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신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2018(30)-제4장 생활안전을 위한 소재기술-주택용 소음 흡수 차폐 소재기술(1)-김용희(한국건설생활환경시험연구원) - 삶의 질 향상, ‘음 환경’ 수요 급증
  • 기사등록 2021-01-19 17:26:38
  • 수정 2021-01-19 17:29:57
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재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

삶의 질 향상, ‘음 환경’ 수요 급증


■ 기술의 정의 및 분류


사람이 들어가 살 수 있게 만든 건물을 ‘주택’이라 정의하고 있기 때문에, 주택에서는 재실자에게 안락하고 쾌적한 환경을 최우선으로 제공할 필요가 있다. 음환경 측면에서는 건물 외부나 내부에서 발생하여 재실자에게 전달되는 소음을 참을 수 있는 한도 이하로 줄이는 것이 이에 해당한다. 최소한의 소음 한도는 미세먼지와 같은 환경기준 중의 하나로 환경정책기본법에 규정되어 있고, 이를 기준으로 교통 소음이나 공사장 소음 등이 주거지역에 미치는 위해성을 판단할 수 있다.


다음의 그림은 건물에 영향을 줄 수 있는 일반적인 실내·외 소음원을 나타낸 것이다. 외부에서는 도로/철도/항공기 등의 교통소음과 놀이터/야외공연장/확성기와 같은 소음이 전달될 수 있다. 실내에서도 공조기계/냉난방/급배수 설비소음과 더불어 아이들이 뛰어다니는 층간소음과 옆집의 TV/오디오/대화소리가 전달되는 벽간소음 등이 문제가 될 수 있다.


실·내외에서 발생하는 소음에 대해 정온한 주거 환경 구축을 위해 사용되는 모든 기능성 건축자재를 제조하고 시공하는 것을 주택용 소음 흡수 차폐 소재기술이라고 할 수 있다. 포괄적으로는 구조체 진동 저감 및 외부 소음 저감을 위한 구조체 설계 및 배치 기술에서부터, 세부적으로는 반사음을 흡수하는 실내 마감재 제조 및 시공 기술을 지칭할 수 있다. 음향적인 목적에 따라 주택용 소음 흡수 차폐 소재기술을 다음과 같이 구분하여 각 세부기술에 대해 고찰해 보고자 한다.


1) 바닥충격음 저감 소재 기술


아파트와 같은 공동주택에서는 층간소음이 가장 큰 환경민원 중의 하나이다. 특히 아이들이 뛰어다니면서 발생하는 중량충격음은 구조체를 통해 전달되기 때문에 소재 단위에서 제어하기 어려운 상황이다. 단독주택은 옆집과 별도의 건물로 분리되어 있어 소음과 관련된 문제가 크지 않지만, 우리나라 주거형태의 75% 이상을 차지하고 있는 공동주택은 하나의 건물 내에서 여러 세대가 상하 또는 측면에 인접하여 소음 문제가 매우 심각한 상황이다. 특히 층간소음으로 인한 살인과 같은 심각한 사회문제가 끊이지 않고 있기 때문에, 우리나라의 관련 규제 및 연구는 층간소음 저감재 개발에 집중되어 있는 상황이다. 우리나라는 바닥 난방을 위해 온돌층의 뜬바닥(floating floor) 구조를 사용하고 있어서 구조체와 뜬바닥 사이에 층간소음 저감을 위한 완충재 설계 기술이 발달되어 있다. 유럽 등에서는 신발을 신고 생활하는 문화이기 때문에 콘크리트 슬라브 위에 설치하는 카펫 등의 마감재를 이용하여 층간소음을 저감하는 경향이다. 그러나 이탈리아 및 브라질 등에서는 민을 위한 집합주택 건설이 늘어나면서, 층간소음 관련 규제를 도입하고자 하는 움직임을 보이고 있다. 본 글에서는 국내의 완충재 기술을 바탕으로 관련 규제 흐름에 대해 서술하고 한다.


2) 공기전달음 차단 소재 기술(차음재)


구조체를 통한 진동음이 아닌 공기를 매질로 하여 외부에서 전달되는 소음을 저감하는 기술이다. 예를 들어 옆집에서 들리는 TV나 대화음, 집 앞 도로의 교통소음을 저감하는 기술로서, 쉽게 표현해서 벽간소음을 저감하는 기술이다. 아파트에서 인접 세대와 공유하고 있는 세대 간 경계벽은 국토교통부 고시를 통해 소재의 적합성을 인정하는 제도를 시행하고 있다. 경계벽 외에도 외부와 접하는 거실의 창문과 현관 출입문, 내부 칸막이벽 등이 차음성능이 확보되어야 하는 분야이다. 일반적으로 차음재라고 하면 공기전달음 차단 소재를 지칭하며, 높은 소음이 발생되는 설비, 기계 등의 외부에0 추가로 설치하여 재실자에게 미치는 소음의 영향을 저감시킬 필요가 있다.


