KR102249755B1 - 복사 냉방 필름용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 복사 냉방 필름 - Google Patents

복사 냉방 필름용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 복사 냉방 필름 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복사 냉방 필름을 제조하기 위한 조성물 및 이를 이용하여 제조된 복사 냉방 필름에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 복사 냉방 필름용 조성물은 중합체 수지를 종래의 기술로 성형하고 경화시키는 간단한 공정만으로도 적외선 흡수율이 우수하고 가시광 흠수율은 낮은 복사 냉방 필름을 제조하는 것이 가능하다. 또한, 무기 입자의 종류를 달리함으로써 가시광 투과율이 높은 광투과성 복사 냉방 필름 또는 가시광 반사율이 높은 광반사성 복사 냉방 필름을 제조할 수 있어 다양한 산업 용도에서 적절하게 적용될 수 있다.

Description

복사 냉방 필름용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 복사 냉방 필름{Composition for Radiative Cooling Film and Radiative Cooling film Prepared from Same}
본 발명은 복사 냉방 필름을 제조하기 위한 조성물 및 이를 이용하여 제조된 복사 냉방 필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복사열을 효과적으로 흡수하여 실내 온도를 크게 낮출 수 있는 복사 냉방 필름을 간단한 방법으로 제조할 수 있는 조성물 및 복사 냉방 필름에 관한 것이다.
보통 태양광의 파장은 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 초단파, 라디오파로 구분할 수 있는데, 이 중에서 우리가 시각적인 태양빛으로 느끼는 파장은 가시광선 영역이고, 일상생활에서 태양열로 느끼는 파장은 가시광선 영역보다 파장이 긴 적외선 영역이다.
일반적으로 유리는 적외선 부분의 일부만 반사시키는데 이 때문에 여름의 경우 실외의 태양열로부터 발생하는 복사열이 실내로 들어와 실내온도를 높이고, 겨울의 경우 실내의 난방기구에서 발생되는 적외선이 실외로 빠져나가 실내온도를 낮추는 등, 냉난방기의 효율을 떨어뜨려 에너지가 낭비되고 있다.
따라서, 에너지 효율을 위해서는 여름에 외부의 태양열이 실내로 유입되는 것을 막는 차열 효과가 우수하고, 겨울에는 실내의 난방열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 단열 효과가 우수한 시스템이 바람직할 것이다.
이와 관련하여, 종래에는 유리에 보다 우수한 방열 효과를 부여하기 위하여 열선 반사 유리를 사용하고 있으나, 가시광선 투과율이 40%으로 겨울철에는 실내로 들어오는 가시광선을 막아 오히려 더 난방을 해야하는 문제가 있다.
또한, 유리의 단열 효과를 향상시키기 위하여 스퍼터링 코팅 방법을 이용한 로이 유리가 출시되어 판매되고 있으나, 코팅물이 산화되는 것을 방지하기 위해 코팅 부분이 복층의 유리판에 내재되도록 구성해야 하고, 복층의 유리판 사이에는 불활성 기체로 충진해야 하는 구조를 하고 있어, 제조방법이 난해하고 복층 유리 제작 시 에지 스트립핑 처리 설비가 필요하여 제조 및 취급이 까다롭고 제조비용이 비싼 단점이 있다.
대안으로서, 복사 냉방 필름 제작하여 유리에 부착함으로써 복사열을 차단하려는 연구가 제안되었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0077940호에서는 고분자 내에 방사선 차폐 성능을 갖는 금속 분말을 분산시켜 방사선 차폐 성능을 극대화시킨 중합체 필름을 기재하고 있다. 그러나, 본 문헌의 필름은 텅스텐 입자를 열 압착하여 다층 텅스텐 시트로 제조해야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고 고가인 문제가 있었다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0080840호에서는 내구성이 우수하고, 유리 기재와의 열 팽창율 차이에 따른 파손의 문제가 없으며, 적외선을 효과적으로 차단할 수 있는 열 차단 필름을 기재하고 있으나, 가시광선 영역의 투과율이 50% 수준에 머무는 단점이 있었다.
