1. 서 론

시간이 흐름에 따라 매년 여름철에는 폭염, 겨울철 에는 한파 뉴스가 점차 빈번해지는 걸 볼 수 있다. 현대에 지구 온난화 현상으로 인하여 연평균 기온이 매년 상승하고 있어 여름철에 발생하는 폭염은 당연 해 보이나, 예상과 다르게 겨울에는 온도 상승이 아 닌 한파가 빈번해지는 이상 기후가 지속적으로 발생 하고 있다. 지구의 평균기온은 150년 동안 약 0.85℃ 상승하였으며(IPCC, 2013), 온도 변화로 인한 이상 기후 발생으로 여름철에는 기온이 상승하고 겨울철 에는 기온이 떨어져 양극화가 심해지고 있으며 다양 한 분야에서 문제가 발생하고 있다. 특히, 기온 상승 으로 인한 여름철에 발생하는 구조물 및 건축물 사 고에 비해 한파로 인한 겨울철 도로 결빙 현상으로 많은 사고가 일어나 인명 및 재산에 피해를 입고 있 으며, 또한 과도한 에너지 사용으로 이러한 상황이 점차 악화되고 있다.

이에 전 세계에서는 사고 예방 및 근본적인 문제 를 해결하기 위하여 다양한 산업 분야에 있어 새로 운 기술을 도입하고, 신재생 에너지 인프라 구축을 위하여 제로 에너지 및 그린빌딩 정책을 추진하고 있으며 국내에서도 2020년 국회에서 문재인 대통령 이 탄소중립 선언을 하여 중요한 문제로 대두되고 있음을 볼 수 있다. 특히, 국내 건설 및 건축 분야에 서의 에너지 소모는 총 사용량의 25%를 차지하고 있으며, 국내 온실가스 배출량 또한 총 배출량의 30%를 차지하여 다른 어떤 분야보다 건설 및 건축 분야에서의 에너지 소모를 줄여야 한다.

최근 전 세계에서는 이러한 겨울철 에너지 소모 량 감소 및 도로 사고를 방지하기 위하여 건설분야 에 있어 잠열성능이 우수한 상변화물질(Phase Change Material: PCM)을 활용한 연구들이 수행되고 있다. 기존에 수행되었던 PCM 활용 시멘트 복합체 연구를 살펴보면, PCM 사용량에 따라 강도 성능은 반비례 적인 것으로 나타나 있어 적절한 강도에 맞게 PCM 을 사용하여 열성능을 극대화하여야 한다(Fenollera et al., 2013;Jayalth et al., 2016;Meshgin et al., 2012;Hae-Won Min., 2015;Min Jae Park., 2017).

따라서 본 연구에서는 교통사고로 이어지는 도로 결빙현상을 방지하고, 주거용 난방 에너지 소모 감 소를 유도하기 위해 겨울철 평균 기온 및 동결 온도 를 고려하여 5∼10℃정도의 상변화 온도를 가진 PCM을 사용하였으며, 구조물 및 건축물 등 다양한 분야에서 가장 많이 사용되는 골재인 잔골재를 다공 성 골재로 치환함과 동시에 골재 내 공극에 열에너 지 저장이 가능한 PCM을 함침하고, 골재 내 PCM의 성능을 극대화하기 위한 SOL-GEL 코팅에 대하여 연 구하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 통해 골재 내 다공성 여부 및 SOL-GEL 코팅 여부를 확인 하였으며, DSC(Differntial Scanning Calorimetry) 분석 을 통하여 PCM이 가지고 있는 열 성능 및 상변화 온도를 확인하였고, FT-IR(Fourier-Transform Infrared spectroscopy)을 통하여 골재, PCM, SOL-GEL 간의 화학적 반응 여부를 파악하였으며, 마지막으로 강도 가 가장 중요한 구조재료로서, 모르타르 시편을 제 작해 UTM(Universal Testing Machine)을 통하여 압축 강도 및 휨강도를 파악하고자 하였다.

2. 본 론

2.1 실험 설계

본 연구에서는 모르타르 제작 시 활용되는 잔골재에 대하여 1mm 이하의 직경을 가진 다공성 골재 안에 PCM을 함침하고, 위 함침한 골재를 SOL-GEL 공법 을 활용하여 코팅하는 방식으로 진행한다.

