시멘트 복합체의 역학 및 전기적 성능 향상을 위한 CNT 졸-겔 코팅 기술을 적용한 PCM-활성탄 개발 연구 = Development of PCM-activated carbon using CNT sol-gel coating technology to improve the mechanical and electrical performance of cement composites

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global efforts to address the climate crisis and reduce energy consumption have intensified, leading to growing interest in construction materials that provide thermal energy storage capabilities. Phase change materials (PCMs) can store and release significant amounts of thermal energy via latent heat during phase transitions; however, their liquid state at ambient temperatures causes leakage, limiting direct application in cementitious systems. Recent studies have attempted to stabilize PCMs by impregnating them into porous carriers, yet the use of such carriers often results in reduced mechanical strength of the composite.
To overcome these limitations, this study developed a novel CNT–Sol–Gel composite aggregate (C-SG) by vacuum-impregnating PCM into the micropores of activated carbon and applying a silica-based Sol–Gel coating that incorporates acid-functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)acid-functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). MWCNTs were functionalized via acid treatment and ultrasonication to introduce oxygen-containing functional groups and mitigate agglomeration. Raman spectroscopy and SEM–EDS analyses confirmed successful functionalization and removal of metallic catalyst residues. Thermogravimetric analysis (TGA) revealed that the C-SG aggregates delayed PCM degradation compared to SG aggregates without MWCNTs, while differential scanning calorimetry (DSC) demonstrated partial recovery of thermal transition peaks in C-SG, attirubuted to CNT-enhanced heat transfer within the coating layer.
In the second phase of the study, SG and C-SG aggregates were incorporated into cement composites as partial volume replacements for fine aggregate. Although SG replacement caused significant reductions in compressive strength, C-SG incorporation substantially mititgated this strength losswhich was attributed to improved hydration product formation as verified through TG–DTG analysis. Electrical resistance measurements demonstrated the significant increase in electrical conductivity in the C-SG mixtures, confirming the formation of effective conductive pathways.
Overall, the proposed C-SG composite aggregate provides improved thermal stability, electrical functionality, and mechanical performance, demonstrating its potential as an advanced thermal energy storage material within cement-based systems.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 기후위기로 인해 에너지 소비 저감에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이러한 요구에 맞추어 건설 재료 분야에서는 열저장 기능을 부여하는 기술 개발에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 특히 상변화 과정에서 발생하는 잠열을 이용해 열을 저장 및 방출하는 상변화 물질을 활용하여 에너지 소비 저감을 이루는 연구가 수행 되어지고 있으며, 이를 건축 재료에 적용하는 연구 역시 진행되어지고 있다. 하지만 상변화 물질을 건설재료에 적용하는 경우 상변화 물질이 액체 상태로 존재할 때 발생하는 누출 문제가 있어 건설재료에 직접 적용하기 어렵다. 이에 최근에는 상변화물질을 담체에 주입하여 건설재료에 적용하는 형상안정에 대한 연구 개발이 진행중이나 형상안정에 활용되는 저강도 담체로 인해 시멘트 복합체의 강도가 저하되는 문제가 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 상변화 물질의 안정적 고정, 전도 경로 형성, 계면 결합력의 개선을 목표로 활성탄 기공에 상변화물질을 진공함침하고, 졸-겔 기반 실리카 코팅층에 산처리를 통해 기능화시킨 탄소나노튜브를 도입한 탄소나노튜브 적용 졸-겔 코팅 복합골재(C-SG)를 연구 개발하였다.
졸-겔 코팅층에 탄소나노튜브를 적용하기 위해 산처리를 수행하여 기능기를 도입하여 탄소나노튜브의 응집의 완화를 유도하였다. 이를 평가하기 위해 라만 분광 분석, 전자주사현미경 분석, 에너지분산형 분광 분석을 수행하였으며, 기능기 도입 및 금속 촉매 제거를 확인하였다. 산처리 된 탄소나노튜브를 적용한 C-SG 복합 골재에 대해 열중량분석과 시차주사열량분석을 하였으며, C-SG 골재에서 상변화 물질의 증발이 지연 시키는 것을 확인하였고, 탄소나노튜브가 적용되지 않은 SG 복합골재 대비 C-SG 복합골재에서 피크 온도가 회복을 확인하였다.
