경량 건축소재는 협소공간의 고도 이용과 건설 분야의 양적, 질적인 측면에서 급속한 성장으로 건축자재의 경량화, 고급화 및 다양화를 요구하고 있으며 이에 PE, PP, PS, PVC 등의 플리스틱 foam 및 저밀도 콘크리트 등의 경량 건축 소재에 대한 연구가 지속되고 있다. 경량 건축소재로 사용되는 플라스틱류는 대부분 난연화 및 강도유지를 위해 난연제, 섬유 및 무기충진제 등를 첨가하거나 고밀도화하여 사용하며 경량화를 위해 foaming agent를 사용하여 기포를 발생시켜 경량화하여 성형된다. (중략)
본 연구에서는 기존의 철도차량구조에 경량소재를 적용하여 설계를 검토할 때, 각 소재의 성질이 차체구조의 경량화에 미치는 영향과 그 정도를 정량적으로 분석하여 개념설계단계에서 소재대체 설계 효과를 예측하는 방법을 개발한다. 전체 차체구조에 대해서는 굽힘변형, 압축변형, 비틀림 변형을 고려하여 소재를 변경할 때, 또 주요 골조 구조 부재에 대해서는 굽힘변형, 압축변형, 좌굴붕괴를 고려하여 소재와 단면형상을 변경할 때 경량화 특성을 분석할 수 있는 방법을 체계화였다. 차체구조 또는 골조부재의 변형 양상에 대한 강성 및 강도 조건을 경량화 지수와 연계하여 표현함으로써 각 재료와 부재의 형상이 가지는 기계적 특성과 장단점을 용이하게 분석할 수 있도록 하였다.
알루미늄 합금과 같은 경량소재의 적용을 통한 무게 감소는 연료절감과 대기 오염 감소에 기여할 수 있다. 알루미늄 합금 재료는 피로수명에 대한 강도 측면에서 철강(steel) 소재에 비하여 취약한 단점을 가지고 있다. 부품들의 안전성을 희생시키지 않고 자동차 부품 경량화를 이루기 위해 많은 연구자들이 보다 가볍고 강한 서스펜션 링크들에 관한 연구를 진행해 왔다. 본 연구에서는 기존 STKM11A 철강소재로 설계된 토크 스트럿을 245 MPa의 인장강도 소재인 알루미늄 합금(A356) 소재로 대체하기 위한 경량화 설계 과정에 대하여 von-Mises 응력 변화를 분석하여 연구하였다. 최적화된 설계는 경량화 이전 강재로 설계된 링크보다 42% 이상 경량화 시킬 수 있었으며 이는 토크 스트럿 개발의 안전한 경량화 설계조건 및 경량화 설계에 대한 가이드에 참고가 될 수 있을 것이다.
본 연구는 '선도기술개발사업' 중 최고운행속도 350㎞의 한국형 고속전철 시스템개발 및 관련 핵심기술 확보를 사업 목표로 하는 '한국형 고속전칠 기술개발 사업' 연구과제의 하나로 수행된 과제이며, 한국형 고속전철에 적용하기 위한 한국인의 정서와 체형에 적합한 한국형 경량 Seat 개발을 목적으로 하였다. 경량 Seat 개발을 위한 기초기술 연구로서 인간공학적 Seat 설계기술 개발, 경량 소재 개발, 구조물 접합기술 개발, 난연소재 개발, A/V 내장기술 개발 등의 연구를 수행하였고, 그 결과를 토대로 하여 경량 Seat의 Prototype 설계와 검증을 실시하였으며, Mock Up Seat를 제작하였다.
아웃도어용 스포츠웨어 의류분야는 소비자들의 욕구가 기능성, 착용감, 패션성을 매우 중시하는 고감성, 고기능성 제품특성을 요구하고 있으며 이를 가장 충족시킬 수 있는 패션 트랜드로서 보온, 경량화 제품이 가장 급부상하고 있는 아이템이다. 경량성의 쾌적 스포츠 웨어에 사용되는 주요 합섬소재인 PET, Nylon을 이용하여 소재의 세섬화, 중공 소재를 통한 제품 개발이 대부분으로 보온, 경량, 속건 등 의복에서의 쾌적 기능성을 개선하기 위하여 개발되는 소재 및 제품의 경량화, 보온 및 흡한속 건성 부여를 통한 기능 요소와 신질감 발현의 촉감요소를 통한 차별화 된 제품개발이 요구되고 있다. 보온 기능성을 부여하는 기술로써 가장 일반적인 기술은 섬유 내부에 중공을 형성하여 경량성과 보온성을 동시에 가지는 기능성 원사 제조 기술과 섬유 내에 열에너지를 흡수할 수 있는 물질을 넣어 외부의 태양광을 섬유내로 흡수하여 열에너지로 전환, 축적함으로서 보온성을 향상시키는 방식이 있다. 주로 경량 보온의 동시 발현을 위하여 중공 형성을 통한 보온 소재 개발이 활발하게 일어나고 있는 실정이다. 가장 많은 수요를 차지하고 있는 경량 보온성 중공사의 경우, 강도 저하, 염색 불량 등의 공정 애로점이 발생하며, 제직 및 가공 공정 시 원사 내 중공이 찌그러짐이 발생하므로 완제품 제조 후에는 중공의 기능이 제대로 발현되지 못하는 문제가 발생한다. 또한 알칼리 또는 용제를 사용하여 후용출 하는 중공사의 경우, 공정이 복잡함은 물론 환경에 유해한 공정이다. 특히, 감량 후 직물의 인열강도는 감량 전과 비교하여 감소하게 되는데 이는 이용성 polymer가 용출되면서 생긴 중공에 의해 섬도가 감소되어 강도가 저하됨을 알 수 있다. 따라서 Sheath 부분에 최대한 손상을 주지 않으면서 Core 부분을 완전 용출 시킬 수 있는 감량 조건을 확보할 필요가 있다. 이에 보온성, 경량성의 기능을 극대화시키고, 중공률 유지하는 최적 용출 가공 조건을 확립하고자 연구하였다.
