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이영 맹
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1 CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 19, No. 2, June 2013, pp. 90~94 재자원화기술 굴패각배합석고재료의열전도특성연구 권성현,, 조대철 * 순천향대학교에너지환경공학과 충남아산시신창면순천향로 22 경상대학교해양과학대학해양환경공학과 경남통영시인평동 445 경상대학교해양산업연구소 경남통영시인평동 445 (2013 년 5 월 8 일접수 ; 2013 년 6 월 2 일수정본접수 ; 2013 년 6 월 5 일채택 ) A Study on Thermal Conduction in Oyster Shell Incorporating Gypsum Objects Sung-Hyun Kwon,, Daechul Cho* Department of Energy & Environmental Engineering, Soonchunhyang University 22 Soonchunhyang-ro, Asan-si, Chungnam , Korea Department of Marine Environmental Engineering, Gyeongsang National University 445 Inpyong-dong, Tongyeong-si, Gyeongnam , Korea Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University 445 Inpyong-dong, Tongyeong-si, Gyeongnam , Korea (Received for review May 8, 2013; Revision received June 2, 2013; Accepted June 5, 2013) 요 굴패각분말을함유한석고시험체를통하여 1차원열전달특성을조사하였다. 굴패각성분의함유량이늘어날수록기공을포함한시험체의구조적변형에근거하여흡착과같은물리화학적특성이증가함에따라시험체전체의열전달특성도달라질것으로예측되었다. 푸리에 (Fourier) 열전도방정식을기초로하여 1차원슬랩의열전도현상을수치모사한결과패각분말의배합도및각성분재료의열전달관련물리적계수에따라상당한열전도분포의변화를관측할수있었으며이는모형실험결과와도잘부합하였다. 주제어 : 굴패각, 석고체, 열전도, 1차원열전달분석 Abstract : We investigated one-dimensional thermal conduction for gypsum objects incorporating We presumed that according to the portion of oyster in the hybrid structure conductive characteristics of that would also change as some physicochemical properties such as volatile organic compound (VOC) adsorption were found to be changed considerably. Based on Fourier's 2nd law of heat conduction an analytical analysis in a flat slab (one axis perpendicular to an infinite plane) was performed. We found that composition of oyster and conduction-related coefficients and parameters could greatly influence on the thermal profile of that conduction, and some model experiments also served for it in the affirmative. Keywords : Oyster, Gypsum object, Heat conduction, 1-dimensional heat analysis 약 1. 서론 국내의굴산업은수출과내수시장, 해안지역경제의활성화에매우중요한위치를점하고있는바, 사용후노적된굴패각은환경및폐기를포함한지역사회의현안의하나이다. 그러나이의적절한활용방안에관해서는현재비료조성제로일부사용되는수준이며전면적재활용연구가일회적이고단편적수준에머물러있다 [1]. 그간의연구를통하여방 * To whom correspondence should be addressed. daechul@sch.ac.kr doi: /ksct 해석을주성분으로하는패각은몰탈, 석고등기존건축소재와유사한조성을가지고있고그가공성에따라친환경적건축용재료로써잠재력이있다고평가되고있다 [2,3]. 건축소재는특히실내에서의유해성이최소화되도록유해물질미방출, 방출시자체흡착및분해의탁월성, 새집증후군의예방이가능한기능성을갖출필요가있다. 따라서본연구의범위는고칼슘을함유하는굴패각을소재로재활용하는산업적부가가치의창출과기존석고재를능가하는실용적단열성까지확보할수있는마감재의개발로압축될수있다. 석고재의단열성에대한연구는그결과가이미실생활에매우밀접하게활용되고있으므로본논문에서는주성분이 90

굴패각 배합 석고재료의 열전도 특성 연구 함수황산칼슘(CaSO4 2H2O)인 석고를 주 시험체로 사용하되 새로운 원재료인 굴패각의 함유에 따른 복합마감재의 열전달 특성을 평가하였다. 91 2.2. 굴 패각분말이 함유된 시험체의 열 전달율 평가 굴 패각분말을 배합비율에 따라 제작된 시험체로부터 온도 기록계(HR 1300)로 30분 간격으로 총 3시간 동안 시간이 경 과됨에 따른 온도 변화를 측정하여 비교하였으며(Figure 4) 2.

