KR20170000975A - 웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재 - Google Patents

웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 단열재 들이 지닌 낮은 단열효과로 인한 문제점을 극복하여 언제 어디서나 높은 단열효과를 지닌 "웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재"를 제공하는데 그 주된 목적이 있다. 또한 반영구적인 수명을 지니며, 고열에서도 유독물질이 발생하지 않으며, 높은 내화력(耐火力)과 안정성을 지닌 웨어러블 컴퓨터용 무기질 단열재를 제공하는데 있다.
본 발명은 새로운 "웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재"에 관한 것으로서 단열효과가 우수하며, 높은 내화력으로 고열에서도 유독물질이 발생하지 않는다. 또한 반영구적인 내구성을 확보하고 있으며, 안정적인 혼합조성물로 변질의 위험이 없다. 더불어 저렴한 가격으로 양산이 가능하여 대중화가 용이한 장점을 지니고 있다. 빛이나 기타 화학물질에 의한 변화가 거의 없어 안정적인 활용이 가능하다.

Description

웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재{ The inorganic insulator for Wearable Computers }
본 발명은 웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 무기질 재료를 사용하여 혼합조성물을 형성하고 이를 통하여 단열재를 형성함으로써 열전도율을 최소화하고 단열성능을 극대화시킨 웨어러블 컴퓨터용 무기질 단열재에 관한 것이다.
단열재(斷熱材)란 일정한 온도가 유지되도록 하려는 부분의 바깥쪽을 피복하여 외부로의 열손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 재료로, 사용온도에 따라 100℃ 이하의 보냉재(保冷材), 100~500℃의 보온재(保溫材), 500~1,100℃의 단열재, 1,100℃ 이상의 내화단열재(耐火斷熱材)로 나뉘는데, 열전도율을 작게 하기 위해서 다공질(多孔質)이 되도록 만든다.
단열재는 소재(素材) 자체의 열전도율(熱傳導率)이 작은 것이 바람직하나, 대부분 열전도율이 그다지 작지 않다. 그러므로 대개의 경우 열전도율을 작게 하기 위해서 다공질(多孔質)이 되도록 만들어 기공(氣孔) 속의 공기의 단열성을 이용한다.
소재는 유기질(有機質)과 무기질로 크게 나뉘는데, 유기질에는 코르크 ·면(綿) ·펠트 ·탄화코르크 ·거품고무 등이 있으며, 약 150℃ 이하에서 사용하는 데 적합하다. 무기질에는 석면(石綿) ·유리솜 ·석영솜 ·규조토(硅藻土) ·탄산마그네슘 분말 ·마그네시아 분말 ·규산칼슘 ·펄라이트 등이 사용되며, 대부분 고온에서의 사용에 견딜 수 있다. 이것들은 각기 소재의 연화(軟化) ·분해온도가 사용한계이다. 또, -200℃ 정도의 초보냉재(超保冷材) 등은 알루미늄박(泊)과 유리솜을 번갈아 포개고, 플라스틱으로 포장해서 속의 공기를 뺀 것도 개발되고 있다. 한편, 1,000℃ 이상에서 사용되는 단열재의 대부분은 내화물(耐火物)을 다공질 모양으로 결합시켜 만든 내화벽돌이 사용된다. 이 경우, 열전도율 외에 열팽창률(熱膨脹率)이나 수축률 등이 요구된다. 단열재는 노(爐)의 외벽, 반응탑, 기름의 저장 탱크, 스팀 도관(導管)이나 수도관의 외벽 등, 또 냉장고의 외부 등 많은 곳에 사용되고 있다.
최근 흔히 사용되는 단열재는 규산칼슘단열재(Calcium silicate heat insulator)와 세라믹단열재(Heat insulating ceramics) 등이 있다.
규산칼슘단열재는 주로 규암·규석·규사·규조토와 석회와의 열수반응으로 생기는 토베르모라이트(5CaO·6SiO2·5H2O)나 조노틀라이트(6CaO·6SiO2·H2O) 등의 규산칼슘 수화물과 석면으로 구성된 성형체(成形體)이다. 가볍고 단열성이 좋으므로 건재(建材) 등에 사용된다.
