열효율 최적화를 고려한 세라믹 허니컴 설계 고찰
2019-09-25
org.kosen.entty.User@678afcb6
강태구(hactor)
1. 개요
허니컴(Honeycomb)의 말뜻은 문자 그대로 벌집을 의미하지만 공학에서의 의미는 벌집 모양을 한 속이 빈 구조체를 가리킨다. 허니컴 구조의 공학적 개념은 자연계에서 꿀벌이 짓는 벌집에서 처음 유래한 것으로 오래전부터 건축, 토목, 기계, 화학, 전기전자 등 공학 전분야에 걸쳐 적용되어왔었다. 보통 일정한 공간을 꽉 채우는 도형으로 정삼각형, 정사각형, 정육각형을 드는데 이중 꿀벌은 가장 안전하고 효율적인 구조 형태로 정육각형을 벌집으로 사용한다. 정육각형은 각 변의 길이를 작게 하면서 공간을 꽉 채울 수 있는 도형으로 주변 응력에 대해 강한 구조적 강성을 가지면서 가능한 많은 양의 꿀을 저장할 수 있다. 꿀벌의 벌집이 공간을 꽉 채우는 정육각형의 도형으로 원의 접변의 길이를 최소화 하는 표면장력 특성 때문에 정육각형의 형태를 갖는 이유가 바로 이 때문이다[그림 1]. 다만 산업 현장에서 우리가 보는 허니컴 구조체의 단위 격자 형상이 정육각형이 아닌 정사각형이 많은 것은 허니컴 구조체가 받는 여러 환경조건 즉, 물리적 응력변화, 열적 분산, 세라믹 재료 특성의 고온 고압의 까다로운 소성 및 소결과정을 거치는 제조 조건 때문이다.
[그림 1] 허니컴 정육각형 구조체의 실물 성형
규모의 크기와 무관하게 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 매우 커서 허니컴 자체가 갖는 구조적 강성에 세라믹 재료가 갖는 물리화학적 강점이 더해져 여타 재료들은 따라가기 힘든 내구성, 신뢰성, 환경성의 매우 뛰어난 엔지니어링 특성을 갖고 있다. 허니컴 구조체의 높은 공간 활용성과 우수한 물리적 강성은 굽힘강도, 충격강도, 압축강도, 인장강도, 비틀림 강도, 인열강도 등 여러 유형의 하중과 응력의 분산성 그리고 세라믹 재료가 갖는 다공성과 공극률 특성이 물질전달 저항을 최소화 함으로서 구조체의 높은 통기성과 넓은 비표면적을 제공하고 우수한 충격 흡수성 및 방음성의 공학적 특성과 열축열성, 고온내열성, 내한성, 열충격성 등의 환경적 특성 및 내압성, 내화학성, 치수안정성, 반복 동특성 등의 다양한 높은 신뢰성을 갖고 있다. 산업문명의 발달과 함께 갖가지 환경오염에 대한 문제가 심각하다. 특히 우리나라의 경우 연일 뉴스가 되고 있는 미세먼지 오염과 같은 대기오염, 혹은 수질오염과 폐기물오염 등 각종 환경유해물질에 대한 심각성이 이의 처리 방안과 대응기술 연구에 대해 관심이 집중되고 있다. 이중 한 분야가 바로 각종 촉매사용과 최적의 촉매 지지체에 대한 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 대안중 하나로 인식되고 있다. 최근 국내 및 해외에서 이슈화 되고 있는 석탄화력발전소와 선박의 미세먼지, 질소산화물, 황산화물 등의 대기환경 유해물질 저감기술 현주소를 보면 이들 환경유해물질들에 대한 규제의 벽은 날로 높아져 가는 추세이다. 미국의 경우 자국 해안에 접근 혹은 정박하는 선박에 대해서는 벙커유 같은 저급유의 사용을 엄격하게 규제하고 연료중 황함량을 크게 낮춘 값비싼 고급 선박유 사용에 대한 본격적인 규제 강화에 나서고 있다. 이러한 규제 시행을 위한 한 방법으로 이제까지 미세먼지 및 대기오염 유해물질 저감을 위한 저감장치 설치 유예 대상 국가들에 대한 유예기간이 모두 종료되고 당장 2020년부터 신규 건조되는 선박은 물론 기존 운행중인 선박에 대해서도 저감 장치 적용을 강제하는 상황이어서 우리로서는 당장 침체 국면에 처한 조선업계의 위기감 고조와 함께 새로운 도전을 위한 또다른 기회로 주목 받고 있다. 세라믹 허니컴 구조체의 가치가 주목 받는 분야중 하나로 바로 이러한 대기오염 유해물질 저감분야가 한 예가 될 수 있다. 미세먼지 및 질소산화물, 황산화물과 같은 대기오염 유해물질을 제거하는 대응 기술 중 촉매 연소기술이 있다. 촉매를 통해 제거를 원하는 유해물질만을 선택적으로 제거할 수 있는 것이 특징인데 이 촉매 연소 기술을 구성하는 핵심 기술은 촉매 성분의 활성과 촉매를 지지하는 지지체의 선정에 있다. 특히 촉매 활성이 가능한 저온에서 발휘되는 저온 촉매 활성이 높은 촉매가 이상적인 촉매라 할 수 있는데 촉매 활성 과 선택성 및 촉매성분을 떠받치면서 높은 물리화학적 강성과 촉매 활성에 상승효과를 불러 일으키는 최적의 지지체를 선정하는 것이 촉매 연소 기술의 중요한 핵심 요소중 하나이다. 저온 촉매활성을 갖는 촉매 물질의 선정도 중요하지만 실질적으로 저온 활성을 갖도록 열응력 분배와 분산이 효율적으로 이루어지는 촉매 지지체의 선정이 또한 중요한 과제이다. 세라믹 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 허니컴 구조체가 갖는 여러 물리화학적 강점들만큼이나 다양하다. 그래서 해당되는 현장마다 각기 요구되는 성능이 다를수 있으며 이러한 현장 조건을 가장 효율적으로 반영할 수 있도록 정확하고 상세한 현장 적용조건의 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 유지 보수 등 사후 관리에 이르기까지 처음 세라믹 허니컴 구조체가 최종적인 성능 평가를 통과하기까지에는 적지 않은 사전 준비단계와 여러 설계 인자를 고려하여야 한다. 본 보고는 이러한 허니컴 구조체의 다양한 산업적 활용에 있어서 구조체에 요구되는 여러 설계 반영 요소중 효율적인 열응력 분산과 열전달 효율 최적화 개선방향에 대하여 설계상 고려해야 할 인자들을 고찰해 본 것이다.
