KR101976591B1

KR101976591B1 - 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 이를 이용한 적외선 차폐용 복합원단

Info

Publication number: KR101976591B1
Application number: KR1020180005625A
Authority: KR
Inventors: 김찬; 이승훈; 장선호; 소윤미
Original assignee: 주식회사 아모그린텍
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-05-10

Abstract

본 발명은 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 이를 이용한 적외선 차폐용 복합원단에 관한 것이다.
본 발명의 적외선 차폐용 복합원단은 전기방사법에 의해 제조되는 직경 1㎛ 미만, 두께 3㎛ 이상의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인을 베이스 원단의 내측 또는 외측에 복합화하여 얻어지며, 적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 이를 이용한 적외선 차폐용 복합원단{Nanofiber Membrane for Shielding Infrared Ray and Complex Fabric for Shielding Infrared Ray Using the Same}

본 발명은 적외선 차폐용 복합원단에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인을 베이스 원단의 내측 또는 외측에 복합화하여 얻어진 적외선 차폐용 복합원단에 관한 것이다.

태양광은 자외선 2.5%, 가시광선 51.5%, 적외선 46%의 광량 비율을 가지고 있으며, 지구 에너지의 99.98%에 해당한다. 이중 자외선은 광량은 적지만 파장이 150~380nm로 짧아 가시광선의 100배, 적외선의 100~10,000배의 높은 에너지를 가지고 있어, 유기물의 분해 및 열화를 일으키며 피부 세포에도 치명적인 해를 끼친다.

한편, 적외선은 파장 780nm~1mm의 장파장대를 가지고 있어 에너지는 낮으나 열적 작용이 커서 전자기파의 일종인 열선(熱線)으로 불리며, 그 중 파장 780~2500nm의 근적외선은 대부분의 열을 담당하는 것으로 알려졌다. 따라서, 근적외선 차단 및 차폐는 산업상 중요한 이슈의 하나이며, 섬유분야에서도 이러한 근적외선 차폐에 대해 다양한 시도가 있었다.

일반적으로 근적외선 차폐섬유는 직/편물에 카본블랙이나 유무기계 근적외선 흡수, 반사안료 등을 도포, 코팅 내지는 염색하는 방법과 섬유 제조시 근적외선 반사율이 높은 차폐 소재가 함유된 수지를 이용하여 원사 내 적외선 차폐 물질이 혼입된 섬유를 제조하는 방법으로 크게 구분할 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 적외선 차폐섬유는 원단 제조 후 적외선 차폐물질을 부착, 코팅하는 방법으로 제조되므로 염색, 후 가공 등의 가혹한 조건에서 적외선 차폐 반사체의 탈리로 인하여 근적외선 차폐효율이 낮고, 세탁, 마찰, 습윤 등에 의해서도 적외선 반사체가 탈리되어 반영구적으로 사용하지 못하는 단점이 있다.

또한, 적외선 차폐 물질이 혼입된 원사의 경우 차폐물질의 경도가 높아 각종 제조설비를 마모시키는 단점이 있으며, 시스/코어형의 경우 차폐물질의 함량이 적어 우수한 성능의 적외선 차폐섬유를 제조하는데 한계가 있다.

: 대한민국 등록특허공보 제10-1651896호

본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 나노섬유의 직경 분포와 근적외선 파장대가 유사함에 근거하여 근적외선의 산란, 굴절, 반사 등에 의한 차폐효과가 우수한 나노섬유 시트로 이루어진 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 이를 이용하여 얻어지는 적외선 차폐용 복합원단을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 적외선 차폐 원단의 낮은 적외선 차폐 성능을 향상시키기 위해 나노섬유 시트를 기존 적외선 차폐 원단과 복합화하여 적외선 평균 차폐율을 70% 이상으로 향상시킬 수 있는 적외선 차폐용 복합원단을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 적외선 파장대와 유사한 직경 분포를 갖는 다수의 섬유가 3차원의 미세기공을 가지며 두께 3㎛ 이상으로 집적된 나노섬유 시트로서, 적외선의 산란, 굴절, 반사 중 적어도 하나에 의해 적외선 차폐효과를 나타내는 것을 특징으로 한다.

상기 섬유의 직경은 1㎛ 미만의 나노섬유, 바람직하게는 100nm~1㎛ 미만의 나노섬유일 수 있다.

