KR20200073776A

KR20200073776A - 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름 및 그 제조방법, 이를 이용한 진공단열패널

Info

Publication number: KR20200073776A
Application number: KR1020180162326A
Authority: KR
Inventors: 박병규; 김찬중
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-24
Also published as: KR102144676B1

Abstract

본 발명은 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름 및 그 제조방법, 이를 이용한 진공단열패널에 관한 것으로, 그 목적은 폴리머와 금속박막으로 이루어진 단위금속폴리머복합필름의 금속박막의 영역 중 진공단열패널의 측면부에 위치하는 영역을 레이저로 후가공하여 절연부를 형성시킨 금속폴리머복합필름 및 그 제조방법과 절연부가 형성된 진공단열패널용 단위금속폴리머복합필름 복수개를 융착, 접합 또는 접착하여 형성한 외피재로 측방향을 통한 열교현상을 방지할 수 있는 고성능의 진공단열패널을 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 폴리머와 금속박막으로 이루어진 진공단열패널용 금속폴리머복합필름에 있어서, 금속박막 영역 중 일부 영역에 초단 펄스레이저를 스크라이빙 방식으로 가공된 하나 이상의 절연부가 형성된 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름과 그 제조방법, 이를 이용한 진공단열패널을 발명의 특징으로 한다.

Description

진공단열패널용 금속폴리머 복합필름 및 그 제조방법, 이를 이용한 진공단열패널{Metal-polymer multi film for vacuum insulation panel and manufacturing method thereof, vacuum insulation panel using the metal-polymer multi film}

본 발명은 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름 및 그 제조방법, 이를 이용한 진공단열패널에 관한 것으로, 자세하게는 진공단열패널의 외피재를 구성하는 금속폴리머복합필름의 금속박막을 레이저로 후가공하여 절연부를 형성시킴으로써 진공단열패널의 측면부를 통한 열전도를 차단시켜 단열성능을 극대화시킨 기술에 관한 것이다.

기술의 발전으로 생활환경이 크게 개선됨에 따라 전세계 에너지 소비량은 급증하고 이에 따라 온실효과로 지구생태계를 위협하는 과도한 에너지사용 억제와 더불어 에너지 손실을 막기 위해서 에너지 소비량의 1/3 정도를 차지하는 주거 및 상업 또는 우주 부문에서의 에너지 절약을 위해서는 성능이 우수한 단열소재의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

다양한 단열재 중에서 고성능 단열재로 진공단열패널(Vacuum Insulation Panel, 이하 'VIP'라 칭함)이 있는데 생산 단가가 고가이긴 하지만 최근 많은 주목을 받고 도약단계에 있다.

진공단열패널(VIP)은 코어물질을 외피로 밀봉하여 고진공 제품으로 초기 열전도도를 5-10 mW/m·K로 낮출 수 있는 자재로, 단열성능을 극대화시키기 위해 단열재 내부를 1 mbar 이하로 진공처리 한 제품으로 일반단열재에 비해 내부가 진공상태이므로 대류열전달을 무시할 수 있어서 단열효과가 높다.

일반적으로 진공단열패널(VIP)은 주로 알루미늄 계열의 다층접착필름을 외피재(envelope)로 사용하고 유리섬유, 다공성 소재와 같은 단열소재를 심재로 사용하며, 내부의 진공상태를 안정적으로 유지하기 위해 잔류기체 및 수분을 흡착시키기 위한 흡착제인 게터(Getter)로 구성된다.

구체적으로 외피재는 금속(알루미늄) 박막과 그 후단에 위치한 여러종류의 폴리머 후막으로 구성된 금속폴리머복합필름이 다층으로 접착되어 외피재를 구성한다.

한편, 단열시스템에서의 총열전달은 일반적으로 고체의 열전도, 기체의 열전도, 대류에 의한 열전달, 복사열전달 등의 합으로 나타낼 수 있으므로, 내부가 고진공으로 유지되는 진공단열패널에서는 대류에 의한 열전달을 무시할 수 있으므로 주된 열전달은 고체를 통한 열전도, 기체를 통한 열전도, 보이드를 통한 복사열전달에 크게 좌우된다.

