점토광물을 이용한 친환경적인 차음용 건축재료 개발

강원찬 동아대학교 에너지·자원공학과 교수
공경록 동아대학교 환경문제연구소 연구원

1. 서론
현재 국내 점토들은 고급도자기 산업이나 화장품 등 고부가가치 산업분야에 활용하기 위해서는 정제과정을 거쳐 순도를 높여 사용하여야 하는 한계를 가지고 있다. 그리고 고급도자기나 화장품 등에 사용되는 점토는 수입에 의존하고 있으며 국내의 점토광물들은 질이 낮은 상태에서 값싼 소재로만 활용되고 있기 때문에 중, 저품위 점토광물들을 대량으로 사용할 수 있는 수요처 확보가 시급한 실정이다.
한편 경제성장으로 국민들의 문화의식 고취로 쾌적한 환경을 요구하는 시대에 건축물이 초고층화 및 대형화됨에 따라 건축물의 중량을 줄이기 위한 경량벽체의 사용이 급증되고 있는 추세이다.
그러나 경량벽체의 경우에는 투과손실율이 기대치 이하이며, 경량벽체의 심재로 암면이나 유리솜을 사용하기 때문에 시공 및 해체과정에서 작업자들에게 피부가 따가운 문제나 진폐증을 유발하는 등 작업환경에 매우 많은 문제가 발생하고 있다.
따라서 저품위의 점토광물을 사용하여 친환경적인 건축용 내장재료를 제조하여 저품위 점토광물의 새로운 활용 방안을 찾고 고층화 및 대형화되고 있는 공동주택의 경량벽체 차음재 및 단열재를 친환경적인 생태건축 재료를 개발하여 경제적으로 안락한 공동주택의 주거문화를 완성하고자 한다.

2. 필요성
현재의 사회는 경제성장으로 건축물이 초고층화 및 대형화되고 한편으로 국민들의 문화의식 고취로 쾌적한 환경을 요구하는 상황에서 건축물의 중량을 줄이기 위한 경량벽체의 사용이 급증되고 있는 추세이며 건설회사들은 Fig. 1과 같은 공법으로 경량벽체를 시공하는 것이 일반적인 방식이다.
국내의 경우 외부마감면은 일반적으로 석고보드를 사용하며 스틸스터드를 통해서 축을 형성하고 내부에 차음 및 단열재를 사용하나 경량벽체의 경우 투과손실율이 기대치 이하로서 차음효과가 매우 낮은 것이 현실이다.
또한 경량벽체의 심재로 유기질 차음재 및 단열재로 발포폴리스티렌, 폴리우레탄, 무기질 차음재 및 단열재로는 유리면, 암면을 일반적으로 사용하고 있다. 과거에는 심재로 석면을 사용하였으며 현재에는 암면과 유리솜으로 대체하였으나 이러한 것들은 작업과정에서 작업자들에게 진폐증을 유발하는 등 그 작업환경이 매우 나쁘다. 그리고 유기질 차음 및 단열재인 발포폴리스티렌 및 폴리우레탄의 경우 화재발생시 유해가스를 발생시키는 치명적인 단점을 가지고 있어 이러한 문제점의 해결이 매우 필요한 실정이다.

