KR20160109850A - 건축용 단열재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단열 성능이 우수하고 제조 비용이 저렴한 건축용 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단열재는 톱밥을 준비하는 단계와, 규산염 과포화 용액을 준비하는 단계, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액을 혼합하는 단계 및, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액의 혼합물을 발포하는 단계를 통해 제조된다.
Description
본 발명은 주택이나 아파트 등의 건축물에 사용되는 단열재에 관한 것으로, 특히 단열 성능이 우수하고 제조 비용이 저렴한 건축용 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
단열재는 전도, 대류, 복사에 의한 열 에너지의 이동을 억제하거나 차단할 수 있는 재료를 칭한다. 현재 단열재는 주택이나 건물 등의 외벽이나 내벽면에 설치되는 주거용이나 벽체, 샌드위치 패널의 심재용 등으로 사용되는 패널용, 또는 차량, 선박. 냉동 창고, 가전 제품 등의 보온 및 보냉을 위한 산업용으로 주로 사용되고 있다. 특히 최근에 이르러서는 에너지 비용을 절감하고 환경 오염 문제를 낮추기 위해 에너지의 소비를 줄여야 한다는 국가적인 필요성이 대두되면서 건축물의 단열재 사용에 대한 관련 법규가 점차 강화되고 있다.
단열재에 관해서는 특허등록 10-0750862(건축용 복합 단열재), 특허등록 10-1218238(건축용 단열재 및 그의 제조방법), 특허공개 10-2013-0041459(건축용 복합 단열재), 특허공개 10-2014-0087637(페놀 폼 기반의 건축용 단열재 및 이를 포함하는 건축용 단열재) 등에 소개된 바 있다.
단열재는 크게 무기물 단열재와 유기물 단열재로 구분되고, 그 밖에 무기물 단열재와 유기물 단열재의 복합재로 이루어진 것이 있다. 무기물 단열재는 주로 세라믹, 실리카, 퍼라이트 등으로 구성되는데, 이는 난연성이 우수한 반면에 단열성이 좀 낮다는 단점이 있다. 또한 유기물 단열재는 주로 스티로폼, 발포 폴리스티렌, 발포 폴리우레탄, 폴리에틸렌 등으로 구성되는데, 이는 제조가격이 낮고 단열성능이 우수한 반면에 열에 약하고 기계적 강도가 낮다는 단점이 있다. 또한 최근에는 무기물 단열재로서 높은 단열성과 양호한 불연성을 갖는 글라스울이 개발되어 주목받고 있다. 그러나 글라스울은 제조가격이 매우 높이 때문에 건축물용 단열재로서 범용적으로 사용하기에는 불리함이 있다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 양호한 단열 성능을 갖는 건축물용 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 주된 목적이 있다.
또한 본 발명은 제조가격이 낮고 기계적인 강도가 우수한 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
또한 본 발명은 내화성이 우수한 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한 본 발명은 단열 성능과 더불어 차음 성능이 우수하여 건축물이 층간 소음을 낮출 수 있는 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 단열재는 톱밥 또는 목분과 규산염을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단열재는 바인더를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 관점에 따른 단열재는 톱밥과 규산염을 포함하여 구성되는 단열 부재와, 상기 제1 부재의 일측에 결합되는 발포층을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발포층은 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발포층은 2종류 이상의 크기를 갖는 기공들이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발포층은 규산염을 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단열 부재는 바인더를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 관점에 따른 단열재이 제조방법은 톱밥 또는 목분을 준비하는 단계와, 규산염 과포화 용액을 준비하는 단계, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액을 혼합하는 단계 및, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액의 혼합물을 압축성형하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 톱밥 또는 목분에 대한 규산염의 혼합비가 5~25 w% 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 관점에 따른 단열재의 제조방법은 단열재의 제조방법에 있어서, 톱밥을 준비하는 단계와, 규산염 과포화 용액을 준비하는 단계, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액을 혼합하는 단계 및, 상기 톱밥과 규산염 과포화 용액의 혼합물을 발포하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단열재는 톱밥과 규산염제를 혼합하고 이를 발포하여 형성하게 된다. 이에 따라 단열재는 규산염제의 흡착 및 경화에 의해 일정 이상의 기계적 강도를 갖추게 되고, 특히 발포에 의해 형성되는 다량의 기공에 의해 열전도율이 대폭 낮아지게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단열재의 외관 형상을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 단열재의 방음 효과를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단열재의 외관형상을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 단열재의 방음 효과를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단열재의 외관형상을 나타낸 사시도.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 단, 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현 예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
우선, 본 발명의 기본 개념을 설명한다.
