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단열재

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목차

1. 개요

단열재는 열의 이동을 막아 열 손실을 줄이는 데 사용되는 재료이다. 열전도율이 낮은 재료를 사용하여 단열이 이루어지며, 열전도율은 재료, 온도, 압력에 따라 달라진다. 단열은 열전도율이 낮고 두께가 큰 재료로 물체를 감싸는 방식으로 이루어지며, 다층 단열재는 복사 손실이 지배적이거나 부피와 무게가 제한될 때 사용된다. 단열재는 섬유계, 발포계, 기타 단열재 등으로 분류되며, 건물, 의류, 기계 시스템, 냉장고, 우주선, 자동차 등 다양한 분야에서 활용된다. 단열 시공은 틈새 없이 꼼꼼하게 하는 것이 중요하며, 열전도율, 표면 방사율, 두께, 밀도 등이 단열 성능에 영향을 미친다. 최근에는 환경 문제와 건강 문제, 시공 및 유지보수 측면에서 개선해야 할 과제들이 존재한다.

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단열재
단열
정의열 전달을 최소화하는 것
기능
주요 목적열 흐름을 제한하여 온도 균형을 유지하고, 에너지 효율을 높임
방법열전도, 대류, 복사 등의 열 전달 메커니즘을 차단하거나 줄임
기체, 액체, 고체 형태의 재료를 사용
사용 분야건축 (벽, 지붕, 바닥)
기계 (단열 배관)
의류 (보온 의류)
우주선, 극저온 장비
냉동 장비
자동차
단열재
주요 특성낮은 열전도율
내열성
내구성
경제성
환경 친화성
종류무기 단열재: 유리섬유, 암면, 펄라이트, 규조토 등
유기 단열재: 발포 폴리스티렌(EPS), 발포 폴리우레탄(PUR), 셀룰로스 섬유, 코르크 등
금속 단열재: 알루미늄 호일, 다층 단열재
형태판상
롤 형태
루즈필 (Loose-fill)
스프레이 형태
블랭킷
추가 특성차음 성능
내화 성능
습기 저항성
압축 강도
설치 방법벽체 충전
외단열
내단열
지붕 단열
바닥 단열
기타
열교단열이 취약한 부분
열 저항단열재의 열 전달 방지 능력
R값열 저항을 나타내는 값, 높을수록 단열 성능이 좋음
U값열 전달률을 나타내는 값, 낮을수록 단열 성능이 좋음
친환경 단열재재활용 재료 또는 식물성 원료 사용

2. 단열의 원리

단열(thermal insulation)은 전도, 대류, 복사에 의한 열 이동을 방지하는 것이며, 이를 실현하려는 것이 단열재이다. JIS에서는 "시스템으로부터의 열 이동을 감소시키는 프로세스 또는 그 기능을 수행하는 제품, 구성 또는 시스템"으로 규정하고 있다.[9] 과학 분야에서의 단열은 주로 열 이동이 없음을 의미하지만, 건축 등 공학 분야에서는 열 이동을 줄이는 것을 의미한다.

건축용 단열재는 열전도를 억제하여 단열 효과를 높인 것이 많지만, 재료 내 기포의 대류에 의한 열전달을 억제하거나 재질 표면의 반사율을 높여 열복사를 막는 단열재료(건축업계에서는 차열塗料라고 구분하기도 하지만 이 또한 단열재의 일종이다)도 있다.

단열재는 열 이동을 억제하는 저항 작용을 하는 것으로, 열 저항이 높은(열전도율이 낮은) 소재가 많이 사용된다. 기체는 분자밀도가 낮아 열전도율이 낮지만, 대류에 의한 열전달이 발생한다. 반대로 고체는 대류가 일어나지 않지만 분자밀도가 높아 열전도율이 높다(특히 금속 등의 결정질). 액체는 열전도와 대류를 일으키기 때문에 건축용 단열재로 사용되는 경우는 거의 없다(액체의 열전달 특성을 살린 히트파이프 등은 보온·단열 시스템이지만 일반적으로 단열재라고 부르지 않는다).

