푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)으로 시멘트 수화물과 탄산화 반응을 분석하는 원리

시멘트에 물을 혼합하면 클링커 광물이 용해되고 C-S-H, 수산화칼슘, 에트린가이트와 같은 수화생성물이 형성됩니다. 이후 콘크리트가 이산화탄소에 노출되면 수산화칼슘과 C-S-H 일부가 탄산화되면서 탄산칼슘과 실리카가 풍부한 상으로 변화할 수 있습니다.

이러한 변화는 눈으로 직접 확인하기 어렵습니다. 그래서 시멘트계 재료의 수화와 열화를 연구할 때 X선 회절분석, 열중량분석, 라만 분광법과 함께 자주 사용되는 방법이 푸리에 변환 적외선 분광법, FTIR입니다.

FTIR은 시료에 적외선을 조사했을 때 특정 화학결합이 특정 파장의 에너지를 흡수하는 현상을 이용합니다. 시멘트 수화생성물마다 서로 다른 결합구조를 가지고 있기 때문에 적외선 흡수 위치와 세기를 분석하면 어떤 화학적 변화가 발생했는지 추적할 수 있습니다. 최근 연구에서도 FTIR은 C-S-H, 수산화칼슘, 에트린가이트와 탄산염 등 시멘트계 재료의 주요 상을 관찰하는 분석법으로 활용되고 있습니다.

FTIR은 무엇을 측정하는 시험일까?

분자는 완전히 정지해 있는 구조가 아닙니다.

원자 사이의 결합은 늘어나거나 줄어들고, 굽혀지거나 회전하는 등 다양한 진동운동을 합니다. 이때 각 결합은 특정 에너지의 적외선을 흡수합니다.

FTIR 장비는 넓은 적외선 영역을 시료에 조사한 뒤 어떤 파수에서 적외선이 흡수되었는지를 스펙트럼으로 나타냅니다.

그래프의 가로축에는 보통 파수(cm⁻¹)가 표시되고, 세로축에는 흡광도 또는 투과도가 나타납니다.

따라서 FTIR 분석에서 중요한 것은 단순히 피크가 높고 낮은지를 보는 것이 아니라 어느 위치에서 흡수대가 나타났고, 수화나 탄산화 이후 그 위치와 세기가 어떻게 달라졌는지를 해석하는 것입니다.

시멘트가 수화되면 FTIR 스펙트럼은 어떻게 바뀔까?

수화 전 시멘트에는 C₃S, C₂S와 같은 무수 클링커 광물이 존재합니다.

물을 넣으면 이들이 반응하면서 C-S-H와 수산화칼슘이 형성되고, 알루미네이트계 광물은 황산염과 반응하여 에트린가이트 등의 생성물을 만듭니다.

이 과정에서 Si-O, O-H, S-O와 같은 결합환경이 달라집니다.

FTIR에서는 이러한 결합환경의 변화가 흡수대의 이동이나 새로운 피크의 출현으로 나타납니다.

연구에서는 수화가 진행된 시멘트 페이스트에서 약 970~990cm⁻¹ 부근의 Si-O 진동이 C-S-H 형성과 관련해 관찰되며, 약 3640cm⁻¹ 부근의 날카로운 O-H 흡수대는 수산화칼슘과 관련된 특징으로 보고됩니다.

즉 FTIR은 단순히 어떤 물질이 존재하는지를 보는 것뿐 아니라 수화가 진행되면서 규산염 구조가 어떻게 변화하는지를 관찰하는 데에도 활용할 수 있습니다.

C-S-H는 FTIR에서 어떻게 확인할까?

C-S-H는 시멘트가 강도를 발현하는 데 가장 중요한 수화생성물입니다.

하지만 C-S-H는 결정성이 낮기 때문에 XRD에서는 날카로운 회절피크로 확인하기 어렵습니다.

