9권3호_임정연(239-249).pdf596.5KB

1. 서 론

2000년대 초 국내에서는 "새집 증후군" 문제의 등장으로 실내공기질 관리의 중요성이 대두 되었다. 2008년에는 “저탄소 녹색성장”이 국가 비전으로 제시되는 등 전 세계적 환경 화두인 기후변화에 대한 대응이 국정 최우선 과제로 대두되면서, CO₂  배출량을 감축하기 위해 국내 전체 에너지 소비량의 23.5%(에너지관리공단, 2005)를 차지하는 건축물에서의 에너지 절약이 요구되고 있어 향후 건물의 밀폐화는 더욱 심화될 것으로 예상된다. 현대 도시인의 실내 거주시간이 일상생활의 약 80〜90% 정도를 차지하고 있고 실내 오염물질이 실외 오염물질보다 폐에 전달될 확률이 약 1,000배 높다는 점(WHO, 1997)을 감안하면 실내공기질 악화는 향후 인간의 건강을 위협하는 매우 중요한 문제 중 하나가 될 가능성이 매우 크다. 오염된 외기의 유입과 인간의 활동, 건물의 밀폐화 등 실내공기 악화 요인은 다양하지만 그중에서도 복합화학물질로 구성된 소재가 사용되는 건축자재는 실내공기오염 기여도가 높은 주요 실내공기 오염원이다. 이와 관련하여 환경부에서는 실내공기 오염물질 발생원의 사전예방적 관리를 통해 실내 공기질을 개선하고자 2004년부터 총휘발성유기 화합물, 폼알데하이드, 톨루엔을 기준치 이상 방출하는 건축자재의 실내 사용을 제한하였으며 그 결과 국내 신축공동주택의 실내공기질 개선에 큰 효과를 거두었다. 그러나 최근 건축자재 개발 동향은"오염물질 저방출"에서 실내공기오염도를 저감하거나 쾌적성을 증대시키는"기능성”으로 변화하고 있으며, 이러한 제품의 시장 유통량은 2008년 이후 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 국내 기능성 건축자재 실태조사 결과(국립환경과학원, 2008)에 따르면 국내에 유통되고 있는 기능성 건축자재는 약 88개 업체의 153개 제품정도로 주요기능은 오염물질 흡착, 흡․방습, 항균 및 항곰팡이, 원적외선 방사 및 음이온 방출이며 이러한 제품들의 시장점유율은 점차 커질 것으로 판단된다. 또한 웰빙(Well-being) 의식의 확산으로 실내공기질 및 친환경 제품에 대한 국민적 관심사가 증가하면서 최근 신축아파트 및 다중이용시설등에서의 기능성 건축자재 시공 사례가 급증하고 있다. 그러나 현재 국내에는 기능성 건축자재의 성능을 객관적으로 검증할 수 있는 시험방법과 평가기준이 부재한 실정으로 소비자 및 제품개발․생산자들의 혼란이 가중되어 이에 대한 관리기반 마련이 시급한 실정이다. 특히 오염물질 흡착 메커니즘을 이용한 실내오염물질 저감기능성 건축자재는 실내공기질 개선과 직접적으로 관련되는 제품으로서 우선적으로 관리할 필요성이 크다. 본 연구에서는 오염물질 흡착기능성 건축자재 시험방법 및 평가기준 등 관리기반 마련을 위한 기초자료를 확보하고자 국내유통 중인 건축자재의 폼알데하이드와 톨루엔 저감성능 등 특성을 파악하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 연구대상 건축자재

연구에서는 2010년에 생산되거나 수입되어 국내 유통된 건축자재 중 폼알데하이드와 톨루엔 흡착성능을 보유하고 있는 것으로 알려져 있는 제품 23개를 선정하였다. 시험대상 제품은 국내업체 21개사와 수입업체 2개사에서 생산된 제품으로 시장 유통현황을 고려하여 도료 등 액상 제품 13개와 벽지 등 고상 제품 10개를 선정하였다. Table 1에 제품의 성상 및 주원료를 구분하여 나타내었다. 

