□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 TiO2 광촉매를 이용한 일사 저항형 Thermochromic 파우더의 도료화 기술 개발 ◼ 전체 내용 최근 여름철 외기온도가 상승되면서, 건물외피의 표면온도가 지속적으로 상승되고 있다. 가열된 건물외피의 표면은 실내로 더 많은 열을 전달하여 냉방기의 용량 및 가동시간을 증가시켜 냉방에너지 소비를 더욱 촉진시킨다. 특히, 지붕표면은 타 구조보다 더 긴 시강동안 높은 고도의 강한 일사에 노출되기 때문에, 표면온도가 매우 높다. 이러한 지붕의 표면온도를 감소시키기 위해 최근 태양일사의 반사에 탁월한 흰색 도료 형태의 Cool Roof 시스템이 보급되고 있다. 그러나 현재와 같은 Cool Roof 시스템은 연중 여름철이 우세한 지역에 적합한 방식이다. 반면, 국내와 같이 겨울철이 긴 기후지역에서는 Cool Roof가 지붕의 표면온도를 더욱 냉각시킴으로서 난방에너지 소비를 촉진시키는 동시에 연간 건물에너지 및 온실가스 배출 또한 증가시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구는 Thermochromic 재료를 이용한 'Cool & Warm Roof' 시스템을 제안한다. Thermochromic 재료는 온도에 따라 색이 검정계열에서 무색(투명)으로 변화하기 때문에, 흰색계열의 도료와 순차적으로 시공된다면 지붕표면의 일사를 조절함으로서 여름철과 겨울철에 지붕표면 온도를 유기적으로 변화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, Thermochromic 재료는 태양 자외선에 노출되면 변색 기능이 파괴되기 때문에, 이를 지붕 표면에 적용하기 위해서는 자외선 취약에 대한 문제를 해결해야 한다. 그 해결책으로서 본 연구는 TiO2 광촉매를 통해 Thermochoromic 재료의 자외선 문제를 해결할 계획이며, 동시에 이를 지붕에 적용하기 위한 도료화 방안을 제시할 것이다. 따라서, 본 연구는 'Cool & Warm Roof를 구현하기 위해 TiO2 광촉매 기반의 일사 저항형 Thermochromic 분말의 도료화 기술 개발‘에 최종 목적이 있다. Thermochromic 기술은 촉매제 내에 유기산화물과 착색제를 첨가한 후, 이를 캡슐화한 나노기술의 하나이다. 촉매제의 융해점을 기준으로 고온 혹은 저온에서 색상이 서로 다르게 나타나는 특징을 가진다. Thermocromic 재료는 일반적으로 (1) Liquid Crystal과 (2) Leuco Dye로 구분된다. 이중, Leuco Dye 타입은 일반적으로 유색에서 무색(투명)으로 변화시키며 마이크로파우더(미세분말) 현태로 존재한다. 또한 고온에 내구성 가지며 다른 입자들과 혼합되어도 본연의 성능을 유지시킬 수 있는 장점을 가진다. 이로 인해, 물, 페이트, 오일 등과 혼합되어 도장의 원료나 미용, 자동차 등 많은 산업에 광범위하게 이용될 수 있다. 만약, 지붕의 표면에 반사율이 높은 흰색계열의 도료를 도포한 후, 검정계열에서 무색(투명)으로 변화하는 Thermochromic 기반의 도료를 그 위에 도포한다면, 특정온도에서 지붕의 표면이 검정계에서 흰색계열로 변화될 수 있다. 이러한 지붕 표면의 색 변화는 태양일사를 계절에 따라 조절할 수 있기 때문에, 지붕의 표면온도를 계절 변화에 따라 감소 혹은 증가시킬 수 있다. 그러나 현재 모든 Thermochromic 재료들은 태양의 강한 자외선에 노출되면 내부의 조직이 파괴되어 변색 기능을 상실하게 된다. 특히, Thermochromic Leuco Dye 타입은 고온에 저항성이 있기 때문에 뜨거운 열과 같은 고온에서도 변색기능을 유지할 수 있지만, 실외의 강한 자외선에 노출되면 다른 재료와 마찬가지로 변색기능이 파괴되고 일사 반사 능력이 현저하게 떨어지는 심각한 단점을 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 이산화 티타니움 (TiO2)를 이용하였다. TiO2는 일사의 자외선 및 짧은 파장의 가시광선 영역을 반사하는 특징을 가진다. 특히, TiO2는 입자의 크기에 따라 표면으로 투영되는 일사를 산란시키는 능력에서 차이를 보인다. 따라서 기존 Thermochromic Leuco Dye 타입의 일사에 대한 취약성을 보완함과 동시에 최적의 일사 반사율을 가질 수 있는 TiO2 의 종류 및 입자크기를 결정짓는 것에 중점을 두었다. 