KR101601170B1 - 단열 시트 및 그 제조 방법과 이를 이용한 단열 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단열 시트, 그 제조 방법 및 단열 패널에 관한 것으로, 상변화 물질 입자가 포함되어 있는 나노 섬유 웹 구조를 적용하여 단열 시트를 구현함으로써, 나노 섬유 웹 구조에서 열을 차단하고, 상변화 물질 입자에서 열을 흡수하여, 열 차단과 열 흡수를 동시에 수행하게 되어 단위 면적당 단열 효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

단열 시트 및 그 제조 방법과 이를 이용한 단열 패널{Heat Insulation Sheet, Method for Manufacturing the Same and Heat Insulating Panel using the same}
본 발명은 단열 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열을 흡수할 수 있는 상변화 물질 입자가 내부에 분산되어 있는 나노 섬유 웹이 구비된 단열 시트를 구현함으로써 단열 효율을 향상시킬 수 있는 단열 시트 및 그 제조 방법과 이를 이용한 단열 패널에 관한 것이다.
최근, 에너지 효율적 친환경 산업이 대두되어 전세계적으로 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결하기 위한 각종 연구가 진행되고 있다.
특히, 지구 온난화에 대한 관점에서 냉장고의 소비 전력량을 줄일 수 있고, 건축물의 에너지를 절감하기 위하여 단열재에 대한 기술 개발이 다양하게 시도되고 있는 중이다.
냉장고는 가전 제품 중에서 높은 소비 전력량을 소비하는 제품으로, 냉장고의 소비 전력량 절감은 지구 온난화 대책으로서 필요 불가결한 상황에 있다. 냉장고의 소비 전력은 냉각용 압축기의 효율과 열누설량에 관계되는 단열재의 단열 성능에 의해 대부분 결정된다.
그리고, 건축물의 에너지 절감을 위한 단열재는 전통적으로 미네랄울, 폴리우레탄 등의 단열재가 사용되었고, 최근에는 VIP (Vacuum Insulation Panel), 에어로젤이 주목받고 있으며, VIM (Vacuum Insulation Material), DIM (Dynamic Insulation Material) 등이 미래기술로 연구되고 있다.
매우 낮은 열전도율을 지닌 VIP 및 에어로젤은 기존 단열재에 비해 에너지 소모를 줄일 수 있으므로 주거면적을 크게 확대할 수 있는 장점이 있으며, 특히 에어로젤은 반투명 및 투명재질로 만들 수 있어 건물에 응용될 수 있는 가능성이 매우 크다.
한국 공개특허공보 제10-2011-77859호에는 심재를 포함하는 코어부; 및 상기 코어부를 피복하고 있는 외피재를 가지고, 상기 코어부가 감압상태로 형성된 진공 단열재에 있어서, 상기 외피재가 하나 이상의 부직포층을 포함하는 진공 단열재가 제안되어 있다. 이 경우, 상기 진공 단열재의 심재는 유리 섬유, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 사용하고 있으나, 유리 섬유 집합체 내부의 기공 사이즈는 공기를 트랩핑하는 데 적합한 크기를 갖지 못하여 단열 효과가 낮으며, 유리 섬유는 제조공정이 복잡하고 어려운 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-15326호에는 진공단열재의 외피 내부에 위치하는 코어로서, 상기 코어는 합성수지재 섬유를 열융착하여 서로 접합시킨 것을 특징으로 하는 진공단열재의 코어가 제안되어 있으나, 합성수지재 섬유를 융점 정도의 온도로 가열하여 섬유들이 서로 열융착되 있어, 합성수지재 섬유에는 거의 기공이 없는 무기공 상태가 되어 단열 효율을 향상시키는데는 한계가 있다.
그러므로, 본 발명자들은 단열 효율을 향상시키기 위한 연구를 지속적으로 진행하여 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 단열 시트의 구조적인 특징을 도출하여 발명함으로써, 에너지 절감과 동시에 친환경적이고, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다.
