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유현 박
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1 CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 18, No. 1, March 2012, pp. 14~21 총설 친환경건축물단열재최근연구동향 박종문, 김동환, 서동진 * 고려대학교 - 한국과학기술연구원에너지환경정책기술대학원, 그린스쿨서울특별시성북구인촌로 7 길 16-1 한국과학기술연구원청정에너지연구센터서울특별시성북구화랑로 14 길 5 (2011 년 12 월 26 일접수 ; 2012 년 1 월 18 일수정본접수 ; 2012 년 1 월 18 일채택 ) Recent Research Trends for Green Building Thermal Insulation Materials Jong-Moon Park, Dong-Hwan Kim, and Dong Jin Suh * Green School, Korea University-Korea Institute of Science and Technology 5-Ga, Anam-dong, Seongbuk-gu, Seoul, Korea Clean Energy Research Center, Korea Institute of Science and Technology Hwarangno 14-gil 5, Seongbuk-gu, Seoul, Korea (Received for review December 26, 2011; Revision received January 18, 2012; Accepted January 18, 2012) 요 약 친환경건축물에사용되는미네랄울, 폴리우레탄등전통적인단열재로부터최근에주목받고있는 VIP (Vacuum Insulation Panel), 에어로젤, 그리고미래기술로연구되고있는 VIM (Vacuum Insulation Material), DIM (Dynamic Insulation Material) 등단열재및단열시스템의특성과장단점을비교하였다. 매우낮은열전도율을지닌 VIP 및에어로젤은기존단열재에비해에너지소모를줄일수있으므로주거면적을크게확대할수있는장점이있으며, 특히에어로젤은반투명및투명재질로만들수있어건물에응용될수있는가능성이매우크다. 단열재는낮은열전도율뿐만아니라, 건설현장응용성, 기계적강도, 내화성, 비용및환경영향등을고려하여야하므로, 전통적인단열재및최신단열재를활용하고지속적으로개선시키는노력을해야할것이다. 주제어 : 단열재, 그린빌딩, 에어로젤 Abstract : The pros and cons of green building thermal insulation materials and systems have been reviewed from traditional thermal insulation materials such as mineral wool and polyurethane to new thermal insulation materials like VIP and aerogel and future insulating VIM and DIM. VIPs and aerogels with very low thermal conductivity can use for green buildings to significantly increase residential area by reducing energy consumption. Aerogels can be produced as not only opaque and but also translucent forms, thus enabling a wide range of possible building application. For building applications, there are many properties to consider like building site adaptability and mechanical strength, fire protection, cost and environmental impact. Keywords : Thermal insulation materials, Green building, Aerogel 1. 개요 우리나라는인구의 90% 가도시에거주하고, 산업, 건물등도시민의생활과관련된온실가스배출량이대부분이다. 특히건축물분야는국가온실가스배출량의 25.6% 를차지하며, 녹색건축물보급을통한온실가스감축여력이크다 [1]. 미국의경우, 건축물은미국내전체에너지의 36% 를소비하고, 전력소비의 65%, 이산화탄소배출의 30% 를점유하고있 * To whom correspondence should be addressed. djsuh@kist.re.kr 다 [2]. 미국내그린빌딩시장은 2010년부터 2015년까지연간 19.5% 의성장이전망되고있다 (Figure 2). 유럽의경우에너지사용의 40% 를건축물이차지하고있으며, 단열을보강하는것과같은에너지효율화를한다면연간이산화탄소 4억6천만톤을감축할수있다고한다. 2007년까지유럽에서는 8,000개이상의건축물이저에너지기준에의해건설되었다 [3]. 또한 2010년 5월 19일유럽연합은 건물에너지성능지침 (EPBD, Directive on the Energy Performance of Buildings) 을통과시켰는데, 이는회원국들에게 2020년까지신규로지어지는건물은에너지사용제로근사기준 (nearly zero en- 14

친환경건축물단열재최근연구동향 15 Table 1. Thermal conductivity of green tomorrow s insulation materials Area Thermal insulation material Thermal conductivity Bedroom Vacuum Insulation 4.

