KR101492441B1 - 상변화물질 및 에어로겔을 포함하는 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

상변화물질 및 에어로겔을 포함하는 복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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한정호
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알이엠텍 주식회사
유정근
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Abstract

본 발명은 에어로겔을 포함하는 기재에 상변화물질이 적용된 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 소수성 에어로겔을 포함하는 기재 및 상기 에어로겔의 공극에 내포되어 있는 상변화물질을 포함하는 복합재; 및 소수성 에어로겔을 포함하는 기재의 일면에 액상의 상변화물질을 적용하는 단계를 포함하는 복합재 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 견지에 의한 에어로겔 함유 기재에 상변화물질이 적용된 복합재에서 상변화물질은 에어로겔의 미세한 공극에 견고하게 내포된다. 나아가, 본 발명에 의한 복합재는 에어로겔에 내포되어 있는 상변화물질과 상변화물질이 내포되어 있지 않은 에어로겔의 복합적인 작용에 의한 우수한 단열성뿐만 아니라 에너지 저장 및 방출 효과를 나타낸다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 복합재에는 일 측면에만 상변화물질이 적용되어 있음으로, 본 발명에 의한 복합재가 단열 및 온도조절기능이 요구되는 적용처에 적용되는 경우에, 에너지 흐름의 방향성을 일 방향으로 용이하게 제어할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의한 복합재에서 상변화물질은 상변화물질의 캡슐화 및 에어로겔과의 혼합 등 별도의 공정을 필요로 하지 않으며, 간단하고 용이하게 에어로겔 함유 기재에 적용된다.

Description

상변화물질 및 에어로겔을 포함하는 복합재 및 이의 제조방법{Composite Comprising Phase Change Material and Aerogel and Preparing Method thereof}
본 발명은 상변화물질(Phase Change Materials, 이하, 'PCM'이라 하기도 한다.) 및 에어로겔을 포함하는 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 에어로겔을 포함하는 기재에 상변화물질이 적용된 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에어로겔은 기공율이 90%이상이고, 비표면적이 수백~1000m2/g 정도인 투명 또는 반투명한 극저밀도의 첨단소재이다. 따라서, 이러한 나노 다공성 구조를 갖는 에어로겔은 촉매 및 촉매 담체, 방음재 등의 분야에 응용이 가능하며, 특히, 에어로겔은 높은 투광성과 극저의 열전도도 특성을 가지기 때문에 투명 단열재로 각광을 받고 있을 뿐만 아니라, 냉장고, 냉동기 및 열축적 장치 등에 사용될 수 있는 매우 효율적인 초단열 재료이다.
한편, 근래에 오존층 파괴, CO2 배출에 따른 지구온난화, 기타 각종 환경오염 물질 배출에 따른 자연환경 파괴 등의 환경문제가 범세계적인 공동대처 과제로 대두되고 있다. 이에 따라, CO2 등 온실가스의 배출 규제로 인한 환경규제, 무역장벽 강화 등에 대응한 범국가적인 기술 및 정책 개발이 추진되고 있다.
이러한 개발의 일환으로 에너지의 효율적인 이용을 위한 열에너지의 저장, 변환, 전달 및 이용기술의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 기술 중에는 화학물질로서 에너지를 저장하는 화학적 저장방법 및 열에너지를 에너지의 형태변화 없이 헌열 및 잠열을 이용하여 저장하는 방법 등이 있다.
에너지 효율을 극대화하기 위해서 높은 열용량을 갖는 새로운 열전달 매체를 사용하는 연구가 진행되어 왔으며, 특히, 상변화물질을 이용한 잠열 축열법에 관한 연구가 진행되어 왔다.
한편, 상변화물질(Phase Change Material)은 특정한 온도에서 온도 변화 없이 고체에서 액체, 또는 액체에서 기체로 또는 그 반대방향으로 상이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질을 의미한다. 이러한 상변화물질을 건물 벽체, 천장, 바닥 등에 적용하므로써 상변화물질의 잠열에 의해 외부의 열적변화를 흡수하는 축열기능에 의해 건축물의 단열 및 에너지 절감을 동시에 달성할 수 있다. 이러한 잠열을 이용한 열에너지 저장방법인 잠열 축열법은 단위 부피당 혹은 단위 무게당 많은 양의 열을 저장할 수 있다.
잠열을 이용한 축열방법에서 상변화물질은 대개 -10℃ 내지 60℃의 용융온도를 가지고 있으며, 온도변화에 따른 액상화로 인한 상변화물질의 유출로 인하여 성형가공하여 실생활에 적용하기 어려운 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 일반적으로 상변화물질은 캡슐화하여 사용된다. 예를 들면, 한국 특허출원 2003-88712 및 한국 특허출원 2005-133799에는 캡슐화된 상변화물질에 관한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상변화물질을 캡슐화하기 위해서는 이를 위한 별도의 공법을 필요로 한다. 따라서, 상변화물질의 캡슐화로 인하여 비용이 증가하며 사용이 제한된다. 뿐만 아니라, 적용 온도 및 물리적인 충격으로 사용 도중에 캡슐이 파손되는 경우에는 액상의 상변화물질이 유출되는 문제가 있다.
또한, 상변화물질을 에어로겔과 혼합하는 방법이 종래 알려져 있으나, 에어로겔은 극저밀도의 물질로서 상변화물질과 단순한 혼합방법으로 혼합하여 사용하기 매우 어려우며, 에어로겔이 갖는 나노기공구조 안으로 상변화물질을 충진하여 사용하는 것에 대한 기술적 한계를 갖고 있다. 뿐만 아니라, 상변화물질이 충진된 에어로겔을 섬유기재등과 복합화하는 경우에는, 고온처리 공정에서 행하여지므로 에어로겔 내의 상변화물질이 유출될 수 있다.
한편, 이러한 상변화물질의 적용시에는, 상변화물질에 의한 에너지 흐름의 방향성이 중요시된다. 구체적으로, 예를 들어, 상변화물질을 실내에 적용하는 경우에, 상변화물질이 실내의 온도에 의해서만 상변화되고 실내의 공기와만 에너지 교환이 이루어져야 상변화물질에 의한 온도 제어효과를 얻을 수 있다. 따라서, 실외쪽을 향하는 상변화물질 부분은 단열물질에 의해 에너지의 흐름이 차단되는 것이 바람직하다. 즉, 실외쪽을 향하는 부분이 제대로 단열되지 않으면, 상변화물질이 외부의 공기와 에너지를 교환하게 됨으로, 상변화물질이 갖는 고유의 축열기능을 하지 못하여 실내 에너지 효율성 및 온도 제어에 상변화물질이 기여하지 못하게 되는 문제가 있다.
이에 본 발명은 별도의 캡슐화 없이 상변화물질이 직접적으로 적용되는 새로운 상변화물질 및 에어로겔을 복합재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 우수한 단열성 및 열저장 특성을 갖는 상변화물질 및 에어로겔을 포함하는 복합재를 제공하는 것이다.