한국 공개특허공보 제10-2011-77859호 한국 공개특허공보 제10-2011-15326호
본 발명은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 공기를 트랩핑하여 공기의 대류를 억제하여 단열하는 다수의 기공이 구비된 나노 섬유 웹으로 이루어지고, 그 나노 섬유 웹에 열을 흡수할 수 있는 상변화 물질 입자가 포함되어 있는 단열 시트를 구현하여 단열 효율을 향상시킬 수 있는 단열 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열 차단 및 열 흡수를 동시에 수행할 수 있는 구조로 열 차단 효율을 극대화시킬 수 있는 단열 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 차단 및 열 흡수를 순차적으로 수행할 수 있는 단열 시트를 코어로 적용하여 단열 특성을 개선될 수 있는 단열 패널을 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 단열 시트는, 나노 섬유에 의해 축적되어 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노 섬유 웹; 및 상기 나노 섬유 내부에 분산되어 있는 상변화 물질(PCM, Phase Change Material) 입자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 단열 시트의 제조 방법은, 열전도율이 낮은 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; 및 상기 방사용액을 전기 방사하여 미세 기공 구조를 갖고, 상변화 물질 입자가 나노 섬유 내부에 분산되어 있는 다공성 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 단열 패널은, 내부 공간이 구비된 외피재; 및 상기 외피재 내부에 배치되어 상기 외피재를 지지하는 단열 시트를 포함하며, 상기 단열 시트는, 미세 기공 구조를 갖고, 상변화 물질 입자가 나노 섬유 내부에 분산되어 있는 다공성 나노 섬유 웹인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상변화 물질 입자가 함유되어 있는 나노 섬유 웹이 포함된 단열 시트를 적용함으로써, 나노 섬유 웹에서 열을 차단하고, 나노 섬유 웹에 포함된 상변화 물질 입자에서 열을 흡수하여, 열 차단과 열 흡수를 동시에 수행하게 되어 단위 면적당 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 단열 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 전기 방사된 나노 섬유가 3차원 네트워크 구조로 배열된 나노 섬유 웹의 단열 시트를 채택하여, 열 차단 능력이 큰 나노 섬유 웹의 나노 크기의 미세 기공으로 단열 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 상변화 물질 입자가 포함된 나노 섬유 웹의 적층 구조, 또는 나노 섬유 웹과 부직포 적층 구조로 단열 시트를 달성하여, 강도를 향상시킴과 동시에 다중의 열 차단과 열 흡수를 수행하여 단열 효율을 증가시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 상변화 물질이 나노 섬유 웹에 내장된 단열 시트를 코어로 하는 진공 단열 패널(Vacuum Insulation Panel, VIP)을 제공하여 단열 특성을 극대화시킬 수 있는 진공 단열 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 나노 섬유 웹을 적용하여 초박막 단열 시트 및 단열 패널을 제공할 수 있어, 단열특성이 우수하여 냉장고 및 건축물의 내부 공간을 확장시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 단열 시트의 나노 섬유를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제5실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 진공 단열 패널(Vacuum Insulation Panel, VIP)를 도시한 개념적인 단면도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 단열 시트에 적용된 나노 섬유 웹을 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서는 본 발명에 따른 단열 시트 및 단열 패널의 실시예로 상변화 물질(PCM, Phase Change Material) 입자가 나노 섬유 웹의 나노 섬유에 함유되어, 전달된 열을 나노 섬유 웹에서 차단하여 전달되는 열량을 낮춤과 동시에, 상변화 물질 입자에서 열을 흡수하여, 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 구조를 구현한다.
후술하는 본 발명의 단열 시트 및 단열 패널은 냉장고, 건축물 및 전자기기에 적용할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 다른 산업 분야에 사용되는 단열재에도 이와 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에서는 나노 섬유 웹에 상변화 물질 입자가 포함되어 있는 단열 시트를 적용하는 것으로, 나노 섬유 웹은 열을 차단하고, 나노 섬유 웹에 포함된 상변화 물질 입자에서 열을 흡수한다. 그러므로, 본 발명의 단열 시트는 열 차단과 열 흡수를 동시에 수행할 수 있어 단위 면적당 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 단열 시트를 제공할 수 있다.
나노 섬유 웹은 전기 방사된 나노 섬유가 불규칙하게 적층되어 3차원 네트워크 구조로 배열되어 있다. 그 나노 섬유에 의해 나노 섬유 웹에는 불규칙하게 분포된 나노 크기의 미세 기공이 형성되고, 미세 기공에 의해 나노섬유 웹의 열 차단 능력이 커지게 되어 우수한 단열 성능을 갖게된다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 단열 시트(100)는 상변화 물질 입자(121)가 함유된 나노 섬유(100a)의 웹으로 구현한다. 이때, 단열 시트(100)로 전달된 열은 나노 섬유 웹의 나노 크기의 미세 기공에서 차단됨과 동시에, 상변화 물질 입자(121)에서 흡수되어 열 차단 효율이 향상된다.
상변화 물질 입자(121)는 전달되는 열을 흡수하여 열 차단 성능이 우수하다. 즉, 상변화 물질 입자(121)는 열이 전달되면 흡열반응하여 고상에서 액상으로 변화되면서 열을 흡수한다. 그리고 상변화 물질 입자(121)은 주변 온도가 떨어지면 다시 고상으로 변화된다.
