KR20150047759A - 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 전달된 열을 분산시키는 히트스프레더; 상기 히트스프레더에 접착되고, 다수의 개구들을 갖는 패턴 형상인 접착 시트; 상기 히트스프레더에서 분산된 열을 시간적으로 지연시켜 전도시키며, 상기 다수의 개구들에 충진된 열지연부; 및 상기 접착 시트에 접착되며, 상기 열지연부에서 시간 지연되어 전도된 열을 포집하여 단열시키는 단열부를 포함한다.

Description

하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법{Hybrid Heat Insulation Sheet and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 단열 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전달된 열에 의해 상변화되는 상변화 물질의 외부 누수를 방지할 수 있도록 상변화 물질이 구속되어 있는 다수의 개구를 갖는 접착 시트를 히트스프레더와 단열부 사이에 개재시킴으로써, 열분산, 열지연, 단열을 순차적으로 진행하여 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 휴대용 단말기를 비롯한 전자제품이 지속적으로 발전하고 있으며, 전자제품은 사용자의 요구에 따라 고성능화 및 다기능화가 촉진되고 있다.

특히, 휴대용 단말기는 사용자의 휴대성 및 편리성을 극대화하기 위하여, 소형화 및 경량화가 필수적이고, 고성능을 위하여 점점 작은 공간에 집적화된 부품들이 실장되고 있다. 이에 따라 휴대용 단말기에 사용되는 부품들은 고성능화로 발열 온도가 높아지고, 이 높아진 발열 온도는 인접된 부품들에 영향을 인가하여 휴대용 단말기의 성능을 저하시키는 문제점을 야기시킨다.

이러한 발열에 의해 문제를 해결하기 위해서 다양한 단열 소재들이 휴대용 단말기에 적용되었으나, 현재까지도 두께가 얇고 단열 성능이 우수한 최적의 단열 소재가 개발되지 않아 단열에 대한 다양한 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있다.

한국 등록특허공보 제10-1134880호에는 엘씨디의 전면에 배치되는 단열필름을 포함하여 구성된 단열필름을 구비한 휴대용 단말기가 개시되어 있어, 휴대용 단말기로부터 발생되는 열이 엘씨디를 통해 사용자의 안면부로 전달됨을 방지할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이러한 단열필름은 그 구성이 구체적이지 않고, 단열성능을 알 수 없어, 최근의 고성능화된 휴대용 단말기에서 발생되는 열 문제를 해결할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 슬림화가 가능하고 단열 성능을 우수하게 할 수 있는 단열 기술에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 열분산, 열지연, 단열을 순차적으로 수행할 수 있는 단열 시트의 구조적인 특징을 도출하여 발명함으로써, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다.

한국 등록특허공보 제10-1134880호

본 발명은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 상변화 물질이 구속되어 있는 다수의 개구를 갖는 접착 시트를 히트스프레더와 단열부 사이에 개재시켜, 전달된 열에 의해 상변화되는 상변화 물질의 외부 누수를 방지할 수 있는 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 열을 차단할 수 있는 다 기능의 구조를 하이브리드하여 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열분산, 열지연, 단열을 순차적으로 수행할 수 있고, 경박화가 가능한 구조를 적용하여 초박형 및 초슬림화된 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 3차원 네트워크 구조로 배열된 나노 섬유 웹을 단열 시트에 포함시켜, 열 포집 능력이 큰 나노 섬유 웹의 3차원의 나노 크기의 미세 기공으로 단열 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 단열 시트 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는, 전달된 열을 분산시키는 히트스프레더; 상기 히트스프레더에 접착되고, 다수의 개구들을 갖는 패턴 형상인 접착 시트; 상기 히트스프레더에서 분산된 열을 시간적으로 지연시켜 전도시키며, 상기 다수의 개구들에 충진된 열지연부; 및 상기 접착 시트에 접착되며, 상기 열지연부에서 시간 지연되어 전도된 열을 포집하여 단열시키는 단열부;를 포함하는 하이브리드 단열 시트를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는, 히트스프레더에 접착 시트를 접착시키는 단계; 상기 접착 시트를 패터닝하여 다수의 개구들을 갖는 패턴된 접착 시트를 형성하는 단계; 상기 패턴된 접착 시트의 다수의 개구들에 상변화 물질의 분말을 충진하는 단계; 핫 플레이트에 상기 히트스프레더를 올려놓고, 상기 핫 플레이트의 온도로 상기 상변화 물질의 분말을 액체 상태의 상변화 물질로 만드는 단계; 상기 히트스프레더를 상기 핫 플레이트에서 이탈시켜, 상기 액상의 상변화 물질을 고체 상태인 필름 형태의 상변화 물질로 상변화시키는 단계; 및 상기 패턴된 접착 시트에 단열부를 접착시키는 단계;를 포함하는 하이브리드 단열 시트의 제조 방법을 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 히트스프레더에 다수의 개구를 갖는 접착 시트를 접착시킨 후, 개구 내부에서 상변화 물질을 구속시킴으로써, 전달된 열로 인하여 액체로 상변화되는 상변화 물질의 외부 누수를 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서는 발열 부품에서 발생된 열을 분산시키는 구조, 분산된 열을 시간적으로 지연시키는 구조, 및 열을 포집하여 열차단시키는 구조가 적층된 다층 구조를 갖는 하이브리드 단열시트를 구현하여 단열 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서는 전기 방사된 나노 섬유가 3차원 네트워크 구조로 배열된 나노 섬유 웹의 단열 시트를 채택하여, 열 포집 능력이 큰 나노 섬유 웹의 3차원의 나노 크기의 미세 기공으로 단열 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있다.

본 발명에서는 열 전도 시간을 지연할 수 있는 상변화 물질이 포함된 단열 시트를 열을 분산 및 단열시킬 수 있는 시트와 하이브리드하여, 열 차단 효율을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.

본 발명에서는 열분산, 열지연, 단열을 순차적으로 수행할 수 있어 단열 성능이 우수하여 고성능의 전자 제품에 장착할 수 있고, 이와 동시에, 3층 구조의 두께를 얇게 할 수 있어 초박형 및 초슬림화된 휴대용 단말기를 포함한 전자 제품에도 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 개략적인 단면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 제조 방법의 일부 공정의 변형례를 설명하기 위한 개략적인 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 단열부로 적용되는 나노 섬유 웹과 부직포의 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 6은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트에서의 열흐름을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 7은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트에 적용된 나노 섬유 웹을 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

후술하는 본 발명의 하이브리드 단열 시트는 휴대단말기, 냉장고 및 건축물에 적용할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 다른 산업 분야에 사용되는 단열재에도 이와 동일하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 개략적인 단면도이고, 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 제조 방법의 일부 공정의 변형례를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 후술된 바와 같이, 히트스프레더(Heat spreader), 열지연부, 및 단열부를 포함한다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 바람직한 구조를 설명하면, 전달된 열을 분산시키는 히트스프레더(210); 상기 히트스프레더(210)에 접착되고, 다수의 개구들을 갖는 패턴 형상인 접착 시트(211a); 상기 히트스프레더(210)에서 분산된 열을 시간적으로 지연시켜 전도시키며, 상기 다수의 개구들에 충진된 열지연부(215); 및 상기 접착 시트(211a)에 접착되며, 상기 열지연부(215)에서 시간 지연되어 전도된 열을 포집하여 단열시키는 단열부(217);를 포함한다.

여기서, 히트스프레더(210)는 Cu 재료의 플레이트, 열지연부(215)는 상변화 물질의 필름, 단열부(217)는 나노 섬유 웹으로 적용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 히트스프레더(210)에서 전도된 열을 분산시키고, 열지연부(215)에서 시간적으로 지연시켜 단열부(217)로 열을 전도하고, 단열부(217)에서 전도된 열을 포집하여 열 차단함으로써, 단열 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 제조 방법은 히트스프레더(210)에 접착 시트(211)를 접착시키고(도 2a), 접착 시트(211a)를 패터닝하여 다수의 개구들(211b)을 갖는 패턴된 접착 시트(211a)를 형성한다(도 2b). 여기서, 도 2a 및 도 2b 공정 대신에, 히트스프레더(210)에 다수의 개구들(211b)을 갖는 패턴된 접착 시트(211a)를 직접 접착시킬 수도 있다.

