나노기술이 콘크리트 세상을 어떻게 바꿀 수 있는가?
편집부(외신)

자연의 상향식(bottom-up) 성장 과정을 성공적으로 흉내 내는 것이 가장 중요한 방향이다.

나노 기술을 콘크리트 분야에 어떻게 적용할 수 있는지에 대해 이야기 해보려고 한다.

나노기술이 콘크리트 세상을 어떻게 바꿀 수 있는가?
최근 나노기술 연구의 대부분은 시멘트-기반의 물질의 구조와 그 파괴 메커니즘에 대한 것이다. 새로 개발된 첨단 장비들이 구조를 원자 수준에서 관찰할 수 있도록 해주고 있다. 또한 물질의 미세 상(phase)에 대한 강도, 경도 그리고 기타 기본 물성들이 측정되고 있다.
AFM(atomic force microscopy)를 비정질 C-S-H 겔 구조를 연구하는데 사용하고 있다. 이를 통해 이 재료가 나노크기에서 매우 정돈된 구조를 가지고 있음을 밝혀냈다.(그림 1)
나노크기의 구조를 이해하면 재료의 생산과 구조를 어디에 사용할 것인지에 관련된 강도 향상, 파괴 부식 특성 향상, 원하는 특성 변화와 같은 중요한 공정에 변화를 줄 수 있게 된다. 예를 들어, 자기 세척기능이 있고 색변화가 적으며 낙서방지 기능, 내스크래치성, 내 마모성을 가진 페인트나 마감재료는 건물 외관재료나 인테리어 제품에 있어서 매우 중요하다. 자기 세척 기능 타일, 창문 그리고 수성 페인트가 광촉매 기술을 이용하여 TOTO社에 의해 개발되었다. 유기 오염물과 유리의 분해 과정과 관련있는 자기 세척 효과는 타이테니아(titania) 광촉매 박막을 표면에 발라 자외선을 받으면 활성 산소를 발생하게 만들어 얻어내었다.
자기 세척기능의 다른 측면은 친수성 표면이라는 것이다. 이 친수성 표면은 먼지나 오염물을 씻어낼 수 있게 해준다. 관련된 다른 예로 탄소강을 부식으로 보호하는 전도성 폴리머의 나노미터-박막 코팅이나 건물의 단열을 향상시키기 위해 투명 은나노층을 덮은 유리가 있다.
상향식 나노화학은 새로운 콘크리트 기술에 효과적으로 적용할 수 있는 제품 생산에 대한 가능성을 제시해주고 있다. 그 한 예가 PCE(poly-carboxylic ether) 폴리머 기반 Sky와 같은 새로운 콘크리트 수퍼-소성체와 관련이 있다. 이 제품은 Degussa에 의해 개발되었다. 나노 디자인 접근은 콘크리트 화합물의 떨어진 고정 능력을 향상시킬 수 있게 해줄 것으로 기대되고 있다.
나노 입자를 기존 빌딩 구조 재료에 첨가하여 사용할 수 있다는 아이디어가 제시되어왔다. 그러한 방법으로 만들어진 재료는 고층, 긴 경간(徑間) 또는 인텔리전트 구조물에 요구되는 더 우수한 특성을 가지게 될 것이라고 기대되고 있다.  예를 들어, 실리카 나노 입자(나노실리카(그림 2))는 향상된 작업성과 강도를 갖는 고성능, 자기-컴팩팅(self-compacting) 콘크리트를 위해 첨가될 수 있다. 나노실리카는 폴리머에 첨가되면 강도, 연성, 내구성을 증가시킨다는 것이 증명되었다.
Kang과 그 연구진들은 졸-겔 고정을 사용하여 얻은 기능화된 나노실리카 입자로 채워진 에폭시 화합물을 연구하였다. 합성된 균일한 실리카 입자는 표면의 실라놀 그룹이 에폭사이드 링, amine과 isocyanate 그룹으로 대체되었거나 나노실리카가 표면 실라놀 그룹을 제거하여 변경되었다. 변경된 입자는 화학적으로 에폭시 기지에 결합될 수 있는 것으로 밝혀졌으며 그 결과 화합물의 열 팽창계수가 감소하는 것으로 나타났다. 나노 실리카 함량이 증가할수록 화합물의 열팽창계수가 더 감소하였고 유리 변형 온도가 증가하고 진동 진폭이 감소하는 것으로 나타났다.
탄소나노튜브와 기존 폴리머 기반의 섬유와 막을 결합하는 것도 또 하나의 연구 분야이다. 예를 들어, 10%의 SWNT를 가장 강도가 높은 인공 섬유인 Zyulon에 첨가하면 강도를 기존 대비 50%증가시킬 수 있다. 각 나노튜브의 분리 기술과 분산 기술이 향상되고 각 나노튜브의 배열 기술이 향상되면, 섬유의 성능을 증가시키면서 사용되는 나노튜브의 양은 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
Texas-Dallas대학의 연구진에 의해 진행된 실험에 근거하여, Dalton 박사와 연구진은 SWNT강화 섬유와 관련된 문제의 돌파구를 마련했다. 나노튜브 60%와 폴리 비닐 알코올 40%로 구성된 화합물 섬유가 변형된 응고 방법과 함께 연속 스피닝 기술을 사용하여 만들어졌는데, 그 강도가 1.58GPa 이상이었다. 이들 섬유는 거미 실크의 에너지 흡수 능력을 파괴 점의 30%(165J/g)까지 끌어 올렸으며 750J/g의 취성을 보일 때까지 에너지를 연속적으로 흡수하였다. Spectra와 Kevlar 섬유가 각각 50, 33J/g임을 비교하면 매우 큰 값이다. 이 새로운 수퍼 섬유는 그 활용범위가 매우 넓을 것으로 보인다.

