단열재

단열재(insulating materials, 斷熱材)는 일정한 온도가 유지되도록 하려는 부분의 바깥쪽을 피복하여 외부로부터 열 손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 재료이다.

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개요

단열재는 열의 유입과 손실을 적게 하기 위한 재료이다. 건물을 지을 때에는 벽이나 천장 등을 통해서 열이 빠져 나가는 것을 막거나, 밖의 찬공기가 스며들지 못하도록 단열재를 많이 사용한다. 가정에서도 냉방과 난방의 효과를 높이기 위해 단열재를 사용한다. 단열재를 사용하면 겨울에도 따뜻하게 지낼 수 있고 에너지를 절약할 수도 있다. 단열재는 건축물에서 자동차, 보온병에 이르기까지 많은 용도로 사용된다. 단열재는 약 100℃ 이하에서 사용하는 것을 목적으로 하는 보냉재(保冷材), 100∼500℃의 보온재, 500∼1,100℃의 단열재, 1,100℃ 이상에서 사용할 수 있는 내화단열재(耐火斷熱材)로 구분된다. 단열재는 소재 자체의 열전도율이 작은 것이 바람직하나, 대부분 열전도율이 그다지 작지 않다. 그러므로 대개의 경우 열전도율을 작게 하기 위해 다공질이 되도록 만들어 기공 속의 공기의 단열성을 이용한다. 소재는 크게 유기질과 무기질로 나뉘는데, 유기질에는 코르크·면(綿)·펠트·탄화코르크·거품고무 등이 있으며, 약 150℃ 이하에서 사용하는 데 적합하다. 무기질에는 석면(石綿)·유리솜·석영솜·규조토·탄산마그네슘 분말·마그네시아 분말·규산칼슘·펄라이트 등이 사용되며, 대부분 고온에서의 사용에 견딜 수 있다. 이것들은 각기 소재의 연화(軟化)·분해 온도가 사용 한계이다. 또 －200℃ 정도의 초보냉재(超保冷材) 등은 알루미늄박과 유리솜을 번갈아 포개고, 플라스틱으로 포장해서 속의 공기를 뺀 것도 개발되고 있다. 한편 1000℃ 이상에서 사용되는 단열재의 대부분은 내화물을 다공질 모양으로 결합시켜 만든 내화벽돌이 사용된다. 이 경우, 열전도율 외에 열팽창률이나 수축률 등이 요구된다. 단열재는 노(爐)의 외벽, 반응탑, 기름의 저장 탱크, 스팀 도관(導管)이나 수도관의 외벽 등, 또 냉장고의 외부 등 많은 곳에 사용되고 있다.

원리

단열재의 원리는 크게 저항형 단열과 반사형 단열이 있으며, 최근에는 두 가지를 혼합해서 만들기도 한다. 저항형 단열은 가장 보편적이고 일반적인 방법으로 비드법 등의 단열재를 사용하는 것이다. 공기는 다른 재료에 비해 열전달이 잘 안 되기 때문에 대부분 단열재는 공기층을 형성할 수 있는 재료로 만들어진다. 비드법이나 글라스울은 이런 원리로 만들어지며, 부피에 비해 그 무게가 아주 가볍다. 같은 무게에서 최대한 부피를 크게 하면 내부에 공기층이 많이 생기게 되는 원리로 만든 것이 바로 비드법이다. 반사형 단열은 열반사 단열재로 통하며 거울처럼 반짝이는 금속성 재질의 얇은 막을 이용해 햇빛과 열을 반사시켜 단열하는 방법이다. 단열재의 부피나 두께가 얇고 중량이 가벼우며 건축물의 벽 두께를 줄일 수 있다. 하지만 공기층을 확보하지 않으면 단열 효과를 얻기 어려우므로 시공할 때 주의를 요한다. 용량형 단열은 유럽에서 200년 이상 된 건물의 난방 기술이 충분치 않을 때 고안된 단열재이다. 그 건물들의 두께는 80cm 이상일 정도로 두껍다. 벽난로에 의지하거나 난방 장치가 아예 없는 건물도 있다. 용량형 단열은 벽을 아주 두껍게 만들어 더운 낮에는 그 열기가 벽 두께 때문에 내부로 들어가지 못하게 하고, 반대로 차가운 밤에는 낮에 데워졌던 두꺼운 벽에서 온기가 실내로 방사되어 추위를 이기는 데 도움되도록 한 것이다.

역할

실내 환경적 측면

• 실내측 표면 온도를 실내 공기의 노점 온도보다 높게 유지되게 하여, 거주자에게 악영향을 미칠 수 있는 표면 결로 발생을 방지하고, 이를 통해 마감재의 훼손을 방지해준다.
• 실내측 표면 온도를 상대적으로 높게(동계), 혹은 낮게(하계) 유지되게 하여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.
• 중간기 등과 같이 냉∙난방이 크게 필요하지 않은 경우 외기온 변화에 따른 실온의 변동폭을 줄여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.
• 공간내 실온이 균일하게 유지되게 하여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.

