KR101489991B1 - 진공단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents

진공단열재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리섬유로 이루어지는 심재; 및 상기 심재를 수납하고 내부를 감압한 외피재를 포함하는 진공단열재에 있어서, 상기 진공단열재 표면에 홈이 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공단열재를 제공한다.
본 발명은 유리섬유가 니들링 처리되어 판상의 매트를 마련하는 단계; 상기 매트를 하나 이상 적층하여 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는 단계; 상기 배열된 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 유리섬유를 성분으로 하는 심재를 마련하는 단계; 상기 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하고, 상기 외피재로부터 상기 심재에 걸쳐 프레스 가공에 의하여 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다.

Description

진공단열재 및 이의 제조방법{VACUUM HEAT INSULATION MATERIAL AND MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 홈을 가지는 진공단열재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 심재, 외피재 및 게터재를 포함하는 진공단열재 및 상기 진공단열재에 하나 이상의 홈이 형성되도록 심재를 배열하거나 표면을 압입하는 진공단열재 제조방법에 관한 것이다.
진공 단열재는 종래 냉장고에서 이용되고 있던 우레탄 발포 재료보다도 열전도율이 낮기 때문에, 냉장고, 욕조, 보온병 등의 단열재로서 그 사용량이 증가하고 있다. 그러나, 진공 단열재는 진공화된 심재와 외피재로 이루어지는 복합 재료이므로, 임의의 입체 형상으로 변형 및 가공하여 사용하는 것은 곤란한 문제가 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, 한국등록특허 제 10-0781010호에서는 코어재를 내포한 외포재의 표면상에 복수의 볼록부가 형성되고, 상기 외포재의 이면상에 상기 볼록부에 대응하는 위치에 오목부가 형성되어 상기 외포재의 양면상에서 복수의 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 진공단열재에 대해 개시하고 있어, 굽힙 가공에 대한 문제점을 일부 해결하고 있기는 하나, 홈의 모양, 크기에 대해서는 구체화되어 있지 않고 일정크기의 홈을 포함하는 진공단열재의 자유도 증진 및 열교현상(Thermal Bridge)에 의한 문제점을 여전히 내포하고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 진공단열재 표면에 하나이상의 홈을 포함함으로써, 초기 단열성능이 우수하고, 그 적용이 다양한 진공단열재를 제조하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 유리섬유로 이루어지는 심재; 및 상기 심재를 수납하고 내부를 감압한 외피재를 포함하는 진공단열재에 있어서, 상기 진공단열재 표면에 홈이 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공단열재를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유리섬유가 니들링 처리되어 판상의 매트를 마련하는 단계; 상기 매트를 하나 이상 적층하여 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는 단계; 상기 배열된 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 유리섬유를 성분으로 하는 심재를 마련하는 단계; 상기 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하고, 상기 외피재로부터 상기 심재에 걸쳐 프레스 가공에 의하여 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다.
본 발명은 진공단열재 표면에 하나 이상의 홈을 포함하는 진공단열재를 포함함으로써 탁월한 초기단열성능을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 진공단열재 제조방법을 적용하여 홈을 형성함으로써 진공 성형 후의 2차 가공을 생략할 수 있고, 생산성 향상 및 비용 저감을 도모할 수 있는 진공단열재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진공단열재의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공단열재의 심재 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 진공단열재의 홈 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 진공단열재의 외피재를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 <실험예3>의 열전도율 측정위치를 나타낸 진공단열재의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 <실험예3>의 측정위치에 따른 열전도율의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부로는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
진공단열재
본 발명은 유리섬유으로 이루어지는 심재; 및 상기 심재를 수납하고 내부를 감압한 외피재를 포함하는 진공단열재에 있어서, 상기 진공단열재 표면에 홈이 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공단열재를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 진공단열재의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 진공 단열재의 심재(10)는 글라스 섬유, 글라스 울 및 단열성을 갖는 공지의 심재라면 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 심재(10)는 물 또는 유기 화합물을 포함하는 수용액 내에서 교반된 글라스 섬유(Glass fiber)를 열압착시킨 판상의 보드(Board)가 하나 이상 적층되어 형성될 수 있으며, 직경이 1~10㎛인 글라스 섬유 집합체 및 실리카를 포함하는 무기 바인더로 이루어지는 판상의 보드(Board)가 하나 이상 적층되어 형성될 수 있다.
