KR101536999B1 - 구획 영역을 갖는 온도 조절 필름 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구획 영역을 갖는 기재 상에 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)의 분말을 용융 침적시킴으로써 상변화 물질이 공간 분할되도록 존재하여 유연한 온도 조절 필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기에 대하여 온도 조절 기능을 가지고 가열 또는 냉각에 필요한 에너지를 절감하고 설치 장소에 따라 디자인의 유연성을 부가하는데 하는데 이용되는 온도 조절 필름에 관한 것이다.

Description

구획 영역을 갖는 온도 조절 필름{Thermal balancing materials with partitions}
본 발명은 구획 영역을 갖는 기재 상에 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)의 분말을 용융 침적시킴으로써 상변화 물질이 공간 분할되어 존재하는 유연한 온도 조절 필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기에 대하여 온도 조절 기능을 가지고, 가열 또는 냉각에 필요한 에너지를 절감하고, 설치 장소에 따라 디자인의 유연성을 부가하는데 이용되는 온도 조절 필름에 관한 것이다.
상변화 물질은 외부의 온도 변화에 따라 액체 상태에서 고체로 또는 고체상태에서 액체로 상변화가 이루어지는 물질로서, 온도의 변화없이 열이 이동되는 잠열 효과에 의하여 외부 온도가 상승하면 스스로 열을 흡수해 저장하고, 외부 온도가 내려가면 열을 방출함으로써 단열/보온/냉각 효과를 동시에 구현하는 소재이다.
종래 사용되어온 상변화 물질로는 파라핀 오일, 지방족 오일(Aliphatic oil), 유기 오일(Organic oil) 등의 유기물 상변화 물질 및 미네랄 오일 등의 무기물 상변화 물질이 있다.
이러한 상변화 물질은 물의 융점인 0℃보다 높은 융점을 가지는 재료로서, 구체적으로는 건물 또는 특수용도의 공간의 냉·난방 분야, 자동차·우주 항공 등의 분야에서 다양하게 사용된다.
특히, 기능성 의복에 상변화 물질을 응용한 예로는, 섬유(fiber)의 섬유조직에 미세 캡슐 형태의 상변화 물질을 투입하여 활동시(운동)에 발생되는 열을 저장하였다가 휴식시에 열을 방출하여 보온효과를 유지하는 것으로, 스키복, 특수군복에 적용되고 있다.
이 밖에도 고열환경에 노출되는 작업자를 위한 보냉 의복, 한냉 기후에 적합한 보온 의복 등에도 적용되고 있다. 식품의 보냉, 보온 유지를 위하여 식품 피복재로서도 사용되고 있다.
또한, 미 항공우주국(NASA)의 우주복에 사용되어 온 상변화 물질을 기존의 섬유에 적용하여, 자동온도조절이 가능한 기능성 섬유 소재로 제조한 예도 있는데, 예를 들어, 상기 상변화 물질을 초미립자 캡슐로 기존 섬유에 후가공 처리하여 적용함으로써 급격한 외부온도를 차단시켜 일정한 온도를 유지시켜 주는 기능성 소재가 제공된다.
