신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2018(33)-제4장 생활안전을 위한 소재기술-친환경 건축자재 기술(2)-윤삼훈/박상훈/김지현(LG하우시스)

신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2018(33)-제4장 생활안전을 위한 소재기술-친환경 건축자재 기술(2)-윤삼훈/박상훈/김지현(LG하우시스) - 건축자재 능동적 기능 시대 도래

기사등록 2021-01-22 15:12:40
수정 2021-01-25 09:37:47

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.

건축자재 능동적 기능 시대 도래

■ PLA 제품 활용 기술

PLA 대량 생산 방안 개발과 함께 차세대 소재로서 세계적인 관심 증가에 따라 최근 25년간 PLA에 대한 연구는 지속해서 증가하고 있다. 초기 고가 PLA는 의료 분야에서 제한적으로 사용되었으나 대량 생산으로 인한 가격 경쟁력을 가짐에 따라 분자량이 높은 PLA를 통해 사출, 압출, 블로우 몰딩, 포밍, 방사 등 다양한 범용 공정으로 제조가 가능해졌으며, 범용적인 고분자인 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리스티렌(polystyrene, PS) 등과 유사한 광학적, 기계적, 열적 그리고 기체차단(barrier) 특성을 갖춰 활용 폭이 점차 증대되고 있다.

PLA를 활용한 인테리어 제품 개발이 아직 초기 단계이며 시장 규모는 작지만, 온실가스 이슈 등 지속적인 환경오염 문제가 대두됨에 따라 향후에는 관련 시장 규모가 점차 성장할 것으로 예측된다.

■ 친환경 가소재 개발 기술

프탈레이트 가소제는 내분비계의 정상적인 기능을 방해하는 등 유해성에 대한 논란이 지속하고 있다. 유럽이나 미국 등 선진국에서는 프탈레이트 가소제가 간이나 신장에 암을 유발하고 다른 장기에도 유해한 영향을 미칠 수 있다고 하여 가소제가 포함된 PVC(polyvinyl chloride) 재질의 유아용 완구에 대한 판매금지 조치를 취하였다.

그리고 국내에서는 유아용 완구에 이어 인테리어 자재 역시 프탈레이트 계열 가소제 사용을 제한하고 있다. 2012년부터 지식경제부 기술표준원은 비닐장판을 ‘품질경영 및 공산품 안전관리법’에 의한 관리품목으로 지정하고 공산품 안전표시 고시를 개정하였다. 프탈레이트계 가소제 함량을 제안하는 기준 규격을 확정하고 1년 3개월의 유예기간을 거쳐 2013년 7월부터 규제안을 실행하고 있으며, 이에 따라 PVC 바닥재의 프탈레이트 가소제 함유량은 온돌용의 경우 상부층 1.5%, 하부층 5.0%, 비온돌용의 경우 상부층 3.0%, 하부층 10.0% 이하 사용을 준수하여야 한다.

프탈레이트의 지속적인 유해성 이슈 해소를 위하여 몇몇 기업에서는 규제에 선제적으로 대응하여 프탈레이트 프리 친환경 바닥재, 벽지 등 인테리어 제품을 개발 및 출시하고 있다. 프탈레이트계 대체품으로써 비-프탈레이트계 가소제인 DOTP(di-ethylhexyl terephthalate), 시클로 헥센 에스테르(cyclohexene ester) 화합물 등이 사용되고 있으며, 프탈레이트를 대체할 친환경 가소제 기술에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 이 밖에도 아크릴계 화합물, 식물성 유지, 에스테르계 화합물 등을 활용한 기술 등이 있다.

■ 로이(Low-E) 유리 제조 기술

로이 유리는 제조 방법에 따라 파이롤리틱 공법(pyrolytic process)에 의한 하드 로이와 스퍼터링 공법(sputtering process)에 의한 소프트 로이로 구분한다.

먼저 하드 로이 코팅의 제조 방법은 판유리 제조 공정 시 금속용액 또는 분말을 판유리 표면 위에 분사하고 열적 코팅을 시켜 생산한다. 코팅 물질은 금속산화물(SnO2) 단일물질이다. 장점은 열적 코팅으로 코팅 경도 및 내구성이 강하여 강화 가공 등의 열처리가 가능하다. 그러나 다양한 금속 사용이 제한되어 색상이 단순하고 코팅막이 탁하다는 단점을 가지고 있다.