Table 1. Building materials for test

본 연구에서 시험대상으로 선정한 건축자재는 2010년 3월에서 11월까지 생산된 제품으로 인터넷 홈페이지와 쇼핑몰을 조사하여 일반 소비자가 구매하는 방식과 동일하게 구입하였다. 또한 유통기간에 의한 영향을 최소화하기 위해 생산된 지 6개월 이내의 제품만을 시험대상으로 하였으며, 시험편을 제작하기 전까지 개봉하지 않은 상태로 유지하였다. 시료는 온도 25℃, 상대습도 50 ~ 60%의 조건에서 직사광선을 피하여 보관하였으며 시험 전까지 최대 14일을 넘지 않도록 하였다. 

2.2 시험 장치 및 조건

오염물질 흡착성능 평가 시험장치(ADTEC, Japan)는 청정공기 공급장치, 공기 유량제어장치, 공급가스 희석장치, 항온조, 온․습도 및 유속 모니터링 장치, 소형 챔버 등으로 구성된 시스템을 사용하였다(Fig. 1). 챔버 내부용적은 20L로 오염물질의 흡착을 최소화하기 위하여 시험편 고정틀과 내부 교반팬 등 챔버의 구성품은 전해연마(Electro-polishing)처리가 된 스테인리스강 재질로 제작된 것을 사용하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of chamber system for sorption test.

시험방법은 국제표준규격인 ISO 16000-23 및 16000-24와 일본공업규격인 JIS A1905-1 및 JIS A1906을 참고하였다. 상대습도(R. humidity), 물질전달계수(Mass transfer coefficient), 환기율(Air change rate) 및 시료부하율(Loading factor)은 오염물질 흡착 성능과 관련된 직접적인 영향요인이며, 국가별 특수성을 반영할 필요가 없는 항목이므로 ISO 시험방법과 동일하게 하였다. 실험 시 공급가스가 챔버 내로 유입되는 유량은 167㎖/min, 기류가 챔버 내로 유입되는 압력은 3 ~ 5psi사이를 유지하도록 하였다. 챔버 내 기류의 원활한 확산을 위하여 팬의 회전수는 650RPM을 유지하였으며 환기횟수는 시간 당 0.5회로 하였다. 각 시험방법에서 시험대상 오염물질의 공급공기 농도는 WHO 실내공기질 가이드라인과 일본 후생노동성 실내공기질 권고기준을 근거로 하고 있는데 폼알데하이드는 국내 다중이용시설 내 실내공기질 관리기준과 동일하고 톨루엔은 국내 다중이용시설에 대한 별도의 기준이 없어 두 시험방법과 동일하게 설정하였다. 그러나 시험 온도는 시험방법 별로 각각 23±2℃에서 28℃±1℃를 규정하고 있고 이는 각국의 기후상황 등을 고려한 것이므로 본 연구에서는 이를 토대로 국내 일반적인 실내환경 조건이며 건축자재 오염물질 방출시험방법과 동일한 25±1℃로 시험 온도를 변형하여 적용하였다. 시험 시작 후 7일간은 시험대상 건축자재의 오염물질 흡착성능을 평가하였고 7일이 경과한 이후에는 공급가스를 중단하고 청정공기를 유입시켜 그 시점을 기준으로 24시간, 48시간이 지난 후 각각 시료를 채취하여 오염물질 재방출 여부를 평가하였다(Table 2). 

Table 2. Test condition of chamber system for evaluating the sorption of pollutants by sorptive building material in this study.

2.3 시험편 제작방법

고상 건축자재의 시험편은"실내공기질 공정 시험기준(환경부 고시 제2010-24호)"에 따라 제작하였다. 액상 건축자재는 현장 시공방법을 최대한 반영하여 제품의 도장사양서 상 도포량을 비활성기질의 바탕판(유리)에 도포하였다. 도포한 후에는 제조사에서 권장하는 제품별 완전경화시간을 적용하여 온도 25℃, 상대습도 50%의 조건에서 건조하여 시험에 사용하였다.

2.4 배경농도 확인 및 시험편 설치

 세척과 베이크아웃(bake-out)을 실시한 챔버에 청정공기를 공급하고 24시간이 경과한 후 챔버에서 배기되는 공기시료를 채취하였다. 채취한 공기시료 중 휘발성유기화합물과 폼알데하이드 농도를 측정하여 배경농도 기준(TVOC : 20 μg/m³ 이하, toluene : 2 μg/m³ 이하, formaldehyde : 5 μg/m³ 이하)의 만족여부를 평가하였다. 배경농도를 만족하는 챔버에만 시험편 두개를 노출면을 안쪽으로 서로 마주보도록 챔버 중앙에 고정시키고 일정한 기류속도와 물질전달율을 유지하도록 교반팬을 650RPM으로 가동하였다.