나아가 본 발명은 별도의 캡슐화 없이 상변화물질이 직접적으로 적용되는 상변화물질 및 에어로겔을 포함하는 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1견지에 의하면,
에어로겔을 포함하는 기재; 및 상기 에어로겔의 공극에 내포되어 있는 상변화물질을 포함하는 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 2 견지에 의하면,
상기 상변화물질은 상기 에어로겔을 포함하는 기재중 일면의 에어로겔 공극에 주로 내포되어 있는 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 3견지에 의하면,
상기 에어로겔을 포함하는 기재는 에어로겔을 포함하는 지류, 시멘트, 도료, 유무기 복합재, 세라믹체, 및 섬유 기재로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종인 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 4견지에 의하면,
상기 상변화물질은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸, 폴리에틸렌 글리콜, Na2SO4·10H2O, Na2HPO4·12H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2S3O3·5H2O, CH3COONa·3H2O, Fe2O3·4SO3·9H2O, NaNH4SO4·2H2O, NaNH4HPO4·4H2O, FeCl3·2H2O, Na3PO4·12H2O, Na2SiO3·5H2O, Ca(NO3)2·3H2O, K2HPO4·3H2O, Na2SiO3·9H2O, Fe(NO3)3·9H2O, K3PO4·7H2O, NaHPO4·12H2O, CaCl2·6H2O 및 Na(CH3COO)·3H2O로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 일종인 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 5견지에 의하면,
상기 복합재에서 상변화물질의 함량은 기재 1m2에 대하여 100 내지 20,000g의 양으로 적용되는 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 6견지에 의하면,
상기 복합재는 건축용 자재, 냉장고용 판넬, 냉동탑차 단열충진재, 난방용 판넬, 항온 용기 또는 기능성 섬유제품으로 사용되는 복합재가 제공된다.
본 발명의 제 7견지에 의하면,
에어로겔을 포함하는 기재의 일면에 액상의 상변화물질을 적용하는 단계를 포함하는 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 8견지에 의하면,
필요에 따라 건조하는 단계를 추가적으로 포함하는 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 9견지에 의하면,
상기 건조하는 단계는 30℃ 내지 150℃로 건조하는 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 10견지에 의하면,
상기 건조하는 단계는 대류식 송풍건조, 오븐건조, 마이크로웨이브건조, 퍼네이스건조, 또는 UV건조 방법으로 행하는 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 11견지에 의하면,
상기 에어로겔을 포함하는 기재는 에어로겔을 포함하는 지류, 시멘트, 도료, 유무기 복합재, 세라믹체, 및 섬유 기재로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종인 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 12견지에 의하면,
상기 상변화물질은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸, 폴리에틸렌 글리콜, Na2SO4·10H2O, Na2HPO4·12H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2S3O3·5H2O, CH3COONa·3H2O, Fe2O3·4SO3·9H2O, NaNH4SO4·2H2O, NaNH4HPO4·4H2O, FeCl3·2H2O, Na3PO4·12H2O, Na2SiO3·5H2O, Ca(NO3)2·3H2O, K2HPO4·3H2O, Na2SiO3·9H2O, Fe(NO3)3·9H2O, K3PO4·7H2O, NaHPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, 및 Na(CH3COO)·3H2O로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 일종인 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 13견지에 의하면,
상기 상변화물질은 기재에 100 내지 20,000g/㎡의 양으로 적용되는 복합재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 견지에 의한 상변화물질이 내포되어 있는 에어로겔을 함유하는 복합재에서 상변화물질은 에어로겔의 미세한 공극에 견고하게 내포되어 고착된 상태로 존재한다. 즉, 에어로겔은 극저밀도의 다공성물질로서 상변화물질은 이러한 에어로겔의 다공성구조에 화학적 및/또는 물리적으로, 견고하게 내포되어 고착된 상태를 유지한다.
뿐만 아니라, 상변화로 인하여, 상변화물질이 액화되는 경우에도 에어로겔의 다공성 구조에 고착된 상변화물질은 에어로겔과 유사한 겔상(gel phase)으로 변할 뿐이며, 상변화물질의 에어로겔의 다공성 구조에 대한 표면장력에 의한 모세관 현상으로 에어로겔의 공극에서 액상으로 흘러내리지 않는다. 상변화물질은 또한, 에어로겔 함유 기재중의 다수의 에어로겔의 공극에 고르게 분포되므로 본 발명에 의한 복합재는 복합재 전체에 걸쳐서 균일하고 안정적인 에너지 저장 효과뿐만 아니라 단열성을 나타낸다. 나아가, 본 발명에 의한 복합재는 에어로겔에 내포되어 있는 상변화물질과 상변화물질이 내포되어 있지 않은 에어로겔의 복합적인 작용에 의한 우수한 단열성뿐만 아니라 에너지 저장 및 방출 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 의한 복합재에서 상변화물질은 주로 기재의 일면의 에어로겔에 내포됨으로(즉, 상변화물질이 내포된 에어로겔은 기재의 일변에 주로 분포함으로), 본 발명에 의한 복합재가 단열 및 온도조절 기능이 요구되는 적용처에 적용되는 경우에, 에너지 흐름의 방향성을 원하는 방향으로 제어할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 복합재에서 상변화물질은 상변화물질의 캡슐화 및 에어로겔과의 혼합 등 별도의 공정을 필요로 하지 않으며, 간단하고 용이하게 에어로겔 함유 기재에 적용된다.
도 1은 본 발명의 일 구현에 의한, 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재 중의 에어로겔 공극에 PCM이 내포되어 있는 복합재를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현에 의한, 에어로겔을 포함하는 섬유 기재 중의 에어로겔 공극에 PCM이 내포되어 있는 복합재가 항온유지 용기에 적용된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 에어로겔 함유 층이 추가적으로 구비된, 본 발명의 다른 구현에 의한, 에어로겔을 포함하는 섬유 기재 중의 에어로겔 공극에 PCM이 내포되어 있는 복합재가 항온유지 용기에 적용된 상태를 나타내는 측단면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현에 의하여 제공되는 복합재는 에어로겔을 포함하는 기재; 및 상기 에어로겔의 공극에 내포되어 있는 상변화물질을 포함한다.
에어로겔을 포함하는 기재는 에어로겔 및 기재 베이스 재료를 포함하는 어떠한 기재일 수 있으며, 상기 기재 베이스 재료의 종류를 특히 한정하는 것은 아니다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 기재 베이스 재료는 예를 들어, 지류, 시멘트, 도료, 유무기 복합재, 세라믹체, 섬유 등일 수 있다. 상기 에어로겔을 포함하는 기재에서 에어로겔은 기재 형성시, 베이스 재료와 배합되어 기재에 포함될 수 있다.
