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1. 서 론

 본 연구의 목적은 신축 건축물의 실내공기환경 개선을 위하여 흡착¹⁾·흡방습²⁾ 성능을 가진 기능성 건축자재의 성능을 향상시킬 수 있는 기술시스템을 개발하는 것에 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 흡착·흡방습 성능을 가진 기능성 건축자재 중 폼알데하이드(HCHO) 및 휘발성 유기화합물(VOCs) 등의 유해물질 방출이 없고, 납(Pb), 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 육가크롬(Cr⁶⁺) 등의 중금속을 함유하지 않는 환경표지인증 무기질도료³⁾를 대상으로 기존의 흡착·흡방습 성능을 30%이상 향상시킬 수 있는 다공성 기술시스템을 구축하였다.

1) 톨루엔과 HCHO 중 하나 이상의 유해물질에 대한 흡착률과 적산흡착량이 기준치 이상을 만족하는 건축자재
2) 흡방습량의 평균치가 50g/m² 이상이며, 흡습량과 방습량 사이의 편차가 평균치의 25%를 넘지 않는 건축자재
3) 천연광물을 주원료로 하여 고기능성 원료와 무기바인더를 배합한 도료.

 실내공기환경에 영향을 미치는 건축자재로는 벽지, 바닥재, 몰딩, 페인트, 접착제 등이 있다. 실내 건축자재의 경우, 건축자재 자체에서 발생되는 유해물질 외에 시공과정에서 발생되는 유해물질이 실내공기환경에 영향을 미친다(Korea Ministry of Knowledge Economy et al., 2009). 특히 벽지와 바닥재의 경우, 건축자재 자체에서 방출하는 유해물질보다 시공 시 사용되는 접착제에서 방출되는 유해물질 방출량이 더 높은 것으로 밝혀지면서 시공과정에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 최근 건축자재의 원료, 제조, 시공, 폐기의 전 과정에서 배출되는 오염물질이 환경에 미치는 영향을 총체적으로 평가하는 전 과정평가(LCA)⁴⁾에 대한 인식이 보편화되면서 실내 건축자재의 시공시스템에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 그러나 현재 친환경 건축자재에 대한 환경부 인증인 환경표지의 경우, 건축자재 자체에서 방출되는 유해물질만을 측정하여 인증 기준치로 적용하고 있어(Ministry of Environment et al., 2009) 시공과정에서 발생되는 유해물질은 고려하지 못하고 있는 실정이다.

 4) LCA: Life Cycle Assessment

 무기질도료의 흡착‧흡방습 성능은 활성백토, 활성알루미나, 합성제올라이트, 규조토, 실리카겔 등의 원료소재의 기공에 의해 그 성능이 구현된다(Shim et al., 2009). 그러나 이러한 고기능성 원료가 대부분 고가의 수입 원료인데다 도료 제조과정에서 원료소재의 기공이 막히거나 확보되지 못하는 경우가 많아 흡착‧흡방습 성능을 구현하는 데에 한계가 있다. 또한 시공시 도막형성과 시공편리성을 위해 유기바인더가 함유되는 경우 기공의 확보와 유지가 어렵기 때문에 이에 대한 개선이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 흡착·흡방습 성능을 가진 무기질도료에 고가의 고기능성 원료를 다량 함유하지 않고도 기존 성능을 30%이상 향상시킬 수 있는 제조기술과 시공기술의 다공성 기술시스템을 개발하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 다공성 기술시스템 구축

 본 연구에서는 HCHO 흡착률 45.0% 및 적산 흡착량 5,232μg/m²의 흡착성능과 47.6g/m²의 흡방습성능을 이미 보유하고 있는 무기질도료를 대상으로 기존 성능을 더 향상시킬 수 있는 다공성 기술시스템을 구축하고자 하였다. 여기서 다공성 기술시스템이란 무기질도료의 제조 및 시공과정에서 미세기공을 확보하고 유지함으로써 흡착‧흡방습 성능을 향상시키는 시스템을 말한다.

 다공성 기술시스템을 구축하기 위한 연구방법은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Study structure plan.

