서 론

쿨루프는 높은 일사 반사율(자외선, 가시광선, 적외선을 반사해서 표면의 열전도를 줄이는 능력)과 높은 방사율(흡수되거나 반사되지 않은 태양에너지를 방출하는 능력)을 갖는 열적 물성을 지닌 지붕으로, 기존의 일반적인 지붕에 비해 지붕의 표면온도가 낮은 기능을 가진 지붕을 통칭한다. 2018년 폭염이 발생하면서 국내의 지자체에서는 하계 폭염에 대비해 에너지 이용환경이 열악하고 노후된 공공시설물 등에 쿨루프 사업을 확대하였다. 심지어 건물에너지 효율화 융자지원 사업 등을 통해 쿨루프를 설치하도록 하며, 쿨루프 사업을 단순하게 흰색 열 차단 도료만을 이용하여 옥상에 얇게 도포하는 기존 방식과 다르게 장기간에 걸친 방수성능과 고반사 차열성능을 동시에 발휘할 수 있는 녹색 기술을 적용하고 있다.

이에 본 연구에서는 현재 건물 옥상 노출형 방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄 도료와 폴리우레아 도료 및 친환경 차열성능을 가진 진공세라믹 도료를 사용하여 지붕을 도막한 쿨루프 시험체를 제작하여 온도 및 열관류량을 연중 측정함으로서 쿨루프 효과에 대한 하계와 동계 및 춘계에 대한 열적특성을 비교 고찰하고자 한다.

옥상방수 도료 현황과 문제점

옥상방수 도료시장 현황

우리나라의 건설시장 규모는 2009년부터 연평균 투자규모가 약 100조원(2011년도 한국건설산업연구원 건설추산액 참조)을 넘는 가운데 건축분야 방수공사 시장의 규모는 약 1.5%(1조 5000억)를 차지하고 있다(Oh, 2012). 이 중 건물 옥상방수 시장은 약 9000억 원으로 60%가량을 차지하고 있으며, 지하 방수시장은 약 4500억원(30%), 기타 약 1500억원(10%) 규모로 나 뉘어 진다. 옥상 방수 시장을 공법별로 분류하면 70%가량을 차지하는 우레탄 방수(6000억~7000억원)시장과 약 30%(2000억~3000억원)를 차지하는 기타 복합 방수, 시트 방수 시장으로 나뉘어 있다(Maeil Business Newspaper, 2018).

최근 쿨루프 사업이 성황하면서 건축도료시장에서는 방수의 기능을 겸비하고 마이크로 셀 및 나노 기술의 도입을 통해 쿨루프의 성능을 지닌 차열도료가 개발되고 있다. 이는 건물옥상 표면의 심한 온도 변화로 인한 구조적인 변형을 방지 할뿐만 아니라 건물에 축적된 열을 줄여 공기 유동을 적게 함으로서 하여 건물 냉난방의 열부하를 줄일 수 있는 시너지 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

옥상방수 도료의 문제점

일반적으로 옥상 방수용 도료로 가장 많이 사용되는 우레탄 도료의 문제점은 첫 번째로, 내후성이 약하여 기후의 영향으로 옥상외부에서 갈라짐이나 부서짐이 발생하고, 옥상내부에서는 결로 등의 현상으로 곰팡이가 발생하거나 들뜸 현상이 발생하여 유지관리의 어려움을 보이고 있다.

두 번째로, 건물의 옥상용 페인트로 사용되는 우레탄 방수용 도료는 VOCs(휘발성유기화합물)함량이 매우 높아 오존(O₃)오염의 원인이 되고 있다.

