열효율 최적화를 고려한 세라믹 허니컴 설계 고찰
2019-09-29
org.kosen.entty.User@355d5b6e
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.
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.
？
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.
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.
？