KR20060060638A - 음향 차단 기준에 부합하는 적층 창유리 유닛 및 중합성필름 - Google Patents

음향 차단 기준에 부합하는 적층 창유리 유닛 및 중합성필름 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 2장의 유리 시트(glass sheet)(10, 11)와 중합성 필름(polymeric film) 형태인 두께(d)의 단일층 중간층(monolayer interlayer)(12)을 포함하는, 음향 차단(acoustic insulation)과 기계적 강도(mechanical strength) 특성을 갖는 적층 창유리 유닛(laminated glazing unit)에 관한 것으로, 상기 중간층의 두께(d)는 물질에 특정한 파라미터(Jc)에 따라 한정되는데, 상기 파라미터(Jc)는 중간층의 임계 에너지 값을 한정하고, 상기 중간층에서 개시되는 균열을 전파하는데 필요한 에너지를 나타낸다.

Description

음향 차단 기준에 부합하는 적층 창유리 유닛 및 중합성 필름{LAMINATED GLAZING UNIT FOR MEETING THE ACOUSTIC INSULATION CRITERIA AND POLYMERIC FILM}
도 1은 단일 중간층 필름이 있는 단순한 적층 창유리 유닛의 단면도.
도 2는 중간층의 인열 강도를 측정하는 실험적 장치를 나타내는 도면.
도 3은 균열 기초 에너지(crack root energy)의 변화를 나타내는 도면으로, 상기 균열은 중간층에서 발생하는 도면.
도 4는 중간층의 변위의 함수로 중간층에 작용하는 인장력(tensile force)을 나타내는 도면.
도 5는 상기 중간층의 변위의 함수로 중간층의 포텐셜 에너지를 나타내는 도면.
도 6은 인열 테스트의 만족스러운 재현성을 설명하는 도면.
본 발명은, 2장의 유리시트(glass sheet)와 단일층의 중합성 필름(polymeric film) 형태인 두께(d)의 중간층(interlayer)을 포함하는, 음향 차단(acoustic insulation)과 기계적 강도(mechanical strength) 특성을 갖는 적층 창유리 유닛 (laminated glazing unit)에 관한 것이다.
적층 창유리 유닛은, 자동차나 건물 내부에서 외부 소음의 인식을 줄이기 위해 자동차나 건물 내부에 일반적으로 장착된다. 더욱이, 이러한 유닛의 주요한 장점 중 한 가지는, 이들의 기계적 강도이다. 이것은, 충돌 중 유리시트가 중간층을 깨뜨리기 전에, 점착성 분산(viscous dissipation)에 의해 에너지의 일부를 흡수할 수 있도록 하는 것이 유리하기 때문이다. 유리가 완전히 깨질 때 완전한 구조의 대부분을 안전하게 지키므로, 중간층의 역할이 또한 중요한데, 이것은 필름에 대한 유리 조각의 점착성으로 인해서 깨어진 유리조각들이 날아가 결과적으로 사람에게 부상을 입히는 것을 방지할 수 있도록 한다.
폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral)(PVB)은 이것의 기계적 특성으로 인해서 널리 사용되지만, 나쁜 음향 특징을 갖는다. 이것은, 이들의 보다 나은 음향 성능을 위해서 때로 특별한 수지가 바람직하게 되는 이유이다.
적층 유리에 대해 수지를 선택하는 것은, 창유리 유닛의 필수적인 음향 차단 기준이 된다. 이러한 선택은 적층 유리의 임계 진동수를 측정하고, 이것을 유리 막대의 임계 진동수와 비교하는 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 이러한 방법은, 특허 EP-B-0 100 701호에 기술되어 있다. 2㎜인 상기 수지에 의해 결합된 4㎜ 두께의 2장의 유리를 포함하는 적층 유리로 구성된 길이 9㎝, 폭 3㎝의 막대(bar)가, 동일한 길이 동일한 폭의 4㎜ 두께를 갖는 유리 막대와 최대 35% 차이가 나는 임계 진동수(critical frequency)를 가질 때, 수지는 적당한 것으로 간주된다.
