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문제 정의
- 이러한 측면에서 실내 목재 도장에 합성도료 보다는 천연도료의 사용이 더 바람직할 것으로 판단되며, 목조주택의 쾌적하고 안전한 실내공기질 확보를 위해 천연도료의 보다 활발한 개발과 보급이 이루어져야 할 것으로 판단된다(박 외 2015). 따라서 본 연구에서는 선행연구의 결과를 바탕으로 낮은 VOC 방출속도를 보인 도료를 선정하여 목재에 도장 후 방출되는 VOC의 방출 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 목재를 건축 내장재로써 선택하는데 있어서 목재로부터 방출되는 인체에 유익한 NVOC는 중요한 선택요인이 되고 있기 때문이다. 2차 챔버 실험 결과 동정된 개별 VOC의 방출속도가 TVOC의 약 50% 이상을 차지하는 V2/pine, C1/pine, W1/pine, W3/pine에 대해 NVOC의 방출정도를 분석하였다.
- 이 도료들을 300 g/m2의 도포량으로 소나무 판재에 각각 도장하였다. 도장한 시료를 24시간 동한 실온에서 자연 건조한 후 20 L 소형챔버에 넣어 챔버 실험을 실시하였다. 챔버 실험은 실내공기질 공정시험방법에 따라 실시되었다.
- 기건 상태(함유율 12∼15%)의 소나무 판재(Pinus rigida, 160 mm × 160 mm × 10 mm)의 표면에 실험 대상 도료를 도포하였다. 도포량은 300 g/m2로 일정하게 하였으며 24시간 상온 건조 후 실내공기질 공정시험방법에 따라 측정하였다(Fig. 1).
- 따라서 목재로부터 방출되는 NVOC의 정확한 평가를 위해서 도료에서는 방출되지 않으며 목재로부터 방출되는 주요 NVOC 물질인 α-Pinene의 방출속도를 분석하였다.
- 선행연구의 FLEC 실험에서 TVOC 측정 결과, 낮은 방출속도를 나타낸 도료 8종을 선정하여 20 L 챔버 실험을 실시하였다(박 외 2015). 8종의 도료 중 varnish제품은 독일 A사의 C제품과 한국 O 사의 L제품이며, 수성스테인으로는 한국 D사의 W제품과 K사의 K제품이 그리고 천연오일인 미국 O사의 P와 O제품과 일본 R사의 N제품을 사용하였다.
- 실험 시작 전 배경농도 실험을 실시하고, 실험 시작 후 7일째에 시료를 채취하여 분석하였다. 대상 시료는 노출 면적이 140 mm × 140 mm가 되도록 방출 Tape을 이용하여 마감했으며, 챔버로 공급되는 공기의 유량을 167 mL/min으로 조절하였다.
- 실험의 대상 시료 중 OVOC의 비율이 70% 이상인 V1/pine, C2/pine, W2/pine을 제외한 나머지 시료들에 대하여 개별 VOC의 방출 특성을 조사하였다. Fig.
- 전체 검출 피크 중 NVOC와 AVOC를 제외한 피크의 면적에 대해 Toluene 환산농도를 적용해 합한 값을 OVOC (Other VOC)로 나타내었다. Pine은 604.
- NVOC는 자연방출원으로 알려져 있는 α-pinene, Camphene, β-pinene 등의 천연 휘발성유기화합물을 포함하고 있으며, AVOC는 인위적인 휘발성유기화합물을 나타내며, OVOC는 n-Hexane에서 n-Hexadecane까지의 범위에서 동정 불가능한 나머지 물질들을 포함한다(박 2010; 이 외 2014). 정량분석은 AVOC 5종과 NVOC 22종의 표준물질을 단계적으로 희석하여 작성된 검량선을 통해 구하였다.
