Hot Tech - 재활용 폐 폴리스티렌 폼을 이용한 고효율 단열 복합창호 제조기술
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
창호의 최소 요구조건은 외부로부터 들어오는 빗물, 바람 등으로부터 내부를 보호해 주어야 하며, 건축물의 디자인이나 용도에 따라서 단열성, 기밀성, 수밀성, 내풍압성, 방음 등의 성능과 품질이 확보되어야 한다.
최근에는 정부시책의 영향으로 에너지절약형, 친환경녹색제품에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 우수한 내구성과 방범기능의 사생활 보호를 고려한 기술제품들이 많이 출시되고 있으나, 건축비용 증가의 요인이 되기도 하는 양면성을 보이는 것이 현 건축시장에서의 창호 위치인 듯하다.
Energy Saving 관점에서 본 창
대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 총 에너지 소비량 중 건물부분의 사용량이 25%에 달해 건물에서의 에너지절약 문제는 매우 중요하다고 할 수 있다.
건축물에서의 단열은 에너지 절감뿐만 아니라 쾌적한 환경을 제공하여 작업의 생산성을 높이고 라이프 사이클 코스트를 낮춰준다.
그림 1 은 열손실의 경로와 건물 전체의 각 부분별 열손실을 비율로 표시한 것이다. 단열성능을 강화하면 약 40~50%의 에너지를 절감할 수 있다고 한다.
한국건설기술연구원 열 성능 시뮬레이션(DOE) 결과 32평(105㎡) 기준으로 하였을 때 열관류율01 0.1W/㎡.k 낮출수록 연간 보일러 난방유가 30씩 절약되는 효과가 있다고 한다.
대부분의 건물에서는 콘크리트가 주재인 바닥과 외벽 그리고 천장 및 지붕 등의 구조체나 외부에 면하는 부분들의 열저항을 증가시켜 열의 이동을 최소화한다.
전도, 대류, 복사에 의한 열의 흐름을 크게 줄일 수 있는 재료 및 기술 등의 관한 연구와 시설 등이 확보, 개발되어 왔으나 정작 개구부, 환기구 등을 통해 에너지의 많은 면적을 차지하는 창과 문에 대한 단열은 등한시되어 왔다.
그림 1 과 같이 주택에서 창문을 통해 많은(24%) 에너지가 소비되고 있다. 아파트를 포함한 다세대 공동주택에서 최하층 바닥과 최상층의 천장을 제외한다면 결국 창호의 선택이 주택 에너지비용을 좌우하는 척도가 된다 해도 과언이 아닌 것이다.
생각 차이가 경쟁력, 소재 연구개발에 주력
창호분야에서 소재는 그 기능과 기술력을 확보하고 생산관련 기업들의 확대에 좋은 매개체 역할을 해왔다.
소재별 흐름을 보면 1990년대를 기점으로 알루미늄창이 선구자적인 역할을 해왔으나, 이후 플라스틱(PVC, 합성수지제)창이 아파트 등의 건축붐을 등에 업고 60%이상의 시장점유율을 보이고 있으며, 구조적 안정성능이 확보된 알루미늄은 고층 상업용 공간 등에 사용되어 건축재료 역할을 해오고 있다.
PVC창호재의 상승요인은 가공성능과 생산성, 경제성이 고려되었고, 부드러운 질감과 따뜻한 느낌을 살린 디자인과 마케팅이 소비자에게 좀더 친숙한 결과였다고 생각된다.
간단히 말하자면 사람이 숙식하는 주거공간에는 PVC창을, 그 외부의 건물에는 알루미늄 창을 사용한 것이다.
2000년 사회전반의 경기가 활성화되고 주택에 대한 투자가 늘어가면서 창은 여닫는 기본기능에서 탈피한 디자인과 장신구(Accessory)를 장착한 기능성 제품이 많이 양산된다.
