🧪 EPS(스티로폼) 심층 분석 - 제조공정부터 장단점까지 (2/3)

# 🧪 EPS(스티로폼) 심층 분석 - 제조공정부터 장단점까지 (2/3) 1회차에서는 다양한 단열재를 비교했습니다. 이번에는 건축 시장의 절대강자 **EPS(발포 폴리스티렌)**의 모든 것을 과학적으로 파헤쳐보겠습니다!

 

🔑 KEYWORD

EPS, 발포폴리스티렌, 스티로폼, 스타이렌모노머, 폴리스티렌, 중합반응, 발포공정, 단열재제조, SM, PS, 예비발포, 성형발포, 열전도율, 비드발포, 단열재시공, 친환경단열재

📊 Executive Summary

• EPS는 스타이렌 모노머(SM)에서 시작하여 폴리스티렌(PS) 중합, 그리고 발포 과정을 거쳐 탄생합니다
• 제조공정은 3단계: 예비발포(Pre-expansion) → 숙성(Aging) → 성형발포(Molding)
• 가격 대비 성능이 탁월하여 국내 단열재 시장 점유율 1위(약 45%)
• 열전도율 0.030~0.038 W/m·K로 우수한 단열성능을 저렴한 가격에 제공
• 환경 이슈: 재활용 가능하나 방화성능 보완이 과제

📑 목차

1. EPS란 무엇인가?
2. 원료의 탄생: 스타이렌 모노머(SM)
   1. SM 생산 과정
   2. SM의 화학적 특성
3. 폴리스티렌(PS) 합성
   1. 중합반응 메커니즘
   2. PS의 종류
4. EPS 제조공정
   1. 1단계: 예비발포
   2. 2단계: 숙성
   3. 3단계: 성형발포
   4. 4단계: 절단 및 가공
5. EPS의 장점 상세 분석
6. EPS의 단점과 해결책
7. 시공 방법과 품질 관리
8. 마무리 및 다음 편 예고

🎯 EPS란 무엇인가?

EPS(Expanded PolyStyrene)는 발포 폴리스티렌의 약자로, 우리가 흔히 '스티로폼'이라고 부르는 소재입니다. 폴리스티렌 수지에 발포제를 첨가하여 팽창시킨 것으로, 부피의 98%가 공기로 이루어져 있습니다.

💡 역사적 배경

EPS는 1950년대 독일 BASF社에서 개발되었습니다. 초기에는 포장재로 사용되었으나, 1970년대 오일쇼크 이후 에너지 절약이 중요해지면서 건축용 단열재로 각광받기 시작했습니다. 현재는 전 세계 건축용 단열재 시장에서 가장 많이 사용되는 소재입니다.

🔬 EPS의 구조

EPS는 직경 3~8mm의 작은 비드(구슬)들이 융착되어 형성된 구조입니다. 각 비드 내부에는 수백만 개의 미세한 기포가 있으며, 이 기포들이 공기를 가두어 열 전달을 차단합니다.

🔑 핵심 개념

정지된 공기층이 최고의 단열재입니다. 공기의 열전도율은 0.024 W/m·K로 매우 낮지만, 대류 현상이 일어나면 효과가 감소합니다. EPS는 무수히 많은 작은 기포에 공기를 가둬 대류를 차단하여 이상적인 단열 효과를 구현합니다.

🧬 원료의 탄생: 스타이렌 모노머(SM)

EPS의 여정은 스타이렌 모노머(Styrene Monomer, SM)에서 시작됩니다. SM은 EPS뿐만 아니라 플라스틱, 합성고무, 합성수지 등 다양한 제품의 기초 원료입니다.

📐 SM 생산 과정

SM은 2단계 화학반응을 통해 생산됩니다.

STEP 1: 에틸벤젠 합성

벤젠(Benzene) + 에틸렌(Ethylene) → 에틸벤젠(Ethylbenzene)

C₆H₆ + C₂H₄ → C₆H₅C₂H₅

• 촉매: 알루미늄 클로라이드(AlCl₃) 또는 제올라이트
• 온도: 90~100℃
• 압력: 1~2기압
• 수율: 약 99%

STEP 2: 스타이렌 모노머 생성

에틸벤젠 탈수소화(Dehydrogenation) → 스타이렌 모노머

C₆H₅C₂H₅ → C₆H₅C₂H₃ + H₂

• 촉매: 산화철(Fe₂O₃) + 산화크롬(Cr₂O₃)
• 온도: 600~650℃ (고온 필수)
• 압력: 0.3~0.5기압 (감압)
• 수율: 약 90~92%

