KR20140145285A - 근적외선 차폐 기능을 갖는 복합 광학 필름 - Google Patents
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Abstract
근적외선 차폐 기능을 갖는 복합 광학 필름이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 광학 필름은 투명기판의 일면 또는 양면에 근적외선 반사층 및 투명전도성층이 적층되어 형성되거나, 투명기판의 일면에 근적외선 반사층이 형성되고 타면에 투명전도성층이 형성되는 복합 광학 필름이고, 근적외선 반사층은 제1 굴절율을 갖는 제1 굴절층과, 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 굴절층이 교대로 적층하여 형성되는 것으로, 근적외선 반사층의 적층수는 홀수이다.
Description
본 발명은 복합 광학 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광의 근적외선을 차폐하는 기능을 갖는 복합 광학 필름에 관한 것이다.
근래에 건축 분야에서는 에너지 효율성을 향상시키기 위한 건축 외장재의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 그 중에서도 실내에 유입되는 태양광 에너지를 흡수 및 차단시킬 수 있는 중요한 자재로 건축 외벽의 창호 소재에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.
태양광의 파장은 자외선, 가시광선, 적외선으로 구분될 수 있으며 이 중에서 냉난방을 결정짓는 파장은 근적외선 영역의 태양광이고, 실내에 위치한 가구의 변색 및 인체에 영향을 미치는 파장은 자외선 영역의 태양광이다. 주택 전체의 열출입과 관련하여 창호로부터 손실되는 에너지는 대략 30~45%로 조사되고 있으며, 이는 실내에 유입되는 태양광 에너지를 제어하기 위한 창호 소재인 스마트 윈도우(Smart window)의 발전 가능성을 높게 평가하는 요인이기도 하다.
이러한 스마트 윈도우는 이중창 유리 사이에 형성되는 물질에 따라 종류가 나눠지는데, 크게는 전기변색 방식(EC, Electrochromic), 분극입자 방식(SPD, Suspended Particle Display), 폴리머 분산 액정 방식(PDLC, Polymer Dispersed Liquid Crystal)으로 구분될 수 있다. 상기 스마트 윈도우들은 전기 스위치의 조절에 의해 상기 물질들 양단에 인가되는 전류량이 변화되는 경우 개재된 물질의 산화 환원 반응에 의해 암화되는 현상을 이용하거나(EC 방식), 분극 입자들이 배향되는 현상을 이용하여(SPD/PLDC 방식) 태양광 적외선을 차폐하는 기능을 가지게 된다.
그러나 상기 스마트 윈도우들이 태양광 적외선을 차폐하기 위해서는 유리를 불투명하게 가려야만 하므로, 기본적으로 투명해야 할 창호의 기본적인 용도와 배치되는 문제가 있다. 또한 태양광 적외선에 의해 스마트 윈도우에 적용된 소재의 특성이 시간이 지나면서 점차 성능이 저하되는 문제가 발생하였다.