종래의 경우 글라스 섬유를 포함하는 판상의 보드를 1~5층으로 적층하여 진공단열재를 구성하는 심재를 형성하였으나, 본 발명의 경우 0.5~10mm의 두께를 가지는 판상의 보드를 1~120층으로 적층하여 심재(10)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 더 많은 판상의 보드를 적층함으로써 수직방향으로 전도되는 열흐름 경로를 증대시켜 열전도 측면에서 열저항을 높일 수 있다는 점에서 유리하고, 심재의 두께를 조절하여 적층함으로써 열전도율 값을 원하는 수준으로 설계 할 수 있다는 점에서 종래의 심재와 차이가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 진공단열재의 심재 구조를 나타낸 것으로 홈 깊이(40b), 홈표면폭(40c), 홈이면폭(40d), 홈둘레(40e)를 나타낸다. 이 때 홈깊이(40b)는 진공단열재 표면에서부터 홈의 파여져 있는 부분까지의 세로길이를 나타내며, 홈표면폭(40c)은 진공단열재 표면에 있어서 형성된 홈이 가로길이를, 홈 이면폭은 홈이 파여져 있는 부분에서의 가로길이를 일컫는다. 또한 상기 홈둘레(40e)는 진공단열재 표면에 형성된 홈표면부를 제외한 파여져 있는 홈의 둘레길이를 나타낸다.
상기 도 2를 참고하면, 본 발명은 상기 심재(10)를 수납하고 내부를 감압한 외피재(20)를 포함하는 진공단열재에 있어서, 상기 진공단열재(100) 표면에 홈(40)이 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 홈(40)을 포함함으로써 진공 단열재의 입체 형상의 굽힘 성형을 실현할 수 있고, 홈(40)을 통해 진공단열재를 장착 및 적용함에 있어 타 부품과의 간섭을 피할 수 있다. 특히, 진공단열재의 제조와 동시에 홈 형상 또는 요철 형상을 형성함으로써 완성된 진공단열재에의 2차 가공을 생략할 수 있음으로, 생산성 향상 및 비용 저감을 도모할 수 있다.
상기 홈 깊이(40b)는 상기 진공단열재 두께의 30~60%인 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로 0.5~10mm의 판상의 보드를 1~120층 적층하여, 심재(10)의 두께를 1~60mm로 형성하는 경우, 외피재 삽입 및 감압 후 진공단열재 두께(100a)를 5~30mm로 예상할 수 있고, 이 때 홈의 깊이는 1.5~18mm가 될 수 있다. 홈의 깊이(40b)가 1.5mm 미만인 경우 홈과 홈이 아닌 부분의 경계가 미흡하여 굽힘 성형이 어렵고 홈(40) 내부에 타 부품(전기배선, 히트파이프, 냉매파이프, 회로기판, 브라켓 등)과의 간섭 회피가 불가할 수 있고, 18mm를 초과하는 경우 진공단열재의 두께 압축율 측면에서 심재 자체의 압축한계 및 외피재에 과도한 하중이 가해져 진공단열재 표면에 Leak 및 물리적 찢김 등이 발생할 수 있다. 그러므로 심재 자체의 압축율 및 타 부품과의 간섭회피라는 점에서 홈의 깊이(40b)가 진공단열재 두께(100a)를 기준으로 상기의 범위를 유지함이 바람직하다.
또한, 상기 홈 이면폭(40d)은 상기 홈 표면폭(40c)의 30~100%인 것을 특징으로 한다. 홈 표면폭(40c) 및 홈 이면폭(40d)의 수치적인 한정에 의하여, 홈(40)은 다각형을 포함할 수 있으나, 직사각형 및 사다리꼴의 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 홈 이면폭(40d)이 홈 표면폭(40c)의 30%미만인 경우 홈(40) 내부에 타 부품과의 간섭회피가 어렵고, 압입으로 인한 홈 형성시 과도한 응력 집중으로 인해 외피재 내부에 크랙(Crack) 발생의 우려가 있고, 100%를 초과하는 경우 압입에 의한 홈 가공상의 문제점이 있다.
상기 홈 둘레(40e)는 상기 홈 표면폭(40c)의 100~130%인 것을 특징으로 한다. 일정크기의 홈(40)을 포함함으로써 진공단열재의 적용 자유도를 증진시킬 수 있고, 우수한 초기 단열성능을 확보할 수 있는바 본 발명의 홈부를 포함하는 진공단열재의 낮은 열전도율의 유지가 가능하다.
상기 홈 둘레(40e)가 상기 홈 표면폭(40c)의 100%미만인 경우에는 홈(40)이 형성되지 않는 문제점이 있고, 130%를 초과하는 경우 외피재의 인장으로 인한 외피재 내부 알루미늄 호일 및 폴리머 필름상의 크랙 발생의 우려가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 진공단열재의 홈 구조를 나타낸 단면도를 나타낸 것으로 도 3을 참고하면 본 발명은 홈 모서리부(R)를 포함하고, 상기 홈 모서리부(R)는 홈 이면 모서리부(R1) 및 홈 표면 모서리부(R2)로 구성된다. 이 때, 상기 홈 모서리부(R)는 곡면인 것을 특징으로 한다. 상기 홈모서리부(R)가 곡면처리되어 있어 일정 각도를 포함하는 직선처리 된 종래의 홈 및 요철의 형태와는 구별된다. 홈(40)의 홈 모서리부(R)가 곡면처리되어 있어 응력 집중을 최소화 하는 점에서 장점이 있고, 외피재의 인장으로 인한 알루미늄 호일 및 폴리머 필름의 크랙 발생을 최소화한다는 점에서 종래기술과 구별된다.
보다 구체적으로, 상기 홈 이면 모서리부(R1) 및 홈 표면 모서리부(R2)가 포함하는 곡면은 반지름이 1~20mm인 원의 호를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 호는 반지름이 1~20mm인 원의 일부인 경우가 바람직한바, 원의 반지름이 1mm미만인 경우 곡면 형성상 가공의 문제점이 있고, 20mm를 초과하는 경우 홈 모서리부(R)의 과도한 곡면 형성으로 인해 전기냉장고 등의 내부 단열재로 적용시 Steel Plate 등의 장착면에 있어 비접촉된 공간 형성의 증대로 열손실이 발생하고 우레탄 충진과 발포상에 있어 충진 및 발포 균일성이 저하되어 열손실의 우려 및 Steel Plate 등과 진공단열재와의 박리 우려가 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 진공단열재의 외피재를 나타낸 단면도이다. 상기 외피재(20)는 무기소재층이 적층된 폴리머 필름(polymer film)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 무기소재층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프 탈레이트(PET), 나일론, 염화 비닐리덴 필름(PVDC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), K-PET 중 선택된 1종인 것을 포함할 수 있다.
상기 외피재(20)는 기능성층, 즉 무기소재층들이 적층된 형태로 폴리머필름의 형태로써 심재를 수납하고 외부를 감압한 형태이다. 아울러, 진공 외피재 내부의 진공도는 0.1 ~ 10Pa가 되도록 하는 것이 바람직하다. 진공도가 0.1Pa 미만인 경우 생산 효율이 저하되며, 진공도가 10Pa을 초과하게 되면 초기 열성능 및 장기 내구성이 저하될 수 있다.
본 발명의 진공단열재는 일정크기의 홈을 포함하기 때문에, 하나이상의 홈을 가지도록 심재를 배열하고 이를 외피재에 수납하여 감압하거나, 심재를 외피재에 수납하여 감압한 후에 홈을 형성하는 등의 제조방법을 거쳐야 한다. 그러므로 이 때, 홈 형성을 위해 진공단열재에 가한 하중에 의해서 진공 전·후의 외피재에 크랙(Crack)이 발생하거나 외피재가 찢어질 수 있어, 홈을 포함하는 진공단열재에 있어서 외피재를 종류는 중요한 요소이다.
본 발명의 외피재(20)를 구성하는 폴리머필름은 6~12㎛ 두께를 갖는 알루미늄 호일(aluminum foil)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 4를 참고하면, 무기소재층(20a, 20b, 20c)이 적층되어 있고, 일정두께의 알루미늄 호일(20d)을 포함하고 있다.
본 발명에서는 외피재(20)의 재질로 배리어성이 우수한 알루미늄 호일(Al foil)을 이용하며, 알루미늄 호일 중에서, 철(Fe)의 함량이 0.65중량% 이하인 것을 이용할 수 있다. 철(Fe)의 함량이 0.65중량%를 초과하는 알루미늄 호일의 경우 배리어성의 향상에 비하여 제조 비용 상승 폭이 훨씬 크므로 바람직하지 못하다.
상기 알루미늄 호일(20d)의 두께는 6~12㎛인 것이 바람직하다. 폴리머 필름이 포함하는 알루미늄 호일(20d)의 두께가 6㎛ 미만일 경우, 압연 공정에서 균열이나 결함이 발생할 수 있는 문제점이 있으며, 알루미늄 호일(20d)의 두께가 12㎛를 초과할 경우 열전도도가 높은 알루미늄 호일(20d)을 따라 열이 전달되어 단열 효과가 저하될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 알루미늄 호일이 찢어질 경우, 찢어진 부위를 통하여 가스나 수분 등이 침투하여 진공 단열재의 장기 내구성을 저해할 수 있다.
도 5를 참고하면, 상기 외피재(20)를 구성하는 폴리머 필름은 10~20㎛ 두께를 갖고 하나 이상의 알루미늄 증착필름을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 알루미늄 호일(20d)을 포함하는 외피재를 사용하는 경우 장기적인 수분 및 가스 차단성능은 개선될 수 있으나, 열이 진공단열재 표면으로 전달될 경우, 진공단열재의 두께방향(수직방향)으로 열이 전도될 뿐만 아니라, 길이/폭방향(수평방향)으로도 이동하여 열교현상에 따른 열손실이 발생할 수 있는바, 이러한 열교현상을 최소화 하기 위하여, 상기 알루미늄 호일에 PET 필름 또는 EVOH(Ethylene Vinyl Alcohol) 필름을 접착하여 형성된 알루미늄 증착필름을 하나 이상으로 적층하여 폴리머 필름으로 이용할 수 있다.
상기 알루미늄 증착필름의 한 종류인 PET 필름 또는 EVOH 필름의 두께는 10~20㎛인 것이 바람직하다. 상기 필름의 두께가 10㎛미만일 경우 필름 형성시 결함이 발생하거나 찢어질 수 있는 문제가 있고, 상기 필름이 20㎛를 초과하는 경우 가공성이 저하되며, 전체적인 필름 제조 비용이 상승하는 문제가 있다.
보다 구체적으로 상기 PET필름 및 EVOH필름을 포함하는 알루미늄 증착필름에 증착되는 알루미늄의 두께는 0.02~0.1㎛일 수 있다. 증착되는 알루미늄의 두께가 0.02㎛미만인 경우 배리어성이 저하되어 진공단열재 내부에 가스 및 수분침투로 인한 진공도 저하의 우려가 있고, 0.1㎛를 초과하는 경우 증착 가공상 증착 결점증대로 배리어성이 저하될 수 있고 과도한 증착도막 두께 증대로 증착강도가 저하되어 외피재 제작시 필름간의 라이네이션에 있어 접착강도와 증착강도 차이로 인해 증착면이 박리되는 문제점이 있다.
본 발명의 진공단열재(100)는 무기소재층(20a, 20b, 20c) 알루미늄 호일(20d)을 포함하는 폴리머 필름 또는 무기소재층(20a, 20b, 20c) 및 알루미늄 증착필름(20e)을 포함하는 폴리머 필름을 포함하는 외피재를 사용하는바, 상기와 같이 외피재(20)를 형성함으로서 본 발명에 따른 진공단열재는 최상의 기밀성과 장기 내구성능을 가지고, 홈을 형성함에 있어서도 외피재의 크랙 현상 및 찢김을 방지할 수 있다. 이때 상기 무기소재층(20a, 20b, 20c), 알루미늄 호일(20d) 및 알루미늄 증착필름(20e)은 각각 폴리우레탄계 수지에 의해서 접착되고, 층간 접착 강도는 200gf/15mm 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
외피재의 기밀 특성 및 홈 형성에 대한 저항성을 더 향상시키기 위하여 폴리우레탄계 수지를 이용하여 접착시키는 것이 바람직한 바, 본 발명에 사용될 수 있는 폴리우레탄계 수지는 방향족 또는 지방족 디이소시아네이트계 모노머와 폴리올계 모노머를 디올 또는 디아민 화합물의 존재하에서 통상의 방법으로 중합하여 제조되며, 특별한 제한이 없다.
이 때, 중합된 디이소시아네이트 화합물의 구체적인 예로는 4,4-메탈렌디페닐 디이소시아네이트(MDI), 이소포론디이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI), p-페닐렌디이소시아네이트(p-phenylene diisocyanate, PPDI), 나프탈렌 디이소시아 네이트(naphthalene diisocyanate, NDI), 톨루엔디이소시아네이트(toluene diisocyanate, TDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate, HMDI), 디사이클로헥실메탄 4,4-디이소시아네이트(dicyclohexylmethane 4,4-diisocyanate, H12MDI) 등이 있다.
또한, 중합된 상기 폴리올에는 폴리에틸렌그리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌 글리콜 등이 있으며, 반드시 이에 한정되지 않는다. 상기 디올 또는 디아민 화합물은 n-메틸디에탄올아민(MDEA), n-부틸디에탄올아민(BDEA), n-t-부틸디에탄올아민(TBDEA), n-메틸디프로판올아민(MDPA), n-메틸디이소프로판올 아민(MDIPA), 메틸이미노비스프로필아민(MIBPA), 이미노비스프로필아민(IBPA), 디에탄올아미노프로필아민(DEAPA)등이 있으며, 반드시 이에 한정되지 않는다.
상기 무기소재층(20a, 20b, 20c) 및 알루미늄 호일(20d) 또는 상기 무기소재층(20a, 20b, 20c) 및 알루미늄 증착필름(20e)의 층간 접착 강도는 200gf/15mm 이상인 것을 특징으로 한다. 즉, 폴리머 필름간 라미네이션 후 증착층의 박리를 최소화하기 위해서는 증착강도가 최소 200gf/15mm이상인 것이 바람직하다.
본 발명이 포함하는 외피재에 있어서, 전술한 바와 같이 열이 진공단열재 표면으로 전달될 경우, 진공단열재의 두께방향(수직방향)으로 열이 전도될 뿐만 아니라, 길이/폭방향(수평방향)으로도 이동하는 바, 열교 형상에 따른 열손실을 막기 위해서 알루미늄 호일과 상기 무기소재층이 적층되어 있는 폴리머필름을 대체하여, 알루미늄 증착필름과 상기 무기소재층이 적층되어 있는 폴리머필름을 사용할 수 있다.
그러나, 알루미늄 증착필름과 무기소재층이 적층되어 있는 폴리머필름을 사용할 경우 열전달의 수평방향으로 인하여 발생하는 열교 현상을 막을 수 있으나, 진공단열재의 장기적인 성능 고려시 배리어 성능이 좋지 않다.
그러므로, 열교 현상을 막고 일정수준 이상의 배리어 성능 유지를 위하여 본 발명은 상기 홈이 형성된 진공단열재 표면과 상기 홈이 형성되지 않은 진공단열재 표면의 반대 면에 같거나 다른 종류의 폴리머 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재를 제공한다. 전술한 두가지 종류의 폴리머필름을 외피재로 진공단열재에 함께 사용함으로써 열교 현상 축소 및 배리어 성능을 적절하게 유지할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 진공단열재는 진공단열재 내부의 수분 흡습을 목적으로 게터재(30)를 추가로 더 포함할 수 있다. 상기 게터재(30)는 상기 심재에 부착되어 적용되거나, 또는 상기 심재에 삽입되어 적용된다. 도 1에서는 상기 게터재(30)가 심재에 삽입되어 적용된 실시예가 도시되어 있다.
상기 게터재(30)는 순도 95% 이상의 생석회(CaO) 분말을 포함할 수 있고, 제올라이트, 코발트, 리튬, 활성탄, 산화알루미늄, 바륨, 염화칼슘, 산화마그네슘, 염화마그네슘, 산화철, 아연 및 지르코늄 중에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
진공단열재 제조방법
본 발명은 유리섬유가 니들링 처리되어 판상의 매트를 마련하는 단계; 상기 매트를 하나 이상 적층하여 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는 단계; 상기 배열된 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 심재(10)는 글라스 울(Glass wool)이 니들링(Needling) 처리된 판상의 매트(Mat)가 하나 이상 적층되어 형성될 수 있고, 이 때 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는 것을 특징으로 한다. 상기 매트의 밀도는 100~300g/mm3인 것이 바람직하다. 상기 매트의 밀도가 100 g/mm3미만인 경우 충분한 단열 성능의 확보가 어렵고, 300 g/mm3를 초과하는 경우, 취급이 용이하지 않고 진공 단열재의 굽힘성 등이 저하되는 단점이 있다.
그러나 매트의 밀도가 제한되는 것은 아닌바, 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는바 진공단열재의 굽힘성이 향상되고, 진공단열재로의 압축가공에 있어서도 유리섬유의 끊김이 없어 단열성능을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 유리섬유를 성분으로 하는 심재를 마련하는 단계; 상기 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및 상기 외피재의 내부를 감압하는 단계를 포함하고, 상기 외피재로부터 상기 심재에 걸쳐 프레스 가공에 의하여 하나 이상의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법을 제공한다.
