[논문]황토를 이용한 친환경 유공 흡음보드의 흡음특성

김선우; 박현구

문제 정의

한편, 실내 공간의 울림 등 음향적 문제를 해결하기 위해 사용되는 흡음재는 얇고 넓은 판으로 이루어진 판상형 재료, 표면의 큰 구멍과 배후 공간으로 이루어진 공명기형 재료 및 재료 내부에 공기층을 많이 포함하고 있는 다공질 재료가 있다. 본 연구는 우리나라에서 목재와 함께 주요 건물 재료로 사용되어 온 황토를 사용한 흡음재의 적용 가능성을 살펴보고자 하였다. 황토는 습도 조절 능력과 항균성능, 탈취성능 등 공기환경적 측면 뿐 아니라 천연재료로서 재활용할 수 있다는 점에서 실내 공간에 흡음재로서 적용될 수 있다면, 공기환경, 음환경 및 자원재활용 측면에서 매우 바람직한 재료라 할 수 있다.
본 연구는 친환경 재료인 황토로 만든 판상형 재료에 타공을 함으로써 판상형 특성과 공명기형 특성을 갖는 황토판재의 흡음성능을 측정하였으며, 흡음성능에 영향을 미치는 타공율과 배후공기층의 변화를 통해 흡음특성의 변화특성을 분석하고자 하였다.
본 연구는 황토를 사용하여 제작한 황토판재를 대상으로 흡음재로서의 사용가능성을 살펴보기 위해 판재 표면에 구멍을 뚫어 잔향실험실에서 실험을 실시하였으며, 유공율 및 배후공기층의 변화에 따른 흡음율의 차이를 비교 하였다.
본 연구에서는 잔향실험실 실험을 통해 황토판재의 흡음성능을 분석하고, 표면 타공율 변화와 배후공기층 변화를 통해 유공 황토판재의 흡음특성을 비교하고자 하였다. 흡음율 측정은 KS F ISO 11654(건축물용 흡음재의 흡음 성능 평가 방법)에 따라 전남대학교 잔향실험실에서 실시되었다.
유공 황토판재의 흡음특성을 보다 다양하게 비교하기 위해 흡음재 뒷 공간인 배후공기층 부분에 다공성 흡음재를 설치함으로써 흡음성능의 변화를 분석하고자 하였다. 그림 6은 실험에 사용된 다공성 흡음재와 흡음재를 배후 공기층 부분에 설치하였을 경우 배후공기층 증가에 따른 흡음특성의 변화를 살펴본 것이다.

제안 방법

스피커 위치는 두 곳에 설치하였으며, 각 스피커에서 음원 발생시 다섯 곳에서 마이크로폰을 통해 동시에 잔향시간을 측정하였다. 각 위치에서 세 번씩 측정하였으며, 전체 30회 측정값을 평균한 값을 사용하여 흡음율을계산하였다. 잔향실 체적은 171㎥ 이며 시험편의 면적은 12㎡, 시험에 사용한 기기는 다음과 같다.
유공형 판재의 경우 공명기형 흡음특성인 저주파수 대역에서 높은 흡음력을 나타낼 것으로 보이며, 유공율은 63Hz에서 500Hz 대역의 저주파수 대역에서 최대 흡음력을 갖도록 계획하였다. 배후공기층은 각각 30mm와 60mm로 하였으며, 배후공기층 없이 벽면 위에 그대로 설치될 때의 특성과 비교하였다(그림 2).
흡음율 측정은 KS F ISO 11654(건축물용 흡음재의 흡음 성능 평가 방법)에 따라 전남대학교 잔향실험실에서 실시되었다. 스피커 위치는 두 곳에 설치하였으며, 각 스피커에서 음원 발생시 다섯 곳에서 마이크로폰을 통해 동시에 잔향시간을 측정하였다. 각 위치에서 세 번씩 측정하였으며, 전체 30회 측정값을 평균한 값을 사용하여 흡음율을계산하였다.
유공형 판재의 경우 공명기형 흡음특성인 저주파수 대역에서 높은 흡음력을 나타낼 것으로 보이며, 유공율은 63Hz에서 500Hz 대역의 저주파수 대역에서 최대 흡음력을 갖도록 계획하였다. 배후공기층은 각각 30mm와 60mm로 하였으며, 배후공기층 없이 벽면 위에 그대로 설치될 때의 특성과 비교하였다(그림 2).
실험대상 황토판재의 유공율, 배후공기층의 변화에 따른 흡음특성의 차이를 비교하기 위한 시편의 구성은 표 2와 같다. 황토판재 자체의 흡음특성에 대해 배후공기층 유무에 따른 특성을 측정하였으며, 이에 대한 비교사항으로 공진주파수에 큰 영향을 미치는 유공율과 배후공기층의 변화에 따른 흡음특성을 측정하였다.
황토판재의 두께가 9.5mm 이고 계획된 배후공기층이 각각 30mm, 60mm 이었으며, 단위크기가 0.6m × 1.2m 이므로, 구멍의 크기 및 배열을 감안하여, 단위크기에 각각 25개, 50개, 250개를 계획하여 해당 유공율에 대한 공진주파수를 산출하였다.