하지만 종래 진공단열패널은 일반단열재에 비해 내부가 진공상태이므로 대류열전달을 무시할 수 있어서 단열효과가 높다는 장점에도 불구하고, 내부 심재를 감싸는 외피재의 금속층을 따라서 열교(thermal bridge) 현상이 일어난다는 문제점이 있다.

즉, 종래의 진공단열패널의 열전도계수는 패널중앙에서 측정한 수치(ASTM C1484-10: Standard specification for vacuum insulation panels)이고, 실제로 내부 진공도를 유지하기 위해 다층의 금속-폴리머 복합필름으로 이루어진 외피재를 사용함으로써 진공단열패널의 측면부에서 폴리머보다 열전도계수가 500 ~ 1000배 정도 큰 연속적인 금속박막으로 인하여 열교현상이 발생하고 이로 인하여 측면부에서의 열손실이 상당히 크다는 구조적인 단점이 있다.

또한 종래 일부 특허에서는 금속의 높은 열전달 특성을 억제하기 위하여 가스투과성이나 투습성이 우수한 에틸렌 비닐알코올(EVOH), PA, PE 등 폴리머만의 채택을 제안하고 있으나 가스배리어(gas barrier)로서 조직이 치밀하여 수년 이상의 장기간 진공유지를 위한 기밀성을 확보유지하는 데는 금속박막과 비교할 바가 되지 못한다.

따라서 진공단열패널 측면부에서의 열교(thermal bridge)현상을 차단하기 위한 방안이 요구되고 있으나 현재까지 뚜렷한 해결책을 찾지 못하고 있는 실정이다.

한국 공개특허공보 공개번호 10-2018-0099442(2018.09.05.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2017-0059875(2017.05.31.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1147390(2012.05.11.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2018-0072360(2018.06.29.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 폴리머와 금속박막으로 이루어진 단위 금속폴리머복합필름의 금속박막의 영역 중 진공단열패널의 측면부에 위치하는 영역을 레이저로 후가공하여 절연부를 형성시킨 금속폴리머 복합필름 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 절연부가 형성된 진공단열패널용 단위금속폴리머복합필름 복수개를 융착 접합 또는 접착하여 형성한 외피재로서 측방향을 통한 열교현상을 방지할 수 있는 고성능의 진공단열패널을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 폴리머와 금속박막으로 이루어진 진공단열패널용 금속폴리머복합필름에 있어서,

금속박막 영역 중 일부 영역에 초단 펄스레이저를 스크라이빙 방식으로 가공된 하나 이상의 절연부가 형성된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부는 진공단열패널의 측면영역에 해당하는 영역에 형성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부는 초단 펄스레이저를 절연부의 폭 0.1㎛ ~ 3 mm, 파장대역 300 ~ 1300 nm, 펄스폭 10 펨토초 ~ 500 마이크로초의 조건으로 조사하여 형성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 금속박막은 알루미늄 또는 조직이 치밀한 금속 재질로 이루어지고, 초단 펄스레이저로 절연부를 형성시 일부 금속박막을 남겨놓은 후, 산소분위기하에서 레이저 가공에 의해 산화알루미늄 또는 금속산화물로 개질될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부는 직선 가공 형태, 곡선 파형 형태 또는 직선 절곡 파형 형태 또는 비정형모양 형태 중 어느 하나 이상의 형태로 토튜오시티(tortuousity, 열전달경로 길이/전체온도구배방향 길이의 비)를 증가시키도록 길게 성형될 수 있다.

본 발명은 다른 실시 양태로, 폴리머와 금속박막으로 이루어진 진공단열패널용 단위 금속폴리머복합필름의 제조방법에 있어서,

폴리머와 금속박막으로 이루어진 단위금속폴리머복합필름의 금속박막 영역 중 일부 영역에 초단 펄스레이저를 스크라이빙 방식으로 조사하여 하나 이상의 절연부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부를 형성하는 단계는 초단 펄스레이저를 진공단열패널의 측면영역에 해당하는 영역에만 조사하는 단계일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부를 형성하는 단계는 초단 펄스레이저를 절연부의 폭 0.1 ㎛ ~ 3 mm, 파장대역 300 ~ 1300 nm, 펄스폭 10 펨토초 ~ 500 마이크로초의 조건으로 조사하여 형성하는 단계일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 절연부를 형성하는 단계에서 일부 금속박막을 남겨 놓은 후, 알루미늄 또는 조직이 치밀한 금속재질의 금속박막에 산소분위기하에서 레이저 가공에 의해 산화알루미늄 또는 금속산화물로 개질하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 다른 실시양태로, 단열용 심재, 외피재를 포함하는 진공단열패널에 있어서,

