코코넛 섬유를 활용한 지속 가능한 건축용 패널 설계 = Design of Sustainable Construction Panels Utilizing Coconut Fibers

국문 초록 (Abstract)

녹색 저탄소와 실내 건강이라는 두 가지 요구를 충족시키기 위해, 본 연구에서는 코코넛 섬유-저 포름알데히드(Formaldehyde) 접착제-기능성 첨가제 시스템을 기반으로 한 개발 방안을 제시하였다. 이를 통해 기존 목재 보드의 자원 소모, VOCs 방출, 고 에너지 소비 문제를 해결하고, 실현 가능한 지속가능 건축용 보드 솔루션을 제공하였다.
재료·공정·표준·설계 방법 관점에서 출발하여 코코넛 섬유의 구조적 특성과 개질 방법 및 논리를 체계화하고, LCA(Life Cycle Assessment)와 모듈 화(module) 개념을 결합하여 코코넛 섬유의 평가 및 설계 프레임워크를 더욱 완성하였다.
재료와 공정 측면에서는 코코넛 섬유를 기재로 사용하고, 요소수지/전분 복합 접착제를 접착제로 선택하며, 팽창 흑연 무 할로겐 난연 제를 도입하였다. 전 처리, 층별 적층, 냉압성형(Cold Press Forming), 상온 양생 과정을 거쳐 샘플을 제작하고 성능을 테스트하였다(MOR/MOE, 못 박힘 저항, 두께 팽창률, LOI, UL-94 등).
결과는 다음과 같다. 샘플의 MOR은 약 7-9MPa, 못 박힘 저항은 약 300N으로 실내 비구조용으로 적합하며, 난연 성능은 모두 UL-94 V-0 등급을 만족하고, LOI는 25%를 훨씬 초과하였다. 또한 환경 친화성과 공정 실현 가능성 측면에서도 우수하였다.
이러한 기반 위에, 사용자 측과 시장 측을 동시에 고려한 ‘기능 인지–재료 신뢰–미적 선호–설치 편의–구매 의향’의 5차원 사용자 수용성 프레임워크를 구축하였다. 반구조화 인터뷰(N=10)를 통해, 사용자 측에서 저VOC/ 무 포름알데히드 재료, 탈부착 가능, 표준화, 가성비 등 요구 사항을 명확히 확인하였다.
이를 바탕으로 ‘모듈 화–교체 가능–저유지–재활용 가능’이라는 설계 철학을 제안하였으며, ‘맞춤 연결-표준 모듈-탈부착’ 방식의 건식 내장 구조 개념을 형성하였다. 이를 통해 제품의 분리, 교체, 재활용 사용이 가능하며, 사용 편의성과 유지관리 용이성을 향상시켰다.
연구 결과, 재료·공정-설계 통합 경로는 탄소 정점/탄소 중립 목표 및 건강·녹색 건축자재 기준과 잘 부합하며, 확장 가능성이 크다.
한계 및 전망: 현재 샘플은 장기 습기 내구성과 표면 소수성 측면에서 추가 최적화가 필요하며(표면 코팅 또는 소수성 조제), 습 열 환경에서의 치수 안정성과 사용 수명 개선이 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To meet the dual requirements of green low-carbon development and indoor health, this study proposes a development approach based on a coconut fiber–low-formaldehyde adhesive–functional additive system. Through this system, it aims to address issues such as the high resource consumption, VOC emissions, and energy intensity associated with conventional wood-based boards, thereby providing a feasible and sustainable building board solution.
Starting from the perspectives of materials, processes, standards, and design methods, the structural characteristics, modification techniques, and theoretical basis of coconut fiber were systematically organized. By integrating Life Cycle Assessment (LCA) with the concept of modularization, a more comprehensive evaluation and design framework for coconut fiber was established.
In terms of materials and processes, coconut fiber was used as the substrate, a urea–starch composite adhesive was selected as the binder, and expanded graphite halogen-free flame retardant was introduced. After undergoing pretreatment, layer-by-layer lamination, cold press forming, and room-temperature curing, samples were fabricated and tested for performance, including MOR/MOE, nail-holding resistance, thickness swelling ratio, LOI, and UL-94 rating.
