초록 ▼

최종목표
본 연구의 최종목표는 악취, 주변경관 훼손 등 남해안 환경오염 피해 의 원인이 되고 있는 굴 패각에 대해 주성분이 탄산칼슘(CaCO₃)라는 것을 고려하여 환경기술(ET)과 나노기술(NT)이 융합된 고기능성 나노고분자세라믹 코팅제의 조성물을 최적화하고, 금속소재를 대상으로 한 열용사 방식의 코팅기술과 콘크리트를 대상으로 한 스프레이방법에 의한 코팅기술을 개발하여 산업설비, 밸브류 및 상수도관, 배수지 등의 수도시설 등에 적용하여 이를 평가하고 상용화, 실용화를 구현하는데 있다. 따라서 1차년도 연구에

최종목표
본 연구의 최종목표는 악취, 주변경관 훼손 등 남해안 환경오염 피해 의 원인이 되고 있는 굴 패각에 대해 주성분이 탄산칼슘(CaCO₃)라는 것을 고려하여 환경기술(ET)과 나노기술(NT)이 융합된 고기능성 나노고분자세라믹 코팅제의 조성물을 최적화하고, 금속소재를 대상으로 한 열용사 방식의 코팅기술과 콘크리트를 대상으로 한 스프레이방법에 의한 코팅기술을 개발하여 산업설비, 밸브류 및 상수도관, 배수지 등의 수도시설 등에 적용하여 이를 평가하고 상용화, 실용화를 구현하는데 있다. 따라서 1차년도 연구에서는 고기능성 나노고분자세라믹 코팅제 조성물 최적화, 나노고분자세라믹 코팅제의 시제품에 대한 물성 평가, 시제품의 현장 적용 대상지 선정 등 나노고분자세라믹 코팅기술 개발을 중점적으로 연구하는데 있고 2차년도 연구에서는 개발된 코팅제를 현장에 적용하여 이를 평가하고 고기능성 나노고분자세라믹 코팅기술에 대한 신기술인증을 받아 실용화, 상용화 전략을 수립하는데 있다.

개발내용 및 결과
본 연구에서 개발한 고기능성 나노고분자세라믹 코팅기술은 굴 패각으로 인한 해양환경오염을 최소화할 수 있는 폐기물자원화기술로써 천연재료인 굴 패각에서 회수한 탄산칼슘(CaCO₃)과 폴리아크릴릭에스테르계 공중합체로 여러 기능을 발휘하는 모노머를 중합한 수용성 폴리머, 시멘트, 기타 무기 • 세라믹을 배합하여 스프레이방식과 열용사 방식을 이용하여 콘크리트 벽면 및 금속소재 표면을 코팅처리 할 수 있는 내구연한, 경제성, 친환경성, 안정성 등이 우수한 성능을 발휘하는 기술이다.
1) 굴 패각의 전처리기술 개발
► 굴 패각의 구성 성분분석 결과 탄산칼슘(CaCO₃)은 92.08% 가 함유되어 있으며 기타 4.75%의 무기물, 2.51%의 유기물 및 0.66%의 수분으로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
► 소성처리한 굴 패각은 탄산칼슘함량이 수세전 90.83%, 수세 후 91.85%, 수세→소성 후 92.08%로 점차적으로 증가였으며, 염소는 수세전 1.74%, 수세 후 1.50%, 소성처리 후 0.02%로 99%이상 제거된 것을 확인 할 수 있었다.
► 굴 패각의 전처리를 위한 최적의 소성가공 조건은 600℃로 120min간 처리하는 것이 굴 패각에 존재하는 탄산칼슘을 회수하는데 가장 경제적이며 효율적인 것으로 판단하였다.
2) 나노고분자세라믹 코팅제 개발
► 코팅제의 부착강도를 측정한 결과 180~250 N/cm²의 값을 나타내어 한국산업규격에 제시된 폴리머계 방수재료의 부착 강도인 80~150 N/cm²보다 큰 부착성능을 보였다. 또한, 열용사용 방식에 의해 코팅된 시편의 부착강도는 320~560 N/cm²로써 매우 높은 부착성능을 나타내었다.
► 콘크리트 시편과 열용사 시편의 내산성, 내알칼리성 실험결과 황산(0.05M) 및 수산화나트륨(0.1M) 용액에 3일간 침적 시킨 결과 표면의 들뜸현상, 잔갈림, 변색이 일어나지 않았다. 나노고분자세라믹 코팅제는 산/알카리에 대한 안정성이 우수한 것으로 나타났으며, 코팅시편에 대해 -20℃~115℃로 30분 간격으로 저온고온반복시험을 실시한 결과 들뜸현상 및 잔갈림 등이 없어 열적 변화에 매우 안정한 것으로 나타났다.
► 코팅제의 용출특성 평가 먹는물수질기준 시험에 적합판정을 받았으며, 2011년 5월부터 시행하는 위생안전기준시험 결과 적합판정을 받아 현장적용이 가능한 것으로 판단하였다.
3) 열용사 코팅기술 개발
► 열용사 장비는 스프레이 건, 분체통, 가스부(LPG), Air feeder system으로 구성하였으며 파우더의 입도에 대한 불균일성 문제로 분체통 내부에 일정량을 feeding할 수 있는 스크루 system을 적용하여 분체 일정량이 고루 분사되도록 고안하였다. 또한, 현장적용이 가능하도록 이동식의 compact한 구조로 설계하였다.
4) 코팅기술에 대한 현장 적용성 평가
► 평택시 유천정수장 여과지와 K-water 동두천수도서비스센터 배수지 바닥면에 적용된 코팅제는 부착강도가 최초 180 N/cm²의 값을 나타내었으며, 6개월 후 250 N/cm²) 값을 나타났으며, 코팅층의 육안검사 결과 들뜸현상 및 특이사항을 발견할 수 없었다.

