1. 서 론

 최근 주거공간이 단열, 기밀화된 아파트 형으로 바뀌어서 자연적인 환기가 어려워짐에 따라 실내공기 오염이 크게 증가하고 있다. 또한 경제 성장과 산업발전의 영향으로 석유화학제품을 주 원료로 하는 건축, 내장재가 주로 사용되어 이로부터 발생하는 휘발성유기화합물(VOCs-Volatile Organic Compounds)이 재실자의 건강을 크게 위협하고 있으며, 도심의 실내 및 실외¹⁾ 공기질이 심각하게 오염되어 새집증후군(Sick House Syndrome)의 발생이 증가하고 있다.^2-8) 

이러한 실내공기 오염은 실내 생활자에게 일시적 또는 만성적인 신체적, 정신적 고통을 유발한다. 특히 시멘트 독성(라돈가스), 포름알데히드와 VOCs는 실내 오염원의 대부분을 차지하며, 이러한 오염물질은 대부분 양이온으로 공기 중의 음이온과 결합하여 음이온의 함량을 낮추는 작용을 통하여 새집증후군을 발생시킨다. 

따라서 공기 중에 음이온 함량을 적정 수준으로 유지하기 위해서 음이온을 효과적으로 공급하는 방법이 필요하게 되었다. 지금까지는 TiO₂를 이용한 광촉매 방식에 대한 많은 연구가 있었으나 그 효과가 크지 않았다. 가장 큰 원인은 실내에는 자외선이 부족하며 TiO₂의 활성화가 활발하지 않기 때문이다. 이것을 해소하고자 가시광영역의 흡수대를 가지고 있는 색소를 TiO₂ 표면에 부착하여 그 색소가 흡수하는 광을 활용하는 방법도 제시되었지만 이것 또한 실용성이 낮다.⁹⁾ VOCs를 활성탄과 같은 다공성 흡착제를 이용하여 제거하는 방법도 개발되었으며 폐타이어, 폐슬러지, 석탄회, 소각비산재 등의 폐자원을 원료로 사용하는 흡착제 제조에 관한 연구도 많이 수행되었으나 아직 활용범위가 크지않다.^10-17) 이외에도 VOCs 제거 및 측정 방법에 대하여 많은 연구가 있으나^3-5,18-22) 아직까지 적용범위가 넓으며 비용이 저렴한 새집증후군 처리방법은 확립되어 있지 않다. 

본 연구에서는 자연적으로 음이온을 발생시켜 VOCs를 분해시킬 수 있는 음이온 발생페인트를 도포하여 새집증후군을 처리하는 방법을 개발하고자 하였으며 이를 위해서 천연광물질을 원료로 사용하는 음이온 발생 페인트의 제조방법과 이 도료를 도포한 건축자재 표면에서의 음이온 발생 및 이의 VOCs 제거효과를 측정하여 새집증후군 처리에 효과적으로 적용할 수 있는지를 시험하였다. 

2. 실험 방법

2. 1. 원료 광물질 및 음이온 페인트 제조

2. 1. 1. 원료 광물질의 선택

음이온을 효과적으로 발생시키기 위해서는 광물의 구조가 음이온을 표면전자로 포함하고 있는 물질이어야 하며, 지표상에 풍부하게 존재하여 저렴하게 활용할 수 있어야 한다. 지표상의 가장 풍부한 원료 광물질은 대부분 산화규소(SiO₂)를 기본단위로 하여 이들이 서로 중합되며 다른 원소와 결합한 규산염의 형태를 가진다. 

규산염은 Fig. 1에 보인 것과 같이 독립규산염이 여러 가지 방법으로 중합되어 존재하는데 이 중에서 음이온 발생에 효과적인 표면전자가 많은 망상구조의 반토규산염을 원료광물로 선택하였다. 

Fig. 1. The chemical structure of various silicate minerals (a) nesosilicate, (b) sorosilicate, (c) cyclosilicate, (d) inosilicate, (e) phyllosilicate, (f) tectosilicate.

