KR101972640B1

KR101972640B1 - 잠열축열복합재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101972640B1
Application number: KR1020160130608A
Authority: KR
Inventors: 김동립; 허창성; 김선우
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2019-04-25
Also published as: KR20180039376A; WO2018070693A1

Abstract

본 발명은 잠열축열복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 상(phase)이 변하면서 열을 흡수 또는 방출하는 상변화물질(PCM, 10), 및 금속 분말(21)이 서로 연결되어 그물구조의 네트워크를 형성하고 열을 전달하는 전도성 네트워크(23), 및 금속 분말(21)을 서로 연결하고 상변화물질(10)을 고정하는 결합제(25)를 포함하며, 내부에 상변화물질(10)이 분산 배치되는 열전도부(20)를 포함한다.

Description

잠열축열복합재 및 그 제조방법{LATENT HEAT REGENERATIVE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 잠열축열복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 우리 사회는 화석연료의 고갈로 인한 에너지 문제에 직면해 있다. 이러한 상황에서도, 다양한 분야에서 다량의 열이 버려지고 있다. 예를 들어, 제철산업, 발전산업 등에서 발생하는 폐열, 자동차 엔진 등과 같은 내연기관에서 손실되는 열, 난방 후의 잔열 등이 회수되지 않고 버려진다. 기존의 차량들의 파워트렌인과 화력발전, 원자력 발전 등의 열효율은 40% 내외이므로, 60% 정도의 열이 손실되고 있다. 이러한 에너지 문제를 해결하기 위해서, 대체 에너지 개발 및 에너지의 효율적 활용에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 다만, 대체 연료 내지 새로운 에너지 개발의 경우에는 초기 투자비가 높아 경제성에 문제가 있다. 또한, 새로운 인프라를 추가적으로 구축해야 하므로, 정책적 지원이 필요하고, 개발에 장시간이 소요된다. 따라서, 에너지 자원이 부족한 현재 상황에서 산업활동을 지속적으로 유지하기 위해서는, 장기적인 대체 에너지 개발뿐만 아니라, 에너지의 효율적 활용을 통한 에너지 절약 대안이 함께 추진되어야 한다.

에너지의 효율적 활용 방안으로서, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 잠열축열재가 고안되었다. 잠열축열재는 열에너지를 저장하였다가 필요한 곳에 공급할 수 있는 열에너지 재활용 재료로, 소실되는 폐열을 축적하여 필요한 장소로 공급하는 열저장장치에 적용된다. 잠열축열재는 잠열을 이용하는 축열재로서, 여기서 잠열(latent heat)은 어떤 물질이 상전이 될 때, 흡수하거나 방출하는 열을 의미하고, 이와 달리 상전이가 일어나지 않는 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출되는 열을 현열(sensible heat)이라고 한다. 이러한 잠열과 현열을 이용해 열을 저장할 수 있는데, 잠열의 경우에 현열에 비해 상변화 온도에서 훨씬 높은 에너지 저장능력과 방출능력을 가지므로, 잠열을 이용하는 축열방식이 현열을 이용한 방식보다 더 효과적이다. 이때, 잠열을 이용하는 잠열축열재로 활용되는 대표적 물질이 상변화물질(Phase Change Material, PCM)이다. 이러한 상변화물질을 활용한 잠열축열재의 경우에도 몇 가지 문제점이 있다.

종래 잠열축열재의 열용량은 순수 상변화물질 대비 약 70 ~ 80 % 수준에 불과할 정도로 순수한 상변화물질과 대비해 지나치게 낮다. 또한, 내구성이 떨어져서 융해, 응고 싸이클이 반복됨에 따라 그 구조가 변한다. 뿐만 아니라, 열전도도가 낮기 때문에 축열 및 방열에 상당한 시간이 소요된다.

따라서, 이러한 종래 잠열축열재의 문제점을 해결하기 방안이 절실히 요구된다.