이와 같이, 종래 기술에 의한 복사 냉방 필름은 높은 가시광 영역의 반사가 필요하기 때문에 대부분 불투명한 구조를 갖고 있어 태양전지의 복사 냉방 필름을 제공하는 것은 기술적으로 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 발명자들은 위와 같은 문제점을 인식하고 연구한 결과, 필름의 조성을 조절하여 가시광선의 투과 또는 반사를 제어함으로써 일반적인 복사 냉방뿐만 아닌 태양전지에도 적용 가능한 복사 냉방 필름을 제공할 수 있다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적외선 영역의 흡수율이 우수하고, 가시광 영역의 흡수율이 낮으면서 반사율 및 투과율의 제어가 가능한 복사 냉방 필름을 제조할 수 있는 복사 냉방 필름용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 제조된 복사 냉방 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 복사 냉방 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복사 냉방 필름을 제조하기 위한 조성물로서, 중합체 수지, 윤활유 및 무기 입자의 혼합물(blend)를 포함하는 복사 냉방 필름용 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 무기 입자는 에어로겔(aerogel) 또는 무기 나노입자를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 수지는 폴리디메틸실론산(polydimethylsiloxane, PDMS), 실리콘(silicone), 퍼플루오로폴리에터(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리락트산(Polylactic acid; PLA), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene; HDPE), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리스타이렌(polystyrene; PS), 폴리에스테르(Polyester), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol), N-비닐피롤리돈, N-비닐카프로락탐, 디메틸아크릴아미드, 히드록시에틸아크릴아미드, 2-아크릴로일옥시에틸이소시아네이트, 이소보닐아크릴레이트, 테트라히드로푸르푸릴아크릴레이트, 페녹시폴리에틸렌글리콜아크릴레이트, 라우릴아크릴레이트, 벤질아크릴레이트, 에톡시에틸아크릴레이트, 페녹시에틸아크릴레이트, 사이클릭트리메틸올포멀아크릴레이트, 6-헥산디올디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨테트라아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 1,1(비스아크릴로일옥시메틸)에틸이소시아네이트, 폴리에스테르아크릴레이트 및 우레탄아크릴레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 윤활유는 올리브 오일(olive oil), 불소계 오일(fluorinated oil), 실리콘 오일(silicone oil), 정유(essential oil), 파라핀계 오일(paraffin oil) 및 석유계 오일(mineral oil)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서, 상기 에어로겔은 실리카겔, 탄소 에어로겔 및 그래핀 에어로겔로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서, 태양전지 복사냉방에 필요한 필름의 경우 상기 에어로겔은 1 내지 20㎛의 평균직경을 가질 수 있다.
본 발명에서, 일반적인 복사냉방에 필요한 필름의 경우 상기 나노입자는 300 내지 1000nm의 평균직경을 가질 수 있다. 상기 무기 나노입자는 TiO2, ZnO, CeO2 등 가시광 반사율이 높은 나노입자 일 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름용 조성물은 상기 중합체 수지 100중량부에 대하여 5 내지 40중량부의 윤활유를 포함할 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름용 조성물은 상기 윤활유 100중량부에 대하여 10 내지 100중량부의 무기 입자를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름용 조성물은 디클로로메탄(DCM), 테트라하이드로퓨란, 디옥세인(dioxane), 메틸에틸케톤(MEK) 및 디메틸폼아마이드(DMF)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 용매를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 용매는 전체 조성물의 농도가 0.05 내지 0.30g/mL가 되도록 포함될 수 있다.
본 발명은 또한, 중합체 수지, 윤활유 및 무기 입자의 혼합물(blend)를 포함하는 복사 냉방 필름용 조성물을 경화시켜 형성된, 복사 냉방 필름을 제공한다.
