보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
이행기
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-02 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201300017966 |
과제고유번호 |
1345144162 |
DB 구축일자 |
2013-08-26
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키워드 |
탄소나노튜브(CNT),CNT 분산기술,초고강도경량화,전자파차폐 성능 증진,미세균열·미세공극 보강,NT 융합 건설재료기술,콘크리트 비파괴 검사,Piezoresistive 센서,미생물 활용 콘크리트 보수기술Carbon Nanotubes (CNT),CNT dispersion Technique,High strength,lightweight,EMI enhancement,microcrack retrofitting,NT fusion construction material,Concrete NDE testing,Piezoresitive sensor,Microorganism for conservatism
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초록
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연구의 목적 및 내용
최근의 건설구조물이 대형화, 고성능화 됨에 따라 건설재료의 초고강도화 및 경량화에 대한 필요성이 급증하고 있다. 한편 디지털 기기의 사용증대 및 무분별한 전자파의 사용으로 인하여 이를 차폐 및 흡수할 수 있는 건설소재에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 NT 융합 건설재료기술의 기반 연구로서, 기존 고강도경량화 기술과는 전혀 다른 개념인 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 활용한 콘크리트의 고성능화 기술을 통해 위와 같은 문제를 해결하고자 하였다. CNT의 우수한 인장강도와 변형
연구의 목적 및 내용
최근의 건설구조물이 대형화, 고성능화 됨에 따라 건설재료의 초고강도화 및 경량화에 대한 필요성이 급증하고 있다. 한편 디지털 기기의 사용증대 및 무분별한 전자파의 사용으로 인하여 이를 차폐 및 흡수할 수 있는 건설소재에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 NT 융합 건설재료기술의 기반 연구로서, 기존 고강도경량화 기술과는 전혀 다른 개념인 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 활용한 콘크리트의 고성능화 기술을 통해 위와 같은 문제를 해결하고자 하였다. CNT의 우수한 인장강도와 변형률, 초경량성 및 전기전도성 등의 특성을 이용하여 콘크리트의 고강도, 경량화 및 전자파 차폐성능 향상기술을 개발 하였으며, 다음과 같은 최종목표를 달성하였다.
▪ CNT 이용 압축강도 100MPa, 밀도 1900kg/m3 수준의 초고강도·경량 콘크리트 개발 및 내구 성능 검증
▪ CNT 이용 콘크리트의 전자파 차폐성능 향상기술 및 Piezoresistive sensing 기술 개발
▪ 콘크리트 비파괴 검사기술 및 미생물 활용 보수기술 개발
연구결과
본 연구에서는 기존에 각각 수행해 왔던 콘크리트의 고강도화, 경량화, 전자파 차폐성능, CNT 분산·혼입 기술을 바탕으로, CNT를 활용한 기능성 초고강도 경량콘크리트를 개발하였다. 본 연구의 핵심연구내용 및 결과물은 다음과 같다.
▪ 시멘트 기반 매트릭스에서의 CNT 혼합기술
▪ CNT 지지를 위한 나노매트릭스의 개발 및 시멘트 매트릭스의 초고강도·경량화 기술
▪ CNT와 기타 전자파 차폐 재료를 이용한 복합적 전자파 차폐기법
▪ CNT 혼입 시멘트 복합재료의 Piezoresistivity 활용 sensing 기술
▪ 콘크리트 비파괴 검사기술 및 미생물 활용 콘크리트 보수기술
본 연구진이 국내에서 유일하게 보유한 CNT 시멘트 매트릭스 분산 기술을 고강도·경량콘크리트 기술에 접목하여 우수한 전자파 차폐성능을 갖는 기능성 초고강도·경량콘크리트의 개발 기술을 구축하였다. 이 과정에서 CNT의 혼입에 따른 시멘트 매트릭스의 강도 증진, 고내구화, 조직의 치밀화, 전자파 차폐 성능 향상, 매트릭스 내 CNT 분산성 등을 종합적으로 고려한 최적의 배합비를 도출하였다. 또한, 개발된 CNT 혼입 콘크리트의 활용분야를 확대하기 위하여, CNT의 Piezoresistivity 특성을 이용한 Traffic sensor 개발에 대한 기초기술을 구축하였고, 응용연구로 PZT 센서를 활용한 콘크리트 비파괴 검사기술과 Ureolytic 미생물 활용 콘크리트 보수기술을 새로이 구축하였다. 이러한 연구의 결과로 SCI급 저널논문 18편 (11편 개제 및 개제승인, 7편 심사중), 비SCI급 논문 2편 개제, 학술대회 논문 17편 (국외 14편, 국내 3편), 특허출원 10건 등의 업적을 달성하였으며 박사 2명, 석사 8명, 전문연구원 3명을 배출하였다.
