스크린 프린트 기법으로 제작된 Cl-이온 침투 모니터링 부식센서 개발에 관한 연구

Abstract

철근콘크리트 구조물에서 철근의 부식발생은 콘크리트 내부의 철근 표면에서 시작된다. 따라서 콘크리트 표면에 균열이나 녹이 나타났다면, 이는 내부에서 철근의 부식이 상당히 진전되어 있음을 의미한다. 콘크리트 내부에 매설된 철근의 부식은 철근콘크리트구조물의 조기 성능저하와 붕괴의 주요원인이 되고 있다. 철근콘크리트 구조물에 발생하는 열화현상 중에서 철근부식에 의해 발생되는 열화는 그 피해가 다른 열화 현상보다 심하고 구조물의 보수 및 시공 측면에서도 막대한 경비가 요구되고 보수시기 또한 정하기 힘들다. 따라서 철근의 부식상태에 대한 예측 및 조기발견은 관리자의 효율적인 보수 및 보강계획 수립을 위해 매우 중요하다. 그러나, 현재로는 보수시기나 보수공법을 선택하기 위하여 구조물 손상정도를 조사하는 것은 있어도 철근 부식이 일어나기 전에 철근부식원인(Cl-)이 침투하는 것을 Monitoring 하는 시스템은 매우 부족하다. 또한 지금까지의 콘크리트 구조물은 열화가 나타나서야 비로소 유지관리를 시작하는 경우가 대부분이다. 이러한 조치는 구조물의 장래를 고려한 보수보다는 우선 현상을 커버하는 보수라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 철근부식 전에 철근부식에 영향을 주는 염화물(Cl-)이온이 침투하는 과정을 모니터링 할 부식센서를 개발하였다. 이는 철근 부식 전에 모니터링을 할 수 있고, 그에 따라 적절한 보수시기와 적절한 보수공법을 찾을 수 있게 정보를 제공한다. 또한, 구조물 속에 매입을 통하여 비 파괴적으로 모니터링을 할 수 있다.

본 연구에서는 스크린프린터를 이용하여 부식센서를 개발하였다. 새로운 기법으로 기존의 스퍼터링에 의한 기법의 단점을 개선하였다.

1) 스크린프린터를 이용하려면 Ag페이스트와 철분말을 혼합하여 철근과 가장 유사한 반응을 하는 센서를 제작할 수 있다. Ag:Fe의 중량 비율이 1:2 가 되도록 해야 할 뿐 아니라, 혼합용액의 점성과 초기 저항 값을 적절히 선택하여야 한다. 또한 혼합용액에서 철의 함량이 증가하면 부식센서의 초기저항 값이 증가하는 것을 알 수 있다.

2) SEM 분석을 통하여 Ag:Fe의 비율이 1인 센서의 경우에는 Ag의 분말이 뒤엉켜 있는 것을 관찰하였다. 이 때문에 철분말이 부식을 하여도 Ag의 분말 끼리 전기가 통한다는 것을 알 수 있다. 하지만 Ag:Fe의 비율이 2인 센서의 경우에는 Fe의 분말이 대부분을 차지하므로 철분말이 부식을 하게 되면 저항값이 증가하는 것을 알 수 있다.

3) NaCl 수용액 실험을 통하여 Ag:Fe의 비율이 1 이하인 센서는 저항변화가 거의 없었지만 Ag:Fe의 비율이 1이상인 센서의 경우에는 시간 경과에 따라 저항변화가 나타났다.

4) Ag:Fe의 비율이 2인 센서로 NaCl 수용액의 농도를 변화시키면서 저항변화를 살펴본 결과 NaCl 수용액의 농도가 높을수록 센서의 초기저항변화가 빠르게 일어났고 시간경과에 따라 센서의 저항값이 증가하였다.

5) 염분함유 모르타르 내에서 부식에 의해 센서의 저항도 변화 할 뿐만 아니라, 함유된 염분농도가 클수록 최초의 저항변화시간이 빠르고, 동일 부식촉진 시간에서 부식정도 및 저항이 크게 나타났다.

6) 모르타르 표면에서 염분을 침투시켜 표면에서 깊이별로 매설한 부식센서의 저항변화를 측정한 결과, 표면에서 가까울수록 최초의 저항변화 시간이 빠르고, 동일 부식촉진기간에서 부식정도 및 저항이 크게 나타났다.

7) 이상의 모르타르에서의 부식센서 응답실험 결과, 개발한 부식센서는 염분에 의해 부식하여 저항이 변화할 뿐만 아니라 염분침투 깊이를 충분히 모니터링 할 수 있는 것을 확인 하였다.