이에 비해 소프트 로이 코팅의 제조 방법은 이미 생산된 판유리를 별도의 진공 챔버에 넣고 은(Ag), 티타늄(Ti), 스테인리스강(Stainless Steel) 등의 금속을 다층 박막 코팅시켜 생산한다. 장점은 투명도가 높고 여러 가지 금속 사용으로 다양한 색상 구현이 가능하며, 광학 성능 및 열적 성능이 우수하다는 점이다. 그러나 하드코팅 대비 코팅 경도 및 내구성이 약하고, 복층유리 제작 시 에지 스트리핑(edge stripping) 처리 설비가 필요한 단점이 있다.

국내에서는 단열성능 및 방사율이 우수한 소프트 로이 제품이 주로 적용되고 있다. 하지만 약한 내구성으로 인하여 에지를 제거해야 하고 코팅 면을 다루는 데 있어 세심한 주의가 필요하며 보관 기간이 짧아 가공에서 불량률이 높은 단점이 있다. 이를 보완하고자 전후 가공이 가능하고 후강화가 가능한 내구성을 높인 로이 유리 제품을 개발하여 스크래치에 강하고 보관 기간도 늘인 제품이 출시되고 있다. 이외에도 투명도와 함께 색상을 추가하여 미려한 디자인을 연출할 수 있는 노력도 병행되고 있다.

■ PF 단열재

기존 유기 단열재인 EPS, XPS, PU는 열에 쉽게 분해되는 지방족 탄화수소 화합물의 구조를 다량 함유하고 있어 화재 발생 시 단시간 내에 빠르게 연소하는 특징을 보이지만, PF 보드는 열에 강한 방향족 고리화합물 구조가 주를 이루고 있어 불에 쉽게 착화되지 않으며 내화 성능의 지표로 삼고 있는 산소 지수 또한 기존의 XPS나 PU보다 2배 이상 비싼 값을 가진다. 화염 접촉 시 PF 표면에서는 난연성 셀의 연소 과정에서 탄화 피막(char)이 형성되며 이러한 구조가 산소의 공급을 차단하므로 인화성 재질로 만들어진 PU나 EPS, XPS 등과 달리 PF 단열재에서는 물리적·화학적으로 화염의 전파가 차단되어 장시간의 화재 안전성이 보장되는 특징이 있다.

페놀 폼은 가장 우수한 건축용 단열 소재임에도 불구하고 제조 기술이 까다롭고 철과 같은 일부 금속 소재와 반응하는 성질이 있어 과거에는 방산과 같은 특수한 용도에서만 제한적으로 사용되었다. 1990년대 들어 대량 생산할 수 있는 공정 기술 개발과 더불어 일반 건축용 단열재로서의 가능성이 인정되면서 상업적으로 활용되어 오늘날에는 공공건물, 대형건물, 다중이용시설, 플랜트 등의 분야에서 화재에 안전한 단열 소재로 주목받고 있다. 습식 및 건식법의 외단열재, 벽체 및 천장의 내단열재, 메탈패널, 목조주택, 스펜드럴 구간의 단열재(커튼 월) 등 다양한 용도에 적용되고 있다. 또한, 페놀 폼 제조 시 유기발포제로 탄화수소계의 펜탄 제품을 사용하므로 폴리 우레탄폼이나 PIR(polyisocyanurate) 폼과 같이 오존층을 파괴하는 프레온계열의 할로겐 발포 가스를 사용하지 않아 매우 친환경적이라 할 수 있다.

PF 보드는 표면에 알루미늄포일 소재를 적용하여 우수한 열 반사 효과를 지니고 있으며 심재에 해당하는 페놀 폼 층은 경질 발포 폼인 EPS, XPS, PU 폼보다 벌집 구조의 수십 마이크로 크기의 미세한 독립기포(closed cell)로 이루어져 있다. 이는 내부 발포 가스 방출을 최대한 억제함으로써 25년간 초기 열전도 성능의 90% 이상을 유지할 수 있는 매우 우수한 단열 성능 및 장기 안정성을 가진다는 것을 의미한다. 열전도율이 0.0019∼0.020W/mK 수준으로 타 단열재보다 얇은 두께로 더 높은 단열성능을 가지고 있다. LG하우시스의 PF 단열재는 한국표준정보망의 KS M ISO 4898 인증을 확보하고 있다.

