KR20130057619A - 복사열 차단 진공단열재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초기 단열 성능과 복사열 차단이 우수한 진공 단열재용 심재 및 이를 이용한 진공단열재에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 진공단열재는 복수의 코어층, 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단 필름 및 상기 코어층과 복사열 차단필름을 진공 포장하는 외피재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 진공단열재는 복수의 코어층, 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단 필름 및 상기 코어층과 복사열 차단필름을 진공 포장하는 외피재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 복수의 코어층 및 상기 코어층과 코어층 사이에 복사열 차단필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재와, 상기 심재를 구성으로 하는 진공단열재에 관한 것이다.
종래의 진공단열재의 경우 외피재는 금속증착필름 또는 알루미늄 호일이 포함된 다층필름으로 구성되고, 내용물인 심재는 유리섬유(Glass fiber), 흄드 실리카(Fumed silica) 등이 적용되고, 게터재의 경우 산화칼슘(CaO)이 적용되고 있다.
대한민국 특허 공개공보 2004-0047256호와 대한민국 등록특허 10-0823406에서도 무기섬유 중합체를 수납하고 있는 심재를 포함하는 진공단열재와, 섬유집합체를 포함하는 심재 등에 대해서는 개시되어 있으나, 이는 대류에 의한 열전달을 차단하여 열성능을 높이는데 주안점을 둔다. 그러나, 열은 전도, 대류, 복사로 전달되고, 복사에 의한 열전달은 여전히 차단할 수 없어, 단열재로서의 응용에 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 초기 단열 성능과 장기 내구성능이 모두 우수한 진공단열재용 심재를 제공하고, 상기 심재를 포함하여, 복사에 의한 열전달을 차단하는 진공단열재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 코어층; 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재를 제공한다.
또한 본 발명은 복수의 코어층; 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단 필름; 및 상기 코어층과 복사열 차단필름을 진공 포장하는 외피재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재를 제공한다.
본 발명에 의한 진공단열재용 심재는 초기 단열 성능을 향상 시킬 수 있고, 전도, 대류에 의한 열전달뿐 아니라 복사에 의한 열전달 또한 차단할 수 있고, 장기 내구성능에서도 탁월한 우수함을 보인다.
아울러, 상기 심재 및 기타 재료들이 특성에 따라서 본 발명에 따른 진공단열재는 최소 10년 이상 단열 성능을 유지하는 우수한 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 실시예들의 진공단열재용 심재의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 진공단열재를 도시한 단면도이다.
도 4는 비교예2 및 비교예3의 진공단열재를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 진공단열재를 도시한 단면도이다.
도 4는 비교예2 및 비교예3의 진공단열재를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예 및 비교예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예 및 비교예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예 및 비교예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 따른 진공단열재용 심재, 이를 이용한 진공단열재에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
진공단열재용 심재
먼저 본 발명에 따른 진공단열재용 심재에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 1 은 일실시예에 따른 진공단열재용 심재(100)의 단면도이다. 심재(100) 는 복수의 코어층(10) 및 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단필름(20)으로 구성된다.
본 발명의 심재(100)를 구성하는 코어층(10)는 특별히 제한되지는 않으나, 폴리우레탄 폼, 글래스 울, 세라믹 섬유 등 무기재료를 섬유화 한 것으로, 평균 섬유 지름이 0.1㎛ 이상 10㎛이하 인 것을 이용할 수 있다. 생산성을 고려하면 0.8㎛이상이고, 10㎛이하가 바람직하다. 또한 섬유길이는 특별히 지정하는 것을 아니지만, 500mm이하, 나아가 200mm이하 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서의 진공단열재용 심재(100)는 코어층(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 복수개의 코어층(10)을 포함하는 경우 코어층(10)을 구성하는 성분은 같거나 다를 수 있다.