The results showed that the samples exhibited an MOR of approximately 7–9 MPa and nail-holding resistance around 300 N, making them suitable for non-structural indoor applications. All samples achieved the UL-94 V-0 flame-retardant rating and had an LOI well above 25%. In addition, the material demonstrated excellent environmental compatibility and process feasibility.
Building upon this foundation, a five-dimensional user acceptance framework—comprising functional cognition, material trust, aesthetic preference, installation convenience, and purchase intention—was constructed to account for both user and market perspectives. Through semi-structured interviews (N=10), key user requirements such as low VOC and formaldehyde-free materials, detachability, standardization, and cost-effectiveness were identified.
Based on these findings, a design philosophy emphasizing “modularity, replaceability, low maintenance, and recyclability” was proposed, leading to the concept of a dry interior construction system characterized by customized joints, standardized modules, and detachable components. This approach enables the disassembly, replacement, and reuse of products, thereby improving user convenience and maintenance efficiency.
The study concludes that the integrated material–process–design pathway aligns well with carbon peak/carbon neutrality goals and the standards for green and healthy building materials, offering high potential for broader application.
Limitations and Outlook: Further optimization is needed in long-term moisture durability and surface hydrophobicity (via surface coatings or hydrophobic agents) to enhance dimensional stability and service life under humid and thermal environments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 문제 제기 1
• 1.1.1 건축 분야의 녹색 저탄소와 실내 건강의 이중 요구 1
• 1.1.2 전통 목 섬유 보드(Wood wool board)의 한계점 1
• 1.1.3 코코넛 섬유의 자원화 활용과 대체 잠재력 2
• 1.2. 연구 목적과 의미 3
• 1.2.1 연구 목적 3
• 1.2.2 연구 의의 4
• 1.3. 선행연구 5
• 1.3.1 코이어 섬유에 대한 문헌 조사 및 비교 분석 5
• 1.3.2 지속가능 소재에 대한 국내외 연구 동향 및 종합 리뷰 7
• 1.3.3 지속가능 건축 판재 설계에 관한 국내외 연구 동향 및 종합 리뷰 9
• 1.4. 이론적 의의와 실천적 가치, 그리고 연구의 혁신 점 11
• 1.4.1 재료 혁신 11
• 1.4.2 상온 성형을 통한 에너지 소비 최적화 12
• 1.4.3 조립식 건축을 위한 모듈 화 제품 설계 혁신 13
• 1.5. 연구방법 13
• 1.5.1 문헌 분석 방법 14
• 1.5.2 면담 방법 및 설문 조사 14
• 1.6. 논문 구조도 17
