KR20130078005A

KR20130078005A - 단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재

Info

Publication number: KR20130078005A
Application number: KR1020110146702A
Authority: KR
Inventors: 백경현; 전정배; 권기혜
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-10

Abstract

본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 단섬유의 무기섬유를 포함하는 중간층; 및 상기 중간층의 상하부에 대기압에서 1 mm 이상의 두께로 적층되고 장섬유의 무기섬유를 포함하는 상하층을 포함하며, 본 발명에 따른 진공단열재는 상기 진공단열재용 심재를 포함하여 단열성 및 내핀홀성이 우수하다.

Description

단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재{Core for Vacuum Insulation Panel with Excellent Heat Insulation Property and Pinhole Resistance}

본 발명은 단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 단섬유의 무기섬유의 상하층에 일정 두께의 장섬유의 무기섬유를 적층하여 단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고, 냉동고, 자동판매기 등의 보온/보냉 기기는 외부로 방출되거나 외부로부터 유입되는 열을 효율적으로 차단하기 위해서 단열재를 필요로 하며, 이러한 단열재로서, 글래스 울 등의 섬유재나 우레탄 폼 등의 발포체가 이용되고 있다. 이들 단열재의 단열성을 향상시키기 위해서 단열재의 두께를 늘리기도 하나, 얇은 두께가 요구되는 제품과 같이, 공간 절감이나 공간의 효과적인 활용이 요구되는 경우에는 그러할 수 없다는 문제점이 있다.

그래서, 단열 성능이 높은 단열재로서, 진공 단열재가 주목받고 있다. 진공 단열재란, 심재를 가스 배리어성의 외피재로 감싸고 외피재의 내부를 감압하고 외피재의 개구부를 융착시킨 단열재를 말한다. 진공 단열재의 심재로서 주로 무기섬유인 글라스 울과 퓸드 실리카(Fumed silica) 소재를 사용하고 있다.

한국공개특허공보 제2003-0011828호는 진공 단열재와 이것을 이용한 기기에 관한 것으로, SiO2가 주성분인 무기섬유를 다층 적용한 심재를 개시하고 있다. 그러나, 이 문헌은 내핀홀성을 개선하는 방법에 대해서는 전혀 언급하고 있지 않다.

일본공개특허공보 제2003-262296호는 진공단열재에 관한 것으로, 외피재로서 나일론 필름을 2층 이상 적용하여 내핀홀성을 개선하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 문헌은 나일론 필름을 2층 이상 적용함에 따라 필름 소재가 제한되고 제조원가가 상승하는 문제점을 가지고 있다.

이에 따라, 본 발명자는 종래기술의 문제점을 해결하고자, 단섬유의 무기섬유의 상하층에 일정 두께의 장섬유의 무기섬유를 적층하여 단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재를 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 단열성이 우수한 진공단열재용 심재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내핀홀성이 우수한 진공단열재용 심재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 진공단열재용 심재를 포함하여 단열성 및 내핀홀성이 우수한 진공단열재를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 모두 하기 설명되는 본 발명에 의해서 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 단섬유의 무기섬유를 포함하는 중간층; 및 상기 중간층의 상하부에 대기압에서 1 mm 이상의 두께로 적층되고 장섬유의 무기섬유를 포함하는 상하층을 포함한다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유, 상기 장섬유의 무기섬유 또는 이들 모두는 금속 섬유, 유리 섬유, 암석 섬유, 실리카 섬유, 탄화규소 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유는 글라스 울 또는 촙드 스트랜드 유리섬유이며, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스 또는 글라스 페이퍼이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스이며, 상기 글라스 클로스는 평직, 능직, 주자직, 후레이직, 모사직 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 조직구조를 가진다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유길이는 0.1 mm 이상 50 mm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유의 섬유길이는 100 mm 이상 1000 mm 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유, 상기 장섬유의 무기섬유 또는 이들 모두의 섬유직경은 1 μm 이상 100 μm 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유직경은 5 μm 이상 40 μm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스이고 상기 글라스 클로스의 경사 사이의 간격과 위사 사이의 간격은 0.1 μm 이상 5 μm 미만이다.

본 발명에 따른 진공단열재는 상기 진공단열재용 심재; 및 상기 진공단열재용 심재를 감싸고 외부의 공기유입을 차단하는 외피재를 포함하고, 상기 외피재 내부의 기압이 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재용 심재의 두께는 상기 외피재 내부의 기압에서 10 mm 이상 15 mm 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재는 내부에 산화리튬, 수산화리튬, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화바륨, 수산화바륨, 황산칼슘 및 이들은 혼합물로부터 선택되는 흡습제를 진공단열재용 심재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 5 중량부 이하로 더 포함한다.