상기 코어층(10)는 복사열 차단필름(20)을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 복사열 차단필름(20)은 방사율이 0.5 이하인 필름을 포함하는 것이 바람직하다. 방사율이 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 복사열을 차단하는데 있어서 그 효과가 현저히 떨어질 수 있다.
방사율은 흑체(black body) 또는 표면에 의해 방출되는 방사와 플랑크의 법칙에 의해 예상되는 이론적 방사의 비율이다. 방사율이라는 용어는 미국재료시험협회 (ASTM) 표준에 의해 적외선 범위 내에서 측정되는 방사율 값을 말한다. 방사율은 방사능 측정(radiometric measurement)을 이용하여 측정되며 반구 방사율 (hemispherical emissivity) 및 전방사율 (normal emissivity)로 기록된다.
상기 방사율은 상기 코팅에 의해 방출되는 파장이 긴 적외선 방사의 백분율을 가리키며, 방사율이 낮다는 것은 유리를 통해 열이 덜 전달될 것이라는 것을 가리킨다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방사율은 한 물체가 외부의 광에너지를 흡수한 후 일부 재방사하거나 혹은 표면 반사현상이 일어날 때 재 복사하는 에너지 비율을 말한다. 방사율은 0과 1사이의 값으로 나타나는바, 0에 가까울수록 복사열 차단 효과가 크고, 물질의 종류와 표명의 상태에 따라서 다르다. 본 발명의 상기 복사열 차단필름은 방사율이 0.5이하로 낮으므로, 그 내부 지지체를 통한 복사열전달이 줄어들고, 결과적으로 진공단열재용 심재의 단열성능이 향상 될 수 있다.
상기 복사열 차단필름(20)은 금속박을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 금속박은 알루미늄을 비롯하여 구리, 금, 은, 니켈, 티탄, 지르코니움, 규소, 인듐, 탄소, 코발트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 특히, 복사열에 대한 방사율이 0.5이하인 금속박은 모두 포함될 수 있으나, 프로세스 비용이 저렴한 알루미늄이나 구리를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
상기 알루미늄은 열전도도가 높은 금속으로서 그 자체로는 효과적인 단열재가 아니지만, 알루미늄은 매우 얇아서, 이에 의한 전도의 영향은 무시될 정도이다. 또한, 전도되는 복사열은 복사열의 흡수 및 방사가 적은 표면의 사용으로 억제될 수 있는바, 상기 표면은 빛나게 보일 뿐 아니라 빛과 같이 행동하는 전자기차의 복사열을 반사하게 되는 유형의 단열재이다.
또한 알루미늄은 복사에 의한 열전달을 차단하여 진공단열재의 열전도율을 낮추기 위하여 형성된 차단층으로서, 7중량% 내지 1.3중량%의 철(Fe) 함량을 구비한 알루미늄으로 형성된다. 상기 철 함량을 포함하는 알루미늄은 결정립이 미세화되어 형성됨에 따라, 결정립 사이의 슬림이 적어지게 되어, 재료 자체에서 수용할 수 있는 허용 응력이 커짐에 따라 압력 등의 가공공정에도 견딜 수 있게 되며, 연성이 높아진다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 진공단열재용 심재(100)의 단면도이다. 본 발명의 복사열 차단 필름은 수지 기재(21)와, 상기 수지 기재상에 설치된 금속박(22)을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 수지 기재(21)로는 폴리프로필렌, 이축연신 폴리프로필렌(OPP), 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드-6(나일론), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리-4-메틸-1-펜텐, 폴리부틸렌, 폴리펜타디엔, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체 그리고 에틸렌-부텐-프로필렌터폴리머 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 상기 수지 기재(21)상에 설치된 금속박(22)을 형성하는 금속으로는 알루미늄을 비롯하여 구리, 금, 은, 니켈, 티탄, 지르코니움, 규소, 인듐, 탄소, 코발트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 이용하고 있는 금속증착 방법은 공지의 방법으로서 예를 들면 열증착법, 이온스퍼터링법에 의하며 금속증착층의 두께는 대략 20∼1,000Å가 되도록 하는 것이 보온력 유지 및 경제적인 면에서 바람직하다.