KR

1997-0062008

A

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 금속 분말이 서로 그물구조로 연결된 전도성 네트워크 내에, 상변화물질이 분산 배치되는 구조를 가짐으로써, 열용량 및 열전도도가 향상되고, 열싸이클 내에서의 안정성이 우수한 잠열축열복합재를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 페이스트 잉크와 상변화물질을 혼합, 압축하여 성형체를 형성한 후에, 그 성형체를 가열하고, 가압함으로써, 페이스트 잉크의 함량 및 상변화물질의 입자크기 등을 자유롭게 조절할 수 있는 잠열축열복합재 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 잠열축열복합재는 상(phase)이 변하면서 열을 흡수 또는 방출하는 상변화물질(PCM), 및 금속 분말이 서로 연결되어 그물구조의 네트워크를 형성하고 상기 열을 전달하는 전도성 네트워크, 및 상기 금속 분말을 서로 연결하고 상기 상변화물질을 고정하는 결합제를 포함하며, 내부에 상기 상변화물질이 분산 배치되는 열전도부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 전도성 네트워크는 상기 상변화물질을 둘러싼다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 금속은 은, 구리, 금, 팔라듐 등 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 열전도부는 상기 금속 분말, 및 상기 결합제를 포함하며, 신축 가능하고 유연한 페이스트 잉크가 경화되어 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 상변화물질은 다수 개로, 서로 이격 배치되되, 상호 간은 상기 전도성 네트워크에 의해 연결된다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 상변화물질은 당알코올계 상변화물질이다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 상변화물질에 코팅되는 이차원 물질(2D Topological pMaterials);을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재에 있어서, 상기 금속 분말 및 상기 상변화물질의 체적에 대한 상기 금속 분말의 체적은 2 ~ 6 vol%이다.

본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 (a) 금속 분말 및 결합제가 혼합된 페이스트 잉크와 상변화물질을 소정의 비율로 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계, (b) 상기 혼합물을 주형에 넣고, 압축하여, 제1 성형체를 성형하는 단계, 및 (c) 상기 제1 성형체를 가열, 압축하여, 제2 성형체를 성형하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 금속 분말 및 상기 상변화물질의 체적에 대한 상기 금속 분말의 체적이 2 ~ 6 vol%가 되도록 혼합한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 페이스트 잉크와 상기 상변화물질을 혼합하기 이전에, 상기 상변화물질에 이차원 물질(2D Topological pMaterials) 용액을 코팅하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 상변화물질은 당알코올계 상변화물질이다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 18 ~ 22 ㎫의 압력으로 압축하여 성형한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 90 ~ 110 ℃에서, 8 ~ 12 ㎫의 압력으로, 25 ~ 35분 동안, 가열, 압축한다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 있어서, 상기 제2 성형체를 건조하는 단계; 건조된 상기 제2 성형체를 가열하여 상기 상변화물질을 용융시키고, 진공작업을 수행하는 단계; 및 용융된 상기 상변화물질을 응고시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 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.

본 발명에 따르면, 금속 분말이 서로 그물구조로 연결된 전도성 네트워크 내에, 상변화물질이 분산 배치되는 구조로 잠열축열복합재가 형성되어, 전도성 네트워크가 상변화물질을 둘러싸므로, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 열용량 및 열전도도가 향상되고, 열싸이클 내에서 우수한 안정성을 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면, 페이스트 잉크와 상변화물질을 혼합, 압축하여 형성한 성형체를 가열하고 가압하여 잠열축열복합재를 제조하므로, 그 과정에서 페이스트 잉크의 함량 및 상변화물질의 입자크기 등을 자유롭게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 간단한 방식으로 원하는 성능의 잠열축열복합재를 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사시도이다.
도 2는 도 1의 원 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열용량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 응고점을 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열싸이클에 대한 안정성을 나타내는 사진이다.
도 12 내지 도 13은 본 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열싸이클에 대한 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 융해열을 비교한 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사시도이고, 도 2는 도 1의 원 A 부분을 확대한 확대도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사진이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 상(phase)이 변하면서 열을 흡수 또는 방출하는 상변화물질(PCM, 10), 및 금속 분말(21)이 서로 연결되어 그물구조의 네트워크를 형성하고 열을 전달하는 전도성 네트워크(23), 및 금속 분말(21)을 서로 연결하고 상변화물질(10)을 고정하는 결합제(25)를 포함하며, 내부에 상변화물질(10)이 분산 배치되는 열전도부(20)를 포함한다.