개발기술의 특징·장점
1. 코팅기술의 특징
〇 본 기술은 수도시설에 사용되고 있는 에폭시 수지를 대체하고자 굴 패각 및 세라믹 원료를 사용한 세계최초의 환경친화적인 코팅기술 코팅기술이다.
〇 천연소재 및 세라믹 원료 사용으로 유해물질에 대한 용출이 없고, 수용성 코팅제로 습윤 상태에서도 내수성이 뛰어나 구조체 표면과의 부착력이 매우 우수하다.
〇 유해가스 배출이 없어 밀폐공간에서의 작업이 원활하며 작업자의 독성악취에 의한 피해가 없다. 또한, 시공이 간편하여 시공 시간 단축, 원료물질의 무상공급으로 기존 기술에 비해 경제적이다.
〇 통기성 및 콘크리트 구조체와 열팽창계수가 비슷하여 들뜸현상 발생이 적은 내구성이 우수하다.
2. 핵심기술
〇 본 기술은 천연의 굴 패각에서 회수한 탄산칼슘(CaCO₃)과 수 용성 폴리아크릴릭에스테르계 공중합체로 여러 기능을 발휘하는 모노머를 중합한 수용성 폴리머 및 시멘트, 기타 무기 • 세라믹 원료를 배합한 유 • 무기복합 코팅제로서, 기존 제품보다 내구성, 내수성, 작업성, 통기성, 무독성, 부착성, 환경친화성 등이 우수한 친환경적이고 경제적인 코팅기술 이다.
〇 고내수성 수성 아크릴 공중합체는 유기용제를 전혀 포함하고 있지 않는 100% 수성 바인더로 표면경도와 강도증진의 기능을 갖는 MMA(Methyl methacrylate)와 유연성과 탄성을 갖는 BA (Butyl acrylate) 그리고 시멘트 수화물과 친수성을 갖는 AA (Acrylic acid) 등으로 각각 구성된 공중합체를 사용한 수용성 코팅제이다.
〇 코팅시 수화생성물 (CSH, CAH, CH) 입자표면에 폴리머 입자의 화학적 결합으로 탄성막이 형성되는 이중접착 구조로서 콘크리트 구체 내부의 겔 공극과 모세간 공극에 칼슘염, 실리케이트이온, 기능성 모노머 침투로 바탕 콘크리트와 일체화된다.
〇 습윤상태에서 수경성 무기질 성분과 수성폴리머 모노머들이 지속적으로 용출되어 바탕 콘크리트와 결합반응이 이루어져 습윤상태 및 온도변화에 의한 콘크리트 수축, 팽창 시 들뜸현상이 발생되지 않아 장기적으로 내구성이 증진되어 기존 제품에 비해 경제성이 우수하다.
〇 또한, 기능성 모노머입자와 시멘트계 수화물 조직의 composite matrix형성으로 유해성분 용출을 억제하며 수성제품으로 시공이 용이하여 공사시간을 단축시킬 수 있고, 기존 제품과 다르게 용제를 사용하지 않기 때문에 밀폐공간 작업시 독성악취로 인한 작업자의 안전을 확보할 수 있다.
〇 기존 기술은 유기계 소재를 적용하여 모체와의 부착력은 높으나 통기성이 없어 계면의 들뜸현상이 심하고, 콘크리트와 열팽창계수가 약 2배 이상 차이가 발생되어 모체의 거동에 순응 하지 못하는 단점이 있지만, 본 기술은 물과 염소의 침투는 차단하면서 구체의 습기를 통과하는 코팅막을 형성시켜 들뜸 현상을 방지할 수 있어 부착강도가 우수하며 반영구적인 사용이 가능하다.