2. 연구 내용
2.1 격자의 특성과 제조
산업 현장에서 사용되는 세라믹 허니컴 구조체의 형상은 사용되는 현장 조건에 따라 튜브형, 평판형, 핀형, 채널형 등 다양하다. 일정 형상을 가진 구조체라면 모두 해당되는 이야기이지만 튜브형 구조체를 예로 들어 볼 때 세라믹 허니컴 형상이 단순 공동형의 튜브 보다는 격자 형상의 단위 셀이 연속적으로 연결된 구조를 갖는 격자 구조체형 튜브가 경제성 면에서도 유리하고 물리적 강성이나 열전달 효율 측면에서도 훨씬 효율적이라고 알려져 있다. 또 다른 예로 다공성의 공극률이 높은 구조체의 경우 열전달과 복사 에너지 전달이 공극률이 낮은 구조체 보다 훨씬 열전달 효율이 높다고 보고되고 있다. 허니컴 구조체의 강성 및 열 효율 정도는 해당 공정 운전조건에 따라 다르지만 열 전달 효율에 있어서 격자 형태의 튜브형 구조체가 단순 공동형의 구조체 보다 무려 160∼280 % 정도의 우수한 열 효율을 갖는다든지 90% 이상의 공극률을 가진 다공성 구조체가 그 이하의 비 다공성 구조체 보다 열전달 효율이 더 우수하다는 사실은 단위 격자의 형상이나 크기, 배향성 등이 구조체의 열전달 효율에 영향을 주요한 영향을 미치는 인자임을 짐작하게 한다. 한편 열전달 효율만 고려할때 튜브형의 경우 나선형, 핀형, 폼형 대비 비표면적이 작아 열전달 효율은 열세일 수 있으나 압력 강하 측면에서는 오히려 유리할 수 있기 때문에 총괄 열효율은
[그림 2] Al2O3 세라믹 구조체의 단위 격자 유형 (STD형, RICS형, RDCS형)
달라질 수 있다. 결론적으로 설계 포인트 반영에 있어서 해당 공정 운전조건에 대한 보다 정확하고 상세한 정보가 설계에 반영될수록 구조체 형상 설계 역시 최적에 가까워지는 것은 당연하다.
셀의 형상과 크기, 배향성이 열전달 효율에 미치는 영향을 알아 보기 위해 [그림 2]에 3가지 유형(Standard형, RICS형, RDCS형)의 격자형 세라믹 허니컴 구조체를 제조하였다.
2.2 격자 유형별 열부하 특성
셀의 형상과 크기, 배향성이 열전달 효율에 미치는 영향을 알아 보기 위해 3가지 유형(Standard형, RICS형, RDCS형)의 격자형 세라믹 허니컴 구조체를 제조하여 각각 일정 온도(773 K, 873 K, 973 K)조건하에서 레이놀즈 수의 변화에 따라 열부하 능력을 각각 단위 격자의 유무(공동형 튜브 vs 표준 격자형 튜브)와 단위 격자의 형상에 따라 비교하였다[그림 3]. 레이놀즈 수는 일정 단면의 공간내를 흐르는 유체의 흐름에 대해 유체가 가지는 점도, 속도, 밀도 구성 인자를 변수로 해당 구간내 유체흐름의 정도를 무차원 수로 나타낸 것이다. 통상 레이놀즈 수가 20,000 이하를 층류 흐름(Laminar Flow) 20,000∼100,000 사이를 과도 흐름(Transient Flow), 100,000 이상을 난류 흐름(Turblent Flow)으로 규정하는데에 유체 흐름의 상하좌우 교반이 없는 층류 흐름 조건하에서 각각의 온도조건하의 공동형 튜브와 격자형 튜브에 대해 열부하 실험결과를 도시하였다.
[그림 3] 표준형 격자(S) vs 속이 빈 공동형 격자(ET) : 실험값과 2D 시뮬레이션값과의 비교
a) 출구쪽 온도 vs 레이놀즈 수(Tmax=660K): b) 압력손실 vs 레이놀즈 수(Pmax=55pa): c) 첨자 색인
인입쪽의 온도 부하에 따른 출구쪽 온도 부하는 공동형 튜브, 격자형 튜브 모두 비교적 등간격의 유사한 거동을 보여주며 출구쪽의 온도 변화 폭과 압력 강하 변화 폭에 대해서는 격자형 튜브가 공동형 튜브 보다 훨씬 더 크게 나타났다. 이는 격자형 튜브의 경우 격자에 의한 흐름저항 때문에 유속에 따른 압력 강하와 열전달 효과 모두 공동형 튜브 대비 훨씬 더 크게 영향을 크게 받기 때문으로 풀이된다. 한편 해당 실험 온도 및 압력 구간에서의 실제 실험값과 CFD 모사값과의 차이는 각각의 온도 영역에서 비교적 오차 범위내 근사한 차이를 보여주었고 압력강하의 경우에는 거의 눈에 띄는 차이를 확인할 수 없었다. 한편 일정 온도(튜브 외경쪽 Tmax=958 K)에서 각각 격자형 튜브중 단위 격자가 갖는 격자 형상(표준격자형, RICS, RDCS)에 따른 입구 및 출구쪽 온도 변화를 2D vs 3D CFD 모사한 결과 값을 비교 도시하였다[그림 4]. 2D와 3D 해석결과와 무관하게 단순 공동형 튜브 보다는 격자형 튜브가 출구쪽 온도가 훨씬 더 높게 나타났다. 또한 격자형 튜브중의 3가지 단위 격자 형상과도 무관하게 입구쪽 온도와 출구쪽 온도와의 관계는 선형적 관계를 보여주었다. 그러나 해석 방법에 대한 비교에서는 표준 격자형 튜브를 예로 들때 2D에 의한 해석 결과가 3D에 의한 해석 결과보다 다소 높은 값을 보여주었고 단위 격자 형상에 따른 3D CFD 해석결과에서는 RDCS > S(표준격자형) > RICS 순으로 출구쪽 온도가 높게 나타나 격자의 형상과 배향성에 따라 세라믹 구조체의 열용량이 다소 달라질 수 있음을 보여주었다. 특히 그러한 경향은 단위 격자의 표면적과 용적이 반경 방향으로 작아져 가는 RDCS 유형이 표면적과 용적이 커져가는 RICS형보다 더 열용량이 큰 것으로 나타났다. 단위 격자 형상에 따른 열부하 능력 실험에 대한 3D CFD 해석 결과 초기 입구쪽 온도에서 격자 내부로 유체 흐름이 진행될수록 열부하가 커져가는 것을 볼수 있으며 이러한 경향은 RDCS > S(표준격자형) > RICS 순으로 커져가는 것으로 나타나 RICS 대비 RDCS 격자 구조체의 열용량이 약 20% 정도의 높은 차이를 보여주고 있다. 열용량의 증가는 곧 격자에 의한 유체 흐름의 저항이 증가하는 것과 같은 경향을 보여주는 것으로 허니컴 단위 격자의 형상과 배향성에 따라 유체 흐름상 저항 차이가 발생하고 이것이 곧 격자내 체류시간의 차이를 유도하여 궁극적으로 열용량의 증가로까지 이어짐을 확인할 수 있다.
