| 2차년도 |
■ 셀룰로오스 나노 소재 관련 선행연구 사례조사■ 사례조사에 따른 복합재의 목표 성능 설정 및 제조 방법 정리■ 제조 방법 및 나노소재 함량비에 따른 복합재 제조 및 성능평가■ 기존 소재 대비 나노소재가 첨가된 신소재의 비교 평가■ 침목의 기본적인 기능에 기반 한 기초 설계■ 수직 레일좌면하중에 기반 한 침목 설계■ 내부 보강재 구조 모델링
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1차년도 전체연구내용● 셀룰로오스 나노 신소재는 신소재 특성상 국내외 선행연구의 사례조사를 통한 재료의 특성정리가 필요하다. 자료 수집을 통해 침목에 필수적인 횡방향 저항력을 높일 수 있는 셀룰로오스를 선정하고 그에 따른 실험 계획을 수립한다.● 선행연구 사례조사를 통한 기존 복합재의 나노 소재 첨가 시 증가하는 물성을 고려한 목표 성능을 설정하고 나노 소재가 첨가된 복합소재에 적합한 제조 방법 및 실험 계획을 수립한다.● 제조 방법에 따라 복합재를 제조하고 각 방법에 따라 증가 또는 감소된 성능을 비교 평가한다. 또한, 나노소재의 함량비의 차이에 따라 증가하는 기계적 물성 및 감소하는 결합력 등을 복합적으로 고려하여 나노 소재의 적정 함량비율 구간을 설정한다.● 내부 보강재 재료 선정 및 추가와 나노재료 분산도 조정을 통한 강도 증가를 평가한다.● 유사한 선행연구를 통해 도출된 결과물과 본 연구를 통해 수행된 결과물의 비교특성 평가를 통해 기존 소재 대비 개발된 소재의 장점 및 단점을 비교 평가한다.● 수직하중은 침목 아래 도상층 압밀의 정도와 품질에 좌우되어 침목의 휨모멘트를 유발하므로, 침목의 성능을 좌우하는 침목의 크기, 형상, 표면 기하구조, 중량, 간격을 최적화한다.● 수직 레일좌면하중의 평가, 침목 아래 응력분포패턴의 추정, 침목의 구조모델에 대한 수직 정적평형상태의 적용을 통한 침목 기초설계를 한다.● 레일좌면에 가해진 하중의 정확한 크기는 레일중량, 침목간격, 레일 당 궤도계수, 레일과 침목 간의 작용량 및 침목과 도상 간의 작용량을 레일좌면하중 공식을 활용하여 연구한다.● 폐목분을 활용한 침목으로 강도 보강 및 고 기능성 그린 나노-신소재와의 결합력을 고려한 내부보강재 구조를 모델링한다.□ 침목 재료 연구팀● 셀룰로오스기반의 나노소재를 기반으로 한 복합재 제조 사례를 조사하고, 선행연구의 연구 수행 방법 및 결과물을 정리함● 철도 침목 조건을 만족하기 위한 연구 결과를 선정하여 목표 성능을 설정● 나노 셀룰로오스 소재와 폐목분 및 폐플라스틱을 혼합한 복합재료를 제작하고 이종재료간의 결합력을 높일 수 있는 제조 공정 연구● 제조 공정 확립 후 나노소재의 함량비에 따른 복합재의 성능평가□ 침목 설계 연구팀● 한국철도 표준 규격인 KRS TR 0007-15(R)을 기반으로 한 침목 기초설계 및 기초해석으로 주요 설계인자 도출을 위한 수치해석을 수행함● 구조설계상 내적 안정성이나 외적 안정성 등의 설계 사양을 만족하는 침목 설계● 최적설계는 최적화 이론을 설계에 적용한 개념으로 기본적으로 최적화 이론에서 사용하는 문제정식화 과정을 따라 최적설계 문제를 구성● 강도 증가 및 재료 결합 향상을 위한 최적화된 구조의 내부 보강제 설계
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
