An Experimental Study on the Effect of Sensor Line Number on the Reactivity Characteristic of Corrosion Sensor Reactive with Chloride Ion to Immigrate into Concrete

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 18, No. 3, May 2014, pp.143-152

http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2014.18.3.143

pISSN 2234-6937 eISSN 2287-6979

콘크리트내로 침투하는 염소이온 반응형 부식센서의 응답특성에 미치는 센서 세선 수의 영향에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on the Effect of Sensor Line Number on the Reactivity Characteristic of Corrosion Sensor Reactive with Chloride Ion to Immigrate into Concrete

이 현 석

이 한 승

Hyun-Seok Lee Han-Seung Lee

Abstract

In this study, the sensor response and sensitivity is experimented and analyzed quantitatively by the line numbers of chlorine ion reaction type corrosion sensor that is developed. The sensor response of the developed corrosion sensor is verified with properties of chlorine ion. The multilineal sensor is shown a large resistance change more than the single line sensor by damage of the sensor. And, the resistance change of sensor is as large as high concentration of NaCl aqueous solution, the sensitivity of multilineal sensor is higher than single line sensor’s, and the depth of sensor’s location is as large as the increasing of resistance change time (cycle). These results suggest that, the developed corrosion sensor could sense corrosion reaction, sensor sensitivity and change of resistance for chloride ion. Especially, It was judged that 7 line sensor was the most superior for monitoring chloride ion immigration into concrete.

Keywords : Corrosion sensor, Electrochemical treatment, Chloride ion, Line of sensor

1) 정회원, 한양대학교 대학원 건축공학과 박사과정, 교신저자 2) 정회원, 한양대학교 건축학부 교수, 공학박사

* Corresponding author : [email protected]

• 본 논문에 대한 토의를 2014년 6월 30일까지 학회로 보내주시면 2014년 7월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2014 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

1. 서 론

철근콘크리트조 (RC) 구조물 내구성에 영향을 미치는 철 근부식발생은 콘크리트 내부에 매설된 철근 표면에서 시작 되며 (Park et al., 2014), 콘크리트 표면에 철근부식에 의한 균열발생이나 녹물의 흔적이 발생되었다면 , 염해진행 단계로 서는 가속기 (Acceleration)에 해당되어 콘크리트 내부에서 는 이미 상당한 철근부식이 발생되었다고 판단된다 (Park et al., 2014; Lee et al., 2012). 특히, 콘크리트 표면에서 내부 로 침투하는 염소이온에 의하여 철근의 부식이 발생된 경우 는 , 철근위치까지 콘크리트를 파쇄하고 유효한 철근 방청처 리와 함께 단면복구재의 적용 등 복잡한 보수공법의 적용과 함께 막대한 유지관리 비용이 소요되게 된다 (So, 2009). 따 라서 , 염소이온이 콘크리트내로 침투하더라도 철근이 부식되

기 전에 염소이온의 침투정도를 정량적으로 평가 할 수 있다 면 , 비교적 염해 초기에 간단한 염해 억제 보수공법 등을 통 하여 구조물의 내구성을 확보함과 동시에 유지관리 비용 절 감 효과가 매우 클 것으로 판단된다 . 또한, 이러한 콘크리트 내로의 염소이온 침투를 모니터링하는 것은 장기 내구수명 을 필요로 하는 국가 중요구조물에서는 반드시 필요한 기술 이라고 판단된다 .