상기 나노섬유 시트의 두께는 3~150㎛ 범위로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 베이스 원단의 외측에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인의 나노섬유 시트가 복합화되며, 이 경우 상기 나노섬유 시트의 두께는 바람직하게는 3~100㎛, 더욱 바람직하게는 7~70㎛ 범위로 설정될 수 있다.

또한, 상기 나노섬유 시트는 적외선 평균 차폐율이 적어도 38.6%~94% 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 적외선 차폐용 복합원단은 베이스 원단; 및 상기 베이스 원단의 내측이나 외측 일면 또는 양면에 복합화되는 나노섬유 시트로 이루어진 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인;을 포함하며, 적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 베이스 원단은 적외선 차폐 원단일 수 있다. 또한, 상기 베이스 원단은 직물, 편물, 종이, 필름 중 어느 하나일 수 있다.

더욱이, 상기 베이스 원단과 적외선 차폐 원단의 복합화는 라미네이팅, 캘린더링, 열압착 등의 다양한 방법에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 베이스 원단; 및 상기 베이스 원단의 내측이나 외측 일면 또는 양면에 복합화되며, 전기방사방법에 의해 제조되는 직경 200nm~1㎛ 미만의 다수의 섬유가 3차원의 미세기공을 갖도록 집적된 나노섬유 시트로서, 시트 두께 7~70㎛ 범위의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인;을 포함하며, 상기 베이스 원단은 폴리에스테르 섬유로 제직된 적외선 차폐 원단이고, 상기 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 전기방사된 나노섬유 시트이며, 적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단에 나노섬유 시트가 적층된 2층 구조이고, 상기 나노섬유 시트가 입사광과 먼저 만나도록 사용할 때 적외선 평균 차폐율이 70% 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단에 나노섬유 시트가 적층된 2층 구조이고, 폴리에스테르 베이스 원단이 입사광과 먼저 만나도록 사용할 때 적외선 평균 차폐율이 70% 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단의 양측면에 상기 나노섬유 시트가 각각 적층된 3층 구조이고, 적외선 평균 차폐율이 70% 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복합원단은 나노섬유 시트가 한쌍의 폴리에스테르 베이스 원단의 내측에 샌드위치 구조로 적층된 3층 구조이고, 적외선 평균 차폐율이 70% 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 나노섬유 시트는 나노섬유의 평균 직경이 300nm이고, 두께가 5~150㎛ 범위일 때 적외선 평균 차폐율이 적어도 38.6~94.1% 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 유무기 차폐물질을 함유하지 않고, 나노섬유 시트 두께에 의해 차폐율이 조절 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 적외선 차폐용 복합원단은 기존 적외선 차폐 원단에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인을 복합화함에 의해 기존 적외선 차폐 원단 제품의 적외선 평균 차폐율을 70% 이상으로 효과적으로 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인과 기존 근적외선 차폐 원단과의 복합화에 의해 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인의 취약한 물성을 보완할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인의 적외선 차폐 기능과 함께 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 구조에 따른 투습방수 기능을 활용하여 우수한 흡한속건(吸寒速乾) 직물을 제공할 수 있어 군사용 위장 직물, 야외용 스포츠 의류, 건축용 피복재, 천막용 직물, 위조방지용 원단, 전자기기 및 자동차용 섬유제품 등 산업적으로 폭넓게 응용할 수 있다.

특히, 본 발명의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 군사시설을 위장하는 위장막으로 사용하는 경우 야간에 근적외선 영역의 빛을 산란, 굴절 및/또는 반사시킴에 의해 야간에 위장막으로 보호하고 있는 군사시설을 용이하게 위장하는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 합성직물에 카본 및 근적외선 흡수안료를 도포하여 제조하는 기존 근적외선 차폐섬유에서 발생되는 열등한 내구성의 문제를 개선하여 반영구적 내구성을 갖는다. 즉, 본 발명에서는 안료 등을 사용하지 않으므로 염색 및 후가공 등의 가혹한 조건에서도 외부로 안료의 탈락 및 성능저하가 발생하지 않으며, 사용시에도 세탁 견뢰도 및 내구성이 우수하다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 PVDF 나노섬유 시트의 섬유 직경별 주사전자 현미경 사진과 섬유의 직경분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PVDF 나노섬유 시트의 직경별 근적외선 영역의 반사율(Reflectance)을 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따라 베이스 원단에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이 복합화된 2층 구조의 적외선 차폐용 복합원단을 나타내는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제2실시예에 따라 베이스 원단의 외부 및 내부에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이 복합화된 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PVDF 나노섬유 시트의 두께별 근적외선 영역의 반사율(a)과 평균차단율(b)을 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 2층 구조의 적외선 차폐용 복합원단에서 입사광이 폴리에스터(Polyester) 베이스 원단과 먼저 접촉하는 경우와 입사광이 PVDF 나노섬유와 먼저 접촉하는 경우, 근적외선 영역의 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단에서 폴리에스터 베이스 원단의 외부에 PVDF 나노섬유 시트가 복합화된 적외선 차폐용 복합원단과 폴리에스터 베이스 원단의 내부에 PVDF 나노섬유 시트가 복합화된 적외선 차폐용 복합원단의 근적외선 영역의 반사율을 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 도면 및 실시예 등을 참고하여 본 발명의 구현예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 기반 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 이를 이용하여 제조되는 복합원단에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이 전기방사에 의해 제조되는 직경 1㎛ 미만의 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이 베이스 원단의 내측 또는 외측에 복합화되어 적외선 평균 차폐율이 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단을 제공하는 것을 특징으로 한다.