석유 정제

→

벤젠 + 에틸렌

→

에틸벤젠

→

스타이렌 모노머(SM)

⚗️ SM의 화학적 특성

특성	값	설명
분자식	C₈H₈	탄소 8개, 수소 8개
분자량	104.15 g/mol	비교적 가벼운 화합물
끓는점	145℃	상온에서 액체 상태
밀도	0.906 g/cm³	물보다 가벼움
외관	무색 투명 액체	특유의 달콤한 냄새
반응성	높음	쉽게 중합반응 일으킴

⚠️ 안전성 정보

SM은 인화성 액체로 취급에 주의가 필요합니다. 또한 장시간 노출 시 건강에 영향을 줄 수 있어, 제조 공정에서는 엄격한 안전 관리가 이루어집니다. 다만 최종 제품인 EPS에는 SM이 거의 남아있지 않아(0.1% 미만) 사용에는 문제가 없습니다.

🔗 폴리스티렌(PS) 합성

스타이렌 모노머는 중합반응(Polymerization)을 통해 폴리스티렌(PS)이 됩니다. 이는 수백~수천 개의 SM 분자가 긴 사슬 형태로 연결되는 과정입니다.

⚙️ 중합반응 메커니즘

PS는 주로 라디칼 중합(Radical Polymerization) 방식으로 합성됩니다.

중합 과정

1. 개시(Initiation): 개시제(예: 벤조일 퍼옥사이드)가 열에 의해 분해되어 라디칼 생성
2. 성장(Propagation): 라디칼이 SM의 이중결합을 공격하여 연쇄적으로 결합
3. 종결(Termination): 두 라디칼이 만나거나 불순물과 반응하여 중합 종료

n(C₈H₈) → (C₈H₈)ₙ

n = 500~5,000 (분자량: 50,000~500,000)

🌡️ 중합 조건

항목	조건	비고
온도	80~180℃	방식에 따라 다름
압력	1~10기압	괴상 중합은 상압
시간	4~24시간	목표 분자량에 따라
개시제	0.01~0.1%	벤조일 퍼옥사이드 등

📦 PS의 종류

GPPS (General Purpose PS)

범용 폴리스티렌

• 투명하고 광택이 좋음
• 가공성 우수
• 충격에 약함 (취성)
• EPS의 원료로 사용

HIPS (High Impact PS)

내충격 폴리스티렌

• 고무 성분 첨가
• 충격 강도 5~10배 향상
• 불투명함
• 가전제품 케이스 등에 사용

🔍 EPS 제조용 PS의 특징

EPS용 PS는 현탁 중합(Suspension Polymerization) 방식으로 생산됩니다. 이 과정에서 SM에 발포제(주로 펜탄, C₅H₁₂)를 함께 넣어 중합하면, PS 비드 내부에 발포제가 포함된 상태로 만들어집니다. 이것이 바로 발포성 폴리스티렌(EPS Beads)입니다.

🏭 EPS 제조공정

발포성 PS 비드가 최종 EPS 단열재가 되기까지는 3단계 핵심 공정을 거칩니다.

1️⃣ 1단계: 예비발포 (Pre-expansion)

공정 설명

발포성 PS 비드를 증기로 가열하여 1차 팽창시키는 과정입니다.

🔥 작동 원리

• 온도: 95~100℃ (수증기 사용)
• 시간: 3~5분
• 팽창배율: 원래 크기의 20~60배

⚗️ 화학적 변화

1. 고온 증기가 PS 비드에 열 전달
2. PS가 유리전이온도(약 100℃) 도달 시 부드러워짐
3. 내부 펜탄 발포제가 기화하며 팽창
4. PS가 냉각되며 팽창된 상태로 고정

💡 밀도 조절의 비밀

예비발포 시 증기 공급 시간과 온도를 조절하여 최종 제품의 밀도를 결정합니다. 건축용 EPS는 보통 14~20kg/m³ 밀도로 제조되며, 밀도가 높을수록 강도는 증가하지만 단열성능은 다소 감소합니다.

2️⃣ 2단계: 숙성 (Aging)

공정 설명

예비발포된 비드를 12~24시간 실온에서 안정화시키는 과정입니다.

🎯 목적

• 비드 내부 압력 균형화
• 외부 공기가 비드 내부로 침투
• 최종 성형 시 균일한 융착 보장
• 치수 안정성 확보

⏰ 숙성 시간에 따른 차이

• 12시간: 최소 기준 (일반 제품)
• 24시간: 권장 시간 (고품질 제품)
• 48시간 이상: 특수 용도 (초고밀도 제품)

⚠️ 숙성 불량 시 문제점

숙성이 불충분하면 최종 성형 시 비드 간 융착 불량이 발생하여 제품 강도가 저하됩니다. 또한 치수 변화가 발생하여 시공 후 틈이 생길 수 있습니다.

