1. 서 론
라돈은 암석과 토양에 자연적으로 존재하는 우라 늄의 붕괴로 인해 발생하는 방사성 가스이다. 실외에 서는 라돈 농도가 낮더라도 실내에서는 건물 지반을 통해 스며들어 실내에 높은 수준으로 축적될 수 있다 (Shergill et al., 2021). 일반 인구집단의 라돈 노출 대부 분은 토양 가스를 통해 이루어지는데, 이는 흡연 다 음으로 폐암의 중요한 원인이 된다(Vogeltanz-Holm and Schwartz, 2018).
캐나다의 한 연구에서 주거용 건물의 라돈 발생 농 도는 학교 건물보다 평균 3배, 실외 공기보다 12배 높 았던 것으로 전해진다. 하루 중 70% 가량을 집 안에 서 보내는 캐나다인들에게 있어 가정에서의 라돈 노 출은 폐암 위험의 90%까지 기여한다. 이러한 결과는 주거용 건물에서의 라돈 노출을 줄이는 것이 라돈으 로 인한 폐암을 예방하기 위한 가장 중요한 방법임을 시사한다(Chen, 2019).
그러나 주거환경의 라돈 저감 시공은 상당한 비용 을 필요로 한다. 라돈 저감 비용은 특히 기존 건축물 에서 시행하느냐, 신축 건축물에서 시행하느냐에 따 라 달라진다. 기존 건축물에서는 라돈 발생원이 오염 수일 때보다 지반이나 건축자재일 경우 저감 비용이 더 많이 들고, 신축 건축물에서는 주로 건축 유형에 따라 달라지지만 기존 건축물에 비해서 신축 건축물 의 라돈 농도는 더 적은 비용으로도 낮게 유지할 수 있다(Svensson et al., 2018;.Darby et al., 2005). 이론 연 구에서도 방호벽 설치를 통한 라돈의 실내 유입 예방 이 비용 효과가 큰 것으로 나타났다(Finne et al., 2019).
유럽, 호주 및 북미에서 주택 라돈 저감 시공 후 효 율을 평가한 연구들에서는 기존 주택에서 기준치보 다 높았던 라돈의 초기수준이 최대 97.5%까지 감소되 었으며. 이들 연구에서는 배수조 바닥하부 감암법(SSDS, sub-slab soil or sump-depressurization system)이 적용 되었다(Stanley et al., 2017;Brossard et al., 2015;Boardman, 2015). 전반적으로 SSDS가 기존 주택에 가 장 효과적인 라돈 교정 기법인 것으로 나타났으나 기 존 주택을 SSDS로 교정하는 것은 신규 주택 건축 시 방호벽이나 라돈 차단막을 설치하는 것보다 많은 비 용이 들게 된다. 스웨덴과 같은 일부 북유럽 국가들 은 실험적으로 현지 주택과 유사한 건축설계를 가진 4개의 모델 단층 건물에 열 회수 환기(HRV, heat recovery ventilation) 시스템을 통해 라돈의 초기수준 을 100% 감소시켰지만, 일반 가정에서는 25~75% 밖 에 효과가 없었고, 핀란드는 기존 건물과 신규 건물 모두에서 라돈웰 기술을 채택하여 최대 80%의 효과 를 나타냈다(Khan et al., 2019).
국내에서도 2018년 실내공기질 관리법이 개정되면 서 신축공동주택 실내공기질 측정 항목에 라돈이 추 가됨에 따라 2018년 이후 승인된 100세대 이상 신축 공동주택 건설 시 라돈 저감을 고려하여 설계·시공해 야 한다. 그러나 현재 신축 건축물에 대한 라돈 저감 시공은 극히 일부만 진행되고 있으며, 주요 필요 자 재에 대해서는 대부분 수입에 의존하고 있는 상황이 다(Lee, 2019). 따라서 본 연구에서는 국내 실정에 맞 는 라돈배출매트, 라돈차단막, 라돈탈기조를 개발하 고 검증하였으며, 각각의 라돈 저감 효과를 평가 하 는데 있다.