[그림 4] 3D CFD 모사 결과 : 출구쪽 온도(중심쪽 외곽 온도 Tmax=958K)
특히 RDCS와 같이 격자 형상이 갖는 비표면적과 용적이 튜브의 중심방향으로 갈수록 작고 촘촘해져 내경쪽으로의 열전달 효율이 증가하고 여기에 세라믹 재료가 갖는 비열 특성이 더해져 더욱 열용량이 증가하는 결과를 가져오며 그 결과는 무시할 수 없을 정도의 차이를 보여주고 있다.
격자 형태별 허니컴 구조체 열전달 현상의 설명을 위해 구조체의 횡단면의 3D-CFD 온도 프로파일을 [그림 5]에 나타내었다. 격자 유형별 초기 입구측 공기 온도를 329 K로 일정하게 설정하고 레이놀즈 수의 변화에 따른 구조체의 단위 격자 형상별 공기 및 격자 온도 분포 및 공기 배출구 온도를 모두 구조체 중심부 온도가 동일하게 유지되도록 조절하도록 하여 단위 격자 형상별 구조체 횡단면의 온도 프로파일 시뮬레이션 결과 STD 격자는 17'600 W/m2, RICS 격자는 15'110 W/m2, RDCS 격자는 18'650 W/m2의 소요 전력이 측정되었다. 소요 전력의 측정결과 STD 격자 대비 RICS 격자는 약 15% 정도 소요 전력이 적고, RDCS 격자는 6% 정도 많은 것으로 측정되었다.
[그림 5] STD & RICS & RDCS : 3D-CFD 온도 프로파일
이같은 결과는 RICS 격자유형이 동일한 조건에서 가장 적은 소요 전력으로 구조체내 온도 증가가 용이하고 구조체 종심부를 따라 온도 프로파일의 균일도에 유리하다는 것을 보여준다. 일정 온도, 일정 Re에 대해 ET의 경우 다른 S, RICS, RDCS보다 훨씬 출구 에어 온도가 낮아 어떤 형태로든 격자형의 구조체가 단순 공동형의 구조체보다는 훨씬 열전달 및 열 축열 능력이 우수하다는 것을 알수 있다. 단위 격자의 형상은 반경방향의 격자형상 변화를 가진 구조체가 균일한 격자형 구조체 보다는 열 전달 효율이 우수하다는 것을 짐작할 수 있다. 구조체를 흐르는 유체는 단위격자가 갖는 구조체 벽(wall)과 접촉하지 않으면 열에 의해 계속 가열된다. 가열된 공기는 벽을 따라 가열과 냉각의 열전달의 매개체로서 격자의 벽(wall)이 갖는 기하학적 형상과 재료 물성이 갖는 비열과 축열 특성에 따라 크게 영향을 받을 수밖에 없다. STD-RICS-RDCS 격자유형이 갖는 열전달 특성은 어떤 용도로 허니컴 구조체를 적용하느냐에 따라 그 용도가 달라질 것이다. 열 복사에 대한 셀 크기의 영향을 알아보기 위해 셀 섹션에서 발생하는 입사 방사선 플럭스 강도 [W/m2] 변화를 셀의 종단면에 대한 온도 프로파일 결과로서 [그림 6]에 나타내었다. 구조체 튜브 근처에서의 복사 플럭스는 STD 격자유형에서가장 높게 나타난다. RDCS의 경우는 RICS의 보다 열 플럭스 강도가 덜해 낮은 열유속이 설정된다. 구조체내 격자온도는 내벽과 외벽간 열의 전도-대류-복사 패턴에 의해 상호 상승 작용을 일으키게 된다. [그림 5]의 결과와 유사하게 종단면의 유체 흐름과 겨열에 따른 열전달 분포는 단위 격자 형상의 유형에 따라 달라져 반경방향을 따라 셀의 용적이 감소하는 RDCS 유형의 경우 구조체 외벽으로 갈수록 열의 축적이 많아져서 유체의 열용량이 증가하는 경향을 보여주며 그 정도가 STD, RICS 대비 높은 경향을 보여주고 있다.
