X-ray CT를 이용한 글라스울 단열재의 미세구조 특성 분석
Characterization of Microstructure in Glass Wool Insulation Using Micro X-ray CT
Article information
Abstract
본 연구에서 X-ray CT를 통해 글라스 울로 제작된 밀도가 다른 세 가지 시료에 대하여 미세 구조를 분석하였다. 분석 결과 부피 밀도의 증가에 따라 섬유의 부피비가 선형적으로 증가함을 확인하였다. 열전도도는 섬유 부피비의 증가에 따라 비선형적으로 감소함을 확인하였다. 저밀도 시료의 경우 특히 불균질한 구조를 가짐을 확인하였으며 평균 국소 섬유 부피비가 최대 두 배까지 변하는 것을 확인하였다. 3개 시료 중에 밀도가 비교적 제일 높은 시료의 경우 더 뚜렷한 계층 구조를 가진다.
Trans Abstract
We investigate microstructures of three insulation samples made of glass wool fiber with low to high density through X-ray Computed Tomography. Analysis results indicate that the volume fraction of fibers increases linearly with increasing bulk density, and thermal conductivity decreases nonlinearly with increasing volume fraction of fibers. In addition, the insulation samples have nonuniform structures, particularly for the low-density sample, showing that the average local volume fraction of fibers in one layer varies up to two times. The sample with the highest density exhibits a more distinct layered structure than the other two relatively low-density samples.
1. 서 론
최근 발생된 대형 화재사고(이천 한익스프레스 물류센터 신축공사장 화재, 2020; 의정부 대봉그린아파트 화재, 2015)의 주요한 화재 확대는 가연성 단열재가 원인 이였다(National Fire Agency, 2015, 2022). 정부는 화재 시 급격한 화재 확대를 방지하기 위해 단열재 화재성능을 강화하였고 이로 인해 유기 단열재의 사용이 어려워지고 있어 시장에서는 무기 단열재에 대한 관심이 높아지고 있으며 무기단열재 중 글라스울의 사용량이 지속적으로 증가하고 있다(CMRI, 2017). 또한 전 세계적으로 기후 변화에 따른 건축물의 에너지 기준이 강화됨으로 에너지 효율이 높은 단열재의 수요도 증가하고 있다. 글라스울 단열재는 불연성능을 갖는 재료로 난연 성능은 뛰어나나 비산먼지와 사용자의 취급에 있어 시공의 어려움이 있고, 유리섬유 접합에 사용되는 페놀 접착제로 인한 친환경성이 문제시 되고 있다. 재료 성능에 따른 장단점이 존재함으로 화재 확산의 위험이 큰 유기단열재를 대체하고 기존 글라스울 단열재의 단점을 극복한 새로운 단열재의 개발이 요구되어지고 있다.
본 연구에서는 기존 글라스울 단열재의 미세구조 분석을 통해 섬유상으로 이루어진 새로운 단열재 개발을 위해 섬유의 배열 및 공극의 분포가 열전도율에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 산업용 마이크로 단층 촬영(Computed Tomography, CT) 분석방법은 섬유복합재료의 섬유 방향, 부피비, 공간 분포 및 미세구조 분석 등에 널리 적용 된다(Badel et al., 2003; Konopczynski et al., 2017; Baranowski et al., 2019; Meftah et al., 2019; Karamov et al., 2020). 기존 연구에서는 X-ray CT가 직렬 절단, 초음파 검사 등과 비교 시 글라스울 단열재 내부의 공극 특성 분석에 가장 효과적인 분석 기술로 보고되었다(Abdelal and Donaldson, 2018). 또한 단층 촬영은 특히 비균질 시료에 대한 미세구조 특성화 및 국부적 특성 측정에 압도적인 우위를 점하고 있다. 본 연구에서 X-ray CT를 통해 글라스울 단열재의 미세 구조 특성을 분석하고 특히 단열재의 국부 및 전체 부피비와 섬유 배열의 공간분포에 중심을 두었다.
2. 재 료
글라스울 단열재는 건축물 단열재로 널리 쓰이는 재료중 하나이다(Roy et al., 2006; Marmoret et al., 2012). 본 연구에서는 세 종류의 밀도를 가진 글라스울로 국내 A기업에서 시판되는 재료를 대상으로 분석하였다.
