초록 ▼

□ 1차년도 : 쌀겨그래핀 합성/제조 및 쌀겨그래핀 모르터의 기본 물성/역학적 특성
쌀겨재의 양에 약 5배에 해당하는 수산화칼륨의 배합조건과 600℃의 소각온도에서 가장 높은 비표면적인 2,943m²/g을 갖는 쌀겨그래핀을 생산하였다. 이는 기존 Muramatsu 등(2014)의 연구결과(2,274m2/g) 보다 개선된 쌀겨그래핀을 합성하였다. 그래핀 함유량이 높아짐에 따라, 워커빌리티가 감소하는 현상을 확인하였고, 감수제 사용이 고려되었다. 탄소나노소재인 그래핀이 갖고 있는 소수성에 따라, 모르터 배합시

□ 1차년도 : 쌀겨그래핀 합성/제조 및 쌀겨그래핀 모르터의 기본 물성/역학적 특성
쌀겨재의 양에 약 5배에 해당하는 수산화칼륨의 배합조건과 600℃의 소각온도에서 가장 높은 비표면적인 2,943m²/g을 갖는 쌀겨그래핀을 생산하였다. 이는 기존 Muramatsu 등(2014)의 연구결과(2,274m2/g) 보다 개선된 쌀겨그래핀을 합성하였다. 그래핀 함유량이 높아짐에 따라, 워커빌리티가 감소하는 현상을 확인하였고, 감수제 사용이 고려되었다. 탄소나노소재인 그래핀이 갖고 있는 소수성에 따라, 모르터 배합시 발생하는 워커빌리티 감소가 따를 수 있기 때문에, 이들 소수성 정도를 굳지 않은 모르터의 플로우 치를 검사하여, 반죽질기 변화에 확인하였다. 동일한 초음파 분산방법(초음파 분산, 400W, Horn 프로브 사용) 및 화학첨가제(메틸셀룰로스, 실레인, 스노우파우더 등) 혼합을 기준으로 할 때, 그 분산성을 라만분광법을 이용하여 확인하였다. 2인치(5cm) 모르터 큐브시편 기준으로 최적 그래핀 혼입량을 결정하기 위해, 54개의 5cm 모르터 큐브를 각각 0~1.25wt%를 변화하여 그 혼입량에 따라, 대조군 종류(MWNT, COOH-MWNT, GNP M15, GNP C650)에 따라 압축강도의 변화를 추정한 결과, 1.0wt% 미만에서 최적혼입률이 나타나는 것으로 판단했다.

□ 2차년도 : 그래핀모르터 임베디드 센서 실험 및 멀티스케일 해석
구리전극이 매입된 시멘트 모르터 시편은 만능재하시험기에서 시편압축강도의 30%에 해당하는 하중인 50kN의 하중을 5회 반복하여 재하, 제하를 실시하였다. 혼입률을 각각 0~1.0wt%로 증가시켰을 때, 체적비저항의 변화를 측정하였고, 혼입률 증가에 따라 자연스럽게 전도도가 증가함을 알 수 있었다. 1차원 형상비와 2차원 형상비로 구분된 그룹의 결과는 카본나노튜브인 MWNT와 카본나노파이버인 CNF가 상대적으로 높은 전도도를 갖는 반면에 2차원 형상비를 갖는 GNP등은 낮은 전도도를 보였다. 그러나 쌀겨그래핀은 카본나노파이버와 동등한 수준의 전도도를 보이고 있다. 센서로서의 주요한 특성인 선형성은 민감성과 서로 연관되어 있으며, 모르터 내부의 공극률에 큰 영향을 받을 것으로 사료된다. 1차원 형상비를 갖는 MWNT의 전기전도도 수준에 도달할 수 없지만, 압축강도 면에서는 MWNT보다는 우수한 것으로 확인되었다. 따라서, 역학적 성능과 전기적 성능을 고루 갖춘 친환경 재료로서의 쌀겨그래핀은 대체 재료로서 우수하다고 사료된다. 쌀겨그래핀의 압축강도 증진 메카니즘을 해석적으로 확인하기 위해, 나노크기의 쌀겨그래핀과 메조크기의 모르터 간의 상호작용을 해석하였다.

□ 3차년도 : 그래핀 모르터의 열전도성능, 부착성능 및 동결융해 저항성능 검증
각주형 시편 중앙부에 가열봉과 온도센서를 매립하였고, 표면부와 외부대기온도에 대한 온도변화도 계측되었다. 순온도변화량인 중심부 온도와 실험실 온도간의 차이를 기본적으로 확인하였다. 열전도성은 다른 탄소재료인 CNF, GNP 등에 비해 우수한 편이며, MWNT 등과 대등한 수준으로 나타났다. 또한 혼입량에 따른 최적치는 0.75wt%로 나타났다. 이는 일반 모르터의 경우에 비해, 확연한 열전도성능 개선을 나타내었다. 이를 적외선 열화상 이미지로 heating, cooling 시간별로 확인하였다. 동결융해시편은 일반 모르터 큐브(5cm)와 그래핀 모르터 큐브를 각각 제작하여, 자체 제작한 in-house 동결융해실험을 –24~15oC를 매 4시간 동안의 간격으로 300 cycle의 동결융해 피로하중을 가한 후, 정적압축강도 시험결과를 가지고, 그 저항성능을 판단하였다. 300 cycle 후 압축강도는 혼입률 0.75wt%에서 최고 성능을 나타내었다. 신구 시멘트성 재료의 부착은 열전도성 모르터의 타설에 주요한 부분이며, 중앙부 경사진 절단면을 갖는 100×200mm 콘크리트 실린더에 10mm의 그래핀 모르터 thin overlay를 부착한 후, 압축강도 시험을 통해 부착강도를 측정한 결과, 0.75wt%에서 가장 높은 부착성능을 나타내었다. 이를 종합하면, 그래핀 모르터 0.75wt%는 압축강도, 부착강도, 전기전도도, 열전도도, 동결융해성능에서 고르게 최적혼입율을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 7