KR101750554B1 - 분말 타입 진공단열재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (1) 3면이 밀봉되고 개구부가 형성된 통기성 봉투의 외부 표면과 이면에 베리어 박막 필름을 융착하여 외피를 형성하는 단계; (2) 상기 개구부를 통해 상기 외피에 분말을 투입하는 단계; (3) 상기 개구부 측을 밀봉하는 단계; (4) 상기 외피의 내부공간을 진공화 하는 단계; (5) 상기 개구부의 반대편을 밀봉하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재에 관한 것이다.

Description

분말 타입 진공단열재 및 그 제조 방법 {POWDERED TYPE VACUUM INSULATION PANEL AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 통상적인 진공단열재보다 경제적인 분말 타입 진공단열재의 제조 방법에 관한 것이다.

진공단열재는 내부 심재로 합성실리카 및 퍼라이트와 같은 분말계, 글라스화이버나 미네랄울과 같은 섬유계, 폴리우레탄 폼 및 페놀 폼과 같은 발포폼계 등의 다공성 소재를 포함하고 알루미늄 소재 및 고분자 수지로 구성된 베리어 박막 필름의 외피재가 심재를 감싸 내부를 진공 처리하여 열전달을 최소화함으로써 열전도율이 5.0mW/mK 이하의 단열 물성을 지니는 단열재를 말한다.

기존 단열재 대비 8 ~10배 이상 단열 성능이 우수하고, 얇은 두께로도 성능을 유지할 수 있어 높은 응용성을 가지며, 국내에서는 가전, 의료용 장비 및 냉동, 냉장설비 등에 적용되고 있지만, 향후 에너지 절감 차원에서 건축물 단열재, 산업용 단열재, 특수 포장 용기 등 적용에 점차 확대할 것으로 기대하고 있다.

그럼에도 불구하고, 진공단열재는 성능을 감안한 기준으로는 경제성을 갖고 있지만, 기존 단열재의 동일 부피 대비 단가가 높다 라는 인식이 많아 보급의 확산이 원활하지 않다. 국내 외 정책적으로도 에너지 절감을 위한 고효율 단열재의 사용을 권고하고 있으나, 예상만큼이나 관련 분야 산업 내 움직임이 활발하지 않다. 따라서, 진공단열재를 제조하는 메이커 사들은 이들의 보급을 촉진시키기 위해 경제적인 진공단열재 개발에 적극 참여하고 있는 실정이다.

분말계 진공단열재는 통상적으로 다공성 소재 구성의 분말을 압축성형하여 요구되는 사이즈에 맞게 절단하고, 이를 베리어 박막 필름으로 둘러싸 진공화하여 제조한다. 상기 분말을 압축성형하는 공정은 고도의 기술과 고가의 설비가 요구되고, 이를 사이즈에 맞게 절단하는 공정은 심재 잔류분의 폐기와 함께 고비용을 소모한다.

공개특허 10-2008-0063315에서는 심재 성형설비를 갖추지 않으면서, 임의의 형상 및 치수를 가지는 베리어 박막 필름의 봉투 안에 분말을 채워 진공작업하여 얻어지는 경제적인 진공단열재 제조 방법을 제시하고 있다. 특히, 분말을 상기의 베리어 박막 필름의 봉투 안에 채워 진공작업을 할 경우, 분말이 봉투의 개구부 밖으로 분출되어 봉투의 밀봉부를 오염시켜 봉투 내에 진공환경이 형성되지 않거나, 또는 분말이 확산되어 진공챔버의 기계적 손상을 줄 수 있으므로 개구부에 통기성이 있는 물통모양 또는 정방형으로 예비 성형된 시트를 필터로 열 접착하는 것을 제시하고 있다. 하지만, 분말 투입 시, 상기의 베리어 박막 필름의 내부 밀봉부에 분말이 직접 닿아 오염을 야기하므로, 밀봉하더라도 이물질로 인한 Leak 때문에 진공단열재 내부의 진공이 훼손될 수 있다. 또한, 분말을 투입 한 후, 물통모양 또는 정방형의 통기성 시트를 상기 다층 박막 필름 봉투의 개구부에 장착할 때, 상기 베리어 박막 필름 봉투의 개구부의 내경과 일치하지 않으면 사이의 틈새로 인해서도 Leak를 발생시킬 수 있다.

