KR101558381B1 - 엔진용 실린더 헤드 - Google Patents

Abstract

엔진용 실린더 헤드가 개시된다. 개시된 엔진용 실린더 헤드는 연소실의 표면에 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔을 포함하며 0.60W/m이하의 열전도도를 갖는 단열 코팅층이 형성될 수 있다.

Description

엔진용 실린더 헤드 {CYLINDER HEAD FOR ENGINE}

본 발명의 실시예는 자동차용 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실의 표면에 단열 코팅층이 형성된 실린더 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관(internal combustion engine)은 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말한다.

실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많으나, 가스터빈·제트기관·로켓 등도 내연기관이다.

내연기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등으로 분류된다. 석유·가스·가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤기관은 연료를 고온 및 고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킨다. 피스톤의 행정·동작에 따라 4행정, 2행정 사이클 방식이 있다.

통상적으로 자동차의 내연 기관은 15% 내지 35% 내외의 열효율을 갖는 것으로 알려져 있는데, 이러한 내연 기관의 최대 효율에서도 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지와 배기 가스 등으로 인하여 전체 열에너지 중 약60% 이상이 소모되어 버린다.

이와 같이 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지의 양을 줄이면 내연 기관의 효율을 높일 수 있기 때문에, 내연 기관의 외부에 단열 재료를 설치하거나 내연 기관의 재질이나 구조의 일부를 변경하거나 내연 기관의 냉각 시스템을 개발하는 방법들이 사용되었다.

특히, 내연 기관 내에서 발생하는 열이 내연 기간의 벽을 타고 외부로 방출되는 것을 최소화하면 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는데, 반복적인 고온 및 고압의 조건이 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등에 관한 연구는 미미한 실정이다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 연소실의 표면에 적용함으로써 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있도록 한 엔진용 실린더 헤드를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드는, 연소실의 표면에 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔을 포함하며 0.60W/m이하의 열전도도를 갖는 단열 코팅층이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 단열 코팅층은 1250 KJ/㎥ K 이하의 열용량을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 에어로겔의 내부에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 2중량% 이하로 존재할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 에어로겔 입자의 표면으로부터 직경의 5%이상의 깊이에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 존재하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 에어로겔 각각은 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 상태에서 92% 내지 99%의 기공율을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 단열 코팅층은 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드에 있어서, 상기 단열 코팅층은 상기 폴리아마이드이미드 수지 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 연소실 표면에 적용함으로써 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예들은 팽창 행정 중 연소가스와 연소실 벽면과의 온도차 감소에 의한 냉각손실 저감으로 자동차의 연비 향상을 도모할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 얻어진 단열 코팅층의 표면을 나타내 보인 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 대비한 비교예에서 얻어진 코팅층의 표면을 나타내 보인 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)는 연료와 공기의 연소를 위한 연소실(11)을 형성하고 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드(100)가 자동차의 엔진에 적용되는 것을 예로 들어 설명하는데, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 가스터빈, 제트기관, 로켓 등과 같은 다양한 종류 및 용도의 내연기관에 채용되는 실린더 연소실 구조라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)는 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층(50)을 연소실(11)의 표면에 적용함으로써 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예는 팽창 행정 중 연소가스와 연소실 벽면과의 온도차 감소에 의한 냉각손실 저감으로 자동차의 연비 향상을 도모할 수 있는 엔진용 실린더 헤드(100)를 제공한다. 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)는 연소실(11)의 표면에 단열 코팅층(50)을 형성하고 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)의 연소실(11)에 적용되는 단열 코팅층(50) 및 이의 단열 코팅 조성물에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예는 단열 코팅층으로서 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 폴리아마이드이미드 수지 및 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔을 포함하는 단열 코팅 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 단열 코팅층은 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔을 포함하며, 0.60W/m이하의 열전도도를 갖는다.

본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 폴리아마이드이미드 수지 및 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔을 포함하는 단열 코팅 조성물이 제공될 수 있다.

