차열성 포장재

저탄소 녹색산업 육성에 따른 도시열섬 완화를 위한 열저감 차열 포장

1. 서론

정부는 경제와 환경의 조화로운발전을 위하여 저탄소(低炭素) 녹색성장에 필요한 기반을 조성하고 녹색기술과 녹색산업을
새로운 성장동력으로 활용함으로써 국민경제의 발전을 도모하며 저탄소 사회 구현을 하기위해, 정부는 2010년 ‘저탄소 녹색 성장 기본법’을
제정하여 성장잠재력과 경쟁력이 높은 녹색 기술 및 녹색산업 분야에 대한 중점투자및 지원을 강화하였다. 1)

이에 최근 여러 나라에서 급속도로 진행되고있는 “지구온난화”(온실가스가 대기중에 축적되어 온실가스 농도를 증가시킴으로써 지구 전체적으로
지표 및 대기의온도가 추가적으로 상승하는현상)와 이로 인해 번번히 발생되는 도시열섬(Heat Island)현상을 억제하는 기술개발에 대해서
국내·외적으로 관심이 고조되고있다.

도시열섬현상의 원인중 하나인 도심부 아스팔트 포장에대한 포장면의 개선방법으로 열환경 개선형 포장도입을위해 연구와 개발이
국내·외에서 진행되고 있으며, 우리정부도 관심을 나타내고 있다.

아스팔트 포장면은 태양광과 대기의열에 대한 높은 흡수율, 낮은 반사율, 낮은 증산 작용으로 열 손실이 적고, 열전달이 빠른 특징을 가지고있다.

아스팔트 포장면의 열을 올리는데 가장 큰 역할을 하는것은 태양광으로서, 태양광 영역중, 근적외선(780~2100㎚) 영역이 가장 큰역할을 수행한다.

이근적외선은 자외선 및 가시광선과는 달리 열에너지에 따라 변화하기 쉬운 파장영역으로 아스팔트 포장면에 닿으면 열에너지로 변환되어
포장체에 흡수되고, 포장체 표면 온도가 60~70℃까지 상승하게 된다. 또한 낮동안 흡수한 열에너지를 밤에 방출하기 때문에
도시열섬(Heat lsland)현상 발생의 원인이된다.

그러나 기능성 열저감 반사 도료를 아스팔트 포장에 적용하면 기상조건, 명도와 조색따라 다소차이가 있지만 여름 도로 포장체의 표면온도를
10~15℃ 정도 낮출 수 있어 여름철 도로 포장체의 방사열에 의한 열섬현상을 개선할 수 있다.

또한 주행 및 보행의 쾌적함을 향상시킬 수있을 뿐만 아니라 포장체의 도로소음저감등의 긍정적효과를가져올 것이라 판단된다.

2. 국내 · 외 기술 동향

2. 1 해외동향

세계의 여러 선진국들은 환경문제와 에너지 제약을 동시에 해결할 수있는 지구 온난화 방지기술 개발에 매진하고 있다.

이중 차열 도료시장은 2004년부터 점진적으로 성장해 나가고 있으며 2007년 이후 급속도로 시장이확대 되고 있는 추세이다.

여기서환경문제 개선과기술 개발로 주목을 받고있는 일본은 2005년부터 열섬현상이 심한 7개 구역이 연합하여 ‘Cool Roof’ 사업을 추진하고 있다.

2015년까지 열대야 발생일수를 연평균 20일 감축하는 것으로 목료로 하고있으며 Osaka는 2025년까지 25도이상을 넘는 열대야의 일수를
30% 줄이는 것을 목료를 세워 실행중이다.2)

이를 뒷받침하기위해 일본 환경청에서는 2006년 에너지 절약법을 시행하고 지구 온난화현상과 열섬현상을 방지하기 위하여 차열도료의 사용을
공고하였다. 이에 40개가 넘는 도료회사에서 차열도료의기술 개발에 집중하고있으며 최근 도료공업협회를 중심으로 일본 JIS 기술 표준안을
규정하여 가장먼저 시험 포장을 통해 도로에 적용하였다.

유럽 여러 선진국에서는그동안 건물 및 외벽등 건축분야와 도심녹화사업의 시장에 집중하고 있으나 점차 그 영역을
점차 도로포장으로 확대하고 있는 상황이다.