경제적 측면

• 외피를 통한 열 획득, 손실을 감소시켜 실내 열 환경을 쾌적한 상태로 유지하기 위해 필요한 냉∙난방 에너지 비용을 감소시킨다.
• 최대부하 발생시 외피를 통한 열 획득, 손실을 감소시켜 냉, 난방 설비 용량을 줄여줌으로써 초기 설비 비용을 감소시킨다.

기타

• 방화재로서의 기능을 담당하기도 한다.
• 표면 마감의 용이성을 제공한다.
• 침기와 투습을 방지한다.
• 화재 혹은 동해로부터 구조체의 피해를 막거나 줄여준다.
• 소음이나 진동을 줄여준다.

종류

소재

무기질 단열재

글라스울

글라스울(glass wool)은 유리를 녹여 섬유 형태로 뽑아낸 단열재이다. 가격대비 성능이 뛰어날 뿐 아니라 재료의 규격이 목조의 시공에 최적화되어 있어 목조주택의 단열재로 가장 널리 사용된다. 목조주택은 샛기둥을 일정한 간격으로 세우고 그 사이에 단열재를 채우는 방식으로 벽체를 완성한다. 단면이 가로 2", 세로 6"인 목재 기둥을 사용하는 2×6(Two by Six)공법에 적용되는 글라스울의 단열 성능은 110mm 두께의 비드법 단열재와 동일하다. 콘크리트였으면 단열 성능이 거의 없었을 벽체를 110mm의 스티로폴로 채우는 셈이니 더없이 효율적인 구조로 보인다. 여기에 패시브를 기준으로 부족한 만큼의 단열재만 바깥쪽으로 추가하면 되므로 벽체의 전체 두께가 줄어드는 효과도 있다. 그러나 이 벽체의 실제 단열 성능은 비드법 단열재의 110mm에 미치지 못한다. 글라스울을 빈틈없이 채우기도 힘들 뿐 아니라 글라스울의 1/4밖에 안 되는 나무의 열전도율이 전체 평균을 깎아 먹기 때문이다. 더 큰 문제는 많은 현장이 단가 절감을 위해 24kg/m3를 밑도는 저밀도 자재를 사용한다는 데 있다. 저밀도 글라스울은 시간이 지날수록 아래로 처지거나 수축 후에도 복원이 되지 않아 벽체의 일부가 텅 빈 상태가 되기 쉽다. 이 경우 단열 성능의 저하는 물론 결로수의 유입으로 단열재와 나무가 크게 상하는 2차 피해를 피할 수 없다. 저가 자재를 사용한 목조주택이 처음에는 따뜻한 것 같다가도 시간이 흐를수록 추워지는 이유도 바로 여기에서 찾을 수 있다. 글라스울은 공식적으로 건강에 무해한 것으로 발표된 바 있으나 시공 과정에서 눈이나 피부에 닿으면 많이 따끔거려 거부감이 드는 것도 사실이다. 그래서 좀 더 시공성이 좋은 대체재를 찾곤 한다. 이때 많이 검토되는 것이 이불에 사용되는 천연 양모나 재생 종이를 갈아서 만든 셀룰로오스다. 특히 셀룰로오스는 최근 유럽의 목조주택에서 많이 채택되고 있는 단열재이다. 벽체의 내부를 빈틈없이 채워 단열의 사각지대를 없앴을 뿐 아니라 투습 성능도 매우 뛰어나 글라스울의 대안으로 많은 주목을 받고 있다.

미네랄울

미네랄울(mineral fiber)은 광물 섬유로 이루어진 솜 모양 재료의 단열재이다. 석면, 암면, 유리솜, 슬래그울 등이 있다. 모두가 단열재, 보온재, 흡음재로서 사용한다. 내단열재로 사용할 시 습기를 조절하는 능력이 없어서 떨어져 시간이 지나면서 곰팡이의 서식지가 될 수 있으므로 보통 방습 호일을 추가로 사용하며, 시공 시 전기배선 등의 틈이 생겨 습기가 유입되지 않도록 철저한 차단이 필요하다. 대부분의 아파트에서 지하실 냄새의 원인이 되고 있으며, 겨울철 습기가 여름철 냉방으로 인해 증발하지 못하고 더욱 심하게 될 수 있어 사용에 주의가 필요하다. 원료로 현무암, 글래그, 안산암의 내열성이 높은 규산칼슘계의 광물을 1,500 ~ 1,700℃의 고열로 용융 액화시켜 고속회전 원심분리공법으로 만든 순수 무기질섬유로 인체에 유해한 석면 재질과는 전혀 다른 제품이다. 사용 온도 범위가 650℃로 불연재이며 일반건축, 칸막이, 내화벽, 기타 산업용으로 널리 쓰인다.

