R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C152028-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 탄산화 유도를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 폐유리 혼입 콘크리트 개발 및 시제품 제작 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 장일영 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 200,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 360,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 360,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 금오공과대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B552989-000368-01 | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 유기 발광 다이오드 (Organic Light-Emitting Diode; OLED) 폐유리의 재활용 - 산업통상자원부가 선정한 13대 주력품목 중 하나인 디스플레이는 전후방 연관효과가 기대되는 기술력 기반의 장치산업으로, 특히 차세대 디스플레이 (OLED 및 MLED)는 12대 신성장 동력 산업에 포함되어 미래 먹거리로 주목받고 있음. - 하지만, 해당 산업부산물인 폐유리의 재활용 및 유효활용은 개인？기업이 아닌 정부차원에서 해결해야 할 문제로 파리에서 개최된 제21차 유엔기후변화협약 (COP21)에 따라 2030년 온실가스 배출전망치 (Business As Usual; BAU) 대비 약 2억 1,900만 톤의 CO2 감축이 필요한 실정임. - 한편, 2013년 기준 국내 전체 폐유리 발생량은 약 65만 톤으로 이 중 75.6%만 재활용 되는 실정이며, 재활용 기술은 대부분 유리병에 의존하고 있어 다양한 종류의 폐유리 재활용 기술 확보가 필요함. - 또한, 최근 OLED 디스플레이 산업이 발전함에 따라 OLED 폐유리의 발생량이 증가하는 추세이며 현재 전량 폐기 (매립 또는 소각) 과정에서 다량의 CO2가 발생할 것으로 예상됨. - 따라서, 국내에서 발생된 OLED 폐유리의 재활용 기술 개발을 통해 폐기량을 줄임으로써 CO2 발생량을 감소시킬 것으로 기대됨. ○ 건설 산업에서의 CO2 저감 필요성 대두 - 국내 전체 CO2 발생량에서 건설 분야는 38%를 차지하고 있으며, 이 중 시멘트 산업에서 연간 약 4,460만 톤의 CO2를 배출하고 있어 이를 해결하기 위한 건설재료 및 활용 기술 개발이 시급한 실정임. - CO2 저감 기술은 공공성이 큰 기반기술로서 정부 주도로 기술개발을 수행하여 민간으로 기술 전파가 필요하며 친환경 건설 소재·재료 시장은 전 세계적으로 크게 증가하고 있어 해외시장에서 기술 선점을 위한 집중적인 기술 개발 투자가 필요함. - 건설 산업에서 중요한 재료인 시멘트 산업에서 CO2 배출량의 7%(연간 약 4,460만 톤 배출)를 차지할 정도임 따라서 건설 분야에서 CO2를 획기적으로 줄이기 위해서는 혁신적인 CO2 저감 건설소재 및 시공 개발이 시급한 상황임. - 시멘트 생산과정에서 시멘트 1,000 kg 당 평균 830 kg의 CO2가 발생하며 이 중 약 67% 가량이 석회석의 탈탄산화 공정에서 배출되지만, 이러한 시멘트는 건설 산업의 핵심 소재이므로 이외 과정에서의 CO2 저감 대책이 필요함. ○ 콘크리트 탄산화를 통한 CO2 흡수 - 콘크리트는 공용 기간 중 필연적으로 CO2와 반응하는 탄산화 과정을 통해 탄산칼슘 (CaCO3)을 생성하는데, 이로 인해 대기 중의 CO2 저감효과를 나타냄. - CO2 흡수 시멘트 개발 및 활용 기술에 대한 국내연구는 아직 시작단계이기 때문에 국내 업체의 보유기술이나, 구체적인 연구 결과가 없음. - 콘크리트 구조물의 공용기간이 길거나 대기에 면한 콘크리트 표면적이 증가할수록 사용에 따른 이산화탄소 배출량 대비 흡수량을 증가시킬 수 있으며 그 양은 80년 사용시 약 5.18%로 평가됨. - 콘크리트 사용에 따른 이산화탄소 배출량 대비 흡수량의 개선을 위해 콘크리트 배합에 사용되는 시멘트를 대신하여 이산화탄소와 반응성이 높은 고로슬래그나 플라이애쉬와 같은 혼화재를 치환한 연구결과가 보고됨. - 국내 연구에 따르면, 콘크리트 구조물의 공용 기간 및 노출된 콘크리트 표면적은 CO2 흡수량과 비례적인 관계를 가지며, 그 양은 콘크리트 내 수화물 조성에 따라 상이하므로 클링커 조성을 달리하여 CO2 흡수 능력을 조절할 수 있을 것으로 예상됨. [최종목표] ○ 최종 목표 : 탄산화 유도를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 혼입 시멘트 콘크리트 개발 및 시제품 제작 1. 