투명단열재, 에어로겔,, 벽이나 유리에 붙여 열이용 및 열손실을 막는다.

중앙대 건축재료 200801에서 (주) 대장 이웅철 미장재와 단열재, 도장재 그리고 합성수지에 대해 배웠다. 이 중에서 단열재는 사람들에게 쾌적한 열환경을 제공함과 더불어 지속가능한 건축을 위한 재료로써 중요성이 점점 커지고 있다. 그래서 이번 레포트는 단열재의 특성과 단열의 원리에 따른 분류를 간략히 정리해보고, 최근에 많이 연구되고 있는 투명단열재와 에어로젤에 대해서 소개하고자 한다.     <UL> <LI> <DIV class=바탕글>단열재에 대하여</DIV></LI></UL> 우리가 하는 건축, 그 중에서도 집은 기본적으로 shelter의 역할을 하는데, 여기에는 열적인 측면도 포함된다. 만약, 겨울에 추워서 집에 들어왔는데 집안도 똑같이 춥다면 어떻겠는가. 물론 난방을 하겠지만, 단열이 잘 되어있지 않다면 난방 효과도 떨어질 것이다. 이런 점에서 단열은 열을 막아 더위나 추위를 느끼지 않게 해주는 역할과 더불어, 에너지의 손실을 막고 열효율을 높여주는 것이라고 볼 수 있다. 에너지 손실을 줄여 주기 때문에 경제적인 측면과 환경적인 측면에도 긍정적인 효과를 낼 수 있다. 건축적인 측면에서 보면, 건물 실내측 벽 표면 온도를 실내 공기의 노점 온도보다 높게 유지시켜 표면 결로 발생을 방지할 수 있다. 요즘은 단열재를 단열 효과 이외에도 방화, 방습, 소음이나 진동을 줄여주는 효과까지 낼 수 있는 것들도 있다. 하지만 유기질단열재 중에는 화재의 위험에 노출된 단열재들도 있다. 특히 화재가 발생했을 때 유독가스가 발생해서 질식 위험이 높다. 지난번 이천 냉동 물류창고 화재 사고에서도 인명피해의 주원인은 우레탄폼에서 발생한 유독가스였다.        <UL> <LI> <DIV class=바탕글>단열의 원리에 따른 분류</DIV></LI></UL> 열은 전도, 대류, 복사에 의해서 전달된다. 이러한 열전달을 어떻게 차단하는지에 따라서 단열재를 분류할 수 있다.     (1) 저항형 단열   저항형 단열재는 주요 열전달 방법인 전도를 차단하는, 즉 열전도율이 낮은 단열재이다. 열전도를 낮출려면 분자간 거리 멀고 다공질이며, 밀도가 낮아야 한다. 기체는 분자간 거리 멀기 때문에 전도에 대해서는 최고의 단열재라고 할 수 있다. 그래서 기포가 포함된 경량 콘크리트, 발포 폴리스틸렌, 중공층 등이 대표적 저항형 단열재로 사용된다. 그리고 기포 내에는 공기 혹은 열전도율이 매우 낮은 가스 등이 채워지게 된다. 수업시간에 배웠던 암면이나 유리섬유 등 대부분이 저항형 단열재이다.     (2) 반사형 단열     반사형 단열재는 복사열 에너지를 반사하는 단열재이다. 주로 밝고 빛나는 표면을 갖고, 복사열 흡수 및 방사율이 낮은 것이다. 알루미늄 호일이 대표적인 반사형 단열재이고, 복사 열전달이 큰 중공층, 다락 등의 공기층에 유효한 단열 방법이다.   <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/10_cafe_2008_05_22_11_01_4834d3ffdd3b8" border=0> <?xml:namespace prefix = v /><v:shapetype id=_x0000_t75 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f"><v:stroke joinstyle="miter"></v:stroke><v:formulas><v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></v:f><v:f eqn="sum @0 1 0"></v:f><v:f eqn="sum 0 0 @1"></v:f><v:f eqn="prod @2 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @0 0 1"></v:f><v:f eqn="prod @6 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="sum @8 21600 0"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @10 21600 0"></v:f></v:formulas><v:path o:extrusionok="f" gradientshapeok="t" o:connecttype="rect"></v:path><?xml:namespace prefix = o /><o:lock v:ext="edit" aspectratio="t"></o:lock></v:shapetype>    (3) 용량형 단열   용량형 단열은 축열에 의해 열전달을 지연시키는 것이고, 열용량이 클수록 축열 효과가 크다. 건축환경 수업 시간에 배웠던 내용이지만 혹시 모르시는 분들을 위해 간단히 설명하면     <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/1_cafe_2008_05_22_11_04_4834d496c8e6e" border=0>   사진과 같이 물탱크에 비교하자면, 큰 물탱크에서 물이 늦게 넘치는 것과 같이 열용량이 클수록 열을 늦게 전달하는 것을 말한다.     <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/13_cafe_2008_05_22_11_05_4834d4d80064c" border=0> <v:shapetype id=_x0000_t75 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f"><v:stroke joinstyle="miter"></v:stroke><v:formulas><v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></v:f><v:f eqn="sum @0 1 0"></v:f><v:f eqn="sum 0 0 @1"></v:f><v:f eqn="prod @2 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @0 0 1"></v:f><v:f eqn="prod @6 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="sum @8 21600 0"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @10 21600 0"></v:f></v:formulas><v:path o:extrusionok="f" gradientshapeok="t" o:connecttype="rect"></v:path><o:lock v:ext="edit" aspectratio="t"></o:lock></v:shapetype>  옛날 흙벽집도 축열에 의한 단열효과를 낼 수 있었다.         <UL> <LI> <DIV class=바탕글>투명 단열재</DIV></LI></UL> 투명 단열재는 이름 그대로 투명하면서, 저항형과 용량형 단열재의 특성을 모두 갖는 단열재이다. 열전도를 차단하는 것과 더불어, 태양열을 구조체에 축열한 후 야간에 실내로 방출할 수 있도록 한다.         <IMG class=c height=316 alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/8_cafe_2008_05_22_11_11_4834d635387b4" width=331 border=0> <v:formulas><v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></v:f><v:f eqn="sum @0 1 0"></v:f><v:f eqn="sum 0 0 @1"></v:f><v:f eqn="prod @2 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @0 0 1"></v:f><v:f eqn="prod @6 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="sum @8 21600 0"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @10 21600 0"></v:f></v:formulas><v:path o:extrusionok="f" gradientshapeok="t" o:connecttype="rect"></v:path><o:lock v:ext="edit" aspectratio="t"> <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/1_cafe_2008_05_22_11_11_4834d634f2c33" border=0></o:lock>   왼쪽  사진과 같은 투명단열재를 오른쪽 그림과 같이 건물의 외피에 시공할 수 있다. 이처럼 투명단열재를 벽체에 적용할 경우 겨울철에 외부의 태양복사열은 투과하여 구조체를 가열시키지만 정지된 공기층에 의해 실내의 열은 외부로 전달되지 않는다.     <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/10_cafe_2008_05_22_11_15_4834d74e5d9bd" border=0>창문에 설치한 투명단열재     게다가, 투명단열재는 투광성과 단열성을 가진 재료를 접목하여 열손실방지라는 단열재의 본래의 기능과 더불어 열취득까지 할 수 있다. 태양복사열을 반사하여 내부로 직접 모아 열로 전환시켜 건물의 난방부하 절감을 위해 사용할 수도 있다. 따라서 건물유리, 벽체, 태양열 집열판 등에 설치되어 에너지 절약효과를 극대화할 수 있다.       <UL> <LI> <DIV class=바탕글>에어로젤(aerogel)</DIV></LI></UL> 에어로젤은 신소재로서 이름 그대로 공기로 된 젤을 말한다. 무게가 같은 부피의 공기보다 약 3배 정도밖에 되지 않아 가장 가벼운 고체라고 할 수 있다. 단열재로 사용하는 것은 실리카 에어로젤이고, 투명 단열재로 사용할 수 있다. 아직은 안정성 문제와 과난방 등의 문제점으로 일반화 되지는 못하고, 계속 연구중에 있다. 하지만 단열재로서 필요한 낮은 열전도율, 내화성, 발수성의 특성을 갖고 있다.   에어로젤은 공정 중 액체 성분을 물로 바꿀 때 나노 사이즈의 기공들로 가득 차게 된다. 초다공질이라고까지 불릴 정도이다. 다공성은  앞서 저항형 단열재에서 설명하였듯이 열전도율을 낮추는 효과를 낸다. 이해하기 쉽게 옷감과 비교해보면, 겨울옷에 사용되는 울에 해당한다고 할 수 있다. 울이 면보다 겨울 외투로 더 잘 쓰이는, 울 속의 두터운 공기층이 외부의 열을 차단하고 내부의 열이 나가지 못하도록 해서 더 따뜻하게 느끼는 것이다. 에어로젤로 만들어진 단열재의 열전도율은 공기보다도 더 낮은 열전도율을 갖는다. 지금까지 어떤 단열재도 이정도의 열전도율을 갖는 것은 없었다.   <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/14_cafe_2008_05_22_11_22_4834d8f595881" border=0>       <IMG class=c height=236 alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/9_cafe_2008_05_22_11_22_4834d8f50639f" width=200 border=0>     에어로젤의 뛰어난 단열성을 보여주는 사진이다.     게다가 에어로젤은 섭씨 1100도 정도의 온도에도 타지 않는다. 