ABSTRACT
PURPOSES :This study aims to review the possibility of developing a road snow-melting system that can prevent slip accidents by maintaining a constant temperature of the winter roads and enhance performance of structures, including improvement of compressive strength by mixing carbon nanotube (hereafter referred to as CNT) with cement paste, the basic material.
METHODS :To achieve the above purpose, an experiment was conducted by mixing power-type CNT and wrap-type CNT up to cement paste formulation by weight of 0.0wt%~4.1wt% in accordance with “KS L ISO 679(of cement strength test method)”, and compressive strength was measured at 28 days of curing. In addition, the volume resistivity of the specimen was measured to test thermal and electrical characteristics, and the rate of temperature changes in specimen surface by power consumption was measured by passing electricity through the cross-sections of the specimen. Meanwhile, the criteria for checking the performance as a road snow-melting system was determined as volume resistivity of 100Ω·cm or less.
RESULTS :A comparative analysis between specimen with 0wt% CNT content in plain status and specimen containing various types of CNTs was carried out. From its results, it was found that compressive strength increased approximately 19%, showing the highest rate when 0.2wt% of wrap-type CNT was contained, but volume resistivity of 100Ω·cm or less appeared only in specimens containing more than 0.2wt% CNT. In addition, it was observed that the surface temperature increased by 4.62℃ per minute on average in specimens containing 3.2wt% CNT.
CONCLUSIONS :In this study, CNT was examined as an underlying material for a road snow-melting system, and the possibility of developing the road now-melting system was reviewed by conducting various experiments using CNT-Cement composites. From the experimental results, the specimens were found to have a superior performance when compared to the existing road snow-melting systems that place the heat transfer medium such as copper on the road. However, satisfactory strength performance were not obtained from the specimen containing CNT(2.0% or more) that functions as a heating element, which leads to the need for reviewing methods to increase the strength by using plasticizer or admixture.
Keywords
carbon nanotube, powder type, wrap type, cement composite, snow melting system, volume resistivity
도로 융설체 개발을 위한 탄소나노튜브-시멘트 복합체 특성에 관한 실험적 연구
A Feasibility Study on Developing Snow Melting Systems using CNT-Cement Composite
허`진`녕 Heo, Jinnyung 정회원·한국건설기술연구원 첨단교통연구실 연구원 (E-mail: [email protected])
박`범`진 Park, Bumjin 한국건설기술연구원 첨단교통연구실 수석연구원·교신저자 (E-mail: [email protected]) 김`태`형 Kim, Taehyeong 정회원·한국건설기술연구원 첨단교통연구실 수석연구원 (E-mail: [email protected])
Corresponding Author : Park, Bumjin, Senior Researcher Advanced Trasnport Research Division, Korea Institute of Construction, Technology,
283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea Tel : +82.31.910.0198 Fax : +82.31.910.0339
E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www. ijhe.or.kr/
ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)
Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 2 : 29-37 April 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.2.029
1. 서론
요 몇 년 사이 주요 선진국 도로교통정책 패러다임이
‘효율’에서‘안전’으로 전환됨에 따라, 국내에서도 그 중요성이 다시 한 번 부각되고 있다. 더욱이, 우리나라 의 경우 지형적 특성상 상당수의 도로가 산간 혹은 천변 을 경유하여 건설되어 있어 안개나 강우 등 자연재해에 매우 취약한 구조로 이루어져 있으며 이로 인한 직접적 인 사고는 물론 2차사고의 위험성 역시 항시 내재되어 있다.
특히, 90일이라는 짧은 동절기에도 예년과 다르게 예 기치 못한 폭설이 빈번하게 일어나고 있으며, 이로 인한 직₩간접적인 인적₩물적 피해사고 역시 날로 증가하고 있다. 또 이를 처리하기 위한 후속작업에 막대한 인력과 예산이 투입되고 있는 실정이다. 그나마도 환경문제가 가시화됨에 따라 계측할 수도 없을 만큼의 무분별한 제 설제 살포로 인한 폐해들이 드러나고 있다. 이에, 본 연 구에서는 최근 특별한 물성으로 각광받고 있는 탄소나 노튜브(Carbon Nanotube, 이하 CNT)와 시멘트 페이 스트를 배합하여 모재인 시멘트 페이스트에 CNT 네트 워크를 형성함으로서 압축강도 등 구조물의 성능향상과 더불어 통전 시 동절기 노면의 온도를 일정하게 유지함 으로서 미끄럼 사고를 방지할 수 있는 도로일체형 융설 체로서의 가능성을 검토하고자 한다.