종래에는 얇은 팩의 형태로 상변화 물질 보호수단을 만들고, 그 내부에 상변화 물질을 충전시켜 완성하도록 되어 있으나, 캡슐 형태의 상변화 물질을 사용하게 되는 경우는 그 가격이 고가이기 때문에 경제성이 떨어지고, 또한 캡슐을 이루는 물질로 인하여 순수한 상변화 물질의 양이 50중량% 이하 혹은 65중량% 정도로 적게 되어 상변화 물질 고유의 특성을 저하시키는 원인이 되며, 상변화 물질 자체를 사용하는 경우는 상변화 물질이 액상으로 존재하는 온도에서 보호수단인 백(bag)의 파손으로 인하여 상변화 물질이 누출되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 종래의 마이크로 캡슐 대신에 캡슐의 역할을 대신 할 수 있는 온도 조절 필름을 제공하는 것으로서, 종래의 마이크로 캡슐을 이용할 경우, 함침 방식에 따라 섬유나 세라믹 등의 기재에 균일하게 분포시키는 것이 어려운 반면에, 본 발명에서는 구획 영역을 설치한 기재에 상변화 물질을 충전하므로써 균일하게 분포시키는 것이 용이한 온도 조절 필름을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상변화 물질이 충전된 기재를 원자층 증착 방법에 의하여 부가적으로 코팅함으로써 공간 분할의 격리 특성을 부가하고, 상변화 물질이 충전된 기재를 복수로 적층하여 전체적으로 필름의 두께를 증가시킴으로써 온도 조절 효과를 증대시키며, 또한, 본 발명에 따른 온도 조절 필름을 실외 커버나 실내 커튼 등에 사용할 수 있도록 유연성을 갖도록 제조하는 온도 조절 필름을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름은
복수의 구획 영역을 갖는 기재; 및
상기 기재의 구획 영역들의 적어도 일부 내에 충전된 상변화 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름에 있어서, 상기 구획 영역은 기공 형태를 갖는다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름에 있어서, 상기 기재는 섬유를 직조에 의하여 메쉬 또는 그물 형태를 갖도록 가공한 섬유포 또는 섬유를 기계적, 화학적 또는 열적 처리를 통해 섬유집합체를 결속시키는 방법으로 직접 메쉬 또는 그물 형태를 이루게 하는 부직포를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기재는 열린 기공을 갖는 폴리머 소재를 포함할 수 있는데, 바람직한 예로는 폴리우레탄 폼과 같이 열린 기공을 갖는 폴리머 소재를 들 수 있는데, 상기 폴리우레탄 폼은 우레탄의 원료가 되는 이소시아네이트와 폴리올에 발포제와 촉매, 계면활성제 등을 혼합하여 반응시켜, 반응 중 발생하는 반응열에 의해 발포제가 기화되어 폼이 형성된 연질이나 경질의 다공성 우레탄을 말한다.
또한, 상기 기재는 내구성을 개선하기 위하여 구리 메쉬, 알루미늄 메쉬, 또는 발포 금속으로부터 선택되는 열린 기공을 갖는 금속재 기재를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 구획 영역에 충전하는 상변화 물질은, 유기물 상변화 물질 및 무기물 상변화 물질로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 유기물 상변화 물질은 탄소수 12 내지 40의 지방족 탄화수소, 아세트 아미드, 프로필 아미드, 나프탈렌, 스테아린산, 시아나미드 및 에틸렌 디아민 등으로부터 선택되는 1종 이상이다. 상기 탄소수 12 내지 40의 지방족 탄화수소의 구체적인 예로는, 파라핀, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 펜타데칸, 헥사데칸, 헵타데칸, 옥타데칸, 노나데칸, 에이코산, 헨에이코산, 도코산, 트리코산, 테트라코산, 펜타코산, 헥사코산, 헵타코산, 도트리아콘탄, 트리트리콘탄 및 헥사트리콘탄 등을 들 수 있다.
또한, 상기 무기물 상변화 물질로는 KAl(SO4)2ㆍ12H2O, Mg(SO3)2ㆍ6H2O, SrBr2ㆍ6H2O, Sr(OH)2ㆍ8H2O, Ba(OH)2ㆍ8H2O, Al(NO3)2ㆍ9H2O, Fe(NO3)2ㆍ6H2O, NaCH2S2O2ㆍ5H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, Na2S2O2ㆍ5H2O, ZnSO4ㆍ7H2O, CaBr2ㆍ6H2O, Zn(NO3)2ㆍ6H2O, Na2HPO4ㆍ12H2O, Na2CO3ㆍ10H2O, Na2SO4ㆍ10H2O, LiNO2ㆍ3H2O, CaCl2ㆍ6H2O, CaCO2ㆍ10H2O 및 FeBr3ㆍ6H2O 등을 들 수 있다.
