KR102079690B1 - 투광도의 조절이 가능한 온도감응성 수화겔의 제조방법, 이에 의한 수화겔 및 이를 포함한 스마트 패널 - Google Patents

Abstract

온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 온도감응성 수화겔의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따라 셀룰로오스 유도체 분자에 온도감응성 거대 단량체를 그래프트함에 따라 수화겔은 상전이 이후 온도가 하강하더라도 특정 온도 구간에서 셀룰로오스 유도체 분자 간의 소수성 접합(hydrophobic junction)에 의하여 상전이 상태를 유지하게 되고, 상온으로 냉각시 소수성 접합이 분해되면서 최초의 상으로 전이되게 된다. 또한 상기 수화겔을 이용하여 제작되는 스마트 윈도우는 수화겔을 구성하는 온도감응성 단량체의 종류 및 이들의 공중합비율 또는 셀룰로오스 유도체 분자의 분자량에 따라 낮은 임계 용액 온도의 구간 및 범위를 조절할 수 있고 광학적 쌍안정성을 가지는 범위를 조절할 수 있어, 외부 환경 및 사용자의 요구에 따라 투광도를 조절할 수 있다.

Description

투광도의 조절이 가능한 온도감응성 수화겔의 제조방법, 이에 의한 수화겔 및 이를 포함한 스마트 패널{Method for preparing a temperature responsive hydrogel possible of controlling transmittance by optically bistable switching, the hydrogel prepared by the method and the smart pannel comprising the hydrogel}

본 발명은 투광도의 조절이 가능한 온도감응성 수화겔의 제조방법 및 이에 의한 수화겔에 관한 것으로, 구체적으로는 광학적 쌍안정성을 통하여 투광도의 조절과 고정이 가능한 온도감응성 수화겔의 제조방법, 이에 의한 수화겔 및 이를 포함한 스마트 패널을 포함하는 스마트 윈도우에 관한 것이다.

21세기 들어 가장 중요한 이슈 중 하나는 심각한 에너지 부족이다. 따라서 낮은 에너지 소비, 에너지 수집 및 에너지 저장 기술을 통해 유한한 에너지 자원의 효율적인 사용이 요구된다. 최근 이러한 관점에서, 신소재 유리로서 외부환경에 응답하여 빛의 투광도가 조절되는 스마트 윈도우(smart window)는 에너지의 경제적인 측면에서 기능적인 대안으로 많은 관심을 받고 있다.

스마트 윈도우란, 태양광의 투과율을 자유롭게 조정할 수 있는 윈도우를 말한다. 과거 대부분의 태양광 투과율 조절기술은 특정 투과율을 가진 필름을 윈도우상에 장착하는 방식이 대부분이었다. 그러나 스마트 윈도우는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 물질을 개발하여 윈도우에 삽입함으로써 필름을 장착하는 방식에 비하여 태양광의 투과율이 대폭 신장됨과 동시에 사용자에게 고도의 편의성을 제공하는 장점을 지니고 있다. 이와 같은 장점에 힘입어 스마트 윈도우는 현재 수송분야, 건축분야 및 정보표시분야 등에 다양하게 응용되고 있으며, 주로 주택창호, 거실, 베란다, 현관, 샤워 룸 등 주택인테리어용으로 사용되고 있다. 특히, 일본, 미국, 유럽 등의 선진국 등에서는 지속적으로 용도개발을 하고 있고 일부 분야에서는 실제로 상품화되고 있어 향후 급속한 시장 확대가 예상되고 있다.

또한, 스마트 윈도우는 지붕, 채광(skylight), 건축 또는 차량의 창문 및 인테리어 파티션과 같이 실용적으로 응용될 수 있다. 상기 스마트 윈도우는 집안으로 투과된 태양광으로부터 열 교환을 적절하게 조절할 수 있기 때문에 공기 조절 또는 가열을 통하여 불필요한 에너지 사용을 억제할 수 있다. 예를 들면, 스마트 윈도우는 여름에 일시적인 많은 태양광을 멀리 반사함으로써 건물 내부가 과열되는 것을 억제시킬 수 있고, 겨울에 태양열을 흡수하여 방 온기를 유지시키는데 도움을 줄 수 있다.

태양광의 실내 유입을 가변적으로 조절할 수 있는 창에 대한 종래기술로써, 대한민국 특허공개 제10-2012-0045915호의 "스마트 윈도우 장치"에서는 전기변색 소재를 이용하여 전류에 의해 발생하는 산화 환원반응을 통해 창의 변색을 가역적으로 조절하여 태양광을 차단할 수 있음을 보이고 있다. 이 기술은 가변적인 태양광의 투과라는 목적은 달성하였지만, 복잡한 구조를 가지고 있으며 사용자의 수동전기제어에 의해서만 작동한다는 단점이 있다.