나노입자를 사용한 콘크리트
나노-철-산소와 나노실리카를 시멘트 모르타르와 함께 사용했을 경우의 특성을 Li와 그 연구진이 연구하였다. 실험결과 나노 입자를 포함하고 있는 경우에 압축 강도와 신축성이 증가한 것으로 나타났다. 실리카 함유량을 늘릴수록 모르타르의 강도가 더 증가하는 것이 밝혀졌다.
더구나 나노입자를 첨가한 시멘트 모르타르의 강도는 실리카 증기를 넣은 경우보다도 더 높은 것으로 나타났다. SEM 연구결과 나노-철-산소와 나노실리카 입자들이 기공들을 채워 수화물내의 칼슘 하이드록사이드의 함량을 줄이는 것으로 나타났다. 이러한 효과를 통해 나노입자를 포함한 시멘트 모르타르가 그 기계적 성질을 향상시키는 것으로 보인다.
나노실리카가 포함되어 있는 큰 부피를 가진 비산회 고강도 콘크리트의 실험실 차원의 연구가 Li에 의해 진행되었다. 수화 과정의 연구를 통해 비산회의 화산회적인 행동이 나노실리카의 적용에 의해 크게 향상되었다는 것을 확인하였다. 나노실리카를 사용하면 초기 단계를 증가시키고 큰 부피를 갖는 비산회 콘크리트의 항복 강도를 증가시키는 것으로 결론을 냈다. 나노실리카에 의해 개선된 콘크리트는 일반 콘크리트와 비교했을 때 81% 높은 3차원 강도를 나타냈다. 개선된 콘크리트의 강도는 115.9MPa(비교 대상인 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 103.7MPa였다)이었다.
Collepardi와 그 동료들은 미네랄 첨가물(지반 석회암, 비산회 그리고 지반 비산회) 저온 가열 자기-컴팩팅 콘크리트를 연구하였다. 1~2%의 시멘타이트 재료가 첨가된 나노실리카(5~50nm)가 점도-조절 작용물질로 사용되었다. 모든 혼합물에 대해 물/시멘트의 비율(W/C)은 0.58로 일정하게 사용되었고, 슬럼프 흐름은 아크릴-폴리머 기반 수퍼-가소제의 양을 조절하여 780~800mm로 일정하게 유지되었다. 특정한 슬럼프 흐름을 유지하기 위해 수퍼-가소제 첨가량은 사용된 각 나노실리카의 퍼센트 당 약 0.21%만큼씩 증가시켰다. 나노실리카를 첨가하여 콘크리트 혼합물은 보다 접착성이 향상되고 잘 분리되지 않았다. 동시에, 나노실리카는 초기 30분 이내에 측정되는 슬럼프 손실에 영향을 거의 주지 않았다.
나노실리카가 다양한 형태의 비산회를 포함하고 있는 콘크리트의 압축 강도에 영향을 주지 않지만, 지반 석회석을 포함하고 있는 콘크리트의 압축 강도는 약간 감소되었다. 가장 뛰어난 성능을 보인 콘크리트는 지반 비산회, 2% 나노실리카와 1.5%의 수퍼-가소제를 첨가한 경우였다. 이 콘크리트는 28d의 시간에서 낮은 깨짐, 완벽한 접착성, 뛰어난 슬럼프 흐름과 적은 슬럼프 손실과 같은 바람직한 특성과 함께 55MPa의 가장 높은 강도를 나타냈다. 이 연구 결과 나노실리카는 콘크리트의 내구성에는 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.
