[논문]THz 전자기파를 이용한 나노시멘트 광학물성 측정

김헌영; 강동훈; 오승재; 주철민

doi:10.7779/jksnt.2016.36.5.363

THz 전자기파를 이용한 나노시멘트 광학물성 측정
Measurement of Optical Properties of Nano-Cement Using THz Electromagnetic Waves 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.5, 2016년, pp.363 - 369

김헌영 (한국철도기술연구원 첨단소재연구팀) , 강동훈 (한국철도기술연구원 첨단소재연구팀) , 오승재 (연의-생공연 메디컬융합 연구소) , 주철민 (연세대학교 기계공학과)

초록
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탄소나노튜브와 그래핀 등으로 대표되는 탄소 동소체기반 나노재료의 우수한 기계적 특성을 이용해 콘크리트의 압축강도를 증가시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로, 나노재료 적용을 통한 강도 향상을 위해서는 콘크리트 내 나노재료의 분산성이 높아야 하며, 이를 검증하기 위해 외부에서 비파괴적으로 확인할 수 있는 검사 기술이 요구된다. 본 연구에서는, 적외선의 직진성과 마이크로파의 투과성을 동시에 갖고 있는 THz 전자기파를 이용하여 MWCNT 및 GO가 포함된 두 종류의 나노시멘트 모르타르 시편을 제작하여 굴절률 및 흡수율과 같은 기초 광학물성 측정 시험을 수행하였다. 시험을 통해 일반 시멘트 모르타르에 비해 나노재료가 포함된 시편에서 굴절률은 평균 1.0~2.5%, 흡수율은 평균 -14~28% 차이로 측정됨을 확인하였다. 이를 통해, 비파괴적으로 콘크리트 내부에 포함된 나노재료의 분포도를 영상화할 수 있는 기술의 실현 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Enhancing mechanical strength of concrete has been fascinated using carbon-based nanomaterials such as CNT and graphene. The key to improving strength is a dispersion of nanomaterials. A novel method is required to investigate the dispersion inner concrete nondestructively. In this study, the optical optical properties such as refractive index and absorption coefficient are measured in nano-cement mortar specimens containing MWCNT and GO using THz electro-magnetic waves. From the results, the properties of nano-cement mortar are confirmed to be 1.0% to 2.5% higher in refractive index, and -14% to 28% higher in absorption coefficient than those of cement mortar at the average values. Using these characteristics, visualizing the dispersion of nano-concrete structures seems possible in future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 목표로 하고 있는 나노시멘트의 광학물성 측정에 앞서, 시험대상의 모재(base) 물질인 시멘트 모르타르를 대상으로 THz 전자기파의 투과특성 확인을 위한 예비 시험을 수행하였다. 본 시험은 시멘트 모르타르에 대한 THz 전자기파의 투과특성을 고려하여 대상 시편 최적두께와 입사파의 최적주파수를 찾는 것을 그 목적으로 한다.
본 연구에서는 MWCNT 및 GO 두 가지 나노재료가 포함된 시멘트 모르타르 시편에 대한 THz 전자기파 투과시험을 수행하였다. 시험을 통해 굴절률과 흡수율을 측정하였으며, 굴절율의 경우 일반 시멘트 모르타르에 비해 MWCNT 시편은 평균 약 0.
본 연구에서는 콘크리트 내 나노재료의 분산도 비파괴검사 기술 개발을 위해, 그 기초연구로서 나노재료가 포함된 시멘트 모르타르를 제작하고 나노재료 함유에 따른 기초 광학물성 변화를 측정하였다. 비파괴검사 방법으로는, 적외선의 직진성과 마이크로파의 투과성을 동시에 갖고 있어 최근 다양한 연구[16,17]가 진행 중인 테라헤르츠(THz) 전자기파를 이용한 비파괴검사 방법을 적용하였다.
이를 위해, MWCNT 및 산화그래핀(graphene-oxide, GO)이 포함된 나노시멘트 모르타르 시편을 제작하여 THz 전자기파를 이용한 굴절률 및 흡수율 측정 시험을 수행하였다. 이를 바탕으로, 본 연구에서 궁극적인 목표로 하고 있는 THz 전자기파를 이용한 콘크리트 내 나노재료 분포도 영상화 기술의 실현 가능성을 확인하였다.

