WO2022107904A1 - 에어로젤 블랑켓 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재 - Google Patents

에어로젤 블랑켓 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재 Download PDF

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WO2022107904A1
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airgel blanket
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planar heating
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임기현
조영수
노치우
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엔디티엔지니어링(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a functional composite material comprising a heat insulating material and other functional elements provided therewith, and more particularly, an airgel insulation material and a heating element provided as a functional element together therewith, which can increase thermal efficiency while supplying heat and keeping heat to an object It relates to functional composites.
  • insulating materials high-efficiency insulators that can be applied to various uses by increasing processability and reducing weight and volume are called super-insulating materials, and a lot of research and development are being conducted in recent years.
  • Such super-insulating materials can be processed together with materials of other materials to form a fusion composite material to form a functional product that can impart appropriate functions.
  • the advantage of the super-insulation fusion composite material is that it can have a function to respond to extreme temperature conditions and environments with its super-insulating properties and properties of the material.
  • convergence materials that can withstand high temperatures include social and public fields such as firefighting, flame retardancy and heat insulation in the defense industry, eco-friendly insulation and heat dissipation fields, curtains in building and agricultural facilities, steelmaking, smelting, and shipbuilding in industrial fields. It can be used in various ways, such as insulation materials for automobiles and offshore plants.
  • Airgel is a super-porous material with nanopores of about 20-50 nm with a porosity of 95% or more. , it is made so that the nanostructure of the original gel remains intact by removing the solvent with almost no shrinkage in the same way as supercritical drying.
  • the extremely low thermal conductivity of airgel is due to the effect of blocking the movement of air molecules that can occur in the gas due to its unique nanopore structure with high porosity.
  • these airgels are a kind of porous silicon particles, and have excellent thermal insulation effect due to their large porosity. There were many difficulties in making and processing products with this fabric.
  • the airgel particles can be wrapped with a cover made of a material that the airgel particles cannot pass through to form a fabric.
  • Korean Patent Laid-Open No. 10-2014-0039493, Korean Patent Registration No. 10-912011, and the like disclose a method of making an insulating material for solving or alleviating this problem.
  • the airgel layer is divided into small compartments in the entire area constituting the fabric and limited therein, and the compartments and compartments are separated by a separation area having a certain width.
  • the excellent thermal insulation of airgel can increase the thermal insulation of products in low-temperature environments, but it It is difficult to prevent escape, and it may be necessary to supply the thermal energy itself, albeit in small amounts.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of a functional composite material in which an insulating material and a heating element for supplying heat are combined together according to this necessity.
  • this heat supply is limited to a specific part, that part may cause discomfort or damage to the object to be kept warm, such as the functional product itself or the functional clothing user, due to overheating, and the other parts may not be supplied with sufficient heat, resulting in low temperature This may cause discomfort or damage.
  • An object of the present invention is to provide an airgel insulation material capable of solving or alleviating the above-mentioned existing problems and a functional composite material using the same.
  • the present invention is an airgel having a configuration that can reduce the problem of airgel particles scattering in the work space and polluting the surroundings during manufacturing and processing of the insulation fabric in the case of using the airgel blanket for the insulation material, and escaping from the insulation material to weaken the insulation function.
  • An object of the present invention is to provide a thermal insulation material and a functional composite material using the same.
  • the present invention is easy to maintain the uniformity of distribution of airgel particles in the insulation, and also to provide an airgel insulation material having a configuration that can be relatively easy to bend or process the fabric and a functional composite using the same for the purpose of providing do.
  • the airgel formed on the airgel blanket is not agglomerated or deformed even when the base material insulation is bent, folded, or washed, and the base material is not agglomerated or deformed even when washed.
  • An object of the present invention is to provide an airgel insulation material without bias and a functional composite material using the same.
  • an airgel insulator having a configuration that provides heat evenly to the internal space in which thermal insulation and functional products keep and insulates made of an insulating material to easily maintain the temperature And it aims to provide a functional composite material using the same.
  • the insulating material of the present invention for achieving the above object includes an airgel blanket formed by including airgel particles, a sewing thread used to quilt the airgel blanket as a whole, and a cover layer surrounding the surface of the airgel blanket,
  • the airgel blanket is made with insulation of an elastic member, and the sewing thread is characterized in that it is made to be quilted by limiting only the airgel blanket.
  • the insulating material further includes a separate outer skin layer covering the cover layer, and the elastic member is characterized in that it is in the form of cotton.
  • the cover layer is made by penetrating a liquid synthetic resin over a portion of the thickness of the airgel blanket, and the cover layer is formed by applying liquid polyimide or synthetic resin to the surface of the airgel blanket, or using the liquid polyimide or synthetic resin. It is formed through a method of further bonding a non-woven fabric and a thin fabric fabric on the layer made, and the sewing thread is characterized in that it is made by using a liquid polyimide or synthetic resin impregnated material.
  • a planar heating element layer is further provided on the cover layer on one side of the airgel blanket.
  • the planar heating element layer is characterized in that a resistive conductive layer that generates heat when an electric current flows is formed over the entire surface or according to a predetermined pattern on the substrate by one of attachment, printing, and application.
  • the planar heating element is formed of a metal thin film or is formed by applying and drying a viscous liquid having conductive particles or conductive fibers, and the planar heating element is the sewing thread, and the airgel blanket is separately sewn on and under It is characterized in that it is made by forming and using the sewing thread on one side of the sewing thread as a conductive resistor while using the thread.
  • the planar heating element is formed by distributing two or more electrical terminals in a plurality of places, and the planar heating element is formed using a PTC heater at least a portion of which is a PTC (positive temperature coefficient) material.
  • airgel particles are scattered in the work space and pollute the surroundings during manufacturing and subsequent processing. can be alleviated.
  • the present invention it is easy to maintain the uniformity of distribution of airgel particles from an overall aspect in the production of a heat insulating material or a functional composite material having the same, and in part, the stitched part is formed thinly, and then bending or folding the insulation fabric is also relatively easy to process. This makes it possible to reduce the manufacturing cost and effort of products using these fabrics.
  • the present invention provides that, when the substrate constituting the airgel blanket is a widely formed cotton-type insulation, the airgel formed on the airgel blanket does not agglomerate or deform even under external pressure during bending, folding or washing, and the airgel formed on the airgel blanket is tilted or biased. This can enhance durability.
  • the functional product uses the insulating fabric and the planar heating element evenly distributed in the fabric to provide heat evenly to the internal space where the functional product keeps and insulates, thereby providing a suitable temperature range can be easily maintained.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view showing an example of a conventional heat insulator fabric having a planar heating element
  • FIG. 2 is a plan view of the insulation fabric showing a conventional example in which airgel forms a compartment and the compartment and the compartment are separated into a region having a width;
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of an insulating material fabric showing another example in which the airgel-wrapped pack is distributed on a plane, the covering covers are divided into compartments including the pack, and there is an area for separation therebetween; ,
  • FIG. 4 is a plan view of an embodiment according to the present invention.
  • FIG. 5 is a side cross-sectional view of an embodiment according to the present invention.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view at another position in which the quilting thread penetrates the airgel blanket and the polyimide cover layer in the embodiment of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a side cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an example of the configuration of the planar heating element layer of another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are a plan view of an embodiment according to the present invention and a side cross-sectional view partially showing a section taken along line AA′ of the plan view.
  • quilting is performed at regular intervals with quilting threads or sewing threads 140 and 145 in two axial directions perpendicular to each other. to form a plurality of square compartments like a grid pattern, and in this state, polyimide or liquid plastic and curable resin through polyimide surface treatment is applied to form the cover layer 130 to form a basic insulation material.