밀도와 열전도도는 실험실에서 측정하였으며 그 결과는 Fig. 1과 같다. 글라스울 단열재의 열전도도와 밀도는 KS L 9016 보온재의 열전도율 측정 방법에 따라 평판 열류계법으로 측정하였으며 평균온도 23 °C, 두께 50 mm로 측정하였다. Figs. 2(a)와 2(b)는 시료A의 X-Z 단면과 Y-Z 단면이다. 섬유는 Y-Z 평면과 비교하여 X-Z평면에서 상대적으로 더 구부러진 것으로 보여 진다. Fig. 3은 실험실에서 측정된 부피밀도(ρb)와 함께 측정된 열전도도(k)를 보여준다. 시료A (ρb = 31.04 kg/m3) 및 시료C (ρb = 81.97 kg/m3)의 열전도도는 각각 0.04418, 0.02782 W·m-1·K-1로 비선형적인 감소를 보이는데 부피밀도가 2.6배 증가하면 열전도도가 약 60%가 감소한다. 시료A 및 시료B 사이는 열전도도가 급격히 감소하나 시료B 및 시료C 사이의 열전도도 감소는 상대적으로 기울기가 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
Basic Properties of the Three Glass Wool insulation Samples
Cross Section Pictures of Sample A : (a) X-Z Plane, (b) Y-Z Plane
Measurements of Thermal Conductivity for Seven Samples of Glass Wool Fiber Corresponding to Different Bulk Densities. Three Samples to be Analyzed in this Study Are Noted as A, B and C
3. X-ray CT를 통한 섬유 구조 특성 분석
3.1 촬영 조건 및 CT 이미지
본 연구에서는 산업용 X-ray CT를 활용하여 시료를 촬영하였다. 장비는 발생 에너지 영역대가 서로 다른 세 개의 튜브가 장착되어 있으며 그 중 나노-튜브를 촬영에 사용하였다. 해당 튜브의 전압범위는 30~120 kV, 전류 범위는 10~200 μA이다. 초점 크기는 2.4 W 미만의 튜브 출력일 시 1.5-3 μm이다. 해상도가 높은 이미지를 얻기 위해 필요한 대표 요소 체적(Representative element volume; Breuer and Stommel, 2020)을 고려하여 시료를 수평방향에서 13 mm와 가깝게 블록 형태로 절단하였다. 시료는 80 kVp의 전압, 80 μA의 전류, 51 mm의 SOD (Source-to-Object Distance, X선과 촬영 대상 중성축의 수평거리) 조건에서 촬영하였다. CT 이미지는 0.02026 mm의 pixel pitch를 가진다. Fig. 4는 세 개의 시료에 대한 600 × 600 × 600 복셀 부피의 단면 이미지 및 섬유의 3차원 CT 이미지를 나타낸다.
Typical Cross-Sectional CT Images and 3D Reconstructed Images for the Three Samples
3.2 섬유의 부피비 분포
기존의 이진화(Binarization) 방법은 CT 이미지에서 섬유 및 공기의 분리에 사용되며 본 연구에서 같은 임계값, 즉 공기의 CT 값을 세 개의 시료에 동일하게 적용하였다. 글라스울과 공기의 부피비는 1,806.8713 mm3의 고정된 총 부피에 대해 측정되었다(Table 1). Fig. 5에서 3개 시료에 대해 측정된 섬유 부피비는 실험실에서 측정된 부피 밀도와 함께 표시하였을 때 선형 관계를 가지며 이는 섬유 부피비의 CT 분석 결과가 신뢰할 수 있음을 나타낸다.
Volume Fraction of Air and Fiber Measured on ca. 12 mm Block
Relationship between the Fiber Volume Fraction Measured from CT Images and Laboratory Measurement of Bulk Density
시료의 균질성 평가를 위해 섬유의 국소 부피비(local volume fraction)를 측정하였고 이는 메쉬 작업 할 때 셀의 크기에 영향을 주로 받는다. 이번 분석에서는 각 메쉬(mesh)의 크기를 100 × 100 × 100 voxel 단위 부피, 즉 한 변의 길이가 약 2 mm 정육면체인 셀(cell)을 적용하여 총 216 개의 셀에 대해 부피 비율을 측정하였다. Fig. 6은 세 개의 샘플에서 국소 부피비의 공간적 분포를 나타내며 동일 이미지 안에서 적색은 부피비가 크고, 청색은 낮은 부피비를 나타낸다. 이는 글라스울 단열재 시료의 미세 구조가 불균질함을 나타낸다. Figs. 6(a), 6(b)는 Fig. 6(c)와 비교하여 적색과 청색이 모두 나타나는 것으로 보아 상대적으로 시료C보다 시료A와 시료B의 불균질성이 높은 것으로 판단된다. 섬유의 국소 부피비는 시료A, 시료B 및 시료C에 대해 각각 0.25~12.08, 1.31~21.41 및 13.81~28.02의 범위를 보인다. 셀별 부피비를 Fig. 7에서 비교하였으며 총 부피비 뿐만 아니라 국소 부피비를 비교할 때 시료A의 경우 제일 낮고, 시료C의 경우 제일 높은 것을 확인하였다.
Distribution of Local Fiber Volume Fraction in the Three Samples
Comparison of Local Fiber Volume Fractions in the Three Samples
또한, 시료의 단면 CT 이미지로부터 섬유의 높이에 따라 다른 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 밀도가 가장 낮은 시료A의 경우에 경향이 뚜렷하게 나타났다. 따라서 총 높이가 ~57 mm인 시료A에 대해 추가 촬영 및 분석을 수행하였다. Fig. 8(a)는 각각 X-Y (좌) 및 Y-Z (우) 평면에 해당 단면 이미지를 보여주며 선정된 관심영역(Region of Interest, ROI)에 대한 두께가 약 4.736 mm (134 voxel)인 10개 층을 분할하였다.