세계건설시장에서도녹색건축물 ( 그린홈 / 그린빌딩 ) 기술비중은 2008년 5% 에서 2030년 60% 까지상승할것으로전망하고있다 [5]. 정부는신규건축물의에너지기준강화, 기존건축물의에너지효율개선촉진등녹색건축물활성화를통해 2020년까지건축물온실가스배출량을 31% 감축하는목표를제시한바있다 [1].

2 친환경건축물단열재최근연구동향 15 Table 1. Thermal conductivity of green tomorrow s insulation materials Area Thermal insulation material Thermal conductivity Bedroom Vacuum Insulation 4.5 mw/mk Aerogel 15 mw/mk Livingroom Triple glazing (U-value) 0.85 W/m 2 K Figure 1. Projected US total green building market ( ergy standard) 을만족시키는것을촉진하는안을담고있다 [4]. 세계건설시장에서도녹색건축물 ( 그린홈 / 그린빌딩 ) 기술비중은 2008년 5% 에서 2030년 60% 까지상승할것으로전망하고있다 [5]. 정부는신규건축물의에너지기준강화, 기존건축물의에너지효율개선촉진등녹색건축물활성화를통해 2020년까지건축물온실가스배출량을 31% 감축하는목표를제시한바있다 [1]. 이중초단열원천소재의개발, 제조, 공정기술확보는에너지절약형건물보급의근간이되는것으로매우중요하다고할수있다. 본지에서는전통적인단열재에서부터최근주목받고있는단열재를소개하고그특성을비교해보고자한다. 2. 단열재국내현황 우리나라단열재구성비는 65% 가발포폴리스티렌, 발포폴리우레탄, 압출발포폴리스티렌, 폴리에틸렌등유기단열재가차지하고있으며, 나머지 35% 가유리면 (glass wool), 광질면 (mineral wool) 등무기단열재가차지하고있다 [6]. VIP, 에어로젤같은최신단열재는대형건설사위주로일부건물에활용되고있으며, 아직대중화되지못한상태이다. 2010년 7월지식경제부와에너지관리공단이국립과천과학관에준공한그린홈제로하우스에는 200 mm 두께로성형된고압축발포폴리스티렌제품인인슈블럭을활용하여블록간접합부위와모서리접합부위등에대한열손실을최소화했다 [7]. 2009년 11월개관한 S사의그린투모로우에는진공단열보드, 에어로젤등이활용되었다. 서재에활용된진공단열보드는단열재료 ( 심재 ) 를외피로봉합하고진공상태로유지하여두께가얇고열전달차단성능을개선한단열재이며, 에어로젤은나노사이즈의이산화규소를실로성형한고체상태입자로, 가벼우며단열성능이우수하다. 현관에는내외부판을분리구조로하여단열및기밀성능을향상한고기밀 / 고단열방화문을설치하여소음차단, 결로 방지성능을개선하였으며, 두개의유리사이에설치한블라인드로실내유입일사를차단하고외피사이의중공층을외부와의완충공간으로활용하여열적성능과환기성능을향상한이중외피시스템을적용하였다. 거실에는삼중유리와열교방지프레임설계로단열을강화한삼중창호시스템을설치하였는데, 이는내 / 외부 Low-E 유리와중간유리사이아르곤가스를충전하여열손실을저감하고결로발생및차음성능을개선하였다 [8]. 사용된단열재의열전도도는 Table 1과같다. 3. 전통적인단열재기존의단열재의경우공사현장에서의유연성은높으나, 30~ 40 mw/mk 의비교적높은열전도율을갖는다. 때문에제로에너지건물 (zero energy building) 이나패시브하우스 (passive house) 기준을충족시키기위해서는외피의두께가너무두꺼워질수있으며, 수분함량에따라열전도율이높아질수있다. 폴리우레탄은 20~30 mw/mk의낮은열전도율을가지나, 화재시독성가스가발생하는문제점이있다 [9] 광질면 (Mineral wool) 유리면과암면 (rock wool) 도보통매트및보드형태로생산되는데, 충진재로도활용된다. 광질면의열전도율은 30~40 mw/ mk인데, 온도, 수분함량, 밀도에따라변화한다. 예를들어수분함량이 0~10 vol% 로증가함에따라열전도율은 37~55 mw/ mk로증가하게된다 [9] 발포폴리스티렌발포폴리스티렌 (EPS: Expanded Polystyrene) 은원유에서추출한폴리스티렌알갱이로부터만들어진다. EPS의열전도율은 30~40 mw/mk 인데, 온도, 수분함량, 밀도에따라변화한다. 예 Figure 2. Mineral wool (Board) and rock wool (Roll).