상기 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름을 접착부를 형성하여 복수개층으로 일체화한 외피재를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 금속폴리머 복합필름을 이용한 진공단열패널을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 외피재를 구성하는 단위금속폴리머복합필름은 금속박막에 형성된 절연부가 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부와 엇갈린 형태로 배열될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 단위금속폴리머복합필름에 형성된 절연부는 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 절연부와 교차되지 않도록 초단 펄스레이저로 가공시 해당 교차지점에서는 미소한 시간동안 비활성하여 절연부를 형성하지 않도록 가공할 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 단위금속폴리머복합필름은 폴리머와 금속박막으로 이루어진 단위 금속폴리머복합필름의 금속박막의 영역 중 진공단열패널의 측면부에 위치하는 영역을 초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)를 조사하여 폴리머를 훼손하지 않으면서도 금속박막에 절연부를 형성시킬 수 있다는 장점을 가진다.

또한 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름을 복수개 융착 접합 또는 접착한 외피재로 심재를 감싸면서 진공단열패널의 측면에 위치하게 제조함으로써 폴리머보다 열전도계수가 500-1000배 정도 큰 연속적인 금속박막이 절연부에 의해 열교현상을 차단해 진공단열패널의 단열성능이 획기적으로 증대될 수 있다는 장점을 가진다.

이러한 장점을 가진 진공단열패널은 에너지 손실 최소화를 통한 에너지 절약기술 발전에 기여할 수 있어서 에너지 효율등급 강화 정책에 부합하는 고성능 단열재 개발로 에너지 사용량 절감 및 온실가스 절감 효과를 가진다.

또한 진공단열패널은 우수한 단열효과로 냉난방에너지를 절감하여 고층빌딩, 패시브하우스 및 제로에너지 하우스 건물에너지 효율화에 기여할 수 있다는 효과가 있다.

또한 진공단열패널을 외부형상을 분할한 원관 형상으로 제작하여 심해유전의 채굴 원유 수송관 외부에 적용하여 열전달을 억제함으로써 원유의 점도 변화를 최소화 할 수 있을 뿐만아니라 수송배관의 단면적(용적)을 최소화할 수 있어서 해수 조류의 유동저항을 현저히 줄임으로써 플랜트 플랫폼(platform)의 항력 저감 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 진공단열패널을 냉장고 등 가전제품에 적용시 약 17% 상향된 에너지효율 1등급 조건에 부합하여 전력사용량 절감을 기대할 수 있다는 효과가 있다.

또한 진공단열패널은 단열성능 향상을 통한 두께 슬림화로 공간 효율화 및 단열재 적용 분야 확대시 용적률을 향상시킬 수 있는 두께의 단열재 개발을 통해 많은 용적률이 필요한 분야와 틈새단열이 필요한 분야에 적용이 가능해 연계산업 발전에 기여할 수 있다는 효과를 가진다.

이처럼 본 발명은 다양한 장점과 효과를 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름을 보인 예시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 절연부 가공형태 예시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 비활성 레이저 가공에 의해 형성된 절연부를 가진 단위금속폴리머복합필름과 이를 일반 단위금속폴리머복합필름과 접합한 상태를 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 레이저 가공한 모습을 보인 사진이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름으로 이루어진 외피재의 측면영역 단면을 보인 예시도이고,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 진공단열패널을 보인 예시이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명의 설명에서 '절연부'라 함은 폴리머와 금속박막이 일체화된 단위금속폴리머복합필름에서 금속박막을 단기 펄스레이저를 이용한 가공을 통해 레이저 조사된 부위의 금속박막을 제거한 부위를 말한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름을 보인 예시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 절연부 가공형태 예시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 비활성 레이저 가공에 의해 형성된 절연부를 가진 단위금속폴리머복합필름과 이를 일반 단위금속폴리머복합필름과 접합한 상태를 보인 예시도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 레이저 가공한 모습을 보인 사진이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름으로 이루어진 외피재의 측면영역 단면을 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 단위금속폴리머복합필름(110)은 진공단열패널(VIP, 1)의 외피재(10)를 구성하는 단위 필름으로 단열성능을 제공하는 폴리머(111)와, 이 폴리머의 기밀내구성을 현저히 강화하는 금속박막(112)이 일체화된 구성을 가지되, 금속박막 영역 중 일부 영역에 열교현상을 차단하는 절연부(113)가 형성된 구성을 가진다.

