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신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2018(32)-제4장 생활안전을 위한 소재기술-친환경 건축자재 기술(1)-윤삼훈/박상훈/김지현(LG하우시스) - 스마트시티 핵심, 친환경 건축자재 관건
  • 기사등록 2021-01-22 14:57:41
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재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

스마트시티 핵심, 친환경 건축자재 관건


■ 기술의 정의 및 분류


사람과 환경에 무해한 제품에 대한 사회적 요구가 지속해서 증가함에 따라 친환경 소재를 사용한 제품과 에너지 절약 제품에 대한 요구가 증대되고 있다. 또한, 이러한 사회적 흐름에 따라 각종 환경규제 역시 확대 및 강화되고 있다. 기업에서는 인체와 자연에 건강한 친환경 제품과 소재를 공급하고, 에너지 효율을 극대화하는 시스템과 솔루션을 제공하는 것을 중요한 목표로 인식하는 추세이다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 친환경 건축 자재 기술의 개발과 구현이 가속화되고 있다. 친환경 건축 자재 기술은 친환경 소재를 기반으로 건강하고 쾌적한 생활공간을 구현하는 기술인 친환경 소재 활용 기술과 고효율 제품 및 경량화 소재를 통해 에너지를 저감하는 에너지 세이빙 기술 및 화재로부터 피해를 방지하고 열 손실을 줄이는 고단열 화재 안정성 구현 기술로 구분할 수 있다.


1) 친환경 소재 활용 기술


친환경 건축자재는 환경 및 인체 오염 저감, 자원 절약, 에너지 절약, 쾌적한 환경이라는 4가지 조건에 대하여 전반적으로 고려하여 평가하며, 제품 제조 단계, 제품 시공 및 사용 단계, 제품 폐기 단계까지, 제품 수명 전 과정에서 환경 오염물질, 인체 유해 물질, 온실가스 발생 등 환경부하가 최소화된 제품이다.


우리나라의 친환경 건축자재 인증제도는 다음의 <표 3-4-2-2>에서 보는 것과 같이 친환경상품진흥원의 환경 마크와 한국 공기청정협회의 HB 마크, 산업자원부 기술표준원의 KS마크가 대표적이다. 환경마크는 품질 및 환경시험을 시험 항목으로 하고 있으며, HB와 KS 마크는 휘발성 유기화합물과 폼알데하이드(formaldehyde)의 방출량을 검사 항목으로 선정하고 있다. 검사항목의 특성상 친환경 건축자재의 인증제도에서는 오염물질 저 방출 자재에 대한 측면이 상대적으로 크게 부각되고 있다.


위의 인증제도에서는 폼알데하이드 방출량 0.3mg/L 이하인 최우수 등급(SE0) 제품, 중금속(납, 카드뮴, 수은, 6+크롬) 방출량 합계 1,000ppm 이하 제품 등의 기준을 제시하고 있다. 그러나 단순히 오염물질 저 방출 기준만으로 친환경 건축자재라고 부르기에는 친환경에 대한 개념이 너무 협소하다. 그리고 제품의 제조부터 폐기까지 모든 과정에 대한 제대로 된 평가로도 볼 수 없기 때문에 에너지 절약과 환경부하 등 다른 친환경적인 측면까지 친환경 건축자재의 성능을 평가하는 척도로 포함해야 할 것이다. 예를 들면, 나무 등의 바이오 베이스의 함량을 높여서 BP Label(바이오인증, 바이오 함량 25% 이상)을 받는 제품이 있다.


2) 에너지 절약 창호 기술


정부의 에너지 절약 정책과 맞물려 건축물에 사용하는 창호에서 열 손실을 억제하는 기술의 중요성이 점점 부각되고 있다. 주택의 열 손실을 살펴보면 총량의 30~35%가 창호에서 발생하며 벽, 천장, 바닥 등 다른 부분과 비교하여 월등히 크다. 그래서 창의 80%를 차지하는 유리의 단열, 차폐, 채광 성능이 무엇보다 중요하고 유리 성능의 향상은 에너지 절약과 직결된다.


