탄재 및 목재톱밥 복합재료의 실내 가구디자인 적용에 관한 연구 : 지속가능성과 실용 가치를 중심으로 = A Study on the Application of Interior Furniture Design on Coal Ash and Wood Sawdust Composite Materials : Focusing on Sustainability and Practical Value

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 환경보호 재료를 이용하여 현재 갈수록 심각해지는 환경오염과 자원고갈 문제를 완화하는 것이다. 최근 각 산업에서 매년 배출하는 페기물이 급증하여 환경오염을 격화시키고 있을 뿐만 아니라 전세계의 지속가능한 발전을 저해하는 중대한 도전으로 되고 있다. 국제사회는 이미 「 교토의정서 」, 「 파리기후협정 」 등 국제적인 정책협의를 채택하였으며 지속적으로 적극적인 조치를 취하여 이 곤경에 대처하고 있다. 이와 동시에 각국은 자국의 경제발전 상황과 폐기물 배출의 실제 상황에 근거하여 분분히 탄소중립 목표를 제정하고 목표를 달성하기 위해 끊임없이 행동에 옮기고 있다. 한국 정부도"2050 탄소중립"비전을 제기하고 자원순환경제모델의 전환을 적극 추진하고 있다. 디자인 분야, 특히 실내 디자인 업종에서도 산업폐기물 문제가 두드러진다. 그중에서도 가구제작과 실내 장식으로 대표되는 산업폐기물 배출이 특히 심각하다. 환경부에 따르면, 2021년에만 폐가구가 10만 t을 넘을 정도로 환경에 부담이 되기 때문에, 지속가능한 소재의 도입이 시급한 상황이다. 산업폐기물 배출은 여러 산업 분야에 걸쳐 있지만, 본 연구는 가구 및 인테리어 디자인 분야에 초점을 맞추어 이 분야에 적용되는 지속가능한 재료 솔루션을 모색한다. 다양한 잠재적인 재생 가능한 재료 중에서, 탄재(coal ash)와 목재톱밥(wood sawdust)은 폐기물이 많고 쉽게 구할 수 있기 때문에 재생 가능한 재료로 사용될 가능성이 크다. 이런 재료를 재자원화하여 효과적으로 재활용하면 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 경제, 사회, 환경 면에서도 종합적인 효과를 가져올 수 있다. 상기 재료의 실제 응용 잠재력을 검증하기 위하여 본 연구는 탄재-목재톱밥 복합재료를 설계하고 개발하였으며 또한 그것을 실험적으로 가구 설계에 응용하였다. 연구 과정은 우선 기존 학술 문헌과 전단계 연구를 참고정리 하였으며, 이론과 실천을 결합하는 분석의 틀을 확립하였으며, 동시에 국내외 지속가능한 재료의 실제 응용에 대한 사례를 대상으로 체계적인 분석을 진행하였다. 이어 탄재와 목재톱밥을 모아 에폭시 수지와 혼합한 뒤 정사각형 견본을 만들었다. 마지막으로, 제조된 복합재료 샘플은 일련의 실험 분석을 진행하였다. 주로 열분해 온도 테스트, 고온 환경안전성 평가, 그리고 압축 강도의 기계적 성능 테스트 등을 포함하여, 상세하고 신뢰할 수 있는 정량화 데이터를 얻기 위해 진행하였다. 이 데이터들은 후속 재료의 최적화, 응용 확장 및 실제 산업화에 실증적인 과학적 근거와 참고자료로 제공되길 희망한다. 이러한 기계적 실험을 바탕으로 일반적인 가구 소재와 데이터 비교를 통해 복합재료의 가능성을 살펴보았다. 그 결과 복합재료는 가구디자인에 적합함을 알 수 있었다. 높은 열분해 온도와 안전성으로 인해 고온의 불을 사용하는 주방에서 매우 적합함을 알 수 있었다. 복합재료의 환경보호성과 실용가치 평가를 위해 Lca 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 복합재료는 높은 지속가능성을 보유하고 있다. 또한 본 연구는 탄재-목재톱밥 복합재료의 응용 분야를 심도 깊게 살펴보았다. 다양한 가구 제품에 활용될 수 있으며 특히 고온의 환경에 놓인 가구 제품에 뛰어난 성능을 가지고 있음을 알 수 있었다. 다양한 분야에서 경쟁력을 살펴보았다. 생산원가와 제작비용 등의 경제성을 기반으로 공급망, 환경보호 법규, 마케팅, 브랜드 전략 등을 살펴보았다. 그 결과 탄재-목재톱밥 복합재료는 기성재료와 비교하였을 때 높은 지속가능성과 경제성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 하지만 소비자에게 아직은 낯선 소재이며, 대량 생산 등 시장 도입에 있어서 아직 많은 장애물이 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 문제를 기반으로 본 연구는 복합재료의 미래 발전 방향성에 대한 토의를 진행하였다. 또한 다양한 분야 특히 가구디자인에 있어서 상업 공간, 주거 공간, 공공 장소 등 다양한 환경에서 가능성을 살펴 보았다. 본 논문의 한계점도 명확하게 알 수 있었다. 실제 프로토타입 제품을 통해 기계적 실험을 한 것이 아닌 작은 사이즈의 샘플을 통해 기계적 실험을 했다는 점과 실제 프로토타입 제품을 통해 디자인 사용성 평가를 진행하지 않았다는 점이다. 그러나 이번 연구를 통해 탄재-목재톱밥 복합재료는 매우 높은 지속가능성을 갖고있다는것이 밝혀졌는바 앞으로 기초적인 연구로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to explore the innovative potential as an eco-friendly and sustainable resource, focusing on the application of discarded shell materials to desk furniture design. As resource shortages and environmental problems around the world become increasingly serious, discarded shells are natural and renewable materials, whose main ingredient is calcium carbonate, which is high in strength, low in density, and has