태양광은 전자기파(electromagnetic wave)의 일종으로 파장(wavelength, λ) 780nm~1mm 영역의 적외선을 열선이라 하며, 파장대별로 크게 근적외선(Near Infrared(NIR), 780~3000nm), 중적외선(Mid-IR(MIR), 3,000~50,000nm), 원적외선(Far-IR(FIR), 50,000~100,000nm)으로 구분하며, 태양이나 발열체로부터 공간으로 전달되는 복사에너지는 적외선에 의한 것이다. 그 중 근적외선(NIR)은 대부분이 열과 관련된 전자기파이다.

물질의 굴절률이 크면 반사율이 커지게 되고, 특정파장을 반사하기 위해서는 물질의 크기가 중요한 인자로 작용하게 된다. 근적외선의 파장대인 780~1500nm는 전기방사된 섬유의 직경과 매우 유사한 범위를 가지고 있어 효과적으로 근적외선을 산란, 굴절 또는 반사시킬 가능성이 있다.

전기방사된 나노섬유는 고분자 용액에 전기장을 가해 직경 1㎛ 미만의 섬유상 집합체가 3차원적으로 적층된 구조를 가지며, 표면에서 이면으로 연결된 수많은 기공을 가지는 다공성 섬유상 시트를 형성한다. 기공의 크기(pore size)는 섬유의 직경과 두께에 의해 결정되며 섬유의 직경이 작을수록, 적층된 섬유가 많을수록 즉, 시트의 두께가 두꺼워질수록 기공의 크기는 작아진다. 따라서 본 발명에서는 나노섬유 시트 두께에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인을 구성하는 나노섬유 시트는 바람직하게는 전기방사가 가능한 PVDF, PU 등 고분자 소재로 이루어질 수 있다. 본 발명의 나노섬유 시트에 사용될 수 있는 나노섬유는 상기한 고분자 소재에 한정되는 것은 아니며, 직경 1㎛ 미만의 나노섬유를 형성할 수 있다면 모든 고분자 소재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 전기방사방법으로 제조가능한 고분자 소재를 사용할 수 있다.

또한, 전기방사가 가능한 고분자 소재는 단일 고분자 소재뿐 아니라 물성이 다른 2가지의 고분자 소재를 혼합하여 사용할 수 있고, 나노섬유 시트는 각각의 방사를 교차방사방법을 사용하여 형성하는 것도 물론 가능하다.

더욱이, 직경 1㎛ 미만의 나노섬유를 형성할 수 있다면, 전기방사 이외에 다른 방사방법도 적용할 수 있다.

본 발명의 근적외선 차폐에 사용될 수 있는 나노섬유는 직경이 100nm~1㎛ 미만의 나노섬유인 것이 바람직하다. 섬유의 직경이 100nm 미만으로 가늘어질수록 나노섬유의 집합체, 즉 나노섬유 시트는 도 2에 도시된 바와 같이 3차원 미세 기공을 형성하여 근적외선(IR)의 반사율(Reflectance)이 증가하는 경향을 가지고 있으나, 전기방사 방법으로 제조가 어려워지고 공정비용이 증가하는 문제가 발생한다.

또한, 나노섬유의 직경이 1㎛를 초과하는 경우, 나노섬유의 집합체가 이루는 3차원 기공이 커져서 근적외선(IR)의 반사률이 20% 이하로 크게 감소하는 문제가 발생하여 상용화가 어렵게 된다.