2. 재료 및 방법
2.1 시제품 제작 방법
2.1.1 라돈비투과막
라돈비투과막은 라돈차단필름에 증착된 고분자에 그래핀을 접목하여 라돈가스가 통과하지 못하는 5겹 구조의 특수 라돈가스 차단필름을 지칭한다.
그래핀은 높은 기계적 강도(Young’s modulus 1,000 GPa, Tensile strength 130 GPa), 내화학성, 유연성/신축 성, 뛰어난 기체 차단성 및 얇은 두께 등과 같은 우수 한 물리적 성질을 가진 차세대 신소재로, 변형된 허 머(modified Hummer) 방법을 이용하여 그래핀 옥사 이드를 제조하였다(Hummers and Offeman, 1958). 본 연구의 그래핀-폴리머 복합체 필름의 제조 방법은 그 래핀 옥사이드를 환원시키는 환원 단계, 환원된 그래 핀 옥사이드를 분산시키는 분산 단계, 분산된 그래핀 옥사이드를 개질시키는 개질 단계, 개질된 그래핀과 폴리머를 혼합하여 그래핀-폴리머 복합체를 형성하 는 폴리머 혼합 단계, 경화제를 첨가하는 단계, 3D 프 린트된 기재를 코팅하는 코팅 단계 및 코팅된 3D 프 린트된 기재를 경화시키는 경화 단계를 포함한다.
사용된 질산나트륨(NaNO3), 과망간산칼륨(KMnO4), 황산(H2SO4), L-아스코르브산, SDBS (Sodium dodecylbenzene sulfonate), 4-니트로아닐린(4-nitroaniline), 아질산아밀(Isoamylnitrite), 506 에폭시 수지(아랄다 이트) 및 2,4-디아미노톨루엔(2,4-diaminotoluene)은 미 국의 화학, 생명과학 및 생명 공학 회사인 시그마 알 드리치社 (Sigma Aldrich)로부터 구입하여, 정제 없이 사용하였다.
그래핀-에폭시 복합체의 특성을 분석하기 위해, 투 과전자현미경(Transmission electron microscope), 적외 선(Fourier transform infrered spectroscopy) 및 라만 분광법(Raman spectrum)을 사용하였으며, 915, 1185 cm-1에서의 적외선 대역들은 그래핀-에폭시 복합체 의 상대적인 경화를 모니터링하는 데 사용하였다. PLA (Poly lactic acid)와 ABS (Acrylonitrile butadiene styrene) 기재는 3D 프린터로 출력하여 제조하였다. 그래픽- 에폭시 복합체는 스프레이 에어 건을 사용하여 PLA (Polylactic Acid)와 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 기재에 각각 코팅되었다. 천연 흑연(200 mesh 이하) 은 미국 매사추세츠에 본사를 둔 알파 에이사社 (Alfa aesar)에서 생산된 것을 정제과정 없이 사용하였다.
2.1.2 라돈배출매트
라돈배출매트는 앞서 제시한 라돈비투과막과 함께 시공되어 효율을 측정하였다. 판 구조의 감압 패널을 통해 건물 하부의 토양에서 발생하는 라돈 가스가 원 하는 방향으로 이동하도록 유도하고 가장자리에 설 치된 배기파이프와 팬을 통해 라돈 가스를 건물 외부 로 배출할 수 있도록 하는 건축물 바닥재 형태의 라 돈저감 시공 방식이다.
본 연구에서는 압축 성형(compression molding) 방 법으로 요철형 라돈 매트를 가공하였고 Nylon 6, polypropylene 및 polyethylene terephthalate (PET)를 원료로 사용하였다. 매트의 최대공간을 확보하여 콘 크리트 등의 하중을 견딜 수 있는 충진제, 섬유 등의 강화 방법을 적용하였다. 매트릭스는 계란판과 같은 요철 구조로 구성하였으며 최대 공간과 물성을 고려 하고 공간을 보호하기 위해 PET fiber 부직포를 상하 로 배치하였다.
