KR102455302B1

KR102455302B1 - 전단농화유체를 이용한 차음용 흡음 복합재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102455302B1
Application number: KR1020210142465A
Authority: KR
Inventors: 배정주; 배성진; 이정애; 김선오
Original assignee: 배정주; 배성진; 이정애; 김선오
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2022-10-18

Abstract

본 발명에 따른 차음용 흡음 복합재는, 액체의 침투를 허용하는 다공성 모재(10)와, 상기 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅하는 전단농화유체(20)를 구비하는 차음재(1)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 얇은 두께와 비교적 단순한 구조로 시공이 간편한 장점이 있으며, 전단농화유체의 침전을 방지하기 때문에 장시간 사용되는 다양한 분야에 응용될 수 있고 차음 성능이 우수한 장점이 있다.

Description

전단농화유체를 이용한 차음용 흡음 복합재 및 이의 제조방법{Sound Absorption Composite For Sound Isolation Using Shear Thickening Fluid And Method For Manufacturing It}

본 발명은 음파의 전달을 차단하거나 줄이는 차음용 흡음 복합재와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 수도권 내 인구 밀집으로 인해 대부분의 인구가 고층화된 아파트에서 거주하고 있는 실정이다. 그러나 건축비 절감을 위한 벽식 구조로 인해 생활 소음이 이웃하는 아랫층 또는 옆집으로 전달되는 소음 문제가 대두되고 있으며 최근에는 소음으로 인한 분쟁(살인, 방화 등 강력범죄)이 발생하는 등의 부작용이 속출하고 있는 실정이다. 이는 단순한 이웃간의 분쟁이나 갈등을 넘어, 소음을 주로 일으키는 저연령층 아동에 대한 혐오 등의 사회 문제로도 이어지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 소음을 줄이기 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔으며, 여러 업체들의 지속적인 연구개발을 통해 차음재를 포함한 다양한 제품과 시공방법 등이 개발되었으나, 예를 들어 바닥 충격음 차단성능 기준에 따른 평가에서 중량 충격음 차단성능이 2등급인 제품이 최대 성능의 제품으로서, 실질적으로는 소음을 제대로 차단하지 못하고 있는 실정이다. 또한 소음을 차단하기 위한 복잡한 구조와 두꺼운 두께 등의 문제로 건축비 증가 등의 문제가 있다.

이와 같은 공동주택에서의 소음 차단과 아울러, 다양한 형태의 건축물, 자동차, 공장, 기계, 설비 등의 분야에서도 소음 차단 또는 음파에너지의 원치않는 전달을 차단하기 위하여, 보다 효율적이고 완전히 새로운 메커니즘의 차음재가 필요한 실정이다.

1. 대한민국 공개특허공보 10-2008-0018030, 2008. 2. 27. 공개 2. 중국 공개특허공보 107857894, 2018. 3. 30. 공개

본 발명의 목적은 효율적이고 새로운 차음용 흡음 복합재와 이를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 양상에 따른 차음용 흡음 복합재는, 액체의 침투를 허용하는 다공성 모재(10)와, 상기 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅하는 전단농화유체(20)를 구비하는 차음재(1)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 전단농화유체(20)는 상기 다공성 모재(10)의 공극(12)들을 폐색하지 않아서, 상기 차음재(1)는 산포된 차음재 공극(1a)들을 구비할 수 있다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 다공성 모재(10)는 스펀지인 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 전단농화유체(20)는, 비휘발성인 액상 분산매에 비정질 실리카가 분산된 현탁액인 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 차음재(1)는, 상기 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 상기 전단농화유체(20) 14,000 ~ 178,000g 이 코팅된 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 차음재(1)는, 상기 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 상기 전단농화유체(20) 28,480 ~ 56,960g 이 코팅된 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 전단농화유체(20)에서는, 상기 전단농화유체(20)의 전체 중량 대비 무기입자가 14 ~ 24 중량%로 포함될 수 있다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 다공성 모재(10)의 밀도는 25 kg/m³ 이하이다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 차음재(1)를 감싸서 밀봉함으로써 외부로부터의 방습을 도모하는 방습커버(2)를 더 포함할 수 있다.