  • the airgel blanket 110 passes the fiber base 111 through the process liquid bath in which the airgel particles are formed, including the airgel raw material, and the airgel particles 113 through subsequent processes such as drying or curing. and may be made in a manner such as overlapping the fiber base 111 as much as it is necessary or necessary as it is.
  • the insulation in which the fiber base is in the form of a cotton there is usually a plurality of fibers constituting the cotton overlapped up and down somewhat irregularly, and it can be considered that these fibers are replaced instead of the plurality of fiber substrates in the drawing, so there is no need to overlap No, it can be formed to the required thickness from the beginning.
  • the quilting sewing work for the airgel blanket 110 may be performed in the same way as when making a garment fabric having the existing quilting stitching. However, at this time, in order to prevent sufficiently dried powdered airgel particles from separating from the blanket in the sewing process and polluting the surrounding work environment, proceed before complete drying of the airgel blanket, or dry the airgel blanket It may be made after treatment such as a non-woven fabric, a thin fiber base, and a material spraying on the surface that suppresses the separation of airgel particles.
  • the part through which the sewing thread 140 passes is the airgel blanket 110 formed by overlapping the fiber base 111 impregnated with airgel is compressed by the sewing thread 140 to form a thin thickness, and the portion between the airgel-impregnated overlapping portions is Since no special pressure is applied to the fiber base, repulsive force acts between the fibers due to the elasticity of the fibers constituting the base, and thus has a somewhat convex state similar to a quilted quilt.
  • a polyamic acid solution with a viscosity of 5,000 to 20,000 cps is applied to the surface of the airgel blanket, and the temperature is adjusted to 100 to 400 degrees Celsius by applying heat to the polyamic acid solution.
  • the polyimide or resin-coated cover layer 130 has a three-dimensional and very large contact area with the airgel blanket 110 through partial impregnation, so that it can maintain this state with sufficient bonding strength.
  • the cover layer 130 with polyimide or resin coated fabric or non-woven fabric, or a cover layer to which a thin fabric is further added airgel particles 113 leak from the airgel blanket 110 to the outside. It acts as a shield to prevent it from happening.
  • the polyimide cover layer is peeled off from the airgel blanket or airgel particles It reduces the escaping to the outside so that the initial high thermal insulation performance can be maintained.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
  • the polyimide cover layer 130 is formed by applying liquid polyimide on the surface of the airgel blanket 110 formed by overlapping the fiber base 111 impregnated with the airgel particles 113 and curing or drying, and In that state, the sewing thread 140 ′ is quilted at regular intervals in the two axial directions perpendicular to each other to form a surface lattice pattern insulation fabric similar to that of FIG. 4 in which a plurality of rectangular sections are formed.
  • the formation of the airgel blanket 110, the formation of the polyimide cover layer 130, and the quilting stitching may be performed in a similar manner to the previous embodiment.
  • the overall appearance of the insulating material formed in this way is similar to that described in the previous embodiment as shown in FIG. 4 , the part through which the sewing thread passes is compressed by the sewing thread and the overlapping fabric and the cover layer, and the part in between is the airgel-impregnated overlapping fabric. has a somewhat convex state.
  • a separate outer skin layer 150 constituting the surface of the insulating material may be further laminated on the polyimide or resin coated cover layer 130 or the non-woven fabric or the cover layer to which a thin fabric is further added.
  • the outer skin layer 150 may be made of a polyolefin-based synthetic resin layer or a sheet, film, or cloth made of another material, and may be made of a corresponding functional material for making a functional product.
  • a separate adhesive or adhesive is used for bonding the polyimide or resin-coated cover layer 130 or non-woven fabric, or the cover layer to which a thin fabric is further added and the outer skin layer 150, or a heat-sealing method, etc. It is also possible to use it, and it is also possible to form the outer skin layer itself by applying a liquid material, rolling, or curing (curing). In addition, the outer skin layer may be formed of a plurality of layers.
  • FIG. 8 is a side cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
  • the surface of the airgel blanket 110 formed by overlapping the fiber base 111, including the airgel particles 113, is coated with liquid polyimide on the surface and cured or dried to cover the polyimide or resin coated cover layer 130.
  • a non-woven fabric or a thin fabric is further added to form a cover layer, and a planar heating element layer 160 is formed on one side over it, and in that state, a separate outer skin layer 150 or surface cover layer is formed as a whole.
  • quilting is performed at regular intervals in two axial directions perpendicular to each other to form a lattice-patterned insulation fabric in which a plurality of rectangular sections are formed.
  • the planar heating element layer 160 is formed on the polyimide or resin-coated cover layer 130 or the non-woven fabric or the cover layer to which a thin fabric is further added, and quilting is performed in the combined state, and a separate It is also possible to form the outer skin layer 150 made of a synthetic resin film or cloth. .
  • the polyimide cover layer 130 is a material that is very resistant to heat, there is no problem of thermal damage unless the temperature caused by the heat generated through the planar heating element layer 160 is very high, and the outer skin layer 150 is also a planar heating element layer 160 ), it is preferable to form it with a material strong against heat so that there is no heat damage.
  • the outer skin layer 150 is a material weak to heat, it is preferable to laminate and form it by sandwiching a heat-resistant material between them.
  • a heat-resistant material between them.
  • the planar heating element layer is laminated with an airgel insulation material made of an airgel blanket to form a heat-generating and heat-insulating functional composite.
  • the heat generated by the planar heating element does not flow well toward the airgel blanket. Therefore, if the planar heating element is placed on the inside of the composite material and the airgel blanket faces outward and power is supplied to the planar heating element, the insulator can prevent the external heat leakage as efficiently as possible, so that the internal temperature can be reduced even by small heat generation. It can be kept constant for a long time.
  • planar heating element in this embodiment may be made in various forms.
  • a planar heating element can be formed by using a phase change material with a large latent heat or a material with a large heat capacity as a heat storage material to form a planar heating element.
  • the main planar heating element is provided with a separate power supply and is formed using an electric heating element that generates heat when a current flows from the power supply.
  • Such a planar heating element for example, is made of a conductive layer having a certain amount of resistance for heat generation, and by connecting electrodes on one side and the other side, heat can be generated while current flows through the conductive layer, and it is damaged when the conductive layer is formed.
  • a rigid conductive member such as a lead wire
  • the remaining part can be made in a form in which both sides of the conductive layer are covered with a separate insulator synthetic resin.
  • the resistive conductive layer may be formed of a very thin metal film, or may be formed by applying a viscous liquid having conductive particles or conductive fibers such as a metal paste or carbon nanotube in various ways, such as a printing method, and drying it. In the case of using printing, a method of forming a conductive pattern covering an area with a uniform distribution density may be used in addition to applying the entire surface.
  • a linear conductor that has resistance and can generate heat is placed and fixed on a non-conductive film so that it passes evenly over the entire area, and both ends are exposed and terminal treatment is performed so that it can be connected to the power supply. It is also possible to form a planar heating element in the form of covering another non-conductive film.
  • one side of the sewing thread is formed as a conductive resistor and used so that the sewing thread evenly distributed on the fabric forms a planar heating element.
  • the conductive yarn may be formed by the yarn itself being a conductive resistor, or by coating or impregnating the fiber with a conductive material.
  • the electrical terminals are distributed in several places on the fabric in order to exhibit the heat-generating function well within the product, and the fabric can be used to find and select usable electrical terminals after the product has been processed through cutting, etc. In this state, it is preferable to distribute the electrical terminals in multiple places. In this case, it can be used after selecting a suitable terminal for use among the exposed electrical terminals after commercialization and making a convenient form for power connection by combining a lead wire with this terminal.
  • the planar heating element layer 200b includes a heat-resistant substrate 210b that is an insulator, a carbon nanotube coating layer 220b that is a resistive conductor, and a pair of electrode plate terminals 230b formed on a part of the resistive conductor and , a copper lead wire 240b, and an insulating coating layer 250b.
