‘음 환경’ 소재 수요 폭발, 개발 활발

■ 바닥충격음 저감 소재 기술

1) 국내 동향

바닥충격음은 공동주택에서 발생하는 문제이며, 우리나라는 주로 바닥 난방을 하기 때문에 대부분의 바닥은 완충재로 상부층을 절연시킨 뜬바닥 구조이다. 일반적으로 상부층은 습식 공법으로 단열 및 수평화 목적인 기포콘크리트 층과 온수파이프라 매설되는 모르타르 층으로 구성되어 있다. 바닥충격음 저감을 위해 사용되는 완충재는 국토부 고시에 따른 “바닥충격음 저감성능 인정”을 받을 필요가 있으며, 이때 바닥 완충재의 주요 물성은 동탄성계수가 40MN/㎥ 이하, 손실계수 0.1~0.3 이내 분포, 잔류변형 3㎜ 이내 (두께 30㎜ 이상인 시험체 기준), 흡수량 4%v/v 이하, 가열 후 동탄성계수는 가열전보다 20%를 초과하지 않을 것이 요구되고 있다. 이에 따라 주로 EPS 소재가 성능 및 경제성 측면에서 가장 유리하여 널리 사용되고 있으며, 일부 EVA 등의 소재와 복합층을 구성하여 성능기준을 확보하려고 노력하고 있다.

한편, 법에서 요구되는 물성기준을 만족하더라도 최종 인정등급을 받기 위해서는 실증 시험을 통해 KS F 2810-1,2에서 규정하는 표준충격원을 이용하여 측정했을 때 바닥충격음 저감량이 <표 3-4-1-1>의 기준 이상으로 확보되어야 한다. 이와 같이, 물성기준의 만족과 이후 실제 주택에서 실증시험 후 기존 만족이 모두 필요하고 법적 기준값의 허용 범위가 매우 작기 때문에, 바닥충격음 저감소재의 개발은 시간이 오래 걸리고 새로운 소재를 쉽게 사용하지 못하는 한계가 있다. 이에 따라, 일부 건설사 및 연구기관에서는 예측기술에 집중하여 최적화된 물성구조를 찾는 연구를 수행하거나, 일부에서는 바닥구조 이외의 마감재 또는 천장구조를 개선하여 바닥충격음 저감량을 극대화하는 방안을 연구하고 있다. 또한, 습식 공법은 공사기간이 길고 품질관리가 어려운 단점이 있기 때문에, 주로 사무실 공간에서 사용되는 건식 구조를 변형하여 주거공간에 적용하려는 시도가 중소 기업체 위주로 진행되고 있다.

2) 해외 동향

가. 일본

바닥충격음 중 어린이들이 뛰어 다니는 소음을 모사하는 중량충격음 분야는 일본에서 관련 평가방법 및 기준이 개발되었다. 다만, 일본의 주거형태는 대부분 목구조로서 콘크리트 벽식 구조가 대부분인 우리나라와 바닥충격음 전파 특성이 다른 특징을 보인다. 과거에 개발되어 우리나라 KS F 2810-2에도 표준충격원으로 규정되어 있는 뱅머신은 충격력이 과도한 문제가 있는데, 일본의 경우 목조 주택에서 과도한 충격력의 충격원을 사용할 때 피해가 발생할 수 있어 실제 소음과 유사한 고무공 충격원을 개발하여 사용하고 있다. 또한, 일본건축학회를 통한 민간기준으로 고무공 충격원을 이용한 평가등급을 <표 3-4-1-2>와 같이 제안하여 관련 소재 개발에 활용하고 있는 상황이다.

나. 유럽

유럽은 주거공간 내에서 신발을 신고 다니는 입식 생활을 하고, 바닥 난방이 아닌 팬코일 유닛(fan coul unit)을 이용하기 때문에, 콘크리트 슬라브 위 카펫 또는 타일 등으로 바닥이 마감되어 있다. 이에 따라 구두와 같은 신발에서 딱딱한 면을 다닐 때 고주파수 대역의 소음이 발생하며, 이를 평가하기 위해 태핑 머신이라는 경량충격원을 개발하였고, 우리나라 KS F 2810-1에서도 이를 도입하여 표준충격원으로 이용하고 있다. 유럽의 경우 우리나라에서 주된 문제가 되는 중량충격음으로 인한 분쟁은 거의 없기 때문에, 대부분의 유럽 국가에서 경량충격음만 평가하고 있다. 따라서 콘크리트 슬라브 위 설치하는 카펫 등의 표면 마감재의 소음 저감 성능을 높이기 위한 연구 기술개발을 주로 수행하고 있다. 하지만, 최근 이탈리아와 독일 등에서 집합주택 건설이 늘어나면서 경량충격음과 더불어 중량충격음도 효과적으로 저감시킬 수 있는 소재에 대한 수요가 증가하고 있다.

