R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114861-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 전기방사를 활용한 다공질 무기섬유의 합성 및 0.9 이상의 흡음계수를 갖는 흡음소재의 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-24 ~ 2018-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 조영상 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | (학교)한국산업기술대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 흡음재 연구 개발의 필요성 - 아파트 등 주거용 건축물에서는 층간 소음으로 인하여 각종 사회적 문제들이 발생하고 있다. 또한 공업 및 교통 시설의 소음은 주변 환경에 지속적인 피해를 야기하므로, 건축 자재에 흡음 및 차음 특성을 부여할 필요가 있다. 현재는 폴리우레탄 등이 범용 흡음재로 활용되고 있으나, 고분자 계열의 흡음재는 화재 발생 시 취약하며 각종 유해 물질을 배출할 수 있다는 단점이 크다. 따라서 무기 계열의 흡음용 소재를 개발하여 내열 특성을 부여하는 기술의 필요성이 대두되고 있다. - 한편, 건축물 외에 자동차 및 항공기 등의 교통 수단에는 기계적 진동과 관련된 소음이 발생하고 있으며, 탑승자의 승차감을 향상시키고 인체에 해로운 저주파 대역의 소음 등으로부터 보호하기 위하여 흡음 소재를 개발하는 것이 주요 이슈로 떠오르고 있다. 특히 고속 전철과 같이 운송 수단의 주행 속도가 빨라질수록 소음이 심해지므로, 기계공학적으로 엔진의 성능이 개선될 경우 흡음재의 성능 역시 함께 향상될 필요가 있다. - 그밖에 도로 주변의 아파트 단지와 학교 등의 건물에서는 주행하는 차량의 이동 및 경적 등이 직접적으로 음파의 형태로 전달되므로, 거주자들을 소음으로부터 보호할 필요성이 대두된다. 아파트 자체의 건축 구조물 외에도 도로와 주거지를 분리하는 차단벽 역시 흡음 특성을 강화할 필요성이 있으므로 양산성이 가능한 효과적인 방식으로 높은 흡음 계수를 갖는 흡음 소재를 제조할 수 있는 기술의 개발이 시급히 요구된다. - 국내의 경우 법개정으로 인하여 건축물에 불연성 소재를 활용함이 의무화되었으므로 무기 계열의 흡음 소재에 대한 연구/개발이 부각되고 있다. 아울러 중국, 러시아, 이란 등 신규 건축물의 수요나 재개발 등이 활성화된 지역에서도 흡음재 및 다공질 단열 소재 등의 수요가 늘고 있으므로 경제적/산업적으로도 흡음 소재의 연구/개발이 지속적으로 추진되어야 할 것이다. ○ 흡음재의 원리 및 본 연구 개발의 개요 - 현재까지 개발된 흡음재의 형태로는 크게 (1) 다공형 흡음재, (2) 판 진동형 흡음재 및 (3) 공명형 흡음재 등 3 가지 형태로 분류할 수 있다. 다공질 흡음재의 경우 음파의 에너지가 다공체 내에서 열 에너지로 변환되어 소음도가 감소하는 현상을 활용한 것으로 다공질 폴리우레탄, 멜라민 수지, 발포 알루미늄 등을 들 수 있다. 판진동형 흡음재는 얇은 판의 진동에 의해 소음도를 감쇄시키는 원리로써, 목재의 다층판과 같은 형태를 들 수 있다. 또한 공명형 흡음재는 재료의 구멍에 포함된 공기가 공명 주파수 부근에서 진동하여 소음을 줄이는 원리로 연구되고 있다. 