건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2018.6.28 특집기사 요약 (p34~59)

Special Feature
바로 사용 가능한 신세대 소재
얇고 가볍고 강한 ‘콘크리트’와 ‘섬유’가 진화

수지계 소재 등 첨단 소재의 개발이 활발하게 이루어지는 가운데, 자가 치유 콘크리트 (Self-healing concrete)의 실용화를 눈앞에 두고 있다. 이런 이슈가 되는 개발 경쟁 뒤에는 채택 실적을 늘리고 있는 ‘알 만한 사람은 다 아는’ 소재도 있다. 예를 들어 초박육(超薄肉) 콘크리트 패널. 두께가 40mm가 안 되는 유연한 패널로 자유자재로 설계가 가능하다.

끈 모양의 아라미드섬유도 그 중 하나이다. 목조 건축의 내진 보강에 활용하며 누구나 쉽게 시공이 가능하다. 이런 소재들의 공통된 특징은 ‘얇은’ ‘가벼운’ ‘강한’ 소재라는 점이다. 꾸준한 진화를 통해 용도도 크게 확대되었다. 셀룰로오스 나노 화이버 등의 첨단 소재의 동향과 함께, 지금 바로 사용 가능한 주목 받고 있는 소재를 취재했다.

● 5분만에 알 수 있는 주요 신소재의 포인트
타 분야 개발의 신소재가 실용화로

【수지 분야】
■ CNF (셀룰로오스 나노 화이버): 자연 유래의 초극세 섬유로서 수지나 도료에 섞어서 강도를 높인다.
목재 등 식물의 주성분인 셀룰로오스로부터 직경이 수 나노미터(10억분의 1미터, nm)~수 십 나노미터, 길이 수 마이크로미터(100만분의 1미터, ㎛)의 초극세 섬유를 추출하여 만들어지는 소재.

경량에 강도가 높으며 투명 소재로도 적합하다. 제지회사 등이 양산 기술 및 가공 기술의 개발에 주력하고 있으며, 자동차 및 전기∙전자부품, 화장품이나 식품, 건설자재 등 폭넓은 분야에서의 실용화가 기대를 모으고 있다.

▶ 돌파구는 언제?
- 경제산업성은 2030년에 국내에서 시장규모 1조엔으로 전망하고 있으나, 일단은 자동차 산업에서의 보급이 시금석이 된다.
▶ 주택, 건축에 사용하는 메리트는?
- 복합재로서 수지 새시나 발포계 단열재, 도료 등에 넣으면 강도 및 내열 성능을 높일 수 있다.

■ CFRP (탄소섬유강화 플라스틱): 경량에 강조가 높은 것이 매력, 성형 비용의 절감이 돌파구
1970년대, 일본의 연구자가 탄산섬유 케이블을 개발. 가벼움과 강도가 요구되는 항공기 및 자동차 등에 사용되어왔다. 제조공정 중에서도 성형 비용이 많이 들어 건축∙주택에서의 보급은 뒤처져있는 상태이다. 현재, 가나자와(金沢) 공업대학 혁신복합재료 연구개발 센터 등이 비용을 대폭적으로 절감할 수 있는 방법을 연구 중에 있다.

▶ 돌파구는 언제?
- 고마쓰세이렌(小松精練)은 당사의 CFRP제품을 2018년 중에 내진용 보강제로서 JIS화하여 건축 구법에 맞게 제공할 생각. 보급을 위한 하나의 해결책이 될 전망.
▶ 주택, 건축에 사용하는 메리트는?
- 가벼워 좁은 다락방 등에 가져가도 시공하기 쉽다. 열팽창이 적고 잘 휘어지지 않으므로 브레이스 등에 적합하다.