Measurement of Fiber Fraction in a Defined Layer
Fig. 8(b)는 CT 이미지에서 측정한 각 층의 섬유 부피비를 비교하였다. 층별 섬유 부피비는 5.6~12.3%로 분포 하며 평균값이 8.68%로 나타났다. 즉, 조밀한 층은 느슨한 층보다 2배 더 많은 섬유를 포함하고 있다.
3.3 섬유의 방향성
섬유 방향성과 섬유의 배열은 섬유 부피비 이외에 열전도 특성에 크게 영향을 미치는 매우 중요한 지표이다. Fig. 9(a)에서 볼 수 있듯이, 극각(polar angle, θ)과 방위각(azimuth angle, ф)은 섬유의 공간 분포를 설명하는 데 가장 많이 사용되는 변수이다. 극각은 섬유 방향과 Z 방향 사이의 각도이며 0-90°의 범위를 가진다. 극각이 0일때 섬유는 Z 방향과 평행하며 90일 때 섬유가 X-Y평면에 평행함을 나타낸다. 방위각은 X-Y평면에 투영된 선과 X축이 이루는 각도로 보통 0-180° 범위에서 표시되나 섬유의 시작점이 끝점과 구분할 경우 방위각의 범위는 0-360°로 나타낼 수 있다. Figs. 9(b)~(d)는 시료A, B, C의 CT 데이터에 대한 단위 길이당(unit length) 해당 투영각도의 3차원 분포를 나타난다.
Fiber Orientation Analysis Results: (a) Definition of the Polar Angle and the Projected Angle and (b)－(d) 3D Contour Plot of Spatial Distribution of the Projected Angle for the Three Samples
투영 각도에 대한 0~180°의 전체 범위는 Fig. 10과 같이 30° 간격으로 6개의 섹션으로 나누어 분석하였으며 섬유의 평면내 방향 분포에서 X축에 평행할 경우 ф = 0° 혹은 ф = 180°, Y축에 평행할 경우 ф = 90°이다. 비교 분석 결과에서 세 가지 샘플 모두에 대해 Y축에 평행한 섬유보다 X축에 평행한 섬유가 더 많은 경향을 보인다.
Comparison of Projected Angle Distribution for the Three Samples
섬유의 극각 분포는 Fig. 11에서 나타냈다. 여기서 X축은 0~90°의 전체 범위에 대해 0.353° 간격으로 표시된 극각이고, Y축은 극각별 섬유의 누적 백분율이다. 세 개 시료의 공통점은 Fig. 11에서 점선으로 표시된 것처럼 약 10%의 섬유만이 60°보다 작은 극각을 가진다. 시료C의 경우 θ <= 75°인 섬유의 백분율이 ~20%이고 시료A 및 B (> 40%)과 비교하여 매우 낮다. 주요원인은 시료C의 경우 X-Y 평면의 평행 방향으로 분포된 섬유를 더 많이 가지고 있는 것으로 분석 되었다. 즉 시료A, B와 비교하여 상대적으로 시료C의 섬유 배열이 계층 구조와 가까운 것을 의미한다.
Comparison of Polar Angle Distribution for the Three Samples
3.4 섬유의 마이크로 구조 특성 및 열전도도의 관계
섬유기반 재료의 열전도도는 섬유 재질 및 섬유의 미세구조에 지배된다. 세 시료의 열전도율은 Fig. 12에서 비교하였으며 섬유부피비의 증가에 따라 비선형적인 감소 경향을 보였다. 이는 실험실에서 측정한 Fig. 2와 같이 열전도율과 부피밀도의 상관관계와 일치한다. 또한, Marmoret et al. (2016)에서 글라스울의 부피비가 약 0.5%에서 5%로 증가함에 따라 열전도도가 비선형적으로 감소함을 보고하였다. 본 연구에서 섬유의 부피비가 약 7%에서 21%까지 증가 할 때 열전도도가 비선형적으로 감소하는 것을 확인 하였다.
Relationship between Fiber Volume Fraction and Thermal Conductivity
4. 결 론
본 연구에서 X-ray CT를 통해 글라스울 단열재 세 가지 시료에 대하여 미세 구조를 분석하였다. 분석 결과 부피 밀도의 증가에 따라 섬유의 부피비가 선형적으로 증가함을 확인하였으며 이에 X-ray CT분석법의 신뢰도를 확인하였다. 열전도도는 섬유 부피비의 증가에 따라 비선형적으로 감소함을 확인하였다. 저밀도 시료의 경우 특히 불균질한 구조를 가짐을 확인하였으며 평균 국소 섬유 부피비가 최대 두 배까지 변하는 것을 확인하였다. 밀도가 비교적 제일 높은 시료C의 경우 시료A와 B에 비하여 더 뚜렷한 계층 구조를 가진다. 글라스울의 미세구조의 특성(섬유 방향성 및 균질성 등)은 섬유의 부피비 및 제조방법에 따라 다르며 이가 단열재의 단열특성에 미치는 영향에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업 지원으로 수행되었습니다(과제번호 20220192-001).