전형민
(Hyung-Min Jun)
1*
박종건
(Jong-Gun Park)
2
허광희
(Gwang-Hee Heo)
3
-
정회원, 건양대학교 재난안전공학과 공학박사, 교신저자
-
정회원, 건양대학교 공공안전연구소 전임연구원
-
정회원, 건양대학교 해외건설플랜트학과 교수
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핵심용어
탄소나노튜브, 탄소섬유, 시멘트 복합체, 발열, 전기적 특성
Keywords
Carbon nanotubes, Carbon fibers, Cement composites, Heat generation, Electrical properties
1. 서 론
전기전도성(이하, 전도성) 시멘트 복합체는 시멘트 복합체에 전도성 필러를 혼입하여 제조할 수 있으며(Tuan and Yehia, 2004). 복합체에 전압을 인가하면 전류가 내부를 통해 흐르면서 열이 발생하게 된다. 이러한 원리는 줄열 메커니즘(joule heating mechanism)이라고
한다(Liu et al., 2010). 전도성 시멘트 복합체는 고속도로 공항 활주로 및 터널 출입구 등의 제빙 시스템은 물론 건축물 바닥 난방과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있는 잠재력을
가지고 있다(Chung, 2004).
전도성 시멘트 복합체의 제조에는 흑연 분말, 카본블랙, 강섬유 및 탄소섬유(carbon fiber, CF) 등과 같은 기존 전도성 필러가 자주 사용된다(Wu et al., 2013;
Choi and Heo, 2024). 이러한 필러를 발열 시멘트 복합체에 적용할 경우 여러 가지 한계점이 있다. 예를 들어, 강섬유는 시간이 지남에 따라 부식되며, 이로 인해 표면에
부동태 피막이 형성되어 시멘트 복합체의 전기 비저항이 증가하게 된다(Li et al., 2013). 흑연 분말의 경우, 발열 기능에 적합한 수준의 전도성을 확보하기 위해 시멘트 중량의 10% 이상을 첨가해야 하며, 이는 복합체의 역학적 성능 저하로
이어질 수 있다(Qin et al., 2009). 한편, 카본블랙은 높은 비표면적과 나노 크기의 입자 특성으로 인해 비교적 소량(1∼3 wt.%)의 혼입만으로도 전도성 확보가 가능하지만, 입자
간 응집이 심하고 분산성이 낮아 시멘트 매트릭스 내 균일한 전도성 경로 형성에 어려움이 있다 (Chung, 2012). 그러나 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT)는 우수한 기계적ㆍ전기적 특성과 화학적 안정성을 지닌 나노소재로, 선행연구에(Kim et al., 2017;
Oh ea al., 2018) 따르면, CNT를 혼입한 시멘트 복합체는 기존 전도성 필러 대비 발열 성능과 전기적 특성이 우수한 것으로 보고되었다.
최근 일부 연구에서는 전도성 필러로 CNT와 CF가 함께 혼입되면 시멘트 복합체 내에서 전도성 경로가 보다 용이하게 형성되며(Zuo et al., 2012). 특히 CNT가 포함된 복합체에 CF를 혼입하면 두 재료 간의 브리징 효과로 인해 CNT 단독 혼입 시 보다 발열 및 전기적 특성이 더욱 향상되는
것으로 알려져 있다(Azhari and Banthia., 2012;
Kim et al., 2018;
Armoosh et al., 2022). 이러한 CNT + CF 조합 필러가 형성하는 전도성 경로에서의 줄열 효과는 아직 충분하지 않으며, 시멘트 복합체의 발열 및 전기적 특성에 미치는
시너지 효과에 대한 연구 역시 다소 부족하다.
따라서 본 연구에서는 다양한 인가전압 및 상이한 전극 간격 조건에서 CNT와 CF가 혼입된 시멘트 복합체의 발열 및 전기적 특성에 미치는 시너지 효과를
분석하는 것을 주요 목적으로 하였다. 시편의 표면온도는 적외선 열화상 카메라를 통해 분석하였으며, 전기저항은 디지털 멀티미터를 이용하여 측정하였다.
