1. 서    론

1970년대 이후 각종 산업분야에서 에너지절약 효과를 높이기 위해 건축물의 밀폐화 및 기밀화가 이루어짐에 따라 실내 환기량의 감소 및 기계식 냉난방시스템의 도입 등이 이루어졌고, 이로부터 건축물 내 결로의 발생은 크게 증가되고 있다. 건축물 내 결로의 발생은 실내 상대습도를 증가시켜 곰팡이나 세균 등 미생물의 생육에 유리한 환경을 제공하게 되며,¹⁾ 이로부터 생물학적 오염에 대한 위험성이 크게 증가되고 있다. 진균류(eumycetes) 중 몇몇 곰팡이는 인체에 위험한 독성물질인 마이코톡신(myco-toxins)을 방출하는 것으로 알려져 있으며,²⁾ 약 60여종 이상의 곰팡이들이 알레르기성 비염과 천식을 초래하는 항원을 생산하는 것으로 보고되고 있어 주거인의 건강을 크게 위협하고 있다.³⁾ 특히 면역능력이 약한 노약자는 이러한 환경에 지속적으로 노출될 경우 심각한 질병을 유발할 수 있어 건축물 내 곰팡이 발생에 대한 대책이 필요하다. 또한 건축자재 표면에 발생되는 곰팡이의 오염은 자재의 기능과 효율(단열재의 경우 단열성능 등)을 크게 감소시켜 에너지 효율을 저감시킬 뿐 아니라 재료자체의 부식 및 노화를 촉진시키고, 심한 경우 악취발생으로 실내 거주환경을 크게 악화시켜 결국 건축물의 내구수명을 단축시키게 된다.⁴⁾ 이에 유럽에서는 건축자재에서의 화학 오염물질(포름알데히드 등) 발생과 관련한 연구뿐 아니라 인체 건강에 영향을 미치는 생물학적 오염물질(세균 및 곰팡이 등)에 대한 연구들도 활발히 진행되고 있다. Pasanen (1991) 등⁵⁾은 건축물 내 진균의 발아가 공기 중의 상대습도나 온도 보다는 건축자재 표면에서의 온도 및 습도에 더욱 영향 받는다고 보고하였으며, Barghman and Arens (1996)⁶⁾은 건축물 내에서 발견되는 진균의 최적 온도조건이 22~35°C라 보고하였다. Ritschkoff (2000) 등⁷⁾은 목재, 석재, 단열재에서의 다양한 온습도 조건과 진균 발아와의 관계를 조사하여 대부분의 자재에서 진균이 발생한다고 보고하였고, 특히 석재에서도 90%이상의 상대습도와 충분한 환경노출시간이 확보되면 진균이 발아한다고 보고하였다. 미국에서는 Georgian Institute of Technology에서 건축물의 곰팡이 발생 위험도를 분석하기 위한 확률적 성능평가 지표를 개발하였으며, Oak Ridge National Laboratory와 캐나다의 NRC (National Research Council) 등의 국가연구소 및 여러 대학에서 건축자재의 생물학적 오염의 기초 물성치 DB 구축 및 상용화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

