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과제기본정보

데이터 인프라 구조물을 위한 능동형 파장흡수 구조재료 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163958-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 원자력 | 노심 핵설계 기술 | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | 노심 핵설계 기술 | None 과제유형 기초
과제명 데이터 인프라 구조물을 위한 능동형 파장흡수 구조재료 개발
주관연구기관 울산과학기술원
총괄연구 책임자 성명 표석훈
소속 울산과학기술원 직위 조교수
전화번호 052-217-1450 FAX 052-217-1289
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보
연구개발개요 ○ 반도체 등 첨단 고부가가치 제품 생산 시설의 진동저감 인프라 개발 필요
- 고부가가치 제품 생산시설의 진동저감을 위해 고가의 인프라 구조 활용 중
- 진동저감형 콘크리트 개발을 통해 저비용 진동저감 인프라 개발 가능

○ 급속시공 모듈러 주택의 단열 성능 향상 필요
- 모듈러 주택의 단열 성능 향상을 위한 근본적 구조재료적 해결책 도출 필요
- 저비용 단열 시멘트 기반 건설재료 개발 및 적용 필요

○ 철도 고가 구조물 등의 구조기인 소음(structure-borne noise) 문제 해결 필요
- 구조기인 소음은 진동이 구조물을 따라 전파되면서 소음이 발생
- 전통적인 철근콘크리트 구조 및 철골 구조 등 감쇠(damping) 성능이 제한적인 구조재료로는 소음 문제 해결 어려움
- 미세 공극구조체 활용을 통한 재료단위의 감쇠(damping) 성능을 키워 구조기인 소음 문제 해결 가능

○ 기존 경량 콘크리트 제조 방식의 혁신적인 변화 요구
- 기존 경량 콘크리트의 핵심 재료로는 자연적으로 존재하는 경량골재를 사용하는 것으로 우리나라에는 적당한 경량골재 수급이 매우 어려움
- 아래 그림과 같이 경량 골재의 특성에 따라 경량 콘크리트를 제조할 수 있다는 연구결과들이 발표되고 있지만, 경량 골재의 비중이 시멘트 매트릭스의 비중과 차이가 커 재료분리 현상이 필수적으로 해결되어야함
- 본 연구에서는 마이크로 중공 파티클을 인공적으로 제조하여 사용함과 동시에, 시멘트 매트릭스의 점성을 조절하여 재료분리를 해결하고, 고강도 및 경량을 동시에 만족시켜 데이터 기반 인프라구조물에 특화된 저진동 경량 고강도 복합체를 제조하는 것이 목표임
최종목표 ○ 공극기반 배합설계 및 파장흡수 구조재료의 성능 검증 절차 구축
- 진동 감쇠율 9.0% 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발
- 흡음률 0.30 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발

○ 구조재료용 마이크로 사이즈의 중공 파티클 개발 및 분산성 확보 기술 개발
- 분산도 60% 이상의 중공입자 합성 및 중공입자가 포함된 고성능 시멘트 복합체 개발(압축강도 50 MPa 이상)

○ 공극설계 기반 콘크리트 배합 확정 및 진동성능 평가
- 진동 감쇠율 10.0% 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발(압축강도 20 MPa 이상)
- 흡음률 0.35 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발(압축강도 30 MPa 이상)

○ 마이크로 중공 파티클을 포함한 구조재료의 단열 성능 평가
- 분산도 80% 이상의 중공입자 합성 및 중공입자가 포함된 고성능 시멘트 복합체 개발(압축강도 60 MPa 이상, 열 전도율 1 W/mK 이하)

○ 정량적 성과목표: SCI급 논문 4편, 특허출원 1건
연구내용 및 범위 ○ 공극기반 배합설계 및 성능 검증 절차 구축
- 구조용 파장흡수 건설재료의 요구조건 분석을 위한 문헌조사 및 예비실험 수행
: 일반 콘크리트의 파장 흡수 실험을 통한 실험 조건을 정립하고 성능 목표 수준 확정
- 역학적 강도 확보 및 목표 공극 구조 설계를 위한 공극 기반 배합 설계 도출
: particle packing 이론 기반 배합 설계 및 실험을 통한 검증
- 파장 흡수 구조재료의 성능 검증 절차 구축 및 특성 분석
: 콘크리트 감쇠율 및 흡음률 측정 설비 구축 및 개발된 배합의 성능 실험 분석
- 구조재료의 진동저감을 위한 마이크로 중공 파티클 형상 최적화
: 중공소재의 형상 및 크기에 따른 시멘트 복합체의 진동 및 흡음 특성 실험 및 분석