본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 잠열(latent heat)을 이용하는 축열재로서, 상변화물질(10), 및 열전도부(20)를 포함한다.

잠열은 어떤 물질이 상전이 될 때, 흡수하거나 방출하는 열을 의미하고, 축열재는 열에너지를 저장하였다가 필요한 장소로 공급하는 재료이다. 따라서, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 잠열을 이용하여 축열 및 방열을 하는 부재로서, 제철산업, 발전산업 등에서 발생하는 폐열, 자동차 엔진 등과 같은 내연기관에서 손실되는 열, 난방 후의 잔열 등을 흡수하여 재활용할 수 있는 열저장장치에 활용될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 각종 건물 냉난방 보조열원, 자동차 등의 냉난방 시스템의 보조열원, 냉동시스템의 제상열원으로 사용될 수 있고, 자동차 시동 초기의 열원 공급으로 인한 냉간시동시 유해물질의 과다 배출을 완화시키는 용도로 활용될 수도 있다. 다만, 본 실시예에 다른 잠열축열복합재(100)가 반드시 상술한 보조열원 내지 제상열원으로 사용되어야 하는 것은 아니고, 열을 회수하여 공급하는 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 이때, 잠열은 상전이가 일어나지 않는 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출되는 현열(sensible heat) 보다, 상변화 온도에서 훨씬 높은 에너지 저장능력과 방출능력을 발휘한다. 따라서, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 현열을 이용하는 축열재에 비해 더 효과적으로 축열과 방열을 할 수 있다. 이때, 잠열은 상변화물질(10)에 의해 흡수 또는 방출된다.

여기서, 상변화물질(10)은 상(phase)이 변하면서 열을 흡수 또는 방출하는 물질이다. 상변화물질(10)은 소정의 온도에서 상전이가 일어날 때, 잠열을 흡수하거나 방출하는 방식으로, 많은 양의 열에너지를 축적하고 저장된 열에너지를 방출한다. 외부 온도가 상승하면 상변화물질(10)은 고유의 용융점에 도달하게 되고, 이때 고체상태에서 액체상태로 상이 변하면서, 용융엔탈피로 알려진 일정한 양의 열을 흡수한다. 여기서, 상변화물질(10)은 열이 투입되었음에도 불구하고 소정의 온도를 유지한다. 이와 반대로, 외부의 온도가 상변화물질(10)의 용융점 이하로 내려가면, 상변화물질(10)은 액체상태에서 고체상태로 상이 변하면서 축적된 열을 방출한다.

이러한 상변화물질(10)은 당알코올계 상변화물질(10)일 수 있다. 당알코올은 독성이 없고, 가격이 저렴한데 반하여 높은 상변화 엔탈피 값을 가지므로, 상변화물질(10)로 사용 가능하다. 이러한 당알코올계 상변화물질(10)은 예를 들어, 에리트리톨(Erythritol), 만니톨, 갈락티톨 등일 수 있다. 다만, 상변화물질(10)이 반드시 상술한 당알코올계 상변화물질(10)에 한정되는 것은 아니고, 파라핀계 상변화물질(10) 등 잠열을 흡수 또는 방출하는 모든 공지의 물질을 포함한다. 여기서, 상변화물질(10)은 열전도부(20) 내부에 분산 배치된다.

열전도부(20)는 물질의 이동을 수반하지 않고, 고온부에서 저온부로 열에너지를 전달하는 부분으로, 전도성 네트워크(23), 및 결합제(25)를 포함한다.