그러나 , 현재까지의 연구를 살펴보면 RC구조물의 염해 보

수진단이나 염해 보수공법을 선정하기 위하여 염해피해 정

도를 조사하는 것은 있어도 , 콘크리트내부로의 염소이온 침

투를 모니터링하는 센서의 개발이나 모니터링 시스템에 관

한 연구는 매우 부족한 실정이다. 이러한 관점에서 필자들은,

Fig. 1과 같이 콘크리트내부로 침투하는 염소이온을 모니터

링하기 위하여 스퍼터링 방법으로 Fe를 알루미나기판위에

Fig. 1 Monitoring Concept of Cl

Penetration into Concrete

Fig. 2 Deterioration Period of RC Structures due to Chloride Attack

Fig. 3 Tafel plot using Potentiostat Equipment

회로형태로 증착시킨 염소이온 반응형 철근부식 모니터리용 부식센서를 개발하여 연구를 실시하였다. 개발된 부식센서는 염소이온이 회로를 구성하는 Fe를 부식시키면 센서의 저항 (Ω)이 커지는 원리를 가지고 있다. 그러나, 기존 연구에서 개발된 부식센서는 제조를 위하여 고가의 스퍼터링 장비가 필요할 뿐만이 아니라 대량생산에는 매우 큰 문제점을 가지 고 있었다 (Lee et al., 2012). 따라서, Fe 회로를 대량으로 제조할 수 있는 스크린 프린트 방법으로 부식센서를 제조하는 시스템을 개발하여 부식센서의 대량생산이 가능하다면 Fig. 2 에 나타낸 것처럼 염해 진행 초기단계인 잠복기 (Initiation) 수준에서 간편하게 염소이온 침투 진행정도를 파악할 수 있 어 염소이온 침투 모니터링 기법의 효율성을 크게 높일 수 있다고 판단된다 .

따라서 , 본 연구의 목적은 콘크리트 내부로 침투하는 염소 이온을 모니터링 할 수 있는 부식센서를 스크린 프린트 기법 으로 제조하여 , 개발된 부식센서가 염소이온에 의하여 반응

하는 응답특성을 실험적으로 규명함과 동시에 , Fe로 구성된 회로의 세선 수가 부식센서의 응답특성에 미치는 영향을 실 험적으로 검증하여 부식센서의 최적 세선 수를 제안하는 것 이다 .

2. 기존문헌 고찰

2.1 부식센서의 전기화학적 방식성능 평가 방법

일반적인 철근의 전기화학적 방식성능 평가 실험은 Potentiostat 로 실시한다 . Fig. 3과 같이, 철근 부식전류밀도 Icorr는 아노 드 분극곡선과 캐소드 분극곡선이 만나는 점에서의 전류 밀 도이기 때문에 각각의 분극곡선을 정확히 측정하는 것이 가 능하다 . 그러나, 분극곡선은 자연전위의 근방 (±10mV 정도) 에서는 직선성을 나타내며 , 자연전위로부터의 미소분극량 △ E와 이 분극을 발생시키는데 필요한 전류량 △i와의 비의 역수는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있으며, 식 (1)에서 얻은 Icorr을 식 (2)에 대입하면 철근의 부식속도를 얻을 수 있다.

여기서 , 상수 값은 일반적으로 26 mV을 사용하고 있다 (Ann and Song, 2007). 따라서, 본 연구에서 개발된 센서도 Fe를 사용하고 있으므로 철근과 같이 전기화학적 방법으로 부식센서의 방식성능을 평가 할 수 있다고 판단된다.



  ․  △

△   ․  

 (1)

 : 환산계수 (mV)



: 분극저항 (kΩ⋅cm

)

Photo 1 Schiessl probe Sensor System Photo 2 Screen Equipment Photo 3 Mask Plan

 : 분극을 발생시키는데 필요한 전류량 (mA)

  : 미소분극량 (mV)

  

 

   (2)

 : 부식속도 (mpy)

 : 상수, 1.288×10



: 무게손실 (mg)

 : 밀도 (g/cm

)

 : 면적 (cm

)

2.2 RC구조물에서 기존 염분침투 모니터링 방법

현재 철근콘크리트 구조물의 철근부식 조사 및 진단에서 실시되는 자연전위 측정 및 분극저항 측정은 콘크리트내에 매설된 철근의 부식정도를 정성적으로 측정하는 것으로 그 정확도에 문제점을 가지고 있으며 실제로 중요한 철근 부식 속도를 알 수 없어 정밀도 및 실용화 면에서 상당한 문제점 을 가지고 있다 (Kim et al., 2003; Cho et al., 2002; Joh et al., 2010).