도 3을 참고하면, 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹(105) 일면 또는 양면에 상변화 물질 입자가 함유되어 있지 않은 나노 섬유 웹(115)을 적층하여 제2실시예의 단열 시트로 구현할 수 있으며, 이 경우, 나노 섬유 웹(115)은 지지체 및 열 차단의 역할을 수행할 수 있다. 그리고, 제2실시예의 단열 시트로 전달되는 열은 나노 섬유 웹(115)에 먼저 접촉 및 전달되어, 다수의 미세 기공에서 열을 차단한다. 나노 섬유 웹(115)의 미세 기공에서 차단된 열량만큼 감소된 열량이 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹(105)으로 전달된다. 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹(105)은 미세 기공에서 열을 차단할 수 있음과 동시에, 상변화 물질 입자(121)에서 열을 흡수함으로써, 단열 시트의 단열 효율은 실질적으로 더 증가된다.
도 4를 참고하면, 제3실시예의 단열 시트는 상변화 물질 입자가 함유된 제1 및 제2 나노 섬유 웹(110,130) 사이에 상변화 물질층(120)이 개재된 구조이다. 이 단열 시트로 전달된 열은 제1 나노 섬유 웹(110)에서 열이 차단 및 열 흡수되어 1차적으로 열량이 감소되고, 상변화 물질층(120)에서 열이 흡수되어 2차적으로 열량이 감소된다. 그러므로, 제2 나노 섬유 웹(130)로 전달되는 열량은 더욱 줄어든다. 제2 나노 섬유 웹(130)에서도 열 차단 및 열 흡수함으로써, 제3실시예의 단열 시트는 구조적으로 단열 효율이 증가될 수 밖에 없다.
제3실시예에서는 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 방사하여 제1 나노 섬유 웹(110)을 형성하고, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 분사용액을 분사하여 제1 나노 섬유 웹(110)에 상변화 물질 입자가 분산된 상변화 물질층(120)을 형성한다. 그 후, 상변화 물질층(120)을 감싸며 제1 나노 섬유 웹(110)에 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 방사하여 제2 나노 섬유 웹(130)을 형성하여 단열 시트를 제조한다.
제1 나노 섬유 웹(110)측에 상변화 물질층(120)이 형성되어 있는 상태에서 제2 나노 섬유 웹(130)이 적층됨으로써, 제4실시예의 단열 시트는 구조적으로 제1 및 제2 나노 섬유 웹(110,130)의 경계면에 상변화 물질층(120)이 배치된다.
한편, 나노 섬유 웹은 전기 방사가 가능하고 열전도율이 낮은 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사하여 나노 섬유를 형성하고, 이 나노 섬유가 축적되어 다수의 기공을 갖는 나노섬유 웹(nano web) 형태로 형성된다.
본 발명에서는, 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 방사하여 상변화 물질 입자가 포함된 나노 섬유 웹을 형성한다. 이때, 방사된 나노 섬유는 상변화 물질 입자가 포함되고, 그 나노 섬유를 축적시키면 나노 섬유 웹이 형성된다. 상변화 물질 입자는 방사된 나노 섬유 내부에 위치된다. 여기서, 상변화 물질 입자의 입경은 나노 섬유의 직경보다 작은 것이 바람직하다.
이와 같은 나노 섬유는 직경이 작을수록 나노 섬유의 비표면적이 증대되고 다수의 미세 기공을 구비하는 나노 섬유 웹의 열 차단 능력이 커지게 되어 단열 성능이 향상된다.
나노 섬유는 예를 들어, 5um 이하, 바람직하게는 1um 이하의 직경으로 이루어지며, 나노 섬유로 이루어진 나노 섬유 웹은 다수의 미세 기공을 구비함에 따라 미세 기공 내부에 공기를 트랩하고, 미세 기공에 트랩되어 갇힌 공기의 대류가 억제되어 전달된 열의 차단 성능이 우수하다.
상기 나노 섬유 웹에 형성되는 미세 기공은 수nm 내지 10um 이하, 바람직하게는 5um 이하로 설정되는 것이 좋으며, 나노 섬유의 직경을 조절하여 구현될 수 있다.
여기에서, 본 발명에 적용되는 방사 방법은 일반적인 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 단열 시트의 나노 섬유 웹의 내열성 향상을 도모하기 위한 목적으로 열전도율이 낮음과 동시에 내열성이 우수한 고분자 단독 또는 열전도율이 낮은 고분자와 내열성이 우수한 고분자를 소정량 혼합한 혼합 고분자를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유 웹을 적용할 수 있다.
