KR20180000335A - 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드는, 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여, 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계; 석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성하는 단계; 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 상기 석고 혼합재에 혼합하는 단계; 및 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 응결 및 경화시켜, 석고보드를 형성하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 하절기와 동절기에 모두 적합한 거축자재를 제공하여, 건축 분야에서의 냉난방 부하를 저감시킬 수 있다.
Description
본 발명은 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상변화 온도가 서로 다른 파라핀 계열의 PCM과 지방산 계열의 PCM으로 만든 2가지 타입의 SSPCM을 석고보드에 적용함으로써, 하절기와 동절기에 모두 적합한 축열 석고보드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 전 세계는 인류활동으로 인한 에너지 고갈과 이산화탄소(CO2)를 주 원인으로 한 온실가스(GreenHouse Grass; GHG)에 따른 지구온난화 방지에 최우선의 노력을 기울이고 있다. 따라서, 에너지 저감 및 이산화탄소(CO2) 배출 저감 대책은 국가는 물론 국제적 차원에서 매우 중요한 과제이다. 이에 따라, 기후변화 협약과 더불어 에너지 절약을 통한 온실가스 감축은 세계적 추세로 자리매김하고 있으며, 건축물은 전체 온실가스 배출량의 35%를 차지하기 때문에 건축물에서의 에너지 절약은 전체 이산화탄소 감축에 지대한 영향을 미친다.
한편, 최근 국내에서는 주택문화 및 생활 환경의 변화에 따라, 실내 환경에 대한 쾌적성 향상에 대한 요구가 더욱 증가되고 있다. 따라서, 건물의 에너지 절약과 실내 환경의 쾌적성을 유지하는 융합기술 개발이 요구되는 시점이며, 이러한 기술은 크게 냉난방과 단열기술로 나뉠 수 있다. 한국의 주택은 전통적 좌식 구조로서, 온수순환 시스템을 통한 온돌바닥을 이용해 실내벽의 표면온도를 높여 재실자의 복사 발열량을 줄여 주는 난방방식이다.
복사난방의 쾌적감을 높이기 위해서는 실내의 난방열을 일정하게 공급하여 온돌바닥과 실내공기의 온도차를 낮게 해야 하며, 냉방의 경우도 그 반대로 실내의 일정한 공기온도를 제어하지 못할 경우 그 불쾌감은 크게 높아진다. 따라서, 난방기와 냉방기의 과다운전으로 인한 에너지 문제가 크게 우려되는 방식이라 할 수 있다.
이에, 최근 에너지 절감에 대한 관심이 증가하고 있으며, 에너지 소비의 큰 비중을 차지하는 건축분야에서 고열효율 건축자재를 개발하려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 열에너지를 효과적으로 저장하는 물질 중 하나인 상변화 물질(Phase Change Material; PCM)을 이용하는 잠열축열 방식의 에너지 저장 방식이 각광받고 있다.
상변화 물질은 온도의 변화에 따라 상(Phase)이 변하는 물질로, 물질이 고체에서 액체, 혹은 액체에서 고체로 상이 변할 때 잠열의 형태로 열에너지를 축적하는 특성을 가지고 있다. 잠열은 물질의 상태변화에 따른 흡수 또는 방출하는 열을 말하며, 온도변화에 따른 현열에 비해 열에너지 저장 효율이 매우 뛰어난 것이 특징이다.
석고보드는 건축분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 건축자재로, 상변화 물질을 석고보드에 적용함으로써 건축분야에서 냉난방부하를 저감시키고자 한다. 상변화 물질은 액체 및 고체로 상변화를 일으키면서 열을 저장 및 방출하는 물질로서 에너지 저장 효율이 매우 크다.
