PURPOSES : This study aims to review the possibility of developing a road snow-melting system that can prevent slip accidents by maintaining a constant temperature of the winter roads and enhance performance of structures, including improvement of compressive strength by mixing carbon nanotube (here...
PURPOSES : This study aims to review the possibility of developing a road snow-melting system that can prevent slip accidents by maintaining a constant temperature of the winter roads and enhance performance of structures, including improvement of compressive strength by mixing carbon nanotube (hereafter referred to as CNT) with cement paste, the basic material. METHODS : To achieve the above purpose, an experiment was conducted by mixing power-type CNT and wrap-type CNT up to cement paste formulation by weight of 0.0wt%~4.1wt% in accordance with "KS L ISO 679(of cement strength test method)", and compressive strength was measured at 28 days of curing. In addition, the volume resistivity of the specimen was measured to test thermal and electrical characteristics, and the rate of temperature changes in specimen surface by power consumption was measured by passing electricity through the cross-sections of the specimen. Meanwhile, the criteria for checking the performance as a road snow-melting system was determined as volume resistivity of $100{\Omega}{\cdot}cm$ or less. RESULTS : A comparative analysis between specimen with 0wt% CNT content in plain status and specimen containing various types of CNTs was carried out. From its results, it was found that compressive strength increased approximately 19%, showing the highest rate when 0.2wt% of wrap-type CNT was contained, but volume resistivity of $100{\Omega}{\cdot}cm$ or less appeared only in specimens containing more than 0.2wt% CNT. In addition, it was observed that the surface temperature increased by $4.62^{\circ}C$ per minute on average in specimens containing 3.2wt% CNT. CONCLUSIONS : In this study, CNT was examined as an underlying material for a road snow-melting system, and the possibility of developing the road now-melting system was reviewed by conducting various experiments using CNT-Cement composites. From the experimental results, the specimens were found to have a superior performance when compared to the existing road snow-melting systems that place the heat transfer medium such as copper on the road. However, satisfactory strength performance were not obtained from the specimen containing CNT(2.0% or more) that functions as a heating element, which leads to the need for reviewing methods to increase the strength by using plasticizer or admixture.
PURPOSES : This study aims to review the possibility of developing a road snow-melting system that can prevent slip accidents by maintaining a constant temperature of the winter roads and enhance performance of structures, including improvement of compressive strength by mixing carbon nanotube (hereafter referred to as CNT) with cement paste, the basic material. METHODS : To achieve the above purpose, an experiment was conducted by mixing power-type CNT and wrap-type CNT up to cement paste formulation by weight of 0.0wt%~4.1wt% in accordance with "KS L ISO 679(of cement strength test method)", and compressive strength was measured at 28 days of curing. In addition, the volume resistivity of the specimen was measured to test thermal and electrical characteristics, and the rate of temperature changes in specimen surface by power consumption was measured by passing electricity through the cross-sections of the specimen. Meanwhile, the criteria for checking the performance as a road snow-melting system was determined as volume resistivity of $100{\Omega}{\cdot}cm$ or less. RESULTS : A comparative analysis between specimen with 0wt% CNT content in plain status and specimen containing various types of CNTs was carried out. From its results, it was found that compressive strength increased approximately 19%, showing the highest rate when 0.2wt% of wrap-type CNT was contained, but volume resistivity of $100{\Omega}{\cdot}cm$ or less appeared only in specimens containing more than 0.2wt% CNT. In addition, it was observed that the surface temperature increased by $4.62^{\circ}C$ per minute on average in specimens containing 3.2wt% CNT. CONCLUSIONS : In this study, CNT was examined as an underlying material for a road snow-melting system, and the possibility of developing the road now-melting system was reviewed by conducting various experiments using CNT-Cement composites. From the experimental results, the specimens were found to have a superior performance when compared to the existing road snow-melting systems that place the heat transfer medium such as copper on the road. However, satisfactory strength performance were not obtained from the specimen containing CNT(2.0% or more) that functions as a heating element, which leads to the need for reviewing methods to increase the strength by using plasticizer or admixture.
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문제 정의
본 결론에서는 본 연구의 개괄적인 내용을 요약하고 앞으로 추가로 이루어져야 할 연구들에 대해서 살펴본 후 본 연구가 가지는 의미와 한계에 대해서 되짚어 보고자 한다.
본 실험에서는 앞서 제2장 선행연구고찰에서 밝힌바와 같이 타 탄소계열 소재에 비하여 장축비가 긴 CNT를 모재인 시멘트 페이스트에 혼입하여 Fig. 2와 같이 CNT 네트워킹을 유도함으로써 통전 시 발생하는 저항열을 이용하여 도로융설에 이용할 수 있는 최적 배합비를 찾아내는 것을 목적으로 하며, 융점에 대해서는 한계를 두지 않았음을 밝힌다.