이에 정부는 2005년부터 수도권 지역에서 사용되는 건축·자동차보수·도로포지용 도료에 대해서 VOCs함유기준을 설정하여 관리해 왔으나, 수도권 외 지역에서도 오존(O₃)주의보 발생이 지속적으로 증가되어 2012년부터 전국으로 확대하여 VOCs 함유기준을 강화하여 왔다. 2015년부터는 대기환경보존법 시행규칙 제61조 별표16의2에 따라 건축용 도료의 VOCs 함유기준은 방수바닥재류는 유성상도 1액형과 2액형인 경우 휘발성유기화합물 함유기준은 500 g/L에서 480 g/L이하로 변경하고, 수성용은 40 g/L에서 35 g/L이하로 감소시켰다(Nakdong River Basin Environmental Office, 2015). 그러나 최근들어 국제 기준을 고려한 분석법을 기반으로 “2020년 기준 이후 새로운 도료기준(안)”의 연구 용역이 발주되면서 방수바닥재류는 유성상도 1액형과 2액형은 200 g/L이하로 더욱 강화될 상황이므로 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 우레탄 도료의 많은 진화 기술이 필요한 실정이다.

쿨루프 시험체 제작 및 측정 개요

쿨루프 시험체 제작

쿨루프 시험체 크기는 900 mm × 900 mm × 1450 mm로 하였으며, 마감재료는 시멘트보드 4.5T를 사용하였고 지붕의 기울기는 B지역의 위도에 가까운 35°로 하였다. 쿨루프 시험체의 지붕에 사용한 도막은 현재 국내에서 옥상노출용으로 널리 이용되는 우레탄 방수도막(하도1회, 중도1회, 상도2회, 코팅1회)과 폴리우레아 방수도막(하도1회, 중도1회, 상도1회, 코팅1회)으로 하였으며 나머지 1개는 차열성능과 방수성능을 가진 친환경 진공세라믹 도막(하도1회, 중도1회, 상도1회, 코팅1회)을 사용하여 총 3개의 시험체를 제작하였다(Figure 1).

Figure 1.

Cool Roof Model Test

쿨루프 시험체 측정

쿨루프 시험체의 측정기간은 연중 측정 가운데 하계기간(2019.07.30. 17:00 ~ 2019.08.05. 12:00), 춘계기간(2019.03.28. 12:00 ~ 2019.04.03. 08:00), 동계기간(2018.11.30. 12:00 ~ 2018.12.06. 08:00)으로 하였다. 측정시간의 기록은 매시 1시간별로 측정하였으며, 측정 장소는 B지역에 위치한 대학교 건물 옥상으로 하고, 시험체의 방위는 남향으로 배치하였다. 측정 장비는 열관류량과 온도를 동시에 측정 가능한 데이터로거인 HEAT FLOW LOGGER (LR8432-20, HIOKI, JAPAN)를 사용하였으며 측정 센서는 열류센서(Z2016, HIOKI, JAPAN)와 온도 센서(9641, HIOKI, JAPAN)를 사용하였다. 측정지점은 3개 시험체 지붕의 외표면과 내표면 온도와 시험체 내부 상·하 지점의 4개 측정온도와 외기온도를 포함해서 13개 온도지점과 3개 시험체 지붕에서 통과하는 열관류량을 대상으로 측정하였다.

시험체 도료 특성 비교

시험체에 사용되는 도료는 현재 옥상방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄과 폴리우레아 도료로 하였다. 이와 비교되는 쿨루프 차열도료는 세라믹 마이크로 스피어의 비드구조에 특수 폴리아크릴레이트의 도막과 이산화티타늄을 안료로 배합된 VOC(휘발성 유기화합물)이 전혀 배출되지 않는 친환경도료인 진공세라믹 도료를 사용하였으며, 각 시험체에 사용된 도료의 특성은 다음과 같다(Table 1).

Table 1. Comparison between Eco-friendly Microsphere coating & Urethane & Polyurea coatings

쿨루프 열적 특성 측정 결과

하계 열적 특성 결과

1) 온도 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 하계기간(2019.07.30. 17:00 ~ 2019.08.05. 12:00)동안의 온도측정 결과, Table 2와 Figure 2에 따르면 외기온도가 37.2℃ (2019.08.03. 13:00)로 최대 값을 보일 때, 최대 외표면 온도는 폴리우레아 도막의 경우 62.0℃, 우레탄 도막 61.6℃, 진공세라믹 도막 53.5℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 8.5℃~8.1℃온도가 낮음을 알 수 있었다.

