KR101174120B1 - 열교환용 금속박막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환용 알루미늄박막 또는 금속박막을 제조함에 있어서, 양극산화 공정을 통해 규칙적인 기공들을 갖는 다공성 알루미늄박막 또는 금속박막을 획득할 수 있고, 상기 알루미늄박막 또는 금속박막의 기공들에 흡습제를 코팅 또는 함침 함으로써, 통기성을 억제하고 투습성은 증가하며 온습도에 대한 내구성 및 인장강도가 우수한 열교환용 금속박막과 이의 제조방법을 제안하며, 나아가 상기한 금속박막을 적용한 전열교환소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법은, 금속박막에 부착된 불순물을 제거하는 표면처리 공정; 표면 처리된 금속박막을 100～120℃ 에서 아르곤 또는 질소 분위기하에서 1시간 동안 결정경계를 성장시키고 자기 정렬된 영역을 확대시키는 열처리 공정; 열처리가 끝난 금속박막에 형성된 자연산화막을 제거하는 탈산화제 공정; 자연산화막이 제거된 금속박막에 다공성의 금속박막을 형성하는 양극산화 공정; 및 양극산화를 거친 금속박막의 공극을 친수성 관능기가 함유된 흡습제로 막는 시링(Sealing) 공정;을 포함하여 이루어진다.

금속박막, 알루미늄박막, 양극산화, 전열교환소자, 열교환, 현열, 잠열

Description

열교환용 금속박막과 이의 제조방법 및 이를 이용한 전열교환소자{METAL SHEET FOR HEAT EXCHANGER ELEMENT AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF AND TOTAL HEAT EXCHANGER ELEMENT USING THEREOF}

본 발명은 열교환용 알루미늄박막 또는 금속박막을 제조함에 있어서, 양극산화 공정을 통해 규칙적인 기공들을 갖는 다공성 알루미늄박막 또는 금속박막을 획득할 수 있고, 상기 알루미늄박막 또는 금속박막의 기공들에 흡습제를 코팅 또는 함침 함으로써,

통기성을 억제하고 투습성은 증가하며 온습도에 대한 내구성 및 인장강도가 우수한 열교환용 금속박막과 이의 제조방법을 제안하며, 나아가 상기한 금속박막을 적용한 전열교환소자에 관한 것이다.

일반적으로, 공조(空調) 분야의 전열교환기(또는 전열교환장치)는 온도와 습도가 각각 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 장치로서, 열교환용 금속박막(METAL SHEET)을 여러 층으로 적층한 구조의 전열교환소자(HEAT EXCHANGER ELEMENT)를 구비하여 이루어진다.

대한민국공개특허공보 제10-2005-0036705호의 도 1에 도시된 바와 같이, 공조 분야에 사용되는 금속박막의 적층구조로 된 전열교환소자는, 열교환을 수행하는 칸막이부재(2)(이하 '금속박막(METAL SHEET)'라고도 한다. 이하 같다.)와 물결모양의 간격유지부재(3)를 함께 번갈아 적층하여 전열교환소자를 구성하되, 상기 간격유지부재(3)는 각 층마다 서로 엇갈리게 적층하여 유로를 형성하고 있다.

이는 온도와 습도가 다른 두 유체를 엇갈리게 통과시켜서 온도차에 의한 현열교환과 습기의 교환에 의한 잠열교환을 행하는 구조로 되어 있다. 상기 간격유지부재(3)는 각층의 구조를 지탱하고 유로를 형성하고, 상기 칸막이부재(2)는 시트(Sheet)형태의 금속 박막으로서 층과 층을 분리하여 층간의 현열 또는 잠열 교환이 이루어지게 한다.

이러한 공조용으로 사용되는 열교환소자는 온도와 습도가 다른 두 가지 유체가 각각 온도차에 의한 열교환 또는 습도교환 중 어느 하나만 수행해야 하고, 이산화탄소나 기타 오염물질을 투과하지 않도록 낮은 누기성(airbleeding)을 지녀야 한다. 아울러, 화재 등에 대한 높은 난연성이 요구된다.

