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화재 알람기능의 스마트벽지 개발

(Fire Alarm Wallpaper Based on Fire-Resistant Hydroxyapatite
Nanowire Inorganic Paper and Graphene Oxide Thermosensitive Sensor)

최근 우리나라에서 발생한 화재를 살펴보면 화재경보기가 제대로 작동하지 않아 재실자들이 피난을 하지 못하여 사상자가 발생하는 안타까운 화재사건이 많이 일어났다. 이러한 상황에서 화재가 발생했을 때, 화재의 확산을 막으면서 동시에 화재경보를 할 수 있는 스마트 내화재(Smart fire-resistant)와 화재경보기(FAW, Fire Alarm Wallpaper)가 내장된 벽지가 개발된다면 생활안전 뿐만 아니라 건강적인 측면에서도 매우 긍정적일 것이다. 최근 중국에서 이러한 벽지가 개발되었다는 소식이 전해져 내용을 살펴보도록 하겠다.

그림1 . Fire Alarm Wallpaper(FAW) 개념도
그림2 . 벽지 세부 개념도

최근 상해 세라믹 연구소 연구자들은 ACS Nano에 발표한 논문 “화재 시 경보가 발생하는 스마트 벽지(Fire Alarm Wallpaper Based on Fire-Resistant Hydroxyapatite1) Nanowire Inorganic Paper and Graphene2) Oxide Thermosensitive Sensor)”에서 내화성 무기물을 함유한 매우 유연한 종이 기반 스마트 벽지(이하“FAW”)를 개발했다고 밝혔다. 이 벽지는 아주 긴 하이드록시-아파타이트(Hydroxyapatite) 나노와이어(Nanowire)가 내장되어 있으며, 열감지 센서로 그래핀-옥시드(Graphene Oxide, GO)가 내재되어 있다.

그림3 . 그래핀 세부 개념도

기존의 상업용 벽지는 셀룰로오스 섬유 또는 합성폴리머로 재작되어 가볍고 유연하며 가격도 저렴하지만 가연성이 높아 화재 확산을 촉진하는 등 많은 인명 및 재산 피해를 발생 시켰다.

이에 연구팀은 기존 벽지의 문제점을 극복하고 조금 더 안전하고 쾌적하며 4차 산업세대에 맞는 스마트한 소방환경을 만들기 위해 높은 난연성과 우수한 기계적 성질 그리고 안정성을 가진 스마트 벽지(FAW)를 개발하고자 하였다.

그림4. 세부 개념도와 같이 벽지개발의 첫 단계로 내화성 무기물 종이를 다층 구조로 제작했으며, 이는 아주 긴 하이드록시-아파타이트 나노 와이어(길이 100㎛ 이상, 직경 약 10nm)로 강화 유리섬유 주변을 감싸는 코어-쉘 복합구조를 형성한다.

그림4 . 스마트 벽지 다층구조 세부 개념도

이렇게 개발된 스마트벽지의 하이드록시-아파타이트 나노와이어는 스마트벽지의 기판 역할을 하며 그래핀-옥시드는 감열센서로 사용된다. 그래핀-옥시드 열감지 센서는 평상시 전도성을 가지지 않다가 화재발생시 전도성을 가지며 알람과 연동되어 경보를 보내게 된다.

그림5. 온도변화에 따른 센서 응답률에서 보는 거와 같이 그래핀-옥시드 온도센서에 연결된 알람램프와 부저는 화재 시 즉각적인 비상 조취를 취하도록 재실자에게 경보를 발송한다. 또한 실질적인 사용을 고려하여 GPO(Polydopamine of GO, GO센서 강화)를 사용해 표면을 개질한 후, 그래핀- 옥시드 온도센서의 민감도 및 난연성을 더욱 개선하였는데, 이로 인해 낮은 반응온도(126℃)에서도 2초 이내의 빠른 응답을 보여주었고, 적어도 5분 동안의 화염 중에도 기존의 형태를 유지할 수 있었다.

그림 5 . 온도변화에 따른 센서 응답률

이러한 성질을 갖는 이유는 가연성 상업용 벽지와 비교할 때, HNs/GFs 및 뛰어난 그래핀- 옥시드 기반의 스마트 벽지는 화염으로부터 장시간 견딜 수 있는 비인화성과 고온의 저항성 때문이다. 실제 TG분석기 실험결과, 약 1,000℃ 이상에서 일반상업 벽지의 경우 공기 중 HNs의 질량손실률이 93%이지만 내재적인 열안정성을 가진 스마트 벽지의 경우 질량 손실률이 3%이내였다. 또한 기존 상업용 벽지에 비해 스마트 벽지는 하이드록시-아파타이트 나노와이어와 그래핀-옥시드를 기반으로 하여 우수한 불연성과 고온내성을 가진다. 그 밖에 그림 6. 스마트 벽지의 가공 예시에서와 같이 다양한 형태로의 가공이나 여러 색상으로 염색이 가능하여 상업용으로도 우수한 성능을 보유하고 있다.

그림 6. 스마트 벽지의 가공 예시

스마트 벽지는 내화성 무기질 종이 및 그래핀-옥시드(GO)를 감열센서로 사용하여 화재가 났을 때 피해를 최소화하기 위한 경보를 발하게 된다. 거기에 환경을 생각하여 친환경 재료로 만들어 졌다. 또한 그림 6 에서 볼 수 있듯이 사용자의 취향에 따라 여러 형태나 색을 자유롭게 선택 가능해 실내뿐만 아니라 다양한 응용산업에도 많은 변화를 가져올 것으로 예상된다.

페인팅 문화가 대중화된 해외의 주택환경과 달리 우리나라는 페인트 보다 벽지마감 방식을 선호하고 있으며, 대한민국 화재통계를 보면 화재사망자의 절반 이상이 주택화재로 확인되고 있어 이번 스마트 벽지(FAW)의 개발은 우리에게 큰 의미가 될 수 있다.

1) 하이드록시-아파타이트(Hydroxyapatite, 약칭 HA) 는 Ca5(PO₄)₃(OH)식을 가지는 자연에서 발생한 광물이지만 결정 단위셀이 두 개체로 이루어져 있다는 걸 표시하기 위해 대개Ca10(PO₄)6(OH)₂로 쓴다. 하이드록시-아파타이트 파우더는 흰색이다. 그러나 자연에서 발생한 아파타이트는 치아불소증과 비교될 만큼 갈색, 노란색, 초록색을 띄고 있을 수 있다. 이러한 하이드록시-아파타이트는 주로 몸 안에 있는 치아와 뼈에서 발견되며, 주로 절단된 뼈를 대신하기 위한 필러나 인공임플란트 쪽으로 뼈의 내성장을을 촉진하기 위한 코팅제로 흔히 사용된다.

2) 그래핀(Graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다.

원문출처 : ACS Nano 2018, 12, p3159-3171,“Fire Alarm Wallpaper Based on Fire-Resistant Hydroxyapatite Nanowire Inorganic Paper and Graphene Oxide Thermosensitive Sensor (University of Chinese Academy of Sciences, Beijing)”

실험 동영상 사이트 :
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00047

글. 김현수|한국소방안전원 정책연구소 연구원

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