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‘탄소 소재’ 활용 고기능성 건설재료 속속 개발

오성덕 기자 | 기사입력 2024/02/20 [16:36]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2024/02/20 [16:36]
‘탄소 소재’ 활용 고기능성 건설재료 속속 개발
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최근 미래형 신소재로 각광받고 있는 ‘탄소 소재’를 활용해 화재안전과 단열성능을 모두 만족시키는 건축용 단열재와 강재 케이블의 부식문제를 원천적으로 해결할 수 있는 기술들이 조만간 선보일 예정으로 귀추가 주목된다. 

 

화재안전 단열성능 모두 만족 ‘건축 단열재’ 등

‘강재 케이블’ 부식문제 원천적 해결 기술 선봬

 

지난 2015년 파리 기후협약 이후 에너지 절감을 위해 단열성능이 높은 자재에 대한 요구가 높아지고 있지만, 가연성 단열재의 경우 화재에 취약한 단점을 안고 있다.

 

실제로 지난 2010년 부산 우신 골든 스위트 화재부터 2015년 의정부 대봉그린아파트 화재, 2017년 제천 스포츠센터 화재, 2020년 울산 아르누보 주상복합 화재에 이르기까지 가연성 단열재로 인한 화재로 인명과 재산상 피해가 많이 발생했다. 

 

따라서 화재안전과 단열성능을 모두 만족할 수 있는 고기능성의 단열재 개발이 어느 때보다 요구되고 있다. 

 

한편, 노후 시설물이 급증하고 있는 가운데 국내 교량 중 약 40%를 차지하고 있는 PSC 교량에서 강재 부식에 따른 파단 사고가 지난 2016년 서울 내부순환로 정릉천고가에서 발생,  노후 시설물의 수명연장과 안전에 대한 원천기술 확보가 현안으로 떠오르고  있다.

 

이 같은 현안 해결을 위해 강연선의 부식을 방지할 수 있는 비부식 특성을 갖는 고기능성 건설 자재 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 

 

이에 연구팀은 국민생활안전 증진과 노후인프라 유지관리를 위해 탄소 기반의 건설 신소재 개발과 실용화를 목표로, 내열성이 높고 경제성을 갖출 수 있는 안정화섬유를 건축용 단열재로 활용해 화재안전과 단열성능을 모두 만족시킬 수 있는 건축용 단열재 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 

 

또한, 교량 주요 붕괴 원인 중 하나인 강재 케이블의 부식문제를 원천적으로 해결하기 위해 비부식 재료인 탄소섬유를 활용한 기반시설 장수명화 실용 기술 개발에도 나서고 있다. 

 

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연구내용

이번 과제는 단열과 화재안전을 동시에 만족시킬 수 있는 외장재와 노후 부식 대체재와 같은 ‘기존 기술 문제 해결형’, 소재‧부품‧장비 등 ‘미래 신소재’, 건설 신소재‧신산업 활성화를 위한 ‘탄소산업 활성화’ 등 3가지 관점을 융합한 도전적 과제로 눈길을 끌고 있다. 

 

현재 연구팀은 탄소 소재인 안정화섬유를 기반으로 단열성과 화재안전성을 모두 확보할 수 있는 고기능성 건축 단열재 개발 연구와 함께 이를 활용한 내‧외부 마감 시스템 실용화 연구를 진행하고 있다. 

 

이와 함께 국산 탄소섬유의 비부식 특성을 활용, 셀프 센싱이 가능한 비부식 고성능 탄소 섬유케이블 개발 연구도 병행하고 있다. 

 

세부적으로 살펴보면, 세계 최초로 시도되는 ‘안정화섬유 기반 건축단열재’ 개발 연구는 안정화섬유를 이용한 건축용 외장 단열재와 마감시스템 개발을 목표로 진행되고 있다. 

