서동주
(Dong-Ju Seo)
1iD
전형민
(Hyung-Min Jun)
1iD
박종건
(Jong-Gun Park)
2†iD
최범균
( Beom-Gyun Choi)
3iD
허광희
( Gwang-Hee Heo)
4iD
-
건양대학교 재난안전공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Disaster & Safety Engineering, Konyang University,
Nonsan 32992, Rep. of Korea)
-
건양대학교 공공안전연구소 전임연구원
(Researcher, Public Safety Reserch Center, Konyang University, Nonsan 32992, Rep. of
Korea)
-
한국스마트구조시스템 연구원
(Researcher, Korea Research Institute of Smart Material and Structures System, Rep.
of Korea)
-
건양대학교 해외건설플랜트학과 교수
(Professor, Department of International Civil & Plant Engineering, Konyang University,
Nonsan 32992, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
다중벽 탄소나노튜브, 탄소섬유, 전도성 보도블록(I형), 자가 발열, 전기적 특성
Key words
multi-walled carbon nanotubes, carbon fibers, conductive sidewalk block (type I), self-heating, electrical properties
1. 서 론
최근, 지구온난화와 이상기후로 인해 겨울철 기온 변화가 심해지면서 사고 발생이 증가하고 있다. 그동안 겨울철 포장도로에서 차량이나 보행자가 안전하게
접근할 수 있도록 다양한 제설제가 사용되었다. 하지만 염화물 계 제설제 살포는 환경 오염, 포장도로의 손상 및 차량 부식 등의 문제를 유발할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대체 제설제가 개발되고 있으나, 비용과 효과적인 측면에서 한계가 있어 널리 사용되지 못하고 있다. 따라서 겨울철 영하의
기온에서의 발열 특성을 확보함으로써 포장도로의 폭설 및 결빙으로 인한 교통사고와 인명 피해를 줄이는 데 기여할 수 있다. 특히 보도 및 차도용 전도성
보도블록(sidewalk block)은 포장도로에서 블랙아이스(도로 살얼음) 및 결빙 위험을 감소시키고, 동결로 인한 구조물 손상을 예방하는 데 도움이
된다(Lee et al. 2021; Asadi et al. 2023).
기존의 일반 보도블록은 주로 강도와 물이 잘 스며들 수 있는 투수성에 중점을 두고 개발되었다. 이러한 보도블록은 내구성과 긴 수명이 중요한 다양한
건설에 활용된다. 최근 들어 일반 보도블록의 기능성을 확장하는 방향으로 기술이 발전하고 있으며, 이를 통해 기존에 비해 더 진보된 형태의 건설 자재로
사용될 수 있도록 다양한 연구가 진행 중이다(Jung et al. 2019). 일반 보도블록은 도시의 미관과 보행자의 편의성을 고려하여 인도나 보도, 주택단지, 광장, 공원 및 주차장 등 다양한 장소에서 널리 적용되고 있다.
향후, 전도성 보도블록은 스마트 시티와 같은 미래 지향적인 도시 개발에 필수적인 요소로 다양한 분야에서 적용 가능성이 높다. 특히 제설 및 제빙용
자가 발열 특성을 갖춘 전도성 보도블록을 개발함으로써 보다 효과적인 자가 발열 특성을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 연구에서는 플레인 시멘트 복합체(plain cement composites, PCC)에 탄소 기반 전도성 재료를 혼입하여 전기저항을 낮추고 자가
발열 특성을 구현하는 방법이 활발히 검토되었다(Kim et al. 2020; You et al. 2021). 일반적으로 부도체로 알려진 기존의 PCC에 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소 기반 전도성 재료나 구리 및 스테인리스 스틸과 같은 금속
기반 전도성 재료를 혼입함으로써 전도성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 줄 효과(joule effect)를 활용하면 전기 에너지를 열에너지로 변환할
수 있어, 스스로 열을 발생시키는 포장도로를 구현할 수 있다. 이러한 기술은 겨울철 포장도로 결빙을 방지하거나 제설 작업을 대체하는 등 실용적인 응용
분야에서 큰 잠재력을 지니고 있다.
아울러, 전도성을 비롯해 일반 보도블록의 강도 등과 같은 역학적 특성도 함께 향상시킬 수 있다. 특히 탄소 기반 .전도성 재료 중에서 탄소섬유(carbon
fibers, CF)는 비교적 저렴하며, 대량생산이 가능하여 비용 절감 측면에서 유리하다. 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon
nanotubes, MWCNT)는 뛰어난 기계적 특성과 매우 높은 종횡비(길이/직경, 1000 이상)를 바탕으로 소량으로도 전도성 보도블록에 효과적으로
적용할 수 있다(Salim et al. 2023). 그러나 MWCNT와 CF를 함께 혼입하여 자가 발열 효율을 높이는 전도성 보도블록에 관한 연구는 여전히 실용화 단계에서 제한적인 상황이다. 이에
따라 두 종류의 탄소 기반 재료는 초기 비용이 다소 높더라도 우수한 전도성과 내구성을 고려하여, 겨울철 포장도로의 제설 및 제빙 위해 전도성 보도블록(I형)의
적용 가능성을 검토하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 MWCNT와 CF를 혼입한 실제 크기의 전도성 보도블록(I형) 시편을 제조하여 유동 성능, 자가 발열 및 전기적 특성을 일반
보도블록과 비교, 검토하고자 한다. 자가 발열 실험은 내부 중심부의 자가 발열량은 데이터 로거에 연결된 저항 온도센서(resistance temperature
detector, RTD)를 통해 측정하였으며, 다양한 인가전압에서 외부 표면의 열 분포는 적외선 열화상 카메라(infrared thermal camera,
T630sc, FLIR, USA)를 이용하여 이미지화하였다. 아울러, 동일한 전극 위치에서 다양한 재령에서 전기저항의 변화를 측정하여 전기적 특성도
검토하였다. 다 나아가, 고분해능 전계방사형 주사전자현미경(high resolution field emission scanning electron
microscopy, HR FE-SEM) 촬영을 통해 파단된 전도성 보도블록(I형)의 표면 형상을 관찰하였다.
