KR20230103478A - 저중량 복합소재 및 이를 포함하는 차량용 헤드라이너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상변화물질을 포함하는 적어도 한 개 이상의 상변화물질층; 및 상기 상변화물질층 상에 형성된 적어도 한 개 이상의 기재층;을 포함하며, 상기 기재층은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재를 제공한다.

Description

저중량 복합소재 및 이를 포함하는 차량용 헤드라이너{LOW WEIGHT COMPOSITE AND CAR HEADLINER USING THE SAME}

본 발명은 저중량 복합소재 및 이를 포함하는 차량용 헤드라이너에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 단열성능을 가지는 저중량 복합소재 및 이를 포함하는 차량 헤드라이너에 관한 것이다.

최근 금속보다 무게는 감소되나, 강도는 금속보다 크게 증가된 복합소재가 소개되면서, 다양한 분야에서 활용이 증가되고 있다. 특히 자동차 내장재용 복합소재는 저중량에 강도 증가가 필수적이므로 폴리프로필렌수지에 유리섬유 매트가 강화재로 보강된 복합소재(Glass fiber Mat reinforced Thermoplastic; GMT)를 주로 사용하고 있다.

이와 같은 복합소재를 사용하는 경우 차량 경량화와 강도증가에 유리하나, 차량이 여름철 외부에 장시간 노출되는 경우 차량 내부 온도가 크게 상승하게 되나 복합소재 자체가 단열 효과가 떨어져서 차량 내부 온도 유지에 영향을 주지 못하는 문제가 있다.

특히 복합소재가 주로 사용되는 차량용 헤드라이너의 경우 다량의 복합소재가 사용되나, 지금까지 단열성능이 부여되지 못하여 여름철 차량 온도 급상승으로 인한 문제가 대두되고 있다.

따라서 차량용 헤드라이너와 같이 섬유강화 복합소재가 단열성능을 나타내어 외기에 대한 온도 저항성을 가지는 경우에는 보다 쾌적한 내부 환경을 제공하여 사용자의 편의를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 차량 공조에 필요한 에너지 사용량을 크게 감소시킬 수 있기 때문에 차량 운영의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2007-0100134호에서 강화 스킨을 포함하는 경량 복합재 열가소성 시트를 개시하나, 다수의 강화 섬유가 적층되는 구조를 개시할 뿐 시트 외부의 온도 변화에 따라 온도 저항성을 가지는 복합재를 개시하지는 않는다.

본 발명의 목적은 단열성능을 가져서 외부 기온 변화에 저항할 수 있는 저중량 복합소재를 제공하는데 있다. 특히 차량용 라이너와 같이 경량화 및 강도증가가 필요할 뿐만 아니라, 단열성능을 나타내어 차량 운영 효율을 현저하게 증가시킬 수 있는 저중량 복합소재를 제공하는데 있다.

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

1. 본 발명의 하나의 관점은 저중량 복합소재에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재는 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 형성되며, 상변화물질이 분산된 것이다.

2. 본 발명의 다른 관점은 다층구조 저중량 복합소재에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재는 상변화물질을 포함하는 적어도 한 개 이상의 상변화물질층; 및 상기 상변화물질층 상에 형성된 적어도 한 개 이상의 기재층;을 포함하며, 상기 기재층은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 것이다.

3. 상기 2구체예에서, 상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃, 29 내지 35℃ 또는 30 내지 40℃일 수 있다.

4. 상기 2 또는 3 구체예에서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리에테르케토네케톤(PEKK), 및 폴리아릴에테르케톤(polyarlyetherketone, PAEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS) 중 1종 이상일 수 있다.

5. 상기 2 내지 4 중 어느 하나 구체예에서, 상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종일 수 있다.

6. 상기 2 내지 5 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 상변화물질층은 상기 상변화물질이 상기 기재층보다 외부 열원으로부터 더 이격되도록 배치될 수 있다.

7. 상기 2 내지 6 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 상변화물질은 마이크로캡슐화된 것일 수 있다.

8. 상기 2 내지 7 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 상변화물질층은 상변화물질 간에 열전달 네트워크가 형성될 수 있다.