건축물은 다양한 재질을 이용하여 건축하게 된다. 건축물의 건축에 사용되는 재질로서는 철 등의 금속 재료, 콘크리트/시멘트, 벽돌, 석회 등의 몰탈재, 타일, 석재, 판재, 목재, 유리, 자갈 등의 골재, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 방습재, 비닐 계통이나 종이 계통의 벽지, 플라스틱 계통의 바닥재 등 매우 다양하다.
상기한 재질의 열전도율은 철 등의 금속 물질이 대략 50~370(W/mK), 콘크리트/시멘트 등이 대략 1~2.5(W/mK), 벽돌 등이 0.2~1(W/mK), 몰탈재는 0.7~1.5(W/mK), 석재는 대략 1~2.8(W/mK), 목재는 0.13~0.19(W/mK), 유리는 0.76(W/mK), 골재는 대략 2(W/mK) 내외, 방습재는 대략 0.2(W/mK) 내외, 벽지는 0.17~0.27(W/mK), 바닥재는 대략 0.19(W/mK) 내외로서 비교적 높게 측정된다.
따라서 건축물을 건축하는 경우에는 건물의 냉난방성을 고려하여 건축물의 내벽면 또는 외벽면에 단열재를 부착하게 된다. 이러한 용도로서 사용되는 단열재는 통상 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 수지 등을 발포한 발포 수지를 주로 채용하고 있다. 이들 발포 수지는 열전도율이 대략 0.04(W/mK) 이하로서 열전도율이 매우 낮고 가벼우며, 제조가격이 매우 낮다는 장점을 갖는다. 그러나 이러한 발포 수지를 이용하는 단열재는 열에 매우 약하기 때문에 건축물에 화재 등이 발생하는 경우에는 건물 전체를 전소시키는 주요 요인으로 작용할 수 있다는 치명적인 단점이 있다.
상기한 바와 같이 종래의 단열재는 난연성을 갖는 무기물을 이용한 단열재의 경우에는 열전도율에서 불리함을 갖고 있고, 열전도율이 우수한 발포 수지의 경우에는 난연성에서 불리함이 있게 된다.
주지되어 있는 단열재 중 가장 유효한 것 중의 하나가 공기, 특히 정지상태의 공기층이다. 기존에 유효한 단열재로서 사용되고 있는 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 수지 등은 그 자체로서는 단열재가 아니다. 이들 유기물 수지가 단열재가 되기 위해서는 필연적으로 발포 과정을 거쳐야 한다. 유기물 수지를 발포하게 되면 수지에 다량의 기공층, 즉 정지된 공기층이 생성되게 된다. 그리고 이러한 기공층에 의해 발포 수지는 단열재로서 유효한 효과를 갖게 된다.
상기한 건축 자재 중 목재의 경우에는 다른 재질에 비해 비교적 양호한 열전도율을 갖고 있다. 목재를 가공하는 경우에는 필수적으로 톱밥 등의 부산물이 산출된다. 이러한 톱밥을 결합하여 보드를 제조하게 되면 보드에는 본래의 목재 보다 많은 수효의 기공들을 형성할 수 있다. 이때 기공들의 크기나 수효는 보드를 제조할 때 재료에 가해지는 압력에 따라 달라지게 된다. 이는 목재를 분말화한 목분의 경우에도 동일하다. 특히 톱밥이나 목분의 경우에는 난연성을 갖는 무기물 바인더와 용이하게 결합된다. 본 발명자가 연구한 바에 따르면 톱밥이나 목분을 이용하여 보드를 제조하게 되면 보드의 열전도율은 0.9(W/mK)이하, 보다 바람직하게는 0.6(W/mK) 이하로 낮출 수 있음이 확인되었다.
또한 톱밥이나 목분을 무기물 바인더와 결합하여 보드를 제조하게 되면 이는 다음과 같은 특징을 갖는다.
1. 열전도율이 낮다.