따라서 가시광선 투과율을 유지하면서도 적외선을 차폐할 수 있고, 열에 의해 스마트 윈도우 수명이 감소되는 것을 막기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들에서는 가시광선 투과율을 유지하면서도 태양광의 근적외선을 차폐할 수 있는 복합 광학 필름을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 투명기판의 일면 또는 양면에 근적외선 반사층 및 투명전도성층이 적층되어 형성되거나, 투명기판의 일면에 근적외선 반사층이 형성되고 타면에 투명전도성층이 형성되는 복합 광학 필름이고, 상기 근적외선 반사층은 제1 굴절율을 갖는 제1 굴절층과, 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 굴절층이 교대로 적층하여 형성되는 것으로, 상기 근적외선 반사층의 적층수는 홀수인 복합 광학 필름이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제1 굴절층은 ZnO, TiO2, Ta2O5, FTO(fluorine tin oxide), ATO(antimony tin oxide), IATO(indium antimony tin oxide), ITO(indium tin oxide) 및 AZO(aluminum doped zinc oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1이상의 물질로 형성되고, 상기 제2 굴절층은 SiO2, Al2O3 및 SiN으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명전도성층은 Zn, Cd, In, Ga, Sn 및 Ti의 산화물, 이들 물질간의 화합물, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), GZO(Gallium doped Zinc Oxide), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 투명기판의 일면에 근적외선 반사층이 형성되고 타면에 투명전도성층이 형성되는 경우에, 상기 투명기판 및 투명전도성층 사이에 배치되어 굴절율을 조정하는 굴절율 조정층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따른 복합 광학 필름을 포함하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 굴절율이 서로 다른 소재를 홀수 적층시킨 근적외선 반사층을 적용함으로써 가시광선 투과율을 유지하면서도 태양광의 근적외선을 차폐시킬 수 있는 바, 기존의 스마트 윈도우의 단점을 보완할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들에 따른 복합 광학 필름을 스마트 윈도우에 적용하는 경우에는 스마트 윈도우의 수명 감소를 방지할 수 있으며, 스마트 윈도우의 가시광선 투과율을 유지하면서도 태양광의 근적외선을 차폐시켜 실내의 냉난방 부하 절감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 광학 필름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 광학 필름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 근적외선 반사층을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1 내지 실시예 4의 파장-투과도(nm-%) 그래프이다.
도 5는 도 1의 복합 광학 필름의 발열 실험 결과를 나타내는 이미지이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 광학 필름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 근적외선 반사층을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1 내지 실시예 4의 파장-투과도(nm-%) 그래프이다.
도 5는 도 1의 복합 광학 필름의 발열 실험 결과를 나타내는 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 명세서에 있어서 "상부", "상에" 또는 "위에"라는 표현은 첨부된 도면을 기준으로 상대적인 위치 개념을 언급하기 위한 것이고, 상기 표현들은 언급된 층에 다른 구성요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층 또는 구성요소가 개재되거나 존재할 수 있으며, 또한 언급된 층과의 관계에서 상부에 존재하기는 하지만 언급된 층의 표면(특히, 입체적 형상을 갖는 표면)을 완전히 덮지 않은 경우도 포함할 수 있음을 밝혀둔다. 마찬가지로 "하부", "하측에" 또는 "아래에"라는 표현 역시 특정 층(구성요소)과 다른 층(구성요소) 사이의 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 광학 필름(100)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 광학 필름(100)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 복합 광학 필름(100)은 투명기판(110), 근적외선 반사층(120) 및 투명전도성층(130)을 포함하여 구성되는 적층 구조를 갖는다.
구체적으로, 복합 광학 필름(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 투명기판(110)과, 투명기판(110)의 상부면에 형성되는 근적외선 반사층(120)과, 근적외선 반사층(120)의 상부면에 형성되는 투명전도성층(130)을 포함하도록 형성될 수 있다. 또한, 도 1에 도시되지는 않았으나 투명기판(110)의 상부 뿐만 아니라 하부면에도 근적외선 반사층(120) 및 투명전도성층(130)이 순차적으로 적층된 복층 구조를 가지도록 형성되는 것도 가능하다.
한편, 복합 광학 필름(100)은 도 1에 도시된 것과는 달리 투명기판(110) 상에 투명전도성층(130)이 형성되고, 투명전도성층(130) 상부에 근적외선 반사층(120)이 형성되는 것도 가능하다. 또한, 투명기판(110)의 상부 뿐만 아니라 하부면에도 투명전도성층(130) 및 근적외선 반사층(120)이 순차적으로 적층된 복층 구조를 가지도록 형성되는 것도 가능하다.
즉, 복합 광학 필름(100)은 일면 또는 양면에 근적외선 반사층(120) 및 투명전도성층(130)이 순서에 상관없이 적층 됨으로써 형성될 수 있다(제1 실시예).