제안 방법

THz 전자기파를 이용하여 시멘트 모르타르 시편의 광학물성 측정을 위해, 본 연구에서는 펨토초 레이저와 광전도 안테나 방식을 이용하여 THz 전자기파를 발생시키고, 광전도 표본 추출법(17)을 통해 광학 물성을 측정하였다. 광전도 표본 추출법은 극초단파 펄스 레이저(pulsed laser)의 빔을 선속분할기(beam splitter)를 통해 두 개로 분할한 후, 하나는 THz 전자기파 발생기로, 다른 하나는 전자기파 검출기로 투과시키는 방법이다.
시험에 사용된 두 가지 나노재료는 MWCNT와GO이며, 각각 디토테크놀로지(DT-CNTS-2DI)와 그래핀올(GAGO-001)의 상용 제품을 구입하여 사용하였다. 두 제품 모두 나노재료가 물에 잘 분산되어 있는 분산수용액(2.0wt%) 제품이며, 시멘트 모르타르 제작 시 나노재료의 배합비율 결정은 나노재료를 이용한 시멘트 모르타르의 강도향상과 관련되어 일반적으로 압축강도 향상효과가 높은 배합비율로 알려진 약 0.045wt%를 적용하였다. 이를 위해, 당초 2.
67ps의 시간 동안 500개의 데이터를 수집하였다. 또한, 공기를 통과할 때 발생 가능한 광경로의 측정오차를 최소화하기 위해 시편 주변을 진공상태로 유지하였다.
또한, 일반 모르타르 시편에 비해 나노재료가 포함된 두 가지 시편의 경우 모두 시간 영역에서 신호에 시간지연이 발생해 측정 대상에 대한 분별 가능성을 확인할 수 있다. 보다 구체적인 신호특성 변화의 확인을 위해, 주파수별 THz 전자기파에 대한 굴절률(refractive index) 및 흡수율(absorption coefficient)을 측정하였으며 Fig. 9, Fig. 10과 같다. 굴절률의 경우 3가지 시편 모두 전체적으로 2.
본 연구에서 목표로 하고 있는 나노시멘트의 광학물성 측정에 앞서, 시험대상의 모재(base) 물질인 시멘트 모르타르를 대상으로 THz 전자기파의 투과특성 확인을 위한 예비 시험을 수행하였다. 본 시험은 시멘트 모르타르에 대한 THz 전자기파의 투과특성을 고려하여 대상 시편 최적두께와 입사파의 최적주파수를 찾는 것을 그 목적으로 한다.
1과 같은 아크릴 몰드(50 mm × 50 mm × thickness)를 통해 서로 다른 두께를 갖는 4가지(2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm) 종류의 시편을 제작하였다. 시편은 몰드에서 탈형 후 일반적인 수중양생(curing) 방법으로 28일간 양생하여 최종 완성하였다.
비파괴검사 방법으로는, 적외선의 직진성과 마이크로파의 투과성을 동시에 갖고 있어 최근 다양한 연구[16,17]가 진행 중인 테라헤르츠(THz) 전자기파를 이용한 비파괴검사 방법을 적용하였다. 이를 위해, MWCNT 및 산화그래핀(graphene-oxide, GO)이 포함된 나노시멘트 모르타르 시편을 제작하여 THz 전자기파를 이용한 굴절률 및 흡수율 측정 시험을 수행하였다. 이를 바탕으로, 본 연구에서 궁극적인 목표로 하고 있는 THz 전자기파를 이용한 콘크리트 내 나노재료 분포도 영상화 기술의 실현 가능성을 확인하였다.
5 THz) 이내의 영역임을 확인하였다. 이를 통해, 나노시멘트 모르타르의 광학 물성을 측정함에 있어 최적화된 시편 두께(2~4 mm)와 주파수(~0.5 THz) 영역을 도출하였다.