FTIR에서는 C-S-H 내부의 규산염 구조가 적외선을 흡수하기 때문에 Si-O 진동 영역을 통해 구조 변화에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

수화 전 클링커의 규산염 결합과 수화 후 C-S-H의 규산염 구조는 서로 다르기 때문에 수화가 진행되면서 흡수대 위치와 형태가 변합니다.

특히 C-S-H 형성과 함께 약 975~985cm⁻¹ 부근에 새로운 특징이 나타날 수 있다는 연구가 보고되어 있습니다.

다만 FTIR 피크 하나만으로 C-S-H의 정확한 양을 계산하는 것은 어렵습니다.

다른 규산염상이 같은 영역에 영향을 줄 수 있고, 시료의 함수상태와 탄산화 정도에 따라서도 스펙트럼이 달라질 수 있기 때문입니다.

수산화칼슘은 비교적 뚜렷하게 확인할 수 있다

수산화칼슘은 포틀랜다이트라고도 부르며 시멘트 수화과정에서 생성되는 대표적인 결정성 수화물입니다.

FTIR에서는 약 3640cm⁻¹ 부근에 나타나는 비교적 날카로운 O-H 신축진동 피크가 수산화칼슘의 특징적인 신호로 사용됩니다.

이 피크는 탄산화 분석에서도 중요합니다.

수산화칼슘이 이산화탄소와 반응하면 탄산칼슘으로 전환되기 때문에 탄산화가 진행될수록 수산화칼슘에 해당하는 신호가 감소할 수 있습니다.

따라서 탄산화 전후의 FTIR 스펙트럼을 비교하면 수산화칼슘 소비 여부를 간접적으로 확인할 수 있습니다.

탄산화가 진행되면 어떤 피크가 나타날까?

콘크리트 내부로 이산화탄소가 침투하면 먼저 공극수에 녹고, 여러 수화생성물과 반응합니다.

대표적으로 수산화칼슘이 탄산화되면서 탄산칼슘이 생성됩니다.

FTIR에서는 탄산염 이온의 진동과 관련된 특징적인 흡수대가 나타납니다.

탄산화된 시멘트계 재료에서는 약 1420~1480cm⁻¹ 부근의 강한 탄산염 흡수대가 관찰될 수 있고, 약 870cm⁻¹ 부근에도 탄산염과 관련된 신호가 나타날 수 있습니다.

탄산화가 심하게 진행되면 수산화칼슘에 해당하는 약 3640cm⁻¹ 부근의 피크가 크게 감소하거나 사라질 수도 있습니다. 탄산화 콘크리트 분석 연구에서도 이러한 변화가 관찰되었습니다.

따라서 FTIR에서는

수산화칼슘 피크 감소 → 탄산염 피크 증가

라는 변화를 함께 살펴보는 것이 중요합니다.

C-S-H도 탄산화될 수 있다

콘크리트 탄산화를 수산화칼슘만의 반응으로 이해하면 충분하지 않습니다.

수산화칼슘이 소비된 이후에는 C-S-H도 탈칼슘화되면서 구조가 변할 수 있습니다.

C-S-H가 탄산화되면 칼슘이 빠져나오면서 규산염 사슬구조가 변화하고, 최종적으로 탄산칼슘과 실리카가 풍부한 상이 형성될 수 있습니다. 탄산화 과정에서 C-S-H의 Ca/Si 비와 구조가 단계적으로 달라진다는 연구가 보고되어 있습니다.

FTIR에서는 이러한 변화를 Si-O 흡수대의 이동과 형태 변화 등을 통해 추적할 수 있습니다.

따라서 탄산화 분석에서 FTIR은 단순히 탄산칼슘 생성 여부만 확인하는 것이 아니라 기존 수화생성물이 어떻게 변화하고 있는지를 함께 살펴볼 수 있다는 장점이 있습니다.

FTIR로 에트린가이트도 확인할 수 있을까?