그리고 복합 광학 필름(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 투명기판(110)과, 투명기판(110)의 하부면에 형성되는 근적외선 반사층(120)과, 근적외선 반사층(120)의 상부면에 형성되는 투명전도성층(130)을 포함하도록 형성될 수 있다. 즉, 복합 광학 필름(100)은 일면에 근적외선 반사층(120)이 형성되고 타면에는 투명전도성층(130)이 형성될 수 있다(제2 실시예).
투명기판(110)은 투명성을 갖는 기판으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose) 필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide; PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene; PS), 이축연신폴리스틸렌(K레진 함유 biaxially oriented PS; BOPS), 유리 또는 강화유리 등으로 형성될 수 있으며, 상기 열거된 물질로 한정되는 것은 아니고 투명성을 가진 기판 재료면 어느 것이나 사용될 수 있다.
투명기판(110)의 크기는 특정되지 않으며, 예컨대 1,600mm의 폭을 갖는 대면적으로 형성될 수 있다.
근적외선 반사층(120)은 복합 광학 필름(100)의 태양광의 가시광선 투과율을 유지하면서도 근적외선을 차폐시키는 기능을 한다. 근적외선 반사층(120)은 굴절율이 서로 다른 굴절층(산화물로 형성됨)이 홀수로 적층되어 이루어지는 것으로, 구체적인 설명은 후술하기로 한다. 한편, 여기에서 상기 '근적외선'은 태양광의 근적외선 영역(750nm~1,200nm)에서 소정 정도의 오차 범위를 모두 포함하는 의미로 기재되었음을 밝혀둔다.
투명전도성층(130)은 투명성과 전도성 특성을 갖는 물질로 형성되는 레이어(layer)에 해당하는 것으로, 구체적으로는 Zn, Cd, In, Ga, Sn 및 Ti의 산화물, 이들 물질간의 화합물, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), GZO(Gallium doped Zinc Oxide), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질로 형성될 수 있다. 투명전도성층(130)의 크기, 두께는 특정되지 않는다.
근적외선 반사층(120) 및 투명전도성층(130)은 CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링, ALD(Atomic Layer Deposition), 증발법(evaporation), 졸-겔법(sol-gel)등의 증착 공정이나, 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등의 용액 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2의 근적외선 반사층(120)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 근적외선 반사층(120)은 굴절율이 다른 복수개의 굴절층이 적층되어 형성될 수 있다. 구체적으로 근적외선 반사층(120)은 제1 굴절율을 갖는 제1 굴절층(121)과, 제1 굴절층(121)보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 굴절층(122)이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 근적외선 반사층(120)의 두께는 특정되지 않으며 가시광선 투과율 유지를 위해 제1 굴절층(121) 및 제2 굴절층(122)의 두께가 조정됨으로써 근적외선 반사층(120)의 두께가 정해질 수 있다.
제1 굴절층(121)은 ZnO(굴절율 1.9~2.0), TiO2(굴절율 ~2.3), Ta2O5(굴절율 2.1~2.3), FTO(fluorine tin oxide), ATO(antimony tin oxide), IATO(indium antimony tin oxide), ITO(indium tin oxide, 굴절율 2.0) 및 AZO(aluminum doped zinc oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1이상의 물질로 형성될 수 있으며(예컨대 ITO와 ATO로 형성될 수 있음), 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 제2 굴절층(122)은 SiO2(굴절율 ~1.46), Al2O3(굴절율 1.6~1.9) 또는 SiN(굴절율 1.6)로 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제1 굴절층(121) 및 제2 굴절층(122)은 구성 물질(산화물)의 굴절율 차이가 존재하면 되고, 제2 굴절층(122)이 제1 굴절층(121)보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 형성되면 충분하다.