나노섬유의 평균 직경이 100nm로 감소할수록 근적외선 영역에서의 반사율(Reflectance)은 증가하며, 나노섬유의 직경이 1㎛로 증가할수록 근적외선의 반사율은 감소한다. 이는 나노섬유의 평균 직경이 감소할수록 근적외선 영역의 빛의 산란, 굴절 및 반사가 많아지기 때문이다.

상기한 나노섬유를 사용하여 구성되는 본 발명의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 나노섬유 시트의 두께에 따라 적외선의 차폐율이 달라진다. 나노섬유 시트의 두께는 3~150㎛로 설정될 수 있으며, 3~100㎛로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노섬유 시트의 두께는 7~70㎛ 범위로 설정되는 것이 제조원가 부담을 최소화하면서 적외선의 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 조건을 만족할 수 있어 더욱 바람직하다.

나노섬유 시트의 두께가 3㎛ 미만으로 되는 경우, 기존의 적외선 차폐 원단과 복합화하여 사용할지라도 상용화시에 소망하는 적외선의 평균 차폐율(약 70%)을 얻을 수 없으며, 시트의 두께가 150㎛를 초과하는 경우, 적외선의 평균 차폐율은 94%까지 증가하여 충분한 적외선의 차폐 효과를 얻을 수 있으나, 두께가 증가하는 데 따른 적외선의 평균 차폐율 증가는 미미하고 제조비용의 증가는 커지게 되어 경제성 측면에서 바람직하지 않다.

본 발명의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인에서 나노섬유 시트의 두께에 따라 적외선의 평균 차폐율이 달라지는 것은 나노섬유의 직경분포에 의한 근적외선의 산란, 굴절 및 반사의 반복이 연쇄적으로 작용한 효과와, 나노섬유 시트의 두께가 증가할수록 평균기공의 크기가 감소하여 나타난 결과이다.

본 발명의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 박막의 나노섬유 시트만으로 구성되기 때문에 물성이 취약하다. 따라서, 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인의 취약한 물성을 보완할 수 있도록 본 발명에서는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인과 베이스 원단(바람직하게는 기존 적외선 차폐 원단)을 복합화하며, 그 결과 적외선 차폐 원단 제품의 적외선 차폐 성능을 70% 이상으로 효과적으로 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 적외선 차폐용 복합원단(100,100a)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 적외선 차폐 원단, 즉 베이스 원단(20)에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)을 복합화하여 2층 구조로 구성될 수 있다.

베이스 원단(20)은 바람직하게는 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)의 강도를 보강할 뿐 아니라 적외선 차폐 기능을 보강하도록 적외선 차폐 원단을 사용할 수 있으며, 나노섬유 시트와 복합화할 수 있는 원단으로 직물, 편물, 종이, 필름 등으로 나노섬유와 복합화가 가능한 기존 제품으로 구성된다.

베이스 원단(20)은, 예를 들면, 블라인드 천으로 상용화되고 있는 폴리에스테르 섬유로 제직된 두께 760㎛의 적외선 차폐 원단을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 적외선 차폐용 복합원단은, 적외선 차폐 원단만을 사용하는 경우(평균 65.9%)와 비교하여 근적외선 차폐율이 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)용 나노섬유 시트의 두께에 비례하여 약 3~10%로 현저하게 증가한다.

본 발명에 따른 적외선 차폐용 복합원단(100,100a)은, 도 3a와 같이, 근적외선 입사광이 베이스 원단(20)과 먼저 접촉하도록 사용하거나 도 3b에 도시된 바와 같이 근적외선 입사광이 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)과 먼저 접촉하도록 사용할 수 있다.

나노섬유 시트의 두께(loading 량)가 증가할수록 차폐효율 또한 점진적으로 증가하는 경향을 나타내며, 도 3b와 같이 적외선이 나노섬유 시트층과 먼저 만나도록 사용하는 경우 근적외선 전 영역에서 보다 높은 차폐효율을 나타낸다.

또한, 도 3a와 같이 반대의 경우인 베이스 원단(20)이 적외선 입사광과 먼저 만나도록 사용하는 경우는 1600nm 미만의 파장대에서의 차폐효율은 나노섬유 시트의 두께에 따라 점진적으로 증가하며 1600nm 이상의 파장에서는 거의 동일한 효과를 나타낸다.

본 발명의 제2실시예에 따른 복합원단은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 3층 구조로 구현될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제2실시예에 따라 베이스 원단의 외부 및 내부에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이 복합화된 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단을 나타낸다.