기대효과(기술적 및 경제적 효과)
1. 기술적 기대효과
〇 국내 남해안 일대를 중심을 발달한 굴양식 산업에서 발생되는 굴 패각은 해양환경오염원의 주범으로 약 53%가 처리곤란 문제로 민원 및 악취발생 등 심각한 해양환경오염 문제가 대두되고 있는 상황에서 이를 해결할 수 있는 본 기술은 버려지는 굴 패각을 활용하여 수도저장시설 및 산업설비 전반에 활용될 경우 버려지는 굴 패각 전체의 약 20%이상을 재활용할 수 있는 효과가 있을 것으로 기대되며 현대 대부분 유기계 코팅제를 사용하고 있는 시장에 기존 코팅제보다 2배이상의 내구연한 및 경제성 확보로 인한 새로운 응용기술이 크게 향상될 것으로 기대된다.
〇 2010년도 국내 수돗물 음용실태에 대한 환경부의 “먹는물 수질관리지침” 보고자료에 따르면 우리나라 수돗물에 대한 음용률은 1.4%로서 막연한 불안감에 의한 심리적 요인이 전체 40%이상을 차지할 만큼 수돗물이 식수로서 부적합하다는 의견이 전체의 63.6%로 조사되어 정부차원에서 음용률 향상을 위한 노력 및 기술개발이 시급한 실정이며, 1995년 WTO의 설립으로 환경과 무역을 연계시키려는 무역협상이 시작된 이래 최근 미래의 무역수지에 영향을 미칠 국제 환경규제는 점점 강화되고 있는 추세에서 본 기술은 국제간의 높은 환경규제를 바탕으로 한 선진국의 보호무역 장벽을 극복하고 수도설비 및 산업설비 전반에 대한 친환경성 및 고급화 브랜드 전략, 원가 경쟁력 향상을 통한 수출 확대에 크게 기여할 뿐만아니라 수돗물 음용률 향상에 대한 정부의 노력에 이바지할 것으로 기대된다.
〇 저탄소 녹색성장이라는 국가환경산업정책의 비전을 목표로 다양한 분야에서 기술개발을 하고 있는 요즈음 친환경소재인 굴 패각을 이용한 본 코팅기술 개발은 수도저장시설 뿐만아니라 토목구조물 및 건축구조 등 산업전반에 응용이 크게 기대된다.
2. 경제적 효과
〇 국내 수도저장시설의 코팅제는 대부분 에폭시수지를 사용하고 있어 그 시장 규모는 10만톤/년 수준에 있으며, 이중 약 35%을 중국, 일본, 미국등지에서 수입하고 있는 상황이다. 본 기술은 버려지는 굴 패각을 재활용한 측면에서 기존제품이 3,500 천원대에서 사용되고 있으나 개발 코팅제는 2,500천원대로 사용이 가능하여 약 10%이상 비용절감 효과를 얻을 수 있어 수입대체 효과가 클 것으로 기대된다.
〇 또한, 최근 정부에서는 ‘위생안전기준’ (06.09 제정, 09.6 시행), ‘위생안전기준 인증제도’ (10.05 제정, ‘11.05 시행)를 시행하여 수도용 자재를 대상으로 44종 유해물질과 용출(落出)허용기준을 설정하여 수도용 자재에서 용출되는 유해물질로 인한 수돗물 2차 오염방지와 국민들에게 안전한 수돗물 공급을 위한 정부정책이 추진되어 수도법 제14조제5항 규정에 의해 인증을 받지 아니한 수도용 자재는 제조•수입•공급•판매하거나 사용하지 못하도록 규정되어 본 신청제품은 위생안전기준시험에 준한 친환경제품으로 기존 시장 전체를 주도해 나갈 수 있을 것으로 기대된다.
〇 본 시장의 세계 시장은 약 900억달러로 추산되며 본 기술의 친환경성, 고급화 브랜드 전략 및 원가 경쟁력 향상을 통한 수출 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 물산업 뿐만 아니라 토목구조물, 건축구조 등 산업전반에 활용이 가능할 것으로 전망된다.

