 그러고 나서 열처리된 샘플의 다공성을 계산하였다.
연마된 표면과 처음 파괴된 ASF를 포함한 열처리된 샘플 표면의 형태와 미세구조를 SEM을 이용하여 관찰하였다.
열전도도 측정은 ISO8301에 따라 측정되었다. 측정 시 온도는 25℃로 측정 부정확성은 약 3% 정도이다. 열분산율은 열전도도와 밀도 측정에서부터 계산되었다. 비열은 문헌을 참고하였다.
세라믹 바닥 타일 표면에 닿아 있는 맨발의 표면 아래 온도를 측정하기 위해 장치를 꾸몄다.(그림 1) 이 경우, 세라믹 바닥 타일 샘플은 얇은 고온 열전도 페이스트를 이용하여 보도에 고정하였다.
20 mm 두께의 보도의 온도는 23℃로 유지되었다. 세라믹 바닥은 초기에 적외선 방사를 내보내 일정한 표면온도가 유지될 수 있도록 하였다. 온도 측정은 T-타입 열전대(AWG 26)와 PID 컨트롤 시스템을 이용하였다.  열전대는 층상으로 되어 있어 약 80 ㎛ 두께가 된다. 300 ㎛두께의 접선 기울기 변환기는 열 흐름 측정을 위해 사용되었다.
발-변환기 접촉은 고온 전도 페이스트를 사용하여 확실하게 하였다. 100 mm 실리콘 고무 층이 변환기-세라믹 바닥 타일 접촉을 위해 사용되었다. 바닥 타일 표면은 가열되었으며 사람의 맨발은 온도와 열 흐름 값이 매 초마다 기록될 수 있도록 보도 표면에 위치시켰다.
분석 결과
이번 실험이 사용된 세라믹 바디의 화학 조성은 다음과 같았다.(표 1) 구성 산화물은 세라믹 바닥 타일의 제조에 사용되는 전형적인 세라믹 바디이다.
사용된 천연 ASF의 표면 형태를 저배율, 고배율의 SEM을 이용하여 관찰하였다.(각각 그림 2, 3)
SEM 관찰과 성능 측정결과 ASF는 지름이 10㎛, 길이가 200-600㎛정도의 바늘처럼 뾰족한 형태를 가지고 있었다. 더구나 ASF는 1㎛직경으로 중앙이 비어 있어 파이프 형태였다. ASF는 약 1.7g/㎤의 밀도와 흰색에서 밝은 갈색 범위의 색을 가지고 있었다. 이번 연구에서는 압축 압력을 조정하여 다공성을 조절하였고 ASF는 천연 다공 포머를 사용하였다.
ASF는 브라질에서 발견되는 지질학적 증착물로부터 얻은 광물로 스위트워터 스펀지에 의해 얻어지는 석출물의 결과 생긴다. 브라질에서, 인디언은 찰흙과 ASF의 혼합물을 벽돌을 만드는데 사용하였다. 천연으로 발견되는 섬유들은 순수하지 않고 적은 양의 알루미나, 철 그리고 알칼리 금속, 유기 물질, 몰 잔유물, 찰흙 등을 함유하고 있다. 결과적으로 어떤 공학적으로 응용되기 위해, ASF는 불순물들을 제거해야 한다. 이번 연구에서 사용된 섬유들은 EDS분석 결과 적은양의 실리카만이 함유되어 있었다.
10 wt% ASF를 포함하고 있는 세라믹 샘플을 저배율, 고배율 SEM 현미경으로 관찰하였다.(그림 4, 5)
미세 사진을 주의 깊게 관찰한 결과, 특히 고배율에서 전형적인 세라믹 바닥 타일에서 일반적으로 관찰되는 것 외에, ASF 구멍이 다공성을 획득하고 있음을 알 수 있었다. 더구나 원래 ASF의 물성 때문에, ASF는 기계적 강도를 향상시키고 안정성을 향상시키는 2차 상(phase)로 작용하게 된다.
다른 압축 압력으로 압축된 세라믹 바디에 다공성이 열전도도와 열분산율에 미치는 영향을 연구하였다.
열전도도와 열분산율은 다공성에 좌우되며 압축 압력이 30MPa에서 10MPa로 줄어들어 다공성이 증가할수록 열전도도와 열분산율은 감소한다. 실험 결과 얻어진 데이터를 Aivazov와 Domashnev에 의해 제안된 열전도도 이론 모델과, 그리고 Sugawara와 yoshizawa에 의해 제안된 열분산율 모델과 비교해본 결과 다공성 연구와 상당히 일치함을 알 수 있었다.
30MPa에서 압축된 ASF가 첨가된 세라믹 바디의 열전도도와 분산율에 미치는 다공성의 영향을 그림 8과 그림 9에 나타내었다. 열전도도와 열분산율은 다공성에 좌우되었는데, ASF 함유량이 0에서 40wt%로 변하여 다공성이 증가할수록 열전도도와 열분산율이 감소하였다. 이 경우, 실험 결과가 이론 모델과 잘 일치하지 않았는데, 세라믹 재료를 화합물로 고려하지 않기 때문이었다.