3) 실내 반사음 제어 소재 기술(흡음재, 음향확산재)


일반적으로 ‘흡음(sound absorption)’과 ‘차음(sound insulation)’이 유사한 개념으로 혼용되고 있으나, 흡음재는 실내에서 발생하는 반사음을 흡수하여 공간이 덜 울리도록 만드는 소재이다. 공연장과 같이 거대한 악기처럼 거동하는 공간의 울림을 제어를 위해 주로 사용되며, 주택에서도 가구, 카펫 등이 흡음 역할을 하고 있다. 사무실이나 회의실에서도 대화음을 보다 명료하게 듣기 위해 적절한 성능의 흡음재를 활용할 필요가 있다. 한편, 최근에는 원치 않는 반사음을 흡수(흡음)하는 것에서 그치지 않고, 표면을 비정형으로 설계하여 공간 내에서 반사음이 고르게 분포하도록 만드는 음향확산재를 설계하고 시공하는 기술이 많이 개발되고 있다.


4) 기타 설비소음 관련 소재 기술


설비는 건물이라는 몸에 흐르는 혈관과 같은 것으로, 재실자에게 편안한 환경을 제공하기 위해 필수 불가결한 장치이다. 특히, 공동주택에서는 위생을 위한 급·배수 설비뿐만 아니라, 냉난방설비, 환기장치, 엘리베이터 등이 이에 해당한다. 하지만, 침실이나 거실에서 재실자가 조용히 쉬고 있을 때는 배경소음이 매우 낮기 때문에, 설비를 통해 발생하는 소음이 물리적으로 크지 않다고 하더라도 매우 거슬리고 시끄럽게 느낄 수 있다. 이에 따라 설비 작동에 따라 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 기술에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.


■ 기술의 원리


세부 소재기술에 대해 일반적인 저감 원리를 설명하면 다음과 같다.


1) 바닥충격음 저감 소재 기술


바닥충격음은 윗집 등에서 발생한 소음원으로 벽체와 슬래브가 진동하여, 하부세대에 소음으로 전파된다. 바닥충격음의 소음원은 특성에 따라 경량충격음과 중량충격음으로 구분할 수 있다.


경량충격음은 하이힐 등의 구두에 의한 보행이나 가볍고 딱딱한 물체가 낙하할 때 발생하는 상대적인 고주파수 대역의 소음을 의미하며, 독일에서 개발된 태핑머신(tapping machine)을 이용하여 소재의 저감성능을 평가한다. 중량충격음은 신발을 벗고 있는 어른의 보행이나 어린이가 뛰는 행위에 의해 발생하는 저주파수 대역의 소음을 의미하며, 지속시간은 짧지만 충격력이 크고 재실자에게 미치는 거슬림이 경량충격음보다 더 큰 특징이 있다. 중량충격음의 평가시 일본에서 개발한 뱅머신(bang machine)과 고무공충격원(rubber ball)을 이용하며, 현재 국내 법규에서는 뱅머신만을 이용하도록 강제하고 있다.



층간 소음 문제 심각, 거주자 갈등 해결 숙제

주택용 소음 차폐, 구조체·소재 통합 고려 必



우리나라 공동주택의 일반적인 바닥구성층은 앞의 그림과 같다. 현재 최소 바닥 슬래브 두께는 210㎜이며, 그 위에 완충재가 일반적으로 30㎜ 내외로 시공되고, 평편한 바닥 단열층을 온돌 하부에 만들기 위해 저렴한 경량기포 콘크리트를 약 40㎜ 두께로 타설하고, 온수파이프를 배설한 뒤 두께 40㎜ 정도로 마감몰탈을 시공하여 온돌층을 구성하고 있다. 표면의 PVC계열의 장판이나 마루는 두께가 얇기 때문에 경량충격음 저감에 효과적이며, 두께 30㎜ 이상의 바닥매트를 어린이가 뛰어다니는데 설치하여 중량충격음을 일부 저감할 수 있다.