대상 데이터

나노재료가 포함된 나노시멘트 모르타르 시편의 THz 전자기파 투과 시험을 위해 두 가지 종류의 나노재료, 즉 CNT와 그래핀이 포함된 나노시멘트 모르타르 시편과 비교를 위한 일반 시멘트 모르타르 시편 등 총 3가지 종류의 시편을 제작하였다. 시편 제작은 예비 시험에서와 동일한 방법으로 제작하였다.
1% 미만으로 지수함수적(exponential)으로 감쇠가 발생하였다. 따라서, 신호의 판별이 가능한 2 mm, 4 mm 두께의 시편을 대상으로 광학물성 측정 시험을 진행하였다. 시험 결과, 주파수에 따른 굴절률 변화를 나타내는Fig.
본 시험을 위한 시편의 두께는 예비 시험에서 결정된 최적두께인 2~4 mm를 목표로 해당 두께의 시편 제작을 위해 3 mm의 두께를 갖는 새로운 몰드로 시험 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 포물면 거울(parabolic mirror)을지나 시편을 투과하는 THz 전자기파의 직경, 즉 검출 가능 영역이 20 mm로 제한되며, 66.67ps의 시간 동안 500개의 데이터를 수집하였다. 또한, 공기를 통과할 때 발생 가능한 광경로의 측정오차를 최소화하기 위해 시편 주변을 진공상태로 유지하였다.
시험에 사용된 두 가지 나노재료는 MWCNT와GO이며, 각각 디토테크놀로지(DT-CNTS-2DI)와 그래핀올(GAGO-001)의 상용 제품을 구입하여 사용하였다. 두 제품 모두 나노재료가 물에 잘 분산되어 있는 분산수용액(2.
우선, 시멘트 모르타르 시편 제작을 위해 Fig. 1과 같은 아크릴 몰드(50 mm × 50 mm × thickness)를 통해 서로 다른 두께를 갖는 4가지(2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm) 종류의 시편을 제작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 콘크리트 내 나노재료의 분산도 비파괴검사 기술 개발을 위해, 그 기초연구로서 나노재료가 포함된 시멘트 모르타르를 제작하고 나노재료 함유에 따른 기초 광학물성 변화를 측정하였다. 비파괴검사 방법으로는, 적외선의 직진성과 마이크로파의 투과성을 동시에 갖고 있어 최근 다양한 연구[16,17]가 진행 중인 테라헤르츠(THz) 전자기파를 이용한 비파괴검사 방법을 적용하였다. 이를 위해, MWCNT 및 산화그래핀(graphene-oxide, GO)이 포함된 나노시멘트 모르타르 시편을 제작하여 THz 전자기파를 이용한 굴절률 및 흡수율 측정 시험을 수행하였다.