상기한 차음용 흡음 복합재에 있어서, 상기 방습커버(2)는, 상기 차음재(1)의 외부표면에 상기 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질을 코팅하여 구성되거나, 상기 차음재(1)를 감싸는 포장재로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 차음용 흡음 복합재의 제조방법은, 휘발성 분산제와 전단농화유체(20)를 포함하는 함침물을 다공성 모재(10)의 내부로 함침시키는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 함침된 상기 함침물 중의 상기 휘발성 분산제를 휘발시켜서, 상기 전단농화유체(20)가 상기 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅할 정도로 남게 하는 제 2 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 휘발성 분산제는 물인 것을 특징으로 한다.

상기한 차음용 흡음 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 단계의 이전에, 상기 휘발성 분산제와 상기 전단농화유체(20)를 구성할 액상 분산매를 혼합한 용액에 무기입자를 투입하여 교반함으로써 상기 함침물을 준비하는 제 3 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기한 차음용 흡음 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 단계의 이후에, 외부로부터의 방습을 도모하기 위해 상기 다공성 모재(10)를 감싸서 밀봉하는 제 4 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기한 차음용 흡음 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 제 4 단계는, 상기 다공성 모재(10)의 외부표면에 상기 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질을 코팅하여 보호막을 구성하거나, 상기 다공성 모재(10)를 감싸는 포장재를 씌우는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 흡음용 복합재 및 그 제조방법에 따르면, 효율적이고 전혀 새로운 구조의 차음 수단을 제공하는 효과가 있다. 본 발명의 흡음용 복합재 및 그 제조방법에 따르면, 얇은 두께와 비교적 단순한 구조로 시공이 간편한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 흡음용 복합재 및 그 제조방법에 따르면, 전단농화유체의 침전을 방지하기 때문에 장시간 사용되는 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 차음 성능이 뛰어난 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음용 흡음 복합재의 구조를 간단히 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 1(a)는 전체 구성의 단면도이고, 도 1(b)는 차음재(1)의 부분 확대 단면도이며, 도 1(c)는 도 1(b)의 일부분을 더욱 확대한 단면도이다.
도 2는 다공성 모재의 한 예인 스펀지를 현미경으로 촬영한 현미경 사진이다.
도 3은 전단농화유체가 코팅된 다공성 모재(스펀지)를 촬영한 현미경 사진이다.
도 4는 일반 차음재등과 벌크 상태인 전단농화유체의 차음성을 비교한 실험예이다.
도 5는 도 4의 실험결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8은 다공성 모재의 경도 및 밀도에 따른 차음 성능을 측정한 실험 결과로서, 도 6은 경도 4일 때 이고, 도 7은 경도 6일 때 이며, 도 8은 경도 7일 때이다.
도 9는 동일 체적의 다공성 모재에 대해 전단농화유체의 사용량에 따른 차음성능을 실험한 결과를 기록한 표이다.
도 10은 도 9의 그래프이고 도 11은 31.5Hz만 별도 도시한 그래프이다.
도 12는 전단농화유체에서 무기입자의 농도(즉, 전체무게 대비 무기입자의 무게)별로 차음성능을 실험한 결과를 도시한 표이다.
도 13은 도 12의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 14는 도 12의 실험결과중 31.5 Hz에 대해서만 도시한 그래프이다.
도 15는 포장재의 사용유무에 따른 차음성능을 실험한 결과로서, 도 15(a)는 결과표이고 도 15(b)는 이를 도시한 그래프이다.

차음용 흡음 복합재의 구조

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음용 흡음 복합재의 구조를 간단히 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 1(a)는 전체 구성의 단면도이고, 도 1(b)는 차음재(1)의 부분 확대 단면도이며, 도 1(c)는 도 1(b)의 일부분을 더욱 확대한 단면도이다.

도 2는 다공성 모재의 한 예인 스펀지를 현미경으로 촬영한 현미경 사진이며, 도 3은 전단농화유체가 코팅된 다공성 모재(스펀지)를 촬영한 현미경 사진이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차음용 흡음 복합재는 차음재(1)와 방습커버(2)를 포함하여 구성되며, 차음재(1)는 액체의 침투를 허용하는 다공성 모재(10)와, 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅하는 전단농화유체(Shear Thickening Fluid)(20)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

다공성 모재(10)는 클로즈드 타입이 아니라 오픈 타입으로서 내부에 무수히 구성되는 공극(10a; 도 2 참조)들이 상호 연결되고 그 표면과도 연결되어 있어서 외부로부터의 액체 침투 또는 함침을 허용하는 타입이다. 예를 들면 다공성 모재(10)는 스펀지 등을 포함하며 액체에 대한 흡수력이 있는 구조체이다. 또한, 다공성 모재(10)의 범위에는 부직포, 면을 포함한 섬유 등으로 구성되어 액체에 대한 흡수력이 있는 구조체를 포함한다. 다공성 모재(10)로서는 스펀지와 같이 압축 탄성이 있고 풍부한 공극들을 가진 것이 선호된다.