Table 2. Result of 3 Models' temperature in summer

Figure 2.

Result of 3 Models’ temperature in summer

쿨루프 시험체 내부 하부(바닥면에서 50 mm 높이)에서의 최고온도는 우레탄 도막 시험체의 경우 47.2℃, 폴리우레아 도막 시험체 38.8℃, 진공세라믹 도막 시험체 36.8℃로 진공세라믹 도료가 외기온 37.2℃보다 낮고 우레탄 도막보다 약 10.4℃의 높은 온도 차이를 나타내었다(Park, 2019b).

반면 측정기간 동안에서 외기온도가 24.4℃ (2019.08.04. 03:00)로 최소 값을 보일 때, 최소 외표면 온도는 폴리우레아 도막의 경우 23.1℃, 우레탄 도막 23.3℃, 진공세라믹 도막 23.1℃를 보여 외기보다 낮은 온도 분포도를 보이지만 각 시험체에 대한 온도차는 거의 없는 것으로 나타났다.

2) 열관류 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 하계기간동안의 열관류를 측정 결과, Table 3에 따르면 외기온도 37.2℃의 최대 값을 보일 때, 최대 열관류량은 폴리우레아 도막의 경우 177.2 w/㎡, 우레탄 도막 164.2 w/㎡, 진공세라믹 도막 83.1 w/㎡를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 차열도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 2.1~2.0배의 열류가 손실되지 않음을 알 수 있었다.

Table 3. Result of 3 Models' thermal transmittance in summer

이 기간 동안의 평균 열관류량은 진공세라믹 도막이 15.5 w/㎡를 보여 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 2.4~2.3배의 열류가 흐르지 않음을 알 수 있었다. 따라서 진공세라믹 도료는 10~120 ㎛ 사이즈의 특수 코팅된 내부가 진공인 세라믹 비드 형태의 마이크로 스피어 구조로 이루어지기 때문에 태양열에 의한 반사기능과 차열 및 단열 기능을 갖춘 결과라 볼 수 있다.

춘계 열적 특성 결과

1) 온도 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 춘계기간(2019.03.28. 12:00 ~ 2019.04.03. 08:00)동안의 온도측정 결과, Table 4와 Figure 3에 따르면 외기온도가 22.4℃ (2019.03.29. 14:00)로 최대 값을 보일 때, 최대 외표면 온도는 폴리우레아 도막의 경우 46.1℃, 우레탄 도막 42.8℃, 진공세라믹 도막 35.5℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료는 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 10.6℃~7.3℃ 온도가 낮음을 알 수 있었다.

Table 4. Result of 3 Models' temperature in spring

Figure 3.

Result of 3 Models’ temperature in spring

이 기간 동안 전체의 평균 외기온도는 10.9℃를 보일 때, 평균 외표면 온도는 우레탄 도막 16.5℃, 폴리우레아 도막의 경우 15.1℃, 진공세라믹 도막 12.1℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 4.4℃~3.0℃로 온도차가 낮아 하계에 비하여 차이가 미비함을 알 수 있었다.

2) 열관류 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 춘계기간동안의 열관류를 측정 결과, Table 5에 따르면 외기온도 22.4℃의 최대 값을 보일 때, 최대 열관류량은 폴리우레아 도막의 경우 154.5 w/㎡, 우레탄 도막 136.6 w/㎡, 진공세라믹 도막 50.5 w/㎡를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 차열도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 3.1~2.7배의 열류가 흐르지 않음을 알 수 있었다.

Table 5. Result of 3 Models' thermal transmittance in spring

이 기간 동안의 평균 열관류량은 진공세라믹 도막이 5.7 w/㎡를 보여 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 5.1~5.4배의 열류가 손실되지 않음을 알 수 있었다.

동계 열적 특성 결과

1) 온도 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 동계기간(2018.11.30. 12:00 ~ 2018.12.06. 08:00)동안의 온도측정 결과, Table 6과 Figure 4에 따르면 외기온도가 18.3℃ (2018.12.03. 14:00)로 최대 값을 보일 때, 최대 외표면 온도는 폴리우레아 도막의 경우 44.7℃, 우레탄 도막 42.1℃, 진공세라믹 도막 30.6℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료는 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 11.5℃~14.1℃가 낮음을 알 수 있었다(Park, 2019a).