이러한 상변화 물질이 지닌 높을 축열성능을 이용하여 축열재로서 건축물에 적용하려는 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 상변화 물질이 고체에서 액체나 액체에서 고체로 상이 변화하는 동안의 누출의 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상변화 물질은 그 자체로 건축물에 적용하기 어려우며 이를 방지하기 위한 상 안정화를 시켜야 한다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법은, 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여, 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계; 석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성하는 단계; 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 상기 석고 혼합재에 혼합하는 단계; 및 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 응결 및 경화시켜, 석고보드를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여 혼성 상안정 상변화 물질을 생성하는 단계는, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 일정 비율로 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 단계는, 진공 상태에서 상기 혼합된 상변화 물질을 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP)에 함침하는 단계; 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 여과지를 이용하여 필터링하는 단계; 및 상기 상변화 물질이 함침된 박리 흑연 나노플레이트를 진공 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 혼합하는 단계는, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 1:1의 혼합비로 혼합할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성하는 단계는, 상기 석고 파우더와 물을 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 상기 석고 혼합재에 혼합하는 단계는, 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 석고 파우더 중량대비 10% 내지 30%의 비율로 혼합할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 축열 석고보드는, 상기 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드는, 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질이 혼합된 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM); 및 상기 혼성 상안정 상변화 물질과 혼합되는, 석고 파우더와 물을 혼합한 석고 혼합재를 포함하고, 상기 혼성 상안정 상변화 물질은 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP) 물질을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질은 1:1의 혼합비로 혼합되고, 상기 석고 파우더와 물은 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합되고, 상기 혼성 상안정 상변화 물질은 상기 석고 파우더 중량대비 10% 내지 30%의 비율로 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)이고, 상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)일 수 있다.
이와 같은 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드에 따르면, 상변화 온도가 다른 파라핀 계열의 PCM과 지방산 계열의 PCM으로 만든 2가지 타입의 SSPCM을 석고보드에 적용하여, 하절기와 동절기에 모두 적합하다. 이를 통하여, 건축 분야에서의 냉난방부하 저감이라는 효과를 가져올 수 있으며, 혼성 SSPCM의 형태로 적용함으로써 다양한 온도 범위까지 적용이 가능하다. 또한, 국내기후와 같이 하절기와 동절기가 있는 지역에서는 시장 확대가 될 전망이며, 더욱이 건축분야에서 에너지 절약과 같은 국가 정책이 병행되면서 향후 축열보드 석고보드 및 건축자재 전반적으로 PCM의 활용성이 커질 전망이다.
도 1은 본 발명의 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 축열 메커니즘을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 상 안정된 상변화 물질을 생성하는 과정의 상세한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 화학적 결합을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 축열 성능을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프를 수치적으로 표현한 표이다.
도 7은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 엔탈피를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열중량을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열전도율을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 상 안정된 상변화 물질을 생성하는 과정의 상세한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 화학적 결합을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 축열 성능을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프를 수치적으로 표현한 표이다.
도 7은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 엔탈피를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열중량을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열전도율을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 축열 메커니즘을 보여주는 도면이다.
석고보드는 건축분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 건축자재로 상변화 물질(Phase change material; PCM)을 석고보드에 적용함으로써, 건축분야에서 냉난방부하를 저감시키고자 한다.
본 발명의 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드는, 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여 혼성 상안정 PCM(Shape stabilized PCM; 이하 SSPCM)을 제조한다.
상변화 물질은 온도의 변화에 따라 상(Phase)이 변하는 물질로, 물질이 고체에서 액체, 혹은 액체에서 고체로 상이 변할 때 잠열의 형태로 열에너지를 축적하는 특성을 가지고 있다. 잠열은 물질의 상태변화에 따른 흡수 또는 방출하는 열을 말하며, 온도변화에 따른 현열에 비해 열에너지 저장 효율이 매우 뛰어난 것이 특징이다.
이러한 상변화 물질이 지닌 높을 축열성능을 이용하여 축열재로서 건축물에 적용하려는 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 상변화 물질이 고체에서 액체나 액체에서 고체로 상이 변화하는 동안의 누출의 문제가 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위한 상 안정화 기법에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 즉, 상변화 물질을 건축물에 적용하기 위해서는 상 안정화 과정이 필수적이다.
상기 혼성 SSPC는 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP)에 함침하는 진공 함침법으로 상 안정되므로, 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP) 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질은 1:1의 혼합비로 혼합될 수 있고, 상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)이고, 상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)일 수 있다. 그러나, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질의 혼합비 및 종류는 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 선택할 수 있다.
이렇게 제조된 혼성 SSPC을 석고 파우더에 혼합시켜 최종적으로 생산한 축열 석고보드를 제안한다. 일 실시예로, 상기 석고 파우더와 물을 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합하고, 상기 혼성 SSPC를 석고 파우더 중량대비 10% 내지 30%의 비율로 혼합할 수 있다. 일 실시예로서, 본 발명에서 사용되는 상기 석고 파우더는 반수석고일 수 있다.
이를 통하여, 낮은 온도대에서는 n-옥타데칸(n-octadecane)이 축열 성능을 발휘하고, 높은 온도대에서는 밀랍(beeswax)를 통해 축열기능을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 축열 석고보드는 다양한 온도대에 노출되더라도 축열 성능을 발현할 수 있다.