상기 절연부가 형성된 영역은 심재 및 게터를 외피재가 감싸 제조된 진공단열패널(VIP)을 기준으로 각 측면에 해당하는 영역이다.

따라서 금속폴리머복합필름을 일정크기의 고정된 낱장 금속폴리머복합필름을 사용할때는 한 장당 1개소 이상의 영역에 형성되도록 가공한다.

즉, 진공단열패널(VIP)을 형성할 때 사용되는 외피재의 개수를 1장을 사용하거나 2장을 사용할 때에 따라 상기 절연부 영역의 가공은 1장당 적어도 1측면 이상에 해당하는 영역에 절연부를 형성할수도 있고, 1장당 4측면에 해당하는 영역에 절연부를 형성할 수 있다.

마찬가지로 롤투롤공법에 사용되는 롤 형태 금속폴리머복합필름에 적용시에도 절연부가 형성되는 영역은 적어도 1측면 이상의 영역에 형성되도록 가공한다.

상기 폴리머와 금속박막간을 일체화시키는 방법은 폴리우레탄, ethyl acetate, methyl ethyl ketone을 포함한 다양한 수지 접착제 중 선택된 어느 하나로 접착하여 일체화 하거나 열융착방법으로 일체화하거나 금속박막에 폴리머를 도포하여 일체화하거나 반도체공정장비를 이용하여 폴리머 필름에 금속박막을 증착하여 일체화 하는 등 다양한 방법으로 일체화 시키면 된다.

폴리머로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌 비닐알코올(EVOH), 폴리에틸렌(HDPE), 폴리 아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌나프탈렌(PEN) 등과 같은 다양한 종류의 폴리머 소재를 사용할 수 있다.

금속박막으로는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등과 같은 치밀한 금속 재질의 금속박막을 사용할 수 있는데, 본 발명의 한 실시예에서는 주로 알루미늄 박막 위주로 설명한다.

한편, 진공단열패널(VIP)을 구성하는 복수층의 단위금속폴리머복합필름으로 이루어진 외피재가 감싸는 심재로는 유리섬유(glass fiber), 고반사율 필름이 이격재료 격리된 MLI(multilayer insulation, 다층단열재), 단열용 다양한 고분자 합성물, 고분자 합성 발포물과 같은 다양한 단열소재를 사용할 수 있다.

또한 내부발생가스 흡착용 게터로는 ZrMnVFe, TiFe, TiMn, Ti, ZrMn, Zr, CaO, 수분흡착용 Zeolite(water vapor) 등을 사용할 수 있다.

구체적으로, 상기 절연부는 금속폴리머복합필름에 초정밀 가공방법인 초단펄스레이저(ultra-short pulse laser)를 스크라이빙(Scribing) 방식으로 조사하여 폴리머를 손상하지 않은 상태로 금속박막만 제거하도록 미세하게 형성시킨다.

초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)를 사용하는 이유는 일반적인 레이저 가공을 하게 되면 가공시 발생된 열 때문에 폴리머가 녹기 때문이다.

즉, 초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)를 스크라이빙(scribing) 가공 기술을 사용하게 되면 폴리머를 손상하지 않은 상태로 필요로 하는 형태로 금속박막만을 제거하면서 다양한 형상의 절연부를 형성할 수 있다. 또한 이와 같은 가공방법은 롤투롤 공정에도 도입하여 작업 생산성을 현저히 높일 수 있다.

초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)의 가공 조건은 다음과 같다.

초단 펄스레이저를 활용한 금속박막의 가공 원리는 펨토초(fs)에서 피코초 (ps)급의 초단 펄스(ultrashort pulse)를 이용하는 비열적(nonthermal) 특성과 수십 나노초(ns)까지의 펄스를 이용하는 열적가공(thermal) 특성으로 구분할 수 있다. 예를 들면, 100 펨토초급의 펄스레이저가 조사된 금속의 표면 부근에서는, 격자를 이루고 있는 원자에 비하여 비열이 매우 작고 따라서 열적반응이 매우 빠른 자유 전자(free electron)만 국소 가열로 여기된다.

