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과제기본정보

자연모사형 극한지 건설구조재의 원천기술개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 18CTAP-C133220-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 건설구조재료 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 자연모사형 극한지 건설구조재의 원천기술개발
주관연구기관 한국과학기술원
총괄연구 책임자 성명 홍정욱
소속 한국과학기술원 직위 교수
전화번호 042-350-2114 FAX 042-350-2210
총 연구기간 2017-06-30 ~ 2018-12-31
당해연도 연구기간 2018-01-01 ~ 2018-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 50,000,000 0 0 0 50,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 본 연구의 내용은 극한지(極限地)건설구조물에 적용되는 다기능 적층형복합재를 3D 프린터를 사용하여 구현하는 것이며, 이를 위해 제작에 필요한 각층에 적용되는 패턴과 층간의 인터페이스를 자연모사기술을 이용하여 개발하는 것이다. 적층형복합재를 구성하는 적합한 재료선정 및 패턴과 인터페이스의 적용을 통해 역학적 강도의 감소를 최소화하면서도 연성을 증대시켜 극한하중에 대한 역학적 에너지의 흡수량을 늘리고자 한다.
최종목표 본 연구의 최종목표는 극한지(極限地)건설구조물에 적용되는 다기능 적층형복합재를 3D 프린터를 사용하여 구현하는 것이며, 이를 위해 제작에 필요한 각층에 적용되는 패턴과 층간의 인터페이스를 자연모사기술을 이용하여 개발하고자 한다. 적층형복합재를 구성하는 적합한 재료선정 및 패턴과 인터페이스의 적용을 통해 역학적 강도의 감소를 최소화하면서도 연성을 증대시켜 극한하중에 대한 역학적 에너지의 흡수량을 늘리고자 한다.
연구내용 및 범위 쌍각류의 껍데기, 어류의 비늘, 그리고 절지동물의 외골격 등의 구조는 주로 서로 다른 물질로 형성된 여러 층들이 최적화된 패턴과 인터페이스에 의해 복합적으로 연결 되어있는 적층구조이다. 본 연구에서는 이와 같은 자연적 외골격 시스템을 모사하여 강도의 감소를 최소화하면서도 연성을 증대시켜 역학적 에너지의 흡수량을 증대시킨 적층복합재의 개발을 하고자 한다. 구체적으로, 각각의 층(layer)에 적용되는 재료 및 패턴(pattern)의 최적화를 이루어야하며, 또한 층간의 접합을 이루는 인터페이스(interface)의 방식을 개발하여야 한다. 이러한 각 층을 구성하는 물질의 고유 특성, 패턴, 그리고 층간을 연결하는 인터페이스의 통합적 거동에 의해 우수한 역학적 특성이 발현된다.
이를위해, 다양한 생물체들의 외피에 존재하는 적층형복합재 구조를 형성하는 층간 인터페이스와 패턴을 선행연구를 통해 각각 파악하고, 본 연구의 목적과 가장 부합하는 특정 인터페이스와 패턴을 선정한다. 선정된 층간 인터페이스와 패턴에 대한 이론적인 연구를 통해 관련 개념을 정립하고, 이에 대한 기술개발을 위해 초기응용연구를 수행하여 최적화 된 층간 인터페이스와 패턴의 기술 개념을 정립한다. 이 단계에서는 자연모사기술을 이용한 적층형복합재 구조개발에 특화된 연구진에 정식으로 자문 요청 후 본 연구 진행에 도움을 받는다. 정립된 기술 개념을 검증하기 위해 층간 인터페이스와 패턴이 적용된 적층형복합재의 수치해석모델을 만들고 유한요소해석을 통해 본 모델의 성능을 휨 하중에 대한 역학적 에너지의 흡수량에 대해 검증하는 수치적 연구를 수행한다. 3D프린터를 이용하여 축소모형 샘플을 제작한다. 적층형복합재 구조의 실험용 축소 모델 제작 후 본 실험세팅(모델의 크기, 경계조건, 하중 조건 등)의 타당성을 검증한다. 이에 대해 공인시험기관에서의 3점 굽힘 시험을 통한 실험적 연구를 수행하여 휨 하중에 대한 역학적 에너지의 흡수량을 검증한다. 휨 하중에 대한 역학적 에너지의 흡수량에 대해 검증한 수치해석결과와 축소모형실험결과의 비교를 통해 적층형복합재 구조를 수정·보완한다.강도의 감소를 최소화하면서도 연성을 증대시켜 역학적 에너지의 흡수량이 늘어난 적층형복합재 구조형성을 위한 층(layer)의 패턴(pattern)과 인터페이스(interface)를 개발하고, 기존의 적층복합재료가 적용되는 모든 건설구조물뿐만 아니라 남극이나 북극, 심해저 또는 우주 등 극한환경에서의 구조물 건설을 위하여 현장에서 3D 프린터로 제작하여 바로 사용할 수 있는 자연모사형 적층형복합재를 개발한다.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 - 생물체 외피의 적층형복합재 구조를 형성하는 각층의 재료 및 패턴, 그리고 층간에 존재하는 특정 인터페이스의 분석 및 이론적 연구 수행.