적용분야
〇 수도시설, 토목구조물, 건축구조, 철강산업 등 산업전반

(출처 : 보고서 초록 4p)

Abstract ▼

IV. Results of R&D
○ Development of pre-treatment technology for oyster shell
► Physicochemical characteristic analysis about oyster shell
- Calcium carbonate (CaCO₃) was contained 92.08% in oyster shell. In other words, 40.23% of a whole oyster shell was carbon dioxide. Contents

IV. Results of R&D
○ Development of pre-treatment technology for oyster shell
► Physicochemical characteristic analysis about oyster shell
- Calcium carbonate (CaCO₃) was contained 92.08% in oyster shell. In other words, 40.23% of a whole oyster shell was carbon dioxide. Contents of pure organic and water were 2.51% and 0.66% respectively.
Therefore, constituents of oyster shell were identified as calcium carbonate of 92.08%, inorganic matter of 4.75%, organic matter of 2.51%, and water of 0.66%.
- Characteristic of oyster shell processed as sintering method showed Pore Volume of 0.25 (cm³/g), Average Pore Diameter of 3.44(Å) and surface area of 329(m²/g), therefore it is very stable to against with external thermal shock.
► Characteristic of oyster shell processed as sintering method
- Contents of calcium carbonate were changed 90.83%→91.85% after rinsing. Rinsing effects showed that calcium carbonate content increased. gradually. Cl was removed 1.74%→1.50% after rinsing.
- XRD results show that depended on sintering temperature and oyster shell processed at 25 °C~750 °C. The crystal structures and crystal structure of calcium oxide can confirm over 800°C. According to the result, plastic work should process under 750°C
- In results from EDX data, calcium content depended on plastic work temperature and time showed gradually increase calcium content. However, the condition of over 600°C and more than 120 mins showed slight variation. Therefore, optimization of plastic working condition for pre-treatment of oyster shell was decided at the condition of 600 °C for 120 mins.

○ Development of nano sized polymer ceramic coating agent
► Examination of bond strength of coating agent in concrete and metal
- The result of bond strength showed 180-250 N/cm² which is more bigger than polymer waterproofing presented in Korean industrial Standard. Besides, bond strength of coated psalm indicated 320~560 N/cm² with more advanced performance.
► Examination of coating agent for corrosion resistance, heat resistance and durability test
- As a result of sedimentation method, concrete and thermal spray method psalm soaked in sulfuric acid didn't show excitation, crack, and discoloration. Nano polymer ceramics coating agent appeared that stability for acid/alkali is excellent conclusively.
- Temperature stability test was applied to coated psalm and the result indicated stable state without problems
► Dissolution test for coating agent
- Mixture of materials was applied to glass psalm and the pH range was 7.3 ~ 9.8, 3 days after width of change decreases and kept fixed level of pH 7.6 from point of time that 3 day is passed. Also, psalm coated by thermal spray method on metal surface was stable with the pH range 7.4 ~ 7.6.
- 58 items for drinking water were suitable without hazardous substance eruption

○ Development of coating technology by thermal spray
► Manufacturing thermal spray prototype
- Thermal spray equipment was composed of spray gun, fission sleeve, gas department (LPG), and air feeder system.
- Screw system that can feed powders unchangeably in to the powder barrel due to randomicity problem of powder size.
- Structured movably.

