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요약
본 발명은 극한 기후에서 콘크리트의 동결을 방지하고 콘크리트에 쌓인 눈을 빨리 녹여 제설제 사용을 감소시키는 콘크리트 제조 방법을 제시합니다. 이를 위해, 열전도성이 높은 다중벽 탄소나노튜브를 첨가하여 열전도성을 향상시키는 상변물질이 포함된 경량골재를 제공합니다. 이 기술은 에너지를 효율적으로 흡수하고 방출하는 상변물질이 포함된 경량골재를 제공함으로써 열 효율과 열 피로 저항을 개선하며, 제설 및 유지 관리 비용을 절약할 수 있습니다. 이를 통해 건설 및 건축 부문에 큰 도움을 제공하며, 이를 통해 산업의 성장과 기술 발전에 기여할 것으로 예상됩니다.
기본 정보
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특허명: 상변이물질 충진된 경량골재, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 상변이물질을 이용한 열저장 콘크리트
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대표 발명자: 허종완 교수
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출원번호: 10-2023-0015911
발명의 배경 및 필요성
기술 배경 및 문제점
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기존 도로 포장 방법은 노반과 콘크리트판으로 이루어진 시멘트 콘크리트 포장이 주로 사용되며, 2000년 이후에는 성능을 개선한 개질콘크리트가 개발되었음
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개질콘크리트는 짧은 경화시간과 높은 투수저항성, 동결융해저항성 등으로 인하여 콘크리트 도로구조물의 보수재료로 널리 사용되고 있으나, 아스콘 포장은 시공 후 5년이 되기 전에 주행트랙을 따라 소성변형이 생기는 문제가 있음
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이러한 소성변형은 심각한 주행 문제를 발생시키거나, 포장 재료가 점차 노화되어 결국에는 심한 균열을 발생시키는 문제가 있음
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또한, 개질콘크리트는 다량의 라텍스를 포함하므로 비용이 고가이며, 열반사율이 높아 동절기 초기결빙에 대한 예방효과가 종래 아스팔트 콘크리트보다 미비하다는 문제가 있음
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열흡수율이 낮아 외기온도 변화가 심한 환경에서는 온도응력으로 인하여 균열, 표면박리, 탈락(포트홀) 등이 발생한다는 문제가 있음
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겨울에 눈이 내리는 동안 눈을 녹이고 안전한 교통 흐름을 조장하기 위한 조치로 제설제를 사용하고 있지만, 제설제의 과도한 사용은 옥시염화칼슘을 형성하여 콘크리트의 미세균열을 유발하게 되고 보장재의 부식 및 콘크리트 기공 용액과의 화학적 상호작용을 촉진시켜 콘크리트 포장의 내구성을 저하시키는 문제가 있음
기술 개선 필요성
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따라서, 극한 기후에서 콘크리트의 동결을 방지하고 콘크리트에 쌓인 눈을 빨리 녹여 제설제 사용을 감소시키는 콘크리트 제조 방안이 필요함
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본 발명에서는 상변이물질의 열전도율이 낮아 열효율이 감소되는 문제를 열전도성이 높은 다중벽 탄소나노튜브를 첨가하여 열전도성을 향상시킬 수 있음
구현방법
기술 원리 및 구현 과정
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이 기술은 상변물질을 다중벽 탄소나노튜브와 혼합하여 현탁액을 만들고, 이를 경량골재의 구멍에 주입하는 원리로 작동함.
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이 과정을 통해 에너지를 효율적으로 흡수하고 방출하는 상변물질이 포함된 경량골재를 제공함.
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경량골재는 다양한 자연과 인공 골재 중 선택하여 사용할 수 있으며, 특정 크기와 체적의 구멍을 가짐.
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다중벽 탄소나노튜브를 액상 상태의 상변물질에 섞어 나노-상변물질을 만들고, 이를 제거한 다공성 경량골재의 미세기공에 주입함.
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주입된 경량골재를 냉각하고, 필요에 따라 경량골재의 표면에 방수코팅을 실시한 후, 제조된 경량골재를 총 콘크리트 체적의 70~80% 비율로 사용하여 열저장 콘크리트를 제조함.
기술 장점 및 제한 사항
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에너지를 효율적으로 흡수하고 방출하는 상변물질이 들어간 경량골재를 제공함으로써 열 효율과 열 피로 저항을 개선함.
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경량골재의 구멍에 상변물질을 주입하는 과정은 진공 또는 가압 과정을 통해 효과적으로 실행할 수 있음.
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추가적으로 탄소나노튜브를 더 주입함으로써 콘크리트 외부의 열을 유지할 수 있음.
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제한 사항으로는 고온에서 소성해야 하는 골재의 경우 에너지 소비가 크며, 상변물질의 선택에 따라서 상변화 온도 범위가 제한적일 수 있음.
실험 및 결과
실험 목적 및 방법
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상변물질을 포함한 경량골재의 제조 과정과 그 특성을 검증하는 것을 목표로 함.
