KR102149846B1 - 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축자재로 사용되는 폴리카보네이트 시트에 관한 것으로, 특히 폴리보네이트 다층시트의 굽힘 하중과 단열성능을 개선하고 내구성을 증대시킬 수 있는 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트에 관한 것으로서, X자형의 구조가 반복하여 형성되어 패턴구조를 이루는 폴리카보네이트 다층시트를 제공함으로써, 건축자재뿐만 아니라 첨단 IT기기를 비롯한 광학재료에 활용될 수 있는 새로운 구조의 폴리카보네이트 다층시트를 제공한다.

Description

굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트{Polycarbonate multi-layer sheet having banding load and heat insulation property improving structure}

본 발명은 건축자재로 사용되는 폴리카보네이트 시트에 관한 것으로, 특히 폴리보네이트 다층시트의 굽힘 하중과 단열성능을 개선하고 내구성을 증대시킬 수 있는 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트에 관한 것이다.

폴리카보네이트(PolyCarbonate, PC)시트는 내충격성, 내열성, 내후성, 자기 소화성, 투명성 등의 특징이 있으며 강화유리의 약150배 이상의 충격도를 견디면서도 유연성 및 가공성이 우수한 건축자재로서, 건물채광판, 벽체, 지붕재, 캐노피, 창호, 안전유리, 수영장, 실내체육관 지붕, 온실, 식물원, 육묘장, 방음벽, 실내외 매개공간 및 실내 인테리어 등에 잘 깨지고 변형되기 쉬운 아크릴 또는 유리 대용으로 널리 사용된다.

이러한 PC는 두께와 크게 상관없이 550nm 파장에서 90% 이상의 광투과율을 가지며, 내충격성이 우수하여 자동차 유리의 대체 및 방탄소재로 사용되고, 자기소화성 및 전기적 특성이 우수하여 전기전자 제품의 절연소재로 사용될 뿐만 아니라, 우수한 치수안정성을 지니므로 0.1mm 이하의 제품 두께에서부터 수십 mm까지의 제품 성형이 가능한 장점이 있는 반면에, 일반 유기용제에 대해 내약품성이 저조하고, 유동성이 나빠 고온성형이 필요하며, 자외선에 의한 내광성이 저조하고 표면경도가 낮아 내스크래치성이 저조한 단점이 있다.

PC는 높은 강도와 내구특성을 활용한 건축자재뿐만 아니라 휴대폰·노트북·모니터 등 첨단 IT기기의 외장재에서 자동차용 내·외장재, 투명성을 활용한 광 디스플레이 기판, 광학섬유, 렌즈 등의 광학재료로 그 영역이 확장되고 있으며, 최근에는 이산화탄소를 원료로 하는 PC공중화합물에 대한 물리 및 화학적 연구가 활발히 진행 중에 있다.

특히, 지구온난화의 주원인이 되는 이산화탄소를 줄이고자 하는 노력이 많은 분야에서 이루어지고 있는 상황에서, 이산화탄소를 원료로 하는 비포스겐법 PC 제조 프로세스는 고수율, 고선택률로 제조되는 각 공정의 중간 생성물을 다음 공정 혹은 앞 단계 공정의 원료로서 순환 재사용함으로써, 자원 절감 및 에너지 절감이 가능하고, 프로세스 폐수나 폐기물이 없어 환경적으로 바람직하며, 이산화탄소를 원료로 한 범용고분자수지를 제조 및 보급함으로써 지구온난화를 방지할 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.

그러나 PC는 치수안정성, 내충격, 내구성 등에 강한 반면, 건축자재뿐만 아니라 첨단 IT기기를 비롯한 광학재료에 활용되기 위해서는, 해당분야에서 요구되는 굽힘 하중 및 단열성능의 개선과 이에 따라 저하되는 내구성을 증대시킬 수 있는 제품의 개발이 시급한 실정이다.

KR 10-2018-0061221 A (2018.06.07.) KR 10-1295936 B1 (2013.08.06.) KR 10-1411169 B1 (2014.06.17.) KR 10-1838171 B1 (2018.03.07.)

이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 폴리카보네이트 시트가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, 하중 및 단열성능이 개선되고 내구성이 증대됨으로써 건축자재뿐만 아니라 첨단 IT기기를 비롯한 광학재료에 활용될 수 있는 새로운 구조의 폴리카보네이트 다층시트를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 PC의 구조를 변경함으로써 단위당 중량감소와 원가를 절감할 수 있는 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트를 제공하는데 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 PC의 복층구조, 패턴, 충격완화 연구과정을 통해 종래의 PC 다층시트의 두께조정으로 단위중량감소와, 구조변경으로 굽힘하중 증대 및 패턴적용으로 단열성을 높일 수 있는 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트를 제공하는데 있다.