2.1.3 라돈탈기조
라돈탈기조는 흡기 면적 조절이 가능해 다양한 환 경과 범위에서 적용이 가능하며, 건물에 직접 시공하 여 작용하는 것이 아니라 주변부 토양에만 영향을 주 므로 건물기초에 직접적인 라돈저감시공이 어려운 오래된 건물, 유적지 등의 특수한 건축물에도 적용 가 능하다. 또한 토양의 자연 통기성이 우수한 지역에서 그 효과성이 높으며 효율성 확보를 위해 일부 토양에 자갈층을 조성하기도 한다.
기존의 라돈탈기조에서는 라돈팬이 70 cm 직경의 원기둥 본체 전체 유량에 대해 작용하였다면 개발품 은 깊이를 줄이고 대신 내부 원기둥을 부착하여 팬이 가장자리 부분 유량만 당겨 올리도록 만들어 잉여유 량 및 전력의 과잉소모를 줄이도록 설계하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 Test Bed 설치
강원도 삼척시 근덕면에 위치한 대지면적 약 1,000 m2에 라돈비투과막, 라돈배출매트, 라돈탈기조 등에 대한 저감 효율 평가 연구를 위한 Test Bed를 설치하 였다. 토양에서 유입되는 라돈 가스을 차단하기 위하 여 라돈배출매트와 라돈비투과막을 Test Bed 기초에 시공하였으며, 설치 장소는 Test Bed 관리동 1개소와 글램핑 숙소 4개동 중 2개동에 설치하였다. 다만 관리 동의 경우 라돈배출매트와 라돈비투과막을 1층 기초 부와 2층 바닥부에 시공하였으며, 라돈탈기조는 Teat Bed 주변부에 설치하였다.
Test Bed 토공사 완료 후 기초공사 과정에서 방습필 름 및 단열재는 제외하였으며, Test Bed 내 부지 정리 후 토피층은 자갈로 시공하였다. 라돈배출매트와 라 돈비투과막의 저감효율 실험에서 토양 라돈의 간섭 이 될 수 있는 콘크리트 타설은 제외하였으며, 골조 작업은 판넬로 구성하였으며 밀폐를 유지하기 위하 여 지붕을 설치하였다.
2.2.2 측정방법
2.2.2.1 토양 라돈측정
Test Bed에 시공된 라돈배출매트와 라돈비투과막 의 토양 라돈 저감 효율 평가 연구를 위하여 토양 라 돈농도 측정을 실시하였으며, 토양 라돈측정 장비는 스웨덴 RADONNOVA 社의 MARKUS10으로 측정하 였으며, 측정 심도는 토양층 0.8 m~1 m 지점에서 측 정하였다. 토양 라돈측정은 Fig. 1과 같이 2021년 2월 15일부터 6월15일까지 Test Bed 내 관리동과 글램핑 4개동 주변 총 26지점에서 8회 측정하였다. 라돈배출 매트와 라돈비투과막이 설치된 관리동과 글램핑 숙 소 E 및 숙소 H, 라돈배출매트와 라돈비투과막이 설 치되지 않은 글램핑 숙소 F와 숙소 G를 대상으로 토 양 라돈농도를 측정하여 라돈배출매트와 라돈비투과 막 설치에 따른 라돈 저감 효과를 비교 분석하였다. 또한 라돈탈기조의 가동여부에 따라 라돈배출매트와 라돈비투과막의 라돈 저감 효과를 분석하였다.