세라믹단열재는 열의 전도를 막는 데 이용되는 세라믹스로, 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는 특성이 있다. 대표적으로 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것, 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 세라믹스는 무기 비금속원료를 성형한 후 높은 온도로 열처리한 고체 재료이다. 이러한 세라믹스 중에서 단열재로 쓰이는 세라믹스의 공통되는 특징은 아주 작은 구멍이 많이 뚫려 있다는 것이다. 이러한 기포들은 열의 전달을 방해하기 때문에 단열의 효과가 있다. 대표적인 세라믹 단열재로는 천연원료인 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것, 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 이전에 사용되던 코르크나 발포폴리스타이렌과 같은 단열재에 비하여 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는다.
하지만 위에 나열한 기존의 단열재들은 단열성의 한계로 높은 단열효과를 요구하는 장소나 물체들에 적용하는 데는 한계가 있다. 따라서 높은 단열효과를 지닌 우수한 성능의 단열재의 개발이 필요하다.
에어로겔(aerogel)이란 신소재가 개발되어 있지만 단열성이 높은 반면, 지나치게 고가라 아직 실용화에 많은 어려움을 지니고 있다. 1931년 Samuel Stephens Kistler 이 처음으로 실리콘성분의 에어로겔을 만들었지만 실용화된것은 1980년대 들어서 알루미늄,크롬,주석,탄소등 여러가지 소재로 에어로겔이 만들지면서 다양한 특성의 에어로겔이 본격화 되었다. 지금은 집에서 만드는 방법도 소개되곤 할만큼 어려운 공정도 아니다. 하지만 여전히 제조공정이 오래 걸리고 너무 비싸 공정기술은 개발 단계다. 인이나 고분자들을 소재로도 개발되어 독특한 특성을 가진 에어로겔이 만들어지고 있다. 전체부피의 98%가 빈 아주 심하게 골다공증이 있어 무게도 공기의 3배정도일 뿐이다. 대나무나 뼈처럼 얽기설기 얼거진 뼈대가 가볍우면서도 단단하게 해주는데 사이사이로 공기가 안밖으로 잘 드나들지 못할만큼 촘촘해서 단열효과가 아주 뛰어나다. 이처럼 가볍고 단열이 좋아 화성로봇(소저너)탐사선에서 단열재로 쓰였다. 초저온과 초고온을 넘나드는 우주환경에서 그만이다. 빈구멍이 많아 초속 수십km의 고에너지 입자나 우주성간물질을 빨아들여 지구로 가져오기도 했다. 소재와 공정에따라 다르지만 일반적인 뛰어난 특징들을 살펴보면 다음과 같다.
(1). 아주 가볍다: 0.003g/㎡
(2). 단열성이 우수하다: 열전도율 0.02W/m.K
(3). 단단하다.
(4). 빛을 잘 통과시킨다.
(5). 표면적이 아주 넓다: 일반적인 나노소재의 특성을 지니고 있다.
위의 우수한 장점에도 불구하고 단점도 지니고 있다. 담점을 정리하면 다음과 같다.
(1). 잘깨지고 잘부스러진다: 성형이 어렵다.
(2). 흡수를 잘한다: 수분이 함축될 위험이 있다.
(3). 가격이 고가이다: 대중화가 어렵다.
현재의 에어로겔의 조직크기는 마이크로 수준인데, 나노수준의 에어로겔에 대한 연구가 지속되고 있다. 하지만 높은 가격은 큰 부담이다. 따라서 에어로겔의 장점을 확보하면서도 가격은 저렴한 신소재의 개발이 시급하다.
