KR101441182B1 - 장섬유를 이용한 심재, 그 제조방법 및 이를 이용한 진공단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장섬유를 수평으로 배열하여 박막의 심재를 형성하는 한편, 상기 심재를 복수로 적층 형성함에 따라 진공단열재의 단열성능을 극대화시킬 수 있도록 한 장섬유를 이용한 심재, 그 제조방법 및 이를 이용한 진공단열재에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재용 심재의 제조방법에 있어서, 유리섬유를 소정의 길이로 형성하는 단계; 및 상기 유리섬유를 수평으로 배열한 후 보드 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러 가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재에 있어서, 평균길이 1000 ~ 5000㎛, 직경 1 ~ 7㎛의 유리섬유가 수평 배열된 박막의 유리섬유보드(111)를 구비하고, 상기 유리섬유보드(111)를 복수로 적층시켜 이루어지는 심재(110); 및 상기 심재(110)를 진공포장해주는 외피재(120);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

장섬유를 이용한 심재, 그 제조방법 및 이를 이용한 진공단열재{Core material using a long glass fiber, method for fabricating the same and vacuum insulation panel using the same}

본 발명은 진공단열재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공단열재의 단열성능을 극대화시킬 수 있는 장섬유를 이용한 심재, 그 제조방법 및 이를 이용한 진공단열재에 관한 것이다.

일반적으로, 진공단열재(V-Panel, Vacuum Insulation Panel)는 가스투과율이 낮은 외피재와 진공상태를 부여한 심재로 구성된 것으로, 이러한 진공단열재는 열 차단 효과가 매우 우수하며, 폴리우레탄이나 스티로폼 같은 기존 단열재보다 단열성능이 8배 이상 높아 최근 수요가 증가하고 있는 첨단소재이다.

이러한 진공단열재는 냉장고는 물론 건물 벽면, 도어 등의 건축용이나 냉동차량, 자판기 등 산업용으로도 용도확장이 가능하다. 특히 냉장고용 진공단열재를 에너지 효율성 향상이 강조되고 있는 냉장고의 4면에 적용할 경우 냉각효율이 개선되어 소비전력을 20%까지 감소시킬 수 있다. 아울러 냉장고 외벽을 얇게 설계할 수 있어 용적율을 30% 가까이 향상시킬 수 있다.

이와 같은 진공단열재는 기공율(80% 이상)에 의한 내부에 공극이 생기고, 이 공간의 진공상태를 유지시켜주는 가스차단필름으로 구성된 외피재와, 외피재의 공간에 수용되며 진공공간을 만들어 주는 다공성 소재의 심재와, 가스 및 수분을 흡착하는 게터(Getter)로 구성된다.

상기 외피재는 다층 폴리머와 알루미늄을 라미네이팅한 필름으로 구성될 수 있고, 심재는 유리섬유(Glass fiber) 또는 실리카 코어 등을 전처리 공정을 거쳐서 소정의 경도 및 원하는 크기를 갖도록 한 것을 사용하게 되며, 게터는 외피의 내부에 잔존하거나 새로 유입되는 가스 및 수분을 흡수하기 위한 흡기, 흡습제의 일종이다.

그러나 종래의 진공단열재는 유리섬유로 이루어진 심재가 니들링 또는 열압축 공정을 거치게 됨에 따라 제작이 어렵고, 유리섬유가 수직, 수평, 경사 등 서로 엇갈리게 배열됨에 따라 초기 성능이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 장섬유를 수평으로 배열하여 박막의 심재를 형성하는 한편, 상기 심재를 복수로 적층 형성함에 따라 진공단열재의 단열성능을 극대화시킬 수 있도록 한 장섬유를 이용한 심재, 그 제조방법 및 이를 이용한 진공단열재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 장섬유를 이용한 심재 제조방법은, 가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재용 심재의 제조방법에 있어서, 유리섬유를 소정의 길이로 형성하는 단계; 및 상기 유리섬유를 수평으로 배열한 후 보드 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 유리섬유는, 평균길이가 1000 ~ 5000㎛로 이루어진 장섬유인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유는, 직경이 1 ~ 7㎛인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유는, 유기 초극세 섬유, 흄드 실리카 파우더, 실리카 파우더, 펄라이트 파우더, 에어로젤 파우더 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유는, 습식 제조 공법(Mesh Belt), 열압착법, 무기 바인더 접착법, 니들링(Needling) 가공법 중 어느 하나에 의해 성형되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 습식 제조 공법은, 탱크에 상수를 충수하고, 이 상수에 바인더를 혼합하여 점착 용액을 조성하는 단계; 상기 용액에 유리섬유를 투입하여 유리섬유들의 점착이 이루어지도록 교반하는 단계; 상기 점착된 유리섬유를 적어도 한 쌍의 롤러 사이에 통과시켜 시트 또는 보드 형태로 압착 형성함과 아울러 수분을 제거하는 단계; 상기 수분이 제거된 유리섬유를 메쉬벨트를 통해 건조기에 투입하여 건조하는 단계; 및 상기 건조된 유리섬유를 소정의 크기로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 상수 100중량부에 대하여 바인더 1 ~ 20중량부를 투입 교반하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 바인더는, 아크릴 수지계, PVA계, 우레탄 수지계, 에폭시 수지계, 페놀 수지계, 폴리 아미드계 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유의 수분제거 및 건조단계는, 강제 배기시스템이 구비된 진공챔버 내에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 열압착법은, 400 ~ 1000℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 열압착법은, 플레이트 프레스(Plate press) 또는 벨트 프레스(Belt press)를 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 장섬유를 이용한 심재는, 상기 제조방법 중 어느 하나의 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 한다.