16 청정기술, 제18권 제1호, 2012년 3월 Figure 3. EPS and XPS. 를 들어 수분함량이 0~10 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 36 Figure 5. Cork insulation and Polyurethane insulation (expanding foam). mw/mk에서 54 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 로도 사용된다.

예를 들어 수분함량이 0~10 vol %로 증가함에 따라 열전도율은 34~44 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 로, 광질면, 폴리스티렌, 셀룰로오스보다는 꽤 낮은 편에 속 한다. 열전도율은 온도, 수분함량, 밀도에 따라 변화한다. 예를 들 어 수분함량이 0~10 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 25~46 mw/mk로 증가하게 된다[9].

셀룰로오스는 충진재로 많이 활용되나, 보드 및 매트 형태로도 생산될 수 있다. 셀룰로오스의 열전도율은 40~50 mw/mk인데, 온도, 수분함 량, 밀도에 따라 변화한다. 예를 들어 수분함량이 0~5 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 40~66 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 3.7.

3 16 청정기술, 제18권 제1호, 2012년 3월 Figure 3. EPS and XPS. 를 들어 수분함량이 0~10 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 36 Figure 5. Cork insulation and Polyurethane insulation (expanding foam). mw/mk에서 54 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 로도 사용된다. 폴리우레탄의 열전도율은 20~30 mw/mk으 3.3. 압출발포폴리스티렌 발포폴리스티렌(EPS)이 부분적인 열린 기공 구조인데 비해, 압출발포폴리스티렌(XPS: Extruded Polystyrene)은 막힌 기공 구조이다. EPS의 열전도율은 30~40 mw/mk인데, 온도, 수분 함량, 밀도에 따라 변화한다. 예를 들어 수분함량이 0~10 vol %로 증가함에 따라 열전도율은 34~44 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 로, 광질면, 폴리스티렌, 셀룰로오스보다는 꽤 낮은 편에 속 한다. 열전도율은 온도, 수분함량, 밀도에 따라 변화한다. 예를 들 어 수분함량이 0~10 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 25~46 mw/mk로 증가하게 된다[9]. 그러나 폴리우레탄은 화재 시에는 심각한 건강상의 우려 및 위해를 가져올 수 있다. 화재 시 폴리우레탄은 시안화물(HCN) 및 이소시안산염과 같은 매우 유독한 물질을 배출한다 셀룰로오스 셀룰로오스(Polysaccharide, (C6H10O5)N)는 재생종이나 목재 섬유에서 얻어지는 단열재이다. 셀룰로오스는 충진재로 많이 활용되나, 보드 및 매트 형태로도 생산될 수 있다. 셀룰로오스의 열전도율은 40~50 mw/mk인데, 온도, 수분함 량, 밀도에 따라 변화한다. 예를 들어 수분함량이 0~5 vol%로 증가함에 따라 열전도율은 40~66 mw/mk로 증가하게 된다[9] 기 타 이외에도 목재(열전도율 100~200 mw/mk), 카본스틸(55,000 mw/mk), 스테인레스스틸(17,000 mw/mk), 알루미늄(220,000 mw/mk), 콘크리트(150~2,500 mw/mk), 경량골재(100~700 mw/ mk), 벽돌(400~800 mw/mk), 석재(1,000~2,000 mw/mk) 및 유 리(800 mw/mk) 등이 있다[9]. 4. 최신 단열재 3.5. 코르크 코르크(cork)는 코르크나무에서 얻어지며, 충진재 혹은 보 드형태로 생산될 수 있다. 코르크의 열전도율은 40~50 mw/ mk이다[9] 폴리우레탄 폴리우레탄(PUR: Polyurethane)은 이소시안산염(isocyanates), 폴리올(polyols)의 반응에 의해 형성된다. 보드 형태로 생산되 지만, 또한 창호나 출입문의 기밀유지재나 빈 공간의 충진재 전통적인 단열재에 비해 낮은 열전도율을 갖는 최근의 단열 재들은 아래와 같다 Vacuum insulation panels (VIPs) VIP는 흄드실리카(fumed silical) 등 심재(core)가 외피로 감 싸여진 형태이다. 열전도율은 3~4 mw/mk로, 25년 정도 후에 는 8 mw/mk로 증가하는데 이는 수분 및 공기가 VIP 외피 및 내부 공극으로 침투하기 때문이다. 노후된 VIP의 열전도율은 50~100년 후에는 크게 증가하게 되는데, 이는 VIP의 가장 큰 단점으로 꼽히고 있다. 못과 같은 것에 의해 VIP 외피에 구멍이 생길 경우에도 열전 도율이 20 mw/mk 이상 증가할 수 있다. 이로 인해 VIP는 공 사현장에서 절단되거나 단열성능의 손실 없이 구멍을 뚫을 수 없으며, 이 또한 VIP의 확산에 걸림돌이 되고 있다. 이러한 단점에도 불구하고 전통적인 단열재에 비해 5~10배 의 높은 단열성능으로 인해 패시브하우스나 제로 에너지/이산 화탄소배출 건물(zero energy/emission building)의 단열성능을 Figure 4. Cellulose insulation materials. 충족시키는 단열재로 활용되고 있다.

친환경 건축물 단열재 최근 연구 동향 17 Figure 8. GFP (foil and baffle structure)[11]. 고도제한이나 기존 건물의 개보수와 같이 공간의 제약이 있 을 경우, 친환경건축물 규제를 만족시키기 위해 얇은 단열재가 필요하다.

VIP의 열교현상 및 전도도의 수학적 모델, 공기 및 수분의 침투, 서비스기간, 품질관리 등 다양한 분야의 연구가 이루어 져 왔으며, 미래의 궁극적인 해결책이 되기는 어렵다고 해도, 현재 및 가까운 미래의 에너지절약 및 경제적인 관점에서 최적 의 해결책이 될 수 있다.

GFP 내의 저전도율 가스농도를 유지시켜주는 것과 공기 및 수 Figure 6.

