에너지 효율적이고 절연된 건물 외피들 document_id A220623050886

폴리머 코팅지 및 방수용 피복제들이 건물 내부로 공기 및 물이 침투하는 것을 방지하는 한편, 수증기를 밖으로 통하게 하기 위하여 건설산업에서 이용되는 것으로 알려져 있다. 이러한 물질들은 유연하여 건물 "랩(wraps)"으로서 사용될 수 있거나, 단단하여 건물의 외벽 또는 지붕에 구조적 또는 장식적 판넬로 사용될 수 있다. 통기성 빌딩 랩은 하우스랩(housewraps)로 불리우기도 하며, 벽체 및 지붕 조립체의 건축에 있어 이점을 제공한다. 이러한 하우스랩 물질들은 공기 침투를 감소하고 빌딩 내부로 물이 침투하는 것을 방지함으로써 내후성 차단막(weather barrier)으로서 작용함으로써 에너지 손실을 개선한다. 이러한 물질들은 최소 수준의 수증기 침투율(WVTR)로 한정되는 바에 따라서, 통기성을 일 것이 요구된다. 물과 공기의 침투에 대한 차단막이 되는 반면, 수증기의 통기성을 유지하는 조합을 이루는 하우스랩으로 제조되는 2가지 인기있는 물질은 Tyvek.TM.의 이름으로 듀퐁에서 생산되는 플래쉬 스펀본드 폴리올레핀(flash spunbonded polyolefin)이다. 제2 물질은 미세다공질 폴리올레핀막(microporous polyolefin film) 콤포지트로서 "R-Wrap.TM."이란 상표로 Simplex Products에서 생산된다. 상기 인기있는 브랜드 외에, 리메이(Reemay)사의 Typar, 테네코(Teneco building products)사의 Amowrap, 심플렉스(Simplex)사의 Barricade, 오웬즈 코닝(Ownes Corning)사의 PinkWrap 등이 있다. 다공질 폴리올레핀막 콤포지트들은 하우스랩 응용에 사용된다. 하우스랩 물질들은 수증기가 상기 막이 부착된 벽체로부터 빠져나갈 수 있도록 기체(gas)에 대해서는 투과성이 있어야 한다. 그렇지 않으면, 벽체 내부에 수증기가 응결되어 벽체에 손상을 줄 수 있는 부식 및 균류(fungus), 곰팡이(mold) 및 노균류(mildew)의 성장을 초래할 수 있기 때문이다. 반면, 박막은 벽체에 대해 바람 및 물의 침투를 차단할 수 있도록 공기에 대하여 충분히 불투과성이어야 한다. 더욱이, 상기 막은 설치과정에서 손상을 피하기 위하여 파열강도, 신축성, 인열강도, 수축성 및 천공강도(puncture strength)와 같은 물리적 특성 및 적당한 인장력을 지녀야 한다. 다공질 폴리올레핀막들은 탄산칼슘으로 채워진 전구물질막(precursor film)을 신장하여 마련될 수 있다. 기체/수증기에 대해 투과성을 띠지만 액체에 대해서는 불투과성의 통기성 막들에 관하여 미쓰비시사(Mitsubishi Chemical Industries, Ltd)에 양도된 미국 특허번호 4,472,328에 기술되어 있으며, 이는 전체로서 본 명세서에 참고로서 합체되어 있다. 상기 미쓰비시 특허는 표면처리된 탄산칼슘과 같은 충전재(filler)의 중량대비 20 내지 80%의 폴리올레핀과 상기 충전재의 합성으로 준비된 통기성 폴리올레핀막을 기술하고 있다. 히드록시기로 끝나는 액체 폴리부타딘(polybutadiene)과 같은 액체 또는 왁스질의 탄화수소 폴리머 탄성중합체가 단축 또는 이축으로 신장되어 통기성막을 형성할 수 있는 전구물질막을 생산하는 것으로 밝혀졌다. 미쓰비시사에 의해 기술된 상기 통기성막은 카오 코퍼레이션(Kao Corporation)에 양도된 영국 특허번호 2,115,702에도 기술되어 있으며, 본 명세서에 전체로서 참조로 합체되어 있다. 상기 카오사의 특허는 미쓰비시사의 특허에 개시된 통기성막을 이용하여 준비된 일회용 다이어퍼(disposable diaper)를 더 기술한다. 상기 통기성막은 상기 다이어퍼의 뒷댐재(backing)로 사용되어 액체를 담을 수 있다. 적당한 내후성 물질을 제공하는 것은 오늘날의 에너지 효율적 건물들에 있어 중요하다. 그러나, 이는 여전히 빌딩 외피를 통해 발생할 수 있는 어떠한 열손실을 다루는 것은 아니다. 현재, 주택으로부터 빠져나가는 대다수의 열은 마루, 벽체 및 천장을 통해 빠져나간다. 에너지 효율을 최대로 하기 위하여, 카보(CABO)의 MEC(the Model Energy Code of the Council of American Building Officials)은 벽체 및 천장이 각각 R19 및 R38에 차단되도록 요구하고 있다. 현행 2X4"의 벽체 시공은 3.5"의 섬유유리 단열재를 허용하며, 이는 R-11에 해당된다. 목재 스터드(stud), 합판 외부 등에 의한 손실을 감안하면, 전체 벽체의 R값은 R-9.6만큼 낮아진다. 