먼저 열 전도는 시험체 내에 온도구배가 있을 경우에 일어나는 열전 달 양상으로 에너지의 분자운동에 의하여 고온부에서 저온부 로 이동한다. 2차원 직교 좌표계에서는 전도에 의한 열 전달 율은 다음의 푸리에 법칙(Fourier's law)으로 표현된다.

q는 열전달량이고, k는 물체의 열전도도, A는 물체의 단면적 본 연구는 굴 패각분말에 대한 각 마감재별 변수의 물리적 이며 T/ x는 온도구배(temperature gradient)를 나타낸다. 화학적 특성에 기초하고 있다. 대류열전달은 움직이는 유체가 그것과 다른 온도를 가진 면과 접촉할 때 일어나며, 유체와 면사이의 열 전달률은 다음 2.1.

2 cm 크기의 틀에 부어 굳히 (2) 고, 110 에서 10시간 건조시킨 후 사용하였으며 이와 같은 여기서, h는 열전달 계수, T는 시험체 면의 온도, Tenv는 시험 방법으로[5] 배합비율에 따라 굴 패각분말이 10, 30, 50% 함 체 주위의 유체온도를 나타낸다. 유된 시험체를 제작하였다(Figure 2).

2 굴패각 배합 석고재료의 열전도 특성 연구 함수황산칼슘(CaSO4 2H2O)인 석고를 주 시험체로 사용하되 새로운 원재료인 굴패각의 함유에 따른 복합마감재의 열전달 특성을 평가하였다 굴 패각분말이 함유된 시험체의 열 전달율 평가 굴 패각분말을 배합비율에 따라 제작된 시험체로부터 온도 기록계(HR 1300)로 30분 간격으로 총 3시간 동안 시간이 경 과됨에 따른 온도 변화를 측정하여 비교하였으며(Figure 4) 2. 재료 및 방법 굴 패각분말은 인공 포졸란에 속하며 그 자체는 수경성이 없어 황토, 석고, 기타 친환경재료와 혼합하여 사용하게 되면 이에 함유되어 있는 가용성 실리카가 탄산칼슘이 93.68%로 구성되어 있는 굴 패각분말인 칼슘과 상온에서 반응하여 구 실험값을 이용한 열전도율을 추정하여 역해석하였다. 먼저 열 전도는 시험체 내에 온도구배가 있을 경우에 일어나는 열전 달 양상으로 에너지의 분자운동에 의하여 고온부에서 저온부 로 이동한다. 2차원 직교 좌표계에서는 전도에 의한 열 전달 율은 다음의 푸리에 법칙(Fourier's law)으로 표현된다. 산칼슘(CaO, SiO2, Na2O)을 만드는 포졸란 반응생성물로 충 만되면서 경화체가 단단하게 결합되어 강도가 증가되고 마감 (1) 재의 수밀성과 내구성이 크게 향상되는 장점을 활용하면 이 들을 이용해 산업폐기물에서 고부가치를 창출할 수 있다[4]. q는 열전달량이고, k는 물체의 열전도도, A는 물체의 단면적 본 연구는 굴 패각분말에 대한 각 마감재별 변수의 물리적 이며 T/ x는 온도구배(temperature gradient)를 나타낸다. 화학적 특성에 기초하고 있다. 대류열전달은 움직이는 유체가 그것과 다른 온도를 가진 면과 접촉할 때 일어나며, 유체와 면사이의 열 전달률은 다음 2.1. 시험체 제작 과 같은 뉴턴의 냉각법칙(Newton's law of cooling)을 따른다. 본 연구의 실험재료는 굴 패각분말, 석고와 같은 소재를 활 용하여 일정 무게비율에 따라 물과 함께 혼합하여 반죽한 뒤, 가로 15 cm, 세로 15 cm, 높이 3.2 cm 크기의 틀에 부어 굳히 (2) 고, 110 에서 10시간 건조시킨 후 사용하였으며 이와 같은 여기서, h는 열전달 계수, T는 시험체 면의 온도, Tenv는 시험 방법으로[5] 배합비율에 따라 굴 패각분말이 10, 30, 50% 함 체 주위의 유체온도를 나타낸다. 유된 시험체를 제작하였다(Figure 2). 3 시험체의 밀도를 2,000 kg/m, 비열은 J/(kg K)로 가 정하여 시험결과와의 감도해석을 통하여 열전도율을 추정하 였다. 해석시간은 시험시간과 동일한 50분으로 하였다. 경계 조건은 Figure 3과 같이 양단은 단열재로 되어있으므로 열 이 동이 없는 것으로 설정하였고, 아래쪽은 발열체에서 전도된 표면의 온도를 경계값으로 하였다. 대기에 접하는 부분의 온 2 도는 16.4 로 하고, 열전달계수는 h는 W/(m K)로 하 여 계산하였다. Figure 1. Oyster structure photographed by SEM (x1,000). Figure 3. Boundary constraints for heat analysis of a test object. Figure 2. Test objects used in the experiments. Figure 4. Experimental setup for heat analysis.

