KR101808899B1 - 진공단열재용 심재, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 진공단열재 - Google Patents

진공단열재용 심재, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 진공단열재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 유기 바인더(Organic Binder)를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 유기 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 진공단열재용 심재, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 진공단열재에 관한 것이다.

Description

진공단열재용 심재, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 진공단열재{CORE MATERIAL FOR VACUUM INSULATION PANNEL, METHOD FOR FABRICATING THE SAME AND VACUUM INSULATION PANEL USING THE SAME}
본 발명은 진공단열재용 심재, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 진공단열재에 관한 것이다.
진공단열재(Vacuum Insulation Panel)는 일반적으로 가스 배리어성이 뛰어난 복합 플라스틱 라미네이트 필름으로 이루어지는 봉지체에 심재로서 연속 기포 경질 플라스틱 발포체나 무기물 등을 수납하고 내부를 감압한 후, 둘레 가장자리의 가스 배리어성 필름끼리의 적층 부분을 히트실링하여 제조된다.
글라스 페이퍼(Glass Paper). 실리카 분말. 유기 초극세 섬유 등을 이용함으로써 저열전도율의 단열성능이 우수한 진공단열재의 제조가 가능하였다. 그 중에서도 글라스 페이퍼의 경우 가장 낮은 열전도율을 확보할 수 있는 심재로써 가장 보편적으로 사용되고 있다.
글라스 페이퍼를 진공단열재용 심재로 사용할 경우 우수한 초기 열전도율 확보가 가능하나, 바인더를 2 중량% 이상 함유하는 글라스 페이퍼를 포함하는 진공단열재용 심재의 경우, 바인더에 의한 접촉점(Contact Point)의 전도에 의한 열전달에 의하여 단열 성능이 악화된다. 특히, 바인더로서, 유기 바인더(Organic Binder)를 사용하는 경우에는 장기내구성에 악영향를 주는 가스가 발생하여 진공단열재용 심재로 사용이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 바인더를 함유하지 않는(Non-Binder) 글라스 울(Glass Wool)을 포함하는 진공단열재용 심재의 경우, 글라스 울이 부피가 크고 작업성도 양호하지 못한 관계로 바인더의 제거에 있어서 많은 어려움이 있었다.
본 발명은 (a) 유기 바인더(Organic Binder)를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 유기 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 진공단열재용 심재의 제조방법 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 (a) 유기 바인더(Organic Binder)를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 유기 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 진공단열재용 심재의 제조방법을 제공한다.
상기 (a)에서 유기 바인더는 아크릴 수지, 메틸셀룰로오스 수지, 폴리비닐알코올 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 (a)에서 용액은 상기 유기 바인더 2 중량% 내지 10중량% 및 잔량의 물을 포함할 수 있다.
상기 (c)에서 제거는 열처리 또는 플라즈마 처리에 의한 것일 수 있다.
상기 열처리는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 플라즈마 처리는 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로, 유기 바인더에 의해 글라스 페이퍼의 조직이 결합되어 있는 진공단열재용 심재로서, 상기 유기 바인더는 상기 진공단열재용 심재에 대하여 2 중량% 미만인 진공단열재용 심재를 제공한다.
상기 진공단열재용 심재의 두께는 0.1mm 내지 2mm일 수 있다.
상기 진공단열재용 심재는 2장 이상 적층될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 진공단열재용 심재; 및 상기 진공단열재용 심재를 진공 포장하는 외피재를 포함하는 진공단열재를 제공한다.
상기 진공단열재용 심재에 부착 또는 삽입되는 게터(getter)재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 진공단열재는 진공단열재용 심재 내 유기 바인더를 열처리 또는 플라즈마 처리에 의해 제거함으로써, 열전도율이 낮아 초기 단열 성능이 우수하면서도, 장기 내구 성능이 최소 10년 이상으로 역시 우수하다.
본 발명자들은 초기 단열 성능 및 장기 내구 성능이 모두 우수한 진공단열재에 대해 연구하던 중, 진공단열재용 심재 내 유기 바인더를 열처리 또는 플라즈마 처리에 의해 제거함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 (a) 유기 바인더(Organic Binder)를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 유기 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 진공단열재용 심재의 제조방법을 제공한다.
