윤승욱 (주)이앤에치테크 컨설팅사업부 정진원 (주)이앤에치테크 컨설팅사업부 1. 서론 올해 초부터 새집증후군의 심각성에 대한 사회적 이슈와 환경부의 다중이용시설의 실내공기질관리법이 공포되면서 신축건물의 실내환경에 대한 관심이 증대되고 있다. 새집증후군(SHS:Sick House Syndrome)이라는 용어는 아직 명확한 정의는 없고 확인된 것은 아니지만 이 현상은 신축 집과 실내를 리모델링한 건물에 살기 시작한 순간 목과 콧속이 아프거나 혀가 하얗게 된다거나 눈이 따끔따끔 아프게 되는 등 건강을 해치는 증상이 일어나며, 이런 증상은 집에서 떨어져 지내면 이 증상이 사라지고, 집에 들어가면 다시 증상이 재발하는 것을 말한다.(마사노 이노우에, 2004) 이런 증상이 발생되는 원인은 현대인이 하루의 대부분을 실내에서 생활하고 있으며, 실내의 구조가 고단열, 고기밀화되면서 적절한 환기가 이루어지지 않고 건축자재와 내장재에서 오염물질이 방출되고 있기 때문이다. 이런 오염물질에 대표적인 것이 포름알데히드이다.(김윤신, 1994) 포름알데히드는 저분자의 가장 반응성이 높은 알데히드로서 살균제나 방부제로 오래전부터 사용되어 왔으며, 근래에는 건축물의 단열제, 실내가구의 칠, 접착제, 악취제거제, 물처리용 응집제 등 생활용품에서 공업용품에 이르기까지 넓은 범위에 걸쳐 사용되고 있다. 이렇게 다양하게 사용되는 포름알데히드는 인체에 대하여 1ppm 또는 그 이하의 농도에서 눈, 코, 목의 자극증상을 유발하고, 농도에 따라서 두통, 메스꺼움, 구토, 흉부압박감, 기관지염, 폐렴 및 폐부종을 일으키기도 하며, 발암성이 있는 물질이다.(Wieslander, 1997) 실내 공기 오염에 대한 제어방안으로는 크게 오염원의 제어, 환기 개선, 공기청정기의 이용 등이 있고, 광촉매는 이 중 오염원 제어의 일환으로 신축 건물 내에 광촉매를 코팅하는 방법이다. 광촉매 방법이라는 것은 이산화티탄 등의 세라믹스 반도체에 광(光)을 조사함에 따라 생성되는 정공이나 전자의 산화·환원력을 이용하여 환경오염물질을 처리하는 것으로, 환원력을 이용하여 환경오염물질을 처리하는 것으로 확산된 미량의 유해 유기화학물질을 화석연료를 쓰지 않고도 광 에너지에 의해 분해, 무해화 시키는 방법을 말한다.(조덕호, 2003) 그리하여, 본 연구에서는 아직 입주하기 전인 신축건물을 대상으로 시판되고 있는 광촉매 제품으로 광촉매 코팅 전과 후를 비교함으로써 실험실이나 Chamber 연구가 아닌 실생활에서 광촉매가 어느 정도 효과가 있는지 알아보고자 본 연구를 수행하였다. 2. 연구 방법 본 조사는 광촉매 코팅으로 인한 신축아파트의 포름알데히드 저감 효과를 알아보기 위해서 거실과 방을 대상으로 두 가지 실험을 하였다. 첫 번째 실험은 동일 평수와 구조인 신축아파트의 단위세대 2곳을 선정하여 광촉매 코팅을 한 신축아파트와 광촉매 코팅을 하지 않은 신축아파트를 대상으로 2003년 7월 22일부터 28일까지 1주일 동안 저감효과를 비교하였다. 두 번째 실험은 신축아파트의 단위세대 한 곳을 선정하여 2004년 2월 25일에 광촉매 코팅하기 전을 측정하였고 광촉매 코팅한 1주일 후인 3월 3일에 같은 방법으로 측정을 하였다. 이와 같은 순서로 3월 22일과 3월 29일에 측정하였다. 시료채취 방법은 단위세대의 외부에 면한 모든 개구부(창호, 출입구, 환기구 등)와 실내출입문, 수납가구의 문 등을 개방하고 30분 이상 환기를 한 후 외부 공기와 면하는 개구부(창호, 출입구, 환기구 등)를 5시간 이상 모두 닫아 실내 공기의 이동을 방지하였다. 이때, 수납가구의 문은 모두 개방한 후에 30분 동안 시료채취를 실시하였다. 