2.2.2.2 실내 라돈측정
라돈배출매트와 라돈비투과막의 토양 라돈 저감에 따른 실내 라돈 변화를 확인하기 위하여 실내 라돈농 도 측정을 실시하였으며, 실내 라돈측정 장비는 영국 DURRIDGE 社의 RAD7으로 측정하였다. 실내 라돈 측정은 Fig. 2과 같이 4월16일부터 6월 15일까지 Test Bed 관리동 1층 2지점과 2층 2지점, 글램핑 숙소 4개 동에서 각 1지점씩 총 8지점에서 6회 측정하였으며, 측정시간은 1시간 간격으로 48시간 측정하였다. 신축 건물의 경우 라돈배출매트와 라돈비투과막 시공에 따른 실내공기의 라돈 농도 개선 상태를 직접적으로 파악하기 위한 대조군을 확보하는 것이 불가능함에 따라 실내공기 중 라돈농도가 실내공기질관리법 권 고기준 148 Bq/m3 이하임을 확인하는 것으로 효율성 평가를 갈음하였다.
3. 결 과
3.1 토양 라돈측정
Fig. 3과 같이 2021년 2월15일부터 6월15일까지 Test Bed 내 관리동과 글램핑 4개동 주변 총 26지점에서 8 회 측정한 토양 라돈 평균농도는 54,355 Bq/m3로 측정 되었으며, 최소 3,300 Bq/m3에서 최대 133,700 Bq/m3 로 측정되었다. 라돈비투과막과 라돈배출매트가 설 치되지 않은 글램핑 숙소 F와 숙소 G에서 2월22일에 측정한 토양 라돈농도는 67,509 ± 28,284 Bq/m3로 측 정되었다. 라돈비투과막과 라돈배출매트가 설치된 관 리동과 글램핑 숙소 E 및 숙소 H에서 4월16일에 측정 한 토양 라돈농도는 65,180 ± 10,919 Bq/m3로 측정되 었으며, 5월11일에 측정한 토양 라돈농도는 56,265 ± 14,677 Bq/m3로 측정되어, 라돈비투과막과 라돈배출 매트 설치 여부에 따라 라돈 저감율을 4월16일 3.5%, 5월11일 16.7%의 저감효과를 나타내었다. 이때 라돈 비투과막과 라돈배출매트가 설치된 관리동과 글램핑 숙소 E 및 숙소 H에서 Test Bed 주변에 설치된 라돈탈 기조를 가동할 경우 토양 라돈농도를 측정한 결과 4 월 28일 40,813 ± 15,806 Bq/m3, 5월 25일 32,441 ± 14,772 Bq/m3, 6월 15일 31,481 ± 16,347 Bq/m3로 측정 되어, 라돈비투과막과 라돈배출매트가 설치되지 않 은 글램핑 숙소 F와 숙소 G에서 2월22일에 측정한 토 양 라돈농도는 67,509 ± 28,284 Bq/m3과 비교하여 라 돈 저감율을 4월 28일 39.5%, 5월 25일 51.9%, 6월 15일 53.4%의 저감효과를 나타내어 라돈비투과막과 라돈 배출매트가 설치된 상태에서 라돈탈기조를 가동할 경우 보다 효과적인 라돈 저감 효과를 나타내었다.
Table 2와 같이 본 연구에서 Intervention 1 (라돈비 투과막과 라돈배출매트)가 시공된 경우 토양 라돈농 도는 49,181 ± 21,594 Bq/m3로 측정되었으며, Intervention 이 시공되지 않은 경우 토양 라돈농도 65,317 ± 24,695 Bq/m3로 측정되어 Intervention 1의 라돈 저감효과는 24.7% 저감되는것으로 나타났다. 또한 Intervention 2 (Intervention 1 + 라돈탈기조)가 시공된 경우 토양 라 돈농도는 34,861 ± 15,875 Bq/m3로 측정되었으며, Intervention 2가 시공되지 않은 경우 토양 라돈농도 63,500 ± 16,483 Bq/m3로 측정되어 Intervention 2의 라돈 저감 효과는 45.1% 저감되었다.
Intervention 2 (Intervention 1 + 라돈탈기조)가 시공 될 경우 Intervention 1 (라돈비투과막과 라돈배출매 트)보다 토양 라돈농도 저감효과는 1.8배 증가하는 것 으로 나타났다.