상기 복사열 차단필름(20)을 형성하는데 있어서, 가스차단성(Gas Barrier) 증대 및 투습방지 효과면에서 진공 중에 수분, 가소제, 분해가스 등의 발포가 없는 금속을 친화성이 좋은 수지기재에 증착하는 것이 가장 바람직하다.
특히 상기 수지 기재로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하고, 상기 금속박으로 알루미늄을 포함하여 알루미늄 증착필름을 제조할 수 있다. 상기 알루미늄 증착필름은 복사열에 대한 방사율이 0.5이하이며, 알루미늄 증착에 스퍼터링 증착 방식을 사용할 수 있다.
더욱 상세하게는 10-4~10-8 torr 정도의 진공 하에서 알루미늄을 1,500℃ 이상으로 가열하면 알루미늄이 증발하여, 플라스틱 필름이나 종이 등의 기재 위에 응착한 것이다. 증착막의 두께는 400~800Å이고, 증착면은 금속 알루미늄박과 같은 외관을 보이고 있다. 또한 상기 알루미늄 증착필름을 구성하는 폴리에틸렌테레프 탈레이트 기재는 방습층으로서의 기능을 가지며 결로발생을 억제하게 된다. 한편, 수지기재가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함하는 경우는 접착성이 뒤떨어지기 때문에 코로나(corona) 처리 등이 필요하다.
상기 복사열 차단필름(20)은 5 ~ 15㎛의 두께를 가질 수 있다. 특히 10 ~ 15㎛의 두께를 가지는 경우가 가장 바람직하다. 상기 복사열 차단필름의 두께가 5㎛의 미만이면, 필름형태의 제조가 어렵고 설사 만들더라도 밀도가 낮고 핀홀이 많아서 방사율이 0.5 이하가 될 수 없고, 15㎛를 초과하면, 방사율은 만족하나 복사열 차단필름 자체의 높은 열전도율로 인해 진공단열재의 열전도율이 높아지는 역효과가 나타난다.
진공단열재
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공단열재(300)를 도시한 단면도이다. 본 발명의 진공단열재(300)는 복수의 코어층(10), 상기 코어층과 코어층 사이에 위치하는 복사열 차단필름(20) 및 상기 코어층과 복사열 차단필름을 진공 포장하는 외피재(30)를 포함하여 형성될 수 있다. 또한 상기 심재에 부착 또는 삽입되는 게터재(31)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
이와 같은 외피재(30)를 형성함으로써, 본 발명에 따른 진공단열재(300)는 최상의 기밀성과 장기 내구성능을 가질 수 있도록 한다. 또한 외부의 온도 변화에 의해서 외피재(30) 내부에서 가스 및 수분이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위해서 게터재(31)를 사용하고 있다.
진공단열재는 진공단열재용 심재 및 복사열차단필름을 포함하는바, 그 구성요소는 상기에 기재된 바와 같다. 또한 이와 같이 제조된 진공단열재는 모두 복사열에 있어서, 우수한 단열 성능과 장기 내구성능을 발휘하며, 그 구체적인 실시예 및 비교예를 살펴보면 다음과 같다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
[진공단열재의 제조]
글라스 울로 구성된 코어층을 8×190×250mm (두께×폭×길이)의 크기로 제조한 후 진공단열재용 심재로 사용하였다. 다음으로, 폴리염화비닐리덴 (PVCD) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(PET) 12㎛, 나일론(Nylon) 필름 25㎛, 알루미늄 호일 7㎛ 및 선형저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE) 필름 50㎛의 구조로 형성된 외피재를 형성하였다.
그 다음으로, 순도 95%의 생석회(CaO) 25g을 파우치에 넣어서 제조한 게터재 2개를 도 3과 같이 상기 진공단열재용 심재의 내부에 포함시켰다.