경량 건축소재는 건축자재의 경량화, 고급화 및 다양화 등의 기능성 건축소재로의 역할을 요구하고 있으며 그 중 대표적인 것으로는 polyurethane foam이 있다 일반적인 플라스틱 foam의 경량 건축소재는 난연성에 대한 문제점과 첨가제에 의한 중량 증가, 화재 발생시 과다연기발생 등의 문제점이 있으며 저밀도 콘크리트 등의 무기소재는 flexibility가 떨어져 충격과 휨강도가 매우 낮은 단점을 가지고 있다.(중략)
경량 건축소재는 건축자재의 경량화, 고급화 및 다양화 등의 기능성 건축소재로의 역할을 요구하고 있으며 그 중 대표적인 것으로는 polyurethane foam이 있다. 일반적인 플라스틱 foam의 경량 건축소재는 난연성에 대한 문제점과 첨가제에 의한 중량 증가, 화재발생시 과다연기발생 등의 문제점이 있으며 저밀도 콘크리트 등의 무기소재는 flexibility가 떨어져 충격과 휭강도가 매우 낮은 단점을 가지고 있다./sup 1.2)/ 열경화성 수지인 polyurethane도 난연성과 강도에 대한 단점을 가지고 있어 sodium silicate 혼합에 의한 난연성을 향상시킬 수 있으나/sup 3)/ 국내 난연 3급의 규격에도 미치지 못하는 특성을 가지고 있다.(중략)
강재 부표는 구조적 강도가 우수하고 철재의 절단, 용접 등의 간단한 가공으로 원하는 모양을 쉽게 만들 수 있는 장점은 있으나, 소재의 특성상 해수에 의한 부식과 흘러나오는 페인트로 인한 환경오염, 무거운 중량, 이에 따른 설치 비용과 유지보수 비용의 증가 등 여러 가지 극복하기 힘든 문제점과 한계점을 가지고 있다. 이 연구에서는 우리나라 표준형 부표의 기본 소재로 사용하고 있는 강재 대신 친환경적인 경량재질의 소재를 이용한 부표를 모듈 구조로 설계함으로써, 기존 강재 부표의 문제점과 한계점을 뛰어넘어 효율적인 유지관리와 운영이 가능하고, 해양환경 오염의 방지와 경량화를 실현시킬 수 있는 표체 개선 방안을 제시하고자 한다. 또한, 경량 재질을 이용한 부표의 안정성과 경제성 검토를 통해, 기존 강재 부표와 비교함으로써 안정성과 경제성을 평가하고자 한다.
플라스틱 제품은 경량이며 내후성, 내구성, 방음성, 단열성, 절연성 등이 우수하고 또한 발포가공에 의해 원료 폴리머의 사용량을 저감시켜 생산원가를 줄일 수 있다는 커다란 장점이 있다. 그러나 물리적인 강도, 가연성, 내열성 등의 한계점 때문에 그 용도가 제한되고 있는 실정이다. 형상 변경이 비교적 용이한 경량 구조체를 이용한 건축소재는 협소공간의 고도 이용과 건설 분야의 양적, 질적인 측면에서 급속한 성장으로 건축자재의 경량화, 고급화 및 다양화를 요구하고 있으며 이에 polyurethane, polyethylene, polystyrene 등의 플리스틱 및 foam 형태의 저밀도 고분자 건축소재의 사용이 급증되고 있다.(중략)
최근, 수송기기 분야는 국제 환경규제 강화에 따른 CO2 절감, 연비향상, 경량화를 위한 기술적 수요가 증대되고 있으며, 그린카, 그린선박 등 친환경 수송기기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존의 금속소재가 가지는 경량화의 한계를 극복하기 위해서는 CFRP, GFRP 등 금속대체 복합소재를 적용한 수송용 경량부품 개발에 대한 필요성이 요구되고 있다. 복합소재는 섬유사이에서 응력을 전달하는 기지(Matrix)와 하중을 전달하는 섬유(Fiber)의 종류와 양 및 적층 각도에 따라 수송용 부품에 적합한 기계적 특성을 얻을 수 있고, 높은 비강도와 비강성의 값을 갖게 되어 경량화가 용이한 장점이 있다. 반면, 섬유재의 종류, 성형방법, 경화온도 등에 따라 물리적 특성에 큰 변화가 발생하며, 수지의 경화조건에 따라 성형시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 자동차, 선박, 항공기, 철도차량 등 각종 수송기기의 경량화를 목적으로 생산성 향상 및 성형시간 절감을 위해 열가소성 수지, 저온속경화 수지를 적용하여, 경화 시간을 단축시키고, 3D-fabric 및 다층구조 직물을 Vacuum Infusion 공법으로 성형하여, 기존의 섬유재 적층시 소요되는 작업 공정을 간소화 할 수 있도록, 고속성형 복합소재를 적용한 수송용 경량부품 개발에 관한 연구를 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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