이하 전개는 제2장에서 도로융설시스템 및 CNT와 관련한 선행연구를 검토하고 제3장에서 실험방법론을 제시한 후 제4장에서는 실험에 따른 주요결과와 SEM(Scanning Electron Microscope) 영상분석 결 과를 확인하고 제5장에서는 결론을 제시하고 본 연구의 가치와 향후 연구방향에 대해서 논하고자 한다.
2. 선행연구 고찰
본 장에서는 본 연구가 주 테마로 하는 CNT에 대해 서 간략히 소개하고 CNT나 그래핀(Graphine) 등과 같 은 탄소동소체를 건설분야 및 우리의 주 관심사인 지능 형교통체계(Intelligent Trasnport Systems, 이하 ITS)에 도입한 사례와 현재까지 개발된 도로융설기술 및 그 한계에 대하여 제시하고자 한다.
2.1. CNT 개념정립
CNT는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양 을 이루는 지름 1나노미터 크기의 미세 분자이다. 탄소 원자가 3개씩 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소
평면이 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이 다. 속이 비어있어 가볍고, 현존하는 물질 중 전기전도 도, 열전도도가 가장 뛰어난 물질로 알려져 있다. CNT 는 튜브의 지름에 따라 도체와 반도체를 오가는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로 각광을 받고 있으며, 이러한 성질을 이용하여 반도체 메모리소자, 수 소저장 및 수소전지전극 등으로 이용할 수 있는 것으로 알려져 있다(시사용어사전, 2005).
유사 소재로는 탄소동소체의 하나인 흑연 즉, 그래파 이트(Graphite)와 그 단일층인 그래핀(Graphene)이 있다. 특히, 그래핀의 경우 6각형이 이어진 거대한 망상 층이 약한 반데르발스힘(Van der Waals force)으로 결합한 층상구조를 형성하고 있고, 이를 변형하면 CNT 나 플러렌(Fullerene)의 모양을 만들 수 있다. CNT의 기본 구조는 단일벽형, 다중벽형, 다발형으로 구성되며 가장 범용적으로 사용되고 있는것은 다중벽 CNT이다 (Wong Hon-Sum Philip, 2011).
CNT와 범용 카본 소재와 가장 큰 구조적 차이점은 장축비(소재의 길이를 소재의 직경으로 나눈 비, aspect ratio)이다. 즉, CNT가 기존 범용 카본 소재인 흑연 및 카본블랙 대비 월등히 높은 장축비를 보유하고 있다는 점이다. 모재에 첨가되는 첨가제인 CNT, 흑연 및 카본블랙이 소정의 전도성능이나 강도강화 성능을 발현하기 위해서는 첨가제간에 네트워크가 형성되어야 한다. 첨가제간 좋은 네트워크를 형성하기 위해서는 장 축비가 작은 흑연 및 카본블랙보다는 장축비가 월등히 큰 CNT가 절대적으로 유리한 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 전술한 CNT의 특성 및 제조의 용이 성, 그리고 건설재료에 이용하는 것을 감안하여 비교적 저렴한 다중벽 형태의 CNT를 이용하였다.
2.2. CNT 응용연구
CNT 자체가 대중에게 알려지고 그 제조 혹은 개질기 술이 공개된지 얼마 지나지 않았기 때문에 다양한 응용 연구가 이루어지지는 않았지만, 일부 건설분야 연구에 서는 CNT 자체를 기능성 잔골재로 간주하고 대형 건설 프로젝트에 항시 문제점으로 등장하는 수화열로 인해 구조적 문제점 해결을 위하여 이를 이용하는 방안을 모 색한 바 있다.