2. 실험계획
2.1 재료
전도성 보도블록(I형)의 제조 사용된 재료는 시멘트, 표준사, 배합수(또는 증류수 사용), MWCNT 및 CF이다. 본 연구에서 사용된 시멘트는 국내
H사 제품인 보통포틀랜드 1종 시멘트이며, 잔골재는 KS L ISO 679(KATS 2022a)에서 규정하는 98 % 이상의 이산화규소(SiO2)가 함유하고, 최대입경이 2.0 mm 이하인 표준사를 사용하였다. MWCNT를 사용 시 불순물에
의한 화학반응을 방지하기 위해 수돗물 대신 증류수를 사용하였다. 본 연구에 사용된 CF의 주요 특성은 Table 1과 같다. CF는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonnitrile, PAN) 기반의 국내(ACE & Tech, Ltd)에서 절단된 제품으로,
길이와 직경은 각각 약 6 mm 및 7±0.2 μm이다. 아울러, 본 연구에 사용된 분말 MWCNT의 주요 특성은 Table 2와 같다. 본 연구에서는 MWCNT를 수용액 형태로 사용하였으며, 국내 전문업체인 U 사에서 제조한 3 wt% 농도의 MWCNT 분산액을 사용하였다.
이 분산액은 물을 용매로 하여 소량의 분산제가 첨가되었으며, 투입된 분말 MWCNT의 직경 및 길이는 각각 10~100 nm와 0.1~5 μm이다.
MWCNT의 분산성 확보를 위해 순도는 96.5 %로 기능화된 수용액에 17 kHz 초음파를 이용하여 30분 동안 반복적으로 분산 작업을 수행하였다.
MWCNT 분산액을 전도성 보도블록((I형))에 소량만 사용하더라도 다른 전도성 재료에 비해 전기적 및 열적 성능이 크게 향상될 것으로 기대된다.
Table 1 Main properties of carbon fiber
|
Diameter
(μm)
|
Length
(mm)
|
Purity
(%)
|
Tensile strength
(MPa)
|
Tensile modulus
(GPa)
|
Resistivity
(Ω･cm)
|
Thermal conductivity
(W/m･k)
|
|
7±0.2
|
6
|
＞92
|
4,900
|
230
|
1.6×10-3
|
200~1,100
|
Table 2 Main properties of multi-walled carbon nanotube (MWCNT) powder
|
Diameter
(nm)
|
Length
(μm)
|
Purity
(wt%)
|
Specific surface area
(m2/g)
|
Bulk density
(g/cm3)
|
Resistivity
(Ω･cm)
|
Thermal conductivity
(W/m･k)
|
|
10~100
|
0.1~5
|
＞96.5
|
200~250
|
0.08~0.12
|
10-3~10-6
|
Max 3000
|
2.2 실험 변수 및 시편 준비
2.2.1 실험 변수
본 연구에서는 자가 발열 및 전기적 성능에 영향을 줄 수 있는 실험 변수를 선정하여 특성 실험을 수행하였다. MWCNT와 CF를 혼입한 전도성 보도블록(I형)의
유동 성능, 자가 발열 및 전기적 특성을 검토하기 위해 사용된 실험 변수는 Table 3과 같다. MWCNT의 혼입 농도는 시멘트 중량 대비 0.3 wt% 및 0.6 wt%로 설정하였으며, CF의 혼입량은 부피 대비 0.3 vol%,
0.6 vol% 및 1.0 vol%로 설정하였다. 아울러, MWCNT와 CF를 함께 혼입한 경우 각각 0.3 wt%+0.3 vol% 및 0.6 vol%+0.6
vol%로 하였고, MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 플레인와도 비교, 검토하였다. 총 8가지 수준에서 각 실험 변수당 2개씩 전도성 보도블록(I형)을
제조하여 실험을 진행하였다. 다양한 인가전압에서 1시간 동안 순차적으로 공급하였다. MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 시편 명칭은 ‘PCC’로 표기하였다.
MWCNT만을 혼입하여 제조한 시편 명칭은 ‘MW0.3’ 및 ‘MW0.6’로 표기하였으며, CF만을 혼입하여 제조한 시편 명칭은 ‘CF0.3’, ‘CF0.6’
및 ‘CF1.0’로 표기하였다. 아울러, MWCNT와 CF를 함께 혼입하여 제조한 시편 명칭은 각각 ‘CF0.3MW0.3’ 및 ‘CF0.6MW0.6’로
표기하였다. 전기저항 측정에도 시편 명칭은 동일한 방식으로 각각 표기하였다.