즉, 심재(10)의 내측 층의 바인더 농도가 작고, 내부가 부드럽기 때문에, 용이하게 성형체에 홈을 절삭 형성할 수 있고, 일정성분의 폴리머 및 금속을 포함하는 외피재의 종류를 한정하는바, 금형 프레스에 의한 외피재(20)의 데미지의 우려가 없다. 또, 홈(40)의 형성은, 성형체를 가열 압축할 때의 금형으로 행하여도 된다. 보다 구체적으로, 진공단열재 표면에 홈을 형성시키는 경우, 압입력에 의해서 외피재가 인장되어 크랙 발생 또는 파단이 일어날 수 있으므로 인장강도 및 신율이 좋은 외피재를 홈이 발생하는 진공단열재 표면에 적용시키는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
<실시예1>
먼저, 상기 도 1에서 설명한 직경이 1~6㎛인 글라스 섬유 집합체 및 실리카를 포함하는 무기 바인더로 이루어지는 5mm의 판상의 보드가 각각 한층씩 적층법에 의해 적층되어 복합체로 구성된 심재를 10X190X250mm(두께X폭X길이)의 크기로 제조한 후 진공단열재용 심재로 사용하였다. 이때 순도 95%의 생석회(CaO) 5g을 파우치에 넣어서 제조한 게터재 1개를 도 1과 같이 심재에 삽입시켰다.
다음으로, 위로부터 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 (PET) 12㎛, 나일론(Nylon) 필름 25㎛, Al 호일 7㎛ 및 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름 50㎛의 구조로 형성된 진공 외피재(Koptri-113643-1, ㈜LG하우시스)를 형성하였다.
그 다음으로 상기 심재를 상기 외피재에 삽입한 후 1Pa의 진공도 상태에서 밀봉하여 본 발명에 따른 진공단열재를 제조하고, 프레스 가공에 의하여 상기 외피재로부터 상기 심재에 걸쳐 홈의 깊이 2.8mm, 홈 표면폭 40mm, 홈 둘레 44mm인 홈을 두개 형성하였고, 이때 홈 모서리부는 반지름이 10mm인 원의 호로 곡면처리 되어 있었다.
<실시예2>
상기 실시예1과 모든 조건이 동일한 진공단열재를 제조하되, 위로부터 12㎛ 알루미늄 증착필름(VM-PET) 3장 및 50㎛ 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름이 적층되어 형성된 진공 외피재(Koptri-113643-2,㈜LG하우시스)를 형성하였다. 이 때, 상기 알루미늄 증착필름의 알루미늄의 두께는 0.04㎛으로 하였다.
<실시예 3>
상기 실시예1과 모든 조건이 동일한 진공단열재를 제조하되, 상기 실시예1의 외피재를 홈이 있는 진공단열재의 표면, 상기 실시예 2의 외피재를 홈이 있는 진공단열재의 반대면에 적용하였다.
< 실험예1 > - 외피재의 구조별 열전도율
상기 실시예 1 및 2 진공단열재에 적용된 외피재에 대해서, 열전도도 측정기기(LFA 447)를 이용하여 열확산율, 비열, 밀도를 측정하였고, 레이저 플레쉬 방법(Laser flash method)을 이용한 열전도도 측정결과를 하기 표 1에 기재하였다.
시료명 밀도(g/cm2) 열확산계수(mm2/s) 비열(J/g/K) 열전도도(W/m·K)
실시예1(수직) 1.131 0.117 1.819 0.240
실시예1(수평) 1.131 8.522 1.819 17.531
실시예2(수직) 1.074 0.111 1.806 0.216
실시예2(수평) 1.074 1.202 1.806 2.331
상기 표 1의 결과를 살펴 볼 때 본 발명의 외피재의 수직방향의 열전도율은 실시예1 및 2 모두 0.25(W/m·K)이하인 것을 볼 수 있다. 그러나 수평방향에서의 열전도율은 알루미늄 호일을 포함하는 폴리머 필름으로 구성된 외피재를 사용한 실시예1의 경우가, 알루미늄 증착필름을 포함하는 폴리머 필름으로 구성된 외피재를 사용한 실시예2의 경우보다 열전도율이 더 높았는바, 실시예1의 경우 열교현상에 따른 열손실이 발생함을 알 수 있었다.
그러므로, 본 발명 진공단열재의 수평방향 열전도율에 있어서는 실시예2가 열전도율이 더 낮은바, 알루미늄 증착필름을 사용함으로써 열교현상을 감소시킬 수 있다고 할 것이다.
< 실험예2 > - 외피재의 구조별 배리어 성능
상기 실시예 1 및 2의 진공단열재에 적용된 외피재에 대해서, 산소투과도 시험기(MOCON사, OX-TRAN)를 이용하여 온도 23℃ 및 상대습도 0% 조건에서 산소 투과도를 측정하였고, 투습기 시험기(MOCON사의 AQUATRAN 1(G))를 이용하여 온도 37.8℃, 상대습도 100% 조건에서 측정된 투습도 측정결과를 하기 표 2에 기재하였다. 이 때, 투습도란 규정된 온도 및 습도 아래에서 1시간 동안 직물 1 m2를 통과하는 수증기의 무게를 일컫는다.
실시예1 실시예2
산소투과도(cc/m2,day) 0.0005이하 0.005이하
투습도(g/m2,day) 0.00005이하 0.05이하
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 산소투과도 및 투습도의 수치가 높을수록 기체 및 액체의 투습기능이 더 뛰어나다는 것을 의미하는바, 실시예2가 산소투과도 및 투습도가 더 높게 측정된것으로 보아, 실시예 1에 비하여 배리어 성능이 떨어짐을 알 수 있었다.
또한, 도시하지 않았지만, 85℃ 오븐에서 23주간 매주 단위로 시간대비 열전도율을 측정하여 진공단열재의 가속수명(신뢰도)을 평가하였는바, 시간이 흐를수록 실시예2의 열전도율을 급격하게 상승하였는바, 장기성능에 있어서는 실시예1의 열전도율이 더 우수한 것으로 나타났다. 그러므로, 알루미늄 호일을 포함하는 폴리머 필름으로 구성된 외피재가 배리어 성능을 더 우수하게 함을 알 수 있었다.
결과적으로, 상기 <실험예1> 및 <실험예2>에 의해서, 실시예2를 사용하는 경우 열전도율이 우수한 것에 비해 장기 내구성이 나쁘게 측정되고, 산소투과도 및 투습도가 높게 측정되었는바, 배리어 성능에 좋지 않은 영향을 주는 것을 확인하였다.
< 실험예3 > - 다른 종류의 외피재를 적용한 진공단열재의 열전도율
실제 냉장고에 장착하는 기준과 동일하게 착안하여 상기 실시예 1 내지 3의 외피재를 포함하는 진공단열재를 PU Foam과 합지한 상태에서, 열전도율의 측정설비(EKO사 HC-074-200) 내부의 중심센서에 맞도록 진공단열재의 위치를 다르게 하였고, 도 6의 ①②③④의 위치에서 PU Foam을 커팅하면서 열전도율을 측정하였다. 이에 따라, 열교(Heat-bridge) 현상에 대한 효과를 평가하였고, 그 실험결과를 하기 표 3에 기재하였다.
외피재
상/하 Barrier층
열전도율(K·factor, kcal/mhr℃)
진공단열재 단품 측정위치
실시예1 0.00328 0.0168 0.0181 0.0117 0.0093
실시예2 0.00275 0.0168 0.0149 0.0092 0.0090
실시예3 0.00294 0.0168 0.0161 0.0092 0.0090
상기 표 3의 결과를 도 7에 그래프로 나타내었다. 이때 도 7을 참고하여 열교효과에 가장 많은 영향을 받는 ②위치에서의 열전도율 측정결과를 검토한 결과, 실시예2가 실시예 1 및 실시예 3보다 단열성능이 우수함을 알 수 있었다. 그러므로, 상기 실험예 1과 마찬가지로 수평으로의 열전도에 의해서 열을 손실하는 열교현상을 막기위해서는 실시예2와 같이 알루미늄 증착필름을 포함하는 폴리머필름을 외피재로 사용함이 바람직하다 할 것 이다.
그러나, 상기 <실험예2>에서 살펴본 바와 같이 실시예2를 사용하는 경우 열전도율이 우수한 것에 비해 장기 내구성, 산소투과도 및 투습도가 나쁘게 측정되므로 장기적으로 배리어 성능에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 그러므로 실시예1 및 실시예2의 외피재를 함께 사용하는 실시예 3의 경우가 열교 및 배리어 성능을 적정선에 맞추는 데 있어 바람직함을 알 수 있었다.
100 : 진공단열재
10 : 심재, 20 : 외피재, 30 : 게터재, 40 : 홈
100a: 진공단열재 두께, 40b: 홈깊이
40c: 홈 표면폭, 40d: 홈 이면폭
40e: 홈둘레, R: 홈모서리부
R1: 홈이면 모서리부, R2: 홈표면 모서리부
20a, 20b, 20c: 무기소재층
20d: 알루미늄 호일 20e:알루미늄 증착필름

Claims (14)

  1. 유리섬유로 이루어지는 심재; 및 상기 심재를 수납하고 내부를 감압한 외피재를 포함하는 진공단열재에 있어서, 상기 진공단열재 표면에 홈이 하나 이상 형성되어 있고, 상기 홈이 형성된 진공단열재 표면의 외피재와 상기 홈이 형성되지 않은 진공단열재 표면 반대 면의 외피재가 같거나 다른 종류의 폴리머 필름을 포함하고,
    상기 심재는 유리섬유가 니들링 처리된 판상의 매트가 하나 이상 적층되어 형성되고, 상기 매트의 밀도가 100g/mm3 내지 300g/mm3이며,
    상기 홈의 둘레는 상기 홈의 표면 폭의 100% 내지 130%이고,
    상기 홈의 모서리부는 홈 표면 모서리부 및 홈 이면 모서리부를 포함하고,
    상기 홈의 모서리부는 반지름이 1mm 내지 20mm인 원의 호를 포함하는 곡면인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 상기 진공단열재 두께의 30% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 홈의 이면폭은 상기 홈의 표면폭의 30% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 외피재는 무기소재층이 하나 이상 적층된 폴리머 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 무기소재층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프 탈레이트(PET), 나일론, 염화 비닐리덴 필름(PVDC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), K-PET 중 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 폴리머 필름은 6㎛ 내지 12㎛ 두께를 갖는 알루미늄 호일(aluminum foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 폴리머 필름은 10㎛ 내지 20㎛ 두께를 갖는 하나 이상의 알루미늄 증착필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기소재층, 알루미늄 호일 및 알루미늄 증착필름은 각각 폴리우레탄계 수지에 의해서 접착되고, 층간 접착 강도는 200gf/15mm 이상인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
  12. 삭제
  13. 유리섬유가 니들링 처리되어 판상의 매트를 마련하는 단계;
    상기 매트를 하나 이상 적층하여 하나 이상의 홈을 포함하도록 심재를 배열하는 단계;
    상기 배열된 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및
    상기 외피재의 내부를 감압하는 단계;를 포함하고,
    상기 홈이 형성된 진공단열재 표면의 외피재와 상기 홈이 형성되지 않은 진공단열재 표면 반대 면의 외피재가 같거나 다른 종류의 폴리머 필름을 포함하고,
    상기 매트의 밀도가 100g/mm3 내지 300g/mm3이며,
    상기 홈의 둘레는 상기 홈의 표면 폭의 100% 내지 130%이고, 상기 홈의 모서리부는 홈 표면 모서리부 및 홈 이면 모서리부를 포함하고, 상기 홈의 모서리부는 반지름이 1mm 내지 20mm인 원의 호를 포함하는 곡면이 되도록 상기 심재를 배열하는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법.
  14. 유리섬유를 성분으로 하는 심재를 마련하는 단계;
    상기 심재를 외피재에 삽입하는 단계; 및
    상기 외피재의 내부를 감압하는 단계;를 포함하고,
    상기 외피재로부터 상기 심재에 걸쳐 프레스 가공에 의하여 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈이 형성된 진공단열재 표면의 외피재와 상기 홈이 형성되지 않은 진공단열재 표면 반대 면의 외피재가 같거나 다른 종류의 폴리머 필름을 포함하고,
    상기 심재는 유리섬유가 니들링 처리된 판상의 매트가 하나 이상 적층되어 마련되고, 상기 매트의 밀도가 100g/mm3 내지 300g/mm3이며,
    상기 홈의 둘레는 상기 홈의 표면 폭의 100% 내지 130%이고, 상기 홈의 모서리부는 홈 표면 모서리부 및 홈 이면 모서리부를 포함하고, 상기 홈의 모서리부는 반지름이 1mm 내지 20mm인 원의 호를 포함하는 곡면이 되도록 상기 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법.
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