열회수장치, 환기장치 등과 같이 공조용으로 쓰이고 있는 현열교환 소자의 경우 금속이 갖는 높은 열전도성에 의한 현열교환 효율은 뛰어나지만, 금속시트(Sheet)는 투습성이 없어 습기는 교환하지 못하여 잠열에 의한 열교환이 이루어지지 못하는 단점이 있다.

전열교환소자는 고온 다습한 공기와 저온 저습한 공기 사이의 열교환을 목적으로 하는 만큼 항상 상반된 환경에 노출된다. 따라서 재질에 따라서 내구성 저하가 일어나며 반복되는 내부 조직이 풀어지는 현상을 초래하며 이는 효율적인 측면에서 열전도계수를 떨어뜨려 전체적으로 열교환 효율을 떨어뜨리게 된다.

좀 더 상세히 살펴보면,

현열교환효율을 높이기 위해서는 첫째, 열교환용 금속박막은 열전도도가 커야한다. 이는 현열교환효율을 좌우하는 주요 인자는 열교환용 금속박막의 열전도도와 두께임을 알 수 있다. 둘째, 열교환용 금속박막의 두께가 작아야 한다. 위의 두 인자 중 두께는 최소한의 내구성을 갖추기 위해서는 일정한 두께 이상이 되어야 하며 두께를 줄여서 얻을 수 있는 효율적인 이점은 재질의 내구성이 확보되어야만 가능하다.

그리고

잠열교환효율은 겨울철 실내와 공기의 환기 과정을 보면, 열교환용 금속박막의 열전도도와 두께의 상대적인 차이에 따른 열역학적 사이클의 비교를 해 보면 결론은 열전도도와 두께의 차이에 따라서 열교환 효율의 차이가 나는 과정을 보여주고 있다. 즉 열전도도와 두께에 의한 과냉각과 포화도가 더 떨어지고 상대적으로 많은 잠열이 발생하고 더 많은 결로가 발행한다. 또한 짧은 거리의 모세관로에 의한 습기의 전달량이 더 많다. 결론적으로 온도의 차이, 즉 열교환 효율의 차이로 나타남을 알 수 있다.

그리고

유지보수에 있어서, 공기와 열교환 금속박막 사이의 열전달은 대류에 의하여 열전달이 이루어지고, 열저항을 줄이기 위해서는, 즉 열교환 효율을 높이기 위해서는 열전달 계수를 높여야 한다. 그러나 열전달 계수는 레이놀즈 수 또는 열교환 금속박막의 열전도도 등에 의해서 영향을 받는 인자이기도 하다.

전열교환소자를 공기 중에 포함된 먼지로부터 보호하기 위해서는 필터를 장착하여 여과된 공기를 통과시키게 된다. 그러나 필터의 포집 효율과 필터에 의한 휀의 정압손실과는 서로 비례하므로 필터의 포집 효율은 어느 정도 한계를 가지게 되며 이는 미세 먼지가 열교환용 금속박막 표면에 쌓이는 결과를 낳고 이는 열전달계수를 낮추어 열저항을 증대시켜 열교환 효율을 떨어뜨리게 된다. 이를 해결하기 위하여 주기적인 필터교환과 함께 주기적인 전열교환소자의 청소가 필요하다. 이는 고압의 공기를 발사하여 부착된 미세 먼지를 제거하는 것이 가장 비용이 적게 드는 방법인데 이는 어느 정도의 열교환용 금속박막의 강도를 요구한다.

아노다이징(anodizing)이라고 하는 양극산화 가공은 알루미늄과 같은 금속재질을 황산 또는 인산전해액, 옥살산, 크롬산 등과 같이 유기산에 넣고 전압을 가함으로써 금속재질의 표면에 다공성(porous) 피막을 형성시켜서 내식성, 내마모성, 도장밀착성, 본딩 성능의 개선, 윤활성의 개선, 장식 목적의 특유한 색상 발현 향상, 전기절연성능 개선, 도금의 전처리, 표면손상의 탐색, 복사율의 향상 등을 도모하기 위해 사용되는 표면처리 방법 중의 하나이다. 다음 표는 용도에 따른 양극산화처리의 종류를 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 양극산화방법은 알루미늄과 같은 금속재질의 표면가공에 쓰이는 공정이다.

