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철근보다 가볍고 철근보다 강한 ‘GFRP 철근보강근’ (유리섬유강화폴리머 철근)콘크리트용 보강근으로 국내 최초로 특허 등록 2022 조달청 선정 벤처창업혁신조달상품 지정
강영훈 기자  |  kangy423@naver.com
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승인 2022.06.30  13:56:45
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▲ [사진 = (주)디엘]

철근콘크리트는 가장 보편화된 건축 공법으로 구조 강성이 우수하며 내구성, 내화성, 차음 성능이 우수하다는 장점이 있다. 하지만 철근을 사용하는 만큼 부식에 약하며 철근 부식은 콘크리트 건축물 파손 원인의 대부분을 차지하고 있다. 철근은 부식되면 그 체적이 증가하고 이때 발생하는 체적 증가는 최대 6배에 이른다. 철근이 팽창할 경우 이 철근에 부착된 콘크리트도 함께 팽창하고 이로 인해 균열과 파손이 발생한다. 이런 철근의 부식을 방지하기 위해 철근 표면에 아연을 도금하거나 철근의 피복 두께를 증가, 균열부 보수 등 여러 대안들이 활용되고 있다. 하지만 표면이 벗겨지는 등 손상이 생기면 결국 같은 문제가 발생하게 되었으며 이에 따라 아예 소재를 바꾸는 안도 제기되고 있다. 날이 갈수록 높아지는 철근 값과 철을 생산하기 위해 배출되는 탄소도 이러한 대안에 힘을 실어주고 있다. 이 대안들 중 활발히 연구되고 있는 것이 유리섬유강화폴리머 철근, GFRP다.

GFRP는 건설 분야에서 1950년대부터 사용되기 시작했으며 국내에서도 철근부식이 쉬운 환경에 노출된 해양 및 항만구조물의 안정성과 내구성 증진을 위해 연구되고 있다. 또한 부식의 위험을 막는 것에 이어 기존 철근 콘크리트에 비해서 가볍고 또 비용이 적게 드는 것이 중요시한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 GFRP는 대체적으로 가볍고 비용이 적게 드는 동시에 강도도 높아 해외에서는 여러 업체에서 이를 연구해 제품을 내놓고 있다. 하지만 국내에서는 GFRP가 아직 신생단계에 있어 연구하는 업체가 그리 많지 않은 것이 실정이다. 한편 주식회사 (주)디엘은 동일 철근에 비해 2배 이상의 강도를 지니고 건설비용은 30%로 절감한 GFRP 건축재, GFRP를 선보여 주목을 받고 있다.

  


인장강도 철근 2배 이상, 무게는 4분의 1

강하면서 가벼운 GFRP철근

유리섬유는 유리로 된 극세 섬유로 이루어진 물질로 유리인 만큼 단열성이 뛰어나며 녹슬지 않는 소재다. 이 유리섬유를 활용해 만들어 철근 콘트리트의 철근을 대체하고 있는 건축재가 유리섬유 강화폴리머(GFRP, Glass Fiver-Reinforced Polymer)다. GFRP는 유리섬유(Glass Fiber)를 주요 보강재로 해 다양한 수지를 감싸 가공한 복합 구조재다. 일반적으로 무게는 알루미늄보다 가볍고 철보다 내식성, 내열성, 내부식성이 우수해 여러 사업 분야에서 사용되고 있다. 주식회사 디엘(R&D사장 전병수)(이하 디엘)이 개발한 GFRP 제품, G-Rebar는 구조 설계를 기반으로 유리섬유 전문가가 직접 참여해 생산하고 있는 제품이다. 전병수 R&D사장은 “코로나로 인해 수출길이 줄어들어 이를 해결해보고자 조사하다 유리섬유에 대해 접하게 되었다.”라고 말했다. GFRP는 현재 우리나라 공사현장에서 넓게 쓰이지 않는 제품으로 그 때문에 시장 성장성 가능성이 무한하다. 이에 전병수 R&D사장는 수년간 연구와 특허 및 라이센스 준비를 거쳐, 그 결과로 개발한 것이 유리강화폴리머 GFRP철근이다.

그렇게 만들어진 GFRP의 가장 큰 특징은 일반적인 철근보다 강하다는 것이다. GFRP의 인장강도는 920~1,200Mpa로 이는 철근의 인장강도 400Mpa의 두 배 이상이다. 또한 잡아 늘이는 것에만 강한 게 아니라 구부리는 힘에도 강해 철근의 굽힘 강도가 450Mpa인 반면 GFRP의 굽힘 강도는 900Mpa로 마찬가지로 2배에 달한다. 특히 G-Rebar는 미국, 캐나다, 러시아 등 해외 GFRP 제품에 비해서도 인장강도와 굽힙 강도가 높은 편이다.

