알루미늄 스퍼터링 직물의 열적 특성

Abstract

알루미늄은 높은 열전도도, 저비중 등으로 직물에의 적용이 가능하다. 본 연구에서는 알루미늄 스퍼터링 처리된 직물을 대상으로 열적 특성을 파악하고 이론적으로 해석해 보았다. 이를 위해 base 직물 종류(나일론, 면/폴리에스터, 형상기억 폴리우레탄 나노웹, 폴리에스터), 스퍼터링 처리 시간 등을 달리하여 알루미늄 스퍼터링 직물을 제작하였다. 그 후 열원과 시료 사이 거리, 방향을 달리하여 열전달 특성을 실험을 통해 고찰하였다. 그리고 열전달 이론에 입각하여 열전달량을 계산하고 실험값과 비교하여 직물의 열적 특성을 분석해 보았다. 나일론 직물을 base fabric으로 하여 알루미늄 스퍼터링 처리 시간을 변화시키며 다층형 직물을 제작한 후, 이 스퍼터링된 시료를 hot plate 위에서 밀착시킨 후 열화상 이미지를 촬영하여 표면온도를 확인하였다. 그 결과 스퍼터링 처리 면이 외기를 향할 때, 스퍼터링 시간이 0분에서 25분으로 증가할수록 표면온도가 13℃ 정도 감소하였다. 나일론, 면/폴리에스터, 형상기억 폴리우레탄 나노웹, 폴리에스터 직물에 1000W, 10분 알루미늄 스퍼터링 처리를 실시한 후 FE-SEM, EDX, Add-on 측정 결과 네 시료 모두 알루미늄 스퍼터링 처리 후 알루미늄 grain이 섬유 표면에 형성되었음을 확인할 수 있었고, 뒷면에서는 알루미늄이 전혀 검출되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 적외선 열화상 카메라를 이용하여 base fabric 종류에 따른 알루미늄 스퍼터링 처리 직물 표면온도 측정 결과, 열원과 직물이 밀착하고 알루미늄 층이 외기를 향할 때 표면온도는 나일론 직물과 폴리에스터 직물은 21℃, 형상기억 폴리우레탄 나노웹은 26℃, 면/폴리에스터 직물은 31℃로 나타났다. 그리고 알루미늄 스퍼터링된 시료 모두 hot plate-fabric 사이 거리가 0mm에서 10mm로 증가할 수록 직물 표면 온도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 단면만 알루미늄 스퍼터링한 시료의 경우 알루미늄 층의 방향에 따라 표면 온도가 최대 11℃ 이상 차이가 났다. 또한 단면 스퍼터링 시료가 시료의 방향에 따라 표면 온도가 차이 나는 현상은 hot plate와 직물 사이 거리가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 반면 이면 온도의 경우, base fabric을 나일론 직물로 하고, 직물과 열원 사이 거리를 10mm로 하였을 때에는 알루미늄 스퍼터링 처리 시간과 직물 방향에 따른 차이가 매우 작았다. 또한 시간 경과에 따른 스퍼터링 직물의 표면온도를 관찰하여 본 결과 네 종류의 직물 모두 1분 이내에 빠르게 정상상태에 도달하였고, 60분 후에도 1분 경과 후와 유사한 표면온도를 보였다. 알루미늄 스퍼터링된 나일론 직물의 스퍼터링 효과를 시료 방향, 열원과 직물 사이 거리, 스퍼터링 시간을 고려하여 열전달 이론으로 해석하였다. 계산을 통하여 표면 온도 변화를 설명할 수 있었으며, 이론에 의한 계산값이 실험값과 부합함을 확인하였다. 알루미늄이 외기 쪽에 스퍼터링된 나일론 직물의 경우, 알루미늄의 높은 열전도율로 인하여 직물 표면 온도의 저하를 초래하였다. 반면 알루미늄 층이 열원을 향할 경우 직물 표면 온도가 열원에 가까운 경향을 나타내는 것으로 확인되었다.