그리고 레이저 펄스 지속시간이 매우 짧으므로 가열된 자유 전자는 원자 격자 진동(lattice vibration)에 의하여 운동에너지를 뺏기지 않은 채, 매우 빠르게 원자 격자내부 깊숙이 확산될 수 있다.

레이저 펄스조사 후 수 피코초(ps) 이상이 지나면 전자-포논 커플링(electron-phonon coupling)에 의하여 전자에너지가 격자 진동에 의한 포논에너지로 전달되며, 점차 국소 열평형(local thermal equilibrium, LTE)이 이루어진다.

따라서, 박막 정밀가공에서 펄스폭이 좁은 fs 레이저의 경우 증발점보다 낮은 경우에도 박막에서 고에너지 자유전자 충돌(electron avalanche)에 의해 원자/분자가 떨어져 나가서 가공될 수 있고, 100ps급 레이저의 경우 박막은 열팽창계수 차에 의한 열응력(laser induced thermal stress)이 초래되어 가공되는 것이며, 100ns급 이상 레이저의 경우 열에너지에 의해 박막이 녹아서 가공되는 것을 주요 메커니즘들로 생각할 수 있다.

초단 펄스레이저 가공의 가장 큰 장점은 레이저가 조사된 부분만 선택적으로 가공하고, 다른 부분에서의 열적 영향(heat-affected zone, HAZ)을 최소화할 수 있다는 데 있다. 이때 가공 대상의 물리적 특성과 가공오차 등을 고려하여 레이저의 파장, 펄스폭, 강도 등을 선정하여야 할 것이다.

금속박막 가공을 위한 초단 펄스레이저의 대표적인 에너지 조사 조건으로는 절연부의 폭은 0.1 ㎛ ~ 3 mm, 레이저의 파장대역은 300 ~ 1300 nm, 초단 펄스레이저의 펄스폭 10 펨토초 이상 ~ 500 마이크로초 이하인 레이저의 펄스폭 및 강도를 조절하여 사용한다.

펄스레이저를 사용하여 정밀가공하는 경우 비정상열전도 방정식에 의해 지배되고, 가공재료인 박막의 열물성 및 두께에 따라 열침투깊이는

(여기서

는 재료의 열확산계수, t는 시간[s])에 비례하므로 이 이론적인 침투깊이의 예비율을 고려하여

= ~3배 이하의 범위 내에서 최적의 가공조건이 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 알루미늄 박막의 두께가 1㎛, 예비율 150% 인 경우에는

=

= ~1.5 um이므로, 레이저 펄스 폭은 23.2 ns 이하를 갖도록 선정한 다음, 열팽창계수 차에 의한 열응력(laser induced thermal stress)에 의해 최적의 가공조건을 갖도록 레이저 강도(intensity)를 조절하면서 튜닝한다. 레이저 헤드 및 가공 재료 박막의 이동 상대속도는 에칭부분이 원하는 형상의 연속성을 유지하도록 결정하는 것이 바람직하다.

다만 초단 펄스레이저를 이용하여 절연부 형성시 일부 금속박막을 남겨놓은 상태에서 해당 금속박막을 다시 산소분위기하에서 초단 펄스레이저를 이용하여 금속산화물로 개질하는 경우에는 스캔수를 1 ~ 최대 1000배까지 증가시키면서 최적조건을 찾는 것이 바람직하다. 이때 산소분위기는 동축노즐을 이용하여 쉽게 구현할 수 있다.

여기서 이와 같은 레이저 조사(laser irradiation) 구간 수치를 한정한 이유는 금속 박막의 경우 레이저광원에 의한 광흡수 깊이(optical penetration depth, absorption depth)가 수십 nm 수준의 크기이므로 레이저광의 가공 영역은 광흡수 깊이와 열침투 깊이의 합으로 추정할 수 있고, 실제상황의 환경조건을 고려한 예비율(예를 들면 30% ~ 300% 정도)을 고려하여 조정 설정한다. 예를 들어 0.3배 보다 적으면 금속박막이 충분히 에칭되지 못해서 동일 지점에 여러차례 펄스 레이저를 조사하여야 해서 작업속도가 느려지고, 3.0 배보다 크면 하부 폴리머가 손상되거나 변형되어 지지층 기반이 무너지고 크랙이나 변형으로 인하여 진공이 깨질 수 있다. 초정밀가공을 하기 위해서는 펄스폭이 짧을수록 좋지만, 이는 장비비용의 급격한 증가를 초래하고 많은 작업시간을 소요하게 하며, 지나치게 느리면 열영향 영역이 증가하여 폴리머 매트릭스가 손상될 가능성이 커진다.