여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트는, 폴리카보네이트 수지를 포함하는 상하 피복층; 폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 상하 피복층과 수평을 이루며 상기 상하 피복층 중앙에 형성되는 0.05-0.5mm의 두께를 갖는 기재층; 및 폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 기재층과 수직을 이루며 교차하여 연결되고, 상기 상하 피복층에 상하 단부가 연결되며 다수개가 10-20mm의 등간격으로 형성되어 연속적으로 사각형상을 형성하는 수직층;을 포함하여 구성되며, 폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 상하 피복층과 상기 수직층이 형성하는 상기 사각형상 중 하나의 사각형상(제1사각형상)의 상부 좌측 모서리에서 우측 하향방향으로 연장 성형되어, 상기 기재층 및 상기 제1사각형상의 우측변을 형성하는 수직층(제1수직층)이 교차하는 부분(교차점)에서 상기 기재층 및 상기 제1수직층과 교차하여 연결되며, 상기 교차점에서 우측 하향방향으로 연장 성형되어, 우측의 인접된 수직층(제2수직층)과 상기 상하 피복층이 형성하는 사각형상(제2사각형상)의 하부 우측 모서리에 연결되는 제1보강부재와, 상기 제1보강층이 상부 좌측 모서리에 연결된 상기 제1사각형상의 하부 좌측 모서리에서 우측 상향방향으로 연장 성형되어, 상기 교차점에서 상기 기재층, 상기 제1수직층 및 상기 제1보강층과 교차하여 연결되며, 상기 교차점에서 우측 상향방향으로 연장 성형되어, 우측의 인접된 상기 제2수직층과 상기 상하 피복층이 형성하는 상기 제2사각형상의 상부 우측 모서리에 연결되는 제2보강부재로 구성되는 보강층;이 상기 상하 피복층 사이에 연속하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

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전술한 바와 같이, 본 발명은 2중 또는 3중의 복층구조로 되어있어 두께에 비해 단열이 우수하고, 견고하여 채광을 필요로 하는 건축 외장재로 사용이 가능하며, 구조의 특이성으로 빛의 산란효과나 시각차단효과로 쾌적한 실내 공간을 연출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 두께를 조정하여 단위 중량을 감소시킬 수 있고, 구조를 변경하여 굽힘하중을 증가시킬 수 있으며, 패턴을 적용하여 단열성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 건축자재뿐만 아니라 첨단 IT기기를 비롯한 광학재료에 활용될 수 있는 새로운 구조의 폴리카보네이트 다층시트를 제공함으로써 고객의 다양한 요구에 유연하게 대응할 수 있는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 다양한 폴리카보네이트 시트의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트의 구조를 위한 다양한 패턴을 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 패턴에 따른 스케치업 시뮬레이션 3D모델링의 일례를 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b는 마이다스 프로그램을 활용한 휨강도 설정화면의 일 예시도,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트의 휨강도 변위량 측정 결과화면,
도 6은 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트를 촬영한 사진,
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트의 경량성, 단열성, 곡면시공성 및 자외선차단 특성에 대한 각각의 시험성적서.

이하에서는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 다양한 PC시트의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1a는 기본형 구조를 갖는 복층시트의 단면도이고, 도 1b는 2단형 구조를 갖는 복층시트의 단면도이다.

종래의 10mm의 두께를 갖는 PC에 대하여 각각의 열관류율과 열전도저항을 살펴보면, 도 1a의 기본형 단층시트는 열관류율이 2.9307W/m²K(낮을수록 단열성 높음) 및 열전도저항이 0.3412m²K/W이고, 도 1b의 2단형 복층시트는 열관류율이 2.4055W/m²K로 기본형 대비 12.58% 감소되고 열전도저항은 0.3903m²K/W으로 기본형 대비 14.39%가 증가한 특성을 가지지만, 하중과 단열성능 개선 및 내구성 증대를 통해 건축자재뿐만 아니라 첨단 IT기기를 비롯한 광학재료에 활용되기엔 미흡한 특성을 보인다.

성능지표인 열관류율(Thermal Transmittance)은 열관류에 의한 관류 열량의 계수로 단위 표면적을 통해 단위 시간에 고체벽의 양쪽 유체가 단위 온도차일 때 한쪽 유체에서 다른쪽 유체로 전해지는 열량으로서, 시험규격(KS F 2277)에 따라 건축용 구성재에 적용되는 시험으로 측정하며, 열전도저항(Thermal Resistivity)은 어떤 재료의 열에 대한 저항을 나타내는 값이다.

도 2는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트의 구조를 위한 다양한 패턴을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 패턴에 따른 스케치업 시뮬레이션 3D모델링의 일례를 나타낸 도면으로서, 도 2의 패턴에 대하여 각각의 시뮬레이션 모델링을 통해 시제품을 제작하고, 도 2의 여섯가지 패턴의 구조에 대하여 WIN, Therm프로그램(단열특성 분석), MIDAS프로그램(강도 및 중량 분석)을 사용하여 열관류율 및 열전도저항을 분석하였으며, 이를 하기의 표 1에 나타내었다.

