건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2020.3.12 Special Feature (p42~67)

경이적인 건축 재료, 설계자에게 화제
건축의 가능성을 확대하는 유망 소재

건축 재료가 새로운 시대를 맞이하고 있다. 구조 및 디자인의 가능성을 비약적으로 확대하거나 주택의 성(省)에너지 및 폐기물의 삭감을 강력히 지지하는 등, 건설회사나 주택 제조업체가 이업종의 대기업 및 기술이 뛰어난 벤처 기업 등과 손잡고 개발을 추진하고 있는 것이다. 상식을 뛰어 넘는 신소재들 중에서 당신이라면 무엇을 사용할 것인가?

1. 철∙나무, RC가 ‘초(超)’진화
현격하게 뛰어난 성능으로 건축의 한계 돌파

건축의 구조 부재에 사용되는 철이나 나무, 철근 콘크리트가 놀라울 정도로 진화를 이뤄내고 있다. 건설회사 및 소재 제조업체, 연구 기관이 한 팀이 되어 개발 및 적용을 추진하고 있다. 이종소재와의 배합 및 해석 기술의 구사를 통해 고전적인 건축 재료의 가능성이 크게 확대될 전망이다.

《화제의 재료도감 ①》
▶ Fe-Mn-Si계 내(耐)피로 합금
→ 기존의 강철재의 약 10배인 피로 수명을 가진 합금, 다케나카고무텐(竹中工務店) 등이 2006년부터 제진 댐퍼용으로 개발해왔다. Fe-15Mn-4Si-10Cr-8Ni로 표기한다. 망간을 15%, 규소를 4%, 크롬을 10%, 니켈을 8% 포함하고 있다.

■ 시미즈(清水)건설, NIMS, 아와지(淡路)마테리아
10배의 피로 내구성을 실현

장주기 지진동 및 대지진의 연속 발생에 대비하기 위해서는 강재 댐퍼가 아닌, 점성 댐퍼나 오일 댐퍼를 이용하는 경우가 많다. 심재에 변형을 집중시키는 강재 댐퍼는 금속 피로로 손상되기 쉬우며, 반복되는 흔들림에 대응하기 어렵기 때문이다. 한편으로는 점성 댐퍼 등 보다 저렴하며 강성 및 하중을 견디는 성능이 뛰어나다는 이점도 있다.

금속 피로에 강한 강재 댐퍼를 개발하기 위해 나케나카고무텐과 물질∙재료연구기구(NIMS), 아와지마테리아(효고 현)가 10년 이상 걸려 제작한 것이 기존 강재의 약 10배의 피로 내구성을 가진 ‘Fe-Mn-Si계 내(耐)피로 합금’을 심재에 이용한 제진 댐퍼이다. 2019년 8월말에 오픈한 아이치(愛知) 현 국제전시장에 최초로 적용되었다.

구조 설계를 담당한 다케나카고무텐 나고야지점 설계부구조 1그룹의 우메무라(梅村) 부부장은 “구조 설계자에게 있어서 꿈같은 소재이다”라고 말한다.

-- 형상기억 합금과 닮아 있다 --
-- 전용의 용접 와이어도 개발 --

《화제의 재료도감 ②》
▶ AFRW
→ 집성재를 CFRP(탄소섬유강화플라스틱) 등으로 보강한 신재료로, Advanced Fiber Reinforced Wood의 약자. 목재의 강성을 높일 수 있기 때문에 기둥의 단면적을 작게 할 수 있다. 테이진(帝人)이 개발했다.

■ 테이진, 마에다(前田)건설공업, 고치(高知)대학
5m의 캔틸레버(외팔보)도 성공

도심의 목조 건축물의 기둥으로 적합한 재료가 탄생했다. 테이진이 마에다건설공업과 고치대학의 협력을 얻어 개발한 AFRW로 불리는 집성재이다. 삼나무의 집성재를 막대형의 CFRP로 보강함으로써 휘어지는 강성을 높여 단면을 작게 할 수 있다. 테이진 도쿄연구센터에 2019년 4월에 완성한 ‘MIRAILIVELY HOUSE’에 처음으로 사용했다.