Table 6. Result of 3 Models' temperature in winter

Figure 4.

Result of 3 Models’ temperature in winter

쿨루프 시험체 내부 상부(지붕 중심면에서 50 mm 이격거리)에서의 온도는 우레탄 도막 시험체 30.4℃, 폴리우레아 도막 시험체 30.5℃, 진공세라믹 도막 시험체 23.9℃로 진공세라믹 도료가 외기온 18.3℃ 상태하에서 우레탄 도막이나 폴리우레아 도막보다 약 6.5℃이상의 차열효과가 높아 태양복사열 측면에서 차단효과가 유리함을 알 수 있었다.

2) 열관류 측정결과

쿨루프 시험체에 대한 동계기간동안의 열관류를 측정 결과, Table 7에 따르면 외기온도 18.3℃의 최대 값을 보일 때, 최대 열관류량은 폴리우레아 도막의 경우 185.1 w/㎡, 우레탄 도막 163.6 w/㎡, 진공세라믹 도막 45.4 w/㎡를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 차열도료가 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 3.6~4.1배의 열류가 흐르지 않음을 알 수 있었다.

Table 7. Result of 3 Models' thermal transmittance in winter

따라서 진공세라믹 도료는 10~120 ㎛ 사이즈의 특수 코팅된 내부가 진공인 세라믹 비드 형태의 마이크로 스피어 구조로 이루어지기 때문에 태양열에 의한 반사기능과 차열 및 단열 기능을 갖춘 결과라 볼 수 있다.

결론 및 제언

본 연구에서는 건물 옥상 노출형 방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄 도료와 폴리우레아 도료와 차열성능을 갖춘 진공세라믹 도료로 지붕을 도막한 시험체를 제작하여 온도 및 열관류량을 연중 측정함으로서 쿨루프 효과에 대한 하계와 동계 및 춘계에 대한 열적특성을 비교 고찰한 결론은 다음과 같다.

첫째, 옥상 노출용 방수도료와 차열도료를 이용한 쿨루프 시험체 지붕의 외표면 온도에 대한 연중 측정결과 외기의 최대 값을 나타낼 때, 시험체 지붕 각각의 외표면 온도차는 진공세라믹 차열도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수도료보다 하계의 경우 8.1℃~8.5℃, 동계 11.5℃~14.1℃, 춘계 7.3℃~10.6℃의 온도 차이를 보여, 쿨루프 효과는 진공 세라믹 차열도료, 우레탄 도료, 폴리우레아 도료 순으로 나타났다.

둘째, 쿨루프 시험체 지붕의 열관류량에 대한 연중 측정 결과 외기의 최대 값을 나타낼 때, 진공세라믹 차열도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수도료보다 하계의 경우 2.0배~2.1배, 동계 3.6배~4.1배, 춘계 2.7배~3.1배의 차이를 보여 진공 세라믹 차열도료가 쿨루프 효과가 우수한 것으로 나타났다. 이는 진공세라믹 도료는 10~120 ㎛ 사이즈의 특수 코팅된 내부가 진공인 세라믹 비드 형태의 마이크로 스피어 구조로 이루어지기 때문에 태양열에 의한 반사기능과 차열 및 단열 기능을 갖춘 결과라 볼 수 있다.

셋째, 차열도료를 이용하는 쿨루프의 효과는 방수를 필수로 하며, 단순히 하계의 일사차단으로 냉방부하를 감소시키는 기능 외에 동계에도 단열성능이 겸비되어 지붕으로 노출되는 열손실을 차단할 수 있도록 에너지절감형이 이루어져야 한다. 또한 옥상방수용이나 차열도료는 지구온난화에 영향을 미치는 오존 오염의 원인이 되는 휘발성유기화합물이 방출되지 않는 친환경성 도료로 전환함이 필요하다.