본 발명의 일 구체예에서, ASTM-C518에 준하여 24 ℃에서 측정한 상기 진공단열재의 열전도도는 2.0 mW/mk 이상 3.0 mW/mk 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 하기 그래프 1과 같은 순환주기로 9일 동안 가속 수명 시험을 진행한 이후에 하기 식 1로 계산한 진공단열재의 열전도도 증가율은 10% 이상 23% 이하이다:

상기 그래프 1에서, x축은 시간을 나타내며, y축은 온도와 상대습도를 나타냄;

[식 1]

열전도도 증가율(%) = (가속 수명 시험 이후 열전도도 - 최초 열전도도) / 최초 열전도도 × 100.

본 발명에 따른 진공단열재용 심재를 포함하는 진공단열재는 단열성 및 내핀홀성이 우수하다.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 진공단열재를 개봉한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 구조를 나타내는 개요도이다.
도 3은 글라스 울을 200 배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 글라스 클로스의 다양한 조직구조를 나타내는 개요도이다.
도 5는 본 발명에 따른 글라스 페이퍼를 100 배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

진공단열재용 심재

본 발명에서, 상기 단섬유의 무기섬유를 포함하는 중간층은 상기 장섬유의 무기섬유를 포함하는 상하층에 의해서 외피재와 차단되며, 이로써 상기 단섬유의 무기섬유에 의해서 외피재에 핀홀(pinhole)이 형성되어 단열성이 저하되는 문제점이 해결될 수 있으며, 이와 동시에 열전도도가 감소하여 단열성이 더 개선될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 구조를 나타내는 개요도이다.

상기 단섬유의 무기섬유는 보통 2.5~3.8 cm 이하의 길이를 가지는 무기섬유를 의미하며, 상기 장섬유의 무기섬유는 보통 2.5~3.8 cm 이상의 길이를 가질 수도 있는 무기섬유를 의미한다.

상기 단섬유의 무기섬유와 상기 장섬유의 무기섬유를 제조방법에는 제한이 없으며 이는 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있다. 예를 들어, 단섬유의 유리섬유는 용융된 유리를 원심력법 또는 화염법으로 날려 면상으로 제조할 수 있으며, 장섬유의 유리섬유는 용융된 유리를 고속으로 인출하고 와인딩하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 단섬유의 무기섬유와 상기 장섬유의 무기섬유로서 상업적으로 입수 가능한 모든 제품을 사용할 수 있으며, 판매되는 제품의 두께를 고려하여 한 겹으로 또는 여러 겹으로 적층하여 사용할 수 있다.

본 발명에서, 상기 상하층은 중간층의 상하부에 대기압에서 1 mm 이상의 두께로 적층된다. 예를 들어, 상기 상하층은 중간층의 상하부에 대기압에서 1 mm 이상 100 mm 이하, 1 mm 이상 50 mm 이하, 1 mm 이상 10 mm 이하 또는 1 mm 이상 5 mm 이하의 두께로 적층될 수 있다. 상기 상하층의 두께가 대기압에서 1 mm 미만이거나 상기 상하층이 상기 중간층의 어느 일면만을 감싸는 경우에 내핀홀성이 저하되고 열전도도도 증가할 수 있다.

상기 단섬유의 무기섬유 또는 상기 장섬유의 무기섬유의 예로는 금속 섬유, 유리 섬유, 암석 섬유, 실리카 섬유, 탄화규소 섬유 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유는 글라스 울(glass wool) 또는 촙드 스트랜드(chopped strand) 유리섬유이다. 도 3은 글라스 울을 200 배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유의 대기압에서의 부피밀도는 100 kg/m³ 이상 300 kg/m³ 이하이며, 바람직하게 130 kg/m³ 이상 250 kg/m³ 이하, 더 바람직하게 150 kg/m³ 이상 200 kg/m³ 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스(glass cloth) 또는 글라스 페이퍼(glass paper)이다. 도 4는 본 발명에 따른 글라스 클로스의 다양한 조직구조를 나타내는 개요도이다. 도 5는 본 발명에 따른 글라스 페이퍼를 100 배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 상기 글라스 클로스 또는 글라스 페이퍼는 한 겹으로 또는 여러 겹으로 적층하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스이며, 상기 글라스 클로스는 평직(plain), 능직(twill), 주자직(satin), 후레이직(leno plain), 모사직(mock leno, imitation leno) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 조직구조를 가진다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 장섬유의 무기섬유의 대기압에서의 부피밀도는 500 kg/m³ 이상 2000 kg/m³ 이하이며, 바람직하게 700 kg/m³ 이상 1600 kg/m³ 이하이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유길이는 0.1 mm 이상 50 mm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유의 섬유길이는 100 mm 이상 1000 mm 이하이다. 상기 단섬유의 무기섬유와 장섬유의 무기섬유의 섬유길이가 상기 범위 내인 경우에, 중간층의 차단에 따른 내핀홀성 및 단열성의 개선효과가 더 우수해질 수 있다.