● 미래형 친환경 고성능 철도 침목을 위한 친환경, 고성능 소재를 개발하고, 사용할 수 있는 연구 기반을 조성● 복합소재에 대한 다양한 평가 기준 및 방법을 제공함으로써 신재료의 시장진입을 용이하게 할 수 있는 연구 기반을 조성
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| 사회 경제적 파급효과 |
● 지속가능한 개발을 위해 환경오염 유발 물질을 재활용한 우수한 성능의 철도침목을 개발하고, 폐침목을 다시 재활용해서 폐기비용을 줄일 수 있는 기술 개발을 위한 연구 기반을 조성● 친환경적 제품을 통한 국가 경쟁력 강화● 통일 또는 대륙횡단 열차 건설 시 적용할 수 있는 침목을 개발하여 세계 시장 진입 경쟁력 확보를 위한 기술 선점● 본 기술이 개발되어 침목으로서의 적용가능성이 확인되면, 기존의 콘크리트침목 보다 무게가 감소하고 탄성강도가 증가하기 때문에 기존의 PC침목보다 운반이 용이하여 좁은 장소에서도 시공이 간편하고 작업이 편리하기 때문에 시설분야와 관련된 설치비용 및 유지보수 비용의 감소 효과가 기대됨● 친환경 기술 확보를 통한 국내 관련 산업의 매출 및 고용 창출 증대 효과
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| 활용방안 |
전 세계적으로 요구하는 이산화탄소 저감량 달성을 통한 지구온난화를 방지하고 에너지를 절약하기 위한 환경 친화적 운송수단에 대한 요구가 증가하고 있으며, 운송수단 중 이산화탄소 발생량이 가장 적은 수단인 철도는 향후 약 30,000km 이상이 새로 건설될 것으로 예상되며 기존의 1,000,000km에 달하는 철로의 침목도 향후 10~30년 이내에 유지·보수가 필요한 상황이다. 따라서 이에 대한 기술개발 및 시장 점유 기술의 확보는 필수적이다. 개발될 재료는 철도침목뿐만 아니라 건설관련 산업에도 활용이 가능할 것이며 예상되는 세부내용은 다음과 같다.1) 천연자원의 사용을 줄이고, 환경오염 유발물질을 재활용하여, 기존의 철도침목을 대체함으로써, 9억 불 규모의 세계 철도 침목 시장을 개척할 수 있다.2) 국사 사회간접 자본 시설의 장기적 안전성 확보를 위한 친환경 소재 개발 및 응용, 유지관리 기술 및 산업 분야에 활용3) 에너지 절감, 이산화탄소의 저감, VOCs 발생 억제와 관련한 국내외 친환경 녹색 성장 건설 기술 경쟁력 향상에 활용4) 미래형 고성능 건설 재료 개발 기술의 학문연구 분야에 활용- 구조재료 분야(강도, 방진, 거동대응형)- 차단재료 분야(차음, 방내화 등)- 기능재료 분야(충격 흡수, 재생 등) - 에너지 절감형 생산 기술 분야5) 친환경 연속제조 공정 개발을 통한 내외장재, 구조용 재료, 생활편의 시설, 교통 및 군사 방호시설 등의 응용 구조물 개발 연구6) 산업 폐기물의 발생 억제와 감량화, 자원화의 노력으로 친환경적인 건설자재(보도블록, 블록 등)를 만듦으로써 녹색성장 및 탄소 배출의 억제에 기여7) 표면개질을 통한 다양한 복합재의 생산능력 배양을 통해 기존의 폐기물로 버려지고 있는 나무 등과 같은 재료의 재활용률을 높일 수 있는 분야로 활용8) 난연성 등을 첨가한 고기능성 복합재료의 개발을 통해 건설 내장재 및 일정 시설물 내의 자재 개발에도 활용 가능
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