■ PLA 제품 산업 및 시장 동향

현재 바이오 플라스틱 제품을 취급하는 업체는 2015년 기준 기술력 기반의 전문업체가 주를 이루고 있다. 전분 발포, 생분해, 산화 생분해, 바이오 베이스 플라스틱 원료 및 제품을 제조·판매하는 바이오소재, '에코젠'이라는 제품을 출시한 SK케미칼, 이산화탄소 폴리머를 추진하고 있는 SK이노베이션, 탄소저감 및 인체 무해성 자동차 내장품을 개발하는 SH Korea, PLA 필름을 생산하는 SKC, 호남석유화학과 케이피케미칼을 합병한 롯데케미칼, 도레이케미칼을 합병한 도레이첨단소재, PLA를 활용해 인테리어 제품을 만드는 LG하우시스, 기타 바이오 소재 원료를 사용해 친환경 완제품을 제조하는 제영산업 등이 있다.

에너지소비량 등 모니터링 가능 必

건물 다른 구성요소들 유기적 연결

특히 LG하우시스는 천연소재 및 재생자원을 사용하여 에너지 효율을 극대화하는 시스템과 솔루션을 구현하고 있다. LG하우시스에서는 향후에도 그린 신제품 매출을 확대하고, 친환경 제품 솔루션 강화를 지속할 예정이다. 이러한 흐름에 편성하여 최근 바닥재 및 벽지 등 실내 인테리어 제품에 PLA를 활용하는 제품 개발 및 일부 제품의 출시가 이뤄지고 있으며, 가공 및 사용 물성 향상을 위한 PLA 수지 자체 개선 및 타 수지와의 블렌딩을 통한 개선 연구도 지속해서 진행되고 있다.

■ 친환경 가소제 개발 기술 산업 및 시장 동향

친환경 가소제 개발은 프탈레이트 가소제의 유해성 논란 이후 꾸준히 진행되고 있다. 여러 친환경 가소제들이 출시되고 있으나 화학물질의 글로벌 규제, 높은 가격 등으로 현재 친환경 가소제의 시장선점은 전체 가소제의 5% 정도를 점유하고 있다. 하지만 급격한 플렉시블 플라스틱의 수요증가와 빌딩, 건설 산업 성장으로 향후 가소제 시장은 지속적인 성장을 이룰 것으로 전망된다.

식물성 유지를 활용한 가소제 제조 특허로, SK에너지의 경우 2001년 공개특허(공개번호10-2010-0031391)에서 글리세롤에 초산, 벤조산, 옥타노익산을 반응시켜 트리글리세라이드 형태의 가소제를 제조하였고, 일신웰스에서는 글리세린에 지방산만을 반응시켜 식품용 유화제인 모노글리세라이드 유화제를 제조하였다. 해외 기술로는 에폭시드화 식물성 오일을 이용한 방법(EP 2 070 977 A2), 펜타에리트리톨과 모노카르복시산을 기반으로 한 가소제 개발(WO 2012/026861), 식물성 오일을 기반으로 한 가소제 개발(US 6,797,753 B2), 아세틸화 글리세리드를 이용한 방법(EP 2 470 598 B1), 글리세린 트리에스터를 적용한 방법(US 6,652,774 B2), 아크릴레이트가 포함된 지방산을 응용한 가소제 개발(US 8,507,596 B2) 등의 다양한 분자 구조를 바탕으로 하는 기술이 있다.