즉, 상기 에어로겔을 포함하는 기재는 기재를 구성하는 기재 베이스 재료와 에어로겔의 혼합물로 제조된 기재를 의미한다. 상기 에어로겔을 포함하는 기재의 형태는 특히 한정하는 것은 아니지만, 일반적으로 판형일 수 있으며, 판형의 두께를 특히 한정하는 것은 아니다.
예를 들어, 에어로겔을 포함하는 지류는 지류 제조과정에서, 구체적으로는 고해단계, 사이징단계, 초지단계 및 건조단계를 포함하는 지류 제조과정에서, 사이징된 펄프와 에어로겔의 혼합물로 제조된 지류 등을 포함할 수 있다. 상기 펄프와 에어로겔의 혼합물로 제조된 지류의 제조방법 및 이러한 에어로겔을 포함하는 지류에서 에어로겔의 함량, 종류 등은 특히 한정하는 것은 아니며, 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 에어로겔을 포함하는 지류가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 에어로겔 함유 지류는 구체적으로는 한국특허출원 2009-9025에 기재되어 있는 고해단계, 사이징단계, 초지단계 및 건조단계를 포함하는 지류 제조방법에 있어서, 사이징된 펄프와 에어로겔 분말의 배합비를 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 펄프 건조중량으로, 펄프 40~99중량부 및 에어로겔 분말 1~60중량부를 혼합하고 초지하여 제조되는 방법으로 제조된 에어로겔을 포함하는 지류일 수 있다. 상기 펄프는 펄프뿐만 아니라 지류 분쇄물을 포함한다.
상기 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재는 에어로겔과 통상 일반적인 시멘트 조성물의 혼합물로 형성된 어떠한 시멘트 몰탈(mortar) 기재일 수 있다. 에어로겔의 종류, 함량, 시멘트 조성 및 구체적인 시멘트 조성물의 구성성분 등을 한정하는 것은 아니다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 한국특허출원 2010-8206에 기술되어 있는 방법으로 제조된 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재일 수 있다. 구체적으로 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재는 (1) 시멘트 550g과 물 350g의 1차 혼합물에 입상 실리카 에어로겔 500g을 첨가하고 30분간 고르게 혼합하여 2차 혼합물을 형성하고 이를 상온에서 48시간 경화시켜서 형성되는 기재, (2) 3종 물유리 500g과 분말 실리카 에어로겔 300g의 1차 혼합물에 시멘트 200g과 물 120g을 첨가하고 혼합하여 2차 혼합물을 형성하고 이를 상온에서 10시간 방치하여 경화시켜서 형성되는 기재, (3) 3종 물유리 600g, 분말 실리카 에어로겔 200g 및 입상 실리카 에어로겔 200g의 1차 혼합물에 시멘트 200g과 물 120g을 첨가하고 혼합하여 2차 혼합물을 형성하고 이를 150℃에서 2시간 동안 가열한 후에 경화시켜서 형성되는 기재, (4) 시멘트 550g과 물 450g의 1차 혼합물에 모래 600g을 첨가하고 그 후에 입상 실리카 에어로겔 500g을 첨가하고 30분간 혼합하여 2차 혼합물을 형성하고 이를 상온에서 48시간 동안 경화시켜서 형성된 기재 등을 들 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재는 시멘트 몰탈:물:에어로겔의 중량비가 1:0.1 내지 1:0.1 내지 2 범위를 갖는 것이 바람직하며, 시멘트 몰탈:물:에어로겔의 중량비가 1:0.3 내지 0.8:0.3 내지 1 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다. 시멘트 몰탈 1중량부에 물이 0.1 이하이면 시멘트화 반응이 불충분하여 문제가 있고, 1이상 이면 과도한 물의 배합비로 인하여 시멘트 기재의 강도저하가 발생하기 때문에 문제가 있다. 또한 시멘트 몰탈 1중량부에 에어로겔이 0.1 단열성능이 충분히 발현되지 못하고, 2이상이면 강도저하로 인하여 문제가 있다. 한편, 상기 시멘트 몰탈은 시멘트와 골재의 배합물로서, 시멘트 및 골재의 종류 및 이들의 조성비는 특히 한정되지 않으며, 어떠한 공지의 것이 사용될 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 에어로겔을 포함하는 섬유 기재는 에어로겔 혹은 에어로겔 전구체와 섬유를 혼합하여 제조된 섬유기재일 수 있다. 예를 들어, 직물형성 섬유, 섬유 웹 및/또는 부직물에 에어로겔 전구체를 함침시킨 다음에, 겔화 반응 및 초임계 건조에 의한 습식 공정으로 가요성 에어로겔 시트를 제조하는 방법은 일반적으로 알려져 있으며, 상기 에어로겔을 포함하는 섬유기재(시트)는 예를 들어, 이러한 방법으로 제조된 것일 수 있다.
상기와 같이 종래 에어로겔을 포함하는 상기한 어떠한 섬유 기재에 PCM이 적용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 그 예로는 한국등록특허 385829에 기재되어 있는 다공도가 60%를 초과하고 밀도가 0.6g/㎤ 미만이며 내부에 섬유가 분산되어 있는 에어로겔을 함유하는 매트형 복합재료 및 WO93/06044에 기재되어 있는 섬유와 에어로겔 전구체를 혼합하고 이를 에이징(aging) 및 초임계 건조하는 방법으로 제조되는 에어로겔 매트릭스 복합재를 들 수 있다.
또한, 에어로겔을 포함하는 섬유기재(시트)는 이로써 한정하는 것은 아니지만 예를 들어, 한국 특허출원 1999-7006686은 하나 이상의 에어로겔-함유층 및 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)-섬유를 함유하는 층으로 이루어진 다층 구조의 복합 재료를 개시하고 있다. 한국 특허출원 1998-7001779는 직경이 0.5mm 이상인 에어로겔 입자 5 내지 97용적%, 하나 이상의 결합제 및 하나 이상의 섬유재를 포함하는 복합재를 개시하고 있다.
기타, 한국특허출원 2009-48048, US 2003/0215640, US 2005/0143515, US 5,786,059, US 6,887,563 및 WO97/23675 또한, 에어로겔 및 섬유를 포함하는 섬유기재에 대하여 개시하고 있다.
도료 기재는 도료와 에어로겔을 포함하는 기재를, 유무기 복합재 기재는 유기재료 및/또는 무기재료와 에어로겔을 포함하는 기재를 그리고 세라믹체 기재는 무기재료와 에어로겔을 포함하는 기재를 말하는 것이다. 상기 도료 기재 및 유무기 복합재 기재는 별도의 기재로 사용될 수도 있으나, 어떠한 통상적인 공지의 기재 또는 본 발명에서 사용되는 에어로겔 함유 기재상에 코팅되어 본 발명의 PCM이 적용되는 기재로 사용될 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 도료 기재는 아크릴수지, 에폭시수지, 실리콘, 섬유강화플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastics) 레진, 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 초산비닐수지, 규산염, 및 인산염으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 일종의 점착성 물질과 에어로겔을 포함하는 기재를 말한다.