더 나아가, 전도성 시멘트 복합체의 파단면은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지분산형 X선 분광법(energy-dispersive
X-ray spectroscopy, EDS)을 통해 표면 형상 및 미세구조를 관찰하였다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 실험에 사용된 시멘트는 S사에서 생산된 보통 포틀랜드 시멘트로, 비중은 3.13이며 분말도는 3,860 ㎠/g이다. 잔골재는 균질한 모르타르를
제조하기 위해 강원도 강릉시 주문진읍에서 생산된 주문진산 표준사를 사용하였다. 표면건조 포화상태에서의 잔골재 비중과 흡수율은 각각 2.65 및 0.8%이다.
본 실험에서 사용된 CNT는 다중벽 탄소나튜브(multi-walled carbon nanotubes)이며, 이에 대한 주요 특성은 Table 1에 제시되어 있다. 전기적 발열 성능 향상을 위해 수용액에 균일하게 분산된 액상형 제품으로, 국내 U사에서 구매하였다. 아울러, CF의 주요 특성은
Table 2와 같으며, 해당 CF는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN) 기반으로 국내 ACE & Tech 사에서 제조된 절단형 제품이다.
섬유의 길이와 직경은 각각 약 6 ㎜와 7±0.2 ㎛이다.
Table 1. Main properties of multi-walled carbon nanotubes
|
Purity (wt%)
|
Length (㎛)
|
Ave. diameter (㎚)
|
Specific surface area (㎡/g)
|
Bulk density (g/㎤)
|
Appearance
|
|
>96.5
|
100∼200
|
7∼12
|
200∼250
|
0.08∼0.12
|
Black powder
|
Table 2. Main properties of carbon fiber
|
Diameter (㎛)
|
Length (㎜)
|
Purity (%)
|
Tensile strength (MPa)
|
Tensile modulus (GPa)
|
Resistivity ($\Omega$ㆍ㎝)
|
Thermal conductivity (W/mㆍk)
|
|
7±0.2
|
6
|
> 92
|
4900
|
230
|
1.6 × 10$^{-3}$
|
200∼1100
|
2.2 혼합 비율 및 시편 제작
Table 3은 CNT와 CF가 혼입된 시멘트 복합체의 혼합 비율 및 각 시편의 명칭을 나타낸다. 본 연구에 사용된 시멘트 복합체의 물-시멘트비(W/C)는 0.4로써,
시멘트 : 표준사 : 배합수의 혼합 비율은 1 : 2 : 0.4이다. CNT는 시멘트 중량 대비 0.3 wt.% 및 0.6 wt.%까지 혼입되었으며,
CF는 부피 기준으로 0.3 vol.%, 0.6 vol.% 및 1.0 vol.%까지로 혼입하였다. 이는 이전 연구에서 보고된 바와 같이, 시멘트 복합체
내에서 CF의 전도성 경로를 형성하기 위한 침투 임계값(percolation threshold)이 대략 0.3∼1.0 vol.% 범위에 해당하는 것으로
보고되어, 이를 바탕으로 해당 범위로 설정하였다(Han et al., 2009;
Park et al., 2022).
한편, CNT와 CF가 혼입된 시멘트 복합체는 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)에 따라 프리즘형 금형 몰드에 주조되었다. 프리즘형 금형
몰드의 크기는 40 × 40 × 160 ㎜이다. 전도성 시멘트 복합체 시편의 제작과정은 다음과 같다. 시멘트, 표준사, CNT 또는 CF의 건비빔으로
1.5분간 혼합한 후, 배합수와 고성능 감수제를 포함한 용액을 첨가하였다. 혼합물을 3분간 혼합한 후, 프리즘형 금형 몰드에 부었다. 길이와 너비가
각각 50 ㎜와 40 ㎜인 두 개의 구리 전극을 시멘트 혼합물에 매입하였다. 전극 사이의 거리는 40 ㎜와 120 ㎜, 시편에 매입된 깊이는 50
㎜이다. 시편은 폴리에틸렌 필름으로 덮은 상태로 24시간 후 탈형하였으며, 이후 상온(약 20℃)의 대기 중에서 28일 동안 양생하였다. 한편, 강도
측정용은 20±2℃로 유지되는 수조에서 침적하여 재령 28일 동안 수중양생을 실시하였다.
