산업체측 공동 작성자
직 위: 한창산업(주) 부장
성 명: 최 순 식 |
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| ① 과제의 중요성(필요성) |
 부품(device)의 고 기능화, 소형화 추세. |
- 부품 특성은 구성 재료(material) 특성과 구성 재료의 배열에 의존함.
- 구성 재료 특성은 화학 조성과 구조에 의존함.
- 구성 재료 화학 조성과 구조는 원료 물질(raw material) 특성과 제조 공정에 의존함.
- 원료 물질 특성은 원료 물질 전구체(precursor) 특성과 합성 공정에 의존함.
- 따라서 고기능성 부품 제조를 위해서는 엄격한 원료 물질 합성과 선정 및 엄격히 제어된 공정에 의한
우수한 재료 제조와 재료 최적 배열이 필수적임.
- 본 과제에서는 열역학과 속도론을 바탕으로 원료 물질(입자)의 핵생성과 성장에 대한 전산 모사를
바탕으로 원료 물질(입자) 설계 기술을 획득하며,
- 열역학과 속도론을 바탕으로 상의 안정성, 계면의 안정성과 이동, 계면에서의 제 2 화학종의 형성과
안정성에 대한 전산 모사를 바탕으로 재료 설계 기술을 획득하며,
- 각 구성 재료의 배열에 따른 부품 특성 변화에 대한 전산 모사를 바탕으로 최적화 재료 배열을 예측하여
부품 응용기술을 획득하고자 한다.
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 제 1 세부과제 : 나노입자 설계 기술 개발 |
- 입자(particle)는 다양한 응용 범위를 갖는 가장 간단한 부품이며 원료 물질(raw material)임.
- 입자 모양, 크기, 화학 조성은 입자 자체의 기계적, 광학적, 전자적 특성뿐만 아니라, 재료의 원료 물질로
사용되는 경우 재료 제조 공정과 특성에 큰 영향을 줌.
- 모양, 크기, 화학 조성이 제어된 입자 합성이 중요.
- 전구체에서 입자의 핵생성 및 성장의 제어는 입자의 모양, 크기, 화학 조성의 제어에 필요
- 다양한 환경에서 전구체로부터 입자의 핵생성 및 성장에 대한 이해 필요
- 입자의 핵생성 및 성장 거동, 입자 합성 조건, 입자의 특성 사이의 상호 관계 도출 필요
- 열역학과 속도론에 기초한 전구체로부터의 입자의 핵생성과 성장에 대한 전산 모사 필요
- 본 과제에서는 열역학과 속도론을 바탕으로 Ti 금속염 전구체로부터 광학 및 전자 산업에 그 응용성이 큰
나노 TiO2 입자의 핵생성과 성장, 모양, 크기, 화학 조성에 대한 전산 모사 코드를 개발하고 실제 나노
TiO2 입자 합성 결과와 비교하며, 얻어진 나노 TiO2 입자의 광전자적 특성을 평가하여 입자 설계 및
합성 기술에 기여하고자 한다.
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| 제 2 세부과제 : 나노구조 설계 기술 개발 |
- 재료의 박막화, 소형화, 고기능화 추세에 발 맞추어 나노 크기의 결정입자로 구성된 나노 결정입자 재료의
전자기적, 기계적 특성 연구 필요
- 나노 결정입자 재료의 전자기적, 기계적 특성은 결정입계면의 구조와 성질에 의해 크게 좌우될 것이고
따라서 결정입계면의 구조와 성질을 제어함으로써 그 특성이 변화될 것으로 예측
- 열역학 및 속도론적 관점에서 나노 재료의 결정입계면의 구조와 성질의 이해 필요
- 열역학적 관점에서 결정입계면의 구조, 안정성, 조성, 편석현상 등에 대한 해석 필요
- 속도론적 관점에서 결정입계면의 이동, 결정입계면에서의 반응 및 확산 등에 대한 해석 필요
- 열역학과 속도론에 기초한 각 현상들의 전산 모사 필요성 대두
- 일부 실험 자료를 근거로 모형화를 통한 전산모사는 시간 비용 절감과 체계적 연구를 가능하게 하고
원하는 특성을 갖는 나노구조에 대한 설계와 개발에 방향을 제시할 것으로 예측
- 본 과제에서는 나노 결정입자 재료의 결정입계면의 구조, 이동, 안정성, 조성, 편석현상,
결정입계면에서의 반응, 확산에 대한 열역학 및 속도론에 기초한 전산 모사를 통하여 나노 결정입자
재료의 설계 및 합성 기술에 기여하고자 한다.
