최범균
(Beom Gyun Choi)
1iD
박종건
(Jong Gun Park)
2†iD
윤창호
(Chang-ho Yun)
3
허광희
(Gwang Hee Heo)
4iD
-
정회원 · 한국스마트구조시스템 연구원
(Korea Smart Structural Systems Research Institute)
-
정회원 · 교신저자 · 건양대학교 공공안전연구소 전임연구원, 공학박사
(Corresponding Author · Researcher, Public Safety Research Institute, Konyang University)
-
건양대학교 재난안전공학과 박사과정
(Ph.D. Student, Dept. of Disaster Safety Engineering, Konyang University)
-
종신회원 · 건양대학교 해외건설플랜트학과 교수, 공학박사
(Professor, Dept. of Overseas Construction Plant, Konyang University)
Copyright 2026 by the Korean Society of Civil Engineers
핵심용어
삼상 복합, 전기 발열, 시멘트 모르타르, 전기 비저항, 발열, 미세구조 특성
Keywords
Three-phase composite, Electrical self-heating, Cement mortar, Electrical resistivity, Joule heating, Microstructural characteristics
1. 서 론
겨울철 포장도로 및 보도는 결빙으로 인해 교통사고 및 보행자 안전사고의 위험이 증가한다. 이에 따라 염화칼슘 살포를 대체할 수 있는 전기 발열 방식의
제설 및 제빙 시스템이 주목받고 있으며, 전기 발열 콘크리트를 포장 구조물에 적용하기 위한 연구도 지속적으로 수행되고 있다(Liu and Wu, 2013). 특히 전도성 재료를 혼입한 시멘트 모르타르는 전기적 특성과 발열 성능을 동시에 구현할 수 있는 대안으로 평가되고 있다(Gwon et al., 2023). 기존 연구에서는 탄소계 재료 또는 강섬유와 같은 단일 전도성 재료를 혼입한 시멘트 복합체의 발열 거동이 주로 보고되었으며(Wu et al., 2015), 일부 연구에서는 이중 전도성 재료를 혼입하여 발열 성능을 향상시키려는 시도가 이루어졌다. 그러나 전도성 재료 간 상호 작용에 따른 복합 효과,
특히 MWCNT, MCF 및 SF 같은 전도성 재료를 동시에 혼입한 삼상 복합 시멘트 모르타르의 전기 비저항, 발열 특성 및 미세구조를 체계적으로
비교·분석한 연구는 아직 충분히 이루어지지 않았다. 이러한 다중 전도성 재료의 복합 효과를 규명하는 것은 전기 발열 시멘트 모르타르의 성능 향상 및
실용적 적용을 위해 중요한 연구 과제라 할 수 있다. 이에 본 실험에서는 MWCNT, MCF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전기 발열 시멘트 모르타르를
제조하고, 전기 비저항, 발열 및 미세구조 특성을 실험적으로 조사하였다. 또한 재료 간 복합 효과에 따른 발열 성능을 플레인 시멘트 모르타르 및 단일
또는 이중상 전도성 재료를 혼입한 시멘트 모르타르와 비교, 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험 계획
본 실험에서는 MWCNT와 MSF와 CF가 포함된 전도성 모르타르의 발열 성능과 전기저항을 평가하기 위해 실험을 계획하였다. 전도성 모르타르 시편에는
시멘트 중량의 0.0 wt.%, 0.6 wt.%의 비율로 MWCNT를 혼입하였고, 부피의 0.6 vol.%의 비율로 MSF 및 CF를 혼입하였다.
발열 성능 실험은 인가 전압 조건 10 V, 20 V로 구분하여 변수로 적용하였다. 전기저항을 측정 후 비저항으로 환산하였다. 아울러, 발열 실험
후 파단면의 미세구조를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 수행하였다.
2.2 재료
2.2.1 잔골재
균질한 모르타르를 만들기 위해 잔골재는 강원도에서 생산된 표준사를 사용했으며, 표면건조포화 상태에서 잔골재의 비중은 2.65, 흡수율은 0.8 %이다.
2.2.2 시멘트
본 실험에서는 S사에서 제조한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 해당 시멘트의 비중은 3.13, 분말도는 3,860 cm2/g이다.
2.2.3 MSF
본 실험에 사용된 MSF의 특성 분석은 외부 전문기관에 의뢰하였으며, Table 1에 나타나 있다. Fig. 1은 MSF의 형태를 나타낸 것이다.