다층 단열재는 복사 손실이 지배적이거나 단열재의 부피와 무게가 제한될 때(예: 응급 담요, 복사 차단막) 사용된다.

진공에서는 열복사만 발생하고 열전도나 대류는 발생하지 않기 때문에, 보온병은 내층과 외층 사이를 진공에 가까운 음압으로 만든 이중 구조로 되어 있다. 이를 통해 전도와 대류에 의한 열전달을 방지하고, 진공 측 면을 거울면으로 만들어 복사를 반사함으로써 단열 효과를 높인다.

2. 1. 열전도율

열전도율 ''k''는 열전달이 일률로 측정될 때, 온도 차, 열 접촉 표면적, 재료 두께의 역수에 비례하기 때문에 와트 매 미터 켈빈(W·m−1·K−1 또는 W/mK)으로 측정된다.[9]

열전도율은 물질에 따라 달라지며, 유체의 경우 온도와 압력에도 영향을 받는다. 비교를 위해 표준 조건(1기압에서 20°C)에서의 전도도를 일반적으로 사용하며, 일부 재료의 경우 열전달 방향에 따라 열전도율이 달라질 수도 있다.

단열은 열전도율이 낮고 두께가 큰 재료로 물체를 감싸서 이루어진다.

2. 2. 단열재의 종류

단열재는 크게 섬유계, 발포계, 기타 단열재로 나눌 수 있다.

  • 섬유계 단열재: 유리 섬유를 활용한 글래스울, 암면을 활용한 록울, 셀룰로오스 파이버 등이 있다. 글래스울은 가장 저렴하며 내열성과 흡음성이 우수하다. 록울도 저렴하고 내열성과 흡음성이 좋다. 셀룰로오스 파이버는 가격이 비싸지만 내열성, 습도 조절 능력, 흡음성이 뛰어나다.
  • 발포계 단열재: 우레탄폼, 페놀폼, 폴리스티렌폼 등이 있다. 우레탄폼은 방수성이 있고 현장에서 발포 시공을 할 수 있다. 페놀폼은 내열성이 우수하다. 폴리스티렌폼은 수지 계열 중에서는 저렴하고 가벼우며 내수성이 좋다. 폴리스티렌폼은 다시 EPS (비즈법 폴리스티렌)과 XPS (압출법 폴리스티렌)으로 나뉜다. EPS는 저렴하고 기포 내부에 공기가 들어있다. XPS는 압축에 강하고 단열 가스가 충전된 제품도 있다. 발포 고무(FEF)는 방수성과 난연성이 뛰어나다.
  • 기타 단열재: 에어로겔, 흄드 실리카, 진공 단열재, 단열 페인트 등이 있다. 에어로겔은 섬유계 단열재와 복합재로 상품화되어 있으며, 가격이 다소 비싸지만 단열성과 시공성이 우수하다. 흄드 실리카는 매우 비싸지만 단열 및 내열성이 뛰어나다. 진공 단열재는 가격이 비싸지만 단열성이 매우 높다. 다만 찢어지면 단열성이 유지되지 않아 유지 및 시공에 어려움이 있다. 단열 페인트는 도막 내에 중공 비즈 등을 사용하여 열전도율을 낮춘 페인트로, 시공이 간편하다.

3. 단열재의 등급 분류 (한국 기준)

한국산업표준(KS)은 단열재의 열전도율에 따라 '가', '나', '다', '라' 네 가지 등급으로 분류한다.

3. 1. 단열재 등급 (표)

등급 분류KS M 3808, 3809 및 KS L 9102에 의한 해당 단열재 및 기타 단열재참고 사항
가
나
다
라


4. 단열의 활용

단열은 건물, 의류, 기계 시스템, 냉장고, 우주선, 자동차 등 다양한 분야에 활용된다.