이를 통하여, 온도차이가 높은 환경에 적용되더라도 각각의 온도에 맞춰 축열이 가능한 석고보드를 제안한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 혼성 SSPC를 적용한 축열 석고보드에서, 축열 메커니즘 이미지를 보여준다. 제작된 축열 석고보드는 석고 파우더 대비 물을 45%를 넣고, 혼성 SSPCM을 석고 파우더 대비 10, 20 및 30wt%로 혼합하여 최종적으로 축열 석고보드를 제조하였다.
상기 파라핀계 상변화 물질 중 하나인 n-옥타데칸(n-octadecane)은 상변화 온도가 지방산계 상변화 물질인 밀랍(beeswax)보다 낮기 때문에, 상대적으로 온도가 낮은 환경에 적용이 가능하다. 반대로, 지방산계 상변화 물질인 밀랍(beeswax)의 경우 상대적으로 온도가 높은 환경에서 축열이 가능하다.
따라서, 본 발명에서 제작된 혼성 SSPCM를 사용한 축열 석고보드는 우리나라와 같은 극심한 온도편차가 있는 곳에서 유용하게 적용이 가능하다. 또한, 축열 석고보드에 들어가는 PCM은 적용대상의 열적 거동에 따라 다양하게 적용이 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여, 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성한다(단계 S10).
일 실시예로, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질은 1:1의 혼합비로 혼합될 수 있고, 상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)이고, 상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)일 수 있다. 그러나, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질의 혼합비 및 종류는 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 선택할 수 있다.
또한, 상기 혼합된 상변화 물질을 상안정 시키기 위해, 개질 탄소의 한 형태인 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate, 이하 xGnP)에 함침한다.
도 2를 참조하면, 혼성 상안정 상변화 물질의 생성을 구체적으로 설명하면, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 일정 비율로 혼합한다. 상기 일정 비율은 필요에 따라 설정될 수 있으며, 예를 들어 1:1의 혼합비로 혼합된다(단계 S11).
이후, 상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 과정을 거친다(단계 S20). 이를 위해, 먼저 상안정된 상변화 물질을 제조하기 위해, 먼저 상변화 물질을 xGnP에 함침시킬 수 있다(단계 S22). 이때, 상변화 물질을 xGnP에 함침시키는 것은, xGnP가 액상 상변화 물질에 푹 잠기도록 할 수 있다. 한편, 함침은 xGnP 상변화 물질의 충분한 함침을 위해서 약 20~40분간 수행하는 것이 바람직하다.
상변화 물질을 xGnP에 함침시킨 후, 함침되지 못한 상변화 물질을 필터링할 수 있다(단계 S24). 이때, 탄소나노재료 및 나노 크기의 xGnP와 함침되지 못한 상변화 물질을 걸러내기 위하여 유리 섬유 재질의 여과지를 이용하여 필터링할 수 있다. 상기 여과지의 여과 크기는 0.1~2㎛인 것이 바람직하다.
상기 여과지는 2 내지 4장 겹쳐서 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 한 장의 여과지만 사용하는 경우에 비해 필터링 과정에서 나노입자가 빠져나가는 것이나 여과지가 찢어지는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 한편, 여과지를 여러 겹 사용할 경우 각각의 여과지는 다른 여과 크기를 가질 수 있다. 상기 필터링 단계를 부가함으로써 함침되지 못한 상변화 물질을 여과지에 모을 수 있어, 함침되지 못한 상변화 물질을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
필터링 과정을 수행한 후, 상변화 물질이 함침된 xGnP를 진공건조할 수 있다(단계 S26). 이때, 진공 건조는 약 60~100의 온도에서 약 20~80시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 약 20시간 이상의 건조를 통해 상변화 물질의 기름진 성질을 제거할 수 있으며, 건조를 진공 상태에서 수행함으로써 상변화 물질의 증발을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성한다(단계 S30). 그러나, 상기 혼성 SSPCM을 생성하는 단계(단계 S10)가 상기 석고 혼합재를 생성하는 단계(단계 S30)보다 먼저 수행되거나 동시에 수행될 수 있다.
석고 파우더와 물 혼합시, 석고 파우더 및 물의 혼합비를 1:0.3 ~ 1:1 로 선택할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 석고 파우더와 물을 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합할 수 있다. 이때, 석고 파우더는 반수석고일 수 있다.