본 발명자들은 폴리아마이드이미드 수지 및 에어로겔을 각각 소정의 용매에 분산시킨 후 혼합하여 얻어지는 코팅 조성물 및 이로부터 얻어지는 코팅층이 보다 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.

최근 단열재, 충격완충재 또는 방음재 등의 분야에서 에어로겔(aerogel 또는 에어겔(air-gel))을 사용하는 방법들이 소개되고 있다. 이러한 에어로겔은 머리카락의 1만 분의 1 굵기 정도의 미세사가 얽혀 이루어지는 구조를 가지며 90%이상의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하며 주된 재질은 규소 산화물, 탄소 또는 유기 고분자이다. 특히, 에어로겔은 상술한 구조적인 특징으로 인하여 높은 투광성 및 극저의 열전도도를 갖는 극저밀도 재료이다.

다만, 에어로겔은 높은 취성으로 인하여 작은 충격에도 쉽게 부서지는 등 매우 취약한 강도를 보이며, 다양한 두께 및 형태로의 가공이 어렵기 때문에, 우수한 단열 특성에도 불구하고 단열재로의 응용에 일정한 한계가 있었으며, 에어로겔과 기타 반응물을 혼합할 경우 용매 또는 용질이 에어로겔의 내부로 침투하여 화합물의 점도가 높아져서 혼합이 불가능하게 되므로 다른 재료와의 복합화 또는 혼합 사용이 곤란하며 다공성의 에어로겔의 특성을 나타내지 못하는 문제점이 있었다.

이에 반하여, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물에서는, 상기 폴리아마이드이미드 수지가 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 상태로 존재하고, 상기 에어로겔이 저비점 유기 용매에 분산된 상태로 존재하는데, 이에 따라 상기 폴리아마이드이미드 수지의 용매 분산상 및 상기 에어로겔의 용매 분산상은 서로 뭉치지 아니하고 균일하게 혼합될 수 있으며, 상기 단열 코팅 조성물 또한 균질한 조성을 가질 수 있다.

아울러, 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매와 상기 저비점 유기 용매는 상호 간에 쉽게 용해되거나 혼합되지 않기 때문에, 상기 폴리아마이드이미드 수지가 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산되고 상기 에어로겔이 저비점 유기 용매에 분산된 상태로 혼합되어 코팅 조성물을 형성함에 따라서, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물이 도포되고 건조되기 이전까지는 상기 폴리아마이드이미드 수지와 상기 에어로겔 간의 직접적 접촉을 최소화 할 수 있고, 상기 에어로겔의 내부나 기공으로 상기 폴리아마이드이미드 수지가 침투하거나 함침되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 저비점 유기 용매는 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매와 일정한 친화력을 가지고 있어서, 상기 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔이 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 폴리아마이드이미드 수지와 물질적으로 혼합되어 균일하게 분포할 수 있게 하며, 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매 내에서 상기 폴리아마이드이미드 수지가 균일하게 분포할 수 있게 하는 역할을 할 수 있다.

이에 따라, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 단열 코팅층에서는 상기 에어로겔이 갖는 물성을 동등 수준 이상으로 확보할 수 있으며, 상기 폴리아마이드이미드 수지 내에 상기 에어로겔이 보다 균일하게 분산되어 높은 기계적 물성 및 내열성과 함께 향상된 단열 특성을 구현할 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 단열 코팅층은 상기 에어로겔의 물성 및 구조 자체를 동등 수준으로 유지할 수 있기 때문에, 보다 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

여기서, 상기 단열 코팅층은 도 1에서와 같이 실린더 헤드(100)의 연소실(11) 표면에 적용될 수 있다.

한편, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 상술한 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 폴리아마이드이미드 수지 및 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔을 혼합하여 형성될 수 있다.

상기 혼합의 방법이 크게 제한되는 것은 아니며 통상적으로 알려진 물리적 혼합 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 2종류의 용매 분산상을 혼합하고 여기에 지르코니아 비드를 첨가하고 상온의 온도 및 상압력 조건에서 100 내지 500rpm의 속도로 볼 밀링하여 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하는 방법을 들 수 있다. 다만, 상기 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 에어로겔 각각의 용매 분산상을 혼합하는 방법이 상술한 예로 제한되는 것은 아니다.

