Hot Tech - 팽창 퍼라이트/실리카 분말을 이용한 단열재 보강 성형 기술
Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 윤종현 연구소장 (주)경동원
회사소개
1981년 ‘삼손’으로 창립한 (주)경동원(이하 경동원)은 경동나비엔, 경동에버런, 경동티에스를 포함한 경동 4개사의 지주회사로 건축, 산업플랜트, 가전, 자동차 등에 에너지 절감과 화재 안전을 위해 사용되는 단열·내화 제품 전문 기업이다.
경동원은 석유·정유화학 및 발전플랜트용 퍼라이트 보온단열재를 국내 최초로 도입하면서 LNG 선박 및 가스저장탱크의 보냉재와 일반 건축물에서 사용하는 단열재까지 전 범위의 온도대에서 단열이 가능한 Full Line-up을 구축하고 있다.
건물 화재 안전을 위하여 사용되는 철골구조용 내화 피복재의 경우, 국내 최저 두께와 최고 성능을 보유하여 잠실 롯데월드타워, 인천국제공항, 광화문 KT 신사옥 등 국내 주요 건축물과 클린룸이 필요한 산업 시설까지 적용 확대되고 있다.
그 외에도 옥상조경용 인공 토양 및 건축용 지붕재, 식음료용 여과조제와 페인트용 충전제 등을 제조하고 있는 경동원은 ‘기업을 통한 사회 공헌’이라는 이념을 실천하기 위해 다양한 분야에서 에너지 효율과 안전을 위한 제품을 공급하는 것과 더불어 (재)늘푸른을 설립하고 한국조경학회, 대한설비공학회 등을 후원하면서 환경파괴 방지와 도시환경미화 연구를 고무하고 있다.
기술개발 배경
지구온난화 문제로 에너지 효율 개선 및 절약과 이산화탄소 배출 절감에 대한 필요성이 인식되면서, 에너지 소비량이 가장 큰 건축 및 산업용 부문에 대하여 에너지 절약 및 이산화탄소 배출 감소를 위한 정책이 국내외로 진행되고 있다.
그에 따라 국내외 법규가 강화되고 있으며, 고효율 단열재의 사용은 불가피해질 전망이다.
산업용 부문에서는 높은 열에너지가 필요한 석유화학, 정유, 발전, 제철, 소각설비 등의 에너지 효율 향상을 위하여 새로운 시스템을 적용하거나 기존 단열재를 고효율 단열재로 대체하는 것에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다.
건축용 부문에서는 2016년 7월 한 차례 단열재 규정을 강화한 바 있고, 2017년에도 한 단계 강화된 규정을 발표할 것으로 예상하고 있다.
따라서 기존 단열재로는 두께 증가가 요구되므로 진공단열재 등의 고효율 단열재의 필요성은 더욱더 부각되고 있는 실정이다.
기존 산업용 고효율 단열재로 흄드실리카계와 에어로겔 블랑켓이 대표적인데, 에어로겔 블랑켓의 경우 가격 경쟁력이 떨어져 보급화가 어렵다는 단점이 있다.
진공단열재는 흄드실리카계와 글라스화이버계로 구분되는데, 흄드실리카계의 수명이 글라스화이버계의 3배 정도로 건축물에 더욱 적합하다.
본 기술은 팽창퍼라이트/실리카 분말을 이용한 단열재 보강 성형 기술로, 기존 흄드실리카계 단열재의 제조비용을 절감시키고 경제적인 고효율 단열재를 제조함으로써 건축 및 산업 전 부문에 확대 적용할 수 있도록 기여하고자 한다.
기술의 상세 내용
흄드실리카는 나노입자가 모여 포도송이 형태의 마이크로 입자를 구성함으로써 내부 기공에 의한 고성능의 단열 효율을 구현한다.
일반적으로 흄드실리카를 이용하여 단열재 제조시, 성형성을 갖기 위해 일부는 소량의 바인더를 사용하는데, 이는 실리카 입자 내부에 비표면적이 작아지고 바인더에 포함된 수분을 완전 건조하기 어렵기 때문에 열전도율이 상승하여 단열성능이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 흄드실리카 단열재를 바인더 없이 강도나 형상 구현을 위해서는 높은 밀도로 압축 성형해야 하는데 이는 재료비와 공정비용 상승으로 이어진다.
본 기술은 흄드실리카 내에 퍼라이트 입자로 구조적 골조를 형성함으로써 낮은 밀도에서도 강도와 형상을 구현할 수 있도록 단열재를 제조하는 기술이다.
팽창 퍼라이트와 흄드실리카의 하이브리드로 흄드실리카는 나노 사이즈의 수많은 기공을 형성하여 비표면적을 증가시키고 대류를 최소화하여 단열성능을 극대화한다.
팽창 퍼라이트는 독립된 입자의 치밀한 Cell이 분산되어 골조를 형성시켜 낮은 밀도에서도 강도를 보강하도록 한다.
팽창 퍼라이트는 구조적 골조를 형성하기 위해 일반적인 팽창 퍼라이트보다 입자의 강도를 갖는 Closed Cell 형태의 퍼라이트를 이용할수록 그 효과가 크다.
