| 2차년도 |
1. 다공성 구조의 열전달 및 소음 해석을 위한 3D 프린팅 재료 물성 DB 구축2. 흡음·난연 특성을 지닌 외부구조 구현을 위한 복합재료 개발 및 물성 DB 구축3. 고분자의 유변학적 거동을 고려한 재료별 3D 프린팅 공정조건 최적화
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본 연구에서 구현하고자 하는 단열재의 구조는 단열 특성을 지닌 내부구조, 흡음·난연 특성을 지닌 외부구조로 나뉘어짐. 다공성 구조 구현을 위해 3D 프린팅 가능하며 흡음·난연 특성을 지닌 외부 구조용 ABS/MOSw와 단열 특성을 지닌 내부 구조용 HIPS 필라멘트를 개발하고자 함. 앞서 개발한 재료를 3D 프린팅 할 때는 결함이 발생하지 않도록 각 재료별 공정조건들(노즐 온도, 적층 속도, 베드 온도 등)을 고분자 유변학에 기반하여 최적화하고자 함.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
□ 3DP 설계 시스템 원천기술 활용방안■ 본 연구를 통해 개발된 소재·공정·구조를 동시에 설계하는 3D 프린팅 시스템은 각 설계 요소들의 최적화를 통해 출력한 구조체의 성능을 설계할 수 있음. 이러한 장점은 재료 및 구조 물성에 영향을 많이 받는 제품분야에 적용될 수 있으며 건축용 단열재를 비롯해 내·외장재, 콘크리트 등 다양한 건축자재로 확장해 나갈 수 있는 핵심 기술임.■ 내부 기공구조의 설계 및 최적화를 통해 높은 단열성능도 구현 가능할 것으로 기대되며, 높은 단열성능을 가지는 단열재의 제조는 열관류율 기준을 만족하는데 필요한 두께를 줄임으로써 건축물 전용면적의 확보를 가능하게 할 수 있음. 실제로 단열 성능을 유지하며 두께를 50% 감소시킨 L사의 단열재의 경우 최대 2.4%가량 전용면적 증가효과를 확인하였음.■ 3D 프린팅을 이용해 기공구조를 출력함으로써 기존 유기단열재에 사용되던 프레온계 발포제를 사용하지 않고 재료에 난연성을 부여하는 과정에서 할로겐계 난연제를 쓰지 않아 환경 친화적인 단열재의 제조가 가능하므로, 점차 강화되고 있는 환경규제를 만족할 수 있으며 연소 시 유독가스 발생 저감으로 화재 시 인명피해를 줄일 수 있을 것으로 기대됨. ■ 또한 본 연구에서 수행할 ‘흡음·난연 특성을 동시 부여한 열전도율 0.051 W/m·K 이하 건축용 단열재를 위한 3D 프린팅 소재·공정·구조 연동설계 시스템 기술 개발‘은 현재 시도되고 있지 않은 연구주제로 추후 건설자동화를 위한 다수의 미래원천기술 및 원천특허 등 지적재산권 선점이 기대됨.■ 3D 프린팅 가능한 복합재료 및 공정 설계 후, 열전달 및 소음 해석을 활용하여 최적화된 단열재의 다공성 내부구조를 설계하고, 이를 3D 프린팅으로 출력함으로써 수요 환경에 맞게 재료, 구조, 공정을 동시 설계할 수 있는 3D 프린팅 생산 시스템 핵심 원천기술 확보가 가능할 것으로 보임.■ 건축용 단열재 생산을 위한 3D 프린팅 시스템 구축은 본 연구에서 수행하는 단열재뿐만 아니라 추후 다양한 재료, 구조를 활용하여 흡음재, 기포콘크리트 등 소비자의 수요에 걸맞는 건축용 3D 프린팅 시스템 기반기술로 활용이 가능함.
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| 사회 경제적 파급효과 |
■ 건축용 단열재 3D 프린팅 시스템에 대한 연구는 2027년 400억 달러로 전망되는 글로벌 3D 프린팅 건축 시장에서 비교적 후발주자인 대한민국의 국가 경쟁력을 높일 것으로 전망됨.■ 본 연구에서 수행할 단열재 3D 프린팅 시스템 개발은 차후 건축 현장에서의 단열재 3D 프린팅 또는 건축물에 직접 단열재를 3D 프린팅하여 공기단축을 통한 건설 생산성 및 건설 효율성을 높이는 기반을 마련할 것으로 기대됨. ■ 단열 성능과 난연 성능을 동시에 갖는 단열재를 개발해 기존 유기단열재의 단점인 난연성을 개선하고 흡음 성능까지 갖춤으로써 건축용 단열재 시장에 대한 시장 경쟁력을 강화 할 수 있을 것으로 기대됨.■ 본 연구는 기존 단열재의 문제점들(복잡한 형상 구현의 어려움, Step by Step 방식 공정, 다중성능(단열·흡음·난연) 동시 최적화의 어려움)을 해결한 One-step 방식 맞춤형 단열재 개발이 가능한 것에 의의가 있음.■ 뿐만 아니라 본 연구를 통하여 추후 소비자 맞춤형 건축 3D 프린팅 시스템(재료, 구조, 공정) 개발 연구의 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대됨. ■ 즉, 각 지역의 환경, 소비자의 수요 등 소비자 맞춤형 빅 데이터를 구축한다면, 향후 본 기초연구를 기반으로 요구 성능에 최적화된 재료, 공정, 구조 동시 설계가 가능한 건축용 3D 프린팅 시스템 개발도 가능할 것으로 기대됨.
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| 활용방안 |
■ 본 연구를 통해 개발될 3D 프린팅 시스템은 난연 성능에 사용하는 할로겐계 난연제와 기존 유기단열재의 단열 성능을 위해 사용한 프레온계 발포제, CO2 등을 사용하지 않고 난연 및 흡음 성능을 구현해 환경친화적 단열제 제조와 연소시 유독가스 발생을 줄일 수 있음. 또한, 기존 공법으로 구현 불가능한 구조 설계를 통한 단열재의 흡음 성능 향상은 현재 사회문제로 대두되고 있는 층간소음 문제를 해결하는데 기여할 수 있을 것으로 기대됨. ■ 본 연구의 건축용 단열재 3D 프린팅 시스템에 대한 연구는 2027년 400억 달러로 전망되는 글로벌 3D 프린팅 건축 시장에서 비교적 후발주자인 대한민국의 국가 경쟁력을 높일 것으로 전망되며, 3D 프린팅 시스템 원천기술을 바탕으로 단열재뿐만 아니라 흡음재, 기포콘크리트 등 다양한 건축부재 제작에 적용하여 향후 건설지능화 및 건설자동화에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
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