Table 3 Test variables used to measure self-heating and electrical properties of conductive
sidewalk block (Type I)
|
Types of
mixture
|
Specimen
|
Fiber fractions of CF
(vol%)
|
Concentration of MWCNT
(wt%)
|
Voltages
(V)
|
|
Plain
|
PCC
|
-
|
-
|
10
30
60
|
|
MWCNT
|
MW0.3
|
-
|
0.3
|
|
MW0.6
|
-
|
0.6
|
|
CF
|
CF0.3
|
0.3
|
-
|
|
CF0.6
|
0.6
|
-
|
|
CF1.0
|
1.0
|
-
|
|
CF+MWCNT
|
CF0.3MW0.3
|
0.3
|
0.3
|
|
CF0.6MW06
|
0.6
|
0.6
|
2.2.2 배합
실험 변수에 따른 MWCNT와 CF를 혼입한 전도성 보도블록(I형)을 제조하기 위한 혼합 비율은 Table 4와 같다. 물-시멘트비(W/C)는 0.4로 고정하였고, 시멘트 : 표준사 : 배합수=1 : 2 : 0.4의 혼합 비율로 정하였다. MWCNT와 CF가
많이 혼입될수록 복합체 내에서 섬유 뭉침이나 응집 현상이 발생하여 성능 저하 등 비효율적인 결과를 초래할 수 있다. 혼화제는 CF의 분산성 향상과
작업성(workability)을 고려하여 폴리카르본산계(polycarboxylic) 고성능 감수제(superplasticizer, SP)를 시멘트
질량의 0.5 wt% 정도 사용하였고, MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 플레인 배합과 MWCNT만을 혼입한 배합의 경우 별도의 고성능 감수제를 사용하지
않았다. 그러나 CF만을 혼입한 배합의 경우 작업성을 고려하여 SP 제의 양을 시멘트 중량의 0.5 wt%로 조절하였다. Fig. 1은 MWCNT와 CF를 혼입한 전도성 보도블록(I형)은 200×100×60T 크기의 인터록킹 블록으로 선정하여 제조하였다. Fig. 1(a)와 (b)는 전도성 보도블록(I형)을 제조하기 위한 개략적인 단면도와 평면도를 나타내며, Fig. 1(c)와 같이 실제 크기로 제조된 모습을 보여주고 있다. 전도성 보도블록(I형)의 두께는 KS F 4419(KATS 2022b)에서 규정한 “보차도용 콘크리트 인터로킹 블록”기준을 따라 표준 두께인 60 mm로 정하였다. 인가전압을 공급하기 위해 구리 메시로 구성된 두 전극
사이의 거리는 동일하게 66.6 mm로 정확히 맞추어 매입하였다. 한편, 본 연구에서는 두께 0.5 mm, 간격 3 mm×5 mm의 구리 메시 전극을
사용하여 구리와 시멘트 매트릭스 사이의 불연속성을 최소화하였다. 이때 시편 내 전극의 실제 매입 깊이는 40 mm이다.
Fig. 1 Schematic diagram and manufacturing of conductive sidewalk block (Type I)
Table 4 Mix proportion of specimens with different conductive materials
|
Specimen ID
|
CF
(vol%)
|
MWCNT
(wt%)
|
W/C
(%)
|
C/S
|
Unit weight (kg/m3)
|
SP
(C×wt%)
|
Target flow
(mm)
|
|
Cement
|
Sand
|
Water
|
|
PCC
|
-
|
-
|
40
|
1 : 2
|
630
|
1,260
|
252
|
-
|
Over
180
|
|
MW0.3
|
-
|
0.3
|
|
MW0.6
|
-
|
0.6
|
|
CF0.3
|
0.3
|
-
|
0.5
|
|
CF0.6
|
0.6
|
-
|
|
CF1.0
|
1.0
|
-
|
|
CF0.3MW0.3
|
0.3
|
0.3
|
|
CF0.6MW0.6
|
0.6
|
0.6
|
Notes: W/C: water to cement ratio; C/S: cement to sand ratio, multi-walled carbon
nanotube (MWCNT) solution (3 wt% concentration); SP: superplasticizer
2.2.3 시편 준비
Fig. 2는 MWCNT와 CF를 혼입한 전도성 보도블록(I형)을 제조하는 과정을 나타낸 것이다. 배합하기 전에 시멘트, 표준사, MWCNT 분산액, CF 및
배합수를 배합표에 맞게 계량하였다. 혼합 과정은 시멘트와 표준사를 투입한 후, 저속으로 30초 동안 건식 혼합하였다(Fig. 2(a)). CF의 분산성을 확보하기 위해 섬유를 투입하여 90초 동안 추가로 건식 혼합을 진행하였다(Fig. 2(b)). 시멘트, 표준사 및 CF의 건식 혼합이 완료된 후, MWCNT 분산액을 투입하였다(Fig. 2(c)). 30초간 정지한 뒤, 붙은 시멘트 혼합물을 제거하고, 다시 믹서기를 작동시켜 고속으로 120초 동안 혼합하였다(Fig. 2(d)). 총 혼합 시간은 4분 정도 소요되었다. 전극 설치 시 CF의 뭉침이나 MWCNT의 응집을 방지하기 위해 진동 테이블을 이용하여 1차 타설 및
다짐을 실시하였다(Fig. 2(e)). 1층 다짐이 완료된 후, 전도성 보도블록(I형)에 인가전압을 공급하기 위해 단면적이 90 mm×70 mm(가로×세로)인 2개의 구리 메시를 시멘트
혼합물 내부에 매입하였다. 전극 사이의 거리는 66.6 mm이고, 매입 깊이는 60 mm이다(Fig. 2(f)). 전극 설치 후 진동 테이블을 이용하여 2, 3층 타설 및 다짐을 진행하였고, 내부 중심의 자가 발열량을 측정하기 위해 저항 온도센서를 30 mm
깊이로 설치하였다(Fig. 2(g)). 마지막으로 구리 메시와 저항 온도센서 설치가 완료된 후 몰드를 제조하고, 수분 증발을 방지하기 위해 비닐 시트로 덮고, 상온에서 24시간 이상
양생한 후 탈형하고 양생을 진행하였다(Fig. 2(h)). 모든 전도성 보도블록(I형)은 온도 20±0.5 °C와 상대습도 50±5 %가 유지되는 실험실에 방치하여 자연 상태에서 기건양생하였다.
Fig. 2 Fabrication process of conductive nano sidewalk block (Type I)
2.3 실험방법
2.3.1 플로우 시험
전도성 재료인 MWCNT와 CF의 혼입은 작업성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 일반적으로 이러한 전도성 재료의 혼입량과 혼입 농도는 제한적으로 조절된다.