바닥충격음 저감기술은 충격원 특성에 따라 상이한 부분이 있으며, 구조체와 소재를 통합적으로 고려해야 하므로 저감기술 개발에 어려움이 있다. 구조적인 측면에서 중량충격음 저감을 위해 콘크리트 바닥 슬래브를 중량화/고강성화시키거나, 장방형 보다는 직방형으로 평면을 구성하고, 벽식 구조보다는 라멘/철골 등의 기둥식 구조를 사용하는 것이 유리하다. 완충재를 삽입하는 것은 상부에서 발생하는 충격음을 구조체에 전달되지 않도록 차단하는 것으로서, 뜬바닥 공법이라고 부른다. 다음의 그림과 같이 일반적으로 완충재는 중·고주파수 대역의 충격음 저감에는 효과적이나, 저주파수 대역인 중량충격음 저감에는 크게 유리하지 않으며, 일부에서는 오히려 저주파수 대역에서 증폭이 있어 완충재가 설치되는 구조체 특징에 따라 물성을 설계할 필요가 있다.


2) 공기전달음 차단 소재 기술(차음재)


공기전달음 차단성능은 투과손실(transmission loss) 또는 음향감쇠계수(sound reduction index)로 평가하며, 소음원이 있는 공간에서 발생한 입사음의 인텐시티 레벨(intensity level)과 경계벽인 차음재를 통과한 뒤 재실자가 있는 수음실의 투과음의 인텐시티 레벨간의 차이로 계산할 수 있다. 차음성능은 투과손실이 높을수록 우수한 소재라 할 수 있으며, 소음원의 주파수 특성에 따라 이에 적합한 주파수 특성을 갖는 차음재를 적용할 필요가 있다.


다공질형 흡음재와 같이 흡음성능은 높지만, 차음성능은 낮은 소재도 있다. 일반적으로 단일 소재로 구성된 차음재는 단위면적당의 질량(면밀도)이 높고 강성이 낮을수록 차음성능이 높은 특성이 있다(질량법칙). 다음의 그림은 일반적인 차음벽의 주파수 대역별 차음성능 그래프를 나타내었다. 복합 소재의 차음벽인 경우에도 중주파수 대역은 질량제어 구역으로 옥타브 대역이 높아질수록 약 6dB이 증가하는 특성을 보이고, 저주파수 대역은 강성제어 구역으로 옥타브 대역이 높아질수록 약 6dB이 감소하는 특성을 보인다. 고주파수 대역에서는 특정 주파수 대역에서 재료의 공진 특성에 따라 차음성능이 현저하게 저감되는 일치 효과(coincidence effect)가 나타나며, 이 부분은 재료의 감쇠도(damping)가 높을수록 일치 효과가 작아지게 된다. 복합 소재를 구성하는 것은 내부 중공층 삽입이나 흡음재 충진 등을 통해 단일 소재로 구성하는 것에 비해 더 얇은 두께 내에서 차음성능을 우수하게 설계할 수 있다.


3) 실내 반사음 제어 소재 기술(흡음재, 음향확산재)


다음 그림은 벽체 형태의 소재에 대한 차음과 흡음의 거동 차이를 개략도로 나타내고 있다. 차음은 벽체를 투과되는 에너지량을 평가하지만, 흡음은 입사된 에너지가 표면을 맞고 반사되는 비율을 측정하여 1에 대한 역수로 평가한다. 따라서 차음은 dB 단위의 소리의 크기로 성능이 평가되며, 흡음은 측정량을 측정면적으로 나눠서 무차원수인 흡음율(흡음계수)로 평가된다. 흡음의 원리는 음에너지가 소재를 통과하여 반사되지 않거나, 공명(resonance)에 의해 특정 주파수 대역이 손실되거나, 소재 내부의 기공에 의해 열에너지로 변환되는 것 등을 들 수 있다. 이런 흡음 원리에 따라 흡음재는 다공질형, 판진동형, 공명기형, 다중타공형, 가변형 등으로 구분할 수 있다.


다공질형 흡음재는 표면의 미세한 기공에 의해 입사된 음에너지가 마찰 열료 변환되어 흡음되며, 중·고주파수 대역에서 높은 흡음효과가 있고, 두께가 두꺼워질수록 저주파수 대역의 흡음성능이 높아지는 경향이 있다. 판진동형 흡음재는 합판, 석고보드 등의 판재료를 고정단으로 구성하여, 판의 공진에 의해 저주파수 대역만을 흡음하는 특수한 구조라 할 수 있다. 공명기형 흡음재는 항아리 모양과 같이 특정 주파수 대역에 대응하는 헬름홀쯔(Helmholtz) 공명기를 이용하는 것으로, 내부에 다공질형 소재를 충진하면 흡음성능이 보다 좋아진다. 다중타공형 흡음재는 상기 다공질형, 판진동형 및 공명기형의 흡음원리가 복합적으로 적용된 형식으로 설계에 따라 전주파수 대역에서 고른 흡음성능을 구현할 수 있다. 가변 흡음재는 특수 목적에 따라 회전판 등을 이용하여 흡음면을 반사면으로 전환할 수 있는 재료이다.


