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과제기본정보

현장적용이 가능한 0.008W/mK급 초고단열 외피용 금속진공단열패널 개발을 위한 기초원천기술개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 18CTAP-C129710-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 건설마감재료 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 친환경 재생건설재료 실용화대상여부 비실용화
3순위 건설 교통 | 건설 환경설비 기술 | 건축환경 설비기술 과제유형 기초
과제명 현장적용이 가능한 0.008W/mK급 초고단열 외피용 금속진공단열패널 개발을 위한 기초원천기술개발
주관연구기관 공주대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 김봉주
소속 공주대학교 산학협력단 직위 교수
기관 대표번호 041-850-8630 FAX 041-568-0287
총 연구기간 2017-04-01 ~ 2018-12-31
당해연도 연구기간 2018-01-01 ~ 2018-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 220,000,000 0 0 0 220,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 건축물의 에너지 소비에서 가장 높은 비중을 차지하는 것은 약 40% 이상을 차지하고 있는 냉난방 부하이다. 이러한 냉난방 부하를 줄이기 위해 사용되는 것이 단열재이며 단열재의 선택은 건축물 에너지 효율을 향상시키는 것에 있어 매우 중요함. 건축분야의 단열재 중 국내에서 널리 사용되고 있는 유기계 단열재는 화재에 대한 문제점과 단열효과 상승을 위해 단열재의 두께를 증가하여 실내사용공간이 줄어드는 등의 다양한 문제가 발생될 수 있음. 따라서 이러한 문제점의 해결을 위한 새로운 단열재 개발이 요구되고 있음. 현재 주목받는 재료로는 에어로젤과 진공단열재이다. 에어로젤은 형상유지와 가공에 대한 어려움, 높은 비용 등으로 현재 일부 전자제품 분야에만 사용되고 있으며 현재로서 건축물에 적용된 경우는 없는 실정임.

○ 진공단열재는 글라스울이나 흄드실리카 등의 심재를 사용하고 알루미늄 및 특수비닐 등으로 감싸주어 진공을 형성하여 사용됨. 이러한 진공단열재는 사용에 따라 진공압력 저하로 인한 단열성능 상실문제가 발생하고 있고, 또한 건축물에 적용할 경우, 고가의 단열재 가격, 단열재의 보관 및 시공의 어려움으로 인한 시공비용 증가, 시공 시 내·외부 마감 등을 위한 추가비용 발생 등의 문제가 있음. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 진공단열재의 외피를 알루미늄박, 비닐류와 같은 연약재질에서 금속재질로, 심재의 경우는 강성을 가진 고체로의 변화가 필요하며, 외부에는 지속적으로 진공압력을 유지 관리할 수 있는 진공밸브 등을 설치하는 등 기존 진공단열재를 문제를 해결하는 새로운 개념의 진공단열재의 개발이 요구됨.

○ 기존의 진공단열재는 초기 단열 성능이 약 0.004W/mk로 우수하나 지속적인 유지에 대한 어려움이 발생하고 있음. 단열재의 외피는 알루미늄 박판(알루미늄 증착함)이 8um정도로 얇아 시간이 경과됨에 따라 박판을 통한 가스 및 수분이 투과할 우려가 있으며 진공단열재의 밀봉 기술 및 취급에 의한 어려움이 발생되고 있음. 또한 내부의 심재는 유리면을 사용하고 시간경과에 따라 수분 및 가스가 발생하여 이를 흡착하기 위해 게터를 사용하지만, 게터의 한계를 넘게 될 경우 진공압력이 점점 저하하여 진공 상태의 유지가 어려움. 또한 진공단열 패널의 설치 후 추가적인 외부마감의 시공에 의하여 진공상태를 지속적으로 검토 및 유지 관리하는 것이 어려우며, 진공을 초기 상태로 복원하는 것은 불가능함.