반면, 국내의 경우 건축자재에서의 포름알데히드나 휘발성 유기화합물과 같은 화학적 오염물질에 대한 연구는 많이 진행되고 있으나, 세균, 진균 등 생물학적 오염원에 대한 연구는 상대적으로 크게 미진한 상황이다. 다만, 1990년대 말부터 다양한 건축물에서의 실내 공기 중 미생물 분포에 대한 연구가 진행되었다. 최종태 등(1993)⁸⁾은 병원에서의 공기 중 미생물 분포에 대해 조사하여 병원의 각 구역별 농도분포와 가장 높은 빈도로 검출된 진균에 대해 보고하였고, 정윤희 등(2001)⁹⁾은 건물 내 환기와 세균 및 진균의 농도관계에 대해 조사 및 보고하였다. 김윤신 등(2002)¹⁰⁾, 박재범 등(2005)¹¹⁾은 다중 이용시설에서의 미생물 분포현황에 대해 보고하였고, 임미정 등(2005)¹²⁾도 거주 공간 내에서의 부유 미생물(세균 및 진균)의 각 공간별 분포현황을 조사하여 보고하였다. 또한 문현준 등(2009)¹³⁾은 벽지 표면에서의 온습도 조건에 따른 곰팡이 발아 및 성장의 관계를 조사하여 보고하였다. 이와 같이 국내 건축분야에서의 미생물 관련 연구는 건축 환경 분야를 중심으로 이루어지고 있으며, 주로 건축물 내 환경조건과 진균류(곰팡이 등)의 발생특성, 그리고 실내 공기질 부분에 초점이 맞추어져 있다. 즉 건축재료 분야에서의 연구는 상대적으로 매우 미진하며, 참고할 만한 실험적 자료도 거의 찾아보기 어려운 실정이다. 특히 모르타르 및 콘크리트분야에서의 미생물 오염방지 대책이나 항균재료에 대한 연구는 극히 적다.

이에 본 연구에서는 다양한 천연물계 항균물질로부터 추출된 추출액(extract)들의 자체 항곰팡이 성능을 평가하고, 이를 적용한 황토모르타르(이하 항균모르타르라 함)의 항곰팡이 성능과 그 지속성능, 그리고 항균성능 등에 대해 종합적으로 고찰함으로써 효율적인 건축물 내 항균 대책 및 친환경 항균 건자재(모르타르 포함) 개발을 위한 기초적 자료를 제공하고자 수행하였다.

2. 실    험

2.1 실험개요

본 연구에서는 건축물 내에서 주로 발견되는 5종류의 곰팡이를 대상으로 문헌조사를 통해 선정된 5종의 천연물계 항균물질(키토산, 마조람, 타임, 피톤치드, 은행잎)의 자체 항곰팡이 성능을 평가하고, 시험결과 우수한 성능을 나타낸 천연물계 항균물질을 이용하여 제작된 항균모르타르의 항곰팡이 성능과 그 지속성을 평가하고자 하였다. 또한 가장 우수한 항곰팡이 성능을 나타낸 천연물계 항균물질 및 이를 적용한 항균모르타르에 대해 대장균 등 대표적인 세균 3종류에 대한 항균성능도 검토하였다. 이때 천연물계 항균물질 및 이를 이용한 항균모르타르의 항곰팡이 성능을 상대적으로 비교·평가하기 위해 석고보드 및 도장재료에서 사용되고 있는 대표적인 유/무기계 항곰팡이제 각 1종류씩을 선정하여 함께 실험하였다. 또한 항균모르타르는 시멘트 모르타르에 비해 곰팡이(균)의 발아 및 생장의 관찰이 용이하고 친환경 건자재로의 개발 및 적용 등을 고려하여 황토모르타르를 대상으로 적용하였다. 본 연구의 실험요인 및 수준은 Table 1과 같다.

2.2 사용재료

2.2.1 황토분말(결합재)과 폴리프로필렌 섬유

항균모르타르를 제작하기 위해 사용된 황토분말(결합재)은 전북 고창산으로 325 mesh의 적황토분말로서 그 화학조성은 Table 2와 같다. 그리고 황토모르타르의 미세균열 제어를 위해 보강재로서 직경 0.04 mm, 길이 19 mm, 밀도 0.91 g/cm³, 융해점 160°C, 인장강도 560 MPa인 폴리프로필렌(PP)섬유를 사용하였다.

2.2.2 항균 및 항곰팡이제

본 연구에서는 천연 항균물질들로부터 추출된 추출액 5종류와 현재 석고보드 및 도료에 사용되고 있는 국내 A사와 J사의 유기계(복합약제), 무기계(제올라이트계)의 화학 항곰팡이제 각 1종류씩을 선정하여 사용하였으며, 그 일반적 성질은 Table 3에 나타내었다.