성능/효과

74/cm(약 14%) 낮은 값을 보여 굴절률과 다른 경향을 나타냈다. 따라서, 흡수율의 차이는 작고 굴절률 차이는 큰 방향으로 최적화된 특정 주파수를 선택하여 비파괴검사를 수행할 경우 시멘트에 포함된 나노재료에 대한 분별이 가능함을 확인하였다. 또한, 향후 초점영역 조절 및 x, y 방향의 이송장치 적용을 통해 본 연구에서 궁극적인 목표로 하고 있는 THz 전자기파를 이용한 콘크리트 내 나노재료 분포도 영상화 기술이 실현가능함을 확인하였다.
8에서와 같이 자유공간을 진행하는 THz 전자기파에 비해, 본 시험에 사용된 3가지 종류의 시편 모두 시편을 투과한 광 강도가약 5% 정도임을 확인할 수 있다. 또한, 일반 모르타르 시편에 비해 나노재료가 포함된 두 가지 시편의 경우 모두 시간 영역에서 신호에 시간지연이 발생해 측정 대상에 대한 분별 가능성을 확인할 수 있다. 보다 구체적인 신호특성 변화의 확인을 위해, 주파수별 THz 전자기파에 대한 굴절률(refractive index) 및 흡수율(absorption coefficient)을 측정하였으며 Fig.
따라서, 흡수율의 차이는 작고 굴절률 차이는 큰 방향으로 최적화된 특정 주파수를 선택하여 비파괴검사를 수행할 경우 시멘트에 포함된 나노재료에 대한 분별이 가능함을 확인하였다. 또한, 향후 초점영역 조절 및 x, y 방향의 이송장치 적용을 통해 본 연구에서 궁극적인 목표로 하고 있는 THz 전자기파를 이용한 콘크리트 내 나노재료 분포도 영상화 기술이 실현가능함을 확인하였다.
시험 결과 Fig. 8에서와 같이 자유공간을 진행하는 THz 전자기파에 비해, 본 시험에 사용된 3가지 종류의 시편 모두 시편을 투과한 광 강도가약 5% 정도임을 확인할 수 있다. 또한, 일반 모르타르 시편에 비해 나노재료가 포함된 두 가지 시편의 경우 모두 시간 영역에서 신호에 시간지연이 발생해 측정 대상에 대한 분별 가능성을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 MWCNT 및 GO 두 가지 나노재료가 포함된 시멘트 모르타르 시편에 대한 THz 전자기파 투과시험을 수행하였다. 시험을 통해 굴절률과 흡수율을 측정하였으며, 굴절율의 경우 일반 시멘트 모르타르에 비해 MWCNT 시편은 평균 약 0.05(약 2.5%), GO 시편은 평균 약 0.02(약 1.0%) 각각 높은 값을 나타냈고 GO보다 MWCNT가 더 큰 값을 가져 상호 구분이 가능하였다. 한편, 흡수율의 경우 일반 모르타르 시편대비 MWCNT 시편은 평균 약 3.
이상과 같은 결과는, 일반적으로 그래핀은 MWCNT보다 전도도가 높은 것으로 알려져 있지만, GO의 경우 친수성(hydrophilic)인 산소기의 영향으로 전도도가 낮아지는 이유와 두 재료가 갖는 구조적인 형상(MWCNT: 1D 선형, GO: 2D 평판) 차이에 의한 영향으로 판단된다.
즉, 해당 굴절률 차이를 통해 시멘트 모르타르에 나노재료의 포함여부 및 그 종류를 구분해낼 수 있게 된다. 정량적으로 살펴보면, 0.5 THz 이하 주파수 영역에서 일반시멘트 모르타르에 비해 MWCNT 시편은 평균 약 0.05(약 2.5%), GO 시편은 평균 약 0.02(약1.0%) 각각 높은 값을 나타냈다. 한편, 흡수율의 경우 3가지 시편 모두 30/cm 이하의 값이 도출되었고, 주파수에 대해 비선형적인 굴절률과는 달리 다소 선형적인 상관관계를 보였다.
한편, 흡수율의 경우 3가지 시편 모두 30/cm 이하의 값이 도출되었고, 주파수에 대해 비선형적인 굴절률과는 달리 다소 선형적인 상관관계를 보였다. 정량적으로 살펴보면, 일반 시멘트 모르타르 시편에 비해 MWCNT 시편은 평균 약 3.51/cm(약 28%) 높은 값을 보인 반면, GO 시편은 평균 약 1.74/cm(약 14%) 낮은 값을 나타냈다.
그림에서와 같이 시편이 두꺼워짐에 따라 투과 신호의 세기가 급격히 감소하였다. 투과 신호의 감소량을 Fig. 4와 같이 정량적으로 확인해보면, 입사 신호강도, 즉 자유 공간을 투과하는 펄스의 강도에 비해 시멘트 모르타르 시편을 투과하는 펄스는 2 mm 두께에서 약 10%, 4 mm에서 약 1%, 8 mm에서는 약 0.1% 미만으로 지수함수적(exponential)으로 감쇠가 발생하였다. 따라서, 신호의 판별이 가능한 2 mm, 4 mm 두께의 시편을 대상으로 광학물성 측정 시험을 진행하였다.
0%) 각각 높은 값을 나타냈다. 한편, 흡수율의 경우 3가지 시편 모두 30/cm 이하의 값이 도출되었고, 주파수에 대해 비선형적인 굴절률과는 달리 다소 선형적인 상관관계를 보였다. 정량적으로 살펴보면, 일반 시멘트 모르타르 시편에 비해 MWCNT 시편은 평균 약 3.

