1. 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

근대에 급격한 산업화에 따른 환경오염에 대한 문제는 지속적으로 제기되어 왔으며, 이는 어느 한 사회나 국가만의 문제가 아닌 전 세계적인 문제로서 범 국가적 차원에서 논의가 지속되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 파리 기후 협약(Paris Climate Change Accord) 이후 탄소 배출을 저감하여 대기 오염을 억제하기 위한 노력이 진행 중에 있으며, 국내의 경우에도 봄·가을 미세 먼지로 인한 문제에 직면하여 이에 대응하는 정책을 펴고 있는 상황이다.

실내 공기 질은 실내의 특정 장소에서 이루어지는 특정 작업과 행위에 따라 약 900여 종의 오염물질이 존재한다고 알려져 있다(Lee and Kim, 2011). 현대인 이 일상 생활에서 실내에서 활동·거주하는 시간은 하루의 약 90%에 달하며 이러한 이유로 실내 오염물질은 건강에 직접적 영향을 미칠 수 있는 요인이 될 수 있다(MOLIT, 2019). 이러한 문제에 대응하기 위해 정부에서는 2021년에 기존 “지하생활공간공기질관리법” 을 “실내 공기 질 관리법”으로 개정하여 공포하고, 도서관과 박물관, 대합실, 의료 기관 등 총 24개 시설군 으로 구분하여 실내 공기 질을 관리하고 있다. 또한 신축 공동 주택의 경우에 폼알데하이드를 비롯한 휘발성 유기 화합물의 오염도를 사전에 측정하여 입주하기 전 이를 공고하도록 하고 있다(Han et al., 2006). 정부에서 이러한 노력을 기울이는 이유는 실내 공기 질이 실외 오염도에 비해 10배나 높다는 조사가 있으며(MOLIT, 2019), 실내의 경우 활동에 따른 공기 오염도가 급격히 증가할 수 있는 환경을 가지고 있기 때문이다. 이러한 환경에 오랜 시간 노출이 되면 건강 에 악영향을 주며 이에 대한 의료비를 비롯한 사회적 비용의 증가를 초래하기 때문에 이를 적절히 관리하고자 하는 것이다.

실내 공기를 오염 시키는 원인은 인간의 생활에 필요한 활동, 예를 들면 음식의 조리, 난방 등의 행위에서도 발생할 수 있다. 또한, 앞서 기술한 바와 같이 신축 공동 주택에서 실내 공기 질을 측정하는 이유는 건축 자재에서 발생하는 오염물질이 있기 때문이며 건축 자재는 오염물 방출 시험 등을 거치나 모든 종류의 자재가 방출 시험을 하는 것은 아니다. 건축 자재에서 발생하는 오염물질에 대한 연구는 예전부터 지속적으로 이루어져 왔으며, 마감재인 벽지, 바닥재, 페인트, 접착제 등 다양한 종류의 건축 자재에서 폼알데하이드를 비롯한 오염물질이 방출되는 것으로 알려져 있다(Oh and Lee, 2006). 이러한 문제는 단시간에 해결되기 어렵고 대표적인 오염물질인 폼알데하이드는 건축 자재에서 방출이 되며, 눈과 코 등의 자극과 구토 등의 증상을 발생 시킬 수 있으며 동물 실험에서는 발암성이 있는 것으로 보고되는 등 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있다(Lee and Han, 2003).

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 여러 가지 방법이 제시되고 있다. 생활을 위한 활동을 제어할 수 없기 때문에 적당한 환기 등을 권고하며, 신규 주택의 경우에도 베이크 아웃(Bake out) 방법을 통한 유해 물질 오염도를 낮춘 후 입주하는 방법, 친환경 자재에 대한 적용 및 인증 확대 등 다양한 방법이 제시되고 있다. 다만 이러한 방법은 일시적 효과를 제시할 수는 있지만 건축 자재에서 지속적으로 발생되는 오염물질에 대한 문제는 해결할 수 없는 상황이다. 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 제시되는 건축 재료로 광촉매가 있으며 일본 등 일부 국가에서는 광촉 매를 활용한 제품들이 판매되고 있다.

광촉매는 말 그대로 빛 에너지를 통해 화학반응을 촉진시키는 촉매로서 다양한 유기 오염물질 및 악취 가스의 분해, 자정 기능을 가진 친환경 재료로 알려 져 있으나(Oh and Lee, 2006), 국내에서는 광촉매의 건설 자재로서의 적용 사례는 많지 않으며 이는 일정한 품질의 광촉매의 확보가 어렵고 사용 방법 및 광촉매 효과에 대한 검증이 부족하기 때문으로 사료된다.