2.2.3 사용균주

항곰팡이 시험을 위해서는 ASTM G-21:2009¹⁴⁾의 시험방법에 기초하여 건축물에 주로 발생하며 시멘트 모르타르 및 석고보드 등 마감재에서도 비교적 검출빈도가 높은 곰팡이 5종류를 사용하였고, 항균성능 평가를 위해서는 병원성을 가진 대표적인 세균 3종류(대장균, 녹농균, 황색포도상구균)를 각각 이용하였다.

2.2.4 영양분 및 한천

항곰팡이시험을 위한 영양분 및 한천은 미국의 DIFCO사의 특급시약(Y.P.D Broth, Bacto agar)을 사용하였다.

2.3 시편의 제작 및 양생

본 연구에서 항균모르타르는 황토분말에 폴리프로필렌 섬유와 천연물계 추출액 혹은 유/무기계 항곰팡이제를 각각 혼입한 것으로서 그 배합결과는 Table 4와 같다. Table 4에서 보는 바와 같이 결합재(binder)인 황토분말에 대한 물의 비율(W/B)은 45%였으며, 미세균열 억제를 위해 폴리프로필렌섬유(PP)를 항균모르타르 시편에 대한 체적비로 1.0% 혼입하였다. 그리고 항곰팡이제는 예비실험에 기초하여 황토분말의 중량비로 천연물계의 경우 1, 3, 5, 10, 15%, 유기계의 경우 1, 3, 5%, 무기계의 경우 5, 10, 15%로 각각 혼입하였다. 또한 항곰팡이 및 항균시험용 시편은 ∮40×5 mm로 각각 제작되었으며, 각 항균모르타르들은 제작 후 1일간 보습(20°C, RH80%)하여 탈형하고 실험시작 전까지 항온항습실(20°C, RH80%)에서 기건양생 되었다.

2.4 시험방법

2.4.1 항곰팡이 시험(ASTM G-21¹⁴⁾)

항균모르타르의 곰팡이 저항성능은 ASTM G-21의 시험방법에 의해 측정되었으며, 그 상세한 방법은 다음과 같다. 삼각플라스크에 물, 영양분 5% (물에 대한 중량비), 한천 3% (물에 대한 중량비)를 각각 첨가하여 배지를 형성시키고 액체상태의 배지와 항균모르타르 시편을 125°C로 약 15분간 오토클레이브에서 멸균시킨다. 또한 평판 플레이트에 액체상태의 배지를 부은 후 배지가 콜로이드 상태가 되면, 미리 준비한 시험균주를 동일 양으로 배지 위에 살포한 후 중앙부분에 항균모르타르 시편이 잘 접촉되도록 배치하고 다른 균들이 침입하지 못하도록 밀봉시킨 후 인큐베이터에서 4주간 배양하였다. 항균모르타르의 곰팡이 저항성능은 Table 5에 나타낸 바와 같이 배양기간에 따른 항균모르타르 시편(∮40×5 mm) 표면에 발생된 균사 발육면적비의 Mold Index를 이용하여 평가하였다.

2.4.2 항곰팡이 성능의 지속성 평가

본 연구에서는 일본 건재·주택 설비 산업협회에서 제안한 “옥내의 건재·주택 설비기기 등의 항균성능시험 방법과 항균성능 지속성 및 안전성 시험방법”에 기초하여 곰팡이 발육의 최적 환경조건으로 유지된 인큐베이터 내 장기 폭로시험을 통해 항균모르타르의 항곰팡이 지속성을 평가하고자 하였으며, 그 상세방법은 다음과 같다. 먼저 동일한 항균모르타르 시편을 대상으로 항곰팡이 시험(ASTM G-21)을 4주간 실시한 후 인큐베이터(25±1°C, RH80±5%)에서 3, 6, 9, 12개월간 장기 폭로하고, 동일한 방법으로 각 폭로기간에 따른 항곰팡이 시험을 반복 측정하여 Table 5의 Mold Index에 의해 그 지속성을 평가하고자 하였다.