본 발명의 복사 냉방 필름은 상기 무기 입자가 에어로겔(aerogel)이고, 90% 이상의 가시광 투과율을 가질 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름은 상기 무기 입자가 TiO2 나노입자이고, 80% 이상의 가시광 반사율을 가질 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름은 또한, 표면에 마이크로 또는 나노 구조가 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 윤활유 100중량부에 대하여 무기 입자 10 내지 100중량부를 혼합하는 단계; 중합체 수지 100중량부에 대하여 상기 혼합물 5 내지 40중량부를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형하여 필름을 제조하는 단계를 포함하는 복사 냉방 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복사 냉방 필름용 조성물은 중합체 수지를 종래의 기술로 성형하고 경화시키는 간단한 공정만으로도 적외선 흡수율이 우수하고 가시광 흠수율은 낮은 복사 냉방 필름을 제조하는 것이 가능하다. 또한, 무기 입자의 종류를 달리함으로써 가시광 투과율이 높은 광투과성 복사 냉방 필름 또는 가시광 반사율이 높은 광반사성 복사 냉방 필름을 제조할 수 있어 다양한 산업 용도에서 적절하게 적용될 수 있다.
도 1은 무기 나노입자를 포함하는 광반사성 복사냉방 필름(a) 및 에어로겔을 포함하는 광투과성 복사 냉방 필름(b)의 제작 공정을 나타낸다.
도 2는 에어로겔의 첨가 유무에 따른 중합체 수지 및 윤활유의 혼합물의 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 복사 냉방 필름의 제조 개념도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 복사 냉방 필름의 제조 개념도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 복사 냉방 필름의 제조 개념도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복사 냉방 필름의 적외선 영역 파장에 따른 광 흡수율, 투과율 및 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 SiO2 또는 TiO2를 포함하는 복사 냉방 필름의 가시광 파장 및 적외선 파장에서의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 SiO2 또는 TiO2를 포함하는 복사 냉방 필름의 가시광 영역의 광투과율(a)과 광반사율(b)을 나타낸다.
도 9(a)는 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조가 적용된 무기 나노입자를 포함하는 복사 냉방 필름의 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.
도 9(b)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 구조가 적용된 에어로겔을 포함하는 복사 냉방 필름의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 10(a)는 본 발명의 실시예에 따라 나노 구조가 적용된 복사 냉방 필름과 동일 조성의 평면 복사 냉방 필름의 가시광 영역 파장에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 10(b)는 본 발명의 실시예에 따라 마이크로 구조가 적용된 복사 냉방 필름과 동일 조성의 평면 복사 냉방 필름의 적외선 영역 파장에 따른 흡수율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구체적인 양태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 복사 냉방 필름을 제조하기 위한 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 조성물은 중합체 수지 및 윤활유의 혼합물(blend)을 포함한다.
본 발명에 있어서, 용어 “혼합물(blend)”란, 서로 용해되지 않는 둘 이상의 물질이 균일하게 분산된 상태를 의미한다.
본 발명에서는 중합체 수지와 윤활유가 서로 균일하게 혼합된 조성물을 경화시켜 복사 냉방 필름을 제조할 수 있다.
일반적으로, 두 물질의 혼화성(miscibility)은 아래와 같은 혼합에 대한 자유 에너지로 계산할 수 있다.
ΔGmix = ΔH - TΔS
만약 혼합의 자유 에너지가 0 보다 큰 경우, 두 물질은 서로 혼합되기 어렵다. 이는 두 물질 사이에 큰 계면 장력이 작용하여 두 물질이 균일하게 혼합되기 보다는 각각 분리되어 있는 상태를 선호한다는 것을 의미한다.
본 발명에서는, 다공성 에어로겔(aerogel)을 상용시약(compatibilizer)으로서 사용하여 혼합의 자유 에너지가 0 보다 큰 두 물질의 계면 장력을 상쇄할 수 있다는 것을 발견하였다. 상기 다공성 에어로겔은 극도로 넓은 표면적(약 310m2/g)을 제공하는 나노 크기의 기공을 갖고, 또한, 그의 화학적 친화성 덕분에 우수한 오일 흡착성을 갖는다.
에어로겔을 혼합물에 첨가하는 경우 혼합의 자유 에너지는 아래와 같이 결정될 수 있다.
ΔGmix = ΔGPS + ΔGLS + ΔGPL
(P: 중합체, L: 윤활유, S: 고체입자)
따라서, 깁스 에너지가 0 보다 작게 변경되고, 윤활유와 중합체 수지가 안정적으로 혼합될 수 있게 된다.
