new 기획특집: 기능성 도료 신기술 - cheric · 2014. 8. 13. · 해서는 노르웨이...

KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 19

친환경 내화도료 기술 동향

엄 경 일†․유 철 희*․원 제 홍*․전 수 민**․김 대 회***

㈜케이씨씨 중앙연구소, *삼성중공업(주) 산업기술연구소, **한국건설기술연구원, ***방재시험연구원Environment-friendly Intumescent Coatings

Kyung Il Ueom†, Chul Hee Yoo*, Jae Hong Won*, Soo Min Jeon**, and Dae Hoi Kim***KCC Central Research Institute, *SAMSUNG Heavy Industries Institute of Industrial Technology,

**Korea Institute of Construction Technology, ***Fire Insurers Laboratories of Korea

Abstract: 내화도료는 건축물이나 플랜트, 특수 선박 등의 철재 구조물에 피복되는 도료로 화재 시 도막이 팽창하여내화 단열층을 형성함으로서 철재 구조물의 내력 저하를 방지하고 이로 인해서 철재 구조물을 보호하는 기능성 도료

이다. 본 글에서는 내화도료의 기본 메커니즘 및 기술동향 그리고 최근의 시장 동향 등을 알아보고자 한다.

Keywords: intumescent coating, environment-friendly, structural steel, fire protection

1. 서 론1)

화재 발생 초기 화염의 전파를 억제하는 도료로는 인테리어 내장재 등에 사용되고 있는 방염 도

료이고, 내화 도료는 화재가 크게 확대되었을 때 보, 기둥 같이 건축물을 지지해주는 철재 구조물을 보호하는 도료이다. 즉, 철재 구조물에 도장된 내화도료는 화재 시 도막이 팽창하여 내화 단열층

을 형성함으로서 일정 시간 동안 구조물의 지지력

을 유지하여 인명 대피시간 확보, 구조물 붕괴 방지 및 지연을 가능하게 하는 기능성 도료이다. Figure 1은 내화도료의 기본 개념도로 화재 시 도막이 차르(Char)로 변화되어 열과 공기를 차단하여 열이 내부로 전도되는 것을 억제하고, 또한 공기 차단을 통하여 차르 내부의 도료가 잘 연소

되지 않게 하는 역할을 한다. Figure 2는 내화도막의 발포 전과 발포 후의 도막 상태 차이를 비교하

였다. Figure 2에서와 같이 화재 전에는 내화도막 도 일반 도료 도막처럼 피도물에 부착되어 있다

가, 화재 시 열에 의해서 도막이 팽창(발포)하게

†주저자 (E-mail: [email protected])

되고, 발포된 층이 화재 열을 차단하여 철골의 온도 상승을 억제한다.

2. 본 론

2.1. 내화도료 차열 메커니즘

Figure 2에서와 같이 내화도막이 발포할 때 차르(Char)를 생성하는 과정을 Figure 3에서와 같이 세분화 하였다. 즉, 도막이 발포하면서 응축상과 가스상으로 구분되고, 응축상(Condensed Phase)에서는 도막이 팽창하면서 차르를 형성하게 되고, 기체상(Gas Phase)에서는 라디칼을 포획하기도 한다. 응축상에서의 역할은 차르(Char)로서 열 및 공기가 도막 내부로 침투하는 것을 막아주어 차열

효과 및 연소지연 효과를 낸다. 내화도료의 차열효과는 아래 Figure 4와 같이 화재온도가 1,000℃에서도 철골 내부의 온도를 500℃ 이하로 유지하게 하여 철골의 내력 저하를 방지할 수 있다.

2.2. 건축용 내화도료 기술 동향

초기의 난연 기술은 브롬계 같은 난연제를 사용

기획특집: 기능성 도료 신기술


20 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

내화 도막 팽창Figure 1. 내화도료 기본 개념도.

(a) 내화 도료 발포 전 (b) 내화 도료 발포 후 Figure 2. 내화도료 발포 전후 비교.

하여 환경문제 및 인체 유해문제가 크게 이슈화

되었으나, 내화도료에서는 인계 난연제를 사용하고 있으므로 초기 브롬계의 환경문제를 크게 해결

할 수 있었고, 이와 관련된 최근의 기술동향은 아래와 같다. 현재 건축용 내화도료 시장에서 가장 많이 사용하고 있는 아크릴 수지를 기반으로 하는 내화도료

의 최고 내화성능 시간은 2시간으로, 수지 타입이 열가소성 아크릴 수지를 기반으로 하고 있어서

1,000℃ 이상의 고온에서는 3시간을 견딜 수 없는 구조적인 한계점을 갖고 있다. 3시간의 내화성능을 확보할 수 있는 도료 타입은 에폭시수지를 기