■ 아라미드섬유: 방호복 등으로 폭넓게 사용되어 온 강도 높은 슈퍼 합성섬유
1965년에 미국 듀퐁 사가 개발한 합성섬유로서 국내에서는 테이진(帝人)이 1970년대에 독자 기술을 개발. 타이어 및 광케이블의 보강재(補强材), 소방복이나 방탄조끼 등에 폭넓게 사용되어 왔다. 연율 5`8%로 시장이 성장하고 있는 소재이다. 강재(鋼材)에 비해 중량은 약 5분의 1, 끌어당기는 강도는 약 8배의 성능을 지니고 있다.

▶ 돌파구는 언제?
시트 상태의 것은 보강재로서 JIS화되어 있으며 끈 모양의 것은 시각력응답해석을 시행하면 보강재로서 곧바로 사용할 수 있다.
▶ 주택, 건축에 사용하는 메리트는?
끈 모양의 것은 가볍고 부드러우므로 사람의 손으로 묶을 수 있는 등 작업성이 좋다. 열에 의한 휘어짐이나 변형이 적다.

■ 하이브리드 목재: 탄소섬유 및 철 등을 넣어 강도 및 방화성을 높인다.
■ 대나무: 나무를 대신하는 새로운 구조재이며 부드럽게 구부러져 강도는 나무의 10배
■ 고기능 글라스: 내부에 액정 등을 내장하여 IoT기술과의 융합을 기대

【콘크리트 분야】
■ 자기치유∙자기복구 콘크리트: 타설 시에 기구를 넣어 두면 유지보수 비용의 절감도 가능.
폭 1~4mm정도의 균열일 경우, 콘크리트가 스스로 복구할 수 있는 소재. 박테리아 및 수지 등을 사용한 기구를 집어 넣은 후에 타설 하여 균열이 발생하면 박테리아 및 보수재가 세어 나와 틈새를 메우는 방식. 다리 등 토목구조물, 기성콘크리트, 콘크리트 구조 건축물 등으로의 적용이 산정된다.

▶ 돌파구는 언제?
아이자와(会澤) 고압콘크리트는 박테리아를 사용한 기술의 실용화를 2019년을 목표로 한다. 액체 보수제는 판매된 상태
▶ 주택, 건축에 사용하는 메리트는?
균열이 가기 쉬운 장소에 미리 기구를 넣어 두면 효율적으로 보수가 가능하여 유지비용 절감과 건물의 장수명화를 실현할 수 있다.

■ 초박육(超薄肉) 콘크리트 패널: 소규모 건축에서도 사용할 수 있는 부드러운 PC.
두께 35mm의 칸막이 및 독자적인 차양 패널로 주택에도 기성 콘크리트(PC)를 사용할 수 없을까? 오키나와에 고유의 유공 블록을 지진에 강한 것으로 만들 수는 없을까?

이 2가지 과제를 해결했다. 고강도 콘크리트를 사용하여 탄산섬유 케이블에 의한 긴장과 팽창재로 인한 긴장과의 상승효과로 두께 50mm이하의 패널을 만든다. 유공 가공도 쉽다.

▶ 돌파구는 언제?
2014년에 시작품이 완성. 2015년에 의상실에서 처음으로 실현되었다. 칸막이 및 그늘막, 지붕 등 폭넓은 용도로 확대되고 있다.
▶ 주택, 건축에 사용하는 메리트는?
두께 35mm의 패널을 칸막이에 사용하면 스페이스의 효율적인 이용이 가능하다.

PART1. 콘크리트
복합 기술로 꾸준히 발전

금속과 같이 얇고 부드러운 콘크리트 패널로---. 오키나와 발(發) 소재가 확산되고 있다. 주택 규모에서도 철근을 넣은 콘크리트는 사용할 수 없는 것일까? 그런 의문점이 ‘혁신’을 가져왔다. 최근에 자주 들리는 자기복구 콘크리트를 비롯해, 기술과 기능이 어우러져져 꾸준히 진보하는 움직임을 취재했다.