전단농화유체(20)는 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅하는데, 즉, 전단농화유체(20)는 다공성 모재(10)를 구성하는 오픈된 공극들을 통하여 내부의 연결부, 섬유, 올 또는 가닥(10a) 등을 코팅하게 된다. 따라서, 차음재(1)의 기존 공극들은 그 부피가 약간 줄어들 수는 있으나 폐색되지 않으며, 완성된 차음재(1)에서는 산포된 차음재 공극(1a)들을 당연히 구비한다.

전단농화유체(20)는 비휘발성인 액상 분산매에 흄드, 구형, 비정질 타입의 무기입자로서 극성이 없는 무기입자가 분산된 현탁액이다. 예를 들면 무기입자는 흄드 실리카, 구형 실리카, 또는 비정질 실리카 등일 수 있으며, 선호되기로 비정질 실리카이다. 무기입자는 입자 직경이 예를 들면 10 ~ 1000nm 일 수 있다. 액상 분산매는 휘발성이 없는 것인데, 에틸비닐아세테이트, 폴리우레탄, 불포화 폴리에스터 수지 등 불포화 수지류, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등일 수 있는데, 폴리에틸렌글리콜(PEG)이 선호된다.

차음재(1)는 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 전단농화유체(20) 14,000 ~ 178,000g 이 코팅된 것이 좋으며, 선호되기로는 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 전단농화유체(20) 28,480 ~ 56,960g 이 코팅된 것이 선호되며, 보다 선호되기로는 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 전단농화유체(20) 28,480 ~ 56,960g 이 코팅된 것이 선호된다.

전단농화유체(20)에서는, 전단농화유체(20)의 전체 중량 대비 무기입자가 14 ~ 24 중량%로 포함되는 것이 선호된다. 그리고 다공성 모재(10)의 밀도는 25 kg/m³ 이하인 것이 선호된다.

전단농화유체(ShearThickeningFluid)는 응력에 따라 점도가 변화하는 비뉴턴 유체로, 외력에 의해 점도가 올라가는 성질을 가진다. 전단농화유체의 이러한 성질을 응용하고자 하는 많은 연구가 선행되어 있으나, 기존 전단농화유체의 응용에 대한 연구는 응력에 의해 점도가 올라가는 현상을 이용해 방탄 및 방검 소재 등을 개발하는 데에 그쳤다.

전단농화유체는 액상 분산매에 입자가 용해되지 않고 분산돼 있는 형태로 존재하는 현탁액(콜로이드)으로써, 외력(전단력)이 가해졌을 때, 외력에 의해 입자 사이의 액상 분산매가 밀려나며 외력이 가해진 지점의 농도가 일시적으로 상승하는(농화 현상) 성질을 가진 유체이다.

본 발명자에 의한 연구에 따르면, 외력에 의해 유체 내부의 입자 분포가 순간적으로 변화하는 과정에서 에너지를 소모하는 점에 착안해 전단농화유체를 통과하는 음파(에너지)를 흡수할 수 있는 것으로 분석되었다. 차음재는 전단농화유체를 다공질 소재(스펀지 등)에 코팅시켜 소재 내부의 공기 구멍을 이루는 가닥 등에 얇게 코팅시킨 것인데, 차음재에 음파를 통과시킬 경우, 음파가 통과하는 지점에 있는 전단농화유체 내부의 입자 분포의 변화가 일어나며 이러한 변화 과정을 통해 음파의 에너지를 흡수하는 것으로 추정된다.

무수히 많은 공기 구멍을 가지는 소재의 특성상 에너지 흡수 과정이, 음파가 차음재 전체를 통과할 때까지 반복돼 최종적으로는 차음재를 통과하는 음파의 크기가 극적으로 작아지는 것이다.

본 발명에서 전단농화유체로써 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅만함으로써, 기존 공극들을 폐색하고 않고 차음재 공극(1a)들을 구비토록하는 것은 본 발명에 있어서 매우 중요한 의미를 지니게 된다.