철근의 부식정도를 파악하기 위한 자연전위 측정법과 달 리 , 콘크리트 내로의 비래염분에 대한 부식 위험성을 모니터 링하기 위하여 개발된 모니터링 시스템의 대표적인 것으로 는 Photo 1에 나타낸 것처럼 계단형 probe (Schiessl probe 또는 ladder system)가 있다. Ladder system은 probe를 철근 에 인접하여 위치시키고 , 실시간 별로 신호를 모니터링하게 된다 . 이 시스템의 원리는, 매설 초기에 철이 강알칼리 상태 에 놓이는 경우에는 철 표면에 부동태 피막이 형성되어 전혀 부식이 발생되지 않는다는 점이다 . 또한, 이 시점에서는 인 접하게 위치시킨 철근보다 이온화 경향이 적은 금속 (예를 들면 , 스테인리스강 등)과 전기적으로 연결하더라도 두 금속

사이에서 발생하는 전류의 흐름은 거의 나타나지 않는다 . 그 러나 염소이온처럼 콘크리트내로 침투된 부식인자에 의해 철 표면의 부동태 피막이 손상이 되고 나아가 부식이 진행되 면 , 부식의 정도에 따라 철에서부터 스테인리스강 쪽으로 흐 르는 전류의 양이 증가하게 된다 . 따라서, 깊이별로 위치한 철 표면에서의 전기적 응답성을 측정하면 , 부식인자의 침투 깊이 및 속도 등에 대한 정보를 모니터링 할 수 있게 된다 (Kim 2003; Park et al., 2014; Lee et al., 2012). 그러나, 이 시스템은 염소이온에 의한 부식응답 민감도가 떨어지는 단 점과 함께 비교적 대형크기로 인해 피복두께가 얇은 구조물 에 설치가 불가능한 단점을 가지고 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다 .

3. 실험계획 및 방법

3.1 염화물이온 침투 모니터링 부식센서 제작 방법

본 연구에서는 철과 동일한 반응을 하는 부식센서를 제작 하기 위하여 순도 99.9% 철분말 (분말크기 10 μm)을 은 (Ag)페이스트에 혼합하여 스크린프린트 장비로 부식센서를 프린트 하였다 . 부식센서를 만드는데 있어서 가장 간편한 방 법이고 , 한 번의 프린팅 기술로 대량의 부식센서와 다양한 형태의 센서를 생산 할 수 있어 부식센서를 기판에 직접 프 린트하는 방법으로 제작하여 실험을 진행하였다 .

부식센서의 제조에서는 Ag페이스트와 Fe분말을 1:2 (질량

비 )로 혼합하여 마스크위에 도포하여 프린트를 실시한 후,

건조과정을 거쳐 센서크기에 맞추어 절단하여 사용하였다 .

부식센서의 저항을 측정하기 위하여 전선을 센서에 납땜한

후 , 납땜면에 에폭시를 도포하여 센서와 전선 접합부에 부유

물질이 묻지 않도록 하였다 . 또한, 저항측정 준비가 끝난 센

서는 전류계에 의하여 회로의 단락여부와 함께 초기 저항값

(Ω)을 측정한 후, 실험을 실시하였다. Photo 2는 스크린 프

린트 장비를 나타낸 것이다 . 또한, Photo 3은 각 세선별로

(a) 1Line (b) 3Line (c) 5Line (d) 7Line (e) 9Line Photo 4 Number of Sensor Line Plan (5type)

Fig. 4 Initial Resistance of Corrosion Sensor (Ω)

Table 1 Test Factor and Level

Factor Level

Number of Line (Line) 1Line

Aqueous Solution (%) Mol Ratio [Cl

]/[OH

] 0.0, 0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 10

부식전 부식 후

(a) Potentiostat Test (b) Tafel Curve Photo 5 Corrosion Rate Test using Potentiostat

스크린 프린트로 제조한 부식센서의 형상을 나타낸 것이다 . Photo 4에 나타낸 것처럼 센서의 수는 1선, 3선, 5선, 7선, 9 선으로 하여 회로를 구성하였으며, 센서 기판은 가로 12.7 mm, 세로 15.88 mm의 직사각형이며, 두께는 0.5 mm의 아 크릴계 판을 사용하였다. 또한, 제작된 부식센서에는 저항측 정을 위하여 전선을 연결하였다 .