[그림 6] STD-RICS-RDCS : 3D CFD 기반의 복사 열유속 플롯(검은색은 고체상)
3. 결과와 검토
세라믹 허니컴 구조체가 갖는 형상과 물리화학적 특성들이 곧 해당 허니컴이 적용되는 산업현장에서의 성능 지표가 된다. 즉 구조체를 이루는 단위 셀의 형상과 셀 벽의 두께, 셀의 크기, 셀의 배향성 등 세부적 설계 요건들이 모여 현장에서 운용되는 구조체의 온도, 압력, 물질전달 저항, 하중, 응력 분포 등을 결정하고 이것들이 모여 곧 전체 성능을 결정하는 것이다. 세라믹 허니컴 구조체 설계에 관여하는 인자는 많지만 실제 대부분의 기계적, 열적, 구조적 화학반응에 있어서 구조체에 요구되는 가장 주요한 특성중 하나는 열적 부하 변동에 대한 효과적인 열 응력 분산을 어떻게 효율적으로 설계에 고려하느냐이다. 흔히 전도, 대류, 복사로 알려진 열전달 형태는 열 발생원과 수용원 그리고 매개원의 특성에 따라 크게 달라진다. 그래서 열전달 매개원이 되는 허니컴 구조체의 단위 셀의 형상이나 크기, 배향성 그리고 셀 벽의 두께 등은 열전달 특성에 주요한 영향을 미치는 요소들이다. 한 예로 단위 셀이 이루는 공간의 크기가 일정 크기 이하로 작을때는 전도를 통한 열전달이 효율적이지만 일정 크기 이상으로 커지게 되면 대류가 효율적이라고 알려져 있다. 또는 셀 벽의 두께가 일정 두께 이하일때는 열 발생원의 온도가 높을수록 매개원의 열적 부하 역시 선형적으로 증가하지만 벽 두께가 필요 이상으로 두꺼워지면 셀 벽이 갖는 재료의 비열 특성 때문에 오히려 매개체 내의 열 부하가 열 발생원 보다 상승하는 경우가 발생한다. 이외에도 열 발생원과 매개원, 수용원간 전열면의 형상과 전열면의 비표면적, 공극 등 다공성의 특성애 따라서 복사열의 발산 패턴이 크게 달라질 수 있다. 이와같이 허니컴 구조체내 셀의 형상과 크기, 셀의 배향성 등을 어떻게 설계하느냐에 따라 열전달 패턴의 제어가 가능하고 효율적인 열전달 제어를 통해 세라믹 구조체에 가해지는 열적 부하와 응력 분산의 자유도가 높아지게 되어 구조체의 전체 성능을 긍정적으로 유도할 수 있게 된다. 다만 세라믹 허니컴 구조체 설계에 있어서 주의해야 할 것은 설계 반영 인자들의 중요성 만큼이나 허니컴 구조체의 제조 방법이나 제조 조건에 따라 구조체의 성능이 크게 달라질 수 있다는 점이다. 이는 세라믹 구조체의 높은 강성과 촉매 활성성분과의 상호 작용이 높은 소성 및 소결 온도를 필요로 하기 때문이다. 이 연구에서 소개하고 있는 세라믹 구조체의 효율적 열적 안정성 설계를 위한 구조체 설계와 제조에는 실제 세라믹 구조체 단위 격자의 열설계 및 최적화 실험을 위해 셀의 다양한 배열과 크기 등 열전달 현상에 영향을 미치는 영향 인자의 수치해석 모델링을 위한 실물 제작물로서 알루미나 재료를 이용한 3D 프린팅 실험체를 제조한 것이다. 입체 석판술(SteroLithigraphy, SLA) 기술은 아크릴 수지로 구성된 광중합 슬러리의 세라믹 파우더 및 UV 광개시제를 혼합하여 녹색 몰탈 바인더와 함께 소결 열처리를 통해 수지를 제거하고 세라믹의 기계적 성질을 확보하고 열전달 분석 모델링을 통해 열 유체 역학 시뮬레이션을 수행하였다.
5. 분석자 고찰
모노리스형 세라믹 허니컴 구조체가 현재까지도 여러 산업 분야에서 그 활용성이 주목 받는 것은 세라믹 허니컴의 기하학적 형상이 갖는 구조적 강성이 세라믹 재료 자체가 갖는 물성과 더해지면서 여타 재료들은 필적하기 힘든 구조적 강성, 고온 내열성, 내압성, 열충격성 등 내구성, 환경성, 신뢰성의 다양한 엔진니어링 특성을 갖고 있기 때문이다. 그래서 세라믹 허니컴 구조체의 활용성은 초기 건축, 토목에서 시작되어 점차 화학, 전기전자, 재료분야는 물론 대기, 수질, 폐기물, 자원순환 분야 등 환경 전반에 걸쳐 그 용도가 폭넓게 적용되기 시작하였다. 세라믹 허니컴 구조체는 특히 고온 고압이 요구되는 열적 조건에서 넓은 표면적을 필요로 하는 촉매 담체나 지지체로서의 활용성이 크다. 허니컴 구조체의 구조적 강성리 세라믹 재료가 갖는 열적 안정성 및 다공성 물질 이 갖는 세공 크기와 세공 채널간 연결성이 유체 흐름의 물질전달 저항을 최소화시켜 통기저항을 완화시킴으로서 고온 고풍량의 배가스 흐름과 같이 불순물의 필터 기능으로서 매우 적절하게 이용될 수 있다. 더우기 다공성 물질이 갖는 넓은 비표면적 특성으로 촉매 활성 물질을 담지시키는 지지체로서 활성 물질과의 친화력을 증진시켜 촉매 작용을 활성화 시키는 용도로도 활용 가능하여 그 쓰임새가 다양하면서 선택적이라 할 수 있다. 현재 이러한 세라믹 허니컴 구조체가 적용되고 있는 대표적 실례로(그림 7) 자동차 배기가스 정화용 촉매 장치와 석탄 화력발전소에서 배출되는 배기가스 저감을 위한 SCR(Selective Catalytic Converter, 선택적촉매환원) 적용되고 있다. 특히 최근 연일 뉴스 보도되고 있는 미세먼지 대기환경오염 문제의 한 해결방법으로 해외에서 세라믹 허니컴 지지체를 이용한 대기오염 필터에 대한 기술이 소개된 바도 있다. 이 논문은 이러한 세라믹 허니컴 구조체의 산업적 활용 가능성에 대해 최적의 구조체 설계를 위해 가장 중요한 열적 효율성을 고려한 구조체 설계 방안에 대해 실증 데이터를 제공하였다는 점에서 관련 연구자들에게 조금이나마 참고가 될만한 자료라 생각되어 정리하고자 하였다.
References
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2. S. Pusterla, M.C. Barbato, A. Ortona, C. D'Angelo, Numerical study of cell morphology effects on convective heat transfer in recticulated ceramics, Int. J. Heat Mass Transf. 55 (25-26) (2012) 7902-7910.
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4. O. Santoliquido, G. Bianchi, P. Dimopoulos-Eggenschwiler, A. Ortona, Additive manufacturing of periodic ceramic substrates for automotive catalyst supports, Int. J. Appl. Ceram. Technol. 00 (2017) 1–.10.
5. G. Bianchi, S. Gianella, A. Ortona, Design and additive manufacturing of periodic ceramic architectures, J. Ceram. Sci. Technol 8 (1) (2017) 59–.66.