상기 실험의 핵심은 CNT의 열전도도를 이용하여 수 화반응으로 발생하는 온도균열을 최소화했다는데 있으 며, 실험결과 역시 공시체 중심부 열을 외부로 빠르게 방출하면서 내외부가 수평적인 온도 전달이 이루어졌다
고 발표한 바 있다(이지환 외, 2012). CNT를 ITS에 도 입된 사례의 경우, 미국 미네소타 대학에서 CNT가 지 니고 있는 또 다른 특성인 압전효과를 이용하여 다음에 제시한 Fig. 1과 같이 ITS 차량 검지체계 대체 가능성 에 대하여 검토한 바 있다. 상기 연구는 CNT-시멘트 복합체를 도로에 시공하고 차량이 지나갈 때의 전기적 특성을 시험한 연구이다(Xun Yu 외, 2009).
2.3. 도로융설 연구
종래 도로제설기법은 크게 염화물과 물 사이 반응을 통하여 발열을 유도하는 화학적인 방법과, 전기나 혹은 열을 전달할 수 있는 매질을 이용하여 직접 열을 전달하 는 방법으로 구분할 수 있다.
첫째, 화학적인 방법의 경우 노면결빙 센싱 기술을 이 용하여 염화물을 자동 살포하는 방식과 인력이 직접 투 입되어 염화물을 살포하는 방식이 있으나, 상기 방식은 짧은 시간에 효과적으로 융설을 유도할 수 있는 반면 두 방식 모두 염화물 발열반응에 의해 노면을 융설하므로 노면융설 후에 염화물이 그대로 잔존하고 있어 환경적 인 측면의 단점과 자동차에 악영향을 미치는 것으로 보 고된바 있다(뉴시스, 2012).
둘째, 직접 열을 전달하는 방식의 경우, 대부분 융점 (Melting-Temperature)을 0℃를 목표로 하고 있다.
그 구성은 노면 표층에서 일정 깊이에 구리와 같은 열전 도도가 높은 물질로 구성된 매질(케이블)을 통해 직접 전기를 공급함으로서 전기에너지가 열에너지(저항)로 전환되는 원리를 이용한 방식과 지열 혹은 기름과 같은 유체를 이용하여 지면에 열을 전달하는 방식이 있다. 그
러나, 상기 기술들은 표층에서 일정 깊이에 매설을 하다 보니, 전기에너지가 열에너지로 변할 때, 혹은 열에너지 가 열에너지로 전달됨에 있어 손실이 발생하고 도로라 는 특성상 크랙 등이 발생했을 때 혹은 도로자체를 유지 보수 할 때, 새로 구축 혹은 건설해야 하는 단점이 있다.
아울러, 절대적인 예열시간 때문에 약 5℃ 상승시키기 까지 30분이라는 시간이 소요된다.
마지막으로, 본 연구와 유사한 방식으로는 다량의 흑 연을 시멘트에 혼합하여 도전성 복합물을 제조하고 복 합물 내부에 전열선을 배치하여 저항열로 융설하는 방 법이 있으나 본 방식은 많은 전력량이 소모되고 모듈단 위로 제작되어 현장 시공상에 어려움이 있으며, 흑연이 물을 흡수하는 성질이 있어 밀실하게 배합하기 어렵고 이로 인해 강도저하가 발생하여 마이크로 실리카 (Micro-Silica), 카올린(Kaolin) 등 혼합재료를 넣고, 가압성형을 하는 등 작업공정이 매우 까다로워 질 수가 있다.
3. 실험계획 및 방법
본 실험에서는 앞서 제2장 선행연구고찰에서 밝힌바 와 같이 타 탄소계열 소재에 비하여 장축비가 긴 CNT 를 모재인 시멘트 페이스트에 혼입하여 Fig. 2와 같이 CNT 네트워킹을 유도함으로써 통전 시 발생하는 저항 열을 이용하여 도로융설에 이용할 수 있는 최적 배합비 를 찾아내는 것을 목적으로 하며, 융점에 대해서는 한계 를 두지 않았음을 밝힌다.
3.1. 실험계획
본 연구에서는 새로운 기저재료인 CNT를 혼입했을 때 발생하는 다양한 결과 분석을 위하여 Table 1과 같 이 실험변수를 정의하였다. 시멘트 페이스트 배합은 물-시멘트비를 0.5로 하였으며, 본 연구에서는 혼화제 를 별도로 사용하지 않은 상태에서 CNT를 최대로 첨가 할 수 있는 범위까지 배합을 실시하였다. 따라서, 모재 인 시멘트 페이스트에 파우더 타입의 CNT와 랩 타입의 Fig. 1 Illustration of the CNT/Cement Composite as
an Embedded Traffic Flow Detector
Fig. 2 Example of CNT Networking
Built-in CNT/cement composite stress sensors
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0
-2 -4 -6 -8 -10
CNT를 시멘트 페이스트 중량대비 각 0~3.2%, 0~4.1%까지를 실험변수로 한다. 참고로 본 연구에서 사용한 CNT는 다중벽 CNT이며, 랩 타입의 CNT는 비 중이 매우 작아 비산(飛散)성이 있는 CNT 특성을 감안 하여 일정량의 CNT를 압축₩사출함으로써 비산성을 제 거한 CNT를 의미한다.