3️⃣ 3단계: 성형발포 (Molding)

공정 설명

숙성된 비드를 금형에 넣고 다시 증기로 가열하여 비드들을 융착시켜 블록이나 보드 형태로 만듭니다.

🔧 공정 단계

1. 충진(Filling): 금형에 비드 투입
2. 증기 주입: 110~120℃ 고압 증기
3. 2차 팽창 및 융착: 비드 표면이 녹아 붙음
4. 냉각: 물 스프레이로 급속 냉각
5. 탈형: 완성된 블록 꺼내기

📏 표준 제품 규격

제품 형태	크기	용도
대형 블록	6m × 1.2m × 0.6m	절단 가공용
표준 보드	1.0m × 0.5m × 두께 가변	건축 현장 직접 사용
특수 형상	주문 제작	단열 블록, 포장재

4️⃣ 4단계: 절단 및 가공

가공 방법

• 열선 절단: 가장 일반적, 깨끗한 단면
• 기계 톱질: 대량 생산용
• CNC 가공: 복잡한 형상 제작

🎨 표면 처리

• 표면 코팅: 방화성능 향상
• 필름 라미네이팅: 습기 차단
• 알루미늄 포일: 복사열 반사

발포성 PS 비드

→

예비발포 (20~60배)

→

숙성 (12~24시간)

→

성형발포

→

절단/가공

→

EPS 단열재

✅ EPS의 장점 상세 분석

💰 1. 탁월한 경제성

EPS는 단열재 중 가격 대비 성능이 가장 우수합니다.

항목	EPS	XPS	우레탄폼
재료비 (원/㎡)	2,000~4,000	5,000~8,000	10,000~15,000
시공비 포함 (원/㎡)	3,500~6,000	7,000~11,000	13,000~18,000
열전도율 (W/m·K)	0.030~0.038	0.028~0.036	0.020~0.028
가성비 점수	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐

📊 실제 프로젝트 비교

30평 주택 외벽 단열 공사 기준 (100mm 두께)

• EPS: 약 120만 원
• XPS: 약 220만 원 (83% 비쌈)
• 우레탄폼: 약 380만 원 (217% 비쌈)

단열 효과는 EPS와 XPS가 거의 유사하지만, EPS가 절반 가격입니다!

🌡️ 2. 우수한 단열성능

EPS의 열전도율은 0.030~0.038 W/m·K로 매우 낮습니다.

🔬 단열 원리

• 98% 공기 함유: 정지된 공기층이 열 전달 차단
• 독립 기포 구조: 기포 간 대류 최소화
• 균일한 밀도: 전체적으로 일정한 성능
• 장기 안정성: 시간이 지나도 성능 유지

⚖️ 3. 경량성

EPS의 밀도는 14~30 kg/m³로 매우 가볍습니다. 콘크리트(2,400 kg/m³)의 약 1/100 수준입니다.

💡 시공상의 이점

• 운반 및 취급 용이
• 건물 구조물에 부담 적음
• 작업 속도 향상 (30% 빠름)
• 인건비 절감

💧 4. 우수한 습기 저항성

EPS는 흡수율 3% 미만으로 습기에 강합니다. 독립 기포 구조로 인해 물이 내부로 침투하기 어렵습니다.

🔨 5. 뛰어난 가공성

EPS는 다양한 방법으로 쉽게 가공할 수 있습니다.

• 절단: 일반 톱, 커터칼, 열선
• 천공: 드릴, 홀쏘
• 접착: 전용 접착제, 모르타르
• 형상 가공: 3D 곡면 제작 가능

♻️ 6. 재활용 가능

EPS는 100% 재활용 가능한 열가소성 수지입니다. 폐 EPS를 수거하여 재가공하면 다시 PS 펠렛으로 만들 수 있습니다.

❌ EPS의 단점과 해결책

🔥 1. 낮은 방화성능

문제점

• 가연성 물질 (유기 재료)
• 화재 시 유독가스 발생 가능
• 고온에서 수축 및 용융

✅ 해결책

• 난연제 첨가: HBCD, 인계 난연제 혼합
• 방화 코팅: 표면에 불연재료 피복
• 복합 구조: 석고보드, 시멘트 마감재와 조합
• 화재 차단층: 일정 층수마다 불연재료 설치

🏛️ 법규 대응

국내 건축법상 6층 이상 건물의 외벽은 준불연 이상 재료 사용이 의무화되어 있습니다. 이 경우 EPS 대신 암면이나 페놀폼을 사용하거나, EPS 위에 두꺼운 불연성 마감재를 시공해야 합니다.