본 연구에서는 기존에 상용화된 광촉매보다 저렴한 저비용·고성능의 광촉매를 혼입한 모르타르 타입의 마감재를 개발하고 이를 실내 공기 오염물질 중 위험도가 높은 톨루엔, 아세트알데하이드, 총휘발성유기화합물(TVOCs)의 제거성능을 평가하고자 하였다.

1.2 광촉매 유기물분해 메커니즘

광촉매 반응이란 고유 band gap을 가지는 반도체 물질 표면에 band gap 이상의 에너지(Eg)를 갖는 빛을 조사하였을 때 conduction band로 여기(excited)되는 전자와 balance band에 생성되는 정공(hole)에 의해 강한 산화력을 갖는 OH radical (HO·), superoxide radical (·O₂) 등을 생성함으로써 난분해성 오염물질들을 H₂, O, CO₂ 등의 무해한 성분으로 분해, 처리하는 방법이다(Lergrini et al., 1993;Mills and Hoffmann, 1993). 광촉매 반응은 크게 산화물 반도체를 이용하는 불균일계 광촉매 반응과 유기금속화합물을 이용하는 균일계 광촉매 반응으로 구분할 수 있으며, 불균일계 광촉매 반응에서는 반응물이 촉매에 흡착되고 이들이 촉매 표면에서 반응하며 생성물이 촉매로부터 탈착 되는 단계를 거쳐 화학반응이 진행된다(Fujishima et al., 1995).

2. 연구방법

2.1 실험계획

앞서 기술한 바와 같이 실내에 사용되는 건축 자재에서도 많은 오염물질이 발생하며, 이러한 물질 중에는 소량이지만 독성이 강한 물질들이 많다. 아래의 표와 같이 접착제, 보드, 가구 등 다양한 건축 자재에서는 벤젠, 톨루엔 등 다양한 오염물질이 발생하며 실내 거주 시간이 길어진 현대사회에서는 꼭 해결해야 할 문제라고 판단된다. 아래의 표는 건축 자재에서 방출되는 주요 유기화합물에 관련된 내용이다.

건축 자재 뿐 아니라 실내 활동 등에서도 다양한 오염물질이 발생하고 이에 대한 문제점은 지속적으로 제기되는 바, 본 연구에서는 광촉매를 혼입한 마감재를 활용하여 실내 오염물질 저감을 목표로 실험을 진행하였다. 실내 오염물질은 워낙 종류가 다양하기 때문에 이 중에서 대표적인 오염물질인 총휘발성유기 화합물과 톨루엔, 아세트알데히드 농도 저감을 목표로 하였으며, 건축 자재로 가장 널리 사용되는 시멘트를 기반으로 하여 광촉매 혼입 마감재를 개발, 이를 현장 모의 시험을 통해 저감 성능 검증을 확인코자 하였다.

기존 연구를 통해 광촉매의 함량은 약 40%로 설정하였으며 광촉매 비율을 고정하고 시험 변수로 실리 카퓸 첨가량으로 진행하였다. 이는 화학 혼화제 사용에 따른 오염 농도 변화를 최소화하고 화학 혼화제를 사용하지 않아 발생할 수 있는 응결 저하 및 강도 저하와 같은 문제를 최소화 하고자 실리카퓸을 일정 비율로 첨가하였다. 광촉매의 상용 제품들이 주로 액상형으로 표면 코팅제 등으로 주로 제품화되었으나, 본 연구에서는 레미탈과 유사한 분말형태의 마감재 개발을 목표로 필요한 물리적 성질을 확보하면서 부착 성능을 보유하기 위하여 실리카퓸 비율은 변수로 고려하게 되었다.

이를 통해 본 연구 최종 목표인 마감재의 성능을 갖춘 광촉매 혼입 분말형 마감재의 배합 설계를 제안하고 이를 활용한 실내 유해 물질 저감 성능을 정량적으로 평가하였다.

2.2 측정방법

환경부에서 제시한 대기오염공정시험법을 기준하여 아세트알데히드와 총휘발성유기화합물 시험을 진행하였으며, 아래는 두 종류를 측정하기 위한 방법을 나타낸다.

2.2.1 2,4 DNPH 카트리지와 액체크로마토그래프법

이 시험 방법은 아세트알데히드와 관련된 유해 물질을 측정하는 방법으로써 카보닐화합물과 DNPH가 반응하여 형성된 2,4-다이나이트로페닐하이드라진(이하 DNPH라함)이 반응하여 형성된 DNPH 유도체를 아세토나이트릴(acetonitrile) 용매로 추출하여 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 자외선(UV) 검출기의 360 ηm 파장에서 분석하는 방법이다(NIER, 2007a).

