초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
ㅇ 최종 목표
본 연구 목적은 고강도 경량 금속 복합소재의 3D프린팅 응용 적합성 기초 연구로서 3D프린팅으로 알려진 적층제조법을 통해 구현하고자 함. 고강도 경량금속 복합소재는 알루미늄을 기지로 한 탄소나노튜브나 풀러렌과같은 나노카본으로 강화시킨 것으로 하고, 알루미늄 복합소재의 적층제조 적용성 연구를 통해 자동차,철도차량과 같은 구조재료로 응용하여 제조공정의 단순화와 첨단금속소재 분야개발을 목적으로 함. 전세계적으로 알루미늄이나 금속복합소재의 3D 프린팅 공정에 적합한 금속분말의 연구 개발의

□ 연구개발 목표 및 내용
ㅇ 최종 목표
본 연구 목적은 고강도 경량 금속 복합소재의 3D프린팅 응용 적합성 기초 연구로서 3D프린팅으로 알려진 적층제조법을 통해 구현하고자 함. 고강도 경량금속 복합소재는 알루미늄을 기지로 한 탄소나노튜브나 풀러렌과같은 나노카본으로 강화시킨 것으로 하고, 알루미늄 복합소재의 적층제조 적용성 연구를 통해 자동차,철도차량과 같은 구조재료로 응용하여 제조공정의 단순화와 첨단금속소재 분야개발을 목적으로 함. 전세계적으로 알루미늄이나 금속복합소재의 3D 프린팅 공정에 적합한 금속분말의 연구 개발의 개시가 이루어지고 있으며, 특히, 국내에는 전무하여 매우 필요한 연구분야임. 특히, 저탄소, 고효율 에너지 산업의 니즈와 맞물려 고강도 경량화를 위한 경량금속복합소재의 중요성이 매우 크게 증가하고 있고, 국내 소재개발은 우리나라 산업 경쟁력을 견인하는 매우 중요한 분야로, 4차 산업혁명에 대비한 비철금속 및 3D 프린팅 경량소재 등 후방산업에 영향을 미칠 연구개발이 매우 필요함. 구체적으로 본 연구를 통해 금속복합소재의 3D 프린팅 적용 연구가 쉽게 이루어지지 못하는 복합분말 공정제어를 극복하는 방안부터 공정에 적용하고, 공정후의 미세구조와 기계적특성 및 강화.변형거동까지 세부목표 및 내용에 포함하여 기술하였음. 공정 변수에 따른 미세구조 분석과 기계적 물성 평가를 통해 구조재료의 산업적 요구조건을 충족시키는 알루미늄 금속복합재 3D 프린팅 적용성을 학술적 이슈 창출을 제시함을 목적으로 함.
ㅇ 전체 내용
본 연구내용은 다음과 같다.
1) 대표적인 경량금속인 ‘알루미늄’을 기지금속으로 다차원의 나노크기의 입자와 파이버의 형태로 존재하는 ‘나노카본’을 볼밀링법을 통해 기계적 합금화 및 금속기지에 균일 분산하여 고강도 경량 금속복합분말을 제조함. 나노카본 중 풀러렌과 탄소나노튜브는 밀도가 알루미늄의 50%로 가벼우면서도 매우 뛰어난 기계적 물성 (인장강도 ~30 GPa, 탄성계수~1TPa, 각각 상한물성)으로 알려져 있으므로 강화재로 선정하였음. 알루미늄내의 첨가량은 각각의 형태적 특징을 고려하여, 구형의 풀러렌은 2 부피분율내로, 종횡비가 큰 탄소나노튜브는 4 부피분율 내에서 경도 및 강도와 같은 기계적 물성이 기존소재 대비 150%이상이 향상되는것을 도모함.
2) 제조된 알루미늄 복합분말의 입도,형상 및 크기를 제어하여 입도편차를 최소화 하여 분말의 유동도와 분말베드충진 최대화를 통해 3D프린팅용 분말특성 최적화를 도모하고, 이때의 순도는 99.9%를 유지함.
3) 3D프린팅 전에는 예비소결, 후에는 최종성형체 제조로서 각각 나노인덴테이션-주사전자현미경(FE-SEM)의 동시 측정을 통해 기본적인 기계적인 물성인 경도,탄성계수,잔류응력의 정량적인 점검을 반복하며 공정 최적화를 도모함.
재료내부의 응력분포를 통해 강화거동을 규명하고, 국부영역 압입선도결과를 통해 변형 및 파괴거동을 규명하여 학술적 이슈를 제시함.
3) 기존에 존재하는 일반 제조야금법의 용해-주조-응고-단조-기계가공 등의 복잡한 공정을 거치지 않고 간단한 방법으로 최종 제품에 가까운 형상을 직접적으로 확보하므로, 샘플을 파손을 하지 않고 신뢰성 있게 기계적 물성을 측정하여 3D프린팅의 구현 적합성에 대한 가이드라인을 제시.

□ 연구개발성과
본 연구를 통해 개발된 3D프린팅으로 제조된 알루미늄 기지 탄소 강화된 복합재를 1) 제조하는 공정과 미세구조의 상관관계, 2) 공정별 기계적 물성을 다양한 분석기기(주사전자현미경, 후방산란전자회절분석, X-선분석, 나노인덴테이션 측정)를 활용하여 미세조직 분석과 강화거동에 미치는 영향을 이해하여 학술적 결과를 다양하게 발표하여, 그결과, 국내외 학술대회 10건 발표, 석사1명 배출, 우수포스터상 수상 1회, 초청강연1회, SCI논문 1건 출판, 1건 심사중에 있는 괄목한 성과를 이뤄냈다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
국내 소재개발은 우리나라 산업 경쟁력을 견인하는 매우 중요한 분야로, 4차 산업혁명에 대비한 비철금속 및 3D 프린팅 경량소재 등 후방산업에 영향을 미칠 연구개발이 매우 필요하다. 해외 동향과 발맞추어 경량금속소재산업의 스마트 제조공정의 확대로 효율성 극대화를 추구하는 것이 매우 필요하고, 스마트제조공정의 적절한 예시가 적층제조기술 즉 3D프린팅의 활용이다. 따라서 나노기술의 발전에 따라 고강도경량화의 핵심소재인 알루미늄을 기지로 한 금속복합소재의 성능이 획기적으로 개선되어, 단일 금속에서 기대하기 어려운 다기능성의 달성을 통해 환경 및 에너지 이슈의 해결책을 모색하고 소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 현실적인 대안이 가능함. 또한, 분자 단위/원자 단위로 구조를 분말야금을 통해 효과적으로 제어하는 방법을 이용하고, 이에 따른 물리적/화학적 특성의 변화를 예측하여 나노구조소재 제조 분야에서 새로운 학술적 패러다임을 창출함.따라서 본 연구제안의 내용인 다차원의 탄소나노물질로 강화된 알루미늄 복합분말의 제조/제어하여 3D프린팅 응용 기술 제시를 통하여 학문적 이슈를 제안하고, 특히, 국내의 경우 자동차 및 전자산업이 세계적인 경쟁력을 확보하고 있으므로 본 기본 기술의 적용은 이들 분야의 국제 경쟁력을 향상시킬 수 있을 것이다. 더불어 인력 공급이 부족한 구조 소재 분야의 인력 양성을 활발히 할 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 최종 목표 ... 4
• 2) 연구 범위 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 1차년도 ... 4
• 2) 2차년도 ... 6
• 3) 3차년도 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 10
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 11
• 6. 참고문헌 ... 11
• 끝페이지 ... 11