9. 본 발명의 다른 관점은 섬유층을 가지는 저중량 복합소재에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재는 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 있는 제1기재층;

상기 제1기재층 일측에 배치되는 섬유층; 및

상기 섬유층 일측에 배치되며, 상변화물질을 포함하는 제2기재층;을 포함한다.

10. 상기 9 구체예에서, 상기 섬유층은 다공성일 수 있다.

11. 상기 9 또는 10 구체예에서, 상기 제2기재층은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 시트에 상변화물질층이 적층된 것일 수 있다.

12. 상기 9 내지 11 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 제2기재층은 다공성 담지체에 상변화물질이 분산된 것일 수 있다.

13. 상기 9 내지 12 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃, 29 내지 35℃ 또는 30 내지 40℃일 수 있다.

14. 상기 9 내지 13 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 제2기재층은 상변화물질을 10 내지 30wt%로 포함될 수 있다.

15. 본 발명의 또 다른 관점은 상기 저중량 복합소재를 포함하는 차량용 헤드라이너에 관한 것이다.

본 발명에 따른 저중량 복합소재는 경량으로 중량의 제한이 있는 구조에 사용되어 구조물 전체의 중량을 감소시킬 수 있고, 높은 강도를 가져서 안전성을 증가시킬 수 있으며, 높은 단열성능을 나타내어 외부 열원에서 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 열출입을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 저중량 복합소재는 차량용 헤드라이너에 사용되어 차량 운영 효율을 현저하게 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 저중량 복합소재의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 저중량 복합소재의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 광학현미경사진이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 두께 변화에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 단열효과를 확인하기 위한 실험장치의 사진이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 시간 변화에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.

'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.

본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 저중량 복합소재의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 저중량 복합소재의 모식도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 하나의 관점은 저중량 복합소재에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재는 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 시트에 상변화물질이 분산되어 형성되는 것이다.

구체적으로 상기 저중량 복합소재는 열가소성 수지로 폴리프로필렌 수지에 유리섬유가 함침된 복합소재 내에 파라핀계 왁스가 코어에 포함되고, 상기 코어를 감싸는 말라민계 쉘을 포함하는 마이크로캡슐형 상변화물질이 균일하게 분산되어 형성된 것이다.

상기 상변화물질이 분산되어 형성되는 경우 상기 저중량 복합소재에 단열성능을 부여할 수 있다.

구체적으로 상변화물질을 10 내지 30wt%로 포함하여 50℃ 이상의 외부 온도에 대한 온도 변화에 대하여 5 내지 10℃ 범위 내에서 온도 증가를 방지하는 단열 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 다층구조(multi-layer) 저중량 복합소재(1000)에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재(1000)는 상변화물질층(100) 및 기재층(200)을 포함한다.

상기 상변화물질층(100)은 상변화물질을 포함하며 적어도 한 개 이상의 층으로 구비될 수 있다.

상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃, 29 내지 35℃ 또는 30 내지 40℃ 일 수 있다.

상기 상변화물질은 상기 온도범위에서 상변화가 발생되며, 상변화 과정에서 일정하게 열을 축적하거나, 열을 배출할 수 있다.

상기 상변화온도가 상기 온도범위에서 결정되는 경우 저중량 복합소재의 외기 온도가 40 내지 50℃까지 상승하는 경우에도 5 내지 10℃ 범위 내에서 단열 효과를 나타내어 차량용 헤드라이너 등에 활용할 수 있다.

상기 상변화물질은 유기물, 무기물 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 유기물로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 상변화물질이 유기물인 경우 파라핀계로 n-옥타데칸(n-Octadecane), n-노나데칸(n-Nonadecane) 또는 n-에이코산(n-Eicosane)을 코어로 포함하며, 상기 코어를 감싸는 멜라민계 쉘을 포함할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 상변화물질층(100)은 상기 상변화물질이 상변화물질층 내에 분산되어 형성될 수 있다.

상기 상변화물질은 마이크로캡슐형인 것이 바람직하며, 상기 상변화물질이 마이크로캡슐형인 경우 상기 상변화물질층(100) 내에 균일하게 분산될 수 있다.