이 때 시료채취는 단위세대의 거실과 방의 중앙부 1.2~1.5m 높이에서 실시하였다. 포름알데히드의 측정은 DNPH가 코팅되어 있는 실리카겔 카트리지를 이용한 2, 4-DNPH 유도체화분석법을 사용하여 측정하였다. 이 방법은 대기중에 존재하는 카르보닐 화합물과 DNPH와의 반응에 의해 생성되는 DNPH 유도체를 분석하는 방법으로, 시료 채취시 알데히드뿐만 아니라 케톤과도 반응하여 안정한 유도체를 형성하는 특징이 있다. 측정 유량은 0.5ℓ/min으로 30분간 포집을 하였고, 포집하는 펌프는 ∑-300(Sibata, Japan)을 이용하였다. 포집이 끝난 후 빛을 차단하기 위해 호일에 싸서 냉장 보관을 하였고, 포집한 시료가스의 일정량을 채취하여 시약으로 유도체한 후, 역상 고속액체크로마토그래피(HPLC)에 도입하여 자외선 흡광검출기로 검출되는 크로마토그램의 높이나 면적 등으로 농도를 산출하였다. 포름알데히드를 제외한 실내의 온열조건(온도, 습도), 미세먼지(TSP), 가스상 물질(CO, CO2)은 동시에 측정할 수 있는 IES-2000(Sibata, Japan)을 사용하여 측정하였다. 측정기기의 세부 사항은 표 1과 같다. 3. 결과 및 고찰 ⑴ 첫 번째 실험 : 광촉매 코팅 후 1주일 변화 동일 평수와 구조인 신축아파트의 단위세대 2곳을 선정하여 광촉매 코팅을 한 신축아파트와 광촉매 코팅을 하지 않은 신축아파트를 대상으로 2003년 7월 22일부터 28일까지 1주일 동안 저감효과를 비교하였다. 표 2는 거실과 방에서 측정한 포름알데히드 농도값을 나타낸 것이고, 표 3은 실내환경에 대한 농도를 나타낸 것이고, 그림 1은 각 측정 장소에서의 농도 변화를 나타낸 것이다. 측정결과, 광촉매를 코팅한 세대와 코팅하지 않은 세대를 비교해 보니, 광촉매를 코팅한 세대에서 포름알데히드가 저감 되었다. 특히, 붙박이장만 설치되어 있는 방의 경우는 상당히 많이 저감되었으나, 측정기간 중 7월 22일과 28일이 다른 날에 비해 높게 측정이 되었는데 이것은 이 날짜에 비가 와서 온도와 습도가 높기 때문으로 광촉매 코팅한 세대와 코팅하지 않은 세대 모두 높게 측정이 되었다. 또한, 이것으로 햇빛이 없는 날에는 광촉매의 효과가 떨어짐을 확인 할 수 있었다. ⑵ 두 번째 실험 : 광촉매 전 / 후 비교 신축아파트의 단위세대 한 곳을 선정하여 2004년 2월 25일에 광촉매 코팅하기 전을 측정하였고, 광촉매 코팅 후 효과를 알아보기 위해 1주일 후인 3월 3일에 측정하였다. 이와 같은 방법으로 다른 신축아파트를 선정하여 각각 3월 22일과 3월 29일에도 측정하였다. 표 4는 거실과 방에서 측정한 포름알데히드 농도값을 나타낸 것이고, 표 5는 실내환경에 대한 농도를 나타낸 것이고 그림 2는 각 측정에서의 농도 변화를 나타낸 것이다. 측정결과, 1차 측정 때는 포름알데히드의 저감효과가 미비했고, 2차 측정 때는 60% 가량의 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 1차 측정의 경우, 저감효과가 미비했던 이유는 2월 25일에 광촉매로 코팅한 후, 3월 3일에 측정을 할 때까지 문을 닫고 환기를 전혀 시키지 않은 상태에서 30분 환기하고 5시간 밀폐를 한 후 측정을 했었는데, 측정 당일의 30분 환기로는 1주일 동안의 밀폐된 상태를 개선시키지는 못한 것으로 사료된다. 2차 측정의 경우, 3월 22일 광촉매 시공이 끝난 후 1주일 동안 주기적인 환기를 시킨 후 3월 29일에 측정을 했더니 60% 가량의 저감효과를 보여줬다. 그러므로, 광촉매 시공 후에도 지속적인 환기 및 관리를 해줘야 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있을 것으로 사료된다. 