실리카

실리카(Silica)는 전체 부피의 98%가 나노사이즈의 기포로 이루어져 매우 가볍고 단열 성능이 뛰어날 뿐만 아니라 강도도 높고, 방음 및 충격 완화 성능도 뛰어나기 때문에 가격이 비싸지만 최고로 불리는 단열재이다. 에어로겔은 키슬러(Kistler)가 지난 1930년대 최초로 발명한 이래, 화성탐사로봇 등에 일부 사용된 바 있으나, 국내에서 연구 개발이 시작된 것은 비교적 최근의 일로 내국인의 특허 출원은 2005년에 처음으로 이뤄졌다. 국내에서도 한국에너지연구원 안영수 박사 연구팀이 획기적인 에어로젤 제조 공정을 개발됐다. 이는 세계에서 가장 빠르고 싸게 에어로겔을 만들 수 있는 데다가 기존의 관련 특허권도 피해 갈 수 있는 차별화된 원천 기술이다. 또한 ㈜마스타테크론은 나노실리카 및 에어로겔의 양산체재를 갖추는 등 수입에 의존해 오던 에어로겔의 국산화를 시도하고 있다.

펄라이트

펄라이트(perlite)는 펄라이트 입자를 결합재로 굳힌 판이나 통 등으로 성형한 것을 말하며, 내화나 단열, 방음 등에 사용된다. 열전도율은 0.059㎉/mㆍhㆍ℃ 정도이고, 최고 사용 온도는 600℃이다. 단열재로서의 이점은 펄라이트 광석이 신속하고 제어된 가열에 노출되어 팽창하면 원래 부피의 최대 20배까지 성장하고 거품과 같은 세포 내부 구조를 차지한다. 펄라이트는 무기질이며 불연성이며 팽창된 펄라이트의 느슨하게 흐르는 특성은 불규칙한 모양의 공간을 채우는 게 이상적이다. 그리고 확장된 펄라이트는 벽을 단열하는 빠르고 저렴하며 영구적인 방법을 제공한다. 설계 조건에 따라 콘트리트 블럭 또는 중공형 조적벽의 중공 코어에 펄라이트 루즈필을 사용하면 열전달을 50% 이상 줄일 수 있다. 펄라이트는 불연성의 산업용 광물로 뛰어난 동적 열 성능을 제공한다. 펄라이트 단열재는 연소 또는 부패를 지원하지 않으며 설치류의 서식지를 제공하지 않는 무기 제품이다. 콘크리트 슬래브, 굴뚝 및 피자 오븐 및 로켓 스토브와 같은 고온 응용 분야에서 사용하기에 이상적이다.

세라믹 파이버

세라믹 파이버(ceramics fibers)는 내화 벽돌과 같은 조성의 것을 섬유화하여 단열 보온(斷熱保溫)과 방재용(防災用)으로, 또 금속기 복합용이 가능한 세라믹계 섬유이다. 고순도 실리카와 알루미나를 약 2,500도 온도에서 용융하여 섬유화한 초고온용 내화 단열재이다. 완전한 무기질의 장섬유이며, 접착제를 함유하고 있지 않다. 다른 형태의 제품들은 소량의 접착제를 함유하고 있는데, 이 접착제는 가열 시 초기에 타서 없어진다. 세라믹 파이버는 석면이 들어 있지 않다. 또한 열전도성도 낮아서 내화벽돌의 약 1/3 정도이며, 석면 제품보다도 열전도성이 낮고 단열성이 우수하다. 밀도가 낮아서 축열량도 적은데, 축열량이 적기 때문에 화로의 가열 및 냉각 시간이 단축되고, 연료가 절감된다. 그리고 가볍다는 장점이 있다. 단열내화 벽돌의 약 1/6 중량이면 석면판 무게의 약 1/3이다. 세라믹 파이버를 이용하면 설비가 더욱 가벼워지고 설비의 구조가 간단해져서 취급이 용이해지며, 시간과 원가를 절감할 수 있다. 또, 열 충격에 대한 저항력도 강하다. 아무리 빨리 가열 혹은 냉각시켜도 제품 형태가 손상되지 않는다. 그리고 흡음성이 우수해서 고온 상태에서의 소음 감소용 재료로 사용된다. 또한 탄력성이 좋아 진동에 잘 견디고 진동을 흡수해 낸다. 모든 형태의 세라믹 파이버 제품은 취급이 용이하고, 대부분 가위나 칼등으로 빠르게 자를 수 있다. 보통의 경우 시공에 특별한 인력이 필요 없으며, 매우 신속하게 단열 시공을 끝낼 수 있다. 세라믹 파이버는 화학적 변화에 대한 저항력이 강하다. 대부분의 산과 많은 알칼리에 대한 저항력이 있다. 그리고 기름, 물, 증기에 의해 영향을 받지 않는다. 물을 흡수하지만 다시 마르면 아무런 화학적 변화 없이 원상으로 회복된다. 일반 세라믹 파이버는 고온의 강한 환원 분위기에서는 사용해서는 안 된다. 이 경우에는 지르코니아 세라믹 파이버를 사용해야 한다. 또한 세라믹 파이버는 다양성이 매우 높은 재료이다. 솜 모양의 벌크 제품으로 만들 수도 있고, 여러 겹으로 쌓은 후 누벼서 담요 형태의 블랑켓으로 만들 수도 있으며, 블랑켓을 접어서 모듈로 만들기도 하고, 기타 보드, 성형 제품, 페이퍼, 가스켓, 실, 로프, 천, 시멘트, 코팅제 등 여러 가지 형태로 다양한 제품을 만들 수 있다.