3 92 청정기술, 제 19 권제 2 호, 2013 년 6 월 3. 결과및고찰 3.1. 열전달률분석굴패각분말이함유되지않은순수석고만으로이루어진시험체로부터 3시간동안열전달률을측정한결과 (Figure 5), 바닥에서의 1/4만큼의두께를제외하고깊이에따른열전달비율은비교적선형적으로일정하였으며 3시간경과후, 바닥과표면과의온도차이는약 60 로나타났다. 굴패각분말이 10% 함유된시험체로부터열전달률을관찰한결과 (Figure 6), 대조군 surface에비해시간의경과에따른표면과깊이별온도차이에서큰변화가나타나지않았다. 3 시간경과후, 시험체의표면과바닥의온도차이는 66.0 로대조군과약 6 차이를보였으며단열효과가증가하였음을알수있었다. 굴패각분말이 30% 함유된시험체로부터열전달률을관찰한결과, 표면과바닥의온도차이는 3시간경과후 60.4 로대조군과는큰차이가없었으며, 10% 굴패각분말과는 5.6 의차이로굴패각분말의함유량증가에따른단열성향상은관찰되지않았다 (Figure 7). 굴패각분말함량이 50% 인시험체의경우, 표면과바닥의온도차이는 3시간경과후 59.6 로앞서대조군및 30% 시험체와비슷한결과를보였다 (Figure 8). 본실험을통하여굴패각분말의함유량은열차단에있어적정비율이존재하는것으로보이며일정함량이넘어가면주효한단열효과는없는것으로판단된다. 이를확인하기위한간단한분석을시도하였는데푸리에의열전도법칙과뉴턴의냉각법칙을이용하여각시험체에대하여열전도계수를계상하였다. 즉, 정상상태의온도분포로부터온도구배를구하여열전도율 k값을구하였다 (Table 1). Figure 7. Temperature change with time for a test brick with 30% of Figure 5. Temperature change with time for a test brick with gypsum only. Figure 8. Temperature change with time for a test brick with 50% of Figure 6. Temperature change with time for a test brick with 10% of Table 1. Values of thermal conductivities (k's) calculated from steady-state temperature gradients Test object k (W/m K) Gypsum only 10% oyster 30% oyster 50% oyster