처음으로 상업화된 콘크리트용 나노혼합물 첨가제 중에 하나인 Gaia는 Ulmen S.A와 Cognoscrible Technologies에 의해 개발되어 ISO14001, ‘환경 관리 시스템’에 의해 증명된 콘크리트 시설에서 실리카 증기를 대체하는데 사용되었다. 이 제품은 액체 형태로 사용이 가능하여 나노실리카 입자를 콘크리트 내에 고르게 분포시킬 수 있는 장점이 있다. Gaia는 수분 감소효과와 슬럼프 증가 효과를 결합하였다. Ferrda와 그 연구진의 설명에 따르면, Gaia가 섞인 콘크리트 혼합물은 뭉침이나 누수가 없는 완벽한 작업성을 띤다고 한다. 이러한 특징은 자기-컴팩팅 콘크리트를 아주 쉽게 만들 수 있게 해준다. Gaia를 포함하고 있는 콘크리트 혼합물이 20℃의 분위기 온도에서 1.5시간 이내에 30%의 슬럼프 손실이 된다는 것이 보고되었다.(표 1)
1.3%의 Gaia를 첨가한 경우 7과 28 d 시간 동안에 압축강도가 거의 2배 증가하였다. Gaia를 첨가한 콘크리트의 초기 강도는 68.2MPa이었는데 이는 비교군의 콘크리트(표 1과 그림 3)에 비해 3배 가량 큰 값이다. 콘크리트의 28 d 압축강도는 W/C의 고전적인 의존관계로 설명되며 사용가능한 테스트 데이터에 근거하여 각 실험된 콘크리트의 28d에서의 강도를 예측할 수 있는 공식이 제안되었다.
f28=208.38e-3.0881W/C(R2=97%)
사용가능한 데이터에 근거하여, 나노입자가 미세구조와 세라믹 기반 물질의 물성에 미치는 긍정적인 작용을 다음 요소들에 의해 설명할 수 있었다.
잘 분산된 나노입자는 액상의 점도를 증가시켜, 시멘트 결정립계와 골재가 위치를 지킬 수 있게 해주고 이는 뭉침을 방지하고 시스템의 작업성을 향상시켰다.
나노입자는 시멘트 결정립계 사이의 구멍을 채워 물이 이동하지 못하게 했다.(필터 효과)
잘 분산된 나노입자는 시멘트 결정화의 중심 핵으로 작용하여 수화작용을 촉진하였다.
나노입자는 쉽게 작은 크기의 결정을 형성하였으며 C-S-H의 균일한 크기의 클러스터를 형성하였다.
나노실리카는 수산화 칼슘을 소비하는 화산회화 작용에 참가하여 추가적인 C-S-H를 형성하였다.
나노입자는 응축물 접촉 지역의 구조를 향상하여 응축물과 시멘트 접착 물질 간에 보다 나은 결합이 가능하도록 만든다.
나노입자에 의해 제공되는 크랙 포획과 미끄럼 면간의 상호 잠김 효과는 취성과 전단응력, 인장 강도를 향상시키며 세라믹 기반 물질의 유연성을 향상시킨다.
앞으로의 개발
빠르게 성장하고 있는 나노기술에 의해 밝혀지는 새로운 지식을 받아들이면서 콘크리트 과학에 더 많은 발전이 있을 것으로 예상된다. 다음 콘크리트 관련 나노제품의 개발이 예상된다.
저온 클링커 합성과 기존 시멘트에 비해 빠른 응고를 가능케 하는 촉매
초정밀 그라인딩과 시멘트의 기계화학적 활성화가 가능한 그라인딩 보조제품
나노입자, 나노봉, 나노튜브(SWNT포함), 나노댐퍼, 나노넷 또는 나노스프링을 이용하여 강화된 결합제
수화물 간의 내부 결합을 향상시킨 내부 결합이 강화된 결합제