유무기 복합재 기재는 이로서 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카본(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 폴리비닐알코올(PVA), 및 실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 고분자물질의 유기재료, 및/또는 이로서 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 규산소다, 규산칼륨, 규산리튬, 콜로이달 실리케이트, 인산소다, 인산칼륨, 및 인산알루미늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 무기재료와 에어로겔을 포함하는 기재를 말한다.
세라믹체 기재는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 시멘트, 점토, 및 석고로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 무기재료와 에어로겔을 포함하는 기재를 말한다.
본 발명에 의한 PCM이 적용되는 에어로겔 함유 기재는 에어로겔과 기재 베이스 재료를 포함하는 한, 이들의 함량, 종류, 형태, 크기 등을 한정하는 것은 아니다.
상기 에어로겔은 종래 알려져 있는 어떠한 종류의 에어로겔이 사용될 수 있다.
에어로겔의 제조방법은 일반적으로 알려져 있으며, 구체적으로는 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 적합한 졸-겔 기술, 예를 들어, R.K.Colloid Chemistry of Silica and Silicates 1954, chapter 6; C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science, 1990, Chaps 2 and 3 등에 기술되어 있는 방법으로 제조할 수 있다.
즉, 에어로겔 전구체의 졸-겔화 공정으로 습윤겔을 제조하고 습윤겔을 건조시켜서 에어로겔을 얻는다. 습윤겔은 구체적으로는 졸-겔화 공정도중의 에어로겔 전구체와 물의 반응에 의한 가수분해, 축합반응 및 숙성과정을 거쳐 얻어진다. 예를 들어, 알코올 용매 중에서 에어로겔 전구체와 물에 촉매를 첨가하므로써 가수분해가 진행되며, 가수분해물의 축합반응이 진행되어 "졸"상태의 화합물이 형성된다. 이때, 축합반응은 염기 또는 산 촉매 존재하에 행할 수 있으나, 메탈알콕사이드를 사용하는 경우에는 염기 촉매를 사용하는 것이 좀더 바람직하다. 졸 상태의 용액이 겔화된 후에 충분한 시간동안 숙성시켜 습윤겔로 제조된다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 보다 구체적으로 예를 들면, 에어로겔은 에어로겔 전구체를 사용하여 습윤겔을 제조하는 공정과 습윤겔을 건조시키는 공정에 의해 제조될 수 있다. 습윤겔 제조시 졸-겔화 공정이 이용된다. 졸-겔화 공정에서는 먼저, 에어로겔 전구체가 가수분해에 의한 수화반응 및 축합반응이 진행(1 단계)되고 그 후, 겔화 및 숙성과정을 거쳐 습윤겔이 형성(2 단계)된다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 1 단계에서는 에탄올에 용해된 에어로겔 전구체 용액에 촉매로서 염산 등을 가하고 증류수를 적하하여 부분 가수분해시킨다. 그 후, 2 단계에서는 1 단계에서 생성된 용액에 증류수와 메탄올을 첨가하고 암모니아수등의 촉매를 사용하여 습윤겔을 형성할 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 에어로겔의 전구체로는 물유리 또는 금속알콕사이드가 사용될 수 있다. 에어로겔 전구체로서 물유리가 사용되는 경우에는 염을 제거하기 위한 전처리 공정을 필요로 하며, 이는 일반적인 것이다. 금속 알콕사이드로는 각 알킬기가 1 내지 6개인 탄소원자, 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소원자를 갖는 것이 사용될 수 있으며, 이러한 화합물로는 특별히 이로써 제한하는 것은 아니나, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라-n-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄-sec-부톡사이드, 세륨 이소프로폭사이드, 하프늄 tert-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로폭사이드, 이트륨 이소프로폭사이드, 티타늄 이소프로폭사이드 및 지르코늄 이소프로폭사이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 단독으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 특히, 실란을 포함하는 테트라에톡시 실란(TEOS)이 가장 바람직한 금속 알콕사이드이다.
에어로겔은 친수성 에어로겔 및 소수성 에어로겔이 모두 사용될 수 있다. 구체적으로, 무기계 PCM은 친수성 에어로겔의 미세공극에 침투 및 흡착되어 고착되기에 적합하며, 유기계 PCM은 소수성 에어로겔의 미세공극에 침투 및 흡착되어 고착되기에 적합하다.
소수성 에어로겔은 에어로겔 표면의 소수성으로 인하여 본 발명에 의한 복합재가 우수한 방수성 및 발수성을 나타낸다. 또한, 에어로겔 표면의 소수성으로 인하여 대기중 수분의 복합재내로의 유입이 차단되므로 에어로겔의 다공성 구조가 장기간동안 유지되어 단열성 등의 물성이 또한 장기간 유지될 수 있다.
상기와 같이 에어로겔로는 공기중의 수분 흡수가 방지되도록 소수성으로 표면처리된 에어로겔이 사용될 수 있으며, 종래 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 소수성화 처리된 에어로겔이 사용될 수 있다. 이로써 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 실릴화 처리된 에어로겔 등이 사용될 수 있다.
에어로겔 표면의 소수화처리는 실릴화 처리로서, 화학식 R1 4-n-SiXn 혹은 R3Si-O-SiR3(여기서, n은 1~3이고, R1은 C1-C10, 바람직하게는 C1-C5의 알킬 또는 C6-C10의 방향족, 헤테로방향족 알킬 또는 수소이고, X는 F, Cl, Br, I로 부터 선택된 할로겐원소이며, 바람직하게는 Cl이며 혹은 C1-C10, 바람직하게는 C1-C5의 알콕시 그룹, 또는 C6-C10 방향족 알콕시 그룹, 헤테로 방향족 알콕시 그룹이며, R3 그룹은 동일하거나 또는 상이하며, C1-C10 알킬 또는 C6-C10 방향족 알킬, 헤테로 방향족 알킬 또는 수소임) 등이 사용될 수 있다.
상기 실릴화제의 구체적인 예로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 헥사메틸디실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란 및 트리에틸클로로실란 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 복합재에 사용될 수 있는 소수성으로 표면개질된 에어로겔은 이로써 제한되는 것은 아니지만, 대한민국 특허출원 제 2007-15018, 2007-25662, 2007-29648, 2007-95477, 2007-95478, PCT/KR08/001730 및 PCT/KR08/005570의 소수성으로 표면개질된 에어로겔 입자 또는 분말이 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상변화물질은 특정온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체 또는 액체에서 기체 또는 그 반대 방향으로 상이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질이다.