도 4a를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단(102)은 베이스 원단(20)의 외부, 즉 양면에 한쌍의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10,10a)이 복합화된 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단(104)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 한쌍의 베이스 원단(20,20a)의 내부에 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)이 삽입되어 샌드위치 구조로 복합화될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 3층 구조의 적외선 차폐용 복합원단(102,104)은 제1실시예와 유사하게 입사광이 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인(10)을 형성하는 나노섬유 시트층과 먼저 만날 때 초기 차단율이 높으며, 근적외선 영역 전체에 걸쳐 근적외선 차단율이 증가한다.

또한, 제2실시예에 따른 적외선 차폐용 복합원단(102,104)의 경우도 나노섬유 시트층의 두께가 증가할수록 적외선, 특히 근적외선 차단 효과가 높다.

이하에서는 본 발명에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 복합원단에 대해서 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적일 뿐 본 발명의 보호범위가 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.

실시예 1

고분자 물질로 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF: Polyvinylidene fluoride)를 DMAc(dimethylacetamide)/Acetone의 혼합용매(혼합비는 wt.%로 8/2)에 18~10wt.%가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 방사용액을 방사노즐팩으로 이송하여 인가전압 ~100kV, 방사노즐과 집전체와의 거리 20~50cm, 토출량 분당 50~150μℓ/hole, 온도 30℃, 상대습도 60%의 방사 챔버에서 전기방사를 실시하여 방사된 나노섬유의 집합체가 3차원적으로 적층되어 웹(web) 구조를 가지고 3차원 미세 기공을 가지는 다공성 섬유상 시트를 형성하였다.

이때 방사된 나노섬유의 평균직경이 각각 200nm, 600nm, 1,000nm가 되도록 3종류의 PVDF 나노섬유 시트를 제조하였다. 제조된 3종류의 PVDF 나노섬유 시트는 각각 150℃, 100g/cm³의 압력 조건으로 시트의 두께가 5㎛가 되도록 캘린더링하여 섬유 간 열융착을 진행하였다.

캘린더링을 실시한 후, 나노섬유의 평균직경이 200nm, 600nm, 1,000nm인 3종류의 PVDF 나노섬유 시트에 대하여 각각 주사전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 촬영하고 이미지 분석 프로그램(Nanofiber vision, Aomgreentech )으로 측정한 섬유의 평균 직경 분포를 도 1에 나타냈다.

도 1(a)에 섬유의 평균직경이 200nm, 도 1(b)에 600nm, 도 1(c)에 1,000nm인 PVDF 나노섬유 시트에 대한 주사전자 현미경(SEM) 사진을 배치하고, 각 섬유별로 섬유의 평균 직경 분포를 대응하여 함께 표시하였다.

도 2에는 도 1에서 얻어진 섬유의 평균직경이 200nm, 600nm, 1,000nm인 3종의 PVDF 나노섬유 시트에 대하여 자외선 가시광선 근적외선 분광기(UV-Vis-NIR Spectroscopy)를 사용하여 근적외선(780~2500nm) 영역에서 섬유의 직경별 반사율을 측정한 그래프를 나타냈다.

도 2를 참고하면, 3종의 나노섬유 시트에서 나노섬유의 평균직경이 200nm로 감소할수록 근적외선 영역에서의 반사율(Reflectance)은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 나노섬유의 평균 직경이 감소할수록 근적외선 영역의 빛의 굴절과 산란이 많아져 나타난 결과로 해석된다.

또한, 나노섬유의 평균직경이 200nm일 때 근적외선 평균 반사율은 40% 미만으로 나타났고, 나노섬유의 평균직경이 1,000nm일 때, 근적외선 평균 반사율은 약 15% 인 것으로 나타났다. 3종의 나노섬유 시트 모두 파장(Wavelength)이 커질수록 근적외선 평균 반사율(Reflectance)은 감소하는 것으로 나타났다.

이러한 경향은 나노섬유 시트가 동일 두께일 때, 섬유의 직경이 적을수록 평균기공 크기도 감소하여 나타난 결과로 해석된다. 따라서, 이러한 나노섬유의 평균직경과 근적외선 평균 반사율 사이의 상관관계를 고려하면, 적외선 차폐용 나노섬유의 원하는 모폴러지(morphology)를 쉽게 디자인할 수 있다.