 

안정화섬유는 탄소섬유 제조 중간단계에서 생성되는 섬유로, 탄소섬유에 비해 저렴하고 난연성과 생산성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 

 

연구팀은 이처럼 단열‧난연성이 뛰어난 안정화섬유의 특성을 감안한 형상개발과 복합 소재화를 통해 화재안전성과 단열성능이 뛰어난 단열재와 이를 적용한 단열 시스템을 개발하고 있다. 

 

현재 안정화섬유 기반 단열재 프로토타입 샘플을 제시하는 한편, 정부기준에서 요구하는 준불연 등급 기준으로 총열방출율(THR) 10분, 8MJ/㎡ 이하, “가” 등급 외장 단열재 기준인 열전도율(W/mk) 0.034 W/mk 이하를 모두 만족시키기 위한 기술 개발에 집중하고 있다. 

 

향후 탄소소재 기반 친환경 건축단열재는 글로벌 기술을 리딩하는 것은 물론 기후변화와 화재안전정책, 국내외 단열재 시장 수요 확대에 대응이 가능하고, 정부의 화재안전기준 강화에 따른 대안 기술 시장 확대에도 기여할 전망이다. 

 

한편, 기존 건설재료로 많이 사용되고 있는 강재는 강판을 비롯해 철근, 강연선 등의 형태로 여러 분야에서 다양한 형태로 사용되고 있다. 

 

하지만, 노후화에 따른 부식문제가 사회적 이슈로 부각되고 있어 탄소섬유 케이블을 사용해 기존 강재 강연선과 케이블 대체할 수 있는 소재 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 

 

이 같은 사회적 요구에 발맞춰 진행 중인 ‘부식 프리 케이블’ 개발 연구에서는 그동안 외산에 의존하던 탄소섬유를 국산화해 인장강도 2,800 MPa, 탄성계수 165 GPa급의 고성능 셀프 센싱 탄소섬유 케이블과 정착장치를 개발하고 있다. 

 

또한, 이를 활용해 구조물 장수명화를 위한 선제적 스마트 유지 관리 기술 개발과 함께 이에 필요한 탄소섬유 케이블 시험기준과 각종 지침 개발에도 나서고 있다. 

 

연구팀은 센싱용 탄소섬유케이블과 정착장치 시작품 개발과 함께 과제 목표로 설정한 셀프 센싱 기능 탄소섬유 케이블의 인장강도 2,520Mpa, 정착장치 정착성능 80% 확보를 목표로 연구를 수행하고 있다. 

 

특히, 글로벌 최초 기술인 셀프 센싱 케이블과 정착 기술은 케이블을 이용하는 교량 기술의 세계 시장 리딩은 물론 고부가가치 소재 활용을 통한 신시장 창출과 연관 산업의 파생효과를 거둘 것으로 전망된다. 

 

또한, 셀프 센싱이 가능한 비부식 탄소섬유케이블을 활용할 경우 구조물 붕괴를 미연에 방지할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 

 

 

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‘안정화섬유 기반’ ‘탄소섬유 이용’ 집중

 

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▲ 여인환 소장    

한국건설기술연구원 화재안전연구소 여인환 소장은 “건설산업은 인간의 기본적인 생존 여건인 의‧식‧주 중 ‘주’와 직접 관련된 산업”이라며, “특히, 안전하고 쾌적한 국민 거주 생활환경 구축과 함께 효율적인 도시인프라 시스템 구축과 진전을 위해 각종 건축물과 시설물을 구축, 유지, 개발하는 행위와 관련한 산업”이라고 설명했다. 

 

이어 “건설산업은 인간의 활동과 그 활동의 확장판인 도시 시스템을 담는 그릇에 관한 것으로, 인본적이어야 하며, 특히, 인간 활동 중 ‘안전’이 가장 먼저 보장받아야 할 요건”이라고 강조했다. 

 

실제로 ‘안전 확보’를 키워드로 진행 중인 이번 과제는 지난 2017년과 이듬해 각각 발생한 제천 스포츠센터화재와 밀양 요양병원 화재 등 대형화재에 대한 문제 대응과 함께 2016년 정릉천 고가 강연선 부식 등과 관련된 교량 안전에 대한 대응을 목표로 기획됐다. 