진공 단열재

진공 단열재(Vacuum Insulation)는 글라스올을 주원료로 하여, 다공심재의 외부에 여러 겹의 얇은 막으로 감싼 것으로 진공 등 특수 처리를 하여 그 내부의 압력을 감소시키고 밀봉 처리한 것이다. 현존하는 최고의 단열재라고 불린다. 진공 상태에서는 열을 전달할 물질 자체가 존재하지 않아 열전도율 또한 0이 되어 일반 단열재에 비해 단열 성능이 8배나 높기 때문이다. 실제로 패널 형태로 출시된 진공 단열재의 열전도율은 0.0045로 비드법 단열재의 1/8 수준에 불과하다. 즉, 두께 30mm의 진공 단열재로 240mm의 비드법 단열재를 대체할 수도 있는 것이다. 하지만 비드법 단열재 대비 세 배 이상의 가격은 차치하더라도, 단열재를 이어 붙일 때 발생하는 선형열교와 현장가공의 어려움, 그리고 시공 중 파손의 위험 등으로 아직까지 많이 사용되는 편은 아니다. 두께에 극도로 민감한 경우가 아니라면 보편적인 단열재로 자리 잡기까지는 좀 더 시간이 필요할 것으로 전망된다.

유기질 단열재

비드법 단열재

비드법 단열재(expanded polystyren)는 비드라고 불리는 구슬 형태의 아주 작은 폴리스틸렌 알갱이를 수증기로 발포시켜 만드는 스티로폼(Styrofoam) 단열재이다. 원래 이름은 발포 폴리스티렌(Expanded Poly Styrene)이며, 영문 머리글자를 따서 EPS라고도 불린다. 스티로폴(Styropor)은 독일 바스프(BASF), 스티로폼은 미국 다우케미컬(Dow Chemical)의 상표명이고, 공식적으로는 비드법 단열재라는 명칭을 사용한다. 여기에서 비드(Bead)란 구슬 모양의 폴리스티렌 알갱이로, 발포하는 방법에 따라 단열재의 성능이 결정된다. 비드법 단열재는 시공성이 좋고 가격이 저렴하며 시간의 경과에도 단열 성능의 변화가 거의 없어 가장 널리 사용되는 단열재 중 하나이다. 하지만 물을 흡수하는 성질이 있어 지하나 기초 부위에 시공하는 것은 피해야 한다. 아울러 시공 전에 단열재가 충분히 안정화될 수 있도록 7주 이상의 숙성 과정도 필요하다. 만약 이 과정을 생략한 채 미장마감을 했을 경우 단열재가 휘어 보기 싫은 자국이 생길 수도 있으므로 각별한 주의가 필요하다. 단열재 위에 바로 습식마감을 하는 외단열미장마감 공법의 경우에는 시멘트와의 부착성이 좋고 기술적으로도 안정적인 3호 규격이 가장 많이 사용된다. 한편, 비드법 단열재에는 1종 외에 네오폴이라는 상표명으로 널리 알려진 회색계통의 2종 규격도 있다. 흑연을 첨가함으로써 열복사에 의한 축열 능력을 개선하여 단열 성능을 20% 이상 보강했다. 비슷한 정도의 가격 상승에도 단열재의 두께를 조금이라도 줄이고 싶을 때 많이 사용된다. 다만 1종 제품에 비해 온도 상승에 의한 휨 정도가 더 크므로 반드시 7주 이상의 숙성 과정이 필요하다. 또한 외벽이 과도하게 태양에너지를 흡수하지 않도록 마감재료의 선택에도 주의를 기울여야 한다.

