KR101841945B1

KR101841945B1 - 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101841945B1
Application number: KR1020170180082A
Authority: KR
Inventors: 김수민; 정수광; 장성진; 위승환
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-03-26
Also published as: KR20180001546A

Abstract

축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는, 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계; 시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성하는 단계; 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합하는 단계; 및 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 응결 및 경화시켜, 건축용 콘크리트를 형성하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 생성된 축열 콘크리트는 건축물의 피크온도 저감과 더불어 타임랙 효과를 가져와 쾌적온도 범위에서 열적 관성을 유지시켜 줄 수 있으며, 지방산 계열 상변화 물질을 사용하므로, 친환경적이며 경제적이다.

Description

축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트 및 이의 제조 방법{HEAT STORAGE PROPERTIES ENHANCED SSPCM CONCRETE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 열적 성능을 보유한 건축자재 개발에 부응하는 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

현재 전 세계는 인류활동으로 인한 에너지 고갈과 이산화탄소(CO₂)를 주 원인으로 한 온실가스(GreenHouse Grass; GHG)에 따른 지구온난화 방지에 최우선의 노력을 기울이고 있다. 따라서, 에너지 저감 및 이산화탄소(CO₂) 배출 저감 대책은 국가는 물론 국제적 차원에서 매우 중요한 과제이다. 이에 따라, 기후변화 협약과 더불어 에너지 절약을 통한 온실가스 감축은 세계적 추세로 자리매김하고 있으며, 건축물은 전체 온실가스 배출량의 35%를 차지하기 때문에 건축물에서의 에너지 절약은 전체 이산화탄소 감축에 지대한 영향을 미친다.

한편, 최근 국내에서는 주택문화 및 생활 환경의 변화에 따라, 실내 환경에 대한 쾌적성 향상에 대한 요구가 더욱 증가되고 있다. 따라서, 건물의 에너지 절약과 실내 환경의 쾌적성을 유지하는 융합기술 개발이 요구되는 시점이며, 이러한 기술은 크게 냉난방과 단열기술로 나뉠 수 있다. 한국의 주택은 전통적 좌식 구조로서, 온수순환 시스템을 통한 온돌바닥을 이용해 실내벽의 표면온도를 높여 재실자의 복사 발열량을 줄여 주는 난방방식이다.

복사난방의 쾌적감을 높이기 위해서는 실내의 난방열을 일정하게 공급하여 온돌바닥과 실내공기의 온도차를 낮게 해야 하며, 냉방의 경우도 그 반대로 실내의 일정한 공기온도를 제어하지 못할 경우 그 불쾌감은 크게 높아진다. 따라서, 난방기와 냉방기의 과다운전으로 인한 에너지 문제가 크게 우려되는 방식이라 할 수 있다.

이에, 최근 에너지 절감에 대한 관심이 증가하고 있으며, 에너지 소비의 큰 비중을 차지하는 건축분야에서 고열효율 건축자재를 개발하려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 열에너지를 효과적으로 저장하는 물질 중 하나인 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 이용하는 잠열축열 방식의 에너지 저장 방식이 각광받고 있다.

상변화 물질은 온도의 변화에 따라 상(Phase)이 변하는 물질로, 물질이 고체에서 액체, 혹은 액체에서 고체로 상이 변할 때 잠열의 형태로 열에너지를 축적하는 특성을 가지고 있다. 잠열은 물질의 상태변화에 따른 흡수 또는 방출하는 열을 말하며, 온도변화에 따른 현열에 비해 열에너지 저장 효율이 매우 뛰어난 것이 특징이다.

이러한 상변화 물질이 지닌 높을 축열성능을 이용하여 축열재로서 건축물에 적용하려는 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 상변화 물질이 고체에서 액체나 액체에서 고체로 상이 변화하는 동안의 누출의 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상변화 물질은 그 자체로 건축물에 적용하기 어려우며 이를 방지하기 위한 상 안정화를 시켜야 한다.

