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KR101485784B1 - 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법 - Google Patents

단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법 Download PDF

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KR101485784B1
KR101485784B1 KR20130087396A KR20130087396A KR101485784B1 KR 101485784 B1 KR101485784 B1 KR 101485784B1 KR 20130087396 A KR20130087396 A KR 20130087396A KR 20130087396 A KR20130087396 A KR 20130087396A KR 101485784 B1 KR101485784 B1 KR 101485784B1
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정영철
노명제
박종철
김민우
이문형
한춘수
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주식회사 지오스에어로젤
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Abstract

본 발명은 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법에 관한 것으로, 용매, 에어로겔 분말, 접착바인더, 카본블랙 분말을 혼합하여 단열성 조성물을 제조함으로써, 극저온 및 고온에서의 단열효과가 상승하고, 방음효과 역시 증대하도록 된 것이다.

Description

단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법{Insulation composition with airogel for improving insulation and soundproof, and method for producting insulation textile using thereof}
본 발명은 단열 및 방음 기능이 부가된 원단에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원단에 단열 기능을 부가하기 위해 에어로겔이 포함된 단열성 조성물을 제조하고, 이 조성물이 원단에 도포되어 단열원단을 제조하도록 된 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 에어로겔은 1930년대에 처음 발견된 이후 열,전기,소리 및 충격 등에 강하고, 무게도 같은 부피의 공기보다 3배 밖에 무겁지 않아 단열재, 충격완충재, 및 방음재 등으로 주목을 받아 온 신소재로, 재료는 규소산화물(SiO2)이다. 또한 에어로겔은 머리카락의 1만 분의 1 굵기인 규소산화물실(絲)이 극히 성글게 얽혀 이루어지며, 실과 실 사이에는 공기 분자들이 들어있어 전체 부피의 98%를 공기가 차지한다. 이러한 에어로겔은 열전도율이 매우 낮으므로 단열 재료로서 매우 각광을 받고 있다.
하지만, 에어로겔은 상술된 바와 같이 고다공성 및 저밀도의 특성때문에 기계적인 안정성이 낮아 에어로겔을 단열재에 혼합하는 것이 용이하지 않았다.
이를 감안한 기술이 대한민국 등록특허 제0998474호에 개시되어 있다. 이를 간략히 살펴보면, 에어로겔 및 이 에어로겔의 표면의 일부 또는 전부를 피복하는 폴리머를 포함하여 이루어졌다.
그러나, 에어로겔 내부로 폴리머가 침투하는 경우, 기공율이 낮아져 단열성이 현저히 떨어졌고, 물론 에어로겔의 기타 특성을 고려하지 않았다. 따라서, 에어로겔의 단열성을 향상시키고, 기타 특성을 이용 및 향상시킬 수 있는 조성물의 개발이 요구되었다.
KR0998474 10
상기된 요구를 감안하여 안출된 본 발명은 에어로겔 분말에 접착 바인더 및 카본 블랙 분말을 포함하는 첨가제를 혼합함으로써, 저온 및 고온에서의 단열성 및 방음 기능이 향상되도록 한 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물은, 용매, 에어로겔 분말, 접착바인더, 카본블랙 분말을 혼합하여 이루어진 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 것을 특징으로 한다.
여기서, 용매는 80-100중량부, 에어로겔 분말은 3-5중량부, 접착바인더는 1-2중량부 및, 카본블랙은 1-5중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 카본블랙 분말은 10㎛이하의 입자이고, 0.06-0.15g/cm3의 밀도인 것을 특징으로 한다.