미려한 손잡이부터 방범기능을 강화한 자동잠금(Auto Lock)이나 방충망(Screen)등의 하드웨어02적인 부분이 현재도 많이 적용되고 있으며, 최근 정보기술(IT)을 결합한 보안시스템창 등 기능을 조합한 컨버전스 제품을 출시하는 경향을 보이고 있다.
한때 복합기능(환기 및 여닫이(Tilt & Turn))을 갖춘 유럽시스템 창호제품들의 주요 성능평가 항목이 방범(Security)이었던 것이 고층화되는 국내 창호시장에서는 高풍압, 高하중용으로 불리며 사용된 점을 감안한다면, 시대적 기술 진행에 맞춘 편의 위주의 개발이고 안정화된 수행기능은 좀더 시간이 필요하다고 본다.
창호에 대한 연구개발은 그 소재(Raw Material), 즉 Frame이 우선시되어야 한다.
소재연구는 일반적인 단열재로 많이 사용되는 것으로 종이, 천, 나무, 스티로폼, 플라스틱, 가죽 등 비금속 물질이 적용된 점에 착안하여 복합재료(Composite) 발굴을 과제로 삼아 개발에 집중하게 된다.
종래의 복합재료 창호는 목재와 알루미늄 프로파일을 접합함으로써 목재의 특성과 국내 기후조건(외부와의 온도차에 의한 습기 발생으로 인한 부패나 비틀림 등) 변화에 대한 내구성이 떨어지고, 손질가공 목재이므로 가격이 높은 것이 단점으로 지적되어 왔다.
이후 알루미늄과 단열성능이 우수한 PVC창을 단순 결합하여 단열성능을 개선하고자 하였으나, 이질재료 체결 및 결합과정에서 누수와 기밀성능이 확보되지 못하는 결과를 초래하기도 하였다.
이를 개선, 1999년 복합창호 실용신안을 획득하면서 알루미늄과 접목한 창호 기술연구를 시작하여 건축단열재로 많이 사용되는 폴리스티렌(Polystyrene)을 소재로 채택하였다.
기존 복합창호에서 나타나는 내구성과 내습성 등의 문제점이 해소됨과 동시에 발포를 하여 열전도율03이 현저히 낮아 우수한 단열성능이 실현되었으며, 압출(壓出; Extrusion)을 통한 연속생산과 치수안전성이 확보되는 장점을 갖추었다.
그리하여 창호 Frame 외측면(外側面)은 고강도 알루미늄 프로파일로 구성하고, 내측면(內側面)은 폴리스티렌 단열재가 결합되어 있는 구조를 완성하게 된다.
복합창호 원자재의 생산공정
외부에 적용되는 알루미늄 제품은 KS D 6759 규격의 A-6063-T5를 기준으로 하며, 금형(Dies, 480±20℃)에 400℃~480℃ 되는 비레트(Billet, 알루미늄을 녹여서 금형을 통과한 압출재료)를 10~60m/min으로 밀어내는 압출공정을 거친다.
생산된 자재를 190±15℃ 열처리로에서 2.5~8시간 건조와 열처리를 한 후, 20℃ 중탕 산화처리를 통해 세척과정을 거쳐 원하는 색상의 분체(Powder)나 액체상태 도료를 이용하여 스프레이 도장을 하게 된다.
이때 제품은 200±10℃에서 20분 정도 건조하는 데 사용되는 도료는 불소도료로서 내후성, 내화학성, 내마모성을 가진 우수한 건축 외장재가 사용된다.
내부 폴리스티렌 폼 단열재는 1차 계량 후 80℃로 혼합하는 배합(Mixed)공정을 거치고, 2차 금형을 통과하는 압출(Extrusion)공정을 통해 필요로 하는 자재를 생산하게 된다.
이때 압출과정에서 제품의 내부면에는 폐자재를 재활용하고 외부면에는 신재를 적용하는 이중압출(Side/Co-Extrusion) 방식의 생산기술을 개발, 적용하여 90% 이상의 재활용 원료를 사용함으로써 원가의 30%를 절감할 수 있게 하였다.