한편 , Fig. 4는 센서의 세선 수에 따른 센서 초기 저항값을 나타낸 것이다 . 세선 수에 따라 초기 저항값의 편차가 있지 만 약 4~6 Ω의 저항값을 나타내고 있으며, 세선 수가 증가 할수록 초기저항값은 약간 커지는 것으로 나타났다. 특히, 센서의 초기 저항값이 일정한 범위를 나타내는 것으로 보아 센서로서의 초기성능은 만족한다고 판단된다 .

3.2 부식센서의 전기화학적 특성시험 (실험 I)

3.2.1 실험개요

본 실험에서는 개발된 부식센서가 염소이온에 의하여 반 응함으로서 철근과 같은 부식발생을 나타내는 지를 알아보 기 위하여 1선 세선을 대상으로 전기화학적 방식성능 평가

를 실시하였다 . Table 1은 실험인자 및 수준을 나타낸 것이 며 , 염소이온 함유량에 따라 개발된 부식센서의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 Cl

/OH

몰비를 7종류 설정하여 실 시하였다 .

3.2.2 실험방법 및 측정항목

본 실험에 사용된 전기화학적 실험기구는 Potentiostat 이 며 , Photo 5와 같이 기준전극 (Reference Electrode), 작동전 극 (Working Electrode), 보조전극 (Counter Electrode)으로 구성되어 있고 부식센서의 자연전위와 분극저항을 측정함으 로서 응답성능을 평가하였다 .

3.3 부식센서의 파괴정도에 따른 센서 저항변화 (실험 II)

3.3.1 실험개요

본 연구에서는 부식센서의 민감도를 평가하기 위하여 센 서의 세선을 1개씩 칼로 절단하면서 센서의 저항변화를 알 아 보았다 . Table 2에 본 실험의 실험인자 및 수준을 나타낸다.

3.3.2 실험방법 및 측정항목

본 실험에서는 센서수가 다른 센서별로 초기 저항값을 측

정하고 센서의 세선을 1개씩 절단해 가면서 센서의 저항값

변화를 전류계로 측정하였다 . Photo 6은 센서의 세선을 절단

한 후의 모습과 저항값을 측정하는 광경을 나타낸 것이다 ..

Table 2 Test Factor and Level

Factor Level

Number of Line (Line) 1, 3, 5, 7, 9

(a) Resistance Measuring Test (b) Damaged Sensor Photo 6 Resistance Change Test by Sensor’s Damage

Table 3 Test Factor and Level

Factor Level

Number of Line (Line) 1, 3, 5, 7, 9

Aqueous Solution (%) Concentration (0.0%, 0.6%, 1.0%)

(a) NaCl Aqueous Solution Immersion (b) Corroded Sensor Photo 7 Resistance Test in NaCl Aqueous Solution

Table 4 Test Factor and Level

Factor Level Note

Number of Line

(Line) 1, 3, 5, 7, 9 W/C = 50%

Max Aggregate:13mm, Epoxy Painting except Test side Chloride ion

Content(Cl

, kg/m

) 0, 0.6, 1.2, 2.4

Table 5 Mix Design

W/C(%)

Unit Weight (kg/m

)

Water Cement Fine Aggregate

Coarse

Aggregate Admixture

50 165 330 799 1029 1.5

Fig. 5 Installation Depth of Sensor in Concrete Specimen

3.4 NaCl 수용액에서의 부식센서 응답성능 평가 (실험 III)

3.4.1 실험개요

본 연구에서는 세선 수가 다른 센서별로 염소이온에 의해 센서가 부식한 경우 , 센서의 저항변화를 알아보기 위하여 NaCl 수용액의 농도를 0%, 0.6%, 1.0%로 하여 제조된 용액 에 , 부식센서를 12시간 침적한 후, 12시간 기중에서 건조하 는 것을 1 cycle로 하여 각 Cycle별로 센서의 저항변화를 측 정하였다 . Table 3에 실험인자 및 수준을 나타내고 있으며 Photo 7은 NaCl 수용액에 센서를 침적하여 부식을 유도하는 광경과 부식된 센서의 모습을 나타내고 있다 .

