1. 서 론

1.1 연구 배경

동절기 지반 및 포장 구조물의 결빙 문제는 도로, 보도, 철로, 활주로 등 주요 사회기반시설의 안정성과 기능성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 공학적 이슈이다(Kim and Go et al., 2023). 지표면의 온도가 0℃ 이하로 떨어지면 토양 내부의 간극수는 얼음으로 변하며 체적이 증가하고, 이로 인해 동상(frost heave)과 같은 수직 변위가 발생한다. 이 과정에서 포장 체계는 반복적인 인장·압축 하중을 받게 되고 시간이 지날수록 미세 균열이 확대되며, 포트홀이나 국부 침하와 같은 파손으로 이어질 수 있다. 특히 기온이 0℃ 전후로 잦은 변화를 보이는 지역에서는 결빙-융해 사이클이 빈번하게 발생하여 포장체의 내구수명 감소 및 유지관리 비용 증가가 큰 문제로 대두된다.

한편, 북극권 및 고산지대에 광범위하게 분포하는 영구동토는 지표면에서 수미터에서 수백 미터 깊이까지 존재하는 장기 결빙 지반이다. 동토는 기온이 낮을 때에는 높은 강성과 지지력을 가지지만, 기온 상승이나 인위적 하중에 의해 동토 내부의 얼음이 녹기 시작하는 순간부터 급격한 지반 침하, 전단강도 저하, 지반 변형과 같은 심각한 구조적 문제가 발생한다. 실제로 동토 지역에서는 동토 융해로 인한 사면 변형, 교량 기초 노출, 도로 균열 등의 현상이 지속적으로 보고되고 있다. 이러한 문제는 단순한 도로 파손에 그치지 않고, 장기적으로는 유지관리 비용 증가, 안전사고 증가, 사용성 저하 등 광범위한 사회 및 경제적 영향을 초래한다.

기존의 결빙 억제 및 제설 기술로는 주로 염류계 제설제 살포, 전기 발열선, 온수 열관 매설 등의 방식이 적용되어 왔다. 가장 보편적인 화학적 처리 방식인 염화칼슘 포설은 포장체 및 철근의 부식, 주변 토양 및 수질 오염 등의 부작용이 수반된다는 단점이 있다. 이를 대체하기 위한 물리적 가열 공법인 전기 발열선이나 온수 열관 매설 방식은 초기 설치 및 유지관리 비용이 높고 시공성이 떨어지는 등의 단점이 있다. 따라서 이러한 기존 공법의 한계를 극복하기 위해, 시공이 간편하고 유지관리가 쉬우며 지반 재료 자체가 균일한 발열제 역할을 수행할 수 있는 새로운 형태의 지반 가열 기술 개발이 요구된다.

이에 따라, 최근 지반·콘크리트·건설재료 분야에서는 탄소 기반 전도성 재료를 시멘트나 흙에 혼합하여(Lee et al., 2025a) 전류 공급만으로 발열이 가능한 Self-heating composite 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 탄소나노튜브(CNT), 탄소 섬유(Carbon Fiber), 그래핀(Graphene) 등의 기존 탄소재는 지반재료에 적용하기에는 분산성 문제, 높은 임계함량, 바인더 의존성 등 다양한 기술적 한계를 가지고 있다.

이러한 배경에서, 본 연구는 우수한 전기 전도성과 친수성을 동시에 갖는 Edge-Oxidized Graphene Oxide(EOGO)에 주목하였다. EOGO는 Graphene Oxide(GO)에 비해 산소기가 가장자리에 주로 존재해 전도성이 유지되는 동시에, 모래와 같은 실리카 기반 입자의 표면과 친수성, 극성 상호작용을 형성할 수 있어 바인더 없이도 모래 표면에 안정적으로 코팅이 가능하다. 이러한 특성으로 EOGO는 모래 입자와 혼합 시에 전기적 네트워크 형성이 가능할 것으로 판단된다(Jang et al., 2023).