상기 상변화 물질의 충전방법은, 구획 영역들을 갖는 다공체 기재 위에 상변화 물질 분말을 도포하고, 상변화 물질의 용융 온도 이상으로 온도를 올리면, 상변화 물질이 액상이 되어 기공(구획 영역)에 표면장력에 의하여 흘러들어갈 수 있게 하는 방법, 또는, 온도를 올리면서 압력을 가하여 기공(구획 영역) 안에 액상의 상변화 물질을 침투시키는 방법이 있다.
바람직한 구체예로서, 상기 기재로서 섬유포를 사용하는 경우, 지름의 평균 크기가 40~60㎛인 섬유사로 직조한 섬유포 내의 구획 영역에 상변화 물질로서 용융온도가 49~52℃인 파라핀 왁스 분말을 60℃에서 30분 동안 용융하여 침적시킬 수 있다.
또한, 상기 기재로서 폴리우레탄 폼을 이용하는 경우, 기공(또는 셀)크기가 450~580㎛인 폴리우레탄 폼의 구획 영역들인 기공들 내에 상변화 물질로서 용융온도가 49~52℃인 파라핀 왁스 분말을 60℃에서 30분 동안 용융하여 침적시켜 온도 조절 필름을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름은 상기 기재 상에 원자층 증착 방법에 의하여 부가적으로 형성된 코팅층을 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 온도 조절 필름의 적어도 하나의 표면에 코팅층을 형성한다. 즉, 상기 코팅층은 적어도 노출된 기재와 상변화 물질의 표면에 형성된다. 코팅층은 금속물질, 또는 산화물, 질화물, 탄화물 등의 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅층은 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 지르코늄 옥사이드 등의 산화물, 질화물 및 탄화물로부터 선택되는 세라믹 물질로 형성될 수 있다.
상기 코팅층을 형성함으로써 고분자 물질로 구성되는 온도 조절 필름의 강도, 내구성 등을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 사용가능한 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 코팅층은 가능한 얇게 형성하는 것이 바람직한데, 예를 들면, 상기 코팅층은 온도 조절 필름이 유연성을 가질 수 있도록 100nm 이하의 얇은 두께로 형성할 수 있으면서 치밀하고 단차 피복성이 우수한 방법으로 형성하는 것이 바람직하다.
이를 위해 상기 코팅층은, 바람직하게는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 코팅층이 형성된 온도 조절 필름을 제공한다.
상기 원자층 증착 방법은 박막을 치밀하게 형성할 수 있고, 단차 피복성이 우수하므로 이에 의해 형성되는 코팅층은 기재의 구획 영역의 형상에 따라 치밀하게 형성할 수 있다. 이러한 원자층 증착 공정은 반응물 간의 교차하는 화학 흡착(alternating chemisorption), 표면 반응, 미반응 부산물의 탈착(desorption)의 1사이클로 이루어지며, 1사이클에 의해 원자층의 박막을 증착할 수 있다. 또한, 사이클을 복수회 반복하여 원하는 두께의 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 원자층 증착 공정은, 그 일예를 도 3에 나타낸 바와 같이, 하기 단계들을 포함할 수 있다:
(1) 원료 전구체를 유입하여 기재상에 흡착시키는 단계;
(2) 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계;
(3) 반응 가스를 공급하여 기재상에 흡착된 원료 전구체와 반응시키는 단계;
(4) 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계.
또한, 상기 (1)~(4)의 단계들을 1사이클로 하여 복수의 사이클을 반복함으로써 원하는 두께의 코팅층을 형성할 수도 있다.
바람직한 일구체예에서 알루미늄 옥사이드를 이용하여 코팅층을 형성하기 위해 알루미늄 전구체로서 트리메틸 알루미늄, 트리스[N,N-비스(트리메틸실릴)아미드]알루미늄 등을 이용하고, 반응 가스로서 산소 가스를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로서 아르곤 가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 아르곤(Ar) 가스를 희석 가스로 이용하여 알루미늄 전구체를 필름 위에 흡착시킨 후 아르곤 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고, 잔류 가스를 제거하고, 산소 플라즈마를 발생시켜 알루미늄 전구체와의 산화 반응을 일으킨 후 아르곤 가스를 이용하여 미반응된 부산물을 탈착시키고, 잔류 가스를 제거하는 단계로 진행될 수 있다.