용도	양극산화처리의 종료
방식 내마모 장식 광학 도장의 하지 도금의 하지 건축용	황산법, 옥살산법, 크롬산법, 기타 유기산법 경질 양극산화 처리법(황산, 옥살산) (전해연마, 화학연마) 황산법(염색) (전해연마, 화학연마) 황산법(염식) 황산법, 크롬산법 인산법 자연발색법, 전해착색법

또한 기공의 두께 및 크기는 사용하는

(1) 금속재질의 합금의 조성,

(2) 전해액의 종류와 농도,

(3) 걸어주는 전압 및 전류 밀도 그리고 시간

등에 따라 달라지는 변수이다. 그러나 기존 양극산화 기술은 기계적 금속재료의 표면가공에만 적용되었으나,

본 출원인은 상기와 같은 문제점을 극복하는 열교환용 금속박막 즉, 높은 열전도도, 얇은 두께, 높은 인장강도, 그리고 반영구적인 수명을 갖는 열교환용 금속박막을 개발하기 위하여 상기 양극산화방법을 다공성 금속박막의 제조에 적용하게 되었고,

이를 제조하기 위하여, 기재로써 알루미늄박막과 같은 금속박막을 선택하여 여러 가지 제조 공정을 거쳐서 기공들을 갖는 알루미늄박막을 획득할 수 있게 되었다.

또한 기체 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 얻는 연료전지의 경우 수소와 산소가 반응하려면 적당한 수증기를 함유하여야 하는 데 이를 위해서 수소와 산소를 본 발명의 기재로 생성된 열교환용 금속박막을 이용하여 적절한 수증기를 공급함으로써, 수소와 산소의 반응에 최적의 수증기를 공급할 수 있다. 이러한 용도의 습기를 교환할 수 있는 본 발명의 효율 좋은 열교환용 금속박막을 적용할 수 있는 것이다.

본 발명은 기재로써 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 알루미늄박막과 같은 금속박막을 선택하여 양극산화 공정을 통해 기공들을 갖는 다공성 금속박막을 획득할 수 있는 열교환용 금속박막 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 알루미늄박막 또는 금속박막의 기공들에 친수성 관능기를 포함하는 흡습제를 코팅 또는 함침 하여 통기성은 억제하고 투습성은 증가시킬 수 있도록 시링(sealing)하여 열교환용 금속박막 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 본 발명에 따른 제조방법에 따라 제조된 열교환용 금속박막 특히 온습도에 대한 내구성 및 인장강도가 우수한 열교환 금속박막을 제공하는 것을 목적으로 하며, 상기 금속박막이 적용된 전열교환소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 해결 과제를 해결하기 위하여,

본 발명에 따른 열교환용 금속박막은,

금속박막을 기재로 하여 다공성의 금속박막을 형성하고, 그리고

상기 금속박막의 기공들에 친수성 관능기를 포함하는 흡습제를 코팅 또는 함침하여 이루어진 열교환용 금속박막에 있어서,

상기 금속박막은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법은,

금속박막에 부착된 불순물을 제거하는 표면처리 공정;

표면 처리된 금속박막을 100～120℃ 에서 아르곤 또는 질소 분위기하에서 1시간 동안 결정경계를 성장시키고 자기 정렬된 영역을 확대시키는 열처리 공정;

열처리가 끝난 금속박막에 형성된 자연산화막을 제거하는 탈산화제 공정;

자연산화막이 제거된 금속박막에 다공성의 금속박막을 형성하는 양극산화 공정; 및

양극산화를 거친 금속박막의 공극을 친수성 관능기가 함유된 흡습제로 막는 시링(Sealing) 공정;

을 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 금속박막은 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 표면처리 공정은

금속박막에 부착된 불순물을 제거하는 탈지 공정,

탈지 처리된 금속박막의 표면을 균일하게 하는 화학적 에칭 공정, 그리고

에칭 처리된 금속박막의 표면에 잔존하는 화학물질을 제거하는 수세 공정

을 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 양극산화 공정은 금속박막을 전기화학반응용기에 넣고 전해질과 적정전압을 인가하여 양극산화가 이루어지는데,