상기 섬유길이 또는 섬유직경은 광학현미경으로 이미지 분석을 통해 측정할 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유직경은 5 μm 이상 40 μm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유는 글라스 클로스이고 상기 글라스 클로스의 경사 사이의 간격과 위사 사이의 간격은 0.1 μm 이상 5 μm 미만이다. 이 경우에, 중간층의 차단에 따른 내핀홀성 및 단열성의 개선효과가 더 우수해질 수 있다.

진공단열재

상기 외피재로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 것을 사용할 수 있으며, 이는 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 외피재로서 두께 50 μm의 폴리에틸렌 필름, 두께 7 μm의 알루미늄 필름, 두께 12 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 두께 50 μm의 폴리프로필렌 필름으로 이루어지고 열융착층이 폴리에틸렌 필름층인 라미네이트 필름을 사용할 수 있다.

본 발명에서, 상기 외피재 내부의 기압은 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하이며, 바람직하게 0.01 Torr 이상 0.05 Torr이다. 상기 외피재 내부의 기압이 상기 범위 내인 경우에, 공기를 통한 대류에 따른 열전도를 최소화시킬 수 있으며, 진공단열재의 두께를 얇게 유지시킬 수 있다.

[식 1]

본 발명에 따른 진공단열재는 냉장고 및 냉동고용 단열재, 건축용 단열재, 차량용 단열재 등에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 구체화될 것이나, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 사용될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예

하기 실시예 및 비교실시예에서 사용한 성분은 하기와 같다.

GC -1: 섬유의 직경이 5~13 μm이고 대기압에서의 1.10 mm 두께의 평량이 876 g/m²이고 평직의 조직구조를 가지는 글라스 클로스를 한 겹 또는 여러 겹으로 적층하여 사용하였다.

GC -2: 섬유의 직경이 5~13 μm이고 대기압에서의 0.50 mm 두께의 평량이 761 g/m²이고 능직의 조직구조를 가지는 글라스 클로스를 한 겹 또는 여러 겹으로 적층하여 사용하였다.

GC -3: 섬유의 직경이 5~13 μm이고 대기압에서의 0.44 mm 두께의 평량이 595 g/m²이고 주자직의 조직구조를 가지는 글라스 클로스를 한 겹 또는 여러 겹으로 적층하여 사용하였다.

GP: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 대기압에서의 0.05 mm 두께의 평량이 50 g/m²인 글라스 페이퍼를 여러 겹으로 적층하여 사용하였다.

GW: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 섬유의 길이가 1200 ~ 1500 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 150 kg/m³인 글라스 울을 사용하였다.

실시예 1-11 및 비교실시예 1-5

하기 표 1-3에 기재된 심재 구조로, 0.03 Torr에서의 심재 두께가 12 mm가 되도록 진공단열재용 심재를 구성하고, 두께 50 μm의 폴리에틸렌 필름, 두께 7 μm의 알루미늄 필름, 두께 12 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 두께 50 μm의 폴리프로필렌 필름으로 이루어지고 열융착층이 폴리에틸렌 필름층인 라미네이트 필름에 상기 진공단열재용 심재와 산화칼슘 2 중량부를 넣고, 진공챔버 내에서 필름 내부의 압력이 0.03 Torr가 되도록 감압한 다음에, 폴리에틸렌 필름을 융착시켜 290 mm × 410 mm × 12 mm 크기의 진공단열재를 제조하였다. 제조된 진공단열재의 물성을 하기와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 표 1-3에 나타내었다.

(1) 열전도도: ASTM-C518에 준하여 Heat Flow Meter 법을 적용한 열전도도 분석기(Netzsch사의 HFM436)를 이용하여 24 ℃에서 측정하였다.