본 연구에서는 상기 내용에 관해 보다 정밀한 측정과 시편 내 화학적 성분에 따른 분포도를 확인하기 위하여, (재)한국고분자연구소에 의뢰하여 성분비를 분석·의뢰 하였다.
본 장에서는 본 연구가 주 테마로 하는 CNT에 대해서 간략히 소개하고 CNT나 그래핀(Graphine) 등과 같은 탄소동소체를 건설분야 및 우리의 주 관심사인 지능형교통체계(Intelligent Trasnport Systems, 이하 ITS)에 도입한 사례와 현재까지 개발된 도로융설기술 및 그 한계에 대하여 제시하고자 한다.
그나마도 환경문제가 가시화됨에 따라 계측할 수도 없을 만큼의 무분별한 제설제 살포로 인한 폐해들이 드러나고 있다. 이에, 본 연구에서는 최근 특별한 물성으로 각광받고 있는 탄소나 노튜브(Carbon Nanotube, 이하 CNT)와 시멘트 페이스트를 배합하여 모재인 시멘트 페이스트에 CNT 네트워크를 형성함으로서 압축강도 등 구조물의 성능향상과 더불어 통전 시 동절기 노면의 온도를 일정하게 유지함으로서 미끄럼 사고를 방지할 수 있는 도로일체형 융설체로서의 가능성을 검토하고자 한다.
제안 방법
5로 하였으며, 본 연구에서는 혼화제를 별도로 사용하지 않은 상태에서 CNT를 최대로 첨가할 수 있는 범위까지 배합을 실시하였다. 따라서, 모재인 시멘트 페이스트에 파우더 타입의 CNT와 랩 타입의 CNT를 시멘트 페이스트 중량대비 각 0~3.2%, 0~4.1%까지를 실험변수로 한다. 참고로 본 연구에서 사용한 CNT는 다중벽 CNT이며, 랩 타입의 CNT는 비중이 매우 작아 비산(飛散)성이 있는 CNT 특성을 감안 하여 일정량의 CNT를 압축·사출함으로써 비산성을 제거한 CNT를 의미한다.
본 연구에서는 전술한 CNT의 특성 및 제조의 용이성, 그리고 건설재료에 이용하는 것을 감안하여 비교적 저렴한 다중벽 형태의 CNT를 이용하였다.
실험은 우선 실험변수에 따라 공시체를 제작하고 압축강도를 측정한 후 두 번째로 체적저항률을 측정하여 통상 저항열을 통하여 발열이 되는 체적저항률 기준인 100Ω· cm 이하(Si 수준)인 공시체를 선별하였다. 세 번째로 선별한 공시체 양단에 전기를 통과시켜 공시체 표면 열전도율을 측정하고 마지막으로 가장 효과가 뛰어난 공시체의 SEM(Scanning Electron Microscope) 영상을 확인하였다.
본 연구에서는 새로운 기저재료인 CNT를 혼입했을 때 발생하는 다양한 결과 분석을 위하여 Table 1과 같이 실험변수를 정의하였다. 시멘트 페이스트 배합은 물-시멘트비를 0.5로 하였으며, 본 연구에서는 혼화제를 별도로 사용하지 않은 상태에서 CNT를 최대로 첨가할 수 있는 범위까지 배합을 실시하였다. 따라서, 모재인 시멘트 페이스트에 파우더 타입의 CNT와 랩 타입의 CNT를 시멘트 페이스트 중량대비 각 0~3.
앞서 열전도 특성시험에서 작업성 등을 감안했을때, 가장 효과가 뛰어난 시편(CNT 함량 2.8wt%)에 대해서 CNT가 함유되지 않은 공시체(CNT 함량 0wt%)와 SEM 영상분석을 실시하였다.
열전도 특성의 경우에는 별도의 측정기를 제작하여 실험을 실시하였으며, 측정방법은 공시체 양 단면에 1Watt~40Watt까지의 전기를 걸어둔 상태에서 시간에 따른 공시체 표면온도 변화를 측정하였다.
첫째, 본 연구에서는 도로 융설체의 기저재료로서 CNT를 검토하고 CNT-Cement 복합체를 이용하여 다양한 실험을 실시하였다. 실험결과는 선행연구에서 제시한 발열체로서 기존 성능 즉, 구리 등과 같은 열 전달 매체를 도로에 포설한 경우(융점 도달시간 -5℃~0℃시 30분 소요)와 비교했을 때 우수한 성능을 지니는 것으로 나타났다.
체적저항률 측정결과는 Table 2와 같으며 시멘트 페이스트 중량대비 CNT 비율을 0wt%에서 최대 4.1wt%(분말형태의 CNT는 3.2wt%)까지 혼입한 공시 체의 저항값(Ω)을 측정하여 체적저항률(Ω·cm)을 계산 하였다.