Table 3. Mix proportion and specimen designations
|
Types
|
Specimen ID
|
W/C (%)
|
C/S
|
Mix proportions
|
Unit weight (kg/㎥)
|
SP (C×wt.%)
|
|
(vol.%)
|
(wt.%)
|
Cement
|
Sand
|
Water
|
|
Plain
|
PCC
|
40
|
1 : 2
|
-
|
-
|
630
|
1260
|
252
|
-
|
|
CNT
|
CNT0.3
|
40
|
1 : 2
|
-
|
0.3
|
630
|
1260
|
252
|
-
|
|
CNT0.6
|
-
|
0.6
|
|
CF
|
CF0.3
|
40
|
1 : 2
|
0.3
|
-
|
630
|
1260
|
252
|
0.5
|
|
CF0.6
|
0.6
|
-
|
|
CF1.0
|
1.0
|
-
|
|
CF + CNT
|
CF0.3CNT0.3
|
40
|
1 : 2
|
0.3
|
0.3
|
630
|
1260
|
252
|
0.5
|
|
CF0.6CNT0.6
|
0.6
|
0.6
|
2.3 실험방법
2.3.1 발열 실험
Fig. 1은 각 시편의 발열 측정을 위한 실험 설정 모습이다. 현재 시멘트 복합체의 발열 실험에 대한 국내외 표준은 마련되어 있지 않다. 본 실험에서는 시편
양쪽 전극에 클램프를 연결하고, 전원공급장치(DC power supply, AK 3005)를 이용하여 DC 10V, 20V, 30V 및 60V의 전압을
1초 간격으로 1시간 동안 지속적으로 인가하였다. 각 시편 표면의 온도변화와 열 분포는 적외선 열화상 카메라(T630sc, FLIR, USA)를 통해
측정하였다. 열 손실을 최소화하기 위해 실험실 온도는 20±0.5℃, 상대 습도는 50±5%로 유지하였다.
Fig. 1. Test setup for measuring the surface temperature of specimens
2.3.2 전기저항 측정
Fig. 2는 각 시편의 전기저항 측정을 위한 실험 설정 모습이다. 본 실험에서는 전기저항 측정을 위해 디지털 멀티미터(digital multimeter, Keithley
2100)를 이용하였으며, 4-프로브 방식으로 측정하였다. 시멘트 혼합물을 타설한 모든 시편은 24시간 이상 양생한 후 몰드를 탈형하고, 전기저항
특성 실험 시 전도성 영향을 최소화하기 위해 시험 직전까지 약 20±0.5℃의 온도 및 50±5%의 상대 습도에서 보관하였다. 신뢰할 수 있는 전기저항
데이터를 획득하기 위해 모든 배합에서 매개 변수별로 각각 3개의 시편을 제작하여 재령 28일에서 측정되었다.
Fig. 2. Test setup for electrical resistance measurement of specimens
2.3.3 SEM-EDS 관찰
시멘트 매트릭스에 포함된 CNT와 CF의 분산 상태, 표면 형상 및 구성성분을 관찰하기 위해 SEM-EDS를 사용하여 수행하였다. SEM 분석을 통해
CNT와 CF의 분포 및 시멘트 매트릭스와의 계면 구조를 확인하였으며, EDS 분석을 통해 각 구성성분의 원소 분포를 정량적으로 평가하였다.
3. 실험 결과
3.1 발열 특성 분석
3.1.1 표면온도 변화량
다양한 인가전압 및 상이한 전극 간격에 따른 각 시편의 발열 실험 결과는 Table 4에 요약되어 있다. 가장 높은 표면온도는 전극 간격이 40 ㎜이고, 인가전압이 20V인 CF의 함량 0.6vol.%와 CNT의 농도 0.6wt.%가
함께 혼입된 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편에서 나타났으며, 이때 표면온도는 177.4 ℃이었다. 하지만 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편에 60V와 ‘CF0.6CNT0.6’
시편에 각각 30V와 60V의 전압을 인가한 경우 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량 측정이 불가능하였다. 동일한 조건에서 전극
간격이 120 ㎜이고, 인가전압이 60V인 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편의 표면온도는 80.2 ℃로 비교적 높은 수준의 발열을 나타냈다. 따라서 ‘CF0.6CNT06’
시편은 복합체 내에 다수의 전도성 경로가 형성되어 다른 시편에 비해 우수한 발열을 나타냈다.