그후, 패턴된 접착 시트(211a)의 다수의 개구들(211b)에 열지연부인 상변화 물질의 분말(212)을 충진(도 2c)한 다음, 핫 플레이트(220)에 히트스프레더(210)를 올려놓고 핫 플레이트(220)의 온도로 상변화 물질의 분말(212)을 액체 상태의 상변화 물질(213)로 만든다(도 2d). 그다음, 히트스프레더(210)를 핫 플레이트(220)에서 이탈시켜, 필름 형태의 상변화 물질(215a)을 형성한다. 여기서, 대략 상온에서 액상의 상변화 물질(213)은 고체 상태인 필름 형태의 상변화 물질(215a)로 상변화된다. 계속하여, 패턴된 접착 시트(211a)에 단열부(217)를 접착시킨다.

또한, 본 발명에서는 히트스프레더(210)에 이형지가 접착된 접착 시트(211)를 접착시키고(접착 시트(211) 일면에 이형지가 접착되어 있고, 접착 시트(211) 타면에 히트스프레더(210)가 접착된다.), 이형지 및 접착 시트(211)를 패터닝하여 도 3a와 같이, 다수의 개구들(219a,211b)을 각각 형성된 패턴된 이형지(219) 및 접착 시트(211a)를 형성한다. 이어서, 패턴된 이형지(219) 및 접착 시트(211a)의 다수의 개구들(219a,211b)에 열지연부인 상변화 물질의 분말(212)을 충진(도 3b)하는 공정을 수행한 다음, 핫 플레이트에서 필름 형태의 상변화 물질로 상변화시키는 공정을 수행할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 도 2a 내지 도 2c의 공정 대신에, 도 3a 및 도 3b의 공정을 수행할 수 있다. 여기서, 도 3b에서 상변화 물질의 분말(212)은 패턴된 이형지(219) 및 접착 시트(211a)의 다수의 개구들(219a,211b) 모두에 충진될 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 히트스프레더(210)에 접착된 접착 시트(211a)의 다수의 개구들(211b)에 열지연부인 상변화 물질의 분말(212)을 충진하고, 상변화 물질의 분말(212)을 액체 상태, 고체 상태로 순차적으로 상변화시켜 필름화함으로써, 상변화 물질이 접착 시트(211a)의 다수의 개구들(211b)에 구속되어 전달된 열에 의해 흡열 반응으로 인하여 상변화 물질이 액체로 상변화될 때, 외부로 누수되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트를 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 단열부로 적용되는 나노 섬유 웹과 부직포의 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 단열 시트(100)는 히트스프레더(Heat spreader)(110), 열지연부(120), 및 단열부(130)를 포함한다.

히트스프레더(110), 열지연부(120), 및 단열부(130)는 순차적으로 적층되어 있어, 하이브리드 단열 시트(100)는 3층 구조가 된다.

히트스프레더(110)는 외부로부터 전달된 열을 분산시킨다. 즉, 히트스프레더(110)는 발열 부품에서 발생하는 열이 한 곳으로 집중하는 것을 막아서 열을 분산시키는 기능을 수행한다. 히트스프레더(110)는 높은 열 전도도를 가지고 있으며, 가격이 저렴한 구리 재료 또는 알루미늄 재료을 사용하는 것이 바람직하고, 산화와 부식 문제를 해결하기 위해 구리 재료의 히트스프레더(110)에 니켈 도금을 수행할 수 있다. 그리고, 히트스프레더(110)의 두께는 10㎛ - 40㎛인 것이 바람직하다.

열지연부(120)는 히트스프레더(110)에서 분산된 열이 단열부(130)로 전도되는 것을 시간적으로 지연시킨다. 열지연부(120)는 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다. 상변화 물질은 전달되는 열을 흡수하여 열전도를 지연시킨다. 즉, 상변화 물질은 열이 전달되면 흡열반응하여 고상에서 액상으로 변화되면서 열을 흡수한다. 그리고 상변화 물질은 주변 온도가 떨어지면 다시 고상으로 변화된다.

열지연부(120)의 일례의 제조 방법을 설명하면, 먼저 상변화 물질을 분말화한 후, 상변화 물질의 분말, 바인더 및 용매와 혼합하여 상변화 물질의 분말이 분산된 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 필름화하여 상변화 물질의 분말이 분산된 필름을 제조하고, 이를 열지연부(120)로 적용하는 것이다.

또한, 열지연부(120)의 다른 예의 제조 방법은 핫 플레이트(Hot plate)에 히트스프레더(110)를 올려놓고, 히트스프레더(110) 상부에 상변화 물질의 분말을 도포하여, 핫 플레이트의 온도(예컨대, 대략 65℃)에서 상변화 물질의 분말을 액상으로 만든후, 히트스프레더(110)를 핫 플레이트에서 이탈시키면 상변화 물질은 필름 형태가 된다. 이와 같은 열지연부(120)의 두께는 10㎛ - 30㎛인 것이 바람직하다.

단열부(130)는 열지연부(120)에서 전도된 열을 포집하여 열을 차단한다. 이때, 단열부(130)는 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 나노 섬유 웹으로 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 단열부(130)의 두께는 10㎛ - 30㎛인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 단열 시트(100)는 열분산, 열지연, 단열을 순차적으로 수행할 수 있어 단열 성능이 우수하여 고성능의 휴대용 단말기에 적용이 가능하고, 이와 동시에, 3층 구조의 두께를 얇게 할 수 있어 초박형 및 초슬림화된 휴대용 단말기에도 채택할 수 있는 장점이 있다.

또한, 나노 섬유 웹은 전기 방사된 나노 섬유가 불규칙하게 적층되어 3차원 네트워크 구조로 배열되어 있다. 그 나노 섬유에 의해 나노 섬유 웹에는 불규칙하게 분포된 3차원의 미세 기공이 형성되고, 3차원의 미세 기공에 의해 나노 섬유 웹의 열 포집 능력이 커지게 되어 우수한 단열 성능을 갖게된다.

한편, 나노 섬유 웹은 전기 방사가 가능하고 열전도율이 낮은 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사하여 나노 섬유를 형성하고, 이 나노 섬유가 축적되어 다수의 기공을 갖는 나노 섬유 웹(nano web) 형태로 형성된다.

나노 섬유의 직경이 작을수록 나노 섬유의 비표면적이 증대되고 다수의 미세 기공을 구비하는 나노 섬유 웹의 열 포집 능력이 커지게 되어 단열 성능이 향상된다.

나노 섬유는 예를 들어, 1um 이하의 직경으로 이루어지며, 나노 섬유로 이루어진 나노웹은 3차원 구조의 다수의 미세 기공을 구비함에 따라 미세 기공 내부에 공기를 포집 및 트랩핑할 수 있다.

상기 나노웹에 형성되는 미세 기공은 4nm 내지 1um 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 나노 섬유의 직경을 조절하여 구현될 수 있다.

여기에서, 본 발명에 적용되는 방사 방법은 일반적인 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

본 발명에서는 하이브리드 단열 시트의 나노 섬유 웹의 내열성 향상을 도모하기 위한 목적으로 열전도율이 낮음과 동시에 내열성이 우수한 고분자 단독 또는 열전도율이 낮은 고분자와 내열성이 우수한 고분자를 소정량 혼합한 혼합 고분자를 전기 방사하여 얻어진 나노웹을 적용할 수 있다.

이때, 본 발명에서 사용 가능한 고분자는 유기용매에 용해되어 방사가 가능함과 동시에 열전도율이 낮은 것이 바람직하며, 또한 내열성이 우수한 것이 더욱 바람직하다.

방사가 가능하고 열전도율이 낮은 폴리머는 예를 들어, 폴리우레탄(PU), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리이미드 등을 들 수 있다.

또한, 내열성이 우수한 폴리머는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 융점이 180℃ 이상인 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.

상기 고분자의 열전도율은 0.1W/mK 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.

상기한 고분자 중 폴리우레탄(PU)은 열전도율이 0.016~0.040W/mK이고, 폴리스티렌와 폴리비닐클로라이드는 열전도율이 0.033~0.040W/mK로 알려져 있어, 이를 방사하여 얻어지는 나노웹 또한, 열전도율이 낮게 된다.

또한 나노웹을 다층으로 적층하여 다양한 두께를 갖도록 제작될 수 있다. 즉, 본 발명에 적용된 나노 섬유 웹의 단열 시트는 초박막 구조로 제작되면서도 높은 단열 성능을 가질 수 있다.

용매는 DMA(dimethyl acetamide), DMF(N,N-dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), DMAc(di-methylacetamide), EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

나노 섬유 웹은 전기방사 방법으로 제조되므로 방사용액의 방사량에 따라 두께가 결정된다. 따라서, 나노 섬유 웹의 두께를 원하는 두께로 만들기가 쉬운 장점이 있다.