허니컴(Honeycomb)의 말뜻은 문자 그대로 벌집을 의미하지만 공학에서의 의미는 벌집 모양을 한 속이 빈 구조체를 가리킨다. 허니컴 구조의 공학적 개념은 자연계에서 꿀벌이 짓는 벌집에서 처음 유래한 것으로 오래전부터 건축, 토목, 기계, 화학, 전기전자 등 공학 전분야에 걸쳐 적용되어왔었다. 보통 일정한 공간을 꽉 채우는 도형으로 정삼각형, 정사각형, 정육각형을 드는데 이중 꿀벌은 가장 안전하고 효율적인 구조 형태로 정육각형을 벌집으로 사용한다. 정육각형은 각 변의 길이를 작게 하면서 공간을 꽉 채울 수 있는 도형으로 주변 응력에 대해 강한 구조적 강성을 가지면서 가능한 많은 양의 꿀을 저장할 수 있다. 꿀벌의 벌집이 공간을 꽉 채우는 정육각형의 도형으로 원의 접변의 길이를 최소화 하는 표면장력 특성 때문에 정육각형의 형태를 갖는 이유가 바로 이 때문이다[그림 1]. 다만 산업 현장에서 우리가 보는 허니컴 구조체의 단위 격자 형상이 정육각형이 아닌 정사각형이 많은 것은 허니컴 구조체가 받는 여러 환경조건 즉, 물리적 응력변화, 열적 분산, 세라믹 재료 특성의 고온 고압의 까다로운 소성 및 소결과정을 거치는 제조 조건 때문이다.
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| 허니컴 정육각형 | 허니컴 구조 성형체 |
[그림 1] 허니컴 정육각형 구조체의 실물 성형
규모의 크기와 무관하게 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 매우 커서 허니컴 자체가 갖는 구조적 강성에 세라믹 재료가 갖는 물리화학적 강점이 더해져 여타 재료들은 따라가기 힘든 내구성, 신뢰성, 환경성의 매우 뛰어난 엔지니어링 특성을 갖고 있다. 허니컴 구조체의 높은 공간 활용성과 우수한 물리적 강성은 굽힘강도, 충격강도, 압축강도, 인장강도, 비틀림 강도, 인열강도 등 여러 유형의 하중과 응력의 분산성 그리고 세라믹 재료가 갖는 다공성과 공극률 특성이 물질전달 저항을 최소화 함으로서 구조체의 높은 통기성과 넓은 비표면적을 제공하고 우수한 충격 흡수성 및 방음성의 공학적 특성과 열축열성, 고온내열성, 내한성, 열충격성 등의 환경적 특성 및 내압성, 내화학성, 치수안정성, 반복 동특성 등의 다양한 높은 신뢰성을 갖고 있다. 산업문명의 발달과 함께 갖가지 환경오염에 대한 문제가 심각하다. 특히 우리나라의 경우 연일 뉴스가 되고 있는 미세먼지 오염과 같은 대기오염, 혹은 수질오염과 폐기물오염 등 각종 환경유해물질에 대한 심각성이 이의 처리 방안과 대응기술 연구에 대해 관심이 집중되고 있다. 이중 한 분야가 바로 각종 촉매사용과 최적의 촉매 지지체에 대한 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 대안중 하나로 인식되고 있다. 최근 국내 및 해외에서 이슈화 되고 있는 석탄화력발전소와 선박의 미세먼지, 질소산화물, 황산화물 등의 대기환경 유해물질 저감기술 현주소를 보면 이들 환경유해물질들에 대한 규제의 벽은 날로 높아져 가는 추세이다. 미국의 경우 자국 해안에 접근 혹은 정박하는 선박에 대해서는 벙커유 같은 저급유의 사용을 엄격하게 규제하고 연료중 황함량을 크게 낮춘 값비싼 고급 선박유 사용에 대한 본격적인 규제 강화에 나서고 있다. 이러한 규제 시행을 위한 한 방법으로 이제까지 미세먼지 및 대기오염 유해물질 저감을 위한 저감장치 설치 유예 대상 국가들에 대한 유예기간이 모두 종료되고 당장 2020년부터 신규 건조되는 선박은 물론 기존 운행중인 선박에 대해서도 저감 장치 적용을 강제하는 상황이어서 우리로서는 당장 침체 국면에 처한 조선업계의 위기감 고조와 함께 새로운 도전을 위한 또다른 기회로 주목 받고 있다. 세라믹 허니컴 구조체의 가치가 주목 받는 분야중 하나로 바로 이러한 대기오염 유해물질 저감분야가 한 예가 될 수 있다. 미세먼지 및 질소산화물, 황산화물과 같은 대기오염 유해물질을 제거하는 대응 기술 중 촉매 연소기술이 있다. 촉매를 통해 제거를 원하는 유해물질만을 선택적으로 제거할 수 있는 것이 특징인데 이 촉매 연소 기술을 구성하는 핵심 기술은 촉매 성분의 활성과 촉매를 지지하는 지지체의 선정에 있다. 특히 촉매 활성이 가능한 저온에서 발휘되는 저온 촉매 활성이 높은 촉매가 이상적인 촉매라 할 수 있는데 촉매 활성 과 선택성 및 촉매성분을 떠받치면서 높은 물리화학적 강성과 촉매 활성에 상승효과를 불러 일으키는 최적의 지지체를 선정하는 것이 촉매 연소 기술의 중요한 핵심 요소중 하나이다. 저온 촉매활성을 갖는 촉매 물질의 선정도 중요하지만 실질적으로 저온 활성을 갖도록 열응력 분배와 분산이 효율적으로 이루어지는 촉매 지지체의 선정이 또한 중요한 과제이다. 세라믹 허니컴 구조체의 산업적 활용성은 허니컴 구조체가 갖는 여러 물리화학적 강점들만큼이나 다양하다. 그래서 해당되는 현장마다 각기 요구되는 성능이 다를수 있으며 이러한 현장 조건을 가장 효율적으로 반영할 수 있도록 정확하고 상세한 현장 적용조건의 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 유지 보수 등 사후 관리에 이르기까지 처음 세라믹 허니컴 구조체가 최종적인 성능 평가를 통과하기까지에는 적지 않은 사전 준비단계와 여러 설계 인자를 고려하여야 한다. 본 보고는 이러한 허니컴 구조체의 다양한 산업적 활용에 있어서 구조체에 요구되는 여러 설계 반영 요소중 효율적인 열응력 분산과 열전달 효율 최적화 개선방향에 대하여 설계상 고려해야 할 인자들을 고찰해 본 것이다.