후속연구

그 이유는, 나노재료의 분산성이 낮을 경우 오히려 구조물에 결함(defect)으로 작용되어 강도저하의 원인이 되는 것으로 보고[15]되고 있기 때문이다. 따라서, 향후 나노콘크리트의 상용화를 위해서는 콘크리트 내부에 포함된 나노재료의 분산성을 비파괴적으로 확인할 수 있는 기술이 필수적으로 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 구조물의 노후화에 따른 균열이나 부식 탐지를 위해 어떤 방법이 활용되는가?	한편, 일반적으로 시공 후 수 십년 이상을 사용하게 되는 콘크리트 구조물의 경우 노후화에 따라 발생 가능한 균열(crack)이나 부식(corrosion)등의 탐지를 위해 투수성(permeability) 검사, 초음파(ultrasonics) 검사 등의 방법이 주로 활용된다. 하지만, 최근 활발히 연구 중인 나노재료가 적용된 콘크리트 제품의 상용화를 위해서는 나노재료의 분산성(dispersity) 확보가 매우 중요하다.
	나노재료 적용을 통한 강도 향상을 위해선 무엇이 높아야 하는가?	탄소나노튜브와 그래핀 등으로 대표되는 탄소 동소체기반 나노재료의 우수한 기계적 특성을 이용해 콘크리트의 압축강도를 증가시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로, 나노재료 적용을 통한 강도 향상을 위해서는 콘크리트 내 나노재료의 분산성이 높아야 하며, 이를 검증하기 위해 외부에서 비파괴적으로 확인할 수 있는 검사 기술이 요구된다. 본 연구에서는, 적외선의 직진성과 마이크로파의 투과성을 동시에 갖고 있는 THz 전자기파를 이용하여 MWCNT 및 GO가 포함된 두 종류의 나노시멘트 모르타르 시편을 제작하여 굴절률 및 흡수율과 같은 기초 광학물성 측정 시험을 수행하였다.
	콘크리트의 강도향상을 위한 연구들의 결과로 무엇을 알 수 있었나?	5wt% 배합된 나노콘크리트와 일반 콘크리트의 압축강도 비교 연구[9], 다중벽 탄소나노튜브가 배합된 나노콘크리트의 양생 기간에 따른 압축강도 변화 분석 연구[10], 시멘트에 배합된 다중벽 탄소나노튜브가 압축강도에 미치는 영향 평가 연구[11] 등 주로 건설재료의 대표적인 콘크리트의 강도향상을 위한연구가 주를 이루고 있다. 해당 연구의 결과로부터, 실제 나노재료를 시멘트에 적용하여 나노시멘트화 할 경우 압축강도가 약 30% 이상 증가[12]하는 것으로 보고되고 있다. 뿐만 아니라, 최근에는 전자기파 차폐를 위한 연구로 탄소나노튜브 파우더의 철근 콘크리트 적용 연구[13], 산화그래핀의 포틀란드 시멘트 적용 연구[14] 등 나노재료를 이용한 건설재료의 기능화 연구도 점차 그 비중을 늘려가고 있어 향후 나노재료의 건설재료로의 실용화 기대감이 점차 높아지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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