친환경 건축내장재 탄화보드

[최덕성]

 친환경 건축내장재 탄화보드
글·사진 / 박상범 (국립산림과학원 환경소재공학과)

국립산림과학원 환경소재공학과에서는 시중에서 흔히 볼 수 있고 책상 또는 주방가구에 널리 사용되는 합판, 섬유판, 파티클보드를 원재료로 800℃ 이상의 초고온에서 가압 목탄화(木炭化)하여 유해 포름알데히드에 대한 강한 탈취력과 전자파 차폐력이 뛰어나면서도 불에 잘 타지 않고, 유해가스의 발생이 없는 다기능성 친환경 건축내장재 ‘탄화보드’를 국내 최초로 개발하였다. 이에 대하여 소개한다.

합판, 섬유판, 파티클보드는 일상에서 가장 많이 사용되는 목질계 건축재료이다. 합판은 베니어(Veneer), 섬유판은 섬유(Fiber), 파티클보드는 톱밥(Particle)을 원료로 하여 한 장의 넓은 판(1,220mm×2,440mmm, 4″×8″)을 만들기 위해서는 공통으로 접착제가 사용된다. 이들 접착제를 제조하는데 반드시 포름알데히드가 사용된다. 포름알데히드는 흡입, 흡수, 피부를 통해 인체로 침투되고 이중 흡입에 의한 독성이 가장 강한 것으로 알려져 있다. 주로 우리가 흡입하는 포름알데히드는 일반주택 및 공공건물에서 많이 사용되는 건축자재 이외에 가스난로 등에서의 연소과정, 접착제, 흡연, 의약품 등에서 발생되는 것으로 보고되고 있다. 그러나 목질재료는 접착제가 재료의 내부 깊숙이 들어 있어 수년간에 걸쳐 포름알데히드가 계속 방출되는 것으로 알려져 있다. 목질재료로부터 포름알데히드 방출을 줄이기 위한 산학연의 많은 노력에도 불구하고 싱크대, 책상, 가구가 새집증후군을 야기하는 대표적인 건축자재로 지목되고 있다.
목질재료를 원료로 포름알데히드를 제거하는 친환경 건축재료로 변환할 수는 없을까? 이러한 심각한 고민으로부터 만들어진 것이 탄화보드이다. 목질재료를 원료로 포름알데히드를 제거한 탄화보드로 전환하고자 하는 역발상은 성공만 한다면 실로 획기적인 아이디어라 할 수 있다. 왜냐하면, 나무를 숯가마에 넣고 목탄으로 만들면 그림처럼 섬유방향이나 방사방향으로 전부 갈라지는 것이 상식이기 때문이다. 목질재료도 나무가 원료이기 때문에 당연히 갈라진다.

이처럼, 목질재료를 갈라짐이나 뒤틀림 없이 100% 목탄화된 탄화보드로 만드는 것은 쉽지 않기 때문에, 이러한 연구가 수행된 예는 세계적으로 극히 드물다. 더욱이, 탄화보드에 전자파를 차폐하고 불에 안 타는 난연성을 부여하는 조건을 찾아내었다는 사실은 국립산림과학원의 획기적인 연구 성과라 할 수 있다.
최근 숯으로 성형된 판상 건축자재의 제품 동향을 분석해 본 결과, 대나무숯가루, 기능성 무기성분 및 친환경 무기계 접착제를 균일 혼합하여 원료를 제조한 다음 프레스로 압력을 가하여 성형시킨 후 소성하여 제조한 대나무숯보드, 참숯에 황토 등 다른 기능성 물질을 혼합한 황토참숯 벽판, 참숯을 그대로 심은 벽판 등 참숯을 이용한 장식품이 나름대로 주목을 끌고 있다. 그러나 압축에 의해 성형된 숯보드는 비중이 높아 무겁기 때문에 작업이 쉽지 않고, 또한 접착제를 혼합한 제품은 숯 고유의 흡착력과 전도성의 저해로 전기적 특성을 충분히 발휘하기 어렵다.
숯가마에서 초고온(1,000℃ 부근)으로 제조된 백탄(白炭)은 흡착, 단열, 내화, 내산성, 내열성 외에도 탄소함량이 90% 이상으로 전기에 대한 전도성이 매우 크다. 구리와 같이 전기전도성이 큰 물질이 전자파를 차폐하는 능력을 지니고 있는 것처럼 백탄도 전자파 차폐 능력을 지니고 있다. 만약 백탄을 얇은 판으로 제조만 할 수 있다면 전자파 차폐 소재로서 가능성은 매우 높다. 하지만, 길쭉한 나무 형상의 백탄을 합판처럼 한 장의 넓은 판으로 제조하면 문제는 매우 간단한데, 접착제의 사용 없이 탄소의 연결고리를 끊어지지 않게 한 장의 판으로 만드는 것이 여간 어려운 일이 아니다. 목질재료를 이용한 탄화보드의 제조는 우리 겨레 전통의 백탄제조 기술을 과학적으로 응용한 첨단 기술의 성과라 할 수 있다.

