KR20190061618A - 황토와 본시멘트를 포함하는 3d 프린팅용 복합체 - Google Patents

황토와 본시멘트를 포함하는 3d 프린팅용 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린터를 이용하여 시공이 가능하고 친환경적인 건축 재료로 사용될 수 있는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 관한 것으로, 30 ~ 80wt%의 황토 분말과 20 ~ 70wt%의 본 시멘트 분말이 혼합된 원료 분말과 원료 분말의 전체 중량에 대하여 15 ~ 50중량부의 배합수를 포함하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체를 개시한다.
본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 건축 재료에서 필요로 하는 압축 강도를 구비하여 3D 프린터를 이용하여 시공이 가능하며, 황토를 포함하므로 원적외선 방출 특성과 전자파 차단 특성과 습도 조절 특성과 항균 특성 및 자정 특성을 보유하여 친환경적인 건축 재료로 사용될 수 있다.

Description

황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체{Composite Materials for 3D Printing including Loess and BoneCement}
본 발명은 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 관한 것이다.
시멘트와 콘크리트는 현대 건축물의 주요 건축 재료로 사용되고 있으나, 화학 물질을 발생시켜 인체에 좋지 않은 영향을 주는 화학 물질을 발생시켜 웰빙(well-being)을 추구하는 현대인들의 삶의 질을 저해하는 원인이 되고 있다. 따라서, 시멘트와 콘크리트를 대신할 친환경 건축 재료에 대한 연구 및 개발이 진행되고 있으며, 그 중에서도 우리나라 고유의 건축 재료인 황토가 주목받고 있다. 황토는 원적외선 방출 기능, 뛰어난 온습도 조절 기능, 우수한 항균력 및 자정 기능을 가지고 있어 인체에 유익한 친환경 재료로 알려져 있다. 또한, 황토는 매장량이 풍부하여 원료의 공급이 용이하기 때문에 건축 재료로서 적합한 이점을 가지고 있다. 그러나, 황토는 양생 후 수축으로 인한 균열 발생, 낮은 역학적 특성을 가지고 있어 자체를 직접 건축 자재로 활용하기에는 걸림돌로 작용하고 있다.
한편, 3D 프린터를 이용한 건축 시공이 전 세계적으로 시도되고 있는데, 3D 프린터를 건축에 이용하면 건축 시간과 노동력을 크게 절감할 수 있고 폐자재를 남기지 않아 환경 부하가 매우 적은 이점이 있다. 이미 중국, 두바이, 러시아 등에서 3D 프린터를 이용하여 지은 건물이 공개되고 있다.
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 시공이 가능하고 친환경적인 건축 재료로 사용될 수 있는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 30 ~ 80wt%의 황토 분말 및 20 ~ 70wt%의 본 시멘트 분말이 혼합된 원료 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3D 프린팅용 복합체는 상기 원료 분말의 전체 중량에 대하여 15 ~ 50중량부로 혼합되는 배합수를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 황토 분말과 상기 본 시멘트 분말은 0.1 ~ 5㎛의 입도를 가질 수 있다.
또한, 상기 황토 분말과 상기 본 시멘트 분말은 평균 입도가 3㎛일 수 있다.
또한, 상기 본 시멘트 분말은 DCPD(dicalcium phosphate dihydrate), OCP(octacalcium phosphate), CDHA(calcium deficient hydroxyapatite), SHA(sintered hydroxyapatite), β-TCP(beta-tricalcium phosphate), MCPM(monocalcium monophosphate), TTCP(tetracalcium phosphate) 및 PHA(precipitated hydroxyapatite) 중 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 형성될 수 있다.
또한, 3D 프린팅용 복합체는 현무암, 규조토, 석고, 소석회, 생석회 또는 모래에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 강도 증진제를 더 포함할 수 있다. 상기 강도 증진제는 상기 원료 분말의 전체 중량에 대하여 1 ~ 10중량부로 혼합될 수 있다.