유리창을 사이에 두고 양쪽의 온도가 다를 때, 유리창을 통과한 열류량을 열관류율 혹은 열 통과율이라고 하는데, 열관류율 값이 낮을수록 유리를 통한 에너지 손실이 낮으며 단열이 잘된다는 의미이다. 한편 유리창을 통해 실내로 유입되는 태양에너지의 비율을 태양열 취득률이라고 하는데 수치가 낮을수록 열 차단율이 높다는 의미이며, 특히 여름철에 외부 열기의 실내 유입을 차단함으로써 쾌적한 실내 환경이 유지되며 냉방비를 절감할 수 있다. 건축물에는 단판 유리(유리 1장)가 아닌 복층 유리(유리 2장)를 사용하며, 유리에 얇은 코팅층을 추가하여 열복사 및 열전도를 차단(열선 반사 증가 및 열선 방사 감소)하는 기술이 있다.


3) 고단열 화재 안정성 구현 기술


건물의 지붕, 벽체, 바닥에서는 에너지 손실이 발생하는데 열저항이 높은 단열재를 사용하여 사용 면적 손실과 열 손실을 최소화할 수 있다. 건축물 에너지 설계 기준이 강화됨에 따라 주택 및 상업용 건물에 사용되는 단열재에서 낮은 열관류율을 요구하며, 성능이 낮은 단열재는 열관류율을 충족하기 위하여 시공 두께가 두꺼워져 건축물 사용공간이 줄어드는 이슈가 발생하게 되었다.


또한, 유기 단열재 건물의 빈번한 화재 사고로 인해 건축물의 내화규제가 강화되어 준불연재 이상의 기준을 충족하여야 외단열재로 안전하게 채택될 수 있다.


저가의 건축용 단열재로 흔히 사용되고 있는 비드법 단열재(EPS), 압출법 단열재(XPS), 폴리우레탄(PU)은 열에 쉽게 분해되는 지방족 탄화수소 화합물의 구조를 다량 함유하고 있다. 이는 화재 발생 시 단시간 내에 빠르게 연소하며 유독 가스 발생량이 많아 준불연재 성능을 만족시키지 못하고 있어 화재에 취약하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 열에 강한 유기화학 물질인 페놀계 방향족 레진을 단열재 용도로 개질하여 발포 성형시켜 만든 고성능 내화 단열재인 페놀 폼이 있다. 페놀 폼은 현재 가장 경쟁력 있는 제품으로 주목받고 있으며 향후 다음의 <표 3-4-2-3>과 같이 정부 법규 영향을 받아 시장이 급격히 성장할 것으로 예상된다.


■ 기술의 원리


1) PLA(Poly Lactic Acid) 제품 활용 기술


‘20세기 기적의 소재’로 주목받은 합성수지가 최종 처리에 있어 인류 최고의 숙제가 됐다. 매립 시 거의 분해되지 않으며 소각 시에 중금속이나 다이옥신과 같은 환경오염물질을 배출하기 때문이다. 전 세계가 폐합성수지로 인한 환경오염 문제를 해결하기 위해 난분해성 플라스틱 및 비닐 사용에 대한 규제를 점차 강화하고 있다. 그 대안으로 언급되는 것이 바로 생분해성 플라스틱(PLA)이다.

그 중 옥수수 유래 성분을 활용하여 제조한 PLA는 생분해 성능 및 성형성이 우수하며 1년 내 재생이 가능해 석유 고갈에 대한 근심을 해결할 수 있는 차세대용 소재로 기대를 받고 있다. PLA는 1932년 월리스 캐러더스(Wallace Carothers)가 진공 하에 유산(lactic acid)을 가열하여 저분자의 유지를 제조한 것이 시초이며, 이것을 듀폰(DuPont) 사에서 연구를 계속하여 자연적으로 분해되는 의료용 봉합사 및 이식부품 등의 용도로 개발하였지만, 값이 너무 비싼 단점이 있었다. 비싼 제조원가를 줄이려는 노력에 힘입어 옥수수를 발효하여 유산을 제조하는 방법이 개발됨으로써 다시 주목을 받기 시작하였다.



에너지 관리·제로 에너지, 고단열 건축 자재 필수

미세먼지·TVOCs 등 공기질 확보, 환경부담 최소화



2) 친환경 가소제 개발 기술


1990년대 말부터 환경호르몬에 대한 관심이 대두되기 시작한 이후 디에틸헥실프탈레이트(di-EthylHexyl Phthalate, DEHP)를 프탈산부틸벤질(butyl benzyl phthalate, BBP), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate, DBP) 등 프탈레이트계 가소제가 환경호르몬 물질로 의심받기 시작하였고, 이후에 유전·생식 독성에 관한 각종 연구 결과들로 인하여 그린피스(Greenpeace)를 비롯한 각종 환경단체에서 프탈레이트계 가소제에 대한 사용규제를 지속해서 제기하여 왔다.