전단농화유체(20)는 무기 입자가 액상 분산매에 용해되어 있지 않고 분포해 있는 현탁액(콜로이드)이기 때문에 시간에 따른 침전이 발생하게 된다. 그런데, 전단농화유체가 연결부, 섬유, 올 또는 가닥(10a) 등의 내부 표면에 코팅되는 것이므로 얇은 막의 형태로 구성되며, 이에 따라 가닥등을 코팅하고 있는 전단농화유체에서 액상 분산매를 통하여 무기 입자가 이동하는 거리는 매우 제한적이다.

본 발명에 따르면, 전단농화유체가 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅만함으로써, 전단농화유체에서 무기 입자의 이동이 극히 제한적이어서 무기 입자의 침전 현상이 방지되며, 장기 사용중 차음 성능 저하가 없거나 극소화되는 장점이 있다. 가정하여 전단농화유체가 다공성 모재를 흠뻑 적셔서 완전히 함침하고 있다면, 시간의 경과에 따라 무기 입자의 침전으로 인해서 차음 성능이 저하되는 문제가 있을 것이다. 아울러, 내부 표면의 코팅에 따른 다른 장점에 대해서는 후술한다.

한편, 전단농화유체의 액상 분산매는 친수성을 가진 경우가 많으며, 이에 따라 장시간 사용중 외부로부터의 습기에 의한 성능저하가 발생할 수 있어서, 본 발명의 일 실시예에서는 전단농화유체로의 투습을 방지하기 위하여, 차음재(1)를 감싸서 밀봉함으로써 외부로부터의 방습을 도모하는 방습커버(2)를 포함한다.

방습커버(2)는 밀봉(밀폐)가능한 다양한 형태를 가질 수 있는데, 예를 들면 케이스, 포장재, 코팅 등의 방법이 가능하다. 차음재(1)의 외부표면에 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질, 예를 들면 고무를 코팅하여 차음재(1)의 노출 표면 전체에 걸쳐서 코팅막을 형성할 수 있다. 또한 차음재(1)를 전체적으로 감싸는 포장재를 씌워서 포장할 수 있다. 복수의 단위 차음용 흡음 복합재가 이웃하도록 병렬배치하여 차음하는 경우, 이웃하는 차음용 흡음 복합재 사이에서 방습커버를 통한 차음저하를 최소화하기 위하여, 케이스보다 포장재 또는 고무등에 의한 코팅막이 선호될 수 있다.

도 3의 실험예에서는 전단농화유체의 농도 20%, 코팅시킨 전단농화유체의 무게 138g, 스펀지 크기 53cm*53cm*1cm, 용매 PEG 200, 비정질 실리카(precipitated silica) 제품명 LM-355이다. 도 2 및 도 3은 1600배 확대한 현미경 사진으로서, 코팅 전, 후를 비교했을 때 현저한 차이를 보이지 않으나, 코팅 후의 사진 상에서 섬유 가닥 사이에 미세하게 묻어 있는 전단농화유체를 확인할 수 있다. 일반적인 예상과 다르게 섬유 가닥에 소량을 코팅했을 경우 흠음(차음) 성능이 극대화되는 것을 확인할 수 있었다.

차음용 흡음 복합재의 제조방법

이하, 차음용 흡음 복합재의 제조방법에 관하여 간략히 설명한다.

전단농화유체(20)의 상기한 구성요소이외에 제조공정중 사용되며 제조완료후에는 휘발되어 대부분 없어지는 휘발성 분산제가 더 준비되어 사용된다. 분산제는 휘발성이 있는 액체류로서 전단농화유체를 희석하기 위하여 사용되던 에탄올 또는 메탄올 등일 수 있는데, 특별하기로 본 발명에서는 물을 사용할 수 있다. 물은 에탄올 또는 메탄올에 비하여 저비용으로 제조할 수 있은 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차음용 흡음 복합재의 제조방법에서는 먼저, 휘발성 분산제와 전단농화유체(20)를 구성할 액상 분산매를 혼합한 용액에 무기입자를 투입하여 교반함으로써, 다공성 모재로 함침될 함침물을 준비한다.

액상 분산매, 무기입자 및 분산제는 60내지 120rpm의 교반속도로 믹싱하여 무기입자가 분산될 수 있으며, 선호되기로는 80내지 100rpm의 교반속도로 믹싱하여 분산될 수 있다. 선호되기로 교반 과정에 있어 무기입자를 수 회에 걸쳐 나누어 투입해 교반한다. 교반 과정에 있어 무기입자를 수 회에 걸쳐 나누어 투입할 때, 무기입자를 투입해 일단 적정량 교반이 이루어진 후, 휴지기를 가지고 다시 무기입자를 투입하는 방식으로 교반하는 것이 좋다. 상기한 교반 방식을 이용함으로써, 제빵용 교반기 등 저가의 교반용 장비로도 양호한 분산효과를 얻을 수 있다.