본 연구에서는 굳지 않은 시멘트 혼합물의 유동 성능을 측정하기 위해 KS L 5111(KATS 2022c)에 규정된 미니 플로 테이블(diameter 250 mm) 및 플로 콘을 이용하였다. 시멘트 혼합물이 배출된 직후 하부 직경 100±0.5 mm,
상부직경 70±0.5 mm, 높이 50±0.5 mm의 원뿔형 몰드에 2층으로 부어 넣고 20회씩 다짐하였다. 플로우 시험은 KS L 5105(KATS 2022d)에 의거 원뿔형 몰드를 들어 올린 후 즉시 15초 동안 25회 12.7 mm의 높이를 낙하시킨 다음 플로우 값을 측정한다. 플로우 값은 시멘트 혼합물의
흐름이 멈춘 후 4방향의 직경을 측정하여 산출하였으며, 각각의 변수에서 2회 반복하여 측정하였다.
2.3.2 자가 발열 실험
MWCNT와 CF를 혼입한 전도성 보도블록(I형)의 자가 발열 실험은 재령 28일에 실험실 환경(온도 20±0.5 °C, 상대습도 50±5 %)에서
다양한 인가전압을 공급하여 진행되었다. 자가 발열 특성을 측정하기 위해 전원공급장치(power supply, K-6003)를 이용하여 최대 60 V와
3 A(180 VA)까지 DC 전압을 가하였으며, 전도성 보도블록(I형)에 매입된 구리 메시에 (+), (-) 전극을 연결하여 진행되었다. 이때 1시간
동안 1초 간격으로 동일한 전압을 공급하였다. 다양한 인가전압(DC 10 V, 30 V, 60 V)을 변수로 1시간(3,600초) 동안 1초 간격으로
동일한 인가전압을 공급하였다. 전도성 보도블록(I형)의 중심부에 설치된 저항 온도센서를 데이터 로거(supmea R9600-4channel)에 단자에
연결하여 측정되었다. 아울러, 다양한 인가전압에서 적외선 열화상 카메라를 이용하여 열 분포를 이미지화하였다. 특히 공급되는 전류가 외부로 흐르는 것을
방지하고, 실험 중 감전 및 단락 방지 등 안전을 위해 절연고무판 위에서 진행하였다. Fig. 3은 자가 발열 측정을 위해 준비된 전도성 보도블록(I형)의 셋업 사진을 보여준다.
Fig. 3 Photograph of a conductive sidewalk block (Type I) set up for self-heating
measurement
2.3.3 전기저항 측정
일반적으로 시멘트 복합체의 전기저항 측정 방식 중 2점 프로브 방식은 4점 프로브 방식에 비해 사용이 간편하고 편리하여 널리 활용되고 있다. 따라서
본 연구에서는 전기저항 측정을 위해 디지털 멀티미터(digital multimeter, keithley 6220)를 이용하여 각 재령 별(3일, 7일,
28일 및 56일)로 측정하였으며, 측정 방식은 2점 프로브 방식을 통해 수행되었다. 디지털 멀티미터의 (+), (-) 전극을 전도성 보도블록(I형)에
설치한 구리 메시에 연결한 후, 전기저항 값이 특정한 값으로 안정될 때까지 측정하였다. 신뢰할 수 있는 전기저항 데이터를 얻기 위해 모든 시편을 건조한
상태에서 각 실험 변수마다 2회씩 측정한 후 그 평균값을 사용하여 구하였다.
2.3.4 HR FE-SEM 관찰
본 연구에서는 전도성 보도블록(I형)의 파단면에서 MWCNT와 CF의 분산 상태를 확인하기 위해 HR FE-SEM을 이용하였다. 장비는 TESCAN사의
MIRA LMH 모델, HR FE-SEM을 사용하였으며, 10~20 kV의 가속 전압과 9.92~14.5 mm의 작업 거리를 설정하여 수행되었다.
아울러, 진공모드에서 SE 검출기를 사용하였다. 파단된 시료를 분쇄하여 획득한 시료를 충분히 건조한 후, 진공상태에서 백금(Pt) 코팅을 실시하였으며,
HR FE-SEM을 통해 시료의 표면 형상을 관찰하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 유동 성능
Fig. 4는 각 시멘트 혼합물의 유동 성능 측정 결과를 ‘PCC’ 시멘트 혼합물과 비교하여 변화 추이를 나타낸 것이다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이, ‘PCC’ 시멘트 혼합물과 MWCNT를 혼입한 ‘MW0.3’ 및 ’MW0.6’ 시멘트 혼합물의 플로우 값은 각각 181 mm,
187 mm 및 190 mm 범위로 측정되어 목표 플로우 값 180 mm 이상을 충족하였다. 국내 U사에서 분말 MWCNT를 계면활성제와 초음파 처리를
통해 최적화된 수용성 분산액 완제품을 사용하여 ‘PCC’ 시멘트 혼합물에 비해 유동성이 미미하게 향상되었다. 특히 가장 높은 플로우 값은 MWCNT만을
혼입한 ‘MW0.6’ 시편에서 나타났으며, 190 mm이다. 동일한 배합 조건에서 MWCNT가 균일하게 분산되고 응집 현상이 발생하지 않았기 때문으로
판단된다. 하지만 CF만을 혼입한 시멘트 혼합물은 CF의 혼입량이 증가할수록 플로우 값이 109~161 mm 범위로 측정되어 크게 감소하였다. 아울러,
MWCNT와 CF를 함께 혼입한 시멘트 혼합물에도 CF의 혼입량이 증가할수록 146~166 mm 범위로 측정되어 다소 감소하는 경향을 나타냈다. CF는
평균 직경 약 7 μm의 꼬이지 않은 12,000여 개의 꼬지 않은 연속 필라멘트 다발이 모여 토우(tows)를 형성하고 있어, 높은 비표면적으로
인해 시멘트 매트릭스와 섬유 사이의 점착력과 부착력이 증가하게 되었다. 섬유의 뭉침으로 인해 유동 성능이 상당히 저하된다는 결과와 거의 유사한 것으로
나타냈다(Dehghani and Aslani 2020).