다른 단열재들이 보냉, 보온에 구별되어 쓰이는 것에 반해 에어로젤은 -200 ~ 650도까지 사용이 가능하다. 그리고 발수성을 갖고 있기 때문에 거의 반영구적인 단열재로 사용할 수 있다.   <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/8_cafe_2008_05_22_11_26_4834d9b7555c6" border=0>에어로젤을 이용한 단열창의 설계   <IMG class=c alt="이미지를 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다." src="https://t1.daumcdn.net/cafefile/pds74/7_cafe_2008_05_22_11_26_4834d9b72f856" border=0>     에어로젤 단열재를 사용한 건물의 모습      에어로젤은 우레탄의 반정도 두께만으로 동일한 열특성을 보인다고 한다. 만약 위에서도 말했던 이천 냉동 물류창고 화재 현장에 우레탄폼이 아닌 에어로젤이 사용되었다면 인명피해를 훨씬 줄일 수 있었을 것이다.   ------------ <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=580 align=center border=0> <TBODY> <TR> <TD colSpan=3>창유리 대신 투명단열재 <DIV style="LINE-HEIGHT: 22px"> <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=210 align=right border=0> <TBODY> <TR> <TD width=7 rowSpan=5> <IMG height=1 src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fimg.hani.co.kr%2Fsection-image%2Fblank.gif" width=7 border=0></TD> <TD> <IMG alt="" hspace=0 src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fimg.hani.co.kr%2Fsection-kisa%2F2004%2F06%2F29%2F00100000012004062901709318.jpg" border=0> △ 투명단열재의 시공 모습. </TD> <TD width=7 rowSpan=5> <IMG height=1 src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fimg.hani.co.kr%2Fsection-image%2Fblank.gif" width=7 border=0></TD></TR> <TR> <TD bgColor=#ffffff height=1> <IMG height=10 alt="" src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fimg.hani.co.kr%2Fsection-image%2Fblank.gif" width=1 border=0></TD></TR></TBODY></TABLE>유리건물 난방걱정 끝~ 요즘 시내를 다니다 보면 깔끔하게 유리나 철로 지어진 사무용 건물들을 많이 발견하게 된다. 1970~80년대 지어져 냉난방 시설이 잘 안되어 있다면 한여름에는 찜통이 되고 겨울에는 그야말로 냉장고가 따로 없다. 그러지 않기 위해서는 많은 에너지를 건물 유지관리에 쏟아 부어야 한다. 요즘 짓는 유리 건물은 이러한 문제를 해결 할 수 있다. 창유리 대신 단열성이 높은 투명단열재를 사용해 빌딩이나 주택의 냉난방효과를 높이는 것이다. 한냉지에서 사용하면 난방부하를 현재의 40∼10%까지 줄일 수 있다고 한다. 자연형 태양열 시스템 응용분야에 가장 유망한 기술인 투명단열재는 최신 단열시스템 중 가장 실용성이 높은 재료이다. 투명단열재는 열관류율이 낮고 태양광투과율이 높으며, 태양열복사에 대한 열변환 효율이 우수하여 겨울철에 태양에너지를 효과적으로 이용할 수 있다. 투명단열재는 주간에 남측면의 투명단열재를 통하여 검은색으로 처리된 벽 표면에 태양열을 흡수 및 저장하여 야간에 실내로 방출하는 개념이다. 태양열 획득이 가능한 시간과 최대 열손실이 발생하는 시간이 일치하지 않으므로 시간상의 지연을 고려하여 축열체의 밀도가 높아야 한다. 투명단열시스템은 외부유리, 차양장치, 투명단열재, 플라스틱 필름이나 얇은 유리판과 벽체 등의 구성요소들이 프레임에 의해 고정되는 형태가 일반적이다. 외부유리로는 보통 강화유리가 사용되며, 차양장치로는 롤러 블라인더 등이 사용된다. 프레임으로는 낮은 열전도율을 가진 재료를 사용하고, 태양광을 최대로 받아들이기 위해 두께는 가능한 얇게 한다. 외기침투와 시스템내의 대류현상을 방지하기 위해 밀폐된 벽에 부착한다. 단열재 내부는 낮 동안에 50~80℃까지 상승하여 축열체를 가열하게 된다. 최근 개발되고 있는 실리카 에어로겔은 거의 투명하며 밀도는 0.05∼0.2g, 기공률은 90∼98%이다. 1g당 500∼1,000㎡나 되는 다공질로서 표면적이 매우 크다. 또한 태양광 투과율은 3㎜ 두께 판유리가 90%인 것에 비해, 두께가 1㎝인 에어로겔은 94%, 열전도도는 유리섬유 등 통상 단열재의 반 정도의 수치이다. 실리카 에어로겔은 뛰어난 성질을 갖는 재료이나, 실용화에는 기계적인 강도와 제조비용의 문제가 남아 있다. 투명단열재는 채광의 효과를 기대할 수 있다. 이때문에 창을 대신한 채광효과 및 직접적인 공간 난방에도 활용할 수 있다. 또 축열벽을 설치하여 이를 야간에 활용하여 에너지 절약을 기대할 수 있다. 투명단열시스템은 일반 단열재에 비해 아직 고가이다. 