KR20100055248A - 모노리스형 다공성 소재 및 진공 포장재를 이용한 진공 단열판 제조방법 및 이에 의하여 제조된 진공 단열판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 포장재를 이용한 진공 단열판 제조방법 및 이에 의하여 제조된 진공 단열판을 제공한다. 본 발명에 따른 진공 단열판 제공방법은 에어로젤과 같은 모노리스형 다공성 소재를 진공 포장재로 감싸고, 진공 감압한 후 밀봉 처리하는 과정을 포함한다. 본 발명에 의하면 진공 단열판을 간단한 진공 포장기술로 제조할 수 있으므로 경제성이 우수하다. 또한 진공 포장재를 이용하므로, 내부의 모노리스형 다공성 소재의 우수한 단열성을 유지하면서도 기계적 강도 및 수분에 대한 취약점을 개선할 수 있다. 따라서, 내구성과 단열성이 우수한 진공 단열판을 제공할 수 있다.

진공 포장재, 진공 단열판, 모노리스형 다공성 재질, 단열재

Description

모노리스형 다공성 소재 및 진공 포장재를 이용한 진공 단열판 제조방법 및 이에 의하여 제조된 진공 단열판{Method for preparation vacuum insulation panel using monolithic porous material and vacuum packing material, and vacuum insulation panel}

본 발명은 모노리스형 다공성 소재 및 진공 포장재를 이용한 진공 단열판 제조방법 및 이에 의하여 제조된 진공 단열판에 관한 것으로, 더욱 상세하게, 에어로젤과 같은 모노리스형 다공성 소재를 진공 포장재로 감싸고 진공 감압한 후 밀봉 처리하여 내구성과 단열성이 매우 우수한 진공 단열판을 용이하게 제조하는 방법에 관한 것이다.

기존의 진공 단열판의 경우 단열판 내부에 경질 폴리우레탄폼 또는 폴리스티렌폼과 같은 플라스틱 형성체가 사용된다. 그러나 이러한 진공 단열판들은 일정 수준 이상의 단열성을 유지하는데 어려움이 있으며, 높은 단열성을 유지하기 위해서는 단열판의 두께가 증가하여 제한적인 공간에서는 효과적으로 이용하기에 어려움 이 많다. 또한 높은 단열성을 유지하기 위해 장시간 유지가 어려운 고진공 상태를 필요로 하는 등 경제적으로 진공 단열판을 제조하는데 어려움이 많다.

　최근에 초경량 신소재로 주목 받고 있는 에어로젤은 높은 다공성, 넓은 표면적, 낮은 밀도, 투명성, 낮은 열전도도 등의 물리적 성질로 인해 에너지 및 환경 분야에 무한한 응용 가능성을 가진 소재이다. 에어로젤은 현재 단열재, 방음재, 저장소재, 자동차 및 우주항공 초경량 소재, 촉매, 전기화학 소재, 전자소재 등 거의 모든 산업에 있어서 핵심 소재로 활용이 기대되고 있다. 이러한 에어로젤은 보통 솔-젤 합성 공정과 초임계 건조 공정으로 제조되며, 그 제조 방법에 대해서는 Sol-Gel Science(C. J. Brinker and G. W. Scherer, New York, Academic press, 1990)를 비롯한 많은 서적 및 문헌에 자세히 설명되어 있다.