Fig. 4 Results of table flow measurement
3.2 자가 발열 특성
3.2.1 자가 발열량
실험 변수에 따른 전도성 보도블록(I형)의 자가 발열량 실험 결과와 초기 값(20 °C) 기준 온도증가량을 Table 5에 요약, 정리하였다. 가장 높은 자가 발열량은 인가전압이 10 V에서 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 발생하였으며,
최고 자가 발열량은 85.2 °C이었다. 그러나 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 30V 및 60V의 전압을 인가한 경우 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를
초과하여 발열량을 측정할 수 없었다. 반면, MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 ‘PCC’ 시편과 MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’
시편은 자가 발열량이 매우 낮아 전도성 개선이 부족하여 발열 효과가 미미하였다.
Fig. 5는 HR FE-SEM을 통해 MWCNT와 CF의 형상을 각각 100,000배와 200배로 확대하여 촬영한 이미지이다. CF가 MWCNT에 비해 훨씬
더 큰 입자 크기를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 CF와 MWCNT를 동일한 중량으로 사용되었는데, 두 전도성 재료의 밀도 차이를
고려할 때, 시멘트 매트릭스 내에서 큰 입자의 적은 분포하는 것보다 작은 입자의 더 많은 분포가 자가 발열 효과를 높이는 데 더 효과적이다. MWCNT는
전도성 네트워크가 더 많이 형성되는 것으로 관찰되었으며, 이를 통해 자가 발열 특성이 우수할 것으로 기대된다.
Table 5 Results of self-heating tests of conductive sidewalk block (Type I) specimens
|
Specimen ID
|
Mix proportions
|
Maximum self-heating
(°C)
|
△T (°C) increase in the initial
temperature
|
|
CF (vol%)
|
MWCNT (wt%)
|
10 V
|
30 V
|
60 V
|
10 V
|
30 V
|
60 V
|
|
PCC
|
-
|
-
|
20.1
|
20.3
|
22.6
|
0.1
|
0.3
|
2.6
|
|
MW0.3
|
|
0.3
|
20.3
|
20.5
|
22.7
|
0.3
|
0.5
|
2.7
|
|
MW0.6
|
|
0.6
|
20.6
|
21.4
|
23.9
|
0.6
|
1.4
|
3.9
|
|
CF0.3
|
0.3
|
|
22.4
|
31.5
|
56.3
|
2.4
|
11.5
|
36.3
|
|
CF0.6
|
0.6
|
|
23.5
|
34.4
|
62.8
|
3.5
|
14.4
|
42.8
|
|
CF1.0
|
1.0
|
|
26.1
|
38.9
|
70.5
|
6.1
|
18.9
|
50.5
|
|
CF0.3MW0.3
|
0.3
|
0.3
|
28.7
|
42.0
|
75.4
|
8.7
|
22.0
|
55.4
|
|
CF0.6MW06
|
0.6
|
0.6
|
85.2
|
DU
|
DU
|
65.2
|
-
|
-
|
Note: DU: data unmeasurable
Fig. 5 High-resolution field-emission scanning electron microscopy (HR FE-SEM) images
of the multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon fiber (CF) within a cement
matrix
Fig. 6 Comparison of peak self-heating of conductive sidewalk blocks (Type I) specimens
at various applied voltages
Fig. 6은 다양한 인가전압에서 전도성 보도블록(I형)의 최고 자가 발열량을 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 6(a)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 10 V일 때 최고 자가 발열량은 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 경우 CF의 혼입량 0.6 vol%와 MWCNT의
혼입 농도가 0.6 wt%인 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 가장 우수한 자가 발열 효과를 나타냈다. 이때, 최고 자가 발열량은 85.2 °C로 측정되었으며,
‘PCC’ 시편, ‘MW0.3’ 시편, ‘MW0.6’ 시편, ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편, ‘CF1.0’ 시편 및 ‘CF0.3MW0.3’
시편에 비해 각각 652배, 217.3배, 108.7배, 27.2배, 18.6배, 10.7배 및 7.5배 정도 향상되었다. Fig. 6(b)에 나타난 바와 같이, 인가전압이 30 V일 때 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편의 최고 자가 발열량은 42.0 °C로
측정되었으며, ‘PCC’ 시편, ‘MW0.3’ 시편, ‘MW0.6’ 시편, ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편에 비해
각각 73.3배, 44배, 15.7배, 1.9배, 1.5배 및 1.2배 정도 향상되었다. Fig. 6(c)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 60 V일 때 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편의 최고 자가 발열량은 75.4 °C로 측정되었으며,
‘PCC’ 시편, ‘MW0.3’ 시편, ‘MW0.6’ 시편, ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편에 비해 각각 21.3배,
20.5배, 14.2배, 1.5배, 1.3배 및 1.1배 정도 향상되었다. 그러나 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 30 V 및 60 V의 인가전압
시 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량을 측정할 수 없었다. 반면 다양한 인가전압에 관계없이 ‘PCC’ 시편, ‘MW0.3’ 시편
및 ‘MW0.6’ 시편은 전도성 네트워크를 형성하기 어려워 자가 발열량이 0.1 °C~3.9 °C 정도로 미미하였다. 따라서 MWCNT와 CF를 함께
혼입한 전도성 보도블록(I형)은 전도성 네트워크를 형성하여 전자의 이동 네트워크를 원활하게 제공하며, 이를 통해 전기적･열적 성능을 효과적으로 개선한다.
특히 MWCNT의 혼입 농도와 CF의 혼입량이 증가할수록 더 많은 전도성 네트워크가 형성되어 자가 발열량이 크게 향상되는 시너지 효과로 나타냈다.