4 친환경 건축물 단열재 최근 연구 동향 17 Figure 8. GFP (foil and baffle structure)[11]. 고도제한이나 기존 건물의 개보수와 같이 공간의 제약이 있 을 경우, 친환경건축물 규제를 만족시키기 위해 얇은 단열재가 필요하다. 또한 벽체 두께의 감소는 주거공간의 확대를 가능하 게 하여 부동산의 가치를 증가시킬 수도 있는 장점이 있다. VIP의 열교현상 및 전도도의 수학적 모델, 공기 및 수분의 침투, 서비스기간, 품질관리 등 다양한 분야의 연구가 이루어 져 왔으며, 미래의 궁극적인 해결책이 되기는 어렵다고 해도, 현재 및 가까운 미래의 에너지절약 및 경제적인 관점에서 최적 의 해결책이 될 수 있다. VIP 연구는 최소 50~100년의 장기간 동안 수분 및 공기의 침투를 막을 수 있는 외피의 개발에 초점을 맞추고 있다[9] Gas-filled panels (GFPs) VIP와 유사한 기술로 VIP의 진공대신에 공기보다 열전도율 이 낮은 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 및 제논(Xe)을 적용한 것이다. GFP 내의 저전도율 가스농도를 유지시켜주는 것과 공기 및 수 Figure 6. Typical VIP (Vacuum Insulation Panel) structure[9] and a comparison of equivalent thermal resistance thickness of traditional thermal insulation material and VIP[10]. 분의 침투를 피하는 것이 단열 성능에 결정적이다. GFP에 적용된 가스보다는 진공상태가 단열 성능이 더 좋다. 반면에 격자구조는 VIP와 같이 내부 진공에 견디지 않아도 된다. GFP 내부의 낮은 방사율 표면은 복사열 전달을 감소시 킨다. GFP 프로토타입의 열전도율은 40 mw/mk 정도로 이론적 으로 계산된 것보다는 꽤 높은 편이다. GFP 역시 VIP의 단점 과 장점을 가지지만, VIP와 비교해서 현재나 가까운 미래에 이 를 대신할 수 있을지는 의문이다[11] 에어로젤 에어로젤(aerogel)은 잠재력이 있는 가장 각광받는 최신 단 열재이다. 지난 5년 동안 전 세계 에어로젤 시장은 3배 성장하 여 2008년 83 M$에 달했으며, 2013년까지 616 M$에 달할 것 으로 전망하고 있다[12]. 따라서 에어로젤 제조사들은 비용절 감과 새로운 형태의 에어로젤을 생산하기 위한 노력을 기울이 고 있다. 복사전달을 억제하기 위해 카본블랙(carbon black)을 사용하 Figure 7. Thermal conductivity for VIP (fumed silica core) as a function of elapsed time[11], Panel size cm, cm, fo-il type AF (a metal film)/ MF1 (a single layer metallized film)/mf2 (both three-layer metallized films). 면, 열전도율을 50 mbar 압력에서 4 mw/mk까지 낮출 수 있다. 아스펜에어로젤과 같은 상업용 에어로젤의 열전도율은 상온에 서 13~14 mw/mk로 보고되고 있다. 에어로젤 생산비용은 아직 매우 높으며, 비교적 높은 압축강도를 갖지만, 낮은 인장강도

로 매우 깨지기 쉽다. 인장강도는 카본섬유매트릭스(carbon fibre Figure 9. Aerogel insulation performance (KIST). matrix)와 결합을 통해 증가시킬 수 있다[9].

다만, 유리와 같이 투명한 에어로젤은 현재 기술적인 한계로 인해 만들지 못하 고 있다. 에어로젤이 단열재로 광범위하게 응용되어 수요가 급 증한다면, 가격은 충분히 낮아질 수 있을 것이다.

비드(bead) 형태의 에어로젤을 건축물 채광창에 활용한 경우를 들 수 있다. 4.

An example of aerogel as a high performance thermal insulation material for building application (Aspen Aerogels, Inc). 다.