여기서, 전도성 네트워크(23)는 금속 분말(21)이 서로 연결되어 그물구조의 네트워크로 형성된 것이다. 이러한 전도성 네트워크(23)는 근접한 상변화물질(10)을 서로 연결하거나, 또는 상변화물질(10)을 외부와 연결시킨다. 여기서, 전도성 네트워크(23)는 금속 분말(21)이 서로 연결되어 우수한 열전도도를 가지므로, 외부의 열을 상변화물질(10)로 전달하여, 상변화물질(10)이 열에너지를 축적할 수 있게 한다. 반대로, 상변화물질(10)이 열을 방출시키는 경우에는, 상변화물질(10)에서 외부로 열에너지를 이동시킨다. 또한, 전도성 네트워크(23)는 서로 이격 배치된 다수 개의 상변화물질(10) 상호 간을 서로 연결할 수 있다. 이러한 경우에 상변화물질(10) 간에도 열전달이 이루어진다.

여기서, 전도성 네트워크(23)는 상변화물질(10)을 둘러쌀 수 있다. 이때, 상변화물질(10)이 전도성 네트워크에 의해 감싸져 캡슐화되므로, 열싸이클 내에서 안정성을 확보할 수 있다. 이에 대한 자세한 사항은 후술한다.

전도성 네트워크(23)를 형성하는 금속은 열전도성이 우수한 금속으로서, 예를 들어, 은(Ag), 구리, 금(Au), 팔라듐 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 은이 연성이 우수하고, 열전도성이 높기 때문에, 은을 사용하는 것이 바람직하다(도 3 참조). 다만, 전도성 네트워크(23)에 사용되는 금속이 반드시 은을 포함한 상술한 금속에 한정되는 것은 아니고, 열전도성을 가지는 한 어떠한 금속이어도 무방하다.

이때, 전도성 네크워크에 사용되는 금속은 고가이기 때문에 적은 양으로도 큰 효과를 내기 위해, 분말 형태로 사용된다. 여기서, 금속 분말(21)의 입자크기는 mm 수준에서부터 ㎛ 내지 nm에 이르기까지 다양하게 할 수 있다.

여기서, 금속 분말(21)의 체적은 금속 분말(21) 및 상변화물질(10)의 체적에 대하여 2 ~ 6 vol%, 바람직하게는 6 vol%일 수 있다. 예를 들어, 에리트리톨과 은(Ag) 분말을 합한 전체 체적 대비 은 분말의 체적이 6 vol%(에리트리톨의 체적은 94 vol%)가 될 수 있다. 이때, 에리트리톨 단독으로 사용하는 경우에 비해, 열전도도가 2.5 배 이상 향상된다.

한편, 금속 분말(21)은 결합제(25)에 의해 서로 연결된다. 결합제(25)는 전도성 금속 분말(21)을 서로 연결하여 전도성 네트워크(23)를 형성시키며, 상변화물질(10)을 고정하고, 전도성 네트워크(23)와 상변화물질(10)을 서로 연결 고정한다. 또한, 경화되어 본 발명에 따른 잠열축열복합재(100)가 일정한 형태를 갖추도록 하고, 외부의 충격으로부터 금속 분말(21) 및 상변화물질(10)을 보호한다. 이러한 결합제(25)는 예를 들어, 페놀, 아크릴, 에폭시, 멜라민, 우레탄 등을 사용할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)의 열전도부(20)는 페이스트 잉크가 경화되어 형성될 수 있다. 여기서, 페이스트 잉크는 상술한 금속 분말(21) 및 결합제(25)를 포함하는 것으로서, 신축성이 강하고 유연성이 우수하다. 이러한 페이스트 잉크에 의해 형성된 전도성 네트워크(23) 때문에, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 열싸이클 내에서 우수한 안정성을 갖는다.

