Accelerated Test Method for the Aged Thermal Conductivity of Fumed Silica Vacuum Insulation Panel

Min-Jung Bae; Jae-Sung Kwon; Gyeong-Seok Choi; Young-Tag Kim; Jae-Sik Kang

doi:10.22696/jkiaebs.20210040

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 October 2021. 474-486
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210040

Accelerated Test Method for the Aged Thermal Conductivity of Fumed Silica Vacuum Insulation Panel

흄드실리카 진공단열재의 경시변화된 열전도도 측정을 위한 가속시험법 연구

Min-Jung Bae¹²

Jae-Sung Kwon³

Gyeong-Seok Choi⁴

Young-Tag Kim⁵

Jae-Sik Kang⁶^*

배 민정¹²

권 재성³

최 경석⁴

김 영탁⁵

강 재식⁶^*

¹Research Specialist, Department of Building Energy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea

²PhD Student, Department of Smart Convergence Architecture, Ajou University, Suwon, Korea

³Executive Director, Enerbest co. Ltd., Daejeon, Korea

⁴Research Fellow, Department of Building Energy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea

⁵Executive Director, AIMT co. Ltd., Daegu, Korea

⁶Senior Research Fellow, Department of Building Energy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea

¹한국건설기술연구원 건축에너지연구소 전임연구원

²아주대학교 대학원 스마트융합건축학과 박사과정

³주식회사 에너베스트 이사

⁴한국건설기술연구원 건축에너지연구소 연구위원

⁵에임트 주식회사 이사

⁶한국건설기술연구원 건축에너지연구소 선임연구위원

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

Vacuum Insulation Panels (VIPs) are having difficulty entering the Korean market because there is no Korean standard (KS). The draft international standard (ISO/DIS) 16478 has being developed, and this version is expected to make the final draft international standard (FDIS) until this year and then establish as the International standard. Since the standard is going to be converted to the KS standard, it is absolutely necessary to technologically review for reasonable conformity with the developed standard. It is inappropriate the test method according to ISO/DIS 16478 that takes at least 6 months (180 days) for one product of vacuum insulation panel using fumed silica considering the characteristics of the Korean market. The gas and moisture permeability affects on the thermal conductivity of the aged vacuum insulation panel. The adjusted accelerated condition can establish as a test method that requires about 30 days comparing to 180 days suggested in the ISO/DIS 16478. Through future research, we plan to conduct a technical review of two test methods and results, performed for 30 days under high acceleration conditions (80℃, 70% RH) and 180 days under accelerated conditions (50℃, 70% RH).

Keywords

Vacuum Insulation Panel (VIP)

Fumed silica

In-aging

Thermal conductivity

키워드

진공단열재

흄드실리카

경시변화

열전도도

MAIN

서 론
ISO/DIS 표준(안)의 흄드실리카 진공단열재 가속시험법
내부압력과 열전도도간 상관관계 측정
외피재의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r}$ ) 측정
외피재의 수분투과 가속배율계수( $f_{v}$ ) 측정
가속화 조건에서 열전도도 측정
ISO/DIS 표준(안)의 가속시험법을 활용한 성능평가
흄드실리카 진공단열재 성능평가
흄드실리카 진공단열재 KS표준(안)을 위한 부합화 기술 검토
결 론

서 론

한국판 뉴딜 종합계획에 따라 디지털 뉴딜 및 그린 뉴딜 관련 투자가 확대되면서 그린뉴딜의 그린리모델링 사업에 대한 관심이 높아지고 있다. 해당 사업을 통해 공공부문 건물의 선제적 제로에너지건물 전환을 추진하고 민간 건물의 에너지 효율 향상을 유도하고자 하며, 2021년부터 10년간 노후 공공건축물 약 3만동을 대상으로 시행될 예정이다. 또한 세계 주요 국가들이 2050년 제로 수준의 탄소배출을 목표로 하는 탄소 중립을 경쟁적으로 선언함에 따라 우리 정부도 이와 같은 국제적 이슈에 대응하는 탄소중립 추진전략을 수립하였다. 신규 건물의 제로에너지 의무화, 기존 건물의 그린리모델링 사업 활성화가 건물부문의 핵심전략으로 향후 이를 이행하기 위한 기술 개발 및 투자 증대가 예상된다.