3.5 콘크리트내에서 부식센서 성능평가 (실험 IV)

3.5.1 실험개요

본 연구에서는 염소이온 함유량이 다른 콘크리트내에서

세선수가 다른 부식센서의 응답성능을 평가하기 위하여 실 험을 실시하였다 . Table 4에 실험인자 및 수준을, Table 5에 콘크리트의 배합표를 나타낸다 .

3.5.2 실험방법 및 측정항목

콘크리트 내부의 염분함유량을 (Cl

이온 중량)을 0 kg/m

, 0.6 kg/m

, 1.2 kg/m

, 2.4 kg/m

으로 하고, 콘크리트 시험체 ( 100×100×400 mm)에 표면에서부터 센서의 거리가 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm가 되도록 배치한 다음 콘크리트를 타설하여 시험체를 제작하였다 . 물시멘트비는 50%로 하였으 며 , 시험체 크기를 고려하여 굵은골재 최대크기는 13 mm로 하였다 . 콘크리트 시험체는 센서 매립 후 7일간 수중양생 하 고 , 7일간 기중 건조 한 후, 20℃ 수중에서 12시간 침적, 60℃, 30% R.H. 챔버에서 12시간 부식촉진 실험으로 총 24시간을 1 cycle로 하여 각 cycle 종료 후 각 부식센서별로 저항변화 를 전류계로 측정하였다 . 또한, 부식센서는 Photo 4와 동일 한 것 ( 5type, 12.7 mm×15.88 mm×0.5 mm)을 사용하였다.

Fig. 5는 콘크리트 시험체에 매설한 부식센서의 위치를 나타

낸다 . 센서는 콘크리트 표면에서, 10 mm, 20 mm, 30 mm,

40 mm 위치에 매설하여 매설깊이에 따른 영향을 평가하였

다 . 또한, Photo 8에 콘크리트 실험 과정을 나타낸다.

(a) Developed Corrosion Sensor (b) Soldered Sensor with Wire (c) Installation of Sensor

(d) Concrete Specimens (e) Corrosion Accelerated Curing in Chamber

(f) Resistance Measurement

Photo 8 Process of Test in Concrete Specimen

Table 6 Result of Electro-Chemical Corrosion Test Mol Ratio

[Cl

]/[OH

]

Corrosion Potential Ecorr (V)

Corrosion Speed Icorr (mpy)

Polarization Resistance (Rp)

0.0 -0.22 0.03 867

0.3 -0.31 0.08 325.0

0.6 -0.37 0.07 371.4

1.2 -0.41 0.11 236.4

2.4 -0.42 0.27 96.3

4.8 -0.47 0.41 63.4

Fig. 6 Corrosion Potential with Mol Ratio[Cl

]/[OH

] (1Line Sensor)

4. 실험결과 및 분석

4.1 염소이온 수용액내 부식센서의 전기화학적 부식 특성

Table 6과 Fig. 6에 1세선 부식센서의 수용액내 전기화학 적 부식특성을 나타낸다. 염소이온 혼입량이 증가할수록, 즉 몰비 [Cl

/OH

]가 증가 할수록 부식센서의 부식전위는 저하 하고 , 부식속도는 증가하는 현상이 나타났다. 또한, 분극저항 은 몰비가 증가 할수록 작아지는 것을 알 수 있었다. 따라서, Fe로 코팅된 부식센서는 염소이온에 의하여 철근과 유사한 부식특성을 보이는 것을 알 수 있었다 . 따라서, 본 연구에서 개발된 스크린프린트 기법의 부식센서는 염소이온에 의하여 부식하는 응답특성이 있는 것을 전기화학적 실험으로 알 수 있었으며 , 콘크리트내로 침투되는 염소이온과 반응하여 부식 하는 염소이온 침투 모니터링 센서로 충분히 사용할 수 있다 고 판단된다 .

