주메뉴 바로가기 본문바로가기
전제메뉴닫기

과제현황

  • home
  • 지식
  • 성과도서관
  • 과제·보고서
과제현황 목록

과제기본정보

탄산화 유도를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 폐유리 혼입 콘크리트 개발 및 시제품 제작1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C152028-01
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 친환경 재생건설재료 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 건설구조재료 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 탄산화 유도를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 폐유리 혼입 콘크리트 개발 및 시제품 제작
주관연구기관 금오공과대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 장일영
소속 금오공과대학교산학협력단 직위 정교수
전화번호 054-478-7618 FAX 054-478-7629
총 연구기간 2019-04-15 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2019-04-15 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보
연구개발개요 ○ 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.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 탄산화를 통한 대기 중 CO2 저감형 OLED 혼입 시멘트 개발 - OLED 분말 물리화학적 특성 평가(OLED 분말의 화학 조성, 입자형태, 밀도, 비표면적, 비중, 비표면적)

- OLED 혼입 시멘트 탄산화 저항성 평가(X선 분석 및 열중량 분석, 수화물 조성, 탄산화 깊이)

- OLED 혼입 시멘트의 CO2 흡수능력 평가(CO2 흡수량)
연구성과 기술적 기대성과 - 클링커 조성 변화를 통한 탄산화 속도, 깊이 변화 및 이에 따른 대기 중 CO2 흡수량 증가

- OLED 폐유리 분말 혼입을 통한 포졸란 반응 유도, 이로 인한 콘크리트 중장기 관점에서의 품질 향상

- 고강도 콘크리트로서 소요성능 확보를 위한 부재크기의 축소 및 감소로 인한 다양한 시공성능과 현장 적용성 확보 가능
사회 경제적 파급효과 - 시멘트 혼화재로 OLED 폐유리 분말을 이용함으로써 재료 단가 절감 및 산업폐기물 활용에 따른 폐기 비용 감소

- 콘크리트 탄산화를 통한 CO2 저감 효과 및 확대 중인 친환경 건설재료 시장 선점

- 콘크리트의 품질 향상 기술 개발에 따른 내구수명 증가 및 이에 따른 보수보강, 유지관리비용 저감

- 에너지 소비 절감과 온실가스 감축이라는 전 세계적 화두 앞에서 시멘트 및 콘크리트 산업의 환경영향 개선 및 우리나라 녹색성장의 기틀 마련

- 파리기후협약(COP21)에 따른 국가별 온실가스 감축목표 달성에 기여함과 동시에 자원 재활용을 통한 사회적 기대 부응

- 지역 당면 과제인 OLED 폐유리의 처리문제에 대해 건설재료로써의 활용 가능성 제시
활용방안 ○ OLED 혼입에 따른 수화물 조성 변화 유도 및 이에 따른 CO2 흡수 능력 증대

○ 국내외 논문게재 및 학술발표를 통한 이론적 검증 및 특허 출원을 통한 기술력 확보

○ 콘크리트 표면 마감 처리 개선에 따른 CO2 흡수 효과 상향

○ 옹벽 등의 시작품 제작 및 기초 물성 및 CO2 흡수 능력 평가를 통한 현장적용성 제고
핵심어
핵심어
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 CO2 저감 탄산화 OLED 폐유리 콘크리트 건설재료
영문 CO2 reduction Carbonation Recycled OLED glass Concrete Construction material
최종보고서
핵심어
최종보고서
  • 담당부서해당 사업실
  • 담당자과제 담당자
  • 연락처 사업별 담당부서 보기