2. 2 국내동향

국내의 초기 차열 도료는 2000년대 페인트업체에서외국 중공안료를 수입해 단순히 페인트에 혼합하는 형태로 열차단기능이있는 도료가 도입되는 것으로 시작되었다. 따라서 차열도료의 적용은 건물의 옥상 등 비구조체에 페인트 도로 형태로 시공되었다. 그러나 중공안료를 단순히 혼합한 도료는 도색 후 발행하는 원료의 균일성과 분산성, 내구성등이 분제로 지적되었다. 현재 국내에서주로 사용되는 차열도료의 대부분은 일본 제품을 수입하거나 일본 기업들과 기술제휴를 통해 제조된 제품이 주를 이루고 있다. 최근에 들어 도로포장에 적용하기 위한 일련의 연구가 시작되고 있으나,
KS 규격이 없어 회사별로 자체 기준에 의거해 연구가 진행되고 있는 설정이어서, 일본의 JIS규격과 같이 표준화 된 KS규격이 시급하다 할 수 있다.

2)일본 차열성포장기술연구회 기술부회

3. 열저감 차열포장의 원리

열 저감 반사도료는 태양광선의 절반을 차지하고 열의 근원이 되는 근적외선을 선택적·효율적으로 반사시킴으로써
열을 내부에 전달하지 못하게 하는 기능을 갖는 도료를 말한다. 이런한 열 저감 반사도료를 아스팔트 포장면에 적용시킴으로서
도시의 열환경 문제를 개선한 환경 친화적이고 경제적인 포장공법이다. 이공법에 사용한열 저감 반사 도료는 유기용제를 사용하지않는
친환경적이고 경제적인 에멀젼 타입으로 Acrylic acid, Metahcrylicacid 및 그유도체들을 유화중합 시켜 제조 하였다.

이에 근적외선에대한 반사율이 우수한 특수 TiO2(Titanium Dioxide) 및 중공세라믹 벌룬 등을 첨가사용하였으며,
특수재료를 진공증착 시킨 글라스비드를 혼입하여 내후성 및 내오염성을 향상시켰다.

4. 열저감 차열포장의 성능평가

4. 1 실내 조사 시험

실내 조사 실험은 열 저감 차열 포장의 성능을 평가하기 위한 실내 실험으로 2008년 일본의 토목 기술센터에서 실시한
유체타입 차열성 포장의 노면온도 저감성능평가의 실내 조사 시험법을 인용하여 실험을 실시하였다. 조사 시험에 사용한 램프는
일본 차열성포장연구회와 일본 성능규정 공사, 보수성 포장연구회에서도 사용되는 범용성이높은 빔 램프를 선택하여 실험을 수행하였다.

그리고 실험환경 조건은 항온.항습실에서 25±1℃, 50±2%을 유지하였으며, 온도 측정은 접지식온도계를 사용하였다.

그리고 시험편의 명도에 대한 오차를 줄이기 위해 색차계를 이용하여 명도값(L*)을 측정하여 도색하였다.

그결과 그림 3에서와같이 명도에 따라 다소 차이를 보였으나 실내조사 실험에서는 명도 L*40은 -10.9℃, L*50은 -12.8℃, L*60은 -14.7℃,
L*70은 -15.8℃의 열 저감 효과를 나타냈다. 또한 적색녹 색 황색의 열 저감 포장에서도 그림 4와 같이 녹색의 경우
-10.5℃, 적색은 -11.3℃, 황색은 -14.1℃의 열 저감 효과를 보였다.

4. 2 반사율 시험

일사 반사사율을 측정하기위해 JIS K5602:2008규정을 인용하여 실시하였다. 반사율 측정범위는 300~2500nm 파장구간으로
측정된 분광반사율에 JIS K5602:2008 규격에서 제시한 기준 태양 분광방사 조도의 분포를 나타내는 증가 계수를 곱하고 대상이 되는
파장 범위 전체에 걸쳐 가증 평균으로하여, 일사 반사율을 다음 식(1)에 의해 구하였다.

분광 광도계GER-3700를 사용하여 영역별 분광 반사율을 측정하였으며
명도(L*)에 따라 그림 5와 같은 파장별 분광 반사율을 보였다.

이렇게 측정된 분광반사율로 일사반사율의 산출한 결과 표1과 같이 근적외선(780~2100nm)영역의 일사 반사율은 명도가 L*70일때
70.3%, L*60일때 66.4%, L*50일때 53.2%, L*40일때 47.3%의 반사율을 나타냈다.

이와 같은 결과로 근적외선 영역의 반사율이 높을수록 열 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.