사용되는 각 재료에 대해서 살펴보면 먼저, 주 물질인 PCM이란 열을 저장하기 위한 방식 중 잠열 저장 즉, 숨어있는 열로서 상변화가 일어나면서 축 열, 방열 원리를 활용하여 열을 저장하는 물질 중 하나이다. 이 잠열은 상변화가 일어나지 않으면서 온도 변화를 보이는 현열에 비해 현저하게 높은 열 량을 갖고 있어 높은 양의 열에너지를 저장하거나 온도를 유지하는데 이용할 수 있다. 이 PCM은 앞서 말한 것과 같이 고체에서 액체로 변화할 때 열을 흡 수해 내부에 저장했다가 다시 액체에서 고체로 변화 할 때 저장했던 열을 방출하며, 이때 온도 범위와 필요에 따라 적정 에너지를 저장하고 온도를 유지하 기 위해서 개발된 물질이다. 이 PCM은 종류가 다양 하여 물질 성분별로 유기계, 무기계, 유기계-무기계 혼합물질로 분류되는데, 이 중 유기계에서는 파라핀 계열, 비파라핀계열이 있으며 무기계에서는 염수화 물, 금속계가 있다. 그리고 혼합계는 유기계와 무기 계를 적절히 조합한 상변화물질이다. 각 계열마다 융점 온도와 가지고 있는 특징이 달라 적절한 PCM 을 사용해야 한다.

따라서 본 연구에서는 축⋅발열 범위, 경제성, 대 규모 활용 가능성 등 구조물 및 건축물에 사용하기 적 절한 PCM을 활용해야 하므로 유기계 파라핀 계열인 국내 I사의 PCM(N-Par 14(tetradecane))을 사용하였다. 또한 기존의 OPC(Ordinary portland cement concrete)에 서 사용되는 잔골재인 모래 대신 본 연구에서 사용 되는 다공성 골재로서 잔골재 규격에 부합하는 직경 1mm 이하의 크기를 가진 국내 J사 입상활성탄 (Activated Carbon: AC)을 사용하였다. 위 골재는 Fig. 1과 같이 SEM 촬영을 통하여 다공성을 확인하였으 며 이를 통해 충분히 PCM을 함침할 수 있는 골재임 을 확인하였다.

SOL-GEL 공법을 수행하기 위한 기본적인 재료로 국내 D사의 에틸 실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS 98.5%), Silane coupling agent(3-(Trimethoxysily)propyl methacrylate 98%)를 사용하였으며, 국내 S사의 에탄 올(Ethanol alcohol, EtOH 99.9%), 염산(HCl 35%), 암 모늄(NH₄OH 25%)을 사용하였다. 이러한 SOL-GEL은 콜로이드 입자 또는 고분자가 분산된 용매의 뜻의 SOL과 액체 용매를 감싸는 고체를 뜻하는 GEL의 합성어로서 가수분해 및 응축반응에 의한 현상을 의 미한다. 쉽게 말해 액체 상태인 SOL에 코팅하고자 하는 물질을 넣고, SOL을 GEL화시켜 고체 상태로 만들어 코팅하는 방법이다. 이 방법은 물리적⋅기계 적 강도 및 열⋅전기 전도성이 우수하고 내구성이 뛰어난 탄소 재료로서 대기와의 화학반응을 차단 및 안정화하면서 고온에서도 원상태의 보존이 가능한 세라믹 코팅 기술이다. 제일 흔한 코팅 방법인 에폭 시를 사용하지 않고 SOL-GEL 방법을 채택한 이유는 잔골재에 에폭시 코팅하기가 어려울뿐더러 기존의 에폭시보다 간단한 기술로 더 저렴하게 사용 가능함 으로써 경제성의 이유로 사용되는 콘크리트에 영향 을 최소화하기 위해서이다.

2.2 실험 방법

실험 방법으로 먼저 PCM이 함침된 활성탄이 만들어 지는 과정에 대해서 다루면, 기존 활성탄 공극 내의 먼지를 제거하기 위하여 잘 씻은 후 건조기를 통하 여 24시간 105℃로 말려 준다. 그 후 액체 상태의 PCM과 활성탄을 잘 섞어 주고, 골재의 공극 내에 충분히 PCM을 함침하기 위하여 E사의 진공펌프와 자체 제작한 데시케이터를 활용하여 4시간 동안 진 공상태로 함침하였다. 이후, 위 잔골재들을 SOL-GEL 공법을 통한 코팅해야하므로 질퍽한 상태의 상변화 물질이 함침된 활성탄의 표면에서 상변화 물질을 제 거하고, 이를 표면 건조 상태로 만들기 위해 Fig. 2 와 같이 필터링 과정(filtering process)을 24시간 진행 하였다. 참고로 필터링 과정은 거름지나 메쉬 와이 어와 같이 골재가 통과하지 않을 매우 미세한 구멍 이 있는 소재 위에 상변화 물질이 함침된 활성탄을 두어 표면에 묻은 상변화 물질을 흘러내리게 하여 제거하는 과정이다.

