| 1차년도 |
○ 시뮬레이션 기반 성능예측 방법론 개발- DFT-열역학 시뮬레이션 해석기술: CO2 흡수율 실험결과 대비 시뮬레이션 예측의 정확도 80% 이내 달성- 기계학습 시뮬레이션 기반 해석기술: CO2 흡수율 포함 측정된 모든 재료물성 예측의 정확도 70% 이내○ 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시제품 제작- 압축강도 40 MPa 및 CO2 흡수율 15 wt% 이상의 포틀랜드 시멘트 콘크리트 개발
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○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 해석기술 개발- 열역학 계산을 수행하기 위해 필요한 고체/액체/기체 상태의 원소에 대한 열역학 특성 데이터베이스를 구축하고, DFT 시뮬레이션을 통해 예측한 수화물의 열역학 특성을 데이터베이스로 활용하기 위한 DFT-열역학 계산 연계기술을 제시함. 또한 콘크리트의 수화거동 및 탄산화 양생에 의한 화학구조 변화 예측연구를 수행함.○ 기계학습 입력값의 지문화 및 초기모델 구축- Net-Zero 콘크리트 물질의 구조와 성분이 물성에 끼치는 영향을 파악하기 위한 고유의 입력 및 결과값의 범주 정밀분류. 분류된 재료지문과 물성 사이의 통계적 상관관계를 찾기 위하여 현재까지 발표된 기계학습 훈련모델(현재 적용 고려 중인 방법: Linear regression, Decision tree, Support vector machine, Deep belief network, Gaussian process regression, Genetic algorithm, Bagging ensemble, Random forest ensemble, Boosting ensemble)을 비교시험하여 초기 모델을 구축함.○ 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시작품 제작- 탄산화 효율 최적화를 목표로 실험실 조건 하에서 다양한 탄산화 양생 조건에 대해 실험을 수행함. 문헌조사를 바탕으로 탄산화 양생의 영향 요소를 분석하며, 실험을 통해 시중에서 활발히 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 탄산화 양생 최적 조건을 도출함. 혼화재료를 혼입하지 않고 포틀랜드 시멘트만을 사용한 CO2 흡수율 15 wt%급 콘크리트 개발을 목표로 함.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
- 현재 건설재료의 이산화탄소 흡착/제거 성능을 평가하기 위한 이론적 기반이 마련되어 있지 않음.- 현재까지의 연구결과를 바탕으로 제시된 경험식을 바탕으로 건설재료의 이산화탄소 흡착/제거 성능 평가가 일부분 가능하나, 포틀랜드 시멘트 기반의 건설재료에만 한정되어 있어 다양한 건설재료를 접목할 수 없음.- 대부분의 모델식에서 Portlandite(Ca(OH)2)만 고려하거나 일부의 C-S-H의 탄산화 반응을 고려하나, C-S-H의 탄산화 거동에 대한 이론적 지식이 매우 부족할 뿐만 아니라, AFm, Mg-hydrates 기반의 시멘트에 적용이 불가능함.- 국내에서도 가장 많이 사용되는 슬래그/플라이애시 혼입 시멘트의 경우 Portlandite가 매우 소량 존재하며, C-S-H의 Al 흡수(C-A-S-H)로 인해 기존에 알려진 탄산화 거동과 매우 상이함.- 본 연구에서 제시한 DFT-열역학 계산 통합 시뮬레이션을 통해 C-S-H 및 C-A-S-H의 생성 여부와 용해도를 정확히 예측할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 계통 콘크리트뿐만 아니라 다른 시멘트(e.g., CAC, CSA, Mg-cements 등)와 혼입 시멘트 등 다양한 종류의 시멘트의 이산화탄소 흡착/제거 성능을 평가할 수 있음.- 연구개발 성과 중 하나인 열역학 데이터베이스 및 실험 데이터셋 등은 건설재료 분야 다른 연구에서 활용될 여지가 크며, 건설분야 디지털화의 시발점이 될 것임. 그리고 더 나아가 CO2 Net-Zero 콘크리트 기술의 신뢰성을 제고하며 건설재료 CCUS 기술 상용화에 기여할 수 있음.
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적 측면- 이산화탄소 포집 및 저장 분야는 2016년 42.5억 달러였으며, 2024년 60억 달러에 규모의 세계 시장을 형성할 것으로 예측되었음.- 탄소배출권 거래 추이를 보면 2015년에는 총 거래량 124만 톤 및 톤당 1만 1,184원으로 거래되었으며 2017년에는 1,473만 톤 규모 및 톤당 2만 1,143원으로 매우 큰 폭으로 증가하였음.- 이러한 관련 시장 규모 및 전망을 고려할 때 제안 기술 개발은 CCUS 분야 및 건설 시장의 국가적 선도에 큰 폭으로 기여할 수 있을 것으로 기대됨.- 또한 제안 연구 수행 시 CCUS 분야 전문가 인력양성을 통해 탄소경제 활성화와 관련 분야 일자리 창출에 기여할 수 있음.○ 사회적 측면- 2017년 국민 700명을 대상으로 진행된 지구온난화에 따른 기후변화에 대한 국민 인식 설문조사에 따르면 응답자 중 93.3%가 심각하다고 답했으며 온실가스 배출도 줄여야 한다는 주장에 대해서도 95.7%가 동의하였음.- 또한 온실가스 배출 저감을 위해 정부의 제도 마련이 기업이나 국민의 참여에 의한 노력보다 더 큰 비율을 차지하였음.- 제안 기술 개발을 통해 탄소 배출로 인한 지구온난화 저감에 기여함으로 사회적 불안요소를 해결할 수 있을 것으로 기대됨.
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| 활용방안 |
○ 차세대 고부가가치 건자재 개발의 가속화- 최근 건설분야의 친환경화, 제로 에너지화, 스마트화를 구현하기 위한 핵심요소기술인 건설재료의 고성능화가 기술현안으로 이슈화되고 있으나, 상이한 물리적 특성과 매우 복잡한 구성성분 간의 화학작용으로 상용화에 어려움이 따르고 있음.- 건자재 시장은 2조7천억 달러 규모의 시장을 형성하고 있으나, 정확한 미세구조 및 메커니즘 규명의 부재는 상업화에 필수적인 재료 안정성, 장기 내구성 등의 평가에 신뢰성을 얻지 못하고 있음.- 본 연구개발의 성과는 미래 콘크리트가 가져야 할 친환경성과 현장적용에 대한 안정성, 이와 관련한 과학적 근거 및 신뢰성 확보에 활용이 예상됨.○ 탄산화 콘크리트의 재료？구조 해석시스템 정확도 향상- 대부분의 건설공사에 필수적으로 활용되는 콘크리트 재료의 CO2 흡착을 통한 성능변화 규명과 성능예측 연구를 통하여, 탄산화 콘크리트의 재료？구조 해석시스템의 과학적 지식의 진보에 기여할 수 있음.- 특수 콘크리트의 성능예측을 위한 시뮬레이션 방법론의 국산화 및 선진화를 도모하며, 재료의 정확한 물성예측을 통하여 제조 및 설계에 소요되는 생애주기 비용을 절감함.- 화학, 신소재, 환경, 전자공학 등 다양한 산업분야에 적용 가능한 해석기술의 원천기술 확보를 통하여, 관련 학문분야의 후속연구 연계 활용방안이 기대됨.
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