정수광, 장성진, 임재한, 김희선, 류성룡, 김수민, "축열 성능 향상 SSPCM 혼합 콘크리트 제조 및 열적특성 분석", 한국태양에너지학회 논문집, Journal of the Korean Solar Energy Society v.35 민해원, "상안정 상변화물질(SSPCM) 혼입 콘크리트의 역학적 특성 및 최적배합설계에 관한 연구", 학위논문(석사), 이화여자대학교 대학원

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는, 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계; 시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성하는 단계; 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합하는 단계; 및 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 응결 및 경화시켜, 건축용 콘크리트를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상변화 물질은, 코코넛유 및 팜유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상변화 물질은, 옥수수유, 면실유, 땅콩유, 올리브유, 팜핵유, 유채유, 캐놀라유, 참깨유, 대두유, 해바라기유, 피마자유, 아마인유, 홍화유, 자트로파유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계는, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 개질 탄소에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계는, 진공 상태에서 상기 지방산계 상변화 물질을 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP)에 함침하는 단계; 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 여과지를 이용하여 필터링하는 단계; 및 상기 상변화 물질이 함침된 박리 흑연 나노플레이트를 진공 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성하는 단계는, 상기 물과 시멘트 비율은 30%일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합하는 단계는, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 질량대비 10wt% 내지 30wt%의 비율로 혼합할 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 콘크리트는, 상기 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는, 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시킨 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM); 및 상기 지방산계 상안정 상변화 물질과 혼합되는, 시멘트와 물을 혼합한 시멘트 혼합재를 포함하고, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질은 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP) 물질을 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 물과 시멘트 비율은 30% 일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질은 상기 시멘트 질량대비 10wt% 내지 30wt%의 비율로 혼합될 수 있다.

이와 같은 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트에 따르면, 기존 콘크리트에 비해 잠열 성능이 획기적으로 우수(약 4배)하며, 열전도율, 타임래그(Time lag) 효과 및 피크온도 저감 효과 역시 향상된다. 이에 따라, 국내와 같이 바닥복사 난방을 통하여 열원을 공급하는 경우, 바닥 및 천장을 형성하는 콘크리트 슬래브에 상변화 물질을 적용함으로써 건축물에서의 냉난방 비용 저감효과 및 실내 쾌적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는 지방산 계열 상변화 물질을 사용하여, 친환경적이며 파라핀 계열 상변화 물질에 비해 제조 단가도 낮출 수 있어 경제적이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법의 흐름도이다.
도 2는 코코넛유 및 팜유의 특성을 보여주는 표이다.
도 3은 xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 SEM 영상이다.
도 4는 xGnP에 함침된 팜유 SSPCM의 SEM 영상이다.
도 5는 FT-IR 스펙트라와 결합 파동수 범위를 보여주는 표이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 SSPCM의 FT-IR 스펙트라를 보여주는 그래프이다.
도 7은 xGnP에 함침된 코코넛유의 열전도율을 보여주는 그래프이다.
도 8은 xGnP에 함침된 팜유의 열전도율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조된 SSPCM과 코코넛유, 팜유의 열전도율과 증가율을 보여주는 표이다.
도 10은 xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 열적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 11은 xGnP에 함침된 팜유 SSPCM의 열적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 SSPCM과 코코넛유, 팜유의 융해 시 열적 특성을 보여주는 표이다.
도 13은 본 발명에 따라 제조된 SSPCM과 코코넛유, 팜유의 냉각 시 열적 특성을 보여주는 표이다.
도 14는 xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 15는 코코넛유의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 16은 xGnP에 함침된 팜유 SSPCM의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 17은 팜유의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 측정에 사용된 축열 콘크리트 공시체의 사진이다.
도 19는 본 발명에 따라 제조된 축열 콘크리트의 엔탈피 결과 분석을 보여주는 그래프이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법의 흐름도이다.