상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 반복적인 고온 및 고압의 조건이 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등을 제공할 수 있으며, 구체적으로 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 코팅에 사용될 수 있으며, 더 나아가 상기한 바와 같이 실린더 헤드의 연소실 표면의 코팅에 사용될 수 있다.

상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물에 포함될 수 있는 폴리아미드이미드 수지의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 상기 폴리아미드이미드 수지는 3,000 내지 300,000, 또는 4,000 내지 100,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다.

상기 폴리아미드이미드 수지의 중량평균분자량이 너무 작으면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 코팅층, 코팅 필름 또는 코팅막의 기계적 물성이나 내열성 및 단열성이 충분히 확보되기 어려울 수 있으며, 상기 에어로겔 내부로 고분자 수지가 침투하기가 용이해질 수 있다.

또한, 상기 폴리아미드이미드 수지의 중량평균분자량이 너무 크면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 코팅층, 코팅 필름 또는 코팅막의 균일성 또는 균질성이 저하될 수 있으며, 상기 단열 코팅 조성물 내에서 에어로겔의 분산성이 떨어지거나 상기 단열 코팅 조성물을 도포시 도포 장치의 노즐 등을 막는 현상이 나타날 수 있으며, 상기 단열 코팅 조성물을 열처리하는 시간이 늘어나고 열처리 온도가 높아질 수 있다.

상기 에어로겔로는 이전에 알려진 통상적인 에어로겔을 사용할 수 있으며, 구체적으로 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드, 금속 카바이드 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 성분의 에어로겔을 사용할 수 있다. 상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g, 또는 300㎤/g 내지 900 ㎤/g 의 비표면적을 가질 수 있다.

상기 단열 코팅 조성물은 상기 폴리아마이드이미드 수지 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부, 또는 10 내지 45중량부를 포함할 수 있다. 상기 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 에어로겔의 중량비는 상기 분산 용매를 제외한 고형분의 중량비이다.

상기 폴리아마이드이미드 수지 대비 상기 에어로겔의 함량이 너무 작으면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 코팅층, 코팅 필름 또는 코팅막의 열전도도 및 밀도를 낮추기 어려울 수 있으며, 충분한 단열성을 확보하기 어려울 수 있고, 상기 단열 코팅 조성물로부터 제조되는 단열막의 내열성이 감소할 수 있다.

또한, 상기 고분자 수지 대비 상기 에어로겔의 함량이 너무 크면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 코팅층, 코팅 필름 또는 코팅막의 기계적 물성을 충분히 확보하기 어려울 수 있으며, 상기 단열 코팅 조성물로부터 제조되는 단열막에 균열이 생기는 현상이 발생하거나 상기 단열막의 도막 형태가 견고하게 유지되기 어려울 수 있다.

상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매 중 상기 폴리아마이드이미드 수지의 고형분 함량은 크게 한정되는 것은 아니나, 상기 단열 코팅 조성물의 균일성이나 물성들을 고려하여 상기 고형분 함량은 5중량% 내지 75중량%일 수 있다.

또한, 상기 저비점 유기 용매 중 상기 에어로겔의 고형분 함량 또한 크게 한정되는 것은 아니나, 상기 단열 코팅 조성물의 균일성이나 물성들을 고려하여 상기 고형분 함량은 5중량% 내지 75중량%일 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매와 상기 저비점 유기 용매는 상호간에 쉽게 용해되거나 혼합되지 않기 때문에, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물이 도포되고 건조되기 이전까지는 상기 폴리아마이드이미드 수지와 상기 에어로겔 간의 직접적 접촉을 최소화 할 수 있고, 상기 에어로겔의 내부나 기공으로 상기 폴리아마이드이미드 수지가 침투하거나 함침되는 것을 방지할 수 있다.

