R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C157619-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 미세먼지 차단 효율이 95% 이상인 건물 창호용 3차원 미세망상구조 기반 통기성 반투명 세라믹스 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2020-04-13 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 박준용 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 200,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 350,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 350,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 금오공과대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 실내 공기오염이란 건축 자재로부터 발생한 오염물질 또는 외부에서 실내로 유입된 오염물질이 자연 희석·배출되지 못하는 상태를 뜻한다. 현대 사회에서는 대부분의 사람들이 하루 중 90% 이상을 실내 공간에서 생활하기 때문에 실내 공기오염은 인체의 건강과 매우 밀접하고 일상생활과 직결되는 중요한 문제이다. ○ 실내 공기질을 저하시키는 다양한 오염원 중에서도 최근 들어 가장 문제가 심각한 것은 초미세먼지(particulate matter, PM 2.5)로 대기 중에 부유하는 분진 중 직경이 2.5㎛ 보다 작은 먼지를 의미한다 (그림 1). 초미세먼지의 발생은 주로 자동차, 화력발전소 등에서 배출된 1차 오염물질의 대기 중 반응에 의한 2차 오염물질 생성에서 기인하며, 황산염, 질산염, 유기탄소 등으로 구성되어 있다. 초미세먼지의 크기는 대략 머리카락 직경의 1/20~1/30 수준으로 매우 작기 때문에 창호 틈새를 통해 손쉽게 실내로 유입되어 실내 공기질을 저하시키곤 한다. ○ 최근 서울연구원에서 보고한 ‘서울시 미세먼지 국제협력 실효성 강화 방안’에 따르면, 초미세먼지로 인해 조기에 사망한 서울 시민이 2015년 기준 1700명을 넘었다는 조사결과가 나왔다. 서울시 연평균 초미세먼지 농도가 10㎍/㎥ 증가할 때 65세 이상 고령자가 초미세먼지 관련 질환으로 사망할 위험이 13.9%나 증가하는 것으로 분석되었다. ○ 이러한 초미세먼지의 위험성이 반복적으로 대두되면서 실내 공기질 개선에 대한 국민들의 관심과 요구가 점차 증대되고 있다. 그 증거로, 2020년 기준 국내 공기청정기 관련 시장은 약 300만대/3조원 규모로 2016년에 비해 최소 3배 이상 급성장하였다. ○ 이 같은 추세에 맞춰 H건설, S건설, G건설, D건설 등을 포함한 국내 대형 건설사들은 신규 건축물 시공 시 실내 공기질 정화 및 초미세먼지·CO2 차단 기술을 앞 다퉈 도입하고 있다. 주요 기술로는 그간 반도체제조시설에 주로 활용되던 HEPA 필터 기반의 극청정 환기 시스템을 일반 가정집에도 도입·설치하는 것이나, 여전히 설치·유지비용 측면에서 수요자들에게 큰 부담이 가중되는 문제가 있다. ○ 공정·비용 측면에서 실내 공기질 개선을 위한 보다 효과적인 접근은 외부에서 유입되는 초미세먼지를 원천적으로 차단할 수 있는 신개념 창호 자재를 개발하는 것이다. 이에 따라, 3M을 비롯한 여러 선도 기업에서는 기존의 HEPA 필터 및 마스크용 고분자 미세섬유 소재를 변형하여 초미세먼지 필터링 기능이 있는 방진망 제품을 최근 개발하였다. 하지만, 여전히 기능적(필터효율, 통기성, 내구성, 설치 용이성 등) 및 심미적(투광성 등) 측면에서 수요자들의 기대를 충족시키긴 어려운 상황으로, 첨단 재료공학 기술이 접목된 창호 자재 개발을 위한 국가적 차원에서의 지원이 시급하다. [최종목표] 미세먼지 차단 효율이 95% 이상인 건물 창호용 3차원 미세망상구조 기반 통기성 반투명 세라믹스 개발 1) 1차년도 (2020.04.13.~2020.12.31.) ‘3차원 미세망상구조 세라믹스’ 제조공정 개발 및 소재 구현 - 광학 3차원 리소그래피를 통한 주기적 3차원 미세망상구조 템플릿 제조 - 용액 또는 저온 에칭 가능한 3차원 미세망상구조 템플릿 탐색 및 선정 - 반도체공정(ALD, RIE) 기반 2종 이상 세라믹 물질전환 공정 개발 - 공정변수 설계를 통한 3차원 미세망상구조 정밀제어 (기공 크기: <2.5㎛) - 자가지지(freestanding) 멤브레인화 공정 개발 (막 두께: >25㎛) 2) 2차년도 (2021.01.01.