근적외선 반사층(120)은 홀수의 적층수를 갖도록 형성된다. 도 3a에 도시된 것처럼 세 개의 제1 굴절층(121)과 두 개의 제2 굴절층(151)이 서로 교차 적층되어 총 다섯 층으로 형성되거나, 도 3b에 도시된 것처럼 세 개의 제2 굴절층(152) 과 두 개의 제1 굴절층(151)이 서로 교차 적층되어 총 다섯 층으로 형성될 수 있다. 또한, 생산 단가 또는 발열 지속성 등을 고려하여 근적외선 반사층(120)의 적층수를 3층, 5층, 7층, … , 2n+1층(n=1 이상의 정수)으로 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성되는 근적외선 반사층(120)은 상대적으로 높은 굴절율을 갖는 물질과 상대적으로 낮은 굴절율을 갖는 물질의 굴절율 차이를 이용하여 전체적으로 목표로 하는 가시광선 투과율을 조정할 수 있다(예컨대 가시광선 투과율 60% 이상).
한편, 복합 광학 필름(100)은 투명기판(100)의 일면에 근적외선 반사층(120)이 형성되고 타면에 투명전도성층(130)이 형성되는 경우에(도 2 참조, 제2 실시예), 투명기판(100)과 투명전도성층(130) 사이에 배치되어 굴절율을 조정하는 굴절율 조정층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 굴절율 조정층은 태양광이 입사하는 방향을 기준으로 투명전도성층(130)이 근적외선 반사층(120)보다 후면에 있는 경우에 복합 광합 필름(100)의 전체적인 광학적 투과도를 맞추기 위하여 선택적으로 형성되는 것으로, 투명기판(110)과 투명전도성층(130)과의 굴절율 차이를 상쇄시키는 기능을 한다.
이러한 굴절율 조정층은 유기물, 무기물, 산화물, 유무기 복합물 등의 다양한 물질을 사용하여 형성될 수 있으며, 예를 들면 근적외선 반사층(120)을 이루는 물질과 동일 또는 유사한 물질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 굴절율 조정층의 형성은 상술한 증착 공정 또는 용액 공정을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 굴절율이 서로 다른 소재를 홀수 적층시킨 근적외선 반사층을 적용함으로써 가시광선 투과율을 유지하면서도 태양광 근적외선을 차폐시킬 수 있는 바, 기존의 스마트 윈도우의 단점을 보완할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 복합 광학 필름을 스마트 윈도우에 적용하는 경우에는 스마트 윈도우의 수명 감소를 방지할 수 있으며, 스마트 윈도우의 가시광선 투과율을 유지하면서도 태양광 근적외선을 차폐시켜 실내의 냉난방 부하 절감 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 시험예를 설명하도록 한다. 다만, 본 발명이 하기의 시험예에 한정되지 않음은 자명하다.
시험예
복합 광학 필름(100)을 하기 [표 1]과 같이 구성하고, 파장에 따른 투과도를 측정하였다(UV_VIS spectrometer장비 사용).
| 복합 광학 필름의 구성(괄호는 두께, nm) | |
| 실시예 1 | TiO2(100)/SiO2(112)/TiO2(100)/SiO2(100)/TiO2(100)/Glass |
| 실시예 2 | TiO2(100)/SiO2(112)/TiO2(100)/SiO2(100)/TiO2(100)/PET film |
| 실시예 3 | ITO(55.1)/PET film/TiO2(100)/ TiO2(100)/SiO2(112)/TiO2(100)/SiO2(100)/TiO2(100) |
| 실시예 4 | TiO2(100)/SiO2(112)/TiO2(100)/SiO2(100)/TiO2(100)/ITO(55.1)/PET film |
관련하여, 도 4는 실시예 1 내지 실시예 4의 파장-투과도(nm-%) 그래프이다. 상기 [표 1] 및 도 4를 참조하면, 실시예 1,2의 경우 도 1에 도시된 복합 광학 필름(100)의 구조에서 투명전도성층(130)을 제외하고 기판의 종류를 달리한 것이며, 실시예 4의 경우에는 도 1에 도시된 복합 광학 필름(100)의 구조에서 근적외선 반사층(120) 및 투명전도성층(130)의 적층순서를 달리한 구조에 해당한다. 또한, 실시예 3의 경우에는 도 2에 도시된 복합 광학 필름(100)의 구조에 해당한다.