이때, 본 발명에서 사용 가능한 고분자는 유기용매에 용해되어 방사가 가능함과 동시에 열전도율이 낮은 것이 바람직하며, 또한 내열성이 우수한 것이 더욱 바람직하다.
방사가 가능하고 열전도율이 낮은 폴리머는 예를 들어, 폴리우레탄(PU), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리이미드 등을 들 수 있다.
또한, 내열성이 우수한 폴리머는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 융점이 180℃ 이상인 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.
상기 고분자의 열전도율은 0.1W/mK 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기한 고분자 중 폴리우레탄(PU)은 열전도율이 0.016~0.040W/mK이고, 폴리스티렌과 폴리비닐클로라이드는 열전도율이 0.033~0.040W/mK로 알려져 있어, 이를 방사하여 얻어지는 나노 섬유 웹 또한, 열전도율이 낮아 단열 특성을 갖게 된다.
나노 섬유 웹의 두께는 5um 내지 50um, 바람직하게는 10um 내지 30um로 설정될 수 있다.
또한, 나노 섬유 웹을 다층으로 적층하여 다양한 두께를 갖도록 제작될 수 있다. 즉, 본 발명에 적용된 나노 섬유 웹의 단열 시트는 초박막 구조로 제작이 가능함과 동시에 높은 단열 성능을 가질 수 있다.
용매는 DMA(dimethyl acetamide), DMF(N,N-dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), DMAc(di-methylacetamide), EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid) 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
나노 섬유 웹은 전기방사 방법으로 제조되므로 방사용액의 방사량에 따라 두께가 결정된다. 따라서, 나노 섬유 웹의 두께를 원하는 두께로 만들기가 쉬운 장점이 있다.
이와 같이, 방사 방법에 의해 나노 섬유가 축적된 나노섬유 웹 형태로 형성되므로 별도의 공정없이 복수의 기공을 갖는 형태로 만들 수 있고, 방사용액의 방사량에 따라 기공의 크기를 조절하는 것도 가능하다. 따라서, 나노 섬유 웹은 방사 방법에 따라 기공을 미세하게 다수로 만들 수 있어 열 차단 성능이 뛰어나고 이에 따라 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 방사용액에 열전달을 차단하기 위한 단열성 필러인 무기물 입자가 함유될 수 있다. 이 경우, 나노 섬유 웹의 나노 웹에는 무기물 입자가 포함되어 있을 수 있다. 무기물 입자는 방사된 나노 섬유의 내부에 위치되어 있거나, 나노 섬유 표면에 일부가 노출되어 열전달을 차단하게 된다. 또한, 무기물 입자는 단열성 필러로 나노 섬유 웹의 강도를 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 무기물 입자는 SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, ZrO2, Al2O3, TiO2, Ta2O5, MgO, Y2O3, BaTiO3, ZrSiO4, HfO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자, 또는 유리 섬유, 흑연, 암면, 클레이(clay)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자가 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 방사 용액에 포함될 수 있다.
또한, 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 방사용액에 흄드 실리카(Fumed Silica)가 포함될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제5실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도이며, 도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.
본 발명의 제4실시예에서는 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹에 부직포나 직포 등을 복합화하여 강도가 높은 단열 시트를 구현할 수 있다. 즉, 도 5에는 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹(105) 일면 또는 양면에 지지체(150)를 복합화한 것이다. 지지체인 부직포나 직포는 나노 섬유 웹과 2중 구조를 형성할 수 있는 것이면 가능하며, 복합화 방법으로는 열판 캘린더링, 핫멜트 본딩, 초음파 본딩, 라미네이팅 등 특별한 방법에 한정하지는 않으며, 나노 섬유 웹과 기존 소재와의 복합화가 가능한 방법이면 좋다.
특히, 사용 가능한 부직포는 상용화된 2층 또는 3층 구조의 폴리올레핀계 다공성 멤브레인, 예를 들어, PP/PE나 PP/PE/PP 멤브레인 또는 단층 구조의 PP 또는 PE 멤브레인이나, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유로 이루어진 PET 부직포를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 제5와 제6실시예에서는 섬유 내에 상변화 물질 입자가 함유된 부직포와, 상변화 물질 입자가 함유된 나노 섬유 웹 또는 상변화 물질 입자가 함유되어 있지 않은 나노 섬유 웹을 복합화하여 강도를 높이고, 다단 열 차단 및 열 흡수가 가능한 단열 시트를 구현할 수 있다. 부직포의 제조 방법은 이미 알려진 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
여기서, 부직포는 방적, 제직, 편성에 의한 공정없이 섬유집합체를 화학적 작용이나 기계적 작용 또는 적당한 수분과 열처리에 의해 섬유 상호간을 결합한 포 형상을 갖는 것으로 정의되며, 단섬유 또는 필라멘트 섬유를 이용하여 섬유 집합체의 얇은 시트 상태의 웹을 제조하여 실 형성 공정인 방적 공정없이 섬유 자체의 결합방법으로 형태 안정성을 부여한 것이다.
부직포는 섬유상으로 만들 수 있는 원료는 무엇이든 가능하며, 특히 부직포의 원료로 천연섬유, 합성섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등이 가능하다. 수mm에서 수백mm 정도의 길이를 갖는 단섬유와 무한한 길이를 갖는 장섬유를 사용하여 부직포를 제조할 수 있다.
제5실시예의 단열 시트는 먼저, 상변화 물질 입자가 함유된 섬유를 구비하고 소정의 다공성(porosity)을 가지는 부직포(200)의 일면(도 6a), 또는 양면(도 6b)에 상변화 물질 입자가 함유되어 있지 않은 나노 섬유 웹(101,102)을 형성한 구조로 구현될 수 있다. 그리고, 부직포(200)의 일면, 또는 양면(도 6c)에 상변화 물질 입자가 함유되어 있는 나노 섬유 웹(110,130)을 형성한 구조로 단열 시트를 구현할 수 있다.
여기서, 부직포(200)의 섬유 직경은 나노 섬유 웹(101,102)의 섬유 직경보다 크고, 부직포(200)에 나노 섬유를 직접 방사 또는 복합화하여 제5실시예의 단열 시트를 구현한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 도 6c의 단열 시트 구조의 나노 섬유 웹(110)에, 상변화 물질 입자가 함유된 섬유를 구비한 부직포(210)을 적층한 제6실시예의 단열 시트를 구현할 수 있다.
도 8을 참고하면, 전술된 실시예의 단열 시트(100)의 외주면의 일부 또는 전부에 무기공 필름(250)을 적층 또는 커버할 수 있다. 무기공 필름(250)은 단열 시트(100)로 전달되는 열을 가장 먼저 차단하는 역할을 수행한다.
무기공 필름(250)은 고분자 물질로 이루어진 무기공 고분자 필름으로 적용하는 것이 바람직하며, 무기공 고분자 필름은 고분자 물질과 용매가 혼합된 방사용액을 전기방사하여 나노 섬유로 이루어진 필름용 나노 섬유 웹을 형성하고, 고분자(예를 들어, PVDF)의 융점 보다 낮은 온도에서 필름용 나노 섬유 웹을 캘린더링하거나 또는 열처리를 실시함에 의해 무기공의 고분자 필름을 제조할 수 있다. 여기서, 열처리 공정에서 열처리 온도가 고분자의 융점보다 다소 낮은 온도에서 실시할 수 있는 것은 나노 섬유 웹에 용매가 잔존하고 있기 때문이며, 열처리에 의해 나노 섬유 웹이 완전히 녹는 것을 막으면서 무기공 필름을 형성하도록 하기 위함이다.
이상 상술된 실시예들의 단열 시트는 가요성 있는 나노 섬유 웹을 구비하고 있으므로, 우수한 굽힘성으로 인하여 판상형으로 절첩한 구조가 가능하다.
본 발명에서는 상술된 제1 내지 제7실시예에 따른 단열 시트의 일면, 양면 및 전체에 하이브리드한 적어도 하나의 보강 시트를 더 포함할 수 있다. 여기서, 하이브리드하는 것은 접착, 점착, 적층, 접촉, 고정 등의 결합 관계를 의미하는 것이다.
이 보강 시트는 단열 부재 또는 방열 부재일 수 있고, 상기 단열 시트와 상기 보강 시트 사이에 개재된 접착제로 상기 단열 시트와 상기 보강 시트가 접착되어 있을 수 있다.
이때, 상기 접착제는 아크릴계, 에폭시계, 아라미드(aramid)계, 우레탄(urethane)계, 폴리아미드(polyamide)계, 폴리에틸렌(polyethylene)계, E.V.A.계, 폴리에스테르(polyester)계, 및 P.V.C.계 중 어느 하나의 접착제, 열접착이 가능한 섬유가 축적되어 형성된 다수의 기공을 갖는 핫 멜트 웹 및 핫 멜트 파우더 중 하나일 수 있다.
그리고, 상기 접착제는 종횡비 1:100의 열확산용 전도성 필러 및 구 형상의 열전달용 전도성 필러를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 진공 단열 패널(Vacuum Insulation Panel, VIP)를 도시한 개념적인 단면도이다.