석고 파우더와 물을 혼합한 후, 혼합한 석고 혼합재(석고 파우더+물)를 일정 시간동안 경화시킬 수 있다. 이때, 석고 혼합재를 일정 시간동안 경화시키는 것은 석고 혼합재의 점도를 높이기 위함으로, 석고 혼합재가 고체가 될 때까지 경화시키는 것이 아닌 일정치 이상의 점도를 가질 때까지 경화시키는 것을 의미할 수 있다.
한편, 석고 파우더에 따라 일정치 이상의 점도를 가질 때까지 걸리는 시간이 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예에 따른 석고 파우더는 물과 혼합하였을 때 4분 30초 후 미리 정해진 점도로 경화될 수 있으며, 제2 실시예에 따른 석고 파우더는 물과 혼합하는 즉시 미리 정해진 점도를 가질 수 있다.
이에 따라, 실험을 통해 석고 파우더 별로 석고 혼합재를 경화시키는 경화 시간을 획득하고, 획득한 경화 시간을 이용하여 석고 혼합재를 경화시켜 미리 정해진 점도를 갖는 석고 혼합재를 획득할 수 있다 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 석고 파우더와 물 혼합시 경화시키는 시간은 0초에서 5분 사이의 시간일 수 있다.
상기 혼성 상안정 상변화 물질을 일정 점도를 가질 때까지 경화된 상기 석고 혼합재에 혼합한다(단계 S50). 이때, 경화된 석고 혼합재에 혼성 상안정 상변화 물질을 혼합하는 것은, 석고 파우더 대비 10~30wt%의 혼성 상안정 상변화 물질을 혼합하는 것을 의미할 수 있다.
이후, 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 응결 및 경화시켜, 석고보드를 형성한다(단계 S70). 이때, 몰드를 이용할 수 있다.
만들고자 하는 석고보드의 크기 및 형태에 따라 미리 제작된 몰드에 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고혼합재를 투입할 수 있다. 다음으로, 몰드에 투입한, 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 응결 및 경화시킬 수 있다.
이때, 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 경화시키는 것은, 상기 단계 S30과 다르게 석고 혼합재가 고체가 될 때까지 완전히 경화시키는 것을 의미할 수 있다. 끝으로, 경화된 상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 몰드로부터 탈형시켜 축열 석고보드를 제조할 수 있다.
석고보드는 건축전반에 걸쳐 매우 광범위하게 사용되고 있다. 석고보드에 개질탄소에 PCM을 함침시켜 제조한 고열효율 상안정 상변화 물질(Shape stabilized phase change materials; SSPCM)을 적용함으로써 석고보드의 시장성과 PCM의 고 에너지 효율이 상충효과를 일으킬 수 있다. 이러한 기술은, 건축기반, 재료기반 및 에너지 분야에 걸쳐 사업화가 가능할 것으로 전망한다.
여기에 본 발명은 상변화 온도가 다른 파라핀 계열의 PCM과 지방산 계열의 PCM으로 만든 2가지 타입의 SSPCM을 석고보드에 적용함으로써 하절기와 동절기에 모두 적합한 축열 석고보드를 제작하였다. 따라서, 국내기후와 같은 나라에서는 시장 확대가 될 전망이며, 더욱이 건축분야에서 에너지 절약과 같은 국가 정책이 병행되면서 향후 축열보드 석고보드 및 건축자재 전반적으로 PCM의 활용성이 커질 전망이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 축열 석고보드의 성능을 실험적으로 설명한다.
일반 석고보드와 본 발명에 따라 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 석고 파우더 중량대비 각각 10wt%, 20wt%, 30wt%의 비율로 혼합하여 축열 석고보드를 제조하여 실험하였다.
도 4는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 화학적 결합을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 석고보드의 SSPCM이 가지고 있는 화학적 특성이 변하지 않음을 확인하였으며, SSPCM의 고유한 피크인 C-H2와 C-H3가 여전히 존재함을 확인하였다. 이를 통하여 혼성 SSPCM 석고보드가 축열의 성능을 발현하면서 석고보드의 성질을 잃지 않음을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 축열 성능을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6은 도 5의 그래프를 수치적으로 표현한 표이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 분석결과 혼성 SSPCM의 질량비가 높아질수록 개발된 석고보드의 축열 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 결정적으로 상변화 온도가 혼성 SSPCM이 들어간 석고보드의 경우, n-옥타데칸(n-octadecane)과 밀랍(beeswax)의 상변화 온도 범위를 모두 포함한 것으로 확인하였다.