2.5 시험용 표준가스 공급 및 안정성 평가

시험 농도에 적합하도록 표준가스의 유량을 조절하여 챔버 내로 공급시켰다. 5ppm으로 제조된 폼알데하이드 표준가스와 10ppm으로 제조된 톨루엔 표준가스를 청정 공기와 혼합하여 희석한 뒤 167㎖/min으로 챔버 내에 공급하였다. 최종적으로 챔버 내로 유입되는 폼알데하이드와 톨루엔 표준가스는 각각 100 μg/m³와 260 μg/m³가 되도록 하였다. 공급공기 유입이 시작 되는 시점을 기준으로 챔버 내 공기가 1회 환기되는 시점인 2시간 이후에 유입공기 채취구에서 시료를 채취하여 최초 공급 농도를 확인 하였으며 시험기간 동안 24시간 단위로 공급공기 농도를 측정하여 안정성 여부를 지속적으로 평가하면서 시험을 실시하였다. 

2.6 시료채취 및 분석방법

 폼알데하이드의 측정․분석을 위해 2,4-DNPH(2,4-Dinitro phenylhydrazine)유도체화 분석법을 적용하였다. 폼알데하이드를 유도체화하기 위하여 2,4-DNPH 카트리지(Supelco, USA)를 사용하였으며 고순도의 요오드화칼륨(Potassium Iodide)이 충진된 오존스크러버(Waters, USA)를 2,4-DNPH 카트리지의 전단에 연결하여 시료채취시 오존의 간섭작용을 최소화하였다. 다채널 시료채취펌프(Top trading, Korea)를 이용하여 130㎖/min의 유량으로 30분간 시료를 채취하였다. 시료를 채취한 카트리지는 고상추출장치(Solid phase extraction vacuum manifold)를 이용하여 아세토니트릴(HPLC grade, J.T. backer)로 추출하였다. 추출액은 대부분 즉시 분석하였으나 바로 분석이 불가할 경우에는 4℃ 이하에서 냉장 보관하고 보관 기간은 최대 7일을 넘지 않도록 하였다. 정량을 위한 표준물질은 Formaldehyde 농도가 100㎍/㎖(Acetonitrile base, Supelco)로 제조된 것을 사용하였다. 표준물질과 시료는 액체크로마토그래프(HPLC)로 분석하고 360nm 파장에서 검출된 피크의 면적을 이용하여 검량선과 감응계수를 산출하여 시료를 정량하였다. 톨루엔은 Tenax-TA가 충진된 고체흡착관(Supelco, USA)을 이용하여 130㎖/min의 유량으로 25분간 채취하였다. 시료를 채취한 고체흡착관은 대부분 시료채취 즉시 분석하였으나, 즉시 분석하지 못한 시료는 1/4인치 마개(Swagelok- type with PTFE ferrules)로 밀봉한 후 50㎖ 바이알에 넣어 4℃이하에서 냉장 보관하고 기간은 최대 2주를 넘지 않도록 하였다. 분석을 위해 열탈착장치(TD)를 이용하여 열탈착 전처리하였으며 가스크로마토그래프/불꽃이온화검출기(GC/FID)를 이용하여 분석하였다. 폼알데하이드 분석을 위한 고성능액체크로마토그래프 (HPLC)와 톨루엔 분석을 위한 열탈착장치(TD) 및 가스크로마토그래프/불꽃이온화검출기(GC/FID)의 분석조건은 아래 Table 3에 정리하여 나타내었다.

Table 3. Analysis conditions of HPLC and TD-GC/FID.

2.7 흡착성능 산출방법

본 연구에서는 건축자재의 오염물질 흡착성능을 정량적으로 평가하고자 시험 시작 후 1, 2, 3, 5, 7일차에 폼알데하이드와 톨루엔의 공급농도와 배기농도를 측정하였다. 시험 시작 후 7일차의 폼알데하이드와 톨루엔 공급농도와 배기 농도를 이용하여 흡착률(Sorption rate), 흡착속도(Sorption flux)를 산출하였으며 7일동안 총 흡착된 오염물질의 양을 적산흡착량(Total mass per area of sorption)으로 산출하였다. 각각의 산출식은 다음과 같다. 