또 다른 종래기술인 대한민국 등록특허 제10-0310727호의 "자율-응답적층제, 그 제조방법 및 이를 사용한 창"에서는 온도감응성 고분자소재를 이용하여 능동적으로 작동하는 스마트 윈도우를 개시하고 있다. 상기 특허는 물에 용해된 폴리사카라이드 유도체가 온도의 상승으로 인해 서로 응집하여 태양광을 산란시켜 실내로 유입되는 태양광의 양을 조절할 수 있음을 보이고 있다. 즉, 고분자 유도체가 응집하여 태양광을 산란시키는 흐림점 이상의 온도에서는 태양광을 차단하고, 그 이하에서는 투과시키는 원리를 응용하고 있다. 이 기술은 창을 제외한 외부 장치 없이 자율적인 능동제어가 가능하지만, 태양광의 세기와 관계없이 소재에 따라 고정되어 있는 흐림점에 의해서만 작동여부가 결정된다는 단점이 있다. 외부 온도가 흐림점 이하에서는 태양광의 세기가 강하여도 태양광을 투과시키고, 이를 극복하기 위해 소재의 흐림점을 낮추게 되면 온도는 높고 태양광이 약한 경우에도 창이 불투명하여 주변 경관의 조망이 어렵다. 즉, 태양광의 세기와 관계없이 오직 주변 온도에 의해서만 태양광 차단여부가 결정되게 되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1535100 호의 "전기변색 스마트 윈도우 및 그 제조 방법"에서는 전기 변색물질을 이용한 스마트 윈도우를 개시하고 있다. 상기 특허는 금속 산화물을 이용하여 전기의 인가 여부에 따라 산화, 환원 반응이 일어나는 점을 이용, 변색 가능한 스마트 윈도우를 제공한다. 하지만 전기 변색 물질을 이용하는 경우 변색 상태를 유지하기 위해서는 특정 상태를 유지하기 위해서 지속적인 에너지 공급이 있어야하고 투광도를 단계적으로 조절하기 어렵다.

이에, 주변 환경 혹은 사용자의 요구에 의해 다양한 투광도를 선택적으로 조절할 수 있고 외부의 전기에너지를 꾸준히 소모하지 않는 광학적 쌍안정성을 갖는 수화겔을 개발하고, 상기 수화겔을 이용하여 투광도가 사용자의 조절에 의해 조정될 수 있는 스마트 윈도우를 필요로 하는 실정이다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외부의 전기에너지를 꾸준히 소모하지 않는 광학적 쌍안정성을 갖는 온도감응성 수화겔의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 외부의 전기에너지를 꾸준히 소모하지 않는 광학적 쌍안정성을 갖는 온도감응성 수화겔을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 상기 수화겔을 이용하여 투광도가 사용자의 조절에 의해 조정될 수 있는 스마트 패널을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 양태로서,

온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 온도감응성 수화겔의 제조방법를 제공한다.

상기 온도감응성 단량체는 N-이소프로필아크릴아미드, N-n-프로필아크릴아미드, N,N '-디메틸아크릴아미드, N,N '-디에틸아크릴아미드, 메타크릴산, 2-하이드록시메타크릴산, 및 N-2-디에틸아미노에틸 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체가 공중합된 것을 특징으로 한다.

상기 온도감응성 단량체 첨가는 0.01㎖/분 내지 10㎖/분의 일정한 속도로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계는 사슬 이동제를 포함하여 적어도 2개 이상의 서로 다른 온도감응성 단량체가 공중합되는 것을 특징으로 한다.

상기 셀룰로오스 유도체는 글루코오스 분자가 반복되어 결합된 것으로 글루코오스 분자의 수산화기가 치환되어 비닐기와 그래프트되는 것을 특징으로 한다.

상기 가교시 사용되는 가교제는 N,N,-메틸렌비스아크릴아미드, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이드, 테트라(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다른 양태로서,

온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하여 제조된 온도감응성 수화겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 패널을 제공한다.

상기 온도감응성 수화겔에 혼합되는 광열전환물질의 함량은 수화겔 건조 중량의 0.01 내지 50중량%인 것이 바람직하다.

상기 스마트 패널은 온도 조절 장치를 포함하여 가해지는 전압 및 전류의 크기에 따라 온도가 조절되고 패널의 투광도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

상기 스마트 패널은 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 패널에 가해지는 전류의 공급이 제거되더라도 투광도를 지속적으로 유지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 셀룰로오스 유도체 분자에 온도감응성 거대 단량체를 그래프트함에 따라 수화겔은 상전이 이후 온도가 하강하더라도 특정 온도 구간에서 셀룰로오스 유도체 분자 간의 소수성 접합(hydrophobic junction)에 의하여 상전이 상태를 유지하게 되고, 상온으로 냉각시 소수성 접합이 분해되면서 최초의 상으로 전이되게 된다.

또한 상기 수화겔을 이용하여 제작되는 스마트 윈도우는 수화겔을 구성하는 온도감응성 단량체의 종류 및 이들의 공중합비율 또는 셀룰로오스 유도체 분자의 분자량에 따라 아래 임계 용액 온도의 구간 및 범위를 조절할 수 있고 광학적 쌍안정성을 가지는 범위를 조절할 수 있어, 외부 환경 및 사용자의 요구에 따라 투광도를 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도감응성 거대 단량체가 그래프트된 셀룰로오스 유도체 분자의 합성 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수화겔의 승온과정과 냉각과정에서의 내부 분자 구조를 예상하여 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예를 따라 제조된 수화겔의 승온과정과 냉각과정에서의 온도에 따른 선형 팽윤비를 분석하여 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수화겔과 이를 제조하기 위해 사용된 반응물의 적외선 분광분석법에 의해 분석하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 온도감응성 거대 단량체 분자량을 변경하여 제조한 수화겔의 온도에 대한 부피변화 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 PDNV의 공중합 비율에 따라 온도에 대한 부피변화 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 종류변경에 따른 수화겔의 부피변화 그래프를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예에 따른 제작된 PDNV 수화겔의 온도에 따른 부피변화 그래프를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 광학적 쌍안정성을 가지는 스마트 패널의 제작 공정을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따라 제작된 스마트 패널의 공급되는 전류에 따른 투광도의 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 따라 제작된 스마트 패널의 공급되는 전류의 크기와 공급되는 전압의 방향에 따른 투광도를 나타낸 것이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 온도감응성 수화겔의 제조방법를 제공한다.