테이진의 후지이(藤井) 선진설계개발부장은 “기둥 단면을 콤팩트 하게 할 수 있기 때문에 층고를 확보해야 하는 도심부의 건축물에 적합하다. 설계자에게 있어서 일반 기둥과 동일하게 취급할 수 있기 때문에 CLT(직교집성판) 공법과는 달리, 부재의 배합이나 설치 등 설계하기 쉽다”고 한다.

-- 제약이 있는 장소에 강하다 --

《화제의 재료도감 ③》
▶ 로직스 구조재
→ 시미즈건설, 홋카이도(北海道)대학이 개발하고 있는 콘크리트계 신소재. 윤리(Logic)와 차세대(Nextgeneration)에서 로직스(LogiX)라는 이름을 따왔다. 경험칙이 아닌, 시뮬레이션을 활용해 혁신적인 재료 창출을 시도했다.

■ 시미즈(清水)건설, 홋카이도대학
‘경험칙’에 의지하지 않고 재료를 개발

성공한다면 1만년의 수명을 지닌 콘크리트를 만들 수 있을지도 모른다. 시미즈건설과 홋카이도대학은 ‘로직스 구조재’로 불리는 신재료 개발을 추진하고 있다. 그 어프로치는 ‘직감이나 경험’에 의지하는 기존 콘크리트 연구와는 전혀 다르다. 시뮬레이션을 활용해 신재료를 ‘윤리적’으로 창출해낸다고 한다.

로직스 구조재는 분자 및 시멘트 페이스트, 콘크리트, 구조체와 같은 다양한 규모로 생겨나는 화학 물리 현상을 해명해, 컴퓨터 상에서 모델화. 시간과 함께 변화하는 철근 콘크리트(RC)의 성질을 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있게 한다.

-- 우주 등에서 사용할 수 있는 재료도 --

2. 보급 전야의 CFRP
탄소 섬유가 공법을 혁신한다

고마쓰마테레의 ‘CABKOMA Strand Rod’가 2019년 11월에 JIS화되었다. 건축 분야에서의 CFRP(탄소섬유강화플라스틱)의 보급에 속도가 붙고 있다. 보강재로서가 아니라, 주요 구조부에 적용하는 시도도 활발해지고 있다.

《화제의 재료도감 ④》
▶ CFRP
→ 탄소섬유를 수지로 강화시킨 소재로, Carbon Fiber Reinforced Plastic의 약자. 비중은 철의 4분의 1. 비강도(比强度)는 철의 10배나 된다. 열을 가하면 연화되며 냉각시키면 강화되는 열가소성 수지를 이용한 재료 개발이 추진되고 있다.

군마(群馬) 현 후쿠오카(福岡) 시에서 2019년 9월 5일에 오픈한 ‘오캇데 시장’은 시의 주요 경관 건축물인 ‘후쿠오카 창고’를 내진 개수해 재탄생 시킨 점포이다.

이 점포의 특징은 구조 계획이다. 목조 단층집의 건물 내에 라면 구조를 넣은 이미지이다. 땅 속에 견고한 기초 대들보를 신설해 실내 안에 100㎜각도의 철골 무크재의 기둥을 세워, 대들보 간에는 브레이스로 CFRP Rod를 ‘실뜨기’처럼 둘러쳤다.  

브레이스에 이용한 직경 9㎜의 CFRP Rod는 소재 제조업체인 고마쓰 마테레(이시카와 현)와 가나자와(金沢)공업대학 혁신복합재료 연구개발센터가 공동으로 개발한 CABKOMA Strand Rod. 탄소섬유의 심을 유리섬유로 피복해 선재(線材)로 만들어 7가닥을 합쳐 열가소성 수지를 합침 시킨 제품이다.