본 발명은 건축분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 바닥 및 천장을 형성하는 콘크리트 슬래브에 친환경적이고, 가격이 저렴한 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 적용함으로써, 축열 성능이 높이 건축자재를 제공하고자 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는, 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성한다(단계 S10).

이러한 상변화 물질이 지닌 높은 축열성능을 이용하여 축열재로서 건축물에 적용하려는 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 상변화 물질이 고체에서 액체나 액체에서 고체로 상이 변화하는 동안의 누출의 문제가 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위한 상 안정화 기법에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 즉, 상변화 물질을 건축물에 적용하기 위해서는 상 안정화 과정이 필수적이다.

상변화 물질을 건축물에 적용하기 위해서는 상변화 물질의 성질과 분류에 따른 특성을 잘 알아야 한다. 상변화 물질은 기본적으로 열을 축적하거나 방출하는 방식으로 건축물 내의 냉난방 부하를 감소시키면서 그 고유의 역할을 수행할 수 있어서 상변화 물질의 열역학적인 성질은 건축물 적용에 있어 매우 중요하다. 같은 상변화 물질이라도 잠열의 성능이 우수한 것의 효율이 높다.

각 각의 상변화 물질은 종류마다 서로 다른 용융점과 응고점을 가지고 있다. 따라서, 재실자가 느끼는 쾌적한 온도범위에서 상변화를 일으키는 상변화 물질을 적용하면 에너지 측면에서 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 아직 가격이 고가라는 단점이 있다. 지방산 계열의 상변화 물질은 유기 상변화 물질에 속하며, 가격이 비교적 저렴하게 형성되어 있다.

일 실시예로, 상기 지방산계 상변화 물질은, 코코넛유 및 팜유 중 적어도 하나일 수 있다. 상온에서의 코코넛유와 팜유의 물성을 도 2에 나타내었다.

또한, 상기 지방산계 상변화 물질은, 옥수수유, 면실유, 땅콩유, 올리브유, 팜핵유, 유채유, 캐놀라유, 참깨유, 대두유, 해바라기유, 피마자유, 아마인유, 홍화유, 자트로파유 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않으며, 지방산계 상변화 물질을 필요에 따라 선택할 수 있다.

상기 지방산계 상변화 물질은 개질 탄소에 함침시키는 진공 함침법으로 상안정시킬 수 있다. 예를 들어, 지방산계 상안정 상변화 물질을 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP)에 함침시켜, 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP) 물질을 포함할 수 있다.

구체적으로, 먼저 상안정된 상변화 물질을 제조하기 위해, 먼저 상변화 물질을 xGnP에 함침시킬 수 있다. 이때, 상변화 물질을 xGnP에 함침시키는 것은, xGnP가 액상 상변화 물질에 푹 잠기도록 할 수 있다. 한편, 함침은 xGnP 상변화 물질의 충분한 함침을 위해서 약 20~40분간 수행하는 것이 바람직하다.

상변화 물질을 xGnP에 함침시킨 후, 함침되지 못한 상변화 물질을 필터링할 수 있다. 이때, 탄소나노재료 및 나노 크기의 xGnP와 함침되지 못한 상변화 물질을 걸러내기 위하여 유리 섬유 재질의 여과지를 이용하여 필터링할 수 있다. 상기 여과지의 여과 크기는 0.1~2㎛인 것이 바람직하다.

상기 여과지는 2 내지 4장 겹쳐서 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 한 장의 여과지만 사용하는 경우에 비해 필터링 과정에서 나노입자가 빠져나가는 것이나 여과지가 찢어지는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 한편, 여과지를 여러 겹 사용할 경우 각각의 여과지는 다른 여과 크기를 가질 수 있다. 상기 필터링 단계를 부가함으로써 함침되지 못한 상변화 물질을 여과지에 모을 수 있어, 함침되지 못한 상변화 물질을 재활용할 수 있는 효과가 있다.