반토규산염은 망상규산염 구조에서 규소(Si⁴⁺)원자 일부가 알루미늄(Al³⁺)원자가 치환되어 생성된 음이온성 착체 광물이다. 일반화학식은 xM′₂₍₁₎O∙yAI₂O₃∙ zSiO₂∙nH₂O (M′=K, Na, Ca, Ba 등)로서 알칼리나 알칼리토 금속이 미량 포함되어 있다. 포리규산이온의 Si 원자 일부가 Al 원자에 의해 치환되어 거대이온을 형성한다. 반토규산염의 대표적인 광물은 불석과 장석류로서 조암광물의 중요한 위치를 차지하고 있다. 운모류, 장석류, 불석류, 점토광물 등이 반토규산염에 속한다. 반토규산염의 물리적 특징은 대체로 내화도가 높고 원적외선 방사율이 크며 음이온의 표면전자로 늘 대전되어 있다.²³⁾ 

Fig. 2는 본 연구에서 사용한 반토규산염의 화학구조를 나타낸 것이다. 

Fig. 2. The chemical structure of alumino-silicate minerals.

2. 1. 2. 원료분말 제조

채굴한 원석은 일차적으로 직경 2~3mm 정도의 1차 분말로 가공한다. 1차 분말을 전기로에서 600~950^oC로 2시간 열처리하여 습기 및 휘발성 이물질을 제거한다. 열처리된 분말을 FAN CRUSHER로 2차 분쇄 후에 500~600 mesh 사이를 선별한다. 얻어진 분말을 전자현미경(SEM-Scanning Electron Microscope)으로 형상을 관찰하고 EDS (Energy Dispersive X-ray System)로 화학성분을 분석하였다. 

2. 1. 3. 음이온 페인트 제조

준비된 원료분말과 도료용 액상원료를 다음과 같이 원료분말 : 아크릴 에멀젼도료: 물: 에스터 알코올: 폴리우레탄을 무계비로 60 : 33 : 2.5 : 3 : 1.5로 섞은 다음 원심혼합기를 이용하여 밀도(1.4 kg/L), 점도(1000±200 mPa.s), 산성도(7±0.5 pH)이 될 때까지 30분 동안 혼합하여 도포용 페인트를 제조하였다. 

2. 1. 4. 음이온 방출시료 제작

직경 10 cm의 원형금속판에 준비된 페인트를 24시간 간격으로 6회 도포하여 총 두께 6mm의 페인트 층을 도포하여 건조시킨다. 건조된 시료는 40×40mm 크기로 절단하여 최종적으로 40×40×6mm의 음이온방출 시료를 준비하였다. 따라서, 40mm×40mm×1면+40mm×6mm×4면=2560mm² 음이온방출 표면적을 가지는 음이온 페인트시료를 시험장치에 넣어서 VOCs 제거효과를 시험하였다.

2. 2. 오염기체 분해 특성시험

원료 광물의 1차 분쇄 후 열처리 온도에 따른 효과를 알기 위하여 600^oC와 950^oC 두 온도에서 열처리된 원료분말로 두 종류의 시료를 제작하였다. 시료와 오염기체를 시험용기에 넣고 여러 가지 휘발성유기물 중에서 가장 많이 배출되고 인체영향이 크다고 알려진⁶⁾ 포름알데히드와 톨루엔 성분을 주 측정 대상으로 비교 시험하였다. 

준비된 시료를 5L 크기 반응기에 넣고 밀봉한 후, 주요 오염기체인 포름알데히드와 톨루엔을 기체 초기 농도 20 μmol/mol (ppm)으로 주입하고 기술표준원 공식 시험방법으로²⁴⁾ 시험가스의 농도를 측정하였다. 

시험장치 내부는 온도 23±5^oC, 습도 50±10%로 유지하였으며, 음이온 발생 시료를 넣지 않은 대조시험을 실시하여 그 효과를 비교하였다. 측정대상 기체의 농도를 24시간까지 정해진 시간 간격에 따라 측정하여 시간별 제거속도를 관찰하였다. 측정된 기체농도는 다음 식에 의하여 제거효율을 계산하였다. 