이때 상기 전해질로는 황산 또는 옥살산 또는 인산 또는 크롬산 인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 시링 공정을 거친 금속박막에 대하여 표면 연마 및 건조 처리 하는 후처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 전열교환소자는,

상기한 제조방법에 의해 제조된 열교환용 금속박막을 소정크기로 성형하여 복수 개가 소정간격을 두고 층을 이루도록 하고, 층간의 열교환이 이루어지게 하는 시트 형상의 칸막이부재; 및

상기 칸막이부재가 이루는 복수 개의 층마다 구비되고, 유로를 형성하는 간격유지부재;

를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 열교환용 금속박막과 이의 제조방법 및 이를 이용한 전열교환소자는,

알루미늄박막, 특히 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 알루미늄박막을 양극산화 공정을 통해, 상기 박막의 표면에 규칙적인 기공들을 갖는 다공성 알루미늄박막을 획득할 수 있고, 상기 알루미늄박막의 기공들에 흡습제를 코팅 또는 함침 하여 시링(sealing) 함으로써,

통기성을 억제하고 투습성은 증가하며 온습도에 대한 내구성 및 인장강도가 우수한 열교환용 금속박막을 제공할 수 있는 가장 큰 효과가 있으며,

저렴하면서 대량생산이 가능하고, 기존의 펄프 타입의 열교환 박막으로 구성된 전열교환소자와의 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있고 반영구적인 수명을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전열교환소자의 일 예를 나타낸 사시도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에 의하여 제조된 다공성 알루미늄박막을 나타낸 사진이며, 도 6은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 양극산화 공정에서 형성된 알루미늄박막을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 양극산화 공정을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 알루미늄박막의 공극들에 흡습제를 코팅 또는 함침하여 공극을 막는 시링 공정을 나타낸 도면이고, 도 9는 시험결과를 나타낸 그래프이며, 도 10은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법의 각 공정을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양극산화를 이용한 열교환용 금속박막 제조방법은,

크게 표면처리 공정, 열처리 공정, 탈산화제 공정, 양극산화 공정, 수세 공정, 시링 공정 및 후처리 공정으로 나누어진다.

각 공정에 대해 상세히 살펴보면,

상기 표면처리 공정(S10)은

탈지 공정(S11), 화학적 에칭 공정(S12) 및 수세 공정(S13)을 포함하여 이루어진다.

상기 탈지 공정(S11)은

0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 기재(금속박막 또는 알루미늄박막)에 부착된 지방, 기름, 또는 지문 등의 불순물을 제거하는 공정으로,

상기 기재는 비열처리 합금인 순도 99% 이상의 알루미늄박막(1000계) 또는 Al-Mn계 합금(3000계) 또는 Al-Si계 합금(4000계) 또는 Al-Mg계 합금(5000계) 중 하나를 선택하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄합금에 대해 간략히 살펴보면,

1954년에 미국에서 통일되어 사용된 AAA(American Aluminium Association)규 격에 따라 구분하여 크게 9가지로 나누어 분류하고 있다.

알루미늄 합금번호는 4자리 수로 되어 있으며, 첫째자리 숫자는 합금계열을 나타내고, 둘째자리 숫자는 합금이 개량된 때 붙이는 숫자이며, 그 다음의 두 자리 숫자는 합금번호를 표시한다.

알루미늄 합금에는 열처리를 하면 강도가 높아지는 열처리 합금과 그렇지 않은 비열처리 합금으로도 구분하는데 2000, 6000, 7000계열은 열처리 합금으로 이외의 것은 통상적으로 비열처리 합금으로 구별하기도 한다.

1000계 알루미늄은 순 알루미늄에 포함된 주요한 불순물은 Fe, Si이지만 불순물이 적어짐에 따라 내식성이 향상되고 양극 산화처리를 하면 표면 상태가 좋아진다.

3000계 합금은 Mn의 첨가에 의해 순 알루미늄의 가공성, 내식성이 저하됨이 없이 강도를 증가시킨 것이다.

