| 초록 |
연구개발 목표 ㅇ 본 과제 목표는 친환경, 고강도, 고접합력의 특징을 갖는 전통 공예, 건축 소재로부터 방수, 난연, 방충 등 스마트 물성을 가지는 3D 프린팅 소재 및 공정 기술을 개발하는 것임 ▪ 전통 소재인, 목재, 흙, 모래 및 한지 소재를 이용하여 기계적 물성(압축강도, 휨강도, 접착강도)을 변화할 수 있는 다물질 3D 프린팅 소재를 중점 개발함 ▪ 한옥의 목조, 벽체, 기와를 프린팅 할 수 있는 소재를 개발함 ▪ 카테콜기반 접착소재(옻, 등)의 3D 프린팅 적용 가능성을 확인하고, 건축소재의 개발을 목표로함 ▪ 3D 프린팅용으로 개발된 전통 소재별 최적 적층공정 및 3D 프린터 개발 연구개발 내용 ▪ 중대형 3D 프린팅 공정 적용을 위한 전통천연소재의 대량화 제조 기술 개발 - 나무셀룰로오스와 옻소재유래 접착제 혼합을 통한 셀룰로오스 복합소재 개발 및 3D 프린팅 최적 조건 확립 - 3D 프린팅 소재-복합소재 4종 개발 * 목분+옥수수 전분 2종, 카테콜+파우더, 셀룰로오스-자일란-옻기반 접착제 2종 ▪ 중대형 프린팅 공정 개발 - 전통구조물 실증 (나무소재 기반 창틀, 기둥, 현대식 구조물 제작) - 전통결구법의 이음 방식과 비교하여 3축으로 축방향 하중의 보강이 가능한 이음구조 (꼬인무한면체) 개발 및 구조체 형성 ▪ 복합소재 동시 프린팅 공정 개발 - 물질압출방식 중대형 3D 프린터 2종 개발: 중형 3D 프린터- 500*500*500 mm & * 중대형 3D 프린터 2,000*1000*1000mm 출력 - Powder bed 방식 3D프린터 1종, 옻기반 접착 소재+파우더 복합소재 1종 개발 - 듀얼(다중) 압출 3D 프린터 1종 개발 및 로봇 암 3D 프린팅 공정 개발 - 프린팅된 구조물의 후처리 조건 확보를 통한 경화 조건 확보 ▪ 옻 기반 접착제를 사용한 구조체 제작 및 그의 3D 프린팅 - 옻 기반 카테콜계 접착제를 적용할 수 있는 천연 재료를 선별하기 위하여 다양한 전통 천연소재에 적용하여 그 접착력을 평가 - 가장 훌륭한 접착력을 보인 셀룰로오스에 옻 기반 접착제를 적용하여, 기존 목재를 대체할 수 있는 강력한 옻 기반 복합 소재 1종 개발 - 옻 기반 셀룰로오스 복합 소재를 LOM 방식, FDM 방식 등의 3D 프린팅에 적용할 수 있는 공정 개발 및 다양한 3D 구조체 제작 ▪ 무독성 옻 기반 복합 소재에 대한 첨가제 발굴 및 물성 변화 분석 - 옻 기반 셀룰로오스 복합 소재에 여러 다당류 소재, 철 이온, 산화제를 첨가하여 3점 굽힘강도, 난연성 등에서 향상된 물성 변화를 확인 - 이를 통하여 셀룰로오스와 강한 수소결합을 형성하는 것으로 알려진 헤미셀룰로오스를 사용할 시에 5배 이상의 기계적 강도 향상 및 향상된 난연특성이 나타남을 확인 - 첨가제가 첨가된 복합 소재를 활용하여 다양한 3D 구조체 제작 ▪ 옻 기반 복합 소재의 제조 조건 최적화, 경제성 분석 및 난연 메커니즘 분석 - 옻 기반 복합 소재의 제조 비율, 경화 온도, 시간 및 첨가제의 양 등 제조조건을 최적화 - 옻 기반 복합 소재의 난연성을 다양한 열물성 분석 (TGA, 열량계 분석)을 통하여 정량화하고 다양한 화학 분석 (Raman, XPS, SEM)통한 메커니즘을 규명 ▪ 황토기반 3D 프린팅 소재의 내구성 향상 기술 개발 - 황토기반 3D 프린팅소재 3종 개발 (황토3D 프린팅 조성물, 백토3D 프린팅 조성물, 컬러화 흙 3D 프린팅 조성물) - Nozzle 최적화를 통한 내구성 향상 기술 확보: (최소 Nozzle 직경으로 3mm 확정 & 3D 프린팅 소재 이송 장치 Sealing 최적화) - 무기안료를 이용한 백토기반3D 프린팅 소재의 칼라화 3D 프린팅 소재/공정 기술개발 (XRF를 이용한 조성 분석, XRD를 통한 결정상 및 상분율 분석, SEM을 이용한 분말 형상 분석, 및 PSA를 이용한 입도 분석) ▪ 전통소재 - 3D프린팅 - 건설 - 건축 응용의 융합연구를 수행 - 1) 전통천연구조소재, 2) 전통천연 접착소재, 3) 3D 프린팅 소재화 기술 개발, 4) 건축물 3D프린팅 공정 등의 4가지 핵심요소기술 개발과 5) 건축전문가 및 전통소재 전문가를 통한 실증 건축물 제작 및 검증 ▪ 정량 성과 - SCIE급 논문 총 53편 출판,(Advanced Materials 3편, Nature Biomedical Engineering, Science Advances, PNAS 2편 등) - 특허 총 43건 (30건 출원, 13건 등록), 3D 프린팅 소재 7종, 프린터 3종 개발 - 상용화 5건- 매출 122,300천원 (신공정 개발) 달성, 창업 1건 활용계획 및 기대효과 (응용분야 및 활용범위 포함) ▪ 한옥 소재 기반의 전통 소재가 가지는 고내구성 인간친화적 소재를 3D 프린팅이 가능한 소재로 활용함으로써 첨단 3D 프린팅 기술에서 요구되는 소재 및 공정 기술을 개발하며 시장성이 가장 높은 미래, 친환경 소재 분야의 원천 기술을 획득할 수 있음 ▪ 전통천연 소재 기반인 한옥 소재를 이용한 3D 프린팅 소재 개발 기술은 한옥소재가 가지는 non-toxic, 인체친화 특성을 극대화 할 수 있기에 건축, 내장, 가구 등 다양한 분야에 활용할 수 있음 ▪ 옻 기반 접착제는 기존 상용화된 에폭시 및 아크릴레이트계 접착제들과 달리 물을 용매로 활용하므로 휘발성 유기 화합물 (VOC)을 방출하지 않으며 그에 따라 친환경적이므로 새집 증후군 등 기존 접착제의 단점이 두드러지는 분야에서의 사용이 기대됨 (출처 : 요약문 3p) |