이로써, 본 발명에 따른 축열 석고보드를 극단적인 온도를 자주 보여주는 우리나라와 같은 기후에 적용하더라도 축열 성능이 발현될 수 있음을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 엔탈피를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 혼성 SSPCM이 많이 혼합될수록 엔탈피 값이 높은 것으로 확인하였다. 혼성 SSPCM이 30wt%가 들어간 경우, 1018.28J/g의 엔탈피 값을 갖는 것으로 확인하였다.
*특히, 혼성 SSPCM이 많이 혼합될수록 n-옥타데칸(n-octadecane)과 밀랍(beeswax)의 상변화 온도대에서의 엔탈피가 더 많이 상승하는 것을 확인하였다. 이는 혼성 SSPCM 축열 석고보드 내에 있는 n-옥타데칸(n-octadecane)과 밀랍(beeswax)의 영향을 모두 받았기 때문인 것으로 확인하였다.
도 8은 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열중량을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 열중량 분석결과 혼성 SSPCM이 많이 들어간 석고보드의 600에서의 질량 감소가 많이 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, 질량감소 시 n-옥타데칸(n-octadecane)과 밀랍(beeswax)이 각기 다른 곳에서 일어남을 확인하였다. 이는 화학적으로 결합하지 않음을 의미한다.
도 9는 본 발명의 혼성 상안정 상변화 물질(SSPCM) 적용 축열 석고보드의 열전도율을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 혼성 SSPCM이 많이 혼합된 축열 석고보드의 열전도율이 더 높은 것을 확인하였다. 이는 SSPCM의 열전도율이 순수한 석고보드에 비해 더 높기 때문인 것으로 확인하였다.
본 발명에 따른 SSPCM을 이용한 축열 석고보드의 제조로 석고보드 기반의 산업에 열적 관성 효과를 부여할 수 있으며, 이를 통하여 건축분야에서의 냉난방부하 저감이라는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 혼성 SSPCM의 형태로 적용함으로써 다양한 온도 범위까지 적용이 가능할 것으로 판단한다. 끝으로, 국내에서 도입단계에 머무르고 있는 축열재 산업의 확대와 국가 에너지 정책에 이바지할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
현재 국내에서 건축물 에너지 절감을 위해 상변화 물질을 적용하는 연구는 점차 확대되어 가고 있는 중이지만, 아직까지는 상변화 물질의 건축물 적용에서 극복해야 할 누출에 대한 문제가 주로 다루어지고 있기 때문에 직접적인 적용에 대한 연구는 미미한 실정이며, 관련된 국내 건축자재관련 시장규모 또한 따라서 본 발명을 통해 건축 마감재에 상변화 물질을 적용할 수 있으며 관련 시장 규모 또한 확대될 것으로 판단된다.
상변화 물질을 고효율 축열재로서 사용하는 연구는 이미 활발히 진행되어 왔으며, 이에 따라 국외뿐 아니라, 국내 시장 또한 점차 건축물에 적용하여 건물에너지 절감에 기여하려는 움직임이 나타나고 있는 추세이다. SSPCM은 다양한 건축재료로 적용이 가능하기 때문에 시장이 확대될 수 있을 것으로 판단된다.
나아가, 혼성 SSPCM의 경우 다양한 상변화 온도대를 가질 수 있기 때문에 국내기후와 같은 나라에서는 시장 확대가 될 전망이며, 더욱이 건축분야에서 에너지 절약과 같은 국가 정책이 병행되면서 향후 축열보드 석고보드 및 건축자재 전반적으로 시장 확대 가능성은 매우 높다고 판단된다.