첨부된 그래프를 살펴보면 실시예 1 내지 4의 어느 경우에 있어서도 근적외선 영역(750nm~1200nm)에서의 투과도가 대략 30% 정도로 나타나고 있어 근적외선에 대한 차폐가 나타나고 있음을 알 수 있으며, 가시광선 투과율은 대략 60% 이상의 투과도를 보이고 있으므로 가시광선 투과율을 유지하면서도 근적외선이 차폐되고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 실시예들에 따른 복합 광학 필름(100)은 제시된 구조 전부에 대하여 가시광선 투과율을 유지하면서도 근적외선을 차폐시킬 수 있는 효과가 나타남을 알 수 있다.
한편, 실시예 1,2를 비교하면 기판의 특성 차이에 따른 그래프 차이만을 보일 뿐이고 전체적으로는 그래프 양상이 유사하므로, 기판의 두께를 조절하는 등의 광학적 특성을 조절함으로써 미세한 투과도 차이를 조정 가능하다.
도 5는 도 1의 복합 광학 필름(100)의 발열 실험 결과를 나타내는 이미지이다.
본 발명은 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 복합 광학 필름(100)을 포함하는 면상 발열체를 추가적으로 제공한다. 복합 광학 필름(100)의 구성 중에 투명전도성층(130)은 전기를 가할 경우 발열이 되므로 복합 광학 필름(100)의 경우 전기를 인가함으로써(예컨대, 복합 광학 필름의 양단에 전기 인가를 위한 전극을 추가적으로 형성함), 발열체로 사용 가능하다. 이 경우에는 태양광의 근적외선을 차단시키면서도 발열체의 특성을 가질 수 있는 바, 창호 시스템, 자동차 유리 표면 등에 활용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 복합 광학 필름(100)을 포함하는 면상 발열체의 경우 중앙부분의 네 부분(Sp1 내지 Sp4)에서 측정한 발열 결과가 55.1℃~56.0℃로 균일한 온도 구배를 보이고 있음을 확인할 수 있는 바, 본 발명에 따른 면상 발열체는 전면에 걸친 균일한 발열이 되면서도 근적외선을 차폐할 수 있는 장점을 갖는다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 복합 광학 필름 110: 투명기판
120: 근적외선 반사층 121: 제1 굴절층
122: 제2 굴절층 130: 투명전도성층
140: 굴절율 조정층
120: 근적외선 반사층 121: 제1 굴절층
122: 제2 굴절층 130: 투명전도성층
140: 굴절율 조정층
Claims (5)
- 투명기판의 일면 또는 양면에 근적외선 반사층 및 투명전도성층이 적층되어 형성되거나, 투명기판의 일면에 근적외선 반사층이 형성되고 타면에 투명전도성층이 형성되는 복합 광학 필름이고,
상기 근적외선 반사층은 제1 굴절율을 갖는 제1 굴절층과, 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 굴절층이 교대로 적층하여 형성되는 것으로, 상기 근적외선 반사층의 적층수는 홀수인 복합 광학 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 굴절층은 ZnO, TiO2, Ta2O5, FTO(fluorine tin oxide), ATO(antimony tin oxide), IATO(indium antimony tin oxide), ITO(indium tin oxide) 및 AZO(aluminum doped zinc oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1이상의 물질로 형성되고,
상기 제2 굴절층은 SiO2, Al2O3 및 SiN으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 물질로 형성되는 복합 광학 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 투명전도성층은 Zn, Cd, In, Ga, Sn 및 Ti의 산화물, 이들 물질간의 화합물, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), GZO(Gallium doped Zinc Oxide), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 복합 광학 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 투명기판의 일면에 근적외선 반사층이 형성되고 타면에 투명전도성층이 형성되는 경우에, 상기 투명기판 및 투명전도성층 사이에 배치되어 굴절율을 조정하는 굴절율 조정층을 더 포함하는 복합 광학 필름. - 청구항 1 내지 청구항 4에 따른 복합 광학 필름을 포함하는 면상 발열체.
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2013
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