KR20030072717A

KR20030072717A - 진공단열재 판넬 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20030072717A
Application number: KR1020020011879A
Authority: KR
Inventors: 김봉구; 이병무
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-19

Abstract

본 발명은 진공 단열재 판넬 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 진공 단열재 내부심재는 유리섬유를 사용하고 외부포장재로는 알미늄을 증착한 고진공용 다층 필름을 사용하여 포장하고, 그 안에 유기물 가스 및 수분 흡착제인 게터제를 삽입하여 진공배기한 진공단열재에 관한 것이다.

본 발명에 의한 진공 단열재 판넬은 가볍고 취급이 용이하며 외포장재 접합부의 진공파괴 위험요소가 감소하고, 또한 우수한 단열효과를 나타낸다.

Description

진공단열재 판넬 및 그의 제조방법{The vacuum heat insulator and process for preparing the same}

본 발명은 진공단열재 판넬 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공단열재 내부심재로 유리섬유를 사용하고 외포장재로 알미늄을 증착한 고진공용 다층필름을 사용하고, 그 안에 게터제를 삽입하고 진공배기한 진공단열재 판넬 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

진공 단열재는 다공성 충진물과 이를 싸고 있는 차단성 외피로 구성되는데, 외피 내부의 기체를 제거하여 진공상태를 수년이상 유지함으로써 매우 낮은 열전도도를 갖게 된다. 상기 진공 단열재는 그 단열성능이 내부의 진공에 의존하는 것이므로, 진공도의 저하에 따라 단열성능도 저하하게 된다. 상기에서 다공성 충진물은 구조상 미세한 공간이 상호연결되어 있어 원활한 배기가 가능하고, 겉보기 밀도가 낮으면서도 압력차에 의한 압착력을 견딜 수 있어야 하며, 외피는 기체투과를 차단하면서도 자체로 융착성이 있어야 한다.

즉, 진공 단열재로 적용가능한 충진물은 개방된 셀의 다공성 구조를 가지면서도 셀의 부피분율이 매우 커서 내부의 공기가 효과적으로 배출될 수 있어야 한다. 이 경우 공기에 의한 열전도가 무시할 만큼 작아지므로, 고체 열전도와 방사 열전도에 의해서 진공 단열재의 전체 열전도가 결정된다.

일반적으로, 진공 단열재에 사용되는 내부심재는 유리섬유로 사용하고 외포장재는 스테인레스 극박판(STS)을 사용하며, 그의 두께가 50~80㎛이다. 상기한 외포장재로 금속재료를 사용하면 금속재료는 가스를 거의 투과하지 않으므로 진공도 유지성이 양호하여서 단열성능의 저하가 없다. 그러나, 상기 진공단열재는 판넬의 밀도가 200~300kg/㎥ 정도로 무게가 무거워 취급이 용이하지 못하며, 진공단열재 접합부분의 날카로움에 위험요소를 갖고 있다. 또한, 스테인레스 극박판의 접합부에 용접의 불량이 많고 진공 단열재의 날개부분을 접히면 스테인레스 극박판의 접합부에서 진공파괴가 자주 발생하는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 진공 단열재를 연구하였고, 이에 진공 단열재의 내부심재는 유리섬유로 사용하고, 외포장재는 알미늄을 증착한 고진공용 다층 필름을 적용하여 감싸고, 그 안에 유기물 가스 및 수분 흡착제인 게터를 삽입하여 진공배기한 진공 단열재 판넬을 제조하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 진공 단열재보다 가볍고 취급이 용이하며 외포장재 접합부의 진공파괴 위험요소가 감소하고, 또한 우수한 단열효과를 나타내는 진공 단열재 판넬의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 진공 단열재 판넬의 구조를 나타낸다.

[도면의 부호에 대한 설명]

1: 알미늄을 증착한 고진공용 다층 필름

2: 유리섬유

3: 진공 단열재를 감싼 외포장재 접합부

4: 게터제

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 진공 단열재 판넬은 내부 심재로 유리섬유를 사용하고, 외포장재는 알미늄을 증착한 고진공용 다층 필름을 사용하여 포장하고, 그 안에 유기물 가스 및 수분 흡착제인 게터를 삽입하여 진공배기하여 제조한다.