■ 주목 소재: 초박육 콘크리트 패널
오키나와 발(發), 구조 기술자가 만드는 혁신소재, 두께 20mm도 시야에 넣어 실적을 늘린다.

콘크리트 제품 등의 공장을 배경으로 회색 건물이 서있다. 나하(那覇) 시의 남동, 난조(南城) 시에 2017년 11월 완성된 기켄(技建)의 새로운 본사 빌딩이다. 남서와 북동의 2면을 좁고 긴 세로 루버(LOUVER)로 둘러 쌓여있다.

설명을 듣지 않으면 루버가 콘크리트 제라고 생각하지 못했을 것이다. 1장의 길이가 8.7m이고, 두께는 최대 50mm정도 이다. 외부 측의 단 부는 26~28mm로 더욱 얇다.
이 루버에는 ‘HPC(하이브리드 강현(鋼弦)콘크리트)라고 불리는 소재를 사용하고 있다. HPC오키나와(나하 시)가 개발하여 오키나와 현 내에서는 기켄이 제조를 담당하고 있다.

특징은 탄소섬유 케이블에 의한 긴장감과 콘크리트 팽창재에 의한 화학적 긴장과의 상승효과로 두께 50mm이하의 콘크리트를 제조하는 것이다. 초유동(超流動)의 고강도 콘크리트를 사용하여 섬유 칩 등을 혼입하고 있다. 두께가 균일한 경우, 35 m까지 얇게 만들 수 있다.

기켄의 오시로(大城) 사장은 당사가 취급하는 HPC 및 고강도 콘크리트 등을 PR할 수 있는 본사를 원했다. “어디에나 있는 철근 콘크리트로 만든 건물은 곤란하다”라고 설계자인 호소야진(細矢仁) 건축설계사무소(도쿄)의 호소야 대표에게 전했다.

-- 장점을 가져와 혁신을 만든다 --
-- 두께를 절반으로 줄여 비용 절감 --
-- 제안에 협력하여 수주로 연결시킨다 --
-- 지붕이나 소형 다락방에도 이용 --

■ 최첨단 탐색: 자기치유∙자기 복구 콘크리트
장수 건축을 목표로 실용화가 눈 앞에, 박테리아 등을 주입해 ‘생명체’로

앞으로 새롭게 건설하는 구조물에 대해 자기 치유∙자기 복구 기능을 도입함으로써 콘크리트 구조물의 수명을 2~3배 장수명화 하는 것이 가능하다고 한다.

자기 치유∙자기 복구는 3종류의 구조로 크게 나눌 수 있다. 하나는 기존의 콘크리트에서도 볼 수 있는 현상으로 비수화 시멘트가 수분과 반응하여 균열을 복구하는 ‘자연 치유’. 두 번째는 인공적인 장치에 의해 보수하는 ‘자기 복구’. 세 번째는 자연치유 능력을 높이는 것을 목적으로 한 혼화재 등을 활용하여 복구하는 ‘자립 치유’이다. 자연 치유와 자립 치유를 포괄하여 ‘자기 치유’라고 한다.

국내에서는 콘크리트를 생명체와 같이 만드는 기술개발이 추진되고 있다. 예를 들어 그 중 하나가 아이자와(会澤) 고압콘크리트(북해도)의 자기 치유 콘크리트로, 다른 하나는 일본대학 공학부의 파리크 산제이 조교수가 연구를 추진하는 자기 복구 콘크리트이다.

양자의 기술은 콘크리트 내에 각각의 구조를 미리 만들어 놓음으로써 외부로부터 손을 대지 않아도 몇 번이고 균열을 복구할 수 있다. 실용화를 눈앞에 두고 있는 2가지 기술의 메커니즘에 대해 알아 보겠다.