구체적으로, 상기 고비점 유기 용매 및 상기 저비점 유기 용매 간의 비점 차이가 10℃이상, 또는 20℃이상, 또는 10 내지 200℃일 수 있다. 상기 고비점 유기 용매로는 110℃이상의 비점을 갖는 유기 용매를 사용할 수 있다.

이러한 고비점 용매의 구체적인 예로는 아니솔, 톨루엔, 크실렌, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 및 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 초산부틸, 시클로헥사논, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트(BCA), 벤젠, 헥산, DMSO, (N,N'-디메틸포름아미드 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.

상기 저비점 유기 용매로는 110℃미만의 비점을 갖는 유기 용매를 사용할 수 있다.

이러한 저비점 유기 용매의 구체적인 예로는 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, n-부틸알코올, iso-부틸알코올, tert-부틸알코올, 아세톤, 메틸렌클로라이드, 에틸렌 아세테이트, 이소프로필알코올 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.

한편, 상기 수계 용매의 구체적인 예로는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸아세테이트 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔을 포함하고, 0.60W/m이하의 열전도도를 갖는 단열 코팅층이 제공될 수 있다.

본 발명자들은 상술한 일 구현예의 단열 코팅 조성물을 이용하여 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 단열 코팅층을 제조하였다.

상기 단열 코팅층 내에서는 에어로겔이 상기 폴리아마이드이미드 수지 전체 영역에 걸쳐서 균일하게 분산되어 있으며, 이에 따라 에어로겔로부터 구현되는 물성, 예를 들어 낮은 열전도도 및 낮은 밀도가 보다 용이하게 확보될 수 있으며, 또한 상기 폴리아마이드이미드 수지로부터 발현되는 특성, 예를 들어 높은 기계적 물성 및 내열성 등이 상기 폴리아마이드이미드 수지만을 사용하는 경우와 동등 수준 이상으로 구현될 수 있다.

상기 단열 코팅층은 낮은 열전도도 및 높은 열용량을 가질 수 있으며, 구체적으로 상기 단열 코팅층은0.60W/m이하, 또는 0.55W/m이하, 또는 0.60W/m 내지 0.200 W/m의 열전도도를 가질 수 있으며, 상기 단열 코팅층은 1250 KJ/㎥ K 이하, 또는 1000내지 1250 KJ/㎥ K의 열용량을 가질 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물이 상기 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 폴리아마이드이미드 수지 및 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔을 포함하여, 상기 코팅 조성물이 도포되고 건조되기 이전까지는 상기 폴리아마이드이미드 수지와 상기 에어로겔 간의 직접적 접촉을 최소화 할 수 있기 때문에, 최종 제조된 상기 단열 코팅층에 포함되는 상기 에어로겔의 내부나 기공으로는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 침투하거나 함침되지 않을 수 있다.

구체적으로, 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔의 내부에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 실질적으로 존재하지 않을 수 있으며, 예를 들어 상기 에어로겔의 내부에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 2중량%이하, 또는 1중량%이하로 존재할 수 있다.

또한, 상기 단열 코팅층에서 상기 에어로겔은 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 상태로 존재할 수 있는데, 이 경우 상기 에어로겔의 외부는 상기 폴리아마이드이미드 수지와 접촉하거나 결합된 상태일 수 있으나, 상기 에어로겔의 내부에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 존재하지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 단열 코팅층에 포함되는 상기 에어로겔 입자의 표면으로부터 직경의 5%이상의 깊이에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 존재하지 않을 수 있다.

상기 에어로겔의 내부나 기공으로는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 침투하거나 함침되지 않기 때문에, 상기 에어로겔은 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산되기 이전 및 이후에 동등 수준의 기공율을 가질 수 있으며, 구체적으로 상기 단열 코팅층에 포함되는 에어로겔 각각은 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 상태에서 92% 내지 99%의 기공율을 가질 수 있다.

상기 구현예의 단열 코팅층은 반복적인 고온 및 고압의 조건이 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등을 제공할 수 있으며, 구체적으로 상기 구현예의 단열 코팅층은 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 실린더 헤드의 연소실 표면 상에 형성될 수 있다.