4000계 합금은 Si를 첨가함으로써 열팽창률을 억제하고 내마모성을 개선한 것으로 미량의 Cu, Ni, Mg 등을 더 첨가하면 내열성을 향상시킬 수 있다.

5000계 합금은 Mg을 첨가한 합금이다.

탈지제가 혼합된 탈지액이 담긴 교반장치에 상기 알루미늄박막 또는 금속박막을 침지한 후,

교반장치 내에 구비된 펌프 또는 프로펠러 또는 진동 등의 교반수단을 이용해 표면에 부착된 지방, 기름, 지문 또는 먼지 등의 불순물을 제거하게 된다.

이때 상기 탈지제는 논-에칭타입(pH 9.0~11.0)으로 산성 또는 알칼리성인 황산 90mL/L과 인산 10mL/L 그리고 계면활성제 3mL/L 인 것이 바람직하고, 이들을 희석한 탈지액 속에 온도 50~80℃로 유지하면서 오염도에 따라 1~5분 정도 교반하는 것이 바람직하다.

상기 화학적 에칭(Chemical Etching) 공정(S12)은

상기 탈지 공정(S11)을 거친 알루미늄박막 또는 금속박막의 표면오염물질의 제거와 무광택의 표면을 만들고 또한 전 표면을 균일하게 하는 공정으로,

수산화나트륨 100g/L과 불화나트륨 20g/L 그리고 폴리인산나트륨 2g/L과 계면활성제 2g/L로 희석하여 55~70℃로 1~10분간 침지시키는

알칼리성 용액을 이용한 에칭 공정을 통해 알루미늄박막 또는 금속박막의 산화막과 표면에 파묻혀 흡착된 오염물을 제거함과 아울러 흠집을 없애 전 표면을 균일하게 하고, 또한 표면을 무광택으로 하여 복사열전달을 차단하게 된다.

상기 수세(Rinse) 공정(S13)은

전(前) 공정에서 알루미늄박막 또는 금속박막의 표면에 잔존하는 화학물질의 제거를 위해 매우 중요하며 완성제품의 품질에 영향을 미치는 공정이다. 수세는 일반적으로 물로써 상온에서 처리하나 표면에 잔존하는 화학물질의 종류와 양에 따라서 화학연마나 일부 탈지 공정 후에 50~60℃의 온수로써 수세한다. 처리과정은 깨끗한 물을 1차 수세조 밑으로 계속 공급하며, 이 물이 수세조를 교반하면서 2차 수세조 위로 오버플로우 되는 연식수세 방식(Counter-Flow Rinses System)을 이용한다.

상기 열처리 공정(Annealing)(S20)은

상기 수세 공정(S13)을 거쳐 표면 처리된 알루미늄박막을 100～120℃ 에서 아르곤 또는 질소 분위기하에서 1시간 동안 결정경계(Crystal Boundary)를 성장시키고 자기 정렬된 영역(Domain Boundary)을 확대시키는 공정으로,

상기 알루미늄박막 또는 금속박막을 성형하는 과정에서 발생된 잔류응력을 줄여주기 위함이고 또한 수많은 결정이 모여서 형성된 알루미늄박막 또는 금속박막을 구성하는 단결정 입자의 방향이 각각 다르며 원자배열도 각각 다르므로, 각각의 다른 영역을 갖는 단결정들을 열처리하게 되면 단결정영역이 재배열되면서 확장이 이루어지고, 이하의 양극산화공정(S40)에서 다공성 알루미늄박막 생성시 규칙적인 기공의 모양들을 더 큰 영역에서 볼 수 있도록 하기 위함이다.

상기 탈산화제 공정(Deoxidizer)(S30)은

상기 열처리 공정(S20) 중에 알루미늄박막 또는 금속박막 표면에는 산화물이 형성되기 때문에, 탈산화제를 희석한 처리욕에 침지하여 산화물을 제거하게 된다.

산화물을 제거하지 않으면 양극산화 공정(S40) 중에 기공 크기의 차이, 균일도의 차이를 야기시켜 불량품을 만들기 때문에, 탈산화제 공정을 수행함으로써 열처리공정(S20)이 완료된 알루미늄박막 또는 금속박막의 표면으로부터 산화물을 제거(Deoxidizer)하여야 한다.