광촉매의 연구는 상당히 오래전부터 진행되었는데 세계적으로 주목을 받게 된 것은 그리 오래된 것은 아니다. 특히, 에너지 관련 이외의 환경 분야에서 연구를 하게 된 역사는 그리 길지 않다.(다게우찌 고우지, 2000) 1921년 Renz가 TiO2와 자외선을 이용하여 유기물 산화를 관찰한 이후 Bickley 등(1973)에 의해 Rutile(TiO2)상에서의 광촉매 산화반응이 처음 연구되었으며, 1970년대 이후에 광촉매 반응에 대한 연구가 활발히 진행되었다. Obee 등(1995)은 광촉매 산화에 의한 실내공기 오염물질(HCHO, Toulene, 1, 3-Butadiene)에 적용을 위한 연구를 수행한 결과, 반응에 있어서 오염물질의 농도와 수분의 영향을 밝혔다. Shin 등(1996)은 수용액 상의 포름알데히드의 분해에 있어 UV, UV/TiO2, UV/H2O2,UV/H2O2/TiO2 Process를 비교함과 동시에 장시간 촉매 사용시 활성을 연구하였으며, TiO2 광촉매에 자외선을 조사시켜 superoxide radical(O2-·), hydroperoxy radical(HO2-·), OH radical(OH·)을 생성시켜 실내 공기의 포름알데히드를 광촉매 산화반응으로 제거시키는 연구도 활성화되고 있다.(이윤정, 2000) 이렇듯 광촉매에 대한 연구는 많이 수행되고 있으나, 대부분의 연구가 실험실이나 Chamber 실험에 국한되어 있고 실제로 적용되고 생활해야 하는 신축건물에 대한 연구는 그리 많지 않는 점에서 본 연구에 의의가 있다. 향후, 보다 많은 샘플 수로 장기간 연구를 통하여 보다 정확히 광촉매로 포름알데히드의 저감효과에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각한다. 또한, 현재 우리 나라에서는 새집증후군의 붐을 타고 성능이 입증되지 않은 광촉매 제품이 싼 비용으로 소비자들을 현혹시키고 있으나 마땅히 이것을 검증할 시험방법이 없는 것이 문제이다. 이것은 국가적 차원에서 표준화된 시험방법을 마련해야 하고 본 연구와 같이 실제로 신축 건물에서의 개선효과를 입증할 연구를 추진해야 할 것이다. 표 1. Specification of IAQ Monitor Temperature RelativeHumidity CO2 CO TSP Non-dispersive Constant- Light-scattering Principle Thermistor Resistance infrared potential system Absorption electrolysis Range -10~60℃ 0.8~100%RH 0~4000ppm 0~50ppm 0.001~1000mg/m3 Resolution 0.1℃ 0.1%RH 10ppm 0.1 ppm 0.001 mg/m3 0.8~90% 0~3000ppm Accuracy ±0.5℃ ±2%RH ±200ppm ±5% ±10% 90~100%over 3000ppm ±3%RH ±400ppm 표 2. Formaldehyde Concentration and Reduction Rate in Living Room and Bedroom Unit : ㎍/m3 Date List HCHO(Living Room) HCHO(Bedroom) After Before RR*(%) After Before RR*(%) 7. 22 158.3 367.2 56.9 113.4 634.1 82.1 7. 23 99.9 236.5 57.8 89.5 342.8 73.9 7. 24 117.3 262.2 55.2 107.9 275.5 60.9 7. 