- 이하인 것을 확인하였다. 챔버 내 시편 설치 후 7일째 고체흡착관(Tenax TA)을 이용하여 시료에서 방출되는 VOC를 채취하였다. 고체 흡착관에 흡착된 휘발성유기화합물은 ASTM-D5116:10에 의거하여 열탈착 장치(STD 1000, DANI, Italy)와 GCMS-QP2010(Shimadzu, Japan)을 이용하였으며, 사용된 컬럼은 VB-1 capillary column (60 m length × 0.
대상 데이터
- 선행연구의 FLEC 실험에서 TVOC 측정 결과, 낮은 방출속도를 나타낸 도료 8종을 선정하여 20 L 챔버 실험을 실시하였다(박 외 2015). 8종의 도료 중 varnish제품은 독일 A사의 C제품과 한국 O 사의 L제품이며, 수성스테인으로는 한국 D사의 W제품과 K사의 K제품이 그리고 천연오일인 미국 O사의 P와 O제품과 일본 R사의 N제품을 사용하였다. 기건 상태(함유율 12∼15%)의 소나무 판재(Pinus rigida, 160 mm × 160 mm × 10 mm)의 표면에 실험 대상 도료를 도포하였다.
- 고체 흡착관에 흡착된 휘발성유기화합물은 ASTM-D5116:10에 의거하여 열탈착 장치(STD 1000, DANI, Italy)와 GCMS-QP2010(Shimadzu, Japan)을 이용하였으며, 사용된 컬럼은 VB-1 capillary column (60 m length × 0.32 mm i.d. × 1.00 μm film thickness, Valco instruments. Co., USA)이었다.
- 기건 상태(함유율 12∼15%)의 소나무 판재(Pinus rigida, 160 mm × 160 mm × 10 mm)의 표면에 실험 대상 도료를 도포하였다.
- 챔버 실험은 실내공기질 공정시험방법에 따라 실시되었다. 도장하지 않은 소나무 판재(Pine)를 대조구로 선정하여 동일하게 시험을 실시하였다. Fig.
- 본 연구에 이용된 20 L 소형챔버는 ADTEC사의 ADPEC SYSTEM으로 4개의 챔버와 청정공기 공급장치(ADF-04(K)-01), 순환장치(AD4Y-04003J) 그리고 샘플링 펌프(APSYW-04003J)로 구성되어 있다(Fig. 2). 청정공기 공급장치에서 2개의 필터 (filter)를 통해 청정공기를 만들어 약 900 mL/min의 유량으로 순환장치에 공급한다.
- MSD 분석 조건은 선행연구와 같은 조건인 capillary direct interface 온도, 250℃; ion source 온도, 200℃; ionization energy, 70 eV; mass range, 35∼350 amu로 설정하였다(박 외 2015). 본 연구에서 TVOC는 NVOC (natural volatile organic compounds), AVOC (anthropogenic volatile organic compounds), OVOC (Other volatile organic compounds)로 구성되어있다. NVOC는 자연방출원으로 알려져 있는 α-pinene, Camphene, β-pinene 등의 천연 휘발성유기화합물을 포함하고 있으며, AVOC는 인위적인 휘발성유기화합물을 나타내며, OVOC는 n-Hexane에서 n-Hexadecane까지의 범위에서 동정 불가능한 나머지 물질들을 포함한다(박 2010; 이 외 2014).
- 시험 시작 후 7일째에 Tenex TA 흡착관을 이용하여 시료를 채취하였다. 시료채취는 별도의 펌프를 이용하여 실시하였고 100 mL/min의 유량으로 30 min간 실시하여 3 L의 공기를 채취하였다. 20 L 소형챔버의 실험 조건은 Table 1과 같다.
- 시험 시 온도는 25℃, 습도는 50%를 유지하였다. 시험 시작 후 7일째에 Tenex TA 흡착관을 이용하여 시료를 채취하였다. 시료채취는 별도의 펌프를 이용하여 실시하였고 100 mL/min의 유량으로 30 min간 실시하여 3 L의 공기를 채취하였다.
