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Nikkei X-TECH_2024.5.31

발열성 및 축전성을 가진 콘크리트
그 실현을 목표로 아이자와(會澤)고압콘크리트와 MIT가 연계

도로나 주택 등 폭넓게 사용되고 있는 콘크리트가 ‘발열성’ 및 ‘축전성’을 갖는 것이 가능해질 수 있을 지도 모른다. 미국 매사추세츠공과대학(MIT)이 연구해온 전자 전도성 탄소 시멘트 재료 ‘ec3(electron-conducting carbon-cement material)’의 사회 구현을 목표로 아이자와고압콘크리트(홋카이도)는 MIT와 공동 연구를 추진하기 위한 ‘ec3 컨소시엄’을 설립했다. 아이자와고압콘크리트는 4월 11일, 이 연구개발에 약 800만 달러를 투입한다고 발표했다.

ec3는 MIT의 울름 교수 등이 연구하고 있는 시멘트계 소재이다. 탄소의 미립자인 ‘카본 블랙(Carbon Black)’을 콘크리트에 첨가함으로써 콘크리트계 소재가 발열성이나 축전성을 가질 수 있게 된다고 한다.

콘크리트는 경화되어 가는 과정에서 수화 반응에 기여하지 않는 물이 증발하여 내부에 무수히 많은 작은 구멍이 형성된다. 그 구멍 속에 전도성을 가진 카본 블랙이 들어가 와이어와 같은 세밀한 구조를 만든다.  이것을 전해질 용액에 담그면 카본 블랙 위에 전자가 모여 축적된다.

아이자와고압콘크리트와 MIT가 개발하고 있는 콘크리트는 대용량 전력을 저장할 수 있는 ‘슈퍼커패시터(Supercapacitor)’의 일종이다. 절연체를 사이에 둔 2개의 전극에 전하를 저장하는 구조로, 시멘트가 절연체, 카본 블랙이 전극의 역할을 한다.

이 기술의 최대 장점은 쉽게 열화(劣化)되지 않는다는 점에 있다. 기존의 전지 및 배터리와 비교해 장기적인 이용이 가능하다. 리튬이온전지 등 일반적인 전지는 화학반응으로 전기를 저장하기 때문에 장기간 이용 시 성능이 저하된다. 반면, 슈퍼커패시터는 화학반응을 동반하지 않고 전극 사이를 전하가 이동할 뿐이기 때문에 쉽게 열화되지 않는다.

친환경적이라는 장점도 있다. 일반적인 전지와 비교해 장기적인 이용이 가능, 쉽게 폐기되지 않는다. 또한, 탈탄소에도 기여한다. 아이자와고압 콘크리트의 이사를 맡고 있는 나카무라(中村) 주임 연구원은 ”탄소는 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소를 구성하는 물질이다. 카본 블랙을 첨가해, 콘크리트 내에 탄소를 고정함으로써 공기중의 이산화탄소량을 줄일 수 있다”라고 말한다.

-- 주된 성질은 ‘발열성’과 ‘축전성’ --
카본 블랙을 첨가해 만든 콘크리트의 성질은 크게 두 가지로, ‘발열성’과 ‘축전성’이다. 카본 블랙의 첨가량을 바꿈으로써 각각의 성능을 조정하는 방법을 향후 개발해 나갈 방침이다.

발열성은 콘크리트에 전기가 흐를 때 전기저항이 가해지는 부분에 열이 생기는 구조를 이용한다. 주로 상정되는 용도로는 열에 의해 눈을 녹이는 융설 도로를 들 수 있다. 주택의 바닥이나 벽에 이용하면 난방 설비로도 활용할 수 있다고 한다.

“발열성을 갖게 하기 위한 개발이 현재 진행되고 있으며, 실용화에 근접해 있다”라고 나카무라 연구원은 말한다. 많이 발열시키기 위해서는 카본의 첨가량을 늘릴 필요가 있지만, 첨가량을 늘리면 강도가 떨어지는 문제가 있다. 어떻게 적은 첨가량으로 효율적으로 발열시킬 수 있을지 가 과제이다.

다음은 축전성이다. 카본 블랙을 첨가한 콘크리트 내부에는 슈퍼커패시터가 형성되어 전력을 저장하는 것이 가능해진다. 도로 위에서 전기차를 충전하거나 노면이나 건물 벽면에 태양광 등 재생가능에너지를 저장할 수 있다.

축전성을 가진 콘크리트 ‘축전 콘크리트’의 실용화는 아직 멀었다고 한다. 가장 큰 과제는 에너지 밀도가 낮다는 것이다. 에너지 밀도란 1kg당 저장되는 에너지의 양을 말한다. 스마트폰 배터리 등에도 사용되는 리튬이온전지의 에너지 밀도는 대략 100~250Wh/kg. 현시점에서의 축전 콘크리트는 대략 0.25~0.3Wh/kg에 불과하다. 같은 양의 에너지가 필요할 경우, 적어도 300배의 부피가 필요하게 된다.

카무라 주임 연구원은 “에너지 밀도에서 리튬이온전지와 같은 레벨을 목표로 하고 있는 것은 아니지만, 현재의 성능보다 향상시키지 않으면 안 된다”라고 말한다. 또한 자가 방전율 등의 지표도 리튬이온전지 등에 비해 뒤떨어져 있어 과제가 되고 있다.

-- 올 12월까지 사회 구현을 위한 제1단계 발표 예정 --
발열성이나 축전성이라는 성질을 이용할 경우, 안전에 관한 과제가 있다. 나카무라 주임 연구원은 “자기 방전이나 누전 등의 리스크나 화재와 같은 사고가 일어났을 때의 상정 등을 검토해 둘 필요가 있다”라고 말한다. 또한 주택의 구조에 이용할 경우에는 강도의 관점에서 건축기준법도 고려해야 한다. 사회 구현까지 아직 장벽은 높다.

아이자와고압콘크리트가 MIT와의 컨소시엄 설립에 대한 합의를 발표한 다음날, 아이자와고압콘크리트가 만든 50개 이상의 콘크리트 제조사로 구성된 조직 ‘aNET ZERO Initiative’의 제4회 경영자 회의가 개최되었다. 이 조직은 건설 산업의 탈탄소화를 목표로 하고 있으며, 축전 콘크리트에 관한 논의도 실시. 참가한 대부분의 경영자가 높은 관심을 보였다고 한다.

나카무라 주임 연구원은 “ec3의 사회 구현에는 우선 콘크리트 제조사들의 협력이 필요하다”라고 말한다. 또한 “전력 회사나 에너지 회사 등과도 협력해 나가고 싶다”라고 말한다.

ec3컨소시엄에서는 공동운영위원회를 구성해 공동 개발의 이정표 설정 및 진척을 관리할 예정이다. 향후 전망에 대해 나카무라 주임 연구원은 “올 12월까지 발열성을 가진 콘크리트를 아이자와고압콘크리트 삿포로 지사의 주차장에 구현하고 싶다. 축전성을 가진 콘크리트는 극복해야 할 장벽이 아직 남아 있지만, 5년 안에 실용화하는 것을 목표로 하고 싶다”라고 말한다.

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