필터링 과정을 수행한 후, 상변화 물질이 함침된 xGnP를 진공건조할 수 있다. 이때, 진공 건조는 약 60~100℃의 온도에서 약 20~80시간동안 수행하는 것이 바람직하다. 약 20시간 이상의 건조를 통해 상변화 물질의 기름진 성질을 제거할 수 있으며, 건조를 진공 상태에서 수행함으로써 상변화 물질의 증발을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

진공함침법으로 제조된 지방산 계열 상변화 물질의 형태를 분석하기 위하여 SEM 측정을 실시하였다. 도 3과 도 4는 코코넛유와 팜유가 함침되고 난 후, xGnP의 SEM 이미지를 보여준다. 도 3 및 도 4를 참조하면, xGnP의 입자들 사이에 코코넛유와 팜유가 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 지방산 계열 상변화 물질과 탄소 나노 재료의 상호작용을 알아보기 위해서 지방산 계열 상변화 물질의 구조 간 화학적 결합을 FT-IR분석을 통해서 알아보았다. 순수한 코코넛유와 팜유의 대표적인 피크점은 2920, 2851cm^-1 에서 나타나며, 도 5와 같이 이는 각각 에스테르의 -CH₃, -CH₂기를 나타낸다. 또한, 1740, 1149-1157cm^-1 범위의 파동수는 각각 C=O, C-O기를 나타낸다.

도 6을 참조하면, xGnP에 코코넛유와 팜유를 함침시킨 SSPCM의 피크와 코코넛유와 팜유의 피크가 동일함을 알 수 있다. 이는 코코넛유, 팜유와 탄소 나노 재료 간 화학적 결합이 일어나지 않고, 물리적 결합만이 이루어졌음을 나타낸다. 따라서, 두 물질은 혼합 후에도 고유의 물성이 변함없이 안정된 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 열전도율이 낮은 문제점을 극복하기 위하여 열전도율이 높은 다공성 탄소나노재료인 xGnP에 코코넛유와 팜유를 함침시킨 후, TCi를 이용하여 xGnP에 함침된 코코넛유, 팜유 SSPCM의 열전도율을 측정하였다. 코코넛유와 팜유의 녹는점이 상온보다 낮은 관계로 측정 시 온도를 9℃로 설정하여 측정하였다.

xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 열전도율은 약 1.3303W/m·K으로 순수한 코코넛유의 열전도율인 0.3210W/m·K보다 약 414% 상승하였다. xGnP에 함침된 팜유 SSPCM의 열전도율은 약 1.2638W/m·K으로 순수한 팜유의 열전도율인 0.2891 W/m·K보다 약 437%의 상승률을 보였다. 두 SSPCM 모두 400%이상의 증가율을 보였으며 낮은 열전도율이 고열전도율 탄소나노재료인 xGnP에 함침되어 4배가량 증가되었음을 도 7과 도 8을 통해 확인할 수 있다. 제조된 SSPCM과 코코넛유, 팜유의 열전도율과 증가율을 도 9에 나타내었다.

한편, DSC 분석을 통해 코코넛유와 팜유, xGnP에 함침된 코코넛유, 팜유의 녹는점, 냉각점, 잠열량 등의 열 성능을 평가할 수 있다. 도 10을 참조하면, 순수한 코코넛유는 냉각 시 7.34℃에서 상변화 피크를 가지며 승온 시 23.14℃에서 피크를 나타냄을 알 수 있다. xGnP에 함침된 코코넛유의 히트 플로루(Heat flow)는 냉각 시 10.84℃, 승온 시 22.67℃의 피크를 나타내었으며, 약간의 오차를 제외하고는 순수한 코코넛유의 흐름과 유사한 경향성을 보였다. 또한, 녹는점과 냉각점의 차이가 비슷하게 유지되었으므로 과냉각 현상에 대한 우려가 발생하지 않았다.