(1) 생물의 적응력을 활용
박테리아가 균열된 부분을 복구
아이자와 고압콘크리트는 박테리아에 의한 콘크리트의 균열을 복구하는 기술의 실용화에 본격적으로 나섰다. 이 기술을 개발한 것은 네덜란드 델프트 공과대학교의 핸드리크 용커 조교수이다. 생물의 적응력을 구조물에 적용하는 것을 목표로 했다. 용커 조교수가 발견한 박테리아는 바실러스(Bacillus)균으로 강 알카리성인 콘크리트 안에서도 생존해 나갈 수 있다.

박테리아를 직경 약 2mm의 생분해성 플라스틱의 캡슐 안에 넣어 생 콘크리트의 제조 단계에서 혼화재로서 투입한다. 1,000리터 당 5kg~7.5kg이 기준. 타설 후, 균열이 발생되면 박테리아가 활동을 시작해 다음에 설명할 시스템에 의해 균열은 복구한다. 가격은 일반 생 콘크리트의 약 2배를 상정. 비용 절감을 위해 캡슐을 개량하여 일본에서의 제조를 계획하고 있다.

-- 균 활동의 부산물도 복구에 기여 --
-- 액체 보수제를 미리 판매 --

(2) 전자동 자기치유 시스템
인간처럼 동맥을 설계

일본대학의 산제이 조교수가 개발한 기술은 “전자동 자기복구 시스템(ASRS)’이다. 사람이 상처를 입은 경우, 상처로부터 피가 나와 딱지가 되어 시간이 경과하면 상처가 낫는 구조를 콘크리트에 적용시켰다.

콘크리트 타설 시에 튜브를 깔아놓는다. 콘크리트가 다 마른 뒤에 튜브를 빼냄으로써 구조체 안에 내부 공동(空洞)을 만들어 인간의 동맥과 닮은 네트워크를 구축한다. 거기에 일액성(一液性)의 특수한 에폭시수지를 정기적으로 흘려 넣어 균열을 복구하는 구조이다. 정하중이나 지진으로 발생하는 균열은 굽힘 모멘트의 잡아 당기는 측에 발생하므로 그 위치를 대상으로 네트워크를 도입한다.

환경 조건과 상관없이 에폭시수지의 점도를 변경시킴으로써 폭 3~4mm까지의 균열을 약 3일만에 복구할 수 있다. 건물을 활용하고 있는 상태로 복구가 가능하기 때문에 유지보수를 위해 휴관일을 두지 않아도 된다.

휨 균열을 대상으로 한 이 기술은 1m나 2m의 철근 콘크리트 원주형 공시체에서의 효과도 확인이 끝난 상태라고 한다. ‘철근 콘크리트 제조회사와의 교섭도 진행되고 있으며 언제라도 실용화가 가능한 상태이다”라고 산제이 조교수는 자신 있게 말한다.

-- 복구와 더불어 강도도 강화 --
-- 초 탄성합금에 의해 변형에 대응 --

《화제 1》
▶ 새로운 재료, 그 전망 -- 구라마타(倉俣) 씨의 ‘스타피스’가 새롭게 전개
후쿠야마(福山) 시내에 자주 견학을 오는 공장이 있다. 과거 인테리어 디자이너였던 구라마타 씨는 스타피스’라는 테라초(인조 대리석)를 만들었다. 그 때 섞었던 색 글라스에 착안하여 새로운 방향성에 도전한다.

-- 호텔에서 대규모 의뢰 --

《화제 2》
▶ 200년 콘크리트에 도전 -- 강도 및 피복 두께와 더불어 ‘가변성’에 배려
‘200년 버틸 수 있는 높은 내구성’을 목표로 한 건축물이 오사카에 세워진다. 콘크리트 강도를 높여 피복 두께를 두껍게 하여 장수명화(長壽命化)를 도모했다. 한편, 임대간의 칸막이나 바닥 판은 해체 및 이동 설치를 용이하게 만들어 장기간 운용을 배려했다.