상기 양극산화(Anodization) 공정(S40)은

상기 탈산화제 공정(S30)이 끝난 알루미늄박막 또는 금속박막을 전기화학반응용기에 넣고 전해질과 적정 직류 전압을 인가하여 양극산화가 이루어지도록 한다.

이때, 상기 전해질의 종류와 농도 그리고 전압범위에 따라 상기 알루미늄박막에 형성되는 기공 크기와 기공 간의 거리는 아래의 표1과 같다.

	전압범위	기공크기	기공 간의 거리
황산(1M)	19V	14㎚ 이하	50㎚ 이하
황산(0.3M)	25V	19㎚ 이하	65㎚ 이하
옥살산(0.3M)	40V	35㎚ 이하	100㎚ 이하
인산(1M)	160V	120㎚ 이하	400㎚ 이하
인산(0.1M)	195V	180㎚ 이하	500㎚ 이하

상기 표 1은 자기 정렬된 다공성 알루미늄박막의 전기화학적 형성 조건을 나타낸 표로써, 상기 전해질에서 농도 단위는

몰 농도(mol/L = M) = 용질의 몰 수(mol) / 용액의 부피(L) 이고,

황산의 농도가 1M 이고, 이때에 전압범위는 19V 일 경우 기공크기는 14㎚ 이하이고, 기공 간의 거리는 50㎚ 이하이다.

그리고 황산의 농도가 0.3M 이고, 이때에 전압범위는 25V 일 경우 기공크기는 19㎚ 이하이고, 기공 간의 거리는 60㎚ 이하이다.

따라서 전해질로써 황산과 인산을 예로 볼 때에 농도가 낮아지고 전압범위는 높아지게 되면 기공크기와 기공 간의 거리는 증가하게 됨을 알 수 있다.

이를 좀 더 상세히 살펴보면,

다공성 알루미늄박막은 2가지의 기하학적 인자를 가지는데, 기공의 크기와 기공 사이의 거리이다. 이는 가해지는 전압과 전해질의 종류에 따라 다양하게 조절되는데 특히 기공 간의 거리는 양극산화를 위해 가하는 전압에 비례하는데 기공 간의 거리가 50㎚ 이하인 경우에는 산 용액으로 황산을 사용하며, 50~150㎚에서는 옥살산을 그리고 150㎚이상인 경우에는 인산을 사용하여 양극산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide:AAO)을 제작한다. 또 다른 기하학적 인자인 기공의 직경, 즉 크기는 온도, 산 용액의 농도, 전압 등 여러 인자에 의해서 결정되지만, 20㎚ 이하의 기공은 황산을, 100㎚ 이하의 기공은 옥살산을, 100㎚ 이상의 기공은 인산을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 수행하는 산화과정 시간을 조절하여 형성되는 기공 층의 깊이를 다양하게 제조할 수 있는 것이다. 따라서 본 특허의 타당성을 검증하기 위하여 황산법 애노다이징을 기본으로 하고 Al-Mg의 각각의 조성에 따른 알루미늄박막의 양극산화 조건을 찾고자 하였다.

알루미늄 양극산화박막은 온도와 전류밀도와의 사이에 다음과 같은 특성을 갖는다.

1) 처리액의 온도와 전류밀도가 높으면 :

- 피막중량이 적어진다.

- 시링(Sealing)에 의한 피막중량의 증가율이 높아진다.

- 경면 반사성이 좋아진다.

- 내마모성이 떨어진다.

- 피막경도가 낮아진다.

2) 처리액의 온도와 전류밀도가 낮으면 :

- 피막중량이 많아진다.

- 시링(Sealing)에 의한 피막중량의 증가율이 낮아진다.

- 경면 반사성이 낮아진다.

- 내마모성이 좋아진다.

- 피막경도가 높아진다.

따라서 황산농도와 최대작업허용 온도 조건을 찾은 결과, 도 9에서와 같은 시험 결과를 도출하였다.