반으로 하고 있는 내화기술로 KCC에서 2013년도에 국내 최초로 보와 기둥에 동시 사용할 수 있는

도료를 개발하여 인정 획득을 한 바 있다. 3시간의 내화성능을 확보하기 위해서는 수지의 내열성이

우수해야 하며, 철골과의 부착성도 강해야 한다. 또한, 화재 시 팽창된 차르의 내부 기포가 조밀하게 형성되어 오랫동안 차열성능을 발휘해야 한다. 따라서, 이론적으로 보았을 때 경화타입의 내화도료가 3시간 성능을 만족할 수 있고, Nullifire (영국), PPG (미국) 등 내화도료 최고의 기술을 보유한 메이커에서도 에폭시계 경화타입으로 3시간용 내화도료를 개발하였다. 건축용 내화도료의 도장시스템은 Figure 5에서와 같이 화재 시 팽창을 높게 하는 고발포 타입이

기 때문에 다른 플랜트용 내화도료 도막두께에 비

해서 도막두께를 얇게 도장할 수 있어서 경제적

이지만, 화재 시 풍압 또는 폭발 등에 대한 내구성은 부족하다. 향후에는 유기변성실리콘계 수지를 이용한 내화도료 기술이 상기와 같은 문제점을 해결할 수



Figure 3. 내화도료 차열 메커니즘.

Figure 4. 내화도료 차열효과 온도 그래프.

Figure 5. 건축용 내화도료 도장 시스템.

있는 기술로 다음 세대를 이끌 수 있다. 유기변성 실리콘계 수지는 내열성이 기존의 수지보다 매우

우수하기 때문에 고온에서의 Degradation이 더디게 되어, 보다 강도가 높은 Char를 생성하여 장시간 동안 내화성능을 구현할 수 있다. 변성 실리콘계 내화도료는 실리콘 수지 합성기술 및 내화도료 기술이 융합된 친환경성, 고내구성 및 고내화성능을 갖는 기술로 미래를 선도할

수 있는 기술이다. 지금까지 기술한 내화도료는 피도체를 모두 철

골로 제한하고 있는데, 최근에 건축물의 고층화, 다양화에 따라서 철골 이외의 분야에서도 내화도

료의 적용을 확대할 수 있는 분야가 나타나고 있

다. 그 가장 대표적인 분야는 합성보 및 고강도 콘크리트 기둥에서 내화도료를 적용하고 있고, 그중 합성보에 적용되는 사례로는 KCC FIREMASK HyPo Beam-2H1 등이 Figure 6과 같은 구조로 2시간 내화 인정을 받아서 적용 중에 있다. 고강도 콘크리트는 콘크리트 배합 시 사용한 물을 포함하고 있는데, 콘크리트 내부의 치밀한 구


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Figure 6. 콘크리트 합성보 FIREMASK HyPo Beam-2H1 구조도.

고강도 콘크리트 폭렬발생(내화시험 중) 고강도 콘크리트 폭렬 발생 후 모습(내화시험 후)

Figure 7. 고강도 콘크리트 폭렬 현상.

조로 인해 이 수분이 화재에 노출되었을 때 폭렬

현상으로 나타나 건축물의 강도 저하 및 붕괴까지

될 수 있어서 2008년에 국토해양부 고시 제2008- 334호로 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트 기둥과 보에 내화성능을 확보할 수 있는 방안을 의무화

하였다. 고강도 콘크리트의 내화성능 확보 방안으로 P.P섬유 혼입 공법, 방화석고보드 적용 공법, 내화도장 피복공법 등 3가지 방안이 주류를 이루고 있는데, 이 중 내화도료 피복 방법이 여러 가지 면에서 장점을 갖고 있다. 내화도료 피복 방법은 건축물에서 추구하고자 하는 이미지를 그대로 살릴 수

있고, 또한 내구성이 매우 우수하다. 또한 선행 도장을 하면 공사기간을 단축할 수 있다. 즉, 건축물을 올리기 전에 철골 등에 미리 도장을 한 후, 설치를 하게 되면 철골 설치 후에 도장하는 내화 피

복 공정을 줄일 수 있는데 이는 도료의 경화기간

이 매우 짧고 또한 고내구성 도막이기 때문에 가

능한 공법이다. 한 가지 단점은 기존의 내화피복재 대비 가격이 높게 형성될 수 있는데, 이러한 문제는 시공기간 단축 및 유지관리 비용을 감안하게

되면 해결될 수 있다.



Table 1. 고강도 콘크리트 내화기술 비교

Figure 8. 세계의 에너지원별 소비 증가량 예측(Source : Alexey Miller, “Gas market integration : for a sustainable global growth”, World gas conference 2012).