초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)로 절연부 가공시 해당 영역에 1개 이상 형성한다. 본 발명이 이러한 절연부 개수에 한정되는 것은 아니지만 일정간격으로 복수개로 형성하는 것이 단열효과를 극대화 하는데 바람직하다.

이때 절연부의 형상은 직선 가공 형태 뿐만 아니라 곡선 파형 형태 또는 직선 절곡 파형 형태 또는 비정형모양 형태로 성형할 수 있다. 즉, 토튜오시티(tortuousity, 열전달경로 길이/전체온도구배방향 길이의 비)를 증가시키도록 길게 형성하는 것이 보다 단열성능이 좋다. 이와 같은 형상으로는 반복된 원형 파형 모양이나 삼각 파형 모양뿐만 아니라 자유로운 곡선등의 비정형 모양일 수 있다.

즉, 한 실시예에 따라 도시한 도 1에서는 단일금속폴리머복합필름에 형성된 절연부의 형상이 편의상 직선으로 도시하였으나 토튜오시티를 증가시키기 위하여 펄스레이저를 이용하여 도 2와 같이 사선 또는 여러 형상을 비롯한 임의의 부정형 형상으로 금속박막을 제거할 수 있다.

다만 이와 같은 부정형 형상으로 절연부를 패터닝하는 경우에는 공기의 물질전달경로가 짧아서 높은 기밀성의 유지가 어렵기 때문에 이웃하여 적층되는 다른 단일금속폴리머복합필름과는 금속박막제거부(절연부)가 외피재 두께방향으로 일렬로 정렬되지 않도록 하기 위해서 절연부 폭의 2 ~ 200 배 정도의 금속박막을 제거하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 외피재를 구성하는 단위금속폴리머복합필름은 금속박막에 형성된 절연부가 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부와 엇갈려서 공기의 물질전달경로를 가능한 한 길게 함으로써 높은 기밀성을 유지하도록 일부 금속박막을 제거하지 않을 수 있다.

본 발명에서 사용하는 외피(envelope)의 금속박막 두께가 스퍼터링(sputtering), 금속증착(metal evaporation) 등 반도체 공정에 의한 증착의 경우 수 nm ~ 수 um 정도이고, 일반공정의 경우 수백 nm ~ 수십 um 의 두께를 갖는다.

본 발명의 폴리머의 두께는 0.5 um ~ 900 um 의 두께를 갖는다.

이와 같이 구성된 본 발명은 단위금속폴리머복합필름의 연속적 연결을 정밀레이저 가공기술을 통하여 연속성을 차단함으로써 열교현상에 의한 열전달을 획기적으로 줄여서 단열성능이 향상되게 된다.

한편, 초단 펄스레이저를 이용하여 절연부를 형성시, 일부 금속박막을 남겨놓은 상태에서 해당 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 산소분위기하에서 레이저 가공을 통해 높은 열전도계수를 갖는 금속박막의 알루미늄(Al) 또는 금속박막을 절연재인 산화알루미늄(AlxOy) 또는 금속산화물(CuO, MgO, ZnO 등)로 재질을 변환하도록 후가공 단계를 가질 수 있다. 이때 산소분위기는 동축노즐을 이용하여 쉽게 구현할 수 있다.

이러한 가공을 통하면 고전도성 단위금속폴리머복합필름을 고성능 고기밀 단열소재로 개질하여 더욱더 고성능의 단열재를 제공할 수 있다.

상기와 같은 후가공에 의해 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름은 2개 이상 또는 복수개의 층을 접착부(114)로 일체화시켜 외피재를 형성한다. 접착방법은 폴리우레탄, ethyl acetate, methyl ethyl ketone을 포함한 다양한 수지 접착제 중 선택된 어느 하나로 접착하여 일체화 하거나 열융착방법으로 일체화하면 된다.