상기 (a)는 유기 바인더(Organic Binder)를 포함하는 용액을 제조하는 단계이다.
상기 유기 바인더는 아크릴 수지, 메틸셀룰로오스 수지, 폴리비닐알코올 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 아크릴 수지를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이들은 주로 물에 혼합되어 강력한 접착제로서 작용을 하게 되는 것이고, 이러한 유기 바인더를 이용함으로써, 글라스 페이퍼를 보드 형태로 성형시킬 수 있다.
상기 용액은 상기 유기 바인더 2 중량% 내지 10중량% 및 잔량의 물을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 유기 바인더가 2 중량% 미만인 경우, 강력한 접착제로서 작용을 하지 못하는 문제점이 있고, 유기 바인더가 10 중량% 를 초과하는 경우, 열전도율이 급격하게 증가하여 진공단열재용 심재로서 부적합한 단열 성능을 나타내는 문제점이 있다.
상기 (b)는 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계이다.
구체적으로, 유기 바인더를 포함하는 용액을 수조에 담고, 상기 용액 내에 상기 글라스 페이퍼를 침지(Dipping)시킨다. 이때, 침지 방법으로는 글라스 페이퍼 두께의 반씩 침지시키는 방식으로 양면 모두 침지되도록 할 수 있으며, 한 번에 전체 글라스 페이퍼가 모두 침지되도록 할 수 있다.
상기 (c)는 상기 유기 바인더를 제거하는 단계이다.
상기 제거는 열처리 또는 플라즈마 처리에 의한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 열처리가 300℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 유기 바인더의 완전한 제거가 어려운 문제점이 있고, 열처리가 600℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 유기 바인더의 완전한 제거가 이루어진 후에 추가적인 작업을 수행하는 것에 불과하므로, 불필요한 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
플라즈마란 기체 상태의 분자들이 일정량의 고에너지를 흡수하여 전기적 성질을 띤 입자(음이온, 양이온, 전자, 라디칼)와 전기적 중성인 입자로 존재하는 것을 말한다. 이는 높은 에너지의 반응성이 높은 상태로 존재하며 다른 물질과 빠르게 반응하는 특성이 있다.
상기 플라즈마 처리는 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 상기 플라즈마는 챔버 내 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스 또는 Ar 및 N2로 이루어진 혼합 반응 가스를 공급한 후 전원을 가하여 진공 또는 대기압에서 형성될 수 있다.
이후, 상기 글라스 페이퍼가 심재의 형태로 성형될 수 있는데, 평판형 보드의 경우 단순 진공 흡입 공정만으로도 압하율 70 ~ 80%가 구현 될 수 있었다. 이때, 평판형 보드의 평면 형태를 다양화 하거나 압하율을 더 향상시키기 위하여 추가적인 성형틀이 형성될 수 있다. 또한, 그루브(Groove)형 보드의 경우 중간 중간에 굽힘을 위한 마디를 형성하여야 하므로, 성형틀 내부에 칸막이 형태의 압착부를 형성하여 심재 중간 중간에 홈이 형성될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 유기 바인더에 의해 글라스 페이퍼의 조직이 결합되어 있는 진공단열재용 심재로서, 상기 유기 바인더는 상기 진공단열재용 심재에 대하여 2 중량% 미만인 진공단열재용 심재를 제공한다.
상기 글라스 페이퍼를 진공단열재용 심재에 적용하는 경우, 우수한 초기 단열 성능 확보가 가능하여, 2.4mW/mk 이하 수준의 열전도율 확보가 가능하다.