  • the heat-resistant substrate 210b forms a skeleton on which the coating layer 200b is to be formed.
  • the heat-resistant substrate 210b may selectively use any one of polyether terephthalate (PET, polyethylene terephthalate), polyethylene nitrate (PEN, polyethylene nitrate) and amide films for low-temperature heat of 40°C to 100°C.
  • PET polyether terephthalate
  • PEN polyethylene nitrate
  • amide films for low-temperature heat of 40°C to 100°C.
  • the surface of the heat-resistant substrate 210b preferably forms a large amount of micropores so that nano-sized carbon nanotube particles can be easily located.
  • the heat-resistant substrate 210b is preferably processed to make a product or can be freely bent or bent for convenience when used as a product, and by mixing an emulsifier in the manufacturing step of PET, PEN, and amide film, easily It can be made to have the property of bending or bending.
  • the carbon nanotube coating layer 220b may be formed by spraying a carbon nanotube dispersion on the lower surface of the heat-resistant substrate 210b.
  • the carbon nanotube coating layer 220b may be coated with a mass of 4 g/m 2 to 10 g/m 2 per unit area.
  • a thin film coating film structure such as graphene or fullerane as well as carbon nanotubes (CNTs).
  • Carbon nanotubes have excellent exothermic properties, and hexagonal shapes made of 6 carbons are connected to each other to form a tube, and the diameter of the tube is only several to tens of nanometers. In general, the particle structure of carbon fibers is broken even when only 1% is deformed, whereas carbon nanotubes can withstand a deformation of 15%.
  • the pair of electrode plate terminals 230b are electrically connected to the carbon nanotube coating layer 220b with a predetermined separation distance therebetween.
  • the electrode plate terminal 230b heats the carbon nanotube coating layer 220b by applying power to the carbon nanotube coating layer 220b.
  • the copper lead wire 240a is disposed under the pair of electrode plate terminals 230b, respectively, and serves as a connection terminal for connecting the electrode plate terminal 230b to a power source.
  • the insulating coating layer 250b is formed on the lower surface of the carbon nanotube coating layer 220b. As the insulating coating layer 250b is formed, the electrode plate terminal 230b and the copper lead wire 240b may be disposed between the insulating coating layer 250b and the carbon nanotube coating layer 220b.
  • the insulating coating layer 250b As a material of the insulating coating layer 250b, an organic or inorganic material having heat resistance equal to or higher than that of the heat resistant substrate 210b may be used, and a ceramic adhesive may be preferably used. Since the electrode plate terminal 230b and the carbon nanotube coating layer 220b are electrically insulated by the insulating coating layer 250b, and the carbon nanotube coating layer 220b cannot come into contact with oxygen, the carbon nanotube coating layer 220b prevent oxidation of
  • a separate heat-resistant substrate and an insulating coating layer are disclosed to cover the carbon nanotube coating layer, which is a resistive conductor, up and down to form the planar heating element layer, but the thickness and bendability of the composite material, ease of cutting, etc.
  • the polyimide cover layer 130 of FIG. 8 replaces the heat-resistant substrate
  • the outer skin layer 150 replaces the insulating coating layer
  • the planar heating element layer 160 is made of only a carbon nanotube coating layer.
  • the planar heating element layer may be formed by employing a transparent heating element (eg, graphene, carbon nanotube transparent coating, etc.) or mesh-type planar heating element that can transmit light due to high transparency.
  • a transparent heating element eg, graphene, carbon nanotube transparent coating, etc.
  • mesh-type planar heating element that can transmit light due to high transparency.
  • an insulating material such as an airgel blanket
  • the functional composite material including this insulating layer and heating layer is can be made of transparent and translucent, and this composite material can be used as a thermal insulation curtain for a greenhouse or greenhouse.
  • the planar heating element of the composite material of the present invention assumes high thermal insulation properties of the insulator, and it is assumed that a trace current flows normally, and has a thermal protective property using a trace current flowing throughout the planar heating element. Since the insulation function can be maximized, it can be used in products with light weight and high energy efficiency in everyday products or industrial products (eg, portable equipment, mobile equipment, construction, plants, etc.).
  • the composite material of the present invention has a combined configuration of thermal insulation and heating, and various functional clothing, bedding, functional special packaging materials, insulation materials such as thermal insulation packs, and vinyl that require increasing the heating efficiency by using such insulation and heating at the same time It can be used as a constituent material in a wide range of industrial and household goods fields such as detachable insulation curtain heating material of the house, and can be used with an advantage in the field of products requiring light-weight mobility in particular.
  • the quilting thread is limited to quilting only the airgel blanket, and a cover layer or a separate outer layer may come over it, and another synthetic resin sheet or film that is quilted or forms a separate outer layer with a cover layer, It is also possible to make the quilting in a state where the fabric is covered, so that the sewing thread for the quilting is exposed on the surface.
  • a cover layer is added and quilted for sewing, and the cover layer can be a nonwoven fabric, fabric, or hot melt for bonding of various materials such as general materials or aramid-based materials that withstand high temperatures.
  • an epidermal layer may be formed.
  • a separate outer layer is formed above it to prevent dust from escaping between the quilted threads.
  • the outer layer can be composed of films, fabrics, non-woven fabrics, and metal foils of various shapes and materials, and the outer skin layer can also be formed by applying a resin in a solution state. have.
  • the sewing thread can be formed of various materials such as nylon yarn, high temperature aramid, metal yarn, carbon yarn, PTFE yarn, etc., and liquid polyimide (polyimide through subsequent curing or drying treatment).
  • the insulating material is subsequently made of a solidified synthetic resin layer on the surface of the quilted fabric in the state of the quilted fabric, and this synthetic resin layer is removed at the sewing site. It can also be used to fill small gaps.
  • the synthetic resin cover layer is formed of polyimide
  • liquid polyimide to the airgel blanket
  • a certain part penetrates from the surface of the airgel blanket to the inside before forming the solid polyimide layer.
  • the airgel blanket may be formed by laminating a plastic polyimide sheet on the surface and heating it to permeate.
  • planar heating element various conventional alternating current (AC) or direct current (DC) planar heating elements may be adopted.
  • AC alternating current
  • DC direct current
  • insulation material 110 airgel blanket

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Abstract

본 발명은 단열재 및 이와 함께 다른 기능 요소가 구비되어 이루어지는 기능성 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어로젤 단열재 및 이와 함께 기능 요소로 발열체가 구비되어 대상물에 대한 열공급과 보온을 함께하면서 열효율을 높일 수 있는 기능성 복합재에 관한 것이다.

Description

에어로젤 블랑켓 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재
본 발명은 단열재 및 이와 함께 다른 기능 요소가 구비되어 이루어지는 기능성 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어로젤 단열재 및 이와 함께 기능 요소로 발열체가 구비되어 대상물에 대한 열공급과 보온을 함께하면서 열효율을 높일 수 있는 기능성 복합재에 관한 것이다.
한정된 자원을 절약하기 위해 에너지 효율이 산업 전반에서 문제가 되고 있으며, 에너지 효율을 높이기 위한 방법으로 하나로 많이 사용되는 것이 단열재이다. 따라서 단열재를 이루는 매우 많은 물질과 소재 구조 및 제조방법이 연구되고 개발되고 있다.
단열재 가운데 가공성을 높이고, 무게와 부피를 줄여 다양한 용도 확대 적용될 수 있는 고효율 단열재를 초단열재라 하여 최근 많은 연구, 개발이 이루어지고 있다. 이런 초단열재는 다른 재질의 소재와 함께 가공되어 융복합 소재를 이루어 적합한 기능을 부여할 수 있는 기능성 상품을 형성할 수 있다.