둘째, 전류밀도 0.9 A/dm2를 유지하기 위하여 Al-Mg 합금에 대하여 상기 시험 결과로부터 황산농도 100 g/L에 대하여 최대 작업 온도를 26.5℃를 도출하여 각각의 조성에 대한 0.1mm의 두께를 갖는 알루미늄박막으로 시험한 결과 표 2와 같은 필요전압을 도출하였다.

조성	인가 전압(V)
Al-0.7%Mg	11.4
Al-1.2%Mg	11.1
Al-2.0%Mg	10.3
Al-3.5%Mg	11.5

따라서 상기 표 2로부터 도출한 결과를 바탕으로 여러 번의 시행착오 끝에 표 3과 같은 양극산화 처리 조건을 도출하였다.

항목	조건	항목	조건
전해액 조성 알루미늄 욕온도	황산 13%(w/v) 5g/L 21±1℃	전류밀도 시간 욕전압	115A/m2±5% 8분~11분 10.3~11.5V

또한 상기 전해질로는 황산, 옥살산, 인산 이외에도 크롬산 등을 선택할 수 있다.

그리고 알루미늄산화막 형성시 알루미늄박막이 다시 환원반응이 일어나게 되는데, 발열과정에서 온도가 변할 수 있으므로 전해질의 온도를 항온조(恒溫槽) 등을 통해 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 알루미늄박막의 양극산화는 황산(Sulphuric acid), 옥살산(Oxalic acid), 인산(Phosphoric acid), 크롬산(Chromic acid) 등을 전해질로 하여 양극산화를 수행하게 되는데,

알루미늄박막을 전해질 용액에 반응시키면서 다공성 알루미늄박막을 형성시키는 과정을 나타낸 도 6을 참조하면,

양극산화 알루미늄박막은

다공성 공극과 이들 공극이 규칙적으로 또는 다소 불규칙적으로 알루미늄박막을 통과(관통)하는 형태로 되어 있다.

전해질 용액에 의해 알루미늄 금속이 이온으로 산화되는 과정으로서 알루미늄박막과 전해질용액(Electrolyte; acid solution)과 반응하여 알루미늄과 전해질의 경계면에서 알루미늄이온(Al³⁺)이 형성된다.

알루미늄박막에 가해지는 전압에 의해 표면에 전류밀도가 집중되는 점들이 형성되는데 이 지점들에서 국부적으로 열이 발생하여 전해질 용액인 산의 활성도가 증가하게 된다. 그 결과 알루미늄이 전해질 용액과 매우 빠르게 반응하여 알루미늄 이온 발생이 가속화된다. 그 결과 도 5에 도시된 바와 같이, 알루미늄박막에 매우 미세하고 규칙적으로 정렬된 홈(기공)들이 형성된다.

따라서 본 발명의 다공성 알루미늄박막을 이루는 전열교환소자는 투습성을 가지고 공기는 차단하며 표면적이 넓고 흡착용량이 크며 흡착성과 친수성을 조절할 수 있고, 또한 골격에 활성을 가지게 할 수 있다.

다공성 알루미늄박막을 생성하는 전기화학적 원리에 대해 살펴보면 다음과 같다.

알루미늄박막은 공기 또는 물(H₂O)에 노출되었을 때 표면에 산화막이 형성되는데, 다음과 같은 화학식 1의 과정을 거치게 된다.

이때, 상기 화학식 1에서

는 깁스의 자유에너지 변화이다.

그리고 상기 화학식 1의 과정을 거쳐 알루미늄이 생성된다.

양극(Anode) :

음극(Cathode) :

상기 화학식 1의 과정을 거친 알루미늄은 상기 화학식 2의 과정을 거쳐 산소이온과 결합하여 비결정성이 같은 알루미나(Al₂O₃)를 생성하게 된다.

상기 수세 공정(S50)은

상기 양극산화 공정(S40)이 끝난 알루미늄박막 또는 금속박막의 표면에 부착된 화학물질을 제거하는 공정이며 50~60℃의 온수(아세톤과 탈이온화된 2차 증류수)로써 수세한다.