2.2.2 고체흡착관과 기체크로마토그래프-MS법

이 방법은 대기 환경 중에 존재하는 휘발성유기화합물(VOCs)의 농도를 측정하기 위한 시험방법으로 일정량의 흡착제로 충전한 흡착관에 시료를 채취하여 휘발성 유기 화합물을 추출하고 기체크로마토그 래피에 주입하여 분리한 후 불꽃이온화검출기(FID), 광이온화 검출기, 전자포착검출기(ECD) 등을 이용해 측정하는 방법이다(NIER, 2007b).

2.3 사용재료

2.3.1 바인더 및 잔골재

본 연구에서는 광촉매가 혼입된 실내 마감용 자재를 개발하기 위해 KS L 5204 규격에 부합하는 국내 U사의 플라스터와 백시멘트를 사용하였다. 또한, 가사시간 촉진을 위해 사전 시험을 통해 소량의 알루 미나 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 7호 규사를 사용하였다.

2.3.2 광촉매

광촉매는 앞서 기술한 바와 같이 빛 에너지를 통해 화학작용을 일으켜 오염물질을 분해하는 촉매 중 하나로서 본 연구에서 사용된 광촉매는 산화티탄(TiO₂) 이다. 산화티탄은 광촉매 중에서도 가장 안정적인 물질로서 내마모성, 내구성이 우수한 것으로 알려져 있어 건설 자재로 적용함에 있어 가장 적합한 종류의 광촉매이다.

광촉매의 경우 결정구조(Anatase, Rutitle, Brookite) 에 따라 크게 3종류로 나뉘게 되며, 이중 Anatase형 결정구조를 가지는 이산화티타늄이 가장 우수한 광촉매 활성을 가지고 있다고 알려져 있으며(Kim et al., 2009), 광촉매 활성뿐 아니라 물리·화학적 안정도가 높아 다양한 분야에 적용되고 있다.

현재 상용중인 광촉매는 독일의 P-25, 일본의 ST-01 등이 대표적으로 꼽히며, 이들은 Anatase형 결정구조를 가지는 고성능 광촉매이지만 kg당 가격이 고가로써 대량으로 사용되어야 하는 건설업에 적용하기에는 무리가 있다. 따라서 본 연구에는 폐슬러지에서 추출한 광촉매(GST)를 사용하였으며 화학적 특성은 다음과 같다.

2.3.3 혼화재료(실리카퓸)

앞서 기술한 바와 같이 본 연구에서는 마감재로서 필요한 물리적 성능을 확보하기 위해 국내 M사의 실리카퓸을 사용하였으며 사용된 실리카퓸에 대한 화학적 성질은 다음과 같다.

2.3.4 혼화제

혼화제로는 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 폴리카르본산계 감수제의 일반적인 특징은 유동성 확보가 용이하고 지속기간이 비교적 길며 강도 증진이 빠른 것으로 알려져 있다. 본 연구에 서는 국내 D 사의 제품을 시멘트 대비 1.2% 첨가하였다.

2.3.5 실험배합

위와 같은 재료를 사용하여 연구를 위한 실험배합 조건을 실리카퓸 첨가량에 따른 총 5개의 변수로 구성하였으며 이에 따른 각 변수별 배합 조건은 Table 4 와 같다.

2.4 시험방법

2.4.1 강도 발현 특성

마감재의 기본 구성은 모르타르 타입이기 때문에 압축강도와 휨강도는 KS L ISO 679에 준하여 40 × 40 × 160 mm의 시험체를 통해 시험을 진행하였다. 마감재의 가장 중요한 인자 중 하나인 부착강도 시험은 100 × 100 mm의 기본 모재를 제작하고 2layer 방식으로 광촉매 마감재를 10 mm 이하 두께로 마감하여 제작하였다.

2.4.2 실내 오염물질 저감성능 평가

본 연구에서는 가설 건축물(3×6×2.8 m) 내부에 광촉매 혼입 마감재를 미장한 보드를 설치하여 실내 환경을 조성하였으며, 자외선 제어 및 측정 오차 최소화를 위하여 암막·밀폐공간을 조성하였다.

실내 오염물질은 2종의 표준 가스(아세트알데히드, 톨루엔)를 주입하여 실내 오염 환경을 조성하였다.

광촉매 활성을 위한 광원으로는 UV 및 태양광(가시광)을 병행하여 사용하였으며 UV램프는 바닥에서 약 1 m 띄워 설치하였고, 초기(자외선 차단시) 실험 시 광촉매 활성을 차단하기 위해 암막조건을 24시간 이상 지속한 뒤 성능 평가를 진행하였다.

이와 같이 조성된 실내 환경을 이용하여 톨루엔, 아세트알데히드, 총휘발성유기화합물에 대한 저감 성능 평가를 진행하였으며 측정 방법은 고체 흡착관을 이용하여 30분 단위로 샘플을 채취하고, 이를 기체크 로마토그래프-MS법을 사용하여 농도를 측정하였다.