도 2의 좌측 유리병은 에어로겔을 첨가하지 않은 중합체 수지(PDMS) 및 윤활유(올리브 오일)의 혼합물을 나타낸다. 두 물질이 균일하게 혼합되지 않고 상 분리가 나타난 것이 확인된다. 반면, 에어로겔(실리카겔)을 첨가한 오른쪽 유리병은 세 물질이 균일한 혼합물의 상태를 유지하고 있는 것을 육안으로 확인할 수 있다.
상기 윤활유는 올리브 오일(olive oil), 불소계 오일(fluorinated oil), 실리콘 오일(silicone oil), 정유(essential oil), 파라핀계 오일(paraffin oil), 석유계 오일(mineral oil) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 석유계 오일 또는 실리콘 오일을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서, “윤활유”는 경우에 따라서는 “오일”과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
상기 정유는 클로브 오일을 사용할 수 있고, 파라핀계 오일은 n-옥테인(n-octane), n-데케인(n-decane), n-도데케인(n-dodecane), 헥사데케인(hexadecane), 옥타데케인(octadecane) 등으로부터 선택될 수 있으며, 상기 석유계 오일은 디젤, 가솔린, 원유 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 윤활유 중 정유, 특히 클로브 오일을 포함하면 제조된 제품에 항균 효과를 부여할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 윤활유는 중합체 수지 100중량부에 대하여 5 내지 40중량부로 포함될 수 있다. 윤활유의 경우 중합체 수지나 에어로겔이 갖지 못하는 결합기를 갖기 때문에 중합체 수지 및 에어로겔만으로는 흡수하지 못하는 영역대의 적외선광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 중합체 수지로서 PDMS를 사용하고, SiO2 에어로겔을 사용하는 경우, C-C 결합이 흡수하는 적외선 영역의 흡수가 어렵지만, n-hexadecane을 포함함으로써 C-C 결합에 의한 적외선 영역대의 파장을 흡수할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 수지 및 윤활유의 혼합물(blend)을 포함하는 조성물은 무기 입자를 더 포함할 수 있으며, 상기 무기 입자는 에어로겔 또는 나노입자의 형태를 가질 수 있다. 상기 무기 입자는 조성물에 포함되어 제조된 필름의 가시광 투과도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 에어로겔을 포함하는 조성물로부터 제조된 복사 냉방 필름은 가시광을 투과시켜 고투과성 필름으로 사용될 수 있다. 또한, 무기 나노입자를 포함하는 조성물로부터 제조된 복사 냉방 필름은 가시광을 반사시키는 고반사성 필름으로서 사용될 수 있다.
상기 에어로겔은 실리카겔, 탄소 에어로겔, 그래핀 에어로겔 등을 사용할 수 있다. 상기 에어로겔은 윤활유를 흡수하여 윤활유가 안정적으로 중합체 수지와 혼합되고, 제품화된 후에도 윤활유가 쉽게 증발되지 않도록 돕는다. 상기 에어로겔은 1 내지 20㎛의 평균직경을 갖는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 5 내지 15㎛의 평균직경이 좋다.
상기 나노입자의 경우 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화세륨(CeO2) 등과 같이 가시광 영역의 반사율이 높은 무기 나노입자를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서는 실리카 에어로겔을 포함하는 복사 냉방 필름과 이산화티탄 나노입자를 포함하는 복사 냉방 필름이 모두 우수한 적외선 흡수율을 나타냄과 동시에 가시광에 대해서는 낮은 흡수율을 나타내지만, 실리카 에어로겔을 포함하는 필름은 가시광을 대부분 투과시키고, 이산화티탄과 같은 무기 나노입자를 포함하는 필름은 가시광을 대부분 반사시킨다는 것을 확인하였다.
상기 무기 입자는 중합체 수지와 윤활유의 혼화성과 제조될 제품의 기계적 특성 등을 고려하여 적절한 함량을 첨가하는 것이 바람직하며, 오일 100중량부에 대하여 10 내지 100중량부로 사용될 수 있고, 20 내지 50중량부가 더욱 바람직하다.