전도성 보도블록(I형)의 전기적･열적 성능 향상을 위해 MWCNT와 CF를 함께 사용하는 것이 매우 효과적이다.
3.2.2 시간에 따른 자가 발열 증가 곡선
Fig. 7은 다양한 인가전압에서 전도성 보도블록(I형)의 시간에 따른 자가 발열 증가 곡선을 나타낸 것이다. Fig. 7(a)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 10 V인 경우 MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 ‘PCC’ 시편의 내부 중심온도는 20.1 °C로 측정되었으며,
초기온도 대비 0.1 °C 정도로 1시간 후에도 자가 발열량의 변화가 없는 것으로 나타냈다. MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’
시편의 내부 중심온도는 각각 20.3 °C 및 20.6 °C로 측정되었으며, 초기온도 대비 각각 0.3 °C 및 0.6 °C 정도 상승하여 거의 유사하였다.
반면 CF만을 혼입한 경우 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편의 내부 중심온도는 각각 22.4 °C, 23.5 °C 및
26.1 °C로 측정되었으며, 초기온도 대비 각각 2.4 °C, 3.5 °C 및 6.1 °C 정도 상승하여 약간 향상되었다. 하지만 MWCNT와 CF를
함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편 및 ‘CF0.6MW0.6’ 시편의 내부 중심온도는 각각 28.7 °C 및 85.2 °C로 측정되었으며, 1시간
후 가장 높은 자가 발열량은 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 발생하였다. ‘CF0.3MW0.3’ 시편의 내부 중심온도는 초기온도 대비 8.7 °C
정도 다소 상승하였으며, ‘CF0.6MW0.6’ 시편은 65.2 °C 정도 상승하여 가장 크게 향상되었다. Fig. 7(b)에서 나타낸 바와 같이, 인가전압이 30 V인 경우 MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 ‘PCC’ 시편의 내부 중심온도는 20.3 °C로 측정되었으며,
초기온도 대비 0.3 °C 정도로 거의 유사하였다. MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’ 시편의 내부 중심온도는 각각 20.5
°C 및 21.4 °C로 측정되었으며, 초기온도 대비 각각 0.5 °C 및 1.4 °C 정도 상승하여 미미하였다. 반면 CF만을 혼입한 경우 ‘CF0.3’
시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편의 내부 중심온도는 각각 31.5 °C, 34.4 °C 및 38.9 °C로 측정되었으며, 1시간 후
가장 높은 자가 발열량은 ‘CF1.0’ 시편에서 발생하였으며, 11.5 °C, 14.4 °C 및 18.9 °C 정도 상승하여 다소 향상되었다. 하지만
MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편의 내부 중심온도는 42.0 °C로 측정되었으며, 1시간 후 가장 높은 자가 발열량은 ‘CF0.3MW0.3’
시편에서 발생하였다. 내부 중심온도는 초기온도 대비 22.0 °C 정도 상승하여 상당히 향상되었다. 그러나 ‘CF0.6MW0.6’의 경우 측정 장비의
전류 한계(3 A)를 초과하여 발열량 측정이 불가능하였다. Fig. 7(c)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 60 V인 경우 MWCNT와 CF를 혼입하지 않은 ‘PCC’ 시편의 내부 중심온도는 22.6 °C로 측정되었으며,
초기온도 대비 2.6 °C 정도로 미미하였다. MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’ 시편의 내부 중심온도는 각각 22.7 °C
및 23.9 °C로 측정되었으며, 초기온도 대비 각각 2.7 °C 및 3.9 °C 정도 상승하여 약간 향상되었다. 반면 CF만을 혼입한 경우 ‘CF0.3’
시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편의 내부 중심온도는 각각 56.3 °C, 62.8 °C 및 70.5 °C로 측정되었으며, 1시간 후
가장 높은 자가 발열량은 ‘CF1.0’에서 발생하였다. 내부 중심온도는 초기온도 대비 36.3 °C, 42.8 °C 및 50.5 °C 정도 상승하여
상당히 향상되었다. 특히,‘CF1.0’시편의 경우 자가 발열량 감소는 전기 흐름의 특성이 일정하지 않기 때문에 발생한 것으로 판단된다. 하지만 MWCNT와
CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편의 내부 중심온도는 75.4 °C로 측정되었으며, 1시간 후 가장 높은 자가 발열량은 ‘CF0.3MW0.3’
시편에서 발생하였다. 내부 중심온도는 초기온도 대비 55.4 °C 정도 상승하여 크게 향상되었다. 그러나 ‘CF0.6MW0.6’ 시편의 경우도 측정
장비의 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량 측정이 불가능하였다.
따라서 전도성 보도블록(I형)의 시간에 따른 자가 발열량을 검토한 결과, PCC와 MWCNT만을 혼입한 경우 자가 발열량이 거의 없었으나, 반면 CF만을
혼입하거나 CF와 MWCNT를 함께 혼입한 경우 MWCNT의 혼입 농도와 CF의 혼입량이 증가할수록 향상되었다. 전도성 보도블록(I형)에 혼입된 MWCNT는
시멘트 수화 생성물 사이에서 전도성 네트워크를 형성하며, MWCNT의 혼입 농도가 높을수록 형성된 MWCNT의 전도성 네트워크가 증가하여 전도성 보도블록(I형)에
흐르는 전류가 증가한다. 자가 발열량은 전류에 비례하기 때문에 전도성 보도블록(I형)에 혼입되는 MWCNT의 혼입 농도가 높을수록 자가 발열량이 증가하는
경향을 보였다. 인가전압과 MWCNT의 혼입 농도가 증가함에 따라 자가 발열량이 더욱 향상되었다.