○ 마이크로 중공 파티클 합성 및 공극 구조 최적화
- 마이크로 중공 파티클 합성을 위한 문헌조사 및 예비실험 수행
: 구조용 재료에 적합한 중공 파티클 합성에 관한 조건을 정립하여 문헌조사와 예비 실험 수행
- 마이크로 중공 파티클 합성 기술 도출 및 3차원 형상 분석
: 마이크로 토모그래피와 전자주사현미경을 이용하여 합성된 중공 파티클의 표면 및 3차원 형상 분석
- 시멘트 복합체 내부에서 마이크로 중공 파티클의 분산성 및 재료분리 현상 분석
: 시멘트 복합체의 점성에 따른 중공 파티클의 분산도 조절 가능성 평가
- 콘크리트 단열 시험 절차 구축
: 차년도 수행하게될 단열 시험 예비 실험 수행

○ 공극설계 기반 콘크리트 배합 확정 및 진동성능 평가
- 중공 파티클을 포함한 저진동 시멘트 복합체 개발
: 1차년도에 수행된 결과를 바탕으로 진동저감에 최적화된 구조용 시멘트 복합체 배합 개발
- 형상 최적화 및 중공 파티클과 시멘트 페이시트의 계면 특성 분석
: 파괴에너지 비교/분석을 통한 계면 특성 분석 및 역학성능을 평가하여 다기능성 구조재료로 활용가능하도록 배합비를 조정
- 다기능 시멘트 복합체의 흡음 성능 평가
: 공극기반 배합설계기법 적용을 통한 목표 흡음률 달성 가능한 구조용 시멘트 복합체 배합 도출

○ 마이크로 중공 파티클 제조 및 단열 성능 평가
- 마이크로 중공 입자 제조 공정 도출
: 1차년도에 수행된 결과를 바탕으로 최적화된 제조 공정 도출
- 마이크로 중공 파티클을 포함한 복합체의 단열 및 역학 성능 평가
: 역학성능을 평가하여 다기능성 구조재료로 활용가능하도록 배합비를 조정
- CT 활용 다양한 스케일 공극 구조 최적화
: 설계된 기능 (고강도 및 단열)을 만족하도록 공극 구조를 능동적으로 조절하고, 이를 CT로 확인하여 다양한 공학적 성능 (강도, 단열, 비중)을 조절할 수 있도록 설계
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 공극기반 배합설계 및 파장흡수 구조재료의 성능 검증 절차 구축
- 진동 감쇠율 9.0% 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발
- 흡음률 0.30 이상의 중공 파트클 적용 시멘트 복합체 개발

○ 구조재료용 마이크로 사이즈의 중공 파티클 개발 및 분산성 확보 기술 개발
- 분산도 60% 이상의 중공입자 합성 및 중공입자가 포함된 고성능 시멘트 복합체 개발(압축강도 50 MPa 이상)
○ 공극기반 배합설계 및 성능 검증 절차 구축
- 구조용 파장흡수 건설재료의 요구조건 분석을 위한 문헌조사 및 예비실험 수행
: 일반 콘크리트의 파장 흡수 실험을 통한 실험 조건을 정립하고 성능 목표 수준 확정
- 역학적 강도 확보 및 목표 공극 구조 설계를 위한 공극 기반 배합 설계 도출
: particle packing 이론 기반 배합 설계 및 실험을 통한 검증
- 파장 흡수 구조재료의 성능 검증 절차 구축 및 특성 분석
: 콘크리트 감쇠율 및 흡음률 측정 설비 구축 및 개발된 배합의 성능 실험 분석
- 구조재료의 진동저감을 위한 마이크로 중공 파티클 형상 최적화
: 중공소재의 형상 및 크기에 따른 시멘트 복합체의 진동 및 흡음 특성 실험 및 분석