공개특허 10-2008-0063315에서는 베리어 박막 필름 봉투의 개구부에 인접하는 밀봉부 내부에 밀봉심을 삽입하였다. 상기 밀봉부가 열에 의해 접착이 될 때, 밀봉심도 함께 용융이 되면서 베리어 박막 필름의 밀봉부의 접착력은 더욱 강화된다. 또한, 개구부에 통기성이 있는 필터를 장착할 때, 개구부 측면의 밀봉부를 밀봉하기 전에 상기 필터가 밀봉부를 가로질러 장착하고, 밀봉심과 함께 열 접착하면, 분말에 대한 오염을 최소화할 수 있다. 하지만, 분말을 넣을 때, 상기의 다층 박막 필름의 개구부 내부에 상기 분말이 직접 닿아 열접착 하더라도 Leak가 발생할 수 있다. 또한, 상기의 다층 박막 필름의 개구부와 인접하는 밀봉부에 밀봉심을 삽입하는 것과 밀봉부를 가로질러 통기성 시트를 장착하는 것은 복잡하므로 공정비용을 상승시켜 기술개발의 목적을 상쇄시킨다.

선행기술의 단점들로부터 도출된 본 발명의 과제는 분말의 투입 시, 베리어 박막 필름 봉투 내부에 상기 분말의 직접적 접촉에 의한 오염이 없으므로 발생할 수 있는 Leak를 최소화하고, 상기 베리어 박막 필름 봉투의 가공을 간편히 함으로써 공정 단순화를 통한 비용을 줄이는데 그 목적이 있다.

상기 과제는 분말의 다공성 심재와 상기 심재를 둘러싸며 내부가 진공으로 형성되는 통기성 봉투와 베리어 박막 필름으로 구성된 외피를 가지는 분말 타입 진공단열재에 있어서, 상기 외피는 한면이 열린 통기성 봉투와 상기 통기성 봉투의 상부 및 하부에 베리어 박막필름이 상기 통기성 봉투의 개구부와 인접하는 평행한 밀봉부 두면 위로 추가 접착하는 것으로 이루어지고, 상기 외피의 통기성 봉투 개구부 안으로 분말을 넣고 밀봉하는 단계와 그리고 나서 전체를 진공화한 후, 나머지 외피의 반대쪽을 밀봉하여 제조함으로써 해결된다.

더욱 상세하게 본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 분말 타입 진공단열재의 제조방법은 (1) 3면이 밀봉되고 개구부가 형성된 통기성 봉투의 외부 표면과 이면에 베리어 박막 필름을 융착하여 외피를 형성하는 단계; (2) 상기 개구부를 통해 상기 외피에 분말을 투입하는 단계;(3) 상기 개구부 측을 밀봉하는 단계; (4) 상기 외피의 내부공간을 진공화 하는 단계; (5) 상기 개구부의 반대편을 밀봉하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법은 상기 외피는 상기 통기성 봉투의 개구부가 상기 베리어 박막 필름의 상단 밖으로 드러나게 위치하고, 상기 개구부의 반대쪽은 상기 베리어 박막 필름 안쪽으로 가려지게 융착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 외피는 상기 통기성 봉투의 개구부에 인접한 평행한 좌우의 제1밀봉부 위에 상기 베리어 박막 필름의 좌우 양단이 중첩하여 제2밀봉부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 (3) 단계는 상기 개구부 측에 인접한 베리어 박막 필름 상단을 통기성 봉투와 동시에 밀봉하고, 상기 (5) 단계는 상기 개구부 반대편의 베리어 박막 필름 하단만 밀봉하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 (3) 및/또는 (5)의 밀봉하는 단계 이후에 밀봉부 밖으로 나오는 통기성 봉투 및/또는 베리어 박막 필름을 제거 또는 안쪽으로 접어 붙이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 분말은 합성실리카, 퍼라이트, 규조토, 제올라이트, 질석, 플라이애쉬, 버미큘라이트 중에서 적어도 하나의 다공성 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 분말은 단열성 향상을 위해 적외선 차단제를 혼합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법에서 상기 적외선 차단제는 흑연, 탄화규소, 알루미나, 산화티탄, 카본블랙, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 활석, 산화철, 산화지르코늄 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 분말 타입 진공단열재는 상기 분말 타입 진공단열재의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 분말의 투입 시, 베리어 박막 필름 봉투의 개구부 내부에 상기 분말의 직접적 접촉에 의한 오염이 없으므로 발생할 수 있는 Leak를 최소화하고, 상기 베리어 박막 필름 봉투의 가공을 간편히 함으로써 불량률을 최소화하고 공정비용이 낮은 분말 타입 진공단열재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 외피의 일부를 구성하는 통기성 봉투를 나타내는 도면이다.
도 2는 통기성 봉투 위로 베리어 박막 필름이 부착된 상태의 외피 도면이다.
도 3은 분말 타입 진공단열재의 제조 순서를 나타내는 개략도이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 분말 타입 진공단열재에 대해 상세 설명한다.