아울러, 실험절차는 Fig. 3과 같이 수립하였다. 실험 은 우선 실험변수에 따라 공시체를 제작하고 압축강도 를 측정한 후 두 번째로 체적저항률을 측정하여 통상 저 항열을 통하여 발열이 되는 체적저항률 기준인 100Ω·
cm 이하(Si 수준)인 공시체를 선별하였다. 세 번째로 선별한 공시체 양단에 전기를 통과시켜 공시체 표면 열 전도율을 측정하고 마지막으로 가장 효과가 뛰어난 공 시체의 SEM(Scanning Electron Microscope) 영상 을 확인하였다.
3.2. 실험방법
본 연구에서 배합, 혼합물 제작, 압축강도실험은 KS L ISO 679 「시멘트의 강도 시험방법」에 준하여 실험을 수 행하였으며, 압축강도측정은 재령 28일에 수행하였다.
아울러, 공시체의 체적저항률 측정방법은 Fig. 4 및 Eq. (1)에 제시한 바와 같다.
통전여부를 확인하기 위한 체적저항률 측정방법은 공 시체 양단에 표면저항 오차를 최소화할 수 있는 구리 시 편(동판)을 압착하고 도전성 페이스트로 도포 후 디지털 멀티미터(Fluke-87-5)로 양단저항을 측정하여 이를 (1)과 같이 계산하였다.
여기서,
= 공시체 체적저항률 (Ω₩cm)
= 공시체 양단 저항 (Ω)
= 공시체 단면적 (c㎡)
= 공시체 길이 (cm)
열전도 특성의 경우에는 별도의 측정기를 제작하여 실험을 실시하였으며, 측정방법은 공시체 양 단면에 1Watt~40Watt까지의 전기를 걸어둔 상태에서 시간에 따른 공시체 표면온도 변화를 측정하였다.
Table 1. Variables
Type of Addition Addition Ratio of CNT (wt%, CNT weight /Cement Paste weight)
Powder Type CNT 0, 0.2, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0, 2.4, 2.8, 3.0, 3.2
Wrap Type CNT 0, 0.2, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0, 2.4, 2.8, 3.0, 3.2, 4.1
Fig. 3 Process of Experiment
Fig. 4 Measurement of Volume Resistivity
(1)
Fig. 5 Measuring Device of Surface Thermal Conduction Rate
Definition of Variables
Manufacturing specimens
Measuring compressive strength
Measuring Volume Resistivity(VR)
Measuring Specimen’s Surface Temperature by Power Consumption
Checking SEM images Sorting Specimens (Criteria : VR≤100Ω·cm)
Copperplate Copperplate
Electric Resistance
Spreading electrically conductive Glue
Specimens
4. 주요 실험 결과 4.1. 압축강도 실험결과
Fig. 6은 파우더 형태의 CNT의 첨가량 변화에 따른 재령 28일에 측정된 압축강도 특성을 보여주고 있다.
그림에 나타낸 바와 같이 파우더 타입의 CNT를 일정 량 이상 첨가하게 되면, 소폭 증가하다가 1.2 wt% 이 상이 되면 플레인(CNT 0wt%) 상태의 공시체에 비해 강도가 저하되는 특성을 나타내었다. 특히, CNT 첨가 량 2.0wt%까지는 감소폭이 크지 않으며, 약 30MPa 이상 정도의 강도를 나타내고 있으나, 3.2wt% 첨가한 경우 약 20MPa 정도를 나타내어 플레인(CNT 0wt%) 상태의 공시체에 비해 38% 정도 감소하는 것으로 분 석되었다. 첨가되는 CNT의 중량은 작지만, 비중 또한 작아서, CNT를 3.2wt% 정도 첨가할 경우 시멘트와 거의 동일한 체적을 나타내게 되는데, 이와 같은 경우 바인더의 결합력을 더 약화시킬 수 있는 것으로 판단 된다.