가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재에 있어서, 평균길이 1000 ~ 5000㎛, 직경 1 ~ 7㎛의 유리섬유가 수평 배열된 박막의 유리섬유보드를 구비하고, 상기 유리섬유보드를 복수로 적층시켜 이루어지는 심재; 및 상기 심재를 진공포장해주는 외피재;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 유리섬유보드는, 적어도 두 겹 이상 적층되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유보드는, 양측이 계단 또는 요철형상으로 적층되어 상기 유리섬유보드의 양측 일부가 서로 겹치도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유리섬유보드는, 접착제를 매개로 적층되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성에 따른 본 발명은, 소정 길이의 유리섬유를 수평으로 배열하여 박막의 심재를 형성함과 아울러 상기 심재를 복수로 적층 형성함에 따라 진공단열재의 단열 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진공단열재의 내부구성도,
도 2는 도 1의 'A'부분 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 유리섬유가 수평으로 배열 형성된 심재를 보여주는 도면대용 사진,
도 4는 본 발명에 따른 심재의 다양한 적층형상을 보여주는 측단면도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 진공단열재의 내부구성도이고, 도 2는 도 1의 'A'부분 상세도이며, 도 3은 본 발명에 따른 유리섬유가 수평으로 배열 형성된 심재를 보여주는 도면대용 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 심재의 다양한 적층형상을 보여주는 측단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 가전제품 및 건축재료로 사용되는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공단열재(100)는, 유리섬유가 수평으로 배열되어 이루어진 박막의 유리섬유보드(111)를 구비하고 상기 유리섬유보드(111)를 복수로 적층시켜 이루어지는 심재(110)와, 상기 심재(110)를 진공포장해주는 외피재(120)를 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

심재(110)는 유리섬유를 소정의 길이로 형성하는 한편, 상기 유리섬유를 수평으로 배열한 후 유리섬유보드(111) 형태로 성형하게 된다.

이 경우 상기 유리섬유는 평균 직경이 1 ~ 7㎛으로 형성될 수 있다. 즉 유리섬유의 직경이 1㎛ 미만으로 형성될 경우 습식제조법으로 형성되는 심재(110)의 기공율이 너무 작아져 단열성능이 저하된다. 이에 반해 유리섬유의 평균 직경이 7㎛를 초과할 경우에는 기공 크기가 커지기 때문에 장기 내구성이 저하될 수 있는 우려가 있다.

아울러 상기 유리섬유는 적어도 1000㎛ 이상, 바람직하게는 3000 ~ 5000㎛(동적 영상 분석법에 의해 측정) 길이의 장섬유로 형성될 수 있다. 즉 유리섬유를 3000 ~ 5000㎛ 이내의 길이로 형성하는 경우 유리섬유의 수평 배열이 최적화됨에 따라 열전도율의 개선 효과가 커지게 되며, 이에 따라 진공단열재의 단열성능을 향상시킬 수 있게 된다.

다시 말해, 유리섬유를 1000㎛ 이하의 길이로 형성하는 경우에는 심재를 구성하는 유리섬유가 수직, 수평, 경사 등 서로 엇갈리게 배열됨에 따라 초기성능이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 반대로 유리섬유를 5000㎛ 이상의 길이로 형성하는 경우에는 유리섬유를 수평으로 배열 및 성형 공정을 진행하는데 어려움이 따르게 된다.

또한 유리섬유는 장기 내구성을 증진시킬 수 있도록 유기 초극세 섬유, 흄드 실리카 파우더, 실리카 파우더, 펄라이트 파우더, 에어로젤 파우더 중 하나 이상을 선택적으로 포함하여 이루어질 수 있다.

이와 같은 상기 유리섬유는, 습식 제조 공법(Mesh Belt), 열압착법, 무기 바인더 접착법, 니들링(Needling) 가공법 중 어느 하나에 의해 심재(110)로 제조될 수 있다.