이때 복수개의 층으로 구성된 단위금속폴리머복합필름은 금속박막에 형성된 절연부가 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부와 나란하게 이웃하지 않게 엇갈린 형태로 배열되도록 접착한다.

또한 각 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부 형태가 서로 엇갈리게 형성되거나 위치하지 않을 경우 서로간을 접합시 임의의 한 지점 이상에서 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부가 폴리머를 사이에 두고 교차될 수 있는데, 이 경우 폴리머를 통한 기체가 통과하여 진공 상태가 저하되어 기밀성의 유지가 어렵게 될 수 있어서 이를 방지하도록 초단 펄스레이저에 의한 조사를 해당 교차 지점에서 미소한 시간동한 비활성화한다.(도 3참조)

즉, 단위금속폴리머복합필름의 절연부분이 외피재 두께방향으로 서로 바라볼 때 서로 교차할 경우 공기의 물질전달경로가 짧아서 높은 기밀성의 유지가 어렵기 때문에 단위금속폴리머복합필름의 중첩시 절연부분이 필름두께 방향으로 일치하지 않도록 국소적으로 금속박막이 제거되지 않고 유지되는 것이 필요하고 이는 펄스 레이저를 미소한 시간동안 비활성화함으로써 간단히 구성할 수 있다. 이를 위해 중첩된 이웃하는 단위금속폴리머복합필름 중 적어도 일부 금속박막에는 미소한 시간동안 펄스 레이저를 비활성화하여 절연부를 형성하지 않도록 한다.

이를 위해서는 제조된 단위금속폴리머복합필름의 위치를 조정하거나 처음부터 2가지 타입 이상으로 제조하여 접착시킴으로써 엇갈린 구조로 구성할 수 있다.

이와 같이 구성하는 이유는 만약 동일한 위치에 위치하도록 절연부가 배치되면 폴리머가 연속되어 기밀 내구성이 저하될 수 있기 때문이다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 진공단열패널을 보인 예시도이다.

상술한 바에 따라 외피재가 완성되면 이를 이용하여 심재 또는 심재와 게터를 감싼 후, 진공챔버에서 내부에 있는 공기를 제거하고 진공형성시 남아 있는 외피재의 남아있는 개봉부분을 열융착 방법 또는 접착제로 밀봉하여 진공단열패널을 완성한다. 이때 진공단열패널의 내부에 진공을 형성하여 제조하는 방법은 공지의 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기 외피재가 완성되면 이를 이용하여 심재 또는 심재와 게터를 감싸는 방법은 1개씩 제조할 수도 있고, 롤투롤방법으로 연속 생산할 수 있다.

초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser)를 이용한 레이저 스크라이빙(scribing) 가공 또는 정밀 부분가공 기술을 롤투롤 공정에 도입하면 단열기능뿐만 아니라 작업 생산성을 현저히 높일 수 있다. 즉, 초단 펄스레이저(ultra-short pulse laser) 가공은 비진공 및 상온공정에 적용할 수 있다.

상기와 같이 제조된 금속폴리머복합필름을 이용한 진공단열패널(VIP)의 판재의 전면부 또는 측면부의 열전도 계수(k)는 0.1 ~ 10 mW/m·K를 만족하게 된다.

한편, 상기한 실시예는 주로 직육면체 판재형상의 진공단열패널을 예로 들어 설명했지만 단열하고자 하는 대상이 배관과 같은 형태의 원통관일 경우, 심재를 두 조각 이상의 원호 배관으로 형성하여 가공하고, 여기에 외피재를 감싸 제조한 형태로 진공단열 두 조각 이상의 원호를 형성 접착하여 배관을 단열하도록 구성할 수 있음은 물론이다.

또한, 마찬가지로 단열 대상 형상에 따라 다양한 형상을 진공단열 소재를 제조할 수 있음은 물론이다.

상기한 방법으로 제조된 진공단열패널은 빌딩 건물의 에너지 사용효율 등급 및 용적률, 층고 개선, 항온항습차 또는 냉동탑차의 용적률 및 연비 개선 등에 적용 가능성이 매우 높다.