탄산화를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 혼입 시멘트 개발 - 콘크리트 내 탄산화 반응으로 인한 대기 중 CO2 흡수현상을 활용하여 저감효과를 도모함. 이 때, OLED를 혼화재로 사용함으로써 탄산화 반응이 가능한 C-S-H 겔의 형성을 증가시켜 CO2 흡수 능력을 극대화함. 2. CO2 저감형 OLED 혼입 콘크리트 최적 배합설계 도출 - OLED 혼입 콘크리트의 탄산화로 인한 CO2 흡수 능력은 상향됨과 동시에 물성의 변화는 최소화시킬 수 있는 최적의 배합설계를 산정함. 3. OLED 혼입 프리캐스트 콘크리트 시제품 제작 - 실험실 규모의 연구에서 벗어나 실제 환경에서 도출된 배합설계에 따라 프리캐스트 콘크리트 시제품을 제작하여 CO2 흡수 능력과 관련한 성능평가의 기회를 마련함. [연구내용 및 범위] ○ 탄산화를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 혼입 시멘트 개발 1. OLED 분말의 물리화학적 특성 평가 - OLED 혼입 시멘트의 수화 영향인자로써 OLED 분말의 화학 조성, 입자형태, 밀도, 비표면적 등을 사전 평가함. - 특히, OLED 분말의 화학 조성은 폐유리 계열 미분말과 마찬가지로 높은 SiO2 함량으로 인해 시멘트 수화에서 다량의 C-S-H 겔 형성이 예상됨. - 이러한 C-S-H 겔의 형성은 고강도, 고내구성 콘크리트 제작을 가능케하며, 더 나아가 탄산칼슘 (CaCO3) 형성에 큰 역할을 할 것으로 기대됨. 2. 탄산화 조건 산정 및 수화물 조성에 따른 탄산화 영향성 정량 분석 - 실제 환경을 모사한 탄산화 촉진 시험 변수 설정을 통해 OLED 혼입 시멘트 페이스트의 탄산화 깊이, 속도 및 이로 인한 CaCO3 생성량을 정성/정량 분석함. - 또한, 기존 측정 방법의 한계를 극복하기 위해 X선 분석 및 열중량 분석을 적용하여 탄산화 전/후 수화물 조성의 대조분석 (Cross-check)을 통해 분석 결과의 신뢰도를 제고함. 3. 탄산화를 통한 OLED 혼입 시멘트 페이스트의 CO2 흡수량 산정 - 대기 중 CO2와 반응 전/후 화학반응식 내 질량보존의 법칙을 근거로 OLED 치환율에 따른 CO2 흡수량을 계산함. - 이 때, 기존의 보그식 (Bogue’s equation)에 의거 산화물 조성에 따른 클링커 함량 도출이 아닌 실제 리트벨트법 (Rietveld method)을 적용한 X선 분석을 통해 클링커 및 수화물 조성을 정량화하여 기존 CO2 흡수량 계산식의 한계를 극복함. ○ CO2 저감형 OLED 혼입 콘크리트 최적 배합설계 도출 및 시제품 제작 1. OLED 혼입 콘크리트의 배합설계 도출 및 이에 따른 기초물성 및 내구성 평가 - OLED 혼입에 따른 굳지 않은 콘크리트 (슬럼프 및 공기량) 시험을 통해 시공성이 확보된 콘크리트의 최적 배합설계를 도출함. - 또한, 제작된 콘크리트의 탄산화 전/후 기초 물성 변화를 평가하여 CO2 저감 효과와 함께 기초물성에 대한 검증을 실시함. - 뿐만 아니라 실제 탄산화가 발생 가능한 환경에서의 열화를 유발하는 유해이온의 침투 저항성에 대해 평가함. 2. OLED 혼입 콘크리트의 프리캐스트 시제품 제작 및 성능 평가 - 도출된 배합설계에 따라 제작된 OLED 혼입 콘크리트의 프리캐스트 시제품을 일정기간 옥외 폭로 후 샘플을 채취하여 탄산화 깊이, 속도 등 실험실 분위기의 결과와 비교 분석함. - 또한, 시제품 제작 시 콘크리트 노출 면적을 늘리는 등의 표면 처리를 통해 탄산화를 극대화하여 CO2 흡수 효율을 제고함. 3. 콘크리트 구조물 전생애주기 관점에서의 CO2 저감 효과 및 이에 따른 경제성 분석 - 이산화탄소 배출권 거래제 (Cap & Trade)에 근거하여 콘크리트 생산부터 해체까지의 CO2 생산/흡수？제거되는 양을 산정 후 이에 따른 경제성 분석을 실시함. - 이 때, 본 연구에서 도출된 결과 이외에 필요한 정보는 기존의 국？내외 관련 문헌 조사를 통해 해당 데이터베이스를 구축함. - 또한, 콘크리트 탄산화를 통한 CO2 제거 이외 개발된 기술과의 비교 분석을 실시함. |
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| 색인어 | 한글 | CO2 저감 | 탄산화 | OLED 폐유리 | 콘크리트 | 건설재료 |
| 영문 | CO2 reduction | Carbonation | Recycled OLED glass | Concrete | Construction material | |
| 최종보고서 | 2. 최종보고서(03.03).pdf | |||||