 1단계로 건강친화형주택 건설기준⁵⁾에서 정하는 흡방습 성능 시험방법인 ISO 24353:2008과 흡착 성능 시험방법인 ISO 16000-23:2009에 의해 연구의 대상인 무기질도료의 흡착‧흡방습 보유 성능을 측정하였다. 측정 결과를 기준으로 향상시킬 수 있는 성능 목표치를 수립하였다.

 5) 2013년 7월 국토교통부 "주택건설기준 등에 관한 규정”개정고시

 2단계로 흡착‧흡방습 성능을 향상시키기 위해 무기질도료의 원료 소재들이 보유하고 있는 기공을 더 많은 미세기공으로 확보하면서, 수분과 HCHO 등의 흡착이 용이한 구조로 제조하는 기술시스템을 구축하였다. 다공성 소재의 비표면적이 큰 경우 큰 흡착성능을 나타내지만, 한정된 부피 내에서 내부 표면적이 커지기 위해서는 흡착표면 사이에 대단히 많은 수의 미세기공이 생성되어야 하며, 미세기공은 흡착표면에 대한 흡착질 분자의 추진능력을 결정하므로, 미세기공의 크기분포(pore size distribution)는 다공성 소재의 흡착능력을 결정하는 주요 특성이된다. 더 많은 미세기공을 확보하면서 흡착을 용이하게 하기위해 원료소재를 개질하였으며 포타슘실리케이트계의 무기바인더를 사용함으로써, 흡착‧흡방습 성능을 향상시켰다. 또한 원료소재의 기공부피, 기공크기, 비표면적 등의 다공성 조건을 도출하기 위해 350℃에서 열전처리 후 질소 흡‧탈착 등온선을 얻었다(BEL Japan Co BEL-mini). 확보된 기공부피를 측정하기 위해 BET⁶⁾법의 t-plot에 의해 비표면적을 측정하였으며, BJH(Barrett, Johner and Halenda)식에 의해 기공크기 분포를 구하였다.

 6) BET (Brunauer, Emmett, Teller 의 세 공학자에 의해 정리된 비표면적 측정방법) 수은과 시료의 흡착현상을 이용하여 분말 또는 괴상이 갖고 있는 비표면적을 수식으로 측정함.

3단계로 시공과정에서 미세기공을 유지하는 시공 기술시스템을 구축하였다. 이는 무기질도료의 흡착‧흡방습 성능 향상을 위해 2단계 제조기술시스템에 의해 다공성 구조로 제조된 무기질도료를 시멘트 콘크리트와 석고보드 등에 고압으로 분사하여 피착면에 침투시키는 고압분사 시공 기술시스템이다. 고압분사 시공과정에서 피착면의 기공 속으로 침투율을 높일 수 있는 분사세기와 노즐각도를 도출하여 시공함으로써, 공기 중의 CO² 및 수분과 상온에서 반응하면서 최종 도막이 형성되어 미세기공이 막히지 않고 유지된다. 또한 고압분사 시공과정에서 거대기공을 형성하여 미세분말 및 결정 내 흡착질 분자의 확산경로로 작용함으로써 흡착‧흡방습 성능을 더욱 향상시킬 수 있었다. 확인을 위해 석고보드에 무기질도료를 고압분사 시공한 시험편과 미시공 석고보드 시험편의 흡방습량을 ISO 24353:2008에 의해 측정하여 비교하였으며, 최종 도막의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 

2.2 실물 실험동 실증시험

 마지막 4단계로 제조기술과 시공기술의 다공성 기술시스템이 적용된 다공성 무기질도료의 흡착‧흡방습 성능 향상을 확인하기 위해 실물 실험동을 구축하여 실증시험을 진행하였다. 먼저 흡착성능 향상을 확인하기 위해 Fig. 2와 같이 59m²의 실물 실험동(Mock-up)에 친환경페인트와 다공성 무기질도료를 각각 시공한 후 28일 간 HCHO와 TVOC의 농도 분포변화를 측정하였다. 측정방법은 환경부의 “실내공기질 공정시험방법”을 준용하였다. 2,4 DNPH로 코팅된 카트리지를 이용하여 공기 중의 HCHO를 채취하고 고성능 액체 크로마토그래프로 분석하였다. Tenax-TA 흡착관을 이용하여 시료를 채취하고 열탈착 전처리한 후 기체크로마토그래프 -MS/FID로 분석하였다.