대상 데이터

실험대상인 황토판재는 두께가 얇은 판상형 재료이며, 천장 및 벽체에 마감재료로 사용된다. 판진동형 흡음재는 일반적으로 저주파수 대역에서의 흡음율이 높게 나타나는 특징이 있다.
실험에 사용된 황토판재는 황토와 볏짚, 소맥분 등을 혼합하여 뒷면에 종이를 부착해 만든 넓은 판상형 재료이다. 일반적으로 구조재료 등에 사용되는 황토는 활성황토인 반면, 본 실험 대상에 적용된 황토는 생황토를 사용함으로써 활성황토에 비해 황토 고유의 친환경적 특성을 더 잘 보유하고 있다 할 수 있다.
유공 황토판재의 흡음성능 향상을 위해 배후공기층에 다공성 흡음재를 설치하였다. 그 결과 피크주파수 대역은 배후공기층에 따라 차이가 발생하지 않았으며, 최대 흡음 율은 배후공기층 유무에 따라 약 0.

이론/모형

배후공기층과 재료의 두께, 유공율 등을 고려하여 유공판 흡음재의 공진주파수를 계산하기 위한 식은 이 구조의 노멀음향 임피던스식으로부터 유도된 다음 식을 사용하였다⁷⁾.
본 연구에서는 잔향실험실 실험을 통해 황토판재의 흡음성능을 분석하고, 표면 타공율 변화와 배후공기층 변화를 통해 유공 황토판재의 흡음특성을 비교하고자 하였다. 흡음율 측정은 KS F ISO 11654(건축물용 흡음재의 흡음 성능 평가 방법)에 따라 전남대학교 잔향실험실에서 실시되었다. 스피커 위치는 두 곳에 설치하였으며, 각 스피커에서 음원 발생시 다섯 곳에서 마이크로폰을 통해 동시에 잔향시간을 측정하였다.