또한, 접착바인더는 셀룰로오스계, 녹말계, 에폭시계, 폴리비닐알콜 및 우레탄계, CMC 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 첨가제로, 이산화티타늄, 탄화규소, 수산화철의 종류로 적철석 또는 자철석등을 포함하는 무기산화물을 적어도 하나 이상 첨가하고, 상기 무기산화물은 10㎛이하의 입자이며, 상기 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-5중량비로 첨가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 첨가제로, 흄드실리카 또는 글라스버블등과 같은 다공성 무기산화물을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 첨가제로, 수성 아크릴계 수지를 상기 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 3중량비 이하로 첨가하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 첨가제로, 부동액인 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜을 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 이용한 단열원단의 제조방법은, 단열성 조성물을 제조하는 제10단계(S10); 이동하는 원단의 외표면에 단열성 조성물을 도포하는 제20단계(S20); 단열성 조성물이 상기 원단의 내부로 흡수되도록 원단의 외표면을 가압하는 제30단계(S30);를 포함하여 이루어지고, 제10단계(S10)는, 용매와 접착바인더를 혼합하여 수용성 바인더 혼합물을 만드는 제11단계(S11); 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제를 첨가하여 혼합하는 제12단계(S12); 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말을 첨가하여 분산하는 제12단계(S13); 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말 및 제1첨가제가 혼합된 분산물에 제2첨가제를 첨가하여 혼합하는 제14단계(S14); 및 제2첨가제가 혼합된 상태에서 카본블랙 분말을 첨가하여 분산하는 제15단계(S15);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제10단계(S10)에서 용매로 물 80-100중량부, 접착바인더로 CMC 1-2중량부, 에어로겔 분말은 3-5중량부 및, 10㎛이하의 입자이면서 0.06-0.15g/cm3의 밀도인 카본블랙 분말을 1-5중량부로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제12단계(S12)에서 제1첨가제로, 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-2중량비의 수성 아크릴계 수지, 흄드실리카 및 글라스버블을 포함한 다공성 무기산화물 분말 및, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌글리콜의 부동액 중 적어도 하나 이상 첨가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제14단계(S14)에서 제2첨가제로, 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-5중량비의 루틸형태의 이산화티타늄, 탄화규소, 적철석 및 자철석을 포함한 10㎛이하의 입자를 갖는 무기산화물 중 적어도 하나 이상 첨가하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 제30단계(S30)에서, 롤러는 원단의 폭과 유사하거나 더 크게 제작되고, 원단의 양측면에 접촉하도록 배치되거나 일측면에만 배치되어 상기 롤러의 가압으로 상기 단열성 조성물이 원단에 흡수되도록 하거나, 블레이드는 원단의 폭과 유사하거나 더 크고, 탄성을 갖는 하부가 뾰족한 측면형상을 갖도록 제작되며, 하부가 휘어져 이송되는 원단에 접촉하도록 배치되고, 하부가 원단을 가압하여 상기 단열성 조성물이 원단에 흡수되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 에어로겔이 포함된 조성물에 카본블랙 분말을 첨가함으로써, 극저온에서의 단열성이 우수해지는 효과가 있다.
또한, 조성물에 이산화티타늄(TiO2), 탄화규소(SiC), 수산화철의 종류로 적철석(Fe2O3)과 자철석(Fe2O4) 중 단독 또는 적어도 하나 이상을 첨가함으로써, 고온에서의 단열효과가 향상되는 효과가 있다.
또한, 조성물에 흄드실리카 및 글라스버블등을 포함한 다공성 무기산화물을 첨가함으로써, 조성물의 건조 이후 기공을 유지하면서 단열 및 방음효과가 증대되는 효과가 있다.
그리고, 조성물에 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜을 첨가함으로써, 조성물의 건조시 표면균열을 방지하거나 억제하고, 경우에 따라 첨가량을 조정하여 조성물의 건조속도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물을 이용한 단열원단의 제조방법이 도시된 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<구성>
본 발명에 따른 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물은 용매에 에어로겔 분말, 카본블랙(carbon black) 분말, 접착바인더 및 첨가제를 혼합하여 이루어진다.