본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 건축 재료에서 필요로 하는 압축 강도를 구비하여 3D 프린터를 이용하여 시공이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 황토를 포함하므로 원적외선 방출 특성 및 전자파 차단 특성을 보유하여 친환경적인 건축 재료로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 습도 조절 특성과 항균 특성 및 자정 특성을 보유하여 친환경적인 건축 재료로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 3D 프린터를 이용하여 건축물 시공이 가능하므로 건축시 건축 시간과 노동력을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 대한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체로 제조된 압축 강도 측정용 시편의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체로 제조된 블록의 압축 강도 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 석고 분말이 첨가된 복합 블록의 압축 강도 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 석고 분?이 첨가된 복합 블록의 혼합 비율에 따른 압축 강도 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체를 이용한 3D 프린팅 진행 사진이다.
이하, 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체에 대하여 설명한다.
상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 황토 분말 및 본 시멘트(bonecement) 분말을 포함할 수 있다. 여기서 상기 황토 분말 및 본 시멘트 분말은 원료 분말을 형성할 수 있다. 또한, 상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 배합수를 더 포함할 수 있다. 상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 3D 프린터를 사용하여 블록과 같은 건축 재료의 제조가 가능하고, 벽체와 같은 건축 구조물의 시공이 가능하도록 한다. 상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 건축 재료 또는 건축 구조물과 같은 구조물을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 황토 분말을 포함하므로 황토의 고유 특성인 원적외선 방출과 전자파 차단과 같은 작용을 할 수 있다.
또한, 상기 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체는 현무암, 규조토, 석고, 소석회, 생석회 또는 모래에서 선택되는 적어도 어느 하나를 강도 증진제로 더 포함할 수 있다. 상기 강도 증진제는 물리적 또는 화학적 작용을 하면서 복합체로 형성되는 구조물의 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 강도 증진제는 구조물에서 황토의 수축력을 억제하여 구조물에서 크랙이 전파되는 것을 억제할 수 있다. 상기 강도 증진체는 원료 분말의 전체 중량에 대하여 1~10중량부로 혼합될 수 있다.
상기 황토 분말은 원적외선 방출 특성과 전자파 차단 특성과 온습도 조절 특성과 항균 특성 및 자정 특성을 갖는다. 상기 황토 분말은 0.1 ~ 5㎛의 입도를 갖는 분말일 수 있다. 상기 황토 분말은 바람직하게는 2 ~ 4㎛의 입도를 갖는 분말일 수 있다. 상기 황토 분말은 평균 입도가 3㎛인 분말일 수 있다. 상기 황토 분말은 다양한 성분을 갖는 황토 분말일 수 있다. 상기 황토 분말은 황토가 존재하는 지역에 따라 다양한 성분을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 황토 분말은 SiO2가 54wt%, Al2O3가 31.7wt%, Fe2O3가 9.93wt%, K2O가 2.06wt%, TiO2가 1.15wt%, MgO가 0.747wt%, CaO가 0.196wt%, SO3가 0.114wt%, Na2O가 0.104wt%, Cr2O3가 0.0266wt%로 포함될 수 있다.
상기 황토 분말은 원료 분말에 30 ~ 80wt%로 포함될 수 있다. 상기 황토 분말의 함량이 적으면, 3D 프린팅용 복합체의 유익한 특성이 약해질 수 있다. 또한, 상기 황토 분말의 함량이 많으면, 3D 프린팅용 복합체에 의한 구조물의 강도가 약해질 수 있다.
상기 본 시멘트 분말은 DCPD(dicalcium phosphate dihydrate), OCP(octacalcium phosphate), CDHA(calcium deficient hydroxyapatite), SHA(sintered hydroxyapatite), β-TCP(beta-tricalcium phosphate), MCPM(monocalcium monophosphate), TTCP(tetracalcium phosphate) 및 PHA(precipitated hydroxyapatite) 중 하나 또는 둘 이상의 재료가 일정 비율로 혼합되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 본 시멘트 분말은 β-TCP(β-tricalcium phosphate)와 MCPM(monocalcium monophosphate) 분말을 5.7:4.3의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 본 시멘트 분말은 사용 용도에 따라 혼합 비율을 바꿀 수 있다. 예를 들면, 상기 3D 프린팅용 복합체의 강도를 증가시키기 위해서는 β-TCP의 비율을 높이고, 탄성력을 증가시키기 위해서는 β-TCP의 비율을 낮출 수 있다.