성능/효과

그림 5는 배후공기층에 따른 흡음율 차이를 비교한 것으로서 배후공기층 증가에 따라 공진주파수가 저주파수 대역으로 낮아지고 있음을 알 수 있다. (a)는 유공율 0.3일 때의 흡음특성을 비교한 것으로 배후공기층이 증가함에 따라 공진주파수가 각각 250Hz, 160Hz 대역으로 나타남을 알 수 있으며, 공진주파수에서의 흡음율 또한 높게 나타났다. (b)는 유공율 0.
유공 황토판재의 흡음성능 향상을 위해 배후공기층에 다공성 흡음재를 설치하였다. 그 결과 피크주파수 대역은 배후공기층에 따라 차이가 발생하지 않았으며, 최대 흡음 율은 배후공기층 유무에 따라 약 0.1정도의 차이가 발생하였다. 최대 흡음율은 중간공기층의 두께가 30mm일 경우 0.
2이상 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 배후 공기층 흡음재를 설치함으로써 매우 유공판형의 자체 특성인중, 저주파수 대역에서의 흡음성능 뿐만 아니라 흡음력 또한 상승시켜 중, 저주파수 대역에서의 효과적인 흡음구조로 사용할 수 있음을 보여주고 있다.
배후공기층을 추가한 결과 공진주파수는 저주파수 대역으로 내려가는 반면 흡음율은 향상되었다. 또한 유공율을 변화시킴으로써 유공율 증가에 따라 공진주파수가 고주파수 대역으로 상승하였으나 흡음율의 변화는 크게 나타나지 않았다. 따라서 배후공기층과 유공율은 황토 판재 흡음재에 있어 최대 흡음율을 갖는 공진주파수 대역을 이동시키며, 흡음성능 또한 다소 변화시키게 된다.
특히 유공율은 배후공기층이 30mm 이하일 경우 흡음율에 큰 변화를 주지 않았지만 60mm의 배후공기층에 대해 낮은 유공율일수록 높은 흡음 성능을 갖는 것으로 나타났다. 배후공기층은 그 두께가 증가함에 따라 흡음율이 향상됨을 알 수 있었다. 이는 배후 공기층과 유공율을 동시에 고려함으로써 목적으로 하는 주파수 대역에서의 흡음성능 설계를 가능하게 할 것으로 사료된다.
표면에 구멍을 뚫어 유공 판재를 만들어서 실험한 결과 배후공기층이 없을 경우 타공 부분에서 흡음을 하여 판재 자체의 흡음율에 비해 흡음율이 상승되었다. 배후공기층을 추가한 결과 공진주파수는 저주파수 대역으로 내려가는 반면 흡음율은 향상되었다. 또한 유공율을 변화시킴으로써 유공율 증가에 따라 공진주파수가 고주파수 대역으로 상승하였으나 흡음율의 변화는 크게 나타나지 않았다.
유공율은 그 비율이 증가할수록 피크 주파수가 높아졌으며, 배후공기층은 두께 증가에 따라 피크주파수가 낮아졌다. 유공율에 따른 흡음율 차이는 없었 으나 배후공기층에 따라 흡음율이 비례하는 것으로 나타나 실내 흡음재로 사용할 경우 유공율과 배후공기층의 설계를 통해 최적의 실내 음향설계가 가능한 것으로 나타났다. 특히 배후 흡음재를 설치함으로써 흡음성능 향상이 크게 나타나 유공 황토판재와 배후 흡음재의 조합을 통해 흡음재료서의 사용가능성을 확인할 수 있었다.
2 정도로 나타났으며, 배후공기층이 있을 경우 저주파수 대역에서 높은 흡음율을 갖는 판상형 흡음재의 특성을 나타내었다. 유공율은 그 비율이 증가할수록 피크 주파수가 높아졌으며, 배후공기층은 두께 증가에 따라 피크주파수가 낮아졌다. 유공율에 따른 흡음율 차이는 없었 으나 배후공기층에 따라 흡음율이 비례하는 것으로 나타나 실내 흡음재로 사용할 경우 유공율과 배후공기층의 설계를 통해 최적의 실내 음향설계가 가능한 것으로 나타났다.
유공율에 따른 흡음율 차이는 없었 으나 배후공기층에 따라 흡음율이 비례하는 것으로 나타나 실내 흡음재로 사용할 경우 유공율과 배후공기층의 설계를 통해 최적의 실내 음향설계가 가능한 것으로 나타났다. 특히 배후 흡음재를 설치함으로써 흡음성능 향상이 크게 나타나 유공 황토판재와 배후 흡음재의 조합을 통해 흡음재료서의 사용가능성을 확인할 수 있었다.
따라서 배후공기층과 유공율은 황토 판재 흡음재에 있어 최대 흡음율을 갖는 공진주파수 대역을 이동시키며, 흡음성능 또한 다소 변화시키게 된다. 특히 유공율은 배후공기층이 30mm 이하일 경우 흡음율에 큰 변화를 주지 않았지만 60mm의 배후공기층에 대해 낮은 유공율일수록 높은 흡음 성능을 갖는 것으로 나타났다. 배후공기층은 그 두께가 증가함에 따라 흡음율이 향상됨을 알 수 있었다.
황토판재는 판상형 흡음특성을 가지고 있으며, 황토판재에 구멍을 뚫음으로써 유공판형 흡음특성을 나타냈다. 판재 자체의 흡음특성을 살펴본 결과 배후공기층이 없을 경우 표면의 특성으로 인한 흡음특성이 500Hz 이상의 고주파수 대역에서 0.2 정도의 흡음율을 나타냈다. 배후공기층이 있을 경우 저주파수의 특정 대역에서 높은 흡음율을 갖는 판상형 흡음재의 특성을 나타내었다.
표면에 구멍을 뚫어 유공 판재를 만들어서 실험한 결과 배후공기층이 없을 경우 타공 부분에서 흡음을 하여 판재 자체의 흡음율에 비해 흡음율이 상승되었다. 배후공기층을 추가한 결과 공진주파수는 저주파수 대역으로 내려가는 반면 흡음율은 향상되었다.