　에어로젤의 다양한 응용 가능성 중 단열재로 활용하는 방안이 현재까지 상용화 가능성이 가장 기대되는 분야이다. 투명한 모노리스형 에어로젤은 단열창으로 활용이 가능하고, 불투명한 모노리스형 에어로젤은 다양한 분야에서 저온이나 고온 단열재로 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 투명 또는 반투명한 에어로젤은 태양광을 통과시키고 열을 효과적으로 차단하므로 채광용 창 등에 이용하면 에너지 절약형 창호 시스템을 구성할 수 있다. 현재 반투명 실리카 에어로젤 입자가 이중 창 내부에 채워진 스카이라이트(skylight) 천장 창호 시스템이 상업화되어 활용 보급되고 있으나 투명도에 한계가 있고 장기간 사용 시 에어로젤 입자가 중력에 의하여 아래쪽으로 몰리는 문제점이 있다. 모노리스 형태의 투명 에어로젤을 이중 창 내부에 채워 단열창으로 활용할 수 있으나 창 크기의 대형 에어로젤 모노리스를 제조하 여야 하므로 경제적인 관점에서 볼 때 특수 용도를 제외하고는 상업화가 불가능할 전망이다.

　에어로젤이 그 소재 자체로서는 어떤 단열재보다도 단열도가 우수하다는 것은 이미 잘 알려져 있으나 그 활용도를 높이기 위해서는 활용 가능한 형태로 제조하는 것이 매우 중요하다. 블랑켓(blanket) 형태의 지지체에 에어로젤을 담지시킴으로서 단열재를 제조하는 경우에는 담지된 에어로젤이 사용 중에 떨어져 나와 소실될 수 있으며, 단열도가 지지체의 성능에 크게 의존되며, 투명한 형태로는 제조하는 것이 불가능하다는 한계점을 지니고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 본 발명의 목적은 에어로젤을 비롯한 모노리스형 다공성 소재를 단열재로 활용하기 위한 간단하고 경제적인 방법으로서, 진공 포장재를 이용하여 진공 단열판을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 목적은 상기한 방법에 의하여 제조된 진공 단열판을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 진공 단열판 제조방법은, 진공 포장재를 이용하여 모노리스형 다공성 소재의 외부를 감싸는 단계; 모노리스형 다공성 소재를 감싼 진공 포장재를 진공 감압하는 단계; 및 진공 감압 후 진공 포장재를 밀봉하는 단계를 포함한다.

본 발명의 구현예에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재로 투명 에어로젤을 사용할 수 있다.

본 발명의 구현예에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재로 불투명 에어로젤을 사용할 수 있다.

본 발명의 구현예에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재로 무기 에어로젤, 유기 에어로젤, 및 유-무기 혼합 에어로젤로부터 이루어진 그룹으로부터 선택된 어 느 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명의 구현예에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재는 유기물질, 무기물질, 또는 이들의 혼합 물질을 이용하여 형성한 모노리스 형태의 다공성 보드일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진공 포장재로 열 접착성(heat seal), 가스 차단성, 인장 강도, 내한성 및 내열성 중 하나 이상을 갖는 고분자 필름을 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 진공 감압하는 단계에서, 진공도는 1 torr 내지 300 torr로 조절 될 수 있다.

본 발명은 상기한 진공 단열판 제조방법에 의하여 제조된 진공 단열판을 제공한다.

본 발명에 따른 진공 단열판 제조 방법은 진공 포장재를 이용한 진공 포장 기술을 그대로 응용한 것으로 진공 단열판을 경제적으로 제조할 수 있다.

또한, 기존 다공성 보드 및 에어로젤의 활용 한계와 진공 단열판의 문제점을 해결할 수 있으며 특히 에어로젤의 경우에는 투명한 형태로도 제조가 가능하다는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 따른 진공 단열판 제조방법에 의하면 기존의 진공 단열판 제조방법과 같은 높은 진공이 필요하지 않으며, 필름 형태의 진공 포장재를 사용하므로 다공성 보드 및 에어로젤의 우수한 단열성이 그대로 유지되면서도 기계 적 강도 및 수분에 대한 취약점이 크게 개선된다.

또한 일반적으로 제조되는 무기 다공성 보드 및 에어로젤이 친수성이라 이를 소수성화하기 위한 추가 공정이 필요하고, 투명 모노리스형 에어로젤의 경우에는 소수성화하는 과정에서 투명도가 낮아지는 문제점이 있지만 본 발명에 따른 제조방법에서는 외부에 가스 차단성 포장 필름이 사용되므로 친수성의 에어로젤을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.