2.3. 플랜트용 내화도료 기술 동향

내화도료 기술은 건축물 뿐만 아니라, 해양 구조물 또는 육상 석유화학 플랜트 같은 분야에서도

내화 피복재로 확대할 수 있는데, 해양구조물의 대표적인 적용분야는 석유, 가스 시추선(Drill ship) 및 FPSO 등이 있고, 육상에서의 대표적인 적용분야는 가스 생산 및 보관 설비, 정유공장 설비 등이

있다. 최근 전 세계적으로 에너지 수요의 폭발적인 증가로 이와 관련된 플랜트 산업이 크게 성장

하고 있어서, 이 분야에 적용되는 내화 시장도 크게 성장할 것으로 예상하고 있다. Figure 8은 에너지원별 소비 증가량 변화를 Figure 9는 기름(Oil)과 가스 에너지의 지역별 생산 비중을 나타내었다. 해양 구조물용 내화도료란 일명 PFP (Passive


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Figure 9. 세계의 기름(Oil), 가스 생산 지역별 구분(Source : John Ferentinos, “Global Offshore oil and gas outlook”, Gaselectric partnership 2013).

Figure 10. 해양 구조물용 화재 및 테스트 장비.

Fire Protection) 도료로 해양구조물의 철재 구조물(Structural steel, Bulkhead, Deck)에 피복되는 도료로 화재 시 도막이 팽창하여 내화 단열층을 형

성함으로서 구조물의 지지력을 유지하여 인명 대

피시간 확보, 구조물 붕괴 방지 및 지연을 가능하게 하는 도료이다. 해양구조물에서 발생하는 유류화재의 특성은 고인화성물질로 인해 5분 내에 1,000℃까지 급속하게 온도 상승이 되면서 폭발을 수반하기 때문에

이러한 화재에 대응할 수 있는 도료는 기존의 건

축물용 내화도료로는 불가능하고 새로운 개념의

내화도료 개발이 필요하다. 해양구조물용 내화도료는 내구성과 내화성능을 모두 만족시켜야 하므로, 기술적으로 매우 고난이

도이기 때문에 전 세계적으로도 몇 개의 업체에서

만 개발에 성공하여 관련 분야의 시장을 독과점

형태로 차지하고 있다. 플랜트용 내화도료도 급가열 화재에 대응해야 하기 때문에 화재 시 도막 팽창을 크게 할 수 없고, 또한 보강재 메쉬 등을 사용하여 장시간 동안 발

포층이 탈리되는 현상을 방지해야 한다. 육상 플랜트용과 해양구조물용 내화도료의 가장 큰 차이

점은 Jet fire 성능에 있다. 즉, 해양구조물용 내화도료는 Jet Fire 내화성능을 필수로 요구하고 있고, 또한 격벽(Bulkhead)과 갑판(Deck)용 내화성능도 요구하고 있는데, 이들의 이면 평균온도 상승 한계는 140℃이므로, 시험체 이면의 초기 승온을 억제해야 한다. 육상플랜트용 내화도료는 대부분



Figure 11. 플랜트용 내화도료(PFP) 도장 시스템.

Structural steel에 사용되고 있어서, UL1709 내화성능을 주로 요구하고 있다. 하지만, 기본적인 도장시스템은 매우 유사하고, 이러한 내용은 Figure 11의 플랜트용 내화도료 도장 시스템에서와 같이 요약할 수 있다. 내구성 관련, 해양구조물용 내화도료는 혹독한 해양환경에서 20년 이상 장기간 사용하게 되므로, 내구성이 매우 중요하여, 이 분야에 진출하기 위해서는 노르웨이 노속(NORSOK) 시험에 합격을 해야 한다. 노속 에이징 시험조건은 QUV(3일) → 5% NaCl 염수분무(3일) → -20 ℃(1일)을 1사이클로 하여 25사이클 시험을 한 후, 부착성, 녹발생 길이, 내화성능, 외관변화 차이점 등에 대한 물성변화를 비교하여 합격 여부를 판정하게 된다. 따라서, 상기와 같은 가혹한 화재 환경과 내구성을 견뎌내기 위해서 대부분의 도료 메이커에서

는 에폭시 수지를 기반으로 해서 플랜트용 내화도

료를 개발하고 있다.

2.4. 친환경 내화도료 개발 동향

최근 3시간용 내화도료 같은 고성능 내화도료에서 비록 내화성능을 확보하였지만, 가스유해성 같은 시험에서 불합격 되고 있는 사례가 나타나고

있는데, 이러한 사례 등을 볼 때, 고성능 내화도료에서 친환경성 확보가 중요함을 알 수 있다. 현재 한국산업기술평가관리원 주관으로 개발 중인 “친환경 내화도료의 개발”과제에서 친환경 차별화 전략은 아래와 같다.