셀룰로오스는 β-글루코오스 분자로 이루어진 중합체이며, β-글루코오스 분자가 갖는 3개의 수산기가 그 특징에 크게 영향을 미친다. 그리고 셀룰로오스 유도체란, 셀룰로오스가 갖는 수산기의 일부가 별도의 다른 치환기로 치환된 것을 가리킨다. 그 치환기의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

구체적으로는, 비닐기, 카르복실기, 1급, 2급 또는 3급의 아미노기, 4급 암모늄기, 히드록시알킬기, 알킬기, 아세틸기, 시아노에틸기, 황산기, 아미드기, 알데히드기, 니트로기, 질산기, 토실기, 페닐카르바닐레이트기, 트리틸기 및 적어도 2개 이상의 수산기끼리를 결합하는 가교기 등의 치환기를 포함하는 기를 들 수 있다.

셀룰로오스 유도체는 치환하는 구조의 종류, 치환의 정도를 나타내는 치환도 등에 따라서 여러 가지 특징을 갖는다. 이 셀룰로오스 유도체도 셀룰로오스와 마찬가지로 그 특징을 살린 여러 가지 용도에 이용되고 있다.

상세하게는, 셀룰로오스 유도체 분자는 특정 온도 이상의 높은 온도에서 강한 소수성 접합을 형성하고, 이는 주변 온도가 소수성 접합을 형성하는 특정 온도 이하로 냉각되더라도 제거되지 않고 분자간 결합을 유지한다. 소수성 접합을 제거하기 위해서는 상온 이하의 온도로 과냉각하여야 한다. 즉, 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합의 형성과 제거에 열이력 현상이 있음을 특징으로 한다.

또한, 셀룰로오스 분자 내에 수산화기가 존재하는데, 이를 이용하면 말단에 비닐기를 포함하는 온도감응성 거대 단량체 분자와 그래프트 가능하다. 또한, 가교제와 함께 중합하면 망상구조를 가지는 셀룰로오스 주사슬을 가지는 수화겔을 제조할 수 있다.

셀룰로오스 유도체는 온도감응성 고분자와 그래프팅될 때 분자량이 클수록 상전이 온도구간의 변화에 더 많은 기여를 하게 된다. 상기 셀룰로오스 유도체 중량평균분자량은 14000 내지 63000인 것이 바람직하다. 여기서 셀룰로오스 유도체 분자량이 14000 미만인 경우에는 PDNV-g-MC 수화겔 내부에서 셀룰로오스 유도체 분자간의 소수성 접합력이 약해 냉각시 열 이력현상을 강하게 보이지 않으므로 광학적 쌍안정성을 안정적으로 보이지 못하므로 바람직하지 못하고, 63000를 초과하는 경우에는 수화겔의 상전이온도 구간의 셀룰로오스의 기여도가 커져 높은 온도에서 급격하게 상전이가 이루어지게 되어 본 발명이 달성하고자 하는 투광도의 세밀한 조성을 달성할 수 없어서 바람직하지 못하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 셀룰로오스 주사슬을 가지는 수화겔을 제조하는 과정을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 온도감응성 거대 단량체 분자(폴리(N,N'-디에틸아크릴아미드-co-N-이소프로필아크릴아미드-co-1-비닐-2-피롤리디논), poly(NDEAm-co-NIPAm-co-VP, PDNV)와 셀룰로오스 유도체 분자(메틸 셀룰로오스, MC), 가교제(N,N ’-메틸렌비스아크릴아미드, N,N-methylenebis(acrylamide), BisAA)를 혼합하여 자유 라디칼 중합방법을 통해 셀룰로오스 주사슬을 가지는 수화겔을 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 특정 온도에서 가역적인 졸-겔 상전이(sol-gel phase transition) 또는 부피 상전이(volume phase transition)를 나타내는데, 이때 상기 상전이를 나타내는 가장 낮은 특정 온도를 "아래 임계 용액 온도"(lower critical solution temperature, LCST)라 한다.

상기 아래 임계 용액 온도는 특정 온도 지점(point)을 의미하는 것으로서, 상기 온도 지점을 기준으로 하여, 고분자 사슬 응집(aggregation)에 따른 상분리가 급격하게 이루어지고 상기 형성된 응집체들의 빛 산란에 의해 투광도가 투명 또는 불투명으로만 변화된다.

상세하게는, 온도감응성 거대 단량체는 외부 온도에 따라서 그 성질이 바뀌는 특징을 가지며 특정 온도 구간에서 상전이를 일으켜 가역적인 졸-겔 상전이 또는 부피 상전이를 나타낸다. 이때 상전이가 일어나는 온도 지점을 '아래 임계 용액 온도'라고 한다. 아래 임계 용액 온도는 특정 온도 지점을 의미하고, 상기 온도를 기준으로 하여 고분자 사슬의 응집이 나타난다. 이에 따라 팽윤액과의 상분리가 급격히 이루어지고 형성된 응집체에 의해 빛이 산란되어 투광도가 제어된다.

또한, 본 발명에 따른 온도감응성 거대 단량체는 서로 다른 온도감응성 단량체를 2종 이상 공중합한 것을 특징으로 한다.

상기 온도감응성 단량체는 N-이소프로필아크릴아미드, N-n-프로필아크릴아미드, N,N '-디메틸아크릴아미드, N,N '-디에틸아크릴아미드, 메타크릴산, 2-하이드록시메타크릴산, 및 N-2-디에틸아미노에틸 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체가 공중합되는 것이 바람직하다.