　실제 활용에 있어서, 본 발명에 따른 진공 단열판 제조방법에 의해 제조된 모노리스 형태의 진공 단열판을 그대로 활용할 수 있으나, 여러 모노리스 형태의 진공 단열판을 타일처럼 연결하여 넓은 범위에 경제적으로 사용할 수도 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 구현예에 따른 진공 단열판 제조방법을 구체적으로 설명한다

본 발명의 하나의 구현에 따른 진공 단열판 제조방법은, 모노리스형 다공성 소재의 외부를 진공 포장재를 이용하여 감싸는 단계, 모노리스형 다공성 소재를 감싼 진공 포장재를 진공 감압하는 단계, 및 진공 감압 후 진공 포장재를 밀봉하는 단계를 포함한다.

　본 발명의 실시예에 있어서 상기 모노리스형 다공성 소재로 모노리스 형태의 에어로젤 또는 다공성 보드를 사용할 수 있다.

구체적으로 상기 에어로젤로 투명 또는 불투명한 에어로젤을 모두 사용할 수 있다. 다만, 투명 진공 단열판을 제조하는 경우에는 투명도가 높은 에어로젤을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 초다공성 에어로젤을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 에어로젤은 무기 에어로젤, 유기 에어로젤, 및 유-무기 혼합 에어로젤로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함한다. 상기 무기 에어로젤은 실리카(silica), 알루미나(alumina), 마그네시아(magnesia), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 하프니아(hafnia), 이트리아(yttria), 및 세리아(ceria)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상의 무기 산화물을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 유기 에어로젤은 우레탄(urethane), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 키토산(chitosan), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리옥시알킬렌(polyoxyalkylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리에테르(polyether), 페놀-포름알데히드(phenol-formaldehyde), 페놀-푸르푸랄(phenol-furfural), 레조시놀-포름알데히드(resorcinol-formaldehyde), 멜라민-포름알데히드(melamine-formaldehyde), 플로로글루시놀-포름알데히드(phloroglucinol-formaldehyde), 및 플로로글루시놀-푸르푸랄(phlorogluci nol-furfural)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상의 유기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 유-무기 혼합 에어로젤은 상기한 무기 산화물과 유기 물질의 혼합물을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 에어로젤은 기존 문헌들에 발표된 다양한 에어로젤 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 일예로, 상기 에어로젤은 솔-젤 합성 공정과 초임계 건조 공정 또는 상압 건조 공정에 의해 제조될 수 있다.

　본 발명의 실시예에 있어서 상기 다공성 보드는 유기 다공성 보드, 무기 다공성 보드, 및 유-무기 다공성 보드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.

상기 유기 다공성 보드는 일예로, 우리탄, 폴리이미드 등의 유기 물질을 이용하여 형성할 수 있다.

상기 무기 다공성 보드는 금속산화물 분말을 성형하여 모노리스 형태로 형성한 것으로, 금속산화물 분말의 예로 실리카 분말을 사용할 수 있다.

또한, 유-무기 다공성 보드는 하나 이상의 유기 물질과 하나 이상의 무기 물질을 혼합하여 형성할 수 있다.

상기 진공 포장재는 모노리스형 다공성 소재의 밀봉 처리를 위한 열 접착성(heat seal), 가스 차단성(산소, 질소, 이산화탄소, 수분 등의 차단), 인장 강도, 내한성, 내열성 등이 우수한 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. 투명 진공 단열판을 형성하는 경우에는 상기 진공 포장재로 투명 고분자 필름을 사용할 수 있다. 상기 투명 고분자 필름의 비제한 적인 예로, 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 필름, 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름 또는 나일론(nylon) 필름 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진공 포장재를 복수의 층으로 적층한 다층 진공 포장재를 사용할 수 있다.