도 1은 외피를 구성하는 소재 중 일부인 통기성 봉투(10)를 도시하고 있다. 통기성 봉투는 진공단열재의 심재로 구성될 분말을 직접적으로 둘러싸는 역할을 한다. 상기 분말은 다공성이기 때문에 많은 공기들을 내포하고 있다. 따라서, 진공작업 시, 분말 입자 간 기공 안에 갇혀 있던 공기가 밖으로 배출되어야 하는데, 공기의 흐름에 이끌려 분말들도 밖으로 배출될 수 있다. 밖으로 배출된 분말은 베리어 박막 필름 내부의 밀봉부에 오염을 야기하여 Leak를 발생시키거나 진공챔버의 펌프로 유입되어 기계적 손상을 줄 수 있다. 상기 통기성 봉투(10)는 필터역할을 함으로써 분말의 공기만 배출하고, 입자는 밖으로 유출되지 못하도록 한다. 상기 통기성 봉투는 상기 분말을 담을 수 있도록 개구부(11) 한 면이 열려있다. 상기 통기성 봉투(10)는 상기 분말(30)이 투입되고 나서 밀봉해야 하므로, 열에 의해 용융 및 접착이 가능해야 한다. 소재면에서 제한은 없으나, 통기성 봉투(10)의 개구부(11) 내부에 분말(30)이 묻더라도 열에 의해 소재가 용융되어 완전 접착이 용이하도록 하는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 베리어 박막 필름(20)이 상기 통기성 봉투(10)의 표면과 이면에 덧대어 접착된 형태를 나타낸다. 베리어 박막 필름(20)은 심재인 분말을 포함하는 내부를 진공화 할 경우, 내부 진공을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 더 나아가서는 대기에 잔존해 있는 수분과 가스가 진공단열재의 내부로 침투하는 것을 차단하여 준다. 베리어 박막 필름(20)도 열접착하여 밀폐한다.

단, 열접착층이 매우 얇아 이물질이 묻을 경우에는 Leak가 발생할 수 있다. 따라서, 밀봉부가 먼지나 분말에 의해 오염되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.

따라서, 본 발명에서 외피(40)는 상기 통기성 봉투(10)의 표면과 이면에 상기 베리어 박막 필름(20)을 추가 접착하는 것으로 구성한다. 자세하게는 상기 베리어 박막필름(20)을 접착할 때, 상기 통기성 봉투(10)에 형성된 3방향의 제1밀봉부(12) 중에서 개구부(11)의 좌우 양쪽으로 인접하고 있는 평행한 두 개의 제1밀봉부(12) 위로 베리어 박막필름(20)의 좌우 양단이 겹쳐서 제2밀봉부(22)를 형성하도록 열접착 한다.