○ 따라서 진공단열재의 외피는 금속계 재질로 적용하고, 심재를 무기질재료로 구성할 경우 기존 진공단열재의 1차적인 문제점의 해결이 가능함. 2차적으로 진공압력의 유지보수를 위한 방법으로 외피의 진공상태를 확인하는 것과 시간경과에 따른 진공압력 저하를 복구하기 위한 유지보수용 진공 밸브를 설치하여 기존의 진공단열재 문제를 해결하고자 함. 또한 개발되는 진공단열재의 경우, 별도의 외부마감의 시공이 필요하지 않아 시공과정에서의 손상과, 추가공정에 따른 공사기간이 소요되지 않아 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상됨.
최종목표 건축분야에 적용 가능한 진공단열재 개발 및 기타 발생 가능한 제반사항에 대한 자료제공을 목적으로 하는 기초원천연구임.
1. 금속재를 이용한 0.008W/mk의 성능을 갖는 진공단열패널 개발
2. 금속패널 사이의 공간을 형성할 채움재의 원천기술개발(진공하 가스발생최소화 재료)
3. 금속패널의 진공도를 유지하기 위한 밀폐 원천기술개발
4. 금속진공단열패널의 시공 후 유지보수를 위한 이동식 진공펌프 개발
5. 내외장 일체화로 마감공정을 줄일 수 있는 커튼월용 건식패널 및 구법개발
연구내용 및 범위 패시브하우스(Passive house)는 냉ㆍ난방을 위한 최대부하가 1m2당 10W 이하인 에너지 절약형 건축물을 말하며, 기존 국내단열기준의 약 3배를 강화한 0.15W/mk의 열전도율을 충족시켜야 하고, 제로에너지 하우스(Zero energy house)의 경우 이보다 더욱 강화된 0.008W/mk의 열전도율에 도달해야 함.

1) 금속재를 이용한0.008W/mk의 성능을 갖는 진공단열패널 개발
: 금속패널의 재질 및 표면 처리, 패널의 형상 등과 같은 조건변화에 따른 물리적ㆍ화학적 상태변화 검토(분석)
: 금속재 패널의 진공 압력 수치 변화에 따른 물리적ㆍ화학적 상태변화 검토(분석)
2) 금속패널 사이의 공간을 형성할 채움재의 원천기술개발(진공하 가스발생최소화 재료)
: 금속재 패널의 내부 무기질 심재개발을 위한 기초 실험 수행
3) 금속패널의 진공도를 유지하기 위한 밀폐 원천기술개발
: 금속진공단열패널에서 발생 가능한 이음부위와 접합부의 마감재로 사용 가능한 실링재(Sealing compound material)역학적 안정성 검토
4) 금속진공단열패널의 시공 후 유지보수를 위한 이동식 진공펌프 개발
5) 내외장 일체화로 마감공정을 줄일 수 있는 커튼월용 건식패널 및 구법개발