상세하게는 서로 다른 아래 임계 용액 온도를 가지는 거대 단량체의 합성은, 개시제 및 사슬 이동제를 단량체와 혼합하여 중합을 진행하고, 중합되는 도중에 다음 단량체를 느린 속도로 첨가하는 과정을 반복하여 얻어진다. 상기 첨가되는 단량체의 종류 및 개수에 따라 중합된 온도감응성 거대 단량체의 아래 임계 용액 온도의 범위가 달라진다. 첨가되는 온도감응성 단량체는 적어도 서로 다른 온도감응성 단량체를 2개 이상 포함함에 따라 다성분 공중합체의 형태로 합성된다.

먼저 첨가된 온도감응성 단량체의 중합이 시작된 직후에 다음 순서의 온도감응성 단량체를 첨가하는 과정을 반복하여 공중합하되, 이때 서로 다른 온도감응성 단량체가 적어도 2개 이상 순차적으로 첨가 및 공중합되고, 상기 단량체의 주입 속도는 0.1㎖/분 ~ 10㎖/분인 것을 특징으로 한다.

단량체의 주입속도가 바람직하게는 0.1㎖/분 ~ 10㎖/분인 것은, 서로 다른 조성에 의해 서로 다른 아래 임계 용액 온도를 갖는 온도감응성 단량체 각각이 단독 중합되는 시간을 단축시킴은 물론이고 열적 특성을 조절함에 따라, 거대 단량체가 서로 다른 조성을 갖는 성분들의 연속적 중합에 의해 다성분 중합체로 합성되도록 하고, 이에 따라 거대 단량체가 아래 임계 용액 온도 구간을 갖도록 하기 위함이다.

더욱 상세하게는 얻어지는 온도감응성 거대 단량체의 아래 임계 용액 온도는 상기 첨가되는 단량체의 가장 낮은 아래 임계 용액 온도 및 가장 높은 아래 임계 용액 온도 사이에 존재하며 단량체의 종류 및 공중합 분율을 조절함으로써, 아래 임계 용액 온도의 범위를 넓게 함과 동시에 온도 구간 또한 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도감응성 거대 단랑체의 제조에 있어, 개시제 및 사슬 이동체의 종류는 통상적으로 상용되는 것으로, 특별히 제한되지 않는다.

또한, 상기 온도감응성 거대 단량체는 말단에 비닐기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상세하게는 상기 합성된 거대 단량체는 사슬이동제에 의하여 말단에 아민기 또는 수산화기를 포함하게 되는데, 이에, 거대 단량체의 말단에 N-아크릴옥시숙신이미드, 아크릴 로일클로라이드 또는 메타아크릴로일클로라이드로 비닐화함으로써, 상기 거대단량체가 가교될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀룰로오스 유도체 분자와 온도감응성 거대단량체는 가교제의 의해 가교되어 온도감응성 수화겔을 제공한다.

이때 상기 가교제는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 N,N ’-메틸렌비스아크릴아미드, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이드, 테트라(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상인 것 을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 측면으로, 상기 수화겔의 제조방법에 의해 제조된 외부의 전기에너지를 꾸준히 소모하지 않는 광학적 쌍안정성을 갖는 온도감응성 수화겔이 제공된다.

본 발명에 따른 온도감응성 수화겔은 온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 제조되는 온도감응성 수화겔을 의미한다.

본 발명에 따른 수화겔은 셀룰로오스의 열 이력현상에 의하여 광학적 쌍안정성을 가지는 것을 특징으로 한다.

광학적 쌍안정성을 가지지 않는 기존의 온도감응성 수화겔은 아래 임계 용액 온도에서 상전이 현상을 보이며, 수화/탈수 (hydration/dehydration)의 한 상태를 유지하기 위해서는 온도가 고정되어 있어야 한다. 즉, 승온과정에서 상전이 이후 탈수된 상태를 유지하기 위해서는 수화겔의 주변 온도를 아래 임계 용액 온도 이상으로 유지시켜야 한다.

상세하게는 도 2에 따르면 본 발명에 따라 제작된 수화겔은 거대 단량체의 아래 임계 용액 온도보다 낮은 상온에서는 고분자 사슬간의 거리가 빛의 파장보다 충분히 멀어 수화겔을 통과하는 빛을 산란시키지 않아 투명한 상태를 안정적으로 유지한다. 하지만 승온과정을 거쳐 주변 온도가 온도감응성 거대 단량체의 아래 임계 용액 온도보다 높아지게 되면 고분자 사슬이 상전이를 일으키며 거리가 가까워져 응집체를 형성한다. 이에 수화겔을 통과하는 빛을 산란시켜 수화겔이 불투명한 상태로 전환되게 된다. 이때, 셀룰로오스 유도체 분자의 간격이 가까워지면서 소수성 접합을 일으키게 되며, 수화겔 주변 온도가 거대 단량체의 아래 임계 용액 온도보다 낮은 온도로 떨어지더라도 소수성 접합에 의해 빛은 여전히 산란되어 불투명한 상태가 유지되고, 이 상태가 안정적으로 유지된다.

더욱 상세하게는, 본 발명에 따라 제작된 수화겔은 외부의 지속적인 에너지 공급이 없더라도 상전이 전인 투명한 상태와 상전이 후인 불투명한 상태를 유지할 수 있는 광학적 쌍안정성을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 불투명을 유지하고 있는 수화겔은 수수성 접합이 제거될 수 있는 충분히 낮은 온도 (예: 20℃)로 냉각하면 처음의 투명한 상태로 되돌아 오는 가역반응을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수화겔은 스마트 패널의 내부에 삽입되어 외부 환경 또는 패널에 부착된 펠티에 장치를 통하여 가해지는 전력량에 따라 상전이 정도, 즉, 투광도가 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.

온도감응성 수화겔은 흐림점을 가지는 물질로 N-이소프로필아크릴아미드, N-n-프로필아크릴아미드, N,N'-디메틸아크릴아미드, N,N'-디에틸아크릴아미드, 메타크릴산, 2-하이드록시메타크릴산, N-2-디에틸아미노에틸 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체가 공중합될 수 있다. 상기 단량체들은 온도감응성 수화겔을 제조할 수 있는 단량체들이며, 온도감응성을 나타내지 않는 단량체들이 일부 공중합 될 수도 있다. 그러므로 수화겔의 온도감응성을 유지하는 조건하에서는 상기 언급된 단량체 이외의 다른 단량체들도 공중합될 수 있다.

온도감응성 수화겔은 주변의 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 고분자사슬끼리의 수소결합으로 인해 사슬들이 응집(aggregation)하는 상분리 현상이 생긴다. 응집된 고분자 사슬에 의해 수화겔을 통과하는 빛이 산란되어 불투명해지는 온도를 그 수화겔의 흐림점(cloud point)으로 정의한다. 즉, 본 발명에서 사용된 수화겔은 흐림점 이상에서는 상분리 현상으로 인해 불투명한 상태로, 그 이하에서는 투명한 상태로 존재하며 이런 상태 변화는 가역적이다. 흐림점은 온도감응성 수화겔을 구성하는 단량체의 종류나 공중합 조성에 따라 임의로 조절이 가능하다.

본 발명은 온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하여 제조된 온도감응성 수화겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 패널을 제공한다.

본 발명에 따른 스마트 패널은 적어도 하나의 스페이서에 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치된 두 장의 기판 사이에 삽입된 형태의 광열전환물질이 함유된 온도감응성 수화겔로 구성되어 있다. 이때, 수화겔은 본 발명에 따른 온도감응성 거대 단량체를 포함하는 수화겔로서 팽윤액을 포함하고 있으며, 이의 증발을 막고 기판과 스페이서를 고정하기 위해 실란트로 밀봉처리될 수 있다.

두 장의 기판은 윈도우로서 사용되며, 투명하여 빛의 투과가 가능한 다양한 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 기판은 유리, 플라스틱, 금속 등의 재료에서 단일 혹은 복합재료로 혼용하여 사용할 수 있다. 상기 스페이서는 두 장의 기판 사이에 위치하여 온도감응성 수화겔의 두께를 조절하는 역할을 한다. 기판과 동일한 소재뿐만 아니라 기판 사이에 삽입되어 간격을 유지할 수 있고 온도감응성 수화겔과 어떤 화학적 반응도 하지 않는 소재에 한해서 제한 없이 사용이 가능하다. 기판의 간격은 설치 위치, 용도 등에 따라서 임의로 조절될 수 있다

본 발명에 따른 스마트 패널은, 온도감응성 수화겔 내에 광열전환물질을 함유하고 있어, 흐림점 이하에서도 광열전환효과에 의한 열로 수화겔을 흐림점에 도달하게 할 수 있으므로, 주변 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 대한 효과가 윈도우의 태양광 차단 조절에 반영된다. 또한, 외부 환경에 따라 태양광의 유입 정도를 자율적이고 능동적으로 조절하며, 성능의 변환없이 외부 환경에 따라 가역적으로 태양광 유입과 차단을 반복할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 스마트 패널은 온도감응성 수화겔과 결합된 광열전환물질을 더 포함할 수 있다. 상기 광열전환물질은 그래핀, 산화그래핀, 환원-산화 그래핀, 산화철(Ⅱ) 나노입자, 산화철(Ⅲ)나노입자, 금 나노입자, 탄소나노튜브 및 폴리피롤 나노입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

이때, 상기 온도감응성 수화겔에 혼합되는 광열전환물질의 함량은 수화겔 건조 중량의 0.01 내지 50중량%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 산화그래핀의 함량이 수화겔 건조 중량의 0.1 내지 5중량%이다. 만일 산화그래핀의 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 광열전환효과로부터 방출되는 열이 적어 온도감응성 수화겔의 온도가 흐림점 이하일 때 방출되는 열에 의해 흐림점에 도달하지 못하여 본 발명 목적을 달성하지 못하므로 바람직하지 못하고, 50중량%를 초과하는 경우 산화그래핀의 농도에 의해 스마트 윈도우가 불투명하여 바람직하지 못하다.

본 발명의 스마트 패널은 온도 조절 장치를 포함하여 가해지는 전압 및 전류의 크기에 따라 온도가 조절되고 패널의 투광도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 스마트 패널은 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 패널에 가해지는 전류의 공급이 제거되더라도 투광도를 지속적으로 유지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하기로 하나, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

< 실시예 1> 넓은 상전이 온도구간을 갖는 거대 단량체 제조

단량체 1로서 N,N'-디에틸아크릴아미드(N,N'-diethylacrylamide, NDEAm) 956 mg(7.52 mmol)를 사슬이동제인 2-아미노에탄티올(2-aminoethanethiol) 8.7 mg(0.22 mmol)과 함께 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformaide, DMF) 20 mL에 첨가하여 용해시키고, 개시제인 2,2'-아조비스이소부틸로니트릴(2,2-azobis(isobutyronitrile, AIBN))을 2.4 mg을 첨가하여 70 ℃의 질소 가스 분위기에서 자유 라디칼 중합을 개시하였다.