이러한 공정에 의해 원자층 두께에 해당하는 코팅층이 형성되고, 소정 사이클을 반복하여 소정 두께의 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 각 단계는 서로 다른 시간 동안 실시할 수 있다. 예를 들어, (1) 단계는 0.3~5초 동안 실시하고, (2) 단계는 5~15초 동안 실시하며, (3) 단계는 1~10초 동안 실시하고, (4) 단계는 5~15초 동안 실시할 수 있다. 또한, 반응 온도는 100~300℃에서 코팅층의 성막 두께와 성막 속도(약 0.1㎚/sec)에 따라 100~1000 사이클을 반복하여 10~100nm 두께의 코팅층(120)을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 230℃의 온도에서 알루미늄 흡착은 1초, 알루미늄 미반응 부산물 탈착 및 잔류 가스 제거는 10초, 산화 반응은 3초, 미반응 부산물 탈착 및 잔류 가스 제거는 10초로 구성된 1사이클을 200회 적용하여 약 20㎚의 알루미늄 옥사이드 박막을 형성할 수 있다. 또한, 알루미늄 전구체에서 주성분인 알루미늄 원자를 화합물에서 환원시키기 위하여 알루미늄 전구체와 함께 수소(H2) 가스를 동시에 유입시킬 수도 있다. 한편, 코팅층으로 알루미늄 나이트라이드(AlN)를 적용하는 경우, 반응 가스로서 질소 함유 가스, 예를 들어 NH3 가스를 이용하고 플라즈마를 발생시켜서 반응시킬 수도 있다.
상기 코팅층의 두께는 10~100nm인 것이 바람직한데, 10nm 미만이면 보호막으로 기능을 갖지 못하여 바람직하지 않고, 100nm를 초과하면 증착 시간이 장시간 소요되므로 경제성이 불리하게 되어 바람직하지 않다.
한편, 상기 코팅층은 세라믹 물질 이외에 텅스텐, 티타늄 등의 고융점을 갖는 금속 재료를 이용하여 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름은 상기한 본 발명에 따른 온도 조절 필름을 복수층으로 적층한 합지 필름의 형태로 제공될 수 있다.
상기 온도 조절 필름의 성능을 더욱 향상시키기 위해서, 상기 필름을 적층하여 합지 필름으로 가공하면 상변화 물질의 총량이 증가하므로 이에 따라 잠열의 용량을 증가시킬 수 있다.
이러한 합지 필름을 제조하는 방법으로서는, 상기 온도 조절 필름의 표면에 접착제를 도포한 후, 또 다른 온도 조절 필름을 적층하고, 필요에 따라 이 과정을 복수회 반복한 후, 결과의 적층물을 로울러 등으로 가압하여 접합하는 방법과, 열가소성 합성수지 필름 등의 접합용 필름을 온도 조절 필름들 사이에 개재시켜서 적층된 온도 조절 필름을 가열 및 가압하여 열융착시키는 방법을 들 수 있다.
본 발명에 따른 온도 조절 필름의 제조방법에서, 상기 접합용 필름으로는, 예를 들면, 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 등과 같은 가볍고 연화온도 및 용융온도가 낮은 폴리에틸렌계 수지 또는 기타 통상의 열가소성 합성수지를 활용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 상변화 물질의 마이크로 캡슐에 있어서 캡슐화에 필요한 공정을 생략하고 대신에 캡슐의 역할을 대신할 수 있도록 구획 영역을 갖는 기재를 이용하므로써 온도 조절 필름의 제조비용이 절감되고, 종래의 마이크로 캡슐을 이용할 경우와 달리 구획 영역을 균일하게 설치한 기재에 상변화 물질을 충전하므로써 상변화 물질을 기재에 균일하게 분포시키는 것이 용이하다.