도 3의 3D 모델링을 통하여 도 2의 6종의 패턴구조를 시뮬레이션으로 구현하고 단열특성 예비분석을 수행한 결과 PC의 단열특성은 가운데 공간에 얇은 PC막이 증가함에 따라 열관류율의 값은 감소하였으며, 이는 얇은 막이 열의 이동에 영향을 주는 것으로 확인되었다.

또한, 시뮬레이션 결과, 열관류율이 낮을수록 단열성이 뛰어나므로 각각의 패턴 대비 가장 적게 나온 5번째 패턴(P5)이 가장 좋은 것으로 분석되었고, 감소되는 비율 또한 높게 측정되었다. 따라서 Therm7.5를 사용하여 단열성능을 분석한 결과가 총 6가지 패턴구조 중 열관류율이 가장 낮은 5번째 패턴(P5)이 가장 좋은 효율을 나타내는 것으로 확인되었다.

다음으로, 3D모델링으로 설정한 시뮬레이션 설정값(크기)에 대하여 마이다스 구조해석프로그램을 활용하여, PC의 총 6가지 패턴구조에 따른 휨강도의 변위량을 확인하였다.

도 4a 및 도 4b는 마이다스 프로그램을 활용한 휨강도 설정화면의 일 예시도이고, 도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트의 휨강도 변위량 측정 결과화면을 나타낸 것이다. 휨강도 결과 데이터를 하기의 표 2에 정리하였다.

도 5a 내지 도 5f에 나타난 바와 같이, 구조해석 프로그램인 마이다스를 사용하여 PC 패턴에 따른 휨강도는 전반적으로 4번째 구조물(P4)이 가장 휨성능이 우수하였으며, 그 다음은 P1, P2, P3, P5가 유사하고, P6이 가장 불리하였다. P4가 가장 높은 강도를 가진 이유는 다른 패턴과는 다르게 세로로 보강이 들어가 휨강도에서 유리하게 나타낸 것으로 판단된다. 따라서 단열성능은 P5가 가장 좋고 그 다음은 P3 > P2 > P4 > P6 > P1 순으로 불리하게 나타났으며, 휨강도에서는 P4가 가장 좋고 그 다음은 P1, P2, P3, P5가 유사하게 나왔고 P6이 가장 불리하였다.

다음으로, 하기의 표 3은 Therm 7.5를 사용하여 단열성능을 분석한 결과데이터로서, 총 6가지 패턴구조 중 열관류율이 가장 낮은 X자형 패턴이 가장 좋은 효율을 나타내었다.

P1의 기본형 및 P2의 2단형 복층시트와 대비할 때, P5의 X자형 복층시트는 열관류율이 2.3921W/m²K로 기본형 대비 18.38%가 감소(2단형 대비 6.60% 감소, 3단형 대비 0.56% 감소)한 값이며, 열전도저항은 0.4180m²K/W로 기본형 대비 22.51% 증가(2단형 대비 7.10% 증가, 3단형 대비 0.55% 증가)한 특성을 보였다.

전술한 바와 같이, 시뮬레이션 모델링을 통한 분석결과, PC의 구조에 따른 강도, 단열성 변화는 기본형 < 2단형 < 3단형 < X자형의 관계로 파악되며, 특히 기본형에 비해 X자형 PC의 강도가 최대 3단계이상 상승하였고, 최소강도의 증가폭이 가장 커 구조적 안전성의 향상을 기대할 수 있다.

전술한 단열성능, 휨강도 시뮬레이션 데이터를 분석한 결과, 가볍고 단열성 향상을 위해 각 층의 두께는 얇게 다중구조 형태로 제작하여야 하며, 굽힘하중 측면을 고려했을 때 다중구조를 단순한 기본형이 아닌 시뮬레이션 모델링 분석에 따라 X자형의 구조(P5)가 가장 적합하였으며, 도 6에 도시된 바와 같이 PC 다층시트를 하였다. 도 6은 본 발명에 따라 제조된 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트를 촬영한 사진이다.