그리고, 휘발성 분산제와 액상 분산매 및 무기입자(전단농화유체)를 포함하는 함침물을 다공성 모재(10)의 내부로 함침시킨다. 이러한 함침에 따라 다공성 모재(10)의 공극들은 채워질 수도 있으나, 중력 낙하와 함께 후속하는 건조 공정(분산제의 휘발 공정)에 의해서 공극들에서의 공간이 대부분 살아나게 된다. 함침은 침지, 분사 등의 과정을 통해 다공질 모재의 적어도 표면전체를 적실 정도로 수행될 수 있다.

그리고, 자연 건조 또는 강제 건조 방식의 건조 과정을 통하여 함침물 중의 휘발성 분산제를 휘발시켜서, 전단농화유체(20)가 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅할 정도로 남게 한다.

함침 및 건조를 통해 분산제의 제거 이후 측정했을 때, 차음재의 부피를 기준으로 1 m³당 14,000g 내지17,8000g의 전단농화유체를 코팅시킨다. 선호되기로는 m³당 28,480g 내지 56,960g의 전단농화유체를 코팅시키며, 보다 바람직하게는 m³당 42,720g 내지 53,400g의 전단농화유체를 코팅시킨다. 그리고, 전단농화유체는 전체 중량대비 무기입자의 무게 14% 내지 24% 의 농도로 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는 농도가 19% 내지 21% 인 것이 선호된다.

그리고, 외부로부터의 방습을 도모하기 위해 다공성 모재(10)를 감싸서 밀봉하는데, 다공성 모재(10)의 외부표면에 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질을 코팅하여 보호막을 구성하거나, 다공성 모재(10)를 감싸는 포장재를 씌우는 과정을 포함한다.

벌크상태인 전단농화유체에 대한 비교 실험예

도 4는 일반 차음재등과 벌크 상태인 전단농화유체의 차음성능을 비교한 실험예이며, 도 5는 도 4의 실험결과를 그래프로 도시한 것이다.

본 실험에서는 시중의 일반적인 차음재(타사 A, 타사 B, 타사 C)를 이용한 실험과, 실험용 박스의 공기층 두께를 0mm, 5mm, 10mm, 25mm로 한 실험과, 실험용 박스의 공간두께 10mm중 5mm를 전단농화유체로 채운후 수행한 실험의 결과들을 보여준다.

본 실험에 사용된 전단농화유체는 PEG 200, 흄드 실리카(konasil k200)를 20% 농도로 제작한 것이다. 농도는 전단농화유체 제작에 사용된 무기입자(실리카)의 무게를 용매(PEG 200)의 무게와 무기입자(실리카)의 무게를 더한 것으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것이다.

본 실험은 벌크 상태인 전단농화유체가 차음성이 없거나 매우 낮은 점을 보여준다. 소재에 대한 함침이나 건조 과정을 거치지 않은 유체상태 그대로인 전단농화유체를 실험용 박스의 내부에 채워 진행하였다.

전단농화유체를 실험용 박스에 채워 밀봉한 경우(박스내부의 양면 사이에 10mm 두께의 공간을 만든 후 칸막이를 세워 나뉘어진 두개의 5mm두께의 공간 중 한 공간에만 전단농화유체를 채운 뒤 실험하였다. 실험용 박스는 세워져 있고 실험용 박스의 주변을 포함하여 박스의 전면공간과 후면공간은 강력한 차음벽을 이용하여 분리하였다. 실험용 박스의 전면에서 스피커(우퍼 스피커)로 소음소스를 발생시키고 타측면에서는 전달된 소음을 집음하는 방식으로 실험되었다. 표의 값과 그래프의 수직축은 수신된 소음의 크기이다.

벌크 상태의 전단농화유체는 타사 차음재 제품군을 사용한 대조군인 타사 A, B, C와 비교해서 차음 성능이 떨어질 뿐만 아니라, 공기층이 없거나 공기층만을 형성한 차음재 미설치 대조군(공기층無, 공기층 5mm, 공기층 10mm)과 비교하여도 비슷한 성능만을 보여주었다.