다음으로 상기 중합 반응이 진행되는 직후, 10 mL의 DMF에 용해된 단량체 2로서 N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide, NIPAm) 284 mg(2.51 mmol)을 주사기 펌프(Legato 100, KD Scientific, USA)를 사용하여 100분에 걸쳐 0.1 mL/min의 일정한 속도로 반응 용기내로 주입하였다.

다음으로 상기 단량체 2의 주입이 끝난 직후, 10 mL의 DMF에 용해된 단량체 3으로서 N-비닐피롤리돈(N-vinylpyrrolidone, VP) 267 mL(2.51 mmol)을 주사기 펌프를 이용하여 100분 동안 0.1 mL/min의 속도로 주입하였다.

단량체 3의 주입이 완료된 후, 150분간 반응을 더 진행시킨 뒤, 디에틸에테르(diethyl ether)에 넣고 침전시킨 다음 여과하여 진공 건조를 통해 용해를 완전히 제거하였다.

상기 합성된 거대 단량체의 아미노 말단 그룹을 비닐 그룹으로 전환하기 위하여, 상기 거대 단량체 1.2 g과 N-아크릴 옥시 숙신이미드(N-acryloxysuccinimide) 0.5 g을 40 mL의 DMF에 용해시킨 다음, 25 ℃에서 72시간 동안 교반하여 반응을 진행하였다.

반응이 완료된 상기 혼합물은 디에틸 에테르에 넣고 침전시킨 후 여과하여 수집하고, 이를 진공 건조하여 비닐 말단 그룹을 갖는 온도감응성 거대 단량체(poly(NDEAm-co-NIPAm-co-VP, PDNV)를 수득하였다.

< 실시예 2> 셀룰로오스 수화겔의 제조

실시예 1의 PDNV 9.77 mg(0.11 mM)과 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose, MC) (분자량 14000 Da, 9.59 mg, 6.85 mM, 치환도: 1.5-1.9)와 가교제인 N,N’-메틸렌비스(아크릴아미드)(N,N’-methylenebis(acrylamide), BisAA, 0.003 mg(0.19 mM) 을 1.0 mL의 증류수에 용해시켰다.

전구체 용액은 탈기시킨 후, 질소 분위기 하에서 개시제인 10 wt% 암모늄퍼설페이트(ammonium persulfate, APS) 0.6 mL와 중합촉진제인 N,N,N ',N'-테트라메틸에틸렌디아민(N,N,N',N'-tetramethylethyldiamine, TEMED) 0.3 mL을 첨가하여 자유-라디칼 중합을 진행하였다. 이를 통해, MC에 PDNV가 그래프트되어 가교된 상태를 가지는 PDNV-g-MC 수화겔을 얻었다.

< 실시예 3> 메틸 셀룰로오스 분자량에 따라 상전이 온도구간이 조절된 셀룰로오스 수화겔의 제조

실시예 1의 PDNV 9.77 mg (0.11 mM)와 가교제인 BisAA 0.003 mg (0.19 mM)를 서로 다른 분자량을 가지는 메틸 셀룰로오스 9.59 mg을 10 mL의 증류수에 용해시켰다. 이때 사용된 메틸 셀룰로오스는 각각 14000 Da, 41000 Da, 63000 Da (6.85, 2.34, 1.52 mM)의 분자량을 가진다. 전구체 용액은 실시예 2와 동일한 방법으로 질소 분위기 하에서 APS와 TEMED를 첨가하여 자유 라디칼 중합을 진행하였다.

< 실시예 4> PDNV의 공중합 비율에 따라 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 제조

실시예 1과 동일한 방법은 PDNV를 합성하되, 각각의 단량체의 농도를 조절하였다. NDEAm:NIPAm:VP의 몰함량이 6:3:1의 비율을 가지도록 단량체 1로서 NDEAm 956 mg(7.52 mmol)과 단량체 2로서 NIPAm 427 mg(3.77 mmol), 단량체 3으로서 VP 134 mL(1.26 mmol)을 이용하였다. 또한 NDEAm:NIPAm:VP의 몰함량이 6:4:0의 비율을 가지도록 단량체 1로서 NDEAm 956 mg(7.52 mmol)과 단량체 2로서 NIPAm 567 mg(5.01 mmol)을 이용하여 PDNV를 제조하였다.

상기 과정을 통해 제조된 PDNV 9.77 mg (0.11 mM)와 가교제인 BisAA 0.003 mg (0.19 mM)를 메틸 셀룰로오스(분자량 14000 Da, 9.59 mg, 6.85 mM, 치환도: 1.5-1.9)와 함께 증류수에 용해시켰다. 전구체 용액은 실시예 2와 동일한 방법으로 자유 라디칼 중합을 통해 수화겔로 제조되었다.

< 실시예 5> 단량체의 종류에 따라 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 제조

단량체 1로서 NIPAm 1.702 g(15.06 mM)를 사슬이동제인 2-아미노에탄티올 17.4 mg(0.22 mmol)과 함께 DMF 20 mL에 첨가하여 용해시키고, 개시제인 AIBN 4.8 mg을 첨가하여 70 ℃의 질소 가스 분위기하에서 자유 라디칼 중합을 개시하였다.

