R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C098086-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 5W-50℃급 자기발열 성능을 갖춘 CNT-시멘트계 복합체를 이용한 바닥난방재 제조기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-11-25 ~ 2017-11-24 | |||||
| 연구책임자 | 이행기 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 187,000,000 원 기업 : 63,000,000 원 계 : 250,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 340,000,000 원 기업 : 115,000,000 원 계 : 455,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국과학기술원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
Nano Technology (NT)는 나노규모(10-9m)의 미시적 영역을 탐구하고 이를 제어하는 기술로서 재료의 물리화학적 특성을 비약적으로 개선하여 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안으로 여러 분야와의 융합연구가 활발히 이뤄지고 있다. 콘크리트는 Micrometer 스케일의 시멘트계 재료가 수화반응을 통하여 Nanometer에서 Milimeter 스케일의 공극을 형성하는 불균질한 다공질 재료로써, 그동안 강도와 내구성에 초점을 맞춘 연구개발이 주로 이루어져 왔다. 최근들어, 미국과 일본, EU 등의 선진국을 중심으로 고부가가치를 가진 소재로써 콘크리트를 활용하기 위하여 Nano Technology를 접목한 차세대 건설재료 개발에 많은 예산을 투자하고 있다. 일례로, 미국은 2000년 초부터 국가 나노기술개발 전략(NNI)의 일환으로 기능성 건설재료 연구에 투자하기 시작하였으며, EU는 공동 연구 협력체인 EU, FP를 중심으로 건설용 나노재료 분야에 체계적인 연구자금을 지원하고 있다. 그러나 우리 나라의 경우 해당분야의 기술개발과 전문가 양성을 위한 연구비 투자가 매우 미미한 실정이다. 현재 차세대 건설용 나노재료 시장의 규모는 2000억원으로 추산되며 그 성장률이 연평균 26%로서 에너지 산업용 나노재료 분야에 이어 두 번째로 가파른 상승률을 보이고 있음을 고려할 때, 관련분야에 대한 투자가 시급하다. 본 연구진이 제안하는 기술은 기존의 CNT 혼입 시멘트 복합체 연구와는 전혀 다른 새로운 개념의 연구로서, 국내최초로 CNT 입자의 분산성 및 연속성이 고도로 향상된 최적저항(50Ω 이하) 시멘트계 복합체를 이용한 5W-50℃급 자기발열체를 개발하고 이를 활용하여 기존 난방재 대비 최소 30% 에너지절약 효과를 가진 고효율 바닥난방재 제조 기술을 확보하는 것을 목표로 한다. [최종목표] 본 연구는 기존의 CNT 혼입 시멘트 복합체 연구와는 전혀 다른 새로운 개념의 연구로서, 연구진이 국내 최초로 확보하고 있는 CNT-시멘트 메트릭스 분산기술을 기반으로 세계최고성능의 CNT 입자의 분산성 및 연속성이 고도로 향상된 최적저항(50Ω 이하) 시멘트계 복합체를 이용한 5W-50℃급 자기발열체를 개발하고 이를 활용하여 기존 난방재 대비 최소 30% 에너지절약 효과를 가진 고효율 바닥난방재제조 기술을 확보하는 것을 목표로 한다. [연구내용 및 범위] 1차년도 1. 최적저항 CNT-시멘트계 복합체의 제조기법 개발(주관기관) ？ 선행연구 문헌조사를 통해 시멘트계 재료 내의 CNT 분산메커니즘 및 matrix control 기법을 이해하고 CNT의 분산 및 continuity 확보를 위한 핵심 변수 도출 ？ 문헌조사를 통한 전도성 시멘트계 복합체의 발열 메커니즘 분석 2. CNT-시멘트계 복합체의 최적저항 확보를 위한 최적 배합기법 개발(주관기관) ？ CNT의 최적 혼입량 도출(percolation threshold) ？ Particle packing effect를 이용한 CNT의 분산성 향상 기법: fly ash, silica fume, blast furnace slag를 이용한 CNT 분산 기법 연구 ？ CNT 입자간의 continuity 확보를 위한 matrix control 기법: 각 재료의 배합 및 w/c, 계면활성제를 이용한 matrix control 연구(MIP, FE-SEM 등을 이용한 porosity, morphology 연구) 3. CNT-시멘트계 복합체의 전기적 특성 연구 및 역학적 성능 평가(주관기관) ？ CNT-시멘트계 복합체의 수분, 온도 등 환경 변화에 의한 전기전도성 변화 검토 ？ CNT-시멘트계 복합체의 역학적 성능 검토(ASTM C 109) 4. 변수에 따른 CNT-시멘트계 복합체의 발열 성능 평가(주관기관, 공동기관) ？ 입력전압, CNT 혼입량 등에 따른 CNT-시멘트계 복합체의 발열성능 평가: 복합체 발열의 saturation time 등 분석 5. 자기 발열용 CNT-시멘트계 복합체의 성능향상 및 내구성 증진 기법(주관기관) ？ nylon, glass fiber 등을 활용한 복합체 보강 기법 개발: 전기전도도 유지를 위한 최적 혼입량 연구, 혼입된 복합체에 대한 발열 안정성 평가 6. 발열에 의한 CNT-시멘트계 복합체의 전기적 특성 연구(주관기관) ？ 입력전압에 따른 NTC(negative temperature coefficient)와 PTC(Positive temperature coefficient)의 발현 특성 연구 2차년도 1. CNT-시멘트계 복합체의 발열 안정성 연구(주관기관) ？ CNT-시멘트계 복합체의 CNT 혼입량에 따른 cyclic heating(12시간 이상)에 대한 발열 안정성 및 전기전도도 변화 검토: 최적 배합비 결정 ？ Cyclic heating 이후에 역학적 특성 검토 및 역학적 특성 변화 메커니즘 분석: 압축강도 (ASTM C 109, TG/DTA 분석, FE-SEM 분석) 2. 자기발열체의 내구성 향상 기법(주관기관) ？ Cyclic heating에 대한 발열 안정성 확보를 위한 배합비 조정: 보강 섬유 혼입량 등 3. 자기 발열에 의한 CNT-시멘트계 복합체의 손상 메커니즘 해석(주관기관) ？ Multi-scale 모델링을 통한 CNT-시멘트계 복합체의 자기발열에 의한 손상 메커니즘 해석 4. 자기 발열 난방재 모듈 설계를 위한 시뮬레이션 해석(주관기관) ？ 자기 발열체 혼입형 바닥 난방재의 발열 element 개체수, 경계조건 등을 고려한 발열 특성, 열확산성 해석 5. 자기발열 난방재 시작품 모듈 제작 및 성능 연구(주관기관, 공동기관) ？ CNT-시멘트계 복합체를 발열 element로 사용한 바닥난방재의 발열 성능 평가: 경계조건, element 개체수 등을 변수로한 발열 특성, 열확산성 평가 ？ CNT-시멘트계 복합체를 자체 판넬형 바닥난방재로 제작한 경우 발열 성능 평가: 전극의 위치, scale 변화에 따른 발열성능 및 열확산성 평가 |
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| 색인어 | 한글 | CNT-시멘트계 복합체 | 분산성 및 연속성 | 고효율(5W-50℃급) | 자기발열 | 바닥난방재 |
| 영문 | CNT-cement composites | Dispersion & Continuity | High efficient (capacity of 5W-50℃) | Self-heating | Floor-heating material | |
| 최종보고서 | 5W-50℃급 자기발열 성능을 갖춘 CNT-시멘트계 복합체를 이용한 바닥난방재 제조기술 개발_최종보고서 .pdf | |||||