다. 미주 및 오세아니아

유럽과 주거 상황이 유사한 면이 있으나, 겨울철 영하로 기온이 떨어지는 지역을 중심으로 바닥 난방 구조를 도입하는 주택이 늘어나고 있다. 이에 따라 국내 일부 기업들은 건식 온수난방 바닥구조를 개발하여 소규모 단위로 수출하고 있으며, 브라질 및 아르헨티나와 같은 인구가 많고 밀집주택이 많은 국가들을 중심으로 바닥충격음 저감을 위한 법제도 구축을 추진하고 있는 상황이다.

■ 공기전달음 차단 소재 기술(차음재)

1) 국내 동향

건축물에서 세대 간 경계벽 및 칸막이벽은 국토부 고시에 따라 다음 <표 3-4-1-3>의 기준을 충족시켜야 한다. 콘크리트로 구성된 내력벽의 경우, 두께 기준에 따라 차음성능 충족여부를 갈음할 수 있으며, 건식벽체의 경우 KS F ISO 10140-2에 따라 실험실 시험을 진행하여 성능을 평가하고 있다. 건식벽체는 주로 중앙에 유리섬유 등의 흡음 충진재와 함께 금속 스터드로 구조를 만들고, 표면에 석고보드를 여러 겹 마감하여 시공한다. 차음성능 향상을 위해 석고보드를 더 많이 붙이거나, 3중 패널 이상으로 구성하는 경우도 있다. 차음성능 인정획득은 대기업 규모인 소수의 석고보드 제조사에서 진행하지만, 주된 기술개발은 중소 규모의 스터드 제조사를 중심으로 다양한 완충구조 및 형상 설계를 통해 고차음 구조를 연구하고 있다.

벽체 이외에도 시스템 창호와 차음문의 차음성능이 매우 중요하다. 시스템 창호의 경우 국내 대기업 위주로 프레임 부분의 누음을 억제하는 방향으로 기술개발이 진행되고 있다. 주로 복층으로 구성하는 유리도 유리 자체의 두께, 내부 필름 배치와 충진 가스 종류에 따라 차음성능이 다양하다. 차음문의 경우 호텔 등의 고차음이 요구되는 공간에서 많은 수요가 있으나, 외산 제품이 주로 사용되고 있다. 국내 제조사의 경우, 방화 관련 규정이 강하기 때문에, 차음보다는 보다 높은 내화성능을 확보하는 방향으로 기술개발이 이뤄지고 있다.

2) 해외 동향

가. 유럽

유럽 국가들은 음향 분야의 선진국으로서 정온한 주거공간을 만들기 위해 오랫동안 노력해 왔으며, 이에 대응할 수 있는 다양한 소재를 이용한 고차음 구조들이 개발되어 있다. 유럽 국가들은 ISO TC43/SC2/WG18 및 WG29를 통해 차음 분야에 대한 표준화 연구를 수행하고 있으며, 최근에는 건축물 내에서 공기전달음의 차단성능을 현장에서 측정하여 등급화한 ISO/TS 19488의 제정과 차음성능 측정시 적용하는 불확도 추정방법 표준화를 통해 측정오차를 줄이고 신뢰성을 향상시키는 연구를 수행하고 있다. 또한, 주거공간 이외에 병원 등의 공간에서도 정온한 음환경을 구현하기 위한 최소 기준에 대한 연구도 후속으로 진행하고 있다.

나. 일본

일본은 주거용 건축의 대다수가 목구조이기 때문에, 차음 소재도 목구조 건물에 최적화된 재료와 설계방법에 대해 지속적인 연구를 수행하고 있다. 목구조이기 때문에 습식 공법보다는 다음의 그림과 같은 건식공법을 개발하고 있으며, 석고보드를 이용한 이중 벽체 구조로 보강하여 내부에 흡음재를 충전하고 스터드 배치를 통해 차음성능을 30 dB 수준에서 40 dB 수준을 확보 할 수 있다.

■ 실내 반사음 제어 소재 기술(흡음재, 음향확산재)

1) 국내 동향

실내는 둘러싸인 반사면으로 인해 다음의 그림과 같이 울림이 발생하며, 울림을 효과적으로 제어하기 위해 흡음재나 음향 확산재를 사용한다. 벽체에 내장되는 흡음재는 유리섬유나 폴리에스터섬유와 같이 다공질형(porous) 소재가 많이 사용된다. 일반적으로 다공질형 흡음재는 높은 단열성능을 보유하고 있으며, 두께가 두꺼워질수록 및 밀도가 높아질수록 흡음성능도 높아지는 경향을 보인다.

