단열

단열(斷熱, insulation)은 물체 사이에 존재하는 열의 이동을 막는 것을 의미한다.

개요

단열이란 열의 이동을 차단하는 것을 의미한다. 열은 대류 (에너지), 전도, 복사 (에너지) 등의 방법으로 전달되는데, 보온을 통해 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 열의 이동을 막기 위해 사용되는 재료를 단열재라고 한다. 일상생활에서 쓰이는 단열재는 가죽, 플라스틱, 스티로폼, 솜, 천, 나무 등이다. 주변에서 볼 수 있는 보온의 원리를 이용한 물건으로 보온병이 있다. 보온병의 마개는 열을 잘 전도시키지 않는 플라스틱이나 코르크 재질로 만든다. 보온병의 안쪽 면은 은을 입혀서 열의 복사를 막으며, 이중벽을 두고 벽과 벽 사이를 진공상태로 함으로써 열전달을 차단한다. 이로써 보온병 속 물질의 온도가 유지되는 것이다.

원리

열전도

열전도는 물체의 내부에너지가 물체 내에서 또는 접촉해 있는 다른 물체로 이동하는 것을 말하며, 줄여서 전도라고도 한다. 내부에너지란 물체를 이루고 있는 미시적인 입자(원자, 전자)들의 운동에너지와 위치에너지의 합을 말하고, 이 입자들의 불규칙한 열적 요동의 정도를 나타낸다. 이 입자들이 위치는 바뀌지 않으면서 서로의 충돌에 의해 에너지가 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 것이다. 전도는 온도의 차이에 의해 일어난다. 전도는 기체, 액체, 고체 모두에서 일어날 수 있지만, 기체나 액체는 대류와 함께 일어나는 경우가 많다. 대류가 없는 경우, 기체나 액체에서는 분자들의 충돌과 느린 확산에 의해 전도가 일어난다. 고체에서는 원자들의 진동, 자유전자의 충돌에 의해 전도가 일어난다. 기체에서는 분자들 사이가 멀어서 액체나 고체보다 충돌이 적게(약 10⁻¹⁰ s마다) 일어나므로 전도가 잘 일어나지 않는다. 따라서 기체는 좋은 단열재라 할 수 있다. 고체는 바로 인접한 원자들끼리 계속 함께 떨리고, 전자들의 충돌이 훨씬 잦아서(약 10⁻¹⁴ s마다), 전도가 잘 일어난다. 한 물체 내에서 단위시간에 전도에 의해 전달되는 열에너지의 양(ΔQ)은 온도의 차이(ΔT)에 비례한다. 그리고 열전도가 일어나는 통로의 단면적(A)에 비례하고, 열전도가 일어나는 통로의 길이(L)에 반비례한다. 이를 식으로 나타내면, ΔQ/L = k×A×ΔT/L이다. 여기서 k는 열전도도라 불리는 양이며, 물질마다 고유한 값을 갖는다. 좌변의 단위는 J/s = W이므로, 열전도도의 단위는 W/m・K이다. 일반적으로 열전도도는 온도에 따라 변한다. 물체의 크기와 모양에 따라 변하는 kA/L는 열전도율이라 부른다. 일반적으로 금속은 좋은 열전도체이다. 좋은 전도체는 전자가 쉽게 움직일 수 있어 좋은 열전도체이다. 생체 조직은 분자 결합이 고체보다 느슨해서 열전도율이 작다. 특히 지방은 근육보다 열전도율이 작아서 차가운 곳에 사는 포유류는 두꺼운 지방층을 가진다. 이중창에 사용하는 공기층은 열전도율이 작아 단열 효과가 크다.

단열재

단열재는 열이 전도되지 않게 막는 역할을 하는 소재를 말한다. 기본적으로 겨울철 실내의 따뜻한 기온이 외부로 빠져나가지 않게 유지하며 외부의 찬 기온이 실내로 침투하지 못하도록 막는 역할을 한다. 여름철에는 외부의 뜨거운 태양 복사열을 차단하여 시원한 공기가 유지될 수 있도록 하는 기능도 있다. 단열이 제대로 이뤄지지 않는다면 실내의 온도가 일정하게 유지되지 않으며 냉방비, 난방비 또한 높아질 수밖에 없다. 특히 겨울철에 차가운 실외의 공기가 실내로 침투하면서 수증기를 많이 보유하고 있는 실내 공기를 만나 벽면에 결로 현상을 일으킬 수 있다. 결로 현상이 계속되면 곰팡이 등 다양한 문제가 발생할 수 있으므로 단열이 제대로 이루어져 있는지 확인해야 한다.

