네덜란드 공대, 자기치유 콘크리트 개발 막바지 단계

- 콘크리트 안의 박테리아 작용으로 균열의 틈을 메워 -

□ 델프트 공대, 2006년부터 연구개발 착수

 ○ 델프트 공대는 2006년부터 미생물학자인 욘커스(Jonkers) 교수 등과 함께 콘크리트에 균열이 발생할 때 콘크리트 속에 넣어두었던 캡슐 안의 박테리아가 작용해 방해석을 만들어냄으로써 틈새를 메꾸는 자기치유 바이오 콘크리트 개발에 착수함. 현재 마지막 마무리 단계에 있는 것으로 알려짐.

 ○ 콘크리트는 높은 강도를 가지고 있어서 건물, 터널, 교량, 도로 등 다양한 건축물과 SOC 건설에 필수적인 건축자재로 널리 사용되고 있으나, 외부적인 요인에 의해 쉽게 손상되기도 해 개보수에 큰 비용을 유발하기도 함.

  - 즉, 콘크리트 구조물 내부의 철제 부식이나 황산염 침해, 동결융해의 위험이 있고, 풍화작용과 과하중 적재로 미세균열이 발생할 수 있음. 이는 콘크리트 구조물의 강도를 떨어뜨리는 요인이 됨.

□ 박테리아가 만들어내는 방해석이 틈새를 메꾸는 원리

 ○ 이 자기치유 콘크리트의 기본원리는 콘크리트 속에 박테리아가 들어있는 캡슐을 집어넣어 콘크리트에 균열이 발생하면 이 캡슐 안의 박테리아가 노출돼 외부의 젖산칼슘(calcium lactate)이 개입해 탄산칼슘이 형성되고, 균열 주위에 방해석침전(calcite precipitation)이 만들어지는 것임.

 ○ 이렇게 생성된 방해석은 균열로 발생한 틈새를 채워줘 이물질이 침투하는 것을 막아주고, 이 틈새를 접착시키는 역할을 함으로써 외부적인 개보수 없이도 지속해서 콘크리트 구조물이 강도를 유지하면서 지탱할 수 있게 됨.

자료원: syndebio.com

 ○ 이 기술에서 가장 중요한 것은 방해석을 만들어내는 박테리아라고 할 수 있음. 그러나 일반적으로 박테리아는 pH10 이상의 콘크리트 안에서는 생존하지 못하는데, 이를 위해 연구팀은 이런 환경 속에서도 살아갈 수 있는 박테레아를 찾기 위해 러시아와 이집트에 있는 소다 호수(soda lake)를 찾아갔고, 그곳에서 바실루스(Bacillus)라는 박테리아를 찾아냄.

  - 이 바실루스(Bacillus) 박테리아는 물과 영양분 없이도 50년에 달하는 오랜 시간동안 휴면상태의 포자를 유지할 수 있음.

  - 그러나 이 박테리아가 가능한 많은 방해석을 만들어낼 수 있는 최적의 환경조건들과 박테리아의 영양분 공급에 대해서는 더 많은 연구가 필요한 실정임.

□ 콘크리트 구조물 수명 연장 효과와 함께 이산화탄소 배출 감소 효과도 커

 ○ 자기치유 콘크리트(self-healing concrete)가 상용화될 경우 일반 콘크리트에 그 구조물 수명이 크게 연장돼 유지보수의 비용이 크게 줄어듦. 뿐만 아니라 이 콘크리트를 사용할 경우 철근을 보다 적게 사용할 수도 있는 것으로 알려짐. 또한, 콘크리트 구조물을 개보수하는 데 따르는 노동자들의 위험성을 줄이는 효과도 가져올 것임.

 ○ 환경보호 측면에서도 큰 도움이 될 것으로 보임. 시멘트 1톤을 생산하기 위해서는 이산화탄소 1톤이 대기 중에 방출되는 것으로 알려지고 있는데, 이와 같이 콘트리트 구조물 수명이 연장돼 시멘트의 수요량이 줄어든다면 결과적으로 지구온난화 방지에도 도움이 될 것임.