3. 결 과

3.1 강도 발현 특성

Fig. 4, 5와 같이 압축 및 휨강도에 대해 측정을 진행 하였다. 압축강도와 휨강도는 실리카퓸 첨가량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 5%이상 첨가 시 강도 증가율이 저하되었다. 실리카퓸은 분말도가 높고 포졸란 반응이 촉진되어 강도가 증진된다고 알려져 있으며(Kim et al., 1991), 이러한 연구 결과와 같이 실리카퓸이 첨가된 경우 압축강도와 휨강도가 증진되었다. 실리카퓸 1%, 3%의 첨가 case에 비해 5% 이상의 경우는 약 30% 이상의 강도 증진이 이루어졌으나 7%이상에서는 큰 폭의 강도 증진이 이루어지지 않았는데 이는 W/B (water/binder)비율을 고정 시켜 사용함에 따른 단위 수량 부족에 따른 결과라 사료된다.

부착 강도는 앞서 기술한 바와 같이 마감재의 특성상 중요한 성능이다. 부착 강도의 실험 결과도 Fig. 6 과 같이 앞선 압축 강도와 비슷한 경향을 보였으며, 5% 이상 치환하여 첨가한 경우 1.3 MPa의 강도를 확보할 수 있었다. 다만 10%를 첨가한 경우 7% 첨가의 경우 보다 부착 강도가 낮게 측정되었으며, 이는 미분말의 실리카퓸 첨가량이 늘어남에 따라 고정된 W/B (water/ binder)비율에 따른 단위 수량의 부족과 블리딩에 의한 표면수가 빠르게 증발하면서 오히려 부착면의 강도가 저하된 것으로 판단된다. 또한, 시멘트에 비해 실리카퓸은 고가이며, 다량의 첨가 시 초기 응결속도 증진에 따른 작업효율 저하와 균열 발생 우려가 있어 5% 의 첨가량이 적당하다 판단된다.

3.2 실내 유해물질 분해 특성

광촉매를 활용한 실내 유해 물질 저감성능에 대한 현장시험에 대한 결과이다. 실내시험이 아닌 실외시험으로 밀폐조건을 확인하기 위해 사전 시험을 진행 하였고, 유해 가스의 안정화는 약 2시간정도 소요되는 것으로 실험 결과를 확인할 수 있었다. 이후 소량 의 가스를 주입한 뒤 30분 간격으로 농도 측정 샘플을 체취하였다.

시험동에 암막 조건에서 표준 가스를 주입하고 안정화 시간을 두고 초기 농도 측정 샘플을 채취하였다. 이를 기준으로 총 90분간 시험을 진행하였으며 샘플 체취 간격은 30분이었다. Fig. 7은 아세트알데히드 저감 성능 결과로서 초기 농도의 안정화 후 자외선을 활 용한 조사 결과 초기 4292.5 μg/m³에서 2951.4 μg/m³ 로 약 31% 저감됨을 확인하였다. 시험 시작 후 60분 후 측정된 샘플에서 측정 값이 약 2% 증가하는 경향을 보였으나 이는 포집 과정에서 발생한 오차라 판단 되며 최종 90분 경과 시 제거율이 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 톨루엔 저감 성능 또한 Fig. 8과 같이 약 29%의 저감율을 보였으며 시험 시작 초기보다 시간이 지남에 따라 제거율이 급격히 증가함을 확인할 수 있었다.

Fig. 9에서 총휘발성유기화합물의 저감율을 보면 아세트알데히드와 톨루엔에 비해 낮은 약 11%의 저감 율을 보였으며, 다만 경향은 앞선 두 경우와 마찬가 지로 시간이 지남에 따라 급격히 저감율이 상승하는 경향을 보였다. TVOCs가 수치상으로는 가장 낮은 저 감율을 보였으나, 이는 분자량이 높은 톨루엔의 분해 과정에서 추가적으로 발생할 수 있는 2차 화합물에 포함된 VOCs 성분 때문으로 일정 수준 수치가 증가한 것으로 추정되며 실제적으로는 11%보다 높은 저감율을 가질 것으로 판단된다.

4. 결 론

광촉매 혼입 마감재를 활용한 실내유해물질 저감 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

앞서 기술한 바와 같이 광촉매를 활용한 건축 자재의 실내 유해물질 저감성을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과를 통해 앞으로 친환경 건축 자재로서 광촉매가 활용될 가능성이 높을 것으로 판단된다. 다만 광촉매의 실내 유해물질 저감 성능에 대한 장기적인 성능 평가, 저감 성능이 저하되었을 경우 이를 해결할 수 있는 방법의 제안, 명확한 현장 시험 방법 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.