Fig. 7은 랩 형태 CNT의 첨가량 변화에 따른 재령 28일에 측정된 압축강도 특성을 보여주고 있다. 그림에 나타낸 바와 같이 CNT 첨가량이 증가할수록 플레인 (CNT 0wt%)에 비해 압축강도는 초기에 증가하다가 1.2wt% 이상 첨가 시 전반적으로 감소하는 특성을 나 타내었다.
물론 상대적으로 분말형태의 CNT 보다는 강도발현 특성이 좀 더 우수한 것으로 판단되나, 전체적인 경향은 유사하게 나타났다. 또한 분말형태와 마찬가지로 CNT 첨가량 2%까지는 감소폭이 크지 않으며, 약 30MPa 이
상 정도의 강도를 나타내고 있으나, 4.1%를 첨가한 경우 약 17MPa 정도를 나타내어 플레인(CNT 0wt%)에 비해 49% 정도 압축강도가 감소되는 것으로 분석되었다.
4.2. 체적저항률 측정시험 결과
체적저항률 측정결과는 Table 2와 같으며 시멘트 페 이스트 중량대비 CNT 비율을 0wt%에서 최대 4.1wt%(분말형태의 CNT는 3.2wt%)까지 혼입한 공시 체의 저항값(Ω)을 측정하여 체적저항률(Ω₩cm)을 계산 하였다.
계산결과, Table 2에 제시한 바와 같이 랩 형태의 CNT가 혼입된 공시체는 특정한 패턴 없이 모두 도체의 기준으로 정한 100 Ω₩cm 이하에 못 미쳐 부도체로 확 인 되었다. 그러나, 분말형태의 CNT가 혼입된 공시체 의 경우에는 0wt%~1.6wt%까지는 전기적으로 부도체 로 나타났으나, 2.0wt% 이상의 CNT가 혼입되어서야 비로소 전기적인 특성을 지니는 것으로 나타났다.
Fig. 6 Compressive Strength of Cement Paste by Powder Type CNT Content(Curing age : 28days)
Fig. 7 Compressive Strength of Cement Paste by Wrap Type CNT Content(Curing age : 28days)
Table 2. Results of Volume Resistivity Calculation
Type of Addition
CNT Content
(wt%) Volume Resistivity (Ω₩cm)
Wrap Type CNT
0 2.7 x 104 Non-Conductor 0.2 3.0 x 104 Non-Conductor 0.4 2.6 x 104 Non-Conductor 0.8 3.3 x 104 Non-Conductor 1.2 2.8 x 104 Non-Conductor 1.6 3.0 x 104 Non-Conductor 2.0 2.7 x 104 Non-Conductor 6%(↑Increase)
38%(↓Decrease)
Powder Type CNT contents, %
Compressive Strength, MPa
Wrap Type CNT contents, %
Compressive Strength, MPa
19%(↑Increase)
49%(↓Decrease)
본 연구에서는 상기 내용에 관해 보다 정밀한 측정과 시편 내 화학적 성분에 따른 분포도를 확인하기 위하여, (재)한국고분자연구소에 의뢰하여 성분비를 분석₩의뢰 하였다.
그 결과 2.0wt% 이상 혼입부터 아래 Fig. 8에서 제 시한 바와 같이 CNT 파우더가 고르게 분산되어 네트워 킹을 형성(Fig. 8 점선 : C Ka1_2)함으로써 전기적 특 성이 나타나는 것으로 해석한 바 있다.
나머지 재료의 경우, 시멘트 페이스트가 석회성분이 주 소재다보니 칼슘(Fig. 8 Ca Ka1_2)성분이 가장 눈에 띄었으며, 기타 마그네슘(Fig. 8 Mg Ka1_2), 알루미늄 (Fig. 8 Al Ka1) 등이 확인되었다. 아울러 산소(Fig. 8 O Ka1)의 경우, 배합수에서 기인한 것으로 보인다.