이와 같이, 방사 방법에 의해 나노 섬유가 축적된 나노 섬유 웹 형태로 형성되므로 별도의 공정없이 복수의 기공을 갖는 형태로 만들 수 있고, 방사용액의 방사량에 따라 기공의 크기를 조절하는 것도 가능하다. 따라서, 기공을 미세하게 다수로 만들 수 있어 열 차단 성능이 뛰어나고 이에 따라 단열 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 방사용액에 열전달을 차단하기 위한 단열성 필러인 무기물 입자가 함유될 수 있다. 이 경우, 나노 섬유 웹의 나노 웹에는 무기물 입자가 포함되어 있을 수 있다. 무기물 입자는 방사된 나노 섬유의 내부에 위치되어 있거나, 나노 섬유 표면에 일부가 노출되어 열전달을 차단하게 된다. 또한, 무기물 입자는 단열성 필러로 나노 섬유 웹의 강도를 향상시킬 수 있다.

바람직하게는, 무기물 입자는 SiO₂, SiON, Si₃N₄, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅, MgO, Y₂O₃, BaTiO₃, ZrSiO₄, HfO₂로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자, 또는 유리 섬유, 흑연, 암면, 클레이(clay)로 이루어진 군으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 입자가 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 방사 용액에 포함될 수 있다.

또한, 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 방사용액에 흄드 실리카(Fumed Silica)가 포함될 수 있다.

도 5a 및 도 5b를 참고하면, 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트의 단열부(130)는 나노 섬유 웹(131)과 부직포(132)의 적층 구조(도 5a), 또는 나노 섬유 웹(131)/부직포(132)/나노 섬유 웹(133)의 적층 구조(도 5b)로 적용할 수 있다. 이때, 나노 섬유 웹(131)의 두께(t1)는 부직포(132)의 두께(t2)보다 얇은 것이 바람직하다.

이와 같이, 단열부(130)를 나노 섬유 웹(131)과 부직포(132)의 적층 구조로 적용하게 되면, 부직포(132)가 나노 섬유 웹(131)보다 가격이 저렴하고, 강도가 높기 때문에, 하이브리드 단열 시트의 제조 경비를 감소시킴과 동시에 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 부직포(132)도 다수의 기공이 존재함으로, 열을 포집할 수 있는 기능을 구비하여 단열부의 역할을 수행한다.

여기서, 나노 섬유 웹(131)과 부직포(132)는 열 압착으로 인하여 융착될 수 있으며, 나노 섬유 웹(131)의 융점을 부직포(132)의 융점보다 낮게 설계하여, 열 압착시 인가되는 열에 의해 나노 섬유 웹(131)이 녹아서 부직포(132)에 융착되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 나노 섬유 웹(131)을 형성하기 위한 고분자물질이 PVdF로 적용한 경우, PVdF의 융점(melting point)은 155℃이므로, 부직포(132)는 155℃보다 높은 융점을 갖는 폴리에스터 계열, 나일론 계열 및 셀루로오스 계열 중 하나로 이루어진 부직포(132)를 적용한다.

그러므로, 열 압착시, 부직포(132)에 접한 나노 섬유 웹(131) 영역이 녹아서 부직포(132)와 융착된다. 여기서, 부직포(132)의 기공 크기는 나노 웹의 기공 크기보다 월등히 크므로, 녹은 나노 섬유 웹(131)의 일부는 부직포(132)의 기공 내부에 침투하게 된다. 즉, 열 압착되기 전의 부직포(132)와 나노 섬유 웹(131)의 경계면을 기준으로, 열 압착한 후에 그 경계면에서 나노 섬유 웹(131) 방향 및 부직포(132) 방향로 녹은 나노 섬유 웹(131)이 확산되어 분포하게 된다. 이러한 기술적인 특징을 바탕으로, 나노 섬유 웹(131)의 녹은 량의 정도를 조절하게 되면 부직포(132)의 기공에 나노 섬유 웹(131)이 녹아들어가게 되고, 부직포(132) 기공에 스며들어간 나노 섬유 웹(131)이 락킹(Locking)하는 역할을 수행하여 나노 섬유 웹(131)과 부직포(132)의 접착력을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는, 나노 웹을 형성하는 고분자물질로, PVdF와 PAN을 5;5로 혼합한 고분자물질을 적용할 수 있다. 이때, 전기방사된 나노 섬유는 PAN으로 이루어진 코어, 및 그 코어 외주면을 감싸고 PVdF로 이루어진 외피부를 갖는 구조로 형성되고, 이러한 구조의 나노 섬유가 적층되어 나노 섬유 웹(131)을 형성하게 된다. 코어 및 외피부 구조를 갖는 나노 섬유가 적층된 나노 섬유 웹(131)과 부직포(132)가 열 압착하게 되면, 외피부의 PVdF가 녹아서 부직포(132)에 스며들어 융착된다.