상기 본 시멘트 분말은 원료 분말에 20~70wt%로 포함될 수 있다. 상기 본 시멘트 분말은 구조물에 강도를 부여할 수 있다. 상기 본 시멘트 분말의 함량이 너무 적으면 3D 프린팅용 복합체로 제조되는 구조물의 강도가 저하될 수 있다. 상기 본 시멘트 분말의 함량이 너무 많으면 황토의 원적외선 방출, 전자파 차단 및 온습도 조절의 기능이 제대로 발현되지 않을 수 있다. 또한, 상기 본 시멘트 분말의 함량이 너무 많으면 본시멘트의 빠른 경화 속도로 인해 구조물이 완성되기 전에 재료가 노즐 내부에서 굳어져 프린팅 과정에서 문제가 생길 수 있다. 또한, 상기 본 시멘트 분말의 함량이 너무 작으면 구조물의 강도가 약해질 수 있다. 상기 본 시멘트 분말은 0.1 ~ 5㎛의 입도를 갖는 분말일 수 있다. 상기 본 시멘트 분말은 바람직하게는 2 ~ 4㎛의 입도를 갖는 분말일 수 있다. 상기 본 시멘트 분말은 평균 입도가 3㎛인 분말일 수 있다.
상기 배합수는 원료 분말의 전체 중량에 대하여 15 ~ 50중량부로 포함될 수 있다. 상기 배합수는 3D 프린팅용 복합체에 유동성을 부여할 수 있다. 상기 배합수의 함량이 너무 적으면 3D 프린팅용 복합체의 유동성이 저하되어, 3D 프린팅 과정에서 프린팅이 원활하게 되지 않거나 프린팅 후에 구조물 표면의 평활도가 감소될 수 있다. 상기 배합수의 함량이 너무 많으면 상대적으로 황토 분말과 본 시멘트 분말의 함량이 적게 되어 구조물의 형상을 형성하기 어려우며, 구조물의 건조 시간이 증가될 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체의 평가 결과에 대하여 설명한다.
상기 3D 프린팅용 복합체에 대한 평가는 복합체 블록에 대하여 압축 강도를 평가하는 방식으로 진행하였다. 상기 복합체 블록은 도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통하여 제조하였다.
먼저, 상기 황토 분말과 본 시멘트 분말을 필요한 중량으로 계량하였다. 상기 본 시멘트 분말은 β-TCP(β-tricalcium phosphate)와 MCPM(monocalcium monophosphate) 분말을 5.7:4.3의 비율로 혼합하여 제조하였다. 상기 본시멘트 분말과 황토 분말은 각각 50wt%와 50wt%로 혼합하여 원료 분말을 제조하였다. 상기 원료 분말은 전동 믹서를 이용하여 평균 입도가 3㎛인 분말로 제조하였다. 상기 원료 분말은 건비빔, V형 믹서, 더블콘 믹서 또는 볼 밀링(ball milling)을 이용하여 혼합할 수 있다. 상기 배합수는 필요로 하는 중량으로 계량하였다. 상기 배합수는 본 시멘트 분말과 황토 분말이 혼합된 원료 분말의 전체 중량에 대하여 30wt%로 혼합하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체는 본 시멘트 분말과 황토 분말을 각각 50wt%와 50wt%로 혼합하였고, 원료 분말 총 중량의 30wt%만큼의 배합수를 혼합하여 제조하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체를 5cm x 5cm x 5cm 크기의 몰드에 채워 넣어 복합체 블록으로 제조하였다. 상기 복합체 블록은 60℃, 95% 습도의 항온항습 조건에 양생하여 도 2와 같은 압축강도 측정용 정육면체 시편을 제작하였다. 상기 복합체 블록의 압축 강도는 도 3과 같이 최대 압축강도가 2.97 MPa로 측정되었다.