C₀: 대조 시험장치 내의 기체농도
C₁: 음이온페인트가 포함된 시험장치 내의 기체농도 

2. 3. 현장 적용 시험

시험장치에서 포름알데히드와 톨루엔의 제거효과가 입증된 음이온 발생 페인트의 도포효과를 실제현장에서 확인하기 위하여 600^oC에서 처리한 원료분말로 제조한 음이온페인트를 새 아파트에 직접 시공한 후 각종 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하였다. 현장에 시공한 새 아파트 1세대의 바닥면적은 99m²이며, 도포면적은 아파트전체 표면적 378m² 중 바닥과 벽체의 총 합으로써 180m²에 300 μm(0.3 mm)/m²를 도포하였다. 시료채취는 30분간 환기 후 대상실내를 5시간 이상 밀폐 후 벽으로부터 1m 이상 떨어진 거실의 중앙부위 높이 1.5m의 위치에서 30분간 채취하여 측정하였다. 오염기체 분해 특성시험과 같이 대조군과 시험군의 기체농도를 비교하여 제거율을 계산하였다.

3. 시험 결과 및 고찰

3. 1. 열처리 온도에 따른 원료분말의 형태 및 특성

Fig. 3은 열처리 온도가 다른 두 종류의 원료분말을 SEM으로 관찰한 결과로서 3~6 μm 크기의 분말로 구성된 것을 알 수 있으며 부분적으로 침상의 0.5~1 μm 정도의 작은 분말들도 혼재되어 있다. (a), (b)에 나타낸 600^oC에서 열처리한 분말이 (c), (d)에 보인 950^oC에서 열처리한 분말보다 더 작은 입자들로 구성되어 있으며 입자표면에 미세한 요철이 있는 것으로 관찰되었다. 이는 950^oC에서 열처리하는 동안에 일부 미세분말들이 소결되어 입자가 커진 것으로 생각되며 표면부의 미세 요철들도 완화되어 평탄화된 것으로 판단된다. 600^oC에서 열처리한 분말에 대해 실시한 EDS 성분분석 결과는 Table 1과 같이 Si를 주성분으로 Al과 Na이 주로 함유된 광물임을 알 수 있었으며, 성분분석 결과 원료광물의 화학식은 3Na₂O, 3.84Al₂O₃, 24.8SiO₂, nH₂O로 확인되었다. 

Fig. 3. The SEM morphologies of raw powder prepared with different heat treatment. (a), (b) heat treated at 600^oC for 2 hour (c), (d) heat treated at 950^oC for 2 hour.

Table 1. The chemical composition of mineral powder analyzed by EDS

3. 2. 분말 열처리 온도에 따른 오염기체 분해 효과

여러 가지 휘발성 유기화합물 중에서 가장 대표적인 포름알데히드와 톨루엔의 제거 효율에 미치는 페인트제조에 사용한 원료분말의 열처리 온도의 영향을 측정한 결과는 Table 2, Table 3과 같으며 다음 Fig. 4, Fig. 5는 이를 도표로 나타낸 것이다. 

Table 2. The effect of raw powder heat treatment temperature on the decomposition of formaldehyde

Table 3. The effect of raw powder heat treatment temperature on the decomposition of toluene

Fig. 4. The effect of raw powder heat treatment temperature on the decomposition of formaldehyde.

Fig. 5. The effect of raw powder heat treatment temperature on the decomposition of toluene.

Fig. 4와 Fig. 5에서 보는 바와 같이 600^oC에서 열처리한 분말로 제조한 페인트가 950^oC에서 열처리한 분말로 제조한 페인트보다 제거효과가 높은 것을 알 수 있다. 이는 Fig. 3에서 나타낸 분말의 미세조직 사진과 비교하여 분석하면 600^oC에서 열처리한 원료분말이 크기가 미세하고, 표면에 기공이 많은 불규칙한 모양으로 표면적이 넓어서 음이온 방출효과가 더 뛰어나기 때문이라고 생각된다. Fig. 4와 Fig. 5에서 포름알데히드, 톨루엔의 제거효율은 포름알데히드가 훨씬 빨리 제거되는 결과를 보였다. 이는 Table 4에 나타낸 것과 같이 포름알데히드가 톨루엔에 비하여 분자량이 적고 비등점이 낮은 가벼운 기체로서 음이온에 의해 쉽게 중화되기 때문으로 분석된다. 