Fig. 2. Test schedule in mock-up.

 실물 실험동에서 흡착성능 향상에 대한 실증시험 후 다공성 무기질도료의 보다 정확한 흡착성능 평가를 위해 ISO 16000-23:2009 의 시험방법으로 추가 시험을 실시하였다.

 다음으로 흡방습성능 향상의 확인을 위해 공동주택건축법 표준시방 기준에 따른 21m²의 실물 실험동을 구축하고, 다공성 기술시스템을 적용한 다공성 무기질도료 시공실과 미시공실에 대한 습도변화를 비교측정하였다.

 이후 다공성 무기질도료의 보다 정확한 흡방습성능을 평가하기 위해, 항온항습 챔버 내 상대습도변화에 의해 발생하는 흡습과정과 방습과정에서의 질량변화를 단위 흡방습 표면적당질량으로 나타내는 ISO 24353:2008시험방법으로 추가 시험하였다.

3. 연구결과

3.1 다공성 기술시스템 연구결과

3.1.1 다공성 확보 제조 기술시스템

 Brinker et al.(1982)와 Yang et al.(2000)은 환경습도를 자율적으로 유지하기 위해서는 재료가 갖는 미세기공의 부피(pore volume)가 0.8cc/g 이상이면서 미세기공크기(pore size distribution)는 2~50nm 인 것이 적합하다는 것을 확인하였다. 본 연구의 제조 기술시스템으로 가공된 다공성 무기질도료의 기공의 부피와 크기를 확인하기 위해 BET분석을 통해 원료소재들의 비표면적을 측정한 결과, 미세기공의 부피는 0.8cc/g 부근이면서 미세기공분포는 2~50nm를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이때 다공성 원료소재는 친수성이면서 물에 불용성이어야 하며, 알칼리 조건에서 안정하여야 하고, 입자 크기는 100㎛ 이하가 적합하였다. 이와 같은 조건의 다공성 원료들을 포타슘 실리케이트계(Potassum-Silicate) 및 소디움 실리케이트계(Sodium- Silicate), 리튬실리케이트를 주성분으로 하는 무기바인더와 혼합하는 제조 기술시스템을 구축함으로써 합성수지를 바인더로 사용하는 친환경페인트와는 전혀 다른 경화과정을 거치게 된다.

 다공성 기술시스템이 적용된 무기질도료 시공 도포면의 기공 변화를 확인하기 위해 유리판에 3mm 두께로 도포하여 도포면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여, 친환경페인트의 도포면과 비교하였다.

 관찰 결과, Fig. 3과 같이 합성수지를 바인더로 사용하는 친환경페인트(좌)에 비하여 무기질도료(우)는 큰 기공과 미세한 기공이 고르게 분포되어 있음을 확인하였다. 이는 무기바인더와 혼합된 다공성 원료소재들이 공기 중의 CO² 및 수분과 상온에서 반응하여 겔을 형성하는 상온경화작용을 활용한 것으로, 이러한 도막형성 과정에서 다공성의 치밀한 무기질 층을 형성하게 된다.

Fig. 3. SEM images of the Eco-friendly Paint(left) and the Inorganic paint technology system(right).

3.1.2 다공성 유지 시공 기술시스템

 다공성 제조 기술시스템에 의해 확보된 무기질도료의 미세기공이 고압분사 시공과정에서 막히지 않고 유지되는지 확인하기 위해 석고보드에 무기질도료를 고압분사한 시험편과 미시공 석고보드 시험편의 흡방습량을 챔버에서 ISO24353:2008 방법으로 비교 측정하였다. 시험결과는 Table 1과 같다.

Table 1. Determination of moisture adsorption/desorption properties of Technology System of the Inorganic paint vs Gypsum board.