또한, 프탈레이트에 대한 지속적인 노출은 신장 질환 및 정신 질환에도 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.


3) 로이(Low-E) 유리 제조 기술


유리 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅한 것으로 열의 이동을 최소화해주는 에너지 절약형 유리로 로이 유리가 있는데 여기서 로이(Low-E, low-emissivity)는 낮은 방사율을 뜻한다. 로이 유리의 경우 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있다. 그에 비해 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단한다. 따라서 겨울에는 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름에는 바깥의 열기를 차단하는 역할을 하므로 냉·난방비를 줄일 수 있는 것이 장점이다. 사용조건에 따라 다소 차이가 있으나 단판 유리와 비교해 약 50%, 일반 복층유리보다는 약 25%의 에너지 절감효과가 있는 것으로 알려져 있다.


4) PF(Phenolic Foam) 단열재


현재 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 내화성 단열재인 유리솜(glass wool)은 열에 강하고 비교적 가격이 저렴하다는 이점이 있으나, 수분에 취약하여 시간이 지날수록 습기에 의하여 단열성능이 급격히 저하되는 이슈가 있다. 또한, 시공 과정에서 발행되는 미세 분진은 작업자에게 아주 큰 위해 요소로 잠재적인 인체 유해성이 있는 것으로 알려져 있다. 그에 비해 페놀 폼(phenolic foam)은 열에 강한 유기화학 물질인 페놀계 방향족 레진을 단열재 용도로 개질하여 90% 이상 독립 기포 발포 성형시켜 만든 고성능 내화 단열재로 현재 건축용 단열재 중에서 가장 높은 단열성능을 가지고 있다.


페놀 폼 보드는 다른 유기 단열재와 달리 내화 특성이 매우 우수하여 화염이 전파되지 않으며 연소에 의한 유독가스의 발생이 거의 없는 특징을 가지며 난연 소재의 특성이라 할 수 있는 자기 소화 온도가 480도로 현존하는 유기 발포 소재 중 가장 높은 특징을 갖고 있다.


■ 4차 산업혁명과 삶의 질 개선 관점에서 기술의 중요성


4차 산업혁명은 인공지능, 사물 인터넷 빅데이터 등 첨단 정보통신 기술이 경제, 사회적 전반에 융합되어 혁신적인 변화가 나타나는 차세대 산업혁명으로 정의되며, 산업계 전반적으로 막대한 영향을 주고 있다. 이러한 흐름은 친환경적인 제품 개발에서도 예외가 아니다. 건축 분야에서 4차 산업혁명은 3D 프린터를 이용한 제품 제조 기술과 같은 세부적인 사안부터, 크게는 스마트시티를 위한 플랫폼 기술 개발까지 전 세계적으로 필요성이 인식되고 있으며, 글로벌 기업의 기술을 적극적으로 활용하기 위한 노력이 각 국가 또는 지자체의 정책과 함께 지속해서 추진되고 있다.


이미 해외 주요국은 시장 선점을 위해 국가 차원의 건축 및 도시 기술, 더 나아가 스마트시티 플랫폼 관점에서 연관 기술 개발을 경쟁적으로 추진하고 있다. 특히, 건축물 또는 건축 자재의 경우에는 기존의 건축물이 가지는 안식처, 피난처(shelter)의 공간 제공이라는 전통적인 개념, 기능을 넘어 4차 산업혁명의 ICT(정보통신기술) 발전을 통해 새로운 기능들이 요구되고 있다. 이는 기존 건물의 성능 향상에 그치지 않고, 사용자 요구를 충족시킬 수 있는 서비스를 제공하는 방식으로 확대되고 있다. 한국 정부에서는 4차 산업혁명 기술이 인간의 삶을 근본적으로 변화시킬 수 있는 주요 사업영역으로 자율주행차, 드론, 스마트시티를 선정하고 ‘국가 핵심 선도 사업’으로 정하였다. 이 중 스마트시티의 성공을 위해서는 친환경 건축 자재의 역할이 대단히 중요할 것으로 예상된다.