본 발명에서, 상기 중합체 수지는 폴리디메틸실론산(polydimethylsiloxane, PDMS), 실리콘(silicone), 퍼플루오로폴리에터(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리이미드(polyimide, PI) 등과 같은 액상의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 액상의 중합체는 별도의 용매 없이 윤활유와 혼합될 수 있으며, 필요에 따라 에어로겔에 의해 윤활유와 혼합될 수 있다.
예를 들어, 실리콘 엘라스토머와 실리콘 오일은 에어로겔의 첨가가 없이도 혼화성이 우수하여 본 발명의 조성물에 사용될 수 있지만, 실리콘 엘라스토머와 올리브 오일은 에어로겔의 첨가 없이는 혼합되지 않는다.
본 발명의 중합체 수지는 또한 폴리락트산(Polylactic acid; PLA), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene; HDPE), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane; TPU), 폴리스타이렌(polystyrene; PS), 폴리에스테르(Polyester), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 열가소성 중합체 수지를 사용할 수 있다.
중합체 수지로서 열가소성 중합체 수지를 사용하는 경우 고체상 중합체를 용매에 녹여 액체화하여 윤활유와 혼합하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용 가능한 용매로서는 디클로로메탄(DCM), 테트라하이드로퓨란(THF), 디옥세인(dioxane), 메틸에틸케톤(MEK), 디메틸폼아마이드(DMF) 등을 사용할 수 있다.
고체상 중합체을 액상화시키면서 동시에 윤활유와 혼합될 수 있는 적합한 용매를 선택하기 위해, 플로리-허긴스(Flory-Huggins) 솔루션을 적용할 수 있다. 플로리-허긴스 상수(χ)는 아래와 같이 정의된다.
Figure 112019024544306-pat00001
상기 식에서, δ1 및 δ2는 용매와 용질의 용해도 상수를 나타내며, V1은 용매의 몰부피, R은 기체 상수, T는 절대온도를 의미한다.
χ 값이 적을수록 용매와 용질이 더 잘 용해될 수 있다.
예를 들어, 폴리락트산(PLA)와 디클로로메탄(DCM)의 χ는 0.03인데, 이는 PLA와 톨루엔의 χ인 0.42보다 훨씬 적다. 따라서, PLA의 용해에는 아세톤보다 DCM이 더 적합하다는 것을 알 수 있다.
또한, DCM과 윤활유와의 상수 χ도 혼합을 위해 중요하다. 올리브 오일(χ=0.47)과 석유계 오일(χ=0.91)이 물(χ=21.43)이나 에틸렌 글리콜(χ=6.08)보다 더 DCM과 혼합되기 용이하다는 것을 알 수 있다.
상기 용매는 전체 조성물의 농도가 0.05 내지 0.30g/mL가 되도록 하는 함량으로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.15g/mL의 농도를 갖도록 하는 것이 좋다.
예시적인 고체 중합체 수지에 따른 적합한 용매의 종류를 아래의 표 1에 나타내었다.
중합체 용매
폴리락트산(PLA) 디클로로메탄(DCM)
테트라하이드로퓨란
디옥세인(dioxane)
아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS) DCM
메틸에틸케톤(MEK)
열가소성 폴리우레탄(TPU) 디메틸폼아마이드(DMF)
폴리스티렌(PS) DCM
아크릴계 MEK
폴리카보네이트(PC) DCM
DMF
고체상 중합체 수지를 이용하여 본 발명의 조성물을 제조하는 방법은 중합체 수지를 제1 용매에 용해시켜 중합체 용액을 제조하는 단계; 및 상기 중합체 용액과 윤활유를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 방법에서, 윤활유를 혼합하는 단계는 윤활유를 제2 용매에 용해시킨 윤활유 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 윤활유를 혼합하는 단계는 무기 입자를 추가로 혼합하는 것이 바람직하며, 무기 입자를 윤활유 용액에 첨가한 후, 중합체 수지 용액과 윤활유 용액을 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따르면 중합체를 용매에 용해시켜 상온에서 액체상을 형성하고, 윤활유를 별도의 용매에서 용해시킨 후, 액체상인 중합체와 윤활유를 혼합함으로써 중합체가 윤활유와 잘 혼합될 수 있도록 하였으며, 중합체가 쉽게 경화되거나 윤활유가 고온에서 쉽게 증발하는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1 용매와 제2 용매는 바람직하게는 동일한 용매인 것이 좋다.
상기 윤활유 용액은 10 내지 50%(v/v)의 농도를 갖는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 30%(v/v)의 농도를 갖는 것이 좋다.
본 발명에서, 상기 두 용액의 혼합은 중합체 용액을 조금씩 윤활유 용액에 첨가하면서 지속적으로 교반하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물은 공지의 방법에 의해 복사 냉방 필름으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 코팅, 몰딩, 3D 프린팅 등 다양한 공지의 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 조성물을 핵산(hexane)과 같은 용매에 1/10 내지 1/50으로 희석하여 스핀 코팅에 의해 코팅한 후 100 내지 150℃에서 1 내지 2시간 동안 경화시킨 다음 분리하여 복사 냉방 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 복사 냉방 필름은 바람직하게는 10 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 내지 400㎛의 두께를 가질 수 있다. 특히, 에어로겔을 포함하는 복사 냉방 필름을 제조하는 경우 50 내지 100㎛의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하고, 무기 나노 입자를 포함하는 복사 냉방 필름을 제조하는 경우 100 내지 300㎛의 두께를 갖도록 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 복사 냉방 필름의 예시적인 제조방법으로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 투명 중합체 필름 사이에 상기 조성물을 배치한 후 롤러 또는 핫프레스 등에 의해 열압착하여 중합체-액체-중합체가 샌드위치된 필름으로 제조하는 것도 가능하다.
또는, 도 4에 도시한 바와 같이, 딤플(dimple) 구조의 몰드 상에 본 발명의 조성물을 도포한 후 경화하여 소수성 패턴을 갖는 복사 냉방 필름을 제조하는 것도 가능하다.
또는, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 조성물을 휘발성 용매와 혼합한 후 유리창 등의 기재에 분무하여 자가-조립된(self-assembled) 구조를 형성하는 방법에 의해 복사 냉방 필름을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 구현 형태에서, 상기 복사 냉방 필름은 표면에 마이크로 또는 나노 구조를 포함할 수 있다. 상기 마이크로 또는 나노 구조는 특별히 제한되지 않으나, 원기둥, 육각기둥, 사면체 등의 형태를 갖는 돌출부 또는 오목부가 일정 간격으로 반복되는 패턴을 갖거나, 다각 형태의 채널이 반복적으로 형성된 패턴을 갖는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 또는 나노 구조는 마이크로 또는 나노 구조를 갖는 몰드를 제작한 후 상기 몰드에 복사 냉방 필름용 조성물을 캐스팅하여 제조할 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않으며, 본 기술분야에서 일반적으로 사용되는 기술을 사용하여 마이크로 또는 나노 구조를 갖는 필름을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 복사 냉방 필름의 가시광 영역의 반사율을 상승시키기 위한 목적으로 상기 나노 구조를 복사 냉방 필름의 표면에 적용할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 복사 냉방 필름의 적외선 영역의 광흡수율을 상승시키기 위한 목적으로 상기 마이크로 구조를 복사 냉방 필름의 표면에 적용할 수 있다.
본 발명의 방법으로 제조된 복사 냉방 필름은 적외선광의 흡수율이 뛰어나며, 동시에 가시광 영역을 거의 흡수하지 않고 투과시키거나 반사시킬 수 있는 특징이 있다. 특히, 무기 입자의 종류를 선택함으로써 복사 냉방 필름을 고투과성으로 제조하거나 고반사성으로 제조하는 것이 가능하다.
실시예
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실험예 1: 복사 냉방 필름의 제조
미네랄오일 및 다공성 실리카 에어로겔(평균입자크기 3㎛, REM-tech)을 5:1의 중량비로 혼합하였다. 투명한 PDMS(다우 코닝)를 상기 혼합물과 7:3의 중량비로 혼합하여 복사 냉각 필름용 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 핵산으로 20배 희석한 후 테프론 기판 상에 2,000rpm으로 코팅한 후, 130℃에서 1시간 동안 경화시킨 다음 분리하여 약 50㎛ 두께의 박막을 제조하였다.