○ Analysis of impact factor for suitable coating and field application
► Property assesment of coating agent at water supply plant
- Coating agent which was applied at water plant located in P. city and D. city, showed 180 N/cm² of bond strength and changed to 250 N/cm² after 6 months
- There was no particular details by visual inspection
► Dissolution and bond strength test of coating agent
- The result of all items measured by dissolution test at reservior water showed below standard concentration
► Sanitary inspection standard test
- All values were below standard safety

○ Strategy establishment for utility and commercialization
► Acquisition of new technology certification
- Documents for new technology certification is on process.

(출처 : SUMMARY 18p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 4
• 요약문 ... 10
• SUMMARY ... 16
• CONTENTS ... 22
• 목차 ... 24
• 표목차 ... 26
• 그림목차 ... 28
• 제1장 서론 ... 30
• 제1절 연구개발의 중요성 및 필요성 ... 31
• 1. 연구개발의 중요성 ... 31
• 2. 연구개발의 필요성 ... 35
• 제2절 연구개발의 국내외 현황 ... 38
• 1. 굴 패각의 발생현황 및 특성 ... 38
• 2. 국내 굴 패각의 재활용 현황 ... 44
• 3. 굴 패각의 재활용 한계성 ... 45
• 4. 수도시설 코팅제의 원료로서 굴 패각의 활용 가능성 ... 47
• 5. 수도시설 재질 종류 및 특성 ... 47
• 6. 수도시설 코팅제 특성 및 종류 ... 53
• 7. 열용사 코팅기술 ... 63
• 제3절 연구개발 대상기술의 차별성 ... 77
• 제2장 연구개발의 목표 및 내용 ... 79
• 제1절 연구의 최종목표 ... 81
• 제2절 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ... 82
• 1. 1차년도 연구개발 목표 ... 82
• 2. 1차년도 연구내용 ... 82
• 3. 2차년도 연구개발 목표 ... 83
• 4. 2차년도 연구내용 ... 84
• 제3절 연도별 추진체계 ... 86
• 1. 연구개발 추진방법 ... 86
• 2. 연구개발 추진체계 ... 87
• 제3장 연구개발 결과 및 활용계획 ... 89
• 제1절 연구개발 결과 및 토의 ... 91
• 1. 수도시설 코팅제의 요구성능에 대한 고찰 ... 93
• 2. 굴 패각의 물리화학적 특성 조사 ... 106
• 3. 굴 패각의 소성가공 특성 ... 112
• 4. 고기능성 나노고분자세라믹 코팅제의 조성물 최적화 ... 115
• 5. 나노고분자세라믹 코팅제 시제품에 대한 물성 평가 ... 133
• 6. 나노고분자세라믹 코팅기술의 현장 적용성 평가 ... 155
• 7. 열용사 코팅기술 개발 ... 183
• 제2절 연구개발 결과 요약 ... 211
• 1. 굴 패각의 물리화학적 특성 분석결과 ... 211
• 2. 나노고분자세라믹 코팅제의 시험분석 결과 ... 212
• 3. 열용사 코팅장비 시제품 ... 214
• 4. 나노고분자세라믹 코팅기술의 현장 적용성 평가 ... 216
• 제3절 연도별 연구개발목표의 달성도 ... 218
• 제4절 연도별 연구성과(논문·특허 등) ... 219
• 1. 논문 및 학술세미나 발표 ... 219
• 2. 특허 ... 220
• 3. 보도 실적 ... 225
• 제5절 관련분야의 기술발전 기여도 ... 226
• 제6절 연구개발 결과의 활용계획 ... 228
• 1. 경제성 분석 ... 228
• 2. 연구개발 결과의 활용 분야 ... 232
• 3. 활용방안 및 향후 사업화 계획 ... 233
• 제4장 참고문헌 ... 237
• 부록 : 친환경 고분자 세라믹 복합 방수재 (CS-970) 표준 시방서 ... 243
• 끝페이지 ... 251