상기 복수의 제조 공법 중 습식 제조 공법에 대해 설명해보면, 먼저 탱크에 상수를 충수하고, 이 상수에 바인더를 혼합하여 점착 용액을 조성한다. 그리고 상기 용액에 유리섬유를 투입하여 유리섬유들의 점착이 이루어지도록 교반한다.

그런 다음, 상기 점착된 유리섬유를 적어도 한 쌍의 롤러 사이에 통과시켜 시트 또는 보드 형태로 압착형성함과 아울러 수분을 제거한 다음, 수분이 제거된 유리섬유를 메쉬벨트를 통해 건조기에 투입하여 건조한다. 이 경우 상기 건조기의 온도는 약 300℃ 전후가 적당하다.

여기서, 바람직하게는 상기 유리섬유의 수분제거 및 건조단계는, 강제 배기시스템이 구비된 진공챔버 내에서 이루어지게 된다.

건조과정이 완료되면, 상기 건조된 유리섬유를 소정의 크기로 절단 형성한 다음, 복수로 적층해주면 본 발명에 따른 심재(110)의 제조가 완성된다.

이 경우 상기 바인더는 상수 100중량부에 대하여 1 ~ 20중량부를 투입 교반하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 바인더는 아크릴 수지계, PVA계, 우레탄 수지계, 에폭시 수지계, 페놀 수지계, 폴리 아미드계 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

다른 제조 공법으로, 상기 심재(110)는 바인더에 의해 결합된 유리섬유를 소정의 열압착을 통해 유리섬유를 소정의 형상으로 압착 형성해줌과 동시에 바인더를 가열 제거해주는 열압착법을 통해 제조될 수 있다.

이 경우 상기 유리섬유를 결합해주는 바인더는 가용성 규산소다, 알루미나 졸, 실리카 졸, 알루미늄 포스페이트 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

또한 유리섬유보드(111)의 제조를 위해 유리섬유에 포함된 바인더를 고온으로 가열 제거해주는 열압착 공정은, 400 ~ 1000℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. 즉 400℃ 미만의 온도에서 열압착 공정을 실시하는 경우 바인더를 효율적으로 가열 제거하기가 어려우며, 아울러 유리섬유 조직의 변형이 제대로 이루어지지 않아 압착 효율이 떨어지게 된다. 이에 반해 가열온도가 1000℃를 초과하는 경우에는 심재(110)를 제조하는데 비용이 과다하게 소요되는 등의 부담이 있다.

상기 열압착 공정은 플레이트 프레스(Plate press) 또는 벨트 프레스(Belt press)와 같은 장비를 이용하여 실시할 수 있다.

이와 같은 공정을 통해 성형제조되는 유리섬유보드(111)는 적어도 두 장 이상 적층되어 심재(110)를 구성할 수 있다. 여기서, 바람직하게는 상기 복수의 유리섬유보드(111)는 접착제를 매개로 적층될 수 있다.

외피재(120)는 상기와 같은 공정을 통해 제조된 심재(110)를 진공 포장해주는 역할을 한다. 여기서, 바람직하게는 이와 같은 외피재(120)는 내측에서 외측으로 접착층(121), 금속배리어층(123), 표면보호층(125)의 적층구조를 가지게 된다.

좀더 구체적으로, 접착층(121)은 히트 실링에 의해 열용착되는 층으로, 진공상태를 유지시켜주는 역할을 한다. 이와 같은 접착층(121)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 미연신 폴리프로필렌(CPP), 연신 폴리프로필렌(OPP), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리염화비닐(PVC), 에틸렌-아세트산비닐공중합체(EVA) 및 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH) 중 선택된 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 접착층(121)은 충분한 실링 특성을 제공할 수 있도록 1 ~ 100㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 접착층(121)의 상부에는 가스 차단 및 심재(110)를 보호하기 위한 금속배리어층(123)이 적층된다. 여기서, 바람직하게는 이와 같은 금속배리어층(123)은 6 ~ 7㎛ 두께로 형성될 수 있으며, 알루미늄 호일 재질로 이루어질 수 있다.

아울러 금속배리어층(123)의 상부에는 표면보호층(125)이 적층된다. 표면보호층(125)은 금속 재질로 이루어진 금속배리어층(123)의 접힘 시 크랙 발생을 방지해주는 역할을 한다. 여기서, 바람직하게는 상기 표면보호층(125)은 10 ~ 14㎛ 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와, 20 ~ 30㎛ 두께의 나일론(Nylon)이 적층되는 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 진공단열재(100)를 구성하는 유리섬유보드(111)는 적어도 두 겹 이상 적층되되, 양측이 계단 또는 요철형상으로 적층될 수 있다. 즉 상기 유리섬유보드(111)의 양측 일부가 서로 겹치도록 적층 구성함에 따라 설치하는 대상의 면적에 맞게 진공단열재(100)를 여러 장 연이어 시공 설치할 수 있으며, 이에 따라 이음매 부분의 단열성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이 경우 상기 유리섬유보드(111)의 이음매는 접착제를 매개로 견고하게 결합시킬 수 있다.