(2) 내핀홀성: 제조된 진공단열재의 가속 수명 시험(Accelated Life Test) 이후의 열전도도 증가율을 상기 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재된 방법으로 측정하였으며, 각 시험당 5 개의 샘플을 측정하여 평균값을 산출하였다.

상기 표 1 및 2를 보면, 실시예 1-10은 중간층으로 글라스 울을 사용하고 상하층으로 1.0 mm 내지 2.2 mm의 두께의 글라스 클로스를 사용하여 낮은 열전도도와 가속 수명 시험 이후의 열전도도 증가율을 가짐을 알 수 있다.

상기 표 2를 보면, 실시예 11은 중간층으로 글라스 울을 사용하고 상하층으로 2.2 mm의 두께의 글라스 페이퍼를 사용하여 낮은 열전도도와 가속 수명 시험 이후의 열전도도 증가율을 가짐을 알 수 있다.

상기 표 3을 보면, 비교실시예 1은 글라스 울만을 사용하여 열전도도 및 가속 수명 시험 이후의 열전도도 증가율이 증가함을 알 수 있다. 비교실시예 2-3은 상하층으로 각각 0.44 mm의 두께의 글라스 클로스 또는 0.5 mm의 두께의 글라스 페이퍼를 사용하여 열전도도 및 가속 수명 시험 이후의 열전도도 증가율이 증가함을 알 수 있다. 비교실시예 4 또는 5는 글라스 클로스 또는 글라스 페이퍼를 중간층의 상부에만 적용하여 열전도도 및 가속 수명 시험 이후의 열전도도 증가율이 증가함을 알 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

단섬유의 무기섬유를 포함하는 중간층; 및
상기 중간층의 상하부에 대기압에서 1 mm 이상의 두께로 적층되고 장섬유의 무기섬유를 포함하는 상하층;
을 포함하는 진공단열재용 심재.
제1항에 있어서, 상기 단섬유의 무기섬유, 상기 장섬유의 무기섬유 또는 이들 모두가 금속 섬유, 유리 섬유, 암석 섬유, 실리카 섬유, 탄화규소 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제1항에 있어서, 상기 단섬유의 무기섬유가 글라스 울 또는 촙드 스트랜드 유리섬유이며, 상기 장섬유의 무기섬유가 글라스 클로스 또는 글라스 페이퍼인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제3항에 있어서, 상기 장섬유의 무기섬유가 글라스 클로스이며, 상기 글라스 클로스가 평직, 능직, 주자직, 후레이직, 모사직 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 조직구조를 가지는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제1항에 있어서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유길이가 0.1 mm 이상 50 mm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유의 섬유길이가 100 mm 이상 1000 mm 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제1항에 있어서, 상기 단섬유의 무기섬유, 상기 장섬유의 무기섬유 또는 이들 모두의 섬유직경이 1 μm 이상 100 μm 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제3항에 있어서, 상기 단섬유의 무기섬유의 섬유직경이 5 μm 이상 40 μm 이하이며, 상기 장섬유의 무기섬유가 글라스 클로스이고 상기 글라스 클로스의 경사 사이의 간격과 위사 사이의 간격이 0.1 μm 이상 5 μm 미만인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 진공단열재용 심재; 및
상기 진공단열재용 심재를 감싸고 외부의 공기유입을 차단하는 외피재;
를 포함하고, 상기 외피재 내부의 기압이 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
제8항에 있어서, 상기 진공단열재용 심재의 두께가 상기 외피재 내부의 기압에서 10 mm 이상 15 mm 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
제8항에 있어서, 내부에 산화리튬, 수산화리튬, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화바륨, 수산화바륨, 황산칼슘 및 이들은 혼합물로부터 선택되는 흡습제를 진공단열재용 심재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 5 중량부 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
제8항에 있어서, ASTM-C518에 준하여 24 ℃에서 측정한 상기 진공단열재의 열전도도가 2.0 mW/mk 이상 3.0 mW/mk 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
제8항에 있어서, 하기 그래프 1과 같은 순환주기로 9일 동안 가속 수명 시험을 진행한 이후에 하기 식 1로 계산한 진공단열재의 열전도도 증가율이 10% 이상 23% 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재:

상기 그래프 1에서, x축은 시간을 나타내며, y축은 온도와 상대습도를 나타냄;

[식 1]
열전도도 증가율(%) = (가속 수명 시험 이후 열전도도 - 최초 열전도도) / 최초 열전도도 × 100.