비중이 철의 4분의 1로 가벼우며 감은 상태로 반입할 수 있기 때문에 철골 브레이스에 비해 시공성이 뛰어나다. 잡아당기는 것에 강하며 동일한 강도인 철보다도 직경을 작게 만들 수 있다. 휘어짐이 적으며, 내식성∙내구성이 뛰어나 야외에서도 이용하기 쉽다.

-- 첫 JIS화로 보급이 탄력을 받다 --
-- 가벼운 대들보로 증개축을 쉽게 --
-- 가벼움을 활용해 방진 바닥에도 --
-- 일체 성형의 패널로 고속 시공 --

3. 차원이 다른 단열 전쟁
3중유리를 뛰어넘는 창문이 폭증

‘무겁다’ ‘두껍다’와 같은 3중유리의 약점을 극복한 신기술이 등장했다. 복층 유리에 에어로겔을 끼워 넣거나 타 분야의 기술을 전용해 진공단열유리를 제조하거나 한다. 성(省)에너지 주택으로의 관심이 고조되고 있는 가운데, 고 단열창의 시장을 둘러싼 경쟁이 치열해질 전망이다.

《화제의 재료도감 ⑤》
▶ 에어로겔
→ 에어로겔은 '얼음 연기(frozen smoke)’ 등으로 표현되는 다공성 물질로서, 높은 단열성을 자랑한다. 주택 및 자동차의 단열재, 의류 등 용도는 폭넓다. 티엠팩토리가 투명한 판상의 에어로겔을 주택 창에 탑재하려 하고 있다.

■ 티엠팩토리(Tiem factory)
최강 단열재 ‘에어로겔’

무게는 1㎤당 0.11g. 마치 공기를 들고 있는 것과 같은 느낌 ---. 소재 벤처기업인 티엠팩토리(도쿄)가 개발하고 있는 에어로겔 ‘SUFA’가 주택의 창에 단열재로서 탑재될 날이 머지않았다.

《화제의 재료도감 ⑥》
▶ 진공 단열 유리
→ 2매의 유리 사이를 진공으로하여 단열 성능을 높인 복층 유리. 일본판초자가 20년전, 세계에서 처음으로 발매. 파나소닉은 2017년에 참여를 발표, AGC와 공동으로 구주시장을 공략. 

■ 파나소닉
‘플라즈마’ 기술로 진공을 유지

3중유리의 또 다른 유력한 대항마가 있다. 파나소닉의 진공단열유리인 ‘Glavenir’이다. 진공 단열유리라고 하면 일본이타글라스(日本板硝子)의 ‘스페시아’의 독주했으나, 2017년에 파나소닉이 뛰어들었다.

플로우트 유리를 이용한 파나소닉의 진공단열유리(고내열형)는 두께 6.1㎜로 열관류율 0.7W/m²K를 자랑한다. 마주보는 2장의 유리(1장은 Low-E유리) 주위를 봉착재로 밀폐해 내부를 진공으로 만들었다. 진공층의 두께는 0.1㎜다.

진공층에는 유리가 밀착하지 않도록 ‘필러’로 불리는 작은 기둥을 배치한다. 진공을 유지하기 위해 유리가 오랜 시간에 걸쳐 발생하는 가스를 제거하는 흡착재도 부착한다.

파나소닉은 2017년에 플로우트 유리를 이용한 제품을 발표. 2019년 4월에는 협력 업체인 AGC가 유럽의 주택시장용으로 생산을 개시했다. 또한 2019년 12월에는 필러를 투명하게 만들어 외관을 좋게 만든 개량품과 강화유리를 이용한 신제품을 발표했다. 모두 2020년 안에 발매될 예정이다.