또한 콘크리트 건축에 쓰이는 자재에 중요한 것이 콘크리트에 부착되는 힘인 부착강도다. 부착강도가 약하면 콘크리트와 자재가 서로 엇갈리게 되고 이 엇갈림은 균열을 발생시켜 건축물 전체의 파손 또는 붕괴로 이어진다. GFRP는 부착강도에 대해서도 다른 제품보다 높은 성능을 보인다. 더불어 철근보다 강도가 강하면서도 그 무게는 동일한 부피의 철근에 비해 26% 수준으로 4분의 1 정도에 해당하는 수준이다.

 


금속철근에 비해 원자재비용은 최대 10% 원가 절감

공사비용 약40%과 운임비 3배까지 절감 가능해

건축공사 공사비용 중 많은 비중을 차지하는 것이 원자재비용과 인건비다. 여기에는 원자재를 운송하는 비용도 포함된다. 철근의 경우 철 자체가 국제적인 시세에 크게 의존하고 있다. 철광석과 철근은 2020년부터 매해 오르고 있으며 최근 우크라이나-러시아 전쟁으로 인해 철값은 더욱 불안정해졌다. 더욱이 철은 건축 자재 중에서 특히 무거운 편에 속한다. 운송할 때 무게가 너무 높으면 한 번에 운송할 수 있는 양에 한계가 있어 여러 번 운송이 필요하다. 이런 점은 결국 모이고 모여 공사비용 상승의 원인이 된다.

국내 건설현장에서 여러 장점에도 불구하고 GFRP 보강근을 꺼린 이유에는 이전에 개발된 제품은 철근보다 단가가 높다는 점 탓이었다. 그 때문에 GFRP 보강근이 필수적인 몇몇 특수한 공정에만 해외에서 수입한 보강근을 사용하는 일이 잦았다. 하지만 GFRP는 그 가격이 철근에 비해 90%~95% 수준으로 머문다. ㈜디엘은 2022년 철근 시세를 기준으로 할 때 철근은 톤당 1,050,000원인데 반해 GFRP철근는 950,000원으로 이는 약 10%가 절감된 비용이라고 전했다. 또한 단순한 원자재 비용 뿐 아니라 공사비용 면에서도 GFRP는 우수한 경제성을 보인다. GFRP는 그 무게가 철근의 4분의 1 수준인 만큼 가벼워 한 번에 많은 양을 옮길 수 있고 또한 작업도 철근에 비해 수월하게 진행할 수 있다. 전병수 R&D사장는 실제 현장에서 작업하는 사람들에게 직접 이야기를 들어 그 효율을 확인했다. 건설현장에서 철근을 까는 배근작업을 할 때 1명이 8시간 정도 작업을 할 경우 1톤 정도 분량을 작업할 수 있다. 하지만 GFRP의 경우 같은 시간동안 1명이 3톤 분량을 작업할 수 있다. 전병수 R&D사장는 “무게가 4분의 1이기 때문에 인건비가 못해도 약40~50%는 절감된다.”라고 전했다.

또한 물류비면에서도 크게 비용이 줄어든다. GFRP의 무게는 철근의 26% 수준이다. 그 덕에 철근을 차에 실을 때보다 3배 가량 많은 물건을 실을 수 있다. 이로 인해 물류비도 3분의 1 정도로 줄어들게 된다. 결론적으로 100톤 작업을 기준으로 할 경우 철근을 사용할 때 관련 인건비를 통해 산출한 공사비용은 약 2천 800만원 정도가 나온다. 하지만 GFRP는 그 비용의 3분의 1수준인 약 9백 50만 정도가 나오게 된다. 철근을 GFRP로 바꾸는 것만으로도 공사비용 자체가 크게 줄어드는 셈이다.

 

   
▲ [사진 = (주)디엘]

 

녹과 부식으로부터 안전한 유리강화폴리머 철근

탄소배출량 철근보다 40~50% 낮아

유리강화폴리머철근과 철에 비해 가지는 장점 중 하나는 녹과 부식이 없다는 점이다. 녹과 부식은 철근 콘크리트가 가진 가장 큰 문제점 중 하나다. 철근을 사용한 철근 콘크리트의 경우 내부에 있는 철근은 스며든 물 등으로 부식이 일어나게 된다. 철근은 부식될 경우 그 부피가 팽창하는 성질이 있기 때문에 철근의 부식은 이를 감싸고 있는 콘크리트의 균열과 파손으로 이어진다. 이 경우 당연히 건축물은 내구성의 저하가 발생하며 이를 보수하기 위한 비용도 발생한다. 녹을 처리하고 보수하기 위한 과정에서 생겨나는 폐자재 등 환경적인 면에서도 좋지 못하다. 무엇보다 철근을 생산할 때는 고철과 석회석등이 사용된다. 고철과 석회석은 화석연료만큼이나 탄소를 배출한다. 탄소배출량에 대한 경계는 전세계적으로 확산중이며 국내에서도 탄소배출량에 대해 각 산업에 규제를 걸고 있다. 철근 콘크리트는 친환경이 선호되는 요즘 경향을 볼 때 여러 문제점이 많은 건축 방식인 셈이다.