본 발명에 따른 단열성 조성물은 용매 80-100중량부에 에어로겔 분말 3-5중량부, 접착바인더 1-2중량부, 카본블랙 분말 1-5중량부 및 첨가제를 혼합하여 이루어진다.
용매는 손쉽게 구할 수 있는 물(water)로 한다.
에어로겔은 고다공성 나노 구체로서, 열, 전기, 소리 및 충격 등에 강하고, 매우 가벼워 차세대 단열제와 충격 완충재 및 방음재등의 재료로 쓰이며, 유리섬유등 기존 건축물의 단열재를 대체할 수 있는 차세대 단열재로 주목을 끌고 있다. 이 에어로겔은 냉난방 에어지 절감효과로 30-50% 정도로 예측되고, 현재 LNG선, 자동차 및 항공기등을 포함하여 해저탐사용 파이프에서 재킷처럼 얇은 스키복, 부츠, 장갑, 불에 타지 않는 슈퍼 단열재, 우주복, 우주선, 충격을 막는 특수 철갑 및 충격 방지막등의 다양한 소재로 쓰인다. 그리나, 이 에어로겔은 잘 깨지고 부스러지며, 흡수력이 뛰어나 단독으로 사용하기에는 부족한 점이 있다. 본 발명은 이 에어로겔의 분말을 이용하여 단점은 최소화하면서 단열 이외에도 방음 성능이 향상된 조성물을 제조하고자 한다.
또한, 접착바인더는 에어로겔 분말과 카본블랙 분말에 점착성을 부여하는 물질로, 셀룰로오스계, 녹말계, 에폭시계, 폴리비닐알콜 및 우레탄계 물질 중 적어도 어느 하나를 사용한다. 특히 접착바인더로 CMC(Carboxymethylcellulose)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 접착바인더에 수성 아크릴계 수지를 첨가함으로써, 본 발명에 따른 단열성 조성물을 원단에 도포한 후 건조시킨 이후, 에어로겔 분말, 카본블랙 분말 및 첨가제등의 분말이 비산되는 현상을 억제하고, 특히 에어로겔 분말의 비산을 억제하는데 탁월하다. 이때, 첨가되는 수성 아크릴계 수지는 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 3중량비 이하로 첨가한다.
또한, 접착바인더에 부동액인 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜을 첨가하여 본 발명에 따른 단열성 조성물을 원단에 도포한 후 건조시킨 경우, 표면 균열을 방지하거나 억제하고, 첨가량에 따라 건조속도를 조절할 수 있다.
카본블랙은 흑색의 미세한 탄소분말로, 보통 탄화수소를 부분적으로 연소시켜 그을음 형태로 얻는다. 이 카본블랙 분말의 입자 크기는 1-500㎛ 정도로 흑연과 비슷하고, 흑연보다 규칙성이 작은 결정성 물질이다. 공업적으로는 천연가스, 타르등을 불완전연소시켜 생긴 그을음을 모으거나, 그것을 열분해하여 제조하고 있다. 이 카본블랙 분말은 나노 기공을 갖는 다공성으로, 극저온 영역에서 단열효과를 증대시키고, 이를 극대화하기 위해 본 발명에 투입되는 카본블랙 분말의 입자크기는 10㎛ 이하, 밀도는 0.06-0.15g/cm3, 바람직하게는 대략 0.1g/cm3 정도로 한다.
그리고, 첨가제로는 이산화티타늄(TiO2), 탄화규소(SiC), 수산화철의 종류로 적철석(Fe2O3)과 자철석(Fe2O4)등을 포함하는 무기산화물을 적어도 하나 이상 사용한다. 여기서, 무기산화물의 입자크기는 10㎛ 이하이고, 첨가량은 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-5중량비이다. 이때, 이산화티타늄은 루틸(rutile) 형태의 것을 사용한다. 이러한 무기산화물을 첨가제로 사용하는 이유는 고온의 영역에서 단열효과를 증대시킬 수 있기 때문이다.
또한, 첨가제로 흄드실리카, 글라스버블을 포함하는 다공성 무기산화물을 더 포함하고, 이 다공성 무기산화물을 분말로 첨가하고, 이 첨가제로는 본 발명에 따른 단열성 조성물을 원단에 도포한 후 건조시킨 경우, 도포된 단열성 조성물의 기공을 유지시킴으로써 단열 및 방음 효과를 증대시킬 수 있기 때문이다.
<제조방법>
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물을 이용한 단열원단의 제조방법이 도시된 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 단열성 조성물을 이용한 단열원단의 제조방법은, 먼저, 단열성 조성물을 제조한다(S10). 이 단계에서는 용매인 물, 접착바인더, 에어로겔, 카본블랙 분말 및 각종 첨가제를 투입하여 대략 500-700rpm의 속도로 교반하여 제조한다. 이를 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
처음으로, 용매와 접착바인더를 혼합하여 수용성 바인더 혼합물을 만든다(S11). 이때, 물 90중량부에 접착바인더인 CMC 1-2중량부를 넣고 교반한다.
다음으로 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제를 투입하여 혼합한다(S12)
여기서, 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제로, 수성 아크릴계 수지를 첨가하고, 이때의 수성 아크릴계 수지는 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 3중량비 이하, 일 예로 1-2중량비를 첨가한다. 이 수성 아크릴계 수지는 이후 혼합되는 분말 재료의 비산을 억제한다.
또한, 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제로, 부동액인 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌글리콜을 더 첨가한다. 이 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌글리콜은 본 발명에 따른 단열성 조성물을 원단에 도포한 후 건조시킬 때 표면 균열을 방지하거나 억제하고, 필요에 따라 첨가량을 조정하여 건조속도를 조절한다.
그리고, 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제로, 흄드실리카, 글라스버블등을 포함한 다공성 무기산화물 분말을 첨가한다. 이 다공성 분말은 본 발명에 따른 단열성 조성물을 원단에 도포하여 건조된 이후에도 기공을 유지하여 단열 및 방음효과를 증대시킨다. 이와 같이 수용성 바인더 혼합물은 용매, 접착바인더 및 각종 첨가제를 혼합하여 제조된다.
다음으로, 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말을 첨가하여 분산한다(S13). 여기서, 에어로겔 분말은 수용성 바인더 혼합물에 3-5중량부를 넣고 교반한다. 이때, 에어로겔 분말은 수성 이크릴계 수지에 의해 그 비산이 억제된다. 또한, 용매에 직접 에어로겔 분말을 분산할 경우, 분산이 잘 안되고, 점도가 없어 용매의 상부에 밀집되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 방지하기 위해 용매에 접착바인더가 혼합된 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔을 투입하여 분산한다.
다음으로, 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말 및 제1첨가제가 혼합된 분산물에 제2첨가제를 투입하여 혼합한다(S14). 제2첨가제인 무기산화물로는 이산화티타늄(TiO2), 탄화규소(SiC), 수산화철의 종류로 적철석(Fe2O3)과 자철석(Fe2O4) 중 단독 또는 적어도 하나 이상을 혼합해서 투입한다. 이때, 무기산화물의 입자는 10㎛이하이고, 용매, 접착바인더, 에어로겔 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-5중량비로 투입한다. 이러한 미립자 크기의 무기산화물은 고온 영역에서의 단열효과를 증대시킨다.
마지막으로, 카본블랙 분말을 첨가하여 분산한다(S15). 여기서, 카본블랙 분말은 1-5중량부를 첨가한다. 또한, 이 카본블랙 분말은 수성 아크릴계 수지에 의해 그 비산이 억제된다. 이때, 카본블랙 분말의 입자는 대략 10㎛ 이하이고, 밀도는 0.06-0.15g/cm3 정도이다.
다음으로, 이렇게 제조된 조성물을 이송되는 원단의 외표면에 도포한다(S20).
