섬유질 고온 절연체의 RCG 코팅과 열전도 특성

조지훈, 김영채, 배성렬

한양대학교 화학공학과

RCG Coating of Glass Fibrous High-temperature Insulator

and Thermal Conductivity

Ji Hoon Joe, Young Chai Kim, Seong Youl Bae

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

서론

1970년대 초반부터 1260℃의 공기 열역학적 비행환경에서 동체가 손상되는  것을 방지하기 위해서 최소한 100회의 우주비행에 사용할 수 있는 저밀도     섬유질 고온 절연체의 개발이 이루어져 왔다. 이로서 단 1회밖에 사용할 수    없었던 이전의 우주 비행체들이 매우 높은 열적 충격과 급격한 온도변화에    동체를 보호하고 재사용하기 위한 연구가 시작되었다. 따라서 RSI(Reusable Surface Insulation)와 RFC(Rigid Fibrous Ceramic)의 기계적·열적 특성에 대한 연구가 집중적으로 이루어 졌으며 미국이나 구소련 등에서는 보다 우수한     특성을 지닌 섬유질 절연체를 개발하여 실제 우주 비행체나 미사일 등에      사용하고 있다. 이러한 절연체는 단위 밀도당 향상된 기계적 강도, 고온 안정성, 열 저항성, 낮은 열전도도와 화학적 안정성을 가지고 있기 때문에 고온 반응기 외부 절연체나 환경분야의 자동차 배연 정화용 필터로서도 사용이 가능하며   다양한 응용 가능성을 가지고 있다[1-2].

절연체들의 구조를 살펴보면 밀도를 낮추기 위해 섬유질로 만들어졌다. 섬유질 사이에 비어 있는 공간들은 절연체를 섬유질로 만드는 이유를 설명하여 주는데, 이것은 열전도도와 열팽창율 등의 열적 특성을 극대화하지만 인장강도나 압축강도 등의 기계적 특성은 크게 증가시키지 못한다. 그러므로 극한적 비행환경에  적응하기 위해서 기계적 강도를 보완하고 열전도도를 더욱 낮추기 위해 코팅물질을 개발하는 것이 요구되어지고 있다.

앞서 언급했던 여러가지 응용 가능성에 부합될 수 있는 저밀도 섬유질 고온 절연체의 특성을 살려 특히, 고온에서 기계적 강도와 열적 특성을 향상시키기  위해서 RCG(Reaction-cured glass) 코팅을 하였다. 따라서 절연체의 온도에 따른 열적 응답을 알아내고, 이를 이용하여 압력과 코팅 방법을 변화시켜 열전도도를 조사하였다.

이론

열전달 현상은 전도, 대류, 그리고 복사로 나눌 수 있다. 이 중에서 고온     영역으로 갈수록 복사에 의한 열전달은 더욱 중요해진다. 열전도도는 다음식으로부터 구할 수 있다.

[eqn: q INT _{x_0 }^{x }1 over A(x) dx ~〓~ - INT _{ T}^{T_0 } k(T) dT]

[eqn: k~〓~k_so ~／~k_r]  또는, [eqn: k~〓~k_so ~／~k_r ~／~k_g]

여기서, [eqn: q]  : 공급열량	[eqn: k]  : 열전도도

[eqn: x]  : 열전달 방향	[eqn: k_so] : 전도에 의한 열전도도

[eqn: A] : 절연체의 전열 면적  [eqn: k_g]  : 대류에 의한 열전도도

[eqn: T] : 온도	[eqn: k_r]  : 복사에 의한 열전도도

위의 식은 정상상태에서의 열적 응답에 적용하여 열전도도를 구하는데        사용하는데, 여기서 열전도도 k(T)는 온도에 대한 함수로서 세가지 열전달     메커니즘에 의한 각각의 항으로 나눌 수 있고, 보다 상세한 식은 참고문헌에   나와 있다[3].

실험은 800℃ 이상의 고온영역에서 행해졌으며, 다음과 같은 가정하에 열전도도가 측정되었다. (1) 히터에서 나오는 열은 수직방향으로만 전달되고, 절연체의 열이 전달되는 면의 온도 구배는 무시한다. (2) 절연체는 히터, 냉각기, 단열재 주위와 완벽하게 단열을 이룬다. (3) 절연체는 실험 전후 밀도가 변하지 않는다.

실험방법

열전도도 측정에 쓰이는 방법은 Hot wire method, Calorimeter method 그리고 Guarded hot plate method  등이 있다. 본 실험은 Guarded hot plate method에 근거를 둔 방법으로서 장치를 개량하여 수행하였다[4]. 절연체의 열적 응답을   알아내기 위하여 개조된 장치의 개략도를 그림 1에 나타내었다.