상기 종류의 유기물을 포함하는 상변화물질은 상변화온도를 28℃, 32℃ 또는 37℃로 결정할 수 있으며, 상기 종류 이외에 유기물은 잠열량이 너무 크거나 낮아서 목표로 하는 상변화온도를 달성하기 어렵다.

상기 기재층(200)은 상기 상변화물질층(100) 일측에 배치되고, 적어도 한 개 이상으로 구비된다.

상기 기재층(200)은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 형성된 것이다.

상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리에테르케토네케톤(PEKK), 및 폴리아릴에테르케톤(polyarlyetherketone, PAEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS) 중 1종 이상일 수 있다.

구체적으로 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.

상기 종류의 열가소성 수지는 강화섬유와 함침되어 저중량 복합소재를 제조할 수 있으며, 상기 종류 이외의 열가소성 수지는 성형성이 낮아서 강화섬유와 함침하여 복합소재를 시트형태로 제조하기 어려우며, 효과적으로 강도를 증가시키기 어렵다.

상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종일 수 있다. 구체적으로 유리섬유인 것이 바람직하다.

상기 종류의 강화섬유가 상기 종류의 열가소성 수지와 함침되어 상기 기재층(200)은 인장강도가 증가될 수 있으며, 예들 들면, 약 3,000 내지 3,600kg·f/cm² 범위 내의 인장강도를 가질 수 있다.

한편 상기 기재층(200)은 상기 강화섬유에 열가소성 수지가 함침된 후 일방향(UD)으로 직조되어 형성된 것일 수 있다.

상기 기재층(200)이 직조되어 형성되는 경우 기재층(200)의 인장강도를 더 효과적으로 증가시킬 수 있다.

한 구체예에서 상기 상변화물질층(100)은 상기 상변화물질이 상기 기재층(200)보다 외부 열원으로부터 더 이격되도록 배치될 수 있다.

예를 들면, 상기 기재층(200)이 3개층으로 구비되어 적층되고, 상기 기재층(200)의 일측에 열원(H)이 배치되는 경우 상기 상변화물질층(100)은 상기 열원(H)과 가장 멀리 이격되는 위치에 배치되며, 기재층(200) 가장 하부에 면접되도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 상변화물질층(100)이 상기 기재층(200)보다 열원으로부터 더 이격되어 있는 경우에는 상기 기재층(200)이 복합소재에 전달되는 열확산을 일정 부분 감소시킨 후에 상기 상변화물질층(100)에 도달되도록 함으로써 복합소재의 단열효과를 더욱 증가시킬 수 있다.

한 구체예에서, 상기 상변화물질은 마이크로캡슐화(Micro-encapsulation)된 것일 수 있다.

상기 상변화물질층(100)은 상변화물질이 분산되어 형성된 것이나, 상변화물질이 마이크로캡슐화 되어 상변화물질의 혼합에 따른 영향을 감소시켜 상기 기재층(200)과 열융착에 의한 합지가 가능하다.

상기 마이크로캡슐화된 상변화물질(mPCM)은 온도 저항성을 그대로 유지하면서도, 상변화물질이 혼합되는 수지에 영향을 미치지 않아서 상기 기재층(200)과 열융착 방법으로 합지하여 저중량 복합소재를 제조할 수 있다.

상기 마이크로캡슐화된 상변화물질을 사용하는 경우 상변화물질층(100)의 부피를 현저하게 감소시킬 수 있어서 차량용 헤드라이너와 같이 두께 및 부피가 제한적인 구조물에 적용하기 매우 유리하다.

한 구체예에서, 상기 상변화물질층(100)은 상변화물질 간에 열전달 네트워크가 형성될 수 있다.

상기 상변화물질층(100)은 수지 내에서 상기 상변화물질 상변화물질 사이에 열전달 네트워크가 형성된 것일 수 있다.

상기 상변화물질이 상변화물질층(100) 내에서 분산되어 있으며, 외부 열원에서 열이 전달되는 상변화를 일으키는 과정에서 유입된 열을 일정하게 흡수하여 인접하는 상변화물질에 연속 전달하는 열전달 네트워크를 형성할 수 있다.