웨어러블 컴퓨터(Wearable Computer)란 옷이나 시계·안경처럼 자유롭게 몸에 착용하고 다닐 수 있는 컴퓨터를 말한다. 소형화·경량화를 비롯해 음성·동작 인식 등 다양한 기술이 적용된다. 구글이 내놓은 스마트 안경인 구글 글라스, 말하는 신발(Talking Shoes), 애플과 삼성, 마이크로소프트(MS)가 각각 개발하고 있는 스마트 시계인 아이워치, 갤럭시워치, 윈도워치 등을 웨어러블 컴퓨터라 할 수 있다. 신발·시계·안경·옷 등 웨어러블 컴퓨터들은 스스로 제어·판단을 한 뒤 사용자에게 맞춤형 기능들을 제공할 것으로 예측되고 있다. 웨어러블 컴퓨터의 구상은 1960년대부터 시작됐으며 당시엔 시계나 신발에 계산기나 카메라를 부착하는 등 단순히 전자기기를 의류에 부착하는 것을 웨어러블 컴퓨터로 보았다. 1980년대 들어 컴퓨터를 착용하고 손이나 발에 달린 입력 장치를 이용해 결과를 출력하는 형태의 프로토타입이 등장했으며, 1990년대 들어 컴퓨터가 경량화되면서 군사 및 산업에 적용되기 시작했다. 전문가들은 아이폰이 '컴퓨팅 기기의 혁명'을 초래했다면 웨어러블 컴퓨터는 '생활 혁명'을 가져올 것이라고 말한다.2) 컴퓨터를 신체에 장착함으로써 두 손이 자유로워질 뿐만 아니라 24시간 내에 몸이 인터넷과 연결되기 때문이다. 바로 그런 이유 때문에 웨어러블 컴퓨터가 단지 스마트폰이나 컴퓨터를 몸에 붙인다는 수준을 넘어, 인간의 외뇌(外腦: 몸 바깥의 뇌)가 될 것이란 전망도 있다. 나를 대신해 학습하고 기억하면서, 언젠가는 내가 스스로 하는 것과 거의 같은 결과를 가져오는 역할을 하게 되리라는 말이다. 웨어러블 컴퓨터는 정보기술산업뿐만 아니라 전통산업에도 상상을 초월한 변화를 가져올 것으로 예측되고 있다. 또 웨어러블 컴퓨터는 위치정보뿐만 아니라 행동 정보까지 활용 가능하기 때문에 센서만 장착하면 체온·혈압 등의 인체 정보까지 수집할 수 있는데, 이렇게 수집된 개인 정보를 활용해 의료, 건강 관리, 엔터테인먼트 등 개인 활동과 밀접한 산업 분야 간에 융합이 활발히 이루어질 것이라는 기대도 있다. 웨어러블 컴퓨터를 구현하기 위한 기술 대부분은 이미 개발된 상태이지만 대중화하기 위해서 넘어야 할 장벽도 적지 않다. 하드웨어적 장벽으로는 배터리의 경량화와 수명이다. 신체에 착용하는 컴퓨터의 특성 때문이다.4) 장시간 착용에 따른 불쾌감과 신체적인 피로감 등도 거론된다. 사회·문화적 장벽은 더 크다. 아무래도 가장 큰 문제는 사생활 침해 논란이다. 웨어러블 컴퓨터를 통해 언제 어디서든 손쉽게 사진·동영상을 촬영할 수 있어 몰래카메라, 도청 등 사생활 침해를 두고 논란이 발생할 가능성이 크기 때문이다. 공공장소에 폐쇄회로를 설치하려면 적절한 위치 선정과 촬영·녹화를 알리는 알림이 필수적이지만, 웨어러블 컴퓨터는 움직이는 몰래카메라가 되어 주위를 공포에 떨게 할 수 있기 때문에 감시당하고 녹화된다는 공포 없이 자유롭게 말하고 행동할 수 있는 기본권과 자유가 위협받을 수 있다는 지적도 있다. 사생활 침해를 이유로 벌써 안티 세력도 등장했다. 이 때문에 웨어러블 컴퓨터 상용화에 앞서 사회적 공감대 형성과 정책·법적인 보완책이 필요하다는 지적이 제기되고 있지만 대세는 웨어러블 컴퓨터의 편이다. 스마트폰 시장이 포화 상태에 다다르면서 정보기술업계가 차세대 먹거리로 웨어러블 컴퓨터에 올인하고 있기 때문이다. 영국의 시장조사업체 ABI 리서치는 "5년 안에 웨어러블 컴퓨터가 대중화된다"라고 말했다. 2013년 4월 16일 에릭 슈미츠 구글 회장은 구글 글라스의 성공을 장담하며 "사람들이 몸에 열 개의 IP 주소를 달고 다니는 날이 올 것이다"라고 말했다. 그는 또 "컴퓨터와 기술이 점점 더 우리 몸과 연동하는 시대가 오고 있다"며 "10년 내 50억 인구가 모두 인터넷으로 연결되는 시대가 도래할 것"이라고 강조했다.