그러나 단열과 벽체마감을 동시에 할 수 있으며 한번 시공하면 환경에 부담을 주지않고 지속적으로 에너지를 공급받을 수 있는 장점이 있다. 공간을 나누고 열을 차단하는 기능만 있는 벽체가 아니라 에너지를 받아들여 굴뚝이 없는 건물들로 구성된 도시를 그려본다. 이태구/세명대 건축공학과 교수 </DIV></TD></TR> <TR height=5> <TD colSpan=3></TD></TR></TBODY></TABLE> <xSCRIPT language=xxjavascript> function f_openCC(){ if(document.getElementById("openCC")){ document.getElementById("openCC").style.display="inline"; document.getElementById("hideCC").style.display="none"; } if(document.getElementById("openCC_button")){ document.getElementById("openCC_button").style.display="inline"; document.getElementById("hideCC_button").style.display="none"; } } function f_hideCC(){ if(document.getElementById("openCC")){ document.getElementById("openCC").style.display="none"; document.getElementById("hideCC").style.display="inline"; } if(document.getElementById("openCC_button")){ document.getElementById("openCC_button").style.display="none"; document.getElementById("hideCC_button").style.display="inline"; } } </xSCRIPT> <TABLE id=hideCC style="TABLE-LAYOUT: fixed; DISPLAY: inline" cellSpacing=0 cellPadding=0 width=580 border=0> <TBODY> <TR> <TD></TD></TR></TBODY></TABLE> <TABLE> <TBODY> <TR> <TD bgColor=#bdbdbd colSpan=3 height=1></TD></TR> <TR> <TD bgColor=#f0f0f0 colSpan=3 height=3></TD></TR> <TR height=5> <TD colSpan=3></TD></TR> <TR> <TD colSpan=3> <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=580 align=center border=0> <TBODY> <TR> <TD colSpan=5 height=5></TD></TR> <TR> <TD width=80>지리산숨결</TD> <TD width=420>생태건축에 대해 자료를 조사하면서 생각이 드는 것은... 흙과 나무를 이용하는 것만이 중요한 것인가 하는 것이다. 정말 중요한 것은 건물을 짓고 그 건물을 유지하는데 에너지를 얼마나 최소화할 수 있느냐, 아니 제로화 할수 있는가 하는 관점이 더욱 중요하다고 생각됩니다. 요즘 생태건축이라고 등장되는 흙과 나무를 이용한 건축들은 친환경적 자재를 사용하는데 지나친 초점이 맞춰져 정작 중요한 환경의 문제, 에너지의 문제를 소홀히 다룬다는 느낌이 듭니다. </TD> <TD width=10></TD> <TD width=70>07-05 11:05</TD> <TD align=middle width=20><A href="xxjavascript:alert(‎'로그인을 하세요.');"> <IMG src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fnaturei.net%2FCOMMUNITY%2Fimages%2Fbutton_comment_delete.gif" border=0></A></TD></TR> <TR> <TD colSpan=5 height=5></TD></TR> <TR> <TD background=images/bbs_view_div_line.gif colSpan=5> <IMG src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fnaturei.net%2FCOMMUNITY%2Fimages%2Fbbs_view_div_line.gif"></TD></TR> <TR> <TD colSpan=5 height=5></TD></TR> <TR> <TD width=80>호야(呼夜)</TD> <TD width=420>흠.. 그렇기도 하네요.. 숨결님과 같은 생각이 문득문득 듭니다 하지만, 흙과 나무는 제가 사라질 때, 자연스럽게 원상복원이 된다는 점이 매력이지요..ㅎㅎ 추울 때는 춥고 더울 때는 더워야 하는 것도 우리네 삶이겠지요. 몸을 너무 아끼면 마음이 나태해지더라구요..ㅎㅎ 감사... </TD> <TD width=10></TD> <TD width=70>08-10 21:37</TD> <TD align=middle width=20><A href="xxjavascript:alert(‎'로그인을 하세요.');"> <IMG src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fnaturei.net%2FCOMMUNITY%2Fimages%2Fbutton_comment_delete.gif" border=0></A></TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE>