KR101406258B1 - 압출 성형된 합성목재를 이용한 난간살 일체형 발코니 창호 - Google Patents

Abstract

다수의 난간살(40)과 상기 난간살(40)의 앞뒤로 배치되는 복수의 유리판(50)을 함께 수납하는 보조틀과, 외측에 건물벽체 또는 가로대에 물려지는 주틀 지지홈(21)이 형성되고 내측으로는 상기 보조틀이 수납되도록 형성되는 주틀과, 상기 주틀의 상단에 안착되는 상판(10), 그리고 상기 상판(10)과 상기 주틀 사이에 형성되는 가로대삽입공(70)을 포함하여 구성된 난간살 일체형 창호가 개시된다.
본 발명에서 보조틀과 상기 주틀은 어느 한쪽 수평방향에서 삽입되어 끼움 고정될 수 있도록 각각의 외측면과 내측면이 평평한 면으로 형성되었고, 주틀부재(20)에는 보조틀부재(30)를 어느 한쪽 수평방향에서 지지할 수 있도록 보조틀지지턱(23)이 더 형성된 것이 특징이다.
선반 모양의 상판(10)과 상기 주틀부재(20) 및 상기 보조틀부재(30) 중 어느 하나 이상은 표면이 개질되고 함수율 3%이하로 건조된 목분 70~80중량%와 고분자수지 13~23중량%, 결합제 및 첨가제 7중량%를 각각 고르게 교반한 다음, 이송압출실린더 내부로 투입하여 이송압출스크류에 의해 혼연 용융시키는 공정으로 제조된 합성목재를 이용한다.
본 발명에 따른 난간살 일체형 발코니 창호는 금속제 발코니 창호에 근접하는 저렴한 제조경비와 뛰어난 생산성을 바탕으로 금속제 창호와 실질적인 시장 경쟁이 가능하며 목재창호의 목질감을 살리면서도 기존 발코니창호의 대형화로 취약할 수 있는 안전성도 보강할 수 있다.

Description

압출 성형된 합성목재를 이용한 난간살 일체형 발코니 창호{Guardrail integral type balcony window which is made of wood plastic composite by extrusion}

본 발명은 폴리올레핀계 합성수지와 목분을 혼연,용융시켜 압출 성형한 합성목재를 난간 고정용 구조재로 응용 설계한 난간살 삽입 일체형 발코니 창호에 관한 것이다.

<배경기술1> 아파트 및 다세대주택의 발코니에 의무적으로 설치되는 추락방지용 난간은 안전과 방범 측면에서 중요한 역할을 차지하고 있다. 그러나 안전 방범용 난간의 설치여부와 관계없이 비바람을 막고 냉난방 단열효과를 높이기 위하여 알루미늄 등 금속제 프레임을 이용한 유리창호의 설치 또한 거의 반드시 이루어진다.

통상 유리창호는 난간살의 안쪽에 설치하므로 건물 외부로 여전히 돌출된 난간은 미관을 저하시키며 부식에 노출된다. 또한 건물 내부로는 창호 섀시가 발코니 안쪽으로 후퇴하므로 발코니 면적이 축소되는 단점이 있었다.

이에 따라 추락방지 등 발코니 난간 본연의 역할을 수행하도록 하면서, 난간봉 앞뒤로 유리를 복층 배치하여 공간을 늘리는 방법으로 난간살 일체형 발코니 창호를 개발하려는 노력이 꾸준히 이어져 왔다.

난간살 일체형 발코니 창호는 안전과 보안을 유지하면서 난간의 외부 노출로 인한 부식현상을 막고 청결을 유지할 뿐 아니라 건축물 미관의 조기 노후화 현상을 막아준다. 또한 난간살 양면의 복층 유리에 의한 단열 공기층은 에너지 절약 효과가 크며 복층 유리구조의 투명성이 상품성을 크게 높여 소비자의 구매동기를 불러일으키는 장점이 있다.

아래의 선행기술 문헌(1)은 난간을 앞뒤로 둘러싼 전형적인 복층 유리형 발코니 창호를 소개하고 있다. 단, 이중창틀과 난간을 한꺼번에 결합하기 위한 복잡한 형상의 창틀은 기존 유리창호 섀시와 마찬가지로 압출생산 방식의 금속제 프레임으로 제조되며 난간 아래와 난간 위 유리가 일체화된 방식이다.

문헌(2)는 미관을 향상시키기 위해 목재를 창틀 마감재로 사용한 난간용 목재창호 구조물에 관한 것이다. 그러나 문헌(2) 또한 난간살 역할을 하는 강화유리 등 구조재를 고정하고 있는 것은 금속제 프레임이며, 목재는 단지 마감재의 역할을 하고 있다.

문헌(3)은 발코니 아래쪽 난간설치 부분과 발코니 위쪽 개방부분을 따로 분할하여 이중 고정창과 이중 여닫이창으로 설치하는 구조를 소개하고 있다. 이때 난간의 역할은 이중 고정창 중 외부 고정창이 수행하게 된다.

문헌(4)는 문헌(3)에서 난간의 구조적 강도를 보강하기 위해 종래 금속살 형태의 난간을 외부 고정창과 내부 고정창 사이에 배치한 것이다. 이때 난간은 발코니 창호의 금속제 프레임에 고정되며 프레임은 건물벽체에 다시 볼트로 고정되는 방식이다.

문헌(4)에 의하면 종래의 난간은 고정 설치된 이중창 내부에서 부식 없는 깨끗한 상태로 유지될 수 있다.

<배경기술2> 목분에 폴리올레핀계 수지를 분말 형태로 첨가하여 가열 압착을 통해 고화시켜 제조하는 합성목제 제조기술은 오랜 역사를 지니고 있으며 이와 관련하여 극히 다양하고 많은 기술이 일반 대중에 공개된 바 있다.

문헌(5)는 전형적인 합성목재 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 살펴보면 140~150℃의 온도에서 폴리올레핀 수지 100 중량부에 대하여 셀룰로오스계 목분을 10~100 중량부로 용융,혼합하고 아조디카본아미드를 0.5~5 중량부, 산화아연 0.5~2 중량부로 첨가하여 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분의 용융 혼합물을 발 제조하는 발포플라스틱 합성목재제조방법을 소개하고 있다.

좀더 개량된 합성목재 제조방법으로서 문헌(6)이 있다. 문헌(6)은 폐합성수지 재료를 활용하여 제조비용을 낮출 수 있도록 한 것으로서 목분과 합성수지를 혼합하여 성형되는 외층과, 재생 합성수지재에 목분을 혼합하여 상기 외층 내부에 이중 압출함으로써 외층과 일체로 성형되는 성형되는 내층을 가지고, 상기 내층의 내부에는 장섬유 다발을 길이 방향으로 연속되게 배치한 것이 특징이며 외관품질을 유지하면서 저렴한 비용으로 내층의 구조강도를 유지하고 있다.

(1) 등록실용신안 20-0411550 난간 일체형 이중창틀 (2) 공개실용신안 20-2011-0005685 휀스, 난간 및 목재창호 구조물 (3) 공개특허 10-2009-012833 접합유리로 이루어진 난간 일체형 건축물의 외부 창호구조 (4) 등록특허 10-1127422 숨겨진 난간 창호구조 (5) 한국등록특허 10-0636427 합성목재 제조방법 및 이에 따라 제조된 합성목재 (6) 한국등록특허 10-1008838 합성목재 및 그 제조방법

목재는 뛰어난 외관 품질을 보유하나 금속에 비해 강도가 떨어지고 장기간 옥외 노출 시 쉽게 변형된다. 또한 금형을 이용한 압출 공정으로 대량 생산시 제조비용을 크게 낮출 수 있는 금속제 창호와 비교하여 원목을 제재한 목재는 일일이 절단하여 표면 가공하여야 하며 많은 폐목재 손실이 따른다. 따라서 생산종류와 개수가 많을수록 양자의 제조비용 격차는 점점 더 크게 벌어지게 된다.

즉 난간살 일체형 창호에서 원목으로부터 전통적인 방식으로 제재된 목재 구조재를 그대로 사용하기란 매우 어렵다.

본 발명은 종래의 난간살 일체형 발코니 창호에 있어서 금속제 압출 프레임에 비해 가격 대비 품질이 열악하여 사용이 어려웠던 원목목재 및 합성목재의 단점을 극복하고자 창안된 것으로서 기후변화와 습기에 강하고, 장기간 형태가 유지되며 미세한 형상에도 충분한 표면강도를 갖는 합성목재 재질의 난간살 일체형 창호를 구현하되 이를 금속제 프레임과 동일한 압출방식으로 성형하여 제조비용도 낮출 수 있게 하는 데에 그 목적이 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 상기 소개한 선행기술 문헌들을 종합적으로 융합하여 발전적으로 개량한 것으로서 구체적으로는 문헌(4)에 소개된 이중창 형태의 난간창호 구조를 기본적으로 따르되 난간을 고정하는 창틀 구조를 독특하게 설계하여 뛰어난 설치편의성과 사용시 안전성을 확보하도록 하였으며, 또한 난간 고정용 창틀 형재를 문헌(6) 보다 발전된 형태의 합성목재로 구성하여 금속제 프레임에 비견되는 구조적 강도는 지니면서 사용의 편리함과 함께 목재 특유의 뛰어난 미관상 장점을 추가시키고자 한 것이다.

본 발명의 주요 기술수단으로서 발코니 창호 외에 많은 분야에서 사용되고 있는 합성목재를 살펴보면, 폴리올레핀계 수지와 같은 고분자 플라스틱 수지분말이 목분에 혼연 용융되어 있으므로 내후성이 강하여 원목에 비해 변형(뒤틀림)이 적고, 잘 말린 고급목재에는 미치지 못하나 표면강도도 비교적 양호한 편이다.

다만 난간살 일체형 창호의 구조재로 쓰여질 정도로 미세한 형태로 가공될 때에도 전체적인 구조강도와 표면강도를 유지해야 할 필요가 있다. 그러나 전통적인 합성목재에서 강도를 올리기 위해서는 고분자 수지의 혼연 용융비율을 높여야 하는데 이럴 경우 목재특유의 고급스런 외관 품질감을 느낄 수 없어 고급화로 승부할 수 없다. 결국 전통적인 금속(알루미늄)제 창호에 비해서 차별화된 가격을 받을 수 없어 사실상 상품성이 떨어지는 문제가 있다.

그러나 본 발명에 의하면 공정과 설비의 개선과 적절한 상용화제의 도입을 통해 대나무 목질분과 폴리올레핀계의 혼연 성질을 향상시키고 이를 뒷받침하는 개선된 혼연, 용융, 압출방법을 제공하여 궁극적으로 기계적인 물성이 대폭 향상된 합성목재를 바탕으로 일반 목재가 이루기 어려운 종래 금속제 창호의 성능을 제공한다.

구체적으로는, 목재질감을 구현하기 위하여 75% 이상의 목섬유를 함유하여 배합, 혼연 및 압출공정을 진행하고 열 안정성 등 기계적 물성을 향상시킨 건축자재 및 농업용자재의 목재대체재인 합성목재용 복합소재와 그 제조공정 방법 및 장치를 제공하며, 수분 3% 미만으로 건조된 목섬유분과 절단된 항균성 섬유 및 과량의 목섬유질인 천연강모를 함유시켜 일정온도에서 고분자수지와 혼합, 혼연시킨 혼합수지를 용융 가압시키는 공정을 반복하여 기계적인 물성이 우수하고 목섬유가 습기에 의해 변질되는 것을 방지하며 내열,내구성을 강화한 난간살 고정용 창호 프레임용 합성목재를 저렴한 생산비용으로 제공한다.

또한 본 발명의 청구범위는 일반 목재라 하더라도 충분한 지지성능을 유지할 수 있는 이중 틀 방식의 조립구조와 결합물림구조를 바탕으로 기술되고 있으며 추가로 본 발명에 적용되는 합성목재는 목섬유분의 함량을 늘리고 제조경비를 낮출 수 있는 특유의 제조방법과 제조장치를 통한 합성목재이며 이같이 발전된 합성목재를 기반으로 더욱 뛰어난 난간살 고정 구조를 기술하고 있다.

본 발명의 상세한 설명 및 도면을 통해 뒷받침되는 권리의 내용은 합성목재의 제조방법과 제조장치 그리고 그에 의한 제조물이 유기적으로 서로 밀접하게 관계되어 있음을 미리 밝히며 구체적인 구조와 설계는 아래에 기재되는 상세한 설명 및 도면에 의한다.

본 발명의 창호 구조는 목질 특유의 고급감을 살리면서도, 상부에 설치되는 고하중 다기능의 개폐형 유리창과 결합될 때에도 어색하지 않고 잘 어울리며 기존 발코니창호의 대형화로 취약할 수 있는 안전성을 보강할 수 있다.

본 발명에 따른 난간살 일체형 발코니 창호는 금속제 발코니 창호에 근접하는 저렴한 제조경비와 뛰어난 생산성을 바탕으로 금속제 창호와 실질적인 시장 경쟁이 가능한 목재 발코니 창호를 제공한다.

구체적으로, 목섬유분 추가투입에 의한 중간냉각단계에 의해 제조된 합성목재는 플라스틱 원료와 목분의 혼합, 혼연, 용융으로 이어지는 제조공정에서 목분과 수지의 균일한 혼연으로 접착성이 높아지며 그에 따라 제품의 표면장력과 강성이 향상된다. 따라서 이를 이용한 주틀과 보조틀, 그리고 상판은 알루미늄 압출프레임에 대해서도 가격 대 성능 면에서 충분한 경쟁력이 있다.

추가로 본 발명은 제조방법 측면에서 제품의 용도와 특성에 따라 플라스틱원료와 목분의 비율을 생산 도중에도 손쉽게 변화시킬 수 있으므로 부위에 따라 원목형태의 질감과 색상구현이 쉬울 뿐 아니라, 판유리나 난간살을 고정하기 위해 미세한 형태를 요하는 또 다른 부위에는 표면강도를 강화한 고강도 합성목 형재도 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 물론 이는 하나의 설비에서 공정을 다양하게 조절함으로써 저렴한 비용으로 얻어진다.

도 1a~1c는 본 발명 발코니 창호의 부품도 및 조립도
도 2는 본 발명 발코니 창호의 조립부 절개도
도 3은 본 발명 발코니 창호의 전후 사시도
도 4a,b는 본 발명 발코니 창호의 단면도
도 5a,b는 다양한 종류의 목분과 고분자 수지 팰릿 및 결합제를 각각 촬영한 사진
도 6은 본 발명 창호에 적용되는 합성목재 제조방법의 전체 흐름도
도 7a~7c는 본 발명 창호에 적용되는 합성목재의 실험결과서
도 8은 본 발명 창호에 적용되는 합성목재 제조장치의 전체 구성도
도 9는 제조장치의 1차투입부 구성도
도 10a~10c는 제조장치의 2,3차 혼합부 구성도와 교반날개 사진
도 11은 제조장치의 기액배출부 구성도
도 12는 제조장치의 이송압출스크류 및 이송압출실린더 구성도

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 기술적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래의 실시예에서 특정 전문용어로 표현되는 구성요소들과 그 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.

먼저 본 발명의 발코니 창호에서 핵심 구조부재의 소재특성을 배제하고 순수한 구조적 특징을 도 1~4를 통해 설명한다.

도 1a는 본 발명 발코니 창호의 전체 부품도이며 도 1b는 안쪽의 보조틀 조립도, 도 1c는 바깥쪽의 주틀 및 상판 조립도이다.

도 1b를 참조하면 다수의 난간살(40)을 등간격으로 고정할 수 있도록 구멍이 뚫린 난간살고정틀부재(33)가 적어도 4개의 보조틀부재(30)에 수납되는 형식으로 둘러싸서 고정되는 것을 알 수 있다.(좌우 난간살고정틀 부재의 경우 굳이 구멍을 뚫을 필요는 없을 것이며 4각 틀 마감을 위해 단면은 상하 부재와 동일하게 형성한다.)

이때 보조틀부재(30)의 결합체인 보조틀(도면부호 특정되지 않음)은 다수의 난간살(40)과 상기 난간살(40)의 앞뒤로 배치되는 복수의 유리판(50)을 함께 수납하면서 그 자체로 하나의 완전한 독립 모듈을 이룬다.

조립되는 난간살(40) 형재는 어떠한 형상의 형재도 가능하나 주로 사각형재 및 원형 형재가 널리 사용되고 있으며 난간살(40)과 난간살고정틀부재(33)의 경우 금속재질로 설계하는 것이 바람직하다.

이 같은 보조틀 구조는 건설현장이 아닌 창호 제조공장에서 따로 조립되어 현장에서 간단히 끼워지면서 완성될 수 있으므로 구조가 간단하고 매우 수월한 발코니창호의 설치 시공성으로 인한 경제성 확보에 크게 기여한다.

도 1c를 참조하면 상기 보조틀을 수납 고정하는 주틀(도면부호 특정되지 않음)구조와 주틀 상부의 상판(10) 및 레일(60) 조립구조를 잘 알 수 있다.

상단에 상판(10)이 안착되는 주틀은 적어도 4개의 주틀부재(20)로 구성되고, 각각의 주틀부재(20)에는 외측에 건물벽체 또는 가로대에 물려지는 주틀 지지홈(21)이 형성되고 내측으로는 상기 보조틀이 수납되도록 평평한 면으로 형성된 주틀 내측면이 있다. 이것은 보조틀도 마찬가지여서 보조틀의 외측면, 즉 보조틀부재(30)의 외측도 평평한 면으로 형성된다.

주틀의 기능은 좌우 면과 하단부 면을 콘크리트 부에 고정시키는 본체기능이며 가로대삽입공(70)을 통해 철재 보강재를 삽입후 고정 시공하면 아주 견고하게 주틀 및 그 내부의 보조틀도 함께 고정된다. 또한 주틀 선 시공후 건물의 완공 및 입주시기에 맞추어 조립 완성된 보조틀을 삽입고정 하고 이후 상판(10)을 최종마감 설치하면 최소 공사비용으로 완성된 기능의 난간과 발코니 창호의 2가지 기능을 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명 발코니 창호의 절개부분을 사시도로 나타낸 것이다.

앞서 설명한 것처럼 상기 보조틀과 상기 주틀은 서로 어느 한쪽 수평방향에서 삽입되어 끼움 고정될 수 있는 구조이며 일단 건물벽체에 난 돌기 등에 주틀지지홈(21)을 물리고 주틀을 구성한 다음 보조틀을 간단히 끼우면서 설치가 완공된다.

이때 상기 주틀부재(20)에는 상기 보조틀부재(30)를 어느 한쪽 수평방향에서 지지할 수 있도록 보조틀지지턱(23)이 더 형성된다. 바람직하게, 보조틀지지턱(23)은 실외 쪽으로 나 있어서, 설치시공의 편의도 도모하면서 실내 쪽에서 유리판(50)이 깨질 정도의 강한 힘으로 밀어도 보조틀 전체가 실외로 떨어져 나가지 않도록 안전을 도모한다.

한편 상기 상판(10)과 상기 보조틀은 상기 가로대삽입공(70) 또는 상기 주틀지지홈(21)을 통해 발코니벽체에 고정된다. 특히 보조틀은 주틀과의 수납안내면 또는 인입안내면 상에서 단단하게 접착 고정되어 있으므로 태풍이나 외부인의 의도적인 침입으로 실내쪽으로 떨어져 나갈 염려는 거의 없다.

도 3은 완성된 발코니 창호의 앞 뒷면을 도시한 전체 사시도이다.

도 3을 참조하면 물건을 놓을 수 있도록 어느 한쪽 또는 양쪽으로 돌출된 선반모양으로 형성된 상판(10)과, 상기 상판(10) 위쪽으로 발코니 상부 유리창을 지지하는 레일(60)이 더 결합된 것을 알 수 있다. 실내쪽 선반은 찻잔, 미니화분, 액자 등을 놓을 수 있는 기능이 있으며 실외쪽 선반은 건물 외관을 수려하게 장식할 수 있고 저층 발코니일 경우 실외로 팔꿈치를 기대고 경치를 감상할 수 있는 관망대의 역할도 겸할 수 있다.

도 3에서는 실내쪽으로 돌출된 선반과 실외쪽으로 위치한 보조틀지지턱을 볼 수 있다.

도 4는 본 발명 발코니 창호의 단면도를 나타낸 것이다.

단면도 상에서 아래 조립 완료된 단면을 살펴보면 상판(10)과 주틀 사이에 형성되는 가로대삽입공(70)을 볼 수 있다. 가로대는 철제 빔으로 건물 벽체에 고정 설치될 수 있으며 주틀부재(20)는 4개로 분리되어 있으므로 본 발명의 발코니 창호는 가로대의 설치이전 또는 이후에도 쉽게 건물벽체에 조립될 수 있으며 전체적으로는 어떠한 이음부재의 노출도 없이 매끈한 조립마감을 자랑한다.

도 4a는 실내선반과 상단 2중 창호용 레일을 갖춘 것으로서 고층건물의 대형발코니에 적합하며, 도 4b는 실외선반과 상단 단일 창호용 레일을 갖춘 것으로서 저층건물의 소형발코니에 적합하다. 이 같은 설계의 자유도는 상판(10)의 형상에 따라 달라질 수 있는데 상판(10)은 아래에 설명될 합성목재의 제조방법 및 그 특성에 의해 저비용 고품질의 다양화된 제품으로 제조될 수 있다.

다음으로 본 발명 창호에서 핵심 구조부재의 소재가 되는 합성목재의 구성성분과 배합비를 설명한다.

본 발명에서 상판(10)과 주틀부재(20) 및 보조틀부재(30) 중 어느 하나 이상은 이하에 설명될 합성목재로 구성될 수 있으며, 필요에 따라서는 유리판고정틀 부재(32)와 난간살고정틀 부재(33) 또한 얼마든지 합성목재로 구성될 수 있다. 기본적인 적용방식은 외부로 보여지고 요구강도가 낮을수록 목질감을 강조하는 합성목재를 쓰고, 내부 구조재로만 쓰이며 미소한 형상을 갖거나 요구강도가 높을수록 합성수지의 비율을 높여 변형을 방지한다.

합성목재의 전반적인 제조방법은 두 단계로 나눌 수 있는데 전체적으로 표면이 개질되고 함수율 3%이하로 건조된 목분 70~80중량%와 고분자수지 13~23중량%, 결합제 및 첨가제 7중량%를 각각 고르게 교반한 다음, 이송압출실린더 내부로 투입하여 이송압출스크류에 의해 혼연 용융시키는 A단계;와 상기 A단계를 거쳐 혼연 용융중인 이송압출실린더 내부 공간에 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하여 혼합 용융시키는 B단계;가 된다. 이때 상판(10)은 표면의 목질감이 살아날 수 있도록 B단계를 특히 더 포함할 수 있다.

상기 A단계는 160℃~170℃ 범위에서 진행되고, 상기 B단계는 상기 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하는 것에 의하여 10~20℃ 낮아진 140℃~150℃ 범위에서 진행되고,

상기 A단계의 목분은 팰릿 형태가 아닌 분말형태의 2㎜ 이하의 목질분과 2㎜~10㎜길이의 목섬유분이 혼합되어 구성되고, 상기 B단계의 목분은 주로 2㎜~10㎜ 길이 중 임의 길이로 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 등의 모(毛)형태 섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분으로 구성되며,

상기 A단계의 고분자수지는 수지매트릭스 형태의 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌으로 구성되되 에틸렌 함량 5~10%인 블락 폴리프로필렌과 저밀도 폴리에틸렌이 6:4 내지 9:1 중량비율로 혼합 구성된 것이 특징이다.

합성목재 구성성분에서 가장 큰 비중을 차지하는 목분은 작은 가루 형태의 목질분과 섬유형태의 목섬유분으로 나눌 수 있다. 목분은 입도 9㎜이하, 즉 30~50 메쉬로 분쇄 분말 처리된 폐목재나 자투리 목재로 된 목질분과 2㎜~10㎜ 길이로 임의 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 등의 모(毛)형태 섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분을 함수율 3%미만으로 건조한 다음 전체 합성목재의 70~80 중량% 만큼 첨가한다.

도 5a는 고운 가루형태의 목분에서부터 셀룰로오스 섬유모 형태의 목질분까지 다양한 목분을 각각 입도크기대로 분류하여 촬영한 사진이다.

상기 목분의 투입 전단계로 투입되는 합성수지 및 첨가제의 구성성분과 배합비를 설명한다.

폴리올레핀(이중결합을 가진 사슬모양의 탄화수소 화합물)의 중합으로 생기는 고분자 화합물은 가장 가벼운 플라스틱에 속하는데 투명성도 우수하여 목분의 색을 훼손하지 않는 장점이 있다. 자유롭게 중합할 수 있는 폴리올레핀은 끝에 이중결합이 있는 올레핀(또는 a-올레핀)뿐이므로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아이소뷰틸렌(합성고무로서 소량의 아이소프렌과 혼성 중합하여 만든 제품)이 폴리올레핀에 속하며 특히 프로필렌으로부터 합성되는 4-메틸펜텐의 중합물은 폴리메틸펜텐, 메텔펜텐수지로 뛰어난 성질을 나타낸다.

도 5b는 고분자 수지 팰릿과 분말 형태의 결합제를 각각 촬영한 사진이다.

본 발명에 사용되는 합성목재에 첨가되는 폴리올레핀계 수지는 압출성형이 가능한 메트릭스재라면 사용할 수 있으며 최종상품에 기능에 따라 재활용수지의 사용 또한 무방하며 구체적으로는 저밀도 선형폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.

구체적인 첨가비율은 전체 합성목재 구성성분의 중량을 100%로 할 때 폴리에틸렌. 폴리프로필렌 중 선택되는 수지와 2가지 이상의 접착성 수지인 결합제, 3가지 이상의 첨가제를 합해 대략 20~30 중량%로 첨가한다.

강도가 높은 물성치가 요구되는 경우, 에틸렌 함량 5~10%인 블락 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하며 유연한 물성이 요구되는 경우 블락 폴리프로필렌과 저밀도 폴리에틸렌이 6:4 내지 9:1 중량비율로 혼합 구성될 수 있다.

상용화제(compatibilizing agents = 본 발명에서는 화합제 또는 결합제의 의미)를 포함하여 본 발명에서 사용되는 결합제는 PP,PE 수지를 결합하는 2종 이상의 접착성 수지(coupling agents)결합제와 3종 이상의 각기 다른 기능을가진 첨가제(additives)가 사용된다.

상기 결합제들은 70중량% 이상의 과다 목분 투입시 발생되는 현상에 대응하기 위한 각기 다른 기능을 가진 결합제로서 결합력 증가가 상품물성에 매우 큰 영향을 끼친다.

상술한 전체 구성성분을 간단히 요약하면 표면이 개질되고 건조된 2㎜이하의 목질분과 2㎜~10㎜ 길이의 목섬유분를 합하여 목분 70~80 중량%를 함유하고, PP, PE수지를 포함한 폴리올레핀계 수지를 13~23 중량% 함유하며 상용화제를 포함한 결합제 및 첨가제를 7 중량% 함유하는 것이 특징이다.

추가로, 상기 합성목재 구성성분과 배합비를 바탕으로 하는 합성목재 제조방법의 기술적 특징을 설명한다.

모든 종류의 합성목재에서 중요한 제조공정 변수로는 전체 중량비에서의 목분의 함량이다. 여기서 목분의 함량은 상용화제의 성분적 특성에 맞춘 함량이 조절될 필요가 있다. 또한 배합공정과 성형공정의 작업온도, 압출성형기기 내에서의 체류시간과 온도 등 각 공정별로 가해지는 조건을 상기 성분적 특성에 맞추어 어떻게 최적화 하느냐가 중요하다.

제조방법은 크게 A,B 두 단계로 이루어진다. 도 6을 참조하여 본 발명에 적용되는 합성목재의 제조방법을 단계별로 설명한다.

먼저 A단계는 표면이 개질되고 함수율 3%이하로 건조된 목분, 구체적으로 2㎜ 이하의 목질분과 2㎜~10㎜길이의 목섬유분을 70~80중량%와 고분자수지13~23 중량%, 결합 및 첨가제 7 중량%를 각각 고르게 교반한 다음, 이송압출실린더 내부로 투입하여 이송압출스크류에 의해 혼연 용융시키는 단계이다.

