초록 ▼

□ 연구개요
3D 바이오프린팅(3D bioprinting) 은 2019년 한국과학기술기획평가원이 선정한 10대 미래유망기술 중의 하나이다. 본 과제는 4차 산업 디지털·로봇·바이오기술 융합을 통해 건축분야에서 바이오 프린팅을 실질적으로 (건축조형을 통한 건물구성품으로) 제작·구현함을 목표로 하였다. 이에 더해 본 연구는 바이오 프린팅을 스마트 재료의 사용을 포함한 가변형 프린팅으로 확장, 기후-반응 건물외피/외벽의 제조에 응용하여, 식물 세포 혹은 동물의 피부와 같이 도시환경에 적응하고 물질을 생산하는 저에너지·저탄소 생체반응

□ 연구개요
3D 바이오프린팅(3D bioprinting) 은 2019년 한국과학기술기획평가원이 선정한 10대 미래유망기술 중의 하나이다. 본 과제는 4차 산업 디지털·로봇·바이오기술 융합을 통해 건축분야에서 바이오 프린팅을 실질적으로 (건축조형을 통한 건물구성품으로) 제작·구현함을 목표로 하였다. 이에 더해 본 연구는 바이오 프린팅을 스마트 재료의 사용을 포함한 가변형 프린팅으로 확장, 기후-반응 건물외피/외벽의 제조에 응용하여, 식물 세포 혹은 동물의 피부와 같이 도시환경에 적응하고 물질을 생산하는 저에너지·저탄소 생체반응형 외피를 적층제조방식으로 건축하기 위한 디자인·시공 관련 근본 지식과 원천 기술을 얻고자 하였다. 천연 다공성 고분자기반의 생체외피가 건물에너지, 도시 미세먼지 및 CO₂ 저감에 효과적이라는 가설을 수립하고, 하이드로겔 소재가 미세먼지 및 유해 유기물을 포획, 생분해 및 빗물 등을 통해 방출되는 메커니즘을 건축스케일에서 탐구하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
최종 목적(aims): (1) 로봇 프린팅으로 제작·제어되어 생체물질로 건축된 바이오 그린 빌딩의 실현·확산, (2) 생체 재료를 활용한 건축물의 환경 조절/적응성 및 지속 가능성 증강 방안 탐구.
최초 실행 목적(objectives) 및 결과 자체 달성도 비교 평가는 다음과 같다.
(1) 천연 유기 생물을 건축 외피 재료로 사용하기 위한 설계·디지털 제작 지식 획득 (달성): 합성방식을 통한 바이오매트리얼 잉크 신재료 개발 및 디자인 프로토타이핑
(2) 대형 스케일의 3D 바이오 프린팅과 생체 배양에 적합한 건물 외피 디자인 개발 (달성).
(3) 3D-바이오 하이브리드 프린팅을 위한 로봇 툴 개발 및 소프트웨어 프레임워크 구축 (달성): 로봇장비 및 압출 방식 대형 건축 바이오 프린팅 시스템 구축 성공.
(4) 복합 환경 자극에 자기 반응하는 바이오-하이브리드 빌딩 외피 모듈 제작 (달성도 자체평가 70%): 외피 모듈 프로토타이핑에 성공하였으나, 복합 자극반응체 구현에 어려움.
(5) 생체 소재 건축의 경제성·유지관리·지속 가능성 및 환경 성능 분석 (달성도 자체평가 30%): 생체소재(녹조)의 환경기능(실내공기질 향상)파악하였으나, 건축재료 구현에는 어려움. (3차년도 연구변경).

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
(기술 및 산업) 로봇 프린팅과 3D바이오프린팅의 건축분야 응용에 대한 심도 있는 실험 고찰과 지식 획득은 ‘건설 3D 프린팅 (Construction 3D Printing)’의 인터액티브 환경 건축으로의 전환과 발전을 위한 구체적 정보와 실현가능한 수단을 제공하는 한편, 건설 분야에서 점차 확산되는 소외건설방식(off-site construction)에 관한 로봇 자동화 건축설계기술력을 확보한다는 차원에서도 중요하다. 또한, 기존 전자기 모터 방식의 ‘키네틱(kinetic)’ 건축을 지능형 소재 중심의 소프트로봇의 일종인 ‘자기-변형’ 건축으로 대체하여, 4차 산업시대의 공생적 기후-적응형(symbiotic climate-adaptive) 도시 환경의 혁신적 실현에 기여한다.

(교육 및 홍보) 본 연구의 성과는 각종 매체, 전시 및 산업체 특강/고교 진로 교육 등을 통해 공유할 예정이며, 획득 지식을 건축학과 학부/대학원 교육에 적용하여 소속 학과의 LINC+사업등과 긴밀히 연계된 신기술융합전공 교과목 개설에 활용함으로서, 건축계획·설계 및 건설 분야의 혁신인재를 양성한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 2-1. 대형 로봇 시스템·실험 공간 구축 및 로봇 운용 ... 6
• 2-2. 로봇 3D 프린팅 실험 및 툴 개발 ... 6
• 2-3. 재료실험: 건축 3D bioprinting 바이오 매트리얼 잉크 개발 ... 8
• 2-4. 프로토타이핑 및 제작 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과 (연구개발결과: 목표 달성 수준 80%) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 13
• 끝페이지 ... 29