1.1 연구 배경

국내 대기질 및 실내공기질에 대한 관심도가 높아지고 있고 우수한 공기질을 공급하기 위해 공기청정기의 개발 및 보급이 점점 증가하고 있다. 그러나, 공기청정기는 공간을 확보해야 하고 전력을 필요로 한다는 단점이 존재하기 때문에 이를 극복 할 수 있는 재료로서 광촉매가 제시되고 있는 실정이다. 1972 년 도쿄대의 대학원생이던 Fujishima와 Honda가 이산화티탄 광촉매를 이용한 물의 분해 반응을 시작으로 그 활용에 대한 연 구가 국내외로 진행중에 있다.(^{Fujishima and Honda, 1972}) 이 산화티탄(TiO₂)이 대표적인 광촉매로 활용되는데 이는 반도 체이고 일반적으로 아나타제(anatase)형으로서 밴드갭 에너 지(E_g)가 약 388nm로 자외선(400nm) 이하 영역에서 우수한 광 활성 반응이 일어난다. 광촉매 표면층은 자외선과 반응할 경우 광산화 분해작용으로 세균, 곰팡이균 등을 제거하는 항균작 용, 기재 표면에 부착될 수 있는 오염물질의 분해 및 제거, 악취 제거 그리고 공기 중의 질소산화물 등의 유해물질을 제거하는 기능을 수행한다. 광촉매는 현재 일본 동경이과대학의 광촉매 연구센터(PIRC, Photocatalysis International Research Center) 를 중심으로 활발하게 연구 및 현장 적용 중에 있다. PIRC에 서는 가소성 폴리카보네이트 기반의 경량, 자기세척성능 TiO₂의 제작(^{Adachi et al., 2018}), TiO₂형 다공성 실리카관 의 정수 성능에 대한 연구 등이 진행 중에 있고(^{Hayashi et al., 2017}), 일반적으로 잘 알려진 TiO₂ 뿐 아니라 CeO₂를 활 용한 실내 공기질 정화 연구(^{Magudieshwaran et al., 2019}), α -Fe₂O₃와 TiO₂ 계층적 이질적 구조 제작(^{Han et al., 2017}) 등의 광촉매, 광전자반응 등의 선진적인 연구가 수행되고 있다. 국 내에서는 이와 같은 광촉매 관련 연구를 기반으로 건축물 및 토목 시설물에 적용하기 위해 콘크리트에 광촉매를 혼입하거 나 도포하여 질소산화물 제거성능을 평가하는 등 활발하게 이루어지고 있다(^{Kim, 2009(a); Kim, 2012(b); Park et al., 2001}). 그러나, 광촉매의 우수한 성능은 높은 단가와 자외선 에만 반응한다는 결점으로 활용성이 떨어진다. 이에 본 연구 에서는 빛을 투과시키는 빛 감성친화형 콘크리트(Light Emotion Friendly Concrete, LEFC)에 광촉매를 혼입하여 자 외선을 받는 영역을 증가시켜 빛 투과면의 광촉매 반응으로 효율을 극대화하고자 한다.

1.2 연구의 목적

광촉매 반응을 일으키기 위해서는 콘크리트 표면에 적정량 의 광촉매 입자를 고정하여 자외선에 노출시키는 면적을 높 여야 한다. 빛 투과콘크리트는 자외선 입자를 콘크리트의 반 대편으로 투과시킬 수 있어 일반 내·외장재료보다 광 노출면 적을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 가장 널리 알려진 빛 투과 콘크리트인 Litracon은 광섬유를 전체 콘크리트 체적의 4-10% 배열하여 타설한다. 광섬유의 우수한 빛 투과성을 활 용하여 심미성을 극대화하는 장점을 갖고 있다. 또한 일반 콘 크리트에 비하여 강도가 크게 저하되지 않는 장점도 갖고 있 다. 그러나 빛 투과 방향으로의 직선 배열이 어려워 제작기간 이 길다는 점과 높은 광섬유의 단가로 인해 국내에는 보급이 거의 이루어지지 않고 있다.