또한 생산과정에서 직접 150℃ 가열된 압착롤러를 이용한 목무늬 필름을 부착하는 기술을 적용하여 제품생산 후 필름코팅(Lamination)하는 공정을 줄이는 효과를 가져왔다.
이때 필름은 잉크 층으로 무늬와 색상을 도포하여 다양한 칼라와 무늬결을 얻을 수 있으며, UV코팅을 함으로써 내후성과 내스크레치성을 함께 가져올 수 있는 장점이 있다.
각각의 압출을 통한 알루미늄과 Polystyrene-Form 원자재는 압축롤러를 통해 결합하는 공정을 통하여 비로소 창호자재(Combination Window Profile)로 생산된다.
성질이 상이한 제품의 결합으로 인한 제품분리현상을 해결하기 위해 걸고리 끼움방식(특허등록)이 채택되었으며, 이때 결합강도를 향상시키기 위해 접착제를 사용하기도 한다.
AL(Aluminum)+PS(Polystyrene) 복합창호재는 기본적으로 알루미늄 Profile을 통한 내풍압 구조성능을 확보하면서 내부에 PS단열재를 접목, 결합하여 외부 알루미늄의 열전도를 차단함으로써 60%이상의 단열성능을 확보하고 물방울이 맺히는 현상인 결로04(結露, Condensation)현상을 방지할 수 있다.
원목무늬 UV전사코팅으로 습기나 물에 의한 색상변형이나 변색이 없으며, 다양한 색상과 무늬연출을 통한 인테리어적 효과도 있고, 중공형태가 아닌 내부가 꽉 차있는 압출제품으로 기존제품대비 20% 이상 방음성능 또한 우수한 창호자재 생산기술을 확보하였다.
국내외 개발현황 및 향후시장 전망
2012년 정부에서는 「에너지 이용합리화법」 고효율기자재 보급촉진규정에서 에너지를 많이 소비하는 제품으로 창호를 대상제품으로 포함하였다.
창호제품의 효율성능을 등록 신고하도록 하고, 1~5등급으로 에너지 소비효율 등급라벨을 부착하도록 하며, 최저소비효율기준에 미달하는 제품의 생산판매를 금지하는 의무적인 제도시행을 추진하면서 창(Frame)에서 창세트(Frame + 유리)라는 새로운 별칭을 얻게 된다.
KS F 3117 규정에 의한 창세트로서 건축물 중외기와 접하는 곳에서 사용되면서 창 면적이 1㎡ 이상이고 프레임 및 유리가 결합되어 판매되는 창호를 대상으로 한다.
이때 적용되는 성능기준은 KS F 2278 규정에 의하여 측정한 열관류율(R)을 소비효율등급부여지표하고, 기밀성(KS F 2292)을 부가기준으로 하여, 등급을 구분 부여하고 있다.
이는 조달청을 통한 공공구매 최소녹색기준에도 적용되어, 창호업계는 2등급05 이상의 제품을 등록 판매할 수 있는 기술과 System 제품을 확보해야만 한다.
또한, 추가적으로 권장녹색기준을 적용하여 제조과정에서 화학물질사용과 관련하여 제품을 구성하는 합성수지제(표면재 포함)의 첨가제로서 유기주석화합물(TBT, TPT), 납 화합물 및 카드뮴화 합물을 사용하지 않아야 하며, 합성수지에 함유된 납(Pb), 카드뮴(Cd), 수은(Hg)은 중금속 녹색기준에 적합하여야 한다.
외국의 경우 독일이 주도하는 유럽식 창호와 미국식 창호로 분류되며, 기후나 건축물의 용도에 따라 주거공간을 중시하는 유럽식 창호는 소형이면서 고효율적인 창호설계가 이루어지는 데 반해 미국식 창호는 초고층 빌딩 등에 적용되는 대형창호나 커튼월이 시장을 리드하고 있다.
