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 K 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.

K : 환산계수 (mV)

R_p : 분극저항 (kΩ • cm²)

Δi : 분극을 발생시키는데 필요한 전류량 (mA)

ΔE : 미소분극량 (mV)

CR : 부식속도 (mpy)

K : 상수, 1.288×10⁵

E_W: 무게손실 (mg)

d : 밀도 (g/cm³)

A : 면적 (cm²)

Fig 3.

Tafel plot using Potentiostat Equipment

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.

Photo 1.

Schiessl probe Sensor System

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 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.

Photo 2.

Screen Equipment

Photo 3.

Mask Plan

Photo 4.

Number of Sensor Line Plan (5type)

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.

Fig 4.

Initial Resistance of Corrosion Sensor (Ω)

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.

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

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.

Photo 5.

Corrosion Rate Test using Potentiostat

3.3. 부식센서의 파괴정도에 따른 센서 저항변화 (실험 II)

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..

Photo 6.

Resistance Change Test by Sensor's Damage

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.

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%)

Photo 7.

Resistance Test in NaCl Aqueous Solution

3.5. 콘크리트내에서 부식센서 성능평가 (실험 IV)

3.5.2. 실험방법 및 측정항목

콘크리트 내부의 염분함유량을 (Cl^- 이온 중량)을 0 kg/m³, 0.6 kg/m³, 1.2 kg/m³, 2.4 kg/m³으로 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°C 수중에서 12시간 침적, 60°C, 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.

Fig 5.

Installation Depth of Sensor in Concrete Specimen

Photo 8.

Process of Test in Concrete Specimen

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.

Fig 6.

Corrosion Potential with Mol Ratio[Cl^-]/[OH^-] (1Line Sensor)

4.2. 부식센서 세선 수 단락에 따른 센서 저항 변화

Fig. 7은 부식센서 세선을 1개씩 단락시키면서 센서의 저 항변화를 측정한 것으로, R₀는 센서의 초기 저항 이며 R은 세선을 단락시킨 경우의 저항으로 세선의 단락에 의한 저항 변화 (R0/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 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.

Fig 7.

Resistance Change with Number of Disconnection

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 8.

Resistance in NaCl 0% Aqueous Solution

Fig 9.

Resistance in NaCl 0.6% Aqueous Solution

Fig. 10은 NaCl 수용액에서 부식촉진을 시킨 경우, cycle 경과에 따른 저항변화 (R₀/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.

Fig 10.

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

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 저항값은 커지는 것으로 나타나 개발된 부식센서가 염소이 온의 농도에 따라 우수한 응답특성을 나타내고 있다고 판단 된다. 한편, Fig. 12는 염소이온 함유량 1.2 kg/m³, 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 11.

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

Fig 12.

Resistance VS Number of Sensor Line (Cl^- 1.2 kg/m³, Cover 10mm)

Fig. 13은 2는 염소이온 함유량 1.2 kg/m³, 7세선 부식센 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.

Fig 13.

Resistance VS Concrete Cover of Sensor (7Line, Cl^- 1.2 kg/m³)

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