4.2 부식센서 세선 수 단락에 따른 센서 저항 변화

Fig. 7은 부식센서 세선을 1개씩 단락시키면서 센서의 저 항변화를 측정한 것으로 , R

는 센서의 초기 저항 이며 R은 세선을 단락시킨 경우의 저항으로 세선의 단락에 의한 저항 변화 (R

/R)로 나타내었다. 1세선의 경우, 세선을 단락시키

면 전류가 통하지 않아 저항변화는 0으로 되기 때문에 센서

의 부식에 의한 저항변화를 측정하는 것은 부적당하다고 판

단된다 . 2세선 이상의 경우, 세선을 1개씩 단락시킴에 따라

Fig. 7 Resistance Change with Number of Disconnection

Fig. 8 Resistance in NaCl 0% Aqueous Solution

Fig. 9 Resistance in NaCl 0.6% Aqueous Solution

Fig. 10 Resistance Change with Number of Line (NaCl 1.0% Aqueous Solution)

저항 R은 증가하기 때문에 단락에 의한 저항변화는 점차 감 소하는 경향을 나타내어 세선의 부식에 의한 저항변화를 정 도 높게 모니터링 할 수 있다고 판단된다 . 특히, 7세선 이상 인 경우에는 센서가 단락될 때마다 저항변화가 단계적으로 감소하여 센서의 국부 부식에 의한 영향에 있어서도 모니터 링 할 수 있다고 판단된다 .

4.3 염소이온 수용액내 부식센서의 저항 응답 특성

Fig. 8은 NaCl이 포함되지 않은 증류수 내에서의 부식센 서 저항변화를 나타낸 것이다 . 부식촉진 cycle이 증가하여도 본 실험에서 센서의 저항변화는 거의 나타나지 않았다 . 그러 나 , Fig. 9에 나타낸 것처럼 NaCl 수용액에 침지하여 부식촉 진을 시킨 경우 , cycle이 경과함에 따라 센서의 저항은 커지 는 것을 알 수 있다 . 또한, 세선 수가 많은 7세선 이상의 센 서에서 염소이온에 기인한 센서의 부식으로 저항값 변화가 크게 나타나는 것으로 보아 , 염소이온과 반응하여 콘크리트 내로 침입하는 염소이온의 모니터링 효율성을 높이기 위해 서는 7세선 이상의 센서가 적합하다고 판단된다.

Fig. 10은 NaCl 수용액에서 부식촉진을 시킨 경우, cycle 경과에 따른 저항변화 (R

/R)를 나타낸 것이다. 1세선의 경 우 , 염소이온에 의한 센서 부식으로 센서저항은 점차적으로 저하하는 것으로 보아 염소이온의 응답성은 민감하지 않다 고 판단된다 . 그러나, 부식촉진 cycle이 커지면 센서의 세선 수가 많을수록 저항변화는 급격하게 일어나며 , 이러한 현상 은 5세선 수 이상에서 뚜렷하게 나타났다. 따라서, 단선형 (1 세선 )센서 보다는 다선형 (5~9세선)센서가 염소이온 수용내 에서 저항변화 응답특성이 좋다고 판단된다 .

4.4 콘크리트내 부식센서의 저항 응답 특성

Table 7은 콘크리트내 염소이온 함유량에 따른 부식센서

의 저항 값을 콘크리트내 염소이온 함유량 , 부식센서의 세선

수 , 부식센서 매설 위치별로 나타낸 것이다. Fig. 11은 7세선

부식센서로 매설위치가 콘크리트 표면에서 10 mm인 경우,

콘크리트내 염소이온 함유량에 따른 부식촉진 cycle별 저항

을 나타낸 것이다 . 부식촉진 7 cycle부터 센서의 저항변화가

나타나고 있으며 , 콘크리트내 염소이온 함유량이 높을수록

Table 7 Resistance of Corrosion Sensor in Concrete

Cycle

Chloride ion Content

(kg/m

) Number of Line (Line) Concrete Cover(mm)