저주파수 대역의 흡음을 위해서 베이스 트랩(bass trap)으로도 불리는 판진동형 소재를 사용하기도 한다. 판 내부의 공기층 깊이, 판의 소재 및 두께 등에 따라 대응하는 주파수 대역을 변화시켜 설계할 수 있다. 헬름홀츠 공명기의 원리를 이용하여 특정 주파수 대역에서만 흡음이 되도록 설계할 수도 있으며, 판진동형과 조합하여 다중타공형 보드 형식으로도 사용할 수 있다. 일반적으로 흡음재는 표면의 흡음구조로 인해 내화성능이 부족한 경우가 많다. 이에 따라 목모보드와 같이 나무줄기를 시멘트 반죽으로 혼합한 뒤 판으로 성형하여 내화성능을 향상시키는 사례도 있다.

한편, 클래식 공연장 및 스튜디오 녹음실과 같이 반사음을 고르게 분산시키는 공간에서는 특수형태의 음향확산재를 사용하기도 한다. 다음의 그림과 같이 울퉁불퉁한 표면구조에 의해 입사되는 소리를 난반사시키는 원리이며, 고부가가치 소재기술로 건축음향 분야에서 주목받고 있다. 음향확산재의 확산성능은 잔향실과 무향실에서 각각 ISO 17497-1,2에 따라 실험실 조건으로 측정할 수 있으며, 실내 공간의 음향설계시 측정한 확산계수를 이용하여 소리의 분포를 예측할 수 있다.

2) 해외 동향

가. 미국 및 일본

미국은 자국 표준인 ASTM C423에 따라 실험실 흡음성능을 평가하며, 흡음재 관련 산업계가 상당히 오랜 기간 구축되어 사무공간 등의 대형공간에 널리 사용되고 있다. 우리나라 흡음재 산업계는 미국 및 일본의 영향을 받아, ASTM에 따른 흡음계수 단일수치 평가방법 관련 기준(NRC)과 흡음재료에 대한 고유표준(JIS A 6301 및 KS F 3503)이 조달청 평가방법으로 널리 사용되고 있다. 한편, 음향확산재 원리는 독일에서 연구되었지만, 최초로 수열을 이용한 QRD라는 음향확산재를 상업화한 RPG Inc. USA의 영향으로 미국이 관련 시장을 선도하고 있다.

나. 유럽

유럽은 흡음 마감재를 제조하는 대형 소재업체가 많이 있고, 관련 표준화에도 산업계에서 적극적으로 참여하고 있다. 흡음등급에 대한 표준(ISO 11654)에 따라 A~E등급으로 구분하고 있으며, 단일수치 평가방법으로 가중흡음계수를 대푯값으로 사용하고 있다. 흡음관련 우리나라 표준체계는 유럽 주도의 ISO를 기반으로 부합화를 진행하고 있다. 음향확산재는 스웨덴, 덴마크 및 노르웨이 등의 북유럽 국가를 중심으로 인테리어 디자인 측면에서 새로운 소재 및 형상을 개발하여 고부가가치 제품을 제조하고 있다.

▲ <표 3-4-1-1>국토교통부 고시에 따른 바닥충격음 평가 등급

▲ <그림 3-4-1-8>기존주택 리모델링시 건식바닥구조를 시공하는 모습

▲ <그림 3-4-1-9>뱅머신과 고무공충격원의 충격력 비교 (일본건축학회)

▲ <표 3-4-1-2>일본의 고무공충격원을 이용한 중량충격음 권장 기준(일본건축학회)

▲ <표 3-4-1-3>국토교통부 고시에 따른 차음구조 성능 기준

▲ <그림 3-4-1-10>유럽 국가별 차음성능 최소기준 현황(B. Rasmussen)

▲ <그림 3-4-1-11>일본의 목구조 경계벽 차음성능 향상기술 사례(A. Hiramitsu)

▲ <그림 3-4-1-12>실내 공간에 의해 반사음이 전달되는 경로(L. Beranek)

▲ <그림 3-4-1-13>표면의 흡음 및 확산 형상에 따른 반사음의 시간적 및 공간적 양상(T. Cox)

▲ <그림 3-4-1-14>수열을 이용한 음향확산재 제품(RPG Inc. USA)

▲ <그림 3-4-1-15>인테리어 디자인이 강조된 음향확산패널 사례(OFFECCT, 스웨덴)

▲ <표 3-4-1-4>주택용 소음 흡수 차폐 소재기술-국내 선도연구기관

▲ <표 3-4-1-5>주택용 소음 흡수 차폐 소재기술-해외 선도연구기관