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Nikkei Architecture_2024.6.27 (p48)

난방이나 충전에 사용할 수 있는 발열·축전 콘크리트
아이자와(會澤)고압콘크리트와 미국 MIT가 공동 연구

건축물이나 토목 구조물에 널리 사용되는 콘크리트에 발열성 및 축전성을 갖도록 하는 연구개발이 일본과 미국에서 시작되었다. 그 키 플레이어는 아이자와고압콘크리트(홋카이도)와 미국 매사추세츠공과대학(MIT)이다..

MIT가 연구해 온 전기전도성 탄소시멘트 재료 ec3(electron-conducting carbon-cement material)의 사회 구현을 목표로 콘크리트 제조업체인 아이자와고압콘크리트와 MIT가 올 4월 11일, 공동 연구를 추진하기 위한 ‘ec3 컨소시엄’ 설립에 합의했다.아이자와고압콘크리트는 연구 개발에 약 800만 달러(약 12.6억 엔)을 투입할 방침이다.

ec3는 MIT의 울름 교수 연구팀이 연구하고 있는 시멘트계 소재이다. 탄소 미립자인 '카본블랙(Carbon Black)'을 콘크리트에 첨가함으로써 콘크리트에 발열성 및 축전성을 갖도록 할 수 있다.

콘크리트는 경화 과정에서 내부에 무수히 많은 작은 구멍이 형성된다. 그 구멍 속에 전도성을 가진 카본블랙이 들어가 와이어와 같은 세밀한 구조를 만들어 콘크리트를 전도체로 바꾸는 구조이다. 또한 전해질 용액에 담그면 카본블랙 주변에 전자가 모여 전력을 저장하는 것도 가능해진다.

이렇게 제조된 콘크리트는 대용량 전력을 저장할 수 있는 ‘슈퍼커패시터(Supercapacitor)’의 일종이라고 말할 수 있다. 절연체를 사이에 둔 2개의 전극에 전하를 저장하는 구조로, 시멘트가 절연체, 카본블랙이 전극 역할을 한다.

이 기술의 최대 장점은 쉽게 열화되지 않는다는 것으로, 기존의 전지나 배터리에 비해 장기적인 사용이 가능하다. 리튬이온전지 등 일반적인 전지는 화학반응에 의해 전기를 저장하기 때문에 장기간 사용 시 성능이 떨어진다. 반면 ,슈퍼커패시터는 화학반응을 동반하지 않고 전극 사이를 전하가 이동할 뿐이기 때문에 쉽게 열화되지 않는다.

친환경적이라는 장점도 있다. 일반적인 전지와 비교해 오래 사용할 수 있어 쉽게 폐기되지 않는다.

-- 첨가량을 바꿔 성능을 조정 --
카본블랙을 첨가해 만든 콘크리트에서 발현되는 성질은 크게 2가지로, ‘발열성’과 ‘축전성’이다. 카본블랙의 첨가량을 바꿈으로써 각각의 성능을 조정할 수 있다. 아이자와고압콘크리트와 MIT는 향후, 성능을 조정하는 방법 개발을 목표로 하고 있다.

'발열성'에 대해서는 콘크리트에 전류가 흐를 때 전기저항에 의해 열이 발생되는 구조를 이용한다. 상정되는 주요 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”. 아이자와고압콘크리트 계열사에서 이번 연구개발을 담당하고 있는 아이자와기술연구소의 나카무라(中村) 주임 연구원은 이렇게 말한다. 발열량을 높이기 위해서는 카본블랙의 첨가량을 늘려야 하지만, 첨가량을 늘리면 강도가 떨어진다는 문제가 있다. 어떻게 적은 첨가량으로 효율적으로 발열시킬 수 있을지 여부가 과제이다.

‘축전성’의 경우, 카본블랙을 첨가한 콘크리트 내부에는 상술한 바와 같이 슈퍼커패시터가 형성되어 전력을 저장하는 것이 가능해진다. 이 성질을 이용하면 도로 위에서 전기차를 충전하거나, 노면이나 건물 벽면에 태양광 등으로 만들어낸 재생가능에너지를 저장할 수 있게 된다.

하지만, 축전 콘크리트의 실용화에는 시간이 걸릴 전망이다. 가장 큰 과제는 에너지 밀도가 낮다는 것. 에너지 밀도란 1kg당 저장되는 에너지의 양을 말한다. 스마트폰 배터리 등에도 사용되는 리튬이온전지의 에너지 밀도는 대략 100~250Wh/kg이다. 현시점에서 축전 콘크리트는 0.25~0.3Wh/kg 정도에 불과하다. 스마트폰과 같은 양의 에너지를 저장하려면, 적어도 300배의 부피가 필요하게 된다.

나카무라 주석 연구원은 “에너지 밀도에서 리튬이온전지와 같은 레벨을 목표로 하고 있는 것은 아니지만, 현재의 성능을 보다 향상시켜야 한다”라고 말한다.

-- 올해 안에 주차장에 구현 --
아이자와고압콘크리트가 MIT와의 컨소시엄 설립에 대해 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 있다. 이번 축전 콘크리트에 관한 논의에서는 참가한 대부분의 경영자들이 높은 관심을 보였다고 한다.

나카무라 주임 연구원은 “ec3의 사회 구현에는 무엇보다 콘크리트 제조사들의 협력이 필요하다. 더 나아가 전력 회사나 에너지 회사 등과도 협력해 나가고 싶다”라고 강조한다.

ec3컨소시엄에서는 공동운영위원회를 설치해 연구개발의 이정표 설정 및 진척을 관리할 예정이다. 향후 전망에 대해 나카무라 주임 연구원은 “올 12월까지 발열성을 가진 콘크리트를 아이자와고압콘크리트 삿포로 지사의 주차장에 구현하고 싶다. 축전성의 콘크리트의 경우, 극복해야 할 장벽은 아직 남아 있지만 5년 안에 실용화로 연결시키는 것을 목표로 한다”라고 말한다.

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