5 18 청정기술, 제18권 제1호, 2012년 3월 Figure 12. Two examples of translucent aerogel insulation as a high performance thermal insulation solution for daylighting[12]. 로 매우 깨지기 쉽다. 인장강도는 카본섬유매트릭스(carbon fibre Figure 9. Aerogel insulation performance (KIST). matrix)와 결합을 통해 증가시킬 수 있다[9]. 에어로젤의 매우 흥미로운 특징은 불투명(opaque), 반투명 (transluscent) 혹은 투명(transparent)하게 만들 수 있어 건축물 에 광범위하게 응용될 수 있다는 점이다. 다만, 유리와 같이 투명한 에어로젤은 현재 기술적인 한계로 인해 만들지 못하 고 있다. 에어로젤이 단열재로 광범위하게 응용되어 수요가 급 증한다면, 가격은 충분히 낮아질 수 있을 것이다. 제한된 범위이지만 현재 대표적인 에어로젤 상용화사례로 서는, 아스펜에어로젤(Aspen Aerogel)사의 블랑캣(blanket) 형 태의 에어로젤을 화학공장 파이프, 용기등의 단열에 사용한 경우와 캐봇(Cabot)사의 반투명 비드(bead) 형태의 에어로젤을 건축물 채광창에 활용한 경우를 들 수 있다 상변화물질 상변화물질(PCM, phase change materials)은 가열할 경우 흡 열반응에 의해 에너지를 흡수하여 고상에서 액상으로 변화된 Figure 10. An example of aerogel as a high performance thermal insulation material for building application (Aspen Aerogels, Inc). 다. 주위 온도가 떨어지면 액상 PCM은 다시 고상으로 변화되 며, 발열반응에 의해 기 흡수했던 열을 발산하게 된다. 이러 한 상변화 주기는 건물 내부 온도에 의해 안정화되며, 냉난방 부하를 감소시킨다[9]. 5. 미래 단열재 5.1. Vacuum Insulation Materials (VIMs) VIM은 초기 열전도율이 4 mw/mk 이하인 진공상태로 채워 진 닫힌 기공 구조를 가진 균질의 물질이다. VIM은 공사 현장 Figure 11. Translucent aerogel insulation used in a curtain wall at the sculpture building and gallery of yale university[12]. Figure 13. Development from VIPs to VIMs[11].

친환경건축물단열재최근연구동향 19 Figure 14. Development from VIPs to NIMs[11]. 에서낮은열전도율의손실없이절단및시공될수있으며, 못과같은것에의한손상역시국부적인열교현상을가져올뿐이다 [11]. 5.2.

Nano Insulation Materials (NIMs) 초기상태에서열전도율이 4 mw/mk 이하인열린혹은닫힌나노기공구조의균질물질이다. NIM은 VIM이나 GIMS과다르게최소 100년의서비스기간동안공기와수분의침투를예방할필요가없다. 공극사이즈가 40 nm 이하로작아질경우열전도율이매우작아진다.

Dynamic Insulation Materials (DIMs) 열전도율이원하는범위내로제어될수있는물질을 DIM 이라고하는데, 가스분자의평균자유행정및가스표면작용 (surface interaction) 을포함한공극내부의가스함유량및농도, 공극의내부표면의복사율, 격자구조의고체열전도율을통해열전도율을제어할수있다 [11]. 5.