Table 4. Results of heat generation test
|
Specimens ID
|
Maximum surface temperature (℃)
|
|
Electrodes spacing 40 ㎜
|
Electrodes spacing 120 ㎜
|
|
10V
|
20V
|
30V
|
60V
|
10V
|
20V
|
30V
|
60V
|
|
PCC
|
20.1
|
20.2
|
20.3
|
23.3
|
20.1
|
20.1
|
20.1
|
20.2
|
|
CNT0.3
|
20.3
|
20.5
|
20.9
|
24.1
|
20.1
|
20.1
|
20.2
|
20.8
|
|
CNT0.6
|
20.6
|
20.9
|
21.4
|
25.2
|
20.2
|
20.3
|
20.4
|
22.9
|
|
CF0.3
|
22.5
|
24.9
|
31.7
|
56.5
|
20.5
|
21.6
|
24.2
|
31.7
|
|
CF0.6
|
23.7
|
28.9
|
34.6
|
63.0
|
20.8
|
23.7
|
25.2
|
47.1
|
|
CF1.0
|
26.5
|
30.5
|
39.2
|
70.9
|
21.2
|
24.1
|
33.7
|
54.4
|
|
CF0.3CNT0.3
|
31.7
|
56.5
|
89.4
|
DU
|
24.2
|
29.7
|
37.3
|
57.3
|
|
CF0.6CNT0.6
|
95.0
|
177.4
|
DU
|
DU
|
37.2
|
54.4
|
67.8
|
80.2
|
3.1.2 경과시간에 따른 표면온도 증가 곡선
Fig. 3은 다양한 인가전압 및 전극 간격 40 ㎜에서 각 시편의 경과시간에 따른 표면온도 증가 곡선을 나타낸 것이다. Fig. 3(a)에서 볼 수 있듯이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.1℃, 0.3℃ 및 0.6℃로 상승하여 표면온도 증가가 거의 변화가 없는 것으로 나타냈다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’
시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편의 경우 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 2.5℃, 3.7℃ 및 6.5℃로 소폭
상승한 것으로 나타냈다. 반면 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편은 1시간 후 초기 온도 대비 11.7℃의 표면온도 증가를
보였으며, ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 75.0℃로 상승하여 상당히 높게 나타냈다. Fig. 3(b)에서 알 수 있듯이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편과 ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNTW0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.2℃, 0.5℃ 및 0.9℃로 상승하여 표면온도 증가가 미미하였다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’
시편 및 ‘CF1.0’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 4.9℃, 8.9℃ 및 10.5℃로 상승하여 약간 높게 나타냈다.
반면 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편은 1시간 후 초기 온도 대비 36.5℃의 표면온도 증가를 보였으며, ‘CF0.6CNT0.6’
시편은 157.4℃로 상승하여 모든 시편 중 가장 높게 나타냈다. Fig. 3(c)에서 보는 바와 같이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편과 ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.3℃, 0.9℃ 및 1.4℃로 나타냈다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’
시편의 경우 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 11.7℃, 14.6℃ 및 19.2℃로 나타냈다. 반면 CNT와 CF가 함께 혼입된
‘CF0.3CNT0.3’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 69.4℃로 상승하여 상당히 높게 나타냈다. 하지만 ‘CF0.6CNT0.6’
시편의 경우 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량 데이터를 측정할 수 없었다.
Fig. 3(d)에 나타난 바와 같이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 3.3℃, 4.1℃ 및 5.2℃로 소폭 상승하였다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’
시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 36.5℃, 43.0℃ 및 50.9℃로 상승하여 상당히 높게 나타냈다. 하지만 ‘CF0.3CNT0.3’
시편 및 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편의 경우 측정 장비의 최대 전류 한계(3A)를 초과하여 발열량 데이터를 측정할 수 없었다. 이는 CNT와 CF의
조합으로 전도성 네트워크가 보다 효과적으로 형성되면서 전기저항이 유의하게 감소한 데 따른 결과로 판단된다. 이러한 특성을 고려할 때, ‘CF0.3CNT0.3’
시편 및 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 다른 시편에 비해 상대적으로 우수한 발열 성능을 나타냈을 가능성이 있는 것으로 사료된다.