다음으로 상기 중합반응이 진행되는 직후, 10 mL의 DMF에 용해된 단량체 2로서 VP 0.468 mL(4.4 mmol)을 주사기 펌프를 이용하여 100분 동안 0.1 mL/min의 속도로 주입하였다. 단량체 2의 주입이 끝나는 직후, 10 mL의 DMF에 용해된 (2-디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트((2-dimethylamino)ethyl methacrylate, DMA)) 0.708 mg (4.4 mmol)를 주사기 펌프를 이용하여 100분 동안 0.1 mL/min의 속도로 주입하였다. 이후 실시예 1과 동일한 방법을 통해 poly(NIPAm-co-VP-co-DMA)를 수득하였다.

<비교예 1> 메틸 셀룰로오스를 포함하지 않은 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 제조

실시예 1의 PDNV 9.77 mg (0.11 mM)와 가교제인 BisAA 0.003 mg (0.19 mM)를 증류수에 용해시켰다. 전구체 용액은 실시예 2와 동일한 방법으로 질소 분위기 하에서 APS와 TEMED를 첨가하여 자유 라디칼 중합을 진행하였다.

이를 통해, MC 가 포함되어 있지 않은 가교된 상태를 가지는 PDNV 수화겔을 얻었다.

<분석>

<분석 1> 적외선 분광법을 통한 셀룰로오스 유도체 분자와 온도감응성 거대 단량체의 그래프트 확인

실시예 1과 2를 통하여 제작된 PDNV-g-MC 수화겔에서 MC의 수산화기에 의해 PDNV 비닐기가 그래프트 되었음을 확인하기 위하여 적외선 분광법을 이용하였다.

도 3을 참고하면, MC와 PDNV, 그리고 그래프트된 PDNV-g-MC 수화겔의 각각의 스펙트럼을 표기하였다. PDNV-g-MC 수화겔의 특징적인 흡수 피크는 1055 cm^-1과 1543 cm^-1에서 관찰되는데, 이는 각각 MC의 알콕시기와 거대 단량체의 -NH기의 흡수이다. 이를 통해, MC에 PDNV가 그래프트되어 결합하였고, 가교되어 PDNV-g-MC 수화겔을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.

<분석 2> 온도에 따른 셀룰로오스 수화겔의 부피변화

온도에 따른 PDNV-g-MC 수화겔의 상전이 특성을 확인하기 위하여, 실시예 1과 2를 통해 제조된 수화겔의 온도에 따른 팽윤비를 측정하여 도 3에 도시하였다. 수화겔의 팽윤비는 수화겔 내부에 삽입된 형광 마이크로입자 간의 거리 변화를 통하여 측정되었다. 형광 마이크로입자는 형광 현미경(epi-fluorescence microscope, DMI-3000B, Leica, Germany)을 통하여 관찰되었다. 승온시의 형광 마이크로 입자의 이동을 통하여 팽윤비 변화를 관찰하면 수화겔의 팽윤비가 온도에 따라 선형으로 팽윤도가 감소함을 확인할 수 있다.

이는 온도감응성 거대 단량체(PDNV)의 영향으로 아래 임계 용액 온도가 서로 다른 3개의 단량체를 순차적으로 농도를 조절하여 중합함으로써 넓은 온도 구간에 걸쳐 아래 임계 용액 온도가 분포하기 때문이다.

도 4를 참고하면, 승온이 끝난 후 수화겔의 온도가 30 ℃까지 냉각되더라도 팽윤비가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이는 MC 분자 간의 거리가 온도가 상승하면서 소수성 접합에 의해 일정하게 유지되기 때문이다. 실시예 1과 2를 통해 제조된 수화겔은 냉각시 약 29℃에서부터 팽윤비가 초기의 상태로 회복됨을 확인할 수 있다. 약 23℃에 도달했을 때, 완벽히 초기의 상태로 회복되었다.

이를 통해, 본 발명을 통해 제조된 PDNV-g-MC 수화겔이 상전이 전 후에 각각 안정한 상태로 유지되는 쌍안정성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

<분석 3> 메틸 셀룰로오스 분자량에 따라 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 온도에 따른 부피변화

메틸 셀룰로오스의 분자량을 조절한 PDNV-g-MC 수화겔의 상전이 온도구간의 변화를 확인하기 위하여 실시예 3에서 제조된 수화겔의 온도에 따른 팽윤비를 측정하여 도 5에 도시하였다. 수화겔의 팽윤비는 분석 2와 동일한 방법으로 형광 마이크로입자와 형광 현미경을 통하여 관찰되었다.

도 5의 가)를 참조하면 분자량 14000 Da인 메틸 셀룰로오스를 사용한 수화겔은 승온시 25℃에서 42℃까지 선형으로 부피가 감소하고, 냉각시 28℃까지 부피를 유지하다가 28℃ 이하에서 초기의 부피로 회복되는 것을 알 수 있다. 반면 도 4의 나)에서 분자량 41000 Da인 메틸 셀룰로오스를 사용한 수화겔은 승온을 시작한 25℃에서 약 30℃까지는 부피의 변화를 보이지 않고, 32℃부터 가파르게 부피가 감소한다. 냉각시에는 약 33℃에서부터 초기의 팽윤비로 회복한다. 도 5의 다)를 참조하면, 메틸 셀룰로오스의 분자량을 63000 Da으로 올리기 되면 약 35℃부터 급격한 부피 변화를 보이게 된다. 메틸 셀룰로오스는 40-50 ℃에서 상전이를 보이는 온도감응성 고분자로, 도 5의 결과로부터 PDNV와 그래프팅될 때 분자량이 클수록 상전이 온도구간의 변화에 더 많은 기여를 하게 되는 것을 알 수 있다.