보다 상세하게는, 1차적으로 100℃이상부터 유리섬유 조성 변형온도 이하의 온도로 유리섬유를 일정시간 가열하여 진공 단열재 내부심재인 유리섬유에 잔존하는 수분 및 기타 유기물을 제거하는 단계; 1차 가열 후 2차적으로 유리섬유 조성 변형온도 510℃이하의 고온으로 가열하며, 일정시간동안 적정두께로 가압, 적층하는 단계; 내부심재인 가압, 적층된 유리섬유를 알미늄이 증착된 고진공용 다층필름으로 감싸는 단계; 및 상기 필름내부에 유기물 가스 및 수분 흡착제인 게터제를 삽입하여 진공배기하는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명에 의한 진공단열재 판넬은 외포장재로 알미늄을 증착한 고 진공용 다층필름, 즉 플라스틱 필름을 사용하기 때문에 종래의 스테인레스 극박판을 외포장재로 사용한 진공 단열재보다 가볍고 취급에 위험요소가 없어 용이하며, 외포장재 접합부의 불량으로 인한 진공파괴도 줄일 수 있다. 또한, 알미늄을 증착한 고진공용 다층필름을 사용하여 스테인레스 극박판을 적용한 것 보다 외포장재 비용을 50% 이상을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

1) 유리섬유에 잔존하는 수분 및 기타 유기물을 제거하기 위해 1차적으로 100℃이상에서부터 유리섬유 조성 변형온도 510℃이하의 온도로 유리섬유를 일정시간 동안 가열하는 단계.

상기 온도는 100℃이상에서부터 유리섬유 조성 변형온도 510℃를 넘지 않는 온도로 가열하며, 바람직하게는 150℃로 가열하여 잔존하는 수분 및 기타 유기물을 제거한다. 또한, 가열시간은 60분동안 충분히 가열한다.

2) 1차 가열 후, 2차적으로 유리섬유 조성 변형온도 이하의 고온으로 가열하며, 일정시간동안 적정 두께로 가압하는 단계.

상기에서 가열온도는 유리섬유 조성 변형온도 510℃이하로 하며, 바람직하게는 400℃이다. 또한, 두께는 단열재 사용자의 조건에 따라 조절될 수 있으며, 바람직하게는 13~20㎜이다. 가압시간은 60분동안 충분히 지속하고 진공배기시에 압축된 유리섬유가 부풀어 오르지 않게 하여 외포장재 접착부의 불량발생을 방지한다. 상기에서 가압력은 1~2㎏/㎠로 한다.

한편, 상기에서 직경이 12㎛이하인 유리섬유를 내부심재로 사용하면 가압, 적층된 유리섬유간의 공극이 아주 작고 100% 개방되어 있기 때문에 고진공으로 배기시 유리하며, 내부진공도가 매우 낮아진다. 또한, 개방된 공극이 매우 작기 때문에 단열특성인 복사(λradiation)의 영향을 최소화하여 우수한 단열성을 갖고, 유리섬유 자체의 열전도율도 낮기 때문에 상기 내부심재를 유리섬유로 사용한 진공단열재를 냉동, 냉장고에 적용하면 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.

3) 내부심재인 가압, 적층된 유리섬유를 알미늄이 증착된 고진공용 다층필름으로 감싸는 단계.

상기에서 내부심재인 가압, 적층된 유리섬유를 외포장재로 알미늄이 증착된 고진공용 다층필름을 사용하여 열손실을 방지할 수 있으며, 총 두께는 100㎛이하, 바람직하게는 80~94㎛이다. 상기 고진공용 다층필름의 구성은 제일 외부쪽에 나일론(Nylone), 그 안쪽으로 VM-PET / Al foil / HDPE순으로 라미네이트 접착하여 다층필름을 제조하며, 바람직하게는 4층 필름으로 제조한다. 상기에서 제조된 외포장재 다층필름으로 내부심재를 감싸게 될 때 다층필름이 열접착되는 부분 즉, 가장 안쪽부분의 필름의 재질은 HDPE 재질 이외에 LLDPE, CPP 재질도 가능하다. 각 층의라미네이트 필름의 바람직한 두께는 나일론은 15~20㎛, VM-PET는 10~15㎛, Al foil은 5~9㎛이고, 제일 안쪽에서 내부심재를 감싸며 서로 열접착되는 HDPE, LLDPE 및CPP는 50㎛으로, 다층필름의 총 두께는 80~94㎛으로 한다. 또한, 상기 다층필름의 알루미늄 증착방법은 화학적 증기 증착방법을 사용한다.