에트린가이트는 시멘트 초기 수화과정에서 중요한 황산염계 수화생성물입니다.

FTIR에서는 황산염 이온의 S-O 진동과 관련된 흡수대가 나타날 수 있습니다.

하지만 시멘트 페이스트는 여러 수화물과 미반응 광물이 동시에 존재하는 복잡한 재료입니다.

특히 일부 파수 영역에서는 여러 물질의 흡수대가 서로 중첩될 수 있습니다.

최근 ATR-FTIR 연구에서도 수화된 시멘트에서 물, AFt·AFm, C-S-H 등의 흡수대가 일부 영역에서 겹치기 때문에 해석에 주의가 필요하다는 점이 확인됩니다.

따라서 특정 피크 하나만 보고 에트린가이트의 존재량을 단정하기보다는 XRD 등 다른 분석방법과 함께 확인하는 것이 좋습니다.

ATR-FTIR은 일반 FTIR과 무엇이 다를까?

최근 시멘트 분석에서는 ATR 방식의 FTIR도 많이 사용됩니다.

ATR은 감쇠전반사 방식으로, 시료를 적외선 결정에 밀착시킨 상태에서 표면 가까운 영역의 적외선 흡수를 측정합니다.

전통적인 투과형 FTIR에서는 시료를 매우 얇게 만들거나 KBr 등과 혼합해 펠릿을 만드는 방법이 사용될 수 있습니다.

반면 ATR-FTIR은 비교적 적은 시료 전처리로 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.

특히 수화가 진행되는 시멘트계 재료를 반복 또는 연속적으로 관찰하려는 연구에도 활용되고 있습니다. 2026년 발표된 연구에서도 in-situ ATR-FTIR과 XRD를 함께 이용해 시멘트 수화 진행을 분석했습니다.

다만 ATR은 시료의 비교적 얕은 영역을 측정하기 때문에 분석한 부분이 전체 시료를 대표하는지 확인해야 합니다.

시료 준비가 결과에 영향을 미치는 이유

FTIR은 시료 준비 방법에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.

특히 시멘트 수화물을 분석할 때 수화반응을 어느 시점에서 멈출 것인지가 중요합니다.

시료를 채취한 뒤에도 수분이 남아 있으면 수화가 계속 진행될 수 있습니다.

또한 시료를 공기 중에서 장시간 건조하거나 분쇄하면 이산화탄소와 접촉하면서 원하지 않는 탄산화가 발생할 수도 있습니다.

이 경우 실제 구조물에서 발생한 탄산화인지, 시료 준비 과정에서 발생한 탄산화인지 구분하기 어려워집니다.

따라서 서로 다른 재령의 시료를 비교하려면 채취, 수화정지, 건조, 분쇄와 보관조건을 가능한 한 동일하게 관리하는 것이 중요합니다.

FTIR 결과를 정량분석에 바로 사용할 수 있을까?

FTIR은 물질의 화학결합 변화와 상의 존재 여부를 판단하는 데 매우 유용하지만 모든 피크를 바로 정확한 함량으로 환산할 수 있는 시험은 아닙니다.

시멘트는 여러 광물상과 비정질상이 혼재한 복합재료이며 흡수대가 서로 겹치는 경우가 많습니다.

시료 입자의 크기, 측정방식, 베이스라인 처리방법 등도 피크 세기에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 일반적인 FTIR 분석은 정성 또는 반정량적인 비교에 특히 유용합니다.

정확한 상 함량을 얻으려면 리트벨트법을 이용한 XRD 분석이나 TGA 기반의 질량변화 분석 등 다른 시험과 함께 사용하는 것이 유리합니다.

XRD와 FTIR은 무엇이 다를까?

이미 노바노트에서 다룬 X선 회절분석은 결정구조를 이용해 광물상을 구분하는 방법입니다.

XRD는 결정성이 좋은 수산화칼슘이나 에트린가이트, 미반응 클링커 광물 등을 분석하는 데 강점을 가집니다.