- 이론적 연구결과를 바탕으로 자연모사형 패턴과 인터페이스의 기술개발을 위한 기술 개념 정의.
- 층간 인터페이스와 패턴이 적용된 적층형복합재 구조의 수치해석모델 개발
- 수치적 연구를 통한 적층형복합재의 역학적 에너지 흡수량에 대한 성능 검증.
- 3D 프린터를 이용하여 적층형복합재를 구현하고, 3점 굽힘실험을 통하여 역학적 성능을 분석. 수치해석 결과와 축소모형실험 결과의 비교를 통한 해석모델의 보완. 		- 3D 프린터를 이용하여 최적화된 자연모사형 층간 인터페이스와 패턴이 적용된 적층형복합재 구조의 시험용 축소샘플을 제작한다.
- 휨 하중을 받을 때, 자연모사형 적층재료의 수치해석 모델이 기존의 단일부재와 비교하여 역학적 에너지의 흡수량이 25% 증가하도록 설정하고 수치해석 결과를 통해 확인한다.
- 휨 하중을 받을 때, 3D 프린터로 제작한 자연모사형 적층재료의 실험용 모델이 기존의 단일부재와 비교하여 역학적 에너지의 흡수량이 25% 증가하도록 설정하고 이를 공인시험기관에서 3점 굽힘 시험을 통해 검증한다.
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면
- 본 연구의 자연모사형 적층형복합재 구조는 기존 적층형복합재료가 적용되는 모든 건설 구조물뿐만 아니라 남극이나 북극, 심해저 또는 우주 등 극한 환경용 구조물에도 적용이 가능하므로 기술 수요가 매우 높다. 특히 해저 도시나 해저 터널 같은 해저 구조물에는 햇빛의 투과가 필수적이기 때문에 투과도가 높은 건설 재료가 적용되어야 한다. 따라서 기존의 적층형복합재료의 층간박리(delamination)과 같은 고질적인 문제점이 개선됨과 동시에 투과도 까지 갖춘 본 연구과제의 자연모사형 적층형복합재 구조가 효율적으로 적용될 것이라고 예측된다. 기존 적층형복합재료가 건설사업 외에 항공 산업과 철도 산업에도 널리 적용되고 있으므로 이를 대체하여 다기능의 자연모사형 적층형복합재가 적용될 수 있다.
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 자연모사기술을 이용하여 개발한 다기능 적층형복합재 구조 기존의 복합재료와는 차별화된 기술개념이다. 자연모사공학 관련 기술발전으로 2025년에는 약 1조 달러의 세계 GDP 상승과 미국에서 3천억 달러의 부가가치와 160만개의 일자리 창출이 예측되고 있다. 따라서 전 세계적으로 자연모사 관련 원천기술을 빠르게 확보하고 응용제품을 개발하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 건설 분야에서는 섬유나 디스플레이 산업 분야에 비해서 자연모사기술이 부족한 실정이다. 따라서 건설 분야에서 자연모사기술 관련 원천기술을 먼저 확보하고 개발한다면 미래의 건설 산업 분야에서의 자연모사기술 관련 시장을 선점할 수 있고 본 기술의 높은 수출 점유율을 얻을 수 있을 것이라 예측된다.
○ 사회적 측면
- 본 기술은 극한환경에서의 구조물뿐만 아니라 극한조건에서의 안정성 유지가 필수인 항공이나 철도 또는 선박산업에서도 적용될 수 있다. 그리고 복합재료가 적용된 지상의 건축 구조물에도 목적에 맞는 기능을 설정하여 적용될 수 있다. 이와 같이 다양한 종류의 구조물에 본 연구의 자연모사형 적층형복합재 구조를 적용함으로써 층간박리 방지, 높은 다중 충격 등 구조물의 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 투과성 등 안정성 이외의 기능 또한 구조물에 부여할 수 있다. 결과적으로 국토 전반에 걸쳐 이미 건설 되었거나 건설 예정인 구조물에 높은 안전성을 부여함으로써 사회적 안전성을 향상 시킬 수 있다.
활용방안 본 연구의 자연모사형 적층형복합재 구조는 기존 적층형복합재료가 적용되는 모든 건설 구조물뿐만 아니라 남극이나 북극, 심해저 또는 우주 등 극한 환경용 구조물에도 적용된다. 특히 3D 프린터를 이용하여 현장에서 제작하는 기술은 시공성을 향상시키는데 기여할 것이라 사료된다. 또한 건설사업 외에 항공 산업과 철도 산업에 널리 적용되고 있는 기존의 적층형복합재료를 대체하여 자연모사형 적층형복합재 구조가 적용될 수 있다.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 자연모사기술 적층 복합재료 유한요소해석 3D 프린터 패턴
영문 Bio-inspired technology Laminated composite material Finite element analysis 3D printer Pattern
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