모래는 절연체이므로 전기가 통하지 않으나, EOGO를 적절히 배합하여 전도성을 부여하면 Joule heating 원리에 의해 지반 전체가 균일하게 발열하는 시스템을 구축할 수 있다. 이는 기존 열선 방식의 단점을 극복하는 동시에 양생을 위한 시간이 필요 없어 혼합 즉시 사용 가능하며, 동토 지역의 동결 방지 및 효율적인 융해를 위한 효과적인 지반 가열 솔루션이 될 수 있다. 본 연구는 지반 입상체 자체가 발열 기능을 수행할 수 있는 신개념 지반 가열재 개발의 가능성을 제시하며 기초적인 발열 특성 규명과 최적의 배합을 위한 조건을 탐색한다.

1.2 연구 목적

본 연구는 절연체인 모래에 산화 그래핀 기반의 신소재인 EOGO를 혼합하여 전도성 지반 재료를 조성하고, 인가 전압에 따른 Joule heating 발열 양상을 분석함으로써 동토 지역의 지반 가열 기술로서의 적용성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이러한 최종 목표를 성공적으로 달성하기 위해, 본 논문은 EOGO가 혼합된 입상체의 발열 거동 특성을 여러 변수를 두어 알아보고자 한다. 이를 위한 구체적인 연구 목적은 다음과 같이 설정하였다.

첫째, EOGO와 sand의 혼합물의 발열 성능에 EOGO 함유량이 미치는 영향을 정량적으로 평가한다. 입상체 전체에 걸쳐 효과적인 전도 네트워크 형성을 위해, 적정 수준 이상의 전도성 첨가제가 요구된다. 본 연구에서는 sand 질량 대비 EOGO의 첨가율을 세분화(1%~4%)하여, EOGO 함량의 증가가 복합재의 Joule heating과 어떤 상관관계를 보이는지 분석한다. 이를 통해 전도 네트워크가 형성되기 시작하는 임계 함량의 존재 여부를 탐색하고, 과도한 EOGO 사용으로 인한 경제성 저하를 방지하면서도 목표 발열 성능에 맞는 함량을 설정할 수 있도록 함유량에 따른 발열량의 변화를 알아보고자 한다.

둘째, 인가 전압의 크기가 발열량에 미치는 영향을 평가한다. 동일한 조건에서 5, 10, 15, 20V의 전압을 단계적으로 인가하고, 각 전압 조건에서 시료의 내부 온도 변화량 및 전류 변화를 비교한다. 전압과 온도 증가량의 관계를 정량적으로 분석하고, EOGO 함량에 따라 전압 증가에 대한 발열 반응이 어떻게 달라지는지 평가하고자 한다.

이러한 분석을 바탕으로 바인더가 필요 없는 친환경 입상 발열체로서 EOGO-sand 혼합물이 가지는 독창적인 성능과 잠재성을 증명하고, 향후 효과적인 현장 적용을 위한 최적의 조건을 제시하는 것을 본 연구의 궁극적인 목표로 한다.

2. 실험 재료

2.1 입상체(모래)

본 연구에서 사용한 입상체는 모래이다. KS L ISO 679 규격의 표준사를 사용하였으며, 표준사의 물리적 특성은 Table 1과 같다. 모래는 100℃ 오븐에서 24시간 동안 건조된 후, ASTM E11에 따라 체가름 과정을 거쳐40번 체(425μm)를 통과하고 50번 체(300μm)에 잔류한 입자군을 사용하였다. Fig. 1은 모래 입자를 현미경으로 관찰한 모습이다.

Fig. 1

Microscopic image of sand particles

2.2 EOGO(Edge-Oxidized Graphene Oxide)

Edge-Oxidized Graphene Oxide(EOGO)는 산소기가 주로 그래핀 시트의 가장자리에 분포하는 Graphene Oxide(GO)의 일종이다(An et al., 2019). 기존에는 대부분 화학적 산화 기술을 이용해 GO를 생산하였으며, 대표적 예시로 강력한 산화제와 고농도 산을 사용하는 Hummers 방법이 있다. 이와 달리 EOGO는 기계화학적 볼 밀링(ball milling) 공정을 통해 합성된다. EOGO를 생산하는 과정에서 너무 약한 전단력이 가해지면 그래핀 층이 충분히 분리되지 않고 산화 반응도 잘 일어나지 않는다. 반대로 너무 강한 전단력이 가해지면 구조의 손상을 일으키며 입자가 파쇄돼 그래핀의 특성을 손실한다. 이 방식은 최적의 전단력을 가하는 동시에 충격력을 최소화하는 정밀하게 제어된 조건에서 흑연 분말을 약한 산화제와 함께 볼 밀링해 EOGO를 생산한다. Fig. 2는 EOGO의 생산 공정을 나타낸 그림이다.