압출법 단열재

압출법 단열재(eXtruded Poly Styrene)는 습기에 강해 기초나 지하실의 외벽에 많이 사용되는 단열재이다. 아이소핑크라는 상표명으로 잘 알려져 있는데, 원료를 녹여 연속으로 압축·발포시켜 만든 제품으로 XPS라는 약어로도 많이 불린다. 비드법 단열재와는 달리 물을 흡수하는 성질이 거의 없어 건물의 기초나 지하층의 시공에 매우 적합하다. 압출법 단열재는 가격을 제외한 거의 모든 부분에서 비드법 단열재를 앞서고 있다. 게다가 습기에도 강해 비드법 단열재의 대안으로 충분해 보이기까지 한다. 그렇지만 압출법 단열재의 초기 열전도율은 시간의 경과에 따라 20~30% 가량 떨어진다는 문제가 있다. 단열재의 표면이 너무 미끄러워 미장마감을 적용하기 힘든 것도 단점 중에 하나로 지적된다. 따라서 압출법 단열재는 가급적 물과 직접 접촉하는 부위에 한해서 사용하는 것이 바람직하다. 벽체에 사용하는 경우에도 건식공법과 같은 적절한 마감 방식을 검토할 필요가 있다. 한편, 압출법 단열재를 기초에 사용할 경우에는 특호, 지하층의 외벽에 사용할 경우에는 1호 이상의 규격을 선택하는 것이 좋다. 무르디 무른 단열재가 건물의 엄청난 하중을 견딜 수 있는 이유는 '하중'이 아닌 하중과 면적의 비, 즉 '압력'이라는 관점에서 바라보면 쉽게 이해할 수 있다. 단열재를 손톱으로 누르면 자국이 남지만 손바닥으로 누르면 멀쩡한 것은, 같은 힘이라도 그것이 작용하는 면적에 따라 결과가 달라지기 때문이다. 실제로 압축강도가 25N/cm2인 압출법 단열재가 견딜 수 있는 하중은 1m2당 25.5톤(=1m2×25N/cm2×10000cm2/m2×1ton/9800N)에 이른다. 이 정도면 건물의 하중이 특정 부위로 집중되지 않는 한, 2층 정도의 콘크리트 건물을 지탱하는 데에는 전혀 문제가 없는 수준이다.

열반사 단열재

열반사 단열재(reflective insulator)는 얇은 은박 피복의 폴리에틸폼으로 구성된 단열재이다. 주변에 신축되는 크고 작은 건물들을 유심히 살펴보면, 외장마감재를 붙이기 전에 번쩍번쩍한 은박지나 금박지 같은 것으로 건물 전체를 둘러싼 모습을 자주 볼 수 있다. 값도 싸고 작업성도 좋을 뿐 아니라 얇은 두께로도 뛰어난 단열 성능을 얻을 수 있다고 해서 많은 현장에서 사용되고 있다. 열반사 단열재는 복사 차단이라는 명확한 열역학의 원리를 이용하고 있고, 공인기관의 시험성적서도 훌륭하다. 그러나 실제 현장에서는 이 단열재의 가장 중요한 성립 조건인 '밀폐된 공기층'을 확보하기 어렵다는 치명적인 문제가 있다. 더구나 연결 철물로 인해 단열재가 손상되거나 단열재의 표면이 먼지 등으로 오염될 경우 기대했던 성능을 얻기는 더욱 힘들어진다. 학계에서도 이 단열재의 실제 성능이 과장되었는지에 대한 갑론을박이 한창이다.

세라믹 단열재

세라믹 단열재(ceramics heat insulating )는 열의 전도를 막는 데 이용되는 세라믹스로, 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는 특성이 있는 단열재이다. 대표적으로 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것, 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 세라믹스는 무기 비금속원료를 성형한 후 높은 온도로 열처리한 고체 재료이다. 이러한 세라믹스 중에서 단열재로 쓰이는 세라믹스의 공통되는 특징은 아주 작은 구멍이 많이 뚫려 있다는 것이다. 이러한 기포들은 열의 전달을 방해하기 때문에 단열의 효과가 있다. 대표적인 세라믹 단열재로는 천연원료인 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것과 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 이전에 사용되던 코르크나 발포폴리스타이렌과 같은 단열재에 비하여 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는다.

폴리우레탄

폴리우레탄(polyurethane)은 제작공정의 편의상 경질의 폴리우레탄 표면에 부직포 등을 붙인 2종 제품이 주로 유통된다. 열전도율이 상당히 낮은 편이어서 가격적인 부담에도 불구하고 높은 단열 성능이 필요할 때 검토해 볼 수 있다. 하지만 폴리우레탄 단열재 역시 압출법 단열재처럼 시간의 경과에 따라 단열 성능이 최대 20%까지 떨어진다는 단점이 있다. 즉, 열전도율이 시험성적서 상으로는 0.019라 해도 몇 년이 지나면 0.023이 되기 때문에, 에너지 효율을 계산할 때는 후자의 값을 사용해야 한다.

사용 재료

성형 단열 공법

성형 단열 공법은 구조체를 시공한 뒤에 성형 단열재를 부착하거나 구조체와 동시에 시공하는 공법이다. 성형 단열재는 발포 폴리스틸렌 보드, 암면 펠트 등 여러 형태의 제품이 있다. 가격이 저렴한 편이지만, 접합부가 많아 그 부분으로 습기가 침입하기 쉽고 구조체로부터 단열재의 탈락을 방지하고자 장착한 핀이 열교 역할을 할 수도 있다. 따라서 결로를 방지하고 구조체를 보호하려면 습기와 열교에 대한 보완이 필요하다.