Table 4. The properties of target gas

3. 3. 현장 적용 시험 결과

600^oC에서 처리한 원료분말을 사용해서 제조한 음이온 발생 페인트를 실제 미입주 아파트에 적용하여 효과를 실험한 결과는 다음 Table 5와 같다. 

Table 5. The result of applying anion-paint on actual living apartment

두 결과를 비교하여 계산한 결과 음이온 페인트를 시공하지 않은 경우 대부분의 휘발성유기화합물의 농도가 환경부 권고기준을 초과하였으나 음이온 페인트를 시공한 경우에는 제거하지 않은 경우에 비하여 제거율이 포름알데히드 92.2%, Benzen 10%, 톨루엔 95.9%, Ethylbenzen 74.4%, P-Xylen 73.8%, Styrene 83.7%로 측정되었다. 미시공 세대는 대부분 환경부 권고기준을²⁵⁾ 초과하는 오염농도를 보였으나 음이온페인트 시공세대에서는 Styrene 외에는 모두 권고기준보다 현저하게 낮은 농도를 나타내어 새집증후군 발생을 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 4. 고찰

이상의 결과로부터 건축 내장재인 가구, 합판, 페인트, 바닥재, 벽지 등에서 방출⁷⁾되는 포름알데히드, 톨루엔 등 각종 VOCs가 음이온 페인트로 효과적으로 분해됨을 확인했다. 따라서 본 연구결과는 지금까지 사용되던 TiO₂의 광촉매에 의한 새집증후군 중화법보다 효율적이다. TiO₂는 환경정화용 촉매로 매우 적합한 특성을 갖고 있지만 밴드갭 에너지가 3.2 eV로 비교적 높기 때문에 TiO₂가 광활성을 갖기 위해서는 에너지가 큰 자외선 부근의 빛(파장, ë≤388 nm)이 요구된다.²⁶⁾ 따라서 광물질을 이용한 촉매방식은 빛(자외선)이 없는 환경에서도 적용하고 원료물질이 풍부하고 저렴해서 주거환경 개선에 크게 유용한 방법으로 판단된다. 그러나 원료분말의 처리방법, 페인트 제조시 함량, 도포 두께 등에 대한 추가 연구를 통해 여러 변수의 최적화 연구가 필요하며 Styrene과 같은 분자량이 큰 VOCs의 처리를 위한 연구도 필요할 것으로 보인다. 

4. 결 론

반토규산염을 원료광물질로 하여 제조한 음이온 발생 페인트의 휘발성 유기 화합물 제거 효과를 이용하여 새집증후군 처리방법을 연구 시험한 결과 다음과
같은 결론을 얻었다. 

(1) 반토규산염 원료광물질 제조과정에서 600^oC에서 열처리한 분말의 제거효과가 950^oC에서 열처리한 분말보다 우수한 것으로 나타났으며 이 경우 24시간 이후 오염기체 제거율은 포름알데히드 88.9%, 톨루엔 72.2%였으며, 이는 600^oC 열처리 분말이 더 많은 기공과 균열을 포함하여 비표면적이 커서 음이온 발생효과가 크기 때문으로 생각된다.

(2) 발생된 음이온에 의한 VOCs 분해효과는 분자량이 크고 비등점이 높은 기체보다 포름알데히드와 같이 분자량이 적고 비등점이 낮은 기체에 더 효과적이다.

(3) 실 거주공간에 대한 현장적용 시험결과 음이온 페인트를 시공한 경우에 실내의 VOCs 농도가 음이온 페인트를 시공하지 않은 실내에 비하여 크게 낮았으며 환경부 권고기준을 충족하여 새집증후군 예방효과가 있는 것이 확인되었다. 

사 사

본 연구에 대하여 심도 있는 토론과 데이터 정리에 도움을 주신 한국산업기술대학교 김덕현 교수님께 감사를 드립니다.