1. 현재 보급되는 단열재의 현황(진공단열재 포함) 파악 및 단열 공법 현황 파악
- 현재 건축물에 사용되는 단열재의 종류 파악
- 단열재의 종류별 특징과 단열성능에 대한 검토 및 분석
- 단열재의 시공 공법 및 단열시스템 현황 파악
2. 필요 열전도율(0.008W/mK)에 비례하는 진공압력 결정
- 진공관련 논문 및 문헌의 검토
- 유사 특허와 관련 된 내용 파악을 통한 연구개발 압력선정 반영
3. 진공압력에 의한 패널 재료의 선정, 사이즈 및 규격의 산정
- 진공도에 따른 패널 규격 산정
: 금속재 커튼월의 기본유닛 사이즈(세로 3.3~3.6 / 가로 1.2~2.4)를 기본으로 함
: 금속판의 간격, 금속판의 두께, 금속판의 가로세로 형상 크기
- 패널 규격에 적합한 패널 재료 평가 및 결정
: 휨강도, 각종 강도, 내구성, 열전도율, 온도에 다른 팽창계수 등
- 각종 기밀성 재료에 대한 검토와 금속패널간의 접착방법, 금속패널의 형상 유지를 위한 재료선정
: 패널의 테두리 마감을 위한 기밀성 밀폐재의 분석 및 검토(선정)
: 형상유지를 위한 내부 심재 적용 가능 재료 리스트 작성 및 검토(선정)
4. 진공펌프-패널 사이의 연결부위 압력손실 방지를 위한 연결밸브 개발
- 금속진공단열패널-진공펌프 연결부위의 진공압력 손실방지를 위한 연결철물 개발
: 기존 밸브의 형태를 참고하여 금속진공단열 패널에 적용 가능한 디자인 설계
: 차후 진공압력 유지보수를 위한 개폐의 편리성 및 진공압력 보존이 가능한 설계
: 패널과의 연결부위 접합을 위한 디테일 디자인 설계
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 o 기존 단열재의 성능 및 물성에 관한 자료 수집 및 분석
o 제로에너지 하우스의 목표 열관류율 기준을 만족하는 진공 압력 수치의 정량화 기준 정립 		- 기존 단열재의 성능 및 물성에 관한 자료 수집 및 분석
: 현재 보급되는 단열재 종류별(저항성, 반사, 진공 등)자료 수집 및 실험을 통한 성능 분석
- 제로에너지 하우스의 목표 열관류율 기준을 만족하는 진공 압력 수치의 정량화 기준 정립
: 진공 관련 문헌 및 연구 자료에 대한 수집 및 분석
: 진공단열패널의 시제품 제작 및 실험을 통한 성능 분석
o 금속재를 이용한 0.008W/mK의 성능을 갖는 진공단열패널 개발
o 내·외장재와 일체화되어 마감 공정이 생략 가능한 커튼월용 건식 패널 및 구법개발
연구성과 기술적 기대성과 o 진공단열재를 이용한 건물외피 모듈 설계 및 성능평가 기술 확보
o 차세대 고효율 제로에너지 건물 구현을 위한 주요 요소기술 확보
o 금속재 외피의 도입으로 품질 및 유지관리의 편의성 확보
o 금속진공단열 패널의 선도적 차원의 전용 생산 장비(진공펌프 등) 구성
o 진공펌프와 같은 전용장비와 전용취부방식의 시스템 개발로 기술력 확보
o 기존의 진공펌프의 이동 가능형 제품 생산 및 최적 단열용진공기 개발
사회 경제적 파급효과 o 에너지 절감 및 효율을 향상시켜 건축물의 유지관리 비용 절감
o 단열 및 외장재 설치의 단순화로 건설비용 절감
o 건축 신소재, 신기술 보급 및 신규시장 창출
o 시공 된 진공단열 패널의 유지보수를 위한 신규업체 양성 기여
o 진공시스템 장비의 국산화로 생산비용 절감과 가격경쟁력 향상
o 진공단열 패널을 위한 전용장비 개발로 외국계 기업에 대한 경쟁력 확보
활용방안 ○ 최근 건설시장의 규모 및 건설투자에서 건축자재 부문의 점유율(2000년 기준 38%)을 본다면, 건축자재 시장규모는 2005년 기준금액으로 보았을 때 2010년 대략 60조원 (건설투자액은 159조 원), 2015년 65조 원(건설투자액은 171조 원), 2020년에는 68조 원(건설투자액은 180조 원), 2030년에는 72조 원(건설투자액은 189조 원)으로 예상되고 있으나, 실제로는 건축자재의 고급화, 다양화, 고기능성화, 친환경제품화 등으로 인하여 건축자재의 시장규모는 중장기적으로 더욱 증가할 가능성이 높음.

○ 국내 알루미늄 창호 시장은 2007년 1조 2천억원 내외 규모이며, 건물의 고층화 추세에 따라 2015년에는 1조 6천억~2조원 내외 수준까지 성장. 더욱이 중동지방의 건설 시장 강화와 국내기업 진출 추세로 볼 때, 더욱 많은 성장이 가능.
○ 초고층 건물 시장성장에 따른 커튼월 시장 급성장 예상
- 세계 및 국내 초고층 건물시장은 지속 상승 추세에 있으며, 이에 따라 커튼월 시장도 동반 상승할 것으로 예상

○ 국내 단열필름은 건축물보다는 자동차에 주로 사용되고 있는 상황이고, 산업용 소재로 주로 사용되고 있으며, 앞에서 언급한 재질의 문제로 인하여 건축물에 적용하기에는 보다 많은 연구가 필요한 실정임. 따라서 소비자들이 점차적으로 각 가정에 단열필름을 사용하는 추세가 늘어가고 있는 상황임에도 불구하고 그 수요가 크게 증가할 것이라고는 예상하기 어려우며, 단열필름의 시장은 크게 형성될 수 없는 상황임. 이를 극복하기 위해서는 새로운 높은 성능의 단열재의 상용화 연구가 필수적이며, 그에 맞는 새로운 단열재의 개발이 필수적으로 수반되어야 함.
○ 기존 건축물의 경우, 현재의 연구수준으로 볼 때 보수보강을 실시할 수 없는데 반해, 제시한 연구개발 및 상용화를 통한 보수보강 신규시장 창출이 가능하며, 보수보강을 통한 국가적 에너지 절약정책에 기여할 수 있음.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 채움재 진공 금속패널 초고단열 밀폐
영문 Filler Vacuum Metal panel Ultra high insulation Seal
최종보고서
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