상기 시링(Sealing) 공정(S60)은

상기 공정(S10~S50)을 통한 결과물은 도 7과 같이 다공성 알루미늄박막 또는 금속박막이 형성되며 이는 공기에 대한 누기성과 습기에 대한 투습성을 갖게 된다. 따라서 공기 등 기체에 대한 누기성을 없애고 습기에 대한 투습성을 극대화시키기 위하여 친수성 관능기를 함유한 흡습제를 코팅 또는 함침 하여 생성된 다공성 공극을 메워 막는 공정이다.

따라서 도 8을 참조하면, 상기 수세공정(S50)이 완료된 알루미늄박막 또는 금속박막의 기공들에 흡습제를 코팅 또는 함침함으로써, 결국 흡습제가 기공들로의 공기 통과(유통)를 막게 된다.

한편, 상기 시링 공정(S60)이 완료된 금속박막은 후처리 공정(S70)을 거치게 되는데,

상기 후처리 공정(S70)은

상기 시링 공정(S60)이 완료된 알루미늄박막 또는 금속박막 표면에 잔존하는 흡습제 등을 제거하는 표면 연마 공정(S71), 그리고

표면 연마 처리가 끝난 알루미늄박막 또는 금속박막을 건조시키는 건조 공정(S72)

을 포함하여 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 전열교환소자는, 상기 제조방법에 따라 제조된 열교환용 금속박막을 소정크기로 성형(절단)하여, 소정간격을 두고 층을 이루도록 적층함으로써, 적층된 상기 금속박막 층간의 열교환이 이루어지게 하는 시트 형상의 칸막이부재(2); 및

상기 칸막이부재(2)가 이루는 복수 개의 각 층마다 구비되고, 유로를 형성하는 간격유지부재(3);를 포함하여 이루어진다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 "열교환용 금속박막과 이의 제조방법 및 이를 이용한 전열교환소자"를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전열교환장치의 일 예를 나타낸 사시도,

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에 의하여 제조된 다공성 알루미늄박막을 나타낸 사진,

도 6은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 양극산화 공정에 따라 형성된 알루미늄박막을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 양극산화 공정을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법에서 알루미늄박막의 공극들에 흡습제를 코팅 또는 함침하여 공극을 막는 시링 공정을 나타낸 도면,

도 9는 시험결과를 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명에 따른 열교환용 금속박막 제조방법의 각 공정을 나타낸 흐름도.

Claims (8)

1. 삭제
2. 금속박막에 부착된 불순물을 제거하는 표면처리 공정(S10);

   표면 처리된 금속박막을 100~120℃ 에서 아르곤 또는 질소 분위기하에서 1시간 동안 결정경계(Crystal Boundary)를 성장시키고 자기 정렬된 영역(Domain Boundary)을 확대시키는 열처리 공정(S20);

   상기 열처리공정이 완료된 금속박막의 표면에 형성된 자연산화막을 제거하는 탈산화제 공정(S30);

   상기 탈산화제 공정에 의해 산화막이 제거된 금속박막에 대해, 다공성의 기공을 상기 금속박막 표면에 형성하는 양극산화 공정(S40); 및

   상기 양극산화 공정이 완료된 금속박막에 대해, 아세톤과 탈이온화된 2차 증류수로써 잔류물질을 제거하는 수세공정(S50)과;

   상기 수세공정(S50)이 완료된 금속박막에 대해, 상기 양극산화공정에 의해 형성된 금속박막 표면의 기공 내부에 친수성 관능기가 함유된 흡습제를 함침 또는 금속박막 표면을 코팅하는 시링(Sealing) 공정(S60);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속박막은 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 표면처리 공정(S10)은,

   금속박막에 부착된 불순물을 제거하는 탈지 공정,

   탈지 처리된 금속박막의 표면을 균일하게 하는 화학적 에칭 공정, 그리고

   에칭 처리된 금속박막의 표면에 잔존하는 화학물질을 제거하는 수세 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 양극산화 공정(S40)은,

   금속박막을 전기화학반응용기에 넣고 전해질과 적정전압을 인가하여 양극산화가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전해질은 황산 또는 옥살산 또는 인산 또는 크롬산 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
7. 제 2 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 시링 공정(S60)을 거친 금속박막에 대하여 표면 연마 및 건조 처리하는 후처리 공정(S70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환용 금속박막 제조방법.
8. 삭제

Images