초단열 융복합 소재의 장점은 초단열적 특성과 소재가 가지는 특성으로 극한 온도조건과 환경에 대응할 수 있는 기능을 가질 수 있다는 것이다. 가령, 고온을 견딜 수 있는 융복합 소재는 소방과 같은 사회 공공 분야, 방위산업의 방염, 단열 분야, 친환경계열의 단열 및 방열 분야, 건축 및 농업 시설 분야의 커튼, 산업 분야의 제강, 제련, 조선, 자동차, 해양플랜트 분야의 단열 소재 등에 다양하게 사용될 수 있다.
최근 아웃도어나 기능복 의류, 기능성 산업소재와 관련하여 단열재 가운데, 얇은 두께로도 뛰어난 단열효과를 가질 수 있는 초단열물질의 제작 및 응용이 더욱 관심의 대상이 되고 있으며, 그런 물질로 에어로젤 등이 많이 관심을 받고 있다.
에어로젤(Aerogel)이란 약 20~50nm의 나노기공을 95% 이상의 기공률로 보유한 초다공성 물질로, 원료물질을 솔-젤(sol-Gel) 반응시켜 다량의 용매가 포함된 나노구조의 젤을 만든 후, 초임계 건조와 같은 방법으로 거의 수축 없이 용매를 제거하여 원래 젤의 나노구조가 그대로 유지되도록 만들어진다.
에어로젤은 극히 낮은 열전도율은 높은 기공율을 가짐과 함께 특유의 나노기공 구조가 기체에서 발생할 수 있는 공기 분자의 이동을 차단하는 효과에서 기인한 것이다.
이러한 에어로젤은 통상적으로 보면 일종의 다공성 실리콘 입자이며, 큰 기공율로 인하여 뛰어난 단열 효과를 가지지만, 매우 작은 미립이 작업공간에 흩어지고 날리게 되고, 단열재에서 빠져나가 단열 기능을 약화시키는 경우가 많아 이를 가진 원단을 만들고, 이 원단을 가지고 상품을 제작, 가공하는 것은 어려움이 많이 있었다.
에어로젤 입자가 작업공간을 오염시키고 작업을 어렵게 하는 것을 방지하기 위해 에어로젤 입자를 에어로젤 입자가 통과할 수 없는 재질의 커버로 감싸서 원단 형태로 만들 수도 있다.
그러나 이런 경우, 감싸진 공간 내에서 입자가 임의로 위치로 집중되거나 어떤 위치로부터 빠져나가 고른 두께를 유지하기 어렵고, 원단을 절단, 굽힘 등으로 가공하는 경우, 커버 자체가 훼손되면서 원래의 주변 오염, 단열재 기능 손실 등의 문제가 여전히 발생하기 쉽다.
대한민국 특허공개 제10-2014-0039493호, 대한민국 특허등록 제10-1912011호 등에는 이런 문제를 해결하거나 경감시키기 위한 단열재 원단을 만드는 방법이 개시된다. 이들 문헌에서는 도1이나 도2에서 보이는 것과 같이 에어로젤층이 원단을 이루는 전체 면적에서 작은 구획들로 나뉘어 그 속에 한정되고 구획과 구획은 일정 폭을 가진 분리영역에 의해 분리되고 있다.
그러나, 이런 기술들에서도 여전히 원단 가공시의 문제점은 남고, 이런 구성 자체를 이루는 것이 비용과 수고가 많이 드는 공정인 경우가 많다. 또한, 근래에 에어로젤을 사용할 때 섬유 원단에 에어로젤을 함침시키거나 이 것을 겹쳐 만드는 에어로젤 블랑켓 형태로 사용하는 경우가 많은데, 이런 경우, 이런 구획 구성의 원단을 만들기는 더욱 어려워질 수 있다.
한편, 에어로젤을 이용한 원단을 만들고, 이 원단을 이용하여 아웃도어 용품이나 기타 기능성 상품을 형성할 때, 에어로젤의 뛰어난 단열성으로 저온 환경에서 상품의 보온력을 높일 수 있지만 장기적으로 열이 보온되어야 할 대상으로부터 빠져나가는 것을 막기는 어렵고, 비록 적은 양이라도 열에너지 자체를 공급하는 것이 필요할 수 있다.
도3은 이러한 필요에 의해 단열재와 열을 공급하는 발열체가 함께 결합되어 이루어지는 기능성 복합재의 단면 구성을 나타내고 있다.
그리고 이러한 열 공급은 어느 특정 부위에 한정되는 경우, 그 부분은 과열로 인해 기능성 제품 자체나 기능성 의류 사용자와 같은 보온 대상의 불편함이나 손상을 가져올 수 있고, 여타 부분은 충분한 열이 공급되지 못하여 저온으로 인한 불편함이나 손상을 가져올 수 있다.
또한, 열이 집중된 곳에서는 단열재의 차단에도 불구하고 이 부분의 큰 온도차로 인하여 외부로의 열 손실이 집중되면서 전체적 보온, 단열 효율이 떨어질 가능성이 커진다.
이런 문제를 방지하기 위해 보온 물품과 같은 기능성 상품 전반에 걸쳐 열을 비교적 고르게 전달하는 것이 요청될 수 있다.
본 발명은 상술한 기존의 문제점을 해결하거나 경감시킬 수 있는 에어로젤 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단열재에 에어로젤 블랑켓을 사용하는 경우에서 단열재 원단 제조 및 가공시 에어로젤 입자가 작업공간에 흩어져 주변을 오염시키고, 단열재에서 빠져나가 단열 기능을 약화시키는 문제를 경감시킬 수 있는 구성을 가진 에어로젤 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단열재 내에서의 에어로젤 입자의 분포 균일성을 유지하기 쉽고, 또한, 원단을 굽히거나 접어 가공하는 것도 비교적 용이하게 할 수 있는 구성을 가지는 에어로젤 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 에어로젤 블랑켓 기재를 솜 형태의 인슐레이션 등으로 구성하는 경우, 구성하는 기재 인슐레이션이 굽힘, 접거나 세탁시 외부의 압력에도 기재의 뭉침이나 변형이 없이 에어로젤블랑켓에 형성된 에어로젤이 쏠리거나 치우쳐짐이 없는 에어로젤 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 추가적 측면에 의하면, 저온 환경에서 비교적 장시간 노출되는 경우에도 단열재로 이루어지는 단열, 기능성 제품이 보온, 단열하는 내부 공간에 고르게 열을 제공하여 온도를 쉽게 유지시킬 수 있도록 하는 구성을 가진 에어로젤 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단열재는, 에어로젤 입자를 포함시켜 형성한 에어로젤 블랑켓과 상기 에어로젤 블랑켓을 전반적으로 누비는데 이용한 바느질 실, 상기 에어로젤 블랑켓 표면을 감싸는 커버층을 구비하며, 상기 에어로젤 블랑켓은 탄성부재의 인슐레이션을 구비하여 이루어지고 상기 바느질 실은 상기 에어로젤 블랑켓만을 한정하여 누비도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 단열재는 상기 커버층을 커버하는 별도의 외피층을 더 구비하고, 상기 탄성부재는 솜 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 커버층은 액상 합성수지를 상기 에어로젤 블랑켓 일부 두께에 걸쳐 침투시켜 이루어지고, 상기 커버층은 액상 폴리이미드나 합성수지를 상기 에어로젤 블랑켓 표면에 도포하여 형성하거나 상기 액상 폴리이미드나 상기 합성수지로 이루어진 층 위에 다시 부직포, 얇은 직물원단을 더 결합시키는 방식을 통해 형성되는 것이며, 상기 바느질 실은 액상 폴리이미드나 합성수지가 함침된 것을 사용하여 이루어진 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 단열재를 구비하는 기능성 복합재로서, 상기 에어로젤 블랑켓의 한 면 위에 있는 상기 커버층 위로 면상발열체층이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 면상발열체층은 전류가 흐르면 발열을 하는 저항성 도전층을 기재에 전면에 걸쳐 혹은 일정 패턴에 따라 부착, 인쇄, 도포 가운데 하나의 방법으로 형성한 것임을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 면상발열체는 금속박막으로 형성하거나 혹은 도전체 입자나 도전 섬유를 가진 점성 액체를 도포하고 건조하여 형성한 것이고, 상기 면상발열체는 상기 바느질 실로서 상기 에어로젤 블랑켓 상, 하에 별도의 바느질 실을 이용하면서 상기 바느질 실의 일 측 바느질 실을 도전성 저항체로 형성하여 사용함으로써 이루어지는 것임을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 면상발열체는 전기 단자를 2개 이상 복수 개소에 분포시켜 형성된 것이고, 상기 면상발열체는 적어도 일부를 PTC(positive temperature coefficient) 물질로 한 PTC 히터를 사용하여 형성한 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단열재 제작이나 이를 구비한 기능성 복합재 제작에 에어로젤 블랑켓을 사용하는 경우에서 제작 및 이후 가공시 에어로젤 입자가 작업공간에 흩어져 주변을 오염시키고, 단열재에서 빠져나가 단열 기능을 약화시키는 문제를 경감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 단열재 제작이나 이를 구비한 기능성 복합재 제작에서 전체적인 측면에서는 에어로젤 입자의 분포 균일성을 유지하기 쉽고, 부분적으로는 바느질된 부분이 얇게 형성되어 이후 단열재 원단을 굽히거나 접어 가공하는 것도 비교적 용이하게 되어 이들 원단을 이용한 상품의 제작 비용 및 수고를 경감시킬 수 있다.