벌크 상태의 전단농화유체는, 유의미한 성능 차이를 보이지 않거나 오히려 소리를 증폭시키는 결과를 보여준다. 추정컨데, 이는 전단농화유체에서 무기입자의 거동을 통한 음파에너지 흡수보다는 전단농화유체의 액상 분산매를 통한 소리의 전달 효과가 훨씬 큰 것이 원인으로 추정된다.

본 발명의 흡음재에 대한 실험예

1. 다공성 모재(스펀지)의 경도 및 밀도

도 6 내지 도 8은 다공성 모재의 경도 및 밀도에 따른 차음 성능을 측정한 실험 결과로서, 도 6은 경도 4일 때 이고, 도 7은 경도 6일 때 이며, 도 8은 경도 7일 때이다.

다공성 모재(스펀지)의 밀도(단위: kg/m³)는 다공성 모재 내부의 빈 공간의 부피에 반비례하는 수치이다. 경도는 스펀지를 형성하는 폴리우레탄 섬유 가닥의 두께와 섬유의 분자량 등에 관계하여 변화하는데, 두께에 비례하며 경도가 높아지고 분자량이 낮을 수록 경도가 높아진다. 그래프의 수직축은 측정된 소음의 크기(dB)이며, 이하 동일하다.

대체로 밀도가 낮아질수록 차음 성능이 향상되는 경향을 보이나, 경도에 따라 다른 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 경도 4 및 6일 때에는 밀도가 증가함에 따라 성능이 감소하는 경향을 보였으며, 그 반대로 경도가 7인 경우 오히려 밀도가 증가함에 따라 성능이 향상되는 경향을 보였다.

일반적으로, 스펀지를 구성하는 섬유의 경도가 낮을수록 섬유를 따라 전달되는 소리의 속도가 낮아져, 소리를 보다 효과적으로 차단하게 되어 차음 성능이 향상된다.

그러나 본 실험에 사용된 스펀지 소재의 경우, 스펀지 내부에 형성된 공간의 부피와 그 형상에 큰 영향을 받은 것으로 보인다. 특히 같은 밀도의 스펀지일 경우에도, 작은 공간들이 다수 분포한 것과, 큰 공간이 적게 분포하는 등 스펀지별 특성이 달랐다. 이러한 특성으로 인한 성능 변화가 크게 작용한 것은 전단농화유체가 흡음(그에 따른 차음)에 있어 핵심적인 역할을 하며, 스펀지 내부에서의 전단농화유체 분포는 유체 자체의 점도와 표면장력 등에 영향을 받으므로 스펀지의 특성에 따라 분포 정도가 크게 달라지기 때문인 것으로 보인다.

섬유 사이의 간격이 너무 좁을 경우 전단농화유체가 점도와 표면장력에 의해 골고루 코팅되지 않고 섬유 내 공간을 불균일하게 채우게 되며, 섬유 사이의 간격이 너무 넓을 경우 코팅되는 전단농화유체의 절대적인 양이 감소하게 된다.

본 실험을 통해 소재의 가격, 성능 등을 고려하여, 이후 실험에서는 경도 6, 밀도 15 kg/m³의 스펀지를 선정하여 전단농화유체의 차음성능을 검증하였다.

2. 다공성 모재에 함침되는 전단농화유체의 사용량

도 9는 동일 체적의 다공성 모재에 대해 전단농화유체의 사용량에 따른 차음성능을 실험한 결과를 기록한 표이며, 도 10은 도 9의 그래프이고 도 11은 31.5Hz만 별도 도시한 그래프이다.

본 실험에 사용된 스펀지(일반 블랙)는 경도 6, 밀도 15 kg/m³의 스펀지로서, 그 사이즈는 53cm*53cm*1cm 크기로 재단된 스펀지이다. 본 실험에 사용된 전단농화유체는 PEG 200, 흄드 실리카(konasil k200)를 20% 농도로 제작한 것이다.

실험결과에 따르면 전단농화유체(무기입자)의 함침무게별(즉, 코팅무게별) 성능변화 양상은 음원 발생기에서 발생시킨 주파수에 따라 큰 차이를 보이나, 고주파 영역 보다 저주파 영역이 중요하므로, 고주파 영역에서의 변화를 고려하지 않고 저주파 영역에서의 변화를 중점적으로 파악한다.