반면 C-S-H처럼 결정성이 낮은 물질은 XRD만으로 세밀하게 분석하기 어려울 수 있습니다.

FTIR은 결정격자 자체보다 화학결합의 진동을 관찰합니다.

따라서 결정성이 낮은 수화생성물의 구조적 변화를 보완적으로 살펴볼 수 있습니다.

결국 XRD와 FTIR은 경쟁하는 분석법이라기보다 서로 다른 정보를 제공하는 시험이라고 이해하는 것이 좋습니다.

라만 분광법과는 무엇이 다를까?

라만 분광법 역시 분자의 진동을 분석한다는 점에서 FTIR과 비슷해 보입니다.

하지만 물질과 빛이 상호작용하는 원리가 다릅니다.

FTIR은 특정 결합이 적외선을 얼마나 흡수하는지를 측정하고, 라만 분광법은 레이저가 시료에 조사됐을 때 발생하는 비탄성 산란을 분석합니다.

따라서 어떤 진동모드는 FTIR에서 잘 관찰되고 다른 진동모드는 라만에서 더 선명하게 나타날 수 있습니다.

두 분석법을 함께 사용하면 시멘트 수화물과 탄산화 생성물에 대한 정보를 상호 보완할 수 있습니다.

TGA와 함께 분석하면 무엇이 좋아질까?

TGA는 시료를 가열하면서 질량이 어떻게 감소하는지를 측정합니다.

수산화칼슘이나 탄산칼슘은 특정 온도영역에서 분해되기 때문에 TGA를 이용하면 이들 물질의 양을 비교적 정량적으로 평가하는 데 활용할 수 있습니다.

FTIR은 해당 물질의 결합구조를 확인하는 데 강점이 있습니다.

예를 들어 FTIR에서 탄산염 피크가 증가하고 TGA에서도 탄산칼슘과 관련된 질량감소가 증가한다면 탄산화가 진행됐다는 해석의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

즉 FTIR은 어떤 결합이 변화했는지를 보고, TGA는 가열했을 때 얼마나 많은 물질이 분해되는지를 본다는 차이가 있습니다.

탄산화 깊이 시험을 FTIR이 대신할 수 있을까?

그렇지는 않습니다.

실제 콘크리트 구조물에서 탄산화 깊이를 현장에서 빠르게 평가할 때는 페놀프탈레인 용액 등을 이용하는 방법이 널리 사용됩니다.

FTIR은 탄산화된 영역의 시료를 채취해 화학적 변화와 반응생성물을 분석하는 연구용·정밀분석 방법에 가깝습니다.

따라서 탄산화 깊이와 화학적 반응상태는 서로 구분해 생각해야 합니다.

탄산화 깊이 측정은 어디까지 탄산화가 진행됐는지를 보는 것이고, FTIR은 그 위치에서 어떤 화학결합과 수화물이 변화했는지를 분석하는 데 적합합니다.

FTIR 분석에서 주의할 점

FTIR 스펙트럼에서 특정 위치에 피크가 나타났다고 해서 바로 하나의 물질만 존재한다고 판단하면 안 됩니다.

시멘트 페이스트에는 C-S-H, 수산화칼슘, 에트린가이트, AFm상, 미반응 클링커와 탄산염 등이 동시에 존재할 수 있기 때문입니다.

특히 수분이 많은 시료에서는 물의 O-H 신축과 굽힘 진동이 넓은 영역에 영향을 줄 수 있습니다. 실제 in-situ ATR-FTIR 연구에서도 물에 의한 강한 흡수대가 일부 수화물의 신호와 중첩되는 문제가 확인됩니다.

따라서 분석에서는 단일 피크보다 전체 스펙트럼의 변화와 다른 시험결과를 함께 해석하는 것이 중요합니다.