4.3. 표면 열전도율 측정시험 결과
앞서 공시체 체적저항률 측정결과에서 살펴본 바와 같이 CNT를 통하여 저항열을 이용한 발열체로 활용하 고자 하는 경우 분말형태 CNT가 시멘트 페이스트 중량 대비 2.0wt% 이상 혼입되어야 도체로서의 기능을 부여 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이에, 공시체 표면 열전도율은 분말 타입 CNT가 2.0wt% 이상 함유된 공시체만을 대상으로 측정하였다.
아울러, 본 실험에서는 측정오차를 감안하여 모든 실험 은 상온 12。에서 동일한 시간동안 10회 이상 실시한 시 험결과의 평균값을 각 조건의 대푯값으로 채택하였다.
실험결과, 2.0wt% 투입을 기준으로 소모전력 별 (1Watt, 2Watt, 5Watt, 10Watt, 15Watt, 20Watt, 30Watt, 40Watt) 공시체 표면 온도변화율을 관찰한 결과는 Table 3과 같다.
상기 결과에서 보면, 2.4wt% 이상부터 비약적인 온도 변화율 상승이 관찰되고 있으나 2.0wt%, 2.4wt%의 공시 체에서는 10Watt를 초과한 전기를 통과시킬 수 없었다.
이는 공시체에 흐르는 전류의 량이 10Watt가 최대값 임을 의미하며, 관측결과에서 특이한 점은 CNT함량 2.8wt%부터 10Watt 이상 전기를 통과 시킬 수 있어 관 측결과만으로는 CNT함량 2.8wt%가 실험에서 찾고자 하는 최적 배합비에 근접한 수치임을 확인할 수 있었다.
다음 Fig. 9, Fig. 10은 본 실험에서 관측한 CNT 함 량 2.8wt%, 최대 CNT함량인 3.2wt%의 전체 데이터 를 그래프로 표현한 결과이다.
Fig. 9, Fig. 10에서 알 수 있듯이, 두 경우 모두 공시 체에 1Watt의 전기를 흘려보냈을 경우 그 효과가 미미 하나 2Watt 이상의 전기를 흘려보내게 되면 발열효과 가 있음을 관측할 수 있었고, 40Watt를 흘려보낼 때에
Wrap Type
CNT
2.4 2.9 x 104 Non-Conductor 2.8 3.1 x 104 Non-Conductor 3.0 1.8 x 104 Non-Conductor 3.2 2.1 x 104 Non-Conductor 4.1 1.8 x 104 Non-Conductor
Powder Type
CNT
0 2.7 x 104 Non-Conductor 0.2 2.7 x 104 Non-Conductor 0.4 2.3 x 104 Non-Conductor 0.8 8.1 x 103 Non-Conductor 1.2 5.0 x 103 Non-Conductor 1.6 1.2 x 103 Non-Conductor 2.0 1.0 x 102 Conductor 2.4 1.0 x 102 Conductor 2.8 0.9 x 102 Conductor 3.0 0.9 x 102 Conductor 3.2 0.6 x 102 Conductor
Fig. 8 Main Chemical Composition of a Specimen (CNT 2.0wt%)
Table 3. Average Value of Changed Specimen’s Surface Temperature by Power Consumption (Oridinary Temperature 12℃, Unit : ℃/min) Electric
Power(Watt)
CNT Content(wt%)
1 2 5 10 15 20 30 40
2.00 0.00 0.03 0.03 0.07 - - - - 2.40 0.03 0.15 0.25 0.70 - - - - 2.80 0.04 0.45 0.46 0.96 1.09 1.92 3.82 4.50 3.00 0.07 0.70 0.92 1.20 1.25 1.92 3.88 4.60 3.20 0.07 0.72 0.95 1.40 1.44 1.92 4.01 4.62
Electron Image 1 Si Ka1_2 Oka 1
Ma Ka1_2 Alka1 CKa1_2
CaKa1_2
는 1분당 평균 4.5℃~4.6℃씩 증가하여 초기온도 12℃
에서 40℃까지 높이는 데까지 불과 7분이 채 소요되지 않았다.
또한, 실험결과의 객관성을 확보하기 위해서 추가로 최대값인 3.2wt% 공시체를 인위적으로 영하온도조건 (-7℃)을 만들어 실험을 실시하였으며, 실험 시 열전도 측정장치가 지닌 최대전력(100Watt)을 통전했을 때 분 당 15.8℃ 가량 상승하는 효과를 확인할 수 있었다.