Fig. 2

EOGO manufacturing process

Garmor, Inc.(Orlando, FL, USA)에서 생산한 EOGO를 사용하였으며, 화학 조성은 Table 2에 나타나 있다.

Fig. 3은 EOGO의 SEM 사진이다. 사진에서 볼 수 있듯이, EOGO는 주름진 시트 형태와 확연히 거친 표면을 가지고 있는데, 이는 볼 밀링 공정에 의해 생긴 특징이다(Lee et al., 2025b).

Fig. 3

SEM image of EOGO

3. 실험 개요

3.1 실험 디자인

본 연구에서는 EOGO를 혼합한 입상체의 발열 거동을 분석하기 위해 두 가지의 발열 실험을 진행하였다. 먼저 EOGO만의 발열 양상을 파악하기 위한 Joule heating 실험을 진행하였으며, 그 다음으로 EOGO 첨가량과 전압의 크기를 변수로 설정해 Sand+EOGO 혼합물 발열 실험을 진행하였다. Fig. 4는 전체 실험 디자인을 도식적으로 나타낸 것이다.

Fig. 4

Experimental design

3.2 실험 방법

발열 실험은 절연체인 플라스틱 몰드에 시료를 담아 전류가 몰드 외부로 흐르는 것을 방지하며, 구리 메쉬를 전극으로 사용하였다.

첫 번째 EOGO 발열 실험에서는 EOGO가 담긴 몰드에 8cm 간격으로 설치한 4cm×4cm 크기의 구리 전극을 이용해 각 전압(5V, 10V, 15V, 20V)를 인가하며 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다.

두 번째 모래+EOGO 혼합물 발열 실험에서는 체가름 된 모래에 모래 무게 대비 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4wt%의 EOGO를 3분간 건식 수동 혼합하였다. 동일한 시료에 대해 5, 10, 15 및 20 V를 순차적으로 각 300s 동안 인가하였으며, 각 조건에 대해 단일 시험을 수행하였다. 또한 시험 조건 간 온도 영향을 최소화하기 위해, 모든 시료는 초기 온도가 23℃에 도달한 상태에서 전압 인가를 시작하였으며, 각 전압 조건에서의 온도 변화량은 해당 전압 인가 직전의 온도를 기준으로 산정하였다. Sand와 EOGO의 혼합물을 몰드에 담고 표면 처리를 통해 부피를 일정하게 고정시켰다. 3cm×3cm 크기의 전극을 6cm 간격으로 배치하고, 전극을 source meter에 연결하여 전압을 인가함과 동시에 시료에 흐르는 전류를 실시간으로 측정하였다. 두 전극의 정중앙에는 T형 thermocouple을 설치하여 data logger에 연결하고 내부 온도를 측정하였으며, 열화상카메라로 시료 표면의 온도 분포를 관찰하였다. 이때 열화상카메라는 사진 3.10와 같이 전용 거치대에 고정하여 촬영 위치가 변화하지 않도록 하였다.

Fig. 5

Experimental setup

4. 시험 결과

4.1 EOGO 발열 특성

Fig. 6은 EOGO의 Joule heating 실험 결과이며, 전압이 증가함에 따라 발열 속도와 같은 시간 내 발열량이 뚜렷하게 증가하는 경향을 나타냈다. 이를 통해 EOGO가 자체적으로 전류를 효과적으로 전달하며, Joule heating이 가능한 재료임을 알 수 있다. 즉 EOGO 입자 간의 전도 경로가 잘 형성되어 있어, 전압이 인가되었을 때 안정적인 발열 특성을 나타낸다.