스티로폼

스티로폼은 비드법 단열재라고도 불리며 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 단열재이다. 비드는 단열재를 만드는 폴리스타이렌이 구슬 모양으로 이를 발포 시켜 만들었기 때문에 비드법 단열재라고 부른다. 발포 크기와 밀도에 따라 등급이 1~4등급으로 나뉘며 입자의 크기가 작은 것일수록 밀도가 높고 열전도율이 뛰어나다. 열전도율이 낮아 단열 성능이 일정하게 유지되고 가벼워 현장에서 재단할 수 있어 시공법 또한 간단하다. 다른 단열재들에 비해 비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 수분에 취약해 물을 흡수하므로 물이 자주 사용되는 공간에는 시공하지 않는다. 또한, 화재에도 민감에 최근에는 잘 사용하지 않는 소재다.

아이소핑크

아이소핑크는 압출법 단열재라고도 불리며 비드법 단열재의 단점을 보완해서 나온 단열재다. 아이소핑크는 폴리스타이렌을 압축해서 판 모양으로 만든 것으로 밀도가 높아 매우 단단하며 습기에 강해 습기가 침투하기 쉬운 공간에서도 활용하기 좋은 단열재이다. 밀도가 높은 소재이기 때문에 기계적인 강도가 우수하며 압축 하중이 작용하는 바닥이나 옥상층 단열에도 적합한 소재이다. 다만 시간이 지나면 초기 열전도율 성능이 20~30% 저하되며 표면이 매끄러워 습식으로 마감재를 붙이기 어렵다. 또한 비드법 단열재보다 비용이 많이 들며 이음새를 완벽하게 처리하지 않으면 곰팡이가 생길 수 있다.

우레탄폼

우레탄폼은 폴리우레탄 계열의 단열재로 단열성능이 다른 소재보다 높기 때문에 얇은 두께로 시공이 가능해 건물 내 외벽이나 옥상 단열 등에 사용되고 있다. 다른 소재들보다 단열성, 난연성, 차음성, 내열성, 차습성이 강해 성능이 가장 뛰어나다. 하지만 압축법 단열재와 마찬가지로 시간이 지남에 따라 단열성능이 저하되는 단점이 있다.

열반사 단열재

열반사 단열재는 폴리에틸렌 발포수지 위에 은박지를 붙여 나온 형태로 매우 얇고 롤 형태로 말려 나와 굴곡이 있는 부분이나 모서리 부분 등에도 빈틈없이 시공하기 편한 단열재다. 복사열을 차단하는 데 매우 뛰어나며 이로 인해 건물 외벽이 많이 시공되는 형태이다. 복사열 차단에는 뛰어나지만 다른 소재들보다 내부 온도를 유지하는 기능인 단열성이 떨어져 다른 단열재와 함께 사용하고 있다.

글라스울

글라스울은 유리를 녹여서 회전력을 이용해 섬유로 만든 뒤 일정한 크기, 형태로 사용하는 단열재이다. 글라스 울은 무기질 단열재라서 불이 나더라도 유독가스가 생기지 않는다는 장점이 있다. 다만 유리이다 보니 습기에 취약할 수밖에 없으며, 물에 젖게 되면 열전도율이 낮아 단열효과가 낮아질 수 있다.

참고자료

• 〈단열〉, 《네이버 지식백과》
• 〈열전도〉, 《네이버 지식백과》
• 사람과 공간을 잇다, 〈추운 겨울철 난방비 절약해 주는 단열재 종류 알아보기!〉, 《네이버 포스트》, 2021-11-09
• 어스원 알엔에이, 〈공간에 따라 달라지는 단열재의종류〉, 《네이버 블로그》, 2021-11-22

같이 보기

• 단열
• 단열재
• 열역학
• 보온

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