그러나 이러한 음향적으로 고성능의 수지가 항상 이들이 사용되는 조건에 의 해 요구되는 기계적 특성을 갖는 것은 아니다.
음향적인 특성과 기계적인 특성을 결합시키기 위해, 특허 EP-B-0 763 420호는 폴리비닐 부티랄 필름과 음향적으로 고성능 수지를 결합할 것을 제안한다.
그러나, 2개의 개별적인 필름의 결합은, 부가적인 생산비용과 기본적으로 창유리 유닛 생산 비용의 증가를 수반한다. 이것은, 중간층을 위해 여러 물질층을 결합하는 것이 과다하게 생산된 각각의 물질이 생산 라인의 말기에 개별적으로 재활용될 수 있도록 하지 못하기 때문으로, 중간층이 단일층인 경우에는 가능한 한 생산 공정이 수익이 있을 수 있도록 하기 위해서, 재활용 작업이 용이하게 실행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 모노리딕(monolithic) 적층 창유리 유닛을 제공하는 것으로, 이것은 중간층이 단일층이고, 중간층 물질을 적절히 선택함으로써 빌딩 또는 자동차 창문에 대한 안전의 관점에서 예상되는 것에 따른 음향적인 차단 특성과 기계적인 강도 특성을 갖는다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 제 1 실시예에 따라 중간층의 물질과 중간층 두께에 대한 선택 기준을 평가하는 방법을 제시하는데, 상기 중간층은 충분한 기계적 강도를 보장하기 위해 최소한의 두께를 가져야만 한다.
본 발명에 따라, 적층 창유리 유닛 또는 적층 창유리 유닛에서 중간층으로 작용해야만 하는 중합성 필름은, 상기 중간층이 drefJref/Jc와 적어도 동일한 두께 를 갖는 것을 특징으로 하는데,
- Jc는 상기 중간층 물질에 특정한 임계 에너지(critical energy)로, 상기 중간층에서 개시되는 균열(crack)을 전파시키는데 필요한 에너지를 나타내며,
- Jref는 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral)(PVB) 필름의 임계 에너지에 해당하는 임계 기준 에너지(critical reference energy)로, 20℃의 온도와 PVB 필름에 대한 100mm/min의 인장 속도(pull rate)에 대해 35 100 J/m2 이며,
- dref는 PVB 필름의 두께에 해당하는 기준 두께로, 0.38mm이다.
한 가지 특징에 따라, 창유리 유닛은, 2mm 두께의 상기 중간층에 의해 결합된 4mm 두께의 2장의 유리시트를 포함하는 적층 유리로 구성된 길이 9cm, 폭 3cm의 막대(bar)가, 동일한 길이, 동일한 폭의 4mm 두께를 갖는 유리 막대와 최대 35% 차이가 나는 임계 진동수(critical frequency)를 갖는다는 사실에 의해 정의되는 향상된 음향 특성을 만족시킬 때, 상기 창유리 유닛이 음향적으로 만족스럽다.
또한, 적층 창유리 유닛의 중간층을 구성하기 위한 두께(d1)의 중합성 필름의 인열 강도(tear strength)를 측정하기 위한 방법은,
- 상기 중간층의 임계 에너지(Jc)가 측정되고, 이 에너지는 상기 중간층에서 개시되는 균열을 전파시키는데 필요한 에너지를 나타내며,
- 방정식
Figure 112006029693818-PAT00001
= Jcd1으로 정의되는, 두께와 관련된 임계 에너지
Figure 112006029693818-PAT00002
가 계산되며,
-
Figure 112006029693818-PAT00003
는 0.38mm의 두께를 갖는 PVB 필름을 나타내는 기준값(
Figure 112006029693818-PAT00004
)와 비교되고, 13.3 J/m와 동일하며,
-
Figure 112006029693818-PAT00005
>
Figure 112006029693818-PAT00006
일 때, 상기 삽입물(insert)은 상기 인열 강도 기준(criterion)을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
기계적으로 강도가 있기 위해 필름이 가져야만 하는 두께에 의존하지 않는 제 2 실시예에 따라, 단일층 중간층은, 이것의 재료가 복합체, 특히 중합체와 상기 중합체에 삽입되어 있는 강화 섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추가의 특징과 장점은, 첨부된 도면에 대한 다음 설명을 판독함으로써 명백해질 것이다.