또한 일사 저항성을 가진 TiO2 및 Thermochromic의 최적 혼합물이 도출된 후, 이를 도료화하는 방법 또한 도출하였다. 이들 혼합물과 지붕에 도포하는 일반 도료와의 혼합과정에서 발생될 수 있는 화학적 위험성을 관철하고, 도료화가 완성되었을 때 지붕 표면과의 부착성, 마모(벗겨짐), 변색 기능의 유지 등에 대한 분석 또한 수행하였다. ◼ 1단계 ❏ 목표 국내 기후조건을 고려한 Cool & Warm Roof 최적 디자인 도출 ❏ 내용 연간 기후변화에 따른 지붕의 일사 조절을 위한 표면 색상변화 시스템의 디자인 도출, 최적 Thermochromic 안료 및 TiO2 분말의 입자크기 결정 및 지붕과의 융합 방안 도출 ◼ 2단계 ❏ 목표 혼합 Thermochromic 안료 제작 및 사전 성능 테스트 ❏ 내용 Thermochromic 안료 및 TiO2 분말의 최적 혼합을 위한 혼합 방식 결정 및 혼합 테스트, 혼합 안료 및 액체 도료 용매와의 혼합 결과 분석, 혼한 Thermochromic 도료의 지붕 표면 적용을 위한 사전 테스트 수행 ◼ 3단계 ❏ 목표 기존 지붕 대비, Thermochromic 도료 적용에 따른 지붕 표면 온도 저감 효과 분석 ❏ 내용 국내 건축물에서 주로 활용되고 있는 녹색 및 회색 표면 대비, Thermochromic 기반 Cool & Warm Roof 시스템의 표면온도, 실내 천정온도 및 실내 공기온도의 쾌적성 검증 □ 연구개발성과 Thermochromic 도료의 연구와 관련하여 국내외 연구개발의 격차는 약 15년 이상이라고 사료된다. 또한 미국과 일본 및 일부 유럽국가에서는 이미 이러한 스마트 도료가 빠르게 보급되면서 그 성능 또한 연구를 통해 지속적으로 발전되고 있다. 반면, 국내에서는 몇몇 연구문헌에서 Thermochromic 안료에 대한 소개와 간단한 성능 정도가 보고되고 있고, 이를 활용한 응용사례나 혁신 연구에 대한 보고는 아직 충분하지 않은 것으로 분석된다. 이미 국외에서는 Thermchromic 안료가 건축뿐만 아니라 금속, 목재, 플라스틱 등 다양한 산업에서 활용되고 있으며, 에너지 절감의 관점에서도 일부 건축물 적용에서 상당한 효과를 발휘하는 것으로 나타나고 있다. 특히, 금속 피막의 내구성 강화를 위한 연구가 상당히 진행되었으며, 곧 자외선에 완전히 저항할 수 있는 기술이 완성될 것으로 보인다. 따라서 비용 대비, 에너지 절감 효율이 매우 탁월한 재료이며 미래 스마트 에너지 절감 재료로서 폭넓게 활용이 가능함으로, 본 연구가 국내 Thermochromic 안료 및 도료 기술발전의 기폭제 역할이 될 것으로 매우 기대하고 있다. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 건축물 관련 에너지 절감을 위한 요소기술은 이미 선진국 수준으로 다달았으며, 현재는 이러한 요소기술 적용에 따른 적용과 효과에 대해 국가 인증을 통해 검증하는 단계에 있다. 그럼에도, 건축물에서 좀 더 효율적이고 경제적인 에너지 절감을 위해서는 가벽고 적용이 쉬운 스마트 재료들의 개발과 적용이 필요한 시점이다. 이미 해외에서는 도료라는 주제로 스마트 기술을 적목하여 간단한 적용으로 효과적인 건물에너지 절감을 도모하고 있으며, 어느 정도 완성기에 접어들고 있다. 반면, 국내는 해외 기술과 약 10년 이상 차이가 있을 만큼, 스마트 재료 및 이러한 도료 기술에 소극적이며, 연구 문헌의 비교를 통해서도 그 차이를 확인할 수 있다. 본 연구 과정 중에서 코로나19라는 예상치 못한 사태가 발생되어 연구 진행에 많응 어려움이 있었지만, 어렵게 실험을 통해 스마트 도료 기술을 통해 효과적으로 건물에너지 절감을 도모할 수 있다는 것이 확인 되었다. 따라서 본 연구를 통해 향후, 본 기술의 성숙기로의 진입을 기대하며, 다양한 산업에서 본 도료를 통한 응용연구 및 기술개발이 추진되기를 기대한다. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 백상훈
- 주관연구기관 : 한경대학교
- 발행년도 : 20230600
- Keyword : 1. 온도변색도료;이산화티타니움;스마트지붕시스템;일사조절;건물에너지절감; 2. Thermochromic Paint;Titanium dioxide;Smart Roof System;Solar Radiation Control;Building Energy Reduction;