25 89.8 216.7 58.6 96.0 297.2 67.7 7. 26 82.2 222.0 63.1 94.0 254.1 63.1 7. 27 191.3 378.7 49.5 294.0 361.5 18.7 7. 28 72.7 211.9 65.1 81.9 387.7 79.1 표 3. Conditions of Indoor Environment Date List Temp. R.H. CO2 CO TSP (℃) (%) (ppm) (ppm) (㎍/m3) 7. 22 29.6 67.6 547 0.37 11 7. 23 29.7 56.0 457 0.23 86 7. 24 29.7 55.3 464 0.51 25 7. 25 29.7 58.2 397 0.18 23 7. 26 30.4 50.9 408 0.22 14 7. 27 29.2 62.2 528 0.59 16 7. 28 29.7 55.3 464 0.51 25 그림 1. Changes of Formaldehyde Concentration in Before and After 표 4. Formaldehyde Concentration Reduction Rate in Living Room and Bedroom Unit : ㎍/m3 Date List 1st Measurement 2nd Measurement Before After RR*(%) Before After RR*(%) Living Room 260.1 224.6 13.6 275.5 114.7 58.4 Bedroom 315.3 254.5 19.3 274.8 127.9 53.5 표 5. Conditions of Indoor Environment Date List Temp. R.H. CO2 CO TSP (℃) (%) (ppm) (ppm) (㎍/m3) 1st. 2. 25 25.4 37.2 1033 0.57 54.0 3. 3 27.4 18.4 697 1.09 13.7 2nd 3. 22 29.2 25.1 476 1.57 51.0 3. 29 26.9 27.3 668 0.61 85.2 그림 2. A Comparison of Formaldehyde Concentration in Before and After 참고문헌 마사노 이노우에 (2004), 새집증후군의 실체와 대응전략. 한국목재신문사, 19-21. 김윤신 (1995), 실내환경과학, 민음사, 14-18. Wieslander, G.; Norback, D.; Bjornsson, E.; Janson, C. and Boman, G. (1997), Int. Arch Occup. Environ. Health, 69 (2), 115. 조덕호 (2003), 기술표준지, 기술표준원, 33. 다게우찌 고우지; 무라사와 사다오; 이부스키 다가시 (2000), 광촉매의 세계-환경정화의 결정적 수단, 대영사, 151-161. Renz, C. (1921), Helv. Chmistry. Acta, 4, 961. Bickley, R. I.; Munera, G. and Stone, F. S. (1973) J. Catal., 31, 398. Obee, T. N. and Brown, R. T.(1995) "TiO2 Phtocatalysis for Indoor Air Application ; Effect of Humidity and Trace Contaminent Levels on the Oxidation Rate of Formaldehyde, Toulene and 1,3-Butadiene" J. of Enviro & Tech, Vol. 29, No.5. 이윤정 (2000), TiO2/UV를 이용한 실내공기 중 포름알데히드의 분해, 중앙대학교 석사학위논문. <위 논문은 제1회 한국실내환경학회에서 발표된 것입니다>