도 1에 도시되어 있는 단순한 적층 창유리 유닛은, 2장의 유리시트(10과 11)와 중합성 필름 중간층(12)을 포함한다. 예를 들어, 유리시트(glass sheet)는 각각 6mm와 4mm의 두께를 갖고, 반면에 중간층의 두께(d)는 변할 수 있고, 중간층에 대해 선택된 재료 타입에 따라 달라진다.
삽입물에 대해 정해진 두께(d)는, 사실상 물질의 인열 강도에 의존한다. 인열 강도는 각각의 물질에 대한 고유 특성으로, 상기 물질에서 개시되는 균열을 전파시키는데 필요한 에너지를 나타내는 에너지 값을 특징으로 한다. 임계 에너지(Jc)로 불리는 이러한 에너지는, 각각의 물질 타입에 따라 다르고, 필름의 두께와 무관하고; 이것은 J/m2의 단위로 표시된다.
임계 에너지(Jc)로 직접 확인될 재료의 인열 강도는, 상기 재료의 음향 성능 을 평가한 후에만 평가될 수 있다. 이것은, 기계적인 강도 기준을 만족시키는데 필요한 물질 두께(d)를 추론하기 위해, 바람직하게 본 발명은 우선 음향 차단 기준을 만족시키는데 적합한 물질을 선택하고, 다음으로 이 물질의 인열 강도 성능을 테스트했기 때문이다.
음향 성능기준을 만족시키기 위해, 중간층은 특허 EP-B-0 100 701호에 기재된 임계 진동수 조건을 실행해야만 한다.
중간층 임계 진동수를 측정하는 원리는, 충돌 시 2개의 막대, 즉 길이 9cm 폭 3cm의 유리로 제조된 막대와, 동일한 치수를 갖고 두께가 4mm인 2장의 유리시트와 예를 들어 2mm 두께(d1)의 중간층을 포함하는 적층 유리로 제조된 다른 막대의 진동 진동수(vibration frequency)를 분석하는 것으로 구성되어 있다. 2개의 막대의 각각의 공명 진동수 위치가 기록되고, 이러한 2개의 공명 진동수가 비교된다. 중간층을 제조하는 재료는, 중간층의 공명 진동수가 유리의 공명 진동수와 35% 미만으로 차이가 날 때 적합하다.
변형으로, 유럽특허 공보 EP 0 844 075호는 음향적으로 만족할만한 중간층을 선택하기 위한 다른 선택 기술을 제공한다. 이것은, 점성분석기(viscoanalyseur)라 불리는 장치로, 물질의 탄성 성분(elastic component)(또는 전단율)(G')과 손실 탄젠트(loss tangent)(또는 손실 인자)(tanδ)를 평가하는 것을 수반한다.
점성분석기는, 물질 표본이 정확한 온도와 진동수 조건에서 변형 응력(deformation stress)을 거치도록 하고, 이것은 이 물질을 특징짓는 모든 유동적 매개변수(rheological parameter)를 얻고 처리할 수 있도록 한다. 각 온도에서 진동수의 함수로, 힘, 변위(displacement) 및 위상 이동 측성의 원 데이터(raw data)는 전단율(G')과 손실 탄젠트(tanδ) 매개변수를 계산하기 위해 사용된다. 우수한 음향 중간층은, 10과 60℃ 사이의 온도와 50과 10 000Hz 사이의 진동수 범위에서, 0.6보다 큰 손실 인자(loss factor)(tan δ)와 1×106과 2×107N/m2 사이의 전단율(shear modulus)(G')을 가져야만 하는 것으로 나타난다.