상기 상변화물질층(100)은 세라믹, 카본 등의 열전도성 필러(filler)가 분산되어 열전달 네트워크를 증가시켜 상변화물질 간에 열전달 효율이 증가되도록 하는 것도 가능하다.

상기 상변화물질 사이에 열전달 효율이 증가되는 경우에는 저중량 복합소재(1000)의 단열 성능을 효과적으로 증가시킬 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 섬유층을 가지는 저중량 복합소재(2000)에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재(2000)는 제1기재층(300), 섬유층(400) 및 제2기재층(500)을 포함한다.

상기 제1기재층(300)은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 형성될 수 있다.

예를 들면 유리섬유에 폴리프로필렌이 함침되어 형성되며, 직조되어 시트(sheet) 형태로 형성된 것일 수 있다.

상기 제1기재층(300)은 상기 기재층과 동일한 구성이므로 반복되는 생략하기로 한다.

상기 섬유층(400)은 상기 제1기재층(300) 일측에 배치된다.

상기 섬유층(400)은 상기 제1기재층(300)과 동일한 수지에 셀룰로오스(Cellulose)와 같은 천연 섬유질을 포함하여 기공율이 증가된 것이며, 상기 제1기재층(300)과 제2기재층(500) 사이에서 열전달을 방지할 수 있다.

구체적으로 상기 섬유층(400)은 섬유질이 다공성 구조로 형성되어 높은 기공율로 인하여 제1기재층(300)과 제2기재층(500) 사이에서 수직방향의 열전달을 감소시킬 수 있다.

상기 섬유층(400)이 상기 제1기재층(300)과 동일한 수지를 포함하고 있어서 상기 제1기재층(300)과 섬유층(400)은 열융착으로 수지를 용융시켜 서로 합지될 수 있다.

상기 제2기재층(500)은 상기 다공성 섬유층(400) 일측에 배치되며, 상변화물질을 포함한다.

한 구체예에서, 상기 제2기재층(500)은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 시트에 상변화물질층이 적층된 것일 수 있으며, 상기 제2기재층(500)은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 시트 상에 상변화물질이 함께 분산되어 적층된 것일 수 있다.

구체적으로 상기 제2기재층(500)에 상변화물질을 분산시켜 한 번에 형성하는 경우 제조과정이 단순하여 제조공수가 감소되고, 제1기재층(300), 섬유층(400) 및 제2기재층(500)을 열프레스 방법을 이용하여 한 번에 열융착으로 저중량 복합소재를 제조할 수 있기 때문에 전체 제조공정이 단순해지고, 제조 효율 또한 증가되기 때문에 더욱 바람직하다.

한 구체예에서, 상기 제2기재층(500)은 다공성 담지체에 상변화물질이 분산된 것일 수 있다.

상기 제2기재층(500)은 다공성 담치체에 상변화물질이 분산된 것일 수 있다.

상기 다공성 담지체는 직조된 섬유, 금속 메쉬, 금속 스폰지 또는 열전도성 고분자인 것이 바람직하다.

상기 다공성 담지체에 상기 상변화물질을 분산시키는 경우 상변화물질이 상기 저중량 복합소재 내로 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 상기 제1기재층(300)에서 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있다.

상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃ 29 내지 35℃또는 30 내지 40℃일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 상변화물질은28℃, 34℃ 또는 37℃에서 상변화가 일어나는 것일 수 있다.

상기 상변화물질의 상변화온도가 28℃, 34℃ 또는 37℃인 경우에는 상기 저중량 복합소재를 차량용 헤드라이너에 사용하여 50℃ 이상의 외기온도를 5 내지 10℃ 범위로 감소시켜 단열효과를 나타낼 수 있어서 차량 내부 온도 유지에 매우 효과적이다.

상기 상변화물질의 상변화온도가 상기 온도보다 낮은 경우 50℃ 이상 고온에서 열을 차단하는 단열효과가 감소되며, 상기 온도보다 높은 경우에는 상변화물질의 제조 효율이 떨어져서 바람직하지 않다.

한편, 상기 제2기재층(500)은 상변화물질을 10 내지 30wt%로 포함될 수 있다.