Fig. 6

Joule heating test results of EOGO

4.2 EOGO 햠량이 발열에 미치는 영향

Fig. 7은 EOGO의 함량별 혼합물에 20V를 인가했을 때 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 시료에서 전압 인가 시간이 증가함에 따라 온도가 점진적으로 상승하였으며, EOGO 함량이 높을수록 온도 상승 속도와 최종 온도 변화량이 증가하는 경향을 보였다. 특히 EOGO 함량이 3.5%와 4%인 시료에서는 실험 시작 직후부터 온도가 비교적 일정한 기울기로 증가하였으며, 전압 인가 5분 후 온도 변화량은 각 3.8℃와 5.0℃로 나타났다. 반면 EOGO 함량이 3%인 시료의 온도 변화량은 1.9℃였으며, 2.5% 이하의 시료에서는 1.3℃ 이하의 상대적으로 낮은 온도 상승이 관찰되었다. EOGO 함량이 1%와 1.5%인 시료에서는 실험 시간 동안 온도 변화가 거의 나타나지 않아 유의미한 발열이 발생하지 않은 것으로 확인되었다.

Fig. 7

Effect of EOGO content on temperature rise

Fig. 8은 각 시료에 5, 10, 15 및 20V를 각각 300s 동안 순차적으로 인가한 후 촬영한 최종 표면 온도 분포를 나타낸다. 모든 열화상 영상은 동일한 촬영 위치와 온도 표시 범위를 적용하여 EOGO 함량에 따른 표면 발열 특성을 비교하였다. EOGO의 함량이 1, 1.5%인 경우에는 시료 표면의 색상 변화가 거의 관찰되지 않는다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이, 2% 미만의 함량에서는 내부 발열이 거의 발생하지 않아 표면 온도에 변화가 나타나지 못했음을 확인할 수 있다. 반면, 2%부터는 전극 주위로 발열이 감지되기 시작하였으며, 4%에서는 매우 뚜렷한 발열 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 온도가 상승할 뿐 아니라 발열 영역이 전극 주위에 한정된 구역에서 시료 전체로 넓게 확산된다는 점 또한 확인할 수 있는데, 4% 첨가한 시료에서는 더 넓은 면적에서 더 강한 고온의 발열이 발생하고 주변부로 열이 전도되고 있음이 관찰되었다.

Fig. 8

Surface heat map of the EOGO-sand

이를 통해 EOGO 함량이 높을수록 훨씬 높은 발열량을 나타낼 뿐 아니라, 시료 표면에 걸쳐 더 넓은 발열 분포를 유도함을 알 수 있다. 이는 높은 EOGO 함량에서 형성된 조밀하고 균일한 전도 네트워크가 시료 전체에 걸쳐 효과적인 Joule heating을 발생시키고 있음을 나타낸다. 본 실험 조건에서는 EOGO 함량이 약 2%에 도달할 때부터 입자 간 전도 경로가 형성되기 시작하며, 이를 전도 네트워크 형성을 위한 최소 임계 함량으로 판단할 수 있다. 다만 2%에서는 발열이 전극 주변에 국부적으로 나타나는 수준이므로, 시료 전반에 걸쳐 연속적이고 안정적인 전도 네트워크를 확보하기 위해서는 2%보다 높은 EOGO 함량이 필요한 것으로 분석된다.

4.3 인가 전압이 발열에 미치는 영향

인가 전압이 EOGO–sand 혼합물의 발열 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해, EOGO 함량별 시료에 5, 10, 15 및 20V를 인가하고 전류와 온도 변화량을 비교하였다. 첫 번째 그래프에서 확인할 수 있듯이, 동일한 EOGO 함량에서는 인가 전압이 증가할수록 시료에 흐르는 전류가 증가하였다. 또한 동일한 전압 조건에서는 EOGO 함량이 높을수록 전류가 증가하는 경향이 나타났다. 특히 EOGO 함량이 3% 이하인 구간에서는 전류 증가 폭이 비교적 작았으나, 3.5% 이상에서는 전압 증가에 따른 전류 증가가 뚜렷하게 나타났다. EOGO 4% 시료의 경우 전류는 5V에서 약 85mA, 10V에서 약 180mA, 15V에서 약 275mA, 20V에서 약 365mA까지 증가하였다. 이는 EOGO 함량이 증가하면서 입자 간 전도 경로가 충분히 형성된 시료일수록 전압 변화에 더 민감한 전기적 반응을 나타냄을 의미한다.