LG 하우시스, KCC 등 건축 자재 분야 선도 업체의 경우 프탈레이트를 전량 친환경 가소제로 대체하여 제품을 제조하고 있으며 대표적인 제품으로 LG 하우시스의 바닥재(타일, 시트), 벽지, 인테리어 필름과 KCC의 PVC 바닥재가 있다. 한화케미칼은 기존의 친환경 가소제로 알려진 DOTP 가소제에 수소 첨가 기술을 적용해 프탈레이트 계열 성분을 완전히 제거한 친환경 가소제인 에코데치(ECO-DEHCH)를 적용하여 제품을 출시하고 있으며, DOTP의 가공성과 자외선 안정성 등을 개선한 것으로 알려져 있다.

■ 로이 유리 제조 기술 산업 및 시장 동향

창에서 발생하는 열 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 창이 로이 유리이며 강화되는 열관류율 기준에 맞춰 창호의 고기능성 유리의 적용은 큰 폭으로 늘어나고 있다. 특히 코팅 유리 중 단열성을 높이는 로이 유리 적용이 늘어나면서 로이 유리 시장은 불과 5년 사이 큰 폭의 성장을 거듭하여 2016년 현재 1,600억의 시장 규모를 형성, 연평균 10% 이상의 성장세를 보이고 있다.

로이 유리 시장은 열관류율 기준의 변화와 큰 관계를 가지며 성장하고 있는데 창호의 열관류율 기준은 2008년을 시작으로 단계적으로 기준이 강화되어 2018년 중부지역(서울)을 기준으로 외기에 면하는 창에 대한 단열기준을 1.0W/㎡·K 이하로 규정하였다. 로이 유리의 시장 점유율은 2005년 3% 미만으로 미미한 시장규모를 보였으나 2008년을 열관류율 기준과 함께 규모가 꾸준히 확대되어 2012년 10%, 2016년 30%로 보급률이 증가하였다. 시장 규모 역시 2012년 800억 원 규모에서 2016년 1,300억 원 규모로 연평균 10% 이상의 성장률을 보이며, 이와 같은 추세라면 2020년에는 2,000억 원 이상의 시장 성장이 기대된다.

산업계 역시 시장의 요구에 따라 2008년부터 로이 유리 생산에 적극적으로 투자하기 시작했다. 국내 대표적인 로이 유리 생산 업체는 한글라스, LG하우시스, KCC가 대표적이며 최근 생산라인을 증설하여 업체별로 1,000만㎡/연, 1,000만㎡/연, 750만㎡/연의 생산용량을 확보하여 시장 수요에 대응하고 있다.

최근 10년 동안 국내 로이 유리 산업은 크게 성장하였으나, 유럽의 주요 선진 국가 대비로는 낮은 보급률을 나타내고 있다. 1990년대 후반부터 창호 성능 효율화를 법제화한 독일의 경우, 로이 유리의 적용 비율이 90%를 넘어설 정도로 매우 높은 성장 속도를 보였으며 그 밖의 주요 국가 역시 보급률이 함께 증가하였다. 국내도 최근 강화된 건축물 에너지 절약 설계기준 등 에너지 소비규제가 지속적해서 강화됨에 따라 로이 유리 보급률이 더욱 확대될 것으로 예상된다.

■ PF 단열재 산업 및 시장 동향

무기질 단열재는 유리나 광물을 녹여 실을 뽑아낸 것을 원재료로 사용하기 때문에 제조 공정도 어렵고 가격도 고가로 형성되어 있다. 이러한 시장 진입 장벽으로 이미 기술을 보유한 대형 공급사들에 유리하다. 발포 공정이 핵심 기술인 PF 보드 또한 기술 장벽이 높아 전 세계적으로 LG하우시스, 영국 킹스판(Kingspan), 일본 아사히카세이(Asahi Kasei), 일본 세키스이(Sekisui) 총 4개 업체만이 현재 대량 생산 중이다.

국내 건축용 단열재 시장 규모는 총 1조 3,000억 원가량이다. 업계에서는 고성능 단열재의 생산이 늘면서 시장에서 차지하는 비중이 현재 15%에서 2022년 25% 선으로 늘 것으로 전망하고 있다. 특히 최근 2∼3년 사이 발생한 대형 화재로 국내 화재 안전기준이 강화되며 외벽 마감 불연 및 준불연 성능의 단열재 의무적용 대상 건축물이 30층 이상에서 6층 이상 건축물로 확대된 것도 시장을 확대하는 요인이다.