또한, 본 발명은 상변화 물질이 충전된 기재를 원자층 증착 방법에 의하여 부가적으로 코팅함으로써 인접 구역과의 격리 상태를 더욱 증대시킬 수 있고, 상기 상변화 물질이 충전된 기재를 복수로 적층하여 전체적으로 필름의 두께를 증가시킴으로써 온도 조절 효과를 증대시길 수 있으며, 상기 온도 조절 필름이 유연성을 가지므로 실외 커버나 실내 커텐 등에 사용할 수 있는 등 피복성과 디자인 활용성이 개선될 수 있고, 의류, 건축 및 승용차의 내장재 등에 이용함으로써 상변화 물질이 갖는 온도 조절 기능을 이용하여 외부 환경에 대상체가 노출되었을 때 피복 대상체의 온도 변화를 감소시킴으로써 에너지를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 주사전자현미경(SEM)으로 측정한 사진으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구획 영역을 갖는 기재와 이에 충전된 상변화 물질로 구성된 온도조절 필름을 나타낸 사진이다.
도 2는 주사전자현미경(SEM)으로 측정한 사진으로서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 섬유포에 상변화 물질이 충전된 온도 조절 필름을 나타낸 사진이다.
도 3은 공간 격리 특성 개선을 위하여 온도 조절 필름에 금속, 세라믹 등 다른 재료를 부가하는 원자층 증착 방법의 공정 사이클의 개략도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 구체예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 조절 필름의 평면도이다.
도 1에서 구획 영역을 가지는 기재로서는 기공(또는 셀)크기가 450~580㎛인 폴리우레탄 폼(도 1(a))을 이용하고, 상기 구획 영역들인 기공들 내에 상변화 물질로서 용융온도가 49~52℃인 파라핀 왁스 분말을 60℃에서 30분 동안 용융하여 침적시켜 온도 조절 필름(도 1(b))을 제조한 도 2는 또 다른 기재를 이용한 경우로서, 도 2에서, 구획 영역을 가지는 기재로서는 지름의 평균 크기가 40~60㎛인 섬유사로 직조한 섬유포를 이용하고, 상기 섬유포 내의 구획 영역에 상변화 물질로서 용융온도가 49~52℃인 파라핀 왁스 분말을 60℃에서 30분 동안 용융하여 침적시켜 온도 조절 필름을 제조한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 구체예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 구체예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 구체예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 복수의 구획 영역을 갖는 기재 ; 및
    상기 기재의 구획 영역들 중 적어도 일부 내에 충전된 상변화 물질을 포함하고,
    상기 기재 상에 원자층 증착 방법에 의하여 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구획 영역은 기공 형태인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기재는 섬유를 직조에 의하여 메쉬 또는 그물 형태를 갖도록 가공한 섬유포인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 기재는 섬유를 기계적, 화학적 또는 열적 처리를 통해 섬유집합체를 결속시키는 방법으로 메쉬 또는 그물 형태를 이루게 한 부직포인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 기재는 열린 기공을 갖는 폴리머 소재 기재인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 기재는 구리 메쉬 또는 알루미늄 메쉬, 또는 발포 금속으로부터 선택되는 열린 기공을 갖는 금속재 기재인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 상변화 물질은 유기물 상변화 물질 및 무기물 상변화 물질로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 코팅층은 금속 물질, 또는 산화물, 질화물 및 탄화물로부터 선택되는 세라믹 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 10~100nm인 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 원자층 증착 방법은 하기 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름:
    1) 원료 전구체를 유입하여 기재 상에 흡착시키는 단계;
    2) 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계;
    3) 반응 가스를 공급하여 기재상에 흡착된 원료 전구체와 반응시키는 단계; 및
    4) 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계.
  12. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항 또는 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 온도 조절 필름을 복수층으로 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 적층은 온도 조절 필름의 표면에 접착제를 도포한 후 또 다른 온도 조절 필름을 적층하고, 이를 가압하여 접합하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 적층은 온도 조절 필름들의 사이에 접합용 필름을 개재시킨 후 가열 및 가압하여 열융착시키는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 온도 조절 필름.
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