• 제 2 장 코이어 섬유 재료 및 지속가능 건축용 판재에 관한 이론적 논의 18
• 2.1. 코코넛 섬유 소재와 지속가능 건축 보드 관련 이론적 고찰 18
• 2.1.1 코코넛 섬유의 형태, 성분 및 다공성 구조적 특성 18
• 2.1.2 표면 개질 및 계면 처리 기술 19
• 2.1.3 식물 섬유 복합재의 대표적 응용 사례 21
• 2.2. 건축용 판재의 기재 및 공정 설명 22
• 2.2.1 건축용 판재의 기본 형태 22
• 2.2.2 건축용 판재의 제작 방법 23
• 2.2.3 건축용 판재의 기능 최적화 24
• 2.3. 건축용 판재 관련 기준 및 법규 (Standards and Regulations for Building Boards) 25
• 2.3.1 기계적 성능(MOR/MOE/못 체결력) 25
• 2.3.2 난연성과 연기/유독성(LOI 및 UL-94) 26
• 2.3.3 실내 공기 질(VOC/포름알데히드 한계 및 건강 규정) 26
• 2.4. 지속 가능한 설계 관련 이론적 고찰 (Theoretical Framework of Sustainable Design) 27
• 2.4.1 지속 가능한 설계 개요 27
• 2.4.2 지속 가능한 설계의 설계 요소 27
• 2.4.3 지속 가능한 설계 원칙 28
• 2.4.4 지속가능 설계의 설계 방법 29
• 제 3 장 코코넛 코이어(Coconut Coir Fiber) 지속가능 건축 판재 설계에 필요한 재료와 공정 방법 31
• 3.1. 원재료 및 배합 설계 31
• 3.1.1 코코넛 코이어 섬유 등급화 31
• 3.1.2 접착제 시스템 32
• 3.1.3 난연 시스템 32
• 3.2. 예 처리 및 복합 성형 공정 33
• 3.2.1 알칼리 처리 파라미터 33
• 3.2.2 혼합, 포설 및 상온 압착 조건 34
• 3.2.3 표면 처리, 소수성 및 후속 양생 35
• 3.3. 실험 설계 및 특성 평가 방법 36
• 3.3.1 실험 설계 36
• 3.3.2 기계적 및 물리적 성질 (3점 굽힘, 탄성률, 잡기력, 충격 인성, 밀도 및 두께 팽창률) 37
• 3.3.3 난연성 및 건강성 40
• 3.3.4 실험 결과 분석 (Results and Discussion) 42
• 3.4. 품질 및 윤리 44
• 3.4.1 안전·친환경 및 폐기물 처리 44
• 3.4.2 데이터 재현성 및 연구 윤리 45
• 제 4 장 시장 조사와 사용자 연구 47
• 4.1. 반구조화 인터뷰 47
• 4.1.1 인터뷰 가이드라인 47
• 4.1.2 표본 및 과정 48
• 4.1.3 코딩 및 주제 추출 50
• 4.2. 설문 조사 51
• 4.2.1 설문 설계 및 배포 51
• 4.2.2 데이터 분석 및 결과 54
• 제 5 장 코이어 섬유를 활용한 지속가능한 건축 패널 설계 61
• 5.1. 설계 목표 및 전략 61
• 5.1.1 사용자 요구 계층화 및 설계 요점 정리 61
• 5.1.2 전략 프레임워크 62
• 5.2. 개념 생성 및 방안 반복 63
• 5.2.1 설계 개념 63
• 5.2.2 설계 스케치 65
• 5.3. 디자인 표현 및 정보 모델링 69
• 5.3.1 렌더링 표현 및 폭발도 69
• 5.3.2 치수 및 모듈 화 규격 표 70
• 5.3.3 설치 시연 프로세스 카드 71
• 5.4. 효과 시연 72
• 5.5.코코넛 섬유 보드의 흡음 성능 예측 및 실험적 평가 72
• 5.5.1 계산 방법 72
• 5.5.2 예측 결과 73
• 5.5.3 실내 공간의 음향 시뮬레이션 테스트 74
• 5.6. 역학적 성능 검증(Mechanical Performance Evaluation) 78
• 5.6.1 연구 목적 및 분석 방법 78
• 5.6.2 수치 모델 및 재료 파라미터 설정 79
• 5.6.3 선형 정적 해석(Static Study) 80
• 5.6.4 동적 충격 분석(Dynamic Impact Analysis) 82
• 5.6.5 결과 논의 및 공학적 의의 84
• 제 6 장 결론 86
• 6.1. 연구 결론 86
• 6.1.1 재료와 인터페이스의 협동이 기계적 성능/난연성/내구성에 미치는 기여 86
• 6.1.2 상온 저에너지 공정의 실현 가능성과 한계 86
• 6.1.3 내장용 제품 시스템 가치 및 사용자 편익 86
• 6.2. 연구 한계 87
• 6.2.1 접착제 내구성과 미세 환경 민감성 87
• 6.2.2 표준 부재 및 대규모 일관성 문제 87
• 6.2.3 모듈 화 장식 벽 시스템 수준 성능의 실험 검증 미완료 87
• 6.3. 후속 연구 및 전망 88
• 6.3.1 생물 기반 다중 접착제 및 경화 촉매 시스템 최적화 88
• 6.3.2 표준 체계 구축 및 시범 공정 협력 추진 88
• 참고문헌 90
• Abstract 92