이에 따라, 국내에서는 광섬유를 경질의 플라스틱 봉으로 대체하여 제작 난이도 및 단가를 감소시킨 빛 감성친화형 콘 크리트가 개발되었다(^{Kim, 2017}). 그러나 빛 투과 콘크리트 의 특성상 아크릴 봉의 삽입으로 인하여 콘크리트 매트릭스 와 투명 재질간의 재료적 차이가 발생하여 부착력이 저하되 었다. 인공경량골재 활용 LEFC에서 다소 낮은 수치의 휨 강 도를 나타내는 것을 확인하였다. 아크릴 봉을 삽입하지 않은 No Bar 시험체는 평균 1.7 MPa의 강도를 보였으나 직경 5mm 봉을 15mm 간격으로 삽입했을 때 약 34% 저하된 1.12MPa을 보였다. 이의 보완을 위한 섬유의 과다 혼입은 미흡한 유동성 으로 봉 간격 사이를 다짐의 어려움을 초래하였다. 또한, Photo 1과 같이 휨 시험 파단면은 아크릴 봉 삽입 지점을 따라 파단되는 것으로 보아 아크릴 봉 삽입으로 단면결손이 야기 되어 강도 감소가 발생하는 것으로 판단되었다. 결국, 우수한 역학성능, 유동성 및 자기충전성능 확보가 모두 필요하다고 판단되었다(^{Kim, 2018; Kim et al, 2018; Kim et al, 2019}).

이를 위해 100MPa 이상의 우수한 압축강도를 갖고 뛰어난 내구성, 유동성 및 자기충전성능을 갖는 초고성능콘크리트 (UHPC, Ultra High Performance Concrete) 재료를 활용하여 역학적 특성을 보완하였다. 기존 연구의 UHPC를 응용한 LEFC의 휨 강도 시험 결과에서 No Bar 10MPa에서 봉 삽입 시 7.54MPa로 약 25% 저하되어 기존보다 강도 감소 정도가 9% 낮은 것을 확인하였다. 그리고 슬럼프/플로우 시험, J-ring test 및 L-box test를 통해 우수한 유동성 및 자기충전성능을 확 보하였다(^{Kim, 2018; Ryu, 2017}).

Fig. 1의 3D로 표현한 모델에서 LEFC는 투과면까지 빛이 전달되어 표면에 분산시켜 빛과의 반응을 유도한다. 이는 광 촉매 반응면적 증가로써 광촉매 반응효과 향상 가능한 특장 점을 갖고 있다. 따라서 LEFC에 광촉매를 혼입함으로써 일반 콘크리트에 광촉매 혼입 시보다 대기 정화 성능이 우수할 것 이라고 판단된다. 그러나, 광촉매를 전체 콘크리트 체적에 혼 입하게 되면 광촉매가 반응할 수 없는 콘크리트 내부에 다량 존재하게 되어 비경제적이다. 그래서 두께가 얇은 패널 제작 혹은 블록 표면에만 광촉매를 분포시키는 방식 등을 고려할 수 있다.

이에 본 연구에서는 Fig. 2(b)와 같이 일반 콘크리트 내부 선 타설 혹은 빈 공간(단열재, 경량부재 등)으로 채우고 광촉매 가 혼입된 콘크리트를 타설하는 이중타설 구조로 광촉매 사 용량을 감소시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다. 즉, 광촉매 콘크리트 블록의 최적 두께를 결정하기 위해 플라스틱 봉의 직경 및 간격의 영향, 양생하는 과정에서의 건조수축에 의한 광촉매 타설부의 결함 여부, 콘크리트 표면 분석(EDS, Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)을 통해 효율적이고, 경제적 인 경량형의 광촉매 적용 빛 투과 노출 콘크리트(P-LEFC) 블 록을 제작하고자 한다.

2.1 사용재료

본 연구의 LEFC 블록 제조에 사용된 재료는 Table 1에 나타내 었다. 1종 보통포틀랜드 시멘트, 실리카 퓸, 실리카 샌드, 인공경 량골재, 충전재, 고성능 감수제, 강섬유, PVA섬유를 사용하였 다. 실리카 흄은 비표면적 20m²/g의 미세한 입자들로 준비하였 고, 호주산 규사(실리카 샌드)를 사용하여 충전 효과를 높였다. 또한, 규사 일부를 비중 0.6, 비표면적 2∼4mm의 인공경량골재 (ALC, Autoclaved Lightweight Concrete)로 치환하여 블록의 자 중을 줄이고자 하였다. 충전재는 필러효과를 위해 5∼25μm의 실리카계 미분말을 사용하였다. 고성능 감수제는 폴리카르본 산계 액상형으로써 단위수량 감소 및 유동성을 증진시키고자 사용하였다. 강섬유는 직경 0.2mm 길이 13mm의 직선형을 사용 하였고, PVA섬유는 직경 0.004mm, 길이 12mm로써 아크릴 봉 의 간격을 고려하여 짧은 길이의 섬유를 사용하였다. 본 재료들 을 혼합하여 제작한 향상된 LEFC 블록을 Fig. 1에 나타내었다.