4) 기타 설비소음 관련 소재 기술


설비기기 자체의 설비에서 발생하는 소음 및 진동이 실내공간에 전달되지 않도록 각 설비 종류에 따라 다양한 저감 기술이 있다. 엔진이나 발전기와 같이 강한 진동음이 발생하는 기기의 경우, 내부 흡음재 설치를 통해 소리의 증폭을 억제하고, 바닥에는 제진 마운트를 배치하여 건물로 전달되는 진동음을 제어하고 있다. 고소음이 발생하는 기계설비의 경우, 별도의 기계실로 구획하여 고차음 벽체로 소음이 외부로 전파되는 것을 방지한다. 별도의 기계실로 구분하기 어렵거나, 기계설비 주위에 상주인력이 있는 경우, 기계별로 방음덮개(enclosure) 또는 방음파티션(partition) 등을 추가로 설계하여 작업자에게 소음의 영향을 최소화할 필요가 있다. 덕트와 같이 공기 유동과 관련된 설비는 공조량이 많아질수록 증가된 팬소음이 덕트 내부로 전파되기 때문에, 저소음 팬을 이용하거나, 덕트 내부에 흡음 라이닝(lining) 처리, 외부에 차음 시트 부착, 취출구에 저소음 디퓨저 등을 배치해 소음을 저감하고 있다. 전문공연장의 경우, 하부에 대형 플레넘 공간을 배치하여 저속치환 방식으로 소음의 전달을 최소화할 수도 있다.


공동주택에서는 급배수 설비와 엘리베이터 설비 소음 문제가 있으며, 모두 소음도는 상대적으로 크지 않지만, 주로 야간에 배경소음이 매우 낮을 때 침실 또는 화장실에서 소음이 인지되면서 문제가 발생한다. 엘리베이터 소음의 경우, 평면 배치 설계를 통해 침실과 최대한 이격시키거나, 구조용 H빔을 주거세대에 배치하지 않으면 쉽게 예방할 수 있다. 간혹 평면 설계를 잘못하여 엘리베이터 진동음이 침실쪽으로 전달될 수 있는데, 이때에는 진동 전달 경로가 되는 H빔에 제진 시트를 부착하여 소음을 감소시킬 수 있다. 급배수 설비에서는 주로 변기 배수음이 문제가 되며, 일반적으로 층하배관 방식으로 오수관이 하부세대 욕실의 천장 내부에 배치되기 때문에, 소음이 하부세대에 쉽게 전달될 수 있다. 층상배관 방식으로 당해층에 오수관을 배치하여 적극적으로 소음전달을 예방할 수 있으며, 기존 층하배관에서도 엘보(elbow)와 배관을 저소음 제품으로 교체하여 전달되는 소음을 저감할 수 있다.


■ 국민생활문제 해결관점에서 기술의 중요성 및 전망


국민 소득수준의 증가와 보다 나은 삶의 질을 추구하여 주거환경에서 정온한 음환경에 대한 수요는 날이 갈수록 늘어나고 있는 상황이다. 특히, 다양한 소음저감 기술의 발전으로 과거에 비해 음환경은 조용해졌지만, 이런 정온한 주거환경으로 인해 거주자의 소음에 대한 민감도는 오히려 증가하여 소음원 크기가 크지 않아도 뚜렷이 인지되기 때문에 거주자의 소음에 대한 거슬림도는 증가하고 있다. 또한, 도심지 내 인구집중화 및 교통시설의 고도화로 인해 도로 방음판으로 소음을 저감할 수 없는 초고층아파트의 증가와 도심 도로의 고속화는 보다 높은 수준의 소음진동 저감 기술의 개발을 요구하고 있다. 공동주택 형식이 대부분인 우리나라 주거환경에서 관련 기준 강화와 실제 소음저감 성능은 향상되었음에도 불구하고 층간소음으로 인한 거주자간 갈등은 여전히 해결해야할 문제로 남아 있다.


▲ <그림 3-4-1-1>건축물에 영향을 줄 수 있는 실내·외 소음원


▲ <그림 3-4-1-2>공동주택의 일반적인 콘크리트 바닥 슬래브 구성


▲ <그림 3-4-1-3>뜬바닥구조의 완충재 삽입에 따른 바닥충격음 저감효과


▲ <그림 3-4-1-4>일반적인 차음벽의 주파수 대역에 따른 차음성능 특성


▲ <그림 3-4-1-5>실내 음원이 소재표면에 입사 후 반사와 투과되는 거동의 개략도


▲ <그림 3-4-1-6>기계설비의 바닥에 설치되는 방진 마운트 사례


▲ <그림 3-4-1-7>층하배관과 층상배관 사례



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