본 발명은 특히 에어로젤 브랑켓을 구성하는 기재가 넓게 형성된 솜 형태의 인슐레이션인 경우, 굽힘, 접거나 세탁시 외부의 압력에도 기재의 뭉침이나 변형이 없이 에어로젤 블랑켓에 형성된 에어로젤이 쏠리거나 치우쳐짐이 없도록 하여 내구성을 강화 시킬 수 있다.
본 발명의 추가적 측면에 따르면, 저온 환경에서 비교적 장시간 노출되는 경우에도 단열재 원단과 이 원단에 고르게 분포된 면상 발열체를 이용하여 기능성 제품이 보온, 단열하는 내부 공간에 고르게 열을 제공함으로써 적합한 범위의 온도를 쉽게 유지시킬 수 있게 된다.
도1은 종래의 면상발열체를 구비한 단열재 원단의 일 예를 나타내는 측단면도,
도2는 에어로젤이 구획을 이루고 구획과 구획 사이가 폭을 가진 영역으로 분리된 종래의 예를 나타내는 단열제 원단에 대한 평면도,
도3은 에어로젤이 감싸진 팩이 평면상에 분포하고, 이들 감싸는 커버가 팩을 포함하는 구획들로 구분되며 그 사이에는 분리를 위한 영역이 존재하는 종래의 다른 예를 나타내는 단열재 원단에 대한 측단면도,
도4는 본 발명에 따른 일 실시예의 평면도,
도5는 본 발명에 따른 일 실시예의 측단면도,
도6은 본 발명의 다른 실시예의 측단면도,
도7은 도6의 실시예에서 누빔실이 에어로젤 블랑켓 및 폴리이미드 커버층을 관통하는 다른 위치에서의 측단면도,
도8은 본 발명의 또 다른 실시예의 측단면도,
도9는 본 발명의 또 다른 실시예의 면상발열체층 구성의 한 예를 나타내는 사시도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도4 및 도5는 본 발명에 따른 일 실시예의 평면도 및 이 평면도의 AA'라인에 따른 절단면을 부분적으로 나타내는 측단면도이다.
여기서는 에어로젤 입자(113)가 함침된 섬유 기재(111)를 가진 에어로젤 블랑켓(110)에 대해 서로 수직한 두 축 방향으로 누빔실 혹은 바느질 실(140, 145)로 각각 일정 간격으로 누빔 바느질을 실시하여 격자 무늬와 같이 다수의 사각형의 구획을 형성하고, 이 상태에서 폴리이미드 표면처리를 통한 폴리이미드 또는 액상의 가소성, 경화성 수지를 도포하여 커버층(130)을 형성하여 기초 단열재를 형성한다.
도 4에서는 종축 방향 및 횡축 방향의 바느질 실의 일부 가닥만 표시하였지만 단열재 전체 면적을 통해 고르게 바느질 실이 분포하게 됨은 물론이다.
이때, 에어로젤 블랑켓(110)은 에어로젤 원료 물질을 포함하여 에어로젤 입자가 형성되는 공정 액조에 섬유 기재(111)를 통과시키고 건조나 경화 등의 후속 공정을 통해 에어로젤 입자(113)가 포함된 상태를 이루고, 그대로 혹은 필요에 따라서는 이 섬유 기재(111)를 필요한 두께만큼 겹치는 등의 방식으로 이루어질 수 있다. 이 섬유 기재가 솜 형태의 인슐레이션의 경우, 통상 솜을 이루는 다수의 섬유가 상하로 다소 불규칙하게 겹쳐 존재하며, 도면의 복수의 섬유 기재 대신 이들 섬유가 대체되는 것으로 생각할 수 있으므로, 굳이 겹쳐 사용할 필요는 없으며, 처음부터 필요한 두께로 형성할 수 있다.
에어로젤 블랑켓(110)에 대한 누빔 바느질 작업은 기존의 누빔 바느질을 가지는 의류 원단을 만들 때와 같은 방식으로 이루어질 수 있다. 단, 이때 충분히 건조된 가루 형태의 에어로젤 입자가 바느질 공정에서 블랑켓으로부터 이탈하고 주변 작업 환경을 오염시키는 것을 방지하기 위해 에어로젤 블랑켓에 대한 완전한 건조가 이루어지기 전에 진행하거나, 건조 상태의 에어로젤 블랑켓 표면에 에어로젤 입자 이탈을 억제하는 부직포, 얇은 섬유기재, 물질 분사 등의 처리를 한 후에 이루어질 수도 있다.
바느질 실(140)이 지나가는 부분은 에어로젤이 함침된 섬유 기재(111)가 겹쳐 이루어진 에어로젤 블랑켓(110)이 바느질 실(140)에 의해 압착되어 얇은 두께를 이루고, 그 사이 부분은 에어로젤 함침된 겹쳐진 섬유 기재에 별다른 압력이 미치지 않아 기재를 이루는 섬유의 탄성에 의해 섬유들 사이에 서로 척력이 작용하여 다소 볼록한 마치 누비 이불과 비슷한 상태를 가진다.
이 상태에서 바느질 실(140) 및 에어로젤 블랑켓(110) 위로 액상 폴리이미드 또는 수지 도포 커버층이나, 여기에 부직포, 얇은 직물원단 등이 더 부가된 커버층(130)이 표면 전체를 감싸도록 할 수 있다. 가령, 폴리이미드 커버층 형성을 하는 경우에는 에어로젤 블랑켓 표면에 점도를 5,000~20,000cps로 조절한 폴리아믹산 용액을 도포하고 열을 가하여 온도를 100도씨 내지 400도씨로 조성하여 상기 폴리아믹산 용액을 이미드화함으로써 고체 상태의 폴리이미드 커버층을 형성할 수 있다.