2.2 실험 방법

우선, 자기충전 성능확보를 위해 시험배합을 진행하였다. UHPC 배합을 바탕으로 Table 2에 배합비를 나타내었다. 배 합조건을 달리하여 Slump test, J-ring test, L-box test를 진행하 여 우수한 결괏값을 갖는 최적 배합을 결정하였다. 시멘트, 실 리카 퓸, 잔골재, 충전재, 경량골재를 5분간 건비빔하고 배합 수 및 고성능 감수제를 투입하여 5분간 비빔하였다. 이후 PVA섬유와 강섬유를 혼입하였다. 이 때, 섬유뭉침(fiber-ball) 현상이 발생하지 않도록 천천히 혼입하며 분산효과를 위해 섬유 투입 후 비빔 시간을 3분 이상 실시하였다(^{Choi et al, 2015}).

PVA 섬유는 ALC 인공경량골재의 들뜸 현상 및 재료 분리 를 방지하는 효과를 위해 투입하였다(^{Kim, 2018}). 배합 순서 는 Fig. 3과 같다. ASTM C1611 ^｢Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete_｣에 준하여 Photo 2와 같이 슬럼프 시험을 실시하였다. 기준에 따르면, 시험기 의 넓은 개구부가 아래로 향하게 실시하거나 거꾸로 뒤집어 실시할 수 있다. 본 실험에서는 시험기를 뒤집어 다짐없이 콘 크리트를 채운 후 3초 이내에 시험기를 들어 올렸고 콘크리트 의 흐름이 멈추었을 때, 콘크리트의 가장 큰 부분 길이와 이에 수직 방향 길이를 평균 내었다.

단위용적 시험 KS F 2409 ^｢굳지않은 콘크리트의 단위용적 질량 및 공기량 시험방법(질량방법)_｣에 따라 시료를 용기에 1/3씩 채우고 다짐봉으로 25회씩 다졌으며 용기의 바깥쪽을 10∼15회씩 고무망치로 두드려 콘크리트 표면에 큰 기포가 관찰되지 않도록 하였다. 그리고 용기 외부의 콘크리트를 제 거한 후 질량을 측정하였다. 국내에는 자기충전성능 평가를 위한 기준이 존재하지 않아 국외의 평가 기준에 따라 진행하 였다. Fig. 4

J-Ring 시험은 ASTM C1621 ^｢Standard Test Method for Passing Ability of Self-Consolidating Concrete by J-Ring_｣에 따라 J-Ring 시험을 진행하였다. 원형 몰드와 슬럼프 콘의 중 심점을 맞춘 후, 슬럼프 시험과 동일하게 다짐없이 콘을 콘크 리트로 모두 채웠다. 이후 콘을 들어올려, 콘크리트가 J-Ring 사이를 빠져나가게 하고 콘크리트의 흐름이 멈추면 슬럼프 시험과 동일하게 길이를 측정하였다. 슬럼프 시험과 J-Ring 시험 결과 값의 차이가 25mm 이하일 시, 우수한 자기충전성 능(Passing Ability)을 갖는다고 판단한다. Fig. 5

L-Box 시험은 BS EN 12530-10 ^｢Testing fresh concrete Part 10: Self-compacting concrete–L-box test_｣에 따라 Photo 4와 같 이 진행하였다. 본 시험은 콘크리트 타설 시 다짐없이 퍼져나 가는 양상을 관찰하여 자기충전성능을 판단하는 것이고 투입 구로 콘크리트를 채워 재료분리 여부를 1분간 관찰한 후 출구 를 신속하게 열어 콘크리트가 철근 사이를 빠져나가 유동 정 지까지 기다려 h₂(반대편 콘크리트의 높이)/h₁(입구 콘크리트 의 높이)로 blocking ratio를 구하여 0.8 이상일 시 우수한 자기 충전성능을 갖고 있다고 판단하였다. 압축강도 시험은 KS F 2408^｢콘크리트 압축 강도 시험방법_｣에 따라 지름 100m로 공 시체를 제작하였고, 연마기를 사용하여 상하면을 다듬어 준 비하였다. 공시체 지름은 0.1mm까지 측정하였으며, KS 규격 에 정의된 산출 식에 따라 계산하였다. 휨강도 시험은 KS F 2405 ^｢콘크리트의 휨성능 시험방법_｣에 따라 3등분 하중법에 의하여 실시하였다. 100mm x 100mm x 400mm의 공시체를 제작한 후 시험체에 충격이 가해지지 않도록 하중을 가하였 고, 그 속도는 분당 지간의 1/150으로 하였다. 처짐 측정장치 (LVDT. Linear variable Differential Transformer)를 이용하여 중앙지점의 처짐 정도를 확인하여 KS 규격에 따라 시험으로 얻은 하중-변위 곡선에서 변위가 지간 l의 1/150이 되기까지 의 면적으로 하여 유효 숫자 3자리까지 구하였다. Table 3에 나타나듯 광촉매 혼입률을 달리하여, TiO₂의 분포도를 알아 보기 위해 EDS 분석을 실시하였다. Photo 3

2.3 광촉매 빛 투과콘크리트 블록 제작 과정

기존 빛투과 콘크리트 블록 제작 방식은 Fig. 8과 같았다. 타공판 몰드에 봉 삽입 후 자석판을 결합하여 콘크리트를 타 설하였다. 또한, 타공판 몰드에 봉을 결속시키기 위해 봉이 몰 드 양측으로 5mm씩 돌출된다. 돌출되는 봉의 절삭 및 연마 과 정으로 불필요한 노동력이 소모되었다. 이를 개선하기 위하 여 Fig. 8에 나타나듯, 단열재와 아크릴 판재를 결합하고 봉을 결속하고 몰드에 이를 삽입하여 타설하였다. 이로써 제작 과 정이 단순화되며 추가로 콘크리트 체적이 감소되어 경량화가 가능하다. Table 3과 같이 본 실험에서는 단열재 삽입 대신 빈 공간을 두어 진행하였다. 현저히 감소하는 단위중량뿐 아니 라 빛이 투과되는 LEFC의 특성으로 인해 광촉매 반응면적이 약 2배 증가하여 광촉매 사용량 감소와 사용효율이 향상된다. 빈 공간(V₁)을 0%에서부터 60%까지 20% 간격으로 두어 경 제성과 경량성을 갖는 최적화된 블록 체적을 결정하고자 하 였다. 삽입되는 봉 규격은 블록 제작 난이도를 고려하여 시공 성이 우수한 직경 10mm, 간격 20mm로 정하여 진행하였다.

3.1 굳지 않은 콘크리트 시험

Table 4에 굳지 않은 콘크리트 시험결과를 나타내었다. 물/ 시멘트비(W/C) 25, 30, 35 모두 ALC 치환율이 상승할수록 단 위중량(t/m³)이 2.3에서 2.0으로 감소하는 것을 확인하였다. 현장 적용에 있어 블록 자중 감소는 운반 및 시공에 직접적인 영향을 주기 때문에, ALC를 일부 치환하는 것이 우수한 것으 로 판단된다. Slump flow 시험 결과 W/C가 높을수록, ALC 치 환율이 낮을수록, 그리고 섬유를 혼입하지 않을수록 Slump flow가 높아 고유동성을 나타내는 것을 확인하였고 J-Ring 시 험결과, 대체로 우수한 자기충전성능을 갖는 것으로 확인되 나 W/C 30% ALC 50% STF 0.5%를 혼입한 배합은 ALC의 치 환과 강섬유로 인하여 충분한 자기충전성능을 갖지 못하는 것으로 확인되었다. 또한, W/C 35% ALC 100% STF 0%를 혼 입한 배합도 60mm의 J-ring Passing Ability를 갖기 때문에 낮 은 자기충전성능을 갖는 것을 확인하였다. 분쇄한 ALC의 불 균질한 입자 특성으로 인해 유동성 확보에 영향을 미쳤고, 강 섬유 혼입으로 인해 섬유 뭉침 현상(Fiber-ball)이 발생하여 충 분한 유동성을 발휘하지 못하는 것으로 판단된다. L-Box 시 험결과, 모든 배합에서 0.8 이상의 우수한 L-Box ratio가 나타 남으로써 시험기의 입구를 들어 올려 콘크리트 반죽이 빠르 게 퍼져나가게 하는 시험으로써 콘크리트 타설 시 다짐없이 거푸집 내부를 충전할 수 있는 자기충전성능을 확인하였다.