6 친환경건축물단열재최근연구동향 19 Figure 14. Development from VIPs to NIMs[11]. 에서낮은열전도율의손실없이절단및시공될수있으며, 못과같은것에의한손상역시국부적인열교현상을가져올뿐이다 [11] Gas Insulation Materials (GIMs) GIM은초기열전도율이 4 mw/mk 이하인아르곤, 크립톤및제논과같은저전도도물질로채워진닫힌기공구조의균질물질이다. GIM은 VIM과기본적으로동일하며, 단지 VIM이진공으로채워져있는닫힌기공구조라면, GIM은저전도도물질로채워져있는것이다르다 [11] Nano Insulation Materials (NIMs) 초기상태에서열전도율이 4 mw/mk 이하인열린혹은닫힌나노기공구조의균질물질이다. NIM은 VIM이나 GIMS과다르게최소 100년의서비스기간동안공기와수분의침투를예방할필요가없다. 공극사이즈가 40 nm 이하로작아질경우열전도율이매우작아진다. 이는 knudsen effect때문인데, 가스분자의평균자유행정 (mean free path) 이공극직경보다크기때문이다 [11] Dynamic Insulation Materials (DIMs) 열전도율이원하는범위내로제어될수있는물질을 DIM 이라고하는데, 가스분자의평균자유행정및가스표면작용 (surface interaction) 을포함한공극내부의가스함유량및농도, 공극의내부표면의복사율, 격자구조의고체열전도율을통해열전도율을제어할수있다 [11] 콘크리트단열 NIMs 단열재의열전도율이낮아지는것과동시에, 건축물외피의하중을견디는요소도고려해야한다. 콘크리트의예를들면, NIM과콘크리트를복합적으로사용하여열전도율을낮춤과동시에건물하중을견디는기계적강도를확보할수있다. 콘크리트는 1,700~2,500 mw/mk의높은열전도율을가지므로, 콘크리트건축물의외피는낮은열관류율 (U-value) 을만족시키기위해다양한단열재를사용해야한다. 때문에제로에너지건물기준이나패시브하우스기준에부합하기위해서는필요이상으로외피가두꺼워질수있다. 더구나시멘트의생산에는많은양의이산화탄소가발생하므로 Figure 15. NIMs as a thermal insulation for concrete[9]. 부정적인환경영향을가져오게된다. 시멘트산업은인위적인이산화탄소배출의 5% 를차지한다 [13] 나노콘나노콘 (NanoCon) 은원칙적으로철, 목재, 콘크리트등과같은건축자재가아니다. 콘크리트가건축자재로서가지는특징과같거나더좋은특성을가지면서열전도율은낮은, 이산화탄소배출과같은부정적인환경영향이낮은개념적인물질이다 [9]. 나노콘은열전도율이 4 mw/mk 이하인열린혹은닫힌나노기공구조의균질물질로콘크리트보다더좋은건축자재로서의특징을가지는물질이다. 나노콘은콘크리트보다더좋은건축자재로서의특징을가지는 NIM이라고생각할수있다. 예를들어 NIM과카본나노튜브를하나의물질로만들면, NIM으로인해매우낮은열전도율을가지게되고, 카본나노튜브에의해매우큰인장강도를가질수있다. 카본나노튜브의인장강도는 63,000 MPa로측정되며, 이론적으로는 300,000 MPa에달한다. 철근의경우 500 MPa, 철근 / 보강재없는콘크리트의경우인장강도 3 MPa, 압축강도는 30 MPa이다. 따라서나노콘의잠재력은매우크다고할수있다 [9]. Figure 16. NanoCon[9].