2. 연구 내용
2.1 격자의 특성과 제조
산업 현장에서 사용되는 세라믹 허니컴 구조체의 형상은 사용되는 현장 조건에 따라 튜브형, 평판형, 핀형, 채널형 등 다양하다. 일정 형상을 가진 구조체라면 모두 해당되는 이야기이지만 튜브형 구조체를 예로 들어 볼 때 세라믹 허니컴 형상이 단순 공동형의 튜브 보다는 격자 형상의 단위 셀이 연속적으로 연결된 구조를 갖는 격자 구조체형 튜브가 경제성 면에서도 유리하고 물리적 강성이나 열전달 효율 측면에서도 훨씬 효율적이라고 알려져 있다. 또 다른 예로 다공성의 공극률이 높은 구조체의 경우 열전달과 복사 에너지 전달이 공극률이 낮은 구조체 보다 훨씬 열전달 효율이 높다고 보고되고 있다. 허니컴 구조체의 강성 및 열 효율 정도는 해당 공정 운전조건에 따라 다르지만 열 전달 효율에 있어서 격자 형태의 튜브형 구조체가 단순 공동형의 구조체 보다 무려 160∼280 % 정도의 우수한 열 효율을 갖는다든지 90% 이상의 공극률을 가진 다공성 구조체가 그 이하의 비 다공성 구조체 보다 열전달 효율이 더 우수하다는 사실은 단위 격자의 형상이나 크기, 배향성 등이 구조체의 열전달 효율에 영향을 주요한 영향을 미치는 인자임을 짐작하게 한다. 한편 열전달 효율만 고려할때 튜브형의 경우 나선형, 핀형, 폼형 대비 비표면적이 작아 열전달 효율은 열세일 수 있으나 압력 강하 측면에서는 오히려 유리할 수 있기 때문에 총괄 열효율은
 STD RICS RDCS |
 STD RICS RDCS |
 STD RICS RDCS |
| 세라믹 허니컴 스케치 | 세라믹 허니컴 성형체 | 세라믹 허니컴 열부하 |
| STD(Standard)형: 반경방향 모두 단위 격자의 형상과 용적이 균일함. RICS(Radially Incresing Cell Size)형: 반경방향으로 단위격자의 형상과 용적이 일정비율로 증가 RDCS(Radially Decresing Cell Size)형: 반경방향으로 단위격자의 형상과 용적이 일정비율로 감소 |
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[그림 2] Al2O3 세라믹 구조체의 단위 격자 유형 (STD형, RICS형, RDCS형)
달라질 수 있다. 결론적으로 설계 포인트 반영에 있어서 해당 공정 운전조건에 대한 보다 정확하고 상세한 정보가 설계에 반영될수록 구조체 형상 설계 역시 최적에 가까워지는 것은 당연하다.
셀의 형상과 크기, 배향성이 열전달 효율에 미치는 영향을 알아 보기 위해 [그림 2]에 3가지 유형(Standard형, RICS형, RDCS형)의 격자형 세라믹 허니컴 구조체를 제조하였다.
2.2 격자 유형별 열부하 특성
셀의 형상과 크기, 배향성이 열전달 효율에 미치는 영향을 알아 보기 위해 3가지 유형(Standard형, RICS형, RDCS형)의 격자형 세라믹 허니컴 구조체를 제조하여 각각 일정 온도(773 K, 873 K, 973 K)조건하에서 레이놀즈 수의 변화에 따라 열부하 능력을 각각 단위 격자의 유무(공동형 튜브 vs 표준 격자형 튜브)와 단위 격자의 형상에 따라 비교하였다[그림 3]. 레이놀즈 수는 일정 단면의 공간내를 흐르는 유체의 흐름에 대해 유체가 가지는 점도, 속도, 밀도 구성 인자를 변수로 해당 구간내 유체흐름의 정도를 무차원 수로 나타낸 것이다. 통상 레이놀즈 수가 20,000 이하를 층류 흐름(Laminar Flow) 20,000∼100,000 사이를 과도 흐름(Transient Flow), 100,000 이상을 난류 흐름(Turblent Flow)으로 규정하는데에 유체 흐름의 상하좌우 교반이 없는 층류 흐름 조건하에서 각각의 온도조건하의 공동형 튜브와 격자형 튜브에 대해 열부하 실험결과를 도시하였다.
[그림 3] 표준형 격자(S) vs 속이 빈 공동형 격자(ET) : 실험값과 2D 시뮬레이션값과의 비교a) 출구쪽 온도 vs 레이놀즈 수(Tmax=660K): b) 압력손실 vs 레이놀즈 수(Pmax=55pa): c) 첨자 색인
인입쪽의 온도 부하에 따른 출구쪽 온도 부하는 공동형 튜브, 격자형 튜브 모두 비교적 등간격의 유사한 거동을 보여주며 출구쪽의 온도 변화 폭과 압력 강하 변화 폭에 대해서는 격자형 튜브가 공동형 튜브 보다 훨씬 더 크게 나타났다. 이는 격자형 튜브의 경우 격자에 의한 흐름저항 때문에 유속에 따른 압력 강하와 열전달 효과 모두 공동형 튜브 대비 훨씬 더 크게 영향을 크게 받기 때문으로 풀이된다. 한편 해당 실험 온도 및 압력 구간에서의 실제 실험값과 CFD 모사값과의 차이는 각각의 온도 영역에서 비교적 오차 범위내 근사한 차이를 보여주었고 압력강하의 경우에는 거의 눈에 띄는 차이를 확인할 수 없었다. 한편 일정 온도(튜브 외경쪽 Tmax=958 K)에서 각각 격자형 튜브중 단위 격자가 갖는 격자 형상(표준격자형, RICS, RDCS)에 따른 입구 및 출구쪽 온도 변화를 2D vs 3D CFD 모사한 결과 값을 비교 도시하였다[그림 4]. 2D와 3D 해석결과와 무관하게 단순 공동형 튜브 보다는 격자형 튜브가 출구쪽 온도가 훨씬 더 높게 나타났다. 또한 격자형 튜브중의 3가지 단위 격자 형상과도 무관하게 입구쪽 온도와 출구쪽 온도와의 관계는 선형적 관계를 보여주었다. 그러나 해석 방법에 대한 비교에서는 표준 격자형 튜브를 예로 들때 2D에 의한 해석 결과가 3D에 의한 해석 결과보다 다소 높은 값을 보여주었고 단위 격자 형상에 따른 3D CFD 해석결과에서는 RDCS > S(표준격자형) > RICS 순으로 출구쪽 온도가 높게 나타나 격자의 형상과 배향성에 따라 세라믹 구조체의 열용량이 다소 달라질 수 있음을 보여주었다. 특히 그러한 경향은 단위 격자의 표면적과 용적이 반경 방향으로 작아져 가는 RDCS 유형이 표면적과 용적이 커져가는 RICS형보다 더 열용량이 큰 것으로 나타났다. 단위 격자 형상에 따른 열부하 능력 실험에 대한 3D CFD 해석 결과 초기 입구쪽 온도에서 격자 내부로 유체 흐름이 진행될수록 열부하가 커져가는 것을 볼수 있으며 이러한 경향은 RDCS > S(표준격자형) > RICS 순으로 커져가는 것으로 나타나 RICS 대비 RDCS 격자 구조체의 열용량이 약 20% 정도의 높은 차이를 보여주고 있다. 열용량의 증가는 곧 격자에 의한 유체 흐름의 저항이 증가하는 것과 같은 경향을 보여주는 것으로 허니컴 단위 격자의 형상과 배향성에 따라 유체 흐름상 저항 차이가 발생하고 이것이 곧 격자내 체류시간의 차이를 유도하여 궁극적으로 열용량의 증가로까지 이어짐을 확인할 수 있다.