진공단열재는 얇은 제품 두께로도 상용화 단열재 대비 6~10배 이상 우수한 단열성능을 확보할 수 있어(Liang et al., 2017) 제로에너지건축물 및 그린리모델링 사업 활성화를 지원할 수 있는 건축용 단열신소재로 주목받고 있다. 그러나 장기내구성에 따른 우려로 인해 진공단열재의 국내 건설시장 진입에 어려움을 겪고 있으며, 상용화된 건축용 단열재와 함께 국내 건설시장에서 활용되기 위해서는 KS 표준이 반드시 필요하다(Bae et al., 2020). 독일 등 선진국에서 제조된 진공단열재 제품에 기반을 둔 국제표준 질의안(Draft International Standard; ISO/DIS) 16478(이하 ISO/DIS 표준(안))이 현재 개발 진행 중이며(ISO/TC 163/SC 03, 2018), 금년 하반기에 최종 국제표준안(Final draft international standard; FDIS) 수립 단계를 거쳐 ISO 국제표준 등록이 예상된다. 향후 WTO TBT (Technical Barriers to Trade; 무역기술장벽) 협정에 의거 ISO 국제표준이 KS 표준으로 전환될 것이 예상되므로 개발 중인 ISO 국제표준의 합리적인 부합화 기술 검토가 반드시 필요하다.

KS 표준이 정립되어 진공단열재 제품이 KS 인증을 취득한 경우 일정 주기로 시행되는 KS 공장심사를 통해 제품의 품질관리를 시행한다. 그러나 국내 건설시장의 특성상 제품에 대한 공인성적서는 모든 건설현장, 공기별, 공정별로 제출하여야 하는 현실적 문제가 있으며, 단열재 제품은 동일한 제품(특히, 동일 두께)에 대해서도 최근 1년 이내에 발급된 시험성적서를 현장별로 요구받고 있다. 따라서 국내 실정과 차이가 큰 국제표준의 KS 표준 일치화는 충분한 기술 검토와 산업적 이해에 기반을 두어 결정해야 한다.

진공단열재는 흄드실리카, 글라스울과 같은 심재를 금속박 합지필름으로 구성된 외피재로 감싸고, 심재 부위, 즉, 진공단열재 내부를 낮은 압력상태인 진공으로 만드는 것이다(Alam et al., 2011). 진공단열재 내부 진공상태가 일정하게 유지되어야 낮은 열전도도 성능을 안정적으로 구현할 수 있으므로 진공상태 유지를 위해 대기 중 가스 및 수분 투과량을 최소화하여야 한다(Porta, 1996). 그러나 외피재의 주름, 모서리부위 등에서 육안으로 관찰하기 어려운 결함 부위가 생길 수 있고, 이와 같은 부위를 통해 온도 및 습기가 투과되므로 장기간 시간이 경과한 후 내부 진공상태가 제조 당시의 상태와 동일하기 어렵다. 따라서 ISO/DIS 표준(안)에서는 가속화 조건을 포함하는 가속시험법을 규정하여 25년 뒤 경시변화된 열전도도값의 최소 요구성능 수준을 제시하고자 한다.

ISO/DIS 표준(안)에서 규정하는 흄드실리카 진공단열재의 가속시험법은 진공단열재 중심부 열전도도의 25년 동안 평균 변화율을 산출하기 위한 다양한 부속시험으로 구성되어 전용 장비를 구축하여 최소 6개월(180일) 이상 수행하는 내용으로 개발 중이다. 본 연구에서는 ISO/DIS 표준(안)에서 제시한 시험조건, 시간, 횟수 등에 대해 국내 건축자재의 보급과 건설현장 특성을 고려하여 성능 평가하는 흄드실리카 진공단열재 KS표준(안)의 부합화 기술 검토를 수행하였다. ISO/DIS 표준(안)에서 규정한 가속시험법을 분석하여 현재 국내에서 생산되는 흄드실리카 진공단열재를 대상으로 평가 및 가속시험법에 대한 검증을 수행하였으며, 시험조건, 시간, 횟수 등을 단축할 수 있는 방안을 분석하였다.

