초록 ▼

□ 연구개요
낮은 결함밀도로 인한 고강도 고인성 특성을 보이는 금속/세라믹 나노소재를 기반으로 계층 구조를 갖는 다공성 구조체를 구성함으로써 깃털같이 가벼운 초경량 고강도 구조체를 제작하였다. 방향성 동결건조법을 사용하여 3차원 구조체를 제작하였으며 이를 기반으로 계면에서 결함제어가 가능한 나노스케일 다중층을 코팅하여 물질 질량 대비 강도를 극대화하는 계층구조의 개발이 이루어졌다.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 고강도 특성의 나노스케일 금속 소재인 은 나노와이어와 셀룰로오스 나노섬유를 재료로 방향성 동결건조법

□ 연구개요
낮은 결함밀도로 인한 고강도 고인성 특성을 보이는 금속/세라믹 나노소재를 기반으로 계층 구조를 갖는 다공성 구조체를 구성함으로써 깃털같이 가벼운 초경량 고강도 구조체를 제작하였다. 방향성 동결건조법을 사용하여 3차원 구조체를 제작하였으며 이를 기반으로 계면에서 결함제어가 가능한 나노스케일 다중층을 코팅하여 물질 질량 대비 강도를 극대화하는 계층구조의 개발이 이루어졌다.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 고강도 특성의 나노스케일 금속 소재인 은 나노와이어와 셀룰로오스 나노섬유를 재료로 방향성 동결건조법을 사용하여 방향성을 지닌 기공을 가지는 은 나노와이어/셀룰로오스 3차원 다공성 구조체를 제작하였다. 벌크 압축 시험을 통해 은 나노와이어 농도에 따른 물성 변화를 측정하였으며 은 나노와이어 농도의 증가에 따라 나타나는 구조체의 강도 강화 효과의 메커니즘을 제시하였다.
- 나노스케일 다중층 코팅을 진행하기 전에 3차원 다공성 구조체 표면에 금속/세라믹 층을 도포하기 위한 조건을 정립하고자 금속과 세라믹 단일층에 대한 도포가 이루어졌다. 다공성 구조체 제작 방향성 동결건조법으로 제작된 셀룰로오스 나노섬유 3차원 구조체를 가열하여 탄화구조체를 제작하여 이를 금속,세라믹층의 도포 기반으로 삼았다.
- 무전해 도금을 사용하여 평균 350 nm 두께의 Cu가 탄화 구조체 벽면에 도포된 것을 확인하였으며 금속층 도포에 따른 강도강화 효과를 확인하였다. ALD를 이용하여 임의의 두께를 가지는 Al₂O₃ 증착에 성공하였으며 brittle-to-ductile transition 임계두께보다 작은 두께의 세라믹 층이 다공성 구조체의 복원률을 향상시키는 것을 확인하였다.
- 도금방식의 개량을 통해 더 고른 Cu층을 복잡한 3차원 다공성 구조체 표면에 도포할 수 있었다. 이를 통해 나노스케일 Cu/Al₂O₃ 다중층이 코팅된 구조체를 제작하였다. 세라믹층의 두께를 변화시키며 기계적 특성을 측정한 결과, 작은 두께의 세라믹층의 도포만으로도 계면에서의 결함제어를 통해 높은 두께의 세라믹층에 준하는 강도 강화효과를 얻을 수 있었다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
셀룰로오스 나노섬유+은 나노와이어 복합소재 기반 3차원 구조체는 나노스케일에서 관측되는 크기 효과를 통해 고강도를 가지는 은 나노와이어와 이것과 유사한 크기를 갖는 낮은 밀도의 셀룰로오스 나노섬유의 복합체 형성을 통해 낮은 무게 대비 밀도의 초경량 고강도 소재 구현이 가능하였다.
탄소 기반 나노다중층 구조체는 낮은 밀도를 가지는 탄소 구조체에 복잡한 3차원 구조에 균일하게 금속, 세라믹 층을 도포할 수 있는 기술을 기반으로 다중층의 추가적인 강도강화 효과를 확보하여 초경량 다공성 3차원 복합 구조체를 제작하였다.
본 과제에서 제작한 초경량 다공성 3차원 복합 구조체는 기존 벌크 소재의 한계를 뛰어넘는 질량 대비 강도를 가지고 있어 학문적인 파급 효과가 클 것으로 기대되며 벌크로 제작되기 때문에 항공 우주 산업, 전자 기기 산업 등의 대량생산이 필요한 영역에서의 산업적 파급 효과 또한 클 것으로 예상한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1. 은 나노와이어 분율을 다르게 한 3차원 다공성 구조체 제작 ... 5
• 2. 셀룰로오스/은 나노와이어 3차원 다공성 구조체의 기계적 물성 평가 ... 5
• 3. 전기 전도성을 갖는 탄소 기반 초경량 3차원 다공성 구조체 제작 및 기계적 특성 평가 ... 8
• 4. 탄소 기반 3차원 다공성 구조체의 표면 코팅 및 이에 따른 기계적 특성 분석 ... 9
• 5. 3차원 다공성 구조체 표면 나노 다중층 코팅 조건 연구 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 18
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 27
• 끝페이지 ... 42