전술된 단열 시트는 단열 패널 내부에 내장되어 단열 성능을 발휘할 수 있다. 이하 설명에서는 단열 패널의 일종으로 진공 단열 패널을 주로 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 내부 공간을 진공 또는 감압하지 않은 단열 패널 구조도 본 발명에 포함된다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 진공 단열 패널(300)은 가스 배리어성을 가지고 내부에 바람직하게는 소정의 감압 공간을 형성하는 외피재(310) 및 외피재(310) 내부에 배치되어 외피재(310)를 지지하는 단열 시트(100)를 포함한다.
진공 단열 패널(300)에 코어로 적용된 단열 시트(100)는, 다공성 나노 섬유 웹을 포함하고 있으므로, 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여, 미세 기공에 트랩된 공기가 스스로 빠져나가기 어렵기 때문에 외피재(310) 내부가 진공 또는 감압공간이 아닌 경우에도 우수한 단열 성능을 발휘한다. 따라서, 건축용 단열재로 적용하면 이점이 많다.
여기서, 감압 공간은 내부의 압력이 대기압보다 낮아지게 감압된 공간을 의미한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 진공 단열 패널(300)에서 외피재(310) 내부가 진공 또는 감압 공간으로 이루어지는 경우, 외피재(310) 또는 단열 시트(100)의 내부에는 수분이나 가스 등을 흡착하는 게터재(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 게터재는 예를 들어, 분말형태로 이루어진 흡습제와 가스흡착제를 포함하며, PP 또는 PE 부직포로 패킹이 이루어질 수 있다.
또한, 게터재는 실리카겔, 제올라이트, 활성탄, 지르코늄, 바륨 화합물, 리튬 화합물, 마그네슘 화합물, 칼슘 화합물 및 생석회로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 게터재의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 진공 단열재의 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 소재를 사용할 수 있다.
그리고, 외피재(310)는 코어인 단열 시트(100)를 피복하고, 그 내부를 감압 또는 진공 상태로 유지하는 역할을 한다. 외피재(310)는 미리 봉투 형태로 이루어지며, 단열 시트(100)를 삽입한 후, 진공분위기에서 입구 부분을 열압착하여 실링이 이루어진다. 이에 따라 외피재(310)는 4각 형상의 상부 외피재(310a)와 하부 외피재(310b)의 3변의 외곽 부분을 먼저 실링하여 봉투 형태로 제작된 후 사용된다.
본 발명에서 사용할 수 있는 외피재(310)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 진공 단열재의 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 소재를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 외피재(310)는, 예를 들어, 단열 시트(100)를 둘러싸고 있는 실링층(sealing layer); 실링층을 둘러싸고 있는 베리어층(barrier layer); 및 베리어층을 둘러싸는 부직포층 또는 보호층을 포함할 수 있다.
전술된 실링층은 열압착방식으로 실링(압착)이 이루어짐에 따라 내장된 단열 시트(100)를 피복하고, 코어에 밀착되어 패널 형태를 유지할 수 있게 한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 실링층의 소재는 특별히 제한되지 않고 열압착에 의해 접착이 이루어질 수 있는 필름으로서, 예를 들면, 열압착층은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 초저밀도폴리에틸렌(VLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 폴리올레핀 계열의 수지, 상기 수지 이외에 폴리프로필렌(PP), 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 또는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름 등과 같은 열압착이 가능한 수지, 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 베리어층은 실링층을 둘러싸고, 내부의 진공도를 유지하며, 외부의 가스 및 수증기를 차단하는 역할을 할 수 있다. 본 발명에서 베리어층의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 금속박 또는 수지 필름 상에 금속을 증착을 한 적층 필름(증착막 필름) 등을 사용할 수 있다. 금속으로는 알루미늄, 동, 스테인레스 또는 철 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기에서 증착막은 증착법(deposition method) 또는 스퍼터링법(sputtering method) 등에 의하여 알루미늄, 스테인리스, 코발트 또는 니켈 등의 금속, 실리카, 알루미나 또는 탄소 등을 증착시켜 형성할 수 있으며, 기재가 되는 수지 필름으로는 당 업계에서 사용되는 일반적인 수지 필름을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 베리어층으로 알루미늄 증착 필름 또는 알루미늄 박을 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 부직포층은 베리어층을 둘러싸며, 진공 단열재를 외부 충격으로부터 1차적으로 보호하는 보호층 역할을 한다. 또한, 상기 부직포층은 베리어층의 높은 열전도율에 의해 단열재의 열 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있다. 상기 부직포층의 재료는 PP, PTFE를 사용할 수 있다.