 시험결과 다공성 무기질도료를 시공한 시험편의 흡방습량 30.56g/㎡이 미시공 석고보드 시험편의 흡방습량 10.24g/㎡ 보다 3배 이상 높았다. 이로 인해 고압분사 시공 기술시스템으로 시공 시 미세기공이 유지되고 있음을 알 수 있었다.

3.3. 실증실험 성능개선 검증결과

3.3.1 흡착 성능개선 연구

 다공성 무기질도료의 흡착성능 향상을 확인하기 위해 마감재와 가구가 설치된 59m² 실물 실험동에서 총 28일간 HCHO와 TVOC 방출량을 비교 측정하였다. 실험조건은 친환경페인트 시공실과 다공성 무기질도료 시공실⁷⁾로 나누어 바닥과 벽체에 시공 후 실내온도를 21℃ 이상으로 유지하였다(Korea Center for Sustainable Housing. 2010).

 7) 각 자재의 표준시방법에 의해 친환경페인트는 롤러로 시공하였으며, 무기질도료는 고압분사 시공하였음.

 Fig. 4 는 실물 실험동의 TVOC(좌)와 HCHO(우)의 농도 분포변화이다. TVOC 농도의 경우 친환경페인트 시공실은 초기부터 급격히 상승하여 3일차 농도가 시공 전 농도보다 약 27배까지 증가한 반면, 다공성 무기질도료 시공실의 TVOC 농도비는 초기부터 매우 적은 수치를 유지하였다.

Fig. 4. Determination of reduction of TVOC(left) and HCHO(right) concentration by Eco-friendly Paint vs Technology System of the Inorganic paint in mock-up test room.

 HCHO 농도의 경우 친환경페인트 시공실은 3일차에 약 2.75배에 이르렀다가 일시적으로 감소한 이후 다시 약 3배 가까이 증가한 반면, 다공성 무기질도료 시공실의 HCHO 농도는 친환경페인트 시공실에 비해 50%가량 낮은 수치인 상태에서 3일차까지 약간 증가하다가 점차 감소하여 안정된 수치를 지속적으로 유지하였다.

실물 실험동에서 흡착 성능의 지속성을 확인한 후, 다공성 무기질도료의 보다 정확한 흡착성능평가를 위하여 ISO 16000-23:2009으로 HCHO의 흡착률과 적산흡착량을 측정하였다. 측정결과는 Fig. 5와 같다. 

Fig. 5. Determination of Performance improvement of the reduction of HCHO by Technology System of the Inorganic paint in small test chamber.

 연구 대상인 무기질도료의 기존 HCHO 흡착성능은 흡착률 45.0% 에서 다공성 기술시스템을 적용한 후 흡착성능이 65.7%까지 높아져 약 46%정도 향상되었다. HCHO의 적산흡착량은 다공성 기술시스템 적용 전 5,232μg/m²에서 적용 후 6,918μg/m²까지 높아져 약 32%정도 향상되었다. 이를 통해 다공성 기술시스템이 적용된 무기질도료의 오염물질을 저감 흡착성능이 30%이상 개선되었을 뿐만 아니라 일정 기간 지속적으로 유지되는 것을 확인하였다.

3.3.2 흡방습 성능개선 연구

 다공성 무기질도료의 흡방습성능 향상을 확인하기 위해 21m²의 실물 실험동을 구축하고, 본 연구의 다공성 기술시스템이 적용된 다공성무기질도료를 시공한 실험실과 미시공 실험실로 나누어 밀폐한 후에 각 실험실의 흡방습량 변화를 비교 측정하였다(Korea Institute of Construction Technology, 2009). Fig. 6은 다공성무기질도료 시공실과 미시공실에 ‘강제가습 실시 중 측정한 결과(좌)’와 ‘강제가습 종료 후 측정한 결과(우)’이다.

Fig. 6. Determination of moisture adsorption/desorption property by Technology System of the Inorganic paint in mock-up test room.

 실험조건은 2일간 분당 4.86mL의 수분을 방출하는 디지털 가습기를 실험실 내부에 설치하여 100분간 가습을 실시하고, 강제가습 종료 후에도 5분 간격으로 1000분 동안 습도를 측정하였다.