상기 제2기재층(500)이 상기 범위 내로 상변화물질을 포함하는 경우에는 10wt%당 1.3 내지 1.5℃ 범위 내로 단열효과를 나타낼 수 있어서 매우 효율적으로 열의 출입을 방지할 수 있다. 상기 범위 내에서 제조비 대비 우수한 단열효과와 제조효율을 갖는다.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 저중량 복합소재를 포함하는 차량용 헤드라이너에 관한 것이다.

상기 저중량 복합소재는 중량이 감소되면서도 강도가 증가되어 차량 구조물에 사용이 가능하고, 특히 외부의 열이 직접 전달되는 헤드라이너에 사용되는 경우 외기 온도가 40℃ 이상으로 상승하는 경우에도 내부 온도를 35℃까지 감소시켜 차량 내부 공조 효율을 크게 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

슬러리 배합 탱크에 폴리프로필렌, 유리섬유, 상변화물질 및 계면활성제를 물과 함께 투입하고 배합 진행하였다. 배합된 원료에서 물을 제거 후 판상 성형 진행하였으며, 제조된 판상시편을 200 ℃ 오븐에 2분간 투입하여 저중량 복합소재를 제조하였다.

이때 n-옥타데칸(n-Octadecane)을 포함하는 상변화물질(PCM-28)을 이용하여 열가소성 수지인 폴리프로필렌 수지에 10wt%로 혼합하여 제조하였으며, 상변화물질의 평균 입자크기는 19.98㎛로 마이크로캡슐화된 것이며, 비휘발분 합량이 60.4%이고, 비열이 214J/g인 것을 사용하였다.

실시예 2.

n-노나데칸(n-Nonadecane)을 포함하는 상변화물질(PCM-34)을 폴리프로필렌 수지에 10wt%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 저중량 복합소재를 제조하였다.

실시예 3.

n-노나데칸(n-Nonadecane)을 포함하는 상변화물질(PCM-34)을 폴리프로필렌 수지에 20wt%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 저중량 복합소재를 제조하였다.

실시예 4.

n-노나데칸(n-Nonadecane)을 포함하는 상변화물질(PCM-34)을 폴리프로필렌 수지에 30wt%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 저중량 복합소재를 제조하였다.

실험예 1.

실시예 1의 저중량 복합소재에 상변화물질이 분산되어 있는지 확인하였다.

도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 광학현미경사진이다.

도 3을 참조하면, 저중량 복합소재에서 폴리프로필렌 수지 내에 배치된 유리섬유 주위에 마이크로캡슐화된 상변화물질(mPCM)이 균일하게 분산되어 있는 것을 확인하였다.

실험예 2.

저중량 복합소재의 두께에 따른 열전도도 차이를 확인하였다.

유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 시트(GMT; Ref.)를 준비하였다.

우선 푸리에 열정도 법칙(Fourier's Conduction Law)에 따르면 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 시트(GMT)는 폴리프로필렌의 부피가 13.11vol%, 유리섬유의 부피가 5.89vol%로 시트 중 공기 부피가 약 81%이며, 열전도 상수(k) 값이 매우 작기 때문에 시편의 양측면의 온도편차(dT)는 시편 두께에 의존하는 것으로 가정하였다.

도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 두께 변화에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.

표 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 온도편차의 이론값 및 실측값을 나타낸 것이다.

저중량 복합소재 외부/내부 온도차이 (℃)	샘플두께(mm)	이론 값	실측 값
GMT Ref.	4	8.4	8.7
실시예 2(PCM34, 10 wt%)	3.6	7.56	8.2
실시예 3(PCM34, 20 wt%)	3.4	7.14	7.7
실시예 4(PCM34, 30 wt%)	3	6.3	6.3

도 4 및 표 1을 참조하면, 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 시트(Ref.) 대비 실시예 2 내지 4에서 온도편차(dT)는 이론값보다 실측값의 훨씬 크게 측정되어 두께뿐만 아니라, 상변화물질의 첨가에 따른 단열효과를 확인하였다.

실험예 3.