이론/모형
- 도장한 시료를 24시간 동한 실온에서 자연 건조한 후 20 L 소형챔버에 넣어 챔버 실험을 실시하였다. 챔버 실험은 실내공기질 공정시험방법에 따라 실시되었다. 도장하지 않은 소나무 판재(Pine)를 대조구로 선정하여 동일하게 시험을 실시하였다.
성능/효과
- 20 L 소형챔버 실험 결과 pine의 TVOC 방출량은 604.7 μg/m2h였고, 이 중 NVOC는 399.7 μg/m2h로 TVOC 중 66%를 차지하는 것으로 나타났다.
- Pine을 포함하여 C1/pine, W1/pine, W3/pine은 TVOC 중 NVOC가 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, V2/pine의 경우는 AVOC가 TVOC의 대부분을 차지하였다. C1/pine, W1/pine, W3/pine의 TVOC 중 NVOC가 차지하는 비율은 각각 64.41, 47.81, 58.46%이고, V2/pine의 TVOC 중 AVCO의 비율은 58.17%였다.
- OVOC에 대해 MS library search를 통해 spectrum을 비교한 결과 OVOC의 대부분은 junipene, α-Longipinene, sativen 등의 terpene 물질인 것으로 나타나 표준물질이 확보되지 않아 실제 분석이 가능하지 않을 뿐 Pine으로부터 방출되는 VOC는 대부분 NVOC인 것으로 판단된다.
- 8%로 방출물질의 대부분이 본 연구에서 사용한 표준물질을 이용하여 동정할 수 없는 물질인 것으로 나타났다. Pine을 포함하여 C1/pine, W1/pine, W3/pine은 TVOC 중 NVOC가 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, V2/pine의 경우는 AVOC가 TVOC의 대부분을 차지하였다. C1/pine, W1/pine, W3/pine의 TVOC 중 NVOC가 차지하는 비율은 각각 64.
- V1/pine, C2/pine, W2/pine의 경우 TVOC 중 OVOC가 차지하는 비율이 각각 94.7, 73.2, 72.8%로 방출물질의 대부분이 본 연구에서 사용한 표준물질을 이용하여 동정할 수 없는 물질인 것으로 나타났다. Pine을 포함하여 C1/pine, W1/pine, W3/pine은 TVOC 중 NVOC가 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, V2/pine의 경우는 AVOC가 TVOC의 대부분을 차지하였다.
- 21 μg/m2h로 나타나 도료자체에서 방출 되는 속도 보다 약 30% 많은 방출속도를 나타내었다. dl-Limonene는 도료자체에서도 검출되는 것으로 나타났으며 천연목재에서도 방출이 되었지만 도장된 이후에 오히려 그 방출량이 줄어드는 경향을 관찰하였다. 도료 C1은 천연도료로써 기존 연구에서 낮은 VOC 방출특성을 나타내었다(박 외 2015).
- m,p-Xylene이 가장 높은 168.08 μg/m2h의 방출속도를 나타내었고, toluene, o-Xylene, ethylbenzene 이 각각 117.76, 82.75, 58.17 μg/m2h로 나타났다(Fig. 4).
- 가장 높은 방출속도를 나타낸 α-Pinene은 252.87 μg/m2h로 TVOC 중 42%를 차지하고 있으며 NVOCs 중에서는 63%를 차지하는 것으로 나타났다.
- 그 방출 성분을 분석한 결과, 천연 소나무에서 가장 많은 방출속도를 나타낸 α-Pinene은 약 75%줄어들었지만 기존에 미량 방출되었던 α-Terpinol, terpinen-4-ol 각각 246.54, 95.29 μg/m2h로 W3을 도장한 이 후 높은 방출속도를 나타내었다.