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기존의 콘크리트 대비 열 효율과 열 피로 저항을 개선할 수 있는지 확인하고자 함.
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다중벽 탄소나노튜브를 액상 상태의 상변물질에 섞어 나노-상변물질을 제조하고, 이를 제거한 다공성 경량골재의 미세기공에 주입하고 냉각시킴.
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경량골재를 총 콘크리트 체적의 70~80% 비율로 사용하여 열저장 콘크리트를 제조하고, 이를 통해 열 효율과 열 피로 저항을 측정함.
실험 결과 및 제한 사항
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상변물질을 포함한 경량골재의 제조가 가능하며, 특정 조건에서는 기존 콘크리트보다 높은 열 효율과 열 피로 저항을 보임.
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탄소나노튜브를 추가로 주입함으로써 콘크리트 외부의 열을 유지하는 것이 가능함을 확인함.
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제한 사항으로는 고온에서 소성해야 하는 골재의 경우 에너지 소비가 크며, 상변물질의 선택에 따라서 상변화 온도 범위가 제한적일 수 있음을 확인함.
발명의 활용 방안
제품과 서비스의 적용
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나노-상변이물질(nano-PCM)은 고체-액체 상전이 동안 열에너지를 흡수하고 방출되는 잠열을 저장하며, 이를 콘크리트 제조에 활용하면 제설제 사용량을 줄이고 동결/해동 주기를 단축할 수 있음
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나노 재료의 첨가는 열 흐름과 상 변화 재료의 열 피로도를 개선하여 용융 및 동결 주기의 수를 증가시킴
산업 및 사회적 가치 창출
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나노 PCM 골재를 추가하여 극한 기후에서 콘크리트 도로를 더 따뜻하게 만들어 에너지, 제설 및 유지 관리 비용을 절약할 수 있음
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건설 산업이 스마트하고 지속 가능한 인프라로 이동함에 따라 이 기술은 에너지 수요를 충족하는데 활용될 수 있음
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저온에서 열 조절을 유지할 수 있는 콘크리트를 제공하여 건설 및 건축 부문에 큰 도움을 제공함
기대효과
기술적 혁신
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나노-상변이물질(nano-PCM)은 열전도도가 높아 상변이물질의 열전도도를 향상시키며, 내부에 포함된 nano-PCM의 누수를 방지하여 열 효율을 높일 수 있음
사회적 가치
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콘크리트 제조에 나노-상변이물질을 적용하면 제설제 사용량을 줄이고 동결/해동 주기를 단축하여 사회적 가치를 창출함
장기적인 비전
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건설 산업이 스마트하고 지속 가능한 인프라로 이동함에 따라 이 기술은 에너지 수요를 충족하는데 활용될 것으로 기대됨
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저온에서 열 조절을 유지할 수 있는 콘크리트를 제공하여 건설 및 건축 부문에 큰 도움을 제공하며, 이를 통해 산업의 성장과 기술 발전에 기여할 것으로 예상됨
시장 동향
도로 건설 시장 동향
나노기술 시장 동향
기술 SWOT 분석
Strengths
열 효율성 향상
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다중벽 탄소나노튜브를 첨가하여 열전도성을 향상시키고, 에너지를 효율적으로 흡수하고 방출하는 상변물질이 포함된 경량골재를 제공함으로써, 열 효율과 열 피로 저항을 개선합니다.
제설제 사용량 감소
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나노-상변이물질(nano-PCM)을 활용하여 콘크리트에 쌓인 눈을 빨리 녹여 제설제 사용을 감소시킵니다.
경제적 이점
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에너지, 제설 및 유지 관리 비용을 절약할 수 있어 경제적 이점이 있습니다.
Weaknesses
에너지 소비
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고온에서 소성해야 하는 골재의 경우 에너지 소비가 큽니다.
상변화 온도 범위 제한
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상변물질의 선택에 따라서 상변화 온도 범위가 제한적일 수 있습니다.
Opportunities
스마트 건설 산업
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건설 산업이 스마트하고 지속 가능한 인프라로 이동함에 따라 이 기술은 에너지 수요를 충족하는데 활용될 수 있습니다.
건축 부문의 도움
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저온에서 열 조절을 유지할 수 있는 콘크리트를 제공하여 건설 및 건축 부문에 큰 도움을 제공합니다.
Threats
기존 콘크리트와의 경쟁
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기존 콘크리트 제조 방식과의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.
나노-상변이물질의 제한성
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나노-상변이물질의 특성상, 특정 조건에서만 열 효율과 열 피로 저항을 개선할 수 있습니다.
Summary
Strengths
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열 효율성을 향상시키고, 제설제 사용량을 감소시키며, 경제적 이점을 제공합니다.
Weaknesses
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에너지 소비가 크고, 상변화 온도 범위가 제한적일 수 있습니다.
Opportunities
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스마트 건설 산업의 발전과 건축 부문의 도움을 받을 수 있습니다.
Threats
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기존 콘크리트와의 경쟁과 나노-상변이물질의 제한성이 있습니다.
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