  • 건물: 건물 단열은 에너지 효율을 높이고 쾌적한 실내 환경을 조성하는 데 중요한 역할을 한다. (건물 단열에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.)
  • 의류: 의류는 열전도 특성이 낮은 기체를 가두는 원리를 이용하여 단열 효과를 낸다. (의류 단열에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.)
  • 기계 시스템: 배관 단열은 에너지 손실을 줄이고 결로 현상을 방지한다. (기계 시스템 단열에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.)
  • 냉장고: 냉장고는 열펌프와 단열된 저장 공간으로 구성되어 냉기를 보존한다.[7]
  • 우주선: 스페이스 셔틀과 같은 우주선은 발사 및 대기권 재진입 시 발생하는 극한의 온도 변화를 견디기 위해 고성능 단열재가 필수적이다. 스페이스 셔틀 ''컬럼비아''호의 단열 타일 파손은 재진입 중 동체 과열 및 파괴를 일으켜 탑승 우주비행사 전원이 사망하는 원인이 되었다.[1]
  • 자동차: 내연기관에서 발생하는 열로부터 부품을 보호하고 엔진 성능을 향상시키기 위해 단열이 사용된다.[9]

4. 1. 건물 단열

건물의 적정 온도를 유지(난방 및 냉방)하는 것은 세계 에너지 소비의 상당 부분을 차지한다. 건물 단열재는 일반적으로 작은 공기층을 가두는 원리를 사용한다. 예를 들어, 유리섬유, 셀룰로오스, 암면, 폴리스티렌 폼, 우레탄 폼, 바이미큘라이트, 펄라이트, 코르크 등이 있다. 한때 석면도 사용되었지만 건강 문제를 일으켰다.[9]

창문 단열 필름은 여름철 유입되는 열복사를 줄이고 겨울철 열손실을 줄이기 위해 내후성 개선에 적용될 수 있다.

단열이 잘 된 건물은 다음과 같다.

  • 에너지 효율이 높고 겨울철에는 따뜻하게, 여름철에는 시원하게 유지하는 데 비용이 저렴하다. 에너지 효율은 탄소 발자국을 줄인다.
  • 공간 전체에 온도가 균일하여 더욱 쾌적하다. 발목 높이와 머리 높이 사이의 수직 온도차와 외벽, 천장, 창문에서 내벽까지의 수평 온도차가 줄어들어 외부 온도가 매우 춥거나 더울 때 더욱 쾌적한 거주 환경을 조성한다.


건축 분야에서는 단열재를 구조체 내측에 설치하는지, 외측에 설치하는지에 따라 내단열, 외단열로 구분된다. 과거에는 풍우에 대한 저항성이 강한 단열재가 없었기 때문에 내단열이 일반적이었지만, 외단열을 하면 구조체도 외부의 급격한 온도 변화로부터 보호되어 금속제 구조체의 결로를 피할 수 있다는 장점이 있다. 또한 구조체에 의해 단열재가 분단되지 않는다는 장점도 있으므로 단열 결손 측면에서도 유리하다. 그러나 반대로 생각하면 외단열은 구조체까지 따뜻하게(차갑게) 해야 실내 환경을 쾌적하게 할 수 있다는 단점도 있다. 따라서 내단열과 외단열은 장단점이 있으며, 건물 용도에 따라 적절히 사용해야 한다. 또한 고층 건축물에서는 단열재의 박리 등에 유의해야 한다.

표면결로를 억제하기 위해 단열을 하는 경우가 있지만, 단열에 의한 내외부 온도차로 인해 공기 중의 수분이 단열재 표면에서 내부결로되기 쉽다. 이것을 방지하기 위해서는 방습층을 단열재보다 내측에 정교하게 시공해야 한다. 내부 결로를 일으키거나 물에 젖었을 경우의 열화를 방지하기 위해 방수 가공된 단열재가 사용되기도 한다. 방습층은 단열재의 따뜻한 쪽에 부착하는 것이 일반적이다. 즉, 난방이 된 집의 경우 방습층은 따뜻한 내부와 단열재 사이에 설치된다. 또한 더운 기후 지역의 에어컨이 있는 집에서는 방습층이 외부에 있고 그 안쪽에 단열재가 있다.