실시예 2

고분자 물질로 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 DMAc(dimethylacetamide)/Acetone의 혼합용매(혼합비는 wt.%로 8/2)에 15wt.%가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하여 실시예 1의 방법과 동일한 조건에서 PVDF 나노섬유 시트를 제조하였다. 이때 나노섬유의 평균 직경은 약 300nm이었으며, 방사시간을 제어하여 제조된 나노섬유 시트의 두께를 5~150㎛ 범위에서 하기 표 1에 기재된 두께를 가지도록 실시예 1의 조건으로 캘린더링 하였다.

또한, 얻어진 PVDF 나노섬유 시트에 대하여 시트 두께별로 근적외선(780~2500nm) 영역에서의 반사율(Reflectance)과 근적외선 영역의 반사율 평균값(Average NIR reflectance)을 평가한 결과를 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타냈으며, 하기 표 1에는 나노섬유 시트의 두께별로 근적외선 최대값, 최소값 및 평균 차폐율을 나타냈다.

도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이 나노섬유 시트의 두께가 증가할수록 근적외선(780~2500nm) 영역의 반사율(Reflectance)이 38.6%에서 94.1%까지 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 나노섬유의 직경분포에 의한 근적외선의 산란과 굴절, 반사의 반복에 의한 효과와 나노섬유 시트의 두께가 증가할수록 평균기공의 크기가 감소하여 나타난 결과로 해석된다. 실시예 1과 실시예 2의 결과로부터 나노섬유의 직경분포와 나노섬유 시트 두께를 조절함으로써 근적외선 차폐율을 자유롭게 제어하는 것이 가능함을 알 수 있었다.

시트 두께(㎛)	근적외선 차폐율(%)
시트 두께(㎛)	최대값	최소값	평균차폐율
7	50.4	27.2	38.6
14	68.9	42.4	56.6
21	77.2	53.4	66.2
28	82.8	60.9	73.0
35	86.0	65.0	77.3
42	88.7	68.2	80.6
48	90.8	70.3	83.3
56	92.2	71.8	85.2
63	93.5	72.9	87.0
70	94.3	73.5	88.1
77	95.1	74.0	89.1
85	95.6	73.7	90.0
91	96.2	74.3	90.7
98	96.7	74.5	91.4
106	97.1	74.7	92.0
147	98.8	75.3	94.1

실시예 3

폴리에스테르(Polyester) 600D로 제직된 두께 760㎛인 적외선 차폐 원단을 실시예 2의 방법으로 제조된 PVDF 나노섬유 시트와 라미네이팅 기법을 사용하여 2-Layer 타입으로 복합화하여 적외선 차폐용 복합원단(시료 2(b) 내지 시료 6(f))을 준비하였다.

본 발명과 비교를 위해 적외선 차폐 원단에 PVDF 나노섬유 시트가 복합화되지 않은 경우(시료 1(a))를 준비하였고, 적외선 차폐 원단과 복합화되는 PVDF 나노섬유 시트의 두께가 7㎛(시료 2(b)), 14㎛(시료 3(c)), 21㎛(시료 4(d)), 28㎛(시료 5(e)), 35㎛(시료 6(f))인 샘플을 사용하였고, 적외선 차폐용 복합원단에서 폴리에스테르 차폐 원단이 입사광과 먼저 만나도록 사용한 경우의 근적외선(780~2500nm) 영역에서의 반사율을 측정한 그래프를 도 6a에 나타내고, 적외선 차폐용 복합원단에서 입사광과 만나는 면이 PVDF 나노섬유 시트일 경우 반사율을 측정한 그래프를 도 6b에 나타내었다.

도 6a 및 도 6b를 참고하면, 실시예 3과 같이 적외선 차폐 원단에 나노섬유 시트를 복합화할 경우 근적외선 차폐율이 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 나노섬유 시트의 두께(loading 량)가 증가할수록 차폐효율 또한 점진적으로 증가하는 경향을 나타냈다.

또한, 복합원단에서 폴리에스테르 적외선 차폐 원단이 입사광과 먼저 만나도록 사용한 경우(도 3a 참조) 도 6a에 도시된 바와 같이, 1600nm 미만의 파장대에서의 차폐효율은 나노섬유 시트의 두께에 따라 점진적으로 증가하였으나 1600nm 이상의 파장에서는 거의 동일한 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 복합원단에서 입사광과 만나는 면이 PVDF 나노섬유 시트일 경우(도 3b 참조) 도 6b에 도시되 바와 같이, 근적외선 전 영역에서 보다 높은 차폐효율을 나타냈으며, 적외선 차폐 원단에 PVDF 나노섬유 시트가 복합화되지 않은 경우(시료 1(a))와 비교하여 차폐율이 크게 개선된 것으로 나타났다.