그 다음으로, 상기 진공단열재용 심재를 봉지체에 삽입한 후 10Pa의 진공도 상태에서 밀봉하여 본 발명에 따른 진공단열재를 제조하였다.
<실시예 1 내지 8>
상기 진공단열재 심재를 구성하는 코어층 사이에 하기 표 1에 나타낸 실시예 1 내지 8의 필름을 삽입하여 상기의 진공단열재를 제조하고, 그때의 열전도율을 측정하였다. 상기 복사열 차단 필름이 포함하는 금속의 방사율은 방사율 측정장치(INGLAS TIR 100-2)를 이용하여 측정하였고, 이는 금속의 종류와 표면의 상태에 따라서 달라질 수 있다.
복사열 차단필름 | 코어층 | 열전도율 (mW/mK) |
|||||
금속박 | 수지기재 | 필름 두께 | 방사율 | 위치 | 코어층 개수 | ||
실시예1 | Al | - | 15㎛ | 0.2 | 심재 사이 | 2개 | 3.876 |
실시예2 | Cu | - | 15㎛ | 0.3 | 심재 사이 | 2개 | 3.89 |
실시예3 | Ni | 15㎛ | 0.41 | 심재 사이 | 2개 | 3.92 | |
실시예4 | Al | PET | 12㎛ | 0.38 | 심재 사이 | 2개 | 3.847 |
실시예5 | Ni | PP | 12㎛ | 0.47 | 심재 사이 | 2개 | 3.912 |
실시예6 | Cu | PE | 12㎛ | 0.5 | 심재 사이 | 2개 | 3.931 |
실시예7 | Al | - | 45㎛ | 0.23 | 심재 사이 | 4개 | 3.871 |
실시예8 | Al | PET | 45㎛ | 0.4 | 심재 사이 | 4개 | 3.91 |
<비교예 1 내지 6>
비교예 1 내지 6의 필름을 코어층 사이에 삽입하여 상기의 진공단열재를 제조하고, 그때의 열전도율을 측정하였다. 상기 복사열 차단 필름이 포함하는 금속의 방사율은 방사율 측정장치(INGLAS TIR 100-2)를 이용하여 측정하였고, 이는 금속의 종류와 표면의 상태에 따라서 달라질 수 있다. 특히, 비교예 1은 어떠한 필름도 삽입하지 않은 기준이다.
복사열 차단 필름 | 코어층 | 열전도율 (mW/mK) |
|||||
금속박 | 수지기재 | 두께 | 방사율 | 위치 | 코어층 개수 | ||
비교예1 | - | - | - | - | 1개 | 4.384 | |
비교예2 | Al | - | 15㎛ | 0.2 | 부분 감쌈 | 2개 | 4.000 |
비교예3 | Al | - | 15㎛ | 0.2 | 전체 감쌈 | 2개 | 4.060 |
비교예4 | Al | PET | 12㎛ | 0.72 | 심재 사이 | 2개 | 4.178 |
비교예5 | Al | - | 54㎛ | 0.2 | 심재 사이 | 4개 | 4.251 |
비교예6 | Al | PET | 48㎛ | 0.5 | 심재 사이 | 4개 | 4.198 |
(1) 복사열 차단필름의 위치에 따른 열전도율 측정
도 4(a), (b)에 나타난 바와 같이, 비교예2의 “부분감쌈”은 2개의 층으로 구성된 코어부를 알루미늄 호일로 부분적으로 감싼 것을 의미하며, 비교예3은 “전체감쌈”은 코어부 전체를 감싼 것을 의미한다. 상기와 같이 알루미늄 금속박을 위치시키고, 열전도율을 측정한 결과, 열전도율은 4mW/mK이상으로 측정되었다. 이는 복사열차단필름의 “부분감쌈”이나 “전체감쌈”이 있는 경우 알루미늄 호일을 따라 열이 반대면으로 전달됨으로써 오히려 열전달이 잘되게 하는 역효과가 발생하였기 때문이다.