탄화보드의 제조

시판 숯보드는 대부분 숯가루에 접착제를 혼합, 압축 성형하여 만들어진다. 탄화보드는 숯으로 성형한 보드와 달리 목질재료를 원상 그대로 초고온에서 가압 탄화하기 때문에 접착제 없이 100% 숯으로만 구성되어 있는 것이 특징이다. 목질재료를 이용한 무할렬 탄화보드 제조기술은 산림과학원이 특허를 취득하였다(제10-0776545호).
탄화보드의 원료로 사용된 합판은 얇은 단판(veneer)에 접착제를 바른 후 나무의 결과 결이 엇갈리게 여러 겹으로 붙여서 만든 판상의 가공제품이다. 두께 0.5∼4㎜ 단판을 1매마다 섬유방향이 서로 직각으로 물리게 하여 3·5·7매 등의 홀수로 겹쳐 쌓아 접착제로 맞붙여 한 장의 널빤지로 만든 것으로 개량목재 중에서 가장 일반화된 제품이다. 섬유판(Fiberboard)은 목재를 비롯한 식물성 원료를 섬유상으로 해섬하여 열경화성수지 접착제를 첨가하거나, 그 밖의 접착성 소재를 혼합해서 열압, 경화시킨 판상제품을 총칭하며, 제조방법 및 밀도에 따라 다양한 제품으로 구분되고 있다. 파티클보드(Particleboard)는 목재 및 각종 바이오매스원료를 기계적으로 파쇄 또는 삭편화한 다음, 열경화성수지 접착제를 첨가해서 열압, 경화시킨 판상제품을 말한다.
시중에 유통되고 있는 합판, 섬유판(MDF), 파티클보드를 준비한 후 탄화로를 이용하여 400℃~1,000℃의 온도조건에서 탄화보드를 제조하였다. 탄화과정 중 뒤틀림을 방지하기 위하여 시험편의 상하부에 그라파이트판과 같은 초내열성 중량판을 삽입하고, 갈라짐을 방지하기 위하여 무산소하의 승온스케줄에 따라 온도를 천천히 올린다. 재래식 탄화법에서는 뒤틀림이나 갈라짐이 발생하지만 KFRI 특허기술로 개발한 가압탄화기술을 적용하면 갈라짐과 틀어짐을 방지할 수 있다. 전통식 백탄가마를 이용할 수도 있지만 탄화보드의 불량률을 줄이기 위해서는 고온에서 온도 조절이 가능하며 진공 및 불활성 가스의 주입이 가능한 특수탄화로가 필요하다.