이러한 PCM 함침 활성탄에 대하여 공극에서의 PCM 유실을 방지하기 위하여 SOL-GEL 공법을 활 용하는 방법에 대해 다루면 먼저, 유기실리콘의 하 나인 TEOS와 에탄올을 몰비 1:4의 비율로 60℃의 항온수조에서 10분간 잘 섞어 준다. 이후 증류수 그 리고 TEOS 중량 대비 10%의 silane coupling agent를 상기 용액에 첨가한 뒤 80℃의 항온수조에서 20분간 잘 섞어준다. 이때, 증류수는 TEOS와의 몰비가 8:1 이 되도록 첨가한다. 그 후 가수분해현상 속도와 혼 화성 향상을 위해 염산을 첨가하여 Ph 1.5∼2 정도 로 맞춘 뒤 5분간 저어준다. 그 후 겔화 시간을 단 축하기 위하여 NH₄OH를 Ph 7∼8 정도가 되도록 SOL용액에 넣어 준 뒤 GEL형태가 될 때까지 저어 준다. 이렇게 제조된 물질을 80℃ 상태의 건조기에 서 말려 준 뒤 잘게 부수어 SOL-GEL 코팅된 PCM 함침 활성탄(SOL-GEL Coating PCM Activted Carbon) 을 제조한다(Fig. 3 참고).

제조된 SOL-GEL Coating PCM Activated Carbon 의 상변화 온도 및 열에너지를 알기 위한 DSC, 그리 고 화학적 반응을 확인하기 위한 FT-IR을 수행하는 방법은 다음과 같다. DSC 분석은 온도 범위 –60℃ ∼80℃로 하였으며 1분당 5℃씩 승온 및 감온하도록 하였고, N사의 DSC214 Polyma를 사용하였다.

일반적으로 모르타르는 모래, 시멘트, 물로 이루 어져 있으며 높은 강도를 가지고 있다. 그러나 본 연구에서는 모래를 대신하여 다공성을 가지고 있으 며, 이 안에 PCM이 채워져 있는 활성탄을 사용하므 로 강도가 떨어질 것으로 예상된다. 강도가 과도하 게 떨어지게 된다면 압축강도 부재로서 구조재료로 는 사실상 쓸모없는 모르타르가 된다. 그러기에 콘 크리트의 대표적인 강도인 압축강도와 휨강도를 측 정하여 어느 정도의 강도 감소가 있는지 확인하고, 이를 압축강도 부재로서 충분히 사용 가능한지 비교 ⋅분석하였다. 배합은 Table 1과 같이 물⋅시멘트비 (W/C)는 0.35로 진행하였으며, PCM 함침 활성탄은 잔골재로서 기존 OPC의 모래 질량 50%를 대체하였 다. 압축강도는 각 케이스당 시편 6개 제조하여 양 생 7일 후 3개 및 28일 후 3개에 대해 확인하였으 며, 휨강도는 각 케이스당 시편 3개 제조하여 양생 28일 후에 대해서 확인하였다. 또한 각 시편에 대해 압축강도 시편은 KS L 5 105(수경성 시멘트 모르타 르의 압축강도 시험방법)에 의거 50×50×50mm 사이 즈의 Cubic 몰드에서 제작하였으며, 휨강도 시편은 KS L I S O 679에 의거 40×40×160mm 사이즈의 각주 형 몰드로 제작하였다 (Fig. 4 and 5 참고).

3. 결과 및 고찰

완성된 SOL-GEL 코팅 PCM 함침 활성탄에 대해 진 행한 여러 가지 분석과 이를 활용하여 제조한 여러 모르타르의 실험 결과 및 고찰은 다음과 같다.