현장 발포 공법

현장 발포 공법은 구조체를 시공할 때 구조체 내에 중공 부분을 만들고, 그 부분에 단열재를 발포하는 공법이다. 단열재로 요소 발포 보온재(우레아폼), 우레탄 발포 보온재 등을 사용한다. 간단한 발포 장치를 사용해 복잡한 모양의 공간에 골고루 주입할 수 있으며, 표면 마무리 상태가 양호하고 시공이 간편하다. 단. 조적조의 경우 사춤 모르타르를 부실 시공하면 완벽한 단열재 충진이 어렵다. 또한, 주입 재료의 건조 시 재료의 부피 수축에 의한 틈새 발생을 막기 위해 수축률이 적은 재료를 선택해야 한다.

뿜칠 단열 공법

뿜칠 단열 공법은 복잡한 모양의 단면에도 단열재를 골고루 시공할 수 있다. 뿜칠 단열재는 경질 우레탄폼, 암면 등이 있으며. 단열과 방화 측면에서 성능이 우수한 편이다.

시공 부분

내단열 공법

내단열 공법은 목구조와 경량 철골조(스틸하우스 등)와 같이 구조체와 같은 면에 단열 시공을 하는 공법이다. 그리고 구조가 외부로 노출된 노출콘크리트 등에서 실내 측에 단열 시공을 하는 공법이다. 외단열 공법에 비해 냉난방 부하는 적지만, 단열 시공 면적은 상대적으로 더 넓다.

중단열 공법

중단열 공법은 중공층을 가진 조적조와 프리캐스트 콘크리트 패널(Precast Concrete Panel) 등의 구조체 중간에 단열재를 충진하는 공법이다. 단열재로는 암면, 스티로폼, 우레아폼 등이 있다. 기둥, 보. 슬래브의 단부 및 단열재와의 이음부 등에 불연속 단열 부분이 발생해 열손실과 표면 결로가 발생할 수 있다.

외단열 공법

외단열 공법은 구조체에 폴리스티렌폼과 같은 단열재를 부착하고 코트류 마감을 하는 드라이비트, 스타코 등의 공법과 구조체의 외부에 열반사 단열재 등을 부착하고 석재 등을 시공하는 공법이다. 기둥, 보 등의 영향을 적게 받으므로 단열 성능의 균질성이 높고, 내부 구조체를 축열재로 이용할 수 있다.

선정 기준

단열성

단열재의 단열성은 두께가 일정할 경우 열전도율에 의해 좌우되며, 열전도율이 낮을수록 우수한 단열성을 갖는다. 평균온도 약 30℃에서 보면, 무기섬유질 단열재는 0.03~0.04kcal/mh℃, 유기 발포질 단열재는 0.022~0.039kcal/mh℃의 범위를 가지고 있다. 대체로 유기 발포질 단열재의 열전도율이 가장 낮은 재료는 경질 폴리우레탄 폼이다. 이는 열전도율이 매우 낮은 프레온 가스(열전도율 약 0.006kcal/mh℃)를 발포제로 사용하기 때문이다. 그러나 경질폴리우레탄 폼은 열전도율의 경시 변화를 일으키므로 주의를 요한다. 대기 중에 7개월 동안 방치한 후의 열전도율은 발포 초기보다 30% 정도 상승하는데 그 원인은 공기가 기포막을 통하여 매우 느린 속도로 기포 내로 침입하여 기포 내의 프레온 가스의 농도를 변화시키기 때문이다. 열전도율을 검토할 때 주의해야 할 몇 가지 점은 다음과 같다.

• 열전도율은 온도에 따라 변화한다. 단열재의 열전도율은 일반적으로 온도에 비례하여 증가하므로 단열재의 열전도율은 반드시 사용 온도에서 비교되어야 한다.
• 열전도율은 단열재의 밀도와 관계가 있다. 밀도와 열전도율은 서로 함수 관계가 있으므로 단열재의 품목과 필요한 열전도율이 정해지면 밀도에 따라서 정해진다. 또한 필요한 열전도율과 밀도를 앎으로서 이것을 만족하는 품목을 찾을 있다. 단열재의 열전도율은 일반적으로 밀도에 비례하지만 단열재 종류에 따라서는 최소점을 보이기도 한다. 따라서 단열재의 열전도율이 최소가 되는 밀도에서 비교해야 할 것이다.
• 열전도율은 함수량에 따라 달라지게 된다.