① VOC 차별화 전략 본 내화도료는 무용제 타입으로 배합이나 도장 시 용제를 사용하지 않으므로 도장 시 VOC 물질이 발생하지 않으며, 도장 후에는 휘발성 유기물질이 배출되지 않는 특성이 있으므로 이를 차별화

전략으로 함.

② 가스유해 안정성 본 개발 내화도료과 기존도료와 크게 차별화 할 수 있는 전략은 가스유해성을 획기적으로 개선하


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여 친환경성 및 인체에 덜 유해한 특성에 대한 차

별화 전략이다. 따라서, 이를 위해서 성과지표에 가스유해성 항목에 가장 큰 비중을 두고 과제 개

발을 진행하고 있고, 과제 진행 중 확보한 실험데이터(마우스 시험, 유해가스 성분 시험 등) 등을 최대한 활용하여 본 개발 도료의 차별성을 부각시

킬 계획임.

③ 유해물질 사용 최소화 본 도료 개발을 하면서 유해 물질, 특히 발암성 물질 같은 물질을 사용하지 않고 있음. 한 가지 예로 화이버 같은 물질은 미세하게 갈라지면 숨쉬는

과정에서 폐에 들어가 고착화가 될 수 있고, 이를 통해서 암을 유발할 수 있게 됨. 따라서, 본 도료를 개발하면서 상기 물질들을 배합에 배제하여 유

해물질 사용을 최소화하여 친환경성을 확보하고

자 함.

④ 내구성 확보를 통한 자원절약 본 도료는 내구성이 매우 우수하므로 시공 후에도 수십 년간 그 기능을 확보할 수 있고 또한 도막

이 변질되지 않게 된다. 따라서, 본 도료로 도료의 생명주기가 길어지게 됨으로 장기적으로는 자원

절약을 통한 친환경성을 확보할 수 있음.

3. 결 론

내화도료는 불연제가 아니기 때문에 난연제의 기술발전과 더불어 발전하고 있다. 난연제의 기술동향을 세대별로 구분해 보면, 1세대 브롬계부터 시작하여 2세대는 친환경 타입인 인계 난연제, 그

리고 3세대는 실리콘계 및 나노물질계로 발전할 것으로 예상하고 있다. 현재는 인계 난연제가 고분자, 플라스틱 및 내화도료 등의 난연 기술로서 주류를 이루고 있다. 내화도료의 가장 큰 특징은 건축물이나 구조물의 미적 이미지를 가장 잘 살릴 수 있는 내화 피복

방법이다. 또한 우수한 내구성을 갖고 있어서 건축물의 고층화 및 다양화에 잘 대응할 수 있는 매

력적인 내화피복 방법이고, 특히 플랜트 분야에서도 다른 내화 피복 방법 대비 내구성이 매우 우수

하기 때문에 최근에 육상 플랜트 및 해양 플랜트

시장의 급성장과 함께 크게 신장하고 있다.

참 고 문 헌

1. B. Gardelle and S. Duquesne, Polym. Adv. Technol., 24, 62 (2013).

2. 김진환, 제30회 석유화학강좌, (2010). 3. 고정원, 류동우, 이문환, 이세현, 대한건축학

회, 23(12), 107 (2007). 4. ISO834: 1999 Part 1, 3, 6 and 7 “Fire-resist-

ance tests - Elements of building construc-tion”.

5. UL1709, “Rapid rise fire test of protection materials for structural steel”.

6. NORSOK STANDARD M-501, “Surface pre-paration and protective coating” (2012).

7. IMO A754(18), “International code for appli-cation of fire test procedures”.

8. A. Miller, World gas conference (2012). 9. J. Ferentinos, Gas electric partnership (2013).



엄 경 일1990 연세대학교 화학과 학사1992 명지대학교 화학과 석사1993∼현재 ㈜케이씨씨 중앙연구소 부장

유 철 희1986 건국대학교 화학과 학사1986∼현재 ㈜케이씨씨 연구 임원2009∼현재 한국표준협회 위원2010∼현재 공업화학회 위원

원 제 홍2000 고려대학교 화학과 학사2002 고려대학교 화학과 석사2003∼현재 ㈜삼성중공업 산업기술연구소

책임연구원

전 수 민1994 한양대학교 건축공학 학사2008 한양대학교 건축공학 석사1999∼현재 한국건설기술연구원

수석연구원

김 대 회1996 건국대학교 건축공학과 학사1998 건국대학교 건축재료시공 석사2003 건국대학교 건축구조 박사

관동대학교 건축과 겸임교수

2004∼현재 방재시험연구원 책임연구원

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