💪 2. 제한적인 압축 강도

문제점

• 밀도 20kg/m³ 기준 압축강도: 약 80~100 kPa
• XPS(200~300 kPa)에 비해 낮음
• 하중 지지 용도에는 부적합

✅ 해결책

• 고밀도 제품 사용: 30kg/m³ 이상 (압축강도 150kPa)
• 적절한 용도 선택: 벽체, 지붕에는 일반 EPS, 바닥에는 고밀도 EPS
• 보강 구조: 하중 집중 부위는 XPS 또는 콘크리트로 보강

🧪 3. 유기용제에 약함

문제점

• 아세톤, 톨루엔 등 용제에 녹음
• 일부 접착제, 도료 사용 불가

✅ 해결책

• EPS 전용 접착제 사용: 수성 또는 폴리우레탄 계열
• 도료 선택: 수성 페인트 사용
• 보호층 설치: 플라스틱 필름으로 보호

☀️ 4. 자외선 취약성

문제점

• 장기간 직사광선 노출 시 황변
• 표면 분해 및 강도 저하

✅ 해결책

• 마감재 시공: 외벽은 반드시 마감재로 보호
• UV 차단 코팅: 장기 야적 시 필요
• 신속한 시공: 설치 후 빠르게 마감

🔧 시공 방법과 품질 관리

📐 시공 방법

외벽 단열 시공 순서

1. 벽면 준비: 이물질 제거, 평탄 작업
2. 접착제 도포: EPS 뒷면에 점 또는 줄 도포
3. EPS 부착: 하부부터 상부로, 줄눈 엇갈림 배치
4. 고정핀 설치: 보강 고정 (1㎡당 5~7개)
5. 조인트 처리: 틈새를 발포 우레탄으로 충진
6. 메쉬 부착: 유리섬유 메쉬로 표면 보강
7. 미장 마감: 시멘트 모르타르 2~3회 바름
8. 도장: 외벽 도료로 최종 마감

✅ 품질 관리 포인트

항목	기준	확인 방법
밀도	14~30 kg/m³	무게 측정 후 부피로 나눔
두께	±3mm 이내	버니어 캘리퍼스로 측정
직각도	±2mm/m	직각자로 확인
평탄도	±5mm/2m	직선자로 확인
비드 융착	균일해야 함	육안 및 손으로 확인

⚠️ 시공 시 주의사항

• 날씨: 비 오는 날, 영하의 날씨에는 시공 금지
• 접착제 양생: 충분한 건조 시간 확보 (24~48시간)
• 열교 방지: 틈새 없이 시공, 구조체와의 연결부 특히 주의
• 화기 주의: 용접, 그라인더 작업 시 화재 위험

 

🎬 마무리 및 다음 편 예고

오늘은 EPS의 제조공정을 원료인 스타이렌 모노머부터 최종 제품까지 상세히 살펴보았습니다. EPS가 건축 단열재 시장의 절대강자인 이유를 이해하셨을 것입니다.

✅ 핵심 요약

• 제조공정: SM → PS → 예비발포 → 숙성 → 성형발포 → 가공
• 최대 장점: 탁월한 가성비 (경쟁 제품 대비 1/2~1/3 가격)
• 단열성능: 0.030~0.038 W/m·K로 우수
• 주요 약점: 낮은 방화성능 → 난연제 첨가 및 마감재로 보완
• 시장 점유율: 국내 단열재 시장 약 45% (압도적 1위)

🔜 다음 편 예고: 단열재 시장 트렌드와 미래 전망

3회차에서는 단열재 산업 전체를 조망하고 미래를 전망합니다!

📚 3회차 주요 내용

• 글로벌 단열재 시장 분석: 시장 규모, 성장률, 지역별 동향
• 국내 시장 트렌드: 제로에너지 건축물, 그린 리모델링 정책
• 친환경 단열재 부상: 바이오 기반, 재활용 소재
• 기술 혁신: 에어로겔, 진공 단열재, 스마트 단열재
• EPS의 미래: 난연 성능 강화, 친환경 발포제
• 투자 전망: 어떤 단열재 기업이 유망한가?

단열재 시장의 과거, 현재, 미래를 한눈에 파악하고, 투자 인사이트까지 얻어가세요!

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