이때 목분(목질분과 목섬유분)은 수분미제거시 발생되는 내구성약화현상과 상품표면의 질감불량현상을 막기 위해 건조장치를 통하여 3%미만으로 수분을 제거한 후 투입한다.

또한 상기 목분은 추후 B단계를 위해 5~10 중량% 만큼 감소시켜 투입될 수 있다.

다음으로 B단계는 상기 A단계를 거쳐 혼연 용융중인 이송압출실린더 공간 내부에 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하여 혼합 용융시키는 단계이다.

이때 B단계에서 투입되는 목분은 덩어리 뭉침을 막기 위해 가급적 목섬유분으로 한정되는 것이 바람직하다.

B단계에서 투입되는 목분, 구체적으로 목섬유분은 A단계가 따르는 일반적인 압출성형 공정온도 560℃~170℃에서 약 10~20℃ 가량의 온도를 낮추어 준다.

따라서 결과적으로 약 140℃~150℃에서 최종적인 혼연 용융이 진행됨으로써 목섬유질이 초기부터 과다 투입될 경우에 발생될 수 있는 탄화현상이 방지된다.

목분의 다단식 분산투입은 목섬유 함량을 증가시킬 수 있다는 주된 기술적 목표를 달성함과 동시에 과다 함량된 목섬유의 탄화를 방지하고 완성품 합성목재 내에서 안정적인 분산을 이루게 되어 휨 강도및 열 안정성의 놀라운 향상을 기대할 수 있다.

도 7은 상기 구성성분과 제조방법을 통해 제조된 본 발명 합성목재 소재의 뛰어난 물성치를 잘 보여주는 실험결과이다.

마지막으로 상기 합성목재 및 그 제조방법을 일련의 연속압출형태로 구현하는 합성목재 제조장치의 기술적 특징을 설명한다.

도 8을 참조하여 본 발명에 적용되는 합성목재의 제조장치를 전체적으로 설명하면, PP,PE수지 등 폴리올레핀계 수지와 결합제 및 색상원료를 투입하는 1차투입부(100), 목분 원료를 투입하여 상기 1차 투입부의 투입원료와 혼합하는 2차혼합부(200), 2차 혼합부를 거친 재료에 목섬유분 위주로 소량의 목분을 추가 투입하여 합성목재 표면을 개질시키는 3차혼합부(300), 혼연/용융된 원료에서 발생되는 가스 및 수분을 배출하는 기액배출부(400)를 거치면서 고분자수지, 목분, 색상원료 및 결합제가 혼연 용융된 혼합물이 다수 배치된 이송압출스크류(600)를 통해 이송압출 실린더(700)내에서 계량 이송되면서 원하는 형태와 분량으로 성형되는 것이 특징이다.

지지부(500)는 상기한 바와 같은 구성 요소들을 전체적으로 지지하는 기능을 수행하는 것으로 1차투입부(100)에서 이후 설명될 이송압출스크류(600)들과 이를 감싸고 있는 이송압출실린더(700) 까지를 전체적으로 지지하고 있다.

도 9를 참조하여 1차투입부(100)에 대해 구체적으로 설명한다. 1차투입부(100)는 전체투입량의 20%~30%에 해당하는 플라스틱수지와 색상원료 및 결합제 원료를 투입 받아 혼연 및 이송기능을 수행하는 것으로 도 10에 도시된 바와 같이 플라스틱원료와 색상원료 투입기를 이용하여 원료를 투입 받는다.

1차투입부(100)에서 핵심적인 역할을 수행하는 수지및결합제투입기(110)는 이송압출실린더(700) 내부로 수지와 결합제 등의 원료를 투입하기 위한 것으로서, 도 11에 도시된 바와 같이 호퍼(111)에 저장된 원료를 일정량, 일정속도로 투입하는 나선형태의 강제투입스크류(113)가 장착되어 있다.

여기서 강제투입스크류(113)의 날개 회전수에 따라 원료의 양이 결정되고 투입압력이 결정되므로 수지및결합제투입기(110)는 각기 다른 성형물 별로 원료투입량을 데이터화하여 생산의 일관성을 유지할 수 있다.

한편 1차투입부(100)에는 색상원료투입기(120)도 추가 배치된다.

색상원료투입기(120)는 여러 형태의 색상(메이폴, 체리, 월넛 등)을 미세하게 투입하는 장치이다. 보통 색상원료는 미세분말 및 농축형태의 팰릿으로 되어 있으므로 두 가지 형태의 원료를 한꺼번에 사용할 수 있으며 색상이 다른 원료를 사용시에도 청소가 용이하게 이루어지는 장점이 있다.

이하에서는 도 10a, 10b를 바탕으로 2차혼합부(200)와 3차혼합부(300)에 대해 상세히 설명한다.

2차혼합부(200)는 목분을 투입받아 정량공급 시키면서 1차투입부(100)에서 이송된 고분자수지 등과 혼합, 혼연하기 위한 공정부로서 목분으로는 앞서 기술한 바와 같은 목질분과 목섬유분이 사용될 수 있다.

또한 3차혼합부(300) 역시 2차혼합부와 유사한 구조를 가지고 있으며 2차혼합부와 다른 점은 투입목분이 목질분 보다는 목섬유분 위주가 될 때 더욱 양호한 효과를 가져올 수 있다는 점이다.

한편 2차혼합부(200)에 적용되는 1차목분투입기(210)는 도 5에 도시된 바와 같이 일정량의 목분을 저장하는 호퍼(211), 호퍼 내부에 배치된 교반날개(212) 및 목분 원료를 강제이송하기 위해 호퍼 내부에 장착되어있는 강제투입스크류(213), 그리고 이를 구동하는 저속회전 모터(214)로 구성된다. 이러한 구조와 배치는 2차목분투입기(310)에서도 마찬가지이며 그 구조적 측면은 단지 도면부호의 앞자리숫자만 다를 뿐 2차혼합부~3차혼합부에 걸쳐 매우 유사하고 투입재료의 특성만 다르다.