a unique physical and chemical structure, providing new possibilities for furniture design. According to figures from the United Nations Environmental Program Organization, about 2 billion tons of solid peppery are produced worldwide every year, of which the construction and furniture industries contribute about 30% of the total peppery. Waste shell is an abundant marine biological waste, with its main component, calcium carbonate content of more than 95%, and it has a unique physical and chemical structure and aesthetic value. However, millions of tons of waste shells produced annually by shellfish and aquaculture around the world are directly reclaimed or incinerated, resulting in waste of resources. Recent innovative advances in the field of material science are providing technical support for high added value of waste shelling. The purpose of this study is to explore the innovative application of waste shell materials to table furniture design, and to propose a sustainable design strategy based on the material-driven design (mdd) methodology. Based on this, the possibility is verified through experiments and user surveys. The specific goal is to analyze the physical and chemical characteristics of discarded waste shell and verify its application potential in furniture design to propose a furniture design concept with waste shell as its core by combining material-driven design (mdd) methodology and sustainable design strategy. Through user research and analysis of the kano model, the user's level of demand for discarded tables was clarified and the design strategy was optimized. Based on the quality function development method of qfd, a product quality collection was constructed, and user needs and design elements were systematically combined. Through the design, the design effectiveness of the waste shell table is displayed and the design is evaluated to explore the feasibility and market potential in practical applications. First of all, the theoretical basis of the study and the research gap were clarified by organizing related research literature such as application of waste shell materials, sustainable design, green furniture design, identification of user needs, and kano model and qfd model through literature synthesis. Next, in the experimental analysis section, a case analysis was conducted on the physical and chemical properties of discarded crude oil, and the application potential in furniture design was verified by including the pressure experiment and the flexural resistance experiment case analysis. As a result of the experiment, discarded shell materials have good mechanical performance, durability and plasticity, and have high efficiency in terms of sustainability. In the user survey part, in-depth interviews were conducted with different user groups using a semi-structured interview method to obtain detailed data on the use scenes, functional experiences, emotional needs, and perceptions of environmental