본 연구는 미래 모빌리티 부품에 적용 가능한 친환경 복합소재의 소재·구조 융합설계 및 제조연계를 통해 최적의 부품 성능(경량화, NVH(Noise, Vibration, and Harshness), 난연, 내충격성)을 동시에 구현하고자 함. 이를 위해 다기능성 친환경 복합소재와 내충격·흡음에 특화된 생체모방 및 차세대 메타구조를 융합하는 원천기술연구를 진행하...

1차년도 - 1. 수베린은 다양한 올리고머 단위의 카복실기 및 하이드록실기의 혼합물이므로 그 자체의 투명성이 떨어짐. 또한 동일한 이유로 인해 블렌딩 공정, 사출 공정 등에서 자체적으로 반응이 수반될 가능성이 있기 때문에 수베린 분리정제 기술 및 수베린 말단 작용기 blocking agent 관련 기술을 확보할 예정임. 2. 수베린은 감자껍질 외에도 코르크, 고구마 등 다양한 자연물에서 추출될 수 있음. 하지만 식물의 종류, 생장 환경 등에 따라 수베린의 추출 효율, 그리고 조성이 달라지기 때문에 감자껍질 외에 각종 뿌리식물의 껍질에서 추출한 수베린별 특성 분석 및 DB를 확보할 예정임 (조성 및 생분해성 등). 3. 사출 시 금형의 냉각 효율은 생산 속도 및 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소임. 따라서 냉각 효율을 최적화하기 위하여 제품 형상 적응형 냉각유로가 설계된 금형을 금속 3D프린팅으로 제작 하고자함. 또한 전산 열유동 해석(Computational Fluid Dynamics)을 수행하여 생산성, 비용 절감 효과, 품질 등을 최대화하는 3차원 냉각유로를 설계하고자함 (유로 형상, 직경 등). 4. PLA의 가소제로써 작용하는 수베린은 그 함량에 따라서 최종 제품의 품질이 달라지게 됨. 가령 일회용 플라스틱 컵에 필요한 열안정성, 기계적 강도, 유연성, 폐기된 후에 부피를 줄일 수 있는 구김성, 그리고 생분해성 등이 달라질 수 있음. 이에 해당 연구 내용에서는 수베린/PLA 블렌드 함량에 따른 물성 DB 확보하고, 일회용 플라스틱 컵에 최적화된 물성을 도출할 뿐 아니라 향후 사업영역 확장의 일환으로 생분해성 플라스틱 식품용기, 화장품 용기 등 다른 제품에 맞는 소재를 설계하는 과정에 활용하고자 함. 2차년도 - 1. 니더반응기와 같은 배치(Batch)형태의 가공 장비 대비 2축 압출기와 같은 연속공정 장비는 더욱 높은 생산성을 가지며 대량생산에 적합함. 따라서 해당 연구에서는 수베린/PLA 블렌드 마스터배치를 생산하기 위해 2축 압출기를 선정했으며, 수베린의 안정성, 반응성을 고려하여 온도, 피딩 속도, 압출 속도 등의 공정 변수를 제어하고 최적화 할 예정임. 2. 위와 같이 생산된 수베린/PLA 마스터배치는 소재 자체의 생분해 특성 때문에 마스터배치의 양산화를 위해서 저장 안정성(shelf life)이 확보되어야 함. 따라서 저장 안정성 향상을 위해 기타 첨가제 및 저장 기술에 관한 연구를 수행하고자 함. 3. 사출 공정에서 소재의 유변 특성은 공정 효율 및 생산품의 품질에 중요한 요소로 작용함. 따라서 일반적으로 압출 및 사출 업체에서 소재의 공정 조건을 설정할 때 유용하게 사용되는 MFI(Melt Flow Index), 그리고 사출 공정해석 및 공정 조건 설정에 도움이 되는 점탄성 특성(Viscoelasticity) 등을 분석하여 사출 공정 조건을 최적화하고, 생산성을 높이고자 함. 4. PLA 소재는 분자구조 특성상 결정성 고분자(Semi-Crystalline polymer)에 속함. 결정성 고분자는 일반적으로 무정형 고분자(Amorphous polymer)에 비해 불투명한 특성을 가지므로 냉각 속도 및 기타 사출 공정 조건을 최적화하여 제품의 결정화도를 낮출 필요가 있음. 이에 해당 연구에서는 공정 조건에 따른 최종 제품의 결정화도에 관한 연구가 수행될 예정임. 5. 금속 3D 프린팅은 형상에 제약이 없어 적응형 냉각유로와 같은 복잡한 형상의 구현이 가능함. 따라서 1단계에서 전산 열유동 해석 소프트웨어를 통해 최적설계 된 금형을 본 과제의 연구책임자가 센터장으로 운영하고 있는 성균관대학교 3D프린팅 하이브센터 내의 금속 3D 프린터를 통해 제작될 예정임. 본 과정은 금속 3D 프린팅의 공정 조건 확립 및 샌드 블래스팅을 통한 출력물 후처리에 관한 연구를 포함함.