ISO/DIS 표준(안)의 흄드실리카 진공단열재 가속시험법

진공단열재의 시간 경과에 따른 변화(경시변화)는 외피재를 통한 대기 중 가스 및 수분의 투과로 인하여 내부압력이 상승하고 이로 인해 열전도도가 초기 열전도도 대비 상승하는 현상을 말한다. 외피재가 손상되었을 경우 진공단열재 내부의 진공 상태 유지가 불가하므로 Figure 1(c), 1(d)와 같이 육안으로 쉽게 구분할 수 있으나, Figure 1(a), 1(b)와 같이 시간 경과에 따라 내부압력이 증가하는 경시변화는 육안상 내부 진공이 잘 유지되는 것처럼 보이기 때문에 구분하기 어렵다.

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Figure 1.

Status of Vacuum insulation panel (VIP)

ISO/DIS 표준(안)은 내구성이 저하된 흄드실리카 진공단열재의 시험방법이 아닌 경시변화로 인해 단열성능이 저하된 진공단열재의 시험방법(Figure 2) 및 최소 요구성능 기준을 규정한다. 이 방법은 진공단열재 내부에 축적되는 최대 가스 및 수분투과량을 산출하고, 이로 인한 내부압력 및 열전도도의 상관관계를 산출하여 해당 제품의 25년 경과 시점의 열전도도 값을 예측하는 것으로, 계산된 예측값은 0.0100 W/mㆍK 미만을 만족하도록 규정하고 있다.

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Figure 2.

Flowchart of ageing procedure according to ISO/DIS 16478

진공단열재 내부압력이 높아질수록 열전도도 값은 높아지며(Simmer and Brunner, 2005), 높은 온도에서 가스 투과가 더 잘 일어나고, 투과량은 온도 및 습도와 상관관계가 있다(IEA/ECBCS Annex 39, 2005). ISO/DIS 표준(안)에서는 흄드실리카 진공단열재에 대하여 가속화 조건(50℃, 70% RH)을 규정하고 있다. 이와 같은 가속화 조건이 평가하려는 진공단열재 제품에 대하여 어느 정도의 가스 및 수분가속배율을 부여할 수 있는지 가속배율계수를 산출하도록 하며, 가스 및 수분 투과는 진공단열재 외피재로부터 영향을 받으므로 가속화 조건 및 표준 조건(23℃, 50% RH)에서 외피재의 특성을 시험하도록 한다.

내부압력과 열전도도간 상관관계 측정

흄드실리카 진공단열재의 내부압력과 압력별 열전도도간의 상관관계를 측정하기 위해서는 Figure 3과 같은 내부압력 조절장치와 ｢KS L 9016 보온재의 열전도율 측정 방법｣(Korea Agency for Technology and Standards, 2010)의 평판열류계법으로 열전도도를 측정할 수 있는 장비가 필요하다.

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Figure 3.

Scheme for the Apparatus of the VIP inner pressure

진공단열재의 열전도도는 내부 압력의 함수이며 식 (1)과 같이 표현된다(ISO/TC 163/SC 03, 2018). 측정된 열전도도를 통해 내부 압력값을 유추하기 위해 $p_{1 / 2}$ , 즉, 진공단열재 시료의 열전도도 값이 공기 열전도도( $λ_{a i r}$ ; 0.026 W/mㆍK) 2분의 1 수준일 때 내부압력의 산출이 필요하다. ISO/DIS 표준(안)에 따르면 내부 압력 10, 100, 1000, 10000 Pa에 대한 열전도도( $λ (p)$ )를 Figure 3의 장치를 이용하여 측정하고, 식 (1)을 이용하여 최소자승법을 통해 보간하여 $p_{1 / 2}$ 의 값을 산출한다. 내부압력에 따른 열전도도 변화율( $λ'_{p}$ )은 식 (2)를 이용하여 산출할 수 있다.