끝으로, 조성물이 도포된 원단의 외표면을 롤러 또는 블레이드로 가압한다(S30). 따라서, 원단의 외표면에 도포된 조성물이 원단의 내부에 흡수되도록 한다.
이때, 롤러는 원단의 양측면과 접촉하도록 배치되거나 일측면에만 배치되어 롤러에 의한 압력에 의해 조성물이 원단에 흡수되도록 한다. 물론 롤러의 길이는 원단의 폭과 유사하거나 더 크다.
다른 예로, 블레이드는 탄성을 갖는 하부가 뾰족한 측면형상을 가지도록 제작되고, 이 블레이드의 하부가 휘어져 이송되는 원단에 넓은 면적으로 접촉하도록 배치되고, 이 블레이드의 하부가 원단에 일정 압력을 가하여 원단의 외표면에 도시된 조성물이 원단의 내부로 흡수되도록 한다. 물론, 블레이드의 길이는 원단의 폭과 유사하거나 더 크다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

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  9. 단열성 조성물을 이용한 단열원단의 제조방법에 있어서,
    용매로 물 80-100중량부, 접착바인더로 CMC 1-2중량부, 에어로겔 분말은 3-5중량부 및, 10㎛이하의 입자이면서 0.06-0.15g/cm3의 밀도인 카본블랙 분말을 1-5중량부로 혼합하는 단열성 조성물을 제조하는 제10단계(S10);
    이동하는 원단의 외표면에 상기 단열성 조성물을 도포하는 제20단계(S20);
    상기 단열성 조성물이 상기 원단의 내부로 흡수되도록 상기 원단의 외표면을 롤러 또는 블레이드로 가압하는 제30단계(S30);를 포함하여 이루어지고,
    상기 제10단계(S10)는,
    용매와 접착바인더를 혼합하여 수용성 바인더 혼합물을 만드는 제11단계(S11);
    상기 수용성 바인더 혼합물에 제1첨가제를 첨가하여 혼합하는 제12단계(S12);
    상기 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말을 첨가하여 분산하는 제13단계(S13);
    상기 수용성 바인더 혼합물에 에어로겔 분말 및 제1첨가제가 혼합된 분산물에 제2첨가제를 첨가하여 혼합하는 제14단계(S14); 및
    상기 제2첨가제가 혼합된 상태에서 카본블랙 분말을 첨가하여 분산하는 제15단계(S15);를 포함하되,
    상기 제12단계(S12)에서 상기 제1첨가제로, 상기 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-2중량비의 수성 아크릴계 수지,
    흄드실리카 및 글라스버블을 포함한 다공성 무기산화물 분말 및,
    에틸렌 글리콜 또는 프로필렌글리콜의 부동액 중 적어도 하나 이상 첨가하고, 상기 제14단계(S14)에서 상기 제2첨가제로, 상기 용매, 접착바인더, 에어로겔 분말 및 카본블랙 분말의 혼합물 대비 1-5중량비의 루틸형태의 이산화티타늄, 탄화규소, 적철석 및 자철석을 포함한 10㎛이하의 입자를 갖는 무기산화물 중 적어도 하나 이상 첨가하며,
    상기 제30단계(S30)에서,
    상기 롤러는 원단의 폭과 유사하거나 더 크게 제작되고, 원단의 양측면에 접촉하도록 배치되거나 일측면에만 배치되어 상기 롤러의 가압으로 상기 단열성 조성물이 원단에 흡수되도록 하거나,
    상기 블레이드는 원단의 폭과 유사하거나 더 크고, 탄성을 갖는 하부가 뾰족한 측면형상을 갖도록 제작되며, 하부가 휘어져 이송되는 원단에 접촉하도록 배치되고, 하부가 원단을 가압하여 상기 단열성 조성물이 원단에 흡수되도록 하는 것을 특징으로 하는 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물을 이용한 단열원단의 제조방법.
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