탄화보드의 특성

포름알데히드 탈취력이 우수하다
포름알데히드(HCOH)는 1867년 호프만에 의해 발견된 무색의 자극적인 냄새를 가진 가스로 물, 알코올, 에테르 등에 잘 녹는다. 37% 전후의 수용액을 포르말린이라 한다. 화학적 성질은 반응성이 매우 풍부하고 열안정성이 좋으며 쉽게 중합한다. 물이 있으면 천천히 산화되어 개미산이 되며 염산과 반응하면 발암성의 비스클로로메틸에테르를 생성한다. 주요 용도로서 접착제, 플라스틱과 같은 각종 수지의 합성원료 외에 농약, 방부제, 소독제 등에 사용된다. 특히 포름알데히드는 2004년 IRAC의 등급이 상향되어 발암성 물질로 지정되어 있다.
고농도에서의 포름알데히드 제거시험은 다음과 같이 실시하였다. 5L의 데시케이터에 가로 4cm×세로 4cm×두께 1cm의 탄화보드 시험편을 1개 넣고 고농도의 포름알데히드(81ppm) 가스를 주입한 다음, 시간 경과에 따른 감소율을 조사하였다. 공시험에 의한 가스의 자연 감소율을 고려하여 포름알데히드 제거율을 계산하였다. 탄화보드의 포름알데히드 제거율은 휴대용 가스검지관으로 분석하였다. 탄화보드를 넣은 시험에서 120분 경과 후 포름알데히드는 초기 81ppm이던 것이 2ppm으로 감소하여 97%의 제거율을 나타내었다.
일상 생활공간을 상정한 저농도에서의 포름알데히드 제거시험은 다음과 같이 실시하였다. 스테인리스로 내부 처리한 일정한 크기의 챔버(1.9㎥)를 제작하여 가로 40cm × 세로 40cm × 두께 1cm의 탄화보드 시험편을 1개 넣고 저농도의 포름알데히드 가스를 방출하는 섬유판(가로 50cm × 세로 50cm × 두께 1.2cm 1장, KS E2 급)을 함께 설치하여 일정시간 방치 후 포름알데히드에 대한 방출거동을 조사하였다. 공시험(Control)에 의한 섬유판의 포름알데히드 자연 감소율을 고려하여 포름알데히드 제거율을 계산하였다. 탄화보드의 포름알데히드 제거율은 2,4-DNPH 카트리지에 포름알데히드를 흡착시킨 다음 HPLC로 분석하였다. 5시간이 경과한 시점에서 챔버 내 MDF의 포름알데히드 방출량은 911㎍/㎥이었으며, 탄화보드가 들어 있는 챔버 내 포름알데히드 방출량은 417㎍/㎥로 54%가 감소하였다. 24시간이 경과된 시점에서는 무처리가 982㎍/㎥인 반면, 탄화보드 처리구는 324㎍/㎥로 67%의 감소율을 나타내었으며, 48시간이 흐른 후에도 65%의 감소율을 보였다. 접착제가 함유된 건축자재에서 서서히 방출되는 포름알데히드가 탄화보드에 계속해서 흡착되는 것으로 판단되므로, 탄화보드를 실내 마감재나 인테리어 소품 등 다양한 방면으로 이용하면, 실내공기질 개선에 긍정적인 효과를 발휘할 수 있을 것이다.
탄화보드의 제조온도에 따른 흡착력을 평가하기 위해 가스흡착식 비표면적측정기(Model : Micrometrics ASAP2420)를 이용하여, 300℃에서 1Pa(7.5㎛Hg) 이하로 압력을 내려서 탈기시킨 후 질소가스를 사용하여 KS L ISO 18758(KS A 0094)에 의거하여 비표면적을 측정하였다. 단, 합판, 파티클보드, 섬유판의 무처리 시료는 105℃에서 전처리하였다. 일반적으로 재료의 비표면적이 높을수록 유해물질에 대한 흡착력이 높은 것으로 판단한다. 표에서 보듯이 목질재료 자체의 비표면적은 1 이하로 아주 낮고, 탄화온도가 올라갈수록 약간 증가하다가 600~800℃에서 피크를 나타내었다. 1,000℃에서는 반대로 줄어드는 것으로 나타났다. 600~800℃에서 제조한 탄화보드의 비표면적은 300㎡/g 부근으로 일반 목탄과 유사하였다. 결론적으로, 포름알데히드 등 유해화학물질의 흡착을 위한 탄화보드의 제조온도는 600~800℃가 최적인 것으로 판단된다.
전자파 차폐효력이 매우 우수하다
전자파 차폐에 대한 시험 결과는 주파수별 dB(데시벨)로 표시한다. 차폐성능의 효과가 10~30dB이면 최소한의 차폐효과, 30~60dB는 중간 정도의 차폐효과, 60~90dB이면 차폐효과가 크며, 90dB 이상이면 최고수준의 차폐효과가 있음을 나타낸다.
탄화온도별(400~1,000℃)로 제조한 탄화보드의 전자파차폐 시험 결과를 종합적으로 정리하면 다음과 같다. 탄화온도가 높아질수록 차폐효과(Y축)는 급격히 증가하며, 특히 800℃ 이상에서 제조된 탄화보드는 전주파수 영역에서 40dB 정도의 유의한 결과를 나타내었다. 900℃ 이상에서는 주파수(X축)에 따른 차폐효과에 큰 차이가 발생하며, 탄화온도가 높을수록 그 차이가 컸다. 일반적으로 차폐효과 40dB이면 제품으로서의 개발 가능성이 높은 것으로 인정되고 있는데, 900℃에서 제조된 탄화보드의 전자파 차폐효과는 고주파영역에서 80dB를 상회하였다. 1,000℃에서 제조된 탄화보드는 전주파수 영역에서 60dB를 상회하였으며, 특히 고주파 영역에서는 100dB 정도의 최고의 수치를 나타내어 99.99%의 차폐효과를 나타내었다. 결론적으로, 전자파 차폐효과를 발휘하기 위한 탄화보드의 제조온도는 800℃ 이상이 최적인 것으로 판단된다.
1,000℃ 이상의 높은 온도에서 제조된 탄화보드가 전자파를 차폐하는 효과가 큰 이유는 무엇일까? 목탄의 경우에는 탄화온도가 올라갈수록 휘발분이 줄어들고 탄소함량이 90% 이상 증가되어 전기저항이 낮아져 전기를 잘 통하므로 전자파를 차폐하는 것으로 알려져 있다. 500℃ 이하에서는 전기저항값의 측정이 불가능한 부도체의 성질을 나타내었으나, 800℃ 이상에서는 전기저항값이 13.4Ω으로 매우 낮아져 전도체의 성질을 나타내었다. 탄화보드의 제조온도와 전기저항값 사이에는 역상관의 관계가 있음을 알 수 있다.