-- 제조는 ‘다면취(多面取)’의 발상으로 --

4. 유리에 의외의 대항마
빛을 통해 축열(蓄熱)도 가능한 ‘투명 목재’

목재의 세포벽의 주요 성분인 셀룰로오스, 헤미세룰로오스, 리그닌. 그 중 리그닌은 적외선 등의 빛을 호흡해 색이 변하는 성질로 알려져 있다.

스웨덴의 왕립공과대학(KTH)의 Berglund 교수 팀이 2016년에 발표한 ‘투명한 목재(Transparent Wood)’는 발사재로부터 리그닌을 화학 처리해 제거하고 그 대신, 빛의 산란을 억제하는 아크릴을 합침 해 만드는 새로운 건축 재료이다.

《화제의 재료도감 ⑦》
▶ 투명한 목재(Transparent Wood)
→ 목재에서 세포벽의 주요 성분인 리그닌을 제거해 폴리머(중합체)를 합침시켜 만든다. 목재 유래의 재료이면서, 85%의 투과율을 갖고 있다. 현재로서는 투명도를 유지하면서 두께를 1cm이상 만드는 것은 어렵지만, 개발이 진행된다면 자연광을 통과시키는 특징을 활용해 건물의 창 등에 사용할 가능성이 있다.

-- 축열∙방열로 실온을 일정하게 --
-- 인테리어에 적용하는 것을 목표로 --

5. 여기까지 온 CNF의 활용
식물성 나노 섬유로 강도 UP

셀룰로오스 나노파이버(CNF)를 수지 등에 섞으면 강도를 높이는 효과를 기대할 수 있다. 원료를 줄여도 같거나 그 이상의 강도를 얻을 수 있기 때문에 건축재료의 박육화(薄肉化)∙경량화가 가능하다. 도료 및 수지 새시(Sash) 외에도 콘크리트 등에 적용하는 것을 목표로 연구가 진행되고 있다.

《화제의 재료도감 ⑧》
▶ 셀룰로오스 나노파이버
→ 약칭 CNF. 목재 등의 세포벽을 나노 오더(10억분의 1m)까지 풀어서 얻게 되는 섬유. 무게는 철의 5분의 1로, 강도는 철의 5배로, 표면적이 크며 열에 의한 변형은 유리섬유의 약 50분의 1이다. 보강 섬유로서 연구 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

가고시마(鹿児島) 현 사쓰마센다이(薩摩川内) 시의 집합주택을 무대로, CNF에 의한 도료 및 새시의 기능 향상에 주력하고 있는 것이 닛켄(日建)하우징시스템 등이다. 환경성의 ‘셀룰로오스 나노파이버 활용 제품의 성능평가사업 위탁업무’를 수탁해, LIXIL 및 현지기업의 다지마(田島)기술, 가고시마대학 등과 ‘CNF 건자재’ 개발을 추진하고 있다.

-- 내구성을 높여 LCC 삭감 --
-- 목재 초고층에서도 활약의 장으로 --

6. 차세대 친환경 소재
‘서큘러 이코노미’를 노린다

폐기물을 자원으로 인식해 순환시키는 서큘러 이코노미(순환경제)가 주목 받고 있다. 기후변동 및 폐플라스틱에 의한 해양오염 문제 등을 해결하고자, 건축 분야에서의 활약도 시작되었다. SDG_S 및 ESG 투자의 존재감이 커지고 있는 가운데, 차세대의 환경 배려형 소재는 커다란 시장으로 성장할 가능성이 있다.

《화제의 재료도감 ⑨》
▶ 보태니컬(Botanical) 콘크리트
→ 콘크리이트의 잔해나 폐목재를 분쇄해 혼합하여 물을 첨가해 가열하면서 압축, 성형해 만드는 신소재. 나무 종류 및 그 혼합 비율을 바꿈으로써 다양한 느낌을 만들어 낸다. 타일이나 보도용 블록 등으로의 적용이 예상되고 있다.