종합적으로, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재(100)는 금속 분말(21)이 서로 그물구조로 연결된 전도성 네트워크(23) 내에, 상변화물질(10)이 분산 배치되는 구조로 형성되고, 이때 전도성 네트워크(23)가 상변화물질(10)을 둘러싸므로, 열용량 및 열전도도가 향상되고, 열싸이클 내에서 우수한 안정성을 갖는다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 이차원 물질(2D Topological pMaterials)이 상변화물질(10)에 코팅될 수 있다. 이차원 물질(2D Topological pMaterials)은 한 층의 원자로 구성된 결정성 물질이다. 대표적으로, 그래핀(Graphene)이 이에 해당하는데, 그래핀은 탄소 원자로 이루어진 얇은 막으로서, 최고의 열전도성을 갖는 다이아몬드 보다 2배 이상 열전도성이 높고, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부러져도 그 성질을 잃지 않기 때문에, 상변화물질(10)에 코팅됨으로써, 열전도도를 향상시킨다. 특히, 상술한 바와 같이, 에리트리톨과 은 분말의 전체 체적 대비 은 분말 체적이 6 vol%이고, 에리트리톨에 그래핀이 코팅된 경우, 에리트리톨 단독으로 사용하는 때와 비교하여, 열전도도가 대략 4 배 이상 향상된다. 그래핀 이외에도 황화몰리브덴(Molibdenum Disulfide) 등의 이차원 물질의 사용도 가능하므로, 본 발명의 상변화물질(10)에 코팅되는 이차원 물질은 반드시 그래핀(Graphene)에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 잠열축열복합재를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법의 순서도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법의 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 (a) 금속 분말 및 결합제가 혼합된 페이스트 잉크와 상변화물질을 소정의 비율로 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계(S100), (b) 혼합물을 주형에 넣고, 압축하여, 제1 성형체를 성형하는 단계(S100), 및 (c) 제1 성형체를 가열, 압축하여, 제2 성형체를 성형하는 단계(S300)를 포함한다.

본 실시예에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 상술한 잠열축열복합재를 제조하는 방법으로서, 혼합물을 제조하는 단계(S100), 제1 성형체를 성형하는 단계(S200), 및 제2 성형체를 성형하는 단계(S300)를 포함한다. 잠열축열복합재에 사용되는 금속 및 상변화물질에 대해서는 상술하였으므로, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.

혼합물을 제조하는 단계(S100)에서는 금속 분말 및 결합제가 혼합된 페이스트 잉크와 상변화물질을 소정의 비율로 혼합한다. 이때, 금속 분말과 상변화물질을 합한 전체 체적 대비 금속 분말의 체적이 2 ~ 6 vol%, 바람직하게는 6 vol%가 되도록 혼합할 수 있다. 혼합 비율과 관련해서, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 금속 및 상변화물질의 종류, 잠열축열복합재의 사용 환경 등을 고려하여 이와 달리 정할 수 있다. 이렇게 혼합물이 제조되면, 제1 성형체를 성형한다.

또한, 페이스트 잉크와 상변화물질의 혼합 이전에, 상변화물질에 이차원 물질(2D Topological pMaterials)을 코팅함으로써, 이차원 물질이 코팅된 상변화물질을 페이스트 잉크와 혼합할 수도 있다. 예를 들어, 이차원 물질인 그래핀 용액을 이용하여 에리트리톨의 표면에 그래핀을 코팅한 후에, 에리트리톨 및 은 분말의 체적 대비 은 분말의 체적이 6 vol%가 되도록, 혼합하는 것이다.

제1 성형체를 성형하는 단계(S200)에서, 혼합물을 주형에 넣고, 가압한다. 이때, 혼합물이 압축되면서, 금속 분말이 서로 단단히 밀착되어 고결됨으로써, 제1 성형체가 만들어진다. 여기서, 작용하는 압력의 크기는 18 ~ 22 ㎫, 바람직하게는 약 20 ㎫일 수 있다. 다만. 압력의 크기가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 성형체를 성형하는 단계(S300)에서는 제1 성형체를 가열, 압축한다. 제1 성형체 내부의 금속 분말이 가열, 압축 과정을 다시 거치면서, 금속 분말 간에 결합이 일어나 전도성 네트워크가 형성된다. 구체적으로, 90 ~ 110 ℃에서, 8 ~ 12 ㎫의 압력으로, 25 ~ 35분 동안, 제1 성형체를 가열, 압축하여 제2 성형체를 생성할 수 있는데, 바람직하게는 100 ℃, 10 ㎫에서 약 30분간 가열 압축한다. 다만, 이러한 온도, 압력, 시간 조건이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 건조 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 건조 단계(S400)에서 제2 성형체를 오븐에서 건조한다. 이때, 페이스트 잉크가 건조되면서, 경화되고, 이에 따라 전도성 네트워크가 상변화물질에 연결되고, 상변화물질들이 내부에 고정된다.