두 번째 그래프는 EOGO 함량과 인가 전압에 따른 온도 변화량을 나타낸다. EOGO 함량이 1, 1.5%인 시료에서는 인가 전압이 증가하여도 온도 변화가 거의 나타나지 않았다. 반면 EOGO 함량이 2% 이상인 시료에서는 전압이 증가할수록 온도 변화량이 증가하였으며, 이러한 경향은 EOGO 함량이 높을수록 더욱 뚜렷하였다. EOGO 4% 시료의 온도 변화량은 5V에서 약 0.3℃이었지만, 20V에서 약 4.9℃로 증가하였다.

이러한 결과는 인가 전압이 증가할수록 시료 내부의 전도 네트워크를 통해 흐르는 전류와 전력 공급량이 증가하기 때문으로 판단된다. 다만 전압 증가에 따른 발열량 증가는 모든 EOGO 함량에서 동일하게 나타나는 것이 아니라, 연속적인 전도 네트워크가 충분히 형성된 고함량 시료에서 더욱 크게 나타났다. 따라서 EOGO–sand 혼합물의 발열 성능은 인가 전압뿐만 아니라 EOGO 함량에 의해 형성되는 전도 네트워크의 연속성에 함께 좌우되며, 목표 발열량을 확보하기 위해서는 적정 EOGO 함량과 인가 전압을 동시에 고려해야 한다.

Fig. 9

Effect of applied voltage

5. 결 론

본 연구에서는 300~425μm 범위의 표준사에 EOGO를 1~4wt% 혼합하고, 5, 10, 15 및 20V의 전압을 인가하여 EOGO 함량과 인가 전압이 입상체의 Joule heating 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 EOGO 단독 발열 실험을 통해 EOGO가 외부 전압 인가 시 자체적으로 전류를 전달하고 안정적으로 발열할 수 있는 전도성 재료임을 확인하였다. EOGO–sand 혼합물에서는 EOGO 함량이 증가할수록 전류, 온도 상승 속도 및 최종 온도 변화량이 증가하였다. 특히 EOGO 함량이 1, 1.5%인 시료에서는 유의미한 온도 변화가 거의 나타나지 않았으나, 2%부터 전극 주변에서 국부적인 발열이 관찰되었다. 따라서 본 실험 조건에서 전도 네트워크가 형성되기 시작하는 최소 임계 함량은 약 2%로 판단된다. 다만 2%에서는 발열 영역이 제한적으로 나타났으며, 3% 이상의 함량부터는 온도 상승과 발열 영역의 확산이 명확하게 관찰되었다.

인가 전압이 증가할수록 동일한 EOGO 함량에서 시료에 흐르는 전류와 온도 변화량이 증가하였으며, 이러한 특성은 전도 네트워크가 충분히 형성된 고함량 시료에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. EOGO 4% 시료의 경우 전류는 5V에서 약 85mA, 20V에서 약 365mA로 증가하였으며, 온도 변화량도 각각 약 0.3℃에서 4.9℃로 증가하였다. 또한 20V 인가 시 EOGO 3.5%와 4% 시료의 5분 후 온도 변화량은 각각 약 3.8℃와 5℃로 나타나, EOGO 함량과 인가 전압이 발열 성능을 함께 결정하는 주요 인자임을 확인하였다.

결과적으로 EOGO–sand 혼합물의 Joule heating 성능은 EOGO 함량 증가에 따른 입자 간 전도 네트워크의 형성과 인가 전압 증가에 따른 전류의 증가에 의해 향상되는 것으로 분석되었다. 본 연구는 별도의 바인더나 양생 과정 없이 모래에 EOGO를 혼합하는 것만으로 즉각적인 발열이 가능한 입상 발열재를 구현할 수 있음을 보여주며, 목표 발열 성능을 확보하기 위해서는 최소 임계 함량뿐만 아니라 전도 네트워크의 안정성을 고려한 EOGO 함량과 인가 전압의 조합이 함께 설정되어야 함을 제시한다. 향후에는 함수비, 반복 가열, 동결·융해 및 장기 전압 인가 조건에서의 성능과 내구성을 평가함으로써 실제 지반 가열 및 제설 분야에 대한 적용 가능성을 추가로 검토할 필요가 있다.