KR100852542B1 - 토양수분관리를 위한 고흡수성폴리머 충진 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부면, 하부면 및 다수의 측면으로 이루어지며, 상기 적어도 하나 이상의 측면은 다공성 외벽으로 구성되어 고흡수성폴리머를 위한 충진공간을 구비하는 고흡수성폴리머 충진구조체를 제공한다.

옥상녹화, 저수, 고흡수성폴리머, 인공지반녹화, 토양수분관리

Description

토양수분관리를 위한 고흡수성폴리머 충진 구조체{THE BODY STRUCTURE FOR FILLING SUPER-ABSORBENT POLYMER FOR SOIL WATER MANAGEMENT}

도 1은 우리나라의 강수 특성(2005년, 2006년)을 나타내는 그래프(기상청 제공).

도 2는 본 발명에 따른 고흡수성폴리머 충진 구조체의 구조도

도 3은 고흡수성폴리머 충진 구조체의 하부면 구조도

도 4는 재활용 스펀지 마개

본 발명은 토양수분관리를 위한 고흡수성폴리머 충진 구조체에 관한 것이다.

도시의 환경 개선과 어메너티 개선을 위해 녹지 확충의 일환으로 옥상을 녹화하는 것은 세계적인 추세이다. 이미 옥상녹화가 도시의 대기질을 향상시키고, 우수의 유출을 감소시키며 열섬현상을 완화시키는 등 긍정적인 효과가 있음이 과학적인 연구를 통해 보고되고 있다. 따라서 세계의 도시들은 옥상녹화의 보급에 노력하 고 있다. 녹화된 옥상의 면적이 많아질수록 옥상녹화의 효과는 더욱 커지기 때문이다.

이와 관련하여 현재 옥상녹화에 관련된 여러 기술들이 개발되고 있다. 우리나라 옥상녹화분야의 최신 특허 동향(2001년 ~ 2006년)을 살펴보면 과거에 비해 세부적인 소재 개발과 시스템 개발을 지향하고 있음을 알 수 있다. 이는 우리나라의 옥상녹화관련 사업 및 연구 주체들이 과거의 선진기술모방의 단계를 벗어나 점차 자체적인 기술 축적에 노력하고 있다는 것을 반증하는 것이다.

옥상녹화지의 효율적인 수분 관리를 위한 기존의 기술은 내건성 식물의 적용, 수분 저장력이 큰 토양 소재의 개발, 저수용량을 키운 저배수판의 개발, 자동관수시스템의 적용, 별도의 빗물 저장소의 설치 등으로 구분할 수 있다. 우선 내건성 식물의 적용은 "세덤매트를 이용한 조경의 시공방법"(대한민국 특허 제 10-0533336호)를 들 수 있다. 이 경우 건조에 강한 세덤류의 식물을 매트형식으로 재배 설치하는 방법이다. 다음의 수분 저장력이 큰 소양 소재의 개발은 "인공지반 녹화용 식생매트"(대한민국 특허 제 10-0537293호), "천연부식성의 무토양식 옥상녹화 매트부재의 제조방법"(대한민국 특허 제 10-0535225호) 등을 들 수 있다. 이 경우 보습력이 좋은 코코피트 등의 유기성 토양개량제를 주로 한 토양의 개발이라 볼 수 있다. 저수용량을 키운 저배수판 소재의 개발은 "인공지반녹화용 모듈과 이를 이용한 인공지반 녹화방법"(대한민국 특허 제 10-0520420호), "옥상녹화용 복층 배수판"(대한민국 특허 제 10-0545797호), "식생블럭을 이용한 인공지반 녹화방법 및 그 장치"(대한민국 특허 제 10-0510256호) 등을 들 수 있다. 이 경우 저수공간이 형성된 플라스틱 등의 사출 성형 자재를 옥상녹화의 바닥재로 사용하는 경우이다. 자동관수시스템의 적용은 "암면식생매트를 이용한 옥상녹화 조성시스템"(대한민국 특허 공개 제 10-2005-0072866호), "섬유토양을 이용한 식물 재배용 용기와 인공정원"(대한민국 특허 공개 제 2003-0011735호) 등을 들 수 있다. 이 경우 별도의 집수조 또는 관수라인에 자동 관수장치를 달아 수분관리를 하도록 하고 있다. 별도의 빗물 저장소의 설치는 "박층 저관리 옥상녹화시스템 및 이의 시공방법"(대한민국 특허 공개 제 10-2006-0025957호)를 들 수 있다. 이 경우 옥상녹화지에 인공연못을 조성하고 이 곳에 모인 물을 식재지 관수용으로 활용하도록 구성되어 있다.