전단농화유체를 함침시키는(코팅시키는) 무게에 따라 성능이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 전단농화유체의 양이 146g일 때 최대의 차음 성능(저주파기준)을 발휘하는 것을 확인할 수 있으며 함침된 전단농화유체의 양이 146g보다 증가 혹은 감소할 경우 차음 성능이 감소하는 경향을 보인다.

그래프에 따르면 전단농화유체의 함침(코팅) 무게가 146g일 때 최대 성능을 보이며 126g 지점까지 무게를 감소시켰을 때, 작은 변화만 있어서 유의미한 성능 변화를 보이지 않는다.

그러나, 함침 무게가 126g보다 감소할 경우 차음 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 함침 무게를 146g보다 증가시킬 경우 차음 성능이 급격하게 감소하게 된다. 이는 전단농화유체의 양이 극단적으로 증가할 경우 스펀지 내부의 공간이 모두 또는 많이 채워져 차음에 필요한 표면적을 얻기 힘들어지고, 양이 극단적으로 감소할 경우 표면적은 증가하나, 소리 에너지를 흡수할 수 있는 전단농화유체의 양이 부족해지기 때문인 것으로 파악된다.

3. 전단농화유체에서 무기입자의 농도

도 12는 전단농화유체에서 무기입자의 농도(즉, 전체무게 대비 무기입자의 무게)별로 차음성능을 실험한 결과를 도시한 표이며, 도 13은 이를 도시한 그래프이고 도 14는 31.5 Hz에 대해서만 도시한 그래프이다.

본 실험에 사용된 스펀지(일반 블랙)은 경도 6, 밀도 15 kg/m³의 스펀지이며, 스펀지는 53cm*53cm*1cm 크기로 재단된 스펀지이다. 본 실험에 사용된 전단농화유체는 PEG 200, 비정질 실리카(precipitated silica, LM-355)를 사용해 제작했다. 함침시킨 전단농화유체의 무게는 138g을 기준으로 했으나 실험 과정에서 약간의 오차가 발생하였다. 그러나 무게의 오차가 허용 범위 내에 있는 경우, 오차를 감안하여 실험을 진행하였다(측정기기 허용오차 +- 5g).

실험결과에 따르면 농도별 성능변화의 양상은 음원 발생기에서 발생시킨 음원의 주파수에 따라 다른 양상을 보이나, 앞서 서술한 바와 같이 고주파 영역에서의 변화를 고려하지 않고 저주파 영역에서의 변화를 중점적으로 파악했다. 전단농화유체의 농도가 20%일 때 최대의 차음 성능을 발휘하는 것으로 나타났으며, 농도가 이보다 높거나 낮아질 경우 차음 성능이 다소 감소하였다.

전단농화유체는 농도가 높을수록 농화 현상(외부의 충격에 유체 내부의 입자가 이동해 충격 지점의 농도가 순간적으로 증가하는 현상)이 잘 일어나는 성질을 가졌으나, 특정 농도에서 차음 성능이 최대화되는 것을 파악했다. 이는 전단농화유체의 농화 현상(외부의 충격에 유체 내부의 입자가 이동해 충격 지점의 농도가 순간적으로 증가하는 현상)과 관련이 있으며, 농도가 높을수록 농화 현상은 쉽게 일어나나, 20% 보다 높아질 경우 흡수하는 에너지의 절대량(농화에 필요한 에너지의 절대량)이 줄어, 충분히 소리를 흡수하지 못하기 때문에 차음 성능이 감소하며, 반대로, 농도가 20% 보다 낮아질 경우, 농화 현상이 쉽게 일어나지 않아, 에너지 흡수가 원활하지 못하게 되고, 이에 따라 차음 성능 역시 감소하는 것으로 추정된다.

4. 포장재(방습커버)의 사용유무에 따른 차음성능

도 15는 포장재의 사용유무에 따른 차음성능을 실험한 결과로서, 도 15(a)는 결과표이고 도 15(b)는 이를 도시한 그래프이다.

본 실험에 사용된 스펀지(일반 블랙)은 경도 6, 밀도 15의 스펀지이며, 실험에 사용된 스펀지는 53cm*53cm*1cm 크기로 재단된 스펀지이다. 본 실험에 사용된 전단농화유체는 PEG 200, 비정질 실리카(precipitated silica, LM-355)를 사용해 20% 농도로 제작했으며, 전단농화유체의 무게를 138g으로 하여 함침시켰다.