Table 1. Specifications of the MSF Used in This Study
|
Length($l_f$, mm)
|
Diameter($d_f$, mm)
|
Aspect ratio($l_f/d_f$)
|
Density(g/cm3)
|
Tensile strength(MPa)
|
Elastic modulus(GPa)
|
|
6
|
120
|
50
|
7.85
|
3220
|
≥ 210
|
Fig. 1. Photograph of the MSF Used in This Study
2.2.4 CF
본 실험에 사용된 CF의 특성 분석은 외부 전문기관에 의뢰하였으며, 평균 직경은 7 ㎛, 평균 길이는 6 mm이다 상세한 특성은 Table 2에 제시하였다.
Table 2. Properties of the Carbon Fibers (CF) Used in This Study
|
Length($l$, mm)
|
Diameter($d$, mm)
|
Aspect ratio($l_f/d_f$)
|
Density(g/cm3)
|
Tensile strength(MPa)
|
Tensile modulus(GPa)
|
Electrical resistivity(Ω·cm)
|
|
6
|
7±0.2
|
857
|
1.8
|
4900
|
230
|
1.6 × 10-3 |
2.2.5 MWCNT
MWCNT는 수용액 내에서 분산성이 낮으며, 나노 스케일 입자 간 상호인력으로 인해 혼합 과정에서 응집 현상이 발생하기 쉽다. 이에 수용액 형태로
혼입하면 응집을 줄이고 시멘트 매트릭스 내 균일한 분산이 용이한 것으로 보고되었다(Musso et al., 2009; Sobolkina et al., 2012). 본 연구에서는 발열 특성과 전도성 향상을 위해 수용액에 분산된 액상형 MWCNT를 사용하였다. 사용된 MWCNT의 특성 분석은 외부 전문 기관에
의뢰하였으며, 길이는 100~200 ㎛, 평균직경은 7~12 nm이다. 상세한 특성은 Table 3에 제시하였다. Fig. 2는 사용된 MWCNT의 형상을 보여준다.
Table 3. Properties of the Carbon Nanotubes (MWCNT) Used in This Study
|
Length(mm)
|
Diameter(nm)
|
Aspect ratio($l_f/d_f$)
|
Purity(wt.%)
|
Specific surface area(m2/g)
|
Bulk density(g/cm3)
|
Appearance
|
|
100~200
|
7~12
|
8,000~28,000
|
≥96.5
|
200~250
|
0.08~0.12
|
Black powder form
|
Fig. 2. Photograph of the MWCNT Powder Used in This Study
2.3 시편 준비 및 배합비
2.3.1 시편 준비
Fig. 3은 전도성 모르타르 시편의 제작 공정을 나타내었다. 먼저 시멘트와 잔골재를 저속으로 30초간 혼합한 후, MSF를 투입하여 90초간 건식 혼합을 수행하였다.
이후 배합수와 MWCNT 분산액을 첨가하여 90초간 추가 혼합하였으며, 혼합을 일시 중단한 뒤 믹서 벽면에 부착된 모르타르를 제거하였다. 그 후 고속으로
150초간 최종 혼합을 진행하였다. 전체 혼합 시간은 약 5분으로 설정하였으며, 혼합 과정 중 불필요한 화학적 반응을 방지하기 위해 증류수를 사용하였다.
시편과 구리 매쉬 간의 균일한 접촉을 확보하고 공극을 최소화하기 위해 진동 테이블에서 3분간 진동 다짐을 수행하였다.
Fig. 3. Fabrication Process of Conductive Mortar Specimens. (a) Dry Mixing of Cement and Fine Aggregate for 30 s, (b) Dry Mixing for 90 s after Adding MSF and CF, (c) Wet Mixing of MWCNT, (d) Additional Mixing for 150 s, (e) Insertion of Copper Mesh at the Designated Location, (f) Demolding and Curing after 28 Days
2.3.2 배합비
전도성 모르타르의 배합 설계와 시편 명칭은 Table 4와 같다. 물/시멘트비(W/C)는 0.44로, 모르타르 배합 비율은 시멘트:표준사:물 = 1:2:0.44로 설정하였다. MSF와 CF는 섬유 응집으로
인한 공극 형성을 억제하고 미세구조의 균질성을 확보하기 위해 부피 대비 0.6 vol.%로 제한하였고, MWCNT는 섬유 응집 현상 방지를 위해 시멘트
중량 기준 0.0 wt.%, 0.6 wt.%로 혼입하였다.