제조된 복사 냉방 필름의 파장에 따른 흡수율, 투과율 및 반사율을 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR Spectrometer, Nicolet iS50, Thermo Fisher Scientific Instrument)을 이용하여 측정하였다. 각 파라미터는 아래와 같은 기준으로 측정하였다.
- 반사율(%): IR beam을 필름에 조사하고 반사하는 비율 측정
- 투과율(%): IR beam을 film에 조사하고 투과하는 비율 측정
- 흡수율(%): 100 - 반사율 - 투과율
측정 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서, 본 발명의 복사 냉방 필름은 적외선 영역에 대하여 매우 높은 흡수율과 매우 낮은 투과율을 나타내며, 모든 파장 영역에서 반사율이 0에 가까워, 광 투과가 가능하면서도 적외선을 우수한 효율로 흡수할 수 있다는 것을 확인하였다.
실험예 2: 광투과성/광반사성 복사 냉방 필름의 제조
올리브 오일을 300 내지 800nm의 평균입자크기를 갖는 TiO2 나노입자(Junsei chemical)와 5:1의 중량비로 혼합하였다. 투명한 PDMS(다우 코닝)를 상기 혼합물과 7:3의 중량비로 혼합하여 광반사성 복사 냉방 필름용 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 테프론 기판 상에 400rpm으로 코팅한 후 분리하여 약 200㎛ 두께의 필름을 제조하였다.
또한, 실리콘 오일을 3 내지 20㎛의 평균 입경을 갖는 SiO2 입자(REM tech)와 5:1의 중량비로 혼합하여, 위와 동일한 방법으로 광투과성 복사 냉방 필름용 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 핵산으로 20배 희석한 후 테프론 기판 상에 2,000rpm으로 코팅한 후 분리하여 약 50㎛ 두께의 박막을 제조하였다.
두 필름에 대한 가시광 및 적외선 파장에서의 광흡수율을 도 7에 나타내었다.
도 7에서, 두 필름 모두 가시광 파장 영역의 빛은 거의 흡수하지 않지만(TiO2: 8.5%; SiO2: 2.5%), 적외선 파장 영역은 우수한 흡수율을 나타내었다.
두 필름의 가시광 영역의 광투과율과 광반사율을 도 8(a) 및 (b)에 각각 나타내었다.
도 8로부터, SiO2 나노입자를 포함하는 필름은 가시광 파장에서 90% 이상의 광투과율을 나타내고, 7% 이하의 광반사율을 나타내었으며, TiO2 나노입자를 포함하는 필름은 가시광 파장에서 3% 이하의 광투과율과 90% 이상의 광반사율을 나타내었다.
따라서, 무기 입자로서 SiO2 나노입자를 포함하는 경우 광투과율이 우수한 복사 냉방 필름을 제조할 수 있고, 무기 입자로서 TiO2 나노입자를 포함하는 경우 광반사율이 우수한 복사 냉방 필름을 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.
실험예 3: 나노/마이크로 구조가 적용된 광투과성/광반사성 복사 냉방 필름의 제조
올리브 오일을 300 내지 800nm의 평균입자크기를 갖는 TiO2 나노입자(Junsei chemical)와 5:1의 중량비로 혼합하였다. 투명한 PDMS(다우 코닝)를 상기 혼합물과 7:3의 중량비로 혼합하여 광반사성 복사 냉방 필름용 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 나노 구조가 적용된 몰드 위에 400rpm으로 코팅한 후 분리하여 약 200㎛ 두께의 나노 구조가 적용된 필름을 제조하였다.
또한, 실리콘 오일을 3 내지 20㎛의 평균 입경을 갖는 SiO2 입자(REM tech)와 5:1의 중량비로 혼합하여, 위와 동일한 방법으로 광투과성 복사 냉방 필름용 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 마이크로 구조가 적용된 몰드 위에 100rpm으로 코팅한 후 분리하여 약 100㎛ 두께의 마이크로 구조가 적용된 필름을 제조하였다.
나노/마이크로 구조가 적용된 두 필름의 전자 현미경(SEM) 사진을 도 9(a) 및 (b)에 나타내었다.