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| 제 3 세부과제 : 나노구조부품 응용기술 개발 |
- 재료 부품 특성은 구성 재료(material) 특성 뿐만 아니라 구성 재료들의 배열에 의존함
- 재료 부품의 집적화, 소형화, 고기능화 추세에 발 맞추어 구성 재료들의 배열의 최적화 필요
- 최적의 구성 재료들의 선정과 배열에 대한 전산 모사 필요
- 본 과제에서는 여러 구성 재료로 구성된 재료 부품의 소형화, 고성능화를 위한 최적 구성 재료의 배열에
대한 설계를 통하여 부품에의 응용기술을 확보하고자 한다.
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| ② 과제관련 국내외 동향 |
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 산업수요 측면 |
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| ㉮ 국내 |
- 나노 입자 산업 수요 급증 및 전량 수입 의존
반도체 산업에서 연마용 나노 입자 수요 급증
환경 산업에서 광촉매용 나노 입자 수요 급증
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- 나노 결정입자 재료의 제조 필요성 급증
전자 산업에서 강유전성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증
;전자 산업에서 강자성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증
구조 산업에서 초강성, 초소성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증 |
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| ㉯ 국외 |
- 나노 입자 산업 수요 급증
반도체 산업에서 연마용 나노 입자 수요 급증
환경 산업에서 광촉매용 나노 입자 수요 급증
- 나노 결정입자 재료의 제조 필요성 급증
전자 산업에서 강유전성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증
전자 산업에서 강자성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증
구조 산업에서 초강성, 초소성 나노 결정입자 재료 제조 필요성 급증
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| 연구수행 측면 |
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| ㉮ 국내 |
- 나노 입자 합성은 한국과학기술원, 한국기계연구원, 한국원자력연구소, 한양대학교, 서울대학교 등의
소수 연구자들에 의해 연구되어 왔으며 주로 나노 입자 합성 자체와 기구의 이해를 그 연구 대상으로
하였으나 나노 입자 설계 기술에 대한 연구는 전무한 실정.
- 나노 입자의 응용을 가로막고 있는 인자는 그 표면의 높은 활성으로 고려되고 있으며 취급이 용이한
나노 입자 합성 기술 개발이 중요함
- 표면의 높은 활성이 제어된 나노 입자 합성을 위해서는 나노 입자 설계 기술의 확보가 시급함
- 광촉매용 나노 입자는 현재 전량 수입 의존하므로(Degussa P25) 시급한 나노 입자 설계, 합성, 취급
기술 시급한 확보 필요.
- 나노 결정입자로 구성된 재료 제조는 한국과학기술원, 울산대학교 등의 몇 연구자들에 의하여 시도되고
있으나 입자의 비정상 입자 성장에 기인하여 아직 성공적인 결과를 얻지 못하고 있음.
- 나노 결정입자로 구성된 재료의 광학, 기계, 전자 산업의 응용성이 증진됨에 따라서 그 설계, 합성, 특성
평가 부분은 매우 중요한 학문 분야로 자리를 잡고 있음.
- 부품 최적화는 현재 산업 현장에서 시행착오적 방법에 의하여 결정되고 있으므로 부품 최적화 설계
기술의 개발은 매우 시급히 필요함.
- 현재 정부 차원에서 나노 입자, 나노 벌크화 기술에 대한 지원정책이 수립되어 있으나 그 설계 및 부품
최적화 설계 기술에 대한 지원정책은 아직 수립되어 있지 못하므로 그 설립이 시급히 요구됨
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| ㉯ 국외 |
- 미국, 유럽, 일본의 선진국에서 나노 입자 합성은 현재 단일 산화물에 대한 연구는 거의 완료되었으며
현재 복합화 입자와 나노 입자의 높은 활성 제어에 대한 연구가 활발히 진행중.