불편 레벨
불편 레벨 측정 장치(그림 1)를 이용하여 사람이 맨발로 가열된 보도를 걸을 때 느끼는 불편함 레벨을 측정하였다. 30MPa에서 압축되고 ASF가 함유되어 있지 않은 세라믹 바닥 타일(샘플 M)과 40 wt%의 ASF를 포함하고 있는 샘플(샘플 MS40)을 60℃(표면온도)에서 15분간 테스트하였다. 맨발인 사람이 가열된 보도 표면 위에 서있고, 발 표면 아래의 온도와 열 흐름을 기록하였다. 접촉 순간에는(시간=0) 발 표면 아래의 온도가 증가하였다가 입사 복사열이 그림자에 의해 줄어듦에 따라 점차적으로 감소하였다.
예상한 것과 같이, 세라믹 바닥 타일 MS40(다공성 39%)을 사용한 보도블록의 경우 세라믹 바닥 타일 M(다공성 21%)을 사용한 경우보다 4℃ 정도 낮은 온도를 얻을 수 있었다. 그리고 접촉에 의해 편안함 레벨이 조금 상승하는 효과가 있었다. 게다가 측정된 열의 양은 발과 보도가 닿는 동안 흘러갔다. 접촉 순간, 열 흐름이 최대로 이루어졌으며 테스트 동안 점진적으로 감소하였다. 예상한 것과 같이, 발과 보도간의 열 변화는 다공성이 높을수록 낮았다.
만약 발과 보도가 준-무한한 고체라고 고려한다면, 계면 온도를 계산해낼 수 있다. 발은 열 전도도가 0.37 W/m·K, 밀도가 1000kg/m3 그리고 비열이 1000 J/kg·K 이다. 그렇기 때문에, 열분산율은 600W·s1/2/(m2K)가 된다.
발 표면 아래의 측정된 온도와 이론적 계면 온도간의 관계가 결정되었다. (표 2) 이 관계를 통해 실험결과와 이론값이 상당히 차이가 있음을 알 수 있었다. 발의 열 특성의 불확정성, 발과 보도 간의 접촉 저항 그리고 준-무한한 고체 가정의 오류가 가능한 원인이다. (Ceramic Bulletin)

그림 1.     이번 연구에 사용된 실험장비의 개념도
그림 2.     ASF의 SEM 사진
그림 4.       10 wt%의 ASF를 포함한 세라믹 샘플의 SEM 사진
그림 3.     ASF의 SEM 사진
그림 5.       10 wt%의 ASF를 포함한 세라믹 샘플의 SEM 사진

표 1. 세라믹 바디의 조성
그림 6.    발-보도의 접촉 시간과 온도간의 관계
표 2. 측정된 온도와 이론적인 발/계면 온도