나노크기의 폴리머 입자와 그 유제 또는 폴리머 나노필름으로 개량된 결합제
생체 재료(초기 구조와 연체 동물 껍데기 거동 포함)
시멘트 기반 나노튜브와 섬유로 덮인 나노층(결합력과 내부식성을 향상시키거나 전기 전도도와 같은 새로운 특성을 첨가하기 위해)을 포함한 화합물 강화 섬유
완전한 작업성 통제와 최고의 수분 감소를 위한 차세대 수퍼가소제
최고의 강도, 연성과 취성을 가진 시멘트-기반 재료
미세 크랙을 없애거나 감소시키기 위한 내부 수분량 공급을 조절한 바인더
나노입자를 사용하여 개선되고 포틀랜드 시멘트 조성의 부피 감소(10~15%)를 지속적으로 줄여 생산한 효율적인 바인더 또는 대체 시스템에 기반을 둔 바인더(마그네시아, 포스페이트, 지오폴리머, 석고)
나노 튜브와 화학물 혼합을 통한 자기-치료 재료 및 수선 기술
광촉매 기술에 기반을 둔 자기-청소/공기 정화 특징을 가진 재료
전기 전도도, 변형 특성을 조절할 수 있고 수축이 없고 열팽창이 적은 재료
온도-, 습도-, 스트레스 감지 또는 반응 물질과 같은 스마트 재료
기계화학과 나노촉매는 클링커링 온도의 큰 감소와 기계화학적 반응기 내부에 있는 클링커 물질의 저온 소결의 실현 가능성으로 현대 시멘트 산업의 모습을 크게 바꿀 수 있을 것이다. 나노바인더는 두가지 개념으로 확장시킬 수 있다. 초미세 입자(DSP)
를 사용한 치밀화 시스템과 나노레벨까지 내려간 개선 다원소 바인더(MMCB) 이러한 시스템에서, 바인더의 치밀화는 초미세 입자(DSP)에 있는 수퍼가소제(SP)를 사용해 분산시킨 실리카 증기(SF)와 미세 토양 미네랄 첨가물(FGMA)과 MMCB에 있는 SP에 의해 수정된 SF의 도움으로 이뤄낼 수 있다. 이러한 입자들은 시멘트 결정립계사이를 채우게 된다. 이러한 시스템에서, 포틀랜드 시멘트 물질은 구성물질이 잘 결합되도록 해준다. DSP와 MMCB와 달리, 나노바인더는 미네랄 첨가물 입자간의 틈을 채우기 위해 사용되는 나노분산시멘트 조성 물질에 사용되도록 만들어질 수 있다.(FGMA 포함)
나노바인더에서 주요 구성원소로 작용하는 미네랄 첨가물은 시스템의 구조적인 안정성을 제공한다. 마이크로 또는 나노 크기의 시멘트 구성 물질(프틀랜드 시멘트 외에 나노크기의 입자를 포함하고 있을 수도 있는)은 비활성 입자들을 결합시키는 본드같은 역할을 한다. 그러한 나노크기의 시멘트 요소는 기존(또는 특히 소결된 C2S) 포틀랜드 시멘트 클링커의 콜로이드 밀링 또는 기계화학적으로 유도된 광화학반응을 사용하는 자기정렬을 통해 얻을 수 있다.
  (Ceramic Bulletin)

그림 1.  매우 잘 정렬된 C-S-H 겔(Ca/Si=0.9)구조를 나노크기에서 관찰하였다.
         프랑스 Bourgogne 대학 물리 연구실, 나노과학 그룹의 Eric Lesniewska 제공

그림 2.   초미세 증기 실리카 입자들을 TEM으로 관찰하였다. 스위스 고성능 세라막 연구실의 Andri Vital 제공

그림 3.  Gaia를 사용한 콘크리트의 강도 개선