두 번째 단계에서는 SG 및 C-SG 골재를 시멘트 복합체에 잔골재를 부피비 기준으로 치환하는 방식을 적용하여 제작 및 평가하였다. SG 골재를 단독 적용한 경우 강도 가장 큰 강도 저하가 발생하였으나, C-SG 골재를 적용한 경우 SG 골재 대비하여 강도 감소가 크게 완화되었고, 강도 감소의 완화 원인을 파악하기 위해 열중량 분석을 수행하였으며, 결과적으로 수화 C-S-H 등의 2차 수화물 생성이 촉진되어 강도의 개선이 이루어 진 것으로 확인하였다. 전기저항 평가에서는 C-SG 골재가 도입된 시험군에서 가장 높은 전기저항 감소를 보였다. 이러한 시험 결과를 종함하면 C-SG 골재가 열적성능은 유지하면서도 역학적, 강도적 성능 개선이 가능함을 확인시켜 주었다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 ⅲ
• 표 목 차 ⅴ
• 그림목차 ⅵ
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구의 범위 및 내용 3
• 1.3. 연구의 동향 6
• 1.3.1. 탄소나노튜브 분산의 연구동향 6
• 1.3.2. 상변화물질 연구동향 9
• 1.3.3. 상변화물질 형상안정형 골재 연구 동향 11
• 1.3.4. 형상안정형 골재 적용 시멘트 복합체 연구동향 12
• 제 2 장 열저장 시멘트 복합체에 관한 이론적 고찰 14
• 2.1. 상변화물질 개념 및 이론적 고찰 14
• 2.1.1. 개요 14
• 2.1.2. 상변화 물질 종류에 대한 이론적 고찰 17
• 2.1.3. 상변화 물질 적용 방법에 대한 이론적 고찰 18
• 2.2. 탄소나노튜브 개념 및 이론적 고찰 19
• 2.2.1. 개요 19
• 2.2.2. 탄소나노튜브의 분산에 대한 이론적 고찰 20
• 2.3. 열저장 시멘트 복합체 개념 및 이론적 고찰 23
• 2.3.1. 개요 23
• 2.3.2. 개선 시멘트 복합체에 대한 이론적 고찰 24
• 제 3장 열저장 복합골재 개발 및 평가 26
• 3.1. 열저장 복합골재 제작 및 실험설계 26
• 3.1.1. 기본 재료 물성 26
• 3.1.2. 열저장 복합 골재 제작 28
• 3.1.3. 열저장 복합 골재 실험 설계 34
• 3.2. 열저장 복합골재 실험 결과 및 평가 37
• 3.2.1. 라만 분광 실험 결과 및 평가 37
• 3.2.2. 주사전자현미경/X선 분석 실험 결과 및 평가 38
• 3.2.3. 열중량 분석 결과 및 평가 41
• 3.2.4. 시차주사열량계 결과 및 평가 42
• 제 4장 열저장 시멘트 복합체 제작 및 평가 46
• 4.1. 열저장 시멘트 복합체 제작 및 실험 설계 46
• 4.1.1. 기본 재료 물성 46
• 4.1.2. 배합 설계 47
• 4.1.3. 제작 방법 설계 49
• 4.1.4. 실험 설계 51
• 4.2. 열저장 시멘트 복합체 실험 결과 및 평가 53
• 4.2.1. 압축강도 실험 결과 및 평가 53
• 4.2.2. 전기저항 실험 결과 및 평가 54
• 4.2.3. 시멘트 복합체 열중량 분석 결과 및 평가 56
• 제 5장 결론 59
• 참고문헌 62
• Abstract 71