2. 발포 유기물 단열재에 비해 높은 기계적 강도를 갖는다.
3. 다수의 기공들이 포함되므로 무게가 매우 가볍다.
4. 난연성을 갖는다.
5. 제조 가격이 저렴하다.
결론적으로 톱밥이나 목분을 무기물 바인더로 결합하여 생상된 재질은 기존의 발포 수지에 비해 열전도율이 다소 높다는 단점 이외에 건축 자재로서 매우 우수한 특징을 갖는다.
본 발명은 이와 같이 건축자재로서 우수한 특징을 갖는 재질을 이용하여 종래의 단열재와 동등의 열전도율을 가지면서도 기계적 강도가 우수하고 난연성을 갖는 단열재를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단열재의 외관형상을 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 따른 단열재(31)는 톱밥 또는 목분과 규산염, 바람직하게는 수용성 규산염을 포함하여 구성된다. 규산염은 무기물 바인더로서 채용된 것으로, 바람직하게는 규산염과 더불어 통상적인 무기물 바인더 또는 유기물 바인더가 함께 사용될 수 있다. 톱밥 또는 목분과 규산염을 이용하여 단열재를 형성할 때에는 바람직하게는 톱밥과 규산염 과포화용액을 혼합한 후 이를 압축성형하여 형성하게 된다. 이때 톱밥에 대한 규산염의 혼합비율은 예컨대 5~25 w% 정도로 한다. 또한 단열재를 형성할 때 보다 바람직하게는 물시멘트가 바인더로서 추가로 혼합될 수 있다.
상기한 바와 같이 톱밥이나 목분은 통상 목재를 제재하는 과정에서 생상되는 부산물이다. 톱밥이나 목분의 주된 원료는 목재로서 여기에는 목재 본래의 기공을 갖고 있다. 그리고 톱밥을 압축성형하게 되면 그 압축 강도에 따라 다수의 기공이 형성된다. 압축률을 높일수록 기공의 크기가 작아지게 된다. 또한 규산염은 다공성 물질로서, 여기에는 통상 수십~수백 nm의 기공들이 구비된다. 따라서 톱밥과 규산염의 혼합물로 단열재를 구성하게 되면 단열재 내부에 크기가 다양한 다수의 기공들이 형성된다. 이러한 기공들은 상술한 바와 같이 단열재의 열전도율은 낮춤은 물론이고 단열재를 통과하는 음파를 반사하거 굴절시킴으로써 단열재의 방음 효과를 제고하게 된다.
특히 규산염에는 수백 nm의 미세한 기공이 다량 포함된다. 이러한 미세 기공들은 층간소음의 주된 원인이 되는 저주파 대역의 소음을 제거하는데 매우 유효하다.
본 발명자의 연구에 따르면 어떠한 물질에 서로 다른 크기를 갖는 기공을 형성하게 되면 흡음 및 차음 기능이 향상된다. 도 2는 이러한 흡음 및 차음 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 참조번호는 20은 다수의 기공이 형성된 다공질 물질이다. 이 다공질 물질에 상대적으로 직경이 큰 제1 기공(21)과 직경이 작은 제2 기공(22)이 존재한다고 할 때, 외부에서 음파(A)가 인입되면 이 음파(A)는 매질(20)과 제1 및 제2 기공(21, 22)을 통해서 전파되게 된다. 그런데 제1 기공(21)을 통과한 음파(A)가 제2 기공(22)으로 인입하는 경우에는 a 및 b로 나타낸 바와 같이 음파(A)가 반사하거나 굴절하게 된다. 그리고 이러한 현상은 제2 기공(22)을 통과한 음파(b)가 제1 기공(21)으로 인입하는 경우에도 유사하게 발생된다. 이는 기공의 크기에 따라 기공의 공진주파수가 달라지는 것이 원인인 것으로 판단된다.
일반적으로 물질의 차음 기능은 외부로부터 인가된 음파를 어느 정도 통과시키는지의 여부에 의해 결정되고, 흡음 기능은 외부로부터 인가된 음파를 어느 정도 흡수하는지에 의해 결정된다. 모든 물질은 외부의 음파에 자극을 받으면 진동을 하게 되는데, 이때 진동에 영향을 준 주파수음은 진동 에너지로 변환되는 과정을 통해 흡음된다.