~2021.12.31.) ‘3차원 미세망상구조 세라믹스’ 물성분석/성능평가 및 최적화 - 미세먼지 필터성능, 투광성, 통기성 평가기준 확립 및 성능평가 - 3차원 미세망상구조 변화에 따른 다종 물성/성능 연계분석 - 물성/성능 피드백을 통한 3차원 미세망상구조 최적화 - 대면적 시작품 제작(면적: >1in2) - 유사환경 성능평가(미세먼지 필터효율: >95%, 초미세먼지 필터효율: >90%, 투광성: >65% @600nm, 압력 감소: <500Pa @1~5cm/s) [연구내용 및 범위] 1차년도 (2020.04.13.~2020.12.31.) 1) 3차원 미세망상구조 템플릿을 제조하기 위한 광학 3차원 나노패터닝 연구 · 25㎛ 이상의 투명하고 두꺼운 MEMS용 포토레지스트 탐색 및 선정 · 공정기술 탐색 및 선정 (proximity field nanopatterning 또는 UV LED lithography) · 광학 시뮬레이션을 통한 구조 설계 및 대면적 노광 시스템 셋업 (면적: >1in2) · 최적 공정 조건(노광시간, 베이킹 온도 및 시간, 현상시간 등) 확립 · 자가지지 멤브레인화 공정 개발 2) 3차원 미세망상구조의 세라믹 소재화를 위한 물질전환공정 연구 · ALD용 전구체 탐색 및 선정 · 고분자 템플릿 친수성 표면처리 공정 개발 · 2종 이상의 세라믹 증착 조건 확립 · ALD cycle 변화를 통한 박막 증착 두께 정밀 제어 · RIE(reactive ion etching) 또는 열처리 등 템플릿 제거 공정 개발 및 최적화 2차년도 (2021.01.01.~2021.12.31.) 1) ‘3차원 미세망상구조 세라믹스’ 물성분석/성능평가 플랫폼 개발 · 미세먼지 및 초미세먼지 필터효율 간이 측정장치 셋업 및 평가 · 풍속제어 및 압력 감소율 간이 측정장치 셋업 및 평가 · 상용 UV-VIS spectrometer 기반 투광성 평가 · 인치급 유사환경 성능평가 플랫폼 개발 및 평가 2) 물성/성능 피드백을 통한 3차원 미세망상구조 최적화 및 목표성능 구현 · 공정변수 설계를 통한 3차원 미세망상구조의 기공 크기, 기공률, 막 두께 정밀 제어 · 3차원 미세망상구조와 대표 3종 물성/성능 연계분석 · 2종 이상의 세라믹스 기반 인치급 시작품 제작 · 내구성 및 재사용성 평가 ○ 본 제안 과제의 핵심 연구 내용은 크게 두 가지로 요약된다. 첫 번째는 3차원 미세망상구조 세라믹스를 제조할 수 있는 공정기술을 개발하는 것이고 (이상 1차년도 목표), 두 번째는 이렇게 제조된 신소재를 바탕으로 다양한 물성/성능을 측정하고 최적화하여 기능성 창호 자재로써의 활용성을 검증하는 것이다 (이상 2차년도 목표). ○ 1차년도 연구개발을 추진하기 위하여 먼저 ‘3차원 미세망상구조 고분자 템플릿’을 제조할 수 있는 광학 3차원 나노패터닝 기술을 탐색하고 대면적 노광 시스템을 구축하고자 한다. 이후, 세라믹스 물질전환을 위한 ALD, RIE 등 반도체 장비 활용을 위하여 KAIST 신소재공학과 전석우 교수팀의 협조를 구할 예정이다. 또한, 국내에서 3차원 나노패터닝 관련 유사 연구를 수행하고 있는 UNIST 에너지 및 화학공학부 이지석 교수팀, 이화여대 나노화학과 현가담 교수팀 등 다른 기관 우수 연구팀과의 기술 교류를 수시로 진행하고 필요 시 장비·시설 공유도 시도할 계획이다. ○ 2차년도 연구개발을 추진하기 위하여 기능성 창호로써 ‘3차원 미세망상구조 세라믹 소재’의 다종 물성/성능평가를 위한 간이 측정 장치를 구축할 예정이다. 구체적으로, 미세먼지 필터효율 측정과 공기 흐름 압력 측정을 위한 장치 셋업 및 평가기준 확립이 필요한데 이 과정에서 금오공대 환경공학과 교수진과 긴밀히 협업할 계획에 있다. 이 외에도, 국내에서 미세입자 관련 연구를 활발히 수행하고 있는 금오공대 기계공학과 박준영 교수팀과 중앙대학교 나노소재공학 전공 하돈형 교수팀의 자문을 구해 미세먼지의 유동성과 관련한 이론적 접근을 병행할 예정이다. |
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| 색인어 | 한글 | 기능성 창 | 미세먼지 | 방진막 | 다공성 재료 | 세라믹스 |
| 영문 | functional window | particulate matter | dustproof screen | porous material | ceramics | |
| 최종보고서 | 2.최종보고서(보완본).pdf | |||||