 ‘강제가습 실시 중’ 다공성 무기질도료 시공실의 평균상대습도는 63.4%로 미시공실의 평균상대습도 82.0%에 비해 평균 18.7% 낮은 수치를 나타내었다. ‘강제가습 종료 후’ 다공성 무기질도료 시공실의 평균상대습도는 67.2%로 미시공실의 평균상대습도 80.72%에 비해 평균적으로 13.7% 낮게 측정되었다.

 연구결과, 다공성 기술시스템이 적용된 다공성 무기질도료 시공실의 평균상대습도가 실내 적정 습도범위인 40~70%RH를 유지하면서 실내 습도를 능동적으로 조절하는 흡방습성능을 보유하고 있음을 확인할 수 있었다.

 다공성 무기질도료의 실물 실험동 흡방습성능 확인 후, 보다 정확한 흡방습성능 평가를 위해 ISO 24353:2008로 시험편에 대한 흡방습량을 측정하였다.

 측정결과 Fig. 7과 같이 다공성 기술시스템 적용 전 흡방습 평균값이 47.6g/m²에서 적용 후 73.05g/m²로 높아져 약 53%까지 흡방습성능이 향상되었음을 알 수 있었다. 이를 통해 다공성기술시스템이 적용된 다공성 무기질도료의 흡방습성능이 50%이상 개선되는 것을 확인하였다.

Fig. 7. Determination of moisture adsorption/desorption property by Technology System of the Inorganic paint in small test chamber.

4. 결 론

 최근 CO² 배출저감에 대하여 전 세계적으로 관심이 고조되면서 건축자재에서 방출되는 HCHO와 VOCs를 저감하려는 노력과 함께 기후변화로 인하여 다습해지는 실내공기환경을 개선하려는 노력이 더해지면서 기능성 건축자재에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 실내 건축자재의 경우, 건축자재 자체에서 발생되는 유해물질 외에 시공과정에서 발생되는 유해물질이 실내공기환경에 영향을 미친다. 특히 벽지와 바닥재의 경우, 건축자재 자체에서 방출하는 유해물질보다 시공 시 사용되는 접착제에서 방출되는 유해물질 방출량이 더 높은 것으로 밝혀지면서 시공과정에 대한 관심이 높아지고 있다.

 이에 본 연구에서는 HCHO 흡착률 45.0% 및 적산흡착량 5,232μg/m²의 흡착성능과 47.6g/m²의 흡방습성능을 가진 무기질도료를 대상으로 더 많은 미세기공이 확보되도록 하는 제조기술과 미세기공이 유지되도록 하는 시공기술의 다공성 기술시스템을 구축함으로써, 고가의 수입원료를 다량 사용하지 않고도 무기질도료의 흡착‧흡방습 성능을 향상시키고자 하였다.

 연구결과, 다공성 기술시스템이 적용된 무기질도료의 HCHO 흡착성능은 30%이상 향상되었으며, 흡방습성능은 50%이상 향상되었다. 이를 통해 원료소재 전반에 걸쳐 더 많은 미세기공을 확보하도록 가공하는 다공성 제조 기술시스템뿐만 아니라 확보된 기공을 막히지 않도록 유지하는 시공 기술시스템의 중요함을 인식할 수 있었으며, 이 두 다공성 기술시스템의 융합에 의해 흡착‧흡방습 성능이 더욱 향상되고 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구에서는 다공성 무기질도료 제품 자체평가인 챔버시험과 시공 기술시스템이 적용된 실물 실험동에서의 실증연구가 통합적으로 진행되었다는 점에서 실제 실내공기환경에서의 흡착‧흡방습 성능에 대한 지속성을 확인하였다고 할 수 있다.

 본 연구결과를 바탕으로 실내 공기환경 개선을 위한 흡착‧흡방습 건축자재에 대한 새로운 기술플랫폼이 구축되기를 바라며, 고기능성 건축자재에 대한 혁신적인 기술이 지속적으로 개발되기를 기대한다.

감사의글

 본 연구는 국토교통부 건설교통기술촉진사업의 연구비지원(12첨단도시C10)에 의해 수행되었습니다.