protection materials of tableware furniture. Through the kano model, user needs are classified into categories and attributes, basic needs, expected needs, and excited needs are identified, and the ahp method is combined to quantify the weight of each demand and clarify the priority of the user's needs. The product quality house was constructed based on the qfd's quality function development method, and the system related the user's needs and design elements. The contribution of design elements to user needs was determined through several discussions and evaluations, and the comprehensive weight value of each design element was calculated by combining them with the importance weight of user needs. Finally, in the design proposal part, the design of table furniture was proposed by combining the modern design concept and craft technology with waste shell as the main material. In the design process, the product satisfies the functional requirements by sufficiently considering the user's needs and the weight of design elements, while exhibiting unique aesthetic value and environmental protection. The research results were in charge of the important findings of this study. First of all, as a result of analyzing the characteristics of waste shell materials, it was applicable to furniture design because of its high strength, low density, excellent durability, and unique physical and chemical structure. Second, it was found that user demand analysis showed that through the kano model and ahp method, users are highly interested in basic performances such as stability, capacity, and safety of table furniture, and strong interest in new design elements such as material environmental protection, customization, and cultural expression. Third, the qfd model is related to the user's needs and design elements, and determines the comprehensive weight value of design elements. As a result, it was found that the weight of design elements such as safety assurance, material aesthetics, and structural performance was relatively high, and it plays an important role in meeting user needs and realizing product goals. Finally, design evaluation was conducted through design proposal and rendering. The feasibility and market potential of waste shell tables in practical applications were verified. Through systematic theoretical analysis, data research, and case study, this study proved the possibility and innovation of waste shell in desk furniture design. The results of the study not only provided the scientific basis for applying waste shell material to furniture design, but also provided new thinking and methods for promoting green design and sustainable development. Through the combination of material-driven design (mdd) methodology, sustainable design strategy and kano model, and qfd method, this study matched the characteristics of discarded shell material with the user's needs, and presented specific design strategies and practice methods. Future research is expected to further optimize the performance of discarded shell material, explore more efficient processing technology, and realize true environmental effects and commercial value through in-depth evaluation of environmental impact in the entire life cycle.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구의 목적 및 문제 정의 1