0.0 0.6 1.2 2.4 1 3 5 9 20 30 40

7Line, Cover 10 mm Cl

1.2 kg/m

, Cover 10 mm Cl

1.2 kg/m

, 7 Line

1 5.7 5.6 5.7 5.7 4.9 4.0 4.7 5.8 5.6 5.6 5.7

2 6.0 5.9 6.0 5.9 5.0 4.3 4.9 6.1 5.9 6.0 5.9

3 5.9 6.7 6.2 6.8 5.3 5.5 6.0 6.7 6.2 6.0 5.8

4 5.9 6.9 6.6 7.9 5.8 5.8 6.5 7.7 6.6 6.4 6.1

5 6.0 7.4 7.5 8.1 6.3 6.2 6.8 9.1 7.4 7.3 6.4

6 6.0 7.8 7.6 8.4 6.6 6.3 6.9 9.3 7.6 7.4 6.7

7 6.0 8.4 7.8 8.6 6.7 6.6 6.9 9.5 7.6 7.4 6.8

8 6.1 9.1 9.7 47 6.7 7.3 7.6 14.2 7.8 7.5 7.1

9 6.2 9.5 11.5 50.8 7.7 8.3 9.4 15.6 8.2 7.8 7.2

10 6.3 20.7 25.3 53 8.1 12.3 14 26.9 13.2 10.1 8

11 6.7 23.1 27.5 78.9 7 16.4 15.1 64.5 14.7 11.7 8.7

12 6.8 26.9 36.1 125 7.3 19.5 24.2 65.6 15.6 11.9 9.3

13 6.9 28.5 42 126.5 8.1 20.6 32.2 64 17.5 13.4 9.9

14 6.9 32.1 79 133 10.3 20.3 44.6 89.2 36.9 26.5 11.4

15 7.2 32.3 104.3 135.1 11.1 21.7 66.2 118.8 39.2 27.4 12.3

16 7.4 41.0 106.2 136.2 9.2 26.8 67.3 153.6 66.7 32.3 22.6

17 7.6 48.7 126.3 160.5 7.6 47.1 96 153.1 83.3 36 23.7

18 11.9 50.6 126.9 164.9 9.4 66.6 96.2 151.5 95.2 56.5 23.7

19 11.4 56.5 128.8 169.2 35.1 68.3 95.1 166 98.4 86.6 41.9

20 10.8 63.8 150.5 175.7 36.5 79.9 114.6 166 128.5 87.6 44.1

21 11.9 64.6 152.7 193.5 40.5 90.8 105.9 167.7 132.8 89.5 46.8

Fig. 11 Resistance VS Chloride Content in Concrete (7Line, Cover 10mm)

Fig. 12 Resistance VS Number of Sensor Line (Cl

1.2 kg/m

, Cover 10mm)

저항값은 커지는 것으로 나타나 개발된 부식센서가 염소이 온의 농도에 따라 우수한 응답특성을 나타내고 있다고 판단 된다 . 한편, Fig. 12는 염소이온 함유량 1.2 kg/m

, 부식센서 매설위치가 10 mm인 경우, 센서의 세선 수에 따른 부식촉 진 cycle별 저항을 나타낸 것이다. 1세선 부식센서의 경우, 18 cycle에서 부터 저항변화가 나타나고 있으며, 콘크리트내 염소이온에 기인한 센서의 저항변화 민감도가 매우 떨어진 다고 판단된다 . 그러나, 센서의 세선 수가 많을수록 센서가

염소이온에 의해 부식하면 센서의 저항변화는 급격하게 증 가하였다 . 따라서, 콘크리트내에서 부식센서의 염소이온 반 응 민감도를 높여 저항변화 민감도를 높이기 위해서는 부식 센서의 세선 수를 증가시키는 것이 유효하다고 판단되며 , 적 어도 7세선 이상이 바람직하다고 판단되나, 9세선 센서는 민 감도가 매우 크고, 스크린 프린트 제조 시 센서의 겹침이 발 생될 우려가 있다고 사료된다 .

