건축/환경에너지

Nikkei Construction_2020.4.13 TOPICS; 신재료 (p56~58)

미생물로 증식하는 유사 콘크리트
생물과 같은 과정을 거쳐 제조

콘크리트와 같은 강도를 가진 구조의 재료가 스스로 성장한다. 그런 생물과 같은 과정을 거쳐 제조되는 신재료가 미국에서 탄생했다. 실험 단계에 있긴 하지만, 구조재를 쇄신할 가능성을 지니고 있다.

골재를 주체로 한 콘크리트와 같은 재료가 생물처럼 증식한다---. 쉽게 상상하기 어려운 재료를 미국 콜로라도 대학 볼더교의 연구진이 개발. 2020년 1월에 연구논문을 발표했다. ‘살아있는 건축재료’라고 이름을 붙인 신재료의 개발을 담당한 것은 해당 학교의 생물소재연구실을 이끌고 있는 스루바 박사 팀이다.

신재료의 중요한 부분이 되고 있는 것은 시아노박테리아(남세균)로 불리는 광합성을 하는 수생 미생물의 일종이다. 식물처럼 빛의 에너지를 사용해 이산화탄소를 흡수해 탄산칼슘을 생성한다. 스루바 박사 팀은 모래를 중심으로 한 재료에 이 미생물을 첨가해 번식이나 자기치유와 같은 기능을 갖춘 재료 개발에 성공했다.

생성 방법은 다음과 같다. 우선 시아노박테리아를 모래, 소량의 젤라틴, 물, 영양소와 섞어 37℃ 정도의 환경에서 박테리아를 증식시킨다. 이후에 혼합물을 거푸집에 부어 넣으면 젤라틴은 모래입자와 섞이면서 서로 엉켜 붙어 하나의 덩어리로 만들어지게 된다.

모래와 젤라틴이 섞인 상태에서 시아노박테리아가 활동을 시작하면 광합성에 의해 생성된 탄산칼슘이 침전. 이 탄산칼슘에는 젤라틴과 반응해 경화하는 작용이 있다. ‘바이오미네랄리제이션(생체광물형성작용)’으로 불리는 반응으로, 생물이 진주나 조개 껍질과 같은 단단한 조직을 만들어내는 기능과 동일하다.

건조에 의해 젤라틴 속의 수분을 없애면 더욱 경화가 진행된다. 모래 덩어리는 일체화되어 거푸집의 모양대로 굳어져, 수 일 안에 일반적인 포틀랜드 시멘트를 사용한 모르타르와 동일한 정도의 압축 강도를 발휘할 수 있게 된다고 한다.

-- 제조시 이산화탄소를 흡수 --
모래와 젤라틴, 미생물의 혼합물을 건조시키는 과정에서 대부분의 시아노박테리아는 사멸된다. 한편, 살아남은 시아노박테리아는 기온과 습도가 높아지면 다시 활성화되어 증식한다. 모래 및 젤라틴 등 다른 조성물을 보충하면 새로운 미생물을 투입하지 않아도 동질 재료의 ‘복사판’을 만들어 낼 수 있다.

신재료를 사용해 완성시킨 블록재를 반으로 쪼갠 경우를 생각하면 알기 쉽다. 각각을 새로운 모래와 젤라틴과 함께 별도의 거푸집에 부어 넣으면 시아노박테리아가 증식해 새로운 2개의 블록으로서 성장한다. 부재의 균열이나 결손이 생기더라도 동일한 성질을 이용한다면 자기치유가 가능해진다.

“박테리아는 지수관수적으로 증식해간다. 블록재를 한 개씩 타설하는 것이 아니라, 하나의 블록재를 지수관수적으로 늘릴 수 있다면 구조부재의 생산방법에 혁명을 일으킬지도 모른다”(스루바 박사). 이론상은 거푸집만 있다면 제작 가능한 부재의 크기에는 제한이 없다. 자재 운반에 제한이 있는 우주 공간 등에서는 그 성질이 크게 도움이 된다.

제조 시의 환경부하가 작다는 점도 장점이다. 신재료의 제작 시에는 시아노박테리아가 광합성을 함으로써 이산화탄소를 흡수한다. 콘크리트 재료인 일반적인 시멘트가 제조 시에 대량의 이산화탄소를 방출하는 것과는 대조적이다.

-- 강도(强度)를 선택하면 미생물이 사멸한다 --
생물을 활용한 신재료의 개발에 있어서, 스루바 박사 팀은 미생물의 생존율에 주목했다. 건축용재에 응용하는 경우에도 자기치유 기능 등을 지속시키기 위해서는 그 기능을 발휘하는 미생물이 건축용재 안에서 장기간 생존해있지 않으면 안 되기 때문이다.

기존의 자기치유 건축용재의 연구에서는 시멘트계의 혼합물에 박테리아를 직접 첨가하는 방법이 주류였다. 그러나, pH치와 이온강도가 함께 높은 시멘트계 재료 안은 세균이 생존하기에는 혹독한 환경이다.

예를 들어, 자기치유 콘크리트의 최고 권위자인 네덜란드 델프트 공과대학의 욘커스(Jonkers)교수가 개발 및 상품화한 자기치유 콘크리트에서는 바실리우스 종 박테리아를 레디믹스 콘크리트(생콘크리트)에 추가한다. 건조를 비롯해 혹독한 생육 환경에서도 생존을 지속할 수 있는 미생물이다. 그럼에도 불구하고 시멘트 모르타르 안에서의 10일 후의 생존율은 7%에 그쳤다고 한다.

한편, 신재료에서는 습도를 50% 이상 유지하고 있을 경우, 당초에 투입한 시아노박테리아의 9~14%가 30일 후에도 살아남는다. 신재료에 있어서 박테리아는 구조물을 형성하는 프로세스의 중심 역할을 한다. 시아노박테리아가 활성화되기 쉬운 환경을 최우선으로 선택한 배합이 성과를 낼 수 있었다.

그러나, 박테리아의 생존율과 완성된 구조재의 강도에는 트레이드오프(trade off, 상충관계)가 발생한다. 탈수에 의해 젤라틴의 경화가 진행되면 강도가 커지는 반면, 시아노박테리아의 생존에는 젤라틴의 수분이 반드시 필요하기 때문이다.

스루바 박사 팀은 개발한 재료를 실용화하기 위해서는 건조한 환경에서도 오래 생존할 수 있는 세균을 사용한 새로운 배합을 다음 목표로 세웠다.

스루바 박사는 “공기 중의 독소를 감지해 반응하는 미생물이나 빛의 자극을 받아 발광하는 미생물 등을 사용한다면 자기치유 이외의 생물적인 기능을 가진 콘크리트를 개발할 수 있을지도 모른다. 생물학과 재료공학의 지견을 조합한다면, 건축용재 개발의 가능성은 무한대로 확대될 것이다”라고 전망한다.

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