Table 4. Mix Design and Specimen Designation of Conductive Mortars
|
Specimen Designation
|
MWCNT(wt.%)
|
MSF(vol.%)
|
CF(vol.%)
|
W/C
|
C/Sratio
|
Unit weight (kg/m3)
|
|
W
|
C
|
S
|
|
PM
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.44
|
1:2
|
277
|
660
|
1,260
|
|
MSF
|
0.0
|
0.6
|
0.0
|
|
CF
|
0.0
|
0.0
|
0.6
|
|
CNT
|
0.6
|
0.0
|
0.0
|
|
MSF+CF
|
0.0
|
0.6
|
0.6
|
|
MSF+CNT
|
0.6
|
0.6
|
0.0
|
|
MSF+CF+CNT
|
0.6
|
0.6
|
0.6
|
2.4 실험방법
2.4.1 전기 비저항 측정
전기 비저항 및 발열 특성 실험은 가로(40 mm) × 세로(40 mm) × 길이(160 wt.%) 크기의 프리즘 시편을 사용하였다. 전기 비저항
측정은 4-point probe 방식과 디지털 멀티미터(Keithley 2100)를 이용하여 각 시편의 전기저항을 측정한 후, 식 $\rho = RA/L$을
통해 전기 비저항으로 환산하였다. 여기서 $\rho$는 전기 비저항(Ω.㎝), $R$은 저항(Ω), $A$는 전류가 통과하는 단면적(cm2), $L$은 전류의 이동 거리(cm)를 의미한다.
2.4.2 발열 성능 실험
각 시편의 발열 성능 평가를 위한 실험 장비의 구성은 Fig. 4에 나타내었다. 전도성 모르타르의 발열 성능을 평가하기 위한 표준화된 시험 규격은 현재까지 명확히 제시되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 선행연구를
참고하여 실험 조건을 설정하였으며, 발열 성능 실험 시 시편 양단에 전극을 배치한 후 클램프를 이용하여 전원 장치와 연결하였고, DC 10 V 및
20 V로 인가 전압을 설정하였다. 이후 동일한 전압을 1초 간격으로 1시간 동안 지속적으로 인가하였다. 동시에 적외선 열화상 카메라를 이용하여 시편
표면의 온도 변화를 실시간으로 관찰하였다. 또한 시편 내 수분의 영향을 최소화하기 위해 상온 조건에서 건조 양생을 수행하였으며, 실험실 환경은 온도
20 ± 0.5℃, 상대습도 50 ± 5 %로 일정하게 유지하였다. 공급 전압의 안정성을 확인하기 위해 디지털 멀티미터를 사용하였고, 감전 및 단락
사고를 방지하기 위하여 모든 시편은 절연 고무판 위에 배치하였다. Fig. 5는 본 실험에 사용된 시멘트 모르타르 시편의 개략도를 보여준다.
Fig. 4. Experimental Setup for Evaluating the Heating Performance of the Specimens
Fig. 5. Schematic Illustration of the Cement Mortar Specimens Used in This Study
2.4.3 FE-SEM 촬영
본 실험에서는 시멘트 매트릭스 내 MSF와 MWCNT의 미세구조적 분포를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 수행하였다. 발열 성능 실험이 종료된 후
경화된 시편을 분쇄하여 관찰용 시료를 준비하였다. 이후 시료 표면의 전도성을 확보하기 위해 진공 조건에서 백금 코팅을 실시하였으며, 코팅 후 약 1시간
동안 건조 과정을 거쳤다. 최종적으로 FE-SEM을 이용하여 시료의 미세구조를 관찰하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 발열성능 분석
Fig. 6은 인가 전압(DC 10 V, 20 V)에 따른 각 시편의 최대 발열 온도를 비교한 결과를 나타낸다. 인가 전압이 20 V이고 MWCNT + MSF
+ CF가 혼입된 시편은 측정 가능 최대 온도인 160℃를 초과하여 발열 온도 측정이 불가능하였다. 이는 MWCNT, MSF 및 CF의 상호 연결로
연속적인 전도성 네트워크가 형성되어 전류 흐름이 증가하고, Joule 발열 효과가 크게 증대되었기 때문으로 판단된다. 전도성 필러의 역할을 살펴보면,
MWCNT는 미세 전도 경로를 형성하고, CF는 중간 전도 경로를 제공하며, MSF는 전극 간 장거리 전도 경로를 강화하여 전도성 네트워크의 연결성을
크게 향상시킨다. 이로 인해 삼상 복합 혼입 시편에서 전기적 시너지 효과가 극대화된 것으로 판단된다. 인가 전압 10 V 조건에서는 MWCNT +
CF 시편과 MWCNT + MSF + CF 시편 간 발열 온도 차이가 크지 않았으나, 20V 조건에서는 MSF가 포함된 시편의 발열 온도가 현저히
증가하였다. 이는 고전압 조건에서 전도성 네트워크가 완전히 활성화되면서 MSF의 시너지 효과가 뚜렷하게 발현되었기 때문으로 판단된다. 반면, 단일
혼입 시편 및 이중 혼입 시편의 경우 전도성 네트워크 형성이 제한적이어서 전기 비저항이 높게 유지되었으며, 그 결과 표면 온도는 20~25℃ 수준에
머물러 발열 성능이 충분히 발현되지 않았다. MWCNT + MSF + CF가 혼입된 삼상 복합 전도성 시멘트 모르타르는 제설 및 제빙 적용에 효과적인
발열 성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 6. Maximum Heating Temperature of Cement Mortars under Different Applied Voltages
3.2 전기 비저항 측정
Fig. 7은 전극 간격 40 mm에서 각 시편의 전기 비저항 측정 결과를 나타낸 것이다. PM 시편은 가장 높은 전기 비저항을 나타냈으며, 단일 또는 이중상의
전도성 재료를 혼입한 시편에 비해, MWCNT + MSF + CF를 모두 혼입한 삼상 복합 시편에서는 전기 비저항이 현저히 감소하였다.