한편, 흡음재를 구성하는 성분 물질로는 목화솜과 같은 친환경 소재 뿐 아니라 내열성을 강조할 수 있는 질석 보드 및 세라믹 재질이 연구되고 있다. 기존의 난연성 세라믹 흡음재의 경우 고온에서 안정성이 우수하고 재활용이 가능한 장점을 보이지만, 중량이 무겁다는 한계를 보이므로, 본 연구에서는 무기 섬유를 다공체의 형태로 제조할 수 있는 전기 방사(electro-spinning) 기술을 확보하고, 이를 흡음 및 차음 소재에 활용할 수 있는 기반 기술을 구축하고자 한다. - 전기 방사 기술은 종횡비(aspect ratio)가 큰 1차원 나노 소재를 연속 공정으로 합성하기에 적합하며, 제조된 1차원 소재는 3차원의 망상 구조를 구성하고 있으므로 높은 기공도를 보유한 미세 구조를 예상할 수 있다. 이러한 구조체는 내부의 공기층에 의해 음파의 에너지가 흡수되므로, 흡음 특성 향상에 유리하며 기존의 고분자 뿐 아니라 무기 섬유와 같이 내열성이 우수한 재질로도 합성이 가능하다. 따라서 본 제안서에서는 내부에 다수의 기공을 포함하는 미세 섬유를 무기물의 형태로 합성하여 흡음 소재로 응용할 수 있는 전기 방사 기술을 개발하고자 한다. - 나노 섬유는 그 자체로 얇은 굵기를 갖으므로 내부에 다공질 구조를 형성하기 위하여 특별한 기술 개발이 요구된다. 이러한 다공질 나노 섬유의 미세 구조체는 콜로이드 주형법과 같은 방식을 활용하여 제조할 수 있으며, 이를 위한 전기 방사의 공급 용액을 제조하는 단계가 필요하다. 본 연구에서는 방사 용액의 정제 및 제조와 함께 전기 방사 공정의 안정화와 양산성을 부여할 수 있는 방안을 함께 모색하고자 한다. 이를 위하여 다중 노즐 및 회전 드럼 등을 전기 방사 시스템과 결합하여 다공질 나노 섬유의 합성 및 흡음재로 응용할 수 있는 실용적인 기술 개발을 수행할 예정이다. [최종목표] 본 연구의 최종 목표는 전기 방사 기술에 의해 기공도가 높은 세라믹 재질의 미세 섬유를 합성하고, 이를 중간층으로 활용하여 흡음 소재에 응용할 수 있는 기술을 개발하며, 고온에 적용할 수 있는 내열성을 확보하는 것이다. 연구 목표를 보다 세분화하면 다음과 같다. - 높은 기공도를 갖는 다공성 미세 섬유의 합성을 위하여 고분자 성분과 무기질 전구체(inorganic precursor)의 혼합 용액에 고전압을 인가하여 전기적으로 방사하는 공정을 개발하고자 한다. 극미세 섬유에 다공성을 부여하기 위하여 고분자 라텍스 입자를 주형 물질로 활용하고 미세 구조 조절을 통해 비표면적과 기공도를 제어하는 것을 목표로 한다. 아울러 전구체 물질을 포함하는 용액을 연속적으로 방사하는 시스템을 다중 노즐(multi-nozzle)의 형태로 구현하여 양산화를 위한 기반을 구축하고자 한다. 또한 다공성 미세 섬유를 충진재로 활용하여 소음을 흡수할 수 있는 흡음재의 제조 기술을 개발할 예정이며, 이를 위하여 회전 드럼 등을 활용하여 다공질 나노 섬유의 충친층을 효율적으로 생산할 수 있는 공정 및 조업 조건을 구축하고자 한다. - 한편, 본 제안서에서 중점으로 추진하고자 하는 다공성 미세 섬유의 물성에 대한 정량적인 목표는 다음과 같으며, 특히 흡음 계수 관련 목표치는 도전적으로 설정하고자 한다. * 다공성 무기질 섬유의 미세 구조 제어: 고분자 라텍스 입자를 주형 물질로 활용하여 미세 기공을 포함하는 다공질 미세 섬유의 합성 및 기공 구조와 비표면적 제어: 비표면적 150 m2/g 이상, 기공 크기 50 - 200 nm, 다공질 미세 섬유의 직경 1 마이크로미터 이하 * 흡음재 특성 평가: 다공질 미세 섬유가 중간층의 형태로 삽입된 흡음 소재의 흡음 계수(sound absorbing coefficient) 측정: 평균 흡음 계수 0.9 이상 - 연구 목표의 기술적 난이도 및 도전성: 본 제안서의 연구 목표는 무기질 미세 섬유의 미세 구조를 제어하여 그 내부에 다수의 기공이 포함된 다공성을 부여하고, 나노 섬유의 3차원 망상 구조 및 나노 구조 자체의 다공성을 활용하여 음파의 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 나노 구조를 확보하는 것이다. 일반적으로 미세 섬유는 그 굵기가 1 μm 이하의 작은 스케일이므로, 그 내부에 기공과 같은 추가적인 나노 구조를 형성하는 것은 난이도가 높은 어려운 기술에 해당된다고 할 수 있다. 본 제안서에서는 이러한 기술적 난이도를 전기 방사와 콜로이드 자기 조립 기술을 결합하여 극복하고자 하며, 우수한 특성의 흡음 계수를 갖는 미세 구조로 최적화하고자 한다. 이러한 나노 소재를 흡음재로 실용화하기 위해서는 양산성이 필수적이므로, 본 제안서에서는 multi-tip을 활용한 다중 토출 방식 및 회전 드럼을 활용한 흡음재의 적층 기술을 개발하고자 한다. 이러한 방식으로 제조된 흡음층의 흡음 계수는 0.9 이상으로 도전적인 수치를 목표로 삼고 있다. 글라스울과 같은 기존의 무기계열 흡음재의 흡음 계수는 다음 측정 결과와 같이 1000 내지 4000 Hz의 주파수에서 0.8 수준의 수치에 머무르고 있으므로, 이러한 성능을 향상시키키기 위하여 본 제안서와 같이 기존의 패러다임을 탈피한 도전적인 연구 방법이 요구된다고 할 수 있다. - 최종 목표의 성격: 본 연구 계획서에서 제시하고 있는 최종 목표의 성격은 ‘시작품 개발’ 및 ‘공정 개발’에 해당한다고 할 수 있다. 즉, (1) 전기 방사 방식을 적용한 고기공도의 다공질 무기 섬유의 합성 공정을 개발하며, 이를 활용하여 (2) 낮은 흡음 계수의 고내열성 흡음 소재를 개발하는 것이 최종 목표의 성격에 해당한다. 본 연구에서는 개발된 공정을 활용하여 제조된 무기 충진층의 샘플을 제시하고, 흡음 특성을 파악하고자 한다. - 폴리우레탄의 경우 최대 0.95의 흡음 계수를 갖지만 저주파수 대역에서는 더 작은 값을 갖으며, 내열 특성이 취약하므로 건축재료에 부적합할 수 있다. 흡음재에 입사된 음파는 재료를 구성하는 공기층 사이에서 진동하는 과정에서 마찰에 소산되거나 흡수되므로, 내부에 다수의 기공이 포함된 소재는 흡음 특성이 우수하다고 기대할 수 있다. 특히 본 연구에서 제시하는 다공질 무기 섬유의 표면은 수십 내지 수백 나노미터 크기의 거대 기공(macropore)이 외부에 개방된 상태로 존재하도록 조절할 계획이므로, 입사된 음파의 열적 소산에 의한 흡수가 용이한 미세 구조를 보일 것으로 예상된다. [연구내용 및 범위] - 본 제안서의 연구 목표는 무기질 미세 섬유의 미세 구조를 제어하여 그 내부에 다수의 기공이 포함된 다공성을 부여하고, 나노 섬유의 3차원 망상 구조 및 나노 구조 자체의 다공성을 활용하여 음파의 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 나노 구조를 확보하는 것이다. 일반적으로 미세 섬유는 그 굵기가 1 μm 이하의 작은 스케일이므로, 그 내부에 기공과 같은 추가적인 나노 구조를 형성하는 것은 난이도가 높은 어려운 기술에 해당된다고 할 수 있다. 