 

여 소장은 “건설연은 외부단열재의 화재 취약성으로 인해 반복적으로 발생하는 유사 건축화재 문제와 강연선 부식 파단으로 인한 구조물 안전 문제를 해결하기 위해 탄소 소재에서 문제 해결을 위한 실마리를 찾고 이번 과제를 추진했다”고 소개했다. 

 

이어 “이번 연구주제는 크게 건축용 단열재와 부식 프리 케이블로 구분된다”며, “건축용 단열재는 외부마감시스템에 사용되는 기존 단열재의 문제점을 보완할 수 있는 소재로, 이번 연구에서는 화재안전성능과 단열성능을 동시에 만족할 수 있는 새로운 개념의 단열재를 개발하고 있다”고 말했다. 

 

건축용 외단열재는 크게 유기와 무기로 구분된다. 그 중 유기단열재는 화재에 취약하다는 인식이 저변에 깔려 있다. 실제로 대형 화재사건들을 통해 문제가 다수 지적된 바 있다. 

 

여 소장은 “지난 2020년에 발생한 이천 냉동창고 화재는 건축용 단열재의 화재 취약성을 가시적으로 개선할 필요성이 있다는 인식전환의 계기가 마련된 사건으로, 실제로 이 사건을 계기로 건축외장재와 복합자재용 단열재 관련 건축법령의 화재안전 성능요건이 대폭 강화됐다”고 밝혔다. 

 

이어 “이에 연구팀은 탄소섬유 공정 중 중간물질인 안정화섬유를 기반으로 하는 새로운 건축 단열재 개발을 목표로, 건축기준과 KS에서 요구하는 성능요건을 만족하는 기능성 단열재 및 외장시스템 개발을 추진하고 있다”고 소개했다.

 

이와 함께 진행 중인 ‘부식 프리 케이블’ 개발 연구에서는 기존 강연선 또는 철근의 부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 탄소섬유를 이용한 새로운 인장케이블 개발에 집중하고 있다. 

 

여 소장은 “탄소섬유는 고유의 기계적 강도가 우수하고 부식이 되지 않는 장점이 있어 이를 최대한 이용해 케이블 자체의 인장력과 정착구의 정착성능을 확보하며 기존 부식성 소재의 문제 해결에 나서고 있다”고 말했다. 

 

이어 “특히, 현재 개발 중인 탄소섬유 케이블은 내부에 광센서를 삽입해 케이블의 거동을 실시간으로 자체 모니터링 할 수 있는 기능도 포함돼 있어 별도의 모니터링 장비 부착 없이도 구조물의 거동을 실시간으로 관찰‧예측할 수 있으므로, 사전 문제 대응과 유지관리에 활용할 수 있다”고 설명했다.

 

건축기준 KS 성능요건 ‘만족’ 강연선 철근 부식문제 해결 

 

한편, 이번 과제는 지난 2021년부터 3년 간 진행된 1단계 연구를 거쳐 올해부터 2025년까지 2단계 연구가 진행된다. 

 

여 소장은 “지난해까지 1차 개발된 기술을 바탕으로 올해부터는 소재 자체와 시스템의 기술완성도 충족과 보완, 테스트베드 구축‧운영을 통한 장기 모니터링을 수행할 예정이며, 2단계 종료시점까지 실용화를 목표로 연구전략을 수립하고 있다”고 밝혔다. 

 

끝으로 그는 “이번 과제는 탄소섬유 기반의 새로운 소재를 활용해 건축물과 교량시설물의 안전 확보를 위한 도전적 목표를 설정하고 있다”며, “과제 성과는 건축용 단열재의 화재 취약성과 강연선 부식으로 인한 붕괴 위험성 문제 해결에 유용한 해법을 제공할 수 있을 것”이라고 전망했다. 

 

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