DSC 분석을 통하여 각 재료 및 최종 제작 골재 에 대한 상변화 온도 및 열에너지 측정 결과 PCM은 냉각(Cooling) 시 상변화 온도 8.4℃와 188.2J/g의 열 에너지를 가지며 가열(Heating) 시 상변화 온도 0.1℃ 와 184.4J/g의 열에너지를 가진다. 그리고 PCM 함침 활성탄의 경우 냉각 시 상변화 온도 1.4℃와 62.21J/g 의 열에너지를 가지며 가열 시 상변화 온도 8.9℃와 63.32J/g의 열에너지를 가지고, SOL-GEL 코팅된 PCM 함침 활성탄의 경우 냉각 시 상변화 온도 2. 4℃와 26.8J/g의 열에너지를 가지고, 가열 시 상변화 온도 7.1℃와 32.98J/g의 열에너지를 가진 것으로 확 인되었다 (Fig. 6 and 7 and 8 참고). 이를 통하여 PCM 함침 활성탄과 SOL-GEL 공법으로 코팅한 PCM 함침 활성탄 모두 PCM의 열성능을 가지고 있 음을 확인하였으며, 이를 비교하였을 때 후자의 경 우 SiO₂의 질량에 의해 총 열에너지는 감소한 것으 로 보이나 두 케이스 다 유사한 상변화 온도를 가지 고 있는 것으로 확인되어, SOL-GEL 코팅 방법을 통 하여 PCM 유실을 방지하고, 열 성능을 유지하는 데 있어 효율적인 방법임을 알 수 있다.

FT-IR 분석을 통하여 PCM 함침 활성탄(AC-PCM), SOL-GEL(SiO₂), SOL-GEL 코팅된 PCM 함침 활성탄 (CPCM)의 화학적 반응을 확인하였다. CPCM의 경우 주요 분자진동은 2,854∼2,954cm^-1과 945∼1,467cm^-1 에서 나타나고 있는데, 이 중 전자는 AC-PCM 물질 의 C-H 진동모드에 의한 것으로 확인할 수 있고, 후 자는 SiO₂에 의한 것을 알 수 있다 (Fig. 9 참고). 이 를 통해 CPCM의 경우 PCM 및 SiO₂에서의 분자 진 동만 가지고 있는 것으로 나타나 특별한 화학적 반 응은 없어 안정적인 상태로 판단된다.

UTM기기를 활용하여 압축 강도 및 휨 강도 측 정한 결과는 다음과 같다. Table 2와 같이 기존 OPC 의 경우 7일차 압축강도는 약 평균 47.34 MPa, 28일 차 압축강도는 약 60.1MPa, 28일차 휨강도는 4.65MPa 로 나타났으며 CPCM으로 모래 질량의 50%를 대체 하여 제작된 OPC-50%의 경우 7일차 압축강도는 약 37.68MPa, 28일차 압축강도는 약 50.34MPa, 28일차 휨강도는 4.5MPa로 나타났다(Fig. 10 and 11 참고). CPCM으로 모래 질량 대비 50% 대체한 모르타르 강 도 성능의 경우 기존 OPC에 비해 압축강도 7일차는 약 20.4% 감소하였으며, 압축강도 28일차는 약 16.24% 감소하였고, 28일차 휨강도의 경우는 유사하 게 나타났다. 이는 기존 모래 대신 PCM과 다공성 골재인 활성탄을 사용하여 밀도의 차이 등의 사유로 감소하였으나 최종적 강도로 볼 수 있는 28일차 압 축강도인 50.34MPa는 건설재료로서 충분히 사용 가 능한 강도로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 일상생활에서의 에너지 소모를 줄이 고, 구조물의 빙결에 의한 사고를 감소시키기 위해 열에너지를 축열 및 발열하는 PCM의 특성을 이용하 여 PCM 함침 활성탄을 제작하고, 이를 모래대신 활 용하여 모르타르를 제작한다.

PCM을 직접적으로 사용하게 되면 모르타르의 강 도를 저하시키는 등 기계적 성질에 악영향을 미칠 수 있으므로 SOL-GEL 공법을 사용해 PCM의 유실 을 방지하여 모르타르 고유의 성질을 잃지 않도록 한다.

SEM 촬영을 통해 활성탄의 공극 및 SOL-GEL 공법으로 활성탄의 공극에 대해 충분히 코팅할 수 있어 PCM 유실 방지에 대한 성능을 확인할 수 있으 며, DSC 분석 및 FT-IR을 통하여 확인하였을 때, 안 정적인 열성능 및 특별한 화학적 반응은 없는 것으 로 확인되어 본 연구의 목적인 도로결빙현상 방지 및 난방에너지 사용량 감소를 유도할 수 있는 시멘 트 복합체 제작에 효과적인 재료로 사용 가능한 것 으로 보인다. 그리고 CPCM으로 모래 질량 대비 50% 대체한 모르타르의 강도 성능은 기존 OPC에 비해 다공성 골재, PCM 사용으로 인하여 강도가 저 하되었으나 건설재료로서 이상 없는 강도를 보유한 것으로 파악하였다. 위 시멘트 복합체에 대해서는 추후 연구를 통하여 강도뿐 아니라 열 성능 및 수명 평가 등을 추가적으로 파악하여야 한다.