다만, 바인더를 2중량% 이상 함유하는 글라스 페이퍼를 포함하는 진공단열재용 심재의 경우, 바인더에 의한 접촉점(Contact Point)의 전도에 의한 열전달에 의하여 단열 성능이 악화된다. 특히, 바인더로서, 유기 바인더를 사용하는 경우에는 장기내구성에 악영향를 주는 가스가 발생하여 진공단열재용 심재로 사용이 불가능한 문제점이 있었는바, 본 발명에서는 진공단열재용 심재 내 유기 바인더를 열처리 또는 플라즈마 처리에 의해 제거함으로써, 상기 유기 바인더는 상기 진공단열재용 심재에 대하여 2 중량% 미만, 보다 바람직하게는 0중량%(non-binder)인 것을 특징으로 한다.
상기 글라스 페이퍼에서 유리 섬유의 평균 길이는 1mm 내지 30mm일 수 있다.
또한, 진공단열재의 모양에 따라서 사각형, 원형 등의 형태로 글라스 페이퍼를 형상 가공함으로써 재단하여 사용할 수 있다.
상기 진공단열재용 심재의 두께는 0.1mm 내지 2mm일 수 있다. 이때, 상기 진공단열재용 심재의 두께는 유리 섬유 페이퍼의 단중에 따라 조절가능한 것으로, 유리 섬유 페이퍼의 단중은 25g/㎡ 내지 300 g/㎡이다.
또한, 상기 진공단열재용 심재는 2장 이상 적층될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 진공단열재용 심재; 및 상기 진공단열재용 심재를 진공 포장하는 외피재를 포함하는 진공단열재를 제공한다.
상기 진공단열재용 심재에 부착 또는 삽입되는 게터(getter)재를 추가로 포함할 수 있다.
상기 외피재는 먼저 접착층 상부에 형성되는 금속 배리어층 및 표면 보호층이 순차적으로 형성된다. 이때, 접착층은 외피재의 내부에 형성되는 층이고, 표면 보호층은 최외곽에 노출되는 층으로서 정의될 수 있다.
이때, 접착층은 히트실링에 의해서 서로 열용착되는 층으로서 진공 상태를 유지시킬 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 따라서, 접착층은 열용착이 용이한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 미연신 폴리프로필렌(CPP), 연신 폴리프로필렌(OPP), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리염화비닐(PVC), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체(EVA) 및 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 열가소성 플라스틱 필름으로 형성하되, 충분한 실링 특성을 제공하기 1 ~ 100㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 접착층 상부에 가스 차단 및 심재 보호를 위한 배리어층으로서 6 ~ 7㎛의 두께의 금속 박막을 형성한다. 이때, 일반적으로 알루미늄 호일(Foil) 금속 배리어층이 가장 많이 사용되고 있으며, 알루미늄 호일 보다 더 뛰어난 특성을 가진 박막이 뚜렷하게 밝혀지지 않은 상태이므로, 본 발명에서도 알루미늄 호일을 이용한다. 이때, 알루미늄은 금속 소재이므로 접힘시 크랙(Crack)이 발생되는 등 문제가 있을 수 있는데, 이를 방지하기 위하여, 금속 배리어층 상부에 표면 보호층을 형성한다.
본 발명에 따른 외피재의 표면 보호층은 10 ~ 14㎛의 두께 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 및 20 ~ 30㎛의 두께 나일론(Nylon) 필름의 적층 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속 배리어층에서 발생하는 크랙(Crack)의 정도가 심각한 경우 폴리에틸렌테레프탈레이트/나일론 필름에도 손상이 가해질 수 있는데, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 폴리에틸렌테레프탈레이트층 상부에 비닐계 수지층을 코팅하여 사용한다.
상기 비닐계 수지층은 폴리염화비닐(PVC), 폴리초산비닐(PVA), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐브탈랄(PVB), 폴리염화비닐리덴(PVDC) 수지 중 선택된 하나 이상으로 이루어진 비닐계 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 외피재의 기밀 특성을 더 향상시키기 위하여 상기 표면 보호층, 금속 배리어층 및 접착층은 각각 폴리우레탄(PU)계 수지를 이용하여 접착시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 외피재를 형성함으로써, 본 발명에 따른 진공단열재는 최상의 기밀성과 장기 내구 성능을 가질 수 있도록 한다.
