투명단열재와 에어로젤 에어로겔

투명단열재와 에어로젤 에어로겔

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.

 

 

• 단열재에 대하여

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.

 

 

  

• 단열의 원리에 따른 분류

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.

 

 

 

(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

 

  

사진과 같이 물탱크에 비교하자면, 큰 물탱크에서 물이 늦게 넘치는 것과 같이 열용량이 클수록 열을 늦게 전달하는 것을 말한다.

 

 

 

옛날 흙벽집도 축열에 의한 단열효과를 낼 수 있었다.

   

 

 

• 투명 단열재

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.

 

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.

   

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.

 

 

 

• 에어로젤(aerogel) 에어로겔
  
  
  
  

  꿈의 단열재, 에어로겔 상용화 길 열었다!
  
  
  

  
  

  
  

  
  

  
  

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.

젤의 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.

 

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.

  단열과 방음효과가 우수한 첨단소재 에어로젤 

  지구상에서 가장 가벼운 고체인 이 제품의 원재료는 유리와 똑같은 규소지만 무게는 유리입자의 1천분의 1에 불과하다. 입자 크기는 30나노미터. 공기보다 3배 정도 무거운 에어로젤의 구조는 머리카락 1만분의 1 굵기인 구조체들이 솜사탕처럼 얽혀서 공기구멍이 전체부피의 95%를 차지한다. 이러한 공기구멍 때문에 단열과 방음효과가 아주 좋다.

  단열효과 실험에 있어서, 동일한 환경에서 에어로젤로 만든 판과 같은 두께의 석고보드 위에 버터를 올려놓고 섭씨 176도의 온도로 가열한다. 이때 가열 3분 만에 석고보드 위의 버터가 녹기 시작하고, 그 10분 뒤 버터가 절반이나 녹았을 때 비로소 에어로젤 위의 버터가 녹기 시작한다. 이러한 것은 석고보드의 열전도율이 140~180인데 비해 에어로젤의 열전도율은 10으로 상대적으로 매우 낮기 때문이다. 

 에어로젤은 현재 최고의 단열재인 스티로폼 보다도 성능이 4배 정도 좋다. 단열효과가 좋은 에어로젤은 현재 일부 첨단산업에서만 사용되고 있다. 미항공우주국(NASA) 등에서 우주선이 우주를 드나들 때 대기층에서 발생하는 열을 막기 위한 단열재로 에어로젤이 사용된다. 에어로젤은 지금까지 미국 캐봇, 아스핀에어로젤사 등에서 생산해 온 최첨단 소재이다. 우리나라의 한 벤처기업에서 이 첨단소재를 순수 국내기술로 생산한다고 2007년 4월 발표한 바 있다.

  에어로젤이란 단어 속에 공기를 의미하는 에어로(aero)와 3차원의 입체 구조를 의미하는 젤(gel)이란 단어가 합성돼 있는 이유가 바로 그 때문이다. 명칭대로 공극률(空隙率, 孔隙率), 즉 공기가 90% 이상을 차지하고 있는 만큼 무게가 극히 덜 나간다. 에어로젤의 밀도는 공기 밀도(0.001g/㎤)에 비해 3배인 0.003g/㎤에 불과하다. 우리가 보통 사용하는 유리에 비교해서는 1000분의 1에 불과하다고 보면 되는데 지금까지 인류가 제조한 소재 가운데 가장 가벼운 고체라고 할 수 있다.

  무게가 그처럼 덜 나가는데도 불구하고 부피는 매우 크다. 에어로젤 500g 정도를 사용하면 성인 크기의 사람 형태를 제작할 수 있다. 그러나 강도는 매우 강해 에어로젤 500g 정도로 소형 자동차의 무게를 가볍게 지탱할 수 있다. 높은 기공률로 인해 높은 방음력, 충격완화, 단열 등의 장점이 있는 것도 주목을 받고 있다. 특히 높은 투광성에 비해 열전도가 매우 낮아 유리창을 대신할 투명단열재로서의 가치가 아주 높은 것으로 평가받고 있다. 

 에어로젤을 새로운 생산 공정의 개선으로 상용화한다고 생산기술연구원에서 2008년 10월 16일 발표함에 따라 총 4조원에 육박하는 국내 단열재 시장도 급변할 것으로 보인다. 특히 에어로젤을 LNG선의 단열재로 활용하려는 국내 중공업계의 관심을 끌 것으로 전망되고 있다. 이 제품이 양산되면 다양한 분야의 응용제품 개발이 앞당겨질 뿐 아니라 친환경, 고효율 제품의 실용화도 앞당겨 질 것으로 보인다.

 

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