화재시 불에 잘 타지 않고 유독가스 발생이 없다
연소성은 ATLAS사의 Dual Cone Calorimeter를 이용하여 ISO 5660-1에 의거하여 측정하였다. 그림 10과 11에서 보듯이 MDF는 연소과정에서 많은 연기와 화염을 발생하며, 10분 경과 후에는 거북등과 같이 갈라지면서 흑색으로 변하였다. MDF 탄화보드의 경우, 탄화온도 700℃ 이하에서 제조된 것은 연소 후 콘트롤 MDF에 비해 갈라짐이 크게 줄어 약간의 표면 갈라짐이 발생하지만, 800℃ 이상에서 제조된 것은 표면이 약간 백색으로 그을리는 것 이외에는 아무런 표면 변화가 관찰되지 않았다.
연소 10분 경과 후 MDF의 중량감소율은 64.37%였다. MDF 탄화보드의 중량감소율은 C-MDF-400℃에서 29.70%, C-MDF-600℃에서 20.63%, C-MDF-800℃에서 17.80%, C-MDF-1,000℃에서 16.02%로 탄화온도가 높아질수록 중량감소율은 낮아졌다. 탄화온도가 높을수록 탄화보드의 내열성은 증가함을 알 수 있다. KS-ISO의 실내마감용 건축재료의 난연기준에 따르면 열방출률(HRR)은 5분간의 최대 열방출률이 10초 이상 연속적으로 200kW/㎡ 를 초과하지 않는 것으로 규정되어 있다. MDF 자체는 이 기준을 만족하지 못하였으나, MDF 탄화보드는 모두 기준을 통과하였다. 총방출열량(THR)에 있어서는 5분간의 총방출열량이 8MJ/㎡ 이하로 규정되어 있는데, 800℃ 이상에서 제조된 탄화보드는 기준을 만족하였다. 결론적으로, 내열성 소재로의 이용을 위한 제조온도는 800℃ 이상이 최적인 것으로 판단된다.