목분은 그 낯은 비중으로 인해 호퍼 내에서 터널(Bridge)현상 발생하면 목분원료의 공급이 원활치 못할 수 있다. 교반날개(212, 312)는 이 같은 현상을 막아주는 역할을 한다.

강제투입스크류(213,313)를 구동하는 모터(214,314)는 저속으로 속도 조절이 가능하다. 또한 제품에 용도에 따른 투입비율조정이 가능하여야 한다.

목분을 포함한 원료는 교반 혼연시 0℃~145℃/15분의 작업시간 소요 조건과, 압출성형기기 내부에 장착된 스크류(L/D 약3m 길이)통과시 평균 160℃~170℃/ 6분 정도 작업조건에서 가장 좋은 물성을 보였으며 그때 목섬유:상용화재 함량은 75중량% : 7중량% 이다.

상기와 같이 배합된 혼합물을 분산 혼연시키는 공정 또한 매우 중요한 제조공정 중 하나로서 과다 함유된 목섬유의 부피로 배합기기의 용량볼륨이 일반배합기기에 비해 배이상 커야 하는 어려움 또한 있으며 배합기 내부에 장착 되어있는 교반날개 형태의 불레이드 형태 또한 다르다. 도 10c는 고분자수지와 목분에 따라 각각 다른 교반날개의 형상차이를 설명하는 사진이다.

이러한 구조의 배합기기에서 약 13~14분 정도의 공정작업으로 각기 다른 모양과 비중을 가진 소재들이 고루 분산되어지며 이때 열가소성 수지인 폴리올레핀계 수지의 용융 반응과 함께 고루 분산된 소재를 점착시키는 현상과 함께 주회전 회전구동 모터부에서 부하현상이 발생되기 시작한다.

이하에서는 도 11을 바탕으로 기액배출부(400)에 대해 설명한다.

2~3차 혼합부를 통과한 원료는 플라스틱 원료와 목분 원료가 완전히 혼연 용융된 상태로 기액배출부(400)를 통과하면서 발생되는 수분, 가스가 배출된다. 흔히 벤트부(Vent)라고도 하며, 자연배출과 기계적으로 강제배출이 가능한 기능을 수행한다.

이하에서는 도 12를 바탕으로 이송압출스크류(600)와 이송압출실린더(700)에 대해 상세히 설명한다.

이송압출실린더(700)는 상기한 바와 같이 플라스틱원료와 색상원료가 투입되는 1차투입부(100)와 연통되는 1차투입구(710), 2,3차혼합부(200,300)와 연통되는 2,3차투입구(720)~(721)가 형성되며 기액배출부(400)와 연통되는 기액배출구(730)가 형성되어 있는 관으로서 일체형이 아닌 분할된 실린더 형태를 취하고 있으며 그 내부에는 이송압출스크류(600)가 내장되어 있다.

내장된 이송압출스크류(600)는 각 단마다 각각 다른 날개형태로 설정되어 개별적인 기능을 수행하며, 외부에 장착된 모터에 의해 회전하여 각 단계 별로 투입된 원료를 혼합, 혼연 용융시켜 이송압출실린더를 통과하여 성형하는 과정을 이룬다.

이송압출실린더(700)는 정량이송, 혼합, 혼연, 용융기능을 반복하는 작용이 이루어지는 공간으로서 그 내부에 장착되어 있는 이송압출스크류(600)가 상기 기능을 실질적으로 수행한다.

앞서 설명한 바 있지만 1차투입부(100)에서 3차혼합부(300)에 걸쳐 배치되어 있는 강제투입스크류(113,213,313)는 나선형태의 홈으로 원료를 혼합하여 이송하는 역할을 하며 일반적인 범용 수지에 적용되는 나선홈 의 규격도 무방하며 가능한 홈 깊이가 낮은게 유리하다.

이송압출실린더(700)를 구간별로 상세히 설명한다. 전체 목분 투입량의 70 중량% 이상이 2차투입구(720)로 투입되며 투입된 목분은 1차투입구710)에서 통과된 고분자 수지 색상원료 등과 혼합 혼연되어 1차 압축된다.

2차투입구(720)가 위치한 구간에서 압축되어진 혼합원료는 고온(160~200도)으로 짧은 시간에 완전히 혼연 용융된다. 이때 각 구간별로 이송압출스크류(600)는 날개부가 일정간격 절단되어 있어 원료의 뒤엉킴 현상을 유도할 수 있고 원료의 혼연성을 최대한 높이게 된다.

3차투입구(721)가 위치한 실린더 구간으로 원료가 이송되면 3차투입구에서는 총 목분 투입량의 나머지 30%를 다시 투입하여 혼연시킨다. 이때 스크류 홈의 깊이와 넓이는 제2혼합부의 80%정도가 적당하며 용융온도는(140~180)도로 낮게 유지한다.

바람직하게, 앞서 제조방법에서 기술한 내용대로, 전체 원료 중량비에서 추가 투입되는 목분은 목섬유분 위주로 투입되는 것이 좋고 그 비율은 5~10 중량%가 되면 좋다. 또한 혼합부의 용융온도는 최초구간 160℃~170℃에서 추가 투입되는 목분(목섬유분)에 의하여 약10~20℃ 자연스럽게 낮아진 140℃~150℃ 범위가 되는 것이 좋다.

상기와 같이 1,2차 목분 투입되어 완전히 용융 혼연된 상태의 원료를 이송하여 기액배출구(730)를 통과시켜 가스 및 수분을 완전 배출시킨 후 감압 이송하여 계량성형부(800)에서 최종 성형한다.