하지만, 규격이나 시스템뿐만 아니라 창이 갖는 기본요소를 확대하여 에너지와 환경을 생각한 필름이나 차양을 추가적으로 설치하는 것을 의무적으로 시행하고, 건축물의 효율등급을 명시하여 매매거래시 세제감면 등의 인센티브를 주는 자발적 정책 참여제도를 시행하고 있다.
물론 국내에서도 관련제도를 도입하여 제로에너지빌딩06 활성화 방안으로 내년부터 취득·재산세 15% 감면을 시행하고는 있으나, 일반건축물 대비 30% 이상의 공사비부담이 걸림돌로 보여지며, 관련업체들에 한정된 인허가 수준으로 이해되는 한계를 보이고 있는 실정이다.
특히 고성능창호, 외부단열재 등의 건자재의 경우 수요가 적어 다양한 제품이 생산되지 않을 뿐만 아니라 가격경쟁력도 낮아 선진국 제품들이 시장을 선점하고 있다.
국토부 자료에 따르면, 국내 총 건축물(680만동)의 74%에 해당하는 503만동이 15년 이상 된 노후 건축물에 해당된다.
건축물의 노후화를 억제하고, 기능향상을 위해 대수선하거나 일부 증축이 필요한 그린 리모델링 제도가 시행되면서 국내 창호시장은 에너지절약을 실현할 수 있는 고효율 단열제품과 환경 친화적인 제품을 확보할 수 있는 노력이 절실하다.
물론 많은 면적을 차지하는 유리(Glass)에 대한 연구도 동반되어야 하는 과제가 있으나, 언급했듯이 기본 재료(Frame-Material)의 연구개발과 창호 System 기술이 우선되어야 한다고 본다.
(주)대흥FSC복합창은 금속제창호 공공조달시장 1위 기업으로 ‘Good Recycled Green Product’를 기업가치로한 친환경 녹색기업으로서 복합창호 기술관련 지적재산권을 확보하고, 지속적인 Mock-Up & Field Test를 통한 시험결과를 토대로 에너지 고효율 제품성능을 실현하도록 노력하며 신소재 개발에도 경주할 것이다.
또한 자원절약과 재활용기술을 연구개발하여 실현하고, 생산성 향상으로 고품질 제품과 소비자 보호를 최우선 과제로 한 기업의 사회적책임을 위하여 최선을 다할 것이다.
01 열관류율(K)란 열이 벽과 같은 고체를 통하여 공기층에서 공기층으로 열이 전하여 지는 것을 말하며, 단위시간에 1㎡의 단면적을 1℃의 온도차로 있을 때 흐르는 열량(≠열저항 R(㎥.h.℃/kcal))
02 Frame을 구성하는 주재료에 기능을 부가하는 부품(바퀴, 잠금장치)을 말하는 것으로, 독일을 비롯한 선진국 창호시스템에서 주로 불리고 있다.
03 열을 재료의 앞쪽 표면에서 뒷쪽 표면으로 전달하는 것을 말하며 두께 1m, 면적 1㎡인 재료의 앞쪽 표면에서 뒷쪽 표면으로 1℃의 온도차로 1시간 동안 전달된 열량
04 천장, 벽, 바닥 등의 표면 또는 그들 내부의 온도가 그 위치의 습공기의 노점 이하로 내려갈 경우 공기 중의 수증기는 액체가 된다. 결로에는 표면결로와 내부결로가 있다.
05 녹색기준은 제품마다 중소기업과 대기업의 적용일정을 분류해서 명시하고 있다(2014년 7월 1일부터 적용). 중소기업에게는 기술수준 등을 고려하여 일정기간을 차등·유예해서 적용하기도 한다.
06 단열성능을 극대화하여 에너지 사용량을 최소화하고, 태양광 등 신재생 에너지를 활용하여 에너지를 자급자족하는 건축물로 패시브(Passive; 단열성능강화)와 액티브(Active; 태양광, 지열 등) 개념을 융복합한 System Building