중간층 물질의 음향 성능 때문에 일단 중간층 물질이 선택되면, 이것이 기계적 강도는 인열 작용(tear behavior)에 의해 측정된다. 이러한 목적으로, 사용된 두께(d1)의 중간층은 아래의 임계 에너지(Jc)를 계산하는 방법과 함께 설명하고자 하는 인열 테스트를 거친다.
사용된 물질에 특정한 임계 에너지(Jc)를 측정한 후, J/m으로 표시된 두께(d1) 중간층의 두께와 관련된 임계 에너지(
Figure 112006029693818-PAT00007
)는
Figure 112006029693818-PAT00008
= Jcd1이 되도록 계산한다. 이러한
Figure 112006029693818-PAT00009
값은, 안전의 관점에서 기준 두께(dref)에 대한 기계적 강도 기준을 완전히 만족시키는 물질에 해당하는 기준 값(
Figure 112006029693818-PAT00010
)과 비교된다. 기준 물질은 0.38mm의기준 두께(dref)를 갖는 폴리비닐 부티랄(PVB)이다.
만일, 비교 결과가
Figure 112006029693818-PAT00011
≥
Figure 112006029693818-PAT00012
공식을 만족하면, 두께(d1)의 선택된 중간층이 적합하다.
만일 그렇지 않으면, 최소한의 기계적 강도 기준을 만족시키기 위해, 두께는 적어도 dref Jref/Jc가 되도록, 선택된 중간층에는 두께(d)가 제공된다.
균열 지점에서 매우 강력한 응력을 받는 필름의 국부 균열 기초 에너지(localized crack root energy)를 정의하는 라이스 적분(Rice integral)(J)에 기초한 에너지 방법에 의해, 임계 에너지 또는 인열 강도(Jc)가 알려진 방법으로 제공된다. 이것은 다음의 단순한 기계적 공식(1)으로 표현된다.
Figure 112006029693818-PAT00013
, 테스트된 표본의 주어진 인장 길이(pull length)(δ)(이후 변위 δ로 지칭)에 대해,
- d1은 표본 두께,
- a는 균열의 길이,
- U는 표본의 포텐셜 에너지(potential energy)이다.
균열 기초 에너지(J)를 계산하기 위해 아래 제안된 방법은, Tielking에 의해 개발된 것이다.
도 2에 도시된 바와 같은 실험 장치가 아래 설명되어 있다.
신장-압축(tension-compression) 기계(2)를 이용한 신장 테스트(tensile test)는, 예를 들어 Ex1 ~ Ex4의 4개의 표본에 대해, 동일한 물질의 동일한 표면적 100mm2(길이 50mm, 폭 20mm)을 갖는 여러 표본에서 실행된다. 각각의 표본은 5, 8, 12 및 15mm에 해당하는 각각의 표본 Ex1 ~ Ex4에 대한 서로 다른 균열 길이로, 인장력에 수직으로, 기준(20)에 따라 표본의 측면에 기록된다.
각각의 표본 Ex는, 주어진 인장 길이 또는 변위(δ)에 대해 100mm/min의 인장 속도로 균열(20)에 수직으로 인장된다.
이러한 방법은, 표본이 거치는 변위(δ)의 함수로 균열 기초 에너지(J)의 변화 곡선(C)(도 3)을 작성하기 위해 사용되고, 이 곡선으로부터 표본에서 인열을 개시하기 위한 임계 에너지(Jc)를 결정할 수 있도록 한다.
따라서, 이러한 임계값(Jc)에서 물질은 찢어지고, 결과적으로 기계적 손상을 받는다.
곡선(C)은 아래에서 설명되는 단계로부터 얻어진다. 표본은 0.38mm의 두께를 갖는 폴리비닐 부티랄 필름이다.
우선, 상기 표본이 거치는 변위(δ)의 함수로 표본에 가해지는 인장력을 나타내는 곡선(C1)(도 4)이 각각의 표본 Ex1 ~ Ex4에 대해 작성되고, 변위는 0부터 40mm까지 이동한다.
다음으로, 균열의 초기 크기에 대한 균열의 성장 크기(a)의 함수로 주어진 변위(δ)에 해당하는 포텐셜 에너지(U)는 표본 곡선(C1)으로부터 얻어진다. 포텐셜 에너지(U)는, 도 4의 직교 영역과 동일한, 곡선(C1) 밑의 0mm와 주어진 변위(δ) 사이의 면적(A)을 계산함으로써 측정되고, 이 경우에 직교 영역의 22mm는 표본 Ex4에 해당한다.
3mm부터 22mm까지의 8개의 변위(δ)가 고려된다. 도 5에 도시되고, 균열이 성장하는 크기(a)의 함수로 포텐셜 에너지(U)를 나타내는 곡선(C2)은 8개 각각의 변위에 대해 작성된다.
포텐셜 에너지(U)를 나타내는 곡선(C2)은 직선이다; 결과적으로, 에너지(J)에 대해 방정식(1)에 주어진 도함수(∂U/∂a)는 사실상 직선(C2)의 기울기로, 상수와 동일하다. J의 값은 이러한 상수를 표본 두께(d)로 나누어 계산한다.
8개의 변위에 해당하는 각각의 기울기를 계산한 후에, 변위(δ)의 함수로 에너지(J)를 나타내는 곡선(C)(도 3)이 측정된다.
표본이 찢어지기 시작하는 변위(δc)를 탐지하기 위해 균열(20)의 전파를 나타내는 비디오 카메라를 사용한다. 임계 에너지(Jc)의 해당값은 곡선(C)을 사용해서 이러한 변위(δc)로부터 얻어진다.
0.38mm 두께의 기준 필름을 구성하는 기계적으로 만족스러운 PVB 필름의 경우에, 이러한 방법이 실시예로 사용되었다. 인열은 12mm의 변위(δc)에 대해 시작되었고, 이것으로부터 임계 에너지(Jc)는 온도가 20℃이고 인장 속도는 10mm/min인 실험 조건에서 35 100 J/m2과 동일한 것으로 결론을 내릴 수 있다.
PVB에 대한 35 100 J/m2의 임계값(Jc)은 기준값(Jref)을 구성하고, 이 기준값 이상에서 상기 설명된 방법을 사용하는 다른 물질에 대해 계산된 임의의 에너지 값은 옳은 것으로 간주될 것이고, 따라서 이러한 물질은 기계적인 강도 기준을 만족시키는데 적합하다.
음향적으로 만족스러운 선택된 물질은, 물질의 고유 임계 에너지(Jc)를 계산하기 위해 위에서 설명된 것과 동일한 인열 강도 테스트를 거친다.다음으로, 위에서 이미 설명된 바와 같이, PVB의 두께와 관련된 임계 에너지, 즉
Figure 112006029693818-PAT00014
= Jref ×0.38 = 35 100 ×0.38 = 13.3 J/m과 비교하고, 두께(d1)가 충분하지 않을 때 적당한 두께를 찾기 위해, 물질의 두께와 관련된 에너지(
Figure 112006029693818-PAT00015
)(Jcd1)을 계산한다.
Tielking 방법은 Hashemi 방법과 같이, 방법의 실행 용이성으로 인해서 다른 방법보다 바람직하다. 게다가, 이 방법은, 변위의 함수로 전체 에너지(J) 변화에 있어서는 8%의 평균 편차를 갖는 재현성이 있기 때문에 신뢰성이 있다. 도 6은, 변위(δ)의 함수로 에너지(J) 변화에 대해 위에서 실시했던 것과 동일한 일련의 3개의 테스트를 설명하고 있다.