통전여부를 확인하기 위한 체적저항률 측정방법은 공시체 양단에 표면저항 오차를 최소화할 수 있는 구리 시편(동판)을 압착하고 도전성 페이스트로 도포 후 디지털 멀티미터(Fluke-87-5)로 양단저항을 측정하여 이를 (1)과 같이 계산하였다.
대상 데이터
실험은 우선 실험변수에 따라 공시체를 제작하고 압축강도를 측정한 후 두 번째로 체적저항률을 측정하여 통상 저항열을 통하여 발열이 되는 체적저항률 기준인 100Ω· cm 이하(Si 수준)인 공시체를 선별하였다.
이에, 공시체 표면 열전도율은 분말 타입 CNT가 2.0wt% 이상 함유된 공시체만을 대상으로 측정하였다. 아울러, 본 실험에서는 측정오차를 감안하여 모든 실험은 상온 12。에서 동일한 시간동안 10회 이상 실시한 시험결과의 평균값을 각 조건의 대푯값으로 채택하였다.
이론/모형
본 연구에서 배합, 혼합물 제작, 압축강도실험은 KS L ISO 679「시멘트의 강도 시험방법」에 준하여 실험을 수행하였으며, 압축강도측정은 재령 28일에 수행하였다.
성능/효과
계산결과, Table 2에 제시한 바와 같이 랩 형태의 CNT가 혼입된 공시체는 특정한 패턴 없이 모두 도체의 기준으로 정한 100 Ω·cm 이하에 못 미쳐 부도체로 확인 되었다.
그러나, 3.0wt% 이상이 함유된 공시체의 경우 비중이 작고 체적이 큰 CNT의 특성상 작업성에 무리가 따르며, 2.8wt%에 비해서 변화율이 현격하지 않아 본 실험에서는 최적 배합비를 2.8wt%로 판단하였다.
7은 랩 형태 CNT의 첨가량 변화에 따른 재령 28일에 측정된 압축강도 특성을 보여주고 있다. 그림에 나타낸 바와 같이 CNT 첨가량이 증가할수록 플레인 (CNT 0wt%)에 비해 압축강도는 초기에 증가하다가 1.2wt% 이상 첨가 시 전반적으로 감소하는 특성을 나타내었다.
물론 상대적으로 분말형태의 CNT 보다는 강도발현 특성이 좀 더 우수한 것으로 판단되나, 전체적인 경향은 유사하게 나타났다. 또한 분말형태와 마찬가지로 CNT 첨가량 2%까지는 감소폭이 크지 않으며, 약 30MPa 이 상 정도의 강도를 나타내고 있으나, 4.1%를 첨가한 경우 약 17MPa 정도를 나타내어 플레인(CNT 0wt%)에 비해 49% 정도 압축강도가 감소되는 것으로 분석되었다.
또한, 실험결과의 객관성을 확보하기 위해서 추가로 최대값인 3.2wt% 공시체를 인위적으로 영하온도조건 (-7℃)을 만들어 실험을 실시하였으며, 실험 시 열전도 측정장치가 지닌 최대전력(100Watt)을 통전했을 때 분당 15.8℃ 가량 상승하는 효과를 확인할 수 있었다.
마지막으로, 본 연구와 유사한 방식으로는 다량의 흑연을 시멘트에 혼합하여 도전성 복합물을 제조하고 복합물 내부에 전열선을 배치하여 저항열로 융설하는 방법이 있으나 본 방식은 많은 전력량이 소모되고 모듈단위로 제작되어 현장 시공상에 어려움이 있으며, 흑연이 물을 흡수하는 성질이 있어 밀실하게 배합하기 어렵고 이로 인해 강도저하가 발생하여 마이크로 실리카 (Micro-Silica), 카올린(Kaolin) 등 혼합재료를 넣고, 가압성형을 하는 등 작업공정이 매우 까다로워 질 수가 있다.
물론 상대적으로 분말형태의 CNT 보다는 강도발현 특성이 좀 더 우수한 것으로 판단되나, 전체적인 경향은 유사하게 나타났다. 또한 분말형태와 마찬가지로 CNT 첨가량 2%까지는 감소폭이 크지 않으며, 약 30MPa 이 상 정도의 강도를 나타내고 있으나, 4.
첫째, 본 연구에서는 도로 융설체의 기저재료로서 CNT를 검토하고 CNT-Cement 복합체를 이용하여 다양한 실험을 실시하였다. 실험결과는 선행연구에서 제시한 발열체로서 기존 성능 즉, 구리 등과 같은 열 전달 매체를 도로에 포설한 경우(융점 도달시간 -5℃~0℃시 30분 소요)와 비교했을 때 우수한 성능을 지니는 것으로 나타났다. 이는 CNT의 특별한 물성과 모재인 시멘트 페이스트에 CNT 네트워크가 잘 이루어졌기 때문인 것으로 사료된다.