상변화물질로 사용되기 위해서는 다음과 같은 조건이 요구된다. 먼저 열역학적으로 ① 요구되는 운전 온도 범위에서의 녹는점, ② 높은 단위체적당 융해잠열 (즉, 주어진 양의 에너지 저장 요구체적 감량), ③ 고상 및 액상에서의 높은 열전도도, ④ 축열 시스템에서의 에너지 흡수 및 방출, ⑤ 상 변화시 작은 체적변화 및 운전 온도에서의 작은 증기압이 요구된다. 또한, 화학적으로 ① 가역적인 응결 및 융해 싸이클, ② 수차례의 응결 및 융해 싸이클 후의 일정한 품질 유지, ③ 건축 자재에 대한 비부식성 및 ④ 비독성, 비인화성 및 비폭발성 물질일 것이 요구된다.
상변화물질로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, n-파라핀계 물질, 예컨대, n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸; 폴리에틸렌 글리콜, Na2SO4·10H2O, Na2HPO4·12H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2S3O3·5H2O, CH3COONa·3H2O, Fe2O3·4SO3·9H2O, NaNH4SO4·2H2O, NaNH4HPO4·4H2O, FeCl3·2H2O, Na3PO4·12H2O, Na2SiO3·5H2O, Ca(NO3)2·3H2O, K2HPO4·3H2O, Na2SiO3·9H2O, Fe(NO3)3·9H2O, K3PO4·7H2O, NaHPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na(CH3COO)·3H2O인 등이 사용될 수 있다. 상기 상변화물질은 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 본 발명에 의한 복합재는 상기 에어로겔을 포함하는 기재의 일면에 상기 상변화물질을 적용하여 제조된다. 구체적으로는 상기 상변화물질을 용융된 상태의 액상 및/또는 희석용제(예를 들어, 알콜류(예, 메탄올, 에탄올, 톨루엔, 자일렌, 이소프로필알콜 등), 물(예, 초순수, 이온수, 천연수 등)에 용해된 액상으로 상기 에어로겔을 포함하는 기재의 일면에 적용하므로써 PCM이 에어로겔 및 기재 베이스 재료 사이의 미세한 공극 내로 유입된다.
PCM은 융점보다 높은 온도(예를 들어, 약 60℃ 내지 80℃의 온도)에서 용융되어 액상으로 존재한다. 상기와 같이 에어로겔 함유 기재에 용융된 액상 PCM을 적용하고 융점보다 낮은 온도에서 자연 방치함으로써, PCM은 에어로겔 미세한 기공 내에 유입되어 고착된다.
또한, PCM은 희석용제, 예를 들어 알코올류 및/또는 물에 용해시켜서 액상으로 에어로겔 기재에 적용함으로써 PCM이 에어로겔 미세 기공 내에 유입되어 고착되도록 할 수 있다. 예를 들어, 기재에 대한 적용 용이성 및 점도를 고려하여, PCM 1중량부당 희석용제를 0.05 내지 0.2 중량부로 사용하여 PCM을 용해시켜서 사용할 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 액상 PCM은 에어로겔 함유 기재에 분무 또는 코팅 등의 방법으로 적용된다. 상기와 같이 에어로겔 함유 기재에 용제에 용해된 액상으로 적용된 PCM은 적용된 후에, 필요에 따라 용제를 건조함으로써, 기재 공극 사이에 1차적으로 유입되고 그 후에 에어로겔의 미세 공극에 의한 흡착 및 모세관 현상 등에 의해 에어로겔의 미세기공에 2차적으로 흡착되어 고착됨으로써, 에어로겔의 미세기공에 PCM이 견고하게 고착된 상태를 유지한다.
상기한 바와 같이, PCM이 에어로겔 공극에 고착화된 후에는, PCM이 융점이상의 온도에서 액상으로 되더라도, 에어로겔의 미세기공에 대한 물리적 및/또는 화학적 결합으로 인하여 PCM이 쉽게 빠져나오지 못하게 된다.
한편, 용융된 혹은 용해된 PCM이 적용된 상기 복합재는 고착상태를 견고하게 유지하기 위해서 및/또는 용제를 제거하기 위해, 필요에 따라, 건조될 수 있다. 건조는 이로써 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 상온(예를 들어, 15℃ 내지 25℃) 내지 150℃의 온도로 건조할 수 있다. 건조 방법으로는 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 어떠한 방법이 사용될 수 있으며, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 자연 건조, 대류식 건조, 송풍 건조, 오븐 건조, 마이크로웨이브 건조, 퍼네이스 건조, 또는 UV 건조 방법이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 견지에 의한 PCM이 에어로겔 공극에 내포된 복합재는 에어로겔에 의한 단열성이 또한 유지되어야 한다. 따라서, PCM에 의한 열의 흡수, 방출 효과 및 에어로겔에 의한 단열성이 동시에 확보되도록 PCM이 내포된 에어로겔은 기재의 일면, 예를 들어, PCM이 적용되는 면에 주로 존재하며, 반대면, 예를 들어, PCM이 적용되는 표면의 반대면 쪽의 에어로겔 공극은 PCM이 포함되지 않은 상태로 유지되는 것이 바람직하다. 이러한 PCM이 내포된 에어로겔 기공의 분포는 기재 면적당 PCM의 도포량으로 조절할 수 있다. 본 발명에 의한 복합재에서 PCM이 내포된 에어로겔이 주로 존재하는 측면은 주로 축열기능을 하며, PCM이 내포되지 않은 에어로겔이 주로 존재하는 측면은 주로 단열기능을 한다. 한편, 상기 복합재에서 PCM이 내포된 에어로겔이 또는 PCM이 내포되지 않은 에어로겔이 "주로" 존재한다는 의미는 이러한 에어로겔이 측면에 존재하는 에어로겔의 70체적%이상, 바람직하게는 80체적%이상, 보다 바람직하게는 90체적%이상임을 의미한다.
본 발명의 일 구현예로서, 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재의 일면에 PCM이 코팅된 복합재(100)를 도 1에 나타내었다. 에어로겔을 함유하는 시멘트 기재의 일면에 PCM이 액상으로 적용되면, PCM은 에어로겔을 함유하는 시멘트 기재에 1차적으로 스며들어 시멘트 기재 사이의 공극(11(2))를 채우게 되지만, 시멘트 기재 사이의 공극에 채워져 있는 PCM은 흡착 및 모세관 현상 등에 의해 에어로겔의 미세기공에 2차적으로 흡착되어 고착됨으로써, 에어로겔의 미세기공에 PCM이 견고하게 고착된 상태(11(1))가 된다.
주로 액상 PCM이 적용된 표면 쪽의 에어로겔 공극이 PCM으로 채워지고, 반대쪽 면의 에어로겔 공극(12) 및 시멘트 기재 사이의 공극(13)은 채워지지 않을 수 있다. 도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위해 편의상, 에어로겔 공극 및 기재 내의 공극을 과장되게 표현하였으며, 그 크기 등은 실제 상황을 반영하는 것은 아니다. 뿐만 아니라, 시멘트 기재의 일면에 적용된 PCM을 (11)로 나타내었으나, 이들은 도 1에 나타낸 바와 같이 층으로 존재한다기 보다는 기재내의 에어로겔의 공극에 스며들게 된다. 또한, 기재 상의 공극은 에어로겔 미세 공극 보다 크지만, 에어로겔 공극에 PCM이 고착됨이 명확하게 이해될 수 있도록 에어로겔 공극이 더 크게 표현되었다.