(1)

λ (p) = λ_{0} + \frac{λ_{a i r}}{1 + \frac{p_{1 / 2}}{p}}

(2)

λ'_{p} = \frac{∆ λ}{∆ p}

외피재의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r}$ ) 측정

ISO/DIS 표준(안)에 의하여 흄드실리카 진공단열재 시료에 사용된 외피재의 특성을 파악하기 위해서는 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 10 mm를 만족하는 시료 6개가 필요하다. 일반적으로 흄드실리카 진공단열재의 경우 흡습제를 사용하지 않으나, 외피재를 통해 내부에 투과된 수분량을 모두 흡수할 수 있도록 모든 시료에 흡습제를 사용하며, 외피재의 시험이므로 반드시 흄드실리카 심재를 사용하지 않아도 무방하다. 준비된 시료 중 3개는 가속화 조건(50℃, 70% RH)에서 180일 동안 보관하고, 나머지 시료 3개는 표준 조건(23℃, 50% RH)에서 180일 동안 보관한다. 각 시료의 열전도도는 120, 150, 180일째 측정하고, 앞서 규정하는 시험 방법을 통해 확보한 내부압력과 열전도도간의 상관관계를 이용하여 해당 열전도도일 때 내부압력을 산출한 후, 120일에서 180일까지의 시간에 따른 내부압력 변화율의 선형 기울기를 계산한다. 이때 각 조건별 측정값은 3개 시료의 평균값으로 산출하며, 가속화 조건의 기울기( $p_{t, a i r, 50 / 70}$ ) 값에 대한 표준 조건의 선형 기울기( $p_{t, a i r, 23 / 50}$ ) 값을 공기투과 가속배율계수로 산출한다. 이는 다음의 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

f_{a i r} = \frac{p'_{t, a i r, 50 / 70}}{p'_{t, a i r, 23 / 50}}

외피재의 수분투과 가속배율계수( $f_{v}$ ) 측정

가로 150 mm, 세로 120 mm, 두께 7 mm를 만족하는 시료 6개가 필요하며, 마찬가지로 외피재를 통해 내부에 투과된 수분량을 모두 흡수할 수 있도록 모든 시료에 흡습제를 사용한다. 준비된 시료 중 3개는 가속화 조건(50℃, 70% RH)에서 60일 동안 보관하고, 나머지 시료 3개는 표준 조건(23℃, 50% RH)에서 60일 동안 보관한다. 60일 동안 10일마다 각 시료의 무게를 측정하며, 이 기간 동안 질량이 증가하는 것은 흡습제가 흡수한 수분의 영향으로 가정한다. 각 조건별 측정값은 3개 시료의 평균값으로 산출하며, 30일 동안 증가한 무게값을 각 시료별 외피재의 표면적으로 나누어 수분투과율[g/(m²ㆍday)]로 계산한다. 이때 가속화 조건의 수분투과율( $P_{v, 50 / 70}$ )에 대한 표준 조건의 수분투과율( $P_{v, 23 / 50}$ )을 수분투과 가속배율계수로 산출한다. 이는 다음의 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

(4)

f_{v} = \frac{p'_{t, v, 50 / 70}}{p'_{t, v, 23 / 50}}

가속화 조건에서 열전도도 측정

진공단열재 크기에 따라 edge 부위 및 경시변화에 따른 열전도도 영향이 다르므로(Jung et al., 2020) 제품 간의 비교를 위해서는 동일한 시료 사이즈에 대한 성능 평가가 필요하다. ISO/DIS 표준(안)은 4종류의 시료 사이즈를 규정하고 있으며, 본 연구에서는 KS L 9016에 따른 열전도도 측정을 위해 가로 300 mm, 세로 300 mm를 만족하는 두께 10 mm 시료와 두께 30 mm 시료를 대상으로 가속시험법을 분석한다. 시료는 두께별로 2개씩 구비하며, 가속화 조건(50℃, 70% RH)에서 180일 동안 보관하고 보관 시작일(0일째)을 포함하여 30, 60, 90, 120, 180일째 열전도도 측정을 수행한다. 이때 2개 시료의 평균값을 가속화 조건에서 시간에 따른 열전도도로 산출하며, 60일에서 180일 동안의 열전도도 측정결과를 토대로 식 (5)에 따라 시간(초; sec)에 따른 열전도도 변화율( $λ'_{t, 50 / 70}$ )을 계산한다.