<단열 성능 실험 및 평가 >

아래의 표에 나타난 바와 같은 조건으로 유리섬유의 길이에 따른 단열 성능을 실험해보기로 한다.

먼저, 길이가 각각 1048㎛, 3012㎛와 같이 서로 다르게 이루어진 유리섬유를 이용하여 두 가지 경우의 박막 유리섬유보드를 제조한 후, 이를 12겹으로 적층 형성한다. 그런 다음, 상기 각각의 유리섬유보드를 동일한 온도의 환경에서 소정의 시간 동안 열을 가해주면서 이때의 열전도율을 확인한 결과 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

	유리섬유보드 12겹(1.0m)	유리섬유보드 12겹(1.0m)
유리섬유 길이(㎛)	1048	3012
열전도율(mW/mk)	2.86	2.40

유리섬유의 길이를 1048㎛로 형성하여 제조한 유리섬유보드의 경우 열전도율이 2.86mW/mk 인데 반해, 유리섬유의 길이를 3012㎛로 형성하여 제조한 유리섬유보드의 경우 열전도율이 2.40mW/mk로 측정되었다.

즉 유리섬유의 길이를 길게 형성한 샘플이 그렇지 않은 샘플과 비교하였을 때 단열 성능이 16% 이상 개선된 것을 확인할 수 있었다.

100 : 진공단열재 110 : 심재
111 : 유리섬유보드 120 : 외피재

Claims (16)

1. 가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재용 심재의 제조방법에 있어서,
   유리섬유를 소정의 길이로 형성하는 단계; 및
   상기 유리섬유를 수평으로 배열한 후 보드 형태로 성형하는 단계;를 포함하고,
   상기 유리섬유는 습식 제조 공법(Mesh Belt), 열압착법, 무기 바인더 접착법, 니들링(Needling) 가공법 중 어느 하나에 의해 성형되되,
   상기 습식 제조 공법은,
   탱크에 상수를 충수하고, 이 상수에 바인더를 혼합하여 점착 용액을 조성하는 단계;
   상기 용액에 유리섬유를 투입하여 유리섬유들의 점착이 이루어지도록 교반하는 단계;
   상기 점착된 유리섬유를 적어도 한 쌍의 롤러 사이에 통과시켜 시트 또는 보드 형태로 압착 형성함과 아울러 수분을 제거하는 단계;
   상기 수분이 제거된 유리섬유를 메쉬벨트를 통해 건조기에 투입하여 건조하는 단계; 및
   상기 건조된 유리섬유를 소정의 크기로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유리섬유는,
   평균길이가 1000 ~ 5000㎛로 이루어진 장섬유인 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 유리섬유는,
   직경이 1 ~ 7㎛인 것을 특징으로 하는 유리섬유를 이용한 심재 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유리섬유는,
   유기 초극세 섬유, 흄드 실리카 파우더, 실리카 파우더, 펄라이트 파우더, 에어로젤 파우더 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 상수 100중량부에 대하여 바인더 1 ~ 20중량부를 투입 교반하는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는,
   아크릴 수지계, PVA계, 우레탄 수지계, 에폭시 수지계, 페놀 수지계, 폴리 아미드계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 유리섬유의 수분제거 및 건조단계는,
   강제 배기시스템이 구비된 진공챔버 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 열압착법은,
    400 ~ 1000℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 열압착법은,
    플레이트 프레스(Plate press) 또는 벨트 프레스(Belt press)를 이용하는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재 제조방법.
12. 제1항 내지 제4항, 제7항 내지 제11항 중 어느 하나의 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 장섬유를 이용한 심재.
13. 가전제품 및 건축재료로 사용되는 진공단열재에 있어서,
    제1항 내지 제4항, 제7항 내지 제11항 중 어느 하나의 제조방법에 따라 제조된 유리섬유보드(111)를 복수로 적층시켜 이루어지는 심재(110); 및
    상기 심재(110)를 진공포장해주는 외피재(120);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진공단열재.
14. 제13항에 있어서,
    상기 유리섬유보드(111)는,
    적어도 두 겹 이상 적층되는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
15. 제14항에 있어서,
    상기 유리섬유보드(111)는,
    양측이 계단 또는 요철형상으로 적층되어 상기 유리섬유보드(111)의 양측 일부가 서로 겹치도록 한 것을 특징으로 하는 진공단열재.
16. 제13항에 있어서,
    상기 유리섬유보드(111)는,
    접착제를 매개로 적층되는 것을 특징으로 하는 진공단열재.

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