Fig. 7. Electrical Resistivity Measurement Results
3.3 FE-SEM 촬영
본 연구에서는 MWCNT와 MSF, CF의 삼상복합 전기발열 시멘트 모르타르의 미세구조를 관찰하기 위해 FE-SEM을 이용한 이미지 분석을 수행하였다.
Fig. 8은 발열성능 실험 후 파단면에서 채취한 MWCNT + MSF + CF 시편을 촬영한 것이다. Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, MSF와 CF 주변에 MWCNT의 국부적 밀집 분포는 브리징 효과를 통해 전도성 경로를 형성하며, 전자 이동을 용이하게 하여
시편 표면 온도 상승에 기여하는 것으로 판단된다.
Fig. 8. FE-SEM Images of the Specimens
4. 결 론
본 실험에서는 MSF, CF 및 MWCNT가 혼입된 전도성 모르타르를 대상으로 발열 성능, 전기 비저항 및 미세구조 특성을 분석하였으며, 그 결과를
다음과 같이 요약하였다.
(1) 발열 실험 결과 MSF와 CF, MWCNT를 삼상 혼입할 경우 전도성 모르타르의 발열 성능이 향상되었으며, 인가전압 10 V에서 SF + CF
+ CNT의 혼입에 따른 삼상 복합 시편의 표면온도는 85.1℃까지 증가하였고, 인가전압 20 V 조건에서는 측정 가능 온도인 160℃를 초과하여
온도 측정이 불가능하였다.
(2) 전기 비저항 측정 결과 단일 또는 이중상의 전도성 재료를 혼입한 시편에 비해, SF + CF + MWCNT를 모두 혼입한 삼상 복합 시편에서는
전기 비저항이 현저히 감소하였다.
(3) FE-SEM 분석 결과, MSF와 CF 주변에서 MWCNT가 집중적으로 분포하여 전도성 네트워크 구조를 강화시키는 것으로 확인되었다. 이는
시멘트 경화체 내에 전기적 연결성 향상에 기여한 것으로 분석된다. 이러한 섬유 및 나노튜브의 분포 특성은 복합체의 계면 접착력 향상에도 긍정적인 영향을
줄 것으로 기대된다.
Acknowledgements
This research was supported by the Basic Science Research Program through the National
Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (grant no.
NRF-2018R1A6A1A03025542).
This paper has been written by modifying and supplementing the KSCE 2025 CONVENTION
paper.
References
Gwon S., Kim H., Shin M. (2023). "Self-heating characteristics of electrically conductive
cement composites with carbon black and carbon fiber", Cement and Concrete Composites,
Vol. 137
Liu J., Wu J. (2013). "Deicing performance of electrically conductive concrete", Cold
Regions Science and Technology, Vol. 86, pp. 53-59
Musso S., Tulliani J. M., Ferro G., Tagliaferro A. (2009). "Influence of carbon nanotube
structure on the mechanical behavior of cement composites", Composites Science and
Technology, Vol. 69, No. 11-12, pp. 1985-1990
Sobolkina A., Mechtcherine V., Khavrus V., Maier D., Mende M., Ritschel M., Leonhardt
A. (2012). "Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties
of the cement matrix", Cement and Concrete Composites, Vol. 34, No. 10, pp. 1104-1113
Wu J., Liu J., Yang F. (2015). "Three-phase composite conductive concrete for pavement
deicing", Construction and Building Materials, Vol. 75, pp. 129-135