4 굴패각배합석고재료의열전도특성연구 93 Table 2. Thermal conductivities for several substances Thermal conductivity (W/m K) at 25 Air Glass Gypsum (arch. material) Foam Styrofoam Urethane foam Insulation materials 유사정상상태 (dt/dt = 0) 를가정하여뉴턴의냉각법칙과푸리에법칙을연립으로적용하여 k값을구할수있다. Table 1에그결과를표시하였다. 10% 굴패각을포함한시험체의열전도율은 W/m K로써타시험체의 W/m K에비하여약 8.5% 의차이를보여유의한결과로사료되며또한 Table 2에서상용건축재로사용되는석고보드의열전도율이약 W/m K에해당하는것을고려할때굴패각의함유로인해단열성이향상되었다고상정할수있다 열전달해석 2.2에서설명한대로시험체의구조를평면적으로무한한면적을가진슬랩으로가정한다 (Figure 3). 이가정은여기서 1차원 (z 방향 ) 열전도만을고려할것이기때문에유효하다. 무한슬랩에서의열전달방정식을복합시험체에서성분 i에따른푸리에식으로다시쓰면, 여기서 (3) 이다. k i 는열전도계수, C p,i 는열용량, ρ i 는성분의밀도를하며, 각열확산계수 α i 는슬랩층 i의계수에해당한다. 시험체의성분을대략석고, 패각, 공기 ( 기공 ) 로잡고푸리에열전달방정식을다음과같이정리하면 ( 여기서 α T 는열확산계수 ) (4) 이된다. 여기에무차원변수 Θ, η, τ를도입하여, 로놓고정리하면 Figure 9. Comparison between theoretical simulations for heat conduction and the corresponding experiments in a infinite thin slab. The lines represent the calculated data (the upper to the lower curves in order of being away from the heat source). The symbols also stand for the experimented results in the same order as the solid lines. 가된다. cos (6) Figure 9는무차원변수로정의된온도와슬랩두께를고려한시간을그래프로나타내었다. 실선은푸리에의열전도방정식으로푼해를실험조건에맞추어그래프한것이고, 심벌로나타낸실험데이터는슬랩의깊이에따라표시한것이다. 그림에서보여지듯이푸리에의비정상상태 (unsteady state) 의열전달패턴은슬랩의두께에따라잘보여지는반면, 슬랩중간부분의열전달패턴은실험치와상당한차이를보였다. 표면에서의온도분포가실험치와비슷한데비해중간층의분포가실험치를많이벗어난이유는 10 mm 미만인얇은층의주성분인석고분말입자가작고고른반면에, 중간층은입자분포가조악한데다 3 내지 6배큰입자의굴패각성분이혼입됨에따라열전도현상이불균일해졌기때문으로사료된다. 굴패각이함유됨으로써석고체내부에연속및단일성기공구조가발달하여중간공기층을형성, 석고에비해 7배정도낮은열전도율이부분적으로작용, 열차단효과를높인것으로분석된다. 문제는이와같은공기층기공구조가불연속적이고불균일하여모사로정확히예측하기어렵다는것이다. 향후유한요소분석을통하여슬랩의구조를모사 (FLUENT 등모사패키지이용 ) 하는가상실험을진행, 보다현실적예측을할계획이다. ; τ =0일때 Θ = 1; η =±1일때 Θ =0 (5) 위식을해석적으로풀면그해는 4. 결론친환경건축재로유망한패각활용석고체를열분석하여열차단성을조사하였다. 푸리에법칙에근거한무한슬랩방정식을이용한컴퓨터모사와이에대응하는실험을수행, 상호

5 94 청정기술, 제 19 권제 2 호, 2013 년 6 월 비교한결과, 1) 가상모사에서예측되는것보다시험석고체 / 패각복합체의열차단효과는일반적석고보드보다우수한것으로평가되었으며, 2) 특히시험체의중간층의단열효과가패각성분이함유되었을때크게부각되었고, 3) 2) 의원인은큰입도의패각분말과고운석고입자의혼입으로공기층을가진기공구조가발달했기때문으로추정되었다. 이는다층의재료로구성된시험체의모사를통하여부분적으로확인되었다. 4) 실험결과로는 10% 정도의패각분말이혼입되었을때열전도율 k = W/m K로열차단효과가가장우수하였다. 감사이논문은 2011년정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행한기초연구사업임 (NRF ). 참고문헌 1. Lee, O. K., Choi, J. W. Jo, T. S., and Paik, K. H., Adsorption of Formaldehyde by Wood Charcoal-based Building Materials, Mokchae Konghak, 35, (2007). 2. Park, D. C., and Kwon, S. H., An Experimental Study for the Development of Eco-interior Finish Building Materials Using the Bamboo Activated Carbon, J. Arch. Inst. Korea Struct. & Constr., 27(3), (2011). 3. Koo, H. -S., A Study on the Development of Building Materials Made Use of Oyster Shells, Inst. Eng. Technol., 20(1), (2002). 4. Kim, J. O., Lee, S. E., and Lee, C. -H., A Study on Calcination Characteristics of Powdered Oyster Shell, J. of KORRA, 15 (1), (2007). 5. Kwon, O. H., Yun, H. K., Han, S. K., Ahn, D. H., Shim, M. J., Cho, S. W., Park, J. S., and Kim, J. Y., Thermal Environment Characteristic of the Heat Storage Gypsum Board Included with Phase Change Material, Appl. Chem. Eng., 21(5), (2010).

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14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked