2.1 탄소섬유의 저항 및 전기전도도

탄소섬유는 금속 대비 낮은 저항을 갖는 고전도성 재료이다. 저항과 전기전도도는 탄소섬유 성능을 결정하는 핵심 요소이며, 저항은 전류 흐름에 대한 방해 정도를 의미한다. 탄소섬유 저항은 구조, 직경, 결정 구조, 제조 방법 등에 따라 달라지며 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 이를 식 (1)로 나타낸다.

$\sigma$는 탄소섬유의 전기전도도, $L$은 탄소섬유에 부착된 전극의 간격, $A$는 탄소섬유의 단면적이다. 탄소섬유의 전기전도도는 전류가 섬유를 얼마나 쉽게 통과할 수 있는지를 나타내는 척도가 되고 저항률의 역수로 정의된다. 탄소섬유의 전기전도도는 주로 탄소의 결합 구조와 제조 방법에 따라 결정되며, 비정질 탄소보다는 그래핀이나 흑연 구조를 포함할수록 전도도가 높아지는 경향을 보인다. 본 실험에서는 Table 1과 같이 총 5종의 탄소섬유(Φ 1 mm, Φ 3 mm, Φ 5 mm, 메쉬, 와이드)의 저항과 전기전도도를 측정하였다. Φ 1 mm, Φ 3 mm, Φ 5 mm 탄소섬유는 각각 1가닥, 3가닥, 5가닥의 세 가지 조건으로 나누어 측정하였다. (Fig. 1) 저항 측정은 2-probe 방식으로 실시하고 전극 간격은 1 m로 고정하였다.

Fig. 1 Classification of Carbon Fibers

2.2 탄소섬유의 발열

탄소섬유의 발열은 Joule heating에 의해 발생한다. Joule heating은 전류가 흐를 때 저항에 의해 전기에너지가 열에너지로 전환되는 현상이다. 이는 식 (2)로 나타내며, 전압을 이용하면 식 (3)과 같이 표현한다.

$Q$는 탄소섬유에 발생하는 열에너지, $I$는 전류, $R$은 탄소섬유의 저항, 그리고 $t$는 전류가 흐르는 시간을 나타낸다. $P$는 전력을 의미하고, 특정 시간동안 발생하는 열에너지의 비율을 나타낸다. Joule heating에 영향을 미치는 주요 요인은 직경, 길이, 전기전도도, 구조, 배향 등이다. 직경이 작을수록 저항이 커져 동일 전류에서 더 많은 열이 발생하고, 길이가 길수록 저항이 증가해 발생 열이 커진다. 전류가 증가하면 발생 열은 $I^{2}$에 비례해 증가하며, 전기전도도가 낮을수록 동일 전류에서 더 많은 열이 발생한다.

2.3 탄소섬유 매립 콘크리트의 발열특성

탄소섬유 매립 콘크리트의 발열 성능은 탄소섬유의 Joule heating 현상에 의해 설명될 수 있다. 전류 인가 시 발생한 열은 섬유 주변 콘크리트로 전달되어 매트릭스 전반에 분포하는 것으로 관찰되었다. PS볼 콘크리트는 제강 슬래그를 1,300℃ 이상에서 용융 후 급속 냉각 및 풍쇄 과정을 거쳐 화학적으로 안정화한 구형 입자(Precious Slag Ball)를 일부 골재로 치환하여 제작하였다. 이 재료는 구형 입자 특성으로 인해 콘크리트의 유동성이 향상되는 것으로 확인되었으며, 높은 밀도와 강질 구조로 인해 기존 골재와는 다른 열 확산 특성을 보일 것으로 판단된다. PCM 콘크리트는 상변화물질을 혼입하여 특정 온도 구간에서 잠열을 흡수⋅방출하는 기능을 나타내었으며, 이를 통해 온도 상승 속도가 완화되고 전원 차단 이후에도 일정 시간 동안 열이 유지되는 거동이 확인되었다. 본 연구는 PS볼과 PCM을 탄소섬유 발열체와 결합한 발열 콘크리트를 제작해 성능을 실험적으로 평가하였다.

본 실험에서는 2.2절 결과에서 선정된 탄소섬유(Φ1 mm, 3가닥)를 발열체로 사용해 콘크리트 발열 특성을 조사하였다. Table 2의 배합설계 표를 기반으로 제작된 압축강도 30 MPa를 만족하는 세 가지 배합(일반, PS볼, PCM 콘크리트)을 사용하였다. 콘크리트 시편은 30 × 30 × 30 cm 크기의 박스형 큐브로 제작하였다. 배합은 건식 혼합 후 물과 기능성 첨가재(PS볼, PCM 등)를 투입하여 균질하게 혼합하였다. 제작된 시편은 24시간 동안 거푸집 양생 후, 약 25°C의 실험실 조건에서 보관하였다. 시간에 따른 발열 특성은 온도센서와 적외선 열화상 카메라로 측정하였다. 총 8개의 온도센서를 사용했고, 4개는 콘크리트 내부에 12.5 mm 간격으로 삽입하고 4개는 유효 발열면적 측정을 위해 표면에 부착하였다. 이를 기반으로 도달시간과 유효 발열 너비를 산출하였다. 다수의 반복 실험은 수행하지 못하였으나, 다채널 계측을 통해 위치별 변동성을 확인하고 상대 비교의 타당성을 확보하였다. 향후 연구에서는 반복 시험을 통해 통계적 신뢰도를 강화할 계획이다. 적외선 열화상 카메라로 표면 열 분포를 측정하였다(Fig. 2). 동일한 탄소섬유를 사용할 경우 콘크리트의 열전도성이 전체 발열 성능에 큰 영향을 미친다. 열전도성이 높을수록 발생 열이 빠르게 확산되어 균일한 발열이 가능하다.

Fig. 2 Analysis method of heating characteristics of carbon fiber-based concrete

3.1 탄소섬유의 저항 및 전기전도도

5종의 탄소섬유에 대해 저항 및 전기전도도와 발열성능를 측정하였다. 실험 결과, 지름 1 mm의 탄소섬유가 90 Ω로 가장 높은 저항을 보였으며, 지름이 커질수록 저항이 감소하는 경향을 나타냈다. 또한, 유효 단면적이 증가할수록 저항이 급격히 감소하는 양상을 보였다. 메쉬 타입과 와이드 타입 탄소섬유는 평균 약 18 Ω의 낮은 저항을 나타냈으나, 전극 부위에서 과다한 발열이 발생하였다 (Fig. 3). 이는 탄소섬유의 품질이나 제작 방식에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 3 Resistance by type of carbon fiber (based on 1m electrode)

3.2 탄소섬유의 발열 성능평가

본 연구에서는 선정된 탄소섬유의 줄 발열(Joule heating) 성능을 평가하기 위해,각 샘플에 다양한 전력을 인가하며 시간에 따른 온도 변화와 최대 발열 온도를 측정하였다.

Fig. 4와 Fig. 5는 각각 저항이 가장 높은 Φ1 mm(1가닥)와 콘크리트 매립용으로 선정된 Φ1 mm(3가닥) 탄소섬유의 시간에 따른 온도 변화를 보여준다. Φ1 mm(1가닥) 탄소섬유는 30 W 전력에서 약 100초 이내에 120℃까지 온도가 급격히 상승한 후 안정화되었으며, Φ1 mm(3가닥) 섬유 역시 22 W에서 약 100℃까지 빠르게 도달하는 우수한 초기 발열 성능을 보였다. 두 샘플 모두 열화상 이미지에서 전극부 과열 없이 길이 방향 균일한 온도 분포를 보였다.

Fig. 6은 인가 전력(W)과 정상상태 최대 발열 온도의 관계를 나타낸다. 그래프 기울기는 단위 전력당(1 W) 온도 상승 효율을 의미한다. 저항이 가장 높은 Φ1 mm(1가닥) 탄소섬유가 가장 큰 기울기를 보여 에너지 효율이 우수함을 확인하였다. 반면 메쉬⋅와이드 타입은 낮은 저항으로 전력 대비 발열 효율이 낮았고 전극부 과열 문제로 추가 평가는 제외하였다. 그러나 전극 분할 배치, 패턴 설계 변경, 계면 보강층 도입 등의 방법을 통해 개선 가능성이 있으며, 이는 향후 연구 과제로 남는다. 이에 따라 Φ1 mm(3가닥) 탄소섬유를 콘크리트 매립 실험의 발열체로 선정하였다.

Fig. 4 Joule heating of carbon fiber (Φ1mm: single filament)

Fig. 5 Joule heating of carbon fiber (Φ1mm: 3 filaments)

Fig. 6 Power-Heating Temperature Relationship of Carbon Fiber

3.3 탄소섬유 기반 콘크리트의 발열 평가

선정된 Φ1 mm(3가닥) 탄소섬유를 발열체로 하여 3종류의 콘크리트(C01: 일반, C02: PS볼, C03: PCM) 시편의 발열 성능을 평가하였다. Fig. 7은 각 시편의 내부 깊이와 표면 너비에 따른 온도 변화를 보여준다. PS볼 콘크리트(C02)는 내부 깊이별(CH.01∼04) 온도 편차가 가장 작고 초기 온도 상승률이 가장 빨랐다. 이는 제강 슬래그를 골재로 사용함에 따라 열전도성이 향상되어, 발열체의 열이 시편 전체로 가장 빠르고 균일하게 확산되었음을 의미한다. 이에 반해 일반 콘크리트(C01)는 C02보다 상대적으로 완만한 온도 상승을 보여 일반적인 콘크리트의 열 거동을 나타냈다. 한편, PCM 콘크리트(C03)는 가열 구간에서 PCM의 상변화로 인한 잠열 흡수로 온도 상승이 일시적으로 지연되는 독특한 거동을 보였다. 특히 너비별 발열 분포에서 다른 시편들과 달리 중앙부와 가장자리의 온도 차이가 가장 작아, 표면 온도가 가장 고르게 분포되는 장점을 나타냈다.

Fig. 8을 통해 각 시편 표면의 평균 온도 변화를 비교하였다. 초기 발열 속도는 C02(PS볼)가 가장 빠른 것으로 나타났으며, 이는 제강 슬래그 골재의 높은 열전도성에 기인하여 발열체의 열이 표면으로 신속하게 전달된 결과로 판단된다. 이와 대조적으로, 전원을 차단한 냉각 구간에서는 C03(PCM)이 상변화 과정에서 저장한 잠열을 방출하며 가장 완만하게 온도가 하강하여 가장 뛰어난 축열 성능을 나타냈다. 반면 C02는 가장 빠르게 냉각되어 열 저장 능력은 상대적으로 가장 낮은 수준임을 확인할 수 있었다. Fig. 9에서는 핵심 성능 지표를 정량적으로 비교하여 각 콘크리트의 특성을 명확히 하였다. 표면 도달 시간은 C02(PS볼)가 약 15분으로 가장 신속한 것으로 측정되었다. 유효 발열 너비 또한 C02가 200 mm로 가장 넓은 값을 보였으며, 이는 높은 열전도성을 바탕으로 열을 시편 측면으로 가장 효율적으로 확산시킨 결과로 분석된다. 가장 신속하고 넓은 범위의 발열이 필요할 경우 C02(PS볼), 일반적인 성능이 필요할 경우 C01, 그리고 전원 차단 후에도 융설 효과를 지속해야 하는 환경에서는 축열 성능이 가장 우수한 C03(PCM)이 가장 적합한 대안이 될 수 있음을 시사한다.

Fig. 7 Temperature distribution characteristics according to depth and width of carbon fiber embedded concrete

Fig. 8 Comparison of heating characteristics by type of carbon fiber-based concrete

Fig. 9 Comparison of effective heating characteristics of carbon fiber-based concrete