• 1.3. 연구의 내용 및 방법 2
• 제2장 이론적 고찰 3
• 2.1. 친환경소재의 정의 및 분류 3
• 2.2. 탄재와 목재톱밥의 특성 및 국내외 응용 사례 4
• 2.2.1. 탄재의 특성 및 응용 사례 4
• 2.2.2. 목재톱밥의 특성 및 응용 사례 5
• 2.2.3. 탄재-목재톱밥 복합재료의 시너지 효과 및 응용 잠재력 5
• 2.3. 인테리어 가구 디자인의 추세 및 수요 분석 5
• 2.4. 탄재-목재톱밥 복합재료의 응용 가능성 및 확장 방향 6
• 2.4.1. 탄재-목재톱밥 복합재료의 소재 타당성 분석 6
• 2.4.2. 탄재-목재톱밥 복합재료의 광범위한 응용 분야 8
• 2.5. 세계 녹색가구재료 발전 추세와 복합재료 혁신 경로 8
• 2.5.1. 세계 녹색가구재료 발전 추세 8
• 2.5.2. 녹색가구재료의 개발체계와 복합재료의 연구기초 10
• 2.5.3. 탄재-목재톱밥 복합재료의 이론적 장점과 발전의 기초 11
• 2.5.4. 다중 인터페이스 구조와 성분의 상호작용 메커니즘 12
• 제3장 실증연구 15
• 3.1. 탄재-목재톱밥 복합재료 샘플 제작 15
• 3.2. 재료의 물리적 특성에 대한 체계적인 분석 16
• 3.2.1. 핵심 기계적 성능 데이터 16
• 3.2.2 열 안정성 및 내후성 16
• 3.3. 재료의 친환경성 라이프사이클 평가(lca) 17
• 3.3.1 자원소비와 탄소배출 17
• 3.3.2 생물 독성 및 안전성 검증 17
• 3.4. 동일 재료와 성능 비교 및 논증 17
• 3.4.1 표준 국제 주류 환경 보호 재료 17
• 3.4.2 실제 응용 사례 18
• 3.5. 실내가구설계의 응용분석 18
• 3.5.1 인테리어 가구디자인의 핵심 원칙 18
• 3.5.2 기능성 가구의 실제 사용 요구 만족 19
• 3.5.3 가구의 구조 최적화 및 안전성 20
• 3.5.4 저탄소 제조 및 지속 가능한 활용 22
• 3.6. 구체적인 가구 유형의 응용방안 23
• 3.6.1 책상 디자인 방안 23
• 3.6.2 찬장 디자인 방안 24
• 3.6.3 스크린 및 칸막이 디자인 25
• 3.7. 탄재-목재톱밥 복합재료 가구의 표면처리 기술 26
• 3.7.1 탄재-목재톱밥 복합재료 가구의 표면처리 기술 26
• 3.7.2. 코팅 및 보호층 최적화 26
• 3.7.3. 최적화된 터치 및 내마모성 향상 27
• 3.7.4. 방오, 방수, 스크래치 방지 기술 28
• 3.7.5. 복합재료 가구의 미학적 표현 28
• 3.7.6. 색상 및 광택 조절 28
• 3.7.7. 표면 텍스처 디자인 29
• 3.7.8. 탄재-톱밥 복합재료 가구의 표면처리 최적화 29
• 3.7.9. 생산원가 및 시장수용도 29
• 제4장 탄재-목재톱밥 복합재료의 환경보호성 및 실용가치 평가 30
• 4.1. 탄재-목재톱밥 복합재료의 라이프 사이클 및 환경 영향 30
• 4.1.1 라이프사이클 평가의 기본 개념 30
• 4.1.2 탄재-목재톱밥 복합재료의 라이프 사이클 단계별 개념 30
• 4.1.3 원자재획득단계의 환경영향 30
• 4.1.4 생산 및 제조 단계의 환경 영향 31
• 4.1.5 사용단계 및 폐기·회수 단계의 환경영향 31
• 4.1.6 라이프사이클 탄소 발자국 분석 31
• 4.2 탄재-목재톱밥 복합재료의 경제적 타당성평가 31
• 4.2.1 생산원가분석 32
• 4.2.2 시장경쟁력 분석 32
• 4.2.3 탄재-목재톱밥 복합재료의 생산 효율과 비용 최적화 33
• 4.3 탄재-목재톱밥 복합재료의 열안정성 및 가구의 내온성 33
• 4.3.1. 열분해 온도와 고온 형태 안정성 33
• 4.3.2. 열전도 특성 및 고온 환경에 대한 적응 34
• 4.3.3. 내화성 및 내고온 변형 성능 34
• 4.3.4. 고온가구 응용 수요 35
• 4.4 가구시장내 탄재-목재톱밥 복합재료의 경쟁력 35
• 4.5 탄재-목재톱밥 복합재료의 시장 경쟁력과 잠재적 응용 프로그램 37
• 4.5.1. 환경보호 법규와 시장 적응성 분석 37
• 4.5.2. 경제적 가능성과 공급망 적합성 37
• 4.5.3. 재료의 성능과 시장 적응성 38
• 4.6 탄재-목재톱밥 복합재료 산업 응용 장면 38
• 4.6.1. 고온 환경 가구 응용 38
• 4.6.2. 상업 및 공공 장소 39
• 4.6.3. 건축장식재료의 응용 39
• 4.7 탄재-목재톱밥 복합재료 시장 경쟁전략 40
• 4.7.1. 시장 포지셔닝과 목표고객군 40
• 4.7.2. 마케팅과 브랜드 전략 40
• 4.7.3. 생산 최적화 및 공급망 관리 41
• 4.7.4. 경쟁 도전과 미래 발전 방향 41
• 제5장 국내외 사례연구와 응용가능성의 비교 43
• 5.1 세계 녹색가구재료 실천사례 요약과 비교 43
• 5.2 탄재-목재톱밥 복합재료의 실내공간 적응성 47
• 5.2.1. 주방 공간의 환경적 하중 특성 및 재료 적합성 47
• 5.2.2. 사무공간의 사용 특성 및 소재 적합성 48
• 5.3 탄재-목재톱밥 복합재료와 기존 재료의 성능 및 응용의 차이 비교 49
• 5.3.1. 사무공간의 사용 특성 및 소재 적합성 49
• 5.3.2. 열 환경에 대한 적응성과 재료 고장 위험 비교 51
• 5.4 탄재-목재톱밥 복합재료의 디자인 소재로서의 방향 52
• 제6장 결론 및 제한점 54
• 6.1 결론 54
• 6.2 제한점 54
• 참고문헌 55
• 영문초록 57
• 부록 60