대량 생산∙대량 소비로부터 탈피해, 기존에는 폐기물로 치부하던 ‘자원’을 회수해 재이용하거나, 지금껏 활용하지 않았던 자원을 효율적으로 사용하는 등의 순환경제가 폐플라스틱에 의한 해양 오염 문제 등을 배경으로 주목 받고 있다.

대형 컨설팅회사인 엑센츄어는 순환경제를 세계에서 실천함으로써 ‘낭비’를 ‘부(富)’로 바꿀 경우, 2030년까지 4조 5,000억달러(약 500조엔)의 경제 효과를 창출해 낼 수 있다고 분석한다.

공사에 따른 대량의 폐기물을 배출하는 건설업계에서도 순환경제의 실천을 향한 노력이 시작되고 있다.

■ 도쿄대학, BIOAPATITE
‘잔해’도 훌륭한 자원

콘크리트 잔해나 폐기물로부터 타일이나 건설자재 등을 창출해내는 기술을 도쿄대학 생산기술연구소의 사카이(酒井) 강사와 BIOAPATITE가 개발해 2월 6일에 실물을 공개했다. 그 이름도 보태니컬(Botanical) 콘크리트. 콘크리트 잔해의 용도 확대 및 고부가 가치화, 식물성 자원의 활용을 목표로 한다.

보태니컬 콘크리트는 콘크리트의 잔해와 폐목재를 분쇄 및 혼합하여 물을 추가해 가열하면서 압축∙성형해서 만든다. 가열함으로써 목재의 주성분인 ‘리그닌’이 녹아내려 접착제와 같은 역할을 한다.

혼합하는 나무 종류의 리그닌 함유율이 높을수록 휘어지는 강도가 높아지는 경향이 있다. 가장 강도가 낮은 대나무를 이용한 보태니컬 콘크리트의 경우에도 일반 포장용 콘크리트의 휘는 강도인 5MPa의 5배 이상이다.

-- 제조 시 시멘트가 필요 없다 --
-- 타일 등의 실용화를 목표로 한다 --

■ TBM
석탄석으로부터 건축재료를 만들어낸다

《화제의 재료도감 ⑩》
▶ 라이멕스(LIMEX)
→ 매장량이 많고 저렴한 석탄석(탄산칼슘)에 열가소성 수지를 섞어서 만드는 신소재. 종이나 플라스틱의 대체 재료로서 주목을 받아, 소프트뱅크 및 요시노야(吉野家) 등 많은 유명 기업이 채택하고 있다.

수자원 문제 및 폐플라스틱 문제의 해결에 도움이 되는 것으로 주목을 받고 있는 신소재가 있다. 2011년에 설립한 소재 벤처기업인 TBM(도쿄)가 제조 및 판매하는 라이멕스가 그 주인공이다.

라이멕스는 석탄석의 주성분인 탄산칼슘 등의 무기물을 50%이상 함유하고 있는 소재. 폴리프로필렌 등의 열가소성 수지와 탄산칼슘을 가열하면서 섞어 제조한다.

TBM 개발∙생산본부의 미즈노(水野) 개발본부장은 “일반적으로 수지의 양이 적을수록 강도는 떨어진다. 그것을 가능한 떨어뜨리지 않고 무기물의 함유량을 높이는 것에 기술적인 혁신성이 있다”라고 설명한다.

단가가 낮은 석탄석이 원료이므로 저렴하게 제공할 수 있는 것이 강점이다. 종이나 플라스틱의 대체 재료로서 명함이나 레스토랑의 메뉴판, 비닐봉지, 식기 등 다양한 용도로서 실제로 사용되기 시작했다.

라이멕스의 새로운 적용 대상은 주택∙건축 분야이다. 이미 라이멕스를 벌집구조로 가공해 가벼움과 강도를 양립시킨 보드 등을 시작(試作)한 상태이다.

-- 순환 모델의 확립에 주력 --

 -- 끝 --

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