3.2 실내 라돈측정
4월16일부터 6월 15일까지 Test Bed 관리동 1층 2지 점과 2층 2지점, 글램핑 숙소 4개 동에서 각 1지점씩 총 8지점에서 6회 실내 라돈농도를 측정하였다. Test Bed 주변 라돈탈기조를 가동중인 상태에서 라돈비투 과막과 라돈배출매트가 설치되어 있는 글램핑 숙소 E, H에서의 실내 라돈농도는 13.8 ± 1.8 Bq/m3로 측정 되었으며, 라돈비투과막과 라돈배출매트가 설치되지 않은 글램핑 숙소 F, G에서의 실내 라돈 농도는 25.8 ± 6.3 Bq/m3로 측정되어, 라돈비투과막과 라돈배출매트 이 설치여부에 따라 실내 라돈농도가 46.5% 낮은 측 정결과를 나타내었다. 이는 라돈비투과막과 라돈배 출매트가 토양에서 기인한 라돈가스를 효과적으로 차단하는 결과로 보여진다. 다만 토양 라돈농도 대비 실내공기 중 라돈농도는 각각 0.039%와 0.041%로 나 타나 실내 라돈농도가 토양 라돈농도와 비교하여 상 당히 낮은 관계로 비율적인 측면에서 큰 차이를 보이 지 않았다.
4. 결론 및 고찰
본 연구에서는 Test Bed에 관리동 1개소와 글램핑 숙소 4개동 중 2개동에 라돈비투과막, 라돈배출매트, 라돈탈기조 등을 설치하여 토양라돈 및 실내라돈에 대한 저감 효율 평가하였으며 다음과 같은 결과를 얻 었다. 토양 라돈측정 결과 Intervention 1 (라돈비투과 막과 라돈배출매트)이 시공된 경우 토양 라돈농도 49,181 ± 21,594 Bq/m3, Intervention이 시공되지 않은 경우 토양 라돈농도 65,317 ± 24,695 Bq/m3로 Intervention 1의 라돈 저감효과는 24.7% 저감되는 것으로 나 타났다. 또한 Intervention 2 (Intervention 1 + 라돈탈 기조)가 시공된 경우 토양 라돈농도 34,861 ± 15,875 Bq/ m3, Intervention 2가 시공되지 않은 경우 토양 라돈농 도 63,500 ± 16,483 Bq/m3로 Intervention 2의 라돈 저 감효과는 45.1% 저감되어, 토양 라돈농도 저감효과는 Intervention 2가 Intervention 1보다 1.8배 증가되었다. 실내 라돈측정 결과 Intervention 2가 설치된 경우 실 내 라돈농도 13.8 ± 1.8 Bq/m3, Intervention 2가 설치되 지 않은 경우 실내 라돈농도 25.8 ± 6.3 Bq/m3로 라돈 비투과막과 라돈배출매트의 설치여부에 따라 실내 라돈농도가 46.5% 낮은 측정 결과를 나타내었다. 따 라서 라돈비투과막과 라돈배출매트, 라돈탈기조가 설 치됨에 따라 토양에서 기인한 토양 라돈가스가 실내 로 유입되는 것을 효과적으로 차단함으로서 밀폐되 어 있는 실내에서의 라돈 농도가 저감되는 경향을 나 타내고 있다.
라돈에 대한 국민인식이 증대되어 있으며, 현재 거 주하는 주택 및 건물에 대한 불안감도 확대되고 있는 현 상황에서 본 연구에서 평가한 라돈 저감 제품에 대 한 개발 결과물을 환경복지 또는 주거복지 차원으로 활용하여 국민적 피해에 대한 인식을 해결할 수 있는 방안 모색이 가능할 것으로 예상되며, 또한 국내에서 생산되지 않는 라돈차단제에 대하여 외국의 수입제 품과 비교하여 국내경쟁력을 확보하고, 라돈 저감에 대한 수요가 증대되고 있는 라돈 시장에 국산화를 통 한 시장 활성화에 기여할 수 있다고 판단된다.