실험에 사용된 절연체는 정사각형 모양으로서 한변의 길이가 12.0∼12.5 cm,  두께는 2.0∼2.5 cm 그리고 밀도는 0.15∼0.25 g·cm-3가 되도록 제조하였다. 그리고 고온에서 절연 성능과 강도를 높이기 위해서 절연체의 표면에 제분된 SiB4, MoSi2와 B2O3의 혼합물을 두께 0.1 mm이하로 도포한다. 그리고 1000℃이상에서 1시간 동안 소결(sintering)시키면 RCG 코팅이 이루어 진다. 이렇게 해서 만들어진 절연체의 정상상태 열전도도를 측정하기 위해서 히터의 전원을 60∼70 V로 일정하게 10∼20 시간동안 공급하여 정상상태 일 때의 온도를 측정하여 열전도도를 계산한다. 또한 chamber 내부의 압력을 각각 대기압 상태와 0.1∼0.2 torr 정도로 유지시켜 실험했다.

결과 및 토론

본 실험에서 측정된 열전도도 값을 그림 2와 그림 3에 나타내었다. 이번 실험에  사용된 절연체들은 원료 성분은 모두 동일하지만, 제작 방법을 달리함으로써   밀도나 구조가 각각 다르다. 각 절연체들의 열전도도 값은 대략 1.0×10-2∼   3.0×10-2 W·cm-1·K-1 값의 범위를 보이는데, 이 값들은 문헌상의 값보다      약 5∼10배 정도 크다[5].

문헌에 의하면 일반적으로 밀도가 일정한 물질의 경우에 저온 영역에서는   전도가, 고온 영역에서는 복사가 열전도도에 중요한 영향을 준다[6-7]. 그리고  섬유질 다공성 절연체의 열전도도는 밀도가 작을 경우에는 복사의 영향이, 클  경우에는 전도의 영향이 크다고 알려져 있다. 또한 압력이 낮아지면 전도나    복사에 비해 대류에 의한 열전도도항이 무시할 정도로 충분히 작아 열전도도가 낮아지게 된다. RCG 코팅을 할 경우에는 밀도가 약간 높아지지만 열전도도는 더욱 낮아지게 된다. 이번 실험에서 얻어진 열전도도의 경향을 살펴보면, 이를 충분히 반영해 주는 것을 알 수 있다. 그림 2는 압력에 따른 열전도도를 보여주고  있는데, 같은 물질의 경우에 압력이 낮아지면 열전도도가 낮아지고 있음을 볼 수 있다. 이것은 0.1∼0.2 torr의 압력범위에서 무시했던 대류의 영향이 760 torr에서는 상당한 영향력을 발휘하기 때문이라고 설명할 수 있다. 그림 3은 760 torr에서 코팅된 절연체와 코팅되지 않은 절연체의 열전도도를 보여주고 있다. 저온 영역에서 보다 고온 영역으로 갈수록 코팅된 절연체가 더욱 낮은 열전도도 특성을 보여주고 있다. 그러나 1100℃이하에서 RCG 방법으로 코팅된 절연체의 열전도도가 낮았으나 그 이상에서 열전도도가 더욱 낮아지지 않았다. 그 이유는 코팅물질과 절연체와 코팅부분의 결합이 제대로 이루어지지 않았거나 코팅 두께가 얇았다고 생각되어 진다. 그리고 절연체의 성분을 변화시키거나, 다양한 성분으로 복합 절연체를 제작, 코팅하는 것도 고려해 볼 점이다

본 실험에서는 고온용 절연체를 제작, 코팅하고, 특히 높은 온도 범위에서   절연체의 열적 응답을 알아내고, 이를 이용하여 열전도도를 구해 보았다. 그리고 열전달 현상에 영향을 줄 수 있는 인자들을 연구하기 위해 chamber 내의 압력을 변화시키고, 절연체의 밀도와 구조에 약간의 변화를 주면서 코팅을 하고 실험을 하였다. 따라서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

(1) 정상상태에서 절연체의 열전도도는 온도에 따라 증가한다.

(2) 압력이 낮아짐에 따라서 절연체의 열전도도는 낮아진다.

(3) 고온 영역에서 RCG 방법으로 코팅하지 않은 절연체보다 코팅된 절연체가 상     대적으로 열전도도가 낮다.

참고문헌

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

2. Daniel B. Leiser, Marnell Smith, and Howard E. Goldstein : Ceram. Bull.,      60, 1201-1204(1981)

3. R. Byron Bird, Warren E. Stewart and Edwin N. Lightfoot : Transport        Phenomena, 243-253(1960)

4. Gary S. Sheffield and J. Richard Schorr : Ceram. Bull., 70, 100-105(1991)

5. William C. Miiller and Thomas A. Scripps : Ceram. Bull., 61,                 711-714(1982)

6. David A. Stewart and Daniel B. Leiser : Ceram. Eng. Sci. Proc., 6[7-8],       769(1985)

7. Efim Litovsky, Michael Shapiro, and Arthur Shavit : J. Am. Ceram. Soc.,      79[5], 1366-76(1996)

Fig. 1. Apparatus for measurement of thermal response of insulator

Fig. 2. Effects of pressure           Fig. 3. Coating effects

on thermal conductivity.               on thermal conductivity