○ 마이크로 중공 파티클 합성 및 공극 구조 최적화
- 마이크로 중공 파티클 합성을 위한 문헌조사 및 예비실험 수행
: 구조용 재료에 적합한 중공 파티클 합성에 관한 조건을 정립하여 문헌조사와 예비 실험 수행
- 마이크로 중공 파티클 합성 기술 도출 및 3차원 형상 분석
: 마이크로 토모그래피와 전자주사현미경을 이용하여 합성된 중공 파티클의 표면 및 3차원 형상 분석
- 시멘트 복합체 내부에서 마이크로 중공 파티클의 분산성 및 재료분리 현상 분석
: 시멘트 복합체의 점성에 따른 중공 파티클의 분산도 조절 가능성 평가
- 콘크리트 단열 시험 절차 구축
: 차년도 수행하게될 단열 시험 예비 실험 수행
연구성과 기술적 기대성과 - 건설재료의 단열성능 향상을 통한 건축물 에너지저감으로 정부의 그린뉴딜 정책에 기여
- 데이터 인프라 구조물의 저비용 진동저감 방법 제시로 정부의 디지털뉴딜 정책에 기여
- 진동저감형 콘크리트 적용 가능 중공형 마이크로 필러의 원천기술의 확보
- 특허권 확보 등을 통한 세계 최고수준의 건설재료 기술력을 확보하여 건설공학기술 선도
- 진동저감형 건설재료 개발로 다양한 신규시장의 창출 가능
- 국내·외 유사기술이 없는 원천기술로서 건설 신재료·신기술 등 국가 건설기술 브랜드 창출에 기여
- 단열 성능이 높은 구조용 재료를 직접 개발하여 적용함으로서 열섬현상이 완화될 수 있고, 실내 환경 유지에 필요한 전기에너지의 수요를 감소시키는 긍정적인 순환고리를 유발할 것으로 기대
- 마이크로 단위에서의 중공 입자의 생성과정을 융합적인 연구 측면에서 규명이 가능할 것으로 기대
사회 경제적 파급효과 ○ 사회적 측면
- 진동저감 및 흡음성능 향상된 건설재료 개발을 통해 향후 다세대 주택의 층간소음 문제 해결에 기여
- 개발된 복합체를 데이터 기반 인프라 구조물에 적용함으로서 4차산업의 주도권을 빠르게 확보
- 데이터 기반 인프라 구조물의 사용성능 향상을 통한 유지관리 비용 절감 및 국가적 차원의 친환경에너지 기술 선도국으로 도약 가능
- 진동저감 구조 시스템 보급을 통한 신개념 친환경 건축 및 철도 인프라 시장의 확대
- 온실가스 배출기여도가 28%인 건물 분야의 에너지 저감을 통해 온실가스 배출저감에 기여

○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 국내 건설분야의 투자 및 시장 활성화를 기대할 수 있으며, 국가 건설분야의 거점으로 해외 건설시장 진출 교두보가 가능
- 마이크로 기반 중공 파티클 합성 핵심기술 확보를 통해 데이터 기반 인프라구조물 건설 분야에서 세계 선도적 역할을 국내 연구진이 수행하여, 국가 경쟁력 확보 가능
- 침채된 건설산업에서 새로운 성장동력이 될 수 있으며, 나아가 국내 경제를 활성화 시키고, 건설분야 연계 신규 산업 창출 및 국제시장 개척 가능
- 개발 요소기술의 산업체 연계 연구 및 기술이전 가능
- 지속적으로 성장이 전망되는 친환경 건설재료 시장 선점 가능
활용방안 ○ 차세대 고부가가치 건자재 개발의 가속화
- 능동형 파장흡수 구조재료는 구조물 뿐만 아니라 콘크리트 2차제품 성형제품을 개발 적용시에 보다 더 폭넓은 콘크리트 시장 확대 가능
- 중공 파티클의 경우 재료공학 분야에서 합성되어 사용되고 있지만, 건설 구조용 물리적 충진재로서 설계된 제품이 아니며, 본 연구에서 제안한 마이크로 중공형 파티클은 비단 건설용 뿐 아니라 다양한 제품에 활용될 수 있는 파급력이 있음
- 특히 최근 화두가 되고 있는 데이터 기반 인프라구조물 (클라우드 저장시설, 대규모 반도체 공장 등)에 적용되어 4차산업을 이끌어 갈수 있는 인프라시설물을 구축하고 확보하는데 기여할 수 있음
- 더 나아가 강도발현이라는 일차원적인 역할로 구조재료가 사용되는 것이 아니라 다기능성, 즉 단열, 경량, 저진동 등을 공학적으로 만족시킬 수 있는 기술적인 기반을 마련하여, 향후 차세대 인프라구조물 또는 기능성 건축물등에 활용될 수 있음

○ 미래원천 기술 확보
- 능동형 파장흡수 구조재료 핵심원천기술을 선점하고 이를 통해 관련 미래선도 창의형 연구개발 가능
- 본 연구를 통해 기초기술뿐만 아니라 선진기술에 개발과 적용을 통해 국내시장에서의 자생력 확보와 더 나아가 해외 시장분야 확대적용에 대한 발판 마련 가능
- 단열성능향상 콘크리트는 향후 건축물의 구조용 단열벽체 뿐만 아니라 플랜트, 토목구조물의 단열이 요구되는 부분 등에도 작용 가능한 원천기술을 확보하여 적극적인 활용 가능
- 철도 시설물 등 교통 하중으로 인한 지반진동전파 차단을 위한 방진매트를 대체할 수 있는 원천기술 확보
핵심어
핵심어
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 데이터 인프라 구조물 공극 기반 재료설계 진동저감 단열성능 흡음재료
영문 Data Infrastructure Pore-based material design Vibration reduction Thermal capacity Acoustic absorbing material
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