(5)

λ'_{t, 50 / 70} = \frac{λ (t)_{50 / 70} - λ * (t = 0)}{t}

60일에서 180일 동안의 열전도도 측정결과를 사용하는 것은 60일 이전 진공단열재에서 관찰되는 단기 메커니즘의 영향을 배제하기 위함이다. 가속화 조건에서 진공단열재의 열전도도를 측정하면 이와 같은 특성으로 인해 처음 60일 동안의 증가율이 이후에 관찰된 것보다 높게 나타나고, 60일 후 측정되는 열전도도는 시간에 따른 선형 함수로 정리 될 수 있다. 또한 보간된 초기 열전도도( $λ * (t = 0)$ ) 값은 실제값( $λ (t = 0)$ )이 아니라 가속화 조건에서 60일에서 180일 동안의 열전도도 측정값으로 도출된 선형 함수로부터 산출된 것이다. 표준 조건(23℃, 50% RH)에서 시간에 따른 열전도도 변화율( $λ'_{t, 23 / 50}$ )은 식 (6)으로 추정할 수 있다.

(6)

λ'_{t, 23 / 50} = \frac{1}{f_{v}} \times λ'_{t, 50 / 70} + λ'_{p} \times \frac{p'_{t, a i r, 23 / 50}}{d} \times (1 - \frac{f_{a i r}}{f_{v}})

ISO/DIS 표준(안)에서 추정하려는 흄드실리카 진공단열재의 경시변화된 열전도도 값은 진공단열재 중심부 열전도도의 25년 동안 평균 변화율( $∆ λ_{c o p, m e a n} (25 y e a r s)$ ; W/mㆍK)을 산출하여야 가능하다. 가속화 조건을 통해 계산된 열전도도 변화율( $λ'_{t, 50 / 70}$ )은 실제 초기 열전도도 값을 반영하지 않으므로, 보간된 초기 열전도도 값( $λ * (t = 0)$ )과 실제값( $λ (t = 0)$ )간의 보정이 필요하다. 해당 내용은 식 (7)과 같으며, 산출된 진공단열재 중심부의 25년간 열전도도 평균 변화율( $∆ λ_{c o p, m e a n} (25 y e a r s)$ ; W/mㆍK)에 실제 초기 열전도도 값( $λ (t = 0)$ )을 더하면 경시변화된 열전도도 값 추정이 완료된다.

(7)

∆ λ_{c o p, m e a n} (25 y e a r s) = \frac{λ (25 y) - λ (t = 0)}{2} = λ * (t = 0) - λ (t = 0) + λ'_{t, 23 / 50} \times \frac{25}{2} y e a r

ISO/DIS 표준(안)의 가속시험법을 활용한 성능평가

흄드실리카 진공단열재 성능평가

앞서 분석한 흄드실리카 진공단열재의 내부압력과 압력별 열전도도의 상관관계 측정 방법은 Figure 3에 서술된 실험장비 및 측정시료가 필요하다. 따라서 Figure 4(a)와 같이 진공단열재 내부의 진공도를 측정할 수 있는 진공게이지 (InstruTech CVM201)와 진공밸브를 부착하여 측정 시료를 제작하고, Figure 4(b)의 열전도도 측정장비를 활용하여 내부압력을 단계별로 유지할 때 열전도도를 측정하였다. 이때 진공게이지 및 진공밸브는 열전도도 측정기로부터 15cm 간격을 두고 부착하여 열전도도 측정에 영향을 미치지 않도록 하였다.

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Figure 4.

Apparatus for the relationship between thermal conductivity in the evacuated state and inner pressure

Figure 5은 ISO/DIS 표준(안)에서 규정하는 내부압력별 흄드실리카 진공단열재의 열전도도 측정값을 나타낸 것이다. 내부 압력 10 pa일 때 열전도도( $λ_{0}$ ) 값은 0.00338 W/mㆍK이며, 진공단열재의 열전도도 값이 공기 열전도도 2분의 1 수준일 때 내부압력( $p_{1 / 2}$ ) 값을 산출하고자 ISO/DIS 표준(안)에서 규정한대로 최소자승법(Least Square Method)을 활용하였으며, 식 (8)과 같이 압력별 측정된 열전도도와 식 (1)의 계산값 차이의 제곱값을 최소로 하는 58343 Pa으로 산출하였다.