PF 단열재는 우레탄, 스티로폼 단열재보다 가격이 1.5∼2배가량 고가이다. 하지만 단열재의 국내 수요를 전망한 시장 보고서에서는 타 단열재 대비 PF 보드의 연평균성장률(CAGR)을 3배 이상 높은 10%로 예측하고 있다. 이는 에너지 설계 기준 및 건축 내화 규제를 지속해서 강화함에 따라 이 기준을 충족할 수 있는 소재인 PF 보드의 수요도 함께 증가할 수밖에 없을 것으로 보기 때문이다. PF 단열재의 지속적인 연구개발과 함께 대량 생산 체제까지 갖추게 된다면 가격 인하의 가능성도 예상되며 이는 PF 단열재 수요를 더욱 증가시킬 것이다.

■ 미래 연구방향 및 정책 제언

친환경 건축자재는 적용 대상이 건물이므로 거주자와 밀접한 관련이 있다. 따라서 거주자의 삶의 질 개선을 위해 건축물 초기 계획단계부터 녹색건축을 고려한 자재선정이 이루어지고 시공으로 연계되어 녹색건축물 조성이 확산되도록 유도하는 것이 중요하다. 건축 분야는 다른 분야에 비하여 온실가스 감축 잠재력이 가장 클 것으로 예상하나, 산업, 교통 등의 다른 분야에 비하여 개발이 완료된 신기술이 적용되지 않는 경우가 많고 적용이 되더라도 늦게 도입되는 편이다. 이에 따라 정부 정책은 이미 개발된 신기술이 시장에 적용되기 위한 적정 시점 및 기술 범위를 설정하고 정책·재정적 지원을 하는 것이 필요하다. 기본적인 법 제도는 마련되었으나 국내 현실에 적합한 세부적인 기준 및 기초데이터 확보방안에 대한 정비는 미흡한 상황으로 이에 대한 관심과 노력이 필요하다.

우리나라는 2025년 제로 에너지 건축물 의무화가 예고되어 있으며, 제로 에너지 건축물 인증제 도입, 에너지 효율 등급, 환경 표지 제도 등 단계적인 관련 정책 수립과 더불어 각종 기준 강화가 동시에 진행되고 있다. 친환경 건축자재는 이러한 국가 정책 목표 달성에 있어 가장 중요한 기술 중 하나로서, 핵심 역할을 수행하기 위해 친환경 건축자재 자체의 에너지 절약 성능을 획기적으로 향상하는 것은 물론, 건물의 다른 구성요소들과 유기적으로 연결되어 실제 공간 및 건물 단위에서 통합적으로 성능을 발휘할 수 있도록 고려되어야 한다.

친환경 건축자재는 건물에 설치되고 환경 변화에 따라 그 자체의 성능을 발휘하는 것으로 역할을 다하는 수동적인 개념으로 현재 인식되고 있고 실제 그러하다. 그러나 4차 산업혁명 시대의 도래와 IoT 등 모든 개체가 서로 연결되고 소통하는 초연결 사회로 진행됨에 따라 기존의 수동적인 역할에서 벗어나 보다 능동적이고 ‘살아 숨 쉬는’ 역할에 대한 고민이 필요하다. 건축자재가 본래의 목적에 맞게 성능을 발휘하고 있는지 모니터링이 가능하고, 노후화 시점(교체 시점)을 미리 파악하여 건물 성능 저하 및 그에 따른 에너지 소비량 증가를 사전에 방지할 수 있도록 건축자재의 성능을 실시간으로 파악하고 관련 정보를 제공·분석하는 것이 중요하다. 이는 건축자재 자체에 관련 기능이 추가로 개발되는 것은 물론이고, 건물 에너지 관리 시스템 등 기존 시스템과 유기적으로 연결되어 궁극적으로 건물 에너지 절약에 기여할 수 있어야 한다. 그러므로 관련 분야의 발전과 함께 국가 에너지 절감의 실질적 목표를 이루기 위하여 건설시장 특유의 보수성을 뚫고 시장 진입에 성공할 수 있도록 정부의 적극적인 지원 또한 요구된다.