그러나, 3.0wt% 이상이 함유된 공시체의 경우 비중 이 작고 체적이 큰 CNT의 특성상 작업성에 무리가 따 르며, 2.8wt%에 비해서 변화율이 현격하지 않아 본 실 험에서는 최적 배합비를 2.8wt%로 판단하였다.
4.4. SEM 영상 결과
앞서 열전도 특성시험에서 작업성 등을 감안했을때, 가장 효과가 뛰어난 시편(CNT 함량 2.8wt%)에 대해서
CNT가 함유되지 않은 공시체(CNT 함량 0wt%)와 SEM 영상분석을 실시하였다.
다음 Fig. 11은 CNT가 함유되지 않은 공시체를 프로 브 탐침을 통하여 SEM영상(2,000배율~50,000배율) 을 촬영하고 성분분석을 실시한 결과이다.
대부분 시멘트의 주성분인 칼슘(Ca)임을 확인할 수 있다. SEM 영상 역시 칼슘성분과 배합수의 결합으로 견고한 조직구성을 확인할 수 있다.
다음 Fig. 12는 CNT 2.8wt% 함유 공시체의 SEM 이미지 및 성분분석 결과로서, 앞서의 미함유 공시체와 다르게 CNT(Fig. 12 탄소(C)-Green)와 칼슘 등 여타 구성 성분간 배합이 이루어져 있음을 확인할 수 있으며, Fig. 9 Changes of Temperature by Power Consumption
(Ordinary Temperature 12℃, CNT : 2.8wt%)
Fig. 10 Changes of Temperature by Power Consumption (Ordinary Temperature 12℃, CNT : 3.2wt%)
Fig. 11 SEM Image and Components(CNT 0wtT%)
× 2,000 SEM × 5,000 SEM
× 50,000 SEM × 5,000 성분분석
Fig. 12 SEM Image and Components(CNT 2.8wtT%)
× 2,000 SEM × 5,000 SEM
× 50,000 SEM × 5,000 성분분석
Time, min.
Temperature. ℃
Time, min.
Temperature. ℃
50,000배율 SEM 영상에서 확인할 수 있듯이 CNT가 조직적으로 네트워킹을 이루고 있어 이로 인해 통전효 과 및 발열효과가 나타나는 것으로 추정된다.
5. 결론
본 결론에서는 본 연구의 개괄적인 내용을 요약하고 앞으로 추가로 이루어져야 할 연구들에 대해서 살펴본 후 본 연구가 가지는 의미와 한계에 대해서 되짚어 보고 자 한다.
첫째, 본 연구에서는 도로 융설체의 기저재료로서 CNT를 검토하고 CNT-Cement 복합체를 이용하여 다 양한 실험을 실시하였다. 실험결과는 선행연구에서 제 시한 발열체로서 기존 성능 즉, 구리 등과 같은 열 전달 매체를 도로에 포설한 경우(융점 도달시간 -5℃~0℃시 30분 소요)와 비교했을 때 우수한 성능을 지니는 것으 로 나타났다. 이는 CNT의 특별한 물성과 모재인 시멘 트 페이스트에 CNT 네트워크가 잘 이루어졌기 때문인 것으로 사료된다. 그러나, CNT가 발견되고 또 기저재 료로서의 그 성능을 주목 받기 시작한 시기가 오래되지 않아 아직까지는 CNT에 대한 시장의 요구가 많지 않은 상태이다. 즉, 수요가 한정되어 있다 보니 아직까지는 합성 및 제조과정에서 발생하는 비용으로 인해 에너지 저장소재, 고감도 센서, 고강도 복합재료 등 주로 고부 가가치 영역에만 치중되어 활용하고 있는 상태이다. 그 러나, 활용범위를 넓혀 건설분야에도 도입할 수 있는 가 능성을 열어둔다면 건설재료가 지니는 경제성 문제 역 시 자연스레 해결되리라 생각된다. 특히, 앞서의 강도실 험결과에서 랩 형태의 CNT가 0.2wt% 함유된 공시체 의 경우에는 플레인(CNT 0wt%)상태보다 19%나 압축 강도가 증가한 것으로 나타나 미래 고기능성 건설재료 시장에 새로운 대체제로 자리잡을 수 있을 것으로 예상 된다.