(8)

\sum_{i}^{} (λ_{e x p, i} - λ_{c a l, i})^{2}

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Figure 5.

Thermal conductivity on the inner pressure of fumed silica vacuum insulation panel

본 연구에서 분석한 외피재의 공기투과 가속배율계수( $p_{1 / 2}, f_{a i r}$ ) 산출 방법을 위해 가속화 조건(50℃, 70% RH)과 표준 조건(23℃, 50% RH)으로 180일간 운영 가능한 항온항습챔버 2대를 사용하였으며, ISO/DIS 표준(안)에서 규정하는 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 10 mm의 시료 6개를 준비하였다. 사용된 외피재는 알루미늄 증착 필름이며, 글라스울 심재를 활용하였고, 수분 투과에 의한 내부 압력 변화를 방지하고자 산화칼슘(CaO) 사용하였다. 가속화 및 표준 온습도 조건별 시료 3개에 대해 120, 150, 180일째 열전도도를 측정하고 이에 대한 평균값을 토대로 식 (1)에 의해 내부 압력을 산출하고, Figure 6과 같이 정리하였다.

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Figure 6.

Inner pressure according to thermal conductivity in two conditions

실험 결과, 산출된 외피재의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r}$ )는 5.4였으며, ISO/DIS 표준(안)서는 제시된 외피재(metalized PET 필름)의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r} = 4$ ) 대비 높은 수준으로 분석되었다.

외피재의 수분투과 가속배율계수( $f_{v}$ ) 측정을 위해 가로 150 mm, 세로 120 mm, 두께 7 mm를 시료 10개를 준비하였다. ISO/DIS 표준(안)에 의하면 시료 3개씩 각 온습도 조건별로 필요하나, 본 연구를 위해 각 온습도 조건별로 2개 시료를 추가로 준비하였으며 항온항습챔버에서 60일 동안 보관하고 10일마다 각 시료의 무게를 측정하고 조건별 5개 시료의 평균값을 Figure 7과 같이 정리하였다. 앞서 사용한 외피재와 동일한 제품을 사용하였으며, 외피재를 통해 투과된 수분량을 모두 흡수할 수 있도록 모든 시료에 산화칼슘을 사용하였다.

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Figure 7.

Weight according to permeation of water vapor

실험 결과, 산출된 외피재의 수분투과 가속배율계수( $f_{v}$ )는 4.5였으며, ISO/DIS 표준(안)에서 제시한 외피재(metalized PET 필름)의 공기투과 가속배율계수( $f_{v} = 10$ ) 대비 낮은 수준으로 분석되었다. 공기 및 수분투과 가속배율계수는 외피재를 통한 공기 및 수분 투과수준을 나타내는 지표가 아니라 ISO/DIS 표준(안)에서 규정한 가속화 조건의 가속화 속도를 나타낸다. 또한 외피재의 수분투과 가속배율계수 측정법은 시간 경과에 따른 시료 무게 증가분이 산화칼슘에서 흡수한 수분량에 의한 것이며, 건조공기로 인한 무게 증가분은 무시될만큼 충분히 작아야 한다는 전제조건이 있다. 분석 결과, 표준 및 가속화 조건에서 시간 경과에 따른 시료 무게 증가분은 건조공기와 수증기의 1:9 비율을 만족하였다. 이는 외피재 1종에 대한 분석 결과에 해당하므로 다양한 외피재 제품을 대상으로 건조공기의 투과 수준에 대한 충분한 실험 및 검토가 필요하다. 외피재의 유형에 따라 공기 및 수분투과 가속배율계수는 상이할 수 있으므로 향후 연구를 통해 국내 상용화 진공단열재 제품의 외피재 유형별 가속배율계수 현황 분석도 필요하다.

본 연구에서는 가속화 조건에서 180일간 보관한 진공단열재 시료에 대한 열전도도 측정도 수행하였으며, 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 10 mm 시료 3개와 동일한 가로세로크기에 두께 30 mm를 만족하는 시료 3개를 준비하였다. ISO/DIS 표준(안)은 시료 2개씩 각 온습도 조건별로 요구하고 있으나, 본 연구를 위해 각 온습도 조건별로 1개 시료를 추가로 준비하였으며 항온항습챔버에서 180일 동안 보관하고 보관 시작일(0일째)을 포함하여 30, 60, 90, 120, 180일째 열전도도 측정을 수행하였다. Figure 8은 가속화 조건에서 180일 동안 측정한 두께 10 mm 시료 3종의 열전도도 평균값을 나타낸다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-05/N0280150505/images/Figure_KIAEBS_15_5_05_F8.jpg

Figure 8.