Fig. 7 Time-dependent self-heating increase curves of conductive sidewalk block (Type
I) specimens under various applied voltages
3.2.3 열화상 이미지 평가
Fig. 8은 다양한 인가전압에서 대표적인 전도성 보도블록(I형)의 최고 자가 발열량이 발생하였을 때 촬영한 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. 전도성
보도블록(I형)의 표면온도는 인가전압에 의해 발생되는 발열량을 초기온도에 더하여 측정한 값이다. 초기 표면온도는 약 20±0.5 °C로 설정하였으며,
이는 각 열화상 이미지에 표시되었다. Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 10V인 경우 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편은 발열량이 미미하여 열화상 이미지가 뚜렷하지
않았다. 그러나 Fig. 8(b)에 나타난 바와 같이, 가장 높은 표면온도는 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 확인되었으며, 이때 발생된 표면온도는 85.2 °C로 ‘CF0.3MW0.3’
시편에 비해 7.5배 정도 향상되었다. 전도성 보도블록(I형)의 발열량이 증가함에 따라 열화상 이미지가 더욱 뚜렷하고 선명하게 나타났으며, 구리 메시가
설치된 중심부에서 표면온도의 변화가 발생하였다. Fig. 8(c)와 (d)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 30 V인 경우 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편은 발열량이 다소 증가하여 열화상 이미지에서
희미하게 육안으로 확인할 수 있다. 이때 발생한 표면온도는 42.0 °C이었다. 그러나 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서는 측정 장비의 최대 전류 한계(3
A)를 초과하여 발열량을 측정할 수 없었다. Fig. 8(e)와 (f)에 나타난 바와 같이, 인가전압이 60 V인 경우 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.3MW0.3’ 시편은 발열량이 상당히 증가하여 열화상 이미지에서
비교적 선명하게 확인되었고, 표면온도는 75.4 °C이었다. ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서도 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량을
측정할 수 없었다. 전도성 보도블록(I형)의 표면온도는 MWCNT의 혼입 농도와 CF의 혼입량이 증가할수록 상당히 향상되었다. 따라서 열화상 이미지를
통해 분석한 결과, 발열은 주로 전극 사이의 전류 흐름에 따라 전극이 연결된 네트워크에서 집중적으로 발생하며, 발열량이 증가할수록 열화상 이미지도
더욱 선명하고 명확해졌다.
Fig. 8 Thermal images of conductive sidewalk blocks (Type I)
3.3 전기적 특성
Fig. 9는 전도성 보도블록(I형)의 각 재령 별 전기비저항 변화를 나타낸 것이다. 가장 낮은 전기비저항은 ‘CF0.6MW0.6’ 시편에서 나타났으며, 재령
3일, 7일, 28일 및 56일에서 각각 75 Ω･cm, 103 Ω･cm, 130 Ω･cm 및 136 Ω･cm의 범위로 측정되었다. 1.0 wt%의
CF를 혼입한 ‘CF1.0’ 시편의 전기비저항은 각각 78 Ω･cm. 108 Ω･cm, 254 Ω･cm 및 274 Ω･cm의 범위로 측정되었고, CF를
혼입한 실험 변수 중에서 가장 낮은 전기비저항을 보였다. MWCNT와 CF를 함께 혼입한 전도성 보도블록(I형)의 전기비저항은 MWCNT의 혼입 농도
및 CF의 혼입량이 증가할수록 감소하였다. 이러한 조합이 전도성 네트워크의 연결성을 다수 형성하여 전기비저항이 감소하는 것으로 판단된다. MWCNT와
CF를 함께 혼입한 ‘CF0.6MW0.6’ 시편은 ‘PCC’ 시편에 비해 전기비저항이 99.9 % 이상 감소하는 것으로 나타냈다. 이는 MWCNT의
혼입 농도와 CF의 혼입량이 증가함에 따라 전도성 네트워크가 더 많이 형성되기 때문에 전자들이 더 원활하게 이동할 수 있어 전기비저항이 상당히 감소한
결과로 판단된다. 동일한 전압을 인가한 경우 전기비저항이 낮을수록 복합체 내에 흐르는 전류가 더 많아져 자가 발열량이 향상된다. 반면 MWCNT와
CF를 혼입하지 않은 ‘PCC’ 시편의 경우 전기비저항은 재령 3일, 7일, 28일 및 56일에서 각각 91,952 Ω･cm, 99,591 Ω･cm,
154,496 Ω･cm, 161,140 Ω･cm의 범위로 측정되었다. 특히 MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’ 시편의 전기비저항은
각각 85,576 Ω･cm, 94,209 Ω･cm, 144,152 Ω･cm, 153,027 Ω･cm 및 83,463 Ω･cm, 90,349 Ω･cm,
142,916 Ω･cm, 147,958 Ω･cm1의 범위로 측정되어 ‘PCC’ 시편과 거의 유사한 값을 나타냈다. 따라서 플레인과 MWCNT를 혼입한
경우 MWCNT와 CF를 함께 혼입하였을 때에 비해 상대적으로 전기비저항이 높게 나타냈다. 이는 전도성 네트워크가 형성되지 않아 전기적 특성이 미미하다.
따라서 시멘트 매트릭스 내에 수화작용이 시간이 경과함에 따라 점진적으로 진행되고, C-S-H 및 수화 생성물인 Ca(OH)2의 형성이 계속됨에 따라
전기비저항이 서서히 증가하는 경향을 보였다. 이는 시멘트 매트릭스 내에 존재하는 공극수가 증발하고 수화작용이 진행되면서 공극수가 감소하고, 미세구조가
조밀해져 전류의 흐름을 방해하기 때문이다. 실제 초기 재령(3일 및 7일)에는 공극수로 인해 전도성이 높아지며, 시간이 지나 공극수가 적을수록 통전성이
감소하여 전기비저항이 증가하는 것으로 알려져 있다(Seo et al. 2023). 공극수는 시멘트 매트릭스 내 공극에 포함된 수분의 양을 의미하며, 공극수가 적을수록 전도성 네트워크가 줄어들어 전기비저항이 높아진다. 이를 통해
전류가 미세구조 내 공극수를 통한 이온전도에 의해 흐르다는 것을 알 수 있다. 건조된 시멘트 복합체는 전기비저항이 높고, 습한 시멘트 복합체는 상대적으로
전기비저항이 낮은 이유는 공극수 내 이온이 전기전도 역할을 하여 전류가 더 원활하게 흐르기 때문이다.