상기 MEC를 만족하기 위하여, 하나의 선택사항으로 벽체시공을 2X6"까지 증가시켜 더 두꺼운 절연재가 설치될 수 있도록 하는 것이다. 상기 2X6"의 시공으로 24"의 스터드 간격을 허용하게 된다. 그러나, 이러한 스터드 간격의 증가는 외벽의 휨현상(bowing)을 불러올 수 있으며, 목재 및 절연재 비용을 증가시킬 수 있다. 미에너지국(U.S. Department of Energy)에서 작성한 보고서에 따르면, 증가하는 전체 R값에 대해 보다 저렴한 방안은 더 두꺼운 절연 피복재를 설치하는 것이다. 이는 더 높은 R값을 제공할 뿐만 아니라, 형상의 연속성(continuity of the form)이 보다 양호하여 건물을 자연력으로부터 보다 양호하게 차폐할 수 있다. 듀퐁사의 Tyvek와 같은 스펀본드된 폴리올레핀과 같은 현행 가정용 피복재는 은 물과 공기가 주택구조로 침투하는 것을 방지하기 위하여 내후성(weathering) 격막으로 널리 사용된다. 이러한 시스템들은 소정의 목적의 달성에 도움이 되도록 하는 반면 수증기가 빠져나갈 수 있도록 주의 깊게 계획된다. 과거에는 일반적인 "누설(leaky)" 시공 방법들이 공기가 자유로이 흐르도록 하여 벽체 공동(wall cavity)에 포함될 수 있는 수분을 빠르게 건조하도록 하였으므로, 공기의 움직임을 제한하는 것이 필요하지는 않았다. 그러나 단열재의 발달로, 수증기의 온도가 건물 내부의 열로부터 고립될 때 빠르게 하강할 수 있어 응축수가 발생하고 이를 가두는 일이 발생한다. 이와 같이, 건물의 외부를 수분 및 공기의 침투로부터 차폐하는 것이 필요한 반면, 여전히 수증기는 외부로 빠져나갈 수 있게 하는 것이 필요하다. 압출성형(extruded) 폴리스틸렌(polystyrene) 또는 폴리이소시아누레이트 절연폼 보드(polyisocyanurate insulated foam boards)와 같은 다른 외부 피복재들은 주택 외부에 증가된 R값을 제공하며, 때로는, 내후성 차단막으로서 작용할 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 고가이며 열원에 노출시 쉽게 불이 붙어 매우 짙은 독성의 매연을 생산할 수 있다. 이러한 이유로, 이들 물질은 종종 적어도 0.5"의 석고보드 또는 금속박으로 된 방화벽에 의해 보호되어야 하며 이로써 비용이 더 증가하게 된다. 비록 이러한 폼 보드들 중 몇몇은 자연력으로부터의 보호를 제공할지라도, 인접한 보드 간의 봉합선(seam)은 여전히 침투의 여지가 있다. 에어로겔은 그의 구조 즉, 낮은 밀도, 연속 기포 구조, 큰 표면적(대개 900m2/g 이상) 및 나노미터크기의 간극등에 기초한 계열의 물질을 말한다. 초임계(supercritical) 및 임계이하의(subcritical) 유체 추출 기술이 상기 물질의 취성셀(fragile cell)로부터 용매를 추출하는데 통상적으로 사용된다. 서로 다른 다양한 유기 또는 무기의 에어로겔 조성물들이 당해 기술분야에서 알려져 있다. 무기 에어로겔은 일반적으로 금속 알콕사이드에 기초하며, 실리카, 카바이드 및 알루미늄과 같은 물질들을 포함한다. 유기 에어로겔은 폴리이미드(polyimide) 에어로겔과 같은 카본 에어로겔 및 폴리머 에어로겔들을 포함한다. 실리카에 기초한 저밀도 에어로겔(0.02-0.2 g/cc)은 우수한 절연체로서, 100℉ 및 대기압에서 약 14 mW/m-K 이하의 열전도율을 갖는 최상의 경질폼(rigid foam)보다 더 우수하다. 때로 약 14 mW/m-K보다 낮은 열전도율을 갖는 에어로겔을 만들 수 있다. 에어로겔은 기본적으로 전도(저밀도, 나노구조를 통한 열전달을 위한 굴절 경로), 대류(매우 작은 공극크기가 대류를 최소화) 및 복사(IR 억제 도판트(suppressing dopant)들이 에어로겔 기질전체 걸처 용이하게 분산될 수 있음)함으써 단열재로서 기능한다. 상기 포뮬레이션(formulation)에 의존하여, 에어로겔은 550℃ 이상의 온도에서 훌륭하게 기능할 수 있다. 더 넓은 의미 즉, "분산매질로서 공기를 포함하는 겔"의 의미로서의 에어로겔은 적당한 겔을 건조하여 생산된다. 이러한 의미에서 상기 "에어로겔"이란 용어는 더 좁은 의미의 크세로겔(xerogels) 및 크리요겔들(cryogels)을 포괄한다. 건조된 겔(dried gel)은 상기 겔의 액체가 임계온도 이상에서 제거되고 임계압력 이상의 압력으로부터 시작하는 경우의 좁은 의미에서의 에어로겔이다. 대조적으로, 만약 상기 겔의 액체가 가령, 액체-증기 경계상(liquid-vapor boundary phase)의 형성을 통해 임계치 이하에서 제거될 때, 그 결과로 생성된 겔은 크세로겔로 불리운다. 본 명세서에 개시된 실시예에서 겔은 에어로겔로서 분산매질로서 공기를 포함하는 겔의 의미이다.