7 20 청정기술, 제 18 권제 1 호, 2012 년 3 월 6. 최신단열재의비교 단열재로서낮은열전도율이가장중요한특성이지만, 아울러기계적강도, 내화성, 내구성등건축자재가가져야하는특성도필요하다. 이를정리하면 Table 2와같다. Table 2. Requirements for future insulation materials[9] Properties Requirement Thermal conductivity (Pristine) < 4 mw/mk Thermal conductivity (After 100 years) < 5 mw/mk Thermal conductivity (After modest perfor- < 4 mw/mk ation) Perforation vulnerability not to be influenced significantly Possible to cut for adaption at building site yes Mechanical strength (E.g. compression and may vary tensile) Fire protection may vary, depends on other protection Fume emission during fire any toxic gases to be identified Climate ageing durability resistant Freezing/thawing cycles resistant Water resistant resistant Water permeability may vary Costs vs. other thermal insulation materials competitive Environmental impact (Including energy and material use in production, emission of pol- low negative impact luting agents and recycling issues) 전통적인, 최신단열재및미래가능한단열재를비교해보면, 최근단열재로서는에어로젤이낮은열전도도및공사현장적용성, 천공에대한영향성측면에서많은장점이있으며, 미래단열재로서는 NIMs의잠재성이가장높은것을알수있다 (Table 3). DIMs, 나노콘의경우단열성능및내하중능력으로인해매우큰잠재력을가지고있다고할수있다 [9]. 7. 결론광질면, 폴리우레탄등전통적인단열재로부터최근에주목받고있는 VIP, 에어로젤, 그리고미래기술로연구되고있는 NIM, DIM, 나노콘등단열재의특성과장단점을비교해보았다. 향후연구방향은전통적인단열재및최신단열재의개선과현재의모든단열재성능을능가하는새로운단열재의연구가될것이다. 초단열원천소재의개발, 제조, 공정기술확보는친환경건축물확산보급의근간이되는것으로매우중요하지만, 국내최신단열재및미래단열재연구및상용화는선진국에비해부족한수준이다. 최근각광받는단열재로서 VIP와에어로젤이있다. 열전도율은 VIP가 4 mw/mk로가장낮으나, 수분및공기의침투, 외피가손상을입을경우 20 mw/mk 이상증가될수있다. 또한건설현장에서절단및활용될수없는단점이있다. 에어로젤은 13 mw/mk의열전도율을가지며, 시간에흐름에따라증가하지않으며, 천공에대한영향성이낮고공사현장적용성이 VIP에비해높다. VIP 및에어로젤은아직고가 ( 高價 ) 이나 VIP는기존단열재에비해주거면적을크게확대할수있어 Table 3. The potential of the traditional, new and future thermal insulation materials and solutions for tomorrow[9] Traditional New Materials Low pristine/aged thermal conductivity Perforation robustness Possible building site adaption cutting Load-bearing capabilities Solution for tomorrow? Mineral wool EPS XPS Cellulose Cork Polyurethane VIP / GFP Aerogel PCM *heat storage and release VIM / GIM / Future NIM DIM N/A N/A NanoCon yes, maybe, excellent, no