상기한 바와 같이 어떠한 매질에 서로 다른 크기를 갖는 기공을 형성하게 되면 음파가 기공을 통과하는 과정에서 반사 및 굴절되면서 음파의 직진성이 현저하게 저하된다. 즉 차음기능이 향상된다. 또한 음파가 서로 다른 크기의 기공을 통과하면서 공진된다. 즉 다양한 주파수 대역의 음파 에너지가 기공의 진동 에너지로 변환되면서 흡음 기능이 향상된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단열재의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3에 있어서는 톱밥 또는 목분과 규산염의 혼합물로 제작한 제1 부재, 즉 도 1의 단열재(31) 일측에 제2 부재로서 발포층(32)을 형성한 것이다. 이때 제2 부재(32)는 제1 부재(31)와 별도로 제작한 후 접착재 등을 이용하여 접합 형성하게 된다.
발포층(32)은 예컨대 PVC, 나일론, 폴리에스테르 등과 수성아크릴, 에틸비닐아세테이트(EVA), 폴리비닐알코올(PVA) 등을 포함하는 유기물에 발포제를 혼합한 후 발포하여 형성하게 된다. 이때 바람직하게는 발포층(32)을 형성할 때 발포 조건을 적절하게 설정하여 발포층(32)에 서로 다른 크기를 갖는 적어도 2종류 이상의 기공들이 형성되도록 한다.
또한 보다 바람직하게는 발포층(32)을 형성할 때 유기물 및 발포제와 더불어 규산염이나 다른 다공성 물질을 혼합하여 발포 형성한다.
본 실시예에 있어서는 발포층(32)이 제1 부재(31)에 가해지는 외부로부터의 충격을 흡수해 주고, 또한 발포층(32) 역시 단열재로서의 역활을 실행하게 되므로 보다 현저한 단열 효과를 제공하게 된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 상기 톱밥 또는 목분과 규산염을 혼합하여 단열재를 형성할 때 상기 혼합물에 발포제를 혼합하여 단열재를 발포 형성할 수 있다. 규산염을 발포하게 되면 단열재의 구조가 벌집 구조화 됨으로써 단열재의 열전도율이 보다 낮아지게 된다.
본 발명은 톱밥 또는 목분과 무기물 바인더를 혼합하여 단열재를 구성함으로써 일정 이상의 기계적 강도를 가지면서도 다량의 기공들을 구비하여 현저한 단열 효과를 제공할 수 있는 단열재를 구현할 수 있게 된다. 또한 톱밥 또는 목분을 무기물 바인더와 혼합함으로써 난연 특성을 갖는 단열재를 구현할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명에 따른 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
31 : 단열재, 32 : 발포층.
Claims (20)
- 톱밥 또는 목분과 규산염을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재.
- 제1항에 있어서,
상기 단열재는 바인더를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제2항에 있어서,
상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 하는 단열재. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재. - 톱밥과 규산염을 포함하여 구성되는 단열 부재와,
상기 제1 부재의 일측에 결합되는 발포층을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제5항에 있어서,
상기 발포층은 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제6항에 있어서,
상기 발포층은 2종류 이상의 크기를 갖는 기공들이 구비되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제6항에 있어서,
상기 발포층은 규산염을 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제5항에 있어서,
상기 단열 부재는 바인더를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재. - 제9항에 있어서,
상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 하는 단열재. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재. - 단열재의 제조방법에 있어서,
톱밥 또는 목분을 준비하는 단계와,
규산염 과포화 용액을 준비하는 단계,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염 과포화 용액을 혼합하는 단계 및,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염 과포화 용액의 혼합물을 압축성형하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 톱밥 또는 목분에 대한 규산염의 혼합비가 5~25 w% 인 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염의 혼합물에 바인더를 혼합하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 무기물 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 단열재의 제조방법에 있어서,
톱밥 또는 목분을 준비하는 단계와,
규산염 과포화 용액을 준비하는 단계,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염 과포화 용액을 혼합하는 단계 및,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염 과포화 용액의 혼합물을 발포하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제17항에 있어서,
상기 톱밥 또는 목분과 규산염의 혼합물에 바인더를 혼합하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 바인더가 무기물 바인더인 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 무기물 바인더가 물시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
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