한편, Fig. 4는 다양한 인가전압 및 전극 간격 120 ㎜에서 각 시편의 경과시간에 따른 표면온도 증가 곡선을 나타낸 것이다. Fig. 4(a)에서 볼 수 있듯이, CF와 CNT를 사용하지 않은 ‘PCC’ 시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.1℃, 0.1℃ 및 0.2℃로 상승하여 표면온도 증가가 거의 없는 것으로 나타냈다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’
시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 0.5℃, 0.8℃ 및 1.2℃로 상승하여 표면온도
증가가 미미하였다. 하지만 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편의 경우 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 4.2℃로
소폭 상승하였고, ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 17.2℃로 상승하여 약간 높게 나타냈다. Fig. 4(b)에서 알 수 있듯이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.1℃, 0.1℃ 및 0.3℃로 상승하여 표면온도 증가가 거의 없는 것으로 나타냈다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’
시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 1.6℃, 3.7℃ 및 4.1℃로 소폭 상승하였다.
반면 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 9.7℃로 나타났으며, ‘CF0.6CNT0.6’
시편은 34.4℃로 상승하여 상대적으로 높게 나타냈다. Fig. 4(c)에서 보는 바와 같이, CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이
초기 온도 대비 각각 0.1℃, 0.2℃ 및 0.4℃로 상승하여 표면온도 증가가 미미하였다. 아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’
시편 및 ‘CF1.0’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 4.2℃, 5.2℃ 및 13.7℃로 비교적 높게 상승한 것으로 나타냈다.
반면 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편의 경우 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 17.3℃로 약간 높게 상승하였고,
‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 47.8℃로 상승하여 상당히 높게 나타냈다. Fig. 4(d)에 나타난 바와 같이, 인가전압이 60V인 경우 경과시간에 따른 표면온도 증가 곡선을 그래프로 나타낸 것이다. CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’
시편, ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 0.2℃, 0.8℃ 및 2.9℃로 소폭 상승하였다.
아울러, CF만을 사용한 ‘CF0.3’ 시편, ‘CF0.6’ 시편 및 ‘CF1.0’ 시편은 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도 대비 각각 11.7℃,
27.1℃ 및 34.4℃로 나타냈다. 반면 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편의 경우 1시간 후 표면온도 증가량이 초기 온도
대비 37.3℃로 나타났으며, ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 60.2℃로 상승하여 상당히 높게 나타냈다.
Fig. 3. Surface temperature increase curve at electrodes spacing of 40 ㎜
Fig. 4. Surface temperature increase curve at electrodes spacing of 120 ㎜
3.1.3 열화상 이미지 분석
Fig. 5는 다양한 인가전압 및 전극 간격 40 ㎜에서 대표적인 시멘트 복합체의 최고 발열 상태에 도달했을 때 촬영된 열화상 이미지이다. Fig. 5(a)∼(b)에서 볼 수 있듯이, 인가전압이 60V로 설정된 조건에서도 CNT와 CF가 혼입되지 않은 PCC 시편과 CNT만을 사용한 ‘CNT0.6’ 시편은 발열이
매우 낮아, 열화상 이미지에서 열이 거의 나타나지 않아 표면온도가 주변 온도와 비슷하여 열 발생의 차이를 구별하기가 어려웠다. Fig. 5(c)에 나타난 바와 같이, 인가전압이 30V로 설정된 조건에서도 CF만을 혼입된 ‘CF1.0’ 시편은 발열량이 다소 증가하여, 열화상 이미지에서 약하게나마
열 발생 현상을 육안으로 확인할 수 있었다. 이때 측정된 표면온도는 39.2℃였다. 한편, Fig. 5(d)의 ‘CF0.3CNT0.3’ 시편은 CNT와 CF를 함께 혼입함으로써 발열량이 다소 증가하였으며, 열화상 이미지에서 눈에 띄는 열 효과를 확인하였다.