기계적으로 강하기 위해 필름이 가져야만 하는 두께에 반드시 의존할 필요는 없다는 제 2 실시예에 따라, 테스트된 음향적으로 옳은 단일층 중간층은 이것의 물질조성으로 인해서 인열성(tear resistant)이 있고, 이러한 물질은 복합체로, 특히 중합체와 유리 섬유와 같이 중합체에 박혀 있는 강화 섬유로 구성되어 있다.

Claims (10)

  1. 2장의 유리시트(glass sheet)(10, 11)와 음향 차단기준(acoustic insulation criteria)에 부합하기 위한 적합한 물질의 단일층 중간층(monolayer interlayer)을 포함하는 적층 창유리 유닛(laminated glazing unit)에 있어서,
    상기 단일층 중간층은 최소 기계적 강도 기준에 부합하도록 불충분한 두께(d1)에 대해 적합하고 증가된 두께(d)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    적층 창유리 유닛.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단일층 중간층의 두께(d)는 dref Jref/Jc 와 적어도 동일한데,
    - Jc는 상기 중간층 물질에 특정한 임계 에너지(critical energy)로, 상기 중간층에서 개시되는 균열(crack)을 전파시키는데 필요한 에너지를 나타내며,
    - Jref와 dref는 각각 임계 에너지에 해당하는 임계 기준 에너지(critical reference energy)이고 기계적 강도 기준에 충분히 부합하는 물질의 기준 두께인,
    적층 창유리 유닛.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기준 물질은 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral)인 것을 특징으로 하는,
    적층 창유리 유닛.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 중간층은, 2mm 두께의 상기 중간층에 의해 결합된 4mm 두께의 2장의 유리시트를 포함하는 적층 유리로 구성된 길이 9cm, 폭 3cm의 막대(bar)가, 동일한 길이 동일한 폭의 4mm 두께를 갖는 유리 막대와 최대 35% 차이가 나는 임계 진동수(critical frequency)를 갖는다는 사실에 의해 정의되는 향상된 음향 특성 기준을 만족시키는 것을 특징으로 하는,
    적층 창유리 유닛.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 중간층은, 10∼60℃의 온도와 50∼10 000Hz의 주파수 범위에서, 0.6보다 큰 손실 인자(loss factor)(tan δ)와 1×106∼2×107N/m2의 전단율(shear modulus)(G')을 갖는 것을 특징으로 하는,
    적층 창유리 유닛.
  6. 적층 창유리 유닛에 대한 중간층으로 작용하기 위한 음향 차단 기준을 만족시키는데 적합한 물질의 중합성 필름에 있어서,
    최소 기계적 강도 기준을 부합하도록 불충분한 두께(d1)에 대해 적합하고 증가된 두께(d)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    중합성 필름.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 두께(d)는 dref Jref/Jc와 적어도 동일한 두께(d)를 갖는데,
    - Jc는 상기 중간층 물질에 특정한 임계 에너지로, 상기 중간층에서 개시되는 균열을 전파시키는데 필요한 에너지를 나타내며,
    - Jref와 dref는 각각 임계기준에너지이고, 기계적 강도 기준에 충분히 부합하는 물질의 기준 두께인,
    중합성 필름.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 기준물질은 폴리비닐 부티랄인 것을 특징으로 하는,
    중합성 필름.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 중합성 필름은 2㎜ 두께의 중간층에 의해 결합되는 4㎜ 두께의 두 장의 유리시트를 포함하는 적층 창유리로 구성되는 길이 9㎝, 폭 3㎝의 막대(bar)가, 동일한 길이, 동일한 폭의 4㎜ 두께를 갖는 유리막대와 최대 35% 차이가 나는 임계진동수를 갖는다는 사실에 의해 정의되는 개선된 음향 특성 기준에 부합하는 것을 특징으로 하는,
    중합성 필름.
  10. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 중합성 필름은 10∼60℃의 온도와 50∼10 000㎐의 주파수에서 0.6 보다 큰 손실인자(tanδ)와 1×106∼2×107N/㎡의 전단률(G')을 갖는,
    중합성 필름.
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