또한, 외부의 온도 변화에 의해서 외피재 내부에서 가스 및 수분이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 게터재를 사용하고 있으며, 상기 게터재는 파우치에 담겨진 생석회(CaO)일 수 있다. 본 발명에서는 순도 95% 이상의 생석회 분말을 사용하되, 파우치 또한 주름지 및 폴리프로필렌(PP) 함침 부직포로 형성하여 25% 이상의 수분 흡수 성능을 확보할 수 있도록 한다. 이때, 전체 단열 패드의 두께를 고려하여 게터의 두께는 2mm 이내로 형성하는 것이 바람직하다.
아울러, 외피재 내부의 진공도는 0.1 ~ 10Pa가 되도록 하는 것이 바람직하다. 진공도가 0.1Pa 미만인 경우 생산 효율이 저하되며, 진공도가 10Pa을 초과하게 되면 초기 단열 성능 및 장기 내구성이 저하될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
아크릴 수지의 유기 바인더(Organic Binder)에 의해 글라스 페이퍼(Glass Paper)의 조직이 결합되어 있는 1×290×410mm(두께×폭×길이) 크기의 진공단열재용 심재를 형성하였다. 구체적으로, 아크릴 수지의 유기 바인더 3 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 용액을 제조한 후, 글라스 페이퍼를 용액에 침지시켰다. 이후, 약 530℃의 온도에서 약 10분 동안 열처리에 의해 유기 바인더를 제거함으로써, 진공단열재용 심재를 형성하였다. 폴리염화비닐리덴(PVDC)/폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(PET) 12㎛, 나일론(Nylon) 필름 25㎛, 알루미늄 호일 7㎛ 및 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름 50㎛로 이루어진 외피재를 형성하였다. 이후 순도 95%의 생석회(CaO) 25g을 파우치에 넣어서 제조한 게터재 2개를 심재의 표면에 삽입시켰다. 이후 심재를 외피재에 삽입한 후 10Pa이하의 진공도 상태에서 밀봉하여 진공단열재를 제조하였다.
비교예 1
열처리에 의한 유기 바인더의 제거를 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 진공단열재를 제조하였다.
HC-074-200(EKO社 제조) 열전도 측정기를 사용하여 실시예 1 및 비교예 1에 따른 진공단열재의 열전도율을 측정하였고, 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
　 실시예1 비교예1
열전도율
(mW/mk)		 1.7~1.8 2.1~2.2
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 진공단열재는 진공단열재용 심재 내 유기 바인더를 제거함으로써, 열전도율이 낮아 초기 단열 성능이 우수하면서도 장기 내구 성능 역시 우수함을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1에 따른 열전도율이 상대적으로 높아 초기 단열 성능 및 장기 내구 성능이 떨어지는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. (a) 유기 바인더(Organic Binder) 2 중량% 내지 10중량% 및 잔량의 물을 포함하는 용액을 제조하는 단계;
    (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및
    (c) 300℃ 내지 600℃ 의 온도에서, 상기 (b)의 결과물로서 상기 용액에 침지된 글라스 페이퍼를 열처리하여 상기 유기 바인더의 함량을 2 중량% 미만으로 제어하는 단계;를 포함하는
    진공단열재용 심재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)에서 유기 바인더는 아크릴 수지, 메틸셀룰로오스 수지, 폴리비닐알코올 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는
    진공단열재용 심재의 제조방법.
  3. 삭제
  4. (a) 유기 바인더(Organic Binder) 2 중량% 내지 10중량% 및 잔량의 물을 포함하는 용액을 제조하는 단계;
    (b) 글라스 페이퍼(Glass Paper)를 상기 용액에 침지시키는 단계; 및
    (c) 상기 (b)의 결과물로서 상기 용액에 침지된 글라스 페이퍼를 플라즈마 처리하여 상기 유기 바인더의 함량을 2 중량% 미만으로 제어하는 단계;를 포함하는
    진공단열재용 심재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a)에서 유기 바인더는 아크릴 수지, 메틸셀룰로오스 수지, 폴리비닐알코올 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는
    진공단열재용 심재의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 수행되는 것인
    진공단열재용 심재의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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