3. 연구목표 및 방향
우리나라에 부존해 있는 많은 양의 중, 저품위 점토광물의 대규모 활용처를 찾기 위한 방안으로 건축물에 활용코자 하는 것을 가장 큰 목표로 하며 현재 건축물에 필요한 경량벽체의 심재로 사용하기 위해 점토광물의 여러 가지 특성을 활용하여 Fig. 2.와 같은 기능을 가지는 다기능성 친환경적 생태건축 내장재료를 제조할 수 있을 것으로 판단되어 본 연구를 진행하게 되었다.
팽창질석의 경우 다공질로 이루어진 재료로써 선진국에서 흡음재료로 많이 활용을 하였다.
현재 경제성장과 함께 공동주택 주민들의 생활의 질이 크게 향상됨에 따라 친환경적인 건축재료에 많은 요구가 있는 것이 현실이며 일례로 실내공기질 문제도 크게 부각되고 있는 추세에 따라 정부에서는 규정까지도 제정한 상태이다. 실내공기질 문제의 경우 본 연구에서 사용하고자하는 팽창질석의 경우 Table. 1.에서 볼 수 있는 바와 같이 VOCs 등의 흡착력이 우수한 것으로 알려져 있는 Zeolite보다 양이온 교환능력이 뛰어난 것을 확인할 수 있으며 천연광물들 중에서 가장 뛰어난 양이온 교환능력을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 실내의 유해물질을 흡착할 수 있으며 우수한 양이온 교환능력과 층간수층을 가지고 있어 실내의 항습작용도 할 수 있으며 원적외선 방출능력도 매우 우수하기 때문에 친환경적 생태건축 내장재료로 매우 우수한 재료이다.
따라서 국내의 중, 저품위 질석과 고령토를 활용하여 친환경적인 생태건축 내장재료를 제조함으로써 이들의 대량 사용처를 확보하며 그와 동시에 현재 건축물에 사용되는 경량벽체의 문제점들을 해결할 수 있는 방안으로 본 연구를 진행하게 되었다.

4. 팽창질석의 흡음효과
팽창질석을 함유한 경량벽체의 흡음효과를 알아보기 위해 팽창질석의 함량에 따라 흡음률을 측정해보았으며 흡음률의 측정은 KS F 2814의 규정에 따라 Bruel & Kjær(B&K)사의 흡음측정장치를 사용하여 임피던스 튜브를 이용한 측정방법을 이용하였다.
팽창질석의 함량에 따른 흡음률을 살펴보면 Fig. 3에서 볼 수 있는 바와 같이 1700Hz 및 2300Hz 전후에서 흡음특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한 팽창질석의 함량이 증가됨에 따라 흡음률이 증가되는 것을 볼 수 있어 팽창질석의 함량이 높아질수록 흡음률이 증가되는 경향이 있음을 알 수 있다.
이상의 결과를 통해 팽창질석을 활용할 경우 어느 특정범위에서만 흡음의 효과가 뛰어난 것을 확인할 수 있으며 이는 팽창질석이 가지는 공기층의 크기가 일정하기 때문이라 생각되어 본 연구자는 기포제를 첨가하여 다양한 크기의 공기층을 형성하여 이를 통해 전 주파수대에서 흡음의 효과가 어떠한지를 확인해 보았으며 이를 Fig. 4에 나타내었다.
Fig. 4를 살펴보면 흡음률은 기포제의 함량이 증가됨에 따라 전주파수 영역에서의 흡음성능이 높아짐을 알 수가 있다. 이는 기포제를 사용함에 따라 다양한 크기의 공기층이 형성됨으로써 헬름헬쯔 공명효과로 인해 음의 크기가 줄어들어 전주파수 영역에서 골고루 흡음의 성능이 좋아진 것으로 판단되며 또한 기포제를 사용함으로서 흡음의 성능뿐만 아니라 공기층이 증가함에 따라 단열성과 경량성을 높일 수 있는 결과를 발현할 수 있었다.

5. 고령토에 의한 강도향상 효과
오늘날 건축물의 차음재의 경우 고주파영역에서는 크게 문제가 되지 않으나 저주파영역이 가장 큰 문제를 나타내고 있다. 이러한 저주파 영역의 경우에는 Fig. 5와 같이 강성제어영역으로 차음재료를 강성체로 만들 필요가 있으며 팽창질석을 사용한 다공체의 경우 강도가 낮기 때문에 포졸란 반응을 이용하여 강도를 높이기 위한 연구를 진행하였다.
따라서 포졸란 반응을 위하여 경량벽체의 제작 시 고령토를 시멘트에 치환첨가 하였으며 압축강도를 측정하여 본 결과 Fig. 6에서와 같이 적절한 입도를 가진 고령토를 15%정도 사용하였을 경우 고령토를 사용하지 않은 경우 보다 약 2배정도 압축강도가 높은 것을 알 수 있다. 따라서 고령토를 사용하여 포졸란 반응을 유도함으로서 경량벽체 심재의 강도를 높이고 저품위 고령토의 활용도를 높일 수 있음을 확인 하였다.