이 상태에서 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)은 일부 함침을 통해 에어로젤 블랑켓(110)과 입체적으로 그리고 매우 넓은 접촉면적을 가져 충분한 결합력을 가지고 이 상태를 유지할 수 있도록 한다. 또한, 원단 형태의 외관이 유지된 상태에서 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)이나 부직포, 얇은 직물원단이 더 부가된 커버층은 에어로젤 블랑켓(110)에서 외측으로 에어로젤 입자(113)가 누출되지 않도록 차폐하는 기능을 하게 된다.
따라서, 에어로젤 단열재 또는 이를 이용한 제품 제조 공정에서 분진이 날리는 것을 방지할 수 있고, 에어로젤 단열재를 포함하는 제품의 사용시 및 세탁시 많은 구겨짐이 발생하더라도, 폴리이미드 커버층이 에어로젤 블랑켓과 박리되거나 에어로젤 입자가 외부로 이탈하는 것을 저감시켜 초기의 높은 단열 성능이 계속 유지될 수 있도록 한다.
이 상태에서 단열재 원단 형성시 원단 표면을 이루는 외피층(150)을 더 결합시키는 가공이 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 측단면도이다.
여기서는 에어로젤 입자(113)가 함침된 섬유 기재(111)를 겹쳐 형성한 에어로젤 블랑켓(110)에 표면 위로 액상 폴리이미드 도포 및 경화 혹은 건조에 처리에 의해 폴리이미드 커버층(130)을 형성하고, 그 상태에서 바느질 실(140')서로 수직한 두 축 방향으로 각각 일정 간격으로 누빔 바느질을 실시하여 다수의 사각형의 구획이 형성된 도4와 비슷한 표면 격자 무늬단열재 원단을 형성하게 된다.
이런 과정은 각 공정 단계가 이루어지는 순서를 제외하면 에어로젤 블랑켓(110)의 형성 및 폴리이미드 커버층(130)의 형성, 누빔 바느질 각각은 앞선 실시예와 비슷한 방식으로 이루어질 수 있다.
단, 이 실시예에서 누빔 처리를 위한 바느질 실로 액상의 폴리이미드가 함침된 상태에서 경화나 건조가 이루어지지 않고 표면의 액상 폴리이미드가 흐르지 않도록 이를 적당히 실 표면에서 닦아낸 바느질 실(140")을 사용하고, 누빔 처리가 이루어진 후 경화나 건조가 이루어지도록 하면 누빔 처리를 위한 바느질에 크게 어려움이 없는 상태로 진행하면서도 폴리이미드 커버층(130)과의 결합력을 강화시키고, 도7의 단면도에서 보이는 것과 같이 바느질 실(140")이 폴리이미드 커버층(130)을 관통하는 위치에서 실에 함침된 폴리이미드가 관통 구멍을 실링하여 그 틈새로 에어로젤 미세 입자가 누출되는 것을 방지하는 역할을 하도록 할 수 있다. 물론 이런 구성은 바느질 이후에 외피층이 형성되는 것을 감안하여 형성하지 않을 수도 있다.
이렇게 형성되는 단열재는 전체적 외관 형태는 도4와 같은 앞선 실시예에서 설명한 바와 비슷하게, 바느질 실이 지나가는 부분은 겹쳐진 원단 및 커버층이 바느질 실에 의해 압착되고, 그 사이 부분은 에어로젤 함침된 겹쳐진 천에 의해 다소 볼록한 상태를 가진다.
이 상태에서 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)이나 부직포, 얇은 직물원단이 더 부가된 커버층 위로 단열재 원단의 표면을 이루는 별도의 외피층(150)이 더 적층될 수도 있다. 외피층(150)은 폴리올레핀계 합성수지층 혹은 다른 재료로 이루어진 시트나 필름, 천 등으로 이루어질 수 있으며, 기능성 상품을 만들기 위한 해당의 기능성 재료로 이루어질 수 있다.
이때, 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)이나 부직포, 얇은 직물원단이 더 부가된 커버층과 외피층(150)의 결합을 위해 별도의 점착제나 접착제를 사용하거나, 밀착시킨 후에 열융착 방법 등을 사용하는 것도 가능하며, 외피층 자체를 액상 물질 도포 및 전조나 큐어링(경화) 등으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 외피층은 복수 개의 층으로 형성할 수도 있다.
도8은 본 발명의 또다른 실시예의 측단면도이다.
여기서는 에어로젤 입자(113)가 포함되는, 섬유 기재(111)을 겹쳐 형성한 에어로젤 블랑켓(110)의 표면에 액상 폴리이미드 도포 및 경화 혹은 건조에 처리에 의해 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)이나 부직포, 얇은 직물원단이 더 부가된 커버층을 형성하고, 그 위로 한쪽 면에 면상발열체층(160)을 형성하고, 그 상태에서 전체적으로 별도의 외피층(150) 혹은 표면커버층이 형성되도록 한다.
이 상태에서 서로 수직한 두 축 방향으로 각각 일정 간격으로 누빔 바느질을 실시하여 다수의 사각형의 구획이 형성된 격자 무늬의 단열재 원단을 형성하게 된다.
실시예에 따라서는 폴리이미드 또는 수지도포 커버층(130)이나 부직포, 얇은 직물원단이 더 부가된 커버층 위에 면상발열체층(160)을 형성, 결합한 상태에서 누빔 바느질 처리를 하고, 그 위로 별도의 합성수지 필름이나 천으로 이루어진 외피층(150)을 형성하는 것도 가능하지만 이런 경우, 이미 누빔 바느질 처리에 의해 표면이 올록볼록한 상태에서 외피층(150)을 결합시키게 되므로 박리되지 않게 결합하는 작업이 어려워질 수 있다.
폴리이미드 커버층(130)은 자체가 상당히 열에 강한 재질이므로 면상발열체층(160)을 통해 발생시키는 열에 의한 온도가 매우 높지 않다면 별다른 열손상의 문제는 없으며, 외피층(150)도 면상발열체층(160)에 의한 열손상이 없도록 열에 강한 소재로 형성하는 것이 바람직하다.
외피층(150)이 열에 약한 소재인 경우, 그 사이에 열에 강한 소재를 끼워 적층, 형성하는 것이 바람직하며, 누빔 바느질에 의해 생긴 각 층의 구멍과 바느질 실(140)의 틈새로 에어로젤 블랑켓의 에어로젤 미세 입자가 통과하여 원단을 가공할 때 종래와 같은 작업환경 오염과 단열기능 저하가 발생할 수 있으므로 외피층을 형성할 때 에어로젤 입자의 통과를 막을 수 있는 소재 및 외피층 결합방식이 채용되는 것이 바람직하다.
여기서 면상발열체층은 에어로젤 블랑켓으로 만들어진 에어로젤 단열재와 함께 적층시켜 발열 및 단열 기능성 복합재를 형성하게 된다. 이런 경우, 면상발열체에서 발생한 열은 에어로젤 블랑켓 쪽으로는 잘 흘러가지 않게 된다. 따라서, 복합재의 내측에 면상발열체가 놓이고 에어로젤 블랑켓이 외측을 향하도록 상품을 만들어 면상발열체에 전력을 공급하면 단열재가 열의 외부 누출을 최대한 효율적으로 방지할 수 있으므로 작은 열 발생에 의해서도 내부 온도를 일정하게 오래동안 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에서 면상발열체는 다양한 형태로 이루어질 수도 있다.
잠열이 큰 상변환 물질이나 열용량이 큰 물질을 축열 물질로 이용하여 넓게 형성함으로써 면상발열체를 형성할 수도 있으나, 이런 경우에는 두께로 인한 가공상, 사용상의 불편이나 열량의 한계를 가지기 쉬울 수 있다.