Fig. 5(e)에 나타난 바와 같이, 인가전압이 10V로 설정된 조건에서 CNT와 CF가 함께 혼입된 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 발열량이 상당히 증가하였으며,
열화상 이미지에서도 비교적 선명한 열 분포가 확인되었다. Fig. 5(f)에서는 인가전압이 20V일 때 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편이 가장 높은 발열량을 보였으며, 열화상 이미지에서도 가장 선명한 열 분포가 확인되었다.
표면온도는 177.4℃에 도달하였다. 특히 인가전압이 30V 이상일 경우, ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 측정 장비의 최대 전류 용량(3A)을 초과하여
발열량을 정확히 측정할 수 없었다.
Fig. 5. Thermal images of specimens at 40 ㎜ electrode spacing
3.2 전기적 특성 분석
Fig. 6과 Fig. 7은 재령 28일에서 각 시편의 상이한 전극 간격(40 ㎜, 120 ㎜)에 따른 전기저항 측정 결과를 보여준다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, 전극 간격이 40 ㎜인 경우 CNT만을 혼입된 ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편의 전기저항은 CNT와 CF가 혼입되지
않은 ‘PCC’ 시편에 비해 각각 64.4% 및 41.3% 감소하였다. CF의 사용은 전기저항을 감소하고, CNT의 농도가 증가할수록 시편의 전기저항은
크게 감소하였다. Fig. 7에서 보는 바와 같이, 전극 간격이 120 ㎜인 경우에도 CNT만을 혼입된 ‘CNT0.3’ 시편 및 ‘CNT0.6’ 시편의 전기저항은 CNT와 CF가
혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편에 비해 각각 79.5% 및 66.4% 감소하였다. 이들 시편은 상대적으로 높은 전기저항을 보였으며, 전기적 특성이 거의
없는 것으로 나타냈다. 하지만 전극 간격에 관계없이 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편의 전기저항은 CNT와 CF가 혼입되지 않은 ‘PCC’ 시편에 비해
크게 감소되었다. 이는 CNT의 농도가 증가할수록 전도성 경로가 다수 형성되어 복합체의 전기저항이 상당히 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 CNT와
CF가 복합체의 전기적ㆍ열적 성능을 향상시키는 효과는 이들의 분산 상태와 응집 정도에 크게 좌우된다. 만약 CNT가 복합체 내에 고르게 분포하지 못한다면,
전도성 경로가 일부 영역에서 응집되어 전기저항이 증가하고 발열이 저하될 가능성이 있다.
Fig. 6. Results of electrical resistance measurement at 40 ㎜ electrode spacing
Fig. 7. Results of electrical resistance measurement at 120 ㎜ electrode spacing
3.3 SEM-EDS 분석 결과
Fig. 8에서는 발열 실험 후 파단 면에서 채취한 각 시편의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. ‘CF0.6’ 시편은 500배율로 ‘CNT0.3’ 시편, ‘CNT0.6’
시편 및 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 각각 50,000배율로 촬영하였다. Fig. 8(a)에 나타난 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이, ‘CF0.6’ 시편에서는 다량의 CF로 섬유가 서로 연결되어 전도성 경로가 형성된 것을 알 수 있다.
Fig. 8(b)에서 CNT만을 사용한 ‘CNT0.3’ 시편은 복합체 내에 작은 직경의 CNT가 분포되어 있으며, 수화 생성물 사이에 가교역할을 하는 CNT 나노
입자들이 서로 연결되어 전도성 경로가 다수 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 반면, Fig. 8(c)에 나타난 ‘CNT0.6’ 시편은 복합체 내에 CNT의 응집 현상을 보여주고 있다. CNT의 강한 반데르발스 인력에 따른 응집이 자주 발생하며, 이로
인해 균일하지 않은 CNT는 일부 공극의 역할을 수행하게 된다. 이러한 현상은 CNT의 혼입 농도가 높을수록 빈번하게 발생하여, 결과적으로 발열,
전기적 및 역학적 특성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 8(d)에서 CF와 CNT가 함께 혼입된 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 복합체 내에 마이크로 CF 주변에 CNT 나노 입자들이 덮여 서로 연결되며, 수화
생성물 사이에서 가교역할을 하여 다수의 전도성 경로가 형성된 것으로 관찰되었다. 전도성 경로는 수화 생성물 사이를 연결하여 전자가 이동할 수 있는
경로를 제공하며, 전도성 시멘트 복합체의 발열 및 전기적 특성이 향상된 것으로 확인되었다. 아울러, Fig. 8(b)와 (d)의 SEM 이미지는 칼슘실리케이트수화물(calcium-silicate-hydrate, C-S-H)가 주요 수화물로 확인되며, 이는 계면 전이영역(interfacial
transition zone)의 미세조직 치밀성을 향상시키는데 도움이 된다.