도 11을 참조하면, 순수한 팜유는 냉각 시 7.89℃와 1.60℃에서 상변화 피크를 가지며 승온 시 8.60℃와 0.02℃에서 피크를 나타냄을 알 수 있다. xGnP에 함침된 팜유의 히트 플로루는 냉각 시 5.52℃와 -1.08℃, 승온 시 6.82℃와 -1.83℃의 피크를 나타내었으며, 코코넛유와 마찬가지로 유사한 경향성을 보였다.

냉각점과 녹는점 그리고 히트 플로루(Heat flow)의 피크값을 적분하여 계산한 잠열량과 잠열량 변화율을 도 12와 도 13에 나타내었다. xGnP에 함침된 코코넛유의 냉각점은 14.95℃이며 녹는점은 26.93℃로, 순수한 코코넛유의 냉각점 14.76℃와 녹는점 26.78℃가 거의 동일하게 나타났다.

xGnP에 함침된 팜유 역시 마찬가지로 냉각점은 9.20℃이며 녹는점은 18.33℃로, 순수한 팜유의 냉각점 8.55℃와 녹는점 17.26℃가 거의 동일한 경향성을 보였다. 이는 코코넛유와 xGnP 사이에 화학적 반응이 일어나지 않았기 때문에 본래의 열 성능이 유지되었기 때문으로 판단된다.

xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 냉각 시 잠열량은 77.64J/g, 융해 시 잠열량은 82.34J/g이며, 순수한 코코넛유의 비교하였을 때 냉각 시 잠열량은 105.0J/g, 융해 시 잠열량은 110.4J/g으로 약 25%의 잠열량 감소율을 보였다. xGnP에 함침된 팜유 SSPCM 역시 마찬가지로 냉각 시 잠열량은 33.58J/g, 융해 시 잠열량은 77.18J/g이며, 순수한 팜유의 경우 냉각 시 잠열량은 53.75J/g, 융해 시 잠열량은 127.3J/g으로 약 38%의 잠열량 감소율을 보였다. 이는 xGnP의 3차원 그물 구조가 PCM의 열 흐름을 방해하여 PCM의 잠열량 감소를 일으킨다고 분석된다.

지방산 계열 상변화 물질의 열적 안정성은 TGA 분석을 통해 평가할 수 있으며, 분석 결과로 xGnP에 함침된 코코넛유, 팜유 SSPCM을 상온 20℃에서 600℃까지 상승시킴에 따라 열분해 된 판단할 수 있다.

도 14는 xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM의 TGA 곡선을 나타낸다. 약 245℃에서 열분해를 시작하였으며 약 420℃ 초과 시 혼합물에서 xGnP에 함침된 코코넛유 SSPCM만 남아있음을 알 수 있다. xGnP는 거의 순수한 탄소 나노 재료로 본 연구에서 수행한 TGA 온도 범위 대에서는 열분해 되지 않기 때문에, 열분해 된 물질은 코코넛유이며, 질량대비 xGnP에 함침된 코코넛유는 76.07%이다. 도 15의 순수한 코코넛유의 열적 안정성 분석 결과와 비교해 보았을 때 유사한 경향성을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 16은 xGnP에 함침된 팜유 SSPCM의 TGA 곡선을 나타낸다. 약 260℃에서 열분해를 시작하였으며 약 480℃ 초과 시 혼합물에서 xGnP에 함침된 팜유 SSPCM만 남아있음을 알 수 있다. xGnP는 TGA 분석을 수행한 온도범위에서 열분해 되지 않기 때문에, 열분해 된 물질은 팜유인 것으로 판단되며, 질량대비 xGnP에 함침된 팜유는 80.07%이다. 도 17의 순수한 팜유의 열적 안정성 분석 결과와 비교해 보았을 때 유사한 경향성을 보이는 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, xGnP에 함침된 코코넛유, 팜유 SSPCM은 100℃ 이하의 온도범위에서 질량변화를 일으키지 않으므로, 건축물에 적용할 시 열적 안정성을 가진다고 판단된다.

