미래의 재료: 그래핀과 콘크리트

인구 증가와 급속한 도시화로 인해 건설 산업이 성장하고 있습니다. 그러나 탄소 배출량, 특히 시멘트 기반 제품과 관련된 배출량을 줄이는 데에도 상당한 장애물에 직면해 있습니다. 전통적인 콘크리트와 모르타르를 접착하는 데 사용되는 시멘트를 만들 때 석회석과 기타 재료를 섭씨 1,480도 정도까지 가열합니다. 이 과정에서 대기 중으로 많은 양의 이산화탄소가 방출됩니다. 건설업을 국가로 본다면 배출량 기준으로 미국, 중국에 이어 3위를 차지할 것이다.

엔지니어와 건축가는 그래핀을 콘크리트에 통합함으로써 더 적은 재료를 필요로 하는 구조물을 만들면서도 기존 콘크리트와 동일한 구조적 성능을 달성할 수 있습니다. 그래핀 강화 콘크리트는 일반 콘크리트보다 강도는 2.5배, 투수성은 4배 낮습니다. 원하는 강도를 제공하기 위해 훨씬 적은 양의 시멘트를 사용합니다. 결과적으로 CO2 배출량을 30% 정도 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

2022년 3월, 그래핀 플래그십 파트너인 Versarien은 Cementene™이라는 상표가 붙은 그래핀 강화 혼합물을 사용한 세계 최초의 3D 프린팅 구조물을 공개했습니다. 그런 다음 2022년 9월에 회사는 디자이너 Steuart Padwick과 공동으로 제작하고 Design London에서 선보인 저탄소 예술 작품 Island Steps를 선보였습니다.

아일랜드 계단은 시멘트를 사용하지 않고 지어졌습니다. 대신 건축에 사용되는 모르타르의 강도와 내구성을 높이기 위해 Cementene™을 활용했습니다. 그 결과 현장 안팎에서 편리하게 구축한 후 원하는 위치로 이동할 수 있는 견고하고 속이 빈 구조가 탄생했습니다.

강도 외에도 연구자들은 그래핀의 전도성을 활용하여 케이블 없이 가열되는 벽, 벽지 및 바닥을 만들려고 노력하고 있습니다. 2019년 시멘트 생산업체 Italcementi는 스페인 바르셀로나에서 열린 2019 Mobile World Congress에서 다층 바닥 모형을 전시했습니다. 여기에는 바닥재, 폴리스티렌 단열재, 콘크리트 슬래브, 침구 모르타르 및 세라믹 타일과 함께 그래핀-시멘트 복합재 층이 포함되었습니다.

스마트 콘크리트는 차세대 스마트 빌딩을 선도할 수 있습니다. 그래핀의 전도성과 열적 특성 덕분에 토목 인프라의 응력, 변형, 온도 및 습도를 실시간으로 모니터링하기 위해 전체 표면에 스마트 센서를 배치할 수 있으며, 구조적 무결성이 거의 실패할 경우 경고 신호를 제공합니다.

그래핀 콘크리트의 열과 전기 전도성은 다른 잠재적 응용 분야에 영감을 줍니다. 이는 공항 활주로, 지붕 및 도로의 얼음을 제거하고 전기 자동차의 보다 비용 효율적인 무선 충전, 정전기 방지 바닥재 및 전자파 간섭(EMI) 차폐로 이어질 수 있습니다.

그래핀 첨가제는 세라믹 매트릭스의 내마모성, 열 품질, 균열 저항성 및 전도성을 향상시키는 중요한 충전재입니다.

FLAG-ERA Joint Transnational Call 2017을 통해 자금을 지원받은 Graphene Flagship Partnering Project CERANEA는 그래핀, 육방정계 질화붕소(hBN) 또는 기타 층상 재료뿐만 아니라 질화규소, 실리콘과 같은 세라믹을 포함하는 스택으로 만들어진 재료의 특성을 탐구했습니다. 탄화물과 지르코니아. 이러한 재료는 전기 아크로 인한 손상에 대해 현재의 세라믹보다 더 강하므로 접점 및 스위치의 오래 지속되는 코팅으로 사용할 수 있습니다.

또한, 그래핀, 질화규소 또는 질화규소-지르코니아를 사용한 복합재는 정형외과 분야에서 새로운 생체의학 임플란트로 연구되고 있습니다. 세라믹-그래핀 복합재에서 그래핀의 양이 달라지면 자연 뼈의 자연적인 형태를 모방하는 다양한 다공성이 발생합니다.

참고자료:

롤러 디스코 대 기후 변화: 그래핀이 건설 산업을 어떻게 변화시키고 있는지 https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the- 건축 산업/

Versarien "건설 부문을 위한 그래핀" 백서 2021 https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector__-_final_version.pdf