R_s : Sorption rate (%)
P_in,t : Concentration of pollutant in supply air(μg/m³)
P_out,t : Concentration of pollutant from exhaust air(μg/m³)



F_m : sorption flux per unit time per unit area (μg/m²·h)
P_in,te  : concentration of pollutant at test chamber inlet at elapsed time t (μg/m³)
P_out,te  : test chamber concentration at elapsed time t ( μg/m³)
q_c : air flow rate of test chamber (m³/h)



p_Ac : total mass per area of sorption (μg/m²)
F_m,i : sorption flux per unit time per unit area (μg/m²·h)
t_e : elapsed time (hr)

3. 결과 및 고찰

3.1 폼알데하이드 흡착 성능

국내 유통 중인 건축자재 23개의 폼알데하이드 흡착성능 평가 결과를 Fig. 2에 종합하여 나타내었다. 일반적으로 흡착 기능성 건축자재의 오염물질 흡착 성능은 평가 시점에서의 흡착률과 시험기간 동안 누적된 적산흡착량으로 나타낸다. 23개 제품 중 약 78%인 18개 제품에서 흡착 성능이 확인되었으며 5개 제품은 흡착 효과가 없는 것으로 나타났다. 

Fig. 2. Sorption rate and total amount of sorption for formaldehyde.

 흡착효과가 확인된 18개 제품의 흡착률은 최소 1.5%에서 최대 78.4%의 범위로 나타났으며 평균 흡착률은 36.8%로 나타났다. 적산흡착량은 최소 87.5 μg/m² 에서 최대 3,086.0 μg/m²의 범위로 나타났으며 평균 적산흡착량은 1,525.4 μg/m²로 나타났다. 폼알데하이드 저감성능이 확인된 18개 제품 중 흡착 효율이 우수한 제품들은 암면(rockwool), 일라이트, 규조토, 화산재, 황토, 숯 등 다공성 재질의 광물 및 천연소재가 사용된 제품이 대부분이었다. 대체적으로 흡착률이 높은 제품일수록 적산흡착량도 많은 경향을 나타내었다. 그러나 E와 T제품과 같이 시험 시작 후 7일 시점에서의 흡착률은 유사하나 적산흡착량에서는 큰 차이를 보이는 경우도 있었다. E 제품처럼 시험 초기에는 흡착률이 높다가 7일 시점에 급격히 흡착률이 떨어지는 경우에는 7일차의 흡착률은 낮더라도 1 ~ 7일간 누적된 적산 흡착량이 많을 수 있다. 또한 T제품처럼 7일간 꾸준히 낮은 흡착율을 보이는 경우에는 적산흡착량이 상대적으로 작다. 따라서, 건축자재의 오염물질 흡착성능을 객관적으로 평가하기 위해서는 시험 시작 후 일정시간이 경과한 시점에서의 흡착률과 함께 시험기간 동안 누적된 총 흡착량을 함께 검토해야 한다고 판단된다.

 또한 시간 경과에 따른 제품별 오염물질 흡착성능의 변화를 파악하기 위하여 7일간 연속적으로 공급농도와 출구농도를 비교하여 보았다. 그 결과 흡착률이 높은 제품은 시험 기간내내 흡착 효과가 꾸준히 유지되었으며 흡착률이 낮은 제품일수록 시간 경과에 따라 급격히 흡착효과가 감소하는 것을 알 수 있었다(Fig. 3).

Fig. 3. Variation of formaldehyde concentration by elapsed time.

 또한 오염물질 재방출 여부를 살펴본 결과 제품별로 차이는 있었지만 시험시작 24시간 이후 모든 제품에서 폼알데하이드가 재방출(0.6 ~ 61.0 μg/m² ) 되었으며 48시간 후에는 24시간 시점에서의 재방출량에 비해 감소하는 경향을 나타내었다. 흡착률이 높은 제품일수록 재방출량은 작고 흡착효과가 낮은 제품일수록 재방출량이 큰 경향이 나타났다. 그러나 흡착성능이 우수한 제품이라도 재방출이 발생한다면 오염물질 흡착 기능성 건축자재로서 우수한 성능을 보유했다고 볼 수 없으므로 오염물질 재방출 여부는 흡착성능 평가 시 중요한 요소로 고려되어야 할 것으로 생각된다.