또한, 상기 원료 분말에 석고가 첨가된 복합체 블록을 제조하여 압축 강도를 평가하였다. 상기 복합체 블록은 도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통하여 제조하였다. 먼저, 상기 황토 분말과 본 시멘트 분말 및 석고 분말을 혼합하여 원료 분말을 제조하였다. 상기 본 시멘트 분말은 β-TCP(β-tricalcium phosphate)와 MCPM(monocalcium monophosphate) 분말을 5.7:4.3의 비율로 혼합하여 제조하였다. 상기 본 시멘트 분말과 황토 분말 및 석고 분말은 전체 원료 분말의 중량에서 각각 50wt%와 49wt% 및 1wt%가 되도록 혼합하였다. 상기 원료 분말은 전동 믹서를 이용하여 평균 입도가 3㎛인 분말로 제조하였다. 상기 배합수는 본 시멘트 분말과 황토 분말 및 석고 분말이 혼합된 원료 분말의 전체 중량에 대하여 17wt%로 혼합하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체를 5cm x 5cm x 5cm 크기의 몰드에 채워 넣어 복합체 블록으로 제조하였다. 상기 복합체 블록은 60℃, 95% 습도의 항온항습 조건에 양생하여 압축강도 측정용 정육면체 시편을 제작하였다. 상기 복합체 블록의 압축 강도는 도 4과 같이 최대 압축강도가 7.56MPa로 측정되었다.
또한, 상기 복합체 볼록의 본 시멘트와 황토 및 석고의 혼합 비율에 따른 압축강도 평가 결과를 도 5에 나타내었다.
또한, 상기 3D 프린팅용 복합체의 3D 프린팅용 소재 적합성을 평가하기 위해 3D 프린팅 테스트를 진행하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체는 도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통하여 제조하였다. 먼저, 상기 황토 분말과 본 시멘트 분말을 필요로 하는 중량으로 계량하였다. 상기 본 시멘트 분말은 β-TCP(β-tricalcium phosphate)와 MCPM(monocalcium monophosphate) 분말을 5.7:4.3의 비율로 혼합하여 제조하였다. 상기 본 시멘트 분말과 황토 분말은 중량비로 1:1이 되도록 혼합하여 원료 분말로 제조하였다. 상기 배합수는 원료 분말의 전체 중량을 기준으로 40중량부로 혼합하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체는 본 시멘트 분말과 황토 분말을 각각 50wt%와 50wt%로 혼합하였고, 원료 분말의 전체 질량의 40wt%만큼의 배합수를 혼합하여 제조하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체를 3D 프린터의 노즐 끝부분에 위치한 플라스틱 용기에 담아두고 압력을 가하여 노즐을 통해 사출될 수 있도록 하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체의 3D 프린팅을 위해 내경 8mm의 노즐을 사용하였다. 상기 3D 프린팅용 복합체를 소재로 이용한 3D 프린팅은 구조물의 형태가 무너지지 않고 일정한 형상을 유지하였고 도중 끊김 없이 진행되었다. 상기 3D 프린팅용 복합체를 이용한 3D 프린팅 과정을 도 6에 나타내었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 30 ~ 80wt%의 황토 분말 및 20 ~ 70wt%의 본 시멘트 분말이 혼합된 원료 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 원료 분말의 전체 중량에 대하여 15 ~ 50중량부로 혼합되는 배합수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 황토 분말과 상기 본 시멘트 분말은 0.1 ~ 5㎛의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서.
    상기 황토 분말과 상기 본 시멘트 분말은 평균 입도가 3㎛인 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 본 시멘트 분말은
    DCPD(dicalcium phosphate dihydrate), OCP(octacalcium phosphate), CDHA(calcium deficient hydroxyapatite), SHA(sintered hydroxyapatite), β-TCP(beta-tricalcium phosphate), MCPM(monocalcium monophosphate), TTCP(tetracalcium phosphate) 및 PHA(precipitated hydroxyapatite) 중 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    현무암, 규조토, 석고, 소석회, 생석회 또는 모래에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 강도 증진제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 강도 증진제는 상기 원료 분말의 전체 중량에 대하여 1 ~ 10중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 황토와 본시멘트를 포함하는 3D 프린팅용 복합체.
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