또한, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법은 가열 및 진공작업 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 가열 및 진공 단계(S500)는 건조 단계(S400) 이후에 진행되는데, 건조된 제2 성형체를 가열한 후, 소정의 시간 동안 진공 상태에 놓아둔다. 이러한 가열 및 진공 단계(S500)는 예를 들어, 진공 오븐을 이용해서 진행할 수 있다. 가열 단계에서 상변화물질을 용융시키고, 진공작업을 거치는 동안, 잠열축열복합재 내부의 기공률이 감소된다. 구체적으로, 130 ℃에서 가열하고, 약 20분간 진공작업을 수행할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 가열 단계 이전에, 제2 성형체를 제2 성형체의 지름과 동일한 지름을 가지는 유리관에 투입할 수 있다. 이는 효과적으로 진공상태를 유지시키기 위한 것으로, 반드시 거쳐야 하는 공정은 아니다.

이러한, 가열 및 진공작업 단계가 종료되면, 응고 단계(S600)를 더 진행할 수 있다. 응고 단계에서 용융된 상변화물질이 응고되는데, 이때 응고 단계(S600)는 상온에서 이루어질 수 있다. 이렇게 상변화물질이 응고되면, 식각 및 폴리싱 작업을 수행하여, 잠열축열복합재 완성품을 제조할 수 있다.

종합적으로, 본 발명에 따른 잠열축열복합재 제조방법에 따르면, 고열전도도 소재의 함량, 및 상변화물질 등을 간단히 조절하여, 원하는 성능의 잠열축열복합재를 간단한 방식으로 제조할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 잠열축열복합재가 갖는 효과에 대해, 실험 데이터를 근거로 자세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열용량을 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 응고점을 나타내는 그래프이고, 도 10 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열싸이클에 대한 안정성을 나타내는 사진이며, 도 12 내지 도 13은 본 본 발명의 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열싸이클에 대한 안정성을 나타내는 그래프이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 나타내는 그래프이며, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠열축열복합재의 융해열을 비교한 그래프이다.

도 7에서는, 시차주사열량분석기(DSC)를 이용하여, 열류량(Heat Flow)을 측정하고, 열용량을 분석하였다. 이때, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 에리트리톨(상변화물질)을 은 분말이 함유된 페이스트 잉크에 혼합하되, 은 분말의 체적은 은 분말 및 상변화물질의 총 체적에 대하여 2 vol%, 4 vol%, 6 vol%로 달리하였다. 측정 결과는 도 7의 (a) 내지 (d)와 같은데, 도 7의 (a)는 순수 에리트리톨 열용량을, 도 7의 (b)는 은 2 vol%가 함유된 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열용량을, 도 7의 (c)는 은 4 vol%가 함유된 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열용량을, 도 7의 (d)는 은 6 vol%가 함유된 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열용량을 나타낸다. 측정 결과를 분석해 보면, 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열용량은 순수 상변화물질 대비 90 % 이상이다. 이러한 결과는 종래 잠열축열재의 열용량이 순수 상변화물질 대비 약 70 ~ 80 %에 이르는 것과 비교해 보면, 열용량 효과가 매우 개선되었음을 나타낸다.

도 8에서는 순수 에리트리톨(상변화물질) 및 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 측정하였다. 이때, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 에리트리톨과 은 분말이 함유된 페이스트 잉크를 혼합하여 형성하되, 은 분말의 체적은 은 분말 및 상변화물질의 체적에 총 체적에 대하여 각각 2 vol%, 4 vol%, 6 vol%로 달리하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열전도도는 1.2 ~ 1.9 W/mK로, 매우 우수한 열전도도를 갖는 것을 확인했다.