□ 네덜란드 정부의 지원 지속, 박테리아 활동 환경 최적화를 위한 연구는 더 필요

 ○ 네덜란드 정부는 2006년에 향후 8년 동안 200만 유로를 투자, 자기치유 자재(self-healing materials) 개발을 지원하는 계획을 발표

  - 비슷한 시기, 욘커스 델프트 공대 교수는 연구개발 활동을 시작해 3년 만에 위와 같이 박테리아를 활용한 자기치유 바이오 콘크리트를 개발함. 현재는 영양분 공급 등 박테리아가 활동할 수 있는 최적의 조건을 만들기 위해 어떤 것이 필요한지 더 많은 연구가 필요한 상황임.

  - 그러나 관계자들은 이 연구 현재 마지막 단계에 있으며, 호주·러시아·남미 등 많은 나라들로부터 관심을 받고 있다고 밝힘.

  - 델프트 공대는 2011년 네덜란드 정부로부터 42만 유로의 지원금을 받고, 이 자기치유 바이오 콘크리트 실험을 위한 야외 콘크리트 구조물을 설치하기도 했음.

 ○ 한편, 2007년에는 네덜란드에서 제1회 자기치유 자재에 관한 국제 학술회의가 개최돼 180여 명의 관련 과학자 및 연구자들이 참석하기도 했는데, 여기서 델프트 공대가 제시한 박테리아를 활용한 자기치유 콘크리트가 주목을 받음.

 ○ 그동안 콘크리트 균열을 자기 치료할 수 있는 방법으로 콘크리트에 자기치유 화학물질을 넣은 캡슐이나 유리튜브를 주입하는 방법, 콘크리트가 물에 노출될 때 팽창하면서 균열의 틈새를 메꾸는 방법 등 여러 방법들이 세계적으로 연구돼 온 것으로 알려짐. 그러나 반복적으로 자기치유를 할 수 있는 기술은 위와 같이 박테리아를 이용한 방법으로, 델프트 공대의 자기치유 바이오 콘크리트는 더욱 관심을 받고 있음.

자료원: Delft University of Technology

□ 시사점

 ○ 장기적인 실험은 아직 실시되지 않았으므로 자기치유 콘크리트가 구조물의 설계가 외부 자극에 얼마나, 어떻게 반응할지에 대해 알기 위해서는 정기적인 검사와 실험이 필요함.

  - 계속적인 실험으로 인해 비용문제도 존재하는데, 현재의 방법으로는 가격이 기존의 콘크리트보다 두 배에 가까운 실정. 하지만 비용을 절약하기 위해 최근에는 새로운 영양분과 관련된 연구를 진행 중으로, 차후 일반 콘크리트 가격과 비슷한 수준이 될 것으로 보임.

 ○ 우리나라에서도 2015년에 ‘자기치유 친환경 콘크리트 연구센터’가 발족했고, 여러 대학교가 공동으로 ‘자기치유 친환경 콘크리트 기술’을 연구하고 있는 것으로 알려져 네덜란드 델프트 공대의 박테리아를 이용한 자기치유 바이오 콘크리트 개발 동향에 우리나라의 관계자들도 관심을 가져야 할 것임.

  - 성균관대학교는 국토교통부의 2015 건설기술연구사업 ‘자기치유 친환경 콘크리트 기술 개발’ 과제 주관 연구기관으로 선정돼, 2015년 9월부터 2020년 2월까지 4년 5개월 동안 총 153억 원을 지원받게 됨.

  - 이 프로젝트에는 주관 연구기관인 성균관대학교 및 한국건설환경시험연구원과 전남대학교를 비롯한 5개 대학이 공동연구기관으로 참여하며, 콘크리트 균열의 자기치유기술, 친환경 콘크리트, 자기치유 성능평가 분야의 미래 선도기술 개발을 목표로 하고 있음.

자료원: Delft University of Technology, eurekalert.org, dailytech.com, theengineer.co.uk, xprize.org, mdpi.com/journal/materials, thestar.com, 성균관 대학교, 한국시설안전공단 및 KOTRA 암스테르담 무역관 자료 종합