4) 상기 내부심재를 감싸고 있는 다층필름 내부에 유기물 가스 및 수분흡착제인 게터제를 삽입하여 진공배기하는 단계.

진공단열재의 성능은 내부압력에 의하여 영향을 받기 때문에, 본 발명의 진공단열재에서 다층필름의 알미늄 증착막 및 VM-PET층은 물과 대기가스를 차단하는 기능을 갖고 있다. 그러나, 열접착층인 HDPE, LLDPE, CPP 수지층은 시간의 경과에 따라 O₂, N₂, CO₂, 가스 등이 접착면을 따라 내부로 침투하여 내부압력이 서서히 상승하게 된다. 따라서, 상기 가스 성분들을 흡착할 수 있는 게터제(getter)를 사용한다. 상기에서 사용될 수 있는 게터제는 화학적 게터제 및 물리적 게터제가 있다. 상기 화학적 게터제는 SAES GETTERS사의 COMBOGETTER^TM을 사용했으며, 게터제 포장지를 개봉 후 1~2분 이내에 미리 홈을 파놓은 내부심재의 게터제 삽입부에 삽입한다.

상기 COMBOGETTER^TM의 구성은 1) 실온에서 다량의 질소에 대한 효과적인 화학흡착성능을 갖는 BaLi₄알로이, 2) 상기 BaLi₄알로이 게터입자가 수분에 영향을 받지 않고, 질소와 그외 다른 가스를 효과적으로 흡착할 수 있도록 감싸고 있는 수분흡수에 효과적인 건조제 CaO나 BaO, 3) 진공단열재 내부의 H₂와 기타 유기물 가스를 제거하는 cobalt oxide(Co₃O₄)로 구성된다. 최적의 흡착성능을 갖도록 상기 세가지환성물질로 배합하고, 스테인레스스틸 컵(직경 28㎜, 높이 6.5㎜인 원통형)에 압착시켜 사용하기 편리하게 구성되어 있다.

한편, 상기 물리적 게터제의 구성은 1) 수분 및 CO₂가스를 흡수하는 CaO나 MgO, 2) N₂나 O₂를 흡수하는 pore size가 4Å인 MOLECULAR SIEVE를 사용하여 길이 100㎜, 직경 30㎜인 원기둥형의 부직포 주머니에 넣어 고온건조 조건에서 제조하여 완성한다.

상기 화학적, 물리적 게터제는 진공단열재 제조공정 중의 잔존가스의 방출과정과 진공단열재 제조 후의 다층필름의 구조와 성분에 따라 필름 열점착 POLYMER LAYER와 다층필름의 전표면을 통해서 가스가 유입될 수 있는 부분을 상기 게터제가 막아준다. 상기 게터제는 작업공정의 편리상 내부심재 가장자기(edge)에 홈을 파고 삽입한다.

또한, 상기에서 사용되는 진공배기방법은 미리 열접착기계로 3면을 열점착하여 포장된 다층필름안에 게터제를 삽입한 내부심재를 넣은 후, 열접착 기능을 가진 일정크기의 진공챔버 안에 나머지 외포장지 1면을 진공챔버의 열접착면에 걸쳐 놓은 다음, 진공챔버의 덮개를 덮고 원하는 진공도로 감압한다. 이때, 나머지 1면으로 내부에 잔존하는 가스들이 진공챔버 외부로 방출되고 원하는 내부압을 유지하면 열접착 기능이 작동되어 진공단열재를 완성한다.

또한, 상기 외포장재 열접착 방법은 통상의 열접착기를 이용하여 열접착되는 수지가 열분해 되지 않는 접착력이 가장 우수한 온도에서 일정시간 압착하여 접착한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 진공단열재 판넬은 내부 심재인 유리섬유(2), 알미늄을 증착한 고진공용 다층필름(1), 상기 진공 단열재를 감싼 외포장재의 접합부(3), 및 게터제(4)로 이루어진다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 좀더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1~3 및 비교예 1~3] 본 발명의 진공단열재의 열전도율을 측정하기 위해, 하기 표 1의 구성으로 실시예 및 비교예 1~3를 제조하였다.

실시예 1

두께 13㎜의 유리섬유(glass fiber)를 내부심재로 사용하여 150℃의 온도에서 60분동안 가열하여 수분, 유기물 등을 제거하였다. 그 후, 상기 유리섬유를 400℃에서 1.5㎏/㎠의 압력으로 60분동안 압축하였다.