도 9에서는, 시차주사열량분석기(DSC)를 이용하여, 응고 싸이클에서의 열류량(Heat Flow)을 측정하고, 응고점을 분석하였다. 여기서, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 에리트리톨을 은 분말이 함유된 페이스트 잉크에 혼합하되, 이때, 은 분말의 체적은 은 분말 및 상변화물질의 체적에 총 체적에 대하여 2 vol%, 4 은 vol%, 6 vol%로 달리하여, 분당 5 ℃ 냉각하면서 측정하였다. 도 9의 (a)에서는 순수 에리트리톨, 도 9의 (b) 내지 (d)는 각각 은 2 vol%, 은 4 vol%, 은 6 vol%가 함유된 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 응고점을 나타낸다. 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 순수 에리트리톨 대비 약 30 ~ 40 ℃의 응고점이 향상되었다. 당알코올계 등의 상변화물질은 냉각속도(cooling rate)에 비해 결정화(nucleation process)되는 속도가 낮기 때문에 과냉각(subcooling) 현상이 발생하는데, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 열전전도가 높기 때문에 과냉각 현상이 억제된다. 도 9에서 본 발명에 따른 잠열축열복합재에서는 최대 열류량 피크가 높게 나타나는데, 이를 통해 높은 열전도도에 의해 좀 더 짧은 시간에 결정화됨을 알 수 있다.

도 10 내지 도 11에서는 융해,응고 싸이클 동안에 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 내부 구조를 촬영하였다. 촬영된 사진에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 융해, 응고 싸이클이 진행되는 동안에, 고열전도도 소재의 네트워크의 붕괴가 일어나지 않고, 그 형태를 계속적으로 유지한다(도 10 참조). 또한, 응고 싸이클을 10회 반복한 경우에도(도 11 참조), 초기 잠열축열복합재의 구조(도 11의 (a) 참조)와 10회 열싸이클 진행 후의 잠열축열복합재의 구조(도 11의 (b) 참조)에 차이가 거의 없어서, 열싸이클에 대한 안정성이 우수함을 알 수 있다. 이에 대한 결과는 도 12 내지 도 13의 그래프를 통해 확인 가능하다(도 12의 (a)는 은 분말 6 vol%, (b)는 은 분말 4 vol%, (c)는 은 분말 2 vol% 함유). 이는 전도성 네트워크가 상변화물질을 둘러싸는 구조이므로, 마이크로-캡슐화(micro-encapsulation) 효과를 주기 때문이다.

도 14에서 순수 에리트리톨 및 본 발명에 따른 잠열축열복합재의 열전도도를 측정하고, 도 15에서는 융해열을 측정하였다. 이때 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 은 분말의 체적이 은 분말과 에리트리톨의 전체 체적 대비 6 vol%가 되도록 형성한 것과, 여기에서 에리트리톨에 이차원 물질로서 그래핀을 코팅한 것을 사용하였다.

측정 결과, 순수 에리트리톨의 열전도도는 약 0.8 정도이지만, 6 vol%의 은 분말을 사용한 경우에는 열전도도가 약 2.0 정도이므로, 대략 2.5 배 이상 향상됨을 확인하였다. 또한, 6 vol%의 은 분말을 사용하고, 에리트리톨에 그래핀을 코팅한 경우에는, 약 3.2 W/mK 정도로 측정되어, 순수 에리트리톨에 비해 대략 4 배 이상 증가하였다. 결과적으로, 에리트리톨을 단독으로 사용하는 때보다, 에리트리톨과 은 분말의 혼합된 체적 대비 은 분말의 체적의 6 vol%일 때에, 열전도도가 양적으로 현저하게 증가하여, 오차 범위를 고려한 5.5 ~ 6.5 vol%의 범위 내에서 기술적 의의 및 임계적 의의가 있다고 사료된다.

또한, 여기에서의 에리트리톨에 이차원 물질인 그래핀을 추가적으로 코팅한 경우에, 순수 에리트리톨 대비, 더욱더 열전도도가 현저히 향상되므로, 이 경우에도 기술적 의의 및 임계적 의의가 있음을 확인했다.