이와 반면에 실시예 1 내지 7에서는 열전도율이 4mW/mK이하로 측정 되었는바, 이는 코어층 사이에 위치하는 필름이 복사열을 차단하기 때문이다. 또한 이를 통해 복사열 전도 억제효과가 수득되는 것은 복사열 차단 필름의 방사율이 0.5이하인 경우임을 알 수 있다.
결과적으로 코어층 사이에 방사율이 0.5 이하인 필름을 하나이상 포함하는 진공단열재용 심재를 진공단열재에 적용하면, 복사열이 차단됨으로 인해 기존의 열전도율을 낮출 수 있음을 확인하였다.
(2) 복사열 차단필름의 방사율에 따른 열전도율 측정
비교예 4의 경우는 알루미늄이 증착된 PET필름을 심재 사이에 두고, 증착면이 아닌 PET필름면이 열을 받아들이는 방향에 놓았을 때의 열전도율을 측정한 결과이다. 이 때, PET필름 면은 방사율이 0.5이상으로 측정되는바, 복사열 차단효과가 없기 때문에 열전도율이 높게 측정되었다.
이와 반대로, 실시예 중에서 복사열 차단 필름의 수지 기재로써 PET를 사용하고, 금속박으로 알루미늄을 사용하는 알루미늄 증착필름의 경우가 열전도율을 낮춤에 있어서 가장 효과적임을 알 수 있었다.
(3) 복사열 차단필름의 두께에 따른 열전도율 측정
비교예 5 및 6에서는 알루미늄 금속박의 두께를 5~15㎛의 범위를 벗어나게 하여 열전도율을 측정하였다. 그 결과, 열전도율을 낮추기 보다는 오히려 증가시키는 역효과를 발휘하였다.
또한 실시예 7 및 8의 열전도율의 측정 결과를 통해, 코어층이 복수개인 경우에도, 두께범위를 만족하는 경우에는 열전도율이 4mW/mK이하가 됨을 확인하였다. 이를 통해 복사열 차단필름의 두께에 따른 성능변화를 확인할 수 있었다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 비교예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 및 비교예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 및 비교예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 진공단열재용 심재
10 : 코어층
20 : 복사열 차단 필름
21 : 수지기재
22 : 금속박
300 : 진공단열재
30 : 외피재
31 : 게터재
10 : 코어층
20 : 복사열 차단 필름
21 : 수지기재
22 : 금속박
300 : 진공단열재
30 : 외피재
31 : 게터재
Claims (12)
- 복수의 코어층;
상기 코어층과 코어층 사이에 복사열 차단필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제 1항에 있어서,
상기 복사열 차단필름은 방사율이 0.5이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제 1항에 있어서,
상기 복사열 차단필름은 금속박을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제 1항에 있어서,
상기 복사열 차단필름은 수지 기재와, 상기 수지 기재상에 형성된 금속박을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제 1항에 있어서,
상기 복사열 차단필름의 두께가 5~15㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제 1항에 있어서,
상기 코어층은 폴리우레탄 폼, 글래스 울, 세라믹 섬유 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 복수의 코어층;
상기 코어층과 코어층 사이에 복사열 차단 필름; 및
상기 코어층과 복사열 차단필름을 진공 포장하는 외피재를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제 7항에 있어서,
상기 복사열 차단필름은 방사율이 0.5이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제 7항에 있어서,
상기 복사열 차단 필름은 금속박을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제 7항에 있어서,
상기 복사열 차단 필름은 수지 기재와, 상기 수지 기재상에 형성된 금속박을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제 7항에 있어서,
상기 복사열 차단필름의 두께가 5~15㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제 7항에 있어서,
상기 코어층은 폴리우레탄 폼, 글래스 울, 세라믹 섬유 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
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