3.2 톨루엔 흡착 성능

 톨루엔 흡착성능 평가 결과를 아래 Fig. 4에 종합하여 나타내었다. 23개 제품 중 약 43%인 10개 제품에서 흡착 성능이 확인되었으며 13개 제품은 톨루엔을 흡착하지 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 4. Sorption rate and total amount of sorption for toluene.

 흡착성능이 확인된 10개 제품의 흡착률은 최소 0.1%에서 최대 62.4%의 범위로 나타났으며 평균 흡착률은 11.6%로 조사되었다. 적산흡착량은 최소 29.6 μg/m² 에서 최대 6,764.0 μg/m² 의 범위로 나타났으며 평균 적산흡착량은 1,054.4 μg/m²로 나타났다.

 본 연구결과, 톨루엔의 흡착률과 적산흡착량은 전체적으로 폼알데하이드에 비해서 낮게 나타났으며 두 오염물질에 대해 동시에 높은 흡착효과를 보이는 제품은 없는 것으로 나타났다. 이 결과는 시험대상 제품 대부분이 폼알데하이드 저감을 목적으로 제작된 제품이었던 점과 물질별 흡착반응을 위한 작용기의 존재 유무, 사용된 원료에 대한 폼알데하이드와 톨루엔 간의 화학적 선택성의 차이 등에 기인하는 것으로 판단된다. 폼알데하이드와 비교할 때 상대적으로 낮은 흡착률에도 불구하고 톨루엔의 적산흡착량이 큰 이유는 시험 시 톨루엔의 공급농도가 상대적으로 높았기 때문이다. 이와 같이 적산흡착량은 공급농도에 농도에 의해 달라지는 항목이므로 흡착 기능성 건축자재의 성능평가기준 도출 시에 이러한 사항을 고려할 필요가 있다.

 폼알데하이드와 마찬가지로 톨루엔 흡착률이 높은 제품은 시험 기간 내내 흡착 효과가 꾸준히 유지되었으며 흡착률이 낮은 제품일수록 시간 경과에 따라 급격히 흡착 효과가 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 오염물질 재방출량 역시 제품별로 차이는 있었지만 시험시작 24시간 이후 모든 제품에서 톨루엔이 재방출(0.6 32.3 μg/m² ) 되었으며 48시간 후에는 24시간 시점에서의 재방출량에 비해 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 5. Variation of toluene concentration by elapsed time.</EM

4. 결 론

본 연구에서는 국내 유통 중인 건축자재의 오염물질 흡착성능평가를 통해 주요 실내오염 물질인 톨루엔과 폼알데하이드 저감성능 및 특성을 파악하였다. 본 연구를 통해 도출한 주요 결론은 다음과 같다. 

1. 시험 대상 건축자재 23개 중 약 78%인 18개 제품에서 폼알데하이드 흡착성능이 확인되었으며 약 43%인 10개 제품에서 톨루엔 흡착 성능이 확인되었다. 흡착 효율이 우수한 제품은 암면(rockwool), 일라이트, 화산재, 규조토, 황토 및 숯 등 다공성 재질의 광물 및 천연 소재가 사용된 것으로 조사되었다.

2. 폼알데하이드 흡착 효과가 확인된 18개 제품의 평균 흡착률은 시험시작 후 7일 시점에서 36.8%로 나타났으며 톨루엔 흡착 효과가 확인된 10개 제품의 평균 흡착률은 동일 시점에서 11.6%로 조사되어 폼알데하이드에 비해 효과가 매우 낮은 편인 것으로 조사되었다.

3. 흡착률이 높은 제품은 시험 기간 내내 성능이 일정하게 유지된 반면, 흡착률이 낮은 제품은 시험 초기에만 흡착효율이 일시적으로 나타났다가 7일 이내에 포화되어 오염물질을 흡착하지 못하는 경향을 보였다.

4. 적산흡착량이 흡착률과 비례하지 않는 제품이 존재하고 흡착률이 높더라도 시험 7일 이후 일정량의 재방출이 발생하는 제품이 확인됨에 따라 건축자재의 오염물질 흡착성능을 객관적으로 평가하기 위해서는 흡착률과 적산흡착량, 오염물질 재방출 여부 파악이 필수적으로 수행되어야할 것으로 생각된다