본 제안서에서는 이러한 기술적 난이도를 전기 방사와 콜로이드 자기 조립 기술을 결합하여 극복하고자 하며, 우수한 특성의 흡음 계수를 갖는 미세 구조로 최적화하고자 한다. 이러한 나노 소재를 흡음재로 실용화하기 위해서는 양산성이 필수적이므로, 본 제안서에서는 multi-tip을 활용한 다중 토출 방식 및 회전 드럼을 활용한 흡음재의 적층 기술을 개발하고자 한다. 이러한 방식으로 제조된 흡음층의 흡음 계수는 0.9 이상으로 도전적인 수치를 목표로 삼고 있다. 글라스울과 같은 기존의 무기계열 흡음재의 흡음 계수는 다음 측정 결과와 같이 1000 내지 4000 Hz의 주파수에서 0.8 수준의 수치에 머무르고 있으므로, 이러한 성능을 향상시키키기 위하여 본 제안서와 같이 기존의 패러다임을 탈피한 도전적인 연구 방법이 요구된다고 할 수 있다. - 1차년도에는 실리카의 액상 전구체와 고분자 나노 입자 및 블록 공중합체 등의 유기 주형 물질을 전기 방사에 의해 나노 섬유의 형태로 제조하고자 한다. 후속 열처리 공정을 거쳐 주형 물질들을 제거하여 내부에 기공이 다수 함유된 무기질 나노 섬유를 합성할 예정이다. 방사 용액의 공급 속도 및 질류 전압의 세기, tip과 collector와의 간격 등 전기 방사 조건을 조절하여 나노 섬유의 두께를 제어하고자 한다. 아울러 유화중합 또는 분산 중합 방식으로 합성되는 고분자 입자와 같은 주형 물질의 입경과 표면 관능기를 조절하여 다공질 나노 섬유의 미세 구조 및 기공도를 제어하는 기술을 개발하고자 한다. 또한 물유리(sodium silicate) 등 경제성 있는 세라믹 원료가 다공질 나노 섬유로 제조될 수 있도록 양산화의 기반 기술을 구축하고자 한다. 아울러 연속식 전기 방사 공정의 조업 조건을 확립하여 다공질 나노 섬유로 구성된 흡음 소재를 제조하고 1000 - 4000 Hz에서 0.9 이상의 높은 흡음 계수를 갖는 고내열성 무기 흡음 소재를 제조하고자 한다. - 2차년도에는 전기 방사를 위한 노즐을 복수개로 구성한 다중 토출 방식을 적용하여 다공질 무기 섬유의 생산량을 향상시키기 위한 방안을 연구할 계획이다. 아울러 다공질 무기 섬유를 기판에 일정한 두께로 코팅하기 위하여 원통형 기판을 회전시키면서 전기 방사를 진행하는 공정을 구축할 예정이며, 이를 활용하여 제조된 다공질 미세 섬유를 충진층으로 갖는 흡음 소재를 제조하고자 한다. 아울러 흡음 계수 또는 차음 계수에 영향을 미치는 전기 방사 조건 및 코팅 조건을 도출하여 우수한 방음 및 차음재로 적용할 계획이다. 다중 토출 방식의 구현을 위하여 5개 이상의 노즐로 구성된 전기 방사 시스템을 구현하고자 하며, 회전 드럼의 경우 300 rpm 까지의 회전 속도를 구현할 수 있도록 흡음 소재 및 다공질 나노 섬유의 적층층을 효율적으로 제조할 수 있는 공정 및 기술을 개발하고자 한다. |
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| 색인어 | 한글 | 전기방사 | 무기섬유 | 다공체 | 흡음재 | 나노 아키텍쳐링 |
| 영문 | Electro-spinning | Inorganic Fiber | Porous Materials | Sound Absorbing Materials | Nano-architecturing | |
| 최종보고서 | 별지6 최종보고서-배포용.pdf | |||||