2.4.3 항균(대장균 등)시험

천연 항균물질 추출액(extract)과 이를 이용한 항균모르타르의 항균시험은 대장균, 녹농균, 황색포도상구균을 대상으로 Shake Flask (KICM-FIR-1002, KS J 4206, ASTM E 2180- 07:2012 참조)법에 의해 수행되었다(단, 본 시험은 황색포도상구균과 같은 위험균주의 취급상 한국건설환경시험연구원에서 측정되었다.).

3. 실험결과 및 고찰

3.1 천연 항균물질들의 자체 항곰팡이 성능

본 연구에서는 천연물계 항균물질들의 모르타르 적용실험을 위한 기초자료 확보를 위해, 문헌조사로 선정된 5종류의 천연 항균물질들과 기존에 사용되고 있는 유/무기계 항곰팡이제 각 1종류를 대상으로 그 혼입율에 따른 자체 항곰팡이 성능을 평가하였으며, 항곰팡이 시험 4주 후 측정결과를 Table 6에 나타내었다. 이때 배지에 혼입된 각 항곰팡이제들의 혼입율은 배지에 대한 중량비로서 1, 2, 3%였다. Table 6에서 보는 바와 같이 마조람 추출액은 항곰팡이시험 4주 후에도 모든 곰팡이 균의 발아 및 성장을 저지하여 매우 우수한 항곰팡이 성능을 나타내었다. 피톤치드 추출액도 대체적으로 곰팡이 저항성이 우수하였지만, 진균(Gliocladium virens)에 대한 저항력이 없는 것으로 조사되었다. 반면, 키토산(올리고당)과 타임(하이드로졸), 은행잎의 항곰팡이 성능은 그 혼입율을 증가시킴에 따라 곰팡이 균의 성장이 더디게 나타나고는 있지만, 전반적으로 마조람이나 피톤치드 추출액에 비해 곰팡이 저항성이 현저히 낮아 모르타르 적용시 그 효과를 기대하기 어렵다고 판단되었다.

한편, 유기계 항균제(45Df, 복합약제)는 항곰팡이 시험 4주 후에도 Mold index=0 (곰팡이 발아 전)로서 모든 곰팡이의 종류들에 대해 높은 저항성능을 나타내었다. 그러나 무기계 항균제(zeolite)는 혼입율 3% 이내에서 비교적 낮은 곰팡이 저항성능을 나타내어 모르타르 적용시 혼입율의 증가나 유기계 항균제와의 혼합사용이 검토되었다.

3.2 항균모르타르의 항곰팡이 성능

본 연구에서는 천연 항균물질들의 자체 항곰팡이 성능 시험결과, 전반적으로 우수한 성능을 나타낸 마조람 및 피톤치드 추출액(extract)을 이용하여 항균모르타르를 제작하고, 사용균주(곰팡이) 5종류를 혼합한 혼합균주를 대상으로 항곰팡이 시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table 7 및 Fig. 1에 나타내었다. Table 7 및 Fig. 1에서 보는 바와 같이 항곰팡이제를 혼입하지 않은 황토모르타르(plain mortar)는 항곰팡이 시험 1주일 만에 “Heavy Growth” (Mold index=4)로 나타나 곰팡이 발생에 매우 취약함을 알 수 있었다. 그러나 마조람 및 피톤치드 추출액과 유/무기계 화학 항곰팡이제를 혼입한 항균모르타르들의 곰팡이 저항성능은 크게 개선되었다. 특히 천연 항균물질 중 마조람 추출액을 혼입한 항균모르타르들은 그 혼입율 1%를 제외하고 항곰팡이 시험 4주 후에도 모든 곰팡이들의 발아 및 성장이 크게 억제되는 매우 우수한 항곰팡이 성능을 나타내었다. 반면, 피톤치드 추출액을 혼입한 항균모르타르는 마조람 모르타르(M type)에 비해 상대적으로 낮은 곰팡이 저항성능을 보였으며, 그 혼입율이 5% 이상(결합재 중량비) 다량 사용되어야 곰팡이 저항성능을 기대할 수 있는 것으로 조사되었다. 또한 피톤치드 모르타르(P type)의 경우, 3.1절에서 살펴본 바와 같이 진균(Gliocladium virens, 흰색)에 대한 저항력이 특히 낮은 것으로 조사되었다. 그러나 한 가지 주목할 것은 항균모르타르에서는 항곰팡이제를 혼입하지 않은 황토모르타르(plain mortar)와는 달리 곰팡이 배양기간이 늘어남에도 균주의 생육활동이 활발히 일어나지 못하는 모습을 보였고, 몇몇 곰팡이는 배양 1주 만에 발아 및 성장하였다가 4주 후에는 대부분 소멸되는 모습도 또한 관찰되었다.