FTIR이 시멘트 연구에서 유용한 이유

FTIR의 가장 큰 장점은 수화와 탄산화 과정에서 일어나는 화학결합의 변화를 비교적 빠르게 확인할 수 있다는 점입니다.

특히 C-S-H처럼 결정성이 낮은 물질의 구조변화를 살펴보거나, 탄산화 이후 탄산염 생성과 수산화칼슘 감소를 비교하는 데 유용합니다.

하지만 FTIR 하나만으로 시멘트의 모든 수화생성물을 정량적으로 분석할 수 있는 것은 아닙니다.

XRD, TGA, 라만 분광법, 등온열량계 등과 함께 사용하면 각각의 시험이 가진 한계를 보완하면서 수화반응과 열화과정을 더욱 정확하게 해석할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

FTIR로 C-S-H를 확인할 수 있나요?

가능합니다. C-S-H의 Si-O 결합과 관련된 흡수대 변화를 관찰할 수 있습니다. 다만 다른 규산염상의 영향을 받을 수 있으므로 정확한 정량분석보다는 구조 변화와 상대적인 비교에 주로 활용됩니다.

탄산화된 콘크리트는 FTIR에서 어떻게 보이나요?

탄산화가 진행되면 수산화칼슘과 관련된 약 3640cm⁻¹ 부근의 신호가 감소하고 탄산염에 해당하는 약 1420~1480cm⁻¹ 및 870cm⁻¹ 부근의 흡수대가 증가하는 경향을 확인할 수 있습니다.

FTIR과 라만 분석 중 어느 것이 더 좋은가요?

어느 하나가 무조건 우수한 것은 아닙니다. 두 방법 모두 분자 진동을 분석하지만 측정원리가 달라 서로 다른 진동모드에 민감할 수 있습니다. 함께 사용하면 정보를 보완할 수 있습니다.

FTIR로 탄산화 깊이도 알 수 있나요?

일반적인 FTIR 시험만으로 구조물의 탄산화 깊이를 직접 측정하는 것은 아닙니다. 서로 다른 깊이에서 시료를 채취해 분석하면 각 위치의 화학적 탄산화 정도를 비교하는 데 활용할 수 있습니다.

FTIR만으로 시멘트 수화도를 계산할 수 있나요?

일반적으로 FTIR 하나만으로 정확한 수화도를 결정하기는 어렵습니다. 수화도를 정량적으로 분석하려면 XRD, TGA, 등온열량 등의 결과와 함께 해석하는 것이 좋습니다.

마무리

푸리에 변환 적외선 분광법은 시멘트 페이스트 내부에서 일어나는 변화를 화학결합의 진동이라는 관점에서 관찰하는 분석방법입니다.

수화가 진행되면서 C-S-H와 수산화칼슘이 형성되고, 탄산화 과정에서는 수산화칼슘이 감소하면서 탄산염이 증가합니다.

이러한 변화는 FTIR 스펙트럼의 흡수대 위치와 세기 변화로 나타날 수 있습니다.

특히 C-S-H처럼 결정성이 낮은 수화생성물의 구조 변화와 탄산화 반응을 분석할 때 XRD와 다른 정보를 제공한다는 점이 FTIR의 중요한 장점입니다.

다만 시멘트계 재료는 여러 물질의 피크가 서로 겹치는 복잡한 재료이므로 단일 피크 하나만으로 결론을 내리기보다는 FTIR + XRD + TGA + 라만 분석을 상호 보완적으로 활용하는 것이 보다 신뢰성 높은 분석방법입니다.

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푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)으로 시멘트 수화생성물과 탄산화 반응을 분석하는 원리를 정리합니다. C-S-H와 수산화칼슘, 탄산칼슘의 특징적인 흡수대 변화와 XRD·라만·TGA와의 차이, 시료 준비와 해석 시 주의점, 수화 진행에 따른 스펙트럼 변화까지 함께 설명합니다.

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