| 연구개발개요 |
전 세계의 에너지 소비량이 급증하고 있고, 지구 온난화의 원인으로 지목되는 온실 가스의 배출량이 급증함에 따라 각국에서는 에너지 사용량을 절감하는데 많은 노력을 투입하고 있다. 특히 건물분야에서의 에너지 사용량은 2012년 미국, 유럽을 기준으로 총 에너지 사용량의 약 40% 이상을 차지하고 있어 건축물이 사용하는 에너지를 절감하고 건물의 에너지 효율을 향상하는 기술을 중요하다. 건축물의 단열 성능을 향상 시키는 방법은 크게 두 가지로, 기존 단열재의 적용 두께를 늘리거나, 열전도계수가 낮은 물질을 개발하는 방법이 있다. 기존 단열재의 적용 두께를 늘리는 것에는 예산과 공간 사용의 측면에서 한계가 있다. 낮은 열전도율을 가지는 재료를 적용하면 기존의 시공 두께에서도 열전달을 효과적으로 줄여 건축물의 열성능을 높일 수 있다. 고성능 단열 재료를 사용하면 건물의 공조시스템 등 기계·전기적 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있고, 건물 내부에 수증기가 응축되어 건축물에 피해가 가는 것을 막을 수 있다. 또한 적절한 단열재의 사용은 건물 내 화재 발생 시에 화염의 전파를 지연시켜 큰 피해를 막는 등 부차적인 역할도 가능하다. 고성능 단열소재를 개발하려는 몇 가지 개념들이 제시되어 왔고 많은 시행착오를 거치면서 새로운 문제점이 발생하여 아직도 연구가 진행 중이다. 진공단열패널(VIP)의 경우 핀홀과 같은 초미세 손상에도 급격한 성능저하를 초래하는 치명적인 결점과 현장 시공성이 매우 나쁘고 고진공도 유지에 어려움이 있어서 특수 용도 외에는 실용성이 매우 낮다. 또한 외피가 열교(thermal bridge) 역할을 하기 때문에 실질 효과는 기대만큼 크지 않고, 상당히 고가이다. 다공성 충진제만을 사용하여 단열재 내부에 공기층을 생성시킴으로써 열전도도를 낮추는 방법은 일정량의 바인더가 필요하게 되고 결국 바인더를 통한 열전도 채널이 생성되게 되면, 이를 통해서 많은 양의 열이 이동하게 되기 때문에, 열전도도 저감에 있어서 일정 수준의 한계를 내포하고 있다. 본 연구책임자는 이를 극복하기 위해 마이크로 입자를 나노입자가 둘러싸는 구조를 제안하여 연구에 참여하였으며, 상당한 개선을 이루었지만, 매우 고가의 나노중공입자를 두껍게 감싸야 하는 문제점이 발생하는 시행착오를 겪었다. 이 문제를 해결하기 위하여 본 과제에서는 초임계유체기술을 이용하여 제조비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상되는 지금까지 시도되지 않은 독창적인 방법을 제안하고 연구를 수행하고자 한다. 본 과제의 차별성은 초임계유체의 확산속도를 더욱 높이기 위해서 지금까지 시도되지 않았던 쾌속조형및 면적확대기술을 제안하고 함침속도가 매우 높은 초임계유체의 성질을 이용하는 친환경 생산공정을 적용함으로써 고품위 건설소재의 원천기술을 개발하는 것이다.
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| 최종목표 |
● 최종목표 ？ 초임계유체를 이용한 친환경 건설소재용 마이크로？나노 포밍 기술 개발 ？ 정량적 목표 ？ 실험결과 추정치 제시 (폼사이즈, 평균포어크기, 압축강도: 25x25x5 mm3, 1um미만, 0.1MPa)● 최종성과물 ？ 하이브리드 포밍 원천기술 확보 ？ 학술지 논문 2건, 특허출원 1건, 소프트웨어 1건, 하드웨어 1건 (2) 설정근거 ？ 본 과제의 최종 성과물은 초임계유체를 이용한 친환경 발포와 쾌속조형을 이용하는 하이브리드폼 아이디어 개념을 이론적으로 시도하고 기술 가능성을 점검하는 것이며, 구현이 실현될 경우 상당한 파급효과 있을 것임. ？ 다양한 폴리머 중에서 우선적으로 순수 폴리머의 물성을 기준으로 응용을 고려하여 질량(밀도), 기계적 물성과 열물성을 기준으로 여러 가지 대안을 비교 검토하여 기준을 설정함.
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| 연구내용 및 범위 |
● 개발 목표 및 내용 (최종목표) 초임계유체를 이용한 친환경 건설소재용 마이크로？나노 포밍 기술 개발 ◑ 제1차년도: 핵생성 및 성장 메커니즘 규명 ？ 재료물성 분석 및 고품위 소재(σ/κ) 선정 ？ 비균질핵 생성 및 성장 메커니즘 분석 ？ 친환경 초임계유체공정의 포어 제어 공정변수 영향 분석 ◑ 제2차년도: 친환경 초임계 마이크로·나노 포밍 기술 개발 ？ 포밍 하이브리드화 (초임계유체 및 쾌속조형)에 의한 포어 제어 ？ 친환경 발포제, 보조첨가제 검토 ？ 재료(PEI/PET/PhoP) 선정 및 고품위 건설소재 포밍기술 ？ 샘플 제작 및 물성 측정 ● 연구개발과제의 차별화 방안？ 초단열 소재의 내부 가스를 통한 열전도를 억제하기 위해서 1) 밀폐기공 구조, 2) 기공내부 진공, 3) 낮은 방사율의 기공내면, 4) 매우 낮은 공기 및 수분 확산율, 5) 좌굴이 발생하지 않는 기계적 강도 6) 흠집이나 손상시 국소 열교로 제한되어 에너지가 다른 곳으로 전파되지 않는 소재를 개발하고자 하는 것이다. 또한 고체 기질을 통한 열전도는 고체상의 나노중공체 외피와의 나노스케일 접촉을 유지하게 함으로써 열전달 경로상에 에너지 캐리어의 병목현상을 유발시켜 단열성능을 향상시킬 수 있다. ？ 본 연구책임자는 이를 극복하기 위해 마이크로 입자를 나노입자가 둘러싸는 구조를 제안하여 연구에 참여하였으며, 상당한 개선을 이루었지만, 매우 고가의 나노중공입자를 두껍게 감싸야 하는 또다른 문제점이 발생하는 시행착오를 겪었다(Fig. 1). ？ 이 문제를 해결하기 위하여 본 과제에서는 초임계유체기술을 이용하여 제조비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상되는 방법을 독창적인 방법을 제안하고 연구를 수행하고자 한다(Fig. 2, Fig. 3). ？ 일반적인 소재의 경우 밀도에 비례해서 열전달이 증가하는 특성이 있으므로 본 연구에서는 강도/열전달계수의 비(σ/κ)를 향상시키는 개념을 도입하기로 한 것이다. 본 과제의 차별성은 이를 실현하기 위한 방안으로 초임계유체의 확산속도를 더욱 높이기 위해서 지금까지 시도되지 않았던 쾌속조형 및 면적확대 기술을 제안하고, 함침속도가 매우 높은 초임계유체의 성질을 이용하는 친환경 생산공정을 적용함으로써 고품위 건설소재의 원천기술을 개발하는 것이다.
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