고진공용 다층필름으로서 나이론 / VM-PET / Al foil / HDPE을 접착하여 제조된 다층필름(두께 85㎛)를 사용하여 화학적 증기 증착방법으로 알루미늄 층을 증착하였다. 상기 다층필름에서 나일론은 17㎛, VM-PET은 13㎛, Al foil은 5㎛, HDPE은 50㎛의 두께로 제조되었다.

상기 필름으로 상기 압축된 유리섬유를 감싸고 게터제로서 COMBOGETTER^TM을삽입하고 5.8×10^-5torr로 진공배기하여 진공단열재를 제조하였다.

실시예 2

상기 실시예 1의 다층필름에서 HDPE 대신 LLDPE를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 진공단열재를 제조하였다.

실시예 3

상기 실시예 1의 다층필름에서 HDPE 대신 CPP를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 진공단열재를 제조하였다.

비교예 1

게터제를 사용하지 않고 외포장재로 STS 극박판을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 진공단열재를 제조하였다.

비교예 2

내부심재로 100% open cell PU foam을 사용하고 외부포장재는 알미늄을 다층수지 필름사이에 증착한 고진공용 다층필름으로 감싸며, 내부심재로 사용되는 PU foam에서는 유기물가스가 서서히 발생하여 내부압에 나쁜 영향을 미치기 때문에 이를 제거하기 위해 게터제를 삽입하였다. 그 후, 3.75×10^-5torr로 진공배기하여 진공단열재를 제조하였다.

비교예 3

게터제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 진공단열재를 제조하였다.

구 분	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3
내부심재	유리섬유	유리섬유	100%open cell PU foam	유리섬유
필름	Al foil적층 다층필름	STS	Al foil적층 다층필름	Al foil적층 다층필름
게터제	있음	없음	있음	없음
진공도(torr)	5.8 ×10^-5	5.8 ×10^-5	3.75 ×10^-2	5.8 ×10^-5

상기 실시예 1 및 비교예 1~3 진공단열재의 열전도율을 상온에서 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구 분	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3
열전도율(㎉/m.h.℃)	0.0020	0.0020	0.0070	0.0030

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 진공단열재는 고진공용 다층필름 접합부로 가스침투가 서서히 일어나 진공단열재 내부에 나쁜 영향을 주는 것을 게터제를 삽입하여 제거했기 때문에 종래의 STS 외포장재를 적용한 진공단열재와 성능이 유사함을 확인하였다.

한편, 실시예 1과 같이 외포장재가 알미늄을 증착한 다층수지 필름일 경우는 가볍고 취급이 용이하며 가격경쟁력이 있어 냉동, 냉장고에 적용하기에 유리한 반면, 비교예 1의 경우는 외포장재 STS 극박판의 높은 가격으로 가격경쟁력이 떨어지고 성능대비 진공단열재 취급이 용이하지 못한 단점이 있다. 또한, 비교예 2의 경우는 취급이 용이하고 가격경쟁력이 있으나 단열성능면에서 불리하여 냉동, 냉장고의 소비전력을 낮추는데 한계가 있으며, 비교예 3은 취급이 용이하고 가격경쟁력이있으나 게터제를 삽입하지 않아 고진공용 다층필름 접합부로 가스침투가 서서히 일어나 열전도율이 떨어진다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 진공 단열재 판넬은 종래의 외포장재를 스테인레스 극박판을 적용한 진공단열재보다 가볍고 취급이 용이할 뿐만 아니라, 단열효과도 우수하고, 냉동, 냉장고 기능을 갖는 제품의 단열재로 사용하여 에너지 소비를 절전할 수 있다.

Claims

진공 단열재의 내부심재인 유리섬유를 외포장재인 알미늄을 증착한 고진공용 다층필름으로 감싸고, 그 안에 유기물 가스 및 수분 흡착제인 게터제를 삽입하여 진공배기한 것을 특징으로 하는 진공 단열재 판넬.
제 1항에 있어서, 상기 다층필름은 라미네이트된 수지 사이에 알미늄을 증착하여 총 두께가 100㎛ 이하임을 특징으로 하는 진공 단열재 판넬.
제 1항에 있어서, 상기 게터제는 화학적 게터제 또는 물리적 게터제임을 특징으로 하는 진공 단열재 판넬.