단계 S10에서 지방산계 상안정 상변화 물질을 생성하는 한편, 시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성한다(단계 S30).

그러나, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 생성하는 단계(단계 S10)가 상기 시멘트 혼합재를 생성하는 단계(단계 S30)보다 먼저 수행되거나 동시에 수행될 수 있다.

*시멘트와 물 혼합시, 시멘트와 및 물의 혼합비를 1:0.3 ~ 1:1 로 선택할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 물을 시멘트의 30% 비율로 혼합할 수 있다.

시멘트와 물을 혼합한 후, 시멘트 혼합재를 일정 시간동안 경화시킬 수 있다. 이때, 시멘트 혼합재를 일정 시간동안 경화시키는 것은 시멘트 혼합재의 점도를 높이기 위함으로, 시멘트 혼합재가 고체가 될 때까지 경화시키는 것이 아닌 일정치 이상의 점도를 가질 때까지 경화시키는 것을 의미할 수 있다. 시멘트에 따라 일정치 이상의 점도를 가질 때까지 걸리는 시간이 다를 수 있다.

상기 시멘트 혼합재를 생성되면(단계 S30), 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합한다(단계 S50). 이때, 경화된 시멘트 혼합재에 지방산계 상안정 상변화 물질을 혼합하는 것은, 상기 시멘트 질량대비 10wt% 내지 30wt%의 비율로 지방산계 상안정 상변화 물질을 혼합하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 질량대비 10wt%, 20wt% 및 30wt% 중 하나의 비율로 혼합할 수 있다.

상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 응결 및 경화시켜, 건축용 콘크리트를 형성한다(단계 S70). 이때, 몰드를 이용할 수 있다. 예를 들어, 슬럼프치는 120mm, 최대 골재 사이즈는 25mm 그리고 공기량은 1.5로 설정하여 제작할 수 있다.

일 실시예로, 축열 콘크리트 사이즈는 지름 6cm, 높이 12cm의 원통형 공시체 몰드를 사용하여 제작할 수 있다. 혼합 이후 28일 수중양생을 거쳐 최종적으로 축열 콘크리트를 제조할 수 있다. 도 18은 본 발명의 측정에 사용된 축열 콘크리트 공시체의 사진이다.

단계 S70에서, 만들고자 하는 콘크리트의 크기 및 형태에 따라 미리 제작된 몰드에 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 투입할 수 있다. 다음으로, 몰드에 투입한, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 응결 및 경화시킬 수 있다.

이때, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 경화시키는 것은, 상기 단계 S30과 다르게 시멘트 혼합재가 고체가 될 때까지 완전히 경화시키는 것을 의미할 수 있다. 끝으로, 경화된 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 몰드로부터 탈형시켜 축열성능이 향상된 건축용 콘크리트를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 축열성능이 향상된 건축용 콘크리트의 성능을 실험하기 위해, DSC 분석결과를 기반으로 비열값을 산정하고 엔탈피를 계산하였다. 분석은 0, 10, 20 그리고 30wt%의 SSPCM이 혼합된 콘크리트로 진행하였다.

도 19는 축열 콘크리트의 혼합율에 따른 엔탈피 결과를 보여준다. 도 19를 참조하면, SSPCM의 혼합량이 많아질수록 최종 엔탈피가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 80℃까지 승온시킨 시점에서 일반 콘크리트의 경우 398.83J/g의 엔탈피를 갖는 것을 확인하였다. 그리고, 10wt%의 SSPCM이 들어간 콘크리트의 경우 459.64J/g인 것을 확인하였고, 20wt%와 30wt%의 SSPCM을 혼합시킨 축열 콘크리트의 경우 각각 602.77J/g과 716.67J/g의 엔탈피 값을 갖는 것으로 분석하였다.

