단열재는 왜 공기층을 이용해서 열전달을 막나요?

Question

건축용 단열재가 대부분 미세한 공기층을 많이 포함하고 있다고 배우는데, 왜 공기가 열전달을 막는 데 효과적인 재료가 되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

공기가 열을 잘 전달하지 못하기 때문이에요. 열이 물질을 통해 전달되려면 분자들이 서로 부딪히며 진동을 넘겨줘야 하는데, 기체는 분자 사이가 워낙 멀어 부딪히는 횟수가 적어요. 열전도율을 비교하면 공기가 0.026 정도인데 콘크리트가 1.4, 금속은 수십에서 수백이에요. 고체보다 수십 배에서 수천 배 낮으니 공기 자체가 훌륭한 단열재예요.

그런데 그냥 공기만 있으면 안 돼요. 공기가 자유롭게 움직이면 대류가 생기거든요. 따뜻해진 공기가 위로 올라가고 찬 공기가 내려오며 순환하면 열을 통째로 실어 나르니, 전도로 막아놓은 이점이 사라져요. 그래서 단열재는 공기를 아주 작은 방에 가둬요. 스티로폼의 기포, 유리섬유의 섬유 사이 공간, 우레탄폼의 미세 셀이 전부 공기가 움직이지 못하게 만드는 구조예요. 방 하나의 크기가 밀리미터 이하로 작으면 그 안에서 대류가 일어날 여지가 없어요.

그러니까 단열재의 주인공은 재료가 아니라 갇힌 공기이고, 재료는 그 공기를 붙잡아두는 틀이에요. 패딩이 따뜻한 것도 오리털 자체가 아니라 털 사이에 잡힌 공기 덕분이고, 이중창이 두꺼운 유리 한 장보다 나은 것도 사이의 공기층 때문이에요.

그래서 단열재가 젖으면 성능이 확 떨어져요. 물의 열전도율이 공기의 스무 배가 넘으니, 기포 속 공기가 물로 바뀌면 단열재가 아니라 열 전달 통로가 돼요. 시공에서 방습층을 함께 두는 이유가 이것이고요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

공기는 고체나 액체에 비해 열을 전달하는 능력인 열전도율이 매우 낮아 열의 이동을 어렵게 합니다 단열재 내부에 공기를 작은 공간에 가둬 공기의 움직임인 대류도 억제되어 열이 쉽게 이동하지 못합니다 그래서 스티로품이나 유리섬유처럼 미세한 공기층을 많이 포함한 재료는 전도와 대류에 의한 열전달을 효과적으로 줄일 수있습니다 다만 공기가 많이 들어 있다고 무조건 단열성이 좋은 것은 아니며 공기층의 크기와 구조를 적절하게 유지하는 것이 중요합니다

Answer 3

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

결론부터 말씀드리면 공기가 가장 뛰어난 열차단 성능을 가지고 있기 때문입니다.

열은 전도, 대류, 복사의 방식으로 전달되는데 이것을 공기가 아주 효과적으로 방어합니다.

공기는 매우 낮은 열전도율을 가지고 있습니다. 열전도는 분자와 분자가 서루 부딪히며 에너지를 전달하는 방식인데 금속의 경우는 분자간 거리가 가까워 열전도율이 높습니다. 반면 공기는 분자간 거리가 매우 멀고 밀도가 낮기 때문에 열전도율이 매우 낮습니다. 철과 비교하면 2000배 이상 낮습니다.

그리고 대류는 공기가 이동하면서 열을 전달하는 것인데 단열재와 같은 곳에 들어있는 공기는 정지상태의 공기라 대류를 통해 열을 전달하지 못하는데 그래서 정기 공기층 이라고 말합니다.

복사열의 경우는 미세한 공기 주머니 벽들은 열이 복사열이라는 전자기파 형태로 직접 뻗어나가지 못하게 중간에 흡수하고 튕겨내고를 반복하여 열의 전달을 지연 시킵니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)