상기 통기성 봉투(10)의 개구부(11)는 상기 베리어 박막 필름(20)의 상단 밖으로 드러나게 위치하고, 상기 개구부(11)의 반대편은 상기 베리어 박막 필름(20) 하단의 안쪽으로 가려지게 위치하도록 한다. 그러면, 분말(30)을 상기 통기성 봉투의 개구부(11)로 투입하더라도 상기 분말이 베리어 박막 필름(20)을 오염시키지 않는다.

상기 베리어 박막 필름(20)은 다양한 폭을 가질 수 있고, 특히 상기 통기성 봉투(10)와 폭이 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 상기 베리어 박막 필름(20)의 길이는 상기 통기성 봉투(10)와 같거나 달라도 무관하다.

도 3은 외피(40)봉투에 분말을 넣고, 밀봉 후 진공화하여 분말타입 진공단열재를 제조하는 방법을 순서대로 나열하고 있다. 우선, 한면이 열린 통기성 봉투(10)의 외부인 표면과 이면에 베리어 박막 필름(20)을 도 2의 형태로 겹쳐 접착된 외피(40)를 준비한다. 상기 통기성 봉투의 개구부(11)를 통해 미리 계산된 양의 분말(30)을 넣는다. 상기 분말의 양에 따라, 제조되는 분말타입 진공단열재의 두께가 결정된다. 이는 분말이 가지는 비표면적과 기공율 또는 각각 다른 분말의 배합차이에 따라 차이가 있을 수 있다. 제한하지는 않지만, 진공 후 분말의 수축률을 고려하여 투입량을 조절하는 것이 바람직하다. 분말은 합성실리카, 퍼라이트, 규조토, 제올라이트, 질석, 플라이애쉬, 버미큘라이트 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 다공성 소재를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분말에는 단열성 향상을 위해 적외선 차단제를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 적외선 차단제는 흑연, 탄화규소, 알루미나, 산화티탄, 카본블랙, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 활석, 산화철, 산화지르코늄 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 소재를 포함한다.

제한하지는 않지만 상기 분말은 함수량이 낮은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 분말 내에 수분이 많으면, 진공단열재의 단열 성능이 장기간 유지되기 어렵기 때문이다. 또한, 진공작업 시, 설정된 작업진공도에 도달하기 위해서 많은 시간이 소요될 수 있으므로 생산성이 저하될 수 있다. 필요에 따라서는 분말의 건조 공정을 추가할 수 있다.

상기 한면이 열린 통기성 봉투의 개구부(11)를 통해 분말을 넣고 나면, 개구부(11)를 밀봉하여 폐쇄해야 한다. 상기 통기성 봉투의 개구부(11)를 위로 향하게 하면, 분말은 통기성 봉투의 하단부에 위치하게 된다. 이 때, 상기 통기성 봉투의 개구부(11)와 인접한 방향의 베리어 박막 필름(20)의 상단 부분을 열접착하여 제3 밀봉부(32)를 형성한다. 그러면, 안쪽의 통기성 봉투(10)는 열에 의해 완전 용융되어 부착되고, 이를 둘러싸는 베리어 박막 필름(20)도 함께 접착된다. 상기의 제3밀봉부(32) 밖으로 나오는 통기성 봉투 및 베리어 박막 필름(44)은 필요에 따라 잘라내 제거하거나 안쪽으로 접어 붙여도 무관하다.

이렇게 개구부(11)가 밀봉된 외피(40)봉투는 진공작업을 위해 진공챔버 안에 위치한다. 이 때, 상기 봉투 안의 분말은 한쪽으로 몰려있는 상태다. 봉투를 흔들어서 분말을 골고루 평탄하면 균일두께의 분말타입 진공단열재를 제조할 수 있다. 진공챔버에 위치하기 전, 롤러를 이용해 평탄하거나 갈퀴모양의 도구나 장치를 이용해 평탄작업을 진행할 수 있다. 별도의 프레스 장비나 챔버 내에 프레스를 장착하고, 분말이 집중되어 있는 부위를 눌러 다른 방향으로 이동을 유도하여 평탄을 진행할 수 있다. 분말의 유동 특성에 따라 별도의 평탄작업이 필요하지 않을 수도 있기 때문에 본 발명에서는 제한하지는 않는다.