한편, 유기계(이소치아졸계와 카바메이트계의 복합약제) 항곰팡이제를 혼입한 모르타르의 곰팡이 저항성능은 적은 혼입량에서도 모든 곰팡이에 대해 우수하게 나타났다. 반면, 무기계(제올라이트) 항곰팡이제를 혼입한 항균모르타르의 경우, 혼입율 5~15%로 비교적 다량 혼입되었음에도 유기계 뿐 아니라 천연물계인 마조람 추출액 혼입 항균모르타르보다도 낮은 곰팡이 저항성능을 나타내었고, Fig. 1에서 보는 바와 같이 곰팡이 종류 중 진균(Gliocladium virens, 흰색)에 더욱 취약한 것으로 조사되었다. 그러나 무기계 혼입 항균모르타르의 항곰팡이 성능은 그 혼입율을 10%, 15%로 증가시킴에 따라 곰팡이 배양 2주에 나타난 “Light Growth” (Mold index=2) 수준을 4주 후에도 유지하여 곰팡이의 성장을 계속 억제하는 것으로 조사되었다. 따라서 무기계 혼입 항균모르타르의 경우 장기적인 항곰팡이 성능이 크게 기대된다.

한편, 선정된 곰팡이 종류 중 진균(Gliocladium virens)과 푸른곰팡이(Penicillium pinophilum)는 모르타르의 환경에서도 매우 활발하게 발아 및 성장하는 것으로 나타나 항균 및 항곰팡이 건자재 개발시 이들에 대한 검토가 필히 요구된다.

3.3 항균모르타르의 장기 항곰팡이 성능

본 연구에서는 동일 항균모르타르 시편을 대상으로 곰팡이 발육의 최적 환경조건으로 유지된 인큐베이터(25±1°C, RH80±5%) 내에서 12개월간 장기 폭로하고, 각 폭로기간(3, 6, 9, 12개월)에 따른 항곰팡이 성능의 지속성을 평가하였으며, 그 결과를 Table 8과 Fig. 2에 나타내었다.

Table 8에 나타낸 바와 같이 마조람 및 피톤치드 추출액을 혼입한 항균모르타르들의 장기 항곰팡이 성능은 전반적으로 매우 낮게 조사되었다. 다만, 마조람 추출액 5% (결합재의 중량비)를 혼입한 항균모르타르(M-5)와 피톤치드 추출액 10%를 혼입한 항균모르타르(P-10)는 12개월의 장기 폭로 이후에도 Mold index=1 (10% 미만) 수준을 유지하여 장기 항곰팡이 성능에서도 우수한 것으로 조사되었다(Fig. 2 참조). 반면, 유기계 화학 항곰팡이제를 혼입한 항균모르타르는 Fig. 2에서와 같이 12개월간의 장기 폭로 이후에도 모든 곰팡이(5종류)들이 항균모르타르 표면에서 발아 및 성장하지 못하고 있는 뛰어난 곰팡이 저항성능을 나타내었다. 무기계 화학 항곰팡이제를 혼입한 항균모르타르는 장기 항곰팡이 성능에서도 유기계 항곰팡이제 혼입 항균모르타르에 비해 낮게 나타났다. 그러나 새로운 점은 무기계 혼입 항균모르타르에서 폭로기간이 증가되어도 곰팡이의 성장이 크게 확대되지 못하고 있으며, 폭로기간 12개월 후 측정된 Mold index가 폭로 전 측정된 1~2 (Trace of Growth~Light Growth) 수준을 그대로 유지하고 있다는 것이다. 즉 무기계 화학 항곰팡이제 혼입 항균모르타르의 장기 항곰팡이 성능은 매우 우수하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 천연물계 혼입 항균모르타르의 장기 항곰팡이 성능은 유/무기계 화학 항곰팡이제 혼입 항균모르타르들에 비해 전반적으로 낮게 나타났다. 다만, M-5와 P-10의 경우 폭로 12개월 후에도 Mold index=1 (10% 미만) 수준을 유지하고 있어 그 활용가능성이 기대되었고, 또한 장기 항곰팡이 성능에서 큰 장점을 가지고 있는 유/무기계 화학 항곰팡이제와의 적절한 혼합사용도 고려되어 향후 이에 대한 상세한 검토가 요구된다.