둘째, 이를 위해서는 다양한 연구가 추가로 수반되어 야 한다. 비근한 예로 CNT를 실제 건설현장에 도입하 기 위해서는 물리적 특성시험(휨/압축/인장강도)은 물 론 지금의 연구처럼 단순히 CNT만을 혼입할 것이 아니 라 CNT가 비중이 작고 서로 엉겨붙어 응집되는 성질을 제거할 수 있는 감수제나 혼화제에 대한 검토 역시 필요 하다. 아울러, 소재자체가 나노단위이다 보니 추가연구 로써 기존 콘크리트 구조물 조직의 공극을 메울 수 있는 고기능 건설재료로서의 역할 역시 기대해 볼만 하다. 하 지만, CNT를 개방계인 현장에서 기저재료로 이용하기
위해서는 결국 풍속, 염습 등 여러 가지 환경적인 제약 조건에 관해서도 지속적이고 다양한 실험이 필수적으로 수반되어야 한다.
마지막으로 본 연구의 커다란 의미중 하나는 그간 불 모지였던 나노기술과 건설기술을 융합한 첫 시도라는데 에 그 상징성을 부여할 수 있다.
전 세계가 녹색의 물결 속에서 새로운 아이템 찾기에 골머리를 앓고 있는 요즘 정책입안자들 역시 10여 년 동 안 당장 손에 거머쥐어야 할 것과 미래를 위해서 버려야 할 것을 놓고 경중을 가리고 있는 실정이다. 이러한 요구 때문인지 요 근래 몇 년간“융합”이라는 용어가 눈에 띄 게 많이 등장하고 있다. 다시 말해 혼자보다는 함께라는 공생적인 추진전략을 마련하기 시작했다는 의미이다.
비록 향후 많은 연구만을 남겨놓았지만 본 연구를 기 점으로 나노기술을 이용한 다양한 연구가 수반된다면,
‘융합’이라는 새로운 트랜드에 지체없이 착근할 수 있 는 전기 마련이 가능할 것이라 생각함은 물론 이러한 견 지에서 우리나라의 강점인 IT기술과 다시 나노/건설기 술을 융합할 수 있는 기술개발과 각고의 노력이 수반된 다면 새로운 도로/교통/건설 생태계를 만들어나갈 수 있는 계기 마련이 가능할 것이다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업(차세대 도로교통 정보 서비스 고도화 기술 개발)의 연구비 지원으로 수행하였 습니다.
References
Wong, Hon-Sum Philip, 2011. Carbon nanotube and Graphene Device Physics, Cambridge Univ. Press.
KICT., 2011. Research Report of Development of Snow Melting System using CNT-Cement Composite.
Korea Expressway Corporation, 2009. Research Report of De-- velopment of Long-lived and Eco-Friendly Road Pavement Material.
Lee, J.D., 2012. A Heavy Snow and Snow Melting System, Korea Geo-Environmental Society(the ground & environment), Vol.13, No.1, pp.29~36
Lee, H.J., Kim, T.W., Kim, H.B., 2010. Road Snow Melting System using Electric Energy, Jounal of KOSHAM., Vol.10, No.4, pp.
24~30.
Cho, D.H., 2010. A Study on the Durability of Electrically Conductive Concrete with Coarse Aggregate, Master Thesis, Seoul National University of Science and Technology.
Geng Ying Li, Pei Ming Wang, Ziaohua Zhao, 2007. Pressure- sensitive properties and microstructure of carbon nanotube
reinforced cement composites, Cement & Concrete Composites, Vol.29, Issue 5, pp.377~382
Xun Yu, Eil Kwon, 2009. A carbon nanotube/cement composite with piezoresistive properies, Smart Material and Structure 18, pp.1 ~ 5, 2009.
Lee, J.H., Park, H.G., Lee, J.S., Hong, S.B., Kim, W.J., Ryu, Y.S., 2012. The research on the quality characteristic of the concrete
according to a improves the dispersibility kind of the liquid CNT, Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Vol.32, No.1(Structure System), pp.185~ 187.
NEWSis.com, http://www.newsis.com/ar_detail/view.html?cID=&
ar_id=NISX20121207_0011669694, 2012년 12월 9일 접속 ( 접수일 : 2012. 12. 11 / 심사일 : 2012. 12. 20 / 심사완료일 : 2013. 3. 20 )