웨어러블 컴퓨터 제품이 계속 개발되고 있지만, 발열문제로 개발이 지연되거나 상용화에 걸림돌로 작용하는 경우가 허다한 것이 사실이다. 웨어러블 컴퓨터는 인체에 밀착 내지 접촉될 수 있으므로 단열이 제대로 이루어지지 않을 경우 인체에 화상을 초래할 수 있으므로 반드시 우수한 성능의 단열재를 사용하여야만 한다.
그러나 웨어러블 전용 단열재가 존재하지 않으므로 기존의 스티로폴이나 우레탄폼을 사용하는데 이를 경우, 유독가스나 유해물질이 발생할 수 있어 인체에 위해를 가할 위험성이 있다. 따라서, 무기물로 제작된 안전한 웨어러블 전용 단열재의 개발이 시급한 것이 사실이다.
KR 국내특허 공개번호 제 10-2003-0075879호 (2003.09.26) KR 국내특허 공개번호 제 10-2014-0019980호 (2014.02.18)
본 발명은 기존의 단열재 들이 지닌 낮은 단열효과로 인한 문제점을 극복하여 언제 어디서나 높은 단열효과를 지닌 웨어러블 컴퓨터용 고성능 무기질 단열재를 제공하는데 그 주된 목적이 있다. 또한 반영구적인 수명을 지니며, 고열로 인하여 유독물질이 발생하지 않으며, 높은 내화력(耐火力)과 안정성을 지닌 웨어러블 컴퓨터용 무기질 단열재를 제공하는데 있다.
본 발명은 "커런덤, 파이로필라이트, 남정석, 카타플레이아이트"를 주성분으로 하고 여기에 보조성분으로 "사마스키석, 모산드라이트"를 혼합하여 골고루 교반하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 "웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재"에 관한 것으로서 단열효과가 우수하며, 높은 내화력으로 고열에서도 유독물질이 발생하지 않는다. 또한 반영구적인 내구성을 확보하고 있으며, 안정적인 혼합조성물로 변질의 위험이 없다. 더불어 저렴한 가격으로 양산이 가능하여 대중화가 용이한 장점을 지니고 있다.
본 발명의 의한 '웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재'는 "커런덤, 파이로필라이트, 남정석, 카타플레이아이트"를 주성분으로 하고 여기에 보조성분으로 "사마스키석, 모산드라이트"를 혼합하여 활용하게 된다.
이들 물질들에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
커런덤(Corundum)은 알루미늄의 산화 광물로서, 이 광물의 인도명 kauruntaka에서 유래한 용어이다. 기성(氣成) 작용을 받은 화강암 속에 토파즈, 홍주석과 공생한다. 규선석과 함께 산출된다. 파이로필라이트와 함께 산출된다. 화산암 중의 포획암 속에 산출된다. 사광을 이루고 산출된다. 미국, 캐나다, 남아프리카 연방, 인도, 마다가스카르, 러시아에 큰 광상이 있다. 불순한 커런덤으로 철광과 같은 겉모양의 입자상 집합 덩어리를 이루고 있는 것을 에머리라고 한다. 쪼개짐은 없고, 단면은 울퉁불퉁 모양 또는 조개 껍질 모양이다. 붕산, 인산염에 서서히 녹는다. 산에는 잘 녹지 않는다. 황산수소칼륨과 녹이면 가용 화합물로 변한다. 보석, 연마재 등으로 이용된다.