3.4 항균모르타르의 항균성능

본 연구에서는 항곰팡이 성능에서 비교적 우수한 결과를 나타낸 천연물계 항균물질인 마조람 및 피톤치드 추출액(extract)과 이를 이용한 항균모르타르에 대해 대장균, 녹농균, 황색포도상구균에 대한 항균시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table 9에 나타내었다. Table 9에서 보는 바와 같이 마조람 및 피톤치드 추출액의 자체 항균성능은 매우 뛰어났지만, 이를 혼입한 항균모르타르들의 항균성능은 현저하게 감소하였다. 특히 피톤치드 추출액 혼입 항균모르타르의 이들 균들에 대해 저항성능은 거의 없는 것으로 조사되었다. 다만, 마조람 추출액 5% (결합재의 중량비)를 혼입한 항균모르타르(M-5)의 경우 대장균, 녹농균 및 황색포도상구균에 대해 비교적 우수한 성능이 있는 것으로 조사되었다.

4. 결    론

1)천연 항균물질 추출액(extract)들의 자체 항곰팡이 성능 시험결과, 마조람 및 피톤치드 추출액의 항곰팡이 성능은 매우 뛰어난 것으로 조사되었다. 특히 마조람 추출액은 현재 널리 사용되고 있는 유기계 화학 항곰팡이제와 동등수준의 높은 항곰팡이 성능을 보여 그 활용가능성이 기대되었다.

2)피톤치드 추출액의 경우도 다른 천연 항균물질들에 비해 비교적 우수한 곰팡이 저항성능을 나타내었지만, 진균(Gliocladium virens)에 대한 저항력이 현저히 작아 이에 대한 주의가 요구된다.

3)모르타르 적용실험에서도 마조람 추출액을 혼입한 항균모르타르의 항곰팡이 성능은 그 혼입율 3% 이상에서 유기계 화학 항곰팡이제를 혼입한 항균모르타르들과 동등수준의 뛰어난 곰팡이 저항성능을 나타내었다.

4)반면, 피톤치드 추출액을 혼입한 항균모르타르는 그 혼입율을 10% 이상 증가시켜야 우수한 곰팡이 저항성능을 얻을 수 있는 것으로 조사되었다.

5)항균모르타르의 장기 항곰팡이성능 시험결과, 천연물계 항균물질을 혼입한 항균모르타르의 항곰팡이 지속성능은 유/무기계 혼입 항균모르타르에 비해 상대적으로 낮았지만, 마조람 추출액 5% 혼입 항균모르타르와 피톤치드 추출액 10% 혼입 항균모르타르의 장기 항곰팡이 성능은 매우 우수하여 그 활용가능성이 기대된다.

6)대장균, 녹농균, 황색포도상구균에 대한 항균시험결과, 마조람 및 피톤치드 추출액의 자체 항균성능은 매우 뛰어났지만, 이를 혼입한 항균모르타르들의 항균성능은 현저히 감소하였다. 다만, 마조람 추출액 5% 혼입 항균모르타르의 항균성능은 우수한 것으로 조사되어 향후 보다 상세한 검토가 요구된다.