- 대부분 나노 입자 및 나노 재료의 합성 기술에 주로 치중하고 있는 경향을 보이고 있는 것으로 판단되며
시급한 설계 기술의 확보가 필요함
- 미국, 유럽, 일본의 선진국에서 마이크론 입자 설계 기술을 바탕으로 나노 입자 설계 기술이 개발중
- 일본 Niihara 교수팀의 나노 결정립 재료는 마이크론 단위의 결정입자로 구성된 재료의 계면과 결정입자
내부에 나노 크기의 제 2 화학종이 분산된 형태의 개념.
- 나노 결정입자로 구성된 단일 복합재료의 제조에 대한 연구은 현재 활발히 진행중이며 이를 이용한
부품의 응용단계에 와 있음..
- 나노 튜브, 나노 실린더 등의 나노 구조에 대한 연구에 집중적 투자를 하고 있음.
- 선진국에서는 부품 최적화 설계 기술은 현재 산업화 현장에서 적용되고 있어서 비용 시간의 절감
효과의 극대화 뿐만 아니라 최적 공정 조건 수립에 기여하고 있음
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| ③ 세부내용 |
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| ㉮ 연구목표 |
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| 제 1 세부과제 : 나노입자 설계 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 전산 모사 도구 안정화
- 나노 입자 합성을 위한 전산 모사 코드 개발
- 나노 입자 특성 제어를 위한 전산 모사 코드 개발
- 나노 입자 설계 기술 확보
ⓑ 2단계(4년)
- 나노 입자 설계 기술의 광촉매용 TiO2 나노 입자 합성과 특성 제어에 응용
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| 제 2 세부과제 : 나노구조 설계 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 전산 모사 도구 안정화
- 열역학 및 속도론적 현상에 대한 전산 모사 코드 개발
- 결정입자의 화학 조성, 모양, 크기에 대한 전산 모사 코드 개발
- 나노 결정입자로 구성된 나노 재료 설계 기술 확보
ⓑ 2단계(4년)
- 나노 재료 설계 기술의 구조 재료 합성과 특성 제어에 응용
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| 제 3 세부과제 : 나노구조 부품의 응용 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 구성 재료의 기하학적 배열에 따른 특성 구현에 대한 전산 모사 코드 개발
- 재료 부품 설계 기술 확보
ⓑ 2단계(4년)
- 재료 부품 설계 기술의 고성능 부품 제조 최적화에 응용
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| ㉯ 연구내용 및 방법 |
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| 제 1 세부과제 : 나노입자 설계 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 전산 모사 도구의 선정 및 안정화
- 입자의 핵생성과 성장에 대한 모델 설정
- 입자의 핵생성과 성장에 대한 전산 모사 코드 개발
- 입자의 화학 조성, 모양, 크기가 제어 조건을 도출
- 최적 입자 합성 조건을 예측
- 입자 설계 기술 습득.
ⓑ 2단계(4년)
- 나노 TiO2 입자의 합성
- 나노 TiO2 입자의 화학 조성, 모양, 크기 제어 기술 개발
- 나노 TiO2 입자의 광촉매 특성 평가
- 전산 모사 결과와 실험 결과의 비교
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| 제 2 세부과제 : 나노구조 설계 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 전산 모사 도구의 선정 및 안정화
- 열역학 및 속도론적 현상에 대한 전산 모사 코드 개발
- 결정입자의 화학 조성, 모양, 크기에 대한 전산 모사 코드 개발
- 나노 결정입자로 구성된 재료의 설계 기술 습득
ⓑ 2단계(4년)
- 나노 결정입자 재료 제조
- 결정입자의 화학 조성, 모양, 크기 제어 기술 개발
- 나노 결정입자로 구성된 재료의 기계적 특성 평가
- 전산 모사 결과와 실험 결과의 비교
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| 제 3 세부과제 : 나노구조 부품의 응용 기술 개발 |
ⓐ 1단계(3년)
- 구성 재료들의 양과 기하학적 배열에 따른 특성 변화에 관한 전산 모사 코드 개발
- 구성 재료들의 선정과 배열에 대한 최적화 조건 확립
ⓑ 2단계(4년)
- 나노구조 부품 제조
- 부품의 특성 평가
- 전산 모사 결과와 실험 결과의 비교
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| ㉰ 연구추진 전략 및 체계 |
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| ⓐ 연구추진 전략 |
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| 제 1 세부과제 : 나노입자 설계 기술 개발
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- 본 연구팀은 입자의 합성과 특성 제어 분야에서 국내외적으로 선도적인 위치에 있는 것으로 평가받고
있으므로 국내외의 타 연구단체들과의 꾸준한 교류와 토의를 통하여 이 분야에서의 독창성을
계속해서 유지 및 개발시킴.