상기 진공 포장재를 이용하여 모노리스형 다공성 소재를 진공 포장하고 밀봉하여 단열성이 우수한 진공 단열판을 손 쉽게 제조할 수 있다. 구체적으로, 모노리스형 다공성 소재의 외부를 진공 포장재로 감싸고, 상기 모노리스형 다공성 소재를 감싼 진공 포장재를 일정 수준의 진공도로 감압한 후 밀봉 처리하여 진공 단열판을 제조할 수 있다.

상기 진공 포장재는 시중에 판매되는 비닐 팩 형태의 진공 포장재를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 모노리스형 다공성 소재를 진공 포장재의 내부에 삽입하고 일정 수준의 진공도로 감압한 후 밀봉 처리하여 진공 단열판을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 진공 단열판 제조방법에서는, 진공 포장재를 이용하므로 낮은 진공도로 감압할 수 있다. 감압 단계에서 진공도를 1 torr 내지 300 torr의 범위에서 유지할 수 있다. 바람직하게는 10 torr 내지 150 torr의 범위에서 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 진공 단열판 제조 방법에 의하면 기존의 진공 단열판 제조 방법에 비해 낮은 진공도에서 진공 단열판을 제조할 수 있다.

모노리스형 다공성 소재를 진공 감압하면 기공 내의 기체 대류에 의한 열전달을 막을 수 있으므로 단열도를 높일 수 있다. 특히 단열성이 높은 에어로젤을 진공 감압하면 그 단열 효과를 더욱 높일 수 있으므로 에어로젤을 이용하여 진공 단열판을 제조하면 고효율의 진공 단열판을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열판 제조 방법에 따르면, 진공 포장 재를 이용하여 모노리스형 다공성 소재를 진공 포장함으로써 진공 단열판을 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 공정 수를 생략할 수 있으며, 제조 공정이 단순하여 생산효율을 향상시킬 수 있다. 나아가 저렴한 진공 포장재를 이용하므로 단열 진공판의 제조 단가를 낮출 수 있다. 또한 진공 포장재의 두께가 얇으므로 모노리스형 다공성 소재의 형태를 그대로 유지할 수 있다. 또한, 인장강도 및 가스 차단성이 우수한 진공 포장재를 이용하므로 에어로젤처럼 기계적 강도 및 수분에 대한 취약점이 있는 모노리스형 다공성 소재를 이용하는 경우에도 이를 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 진공 단열판 제조방법에 의하여 제조된 진공 단열판을 타일처럼 매트릭스 형상으로 연결하여 넓은 범위에 적용할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예

TEOS(tetraethylorthosilicate)를 출발물질로 하여 솔-젤 합성 공정과 초임계 건조 공정을 거쳐 투명한 모노리스형 실리카 에어로젤을 제조하였다. 제조된 에어로젤의 크기는 150 mm × 150 mm이며 두께는 15.1 mm이다. PE와 PP로 구성된 다층 진공 포장재에 상기 에어로젤을 넣고 약 130 torr로 감압한 후 밀봉 처리하여 투명한 진공 단열판을 제조하였다. 이후 Heat Flow Meter 방법을 이용하여 진공 단열판의 열전도도를 측정하였다. 이때, Netzsch사의 Heat Flow Meter(Model: HFM 436/3/1 Lambda)를 이용하여 진공 단열판의 열전도도를 측정하였으며, 이 기기는 ISO 8301 측정방법과 ASTM C518 측정방법이 적용된 것으로, 0.005~0.5 W/m·K 범위의 열전도도를 측정할 수 있다. 상기 방법으로 제조된 진공 단열판의 열전도도는 0.0097 W/m·K으로 측정되었다.

도 1에는 상기의 방법으로 제조한 투명한 진공 단열판을 나타내었다.