따라서, 주된 면상발열체는 별도 전원을 구비하고 전원에서 전류를 흘리면 열을 발생시키는 전기발열체를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
이런 면상발열체는 가령, 발열을 위한 어느 정도의 저항이 있는 도전층으로 이루어지고 한쪽과 반대쪽에 전극을 연결하여 도전층을 통해 전류가 흐르면서 발열이 이루어지도록 할 수도 있고, 도전층을 형성할 때 파손을 막기 위해 단자 부분만 별도로 처리하여 리드선과 같은 강체 도전 부재를 이용하여 안전하게 노출시키고 나머지 부분은 도전층 양면을 별도의 절연체 합성수지로 커버한 형태로 만들 수 있다.
저항이 있는 도전층은 매우 얇은 금속박막으로 이루어지거나, 금속 페이스트, 탄소 나노 튜브 등 도전체 입자나 도전 섬유를 가진 점성 액체를 인쇄 방식 등 다양한 방식으로 도포하고 건조하여 형성할 수도 있다. 인쇄를 이용하는 경우, 전면 도포 외에도 균일한 분포 밀도로 면적을 커버하는 도전 패턴을 형성하는 방식을 사용할 수도 있다.
또한, 인쇄 도전 패턴으로 만들어진 도전막 대신에 저항이 있어서 발열이 이루어질 수 있는 선형 도선을 전체 면적을 고르게 지나도록 부도체 필름에 배치, 고정하고 그 양단을 노출시켜 전원과 연결할 수 있도록 단자 처리를 한 뒤 다른 부도체 필름을 덮는 형태로 면상 발열체를 형성할 수도 있다.
앞선 실시예에서 누빔을 위한 바느질 실을 사용할 때 원단의 상하에 별도의 바느질 실을 이용하는 경우, 일 측 바느질 실을 도전성 있는 저항체로 형성하여 사용함으로써 원단에 고르게 분포된 바느질 실이 면상발열체를 형성하도록 하는 구성도 이루어질 수 있다. 이때 도전성 실은 실 자체가 도전성 저항체로 이루어지거나, 섬유에 도전성 물질을 코팅 혹은 함침시켜 이루어지는 것일 수 있다.
한편 복합재를 형성할 때 면상발열체층을 단열재와 결합시킨 원단 형태로 만드는 경우, 전기 단자를 이룰 부분을 두 개로 한정시키면 복합재 원단 전체를 이용하여 상품을 만드는 것이 아니고 이를 재단, 성형 하여 가공하는 경우 전기 단자가 계속 사용가능한 상태로 유지된다는 것을 보장하기 어렵다.
따라서, 이런 재단, 가공 후에도 상품 내에서 발열 기능을 잘 발휘하기 위해 전기 단자를 원단의 여러 곳에 분포시키고, 재단 등의 가공을 거쳐 상품이 이루어진 상태에서 이용가능한 전기 단자를 찾아 선택하여 이용할 수 있도록 원단 상태에서는 전기 단자를 다수 개소에 분포시키는 것이 바람직하다. 이런 경우, 상품화 가공 후 노출된 전기 단자 중 사용에 적당한 단자를 선택하고, 이 단자에 리드선을 결합시켜 전원 연결에 편리한 형태로 만든 후 사용할 수 있다.
한편, 상품에 사용할 때 면상발열체를 이용하여 온도를 일정 범위로 유지시키기 위해 센서를 사용할 필요가 있는데, 면상발열체의 도체 적어도 일부를 PTC(positive temperature coefficient) 물질로 한 PCT 히터를 사용하는 경우, PTC 히터 자체의 속성으로 정해진 온도범위에서 별도의 센서 없이도 온도 유지지능을 할 수 있다.
도 9는 도 8과 같은 실시예의 면상발열체층 구성의 한 예를 나타내는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 면상발열체층(200b)은 부도체인 내열성 기재(210b)와, 저항성 도전체인 탄소나노튜브 코팅층(220b)과, 저항성 도전체 일부에 형성되는 한 쌍의 전극판 단자(230b)와, 구리 리드선(240b), 그리고 절연코팅층(250b)을 포함하여 구성된다.
가령, 내열성 기재(210b)는 코팅층(200b)이 형성될 골격을 형성한다. 내열성 기재(210b)는 40℃ ~ 100℃의 저온 발열을 위해 폴리에테르 텔레프탈라이(PET, polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나이트레이트(PEN,polyethylene nitrate) 및 아미드(amide) 필름 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 내열성 기재(210b)의 표면은 나노 크기의 탄소나노튜브 입자가 용이하게 자리잡을 수 있도록 다량의 미세 기공을 형성하는 것이 바람직하다.
내열성 기재(210b)는 상품을 만들기 위해 가공되거나, 상품 상태로 사용될 때 편리하도록 자유롭게 휘거나 구부러질 수 있는 것이 바람직하고, PET, PEN, 아미드(amide) 필름의 제조단계에 유화제를 혼합하여, 쉽게 휘거나 구부러지는 성질을 갖도록 하여 만들어질 수 있다.
상기 탄소나노튜브 코팅층(220b)은 탄소 나노튜브 분산액이 내열성 기재(210b)의 하면에 스프레이(spray)되어 형성될 수 있다. 이때, 탄소나노튜브 코팅층(220b)은 단위면적당 4g/㎡ ~ 10g/㎡의 질량으로 코팅될 수 있다. 발열 도전층을 형성할 때 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)뿐 아니라, 그래핀 혹은 플러랜 등의 박막 코팅 필름 구조체를 이용할 수 있다.
탄소나노튜브는 우수한 발열성을 가지며, 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고, 관의 지름이 수~수십 나노(nano) 미터에 불과하다. 통상 탄소섬유의 입자구조는 1％만 변형시켜도 그 연결이 끊어지는 반면, 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다.
한 쌍의 전극판 단자(230b)는 소정의 이격 거리를 둔 상태에서 탄소나노튜브 코팅층(220b)에 전기적으로 연결된다. 전극판 단자(230b)는 탄소나노튜브 코팅층(220b)에 전원이 인가함으로써 탄소나노튜브 코팅층(220b)을 발열시킨다.
구리 리드선(240a)은 한 쌍의 전극판 단자(230b) 하부에 각각 배치되며, 전극판 단자(230b)를 전원과 연결시키는 접속단자의 역할을 한다.
절연 코팅층(250b)은 탄소나노튜브 코팅층(220b)의 하면에 형성된다. 절연 코팅층(250b)이 형성됨으로써 절연 코팅층(250b)과 탄소나노튜브 코팅층(220b) 사이에 전극판 단자(230b)와 구리 리드선(240b)이 배치될 수 있다.
절연 코팅층(250b)의 재료로는 내열성 기재(210b)의 내열성과 동등하거나 그 이상의 내열성을 갖는 유기 또는 무기물질이 이용될 수 있는데, 바람직하게는 세라믹 접착제가 사용될 수 있다. 절연 코팅층(250b)에 의해 전극판 단자(230b) 및 탄소나노튜브 코팅층(220b)이 전기적으로 절연되고, 또한 탄소나노튜브 코팅층(220b)이 산소와 접촉할 수 없게 되므로 탄소나노튜브 코팅층(220b)의 산화를 방지한다.
여기서는 면상발열체층을 구성하기 위해 별도의 내열성 기재 및 절연코팅층이 저항성 도전체인 탄소나노튜브 코팅층을 상하로 커버하는 구성을 개시하고 있지만, 복합재 원단을 형성할 때 복합재의 두께 및 굽힘성, 재단 용이성 등을 고려하면 도8의 폴리이미드 커버층(130)이 내열성 기재를 대신하고, 외피층(150)이 절연코팅층을 대신하고, 면상발열체층(160)은 탄소나노튜브 코팅층만으로 이루어지는 것도 가능할 것이다.