도 9(a)에서 무기 나노입자를 포함하는 복사 냉방 필름의 표면에 나노 구조의 구멍이 촘촘하게 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9(b)에서 에어로겔을 포함하는 복사 냉방 필름의 표면에 육각 기둥 형태의 마이크로 홀(hole)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 10(a)는 상기 나노 구조가 적용된 복사 냉방 필름의 가시광 영역의 반사율을 동일 조성의 평면 복사 냉방 필름과 비교하여 나타낸 것이고, 도 10(b)는 상기 마이크로 구조가 적용된 복사 냉방 필름의 적외선 영역의 흡수율을 동일 조성의 평면 복사 냉방 필름과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10(a)에서, 나노 구조가 적용된 무기 나노입자를 포함하는 복사 냉방 필름의 경우 나노 구조가 적용되지 않은 평면인 경우에 비하여 가시광 파장에서 3% 이하의 광반사율 상승이 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 필름에 형성된 나노 구조가 가시광 파장의 반사율을 상승시키는 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10(b)에서, 마이크로 구조가 적용된 에어로겔을 포함하는 복사 냉방 필름의 경우, 마이크로 구조가 적용되지 않은 평면인 경우보다 적외선 파장에서 60% 이하의 광흡수율 상승을 나타내었다. 특히, 3 내지 8㎛ 영역에서 높은 광흡수율 상승을 나타내어, 대기의 창(8 내지 13㎛)영역에서 99% 이상의 광흡수율을 나타낼 수 있다는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 복사 냉방 필름을 제조하기 위한 조성물로서,
    실온에서 액상인 중합체 수지 또는 고체상 중합체 수지를 용매에 용해시킨 액상의 중합체 수지, 윤활유 및 무기 입자의 혼합물(blend)를 포함하되,
    상기 중합체 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 40중량부의 윤활유를 포함하고,
    상기 무기 입자가 1 내지 20㎛의 평균직경을 갖는 에어로겔(aerogel)인, 복사 냉방 필름용 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 수지가 폴리디메틸실론산(polydimethylsiloxane, PDMS), 실리콘(silicone), 퍼플루오로폴리에터(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리락트산(Polylactic acid; PLA), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene; HDPE), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리스타이렌(polystyrene; PS), 폴리에스테르(Polyester), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol) 및 폴리에스테르아크릴레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활유가 올리브 오일(olive oil), 불소계 오일(fluorinated oil), 실리콘 오일(silicone oil), 정유(essential oil), 파라핀계 오일(paraffin oil) 및 석유계 오일(mineral oil)로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔이 실리카겔, 탄소 에어로겔 및 그래핀 에어로겔로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활유 100중량부에 대하여 10 내지 100중량부의 무기 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매가 디클로로메탄(DCM), 테트라하이드로퓨란, 디옥세인(dioxane), 메틸에틸케톤(MEK) 및 디메틸폼아마이드(DMF)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 용매가 전체 조성물의 농도가 0.05 내지 0.30g/mL가 되도록 포함되는 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름용 조성물.
  12. 실온에서 액상인 중합체 수지 또는 고체상 중합체 수지를 용매에 용해시킨 액상의 중합체 수지, 윤활유 및 무기 입자의 혼합물(blend)를 포함하되, 상기 중합체 수지 100중량부에 대하여 5 내지 40중량부의 윤활유를 포함하고, 상기 무기 입자가 1 내지 20㎛의 평균직경을 갖는 에어로겔(aerogel)인, 복사 냉방 필름용 조성물을 경화시켜 형성된, 복사 냉방 필름.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서,
    표면에 마이크로 또는 나노 구조가 형성된 것을 특징으로 하는, 복사 냉방 필름.
  16. 윤활유 100중량부에 대하여 무기 입자 10 내지 100중량부를 혼합하는 단계;
    실온에서 액상인 중합체 수지 또는 고체상 중합체 수지를 용매에 용해시킨 액상의 중합체 수지 100중량부에 대하여 상기 윤활유 5 내지 40중량부의 비율로 상기 혼합물을 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합물을 성형하여 필름을 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 무기 입자가 1 내지 20㎛의 평균직경을 갖는 에어로겔(aerogel)인, 복사 냉방 필름의 제조방법.
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