흡수성

단열재의 단열성을 저하시키는 최대의 원인은 수분으로 단열재가 물을 흡수하게 되면 재료의 열전도율은 급격히 증가된다. 따라서 단열재가 흡수 상태에 있다는 것은 바람직하지 못하며, 이것은 단열재 내의 공기가 흡수량만큼 열전도율이 큰 물과 치환되기 때문이다. 상온에서 공기의 열전도율은 약 0.02kcal/mh℃인데 비하여 물은 약 0.5kcal/mh℃이다. 그뿐만 아니라 단열재 중의 수분은 심할 경우 단열재와 접촉되어 있는 내장 및 외장재의 표면을 부식시키며, 특히 유기질 단열재의 경우 단열재 자체도 부식시킬 우려가 있다. 흡수량은 무기질 단열재가 유기 발포질 단열재보다 월등히 높으며, 이것은 섬유상 물질이 모세관 현상에 의하여 (발수 처리한 제품은 제외) 수분을 흡수하는 반면, 발포상 물질은 대부분 기포가 독립되어 있어서 수분의 통과를 저지하기 때문이다. 현재 시판 유기질 단열재 가운데 발포폴리에틸렌 및 압출 발포폴리에틸렌이 가장 내흡수성이 좋으며, 그 다음이 폴리스티렌 폼, 경질폴리우레탄 폼 순이다.

투습성

단열 구조체를 사이에 두고 양측의 수증기압이 서로 다를 때 투습 현상이 일어나며, 이때 수증기가 저온의 표면에 다다라 과포화 상태에 이르면 수분이 응축되어 단열성능을 저하시킨다. 이러한 수분 응축량은 단열재의 투습성이 클수록 증대하므로 사용 단열재가 어느 정도의 투습성을 갖는지는 단열성의 투습성이 클수록 증대하므로 사용 단열재가 어느 정도의 투습성을 갖는지는 단열성의 내구성과 관련하여 매우 중요한 성능이다. 단열재의 투습성은 열전도율과 같이 반드시 두께에 비례하지 않으므로 대부분의 경우 투습도(혹은 투습계수)를 사용한다. 투습도는 일반적으로 유리면, 암면 등 무기질 단열재가 발포상 단열재보다 훨씬 높게 나타나고 있는데, 이는 유리면과 암면이 섬유상인 반면에 발포상 단열재는 미세한 독립기포로 구성되어 있어 수증기의 투과를 차단하기 때문이다. 투습도가 크거나 시공 이음매의 틈이 큰 단열재를 시공할 때에는 방습재의 겸용이 필요하며, 방습재는 반드시 고온측, 즉 실내 측에 설치해야 한다. 수분은 항상 고온측에서 저온측으로 이동하는 경향이 있기 때문이다. 방습재로는 일반적으로 약 0.5mm 이하 두께의 폴리에틸렌 필름이 많이 사용되나 시공 중 찢어지거나 파손되는 일이 많아 0.1mm 두께 이상의 사용이 권장되고 있다.

강도

단열재의 성능을 표시하는 강도의 종류로서 곡 강도와 압축 강도가 있다. 곡 강도는 단열재의 판이 구부러뜨리려는 힘에 어느 정도 견딜 수 있는지를 표시하는 지수로서 압력(kg/㎠)으로 나타낸다. 압축 강도는 단열재의 판에 수직으로 가하는 힘에 얼마나 견딜 수 있는지를 표시하는 지수로서 역시 압력(kg/㎠)으로 나타낸다. 유기질 단열재의 곡 강도 및 압축 강도가 큰 순으로 나열하면 다음과 같다.

• 곡 강도 : 발포 폴리스티렌 > 경질 폴리우레탄 폼 > 페놀 발포
• 압축강도 : 경질 폴리우레탄 폼 > 페놀 발포 > 발포 폴리에틸렌

내열성

내열성이란 고온에서 단열재가 물리적, 화학적으로 안정한 정도를 말한다. 단열재의 역할 자체가 온도차의 유지에 있기 때문에 큰 중요성을 지닌다. 또한 내열성은 단열재의 수명과도 밀접한 관련이 있으며, 단열 자체를 목적으로 시공되는 경우 특히 그렇다. 단열재의 내열성은 사용 온도의 한계를 나타내는 최고 사용온도로 표현되며, 이 온도를 초과한 상태에서 사용하게 되면 단열재는 수축, 융용 등을 일으켜 이로 인한 단열성능의 저하를 가져오게 된다. 단열재의 일반적인 사용온도 범위를 살펴보면, 건축 및 주거용으로 -50℃에서 50℃의 온도범위에서 사용할 수 있는 단열재로서는 무기질 단열재의 유리면과 암면이 있으며, 유기질 단열재로는 발포폴리스티렌, 경질폴리우레탄 폼, 페놀발포, 발포폴리에틸렌 등이 있다. 이외에도 퍼라이트와 질석이 용도에 따라 사용될 수 있다.