연구결과의 활용계획
● 초고강도 및 경량 건설재료를 포함하는 고성능 콘크리트 시장이 꾸준히 성장하고 있는 측면을 고려할 때[14], CNT를 활용한 신개념의 초고강도경량 콘크리트의 경제적 파급효과는 막대할 것이며, CNT를 활용한 콘크리트의 고강도화, 경량화 및 전자파 차폐성능 등의 부여는 고성능 건축물의 보급화에 크게 기여할 것임
● 고성능 콘크리트에 대한 시장의 수요증가가 예상됨에 따라, CNT를 활용한 다기능성 콘크리트가 가져올 경제적 파급효과는 막대할 것이며, CNT를 활용한 콘크리트의 고강도화·경량화 및 전자파 차폐성능의 부여는 건축물의 고성능화·고급화에 기여할 것임
● 2020년까지 국내외 대형 건설업체들이 서울, 인천, 부산 등에 건설을 추진 중인 초고층 빌딩이 10여 개에 이르고, 남해안을 따라 20여 개의 대형 교량을 계획하는 등[14,15] 고성능 콘크리트를 필요로 하는 프로젝트가 국내에서 활발히 진행되고 있으므로, 본 기술 적용 시 국내 건설경쟁력 향상에 크게 기여할 것임. 이에 건설회사 및 건자재 생산업체와의 기술이전을 추진 중임
● 세계적으로 전자파에 대한 법적 규제가 강화됨에 따라 전자파 장해대책(EMI) 관련 건설재료의 수요는 크게 증가할 것으로 예상되며, 전자파 차폐 재료의 세계 시장규모를 2,800~3,000억으로 추정[13]할 때 CNT를 활용한 전자파 차폐 재료의 시장 잠재성은 매우 크다고 판단됨
● 최근 문제가 되고 있는 북한의 EMP (Electromagnetic pulse)탄 (모든 전자기기를 무력화하는 전자파 펄스발생 폭탄) 공격을 막을 수 있는 차폐 방호구조물에의 적용을 국방부와 협의 중임
Abstract
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Purpose&contents
As the modern building and civil structures size increases with the usage of digital equipments, the need for high strength, lightweight construction material with electromagnetic wave shielding properties is gaining significant attention.This research aims at the development of
Purpose&contents
As the modern building and civil structures size increases with the usage of digital equipments, the need for high strength, lightweight construction material with electromagnetic wave shielding properties is gaining significant attention.This research aims at the development of the fundamental technology involving the use of Carbon nanotube (CNT) to solve the aforementioned issues. The aim of the project is as below.
▪ Development and performance evaluation of CNT added concrete with 100MPa compression strength, 1900kg/m3 density
▪ Development of CNT added concrete electromagnetic wave shielding performance enhancement and piezoresistive sensing technology
▪ Non-destructive evaluation and microorganism utilized conservatism technique development
Result
The multi-functional, high strength lightweight concrete with CNTs was developed by combining high-strength, lightweight, electromagnetic shielding, and CNT-dispersion technologies. Details of this research are as follows:
▪ CNT fusion technique for cement based matrix
▪ High strength-lightweight nano and cement matrix development for CNT support
▪ Fusion technology of CNT and electromagnetic wave shielding materials
▪ Piezoresistivty sensing technology with CNT utilized cement composite
▪ Non-destructive evaluation and microorganism utilized conservatism technique development
The CNT cement matrix dispersion technique with high strength, lightweight concrete technology was combined to create a electromagnetic shielding, ultra-high-strength, lightweight concrete. Research process involved strength performance of CNT cement matrix, durability testing,, densification, electromagnetic shielding performance enhancement and optimal CNT to matrix ratio. In addition, traffic sensor technology using the piezoresistivity of CNT along with application of PZT sensors for non-destructive monitoring and Ureolytic microorganism conservatism technology was researched. Total number of 18 SCI level (11 published or accepted, 7 under review) journal papers, 2 non sci level papers published, 17 conference papers(14 international, 3 domestic), and 10 patents were achieved with 2 Ph.D., 8 Masters, level students and 3 researchers
Expected Contribution
● When considering the fact that the high-strength, lightweight construction materials included high performance concrete market is constantly rising14]. CNT utilized high-strength, lightweight concrete will significantly contribute to the economical sides, and will spread to the possible acceptance of the material to be used as high-performance construction material
● As the demand for the high-performance concrete market rises, the CNT utilized multi-functional construction material will have a high impact on the market and also contribute to the advancement of future high performance concrete used buildings
● Until 2020, 10 high rise buildings and 20 large bridges are to be constructed in Korea[14,15] and the multi-functional construction material created in this project can contribute to the technology side.
● The law for electromagnetic shielding is becoming more restricted and it is expected to increase with the prediction of 280~300billion won[13], showing the potential for the EMI shielding market.
● Currently in discussion with Ministry of National Defense for the possible application of the developed technology for the recent issue of the EMP (Electromagnetic pulse) missile from North Korea.
목차 Contents
- 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 78
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 82
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 84
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 84
- 8. 참고문헌 ... 85
- 9. 연구성과 ... 90
- 10. 기타사항 ... 93
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