현재 주택 및 건축물에는 채광을 위해 많은 창유리가 설치되어 있지만, 이는 단열성과 상반되는 요소이다. 열의 유입과 유출을 막기 위해, 열 방사를 억제하는 금속 피막이 있는 Low-E(Low-Emission) 유리 또는 필름을 사용하거나, 이중창과 같이 두 장의 유리 사이(6mm~12mm)에 건조 공기나 아르곤 가스를 채우거나, 진공층을 만들거나, 이중창을 사용하는 등 단열성을 높이는 방법들이 이용되고 있다. 유럽 일부 지역에서는 건조 공기와 아르곤 가스를 채우고 Low-E 유리를 부착한 삼중창도 사용된다. 또한, 알루미늄으로 만든 창틀도 열전달이 매우 잘 되기 때문에, 수지 또는 목재 창틀이나, 실내 쪽을 수지 또는 목재로 한 복합 창틀도 일반적이다.

4. 2. 의류 및 동물 단열

기체는 액체나 고체에 비해 열전도 특성이 떨어지므로, 기체를 가둘 수 있다면 우수한 단열재가 된다. 공기의 효율을 더욱 높이기 위해서는, 자연대류를 통해 효과적으로 열을 전달할 수 없는 작은 셀들로 분산시킬 수 있다.

인공 단열재에서 작은 기체 셀 형성을 위해 유리 및 폴리머 재료를 사용하여 거품과 같은 구조에 공기를 가둘 수 있다. 이 원리는 유리섬유, 셀룰로오스, 암면, 폴리스티렌 폼(스티로폼), 우레탄 폼, 버미큘라이트, 퍼라이트, 코르크와 같이 건축 및 배관 단열에 산업적으로 사용된다. 공기를 가두는 것은 양모, 솜털 및 플리스와 같은 모든 고단열 의류 재료의 원리이기도 하다.

공기 가두기 특성은 예를 들어 솜털과 천연 양모와 같은 단열 모발과 같이 항온동물이 따뜻하게 유지하기 위해 사용하는 단열 원리이기도 하다. 두 경우 모두 주요 단열재는 공기이며, 공기를 가두는 데 사용되는 폴리머는 천연 케라틴 단백질이다.

4. 3. 기계 시스템 단열

공간 난방 및 냉방 시스템은 배관 또는 덕트를 통해 건물 전체에 열을 분배한다. 이러한 배관을 배관 단열을 통해 단열하면 사용하지 않는 방으로의 에너지 손실을 줄이고 차가운 배관에서 결로가 발생하는 것을 방지할 수 있다.[3] 배관 단열재는 또한 급수 배관에도 사용되어 상당한 시간 동안 배관 동파를 지연하는 데 도움을 준다.[3] 기계 단열은 일반적으로 산업 및 상업 시설에 설치된다.

4. 4. 냉장고 단열

냉장고는 열펌프와 단열된 저장 공간으로 구성되어 냉기를 보존한다.[7] 단열재는 냉방·난방의 에너지 효율을 높이기 위해 건물에 사용될 뿐만 아니라, 스토브·냉장고·냉동고·온수기 등 열전달을 억제하는 것이 중요한 기구의 외함 부분 및 여러 산업 분야에도 사용된다.

4. 5. 우주선 단열

우주선은 발사 및 대기권 재진입 과정에서 발생하는 극심한 기계적, 열적 스트레스를 견뎌야 한다. 특히 대기권 재진입 시에는 공기가 압축되면서 발생하는 매우 높은 온도에 노출되므로, 우주선을 보호하기 위한 고성능 단열재가 필수적이다.[1]

스페이스 셔틀 ''컬럼비아''호의 경우, 단열 타일 손상으로 인해 재진입 중 동체가 과열되어 분리되었고, 탑승했던 우주비행사 전원이 사망하는 참사가 발생했다.[1]

따라서 우주선 단열재는 열전달을 지연시키는 특성뿐만 아니라, 매우 까다로운 물리적 특성도 만족해야 한다.[1] 스페이스 셔틀에 사용된 강화 탄소-탄소 복합재료 노즈 콘과 실리카 섬유 타일이 대표적인 우주선 단열재의 예시이다.[1] 단열 페인트도 우주선 단열에 사용되는 기술 중 하나이다.[1]

4. 6. 자동차 단열

내연기관은 연소 과정에서 많은 열을 발생시킨다. 이 열은 센서, 배터리, 시동 모터와 같이 열에 민감한 부품에 닿으면 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 배기열이 이러한 부품에 도달하는 것을 막기 위해 단열이 필요하다.[9]

고성능 자동차는 엔진 성능을 향상시키기 위해 단열을 사용하기도 한다.

