균열을 자기 스스로 치유하는 신소재 개발

- 토목·건축 분야의 유지, 관리, 보수 기술에 새로운 장을 열어

한양대학교 부설 세라믹소재 연구소내 국제지속가능공학소재센터(International Sustainable Engineering Materials Center, ISEM Center)를 설립하였다.
ISEM은 일본 동경대학 생산기술연구소와 연구 및 기술협력(MOU)을 기반으로 설립되었고, 주된 연구테마는 ‘자기치유 소재(self-healing materials)” 개발로 무기계 나노 물질과 여러 화학 첨가제에 의한 화학반응을 이용하여 시멘트, 콘크리트의 균열을 자동으로 보수하는 신소재로서, 지하 토목, 건축 콘크리트 구조물이 누수환경하에서 물과 자동적으로 반응하여 균열부위에 무기계 결정을 생성시키는 기술로서 재료의 팽창성, 팽윤성, 결정성 등의 3가지 화학반응 메커니즘을 이용하여 균열 부위를 자동으로 수복시키는 새로운 보수 기술이다.
이러한 신기술 연구성과는 2014년 1월 일본 시멘트 신문사(그림1)의 기획・인사・기술・보수와 관련된 지면(4면)에 “자기치유 콘크리트 해외전개-서울과 동경에 회사설립-“이라는 제목으로 소개되었으며, 또한 4월에 재료과학 분야 전문 소개지인 뉴턴의”-세상을 바꾼다- 신소재, 신재료 100”(그림2)에 선정되어 일본, 한국 동시에 자기치유 소재와 관련되어 소개 되었다.
이러한 연구성과는 상용화를 이루기 위하여 ㈜세릭 (SERIC Co. Ltd. SERIC: Sustainable Engineering Research Innovative Consultant)과 함께 해외 실 구조물에 적용하는 성과도 보였다.
이러한 균열자기치유소재는 융합형 소재들로서 세라믹, 금속, 폴리머 등 소재 전분야 걸쳐 세계적으로 연구가 급속하게 진행되고 있는 추세이다. 기존재료와는 달리 내구성이 반영구적으로 향상되며, 구조체의 균열 진단, 유지, 보수관리, 환경정화 기능을 보유한 최첨단 스마트 소재이다. 또한 연구팀은 이러한 신소재 연구를 기초로 하여 지속가능 한 사회시스템 구축을 위해 각기 여러 분야(토목, 건축, 환경, 원전, 에너지, 바이오, 우주항공 등)와 국제적인 융합 연구를 추진하고 있으며, 새로운 “Damage Prevention”과 “Self-Healing” 개념을 도입한 신기술 개발을 진행하고 있어 최근 국내외적으로 많은 주목을 받고 있다.

[ 연 구 개 요 ]

1. 연구배경
철근・콘크리트 구조물의 내구성과 관련하여 균열 저감, 유지, 보수 등은 토목, 건축 분야에서 많은 관심을 가지는 분야이지만 아직까지 내구성을 획기적으로 증진시키는 기술이나 연구는 실용화 단계에 이르지 못하고 있는 실정이다.
그러나 최근 들어 미국, 유럽, 일본 등에서 고도 성장기에 제작된 콘크리트 구조물의 유지보수 비용이 나날이 증가함에 따라 콘크리트의 고유 특성인 균열을 저감시키거나, 자기치유 할 수 있는 스마트 구조물(smart structures & building), 특히 인텔리전트 콘크리트의 개념이 대두되면서 실제 건설 현장에서도 적용여부를 검토하기 시작하였으며 이러한 연구는 구미선진국을 중심으로 빠르게 진행되고 있다.
한국의 경우도 예외는 아니어서 고도 경제 성장기(1970년대)에 건설된 콘크리트 구조물들의 보수 보강이 필요한 시기에 도달하고 있다. 이에 정부는 국민의 안전을 확보하기 위해 정부 차원에서 제3차 시설물 안전 및 유지 관리 계획을 2013년부터 2017년까지 5년 단위로 수행하고 있으며, 현재는 3S (Safe, Sustainable, Smart)를 시설물에 적용하는 등 전체적인 시설 안전 구현을 추진하고 있다.