실험결과에 따르면 전단농화유체 함침물(흡음재)에 대해 비닐로 포장하여 방습 처리한 경우, 방습 처리하지 않은 대조군에 비해 약간의 성능 하락이 발생했으나, 미약한 수준에 불과하였다.

본 실험에서 전단농화유체 함침물에 대해 포장가공을 할 경우 전체적으로 약간의 성능 하락이 발생하는 것을 파악했으나, 하락 정도가 매우 작고 유의미한 영향을 주지 않을 것으로 예상되어 방습커버는 실제 차음 성능에 별다른 영향을 주지 않으면서도 실시될 수 있음을 확인하였다.

1 : 차음재 2 : 방습커버
10 : 다공성 모재 20 : 전단농화유체

Claims

차음용 흡음 복합재에 있어서,
액체의 침투를 허용하는 다공성 모재(10)와, 상기 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅하는 전단농화유체(20)를 구비하는 차음재(1)를 포함하여 구성되며,
상기 전단농화유체(20)는,
i) 상기 다공성 모재(10)의 연결부, 섬유, 올 또는 가닥의 표면에 코팅되는 막의 형태로 구성되고, ii) 상기 다공성 모재(10)의 공극들을 폐색하지 않아서 상기 차음재(1)는 산포된 차음재 공극(1a)들을 구비하며,
상기 전단농화유체(20)로의 투습을 방지하기 위하여, 상기 차음재(1)를 감싸서 밀봉함으로써 외부로부터의 방습을 도모하는 방습커버(2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 모재(10)는 스펀지인 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 전단농화유체(20)는,
비휘발성인 액상 분산매에 비정질 실리카가 분산된 현탁액인 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재.
청구항 4에 있어서,
상기 차음재(1)는,
상기 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 상기 전단농화유체(20) 14,000 ~ 178,000g 이 코팅된 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재.
청구항 4에 있어서,
상기 차음재(1)는,
상기 다공성 모재(10)의 부피 1 m³ 당 상기 전단농화유체(20) 28,480 ~ 56,960g 이 코팅된 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 전단농화유체(20)에서는,
상기 전단농화유체(20)의 전체 중량 대비 무기입자가 14 ~ 24 중량%로 포함된,
차음용 흡음 복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 모재(10)의 밀도는 25 kg/m³ 이하인,
차음용 흡음 복합재.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 방습커버(2)는,
상기 차음재(1)의 외부표면에 상기 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질을 코팅하여 구성되거나,
상기 차음재(1)를 감싸는 포장재로 구성되는,
차음용 흡음 복합재.
차음용 흡음 복합재의 제조방법에 있어서,
휘발성 분산제와 전단농화유체(20)를 포함하는 함침물을 다공성 모재(10)의 내부로 함침시키는 제 1 단계;
상기 제 1 단계에서 함침된 상기 함침물 중의 상기 휘발성 분산제를 휘발시켜서, 상기 전단농화유체(20)가 상기 다공성 모재(10)의 내부 표면을 코팅할 정도로 남게 하는 제 2 단계;를 포함하여 구성되며,
상기 제 2 단계의 수행후 상기 전단농화유체(20)는,
i) 상기 다공성 모재(10)의 연결부, 섬유, 올 또는 가닥의 표면에 코팅되는 막의 형태로 구성되고, ii) 상기 다공성 모재(10)의 공극들을 폐색하지 않아서 산포된 차음재 공극(1a)들을 구비하며,
상기 제 2 단계의 이후에, 외부로부터 상기 전단농화유체(20)로의 투습을 방지하기 위하여, 상기 다공성 모재(10)를 감싸서 밀봉하는 제 4 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재의 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 휘발성 분산제는 물인 것을 특징으로 하는,
차음용 흡음 복합재의 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제 1 단계의 이전에, 상기 휘발성 분산제와 상기 전단농화유체(20)를 구성할 액상 분산매를 혼합한 용액에 무기입자를 투입하여 교반함으로써 상기 함침물을 준비하는 제 3 단계;를 더 포함하는,
차음용 흡음 복합재의 제조방법.
삭제
청구항 11에 있어서,
상기 제 4 단계는,
상기 다공성 모재(10)의 외부표면에 상기 전단농화유체(20)에 용해되지 않는 물질을 코팅하여 보호막을 구성하거나, 상기 다공성 모재(10)를 감싸는 포장재를 씌우는 과정을 포함하는,
차음용 흡음 복합재의 제조방법.