5. 단열 시공 및 성능

산업 표준은 종종 수년에 걸쳐 개발된 경험칙으로, 사람들이 지불할 의향이 있는 가격, 제조 비용, 지역 기후, 전통적인 건축 관행 및 다양한 수준의 편안함 등 상충되는 여러 목표를 절충한다. 대규모 산업 응용 분야에서는 열전달 및 층 분석 모두 수행될 수 있지만, 가정용 상황(기기 및 건물 단열)에서는 기밀성이 공기 누출(강제 또는 자연 대류)로 인한 열전달 감소의 핵심이다. 일단 기밀성이 확보되면, 경험칙에 따라 단열층의 두께를 선택하는 것으로 충분한 경우가 많다. 단열층을 두 배로 늘릴 때마다 감소하는 수익이 발생한다.

일부 시스템의 경우 개선을 실현하기 위해 필요한 최소 단열 두께가 있음을 보여줄 수 있다.[8] 단열은 단열재의 열 저항 값에만 주목하기 쉽지만, 실제로는 틈 없이 시공되지 않으면 계산대로의 성능을 발휘할 수 없다.

5. 1. 단열 시공

단열재의 성능을 최대한 발휘하기 위해서는 틈새 없이 꼼꼼하게 시공하는 것이 중요하다.[8] 주택 건축에서 클래스울(Class wool), 락울(rock wool)은 일본에서는 전통적으로 목수가 시공하는 경우가 대부분이며, 틈 없이 시공할 수 있는지는 목수의 능력에 달려 있다. 또한 시공 시 타카(tacker)를 박기 쉽도록 귀가 달린 주머니에 들어 있는 제품이 일본에서는 주로 유통되고 있지만, 주머니에 들어 있는 것은 시공 후 틈을 확인하기 어렵기 때문에, 단열·기밀에 엄격한 홋카이도나 해외에서는 주머니에 들어 있는 단열재는 거의 유통되지 않는다. 수지계 단열재는 공장에서 발포시켜 보드 형태의 완제품으로 만들어 현장에서 설치하는 것과, 현장에서 발포시키면서 분사하는 것 두가지가 있다. 후자는 전문 기계가 필요하기 때문에 전문 업체에 의한 시공이 대부분이지만, 시공 방법으로서는 틈 없이 시공하기 쉽다. 그러나 이 방법은 발포 온도의 관계로 우레탄폼에만 사용할 수 있다. 셀룰로오스 파이버도 전문 업체에 의한 불어넣기 시공이 된다.

5. 2. 성능에 영향을 미치는 요인

단열 성능에는 여러 요인이 영향을 미치는데, 가장 중요한 요인은 다음과 같다.

  • 열전도율 ("k" 또는 "λ" 값): 열전도율은 재료에 따라 다르며, 유체의 경우 온도와 압력에도 영향을 받는다. 표준 조건(1기압에서 20°C)에서의 전도도를 일반적으로 사용하며, 일부 재료는 열전달 방향에 따라 열전도율이 달라지기도 한다.[3]
  • 표면 방사율 ("ε" 값)
  • 단열재 두께: 단열은 열전도율이 낮고 두께가 큰 재료로 물체를 감싸서 이루어진다. 단열된 원통의 경우, '''임계 반지름''' 두께의 단열재에 도달해야 하며, 임계 반지름에 도달하기 전에는 단열재를 추가할수록 열전달이 증가한다.[4]
  • 밀도
  • 비열
  • 열교


단열 성능에 영향을 미치는 요인은 시간이 지남에 따라 재료가 노화되거나 환경 조건이 변함에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의해야 한다.[8]

6. 한국의 단열 정책 및 동향

한국은 건물 에너지 효율을 높이기 위해 단열 기준을 지속적으로 강화해 왔다.