도 2의 P5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트는, 상하 피복층과, 상하 피복층과 수평을 이루며 상하 피복층 중앙에 형성되는 기재층과, 기재층과 수직을 이루며 연결되고, 상하 피복층에 상하 단부가 연결되며, 다수개가 등간격으로 형성되는 수직층과, 기재층과 수직층이 연결되는 부분에서 방사형으로 연장 형성되어, 이웃하는 양측의 수직층에 연결되어, 기재층과 수직층이 연결되는 부분을 중심으로 X자형의 패턴을 반복하여 형성하는 단면을 갖는 보강층으로 이루어지는 구조를 갖는다. 이때, 수직층은, 10-20mm의 등간격으로 다수개 형성되는 것이 바람직하며, 기재층은 0.05-0.5mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 PC 다층시트는 도 7a 내지 도 7d에 나타난 바와 같이, 경량성, 단열성, 곡면시공성 및 자외선차단 특성에 있어서 크게 향상된 성능을 구비한다. 도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트(10T)의 경량성, 단열성, 곡면시공성 및 자외선차단 특성에 대한 각각의 시험성적서이다. 도 7a 내지 도 7d의 시험성적서에 따라 본 발명의 PC 다층시트의 향상된 성능을 하기의 표 4에 개선 전후로 대비하여 정리하였다.

전술한 바와 같이, 이에 따라, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트의 표준중량(㎏/㎡)은 1.74(종전 2.1)로서, 중량이 유리의 절반 정도에 불과해 하중이 고려되어야 하는 고층건물 및 그 외의 건축물에 절대적이며, 손쉬운 운반, 시공으로 인한 인건비 절감 개선효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트의 열관류율(W/㎡K)이 2.34(종전 3.0)로서, 타 소재에 비해 열절연성이 뛰어나 보온효과가 좋으며 내부에 공기층을 두어 우수한 보온성과 차음성 및 결로 기능이 강화된 단열 특성을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트의 굽힘하중(N)은 196(종전 100)으로서, 소재 특유의 탁월한 유연성으로 여러 형태의 곡면 시공에 용이하여 아름다운 건축물의 구현이 가능하고 복층구조의 패턴적용을 통하여 하중강도의 증가를 기대할 수 있다. 특히, 굽힘하중은 최대 허용곡률반경을 벗어나 시공할 시 응력에 의한 제품 크랙이 발생할 수 있는 바, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트는 하중강도 증대를 통해 기준을 충족할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트의 자외선 차단 기능성을 나타내는 투과율(%)은 0(종전 3)로서, 소재 자체가 투명하여 복층구조를 통해 자외선 차단(빛의 산란 효과)의 기능성 확장 및 눈부심을 방지하는 등 쾌적한 공간을 조성할 수 있는 기능이 강화되었다.

이에 따라, 본 발명에 따른 PC 10T 다층시트는 용도에 따라 산란효과의 특이성 및 안료나 첨가제 처방에 따라 재래시장 아케이드와 같이 일정량의 빛 차단의 목적과 쾌적한 쇼핑공간 조성의 용도로도 활용할 수 있고, 지붕재 등의 채광판 용도에 있어서는 같은 재질도 일반적으로 많이 사용되는 3T나 4.5T단층시트에 비해 경량화를 실현하여 해외 수출의존도를 줄여 국내 보급 및 해외수출 시 강력한 경쟁력을 확보할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 폴리카보네이트 수지를 포함하는 상하 피복층; 폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 상하 피복층과 수평을 이루며 상기 상하 피복층 중앙에 형성되는 0.05-0.5mm의 두께를 갖는 기재층; 및 폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 기재층과 수직을 이루며 교차하여 연결되고, 상기 상하 피복층에 상하 단부가 연결되며 다수개가 10-20mm의 등간격으로 형성되어 연속적으로 사각형상을 형성하는 수직층;을 포함하여 구성되며,
   폴리카보네이트 수지를 포함하며, 상기 상하 피복층과 상기 수직층이 형성하는 상기 사각형상 중 하나의 사각형상(제1사각형상)의 상부 좌측 모서리에서 우측 하향방향으로 연장 성형되어, 상기 기재층 및 상기 제1사각형상의 우측변을 형성하는 수직층(제1수직층)이 교차하는 부분(교차점)에서 상기 기재층 및 상기 제1수직층과 교차하여 연결되며, 상기 교차점에서 우측 하향방향으로 연장 성형되어, 우측의 인접된 수직층(제2수직층)과 상기 상하 피복층이 형성하는 사각형상(제2사각형상)의 하부 우측 모서리에 연결되는 제1보강부재와,
   상기 제1보강부재가 상부 좌측 모서리에 연결된 상기 제1사각형상의 하부 좌측 모서리에서 우측 상향방향으로 연장 성형되어, 상기 교차점에서 상기 기재층, 상기 제1수직층 및 상기 제1보강부재와 교차하여 연결되며, 상기 교차점에서 우측 상향방향으로 연장 성형되어, 우측의 인접된 상기 제2수직층과 상기 상하 피복층이 형성하는 상기 제2사각형상의 상부 우측 모서리에 연결되는 제2보강부재로 구성되는 보강층;이 상기 상하 피복층 사이에 연속하여 형성되는 것을 특징으로 하는 굽힘하중 및 단열성 향상구조를 갖는 폴리카보네이트 다층시트.
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