Special 에너지 절감 스마트 건물용 핵심소재 및 공정기술 개발 동향(2)

에너지 절감형 스마트하우스의 건축용 도자세라믹 기술 개발

김진호_한국세라믹기술원 도자융합소재기술센터 센터장

1. 서론

스마트하우스는 건축물의 내외부 환경을 감지하고 제어하는 IoT 기술을 활용하여 에너지 절약과 사용자의 편의성을 동시에 제공하는 신개념 주거공간 시스템이다. 이와같은 스마트하우스의 기능을 강화하기 위해서는 무엇보다 기능성 건축자재의 개발이 필수이며, 이러한 관점에서 주요 건축자재인 도자타일(Ceramic tile), 위생도기(Sanitaryware), 점토벽돌(Clay brick), 점토기와(Clay rooftile) 등 건축 도자세라믹은 스마트하우스와 상호작용을 위한 기술적인 해결책으로 인식되고 있다. 예를 들어, 발열체와 센서가 내장된 도자타일은 실내 온도를 감지하여 자동적으로 온도를 조절할 수 있는 기능이 추가될 수 있으며, 사용자의 건강과 편안함을 동시에 제공할 수 있다.

[건축용 도자세라믹, (좌)에서부터 도자타일, 위생도기, 점토벽돌, 점토기와]

  건축용 도자세라믹은 흙(clay)을 주원료로 하여 성형(shape)과 소성(firing) 공정을 거쳐서 제작되어 건축물의 내외장재로 사용되는 대표적인 친환경 건축자재이다. 이러한 건축용 도자세라믹은 원료 및 제조공정 제어를 통하여 다양한 기능을 구현할 수 있으며, 이러한 기술은 건축물의 에너지 절감 효과 및 주거자의 삶의 질을 개선하는데 큰 기여를 할 수 있다. 건축용 도자타일의 내습 방지 기능과 미생물 억제 기능은 건축물 내부 환경을 쾌적하게 유지할 수 있고, 고온의 소성공정으로 우수한 기계적 물성이 확보되어 산업폐기물 감소를 가져올 수 있다. 또한 건축용 도자세라믹은 유약(glaze)이라는 표면 코팅층을 통하여 심미성 확보와 오염방지(방오)라는 기존의 기능과 더불어 항균, 셀프크리닝, 전력 생산 등의 새로운 기능을 추가할 수도 있다.
  이와 같은 기능성 건축 도자세라믹에 대한 이슈는 전통적인 산업 분야에서 벗어나 새로운 제품 개발과 시장 창출을 위한 노력을 통하여 지속되고 있으며, 우수한 물성을 기반으로 이미 수 년동안 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 건축용 도자세라믹은 금속과 다른 재료 및 첨단세라믹과 비교하여 미래지향적 제품이라는 높은 인지도를 누리지 못하고 있는 실정이다.
  하여 이 글에서는 에너지 절감형 스마트하우스에 적용될 수 있는 다양한 기능성 건축 도자세라믹 기술에 대하여 소개하고자 한다.

2. 자가조습(Humidify self-regulation) 다공성 도자세라믹

지속가능성과 에너지 효율성은 모든 산업 분야에서 주요 관심사이며, 인간 생활에 필수적인 건축물의 관점에서도 마찬가지이다. 건축적인 관점에서 에너지 효율 향상 및 쾌적한 주거환경 확보를 위한 핵심요소는 단열성을 높이고 외부와의 공기 교환을 최소화하여 원하는 공기의 유입과 배출을 제거하는 것이다. 수많은 연구에서 건축물의 단열기능 개선을 통한 80% 이상의 에너지 절감 효과에 대하여 보고하고 있다[1]. 반면에 실내 공간의 환기를 위한 에너지 비용은 총 공조시스템(air-conditioning system) 소비량의 30%를 차지하고 있으며, 이로 인한 전력소비의 증가는 이산화탄소(CO2) 배출량의 증가를 가져오고 있다. 그러나 주택의 환기율을 낮추면 에너지는 절감 효과는 개선되지만 동시에 실내 공기질의 악화로 새집증후군 증상이 증가하고 점막과 피부의 자극, 신경 독성 문제 등의 인간의 건강에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 단열성은 확보되면서도  40%에서 70% 사이의 실내 습도를 유지할 수 있도록 자체조절 습도 기능이 있는 다공성 도자타일의 개발이 매우 중요하다.
  앞서도 언급한 것처럼 건축용 도자세라믹은 1000oC 이상의 고온의 열처리 과정을 통하여 제작되기 때문에 습도조절 기능을 위한 표면 및 미세구조의 제어가 쉽지는 않다. 환경 습도를 조절하는 제품들은 흡착 및 탈착 현상을 발생시키는 다량의 메조포어(mesopore)를 갖는 다공성(porous) 미세구조를 특징으로 하기 때문이다. 일반적으로 고온의 열처리 과정에서 다공성 나노구조체(메조포러스)는 기공 응집(pore coalescence)에 의해 붕괴되어 기공의 크기를 증가시킴에 따라 습도 조절 능력의 저하와 손실을 가져오게 된다.
  이를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있으며, Du 등은 Allophane (Al2O3·(SiO2)1.3-2·(2.5-3)H2O)과 같은 천연 원료의 사용하여 조습 다공성 도자타일 제조를 보고하였다[2]. 그러나, Allophane은 저결정성 함수 알루미늄 규산염 점토광물이며, 약 900oC 온도까지 메조포러스 구조를 유지하지만 더 높은 온도에서는 습도 조절 능력이 상당히 감소하는 것으로 보고되었다. 게다가 Allophane은 화산재의 풍화과정에서 발생하여 양산용 도자타일 제조에 대한 이용은 매우 제한적이다. 이후에 제올라이트, 벤토나이트, 세피올라이트 및 규조토 등의 원료를 도자타일에 적용하였지만, 여전히 활성 다공성 구조는 1,000oC 미만의 저온에서만 유지되며, 이는 일반적인 도자타일 소성온도보다 매우 낮은 한계를 보이고 있다. Vu 등은 1100oC 온도에서도 흡착·탈착 능력을 유지함을 보고하였지만 원료의 90% 이상이 규조토(diatomite)이기 때문에 양산형 도자타일 제조공정에 적용하는데 한계가 있었다[3].
  Castellano 등은 Gibbsite 광물을 기반으로 다양한 조성에서 도자타일을 제조하여 수분의 흡착 및 탈착 용량에 대한 연구 결과를 보고하였다[4]. 1100oC 온도까지 우수한 습도 조절 성능이 확인되었으며, 도자타일의 소결온도에 따른 습도 조절 특성에 대한 연구를 통하여 소결 시편의 수분 흡착 및 탈착 특성은 Lagergren의 pseudo-second 모델에 일치하는 것으로 관찰되었다. 소결온도는 도자타일의 습도 조절 능력에 큰 영향을 미치며 평형 수분은 온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하였다. 이러한 변화는 출발 조성의 주성분인 Gibssite 광물의 미세구조가 소결온도에 따른 변화에 기인하며, transition 알루미나의 높은 비표면적은 중간 크기 기공의 형성을 용이하게 함으로서 수분 조절 능력에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

[조습도자타일 미세구조 및 수분흡탈착 특성][4]

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