상기 구현예의 단열 코팅층의 두께는 적용되는 분야 또는 위치나 요구되는 물성에 따라서 결정될 수 있으며, 예를 들어 50㎛ 내지 500㎛의 두께일 수 있다.

상기 구현예의 단열 코팅층은 상기 폴리아마이드이미드 수지 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부, 또는 10 내지 45중량부를 포함할 수 있다.

상기 폴리아마이드이미드 수지 대비 상기 에어로겔의 함량이 너무 작으면, 상기 단열 코팅층의 열전도도 및 밀도를 낮추기 어려울 수 있으며, 충분한 단열성을 확보하기 어려울 수 있고, 상기 단열 코팅층의 내열성이 감소할 수 있다. 또한, 상기 고분자 수지 대비 상기 에어로겔의 함량이 너무 크면, 상기 단열 코팅층의 기계적 물성을 충분히 확보하기 어려울 수 있으며, 상기 단열 코팅층의 균열이 생기는 현상이 발생하거나 상기 단열막의 도막 형태가 견고하게 유지되기 어려울 수 있다.

상기 폴리아미드이미드 수지는 3,000 내지 300,000 또는 4,000 내지 100,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다.

상기 에어로겔은 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드 및 금속 카바이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.

상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g의 비표면적을 가질 수 있다.

상기 폴리아미드이미드 수지 및 에어로겔에 관한 구체적인 내용은 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물에 관하여 상술한 내용을 포함한다.

한편, 상기 구현예의 단열 코팅층은 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물을 건조하여 얻어질 수 있다. 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물의 건조에 사용될 수 있는 장치나 방법은 크게 한정되는 것은 아니며, 상온 이상의 온도에서 자연 건조하는 방법 또는 50℃이상의 온도로 가열하여 건조하는 방법 등을 사용할 수 있다.

예를 들어, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물을 코팅 대상물, 예들 들어 내연 기관의 내부면이나 내연 기관의 부품의 외부면에 코팅하고 50℃ 내지 200℃의 온도에서 반건조를 1회 이상 진행하고, 상기 반건조된 코팅 조성물은 200℃ 이상의 온도에서 완전히 건조하여 상기 단열 코팅층을 형성할 수 있다. 다만, 상기 구현예의 단열 코팅층의 구체적인 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1 내지 3]

(1) 단열 코팅 조성물의 제조

에틸 알코올에 분산된 다공성 실리카에어로겔(비표면적 약 500㎤/g)와 자일렌에 분산된 폴리아마이드이미드 수지(Solvay사 제품, 중량평균분자량 약 11,000)을 20g반응기에 주입하고, 지르코니아 비드를 첨가(440g)하고 상온 및 상압력 조건에서 150 내지 300rpm의 속도로 볼 밀링하여 단열 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하였다.

이때, 상기 폴리아마이드이미드 수지 대비 상기 다공성 실리카에어로겔의 중량비는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

(2) 단열 코팅층의 형성

상기 얻어진 단열 코팅 조성물을 스프레이 코팅 방식으로 자동차 엔진용 부품에 도포하였다. 그리고, 상기 부품 상에 상기 단열 코팅 조성물을 도포하고 약150 ℃에서 약 10분간 1차 반건조를 진행한 이후에, 상기 단열 코팅 조성물을 재도포하고 약150 ℃에서 약 10분간 2차 반건조를 진행하였다. 상기 2차 반건조 이후에 상기 단열 코팅 조성물을 재차 도포하고 약250 ℃에서 약 60분간 완전 건조를 진행하여 상기 부품 상에 단열 코팅층을 형성하였다. 이때 형성된 코팅층의 두께는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

[비교예 1]

자일렌에 분산된 폴리아마이드이미드 수지(Solvay사 제품, 중량평균분자량 약 11,000) 용액(PAI용액) 스프레이 코팅 방식으로 자동차 엔진용 부품에 도포하였다.