  • 제로에너지 건축물 의무화 정책: 2025년부터 모든 신축 건물은 제로에너지 건축물로 건설해야 한다.
  • 그린 리모델링 사업: 노후 건축물의 단열 성능 개선을 지원하는 사업이다.
  • 고성능 단열재 개발: 한국에서는 에어로겔 등 차세대 고성능 단열재 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

7. 문제점 및 과제

일부 발포 단열재에 사용되는 가스는 탄화수소계가 많지만, 이 가스는 오존층 파괴와 지구 온난화의 원인이 될 수 있어 사용이 제한되고 있다. 또한, 난연제를 섞은 발포 단열재는 재활용이 어렵다.[1] 과거에는 석면이 단열재로 자주 사용되었지만, 인체에 유해한 영향이 문제시되어 1980년대부터 사용되지 않고 있다. 그러나 기존 건축물에는 여전히 석면이 많이 사용되고 있으며, 석면 해체 및 처리는 큰 사회적 문제로 대두되고 있다.[1]

7. 1. 환경 문제

일부 발포 단열재에 사용되는 가스는 탄화수소계가 많다. 그러나 이 가스는 최근 오존층 파괴와 지구 온난화의 원인이 될 수 있다는 문제로 사용이 제한되고 있다. 또한, 난연제를 섞은 발포 단열재는 재활용하기 어렵다는 문제도 있다.[1]

과거에는 단열재로 내구성과 내화성이 뛰어난 석면이 자주 사용되었지만, 인체에 미치는 영향(건강 피해)이 문제시된 1980년대부터 사용되지 않고 있다. 다만, 기존 건축물에는 아직 석면이 많이 사용되고 있으며, 이를 해체하고 처리하는 과정 또한 큰 사회 문제가 되고 있다.[1]

7. 2. 건강 문제

과거 단열재로 내구성과 내화성이 뛰어난 석면이 자주 사용되었지만, 인체에 미치는 영향(건강 피해)이 문제시된 1980년대부터 사용되지 않고 있다.[3] 기존 건축물에는 아직 많이 이용되고 있으며, ಇದರ 해체에 따른 처리도 큰 사회 문제가 되고 있다.[3]

7. 3. 시공 및 유지보수

진공 단열재 등 일부 단열재는 시공 및 유지보수가 까다로울 수 있다. 과거에는 내구성과 내화성이 뛰어난 석면이 단열재로 자주 사용되었지만, 인체에 유해한 영향이 문제시되어 1980년대부터 사용되지 않고 있다.[1] 그러나 기존 건축물에는 여전히 석면이 많이 사용되고 있으며, 석면 해체 및 처리는 큰 사회적 문제로 대두되고 있다. (석면 항목 참조)[1]

참조

[1] 웹사이트 Thermal Break Technology - IQ Technical https://technical.iq[...] 2017-07-28
[2] 웹사이트 Choosing the Correct Insulation for Your Home https://homaphy.com/[...] 2022-12-26
[3] 웹사이트 17.2 Combined Conduction and Convection http://web.mit.edu/1[...] 2018-04-29
[4] 서적 Introduction to Heat Transfer Wiley
[5] 논문 High-performance subambient radiative cooling enabled by optically selective and thermally insulating polyethylene aerogel 2019-10-01
[6] 논문 All-Ceramic, Compressible and Scalable Nanofibrous Aerogels for Subambient Daytime Radiative Cooling https://www.scienced[...]
[7] 뉴스 Keep your fridge-freezer clean and ice-free https://web.archive.[...] BBC 2008-04-30
[8] 서적 Fundamentals of Heat and Mass Transfer https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
[9] 문서 JIS A 0202 断熱用語 - 5.5 材料、製品およびシステム用語
[10] 웹사이트 Insulation Products – Aspen Aerogels Insulation http://www.aerogel.c[...]
[11] 웹사이트 高性能、高機能真空断熱材（Panasonic） http://panasonic.co.[...]
[12] 웹사이트 サーモブロック https://www.tbvh.co.[...]
[13] 문서 KS L 9016에 의한 20±5°C 시험조건에서 열전도율
[14] 웹사이트 국토해양부고시 제2013-149호(2013.3.13.) http://m.molit.go.kr[...] 2013-03-13


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