또한, 부직포층 대신에 베리어층을 보호하는 1층 또는 2층으로 이루어진 보호층을 사용할 수 있다. 이러한 보호층은 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 나일론, PET, K-PET 및　에틸렌비닐알코올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지로 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 단열 시트에 적용된 나노 섬유 웹을 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 10을 참고하면, 전기방사장치는 열전도율이 낮은 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합되어 방사가 이루어질 때까지 상분리를 방지하도록 공압을 이용한 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장한 믹싱 탱크(Mixing Tank)(1)와, 고전압 발생기가 연결된 다수의 방사노즐(4)을 포함한다. 믹싱 탱크(1)로부터 도시되지 않은 정량 펌프와 이송관(3)을 통하여 연결된 다수의 방사노즐(4)로 토출되는 고분자 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐(4)을 통과하면서 나노 섬유(5)로 방출되고, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6) 위에 나노 섬유(5)가 축적되어 다공성 나노 섬유 웹(7)을 형성한다.
즉, 본 발명에서는 열전도율이 낮은 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매를 혼합하여 방사용액을 제조한 후, 이 방사용액을 전기 방사하여 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노 섬유 웹으로 이루어지고, 상변화 물질 입자가 나노 섬유에 분산되어 있는 나노 섬유 웹을 형성하는 것이다.
일반적으로 대량생산을 위해 멀티-홀(multi-hole) 방사팩(예를 들어, 245mm/61홀)을 적용하면 멀티홀간의 상호 간섭이 발생하여 섬유가 날려 다니면서 차단이 이루어지지 않게 된다. 그 결과, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 얻어지는 분리막은 너무 벌키(bulky)해짐에 따라 분리막 형성이 어려워지며, 방사의 트러블(trouble) 원인으로 작용한다.
이를 고려하여 본 발명에서는 도 10에 도시된 바와 같이, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 각 방사노즐(4)마다 에어(4a) 분사가 이루어지는 에어 전기방사 방법으로 다공성 나노 섬유 웹(7)을 제작한다.
즉, 본 발명에서는 에어 전기방사에 의해 전기방사가 이루어질 때 방사노즐의 외주로부터 에어(Air) 분사가 이루어져서 휘발성이 빠른 고분자로 이루어진 섬유를 에어가 차단하고 축적시키는 데 지배적인 역할을 해 줌으로써 보다 강성이 높은 나노 섬유 웹을 생산할 수 있으며, 섬유(fiber)가 날아다니면서 발생할 수 있는 방사 트러블(trouble)을 최소화 할 수 있게 된다.
본 발명에서는 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질을 혼합하여 방사하는 경우 2성분계 용매에 첨가하여 혼합방사용액을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 얻어진 다공성 나노 섬유 웹(7)은 그 후 캘린더 장치(9)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하면 코어재로 사용되는 박막의 나노 섬유 웹(10)이 얻어진다.
본 발명에서는 필요에 따라 상기와 같이 얻어진 다공성 나노 섬유 웹(7)을 프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-air Dry Zone)을 통과하면서 나노 섬유 웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거친 후 캘린더링 공정을 거치는 것도 가능하다.
프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)은 20~40℃의 에어를 팬(fan)을 이용하여 웹에 인가하여 나노 섬유 웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절함에 의해 나노 섬유 웹(7)이 벌키(bulky)해지는 것을 조절하여 분리막의 강도를 증가시켜주는 역할과 동시에 다공성(Porosity)을 조절할 수 있게 된다.
이 경우, 용매의 휘발이 지나치게 된 상태에서 캘린더링이 이루어지면 다공성은 증가하나 나노 섬유 웹의 강도가 약해지고, 반대로 용매의 휘발이 적게 되면 나노 섬유 웹이 녹는 현상이 발생하게 된다.
상기한 도 10의 전기방사장치를 사용하여 다공성 나노 섬유 웹(10)을 형성하는 방법은 먼저 열전도율이 낮은 고분자 물질 단독, 또는 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질의 혼합물을 용매에 용해시켜서 방사용액을 준비한다. 이 경우 필요에 따라 내열성을 보강하기 위해 소정량의 무기물 입자를 방사용액에 첨가할 수 있다. 또한, 바람직하게는 열전도율이 낮으면서 내열성이 우수한 고분자 물질, 예를 들어 폴리우레탄(PU)을 사용하여 나노 섬유 웹을 형성하는 경우 단열 특성과 내열 특성을 동시에 갖게 된다.
그 후, 방사용액을 전기방사장치를 사용하여 콜렉터(6)에 직접 방사하거나 또는 부직포와 같은 다공성 기재에 방사하여 단층 구조의 다공성 나노 섬유 웹(10) 또는 다공성 나노 섬유 웹과 다공성 기재로 이루어진 다층 구조의 나노 섬유 웹 시트를 제작한다.