이때, 그래핀을 코팅한 경우의 융해열은, 그래핀을 코팅하지 않은 경우에 비해 그 차이가 1 % 내외이므로, 그래핀에 의한 융해열의 감소 현상은 매우 미비하다.

결과적으로, 그래핀 코팅을 통한 본 발명에 따른 잠열축열복합재는 높은 융해열을 유지함과 동시에 높은 열전도도의 향상이 가능하다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 상변화물질 20: 열전도부
21: 금속 분말 23: 전도성 네트워크
25: 결합제 100: 잠열축열복합재

Claims

상(phase)이 변하면서 열을 흡수 또는 방출하는 상변화물질(PCM); 및
금속 분말이 서로 연결되어 그물구조의 네트워크를 형성하고 상기 열을 전달하는 전도성 네트워크, 및 상기 금속 분말을 서로 연결하고 상기 상변화물질을 고정하는 결합제를 포함하며, 내부에 상기 상변화물질이 분산 배치되는 열전도부;를 포함하고,
상기 전도성 네트워크는 내부에 다수의 공극을 구비하는 3차원 다공성 구조체를 형성하며, 상기 상변화물질은 상기 공극에 배치되고, 상기 결합제가 상기 금속 분말과 혼합되고 경화되어, 상기 금속 분말이 분말 상태로 서로 결합되며,
상기 금속 분말 및 상기 상변화물질의 체적에 대한 상기 금속 분말의 체적이 2 ~ 6.5 vol%이고,
상기 상변화물질에 코팅되는 이차원 물질(2D Topological Materials);을 더 포함하는 잠열축열복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 전도성 네트워크는
상기 상변화물질을 둘러싸는 잠열축열복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 금속은
은, 구리, 금, 및 팔라듐 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 잠열축열복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도부는
상기 금속 분말, 및 상기 결합제를 포함하며, 신축 가능하고 유연한 페이스트 잉크가 경화되어 형성된 잠열축열복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 상변화물질은
다수 개로, 서로 이격 배치되되, 상호간은 상기 전도성 네트워크에 의해 연결되는 잠열축열복합재.
청구항 1에 있어서,
상기 상변화물질은
당알코올계 상변화물질인 잠열축열복합재.
삭제
삭제
(a) 금속 분말 및 결합제가 혼합된 페이스트 잉크와 상변화물질을 소정의 비율로 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 주형에 넣고, 압축하여, 제1 성형체를 성형하는 단계; 및
(c) 상기 제1 성형체를 가열, 압축하여, 제2 성형체를 성형하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 성형체는 상기 금속 분말이 서로 연결되어 그물구조로 열(heat)을 전달하는 전도성 네트워크를 구비하며, 상기 전도성 네트워크는 내부에 다수의 공극을 구비하는 3차원 다공성 구조체를 형성하고, 상기 상변화물질은 상기 공극에 배치되며, 상기 결합제가 상기 금속 분말과 혼합되고 경화되어, 상기 금속 분말이 분말 상태로 서로 결합되고,
상기 (a) 단계는,
상기 금속 분말 및 상기 상변화물질의 체적에 대한 상기 금속 분말의 체적이 2 ~ 6.5 vol%가 되도록 혼합하고,
상기 페이스트 잉크와 상기 상변화물질을 혼합하기 이전에, 상기 상변화물질에 이차원 물질(2D Topological Materials)을 코팅하는 단계;를 포함하는 잠열축열복합재 제조방법.
삭제
삭제
청구항 9에 있어서,
상기 상변화물질은
당알코올계 상변화물질인 잠열축열복합재 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 (b) 단계는
18 ~ 22 ㎫의 압력으로 압축하여 성형하는 잠열축열복합재 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 (c) 단계는
90 ~ 110 ℃에서, 8 ~ 12 ㎫의 압력으로, 25 ~ 35분 동안, 가열, 압축하는 잠열축열복합재 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 제2 성형체를 건조하는 단계;
건조된 상기 제2 성형체를 가열하여 상기 상변화물질을 용융시키고, 진공작업을 수행하는 단계; 및
용융된 상기 상변화물질을 응고시키는 단계;
를 더 포함하는 잠열축열복합재 제조방법.