This study aimed to investigate the effect of the water-to-binder ratio (W/B) and carbon nanotube (CNT) content on the mechanical (flow characteristics and compressive strength) and electrical characteristics (electrical resistance, piezoresistivity) of CNT/mortar composite. According to an electrical characteristics analysis, CNT/mortar composites in S.S.D. (saturated surface dry) and O.D. (oven dry) conditions were fabricated to investigate the influence of the presence of free water on the electrical characteristics. In addition, this study presented a method to reduce graphene oxide (GO) into graphene so that the graphene can be used as a material with good sensing function. The electrical characteristics of a mortar composite with graphene produced by the reduction method presented in this study are also investigated.
This dissertation can be divided into two parts as follows: 1) Mechanical and electrical characteristics of carbon nanotube/mortar composite: Here, the microstructure of the fractured surface of the CNT/mortar composite and the dispersibility of CNTs were examined in scanning electron microscope (SEM) analysis. Flow and compressive strength tests were carried out to investigate the mechanical characteristics of the CNT/mortar composite. In addition, the electrical resistance and the piezoresistivity of the CNT/mortar composite were measured to evaluate the electrical characteristics. 2) Electrical characteristics of graphene/mortar composite: In this part, the X-ray diffraction (XRD) and electrical resistance of a mortar composite with graphene produced by the reduction method presented in this study were measured to investigate the electrical characteristics of the composite.
탄소나노튜브는 흑연판을 나노크기로 둥글게 말린 1차원형태로 탄소원자간의 강한Sp2의 화학결합을 가지며 뛰어난 역학적, 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 연구 및 활용되고 있다. 특히, 탄소나노튜브의 전기적 특성은 탄소나노튜브가 압력에 따라 전기저항이 변하는 감지센서개발을 위한 재료로서 활용가능성을 보여준다. 최근 이러한 탄소나노튜브를 건설분야에 적용하고자 탄소나노튜브를 시멘트에 혼입한 탄소나노튜브/시멘트 복합체를 제작하고, 복합체의 압저항 특성을 이용하여 감지센서로서 활용가능성을 평가 하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 그러나 대부분의 연구가 탄소나노튜브를 혼입한 시멘트 페이스트 수준의 복합체를 중심으로 이뤄짐에 따라 탄소나노튜브 혼입 모르타르 복합체에 관한 연구가 제한되어 왔다. 따라서, 본 학위논문에서는 탄소나노튜브 함량, 물/바인더비, 복합체의 함수상태(표면건조 포화상태와 건조상태)에 따른 탄소나노튜브/모르타르 복합체의 전기적 특성에 관한 연구가 중점적으로 수행되었다. 또한, 탄소나노튜브와 같이 탄소원자 3개가sp2의 화학결합 가지며2 차원평판형태로 구성된 그래핀옥사이드를 모르타르에 혼입하여 전기적 특성에 관한 기초연구를 수행하였다. 그래핀 옥사이드의 경우 모르타르 혼입에 앞서 전기전도성을 향상시키기 위해 화학적 (요소), 열적 (가정용 전자레인지, 공업용 오븐) 처리를 통한 그래핀옥사이드의 환원처리가 수행되었고 환원상태를 검증하기 위해 XRD 분석기법이 활용되었다.
연구결과, 표면건조포화상태에 있는 탄소나노튜브/모르타르 복합체의 경우 물/바인더비가 증가함에 따라 전기저항값이 감소하는 반면 전기저항변화(%)와 압저항에 대한 민감성은 전체적으로 감소하는 것으로 나타났다. 반대로 건조상태의 탄소나노튜브/모르타르 복합체는 물/바인더비가 증가할수록 전기저항값은 증가하였지만 전기저항변화(%)와 압저항에 대한 민감성은 전체적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 표면건조상태보다 건조상태에 있는 탄소나노튜브/모르타르 복합체가 압저항 특성을 갖는 감지센서로서 더욱 효율적임을 확인하였다. 또한 본 연구에서 탄소나노튜브 함량은 함수상태에 관계없이 함량이 증가함에 따라 복합체의 전기적 특성이 향상되었다. 그래핀옥사이드의 환원처리의 경우 XRD를 분석한 결과, 모든 시편들이 동일한 회절피크를 보였고 이를 통해 본 연구에서 제안된 환원방법에 의해 그래핀 옥사이드가 환원되지 않았음을 확인하였다. 그러나 마이크로웨이브의 열처리 통해 생성된 그래핀옥사이드를 혼입한 모르타르 복합체의 경우 환원처리를 하지 않은 그래핀옥사이드를 혼입한 모르타르 복합체보다 10배이상의 낮은 전기저항을 보였다. 이는 마이크로웨이브가 그래핀 옥사이드의 분산성을 향상시키는데 효율적인 것을 확인하였다.