먼저, 건물 에너지 관리 또는 제로 에너지 건축물을 달성하기 위하여 외부 환경으로부터 건물 내 환경을 안정적이고 쾌적하게 유지하기 위한 필수 요소로서 고단열 건축 자재의 적용은 날로 퍼지고 있다. 또한, 건축물이 소비 주체에서 생산 주체로 영역이 퍼짐에 따라 냉난방 에너지 사용을 저감하기 위해 로이 유리 적용 창호 및 고성능 단열재는 필수 자재로서 자리매김하고 있다.


건물 에너지 분야뿐만 아니라 최근 발생하는 미세먼지(초미세먼지), TVOCs(휘발성 무기화합물) 등으로 공기질을 예측하고 인체에 무해한 실내 공기질을 확보하는 것이 절실히 요구되고 있다. 친환경 소재를 적용한 건축 자재는 건물 내에서 발생하는 공기 오염물질을 근본적으로 차단할 수 있어 핵심적으로 요구되고 있고, 대기 오염물질을 제거할 수 있는 기능성 자재 역시 시장에 등장하고 있다.


마지막으로, 국민의 안전 확보·유지·강화를 위한 정부 정책이 대두됨에 따라 긴급 구난 및 시설물 관리 측면에서 생각할 경우 화재에 대한 안정성 확보가 주요 과제 중 하나라 할 수 있다. 실제 화재 사건에서 단열재로 인한 화재확산이 심각한 문제로 대두됨에 따라, 건물에 사용되는 자재에 대한 불연 및 난연 요구 성능이 국가 차원에서 점차 강화되고 있다. 이를 스마트시티 개념으로 확장하면 건물 안전 관리 사고 사례를 기반으로 취약시설을 설정하여 시뮬레이션으로 구현하거나, 시설물 정보에 반영하여 제시하는 것이 가능하다. 또한, 건물 및 시설 노후 정도에 따라 색상을 다르게 표현하는 시뮬레이션을 개발하여, 시설물 내구연한 파악 및 관리 체계 구축에 활용할 수 있을 것이다. 이처럼 4차 산업혁명에서 건축물 또는 도시에서 ICT 기술을 적절히 활용하고 효율적인 모니터링 및 제어 안정성을 확보하기 위해서는 친환경적인 건축자재의 활용이 더욱 권장될 것이다. 그 밖에 다양한 환경 센싱 기술 및 가시화 시스템 등의 등장으로 사용자의 정보 획득은 더욱 용이해질 것으로 보이고 이는 소비자 요구의 확대로 귀결될 것으로 예상된다.


건축자재에서도 상당한 변화가 예상된다. 지금까지 건축자재로 인지하고 있었던 제품들이 자동차에 적합한 형태로 업그레이드되어야 한다. 자동차가 움직이는데 필요한 에너지 사용을 최소화하기 위해 소재를 경량화 하는 것처럼 건축 자재도 경량화를 이뤄야 하며, 쾌적한 공간을 위한 제품의 고단열 성능, 사람들이 많은 시간을 사용하는 공간인 만큼 인체 유해성 제로 물질 소재 채택, 그리고 환경 부담 최소화를 위한 재활용 가능한 제품 디자인 및 자재 적용과 폐기 시 생분해 가능 자재 활용 기술 등이 핵심기술로 자리매김할 것으로 예측된다.


▲ <표 3-4-2-1>친환경 건축 자재 기술 연구 분야


▲ <표 3-4-2-2>국내 친환경 제품 인증 마크


▲ <그림 3-4-2-1>주택에서 발생하는 열손실


▲ <그림 3-4-2-2>내단열 공법과 외단열 공법의 비교


▲ <표 3-4-2-3>건축물의 피난/방화구조 등의 기준에 관한 규칙


▲ <그림 3-4-2-3>열관류율 0.21W/㎡K를 만족하는 단열재별 최소 두께


▲ <표 3-4-2-4>생분해성 고분자의 종류 및 특징


▲ <그림 3-4-2-4>로이 유리의 적외선 차단과 가시광선 투과 특징


▲ <그림 3-4-2-5>독립기포(closed cell) 발포구조(좌)와 개방기포(open cell) 발포구조(우) 비교


▲ <그림 3-4-2-6>스마트시티(smart city) 개념도


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