하기 표 2 및 표 3에는 적외선 차폐용 복합원단의 배치방법, 즉 입사광과 선접촉하는 방법에 따른 최대값, 최소값 및 평균 차폐율(Reflectance)을 나타냈다.

Sample		차폐율(%)
Sample		최대값	최소값	평균 차폐율
시료 1(a)	Polyester(PE)	82.9	31.2	65.9
시료 2(b)	PE/Nano 7㎛	87.1	32.4	68.4
시료 3(c)	PE/Nano 14㎛	89.1	31.7	69.8
시료 4(d)	PE/Nano 21㎛	90.9	30.7	71.2
시료 5(e)	PE/Nano 28㎛	92.2	29.8	71.8
시료 6(f)	PE/Nano 35㎛	93.3	31.1	72.9

Sample		차폐율(%)
Sample		최대값	최소값	평균 차폐율
시료 1(a)	Polyester(PE)	82.9	31.2	65.9
시료 2(b)	Nano 7㎛/PE	86.6	31.2	72.7
시료 3(c)	Nano 14㎛/PE	89.5	46.4	77.8
시료 4(d)	Nano 21㎛/PE	91.5	55.6	81.4
시료 5(e)	Nano 28㎛/PE	93.1	63.6	84.0
시료 6(f)	Nano 35㎛/PE	94.3	66.6	86.1

상기 표 2를 참고하면, 적외선 차폐 원단에 PVDF 나노섬유 시트가 복합화되지 않은 경우(시료 1(a)), 최대 차폐율은 82.9%, 최소 차폐율은 31.2%, 평균 차폐율은 65.9%로 나타났고, 폴리에스테르 적외선 차폐 원단이 입사광과 먼저 만나도록 사용하고 PVDF 나노섬유 시트의 두께가 7㎛(시료 2(b))인 경우, 최대 차폐율은 87.1%, 최소 차폐율은 32.4%, 평균 차폐율은 68.4%로 나타났고, PVDF 나노섬유 시트의 두께가 35㎛(시료 6(f))인 경우, 최대 차폐율은 93.3%, 최소 차폐율은 31.1%, 평균 차폐율은 72.9%로 나타났다.

또한, 상기 표 3을 참고하면, PVDF 나노섬유 시트가 입사광과 먼저 만나도록 사용하고 PVDF 나노섬유 시트의 두께가 7㎛(시료 2(b))인 경우, 최대 차폐율은 86.6%, 최소 차폐율은 31.2%, 평균 차폐율은 72.7%로 나타났고, PVDF 나노섬유 시트의 두께가 35㎛(시료 6(f))인 경우, 최대 차폐율은 94.3%, 최소 차폐율은 66.6%, 평균 차폐율은 86.1%로 나타났다.

이와 같은 결과는 나노섬유 시트층이 기존 차폐 원단(시료 1(a))에 비해 효과적으로 근적외선 영역을 차폐하여 나타난 결과로 해석된다. 또한, 입사광이 나노섬유 시트층과 만났을 때 굴절, 산란, 반사 등의 연쇄작용에 의해 반사된 적외선의 재입사량이 적거나 기공사이즈가 작아 적외선의 침투율이 낮아 나타난 현상 등 복합적인 상승 작용에 의해 이러한 현상이 나타난 것으로 해석된다.

실시예 4

폴리에스테르 600D로 제직된 두께 760인 적외선 차폐 원단(PE)을 실시예 2의 방법으로 제조된 3종의 PVDF 나노섬유 시트(Nano 7㎛, Nano 35㎛, Nano 70㎛)와 라미네이팅 기법을 사용하여 3종의 나노섬유 시트가 적외선 차폐 원단(PE)의 양측 표면에 위치하는 타입(도 4a 참조)과, 3종의 나노섬유 시트가 한쌍의 적외선 차폐 원단(PE)의 내측에 샌드위치 구조로 위치하는 타입(도 4b 참조)의 3-Layer 구조로 복합화하였다.

나노섬유 시트가 적외선 차폐 원단(PE)의 양측 표면에 위치하는 타입으로 PVDF 나노섬유 시트의 두께별로 시료7(a) 내지 시료9(c)를 제작하고, 나노섬유 시트가 한쌍의 적외선 차폐 원단(PE)의 내측에 샌드위치 구조로 위치하는 타입으로 PVDF 나노섬유 시트의 두께별로 시료10(d) 내지 시료12(f)를 제작한 후, 각각 근적외선(780~2500nm) 영역에서의 반사율(Reflectance)을 측정한 그래프를 도 7(a)와 도 7(b)에 나타내고, 하기 표 4에는 근적외선 차폐율(평균값)을 나타냈다.