상기 도 1에서 시멘트 기재 사이의 공극에 에어로겔이 포함되어 있는 것으로 표현되었으나, 이는 에어로겔 함유 기재에 PCM이 처음 적용될 때의 상태이며, 기재 공극에 포함되어 있는 PCM은 2차적으로 에어로겔의 미세공극 내로 흡입되어 고착된다. 이러한 사항은 하기 도 2 및 3에 또한 동일하게 적용되며, 이 기술분야의 기술자는 이러한 도면으로부터 본 발명에 의한 PCM의 적용상태를 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명에 의한 PCM이 내포된 에어로겔을 포함하는 복합재는 항온 용기 등 내부의 온도를 일정하게 유지할 필요가 있는 적용처, 예를 들어, 화장품, 화학약품, 의약품 보관 용기 등에, 이들 용기의 내부의 온도가 일정하게 유지되도록 적용될 수 있다. 이러한 경우에, 본 발명의 일 견지에 의한 복합재는 PCM이 내포된 에어로겔이 주로 존재하는 부분이 일정한 온도로 유지될 필요가 있는 용기의 내부를 향하도록 그리고 PCM이 내포되지 않은 에어로겔이 주로 존재하는 부분이 용기의 외부를 향하도록 용기에 적용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 견지에 의한 복합재를 적용함으로써, PCM은 용기 내부의 에너지와만 열교환함으로, 에너지 및/또는 열을 일 방향으로 효율적으로 제어할 수 있다. 나아가, 필요에 따라, 단열성을 보강하고자 하는 경우에는 본 발명의 PCM이 내포되지 않은 에어로겔이 주로 존재하는 복합재 측면에 에어로겔 층이 추가적으로 적용될 수 있다. 상기 에어로겔 층은 순수한 에어로겔 층 및/또는 에어로겔을 포함하는 어떠한 기재일 수 있으며, 이러한 기재로 본 발명의 PCM이 적용되는 에어로겔 함유 기재를 포함할 수 있다.
도 2에 화장품 용기(200)의 내부벽(25')과 외부벽(25")사이의 공간(20)에 본 발명의 PCM이 내포된 에어로겔을 함유하는 섬유 기재가 구비된 측단면도를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 에어로겔을 함유하는 섬유 기재의 일 표면에 PCM(21)이 적용되고 1차적으로 섬유 기재사이의 공극에 스며들고(21(2)), 이후에 2차적으로 에어로겔의 공극에 고착(21(1))되며, PCM이 포함되지 않은 에어로겔 공극(22) 및 섬유 사이의 공극(23)도 존재한다. 이에 따라, 본 실시형태의 복합재에 의해 온도제어 및 단열성이 달성된다.
도 3은 화장품 용기(300)의 내부벽(35')과 외부벽(35")사이의 공간(30)에 본 발명의 PCM이 내포된 에어로겔을 함유하는 섬유 기재가 구비되고 또한, 용기의 바깥쪽을 향하는 복합재 측면에 에어로겔층(34)이 추가로 구비된 측단면도를 나타낸다. 도 3에서와 같이, PCM이 적용된 부분과 반대쪽 측면에 에어로겔층(34)을 적용함으로써, 에어로겔에 의한 단열성을 더욱 확고히 할 수 있다.
본 발명의 일 견지에 의한 복합재에서 PCM은 기재에 100g/㎡ 내지 20,000g/㎡, 바람직하게는 500g/㎡ 내지 12,000g/㎡의 양으로 적용될 수 있다. 기재에 대하여 PCM의 도포면적이 100g/㎡ 미만이면 기재중의 에어로겔에 PCM이 충분히 내포되지 않으며, 20,000g/㎡을 초과하면 에어로겔에 내포되지 않은 다량의 PCM이 잔류하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에 의한 복합재에는 기재 1m2에 대하여 상변화물질이 100 내지 20,000g, 바람직하게는 500 내지 12,000g의 양으로 존재한다.
상기한 바와 같이 에어로겔을 포함하는 기재에 PCM을 적용하므로써, 상변화물질은 에어로겔의 공극 내에 견고하게 포함된 상태를 유지한다. 구체적으로, 본 발명에 의한 복합재에서 PCM이 적용되는 에어로겔 함유 기재 중의 기재 베이스 재료 사이의 공극은 에어로겔의 미세한 기공에 비하여 그 크기가 매우 크다. 따라서, 기재에 PCM을 적용하는 경우에, PCM 성분은 큰 기재 공극 사이에 1차적으로 유입되지만, 에어로겔의 미세 공극에 의한 흡착 및 모세관 현상 등에 의해 에어로겔의 미세기공에 2차적으로 흡착되어 고착됨으로써, 에어로겔의 미세기공에 PCM이 견고하게 고착된 상태를 유지한다. 따라서, 별도의 상변화물질의 캡슐화 및/또는 에어로겔과 상변화물질의 혼합을 필요로 하지 않는다.
나아가, PCM은 에어로겔의 다공성 구조에 물리적 및/또는 화학적 상호작용뿐만 아니라, 복잡하게 얽혀있는 에어로겔 내의 기공구조로 인하여 PCM이 에어로겔 공극 내에 견고하게 내포되어 있는 상태를 유지하며, 상변화에 의해 액상으로되는 경우에도 에어로겔과 유사한 겔 상(gel phase)으로 변할 뿐이며, 에어로겔의 공극에서 액상으로 흘러내리지 않는다.
PCM은 또한, 적용되는 에어로겔 함유 기재중의 에어로겔의 무수히 많은 기공에 고르게 분포되므로 본 발명에 의한 복합재는 복합재 전체에 걸쳐서 균일하고 안정적인 에너지 저장 효과뿐만 아니라, 단열성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 일 견지에 의한 복합재는 상변화물질이 에어로겔을 포함하는 기재중 일면의 에어로겔 공극에 주로 내포되어 있음으로, 온도 제어가 요구되는 적용처에 상기 복합재를 적용하는 경우에, 원하는 일 방향으로 열 및/또는 에너지의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 복합재는, 건축자재, 냉장고용 판넬, 냉동탑차 단열충진재, 난방용 판넬, 항온 용기(이로써 제한하는 것은 아니지만, 예를 들어, 화장품, 화학약품, 의약품 용기) 또는 기능성 섬유제품 등에 적용될 수 있다. 본 발명에 의한 복합체는 이러한 적용처에서 에어로겔에 의한 단열성 및 PCM에 의한 잠열 축열성의 상승작용으로 인하여 열손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 실내온도를 일정하게 유지할 수 있으므로 에너지 절감 효과를 도모할 수 있다.