Average thermal conductivity of vacuum insulation panel in accelerated condition

두께 10 mm 흄드실리카 진공단열재의 초기 열전도도 값( $λ (t = 0)$ )은 0.0037 W/mㆍK이었으나, 측정을 통해 도출된 시간에 따른 열전도도 값의 선형 함수로부터 보간된 초기 열전도도 값( $λ * (t = 0)$ )은 0.0043 W/mㆍK으로 산출되었다. 식 (7)에 따라 산출된 진공단열재 중심부의 25년간 열전도도 평균 변화율( $∆ λ_{c o p, m e a n} (25 y e a r s)$ )은 0.0019 W/mㆍK이며, 경시변화된 열전도도 추정값은 0.0056 W/mㆍK이었다. ISO/DIS 표준(안)에서 규정하는 기준 0.0100 W/mㆍK 미만을 만족하고 있으므로, 성능 평가된 두께 10 mm 흄드실리카 진공단열재 제품은 최소 성능기준을 만족한다고 판단할 수 있다.

흄드실리카 진공단열재 KS표준(안)을 위한 부합화 기술 검토

진공단열재는 제품의 특성상 두께가 두꺼워질수록 내부압력은 반비례하기 때문에 내부압력과 열전도도간의 상관관계를 고려할 때 두께와 열전도도는 비례하지 않는다(Yoo et al., 2019). 즉, 상용화된 일반형 단열재 제품과 같이 두께와 열전도도가 비례하는 구조가 아니기 때문에 ISO/DIS 표준(안)에서는 평가하려는 제품과 동일한 두께의 시료를 제조하여 성능평가를 수행하도록 요구하고 있다. 그러므로 현재 개발 중인 ISO/DIS 표준(안) 가속시험법의 시험조건, 시간, 부속시험 종류 및 횟수 등이 조정될 경우 국내 건설현장 및 산업계에 미치는 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 이를 위해서는 조정된 가속시험법의 결과가 ISO/DIS 표준(안)에서 규정하는 가속시험법과 동일한 결과를 도출할 수 있는지 반드시 검토되어야 한다.

앞서 수행된 흄드실리카 진공단열재 성능평가 절차 및 결과를 토대로 가장 시간이 많이 소요되는 외피재의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r}$ ) 측정과 가속화 조건에서 열전도도 측정 시험법에 대한 기술 부합화 검토 방향 수립이 필요하다.

진공단열재의 특성상 심재에 수분이 흡착될 경우 진공단열재 내부의 수분 함량[massㆍ%]당 약 0.5 mW/mㆍK의 열전도도가 상승한다. 즉, 표준 조건(23℃, 50% R.H.)에서 수분 함량 없이 건조한 상태라면, 열전도도가 4 mW/mㆍK이지만, 수분 함량이 4 massㆍ%에 근접하는 경우 열전도도는 6 mW/mㆍK에 도달한다 (Simmer and Brunner, 2005). 심재의 열특성으로 인해 내부 압력과 수분 함량 사이에는 명확한 상관관계가 있으며, 수증기압이 내부 압력 증가의 주요 원인으로 판단할 수 있다. 따라서 ISO/DIS 표준(안)에서 규정한 가속화 조건(50℃, 70% RH)보다 수분투과에 대한 가속화 속도를 높일 수 있는 온습도 조건으로 재설정하면 해당 조건에서 수행하는 열전도도 측정 기간을 단축할 수 있을 것으로 기대한다. 아레니우스 법칙에 의거하여, ISO/DIS 표준(안)에서 규정한 가속화 조건(50℃, 70% RH)보다 높은 고온으로 더 빠른 수분 가속을 유도할 수 있고, 그에 따라 소요되는 기간도 단축할 수 있을 것으로 판단된다. 진공단열재 제조업체에서 선언한 제품의 최대 사용 온도는 80℃이고, 기존 연구(Simmer and Brunner, 2005)를 통해 기간 단축이 가능한 빠른 가속화 속도를 수립할 수 있을 것으로 판단된다.