국내 옥상녹화지 조성에 있어 물 관리 기법에 대한 연구는 우리나라의 강수 특성에 기인한다. 우리나라는 도 1에서 보이듯이 일년 동안의 강우가 여름철 집중 호우 기간에 집중되어 있다. 또한 봄철과 가을철에는 강우 간격이 넓어 건조기가 점차 뚜렷해지는 경향을 보이고 있다. 이로 인해 인공지반녹화의 경우 일반 토양 조건과 달리 토심이 제한되어 있고 지하수가 없기 때문에 앞의 기술들이 개발되고 있는 것이다.

하지만 종래의 옥상녹화기술에서의 물 저장 방식은 물이 낮은 곳으로 향하는 특성을 이용해 낮은 곳에 물이 정체될 수 있는 공간을 조성하고자 하는 수동적인 개념이기 때문에 옥상녹화지 단면의 높이가 일반적으로 10~30cm 범위로 제한되는 조건에서 구현해야 하는 실정에서 보면 보다 능동적인 저장과 활용 방법의 개발이 필요하다.

토양 수분 관리는 전통적으로 농업 토양의 물 관리 기법의 분야이다. 건전한 작물의 생육을 유도하기 위한 적절한 토양 수분의 관리는 농업인과 농학자들의 주요 관심사 중에 하나이다. 여러 관개 시설이나 스프링클러와 같은 장치 외에 토양 수분을 관리하기 위한 기법 중에 하나는 고흡수성 폴리머를 작토에 혼합해 주는 것이다. 이러한 고분자 화합물을 이용한 토양의 수분관리 연구는 1950년대부터 시작되었는데, 1952년 Monsanto Chemical사가 개발한 linear hydrolysed polyacry-lonitrile (Ca, Na type)인 Krilium(상품명)이 최초의 토양개량용 고분자 화합물로 알려져 있다. 이 후로 토양개량용 고분자화합물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 기능상으로 토양안정제, 토양보수제, 토양안정/보수제의 3가지로 분류된다. 우선 토양안정제는 고분자와 토양 입자와의 다양한 결합형태로 토양의 유실을 방지하고, 입단구조를 발달시켜 배수 및 통기 등 토양의 물리적 성질을 개량. 대부분 액상으로 처리해야 효과적이며, 관수에 의한 토양 유실 방지 및 관수주기를 연장해서 물 소비를 줄이는 효과가 있다. 토양보수제는 가교된 폴리머의 수분 흡수 및 배출 특성을 이용한 것으로, 이미 가교결합된 고분자를 토양에 섞어주면 수분이 공급되면서 고분자가 자체 질량의 40~1,000배 가량의 물을 흡수, 저장하게 되며, 저장된 물의 대부분(95%이상)이 유효수분으로 공급하고, 모두 고체 입상 또는 분말 형태이며 고분자의 팽창과 수축에 의한 토양 구조 개선 효과도 있다. 토양안정/보수제는 토양 구조를 안정화시켜 침식을 방지할 수 있으면서 많은 양의 수분을 저장할 수 있도록 설계된 고분자로 접착제와 고흡수성 겔의 역할을 동시에 수행하나, 아직까지는 상용화 초기 단계에 머물고 있다. 이러한 고흡수성폴리머는 사용상에 유의점이 있다. 즉 토양의 공극이 한정되어 있기 때문에 무조건 흡수능이 높은 폴리머 가 유용한 것은 아니며, 투입량 또한 공극의 크기와 양에 따라 조정해야 하는데 이는 과투입시 토양층 자체가 겔화되어 투수는 물론 통기성까지 악화시키기 때문이다.

옥상녹화에 고흡수성폴리머를 활용하는 방법은 첫째, 토양 재료에 혼합해서 쓰는 방법과 둘째, 강수 또는 관개수로 유입된 후 식재층을 통과해 배수된 물을 폴리머에 의해 고정될 수 있게 하여, 건조시 식물이 이용할 수 있도록 하는 방법을 쉽게 착안할 수 있다. 하지만 첫째의 경우, 투입량의 제한과 둘째의 경우, 적용 공간의 제한으로 실효성이 작다.

본 발명은 상기한 바와 같이 종래기술이 가지는 한계를 극복하기 위해 제안된 것으로, 종래 옥상녹화기술의 물 저장 방식과는 달리 고흡수성폴리머를 이용해 능동적으로 물을 저장함으로써 물 저장고의 공간 활용율을 향상시키고, 고흡수성폴리머가 물을 저장하고 배출하는 과정에서 발생하는 부피 변화로 인해 토양의 구조를 교란하는 것을 막고 자유로운 물의 이동을 담보하기 위한 고흡수성폴리머 충진구조체를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상부면, 하부면 및 다수의 측면으로 이루어지며, 상기 적어도 하나 이상의 측면은 다공성 외벽으로 구성되어 고 흡수성폴리머를 위한 충진공간을 구비하는 고흡수성폴리머 충진구조체를 제공한다.