이하, 실시예를 참고로 하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
실시예 1
목재펄프(공시펄프로 LBKP, 표백활엽수 크라프트펄프)를 실험용 Valley 고해기(beater)를 이용하여 TAPPI Standard T-OM 85에 따라 고해하였다. 그 후, 고해된 펄프 1,000g, 로진 180g 및 젤라틴 70g을 혼합하여 사이징하였다.
그 후, 사이징된 펄프 80g(펄프 건조중량)와 에어로겔 RA-310TM(알이엠텍(주) 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 20g을 균일하게 혼합하였다. 얻어진, 펄프와 실리카 에어로겔 분말의 혼합물을 초지기((주)GIST, RDA-HSF)로 압착 및 건조하여 에어로겔이 함유된 벽지를 제조하였다.
그 후, 상기 벽지의 일면에 상온에서 용융된 액상 상태의 n-테트라코산(융점 50.60℃) 800 g/㎡의 양으로 벽지전면에 도포하고 상온에서 방치하여 건조함으로써 복합재를 제조하였다.
실시예 2
초산비닐수지 수용액(마크로산업, 810A, Polyvinyl Acetate) 1,000g과 실리카 에어로겔 분말 RA-310TM(알이엠텍(주)의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 340g, 및 희석제로서 톨루엔(시그마알드리치, 시약급) 90g을 혼합하여 에어로겔 코팅액을 제조하였다. 그 후, 벽지의 일면에 상기 에어로겔 코팅액을 붓으로 도포하고 상온에서 건조하여 에어로겔 코팅 지류를 제조하였다. 상기 에어로겔 코팅액은 150g/㎡의 양으로 코팅하였다.
그 후, 상기 에어로겔 코팅면에 상온에서 용융된 액상의 n-헵타코산(융점 56.30℃)을 500g/㎡으로 코팅하고 40℃ 온도에서 1 시간 동안 대류식 송풍건조로 건조하여 복합재를 제조하였다.
실시예 3
시멘트 55g과 물 35g을 혼합하고 여기에 실리카 에어로겔 분말 RA-310TM 100g을 첨가하고 30분간 골고루 혼합하였다. 그 후, 이를 30 ㎝ x 30 ㎝ x 1 ㎝의 판상 보드틀에 넣고 상온에서 48시간 방치하여 경화시켜서 판넬 형태의 에어로겔 시멘트 기재를 얻었다.
그 후, 상기 에어로겔 시멘트 기재에 용융된 액상 n-테트라데칸을 1500g/㎡ 분무하고 상온에서 건조하여 복합재를 제조하였다.
실시예 4
3종 물유리 600g, 및 친수성 실리카 에어로겔 분말 RA-320TM 200g 혼합하였다. 그 후, 여기에 시멘트 200g 및 물 120g을 첨가하여 혼합한 다음에 30 ㎝ x 30 ㎝ x 1 ㎝의 판상 보드틀에 넣어 판넬 형태의 에어로겔을 포함하는 시멘트 기재를 제조하였다.
그 후, 상기 시멘트 몰탈 기재에 용융된 액상의 Na2SO4·10H2O (융점 32.00℃)을 1,500g/㎡으로 분무하고 25℃ 온도에서 10시간 동안 대류식 송풍 건조로 건조하여 복합재를 제조하였다.
실시예 5
친수성 에어로겔 분말 RA-320TM 90중량%, 모비탈(MowitalR)(중합체 F) 폴리비닐부티랄 분말 8중량% 및 트레비라(Trevira®) 고강도 섬유 2중량%를 완전히 혼합하였다. 밑면 면적이 30cm×30cm인 압착 금형의 바닥을 박리지로 덮는다. 상기 혼합물을 30 ㎝ ×30㎝ x 1㎝의 압착 금형에 균일하게 도포하고, 그 후 이 전체를 박리지로 덮어서 220℃에서 30분간 18mm 두께로 압축하여 에어로겔을 포함하는 직물을 얻었다.
상기 에어로겔을 포함하는 시트에 용융된 액상의 CH3COONa2O를 500g/㎡의 양으로 분무하고 25℃ 온도에서 5시간 동안 자연 건조하여 복합재를 제조하였다.
비교예 1
50℃로 유지시킨 n-옥타데칸 [Sigma-Aldrich, 미국] 60g과 유화제인 Tween 80 [(주)덕산, 한국] 12g을 물 140ml에 첨가한 뒤 10분간 교반하여 에멀젼을 제조하였다. 그 다음, 제조된 에멀젼에 멜라민 단량체 38g, 포르말린 110g, 유화제인 Pluonic F68 [BASF, 독일] 16.5g 및 물 66.24g을 혼합하여 수득한 유화제 수용액 82.8g을 첨가한 후 2시간 동안 pH 8상태에서 전구체를 제조하였다. 그 다음, 4 시간 동안 시트릭 애시드 [(주)덕산, 한국]를 첨가하여 pH를 점차적으로 감소시켜 최종적으로 pH를 5로 낮추어 에멀젼 상태의 잠열축열캡슐을 제조하였다. 그 다음, 제조된 에멀젼 상태의 잠열축열 캡슐을 건조시켜 잠열축열 캡슐을 얻었다.
상기 PCM 캡슐 50g, 시멘트 550g 및 물 350g을 1차로 혼합하고 여기에 RA-310TM 100g을 첨가하고 30분간 골고루 혼합하였다. 그 후, 이를 30 ㎝ x 30 ㎝ x 1 ㎝의 판상 보드틀에 넣고 상온에서 48시간 방치하여 경화시켜서 판넬 형태의 에어로겔 시멘트 기재를 얻었다.
비교예 2
소수성 실리카 에어로겔 분말 RA-310TM 50g과 n-테트라데칸 50g을 용융시켜서 상온 상압하에 반응기에 투입하여 혼합하였다. 그 후, 상기 혼합물을 파우더믹서(케이엠텍, KMT-010) 장비를 1000rpm으로 2분 조건으로 하여 상변화물질-에어로겔 복합재를 제조하였다.
상기 제조된 상변화물질-에어로겔 복합재 50g, 시멘트 550g 및 물 350g을 30분간 골고루 혼합하였다. 그 후, 이를 30 ㎝ x 30 ㎝ x 1 ㎝의 판상 보드틀에 넣고 상온에서 48시간 방치하여 경화시켜서 판넬 형태의 에어로겔 시멘트 기재를 얻었다.