앞서 공시체 체적저항률 측정결과에서 살펴본 바와 같이 CNT를 통하여 저항열을 이용한 발열체로 활용하고자 하는 경우 분말형태 CNT가 시멘트 페이스트 중량 대비 2.0wt% 이상 혼입되어야 도체로서의 기능을 부여할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이는 공시체에 흐르는 전류의 량이 10Watt가 최대값 임을 의미하며, 관측결과에서 특이한 점은 CNT함량 2.8wt%부터 10Watt 이상 전기를 통과 시킬 수 있어 관측결과만으로는 CNT함량 2.8wt%가 실험에서 찾고자 하는 최적 배합비에 근접한 수치임을 확인할 수 있었다.
2 wt% 이상이 되면 플레인(CNT 0wt%) 상태의 공시체에 비해 강도가 저하되는 특성을 나타내었다. 특히, CNT 첨가량 2.0wt%까지는 감소폭이 크지 않으며, 약 30MPa 이상 정도의 강도를 나타내고 있으나, 3.2wt% 첨가한 경우 약 20MPa 정도를 나타내어 플레인(CNT 0wt%) 상태의 공시체에 비해 38% 정도 감소하는 것으로 분석되었다. 첨가되는 CNT의 중량은 작지만, 비중 또한 작아서, CNT를 3.
후속연구
둘째, 이를 위해서는 다양한 연구가 추가로 수반되어야 한다. 비근한 예로 CNT를 실제 건설현장에 도입하기 위해서는 물리적 특성시험(휨/압축/인장강도)은 물론 지금의 연구처럼 단순히 CNT만을 혼입할 것이 아니라 CNT가 비중이 작고 서로 엉겨붙어 응집되는 성질을 제거할 수 있는 감수제나 혼화제에 대한 검토 역시 필요하다.
비록 향후 많은 연구만을 남겨놓았지만 본 연구를 기점으로 나노기술을 이용한 다양한 연구가 수반된다면, ‘융합’이라는 새로운 트랜드에 지체없이 착근할 수 있는 전기 마련이 가능할 것이라 생각함은 물론 이러한 견지에서 우리나라의 강점인 IT기술과 다시 나노/건설기 술을 융합할 수 있는 기술개발과 각고의 노력이 수반된 다면 새로운 도로/교통/건설 생태계를 만들어나갈 수있는 계기 마련이 가능할 것이다.
비근한 예로 CNT를 실제 건설현장에 도입하기 위해서는 물리적 특성시험(휨/압축/인장강도)은 물론 지금의 연구처럼 단순히 CNT만을 혼입할 것이 아니라 CNT가 비중이 작고 서로 엉겨붙어 응집되는 성질을 제거할 수 있는 감수제나 혼화제에 대한 검토 역시 필요하다. 아울러, 소재자체가 나노단위이다 보니 추가연구로써 기존 콘크리트 구조물 조직의 공극을 메울 수 있는 고기능 건설재료로서의 역할 역시 기대해볼만 하다. 하지만, CNT를 개방계인 현장에서 기저재료로 이용하기 위해서는 결국 풍속, 염습 등 여러 가지 환경적인 제약 조건에 관해서도 지속적이고 다양한 실험이 필수적으로 수반되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNT는 무엇인가?
CNT는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터 크기의 미세 분자이다. 탄소 원자가 3개씩 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소 평면이 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이 다.
CNT가 차세대 반도체 물질로 각광받는 이유는 무엇인가?
속이 비어있어 가볍고, 현존하는 물질 중 전기전도 도, 열전도도가 가장 뛰어난 물질로 알려져 있다. CNT 는 튜브의 지름에 따라 도체와 반도체를 오가는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로 각광을 받고 있으며, 이러한 성질을 이용하여 반도체 메모리소자, 수소저장 및 수소전지전극 등으로 이용할 수 있는 것으로 알려져 있다(시사용어사전, 2005).
염화물을 살포하는 화학적 도로제설기법의 단점은 무엇인가?
첫째, 화학적인 방법의 경우 노면결빙 센싱 기술을 이용하여 염화물을 자동 살포하는 방식과 인력이 직접 투입되어 염화물을 살포하는 방식이 있으나, 상기 방식은 짧은 시간에 효과적으로 융설을 유도할 수 있는 반면 두방식 모두 염화물 발열반응에 의해 노면을 융설하므로 노면융설 후에 염화물이 그대로 잔존하고 있어 환경적인 측면의 단점과 자동차에 악영향을 미치는 것으로 보고된바 있다(뉴시스, 2012).
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