2. 연구내용
이에 연구팀은 기존의 시멘트, 콘크리트 수화과정을 정밀히 연구하여 시멘트, 콘크리트 자체의 내구성을 향상 시켜 줄 수 있는 균열자기치유 기술을 토목, 건축 분야에 도입, 균열 부위가 물과 반응하여 스스로 무기계 결정을 생성시켜 균열을 보수하는 신기술을 개발하였다(그림3). 일반적으로 철근 콘크리트 구조물에서 있어서 “물”은 균열부위를 통해 콘크리트 내부에 침입되면 중성화, 철근부식, 염해 등 각종 복합적인 열화를 촉진시키는 주요원인으로 콘크리트 구조물의 내구성을 저하시키는 큰 역할을 한다.
연구팀은 이러한 물의 결점을 반대로 센싱 역할 하는 것으로 활용하여 장래 발생할 수 있는 균열과 변상을 수복시킬 수 있는 “Self-Maintenance System”기술을 탄생시켰다. 일반적으로 낮은 물/시멘트 비(W/ C=0.25%)의 고강도 콘크리트의 경우, 미수화 시멘트 입자의 재수화(re-hydration)에 의한 균열 자기치유 특성이 일부 존재하고 있으나, 연구팀들이 사용한 신소재를 사용할 경우 이러한 재수화물에 의한 자기치유 효과뿐만이 아니라 재팽창(re-expansion)에 의하여 더 빠른 속도록 균열을 치유할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있었다.
또한 초기 비교적 충분한 수분 공급에 의해 미수화된 시멘트 입자가 적게 존재하는 일반 물/시멘트 비(W/C=0.45%)에서도 균열 부위에 충분히 시멘트계 결정질을 생성함으로써 자발적으로 균열을 치유 할 수 있는 새로운 자기치유 콘크리트를 개발하였다.
그림3은 개발된 균열 자기치유 콘크리트의 한 예로 미수화 시멘트 입자가 존재하는 낮은 물/시멘트 비가 아닌 시멘트 입자가 충분히 수화가 진행되어 미수화 입자의 균열자기치유 성능을 기대할 수 없는 일반 물/시멘트 비(W/C=50%)에서 균열 발생시 빠른 시간내에 콘크리트가 스스로 균열을 치유하는 예를 보여주고 있다.
이러한 콘크리트는 유속이 빠른 경우에는 더 빠른 치유 속도를 보이며, 실험적으로는 0.4mm의 균열도 누수를 차단하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 이러한 특수 콘크리트를 이용하는 경우에는 균열의 자기치유 현상에 의해 지하 터널 구조물 등의 누수로 인한 보수・보강 비용을 상당히 절감할 수 있으며, 상당한 자기방수 콘크리트(self -sealing concrete)의 기대 효과가 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 최근에는 기존 무기계 보수재료에도 이러한 자기치유 기능을 부여하여 보수 후 보수재료에서 재균열이 발생할 경우에도 자동적으로 균열을 수복하는 기술도 개발되었다.

3. 기대효과
최근 스마트 구조물의 본격적인 활용이 기대 되면서 균열 자기치유 기술에 관한 관심이 국내외적으로 증폭되고 있다.
특히 선진국에서는 기존 구조물의 유지관리 비용의 증가와 신규건설예산의 압박 등으로 유지보수비용을 절감하기 위해 기존의(design and construction: 구조물의 수명을 위해 시공사의 책임은 제한적 이었음)방식을(design, construction and maintenance: 시공사는 구조물의 수명에 대한 책임과 모니터링, 유지 및 보수에 관해서도 책임을 가짐) 방식으로 변경하려는 시도가 진행 중에 있다.
이러한 추세에 발맞추어 본 연구팀은 단지 연구에 그치는 자기치유 콘크리트나 보수재료 기술이 아닌 실용화가 가능한 연구를 집중적으로 해외 기관과 추진하고 있다.
또한 현재 공동연구 기관인 ㈜세릭과 함께 해외 일본 현장에 직접 시험 시공 등을 진행하면서 국내뿐만이 아니라 해외에도 진출하여 실용화에 박차를 가하고 있어 새로운 유지, 보수개념의 균열 자기치유 소재를 이용한 해외 시장 개척도 곧 가능할 것으로 전망된다.

<그림 1> 일본 시멘트 신문 (2014년 1월 27일자 4면 게재내용)

<그림 2> 과학전문 소개지인 뉴턴잡지 표지 및 내용 (2014년 4월 10일자 95면 게재내용)

<그림3> 균열자기치유 소재를 함유한 콘크리트가 누수 균열 하에서 균열을 자동으로 수복시키는 모습.
균열 폭 0.27mm, 0.15mm가 누수 후 33일 이내에 자동으로 수복 되는 것을 알 수 있다.
(a) 균열  (b) 누수 후 3일경과  (c) 누수 후 7일경과  (d) 누수 후 33일경과

<그림4>  ㈜ 세릭과의 공동연구를 통한 해외 실 현장 적용 사례(2014년)
(a) 일본 도쿄메트로 지하철 누수공사  (b) 일본 JR 동일본 철도공사 터널보수

안태호 박사
1994-1998 한양대학교 무기재료공학과 학사
1998-2000 한양대학교 무기재료공학과 석사
2000-2005 KG케미칼 연구개발센터 선임연구원
2005-2008 일본 동경대학 사회기반학과 박사
2008-2011 일본 동경대학 생산기술연구소 인간사회계부문 조교수
2011-2014 일본 동경대학 생산기술연구소 혁신건설소재공학 특임부교수
2013-현재 (주)세릭 대표이사
2014-현재 한양대학교 부설 세라믹소재연구소내 국제지속가능공학소재센터(ISEM Center), 센터소장

황인수 박사
1985-1991 단국대학교 재료공학과 학사
1991-1993 단국대학교 재료공학과 석사
1997-2001 단국대학교 재료공학과 박사
2001-2003 세라믹 기술원 위촉연구원
2008-2008 한양대학교 신소재공학과 연구교수
2013-현재  ㈜세릭 연구개발센터 연구소장