또한 냉장고의 문과 벽 두께를 줄여 상당한 내부공간을 추가 확보가 가능하고, 대형 특급냉장고의 경우 진공단열재의 컴팩트한 단열 특성으로 기존 폴리우레탄 대비 에너지 효율 향상 약 30% 및 용적률 20% 이상 증대 효과가 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(1) : 진공단열패널 (10) : 외피재
(20) : 심재 (110) : 단위금속폴리머복합필름
(111) : 폴리머 (112) : 금속박막
(113) : 절연부 (114) : 접착부

Claims

폴리머와 금속박막으로 이루어진 진공단열패널용 단위 복합필름에 있어서,
금속박막 영역 중 일부 영역에 초단 펄스레이저를 스크라이빙 또는 정밀 부분가공 방식으로 가공된 하나 이상의 절연부가 형성된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름.
청구항 1에 있어서,
상기 절연부는 진공단열패널의 측면영역에 해당하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름.
청구항 1에 있어서,
상기 절연부는 초단 펄스레이저를 절연부의 폭 0.1 ㎛ ~ 3 mm, 파장대역 300 ~ 1300 nm, 펄스폭 10 펨토초 ~ 500 마이크로초의 조건으로 조사하여 형성한 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름.
청구항 1에 있어서,
상기 금속박막은 알루미늄 또는 조직이 치밀한 금속 재질로 이루어지고, 초단 펄스레이저로 절연부를 형성시 일부 금속박막을 남겨놓은 후, 산소분위기하에서 레이저 가공에 의해 산화알루미늄 또는 금속산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름.
청구항 1에 있어서,
상기 절연부는 직선 가공 형태, 곡선 파형 형태 또는 직선 절곡 파형 형태 또는 비정형모양 형태 중 어느 하나 이상의 형태로 토튜오시티(tortuousity, 열전달경로 길이/전체온도구배방향 길이의 비)를 증가시키도록 길게 성형된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름.
폴리머와 금속박막으로 이루어진 진공단열패널용 단위 복합필름의 제조방법에 있어서,
폴리머와 금속박막으로 이루어진 단위 복합필름의 금속박막 영역 중 일부 영역에 초단 펄스레이저를 스크라이빙 방식으로 조사하여 하나 이상의 절연부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 절연부를 형성하는 단계는 초단 펄스레이저를 진공단열패널의 측면영역에 해당하는 영역에만 조사하는 단계인 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 절연부를 형성하는 단계는 초단 펄스레이저를 절연부의 폭 0.1 ㎛ ~ 3 mm, 파장대역 300 ~ 1300 nm, 펄스폭 10 펨토초 ~ 500 마이크로초의 조건으로 조사하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 절연부를 형성하는 단계에서 일부 금속박막을 남겨 놓은 후, 알루미늄 또는 조직이 치밀한 금속재질의 금속박막에 산소분위기하에서 레이저 가공에 의해 산화알루미늄 또는 금속산화물로 개질하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 절연부는 직선 가공 형태, 곡선 파형 형태 또는 직선 절곡 파형 형태 또는 비정형모양 형태 중 어느 하나 이상의 형태로 토튜오시티(tortuousity, 열전달경로 길이/전체온도구배방향 길이의 비)를 증가시키도록 길게 성형된 것을 특징으로 하는 진공단열패널용 금속폴리머 복합필름의 제조방법.
단열용 심재, 외피재를 포함하는 진공단열패널에 있어서,
상기 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한항에 따른 절연부가 형성된 단위금속폴리머복합필름을 접착부를 형성하여 복수개층으로 일체화한 외피재를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 금속폴리머 복합필름을 이용한 진공단열패널.
청구항 11에 있어서,
상기 외피재를 구성하는 단위금속폴리머복합필름은 금속박막에 형성된 절연부가 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 금속박막에 형성된 절연부와 엇갈린 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 금속폴리머 복합필름을 이용한 진공단열패널.
청구항 11에 있어서,
바람직한 실시예로, 상기 단위금속폴리머복합필름에 형성된 절연부는 이웃하는 단위금속폴리머복합필름의 절연부와 교차되지 않도록 초단 펄스레이저로 가공시 해당 교차지점에서는 미소한 시간동안 비활성하여 절연부를 형성하지 않도록 가공한 것을 특징으로 하는 금속폴리머 복합필름을 이용한 진공단열패널.