Fig. 9는 각 시편의 EDS 분석 결과를 그래픽으로 나타낸 것이다. 시멘트 매트릭스 내에 수화 생성물의 성분분석을 위해 SEM에 부착된 EDS를 이용하여
CF와 CNT의 표면 형상의 구성성분(C, O, Si, Ca, Fe 등)을 측정하였다. 분석 결과, ‘CF0.6’ 및 ‘CNT0.6’ 시편에서는 주로
탄소(C)와 산소(O), 칼슘(Ca)이 확인되었으며, ‘CF0.6CNT06’ 시편에서는 이 외에도 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 황(S) 등의
원소가 추가로 검출되었다. 특히, ‘CF0.6CNT0.6’ 시편은 탄소 함량이 감소하고 산소 및 무기 원소의 함량이 증가하는 경향을 보여, 표면 개질
및 복합화(hybridization)에 따른 화학적 조성 변화가 나타난 것으로 판단된다. 이러한 EDS 정량 분석 결과는 CF 및 CNT의 조합이
시멘트 복합체의 계면 특성과 구성 원소 분포에 미치는 영향을 설명하는 근거 자료로 활용될 수 있다.
Fig. 8. SEM images of each specimen
Fig. 9. EDS analysis results of each specimen
4. 결 론
본 연구에서는 다양한 인가전압 및 상이한 전극 간격에서 CNT와 CF가 혼입된 시멘트 복합체의 발열 및 전기적 특성에 미치는 시너지 효과를 실험적으로
분석하였으며, 본 실험을 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
1. CNT 0.6 wt.% 및 CF 0.6 vol.%가 함께 혼입된 ‘CF0.6 CNT0.6’ 시편은 단일 혼입 시편 및 플레인 시편과 비교하여
가장 우수한 발열을 보였으며, 최대 표면온도는 177.4 ℃에 도달하였다. 이는 CNT와 CF의 조합 혼입에 따른 시너지 효과 및 CNT 간의 터널링
효과를 통해 전자 이동이 촉진되었기 때문으로 판단된다.
2. CNT와 CF가 함께 혼입된 시편은 시멘트 매트릭스 내 전기저항을 유의미하게 현저히 낮추는 데 기여하였으며, 이는 전도성 경로가 효과적인으로
형성되었음을 나타냈다.
3. 적외선 열화상 이미지 분석 결과, 인가전압 10V 및 전극 간격 40 ㎜ 조건에서 ‘CF0.6CNT0.6’ 시편의 표면은 뚜렷한 열 분포 양상을
나타냈으며, 전극 사이 영역을 중심으로 열이 확산되는 양상이 관찰되었다.
4. SEM-EDS 분석 결과, CNT는 CF와 함께 시멘트 매트릭스 내에 분산되어 전도성 경로를 형성하며 브리징(bridging) 역할을 하는 것으로
확인하였다. 다만, 일부 영역에서는 CNT 간 반데르발스 인력에 의한 응집 현상이 관찰되었다.
5. 본 연구는 향후 결빙 구간의 제설 및 제빙을 위한 발열 포장 시스템 기술 개발의 기초 자료로 활용될 수 있으며, 이를 기반으로 한 후속 연구가
요구된다.
감사의 글
이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사업입니다(Grant No. NRF-2018R1A6A1A03025542).
이에 감사드립니다.
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