위의 시험들과 UHPC를 응용한 LEFC 연구에서 W/C가 35%일 경우 고유동으로 인한 재료분리 가능성을 고려하여야 하고, 강도 감소에 영향을 미치는 것으로 판단되었다. W/C가 25%일 경우 LEFC의 타설 용이성을 고려했을 때 자기충전성 능이 다소 미흡하여 각 봉 간의 충전 성능이 낮은 것을 확인하 였다. 따라서 본 연구에서는 유동성 및 강도를 고려하여 W/C 30%로 결정하였다(^{Kim, 2018}). 경량성, 섬유 뭉침 현상 방지, 유동성을 고려하여 ALC 치환율을 50%로 결정하였고 연성이 증가하는 장점이 있지만, 플라스틱 봉의 좁은 간격으로 인한 작업성 및 자기충전성능의 저하를 고려하여 강섬유를 미혼입 한 W/C 30% ALC 50% STF 0% 배합으로 역학성능 시험을 진 행하였다.

Fig. 6에 경량골재 치환율에 따른 flow의 변화를 나타내었 다. 경량골재 치환율을 변수로 하여 그래프를 작성하였는데, 모든 배합에서 경량골재 치환율이 상승할수록 flow의 감소를 확인하였다. 이에 경량골재가 유동성 및 자기충전성능 감소 에 영향을 미친다고 판단하였다. Fig. 7에는 경량골재 치환율 에 따른 J-ring flow의 변화를 나타내었고 Fig. 6과 유사하게 W/C와 STF를 고정하고 경량골재만을 변수로 하였을 때, 경 량골재 치환율이 상승할수록 J-ring flow가 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, W/C의 증가, 경량골재 혼입의 증가에 따라 유동성 및 자기충전성능이 감소한다는 것을 확인하였고 Table 4 및 Figs. 6과 7에 따르면, flow와 J-ring flow 수치의 유 사성이 확인할 수 있다. 이는 배합재료 중 최대 직경을 가진 재 료는 13mm 강섬유이고 J-ring 규격 중 철근 간격인 60mm 통 과에 지장이 없었기 때문으로 사료된다.

3.2 압축강도 및 휨강도 시험

본 연구에서는 Table 2 배합설계에 따라 진행하였고, 광촉 매 혼입률에 따른 역학성능을 평가하기 위하여 시멘트 중량 비 광촉매를 0%, 5%, 10%, 15% 혼입률 별로 3개씩 공시체를 제작하여 역학성능 시험을 진행하였으며 압축강도 시험결과 를 Fig. 8에 나타내었다. 60MPa 이상의 압축강도를 갖는 것으 로 확인되었으며, 일반적인 UHPC 배합에 비해 낮게 측정되 었는데 이는 높은 W/C 설정 및 증기양생이 아닌 일반 습윤양 생의 결과로 판단되며 향후 고강도 확보를 위해서는 증기양 생이 필요할 것으로 사료된다. 휨강도 시험결과, 모든 배합에 서 6MPa 이상의 휨강도를 갖는 것으로 확인되었고 이는 Fig. 9에 나타내었다. 휨 강도는 0% 배합에서 10% 내외의 오차로 서 큰 편차가 발생하지 않았으나 압축 강도에서는 광촉매 혼 입률에 따라 강도 변화가 상대적으로 뚜렷하게 나타났다. 0% 배합에 비해 5%는 압축 강도가 8% 증가하였고 10% 혼입에 서는 배합 시 광촉매 분산이 적절히 이루어지지 못해 강도가 12% 저하된 것으로 판단된다. 5% 및 15%에서는 비표면적 60m²/g인 광촉매가 필러효과를 발휘함으로써 콘크리트 내부 의 미세공극을 채워 강도가 각각 8%, 16% 증가하는 것으로 판단된다. 따라서 LEFC의 비구조체 적용에 적합한 압축강도 및 휨강도를 갖는 것을 확인하였다.

3.3 광촉매를 적용한 빛투과콘크리트 블록 제작 및 변수 분석

광촉매를 표면에 집중시켜 경제성을 향상시키고, 불필요한 체적을 감소시켜 경량성을 확보하기 위하여 Table 3과 Photo 5에 따라 광촉매 빛투과 콘크리트 블록을 제작하였다. 레이저 CNC 가공기로 아크릴 판재를 절단하여 아크릴 봉 삽입 공간 을 확보하였고 콘크리트 블록에 삽입할 수 있도록 정확한 수 치를 바탕으로 제작하였다. 콘크리트 측압으로 인한 형태 변 형 방지 목적으로서 간격판재를 추가로 블록 사이에 설치하 였다. 아크릴판 및 봉 조립 후, 콘크리트 블록 거푸집에 삽입 하여 타설을 실시하였다. 28일 양생 후, Photo 5(e)와 같이 간 격에 따른 광촉매 빛투과 콘크리트 블록을 생산하였다.

실험 결과, 내부공간(V₁)을 일정 체적(20, 40, 60%)으로 비 운 시험체 모두 표면에서 수직 혹은 수평 균열이 관찰되었다. 시험체가 양생되는 과정에서 콘크리트의 건조수축으로 인한 내부응력이 발생하여 아크릴재의 변형을 일으켜 시험체 표면 에서의 균열이 발생한 것으로 판단된다. 후속 연구에서는 내 부에 경량의 단열성능을 가지며, 건조수축으로 인한 응력에 저항이 가능한 방안을 고려하고자 한다. 또한, 시공성 향상 및 광촉매 혼입량 절감으로 인한 경제성이 고려된 시험체 제작 을 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

Fig. 10은 광촉매 적용 빛투과콘크리트 블록 단면의 변수를 나타낸 그림이다. 단면의 가로 길이를 L, 세로 길이를 H라 하 고, 봉의 직경을 D_i, 봉의 간격을 I_i로 나타내었으며 콘크리트 단면적에서 플라스틱 봉이 차지하는 면적비를 A_pr이라 하였 다. LEFC는 플라스틱 봉의 삽입으로 OPC에 비해 광촉매 반 응 면적 Pa는 감소하는 것을 Fig. 15를 통해 확인하였다. OPC 의 P_a는 블록 단면 면적을 A라고 하였을 때 A = L * H가 되 는 반면, 광촉매 적용 빛투과콘크리트 블록은 봉의 직경 D_i 와 간격 I_i에 따라 P_a가 변화한다. 이를 구하기 위해 플라스틱 봉 수는 100mm x 100mm x 400mm 휨 공시체를 기준으로 다 음과 같은 식에 따라 계산하였다. Fig. 11

여기서, x_i는 D_i와 I_i에 따른 가로축(L) 봉의 개수이고 y_i 는 D_i와 I_i에 따른 세로축(H) 봉의 개수이다. 콘크리트 단면 의 파단을 고려하여 단면 최소 두께 t_m을 10mm씩을 부여하였 고 x_i와 y_i는 이를 넘지 않는 최대 정수로 구하였다. 식 (1), (2) 에 따라 LEFC는 투과면이 존재하여 단순 계산에 따라 2배가 되기 때문에

이 도출된다. 위 식에 따라 D_i와I_i 별 플라스틱 봉의 수, P_a, A_pr 등을 구하였고 Table 5에 나타내었다. 전체 콘크리트 체적 중 광촉매를 혼입한 콘크리트 체적을 V_pc라 하였으며 광촉매 사 용량 P_u는 V_pc 100%를 기준 1로 하여 나타내었다. Table 5와 Fig. 12에서는 콘크리트 체적이 80%일 때에는 광촉매 사용량 이 20% 감소하기 때문에 광촉매 사용량을 1/5로 절감할 수 있 다는 것을 확인하였다. 또한, 단위중량의 감소 효과도 나타내 었다. 체적 20% 광촉매 콘크리트는 단위중량 0.44t/m³ 로서 초경량 콘크리트 블록을 제작할 수 있다는 것을 수치적으로 확인하였다. 변수에 대한 데이터를 기반으로 향후 광촉매 적 용 LEFC 블록을 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 직경 5mm ∼10mm의 봉을 1mm 간격으로 봉 간격에 따른 콘크리트의 단면적 비율을 Fig. 13에 나타내었고 I_i가 커짐에 따라 A_pr이 감소하는 반면 D_i가 커짐에 따라 A_pr이 증가하는 것을 확인하 였다. 콘크리트 단면적의 변화에 따라 광촉매 반응 면적도 변 화하기 때문에 OPC와 LEFC의 광촉매 반응효과 P_e의 변화를 Figs. 14, 15와 16에 나타내었다.