[그림 4] 3D CFD 모사 결과 : 출구쪽 온도(중심쪽 외곽 온도 Tmax=958K)
특히 RDCS와 같이 격자 형상이 갖는 비표면적과 용적이 튜브의 중심방향으로 갈수록 작고 촘촘해져 내경쪽으로의 열전달 효율이 증가하고 여기에 세라믹 재료가 갖는 비열 특성이 더해져 더욱 열용량이 증가하는 결과를 가져오며 그 결과는 무시할 수 없을 정도의 차이를 보여주고 있다.
격자 형태별 허니컴 구조체 열전달 현상의 설명을 위해 구조체의 횡단면의 3D-CFD 온도 프로파일을 [그림 5]에 나타내었다. 격자 유형별 초기 입구측 공기 온도를 329 K로 일정하게 설정하고 레이놀즈 수의 변화에 따른 구조체의 단위 격자 형상별 공기 및 격자 온도 분포 및 공기 배출구 온도를 모두 구조체 중심부 온도가 동일하게 유지되도록 조절하도록 하여 단위 격자 형상별 구조체 횡단면의 온도 프로파일 시뮬레이션 결과 STD 격자는 17'600 W/m2, RICS 격자는 15'110 W/m2, RDCS 격자는 18'650 W/m2의 소요 전력이 측정되었다. 소요 전력의 측정결과 STD 격자 대비 RICS 격자는 약 15% 정도 소요 전력이 적고, RDCS 격자는 6% 정도 많은 것으로 측정되었다.
[그림 5] STD & RICS & RDCS : 3D-CFD 온도 프로파일
이같은 결과는 RICS 격자유형이 동일한 조건에서 가장 적은 소요 전력으로 구조체내 온도 증가가 용이하고 구조체 종심부를 따라 온도 프로파일의 균일도에 유리하다는 것을 보여준다. 일정 온도, 일정 Re에 대해 ET의 경우 다른 S, RICS, RDCS보다 훨씬 출구 에어 온도가 낮아 어떤 형태로든 격자형의 구조체가 단순 공동형의 구조체보다는 훨씬 열전달 및 열 축열 능력이 우수하다는 것을 알수 있다. 단위 격자의 형상은 반경방향의 격자형상 변화를 가진 구조체가 균일한 격자형 구조체 보다는 열 전달 효율이 우수하다는 것을 짐작할 수 있다. 구조체를 흐르는 유체는 단위격자가 갖는 구조체 벽(wall)과 접촉하지 않으면 열에 의해 계속 가열된다. 가열된 공기는 벽을 따라 가열과 냉각의 열전달의 매개체로서 격자의 벽(wall)이 갖는 기하학적 형상과 재료 물성이 갖는 비열과 축열 특성에 따라 크게 영향을 받을 수밖에 없다. STD-RICS-RDCS 격자유형이 갖는 열전달 특성은 어떤 용도로 허니컴 구조체를 적용하느냐에 따라 그 용도가 달라질 것이다. 열 복사에 대한 셀 크기의 영향을 알아보기 위해 셀 섹션에서 발생하는 입사 방사선 플럭스 강도 [W/m2] 변화를 셀의 종단면에 대한 온도 프로파일 결과로서 [그림 6]에 나타내었다. 구조체 튜브 근처에서의 복사 플럭스는 STD 격자유형에서가장 높게 나타난다. RDCS의 경우는 RICS의 보다 열 플럭스 강도가 덜해 낮은 열유속이 설정된다. 구조체내 격자온도는 내벽과 외벽간 열의 전도-대류-복사 패턴에 의해 상호 상승 작용을 일으키게 된다. [그림 5]의 결과와 유사하게 종단면의 유체 흐름과 겨열에 따른 열전달 분포는 단위 격자 형상의 유형에 따라 달라져 반경방향을 따라 셀의 용적이 감소하는 RDCS 유형의 경우 구조체 외벽으로 갈수록 열의 축적이 많아져서 유체의 열용량이 증가하는 경향을 보여주며 그 정도가 STD, RICS 대비 높은 경향을 보여주고 있다.