파이로필라이트(Pyrophyllite)는 사방정계(斜方晶系)의 광물로서 엽랍석(葉蠟石)이라고도 한다. 굳기 1~2, 비중 2.8~2.9, 결정질의 것은 은백색, 괴상의 것은 백색, 때로 회색 ·회황색 ·황갈색 ·녹색 등을 띤다. 내화재료로 중요하고 아름다운 것은 공예품으로, 특히 도장으로 이용된다. 엽랍석(葉蠟石)이라고도 한다. 화학성분은 Al2Si4O10(OH)2이다. 엽편상(葉片狀) 결정을 나타내고, 대개는 입상 또는 치밀질 괴상(塊狀)을 이루는데, 때로 방사상(放射狀)으로 집합하는 경우도 있다. 엽편상의 것에는 밑면에 완전한 쪼개짐이 있고, 요곡성(撓曲性)이 있다. 굳기 1~2, 비중 2.8~2.9이다. 지감(脂感)을 가진다. 결정질의 것은 은백색으로 진주광택이 있으며, 괴상의 것은 백색, 때로 회색 ·회황색 ·황갈색 ·녹색 등을 띠고 광택은 둔하다. 산성화성암 속에 맥상(脈狀) 또는 괴상을 이루며, 석영광맥과 함께 산출된다. 치밀질인 것은 납석(agalmatolite) 또는 석필석(石筆石)이라고도 한다. 내화재료(耐火材料)로 중요하며, 아름다운 것은 공예품으로, 특히 인재(印材)로 이용된다.
남정석(Kyanite)은 청색, 백색, 회색, 녹색을 띠며 박편 하에서는 무색 또는 매우 옅은 청색을 띤다. 다색성이 관찰될 수 있고, 유리광택 또는 진주광택이 있다. 결정형태는 납작하고 긴 주상 결정으로 산출된다. 화학성분은 Al2O(SiO4) 이며, 굳기는 5-7, 비중은 3.55-3.66 이다. 남정석은 이질암이 광역변성작용(regional metamorphism: 지각의 압력과 온도에 의해서, 넓은 지역에 걸쳐 기존의 암석이 재결정되어 변성암을 생성하는 작용으로 조산운동과 밀접한 관계가 있다. 광역변성작용에 의해서 생성되는 암석은 결정편암이나 편마암이며, 일반적으로 현저한 편리나 줄무늬의 구조가 특징이다. 광역변성작용에 있어서 가장 중요한 소인은 온도와 압력이다. 지각 내의 넓은 범위에서 온도와 압력이 상승하면 암석을 구성하는 광물 사이의 평형이 깨져 광물 사이에 반응이 일어나서 새로운 광물의 조합이 생긴다. 그 과정에서 암석에 작용하는 차동에 의해서 편리나 줄무늬 모양의 구조가 형성된다. 그러나 이러한 온도의 상승이 어떻게 넓은 범위에 걸쳐 일어나는 것인지는 아직 자세히 알려지지 않고 있다)을 받을 때 주로 만들어지며, 석류석, 십자석, 강옥 등과 공생하는 경우가 많다. 페그마타이트(마그마의 분화생성물로서 구성입자가 조립인 우백질의 암석으로 거정질화강암이라고도 한다. 단결정으로 수십 cm에 이르는 크기도 있다. 일반적으로는 정장석·미사장석·퍼다이트·앨바이트 등이 석영과 문상 구조를 이루는 암석을 말한다. 유색광물로서 흑운모·백운모·석류석·녹주석·주석석·컬럼바이트·퍼거소나이트·형석·전기석·스포듀민·황옥·탄탈석 등을 포함한다. 한국에도 쥐라기와 백악기의 화강암이 많으며, 이에 수반되는 페그마타이트가 다수 분포한다. 강원도 김화지역의 함우라늄석 페그마타이트, 강원도 영월군 상동면 내의 함주석석 페그마타이트는 잘 알려져 있다. 페그마타이트의 어원은 pegmatos로 굳은 암석이라는 뜻이며, 1882년에 R.J.아유이가 명명하였다.)와 같은 일부 화성암에서, 또 에콜로자이트나 킴벌라이트와 같은 초고압 변성암에서도 간혹 발견된다. 투명한 청색 결정이 스위스에서 산출되는데, 이들은 보석으로 가공된다. 그 밖의 주요 산출국으로는 프랑스, 인도, 케냐, 미국 등이 있다. 남정석의 산업적 용도는 안달루사이트와 동일하다. 광물명은 <청색>을 의미하는 그리스어에서 유래되었다.