Fig. 9 Change in electrical resistivity with different curing ages (days)
3.4 HR FE-SEM 이미지 분석
Fig. 10은 자가 발열 특성 실험 후 파단 면에서 채취한 각 시편의 HR FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. ‘CF0.6’ 시편은 500배율로 ‘MW0.3’
시편, ‘MW0.6’ 시편 및 ‘CF0.6MW06’ 시편은 각각 50,000배율로 촬영하였다. Fig. 10(a)에 나타난 바와 같이 'CF0.6' 시편에서는 다량의 CF로 섬유가 서로 연결되어 전도성 네트워크가 형성된 것을 알 수 있다. Fig. 10(b)에서 확인할 수 있듯이, MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편은 복합체 내에 작은 직경의 MWCNT가 분포되어 있으며, 수화 생성물 사이에 가교역할을
하는 MWCNT 나노 입자들이 서로 연결되어 전도성 네트워크가 다수 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 반면, Fig. 10(c)에 나타난 'MW0.6' 시편은 복합체 내에 MWCNT의 응집 현상을 보여주고 있다. MWCNT의 강한 반데르발스 힘 생성에 따른 응집이 자주 발생하며,
이로 인해 균일하지 않은 MWCNT는 일부 공극의 역할을 수행하게 된다. 이러한 현상은 MWCNT의 혼입 농도가 높을수록 빈번하게 발생하여, 결과적으로
자가 발열 및 전기적 특성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 10(d)에서 MWCNT와 CF를 함께 혼입한 ‘CF0.6MW0.6’ 시편은 복합체 내에 CF 주변에 MWCNT 나노 입자들이 덮여 서로 연결되며, 수화 생성물
사이에서 가교역할을 하여 다수의 전도성 네트워크가 형성된 것으로 관찰되었다. 전도성 네트워크는 수화 생성물 사이를 연결하여 전자가 이동할 수 있는
네트워크를 제공하며, 전도성 보도블록(I형)의 자가 발열 및 전기적 특성이 향상된 것으로 확인되었다. Fig. 10(b)와 (d)의 HR FE-SEM 이미지에서 보는 것처럼 두 시편 모두에서 칼슘실리케이트수화물(calcium- silicate-hydrate, 이하 C-S-H)이
뚜렷하게 관찰되며, 대부분의 수화물은 C-S-H 형대로 존재하고 있다. 생성된 C-S-H은 계면 전이영역(interfacial transition
zone, ITZ)의 구조를 효과적으로 개선할 수 있다.
Fig. 10 High-resolution field-emission scanning electron microscope (HR FE-SEM) images
for each specimen
4. 결 론
본 연구에서는 MWCNT와 CF를 혼입한 실제 크기의 전도성 보도블록(I형)을 제조하고, 혼입 비율에 따른 유동 성능, 자가 발열 및 전기적 특성을
평가하였으며, 파단면은 HR FE-SEM을 통해 관찰하였다. 다양한 혼합 비율은 전도성 보도블록(I형)의 유동 성능, 자가 발열 및 전기적 특성에
유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 본 연구를 통해 얻은 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) MWCNT와 CF를 함께 혼입한 전도성 보도블록(I형)은 MWCNT의 혼입 농도가 증가할수록 자가 발열 특성이 향상되었다. 특히 인가전압이 10
V에서 ‘CF0.6MW0.6’ 시편이 최고 85.2 °C로 가장 높은 자가 발열 특성을 나타냈다. 반면, MWCNT의 혼입 농도를 0.6 wt%까지
추가하더라도 ‘MW06’ 시편의 자가 발열 특성은 크게 개선되지 않았으며, 이는 전도성 네트워크가 충분히 형성되지 못하고 전기비저항이 증가하였기 때문으로
분석된다.
2) 전기비저항은 MWCNT의 혼입 농도와 CF의 혼입량이 증가할수록 현저히 감소하였다. 특히 ‘CF0.6MW0.6’ 시편은 ‘PCC’ 시편에 비해
전기비저항이 99.9 % 이상 감소하였다. 반면 ‘PCC’ 시편과 MWCNT만을 혼입한 ‘MW0.3’ 시편 및 ‘MW0.6’ 시편은 상대적으로 높은
전기비저항을 보이며 전기적 성질이 거의 없는 것으로 나타냈다.
3) 플레인 시멘트 혼합물과 MWCNT를 혼입한 시멘트 혼합물은 목표 플로우 값인 180 mm 이상을 충족하였지만, CF만을 혼입한 시멘트 혼합물의
경우 혼입량이 증가할수록 CF의 뭉침으로 인해 유동 성능이 상당히 감소하였다.
4) HR FE-SEM 이미지 분석 결과, MWCNT와 CF가 시멘트 매트릭스 내에서 비교적 고르게 분산된 것으로 관찰되었다. 그러나 일부 MWCNT의
응집과 CF의 뭉침으로 인해 전도성 보도블록(I형)의 자가 발열 및 전기적 특성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
향후 연구는 극한의 외부 환경에서도 발열 성능을 유지할 수 있는 실증적 검증이 요구되며, 장기적인 내구성에 대한 추가적인 조사와 분석이 필요할 것으로
사료된다.
감사의 글
이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(Grant No. NRF- 2018R1A6A1A03025542).
이에 감사드립니다.
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