[그림 6] STD-RICS-RDCS : 3D CFD 기반의 복사 열유속 플롯(검은색은 고체상)
3. 결과와 검토
세라믹 허니컴 구조체가 갖는 형상과 물리화학적 특성들이 곧 해당 허니컴이 적용되는 산업현장에서의 성능 지표가 된다. 즉 구조체를 이루는 단위 셀의 형상과 셀 벽의 두께, 셀의 크기, 셀의 배향성 등 세부적 설계 요건들이 모여 현장에서 운용되는 구조체의 온도, 압력, 물질전달 저항, 하중, 응력 분포 등을 결정하고 이것들이 모여 곧 전체 성능을 결정하는 것이다. 세라믹 허니컴 구조체 설계에 관여하는 인자는 많지만 실제 대부분의 기계적, 열적, 구조적 화학반응에 있어서 구조체에 요구되는 가장 주요한 특성중 하나는 열적 부하 변동에 대한 효과적인 열 응력 분산을 어떻게 효율적으로 설계에 고려하느냐이다. 흔히 전도, 대류, 복사로 알려진 열전달 형태는 열 발생원과 수용원 그리고 매개원의 특성에 따라 크게 달라진다. 그래서 열전달 매개원이 되는 허니컴 구조체의 단위 셀의 형상이나 크기, 배향성 그리고 셀 벽의 두께 등은 열전달 특성에 주요한 영향을 미치는 요소들이다. 한 예로 단위 셀이 이루는 공간의 크기가 일정 크기 이하로 작을때는 전도를 통한 열전달이 효율적이지만 일정 크기 이상으로 커지게 되면 대류가 효율적이라고 알려져 있다. 또는 셀 벽의 두께가 일정 두께 이하일때는 열 발생원의 온도가 높을수록 매개원의 열적 부하 역시 선형적으로 증가하지만 벽 두께가 필요 이상으로 두꺼워지면 셀 벽이 갖는 재료의 비열 특성 때문에 오히려 매개체 내의 열 부하가 열 발생원 보다 상승하는 경우가 발생한다. 이외에도 열 발생원과 매개원, 수용원간 전열면의 형상과 전열면의 비표면적, 공극 등 다공성의 특성애 따라서 복사열의 발산 패턴이 크게 달라질 수 있다. 이와같이 허니컴 구조체내 셀의 형상과 크기, 셀의 배향성 등을 어떻게 설계하느냐에 따라 열전달 패턴의 제어가 가능하고 효율적인 열전달 제어를 통해 세라믹 구조체에 가해지는 열적 부하와 응력 분산의 자유도가 높아지게 되어 구조체의 전체 성능을 긍정적으로 유도할 수 있게 된다. 다만 세라믹 허니컴 구조체 설계에 있어서 주의해야 할 것은 설계 반영 인자들의 중요성 만큼이나 허니컴 구조체의 제조 방법이나 제조 조건에 따라 구조체의 성능이 크게 달라질 수 있다는 점이다. 이는 세라믹 구조체의 높은 강성과 촉매 활성성분과의 상호 작용이 높은 소성 및 소결 온도를 필요로 하기 때문이다. 이 연구에서 소개하고 있는 세라믹 구조체의 효율적 열적 안정성 설계를 위한 구조체 설계와 제조에는 실제 세라믹 구조체 단위 격자의 열설계 및 최적화 실험을 위해 셀의 다양한 배열과 크기 등 열전달 현상에 영향을 미치는 영향 인자의 수치해석 모델링을 위한 실물 제작물로서 알루미나 재료를 이용한 3D 프린팅 실험체를 제조한 것이다. 입체 석판술(SteroLithigraphy, SLA) 기술은 아크릴 수지로 구성된 광중합 슬러리의 세라믹 파우더 및 UV 광개시제를 혼합하여 녹색 몰탈 바인더와 함께 소결 열처리를 통해 수지를 제거하고 세라믹의 기계적 성질을 확보하고 열전달 분석 모델링을 통해 열 유체 역학 시뮬레이션을 수행하였다.
5. 분석자 고찰
모노리스형 세라믹 허니컴 구조체가 현재까지도 여러 산업 분야에서 그 활용성이 주목 받는 것은 세라믹 허니컴의 기하학적 형상이 갖는 구조적 강성이 세라믹 재료 자체가 갖는 물성과 더해지면서 여타 재료들은 필적하기 힘든 구조적 강성, 고온 내열성, 내압성, 열충격성 등 내구성, 환경성, 신뢰성의 다양한 엔진니어링 특성을 갖고 있기 때문이다. 그래서 세라믹 허니컴 구조체의 활용성은 초기 건축, 토목에서 시작되어 점차 화학, 전기전자, 재료분야는 물론 대기, 수질, 폐기물, 자원순환 분야 등 환경 전반에 걸쳐 그 용도가 폭넓게 적용되기 시작하였다. 세라믹 허니컴 구조체는 특히 고온 고압이 요구되는 열적 조건에서 넓은 표면적을 필요로 하는 촉매 담체나 지지체로서의 활용성이 크다. 허니컴 구조체의 구조적 강성리 세라믹 재료가 갖는 열적 안정성 및 다공성 물질 이 갖는 세공 크기와 세공 채널간 연결성이 유체 흐름의 물질전달 저항을 최소화시켜 통기저항을 완화시킴으로서 고온 고풍량의 배가스 흐름과 같이 불순물의 필터 기능으로서 매우 적절하게 이용될 수 있다. 더우기 다공성 물질이 갖는 넓은 비표면적 특성으로 촉매 활성 물질을 담지시키는 지지체로서 활성 물질과의 친화력을 증진시켜 촉매 작용을 활성화 시키는 용도로도 활용 가능하여 그 쓰임새가 다양하면서 선택적이라 할 수 있다. 현재 이러한 세라믹 허니컴 구조체가 적용되고 있는 대표적 실례로(그림 7) 자동차 배기가스 정화용 촉매 장치와 석탄 화력발전소에서 배출되는 배기가스 저감을 위한 SCR(Selective Catalytic Converter, 선택적촉매환원) 적용되고 있다. 특히 최근 연일 뉴스 보도되고 있는 미세먼지 대기환경오염 문제의 한 해결방법으로 해외에서 세라믹 허니컴 지지체를 이용한 대기오염 필터에 대한 기술이 소개된 바도 있다. 이 논문은 이러한 세라믹 허니컴 구조체의 산업적 활용 가능성에 대해 최적의 구조체 설계를 위해 가장 중요한 열적 효율성을 고려한 구조체 설계 방안에 대해 실증 데이터를 제공하였다는 점에서 관련 연구자들에게 조금이나마 참고가 될만한 자료라 생각되어 정리하고자 하였다.
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 (a) |
 (b) |
| [그림 7] 양산용 세라믹 허니컴 구조체 형상 및 활용 실례 (a) 자동차 배기가스 저감용 촉매 담체 (b) 석탄화력 발전소 배가스 저감용 SCR 담체) |
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References
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