Fig. 13은 2는 염소이온 함유량 1.2 kg/m

, 7세선 부식센

Fig. 13 Resistance VS Concrete Cover of Sensor (7Line, Cl

1.2 kg/m

)

서의 경우 , 센서의 매설위치에 따른 부식촉진 cycle별 저항 을 나타낸 것이다 . 센서의 매설위치가 콘크리트 표면에서 10 mm인 경우 부식촉진 10 cycle에서 최초의 저항변화가 발생 하였으며 , 매설 위치 20 mm, 30 mm에서는 14 cycle에서, 40 mm에서는 16 cycle에서 저항변화가 발생하였다. 이것은 부식센서의 매설위치가 콘크리트 표면에서 가까울수록 염소 이온 존재 하에서 산소 및 수분의 영향으로 부식센서의 부식 이 촉진되었기 때문으로 판단된다 .

따라서 , 염소이온과 반응하는 부식센서의 최적 세선 수를 결정하기 위한 이상의 실험결과 , 최적인 센서의 세선 수는 7 세선이 적합하다고 판단된다 .

5. 결 론

본 연구에서는 콘크리트 내부로 침투하는 염소이온을 모 니터링 할 수 있는 부식센서를 스크린 프린트 기법으로 제조 하여 , 개발된 부식센서가 염소이온에 의하여 반응하는 응답 특성을 센서 세선의 단락 실험 , 염소이온 수용액내 부식센서 의 전기화학적 부식실험, 염소이온 수용액 및 염소이온 혼입 콘크리트 내 센서의 부식실험을 통하여 실시한 결과 , 아래와 같은 결론을 도출하였다 .

(1) 전기화학적 부식실험에서, 염소이온 혼입 몰비[Cl

/OH

] 가 증가 할수록 부식 센서의 부식전위는 저하하고 , 부 식속도는 증가하며 , 분극저항은 작게 나타나 스크린 프린트 기법으로 제조한 부식센서는 염소이온과 반응 하여 충분한 부식 응답 특성을 갖는 것을 알 수 있었다 . (2) 1세선 부식센서의 경우, 센서 부식에 의한 저항변화는

매우 작아 센서의 민감성이 적어 모니터링용으로 부적 합 하다고 판단되며 , 센서의 세선 수가 많을수록 염소

이온에 기인한 센서부식으로 센서의 저항변화는 급격 하게 일어나며 , 특히, 이러한 현상은 7세선 수 이상에 서 뚜렷하게 나타났다 .

(3) 콘크리트 내에서 부식센서의 염소이온 반응 민감도를 높여 저항변화 민감도를 높이기 위해서는 부식센서의 세선 수를 증가시키는 것이 매우 유효하며 , 본 실험의 범위 내에서는 염소이온과 반응하는 부식센서의 세선 수는 7세선이 최적이라고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한양대학교에리카산학협력단에서 주관하는 “고 주파 아크용사기를 이용한 건축구조물의 강재 부식방지 신 기술 개발” (과제번호 : 12첨단도시D02)의 일환으로 국토교 통부 첨단도시개발사업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다 .

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요 지

본 연구에서는 콘크리트내로 침투하는 염소이온을 모니터링하기 위하여, 스크린프리트 기법으로 염소이온 반응형 부식센서를 개발하고, 센서의 세선 수가 부식반응도 및 민감도에 미치는 영향을 실험을 통하여 정량적으로 분석하였다. 개발된 부식센서를 이용하여 염소이온량 에 따라 부식 반응도을 확인하였으며 , 센서의 파괴정도에 따른 저항변화에서는 단선형 센서보다 다선형 센서에서 큰 저항 변화를 나타내었 다 . 또한, 부식센서는 NaCl 수용액의 농도가 높은 만큼 센서의 저항변화가 크고, 콘크리트 내에서 센서 종류에 따른 부식저항은 단선형보 다 다선형에서 민감도가 높게 나타났으며 , 센서의 매설깊이가 클수록 저항변화 사이클 (cycle)은 증가하였다.

이상의 결과로 , 본 연구에서 개발된 부식센서는 염분에 대한 부식반응과 민감도, 저항의 변화를 감지할 수 있었으며, 특히 7세선이 우수 한 결과를 나타내어 , 염분의 침투정도를 모니터링 하는데 가장 적합하다고 판단된다.

핵심 용어 : 부식센서, 전기화학적 측정방법, 염소이온, 세선 수

Received : 03/14/2014

Revised : 03/31/2014

Accepted : 04/09/2014