8 친환경건축물단열재최근연구동향 21 경제성을기대할수있으며, 에어로젤은불투명, 반투명및투명재질로만들수있어건물에응용될가능성이매우크다 [12]. 단열재의선택은낮은열전도율, 천공에대한강건성, 건설현장절단및적용성, 기계적강도, 내화성, 화재시흄발생, 기후에대한내구성, 외기변화에대한저항력, 방수성, 비용및환경영향을모두고려해야한다. 이모든것을만족시키는단열재는현재존재하지않으므로, 목적에맞게전통적인단열재및최신단열재를활용하고지속적으로개선시키는노력을해야할것이다. 참고문헌 1. Ministry of Environment and Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Green Cities and Green Buildings Activation Plan, 3-4 (2009) EURIMA( Aim High, Go Low Insulate, 4-5 (2009). 4. Sven Schimschar, Germany's Path Towards Nearly Buildingsenabling the Greenhouse Gas Mitigation Potential in the Building Stock, Ecofys Germany GmbH, Energy Policy, 39, (2011). 5. Ministry of Knowledge and Economy, Green Energy Strategy Roadmap, (2011). 6. HanmiGlobal, Current Status and Future Trend of Domestic Insulation Materials, 9-10 (2010). 7. Korean Energy Management Corporation, Greenhome a Million Supply Plan, 6-8 (2009). 8. Samsung Corporation, Green Tomorrow, 8-25 (2009). 9. Bjorn, Petter, Jelle, Traditional, State-of-the-Art and Future Thermal Building Insulation Materials and Solutions-Properties, Requirements and Possibilities, Energy and Buildings, 43(10), (2011). 10. M. Zwerger, and H. Klein, Integration of VIP s into Externall Wall Insulation Systems, Presentations of the 7th International Vacuum Insulation Symposium, 7 (2005). 11. R. Baetens, et al., Vacuum Insulation Panels for Building Application: A Review and Beyond, Energy and Buildings, 42, (2010). 12. Ruben, Baetens, et al., Aerogel Insulation for Building A Stateof-the-art Review, Energy and Buildings, 43, , (2010). 13. WBCSD, Toward A Sustainable Cement Industry, 11 (2002).

67~81.HWP

67~81.HWP 기술현황분석 나노 기공성 에어로겔 제조기술 및 응용현황 안 영 수 / 기능소재연구센터 요 약 나노 기공성 에어로겔 제조기술 및 응용현황 한국에너지기술연구원 Property Value Bulk Density Internal surface area % solid Mean pore diameter Primary particle diameter Index of refraction