물성평가
1.열저장용량 및 열전도도 평가
상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1 및 2에서 제조한 복합재의 열저장용량은 열분석장치인 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)(TA Instrument사, Q사)를 사용하여 그리고 열전도도는 열전도도 측정기 (Mathis사 TCiTM)으로 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
열저장 용량(KJ/kg) 열전도도 (W/m·K)
실시예 1 10,360 0.038
실시예 2 11,140 0.034
실시예 3 10,620 0.082
실시예 4 10,230 0.074
실시예 5 12,400 0.033
비교예 1 4,100 0.136
비교예 2 4,430 0.113
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 복합재에 해당하는 실시예 1 내지 5의 복합재는 우수한 열저장용량(축열)을 나타내었다. 뿐만 아니라, 상변화물질이 포함되지 않은 에어로겔에 의하여 우수한 단열효과를 나타내었다. 비교예 1 및 2의 복합재는 실시예 1 내지 5의 복합재와 비교하여 열저장용량이 비교적 낮은 수준이며, 단열효과도 다소 저조한 결과를 나타내었다.
2. 단열효과
20cm×15cm×20cm인 상자를 제작하여 각 상자의 바닥과 벽은 단열재 [타이펙, 듀퐁]를 이용하여 단열시키고, 각 상자의 천장에 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 및 2의 복합재를 PCM부분이 상자의 내부로 향하도록 고정시키고 상온 건조시킨 철판으로 밀봉하였다. 그 다음에, 상자의 천장으로부터 20cm 거리에 전구를 설치하여 상자에 열을 공급하여 상자 내부의 온도를 관찰하였다. 한편, 각 상자의 천장에 온도계를 설치하여 상자 내부의 온도를 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.
초기온도(℃) 20분후
(℃)		 40분후
(℃)		 60분후
(℃)		 80분후
(℃)
실시예 1 18.5 22.1 26.3 28.7 30.9
실시예 2 18.3 19.9 25.4 27.3 29.2
실시예 3 18.6 24.9 29.2 34.8 37.5
실시예 4 18.5 23.1 27.6 32.6 36.9
실시예 5 18.4 22.8 26.9 29.6 31.3
비교예 1 18.7 24.6 29.8 41.9 56.8
비교예 2 18.5 25.1 30.2 42.3 54.3
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 복합재에 해당하는 실시예 1 내지 5의 복합재는 실내의 초기 온도를 장시간 유지하는 우수한 단열효과를 나타내었다. 한편, 캡슐화된 PCM이 사용된 비교예 1의 복합재는 복합재 중의 상대적으로 적은 PCM함량으로 인하여 저조한 축열 및 단열기능을 나타낸다. PCM을 에어로겔 공극에 별도로 내포시켜서 제조된 비교예 2 복합재는 별도의 단열기능을 갖는 에어로겔 기재층이 없이 상변화물질(PCM)을 에어로겔 내부기공에 내포한 후 전체적으로 혼합되기 때문에 이로서 제조된 에어로겔 기재는 실시예 1 내지 5 와 비교하여 에어로겔이 갖는 나노다공성에 기인한 우수한 단열효과를 발현하지 못하고, 단순한 축열의 기능만을 하기 때문에 단열효과가 저조한 점에서 바람직하지 않았다. 또한 에어로겔 소재에 상변화물질(PCM)을 내포한 후 사용하는 것은 단열층과 축열층을 구분할 수 없이 기재의 전체부분에 구성되기 때문에 외기와의 직접적인 접촉이 있는 부분의 상변화물질(PCM)의 상변화가 빨리 일어나며, 따라서, 공간 내부에 대한 축열기능은 저조하다. 따라서 비교예 2는 단열기능과 축열기능이 모두 실시예 1 내지 5에 비하여 저조하게 나타나게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
11, 21, 31...에어로겔 함유 기재에 적용된 PCM
11(1), 21(1), 31(1)...PCM이 포함된 에어로겔 공극
11(2), 21(2), 31(2)...PCM이 포함된 기재 베이스 재료 공극
12, 22, 32...PCM이 포함되지 않은 에어로겔 공극
13, 23, 33...PCM이 포함되지 않은 기재 베이스 재료 공극
34...에어로겔 층
25', 35'...용기 내부벽
25", 35"...용기 외부벽
20, 30...용기벽 사이의 공간
100...에어로겔 함유 시멘트기재에 PCM의 적용된 복합재
200, 300...PCM이 적용된 복합기재가 구비된 용기

Claims (13)

  1. 에어로겔을 포함하는 판형 기재; 및
    상기 판형 기재 일면의 에어로겔 공극에 내포되어 있는 상변화물질
    을 포함하는 복합재.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에어로겔을 포함하는 판형 기재는 에어로겔을 포함하는 지류, 시멘트, 도료, 단열 유무기 복합재, 세라믹체, 및 섬유 기재로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종의 복합재.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 상변화물질은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸, 폴리에틸렌 글리콜, Na2SO4·10H2O, Na2HPO4·12H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2S3O3·5H2O, CH3COONa·3H2O, Fe2O3·4SO3·9H2O, NaNH4SO4·2H2O, NaNH4HPO4·4H2O, FeCl3·2H2O, Na3PO4·12H2O, Na2SiO3·5H2O, Ca(NO3)2·3H2O, K2HPO4·3H2O, Na2SiO3·9H2O, Fe(NO3)3·9H2O, K3PO4·7H2O, NaHPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, 및 Na(CH3COO)·3H2O로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 일종인 복합재.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 상변화물질은 기재에 500 내지 20,000g/㎡의 양으로 적용되는 복합재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재는 건축용 자재, 냉장고용 판넬, 냉동탑차 단열충진재, 난방용 판넬, 항온 용기 또는 기능성 섬유제품으로 사용되는 복합재.
  7. 에어로겔을 포함하는 판형 기재의 일면에 액상의 상변화물질을 적용하는 단계를 포함하는 복합재 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 건조하는 단계를 추가적으로 포함하는 복합재 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 건조하는 단계는 30℃ 내지 150℃로 건조하는 복합재 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 건조하는 단계는 대류식 송풍건조, 오븐건조, 마이크로웨이브건조, 퍼네이스건조, 또는 UV 건조로 수행되는 복합재 제조방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 에어로겔을 포함하는 판형 기재는 에어로겔을 포함하는 지류, 시멘트, 도료, 유무기 복합재, 세라믹체, 및 섬유 기재로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종의 복합재 제조방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 상변화물질은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸, 폴리에틸렌 글리콜, Na2SO4·10H2O, Na2HPO4·12H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2S3O3·5H2O, CH3COONa·3H2O, Fe2O3·4SO3·9H2O, NaNH4SO4·2H2O, NaNH4HPO4·4H2O, FeCl3·2H2O, Na3PO4·12H2O, Na2SiO3·5H2O, Ca(NO3)2·3H2O, K2HPO4·3H2O, Na2SiO3·9H2O, Fe(NO3)3·9H2O, K3PO4·7H2O, NaHPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, 및 Na(CH3COO)·3H2O로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 일종인 복합재 제조방법.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 상변화물질은 기재에 100 내지 20,000g/㎡의 양으로 적용되는 복합재 제조방법.
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