Research area

1. 건설재료 (Construction Materials)

본 연구실은 시멘트 및 콘크리트를 중심으로 한 건설재료의 근본적인 거동을 이해하고, 이를 기반으로 고성능·친환경 재료를 설계하는 것을 목표로 합니다. 특히 시멘트계 재료의 수화 반응(hydration kinetics), 상 형성(phase evolution), 미세구조 발달(microstructural development) 간의 상관관계를 체계적으로 분석합니다.

이를 위해 XRD, TG/DTG, MIP, SEM, 그리고 29Si 및 27Al MAS NMR과 같은 정밀 분석 기법을 활용하여 C-S-H, C-A-S-H, carboaluminate 등 주요 수화 생성물의 형성과 진화를 정량적으로 규명합니다. 또한 재료의 공극 구조(pore structure), 이온 이동 특성, 그리고 기계적 성능(압축강도, 탄성계수 등) 간의 연계를 분석하여, 성능 발현 메커니즘을 통합적으로 해석하는 연구를 수행합니다.

특히 최근에는 저클링커(low-clinker) 및 무시멘트(clinker-free) 결합재 시스템에 초점을 맞추어, 기존 포틀랜드 시멘트의 탄소 배출 문제를 근본적으로 해결하고자 합니다. 이를 위해 슬래그 기반 알칼리 활성화 시스템, MgO 기반 활성화 시스템, 그리고 CO2 양생(carbonation curing) 기술 등을 적극적으로 연구하고 있습니다.

2. 스마트 센싱 (Smart Sensing)

시멘트계 재료의 내부 상태를 실시간으로 평가하기 위한 비파괴 스마트 센싱 기술 개발을 연구하고 있습니다. 대표적으로 PZT(압전소자) 기반 동적 탄성계수 측정 및 ERT(Electrical Resistance Tomography) 기반 전기저항 분포 분석 기술을 활용한 시멘트계 재료의 동적 물성 평가 및 구조 건전성 모니터링 기술을 연구하고 있습니다.

PZT 센싱은 압전 효과를 이용하여 재료 내부의 강성 변화(stiffness evolution)를 민감하게 감지할 수 있으며, 이를 통해 초기 수화 단계부터 경화 과정 전반에 걸친 동적 물성 변화를 연속적으로 모니터링할 수 있는 기술입니다. 한편, ERT는 전극을 통해 주입된 전류와 전압 반응을 기반으로 내부 전기저항 분포를 재구성함으로써, 공극 구조, 수분 상태, 이온 농도 변화 등을 반영하는 정보를 제공할 수 있습니다. 특히 기존 ERT의 한계인 상대적 변화 분석을 극복하기 위해, 주파수 의존 응답을 활용한 frequency-difference ERT 기법을 도입하여 이온 전도와 계면 분극(interfacial polarization) 메커니즘을 분리하고, 보다 특정 시점의 absolute 상태 해석을 가능하게 할 수 있습니다.

이러한 센싱 기술은 장기적으로 구조 건전성 평가(Structural Health Monitoring, SHM) 및 실시간 품질 관리 시스템으로 확장 가능하며, 스마트 건설 및 디지털 트윈 기술과의 융합을 목표로 연구하고 있습니다.

3. 인공지능 응용 (AI Applications)

본 연구는 건설재료 분야에 데이터 기반 접근을 도입하여, 기존의 경험적·실험 중심 연구를 예측 기반(prediction-driven) 연구 패러다임으로 전환하는 것을 목표로 합니다. 머신러닝 및 딥러닝 모델을 활용하여 재료의 배합, 온도, 시간 등 다양한 변수에 따른 물성(강도, 탄성계수, 수화열 등)을 예측하며, 제한된 데이터 환경에서도 높은 정확도를 확보하기 위한 전략을 개발합니다. 특히 Physics-Informed Neural Networks (PINN)를 적용하여, 수화 반응과 같은 물리 법칙을 모델에 내재화함으로써 데이터 효율성과 해석 가능성을 동시에 확보할 수 있는 기술을 연구합니다.

또한 SHAP(Shapley Additive Explanations) 분석 등을 통해 모델의 예측 결과를 해석하고, 주요 영향 인자를 정량적으로 도출함으로써 재료 설계의 의사결정을 지원합니다. 나아가 실험 데이터, 센싱 데이터, 그리고 물리 모델을 통합한 하이브리드 모델링(hybrid modeling)을 통해 보다 정밀한 성능 예측 및 최적화 기술을 개발합니다.

4. 폐기물 자원화 (Waste Valorization)

산업 부산물 및 폐자원의 재활용을 넘어, 이를 고부가가치 건설재료로 전환하는 업사이클링(upcycling) 기술 개발에 중점을 둡니다. 주요 대상은 제강 슬래그(steel slag), 바텀애시(bottom ash), 굴패각(waste oyster shell), 바이오차(biochar), 금속 가공 잔재물(슬러지, 분진 등)이며, 이들의 화학적·광물학적 특성을 기반으로 반응성을 극대화하는 전략을 연구합니다.

슬래그 기반 시스템에서는 알칼리 또는 알칼리토류 자극제를 통해 반응성을 향상시키고, 바이오차의 경우 내부 양생(internal curing) 및 CO2 흡착/탈착 특성을 활용하여 수화 및 탄산화 반응을 동시에 제어할 수 있습니다. 또한 굴패각(Oyster Shell Powder)과 같은 천연 CaCO3 기반 자원을 활용하여, 단순 충전재를 넘어 용해–재침전(dissolution–reprecipitation) 메커니즘을 통해 반응성 소재로 활용하는 접근도 수행합니다. 이러한 연구는 단순한 재활용을 넘어, 탄소 저감, 자원 순환, 폐기물 감축이라는 환경적 목표를 동시에 달성하며, 지역 산업 부산물의 고도 활용이라는 산업적 파급 효과를 지닙니다.