상변화물질 및 함량에 따른 단열효과를 확인하기 위하여 단열효과 측정 장치를 마련하였다.

도 5는 단열효과를 확인하기 위한 실험장치의 사진이다.

도 5를 참조하면, 외부에 적외선 전등을 배치하고, 내부에 온도센서를 구비한 케이스 내부에서 유리섬유에 열가소성 복합수지가 함침된 시트(GMT)를 기재층을 기준(Ref)으로 단열효과를 확인하였다.

도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 저중량 복합소재의 시간 변화에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.

도 6를 참조하면, 실시예 1(PCM-28, 10wt%)에서 5℃ 이상의 단열효과를 나타내며, 기준인 GMT 시트 보다 외부 열에 노출되는 200분 동안 낮은 온도를 일정하게 유지할 수 있는 것을 확인하였으며, 실시예 2(PCM-34, 10wt%)에서도 7℃ 이상의 단열효과를 외부 열에 노출되는 시간동안 나타낼 수 있는 것을 확인하여 실시예 1 및 2의 상변화물질이 포함된 상변화물질층이 매우 효과적인 단열효과를 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.

또한 실시예 3(PCM-34, 20wt%) 및 실시예 4(PCM-34, 30wt%)에서도 상변화물질을 10wt%씩 증가시키는 경우에 10wt% 당 1.3 ℃ 이상의 단열효과를 나타내어 함량 증가에 따라 매우 효과적인 단열효과를 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.

따라서 본 발명에 따른 저중량 복합소재는 경량화가 가능하고, 높은 인장강도로 차량의 헤드라이너와 같이 높은 강도를 요구하는 구조물에 사용이 가능하며, 특히 헤드라이너와 같이 외부 열원으로부터 직접 영향을 받는 위치에 배치되는 경우에 종래 GMT 시트 대비 5 내지 10℃의 단열효과를 나타낼 수 있어서, 차량 사용자의 편의를 증가시킬 수 있으며, 차량 공조 시 필요한 에너지는 감소시켜 차량 운영 효율 또한 매우 증가시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1000, 2000 : 저중량 복합소재
100 : 상변화물질층 200 : 기재층
300 : 제1기재층 400 : 섬유층
500 : 제2기재층

Claims (15)

1. 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 형성되며, 상변화물질이 분산된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
2. 상변화물질을 포함하는 적어도 한 개 이상의 상변화물질층; 및
   상기 상변화물질층 상에 형성된 적어도 한 개 이상의 기재층;을 포함하며,
   상기 기재층은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 것인, 저중량 복합소재.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃, 29 내지 35℃ 또는 30 내지 40℃인 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리에테르케토네케톤(PEKK), 및 폴리아릴에테르케톤(polyarlyetherketone, PAEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종인 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 상변화물질층은 상기 상변화물질이 상기 기재층보다 외부 열원으로부터 더 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
7. 제2항에 있어서, 상기 상변화물질은 마이크로캡슐화된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
8. 제2항에 있어서, 상기 상변화물질층은 상변화물질 간에 열전달 네트워크가 형성된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
   
9. 열가소성 수지에 강화섬유가 함침되어 있는 제1기재층;
   상기 제1기재층 일측에 배치되는 섬유층; 및
   상기 섬유층 일측에 배치되며, 상변화물질을 포함하는 제2기재층;을 포함하는, 저중량 복합소재.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 섬유층은 다공성인 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 제2기재층은 열가소성 수지에 강화섬유가 함침된 시트에 상변화물질층이 적층된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
    
12. 제9항에 있어서, 상기 제2기재층은 다공성 담지체에 상변화물질이 분산된 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
    
13. 제9항에 있어서, 상기 상변화물질은 상변화온도 범위가 20 내지 29℃, 29 내지 35℃ 또는 30 내지 40℃인 것을 특징으로 하는, 저중량 복합소재.
    
14. 제9항에 있어서, 상기 제2기재층은 상변화물질을 10 내지 30wt%로 포함하는 것인, 저중량 복합소재.
    
15. 제1항, 제2항 또는 제8항에 따른 저중량 복합소재를 포함하는 차량용 헤드라이너.
    

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