비교예 1

내부가 골판지로 구성된 진공 단열판을 실시예에서와 같은 방법으로 제조하였다. 이때 골판지의 크기는 300 mm × 300 mm 이며, 두께는　14.5 mm이다. 상기의 방법을 제조한 진공 단열판의 열전도도는 0.0584　W/m·K으로 측정되었다.

비교예 2

내부가 폴리스티렌폼으로 구성된 진공 단열판을 실시예에서와 같은 방법으로 제조하였다. 이때 폴리스티렌폼의 크기는 150 mm × 150 mm 이며, 두께는　29.7 mm이다. 상기의 방법을 제조한 진공 단열판의 열전도도는 0.0433　W/m·K으로 측정되었다.

비교예 3

내부가 폴리에틸렌폼으로 구성된 진공 단열판을 실시예에서와 같은 방법으로 제조하였다. 이때 폴리에틸렌폼의 크기는 300 mm × 300 mm 이며, 두께는　53.4 mm이다. 상기의 방법을 제조한 진공 단열판의 열전도도는 0.0664　W/m·K으로 측정되었다.

비교예 4

내부가 MDF로 구성된 진공 단열판을 실시예에서와 같은 방법으로 제조하였다. 이때 MDF의 크기는 300 mm × 300 mm 이며, 두께는　15.1 mm이다. 상기의 방법을 제조한 진공 단열판의 열전도도는 0.0787　W/m·K으로 측정되었다.

비교예 5

내부가 콘크리트로 구성된 진공 단열판을 실시예에서와 같은 방법으로 제조하였다. 이때 콘크리트의 크기는 200 mm × 200 mm 이며, 두께는　9.2 mm이다. 상기의 방법을 제조한 진공 단열판의 열전도도는 0.1034　W/m·K으로 측정되었다.

표 1은 실시예 및 비교예1 내지 5에서 제조한 진공 단열판의 열전도도를 나타낸 것이다.

	가로(mm)	세로(mm)	두께(mm)	열전도도(W/m·K)
실시예	150	150	15.1	0.0097
비교예 1	300	300	14.5	0.0584
비교예 2	150	150	29.7	0.0433
비교예 3	300	300	53.4	0.0664
비교예 4	300	300	15.1	0.0787
비교예 5	200	200	9.2	0.1034

표 1을 참조하면, 내부에 에어로젤을 포함하는 진공 단열판의 열전도도가 우수한 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열판 제조방법에 의하여 제조된 투명 진공 단열판을 나타낸 사진이다.

Claims (11)

1. 진공 포장재를 이용하여 모노리스형 다공성 소재의 외부를 감싸는 단계;

   모노리스형 다공성 소재를 감싼 진공 포장재를 진공 감압하는 단계; 및 진공 감압 후 진공 포장재를 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재는 투명 에어로젤인 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 모노리스형 다공성 소재는 불투명 에어로젤인 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
4. 제 2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 모노리스형 다공성 소재는 무기 에어로젤, 유기 에어로젤, 및 유-무기 혼합 에어로젤로부터 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 모노리스형 다공성 소재는 유기물질, 무기물질, 또는 이들의 혼합 물질을 이용하여 형성한 모노리스 형태의 다공성 보드인 것을 특징으로 하 는 진공 단열판 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 다공성 보드는 금속 산화물 분말을 성형하여 형성한 무기 다공성 보드인 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 진공 포장재는 열 접착성(heat seal), 가스 차단성, 인장 강도, 내한성 및 내열성 중 하나 이상을 갖는 고분자 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
8. 　제 1항에 있어서, 진공 감압하는 단계에서의 진공도는 1 torr 내지 300 torr인 것을 특징으로 하는 진공 단열판 제조방법.
9. 제 1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항의 제조방법에 의하여 제조된 진공 단열판.
10. 제 4항의 제조방법에 의하여 제조된 진공 단열판.
11. 제 5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 제조방법에 의하여 제조된 진공 단열판.

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