- 나노입자들이 발현하는 새로운 특성에 관한 기구의 파악을 위하여 입자 표면구조의 전산모사에 보다
많은 노력을 경주함.
- 본 연구팀은 입자의 합성에 관련된 산업체와의 지속적인 교류와 상호 보완적 유기관계를 확보하고
있으므로 개발된 나노 입자 설계 기술을 바탕을 둔 광촉매용 TiO2 나노 입자의 응용성과 산업화에
접근 가능함.
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| 제 2 세부과제 : 나노구조 설계 기술 개발 |
- 본 연구팀은 금속 합금의 상안정성, 편석, 계면반응, 입성장에 대해 열역학과 속도론에 기초하여 전산
모사에 관련해서 국내외적으로 선도적인 위치에 있는 것으로 평가받고 있으므로 국외의 선진
연구그룹과의 긴밀한 유대를 통하여 이 분야에서의 독창성을 계속해서 유지 및 개발시킴.
- 본 연구팀은 전산 모사에 기초한 재료 설계 기술 개발의 기본 지원 장비 및 능력을 갖추었으므로
국내외의 타 그룹과의 기술교류를 바탕으로 나노구조재료 설계의 핵심 기술을 확보에 주력함.
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| 제 3 세부과제 : 나노구조부품 응용기술 개발 |
- 나노구조 부품 설계 기술의 최신 동향 및 응용기술 분야 파악에 주력하여 요소 기술 파악 및
나노부품의 응용 및 특성 제어에 대한 기술 확보.
- 본 연구팀은 재료 부품의 제조 및 특성 제어에 대한 기본 기술과 지원 장비를 갖추었으므로 국내와의
타 연구단체들과의 꾸준한 학문적 교류와 토의, 독창적인 아이디어와 기술 개발을 바탕으로
나노구조부품의 응용 기술 확보에 주력함.
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| ⓑ 연구추진 체계 |
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| ④ 과제의 평가방법 및 지표 |
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| 평가방법 |
- 학회지, 학회 등을 통하여 국내외 학계의 전문 연구진들로부터 연구성과의 우수성을 평가받음.
- 연구결과의 산업계에서의 실제 활용 사례를 통해서 평가를 받음.
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| 평가지표 |
- SCI 등록 학회지에 발표된 논문의 수 및 학회지의 중요도.
- 각종 학회로부터의 초청강연, 학술상 등의 평가.
- 연구결과의 산업계 활용성.
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| ⑤ 과제의 기대효과 |
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| 경제적 측면 |
- 입자 설계, 합성, 특성 제어에 관한 기술의 국산화에 기여
- 재료 설계, 제조, 특성 제어에 관한 기술의 국산화에 기여
- 부품 설계, 제조, 특성 제어에 관한 기술의 국산화에 기여
- 입자, 재료, 부품 제조에 소요된 시간과 비용 절감에 기여
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| 기반적 측면 |
- 재료합성 및 그 응용에 관한 기초적인 기반기술로 활용가능
- 입자, 재료, 부품의 전범위 설계, 합성, 특성 제어 기술의 확보에 기인하여 화학 조성, 구조, 배열이
최적화된 고기능성 재료 부품 제조의 기반 핵심 기술 확보
- 나노 튜브, 나노 신린더 등의 나노 구조체 설계, 합성의 기반 기술 확보
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| 기타 |
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- 재료공학의 많은 분야에 전산 응용기술의 확대에 기여
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