카타플레이아이트(Catapleiite)은 규산염 광물의 일종으로, 시클로규산염에 속한다. 페그마타이트 중에 산출한다. 산지는 주로 "노르웨이 Langesundfiord 지방의 섬, 그린랜드 Julianehaab 지방" 등에서 산출된다. 화학적 조성은 (Na2, Ca)Zr(Si3O9)·2H2O 이다.
사마스키석(Samarskite)은 희토류 원소, 칼슘, 철, 우라늄, 토륨, 니오브, 티탄 등의 원소로 구성된 산화 광물이다. 러시아의 C. Samarski의 이름을 따라 1847년에 Rose가 명명하였다. 페그마타이트 또는 그 붕괴에 의한 토사 중에 산출된다. 주석의 사광(砂鑛) 중에 산출된다. 황산수소칼륨과의 용해에 의해 분해된다. 가는 가루는 뜨거운 진한 황산, 염산, 질산에 다소 분해한다. 변질 : 이 광물은 수화 작용에 의해 결정 외측에 황갈색의 변질핵을 쉽게 만든다. 이 변질물들은 주로 희토류 원소로 되어 있다.
모산드라이트(Mosandrite)는 칼슘, 나트륨, 셀렌, 지르코늄 등의 플루오르를 포함하는 규산염 광물이다. 스웨덴의 C. G. Mosander의 이름를 따서 명명되었다. 화학적 조성은 "(Ca, Na)12Ce3(Zr, Ti, Mg)4F5(SiO4)10" 이다.
본 발명에 따른 '웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재'는 상술한 바와 같이, "커런덤, 파이로필라이트, 남정석, 카타플레이아이트"를 주성분으로 하고 여기에 보조성분으로 "사마스키석, 모산드라이트"를 혼합하여 구성되어 지며, 이에 대한 구체적인 구성비를 도표로 정리하여 보면 [표 1] 과 같다.
Figure pat00001
상기한 구성비는 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다.
이렇게 제조하여 만든 단열재를 압착 가공하여 원하는 형태로 가공하여 사용하도록 한다.
[실시예]
[표 1] 의 조성비가 되도록 혼합한 다음, 교반기를 이용하여 500rpm으로 20분간 교반하여 반응시킨 후 무기질 바인더를 통하여 입자간 결합이 가능하도록 한 다음, 이를 압착가공하여 밀도가 40kg/㎥인 (100×100×10mm)인 단열재를 제조하였다. 이의 특징을 조사한 결과 [표 2] 와 같았다.
Figure pat00002

Claims (1)

  1. 커런덤(Corundum) 27～33wt%, 파이로필라이트(Pyrophyllite) 13-17wt%, 남정석(Kyanite) 4～6wt%, 카타플레이아이트(Catapleiite) 27～33wt%"를 주성분으로 하고, 여기에 사마스키석(Samarskite) 4～6wt%, 모산드라이트(Mosandrite) 13～17wt%"를 보조성분으로 혼합하여 교반하는 것을 특징으로 하여 구성되어진 "웨어러블 컴퓨터의 단열 기능을 강화할 수 있는 무기질 단열재."
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030075879A (ko) 2002-03-21 2003-09-26 이길범 무기질 발포체를 포함하는 무기질 단열재 및 이의 제조 방법
KR20140019980A (ko) 2012-08-07 2014-02-18 주식회사 경동원 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재, 이의 제조 방법 및 이의 성형기

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