또한, 높은 생산성을 위해 기존 Batch 타입의 성형방식을 개선하여 연속식 생산이 가능하도록 하여 공정비용을 줄일 수 있다.
기술의 차별성
흄드실리카는 입자가 작고 비표면적이 크기 때문에 단열성능은 우수하나 성형시 강도가 약해 외부 압력에 의해 쉽게 파손되거나 소실되는 일이 발생할 수 있어 성형성 및 작업성이 크게 저하된다. 따라서 고밀도로 제작해야 하는 단점이 있다.
또한, 원재료의 가격이 높아 흄드실리카의 단독 사용은 단열재 제조비용을 상승시키며, 높은 열효율을 가지더라도 가격적인 측면에서 큰 제약을 받게 된다.
기존 제조 기술에 있어서는 원료 자체가 비표면적이 높고 입자가 작기 때문에 압축 성형시 공기압으로 인해 원료가 쉽게 이탈하고, 또는 원료의 압축된 상태가 커질수록 공기가 쉽게 빠져 나가지 못하여 내부 압력이 대기압보다 높아 원료의 불균일을 초래할 수 있으며, 도달할 때까지 상당 시간 소요됨으로써 생산성이 낮은 단점이 있다.
팽창 퍼라이트/실리카 분말을 이용한 단열재 보강성형 기술은 팽창 퍼라이트를 이용하여 흄드실리카 사이에서 구조적 지지대를 형성시켜 낮은 밀도에서도 성형이 가능하고 비표면적을 원활히 갖도록 함으로써 고밀도의 일반 흄드실리카 단열재와 동일한 열물성 및 강도를 가질 수 있게 한다.
또한, 기존 공정에서의 높은 제조비용과 작업성 개선을 위해 연속식 공정을 도입하였다.
이는 통기성이 있는 글라스 화이바 매트나 부직포 매트를 봉투 형태로 제작하여 원료를 담고, 성형을 하는 형태이다.
봉투가 통기성을 가지므로 성형시 공기 빼기가 쉬워 원료가 균일하게 분포되고 성형 시간이 짧아 생산성이 높다.
또한 분진 발생이 적고 별도의 마감 작업이 없이도 적용할 수 있어 작업 성능에서 매우 우수하다.
기술의 파급효과
본 기술의 단열재가 산업용 국내 고온 현장에 적용되면 2020년 기준 에너지 총 사용량 1,250만 TOE의 5.2%인 65만 TOE를 감소시킬 수 있는 경제적 효과를 기대할 수 있다.
또한, 동일 성능 기준 수입품 대비 경제적인 가격으로 투자비 대비 회수기간을 40% 이상 단축할 수 있는 효과도 있다.
이는 국내 산업용 단열재 시장의 확대, 원자력 발전, 연료전지, 신규 대체 에너지 시스템의 단열소재로서 적용 확대를 기대해 볼 수 있다.
또한, 2018년 세계 단열재 시장은 약 126조 원으로 예상되며, 0.1%의 세계 시장 점유시 약 1,000억 원의 수익창출이 가능하다.
진공단열재는 제조비용이 높아 일부 고효율을 요구하는 분야에만 한정되어 사용되고 있으나, 팽창 퍼라이트/실리카 분말을 이용한 단열재 보강 성형 기술의 단열재를 심재로 활용하여 높은 가격 경쟁력으로 모든 분야에 접근이 용이할 수 있다.
특히 신규 건축물에 대한 국내 단열법규는 매해 강화되어 2017년 이후 Passive House에 준하는 수준으로 도달할 것으로 예측되고 있다.
이때 기존 단열재로는 두께가 높아져 시공에 대한 작업성 문제나 건물 내부 전용 면적이 작아지는 등의 문제로 효율이 높은 진공단열재가 그 대안이 되므로 보급의 확대가 기대된다.
가전 분야에서는 전기효율 1등급 냉장고에 한정적으로 사용하고 있다.
정수기, 온수기, TV 등에도 효율등급을 높이기 위해 진공단열재를 검토하고 있으나, 가격이 높아 검토가 지연되고 있다.
반면, 본 기술의 단열재는 퍼라이트/실리카 하이브리드 복합 구성으로 진공단열재의 심재로 적용시, 비표면적이 높아 내구성과 수명이 높고, 가격 경쟁력이 우수하므로 가전 분야의 진공단열재로서 충분한 경쟁력이 있다.
조선해양 분야에서는 질소 및 황산화물의 배출을 규제하는 IMO(국제해사기구) 환경정책 및 미국 셰일 가스의 개발로 LNG의 사용이 증가될 것으로 예측된다.
따라서 LNG의 이송과 이를 원료로 하는 추진선박 및 벙커링 선박의 수주가 증가할 것으로 예상되고, 탱크에 저장된 LNG의 자연 증발량(BOR, Boil Off Ratio)의 감소와 저장 효율을 높이기 위해 기존 우레탄폼 단열재를 대체할 만한 신규 단열소재가 절실히 요구되고 있는 상황이다.
본 기술의 단열재를 심재로 활용한 진공단열재는 LNG 탱크의 BOR을 낮춰 단열 효율을 높이고, 두께를 낮춰 LNG의 용적을 증가하거나 선박의 공간 효율을 높이는 방안으로 적용을 확대할 수 있을 것으로 보인다.