본 연구에서는 탄소나노튜브(CNT) 패치 센서를 기반으로 하여 구조물의 이상 거동을 감지하고 대 응할 수 있도록 하는 첨단 스마트 모니터링 시스템을 제안한다. 복합소재로 제작되는 CNT 센서는 유 연한 특성을 갖게 되어 다양한 형태의 구조물 표면에 적용할 수 있으며, 이를 통해 충격이나 피로 등 에 의해 발생되는 균열과 같은 비정상적인 거동을 감지할 수 있다. CNT 센서를 통해 수집한 데이터 는 IoT 시스템을 통해 실시간으로 분석되어 구조물의 거동 상태를 확인하고 건전성을 모니터링 할 수 있게 한다. 이 시스템의 성능 검증 및 사용성 검토를 위해 미국 소재 교량에서 실증 테스트를 하였으 며, 테스트 결과 CNT 센서를 이용한 구조물 거동 감지 시스템을 통해 구조물의 이상 거동을 효과적 으로 감지하고 모니터링하여 구조물에서 발생 될 수 있는 잠재적 문제를 사전에 예방할 수 있음을 확 인하였다. 이와 같은 기술은 추후 다양한 분야에서 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

교량, 터널 등 콘크리트 구조물의 건설 또는 사용 중 사고는 심각한 재산 및 인명 피해를 야기하기 때문에, 콘크리트 구조물의 증가와 동시에 Structural health monitoring(SHM)의 중요성 또한 높아졌 다. 하지만 현재까지 콘크리트 구조물의 안전 관리 및 유지관리는 주로 인력에 의한 육안 점검이 주를 이루고 있으며, 이는 주관적이고 정성적인 관리 수준에 머무르고 있어 안전성 평가 결과에 대한 신뢰 성 및 실시간 상태 파악과 대응 측면에 한계가 존재한다. 이에 본 연구에서는 현재 활발하게 연구되고 있는 탄소나노튜브를 활용하여 기다란 바 형태의 Carbon nanotube reinforced polymer(CNRP) Bar를 개발하였으며, 이를 콘크리트 구조물에 적용하였다. 구조물 변형에 따른 CNRP Bar의 센싱 성능을 파 악하기 위해 3점 굽힘 시험을 진행하였고, 동시에 콘크리트 구조물 내 CNRP Bar의 전기적 변화를 분석하였다. 실험 결과 콘크리트 구조물에 균열 발생 전 굽힘 응력에 의해 CNRP Bar의 저항이 감소 하였고, 균열 발생 후 균열이 커짐에 따라 저항이 증가하는 거동을 보였다. 이를 통해 CNRP Bar는 콘크리트 구조물에 용이하게 적용할 수 있는 매립형 센서로써 사용 가능하고, 이는 콘크리트 구조물의 안전성을 효율적으로 모니터링하는 시스템으로 발전 가능할 것으로 판단된다.

구조물 보수 부위의 손상, 재 박리 등의 2차 피해가 이어지며, 보수 부위의 새로운 거동 평가 기법 에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 현재 구조물 보수 부위의 거동을 알기 위해서 주로 인력 중 심의 구조물 외관 검사를 진행하고 있으나, 단편적인 검사 결과를 얻게 되어 지속적이고 세밀한 점검 이 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 탄소나노튜브 기반 폴리머 콘크리트를 활용해 압축과 같 은 외부 응력에 대한 탄소나노튜브 함량별 전기적 변화를 분석하였으며, 균열이 발생한 콘크리트 구조 물을 보수 후 응력을 가해 거동에 따른 전기적 변화를 평가하였다. 압축 시험 결과, 응력에 따른 탄소 나노튜브 기반 폴리머 콘크리트의 전기 저항이 감소하며, 탄소나노튜브 함량이 낮을수록 응력에 대한 저항 감소 폭이 넓게 나타나며 민감도가 증가하였다. 균열 보수 시험 결과, 보수 부위에 응력이 가해 졌을 때 전기 저항이 감소해 앞서 진행된 실험 결과와 동일한 경향을 보였으며, 또한 응력이 가해지지 않을 때 초기 저항으로 회복하는 경향을 보여 구조물 보수 부위 거동에 대한 평가가 가능한 것으로 검 증되었다. 이를 통해, 탄소나노튜브 기반 폴리머 콘크리트는 구조물에 적용이 가능하며, 구조물 보수 후에도 가해지는 응력에 대한 지속적인 감지가 가능해 보수 부위 거동 평가가 가능할 것으로 판단된다.

다양한 원인으로 콘크리트 구조물에 하중이 작용되며, 이에 대한 적절한 대응이 이루어지지 않으면 구조물에 열화가 발생하고, 붕괴와 같은 대규모 재난을 초래할 수 있다. 구조물에 발생하는 하중을 감 지하는 연구는 지속적으로 이루어지고 있지만, 안전성 모니터링을 위한 혁신적인 시스템에는 여전히 부족함이 존재한다. 탄소나노튜브/폴리우레탄 복합체는 다양한 공학 분야에서 구조물 건전성 모니터링 을 위한 센서로 활용되어 센싱 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 공학 분야에서 구조물 건전성 모니터링 센서로 활용되고 있는 탄소나노튜브/폴리우레탄 복합체를 제작하여 모니터링 시스템을 개발하였다. 다양한 하중에 대한 센싱 성능을 파악하기 위해 인장, 압축, 충격 시험 을 진행하였고, 동시에 센서의 전기적 변화를 분석하였다. 추가적으로 본 센서가 구조물 표면에 적용 됨에 따라 온도, 습도와 같은 환경적 영향성을 분석하여 활용 가능성을 평가하였다. 또한, 최대 48행, 48열의 다중 계측이 가능한 IoT 기반 다중 모니터링 시스템을 개발하고, 이를 구조물에 적용된 센서 와 연계하여 스마트 모니터링 시스템으로서의 성능을 평가하였다. 이를 통해 탄소나노튜브/폴리우레탄 복합체 기반 센서는 구조물 하중 감지 시스템으로 활용이 가능할 것으로 판단되었다.