도 6은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트에서의 열흐름을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 발열 부품에 부착되며, 발열 부품에서 발생된 열을 분산시키는 구조, 분산된 열을 시간적으로 지연시키는 구조, 및 열을 포집하여 열차단시키는 구조가 적층되어 있어 단열 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 6을 참고하면, 히트스프레더(110)의 국부적인 영역에 집중적으로 열이 전달되는 핫스팟(hotspot)(111)이 발생되면, 핫스팟(111)에서 전달된 열은 히트스프레더(110) 전체로 분산된다.

히트스프레더(110)의 핫스팟(111)에서 전달된 열이 히트스프레더(110)에서 충만되면, 열지연부(120)로 전달된다. 여기서, 히트스프레더(110)에서 열이 충만되지 않더라도, 핫스팟(111)과 가까운 거리에 있는 열지연부(120)에는 열이 전달된다.

열지연부(120)는 전달된 열이 열지연부(120)에서 단열부(130)로 전달되는 시간을 지연시킨다. 즉, 열지연부(120)는 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)을 포함하여 이루어져 있으므로, 열지연부(120)로 전달된 열은 상변화 물질에서 흡수된다. 이때, 상변화 물질은 고상에서 액상으로 완전히 변화될때까지 소정의 시간동안 열을 계속적으로 흡수하게 됨으로, 열지연부(120)에서 단열부(130)로 전달되는 시간을 지연시킬 수 있는 것이다.

열지연부(120)에서 시간이 지연된 열은 단열부(130)로 전달된다. 나노 섬유 웹으로 이루어진 단열부(130)는 3차원 미세 기공으로 단열부(130)에서 전달된 열을 포집하여 열을 차단한다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 히트스프레더(110)에서 발열 부품으로부터 전달된 열을 분산시키고, 열지연부(120)에서 열을 시간 지연하여 단열부(130)로 전달하고, 단열부(130)에서 전달된 열을 포집하여 차단하는 하이브리드 단열 구조이다.

예를 들어, 히트스프레더(110)의 핫스팟(111)으로 100℃ 열이 전도되면, 히트스프레드(110)에서 분산 기능에 의해, 90℃의 열이 열지연부(120)로 전달되고, 열지연부(120)에서는 단열부(130)로 열이 전달되는 시간을 지연시킴과 동시에, 상변화 물질의 흡열 반응에 의해 잠열(latent heat)로 70℃로 낮아져 단열부(130)로 전달된다. 단열부(130)에서는 나노 섬유 웹에서 열을 포집하여 30℃-40℃로 더 낮아져 축열되어 단열 성능이 향상되는 것이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 단열 시트는 열지연부(120)가 잠열 기능을 효율적으로 발휘할 수 있도록, 히트스프레더(110)에서 열지연부(120)로 전도되는 열의 온도보다 2℃-5℃ 낮은 온도에서 상변화되는 상변화 물질로 열지연부(120)를 구현하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 하이브리드 단열 시트에 적용된 나노 섬유 웹을 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도이다.

도 7를 참고하면, 전기방사장치는 열전도율이 낮은 고분자 물질과 용매가 혼합되어 방사가 이루어질 때까지 상분리를 방지하도록 공압을 이용한 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장한 믹싱 탱크(Mixing Tank)(1)와, 고전압 발생기가 연결된 다수의 방사노즐(4)을 포함한다. 믹싱 탱크(1)로부터 도시되지 않은 정량 펌프와 이송관(3)을 통하여 연결된 다수의 방사노즐(4)로 토출되는 고분자 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐(4)을 통과하면서 나노 섬유(5)로 방출되고, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6) 위에 나노 섬유(5)가 축적되어 다공성 나노 섬유 웹(7)을 형성한다.