중요한 것은 PCM의 상변화가 일어나는 시점에서 엔탈피 값이 크게 상승했다는 점이다. 즉, 상변화 온도 구간에서 축열량이 크게 증가해 전체 엔탈피 값의 상승을 가져왔다. 또한, 현열 구간에서 역시 SSPCM이 많이 들어간 콘크리트의 기울기가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이것은 0℃에서 상변화 구간에 도달하기까지 엔탈피 총합이 SSPCM이 많이 들어갈수록 큰 것을 통하여 알 수 있다. 향후 콘크리트 시공 시 다양한 상변화 온도를 가진 PCM을 적용함으로써 축열성능 향상을 가져올 수 있을 것으로 판단된다.

본 발명에 따른 상누출과 낮은 열전도율을 극복한 SSPCM을 콘크리트에 적용시킴으로써 콘크리트의 축열 성능을 개선시켰다. 이렇게 제작된 축열 콘크리트는 건축물의 피크온도 저감과 더불어 타임랙 효과를 가져와 쾌적온도 범위에서 열적 관성을 유지시켜 줄 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트는 지방산 계열 상변화 물질을 사용하여, 친환경적이며 파라핀 계열 상변화 물질에 비해 제조 단가도 낮출 수 있어 경제적이다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

건축물에 상변화 물질이 적용되었을 때의 에너지 절감 성능에 대한 연구는 활발히 진행되고 있는 상태이며 그 효과에 대해서는 이미 연구결과가 많이 제시되어 있는 상황이다. 이러한 시점에서 건축물의 각 구조체나 건축마감재에 상변화 물질을 적용시킴으로써, 추후 건축자재 관련 산업이나 에너지 관련 산업 등의 시장에서 본 발명을 활용하여 경쟁력을 갖출 수 있을 것이라 판단된다.

Claims

지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계;
시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성하고, 상기 시멘트 혼합재를 고체가 되기 전 일정치 이상의 점도를 가지도록 일정시간 동안 경화시키는 단계;
상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합하는 단계;
미리 제작된 몰드에 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 투입하고, 상기 몰드에 투입된 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재가 고체가 될 때까지 응결 및 경화시켜, 건축용 콘크리트를 형성하는 단계; 및
경화된 상기 지방산계 상안정 상변화 물질이 혼합된 시멘트 혼합재를 상기 몰드로부터 탈형시키는 단계;를 포함하고,
상기 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계는,
상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 개질 탄소에 함침시키는 단계; 및
함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 여과지를 이용하여 필터링하되, 함침되지 못한 상변화 물질을 모아 재활용할 수 있도록 서로 다른 여과 크기를 갖는 복수의 여과지를 겹쳐서 필터링하는 단계를 포함하는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 지방산계 상변화 물질은, 코코넛유 및 팜유 중 적어도 하나를 포함하는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 지방산계 상변화 물질은, 옥수수유, 면실유, 땅콩유, 올리브유, 팜핵유, 유채유, 캐놀라유, 참깨유, 대두유, 해바라기유, 피마자유, 아마인유, 홍화유, 자트로파유 중 적어도 하나를 포함하는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 개질 탄소에 함침시키는 단계는,
진공 상태에서 상기 지방산계 상변화 물질을 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP)에 함침시키는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 지방산계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 상 안정화시켜 지방산계 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계는,
상기 상변화 물질이 함침된 박리 흑연 나노플레이트를 진공 건조하는 단계를 포함하는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 시멘트와 물을 혼합하여 시멘트 혼합재를 생성하는 단계는,
상기 물과 시멘트 비율은 30%인, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 혼합재에 혼합하는 단계는,
상기 지방산계 상안정 상변화 물질을 상기 시멘트 질량대비 10wt% 내지 30wt%의 비율로 혼합하는, 축열 성능이 향상된 상안정 상변화 물질 적용 콘크리트의 제조 방법.