합성목재 제조장치는 혼합공정을 거친 혼합소재로 부터 우수한 물성의 성형완제품을 얻기 위하여 이송압출실린더 내에서 고압, 고온으로 용융, 가압, 혼연시키는 과정에서 실린더내부의 고온으로 인한 내부 열축적 현상을 막기 위해 외부에서 강제 냉각시키는 종래 제조장치의 구성과 달리 2차 투입구에서 상대적으로 저온상태인 목섬유분 5~10 중량%를 투입 함으로 과열된 기계속 내열을 하향시켜 물성을 향상시키는 것이 가장 큰 특징이며 이로 인해 최종 합성목재 상품은 목분의 전체적인 탄화가 방지되고 표면층의 목섬유분 밀도가 내층의 목섬유분 밀도보다 높아져 목섬유 특유의 우수한 표면질감을 자연스럽게 갖게 된다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되지 않는다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 발명이 내포하고 있는 기술사상을 활용하여 필요에 따라 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례를 구현할 수도 있겠으나, 그 또한 이하의 청구범위로 표현되는 본 발명 기술사상의 범위에 자명하게 포함된다.

본 발명의 기술적 바탕을 제공하는 핵심소재인 합성목재는 단지 난간살 일체형 발코니 창호에만 그치지 않고, 압출이 용이한 형태의 합성목재 형재가 대량으로 적용되는 분야라면 어느 기술분야이건 매우 효과적으로 응용될 수 있다.

10: 상판
11: 가로대삽입홈
12: 레일지지턱
20: 주틀부재
21: 주틀지지홈
22: 보조틀수납안내면
23: 보조틀지지턱
30: 보조틀부재
31: 주틀인입안내면
32: 유리판고정틀부재
33: 난간살고정틀부재
40: 난간살
50: 유리판
60: 레일
70: 가로대삽입공
100: 1차투입부 200: 2차혼합부
300: 3차혼합부 400: 기액배출부
500: 지지부 600: 이송압출스크류
700: 이송압출실린더 800: 계량성형부
110: 수지및결합제투입기 120: 색상원료투입기
111,211,311: 호퍼 212,312: 교반날개
113,213,313: 강제투입스크류
214,314: 모터 710: 1차투입구
720: 2차투입구 721: 3차투입구
730: 기액배출구

Claims (6)

1. 적어도 4개의 보조틀부재(30)로 구성되고, 다수의 난간살(40)과 상기 난간살(40)의 앞뒤로 배치되는 복수의 유리판(50)을 함께 수납하는 보조틀과;
   적어도 4개의 주틀부재(20)로 구성되고, 외측에 건물벽체 또는 가로대에 물려지는 주틀 지지홈(21)이 형성되고 내측으로는 상기 보조틀이 수납되도록 형성되는 주틀과;
   상기 주틀의 상단에 안착되는 상판(10); 및
   상기 상판(10)과 상기 주틀 사이에 형성되는 가로대삽입공(70)을 포함하여 구성되는 난간살 일체형 발코니 창호.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조틀과 상기 주틀은 어느 한쪽 수평방향에서 삽입되어 끼움 고정될 수 있도록 상기 보조틀의 외측면과 상기 주틀의 내측면이 평평한 면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 난간살 일체형 발코니 창호.
3. 제2항에 있어서,
   상기 주틀부재(20)에는 상기 보조틀부재(30)를 어느 한쪽 수평방향에서 지지할 수 있도록 보조틀지지턱(23)이 더 형성되며,
   상기 보조틀부재(30)에는 상기 다수의 난간살(40)을 등간격으로 고정하는 난간살고정틀부재(33)가 더 수납되는 것을 특징으로 하는 난간살 일체형 발코니 창호.
4. 제3항에 있어서,
   상기 상판(10)은 물건을 놓을 수 있도록 어느 한쪽 또는 양쪽으로 돌출된 선반모양으로 형성되고,
   상기 상판(10) 위쪽에는 발코니 상부 유리창을 지지하는 레일(60)이 더 결합되며,
   상기 상판(10)과 상기 보조틀은 상기 가로대삽입공(70) 또는 상기 주틀지지홈(21)을 통해 발코니벽체에 고정되는 것을 특징으로 하는 난간살 일체형 발코니 창호.
5. 제4항에 있어서,
   상기 상판(10)과 상기 주틀부재(20) 및 상기 보조틀부재(30) 중 어느 하나 이상은 표면이 개질되고 함수율 3%이하로 건조된 목분 70~80중량%와 고분자수지 13~23중량%, 결합제 및 첨가제 7중량%를 각각 고르게 교반한 다음, 이송압출실린더 내부로 투입하여 이송압출스크류에 의해 혼연 용융시키는 A단계;를 포함하는 공정으로 제조된 합성목재로 구성되는 난간살 일체형 발코니 창호.
6. 제5항에 있어서,
   상기 상판(10)은 표면의 목질감이 살아날 수 있도록 상기 A단계를 거쳐 혼연 용융중인 이송압출실린더 내부 공간에 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하여 혼합 용융시키는 B단계;를 더 포함하는 공정으로 제조된 합성목재로 구성되며,
   상기 A단계는 160℃~170℃ 범위에서 진행되고, 상기 B단계는 상기 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하는 것에 의하여 10~20℃ 낮아진 140℃~150℃ 범위에서 진행되고,
   상기 A단계의 목분은 팰릿 형태가 아닌 분말형태의 2㎜ 이하의 목질분과 2㎜~10㎜길이의 목섬유분이 혼합되어 구성되고, 상기 B단계의 목분은 주로 2㎜~10㎜ 길이 중 임의 길이로 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 등의 모(毛)형태 섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분으로 구성되며,
   상기 A단계의 고분자수지는 수지매트릭스 형태의 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌으로 구성되되 에틸렌 함량 5~10%인 블락 폴리프로필렌과 저밀도 폴리에틸렌이 6:4 내지 9:1 중량비율로 혼합 구성된 것을 특징으로 하는 난간살 일체형 발코니 창호.

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