향후 연구를 통해 고가속화 조건(80℃, 70% RH)에서 30일간 실험한 결과와 가속화 조건(50℃, 70% RH)에서 180일간 실험한 결과를 교차 비교할 예정이며, 진공단열재 내부압력은 공기압과 수증기압으로 구성된다고 가정하므로, 위에서 설정한 고가속화 조건의 실험 결과를 토대로 외피재의 공기투과 가속배율계수( $f_{a i r}$ ) 측정방법에 대한 조정 방향을 수립할 예정이다.

결 론

진공단열재는 제로에너지건축물 및 그린리모델링 사업 활성화를 지원할 수 있는 건축용 단열신소재로 주목받고 있으나, 아직 KS 표준이 마련되지 않아 국내 건설시장 진출에 어려움을 겪고 있다. 현재 국제표준 ISO/DIS 16478이 개발되고 있으며, 금년 하반기에 FDIS 단계를 거쳐 ISO 국제표준 등록이 예상된다.

ISO/DIS 표준(안)은 흄드실리카 및 글라스울 심재에 대한 진공단열재의 요구성능 지표 및 최소 기준을 제시하고 있으며, 이에 대한 시험방법을 규정하는 내용이다. 본 연구에서는 흄드실리카 진공단열재의 경시변화된 열전도도 추정값을 산출하는 가속시험법으로 범위를 설정하고, 흄드실리카 진공단열재 1종에 대한 가속시험법 분석 및 검증을 수행하였으며, 이를 토대로 국내 특성을 고려한 KS 표준(안) 개발 방향을 수립하고자 하였다.

국내 건설시장의 특성을 고려할 때 진공단열재 1종 제품에 대해 최소 6개월(180일)이 소요되는 시험 방법은 적절하지 않다. 진공단열재의 경시변화는 가스 및 수분투과 정도에 영향을 받으므로 ISO/DIS 표준(안)에서 제시하는 가속화 수준을 조정할 경우 약 30일의 소요시간이 요구되는 시험 방법으로 수립할 수 있다. ISO/DIS 표준(안)에서 제시한 시험조건, 시간, 횟수 등에 대해 30일의 시험기간으로 성능 평가하는 KS표준(안)의 부합화 기술 검토를 수행하고, 그 타당성을 근거로 KS 표준(안)을 제시하고자 한다.

두 가지 소요 시간별(180일, 30일) 시험 방법에 대해 비교 검증을 실시하고, 결과 간의 유사성, 타당성 등 시험법의 기술 검토가 완료되면, 개발 중인 ISO/DIS 표준(안)의 부속서(Annex)로 추가하여 24주의 시험 기간 대신 3주의 시험기간으로 평가하는 합리적 대안으로 제시할 수 있을 것으로 판단된다. ISO 국제표준은 제안된 개정(안)의 기술 검토와 회원국의 동의(투표) 절차 등으로 인해 최소 1~2년 내외의 시간이 소요되기에 본 연구 개발기술의 보급화와 사업화 촉진을 위해서는 KS 표준(안) 도출이 반드시 선행될 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 R&D 주거환경연구사업의 연구비지원(21RERP-C146906-04)에 의해 수행되었습니다.

References

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Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

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Accelerated Test Method for the Aged Thermal Conductivity of Fumed Silica Vacuum Insulation Panel

ABSTRACT

MAIN

Figure 1.

Status of Vacuum insulation panel (VIP)

Figure 2.

Flowchart of ageing procedure according to ISO/DIS 16478

Figure 3.

Scheme for the Apparatus of the VIP inner pressure

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Figure 4.

Apparatus for the relationship between thermal conductivity in the evacuated state and inner pressure

(8)

Figure 5.

Thermal conductivity on the inner pressure of fumed silica vacuum insulation panel

Figure 6.

Inner pressure according to thermal conductivity in two conditions

Figure 7.

Weight according to permeation of water vapor

Figure 8.

Average thermal conductivity of vacuum insulation panel in accelerated condition

Acknowledgements

References