- 기존 FLEC 실험에서 도료 자체에서는 α-Pinene이 전혀 방출되지 않지만, 천연도료를 도장함으로서 시료로부터 α-Pinene이 44.91 μg/m2h로 방출되는 것으로 나타났다.
- 다음으로 dl-Limonene, α-Terpineol이 각각 80.61 μg/m2h, 17.76 μg/m2h의 방출속도를 갖는 것으로 확인되었다.
- 또한 dl-Limonene의 방출속도가 50.21 μg/m2h로 나타나 도료자체에서 방출 되는 속도 보다 약 30% 많은 방출속도를 나타내었다.
- 도료 C1은 천연도료로써 기존 연구에서 낮은 VOC 방출특성을 나타내었다(박 외 2015). 또한, 본 실험의 결과에서 나타나듯이 소나무에서 방출되는 VOC의 많은 부분을 C1 도료가 막는 것을 확인하였다. 이것은 추후 문제가 될 수 있는 TVOC 문제를 고려했을 때 장점으로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 7 μg/m2h로 TVOC 중 66%를 차지하는 것으로 나타났다. 반면 varnish 제품인 V2를 pine에 도장한 V2/pine은 pine으로부터 방출되는 NVOCs는 차단하고, 도료 자체에서 유해 VOC인 toluene, xylene, ethylbenzene 등을 다량 방출하는 것으로 확인되었다. 목조주택의 실내공기 중 유해 VOC의 농도가 높게 검출되는 이유는 V2과 같이 도료에서 유해 VOC가 다량으로 방출되는 도료를 이용하여 내부를 도장했기 때문으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 실내에서 목제품을 사용하는데 있어서 도장재료의 영향이 상당하며, 도료의 선택이 무엇보다 중요하다는 것을 확인하였다. 또한 본 연구에서 사용된 시험편에 대한 장기간 VOC 방출 특성에 대한 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.
- 실험 전 챔버 내 배경농도를 측정하여 개별 VOC 5 μg/m3, TVOC 20 μg/m3 이하인 것을 확인하였다.
- 천연도료인 C1, W3과 수성스테인인 W1은 도료 자체에서 유해 VOC는 거의 방출하지 않는 것으로 나타났으나, 소나무 판재에 도장한 이후 소나무로부터 방출되는 NVOCs의 방출을 차폐하여 도장하지 않은 소나무 판재와 비교하여 18%~28%의 NVOCs만 방출하는 것으로 확인되었다. 목조주택의 내장 목재 도장 시 이러한 도료를 이용한다면 목조주택의 실내공기 중 유해 VOC는 저감하고 일정한 농도의 NVOC를 이용할 수 있음으로써 목조주택의 실내공기질 개선이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 8 μg/m2h로 약 32%를 차지하였다. Pine으로부터 방출되는 VOC는 NVOC가 대부분인 것으로 나타났지만 본 연구에서 사용된 표준물질로 동정되지 않은 OVOC도 32% 정도로 나타나 보다 정확한 VOC 분석을 위해서는 보다 많은 표준물질의 확보가 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구를 통해 실내에서 목제품을 사용하는데 있어서 도장재료의 영향이 상당하며, 도료의 선택이 무엇보다 중요하다는 것을 확인하였다. 또한 본 연구에서 사용된 시험편에 대한 장기간 VOC 방출 특성에 대한 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.
- 은 도료 자체에서 유해 VOC는 거의 방출하지 않는 것으로 나타났으나, 소나무 판재에 도장한 이후 소나무로부터 방출되는 NVOCs의 방출을 차폐하여 도장하지 않은 소나무 판재와 비교하여 18%~28%의 NVOCs만 방출하는 것으로 확인되었다. 목조주택의 내장 목재 도장 시 이러한 도료를 이용한다면 목조주택의 실내공기 중 유해 VOC는 저감하고 일정한 농도의 NVOC를 이용할 수 있음으로써 목조주택의 실내공기질 개선이 가능할 것으로 판단된다.
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