P_e는 P_a와 달리 광촉매 면적이 아닌 광촉매 효율이기 때문 에 빛, 아크릴 및 거리 등을 고려해야 하나, 본 논문에서는 아 크릴 투과율 및 벽면의 반사율을 일부 고려하였고 광원과의 거리, 광원의 세기, 빛의 회절 및 간섭 등은 고려하지 않았는 데 이는 빛의 사용에 따라 발생하는 변수이지만 과도하게 다 양한 변수를 고려할 시 본 논문의 주제를 벗어난다고 판단하 였기 때문이고 광원은 콘크리트 단면에 수직 방향으로 입사 되며 직진성을 갖고 이외의 빛은 존재하지 않는 것으로 가정 하였다. 이를 적용한 식은 다음과 같다.

여기서, P e A 는 LEFC 입사면 광촉매 효율이고, P e B 는 LEFC 투과면의 광촉매 효율을 뜻한다. 아크릴의 투과율 (T_acrylic)은 PMMA계로 0.92를 적용하였고 거리에 의한 빛의 세기 감소는 무시하였으며 벽면은 백색으로서 반사율(R)을 0.85로 적용하였다(Yang et al, 1993;^{Oh et al, 2018}). 빛의 입사 면 A만을 고려하였을 때에는 LEFC보다 OPC가 효율이 우수 하다고 판단할 수 있으나 LEFC는 빛이 투과되기 때문에 투과 면 B에서의 반응으로 인해 우수한 P_e를 갖게 된다. OPC의 광 촉매 반응 P_e = 100%라 할 때, LEFC 블록의 빛 입사면 LEFC_{_A}는 플라스틱 봉의 삽입으로 P_e가 감소하나 투과면 B 를 고려하였을 때의 LEFC_{_A+B}는 빛 입사면 뿐만 아니라 투과 면까지 광촉매 반응 효과가 나타나기 때문에 Figs. 14, 15와 16 에서 OPC는 100%의 P_e를 나타내고 LEFC_{_A}는 광촉매가 혼입 된 콘크리트 단면의 감소로 효율이 감소하게 된다. 그러나, 투 과면을 고려한 LEFC_{_A+B}는 150% 이상의 P_e를 가질 수 있는 것으로 보인다. 현재 이는 산술적인 수치이나, 실질적인 LEFC의 광촉매 효율 검증을 위하여 빛의 투과성을 고려한 시 험 기준 마련 및 시험 결괏값을 제시할 필요가 있다고 판단된 다. 결과적으로 LEFC는 봉 간격 증가에 따라 봉이 차지하는 단면적의 감소로 제작 용이성은 상승하지만, 투명성(해상도) 및 빛 투과로 인한 광촉매 반응효과가 감소한다. 광촉매 적용 LEFC 블록 제작 시 봉의 직경 및 간격 변화로 인한 콘크리트 표면에서의 광촉매 반응면적비를 고려하여야 하고 향후 시작 품 제작 시 적용 위치별 최적화된 P-LEFC 제작에 위 데이터 를 중요한 변수로 활용하고자 한다. 또한, 위 실험 및 데이터 를 기반으로 향후 연구에서 P-LEFC와 OPC의 NOx 제거 성능 평가를 KS L ISO 22197-1에 따라 비교 시험하여 우수한 NOx 제거성능평가가 요구된다.

3.4 EDS를 통한 미세구조 분석

TiO₂ 광촉매를 빛투과 콘크리트에 활용하고자 EDS 분석 을 실시하여 TiO₂의 분포도를 수치적으로 Table 5와 같이 확 인하였고, Fig. 17, 18와 19에서 Ti 입자 분포를 구분할 수 있었 다. 시멘트 중량비 광촉매 5% 혼입 결과, Ti 입자가 2.1% 분포 하는 것을 확인하였으며, 광촉매 10% 혼입 시편에는 4.1% 분 포하였고 15% 혼입 시편에는 Ti 입자가 4.9% 분포하는 것을 확인하였다. 결론적으로 광촉매 혼입률이 증가함에 따라 시 편에 존재하는 Ti 입자량이 증가하는 것을 확인하였고 이를 바탕으로 향후 광촉매 혼입률을 10% 이하로 세분화하여 광촉 매 콘크리트인 P-LEFC의 NOx 등의 미세먼지 전구물질 분해 성능 평가를 진행할 예정이다. Table 6