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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.
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