후속연구

배후공기층은 그 두께가 증가함에 따라 흡음율이 향상됨을 알 수 있었다. 이는 배후 공기층과 유공율을 동시에 고려함으로써 목적으로 하는 주파수 대역에서의 흡음성능 설계를 가능하게 할 것으로 사료된다.
황토는 우리나라의 전통 건축재료로 오랫동안 사용되어왔으며, 천연재료로서 뿐만 아니라 공기질에 좋은 영향을 주는 친환경 재료로서 최근 사용 가능성이 대두되는 재료이다. 황토를 사용하여 제작한 내장재료가 흡음재료로서 사용될 수 있다면 기존의 화학물질로 만들어진 흡음재를 대체함으로써 건물 내에서 친환경 성능을 매우 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유공 황토판재의 흡음성능 향상을 위해 배후공기층에 다공성 흡음재를 설치하였는데 그 결과는?	유공 황토판재의 흡음성능 향상을 위해 배후공기층에 다공성 흡음재를 설치하였다. 그 결과 피크주파수 대역은 배후공기층에 따라 차이가 발생하지 않았으며, 최대 흡음 율은 배후공기층 유무에 따라 약 0.1정도의 차이가 발생하였다. 최대 흡음율은 중간공기층의 두께가 30mm일 경우 0.81로서 매우 높게 나타났다. 배후공기층에 흡음재를 설치하지 않은 구조와 비교했을 때, 흡음율이 0.2~0.4 정도의 현저한 차이가 발생하여 흡음재 설치를 통해 유공 황토판재의 흡음성능을 극대화할 수 있음을 알 수 있다.
	교토의정서는 언제 열었는가?	1992년 리우 유엔 환경개발회의를 통해 온실가스를 배출을 제한하고, 1997년 교토의정서를 통해 온실가스를 감축하고자 하는 움직임이 전세계적으로 일고 있다. 이와 같은 맥락에서 국내에서도 온실가스를 감소시키기 위한 노력이 사회 각 분야에서 이루어지고 있다.
	배후공기층은 일반적으로 무엇을 향상시키는가?	배후공기층은 일반적으로 흡음재의 흡음성능을 향상시킨다. 판상형 흡음재나 유공 패널 흡음재의 경우 배후공기 층의 두께가 증가할수록 공진주파수가 저주파수 대역으로 낮아지게 된다.

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