| 초록 |
1. 개요 허니컴(Honeycomb)의 말뜻은 문자 그대로 벌집을 의미하지만 공학에서의 의미는 벌집 모양을 한 속이 빈 구조체를 가리킨다. 허니컴 구조의 공학적 개념은 자연계에서 꿀벌의 벌집에서 유래하여 오래전부터 건축, 토목, 기계, 화학, 전기전자 등 공학 전 분야에 그 개념이 적용되어왔었다. 보통 일정한 공간을 꽉 채우는 도형에는 정삼각형, 정사각형, 정육각형이 있는데, 이 중 꿀벌은 벌집으로 가장 안전하고 효율적인 구조인 정육각형을 사용한다. 그 이유는 정육각형은 표면장력 때문에 각 변의 길이는 최소화 하면서 공간을 꽉 채우는 도형으로 주변 응력에 대한 강한 구조적 강성을 가지면서 많은 양의 꿀을 저장할 수 있기 때문이다[그림 1]. [그림 1] 허니컴 정육각형 구조체의 실물 성형 다만 산업현장에서 허니컴의 단위격자 형상이 정사각형이 많은 것은 허니컴 구조체가 대부분사용되는 환경 조건, 즉 물리적 응력의 크기, 열적 분산성, 세라믹 재료에 요구되는 고온 고압의 까다로운 소성 및 소결 과정 등의 제조 조건 때문이다. 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 매우 커서 허니컴 자체의 구조적 강성에 세라믹 재료가 갖는 물리화학적 강점이 더해져 여타 재료들은 따라가기 힘든 내구성, 신뢰성, 환경성의 매우 뛰어난 엔지니어링 특성을 갖고 있다. 허니컴의 높은 공간 활용성과 우수한 물리적 강성은 굽힘강도, 충격강도, 압축강도, 인장강도, 비틀림강도, 인열강도 등 여러 유형의 하중과 응력의 분산성 그리고 세라믹 재료가 갖는 다공성과 공극률 특성이 물질전달 저항을 최소화함으로써 구조체의 높은 통기성과 넓은 비표면적을 제공하고, 우수한 충격흡수성 및 방음성의 공학적 특성과 열축열성, 고온내열성, 내한성, 열충격성 등의 환경적 특성 및 내압성, 내화학성, 치수안정성, 반복 동특성 등의 높은 신뢰성을 갖고 있다. 산업문명의 발달과 함께 갖가지 환경오염에 대한 문제가 심각하다. 특히 우리나라의 경우 연일 뉴스가 되고 있는 미세먼지로 인한 대기오염, 혹은 수질오염과 폐기물오염 등 각종 환경유해물질에 의한 심각성이 이를 제거하기 위한 대응기술 연구에 대해 관심을 집중시키고 있다. 이 중 한 분야가 바로 각종 촉매 사용과 최적의 촉매 지지체 선정을 위한 재료의 선택이다. 촉매가 갖는 선택성과 효율성 그리고 다양한 물리화학적 조건과 엄격하고 혹독한 환경 조건을 견뎌내는 충분한 내구성과 신뢰성, 환경성을 갖는 세라믹 구조체를 촉매 지지체로 사용하는 것이 문제 해결을 위한 대안 중 하나로 거론되고 있다. 최근 국내 및 해외에서 이슈화되고 있는 석탄화력발전소와 선박의 미세먼지, 질소산화물, 황산화물 등의 환경유해물질들에 대한 규제의 벽은 날로 높아져가는 추세이다. 특히 선박 배가스 규제의 경우 당장 2020년부터 전 세계 운항 중 모든 선박은 연료유에 함유된 황 함량을 크게 낮춘 연료유를 사용하거나 강화된 선박 배가스 규제를 만족시키는 배기가스 저감장치(DeSOx-DeNOx-DePM)를 장착해야 한다. 이와 같이 해양 환경오염 억제를 위한 선박 배가스 규제 강화에 대한 세계 각국의 반응은 다양하지만 당장 우리에게는 최근 침체 국면에 처한 조선업계의 위기감을 고려할 때 새로운 도전을 위한 또 다른 기회로 생각되고 있다. 세라믹 허니컴 구조체의 가치가 주목받는 분야 중 하나가 바로 이 대기환경오염 저감 분야이다. 미세먼지와 질소산화물, 황산화물과 같은 대기오염물질을 제거하는 대응기술 중에 촉매연소 기술이 있다. 촉매를 통해 제거하고자 하는 유해물질만을 선택적으로 제거하는 기술로서 촉매연소 기술의 핵심기술은 촉매활성 성분과 이 활성 성분을 지지하는 지지체의 선정이다. 특히 저온 촉매활성이 높은 촉매 지지체는 촉매활성과 선택성이 높으면서 높은 물리화학적 강성을 갖는 최적의 지지체를 선정하는 것이 중요한 핵심 요소 중 하나가 된다. 저온 촉매활성을 갖는 촉매 물질의 선정과 함께 실질적으로 저온 활성을 갖도록 열응력 분배와 분산이 효율적으로 이루어지는 촉매 지지체의 선정이 중요하기 때문이다. 세라믹 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 허니컴 구조체가 갖는 여러 물리화학적 강점들만큼이나 다양하다. 그래서 해당 현장마다 각기 요구되는 성능이 다를 수 있으며, 이러한 현장 조건을 가장 효율적으로 반영할 수 있도록 정확하고 상세한 현장 적용 조건의 정보 파악에서부터 효율적인 설계 방안과 제조를 위한 재료의 선정과 준비 그리고 세라믹 재료가 갖는 제조상의 까다로운 고온의 소성과 소결 조건 관리와 현장에서의 운전 조건 변화에 대한 대응 그리고 유지보수 등 사후관리에 이르기까지 처음 세라믹 허니컴 구조체가 최종적인 성능평가를 통과하기까지에는 적지 않은 사전 준비 단계와 여러 설계 인자를 고려하여야 한다. 본 보고는 이러한 허니컴 구조체의 다양한 산업적 활용에 있어서 구조체에 요구되는 여러 설계 반영 요소 중 효율적인 열응력 분산과 열전달 효율 최적화 개선 방향에 대하여 설계상 고려해야 할 인자들을 고찰해본 것이다. ** 원문은 파일 다운받기를 해주세요 :-) |