일반적으로 대량생산을 위해 멀티-홀(multi-hole) 방사팩(예를 들어, 245mm/61홀)을 적용하면 멀티홀간의 상호 간섭이 발생하여 섬유가 날려 다니면서 포집이 이루어지지 않게 된다. 그 결과, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 얻어지는 분리막은 너무 벌키(bulky)해짐에 따라 분리막 형성이 어려워지며, 방사의 트러블(trouble) 원인으로 작용한다.

이를 고려하여 본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 각 방사노즐(4)마다 에어(4a)의 분사가 이루어지는 에어 전기방사 방법으로 다공성 나노 섬유 웹(7)을 제작한다.

즉, 본 발명에서는 에어 전기방사에 의해 전기방사가 이루어질 때 방사노즐의 외주로부터 에어(Air) 분사가 이루어져서 휘발성이 빠른 고분자로 이루어진 섬유를 에어가 포집하고 집적시키는 데 지배적인 역할을 해 줌으로써 보다 강성이 높은 나노 섬유 웹을 생산할 수 있으며, 섬유(fiber)가 날아다니면서 발생할 수 있는 방사 트러블(trouble)을 최소화 할 수 있게 된다.

본 발명에서는 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질을 혼합하여 방사하는 경우 2성분계 용매에 첨가하여 혼합방사용액을 제조하는 것이 바람직하다.

상기 얻어진 다공성 나노 섬유 웹(7)은 그 후 캘린더 장치(9)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하면 코어재로 사용되는 박막의 나노 섬유 웹(10)이 얻어진다.

본 발명에서는 필요에 따라 상기와 같이 얻어진 다공성 나노 섬유 웹(7)을 프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-air Dry Zone)을 통과하면서 나노 섬유 웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거친 후 캘린더링 공정을 거치는 것도 가능하다.

프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)은 20~40℃의 에어를 팬(fan)을 이용하여 웹에 인가하여 나노 섬유 웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절함에 의해 나노 섬유 웹(7)이 벌키(bulky)해지는 것을 조절하여 분리막의 강도를 증가시켜주는 역할과 동시에 다공성(Porosity)을 조절할 수 있게 된다.

이 경우, 용매의 휘발이 지나치게 된 상태에서 캘린더링이 이루어지면 다공성은 증가하나 나노 섬유 웹의 강도가 약해지고, 반대로 용매의 휘발이 적게 되면 나노 섬유 웹이 녹는 현상이 발생하게 된다.

상기한 도 7의 전기방사장치를 사용하여 다공성 나노 섬유 웹(10)을 형성하는 방법은 먼저 열전도율이 낮은 고분자 물질 단독, 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질의 혼합물을 용매에 용해시켜서 방사용액을 준비한다. 이 경우 필요에 따라 내열성을 보강하기 위해 소정량의 무기물 입자를 방사용액에 첨가할 수 있다. 또한, 바람직하게는 열전도율이 낮으면서 내열성이 우수한 고분자 물질, 예를 들어 폴리우레탄(PU)을 사용하여 나노 섬유 웹을 형성하는 경우 단열 특성과 내열 특성을 동시에 갖게 된다.

그 후, 방사용액을 전기방사장치를 사용하여 콜렉터(6)에 직접 방사하거나 또는 부직포와 같은 다공성 기재(11)에 방사하여 단층 구조의 다공성 나노 섬유 웹(10) 또는 다공성 나노 섬유 웹(10)과 다공성 기재(11)로 이루어진 다층 구조의 나노 섬유 웹 시트를 제작한다.

본 발명에서는 다공성 나노 섬유 웹(10)을 휴대용 단말기의 단열재로 적용할 수 있고, 건축용 또는 냉장고용 단열재로 적용할 수 있는바, 대면적의 나노 섬유 웹 시트를 제작한 후, 소정의 형상으로 제단하여 사용하는 것도 가능하다.

건축용 또는 냉장고용 단열재인 경우, 얻어진 나노 섬유 웹 시트가 광폭인 경우 원하는 폭으로 제단한 후, 이를 원하는 두께를 갖도록 판형상으로 다수회 절첩하거나 권선기에 의해 판형상으로 권선하거나, 원하는 형상으로 다수의 코어용 시트를 절단한 후 이를 다수층 적층한다. 또한, 다수층으로 적층한 후, 이를 원하는 형상으로 절단할 수 있다. 필요에 따라 적층된 다수의 나노 섬유 웹 시트를 열간 또는 냉간 압착하여 적층 밀도를 높일 수 있다.