GFRP는 유리강화섬유를 사용한 제품인 만큼 녹과 부식에 의한 우려가 없다. 녹과 부식이 발생하지 않는 만큼 외력에 의해 손상을 입지 않는 한 영구적으로 그 강도가 유지된다. 더욱이 철근 콘크리트의 경우 외부 콘크리트가 파손되어 내부 철근이 노출되면 그 철근은 부식되어 결국 구조물 전체를 교체해야하는 상황이 발생한다.

하지만 GFRP는 외부 콘크리트가 손상이 되더라도 내부 보강근인 GFRP의 강도는 유지되어 보수 작업도 철근 콘크리트에 비해 단순하게 처리할 수 있다. 외력에 의해 부서져 그 충격이 내부 보강근에 미치더라도 GFRP는 인장강도와 굽힘 강도가 철근보다 2배 이상 높은 만큼 외력에 의한 손상에도 철근보다 잘 버텨낸다.

더불어 GFRP를 생산할 때는 철근처럼 고철이나 석회석이 필요하지 않다. 전병수 R&D사장는 “탄소배출이 철근에 비해서 40~50% 정도 절감된다.”고 밝혔다. 이는 국제적으로 유행하며 국내에서도 채택하고 있는 저탄소 정책에도 알맞다. 이러한 점은 건축물의 수명 증대에도 크게 작용한다. 국내에서는 콘크리트 건축물의 파손이나 내부 철근 부식 등으로 건축물의 수명을 30~40년 정도로 보고 있다. 하지만 GFRP를 사용할 경우 콘크리트 보강근 역할을 하는 내부 철근의 부식으로 인한 파손이 없기 때문에 수명이 증대된다. 더불어 GFRP는 유리강화섬유인 만큼 전류를 차단하는 절연 제품으로 문제 있는 전류로 인해 건물에 손상이 가는 것을 막는다. 무엇보다 그 강도 덕에 내진 성향도 우수하다.

 

5년간의 연구를 통해 탄생

벤처창업 혁신조달제품에 선정

세계적으로 GFRP가 건설현장에서 쓰이게 된 것은 1950년도다. 하지만 국내에서는 GFRP의 대분류인 FRP조차 2003년에 최초로 이루어졌다. 이러한 연구를 통해 만들어진 관련 기준 또한 콘크리트용 FRP 보강재에 대한 기준은 2017년에 만들어졌으며 FRP 보강근 콘크리트 구조설계지침은 그보다 늦은 2019년에서야 세워졌다. 이제는 몇몇 국내 회사에서도 GFRP 제품을 생산하고 있지만 GFRP는 국내에서 신생시장에 가깝다. 미국 등에서는 1990년대에 이미 건축과 더불어 다른 영역에도 손을 뻗었으며 저탄소정책에 힘을 부과하고 있는 중국은 현재 최대생산국으로 이름을 떨치고 있다. 이런 반면 국내의 경우 현재까지도 고품질의 제품을 생산하는 업체수가 적고 특수한 공정에만 사용해서 해외에서 수입하는 경향이 크다.

㈜디엘은 2019년에 설립되었으나 전병수 R&D사장는 유리섬유 연구를 위해 회사설립 2,3년 전부터 연구를 계속했다. 그리고 2021년부터 본격적으로 제품 생산을 시작했다. 전병수 R&D사장는 “한국은 규제가 많다. 환경 영향 평가도 받아야하고 공장등록증,환경영향평가,직접생산증명도 받아야한다. 하지만 전부 해냈다.”라고 전했다.

GFRP은 그 결과 ISO 14001 등 기술인증 및 환경인증을 동시에 받았으며 디엘은 기업부설연구소 또한 인증을 받았다. 또한 2022년 2월에는 섬유강화복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근으로서 국내 최초로 특허에 등록되었다.

이렇게 만들어진 GFRP는 현장타설 바닥판, 프리캐스트 바닥판 및 거더 연결부 등에 사용되고 있으며 진주의 조립공장, 구미산단의 PNT공장, 철도시스템, 방파제 등에 시공한 사례를 보유하고 있다. 이러한 결과로 ㈜디엘의 GFRP는 콘크리트 구조물 속에 사용되는 보강근인 공사용 자재로서 2022년 4월 조달청 벤처창업혁신조달 상품으로 지정되었다.

디엘은 이를 통해 2021년에는 벤처기업확인증을 받았으며 2022년 제25회 장영실 국제 과학 문화상 대상 수상(유리섬유강화폴리머 기술부문)을 하였으며 부산지방 고용노동청 표창장을 받기도 했다.

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