적층 구조	샘플 조성		차폐율 평균값(%)
3-Layer Nano/PE/Nano	시료7(a)	Nano 7㎛/PE/Nano 7㎛	74.32
	시료8(b)	Nano 35㎛/PE/Nano 35㎛	87.44
	시료9(c)	Nano 70㎛/PE/Nano 70㎛	92.59
3-Layer PE/Nano/PE	시료10(d)	PE/Nano 7㎛/PE	72.76
	시료11(e)	PE/Nano 35㎛/PE	74.63
	시료12(f)	PE/Nano 70㎛/PE	75.81

실시예 3의 결과와 같이 실시예 4에서도 근적외선 입사광이 나노섬유 시트층과 먼저 만나는 시료7(a) 내지 시료9(c)를 사용할 때 초기 차단율이 높았으며, 근적외선 영역 전체에 걸쳐 증가하는 결과를 나타냈다. 또한 나노섬유 시트층의 두께가 증가할수록 적외선 차단효과도 높음을 알 수 있었다.

시료10(d) 내지 시료12(f)인 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 1600nm 미만의 파장대에서의 적외선 차폐효율은 나노섬유 시트의 두께에 따라 점진적으로 증가하였으나 1600nm 이상의 파장에서는 거의 동일한 효과를 나타내었다.

본 발명에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 및 복합원단은 태양광으로부터의 열선을 효과적으로 반사시켜 군사용 위장 직물, 야외용 스포츠 의류, 건축용 피복재, 천막용 직물, 위조방지용 원단, 전기전자 부품 및 자동차용 섬유제품 등 산업용 섬유자재 등으로 폭넓게 이용할 수 있다.

10,10a: 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인 20,20a: 베이스 원단
100,100a,102,104: 적외선 차폐용 복합원단

Claims

근적외선 파장대와 유사한 200nm~1㎛ 범위의 직경 분포를 가지며 전기방사방법에 의해 제조되는 다수의 나노섬유가 3차원의 미세기공을 가지며 두께 7~70㎛으로 집적된 나노섬유 시트로서, 적외선의 산란, 굴절, 반사중 적어도 하나에 의해 적외선 차폐효과를 나타내며,
상기 나노섬유 시트는 적외선 차폐 원단으로 이루어진 베이스 원단과 복합화될 때 적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인.
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적외선 차폐 원단으로 이루어진 베이스 원단; 및
상기 베이스 원단의 외측 일면 또는 양면에 복합화되는 나노섬유 시트로 이루어진 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인;을 포함하며,
상기 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 청구항 1에 따른 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인이며,
적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
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제5항에 있어서,
상기 베이스 원단은 직물, 편물, 종이, 필름 중 어느 하나인 적외선 차폐용 복합원단.
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베이스 원단; 및
상기 베이스 원단의 외측 일면 또는 양면에 복합화되며, 전기방사방법에 의해 제조되는 직경 200nm~1㎛ 범위의 다수의 섬유가 3차원의 미세기공을 갖도록 집적된 나노섬유 시트로서, 시트 두께 7~70㎛ 범위의 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인;을 포함하며,
상기 베이스 원단은 폴리에스테르 섬유로 제직된 적외선 차폐 원단이고, 상기 적외선 차폐용 나노섬유 멤브레인은 전기방사된 나노섬유 시트이며,
적외선 평균 차폐율이 적어도 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
제11항에 있어서,
상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단에 나노섬유 시트가 적층된 2층 구조이고, 나노섬유 시트가 입사광과 먼저 만나도록 사용할 때 적외선 평균 차폐율이 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
제11항에 있어서,
상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단에 나노섬유 시트가 적층된 2층 구조이고, 폴리에스테르 베이스 원단이 입사광과 먼저 만나도록 사용할 때 적외선 평균 차폐율이 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
제11항에 있어서,
상기 복합원단은 폴리에스테르 베이스 원단의 양측면에 나노섬유 시트가 각각 적층된 3층 구조이고, 적외선 평균 차폐율이 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
제11항에 있어서,
상기 복합원단은 나노섬유 시트가 한쌍의 폴리에스테르 베이스 원단의 내측에 샌드위치 구조로 적층된 3층 구조이고, 적외선 평균 차폐율이 70% 이상인 적외선 차폐용 복합원단.
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