안정성

유리면, 암면 등은 흡수력이 강하며, 흡수한 상태에서는 비중이 높아진다. 특히 수직벽 공간에서 이러한 현상이 일어나면 차체의 무게로 내려앉으므로 단열 효과는 상실되고 만다. 그러므로 암면을 수직벽체에 사용하고자 할 경우에는 칸막이를 하고 지지대 및 방수층을 설치하는 것이 바람직하다. 유리면의 경우 Na2O, K2O 등을 함유하여 알카리성을 띄울 때는 수분에 이러한 성분들이 용해하여 섬유상 구조를 열화시키므로서 단열성능을 저하시킨다. 특히 폐유리를 원료로 하여 만든 유리면은 대부분 알카리성을 띄므로 수분과의 접촉에 특별히 주의해야 한다. 유기질 단열재는 발포제에 의해 발포되는데 기포 중에 있는 발포제 기체가 시간이 경과함에 따라 열전도율이 높은 공기로 대체되므로 단열성이 저하된다. 그러므로 발포 단열재의 선택시 열전도율의 경시변화를 고려하여 사용해야 한다. 단열재가 흡수 혹은 흡습 상태에서 산성, 알카리성 혹은 중성을 나타내는데, 이에 따라 피보온체를 부식하게 되므로 피보온체의 물성에 따라 단열재의 선택도 달라져야 한다. 예를 들면 강재에는 알카리성 혹은 중성 단열재를, 알루미늄 면에는 중성 혹은 약산성 단열재를, 그리고 오오스테나이트계 스테인레스강에는 대체로 가용성 염소의 농도가 낮은 단열재를 사용해야 한다. 주로 단열재의 pH값은 유리면 8.0~10.5, 암면 7.0~10.0, 발포폴리스티렌 6.5~7.5, 경질폴리우레탄 폼 6.5~7.5이다.

불연성

무기질 단열재인 암면, 우리면 등은 연소하지 않으며, 화재 시 연기의 발생량도 거의 없는 상태이다. 반면에 유기질 단열재인 발포포리스티렌, 경질폴리우레탄 폼 등은 연소한다. 시판되는 난연성 유기질 단열재는 자기소화성을 말하는 것이며, 불연성을 뜻하는 것은 아니다. 그러므로 이러한 유기질 단열재를 주택의 내부 단열재로 사용할 시에는 불연성 마감재로 시공하는 것이 바람직하다.

유해성

무기질 단열재인 유리면 암면, 석면 등은 피부와 접촉하면 자극을 일으킨다. 석면은 폐암 등을 유발할 우려가 있으므로 상당한 주의를 요한다. 유기질 단열재는 대체로 화재 시에 연기와 연소가스로부터 오는 유해성이 문제가 된다. 유기질 단열재의 연료인 소나무, 종이, 경질폴리우레탄, 요소수지, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌 등이 연소 및 열분해 시에 발생하는 유해가스가 위험하다. 특히, 요소 발포체는 사용 도중 인체에 해로운 포름알데히드 가스를 방출한다는 이유로 캐나다와 미국에서는 사용을 금지하고 있다.

시공성

단열재의 시공성은 작업 능률에는 물론, 시공 후의 단열 효과에도 영향을 미친다. 시공성이란 위급하기 쉬운 정도를 말하는 것으로, 몇 가지 사항을 종합적으로 고려하여 시공성을 판단해야 한다. 먼저 가공하기 쉬워야 한다. 단열재의 시공 부위에 따라서는 형상, 치수가 다양하므로 단열재를 공사 현장에서 각 부위의 형상, 치수에 맞도록 가공할 경우가 많다. 따라서 단열재는 특정한 공구를 사용함이 없이 간단한 공구를 사용하여 쉽게 절단할 수 있어야 한다. 또 쉽게 파손되지 않아야 한다. 경질 단열재는 수송, 운반 및 가공시 파손에 의한 손실이 많으므로 쉽게 부서지지 않아야 한다. 따라서 경질 단열재의 곡 강도는 대체로 3.5kg/㎠이상의 것이 요구된다. 단열재는 가벼워야 한다. 가벼우면 운반하기 쉬우므로 작업 능률이 신장된다. 본질적인 이점으로서는 시공부위에 여분의 하중이 걸리지 않는다는 것이다. 또, 타 재료와의 접착성이 좋아야 한다. 단열재의 시공법에 따라서는 목재, 합판, 콘크리트 등 접착공법이 다양하므로 이들 재료와의 접척성이 좋아야 한다. 보관도 용이해야 하는데, 단열재의 성능을 유지하기 위해서는 보관상의 주의가 필요하다. 무기섬유질 단열재는 비에 젖지 않도록 야적을 피하고 발판 위 등 습기가 적고, 통풍이 잘되며, 누수가 되지 않는 곳에 보관해야 한다. 또한 단열재 위에 목재나 철골 등의 중량물을 얹지 말아야 한다. 그리고 유기 발포질 단열재는 화기에 주의해야 하며, 특히 자외선에 의해 열화되므로 직사일관에 노출시키지 말아야 한다.

참고자료

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• 〈울〉, 《네이버 지식백과》
• 〈단열재에는 어떤 것들이 있을까?〉, 《네이버 지식백과》
• 〈펄라이트 단열재〉, 《네이버 지식백과》
• 〈세라믹단열재〉, 《네이버 지식백과》
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• 〈실리카 에어로겔 단열재 개발〉, 《사이언스온》, 2011-02-22
• 불가마, 〈퍼라이트 단열재란 무엇인가?〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-24

같이 보기

• 단열
• 재료
• 소재
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