맺음말

최근 일본에서 수입된 규조토 조습보드가 내장용 건축자재로 각광을 받고 있다. 조습보드는 흡착력이 큰 무기성분인 규조토나 화산재로 만들어져 유해화학물질에 대한 탈취력이 크고 불연성을 지니고 있다. 그러나 돌가루로 만든 판이기 때문에 무거워 다루기가 어려운데다 전자파에 대한 차폐력이 없다. 국립산림과학원이 개발한 MDF와 같은 목질보드류를 이용한 탄화보드는 가벼우면서도 내열성을 지니며 유해 VOC 물질을 흡착하는 탁월한 성능을 지니고 있어 포름알데히드 방출이 문제시되고 있는 싱크대, 가구, 책장 등의 부재로 사용될 수 있다. 또한, 탄화보드는 주거공간의 쾌적성 증진뿐 아니라 전자파 차폐 등 새로운 기능을 지니고 있어 친환경 건축재료로서 실용적 가치가 매우 높다. 아파트에서는 시멘트벽이나 건축재료의 유독가스로 인한 아토피나 새집증후군의 예방을 위해, 목조주택에서는 지나친 나무향기로 인한 어지럼증을 방지하기 위해 탄화보드가 하나의 해결책이 될 수 있다. 아무리 좋은 연구를 하고 제품이 좋아도 실용화되기까지 긴 시간이 소요된다. 산업화를 추진해 가는 과정에서 여러 가지 문제점이 생길 수 있는데, 이 점 여러분의 고견을 기다리는 바이다. 

 나무의 목탄화 나무를 목탄화하면 갈라진다.

 목질재료의 목탄화 목질재료를 목탄화하면 갈라진다.

 탄화보드의 제조공정 내열중량판에 의해 뒤틀림이 방지되고, 무산소 하의 승온스케줄에 의해 갈라짐이 방지된다.

 탄화보드의 원료인 목질재료 베니어, 섬유, 톱밥과 접착제가 혼합되어 넓은 목질재료가 만들어진다. 접착제에서 포름알데히드가 방출된다. 1. 합판(Plywood) 2. 파티클보드(PB) 3. 섬유판(MDF)

 목질재료로 제조한 탄화보드 KFRI 특허기술을 적용하면 목질재료를 목탄화해도 갈라지지 않는다. 1. 탄화 합판 2. 탄화 PB 3. 탄화 MDF

 타공 탄화보드와 컬러문양 탄화보드 구멍을 내면 표면적이 넓어지고 세라믹으로 컬러링하여 디자인을 부여할 수 있다. 1. 원형 타공 탄화 MDF 2. 사각 타공 탄화 MDF 3. 표면 컬러처리

 MDF와 탄화 MDF의 연소실험 결과 탄화보드의 제조온도가 높아질수록 열에 견디는 성질은 강해진다.

 탄화보드의 시공 사례 아파트 벽면과 목조주택의 천장에 탄화보드를 시공하여 인체 쾌적성을 높인다.

[황금빛]

좋은정보 감사 합니다.