Claims (10)
- 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여, 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM)을 생성하는 단계;
석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성하는 단계;
상기 석고 혼합재를 미리 정해진 일정 점도까지 경화시키는 단계;
상기 혼성 상안정 상변화 물질을 상기 일정 점도까지 경화된 상기 석고 혼합재에 혼합하는 단계; 및
상기 혼성 상안정 상변화 물질이 혼합된 석고 혼합재를 응결시키고, 고체가 될 때까지 완전히 경화시켜, 석고보드를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 파라핀계 상변화 물질 중 상기 지방산계 상변화 물질보다 상대적으로 상변화 온도가 낮은 파라핀계 상변화 물질이 상기 혼성 상안정 상변화 물질의 생성에 사용되며, 상기 지방산계 상변화 물질 중 상기 파라핀계 상변화 물질보다 상대적으로 상변화 온도가 높은 지방산계 상변화 물질이 상기 혼성 상안정 상변화 물질의 생성에 사용되며,
상기 파라핀계 상변화 물질 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여 혼성 상안정 상변화 물질을 생성하는 단계는,
상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 단계를 포함하고,
상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 단계는,
진공 상태에서 상기 혼합된 물질을 박리 흑연 나노 플레이트에 함침하는 단계 및 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 복수 개의 여과지를 이용하여 필터링하는 단계를 포함하되,
상기 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 복수 개의 여과지를 이용하여 필터링하는 것은,
상기 복수 개의 여과지 중 어느 하나의 여과지에서 빠져나간 상변화 물질을 다른 하나의 여과지에서 필터링할 수 있도록 각각 다른 여과 크기를 가지는 여과지를 서로 겹쳐서 상기 함침되지 못한 상변화 물질을 필터링하는 것인, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 지방산계 상변화 물질을 혼합하여 혼성 상안정 상변화 물질을 생성하는 단계는,
상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 일정 비율로 혼합하는 단계를 포함하는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제2항에 있어서, 상기 혼합된 상변화 물질을 상 안정화시키는 단계는,
상기 상변화 물질이 함침된 박리 흑연 나노플레이트를 진공 건조하는 단계를 포함하는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제2항에 있어서, 상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 혼합하는 단계는,
상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질을 1:1의 혼합비로 혼합하는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)인, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)인, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 석고 파우더와 물을 혼합하여 석고 혼합재를 생성하는 단계는,
상기 석고 파우더와 물을 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합하는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 혼성 상안정 상변화 물질을 상기 석고 혼합재에 혼합하는 단계는,
상기 혼성 상안정 상변화 물질을 석고 파우더 중량대비 10% 내지 30%의 비율로 혼합하는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드의 제조 방법. - 파라핀계 상변화 물질(Phase Change Material; PCM) 및 지방산계 상변화 물질이 혼합된 혼성 상안정 상변화 물질(Shape-Stabilized Phase Change Material; SSPCM); 및
상기 혼성 상안정 상변화 물질과 혼합되는, 석고 파우더와 물을 혼합한 석고 혼합재를 포함하고,
상기 혼성 상안정 상변화 물질은 박리 흑연 나노플레이트(exfoliated graphite nanoplate: xGnP) 물질을 포함하되,
상기 혼성 상안정 상변화 물질은,
상기 파라핀계 상변화 물질 중 상기 지방산계 상변화 물질보다 상대적으로 상변화 온도가 낮은 파라핀계 상변화 물질과 상기 지방산계 상변화 물질 중 상기 파라핀계 상변화 물질보다 상대적으로 상변화 온도가 높은 지방산계 상변화 물질이 혼합하는 단계, 상기 혼합된 상변화 물질을 상기 박리 흑연 나노 플레이트에 함침하는 단계, 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 복수 개의 여과지를 이용하여 필터링하는 단계를 포함하는 제조 방법으로 제조된 것이고,
상기 석고 파우더와 물을 혼합한 석고 혼합재는,
석고 파우더와 물을 혼합하여 미리 정해진 일정 점도까지 경화시킨 것이되,
상기 함침되지 못한 상변화 물질을 유리섬유 재질의 복수 개의 여과지를 이용하여 필터링하는 것은,
상기 복수 개의 여과지 중 어느 하나의 여과지에서 빠져나간 상변화 물질을 다른 하나의 여과지에서 필터링할 수 있도록 각각 다른 여과 크기를 가지는 여과지를 서로 겹쳐서 상기 함침되지 못한 상변화 물질을 필터링하는 것이고
상기 파라핀계 상변화 물질 및 상기 지방산계 상변화 물질은 1:1의 혼합비로 혼합되고, 상기 석고 파우더와 물은 1:0.45(g)의 혼합비로 혼합되고, 상기 혼성 상안정 상변화 물질은 상기 석고 파우더 중량대비 10% 내지 30%의 비율로 혼합되는, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드. - 제9항에 있어서,
상기 파라핀계 상변화 물질은 n-옥타데칸(n-octadecane)이고, 상기 지방산계 상변화 물질은 밀랍(beeswax)인, 건축물 냉난방 부하 저감을 위한 상안정 상변화 물질 적용 축열 석고보드.
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