바람직하게는 본 발명에 따른 고흡수성폴리머 충진구조체의 하부면은 고흡수성폴리머 투입구가 구비되고, 상기 투입구를 막는 스폰지를 포함한다.

또한, 바람직하게는 본 발명에 따른 고흡수성폴리머 충진구조체는 전체 측면을 다공성 외벽으로 구성한다.

이하, 본 발명의 내용을 도 2에 제시한 구현예를 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2에 예시된 본 발명에 따른 고흡수성폴리머 충진구조체는 식물의 뿌리는 관통할 수 없고 물의 출입은 자유로운 크기로 개방된 다공성 외벽, 상기 다공성 외벽이 적어도 하나 이상의 측면으로 부착되어지고 전체 구조를 유지하기 위한 내부 골격을 포함한다. 이때, 내부골격은 밀폐구조를 위해 상부면과 하부면이 구비되며, 하부면은 스폰지가 삽입되는 고흡수성폴리머 투입구가 구비되어 있다.

상기 구성을 세분하여 재료와 기능에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

다공성 외벽(a); 외벽을 구성할 수 있는 재료로는 다공질의 세라믹 판을 들 수 있으며, 다공질 외벽으로 판의 안과 밖의 수두차와 모세관 현상에 의해 물이 출입하게 된다. 즉 강우나 관수로 토양 중의 자유수가 풍부하게 되면 상대적으로 자유수가 부족한 구조체 내부와 수두차가 발생하기 때문에 구조체 안으로 물이 이동하게 되며, 이동된 물은 폴리머가 팽창하면서 저장된다. 반대로 강우 주기나 관수 주기가 길어짐에 따라 토양의 수분함량이 감소하게 되면, 폴리머에 저장된 물이 삼투압에 의해 다공성 세라믹 판을 통과해 토양 쪽으로 이동하게 된다. 다공성 세라 믹 판의 두께는 0.5~1.0cm가 적당하며, 내부 골격의 바깥면에 미리 형성해 놓은 구조에 끼워 조립한다.

내부 골격(b); 골격을 구성하는 물질로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 플라스틱이나 녹슬지 않는 합금 소재를 이용해 골격을 형성할 수 있다. 바람직하게는 밟거나 웬만한 타격에 의해 변형되거나 깨지지 않을 만큼의 강도를 갖으며, 골격의 상부는 막혀져 있고 경우에 따라 지면으로 노출시켜 적용할 때는 색이나 문양을 넣어 보도재로 사용할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 측면은 개방된다. 바람직하게는 측면이 망의 형태로 개방되어 있으며 여기에 다공성 세라믹 판을 끼워 조립할 수 있는 구조를 가지고 있다. 이때 다공성 세라믹판은 측면 전체에 걸쳐 구비되어도 좋고, 물의 이동성을 크게 제한하지 않는 한 일부 측면에만 구비되어도 좋다. 하단은 재활용 스펀지가 부착되어 있는 망의 구조로 골격의 상부에 조립된다.

고흡수성폴리머; 일반적인 토양개량용 고흡수성폴리머가 사용될 수 있다. 예를 들어 폴리아크릴레이트 계통을 사용하는 경우 자체 중량의 200배 정도의 물을 흡수하여 저장할 수 있다. 저장된 물은 95% 이상 대부분은 재방출되며, 다시 물을 가하면 원래의 흡수용량 만큼 재수화된다. 따라서 고흡수성폴리머의 투입량은 내부 공간의 부피가 1000ml일 때 5g 정도를 투입하는 것이 적당하다. 과하게 투입되면 내부 팽압으로 구조체의 변형이 발생할 수 있다.

스펀지 마개(c); 구조체의 하단에 고흡수성폴리머를 충진하는 투입구를 가지며, 폴리머 충진 후 막아주는 마개의 기능을 함과 동시에 식재층과 접촉함에 따라 식재 바닥면을 따라 이동하는 물을 빨아올려 구조체 내부의 폴리머 쪽으로 이동시 키는 심지 역할을 한다.

본 발명의 구조체를 완성하는 단계는 내부골격에 다공성 외벽을 4면에 끼워 넣고, 상부면이 아래로 향하게 뒤집은 후 수화팽창되는 비율을 미리 확인하여 투입량을 계산한 고흡수성폴리머를 집어넣은 후 하부면을 끼워 조립하고 나서, 마지막으로 하부면의 구멍을 스펀지로 막는 순서로 완료된다.