4. 3 테이버 마모 시험

열저감 반사도료의 내마모성을 평가하기 위하여 KS M 6080:2009의 내마모성 시험법을 인용하여 실시하였다. 규정된 마모시험기에서 회전하는 시험편에 연마지 180번과 마모륜이 500g의 하중이 걸리도록 장치한 후 시험방법에 따라 20±1℃에서 200회, 500회, 1000회의 마모시험을 수행하였다.

실험결과는 표2과 같이 KS규격에서 제시하고 있는 200회 회전시 마모감량 200mg 보다 우수한 120mg이 었으며, 1000회 회전시에는 520mg의 마모감량을 보였다. 일반 아크릴 에멀젼 도료와 비교 시에도 다소 우수한 마모 감량 저항성을 보였다.

4. 4 미끄럼 저항성 평가(BPN)

도로포장 노면의 미끄럼 저항성이 교통안전과 직결되는 사항이며, 특히 우천시 노면의 미끄러짐 정도가 차량의 교통사고와 밀접한 관련이 있어
도료의 성능 평가시 반드시 필요한 평가 시험이다. 이에 노면의 미끄럼 저항성 시험방법은 KS F 2357:2001을 인용하여 정치식인
영국식 미끄럼 저항 측정기를 사용하여 측정하였다.

노면에 물을 충분히 적신 후 표면 온도를 측정하고 미끄럼 저항성을 평가 하였으며 측정시 측정 개소 수를 5개로 정함으로써 측정값의 신뢰도를
높이고자 하였다. 상도와 하도로 나누어 6호 규사를 도포하였으며 규사량의 변화를 주어 미끄럼 저항성의 변화를 측정하였다.

그 결과 표3에서와 같이 규사 도포량에 따라 BPN 값이 증가될 것으로 판단된다.

5. 차열포장의 현장 적용성 평가

열저감 성능 현장평가는 아스팔트노면에 직접 흑색, 적색, 황색의 차열도료를 직접 도포하여 실외 조사 실험을 실시함으로써
실내 실험과의 상관성을 알아보고 현장 적용 가능성을 판단하기 위해 실시하였다. 표면온도의 열 특성은 접지식온도계를 사용하여 측정하였으며,
이때 열방사분석기 TH9100을 이용하여 열화상 사진을 촬영하고 영역별로 비교 분석하여 아스팔트 노면의 온도와 복사열의 온도를 비교하였다.

현장시공은 2010년 10월 아스팔트 주차장위에 정사각형으로 롤러를 사용하여 실시하였다. 열 저감 도료를 2회에 나누어 하도와 상도로 나누어 도포하였다. 도장간격은 1시간으로 하였다. 현장의 실외기온은 23±1℃, 습도 40±1RH% 였다.

온도측정 결과 아스팔트 포장 표면온도가 가장 높았던 13:00시에서 14:00시 사이의 온도를 비교하여 보면,
아스팔트 포장면의 온도가 28.5℃일때 차열포장(명도 40)면의 온도는 32.3℃로 -6.3℃의 저감효과를 나타냈고 적색은 31.3℃로
-7.3℃의 저감효과를, 황색은 28.5℃로 -10℃의 저감효과를 나타냈다. 본 결과는 아스팔트 포장면의 최고온도가 38.5℃의 경우로
여름철 아스팔트 포장면의 온도저감 효과는 더 커질 것으로 판단된다.

6. 결론

본 실험에서는 열섬현상(Heat Island)의 원인중 하나인 노면 포장체의 복사열을 막기 위한열 저감형 차열 포장공법을 실내 조사실험을 바탕으로
도료 열저감 성능을 제시하였다. 또 테이버형 마모시험과 미끄럼 저항성 시험을 통하여 마모저항성과 BPN을 측정하여 내구성 평가를 하였으며,
현장 적용성 평가를 위하여 열방사분석기를 통한 열화상 분석을 하였다.

이러한 실험과정을 통하여 열 저감 반사도료를 아스팔트 포장공법에 도입함으로서 -10℃이상의 포장면 온도 저감효과를
기대 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 열저감차열포장면의 일사반사율 측정을 통해 근적외선 영역에서의 우수한 반사율이 열저감 효과를
가지는 것을 알 수있다. 내구성 측면에서도 내마모성과 미끄럼 저항성이 우수하여 아스팔트 포장면에 적용 할 수 있을 것으로 판단되며,
도심 열섬현상(Heat island)과 지구 온난화 현상을 개선하는데 중요한 역할을 할 것이라 판단된다.