그리고, 상기 부품 상에 상기 PAI용액을 도포하고 약150 ℃에서 약 10분간 1차 반건조를 진행한 이후에, 상기 PAI용액을 재도포하고 약150 ℃에서 약 10분간 2차 반건조를 진행하였다. 상기 2차 반건조 이후에 상기 PAI용액을 재차 도포하고 약250 ℃에서 약 60분간 완전 건조를 진행하여 상기 부품 상에 단열 코팅층을 형성하였다. 이때 형성된 코팅층의 두께는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

[비교예 2]

(1) 코팅 조성물의 제조

다공성 실리카에어로겔(비표면적 약 500㎤/g)와 자일렌에 분산된 폴리아마이드이미드 수지(Solvay사 제품, 중량평균분자량 약 11,000)을 20g 반응기에 주입하고, 지르코니아 비드를 첨가(440g)하고 상온 및 상압력 조건에서 150 내지 300rpm의 속도로 볼 밀링하여 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하였다.

이때, 상기 폴리아마이드이미드 수지 대비 상기 다공성 실리카에어로겔의 중량비는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

(2) 단열 코팅층의 형성

실시예 1과 동일한 방법으로 약 200㎛ 두께의 코팅층을 형성하였다.

[실험예]

1. 실험예 1: 열전도도 측정

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 부품 상의 코팅층에 대하여, ASTM E1461 에 의거하여 상온 및 상압 조건에서 레이저플레쉬법을 이용하여 열확산 측정 방법으로 열전도도를 측정하였다.

2. 실험예 2: 열용량 측정

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 부품 상의 코팅층에 대하여, ASTM E1269 에 의거하여 상온 조건에서 DSC 장치를 이용하여 사파이어를 레퍼런스로 하여 비열을 측정하여 열용량을 확인하였다.

	PAI수지 100중량부 대비 에어로겔 함량(중량부)	코팅층 두께(㎛)	코팅층의 열전도도[W/m]	코팅층의 열용량[KJ/㎥ K]
실시예 1	15	120	0.54	1216
실시예 2	20	200	0.331	1240
실시예 3	40	200	0.294	1124
비교예 1	-	200	0.56	1221

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3에서 얻어진 단열 코팅층은 120 내지 200㎛의 두께에서 1240 KJ/㎥ K 이하의 열용량 및 0.54 W/m이하의 열전도도를 갖는다는 점이 확인되었다. 이에 따라, 상기 실시예 1 내지 3에서 얻어진 단열 코팅층은 내연 기관의 부품의 코팅에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예1에서 제조된 단열 코팅층에서는 에어로겔 내부로 폴리아마이드이미드 수지가 침투하지 않고 에어로겔은 내부의 기공을 거의 92%이상 유지하고 있다는 점을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 비교예2에서 제조된 코팅층에서는 도 3에 나타난 바와 같이 에어로겔 내부로 폴리아마이드이미드 수지가 침투하여 기공이 거의 관찰할 수 없었다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)에 의하면, 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 연소실 표면에 적용함으로써 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 팽창 행정 중 연소가스와 연소실 벽면과의 온도차 감소에 의한 냉각손실 저감으로 자동차의 연비 향상을 도모할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

11... 연소실
50... 단열 코팅층
100... 실린더 헤드

Claims (7)

1. 연소실의 표면에 폴리아마이드이미드 수지 및 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 에어로겔을 포함하며 0.60W/m이하의 열전도도를 갖는 단열 코팅층이 형성되되,
   상기 에어로겔의 내부에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 2중량% 이하로 존재하는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 단열 코팅층은 1250 KJ/㎥ K 이하의 열용량을 갖는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 에어로겔 입자의 표면으로부터 직경의 5%이상의 깊이에는 상기 폴리아마이드이미드 수지가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 에어로겔 각각은 상기 폴리아마이드이미드 수지에 분산된 상태에서 92% 내지 99%의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 단열 코팅층은 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 단열 코팅층은 상기 폴리아마이드이미드 수지 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 실린더 헤드.

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