-- 시대에 걸맞은 사용방식을 실현 --

PART2. 섬유 소재
끈 모양 보강재의 가벼움에 각광

협소지의 목조주택이나 역사적 건축물 등 내진개수로 섬유소재가 각광을 받고 있다. 무겁고 열팽창 하는 금속에 비해 시공성이 높으며 유지비용이 들지 않는 것이 섬유소재의 매력이다. 재료의 가격 등의 과제는 있으나, 효과적으로 보여줌으로써 용도가 확산될 전망이다.

■ 주목 소재 1: 고강도 아라미드섬유
‘끈 브레이스’를 DIY로 설치, 난조건의 목조 내진 보강에 활로

그대로 드러난 기둥 사이에 고강도 아라미드섬유의 끈이 크로스 되어 있는 2층 건물. 목조가옥을 코워킹스페이스(Coworking space)와 셰어 하우스로 개조한 ‘IHI Tsunagu Lab.’(도쿄)의 1층 부분이다. 끈을 사용한 브레이스는 mnm(엠엔엠, 도쿄)의 공동 주재자인 쓰네야마(常山) 씨가 설계하여 DIY 시공에도 참가했다.

“내진개수는 비용 및 공사기간이 엄격한 케이스가 많다. ‘조금 더 간편하게 할 수 있는 방법이 없을까?’라는 생각을 하다가 DIY감각으로 사용할 끈에 착안했다.

-- 볼트를 박아서 장력을 조정 --
-- 운반이 쉬운 것도 보수에 적합 --

■ 주목 소재 2: 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)
실뜨기를 떠올리게 하는 섬세한 보강, JIS화로 보강재 이용에 탄력을

“목조의 섬세함에 흠집을 내지 않는 내진보강을 목표로 했다”라고 구마켄고(隈研吾)건축도시설계사무소(도쿄)의 구마 씨는 말한다. 현재, 군마(群馬) 현 후쿠오카(福岡) 시에 3동이 연결된 ‘후쿠오카 창고’의 내진개수가 한창 진행되고 있어, 구마 씨가 그 설계를 맡고 있다.

3동 중 가장 먼저 착공한 것은 현(県) 도로 측에 있는 ‘3호 창고’이다. 목조의 단층집으로 건축 면적은 약 300㎡. 1900년에 현재의 장소로 이축(移築) 되었다. 3호 창고의 보강제에는 고마쓰세이렌(小松精練)이 개발한 CABKOMA 밧줄로 불리는 새로운 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)을 채택했다. 탄소섬유의 심재를 글라스섬유로 감싸고 ‘밧줄’ 7개를 하나의 다발로 만들어 열가소성 수지를 함침시킨 것이다.

-- 열팽창 하지 않고 ‘휘지 않는다’ --
-- 접합부에 티탄을 사용 --

■ 최첨단 탐색: 셀룰로오스 나노 화이버 (CNF)
새시나 도료를 바꾸는 자연 소재, 가고시마(鹿児島)에서는 대나무 유래로 만든 것으로 실증실험도

수지 새시가 더욱 섬세하고 강하고 가벼워질 수도 있다. 그런 가능성을 보여준 신소재가 셀룰로오스 나노 화이버(CNF)이다. 탄성률 등의 역학적인 성능은 아라미드섬유와 동일한 정도이며, 소량만이라도 수지와 섞으면 강도를 높일 수 있다.

CNF는 국내에서 풍부한 목재 등을 원료로 하여 가볍고 탄탄해 리사이클에 적합하다는 이유로 ‘꿈의 신소재’로 불리고 있다. 6월 15일에 각의 결정된 ‘미래투자전략 2018’에서도 CNF 등에 대해 국제표준화 및 제품화 등을 위한 연구개발을 추진하고 있다는 내용이 담겨 있었다. ‘올 재팬의 체제’를 위한 시도가 추진되고 있다.

-- 주택의 단열 보수에 실장 --
-- 강인하며 칠하기 쉬운 점 향상 --

 -- 끝 --