이어서, 얻어진 나노 섬유 웹 시트가 광폭인 경우 원하는 폭으로 제단한 후, 이를 원하는 두께를 갖도록 판형상으로 다수회 절첩하거나 권선기에 의해 판형상으로 권선하거나, 원하는 형상으로 다수의 코어용 시트를 절단한 후 이를 다수층 적층한다. 또한, 다수층으로 적층한 후, 이를 원하는 형상으로 절단할 수 있다.
필요에 따라 적층된 다수의 나노 섬유 웹 시트를 열간 또는 냉간 압착하여 적층 밀도를 높이는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 대면적의 나노 섬유 웹 시트를 제작한 후, 건축용 또는 냉장고용 단열재와 같이 사용되는 용도에 따라 소정의 형상으로 제단하여 사용하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에서는 나노 섬유 웹을 형성할 때 종이, 방사용액에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, 폴리올레핀계 필름 중 하나로 이루어지는 트랜스퍼 시트 위에 방사용액을 방사하여 다공성 나노 섬유 웹을 형성한 후, 나노 섬유 웹을 트랜스퍼 시트와 분리하면서 부직포와 합지하는 방식으로 나노 섬유 웹 시트를 제작하고, 얻어진 시트를 다단 적층할 수 있다. 상기한 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노 섬유 웹을 생산함에 따라 양산공정에서 생산성 향상을 도모할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:단열 시트 120:상변화 물질
151,152:나노 섬유 웹 170,171,172:지지체
300:진공 단열 패널 310:외피제

Claims (19)

  1. 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액이 방사되어 얻어진 나노 섬유가 축적되어 형성된 제1나노 섬유 웹;
    상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 분사용액이 상기 제1나노 섬유 웹에 분사되어 형성된 상변화 물질층; 및
    고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액이 상기 상변화 물질층을 감싸며 상기 제1나노 섬유 웹에 방사되어 얻어진 나노 섬유가 축적되어 형성된 제2나노 섬유 웹;을 포함하는 단열 시트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유에 무기물 입자를 더 포함하는 단열 시트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 무기물 입자는 SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, ZrO2, Al2O3, TiO2, Ta2O5, MgO, Y2O3, BaTiO3, ZrSiO4, HfO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자, 또는 유리 섬유, 흑연, 암면, 클레이(clay)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자인 단열 시트.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유는 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어진 단열 시트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유의 직경은 1um 이하인 단열 시트.
  11. 제1항에 있어서, 상기 단열 시트의 외주면의 일부 또는 전부에 적층된 무기공 필름 또는 보강 시트를 더 포함하는 단열 시트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 보강 시트는 단열 부재 또는 방열 부재인 단열 시트.
  13. 고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 방사하고, 그 방사로 얻어진 나노 섬유를 축적하여 제1나노 섬유 웹을 형성하는 단계;
    상기 제1나노 섬유 웹에, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 분사용액을 분사하여 상변화 물질층을 형성하는 단계; 및
    고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 상기 제1나노 섬유 웹에 방사하고, 방사로 얻어진 나노 섬유를 축적하여 상기 상변화 물질층을 감싸는 제2나노 섬유 웹을 형성하는 단계;를 포함하는 단열 시트의 제조 방법.
  14. 내부 공간이 구비된 외피재; 및
    상기 외피재 내부에 배치되어 상기 외피재를 지지하는 단열 시트를 포함하며,
    상기 단열 시트는,
    고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액이 방사되어 얻어진 나노 섬유가 축적되어 형성된 제1나노 섬유 웹;
    상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 분사용액이 상기 제1나노 섬유 웹에 분사되어 형성된 상변화 물질층; 및
    고분자 물질, 상변화 물질 입자와 용매가 혼합된 방사용액이 상기 상변화 물질층을 감싸며 상기 제1나노 섬유 웹에 방사되어 얻어진 나노 섬유가 축적되어 형성된 제2나노 섬유 웹;을 포함하는 단열 패널.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서, 상기 나노 섬유는 열전도율이 0.1W/mK 미만인 고분자로 이루어진 단열 패널.
  17. 제14항에 있어서, 상기 단열 시트의 외주면의 일부 또는 전부에 적층된 무기공 필름 또는 보강 시트를 더 포함하는 단열 패널.
  18. 제14항에 있어서, 상기 외피재는 금속 물질로 구성하는 단열 패널.
  19. 제14항에 있어서, 상기 외피재의 내부 공간은 진공 또는 감압되어 있는 단열 패널.
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