면상발열체층은 투명도가 높아서 빛을 투과시킬 수 있는 투명 발열체(예: 그래핀, 탄소나노튜브 투명 코팅 등)나 매쉬형 면상발열체를 채용하여 이루어질 수도 있다. 가령 에어로젤 블랑켓과 같은 단열소재를 형성할 때 두께나 분포를 일부 투명하여 빛이 상당 부분 통과할 수 있도록 하고, 면상발열체층도 투명 혹은 반투명으로 형성한다면 이런 단열층 및 발열층을 포함한 기능성 복합재는 전체가 투명 반투명으로 이루어질 수 있으며, 이런 복합소재는 비닐하우스나 온실의 보온커튼으로 이용될 수 있다.
본 발명의 복합재의 면상발열체는 단열재의 높은 단열성을 상정하고, 통상 미량 전류를 흘리는 것을 상정하고 있으며, 면상발열체 전반에 걸쳐 흐르는 미량 전류를 이용한 열 방어적 특성을 가지므로, 작은 에너지원으로 열효율이나 단열 기능을 극대화할 수 있어 일상제품이나 산업제품에서 경량화, 고에너지 효율을 갖는 제품(예: 휴대용 장비, 기동장비, 건축, 플랜트 등)에 사용할 수 있다.
본 발명을 적용한 복합 재료를 각종 상품 제작에 사용하는 경우, 에어로젤의 경량성, 높은 단열효율을 바탕으로 하여 최소한의 전열 공급으로 주변보다 높은 온도를 유지하는 것이 필요한 다양한 제품을 생산할 수 있으므로, 이 분야의 새로운 제품 시장을 형성하는 것이 가능하고, 기존 제품의 효율성을 높여 시장 규모를 성장시킬 수 있다.
가령, 본 발명의 복합 재료는 단열과 가열의 결합 구성을 가져 이러한 단열과 가열을 동시에 이용하여 가열의 효율성을 높이는 것을 필요로 하는 각종 기능성 의류, 침구, 기능성 특수 포장재, 보온팩과 같은 보온재, 비닐하우스의 탈착 가능한 보온커튼 난방재 등 광범위하고 다양한 산업용품, 생활용품 분야의 구성 재료로 사용될 수 있으며, 특히 경량 이동성을 요하는 제품 분야에 이점을 가지고 사용될 수 있다.
추가적으로, 본 발명에서 누빔실은 에어로젤 블랑켓만을 한정하여 누비도록 하고, 그 위로 커버층, 별도 외피층이 올 수도 있고, 커버층을 구비한 상태에서 누빔이 이루어지거나 별도 외피층을 이루는 다른 합성수지 시트나 필름, 천 등이 커버된 상태에서 누빔이 이루어져 그 표면에 누빔용 바느질 실이 드러나도록 하는 것도 가능하다.
가령, 커버층을 덧대어 누빔 바느질을 하고 그 커버층은 일반 재질 또는 고온을 견디는 아라미드계 재질 등 다양한 재질의 부직포, 직물, 접착용 핫멜트가 될 수 있으며, 에어로젤 블랑켓에 용액상태의 수지를 도포하여 표피층을 형성할 수도 있다. 그 위로 별도 외피층이 형성되어 누비실 사이로 분진이 이탈 되는 것을 막으며 외피층은 다양한 형태 및 재질의 필름, 직물, 부직포, 금속박 등으로 구성될 수 있고, 외피층 또한 용액상태의 수지를 도포하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 바느질 실은 다양한 재질의 실, 가령 나일론사, 고온에 견디는 아라미드, 금속사, 탄소사, PTFE사 등으로 형성할 수 있고, 액상의 폴리이미드(후속 경화 처리나 건조 처리를 통해 폴리이미드를 형성하는 액상 물질 전반을 포함하는 개념임)와 같은 합성수지를 함침시켜 사용하여 후속적으로 단열재가 누비 원단 상태에서 누빔실 표면에 고화된 합성수지층이 이루어진 상태가 되도록 하고, 이 합성수지층이 바느질 자리에서 미세한 틈새를 메우는 역할을 하도록 할 수도 있다.
본 발명에서 예를 들어 합성수지 커버층을 폴리이미드로 형성하는 경우, 에어로젤 블랑켓에 액상의 폴리이미드를 도포하면서 고체의 폴리이미드층을 형성하기 전에 에어로젤 블랑켓 표면에서 내측으로 일정 부분 침투하도록 하는 방식 또는 에어로젤 블랑켓 표면에 가소성 폴리이미드 시트를 적층시키고 가열하여 침투가 이루어지도록 하는 방식으로 형성할 수 있다.
본 발명에서 면상발열체는 다양한 기존의 교류(AC) 혹은 직류(DC)의 면상발열체가 채택될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대해 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 단열재 110: 에어로젤 블랑켓
111: 섬유 기재 113: 에어로젤 입자
130: 커버층 140, 140', 140", 145: 바느질 실
150: 외피층 160: 면상발열체층

Claims (7)

  1. 에어로젤 입자를 포함시켜 형성한 에어로젤 블랑켓과 상기 에어로젤 블랑켓을 전반적으로 누비는데 이용한 바느질 실, 상기 에어로젤 블랑켓 표면을 감싸는 커버층을 구비하며,
    상기 에어로젤 블랑켓은 탄성부재의 인슐레이션을 구비하여 이루어지고 상기 바느질 실은 상기 에어로젤 블랑켓만을 한정하여 누비도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로젤 블랑켓 단열재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버층을 커버하는 별도의 외피층을 더 구비하고,
    상기 탄성부재는 솜 형태인 것을 특징으로 하는 에어로젤 블랑켓 단열재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버층은 액상 합성수지를 상기 에어로젤 블랑켓 일부 두께에 걸쳐 침투시켜 이루어지고,
    상기 커버층은 액상 폴리이미드나 합성수지를 상기 에어로젤 블랑켓 표면에 도포하여 형성하거나 상기 액상 폴리이미드나 상기 합성수지로 이루어진 층 위에 다시 부직포, 얇은 직물원단을 더 결합시키는 방식을 통해 형성되는 것이며,
    상기 바느질 실은 액상 폴리이미드나 합성수지가 함침된 것을 사용하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 에어로젤 블랑켓 단열재.
  4. 제 1 항의 에어로젤 블랑켓 단열재를 구비하는 기능성 복합재로서,
    상기 에어로젤 블랑켓의 한 면 위에 있는 상기 커버층 위로 면상발열체층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 기능성 복합재.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 면상발열체층은 전류가 흐르면 발열을 하는 저항성 도전층을 기재에 전면에 걸쳐 혹은 일정 패턴에 따라 부착, 인쇄, 도포 가운데 하나의 방법으로 형성한 것임을 특징으로 하는 기능성 복합재.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 면상발열체는
    금속박막으로 형성하거나 혹은 도전체 입자나 도전 섬유를 가진 점성 액체를 도포하고 건조하여 형성한 것이고,
    상기 면상발열체는 상기 바느질 실로서 상기 에어로젤 블랑켓 상, 하에 별도의 바느질 실을 이용하면서 상기 바느질 실의 일 측 바느질 실을 도전성 저항체로 형성하여 사용함으로써 이루어지는 것임을 특징으로 하는 기능성 복합재.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 면상발열체는 전기 단자를 2개 이상 복수 개소에 분포시켜 형성된 것이고,
    상기 면상발열체는 적어도 일부를 PTC(positive temperature coefficient) 물질로 한 PTC 히터를 사용하여 형성한 것임을 특징으로 하는 기능성 복합재.
PCT/KR2020/016216 2020-11-18 2020-11-18 에어로젤 블랑켓 단열재 및 이를 이용한 기능성 복합재 WO2022107904A1 (ko)

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