본 논문에서는 시멘트에 탄소나노튜브를 혼입하여 전기 전도성을 향상시킨 복합재료의 압저항 특성을 딥러닝 기반 트랜스포머 알 고리즘을 적용하여 분석하였다. 훈련 데이터 확보를 위한 실험수행을 병행하였으며, 기존 연구문헌을 참조하여 배합설정, 시편제작, 화학조성 분석, 압저항 성능측정 실험을 수행하였다. 특히 본 연구에서는 탄소나노튜브 혼입 시편뿐 아니라 플라이애시를 바인더 대 비 50% 대체한 시편에 대한 제작 및 성능평가를 함께 수행하여, 전도성 시멘트 복합재료의 압저항 특성 향상 가능성을 탐구하였다. 실 험결과, 플라이애시 대체 바인더의 경우 보다 안정적인 압저항 특성결과가 관찰되었으며, 측정된 데이터의 80%를 이용하여 트랜스 포머 모델을 훈련시키고 나머지 20%를 통해 검증하였다. 해석 결과는 실험적 측정과 대체로 부합하였으며, 평균 절대 오차 및 평균 제 곱근 오차는 각각 0.069~0.074와 0.124~0.132을 나타내었다.

석유기반 플라스틱의 대체제인 폴리하드록시부틸레이트(polyhydroxybutyrate, PHB)의 기존 추출방법은 분자량 감 소 및 물성 변형을 일으킨다. 본 연구에서는 기능화 된 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 부착한 돌기형 탄소나노튜브 분리막의 여과를 통해 물리적 파쇄를 발생시켜 미생물 내 축적된 PHB를 추출하고자 하였다. 돌기형 탄소나노튜브 분리막의 물리적 파쇄를 확인하기 위해 대장균 용액으로 여과 실험을 수행하여 불활성화를 관찰하였다. 또한 PHB를 축적한 미생물 용 액의 여과를 수행하여 PHB가 추출되었는지 확인하였더니 가장 대표적인 추출방법인 chloroform과 비교하여도 여과로 인한 추출이 4% 높은 성능을 가진 것을 관찰하였다. 본 결과를 통해 친환경적 바이오 플라스틱 회수를 위한 돌기형 탄소나노튜브 분리막의 적용 가능성을 확인하였다.

Small-film-type ion sensors are garnering considerable interest in the fields of wearable healthcare and home-based monitoring systems. The performance of these sensors primarily relies on electrode capacitance, often employing nanocomposite materials composed of nano- and sub-micrometer particles. Traditional techniques for enhancing capacitance involve the creation of nanoparticles on film electrodes, which require cost-intensive and complex chemical synthesis processes, followed by additional coating optimization. In this study, we introduce a simple one-step electrochemical method for fabricating gold nanoparticles on a carbon nanotube (Au NP–CNT) electrode surface through cyclic voltammetry deposition. Furthermore, we assess the improvement in capacitance by distinguishing between the electrical double-layer capacitance and diffusion-controlled capacitance, thereby clarifying the principles underpinning the material design. The Au NP–CNT electrode maintains its stability and sensitivity for up to 50 d, signifying its potential for advanced ion sensing. Additionally, integration with a mobile wireless data system highlights the versatility of the sensor for health applications.

현대에 사용되는 콘크리트는 혼화재료 적용을 통하여 워커빌리티와 구조적 성능을 향상시킬 수 있고 극한 환경에서 적용 가능한 기능성 콘크리트로 개발되었으나 외부 요인에 의한 부식, 인장력에 취약한 구조적 한계는 콘크리트의 활용 범위를 제한하였다. 이러한 콘크리트의 단점을 해결하는 방안으로 신소재로써 각광받고 있으며 고유의 기능을 부여할 수 있는 Smart material을 활용하고자 하며 Smart material 중 하나인 탄소나노튜브는 콘크리트의 보강재 중 하나인 철근보다 더 뛰어난 역학적 성능을 보이므로 콘크리트 내 적용을 통해 콘크리트의 향상된 구조성능을 기대할 수 있다. 또 다른 Smart material중 하나인 자기치유 혼화재는 콘크리트 균열면의 앙금 반응을 통해 균열을 메움으로써 콘크리트의 균열 부분 및 내부 배근재의 부식을 최소화하고자 한다. 탄소나노튜브는 시멘트 질량의 0.1, 0.3, 0.5%, 자기치유 콘크리트는 시멘트 질량의 6, 8, 10%만큼 혼입된 콘크리트 복합체의 역학적 거동을 검토하기 위해서 압축강도 시험과 휨시험을 수행하였으며 휨시험이 종료된 시편을 수중에 넣어 0,3,7,14,21,28,56,84일간 자기치유 성능을 검토하였다. 휨시험의 경우 OPC시편과 비교하여 동일 변위에 대해 높은 하중 변화를 보였으나 취성도가 증가하였다. 자기치유 실험의 경우 탄소나노튜브의 경우 일반 OPC 시편보다 약간 향상된 자기치유 성능을 보였으나 혼입량 증가에 따른 경향성을 보이지 못하였다. 자기치유 혼화재의 경우 OPC 또는 탄소나노튜브 혼입 콘크리트보다 초기 속도면에서 느린 회복률을 보였으나 최종 회복률에서 더 우수한 결과를 보였으며 이러한 현상은 혼입율의 증가에 따라 해당 경향이 더 뚜렷히 보였다.