이하, 설명을 위한 예시로서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 설명은 예시일 뿐 본 발명의 범위를 도면으로 한정하지 않는다.

도 2는 다공성 외벽(a)와 내부골격(b)에 대한 예시이며, 다공성 외벽(a)이 내부골격(b)에 부착되는 양태를 설명한 것이다. 내부골격은 전체적으로 망구조의 다각기둥의 형태를 가질 수 있고, 예를 들어, 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥 등의 다양한 형태의 기둥 형상을 가져도 좋다. 본 발명의 구현예에서는 다공성 외벽(a)은 총 4개의 옆면에 부착되며, 내부골격(b)에는 다공성 외벽(a)이 끼워질 수 있도록 홈이 형성되어 있어, 조립을 용이하게 한 예가 제시되고 있다. 내부골격(b)의 윗면(b-1)은 폐쇄되어 있고 나머지 면은 개방된 채 4개의 기둥(b-3)에 의해 형성된다. 가운데 기둥(b-2)은 상부면(b-1)을 지지하는 역할을 한다.

도 3은 도 2에 제시된 구조에 끼워 조립하여 하부 면(c)을 구성하는 것을 표현한 것이다. 하부 면은 도 4에 예시된 스펀지(d)를 끼울 수 있는 구멍(c-2)과, 내부골격(b)의 기둥(b-2, b-3)에 형성된 구멍에 끼워질 수 있는 작은 기둥(c-1)로 구성된다.

도 4는 하부면(c)에 조성된 구멍(c-2)에 꽉 끼워 들어갈 수 있는 크기로 재 단된 재활용 스펀지의 모양을 보여준다.

한편, 전술한 설명에서는 본 발명의 고흡수성폴리머 충진 구조체가 옥상녹화용으로서 사용된 것을 전제로 예시되었으나 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 구조체는 건축물 옥상 외에도 다양한 인공지반구조물 위의 토양의 수분관리에 적용될 수 있으며, 외부로 노출시킬 때에는 보행자를 위한 디딤돌 역할을 할 수 있기 때문에 그린블럭 등의 사고석으로 활용될 수 있다는 것을 본 발명이 속한 기술분야의 당업자라면 이해할 수 있는 것이다.

본 발명의 구조체의 적용분야를 구체적인 적용예를 들어 설명하면 다음과 같다.

<적용예 1>

옥상녹화가 조성된 식재지의 토양에 본 발명의 구조체를 식물 뿌리 부근에 묻었다. 구조체의 크기를 100mm x100mm x 100mm(가로 x 세로 x 높이)로 하여 구조체 하나당 1,000cc의 수분저장고 역할을 하게 하였으며, 1㎡당 9개(가로 세로 3개씩)를 설치하여 약 9,000cc의 물을 저장할 수 있었다. 이는 일반적인 인공경량의 옥상녹화토양의 포장용수량에 해당하게 되므로 한번의 강수 또는 관수로 공급되는 양이 된다.

<적용예 2>

답압을 방지하고 잔디가 자랄 수 있도록 고안된 플라스틱 구조체(예를 들어 그린블럭)에는 보행을 돕기 위해 사고석을 끼워 넣는다. 하지만 사고석은 직사광선에 의해 주변 온도를 높이기 때문에 잔디의 생육에 부정적인 영향을 줄 수 있고, 물을 저장할 수 없는 재료이다. 이러한 사고석을 고흡수성폴리머 충진구조체로 대체하면 지속적인 물 공급에 효과적이다.

이상 본 발명을 첨부된 도면 및 상기 실시예에 따라 설명하였으나, 본 발명은 첨부된 도면 및 개시된 실시예에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지에 따라 수정 변경이 가능하며, 이러한 수정 변경 또한 본 발명의 범위에 속한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

상기된 바와 같이, 본 발명의 고흡수성폴리머 충진구조체는 옥상녹화를 포함한 식재지에서 강수나 관수로 확보된 물을 저장하였다가 모세관 현상을 통해 주변 토양으로 공급할 수 있기 때문에 수분의 손실을 막고 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.

Claims (4)

1. 다공성 외벽; 전체 구조를 유지하며, 상기 다공성 외벽이 적어도 하나 이상의 측면으로 부착되어지는 내부 골격; 및 상기 내부골격을 밀폐하기 위한 상부면과 하부면을 구비하고, 상기 하부면은 고흡수성폴리머 투입구와, 상기 투입구를 막는 스폰지를 포함하는 고흡수성폴리머 충진구조체
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 전체 측면이 다공성 외벽으로 구성되는 고흡수성폴리머 충진구조체
4. 삭제

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