한편, 본 발명에서는 나노 섬유 웹을 형성할 때 종이, 방사용액에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, 폴리올레핀계 필름 중 하나로 이루어지는 트랜스퍼 시트 위에 방사용액을 방사하여 다공성 나노 섬유 웹을 형성한 후, 나노 섬유 웹을 트랜스퍼 시트와 분리하면서 부직포와 합지하는 방식으로 나노 섬유 웹 시트를 제작하고, 얻어진 시트를 다단 적층할 수 있다. 상기한 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노 섬유 웹을 생산함에 따라 양산공정에서 생산성 향상을 도모할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:하이브리드 단열시트 110,210:히트스프레더
120,215:열지연부 130,217:단열부
131,133:나노 섬유 웹 132:부직포
211a:접착시트 211b,219a:개구
219:이형지 260:핫 플레이트

Claims (12)

1. 전달된 열을 분산시키는 히트스프레더;
   상기 히트스프레더에 접착되고, 다수의 개구들을 갖는 패턴 형상인 접착 시트;
   상기 히트스프레더에서 분산된 열을 시간적으로 지연시켜 전도시키며, 상기 다수의 개구들에 충진된 열지연부; 및
   상기 접착 시트에 접착되며, 상기 열지연부에서 시간 지연되어 전도된 열을 포집하여 단열시키는 단열부;를 포함하는 하이브리드 단열 시트.
2. 제1항에 있어서, 상기 열지연부는 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)을 포함하는 하이브리드 단열 시트.
3. 제2항에 있어서, 상기 상변화 물질은 상기 히트스프레더에서 상기 열지연부로 전도되는 열의 온도보다 2℃-5℃ 낮은 온도에서 상변화되는 하이브리드 단열 시트.
4. 제2항에 있어서, 상기 열지연부는 상기 상변화 물질의 분말이 분산된 필름인 하이브리드 단열 시트.
5. 제1항에 있어서, 상기 단열부는 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 나노 섬유 웹인 하이브리드 단열 시트.
6. 제5항에 있어서, 상기 나노 섬유에 무기물 입자를 더 포함하는 하이브리드 단열 시트.
7. 제1항에 있어서, 상기 단열부는 나노 섬유 웹 및 부직포의 적층 구조, 또는 나노 섬유 웹, 부직포 및 나노 섬유 웹이 순차적으로 적층된 구조인 하이브리드 단열 시트.
8. 제7항에 있어서, 상기 나노 섬유 웹의 두께는 상기 부직포의 두께보다 얇은 하이브리드 단열 시트.
9. 제8항에 있어서, 상기 부직포와 상기 나노 섬유 웹은 열 압착되어, 상기 부직포에 접한 나노 섬유 웹 영역이 녹아서 상기 부직포에 융착되는 하이브리드 단열 시트.
10. 제9항에 있어서,
    상기 나노 섬유 웹의 융점은 상기 부직포의 융점보다 낮은 하이브리드 단열 시트.
11. 히트스프레더에 접착 시트를 접착시키는 단계;
    상기 접착 시트를 패터닝하여 다수의 개구들을 갖는 패턴된 접착 시트를 형성하는 단계;
    상기 패턴된 접착 시트의 다수의 개구들에 상변화 물질의 분말을 충진하는 단계;
    핫 플레이트에 상기 히트스프레더를 올려놓고, 상기 핫 플레이트의 온도로 상기 상변화 물질의 분말을 액체 상태의 상변화 물질로 만드는 단계;
    상기 히트스프레더를 상기 핫 플레이트에서 이탈시켜, 상기 액상의 상변화 물질을 고체 상태인 필름 형태의 상변화 물질로 상변화시키는 단계; 및
    상기 패턴된 접착 시트에 단열부를 접착시키는 단계;를 포함하는 하이브리드 단열 시트의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 단열부는,
    나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 나노 섬유 웹, 나노 섬유 웹 및 부직포의 적층 구조, 또는 나노 섬유 웹, 부직포 및 나노 섬유 웹이 순차적으로 적층된 구조 중 하나인 하이브리드 단열 시트의 제조 방법.

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