상기 개구부(11)가 밀봉된 외피 봉투의 반대쪽은 통기성 봉투(10)에 의해 폐쇄되어 있지만, 공기 투과는 가능하다. 때문에 분말을 포함하는 심재의 진공화가 가능하다.

설정된 진공조건에 도달하면, 통기성 봉투에 의해 폐쇄된 부분도 공기 투과가 되지 않도록 완전 밀봉해야 한다. 이 때는 진공상태에서 베리어 박막 필름(20)의 하단만 밀봉하여 제4밀봉부(42)를 형성한다. 그리고, 진공을 해제하면, 분말의 다공성 심재와 상기 심재를 둘러싸며 내부가 진공으로 형성되는 통기성 봉투(10)와 베리어 박막필름(20)으로 구성된 외피(40)를 가지는 분말 타입 진공단열재가 제조된다. 역시 상기 방법과 같이 제4밀봉부 밖으로 나오는 베리어 박막 필름(55)은 잘라내 제거하거나 안쪽으로 접어 붙여도 무관하다.

상기 실시예에서는 분말 타입 진공단열재의 제조방법에 대해 설명되어 있으나, 본 발명은 이들의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 원칙을 벗어나지 않는 범위에서 변형 가능함을 알 수 있다.

10 : 통기성 봉투 11 : 개구부
12 : 제1 밀봉부 20 : 베리어 박막 필름
22 : 제2 밀봉부 30 : 분말
32 : 제3 밀봉부 40 : 외피
42 : 제4밀봉부
44 : 제3밀봉부 밖으로 나오는 통기성 봉투 및 베리어 박막 필름
55 : 제4밀봉부 밖으로 나오는 베리어 박막 필름

Claims (9)

1. (1) 3면이 밀봉되고 개구부가 형성된 통기성 봉투의 표면과 이면에 베리어 박막 필름을 각각 융착하여 외피를 형성하되, 상기 외피는 상기 통기성 봉투의 개구부가 상기 베리어 박막 필름의 상단 밖으로 드러나게 위치하고, 상기 개구부의 반대쪽은 상기 베리어 박막 필름 안쪽으로 가려지게 위치하도록 하여, 상기 통기성 봉투의 개구부에 인접하는 평행한 좌우의 제1밀봉부 위에 상기 베리어 박막 필름의 좌우 양단이 중첩하여 제2밀봉부를 형성하는 외피형성 단계;
   (2) 상기 개구부를 통해 상기 외피의 통기성 봉투 내부에 분말을 투입하는 단계;
   (3) 상기 개구부 측에 인접한 베리어 박막 필름 상단을 통기성 봉투와 동시에 밀봉하는 단계;
   (4) 상기 외피의 내부공간을 진공화 하는 단계;
   (5) 상기 개구부 반대편의 베리어 박막필름의 하단만 밀봉하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 (3)단계 이후에 밀봉부 밖으로 나오는 통기성 봉투 및 베리어 박막 필름을 제거 또는 안쪽으로 접어 붙이는 단계; 및 상기 (5)단계 이후에 밀봉부 밖으로 나오는 베리어 박막 필름을 제거 또는 안쪽으로 접어 붙이는 단계; 중 적어도 어느 하나의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재의 제조방법.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 합성실리카, 퍼라이트, 규조토, 제올라이트, 질석, 플라이애쉬, 버미큘라이트 중에서 적어도 하나의 다공성 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재의 제조방법.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 분말에 적외선 차단제를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재의 제조방법.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 적외선 차단제는 흑연, 탄화규소, 알루미나, 산화티탄, 카본블랙, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 활석, 산화철, 산화지르코늄 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 타입 진공단열재의 제조방법.
   
9. 삭제

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