6. 차음특성 확인
본 연구시료의 차음성능 확인을 위해 경량벽체의 심재로 사용되고 있는 암면과 그 성능을 Bruel & Kjær(B&K)사의 임피던스 튜브를 이용한 간이 측정 방법으로 측정해 본 결과 암면의 두께가 본 연구시료보다 0.5cm 더 두꺼움에도 불구하고 본 연구시료의 차음성능이 2배 이상 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 일반적인 벽체인 시멘트모르타르와 시멘트페이스트의 차음성능을 비교·확인하여 본 결과 상대적으로 상당히 경량인 본 연구시료의 차음성능이 시멘트모르타르 및 시멘트페이스트와 비슷한 차음성능을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
그러나 Fig. 7의 시멘트모르타르와 시멘트페이스트의 차음성능을 살펴보면 표준데이터와 약간 다른 것 을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 사용한 임피던스 튜브를 이용한 간이측정 방법은 임피던스 튜브에 삽입하는 시료가 단단한 성질을 가지는 경우 튜브에 시료를 완벽하게 장착하기 힘들며 이 경우 튜브와 시료사이에 미세한 틈이 발생하여 나타나는 문제점으로 사료된다.
 이러한 틈은 식(1)에서처럼 음의 전달통로가 되고 차음성능의 손실에 매우 큰 영향력을 미치는 것을 알 수 있다.
SPL2 = SPL1 - 10 log n [dB]                         (1)
SPL1 : 벽내측의읍압레벨     SPL2 : 벽외측의음압레벨
n : 벽전체의1/n틈새면적

이렇게 본 연구시료와 같이 단단한 성질의 시료의 경우 튜브를 이용한 간이측정방법으로 차음특성을 파악하기에는 앞에서와 같은 문제가 있어 Fig. 8과 같은 시료를 제작 후 양생하여 Fig. 9.와 같은 실험동에서 차음특성을 확인하고 있으며 그 결과로 우수한 결과를 확인할 수 있었다. 그러나 현재 시료에 대한 최적조건 등을 얻기 위한 실험은 아직 진행 중에 있으며 좀 더 많은 시료를 제작하여 많은 연구결과를 통해 추후에 결과를 공유할 수 있도록 하겠다.

7. 맺음말
현재 건축물이 고층화 대형화함에 따라서 경량벽체가 필연적으로 사용되고 있으며 이러한 경량벽체에 점토광물을 사용함으로써 불연성, 내화성, 단열성, 안정성, 시공의 편리성, 흡음성, 차음성능을 가지는 다기능성의 친환경적인 생태건축 내장재료를 제조할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
또한 현재 우리나라에 많이 부존되어 있는 중, 저품위 점토광물을 별도의 정제 없이 활용함으로써 경제적이며 대량으로 활용할 수 있을 것으로 판단되어 자원산업육성과 건축문화 발전에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 보다 많은 연구를 통해 성과를 이룰 수 있도록 최선의 노력을 하고 있다.

Fig. 1. 경량벽체의 시공사례
Fig. 2. 점토광물을 활용한 친환경적인 생태건축 내장재료의 특징

Table. 1. 점토광물의 양이온 교환능력
Fig. 3. 팽창질석의 함량에 따른 흡음률
Fig 4. 기포제의 함량에 따른 흡음률
Fig 5. 단일벽의 차음특성
Fig 6. 포졸란 반응에 따른 압축강도
Fig 7. 모르타르, 암면, 페이스트와의 차음성능비교
Fig 8. 시료제작 후 실험 동 시험 전 틀작업 중
Fig 9. 차음성능 확인을 위한 실험동 시험

강원찬
동아대학교 공과대학 금속공학과
영국 Camborne School of Mines
동아대학교 환경문제연구소 소장
동아대학교 에너지·자원공학과 교수 

공경록
동아대학교 지구환경공학부 자원공학과
서봉리사이클링(주) 환경시스템연구소 연구주임
동아대학교 대학원 자원공학과 박사과정
동아대학교 환경문제연구소 연구원 

<본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>