<분석 4> PDNV의 공중합 비율에 따라 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 온도에 따른 부피변화

실시예 4를 통해 서로 다른 공중합 비율을 가지는 PDNV를 이용한 PDNV-g-MC 수화겔의 온도에 따른 부피변화를 관찰하여 도 6에 도시하였다. 수화겔의 팽윤비는 분석 2와 동일한 방법으로 형광 마이크로입자와 형광 현미경을 통하여 관찰되었다.

도 6의 가)를 보면 본 발명의 실시예 2를 통해 제조된 수화겔의 온도에 따른 부피변화를 보이고 있다. 도 6의 나)를 보면 실시예 4를 통해 제조된 PDNV의 제조시 NDEAm:NIPAm:VP의 몰비율을 6:3:1로 조절한 수화겔의 온도에 따른 부피변화를 보이고 있다. LCST가 40 ℃인 VP의 분율을 감소시키면 수화겔의 상전이 온도구간이 전체적으로 낮은 온도로 이동하고 부피의 변화가 일정하지 않고 곡선으로 나타남을 알 수 있다. 도 6의 다)를 보면 NDEAm:NIPAm:VP의 몰비율이 6:4:0으로 VP를 완전히 제외시켜 도 6 나)의 6:3:1의 결과보다 더 가파른 상전이 곡선을 보이는 것을 확인할 수 있다.

<분석 5> 단량체의 종류에 따라 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 온도에 따른 부피변화

실시예 5를 통해 제조된 단량체의 종류를 변경하여 상전이 온도구간을 조절한 수화겔의 온도에 따른 부피변화를 관찰하여 도 7에 도시하였다. 수화겔의 팽윤비는 분석 2와 동일한 방법으로 형광 마이크로입자와 형광 현미경을 통하여 관찰되었다.

도 7을 보면, 승온 시 poly(NIPAm-co-VP-co-DMA) 수화겔은 28℃부터 52℃까지 온도에 따라 부피가 선형으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 DMA의 LCST가 38-50℃로 NIPAm, VP보다 높은 LCST를 가지기 때문에 공중합체를 이용한 수화겔의 상전이 온도구간이 높은 온도로 이동하였다. 넓은 온도구간에서 선형으로 상전이를 일으키는 특성은 단량체의 종류에 관계없이 실시예 1과 같이 반응 단량체의 주입을 일정한 간격으로 해주는 방법을 통해 얻어질 수 있음을 확인하였다.

이를 통해 수화겔의 상전이 온도구간은 응용 목적에 따라 사용자의 임의대로 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.

<분석 6> 메틸 셀룰로오스를 포함하지 않은 상전이 온도구간이 조절된 수화겔의 온도에 따른 부피 변화

비교예 1을 통해 제조된 메틸 셀룰로오스를 포함하지 않은 PDNV 수화겔의 온도에 따른 부피변화를 관찰하여 도 8에 도시하였다. 수화겔의 팽윤비는 분석 2와 동일한 방법으로 형광 마이크로입자와 형광 현미경을 통하여 관찰되었다.

도 8을 보면, PNDV 수화겔은 승온시 28 ℃부터 서서히 부피가 감소하여 37 ℃까지 감소한 후 평형에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 냉각시에는 36 ℃부터 서서히 부피가 증가하여 27 ℃까지 계속 증가한 후 평형에 도달하게 된다.

도 3의 메틸 셀룰로오스를 포함하는 PNDV-g-MC 수화겔의 온도에 따른 부피 변화와 비교하면 큰 차이를 보이는데, 승온시 부피 변화를 보면 메틸 셀룰로오스를 포함하는 수화겔은 24 ℃에서 43 ℃까지 선형으로 부피가 감소하는데 반해 메틸 셀룰로오스가 포함되지 않은 수화겔은 선형으로 나타나지 않는다. 이는 메틸 셀룰로오스도 아래 임계 용액 온도가 약 50 ℃인 온도감응성 고분자로 PDNV와 그래프팅되어 수화겔의 아래 임계 용액 온도를 높은 온도로 이동 시키게 된다.

메틸 셀룰로오스의 소수성 접합이 없는 PDNV 수화겔은 냉각 시 1 ℃ 내외의 작은 열 이력현상을 보이며 원래의 부피로 회복되는 것을 확인할 수 있다.

< 실험예 >

< 실험예 1> 광학적 쌍안정성을 가지는 스마트 패널의 제작

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 스마트 패널의 제작 공정을 나타낸 것이다. 도 9를 참고하면, 상기 실시예 1의 PDNV 123.3 mg(28.8 mM)과 MC (분자량 14000 Da, 0.12 mg, 8.64 mM, 치환도: 1.5-1.9)와 가교제인 BisAA 0.19 mg(1.2 mM) 을 1.0 mL의 증류수에 용해시켰다.

전구체 용액은 탈기시킨 후, 질소 분위기 하에서 개시제인 10 wt% APS 6.0 mL와 중합촉진제인 TEMED 3.0 mL을 첨가하여 자유-라디칼 중합을 진행하였다.

다음으로, 개시된 전구 용액을 두께가 140 mm인 스페이서로 분리된 두 개의 투명 기판 사이로 모세관 현상을 통해 즉시 삽입되었다. 이때 투명 기판은 접착 촉진제인 [3-(methacryloxy)-propyl]-trimethoxysilane으로 처리하여 수화겔과의 접착성을 향상시켰다. 투명 기판 사이로 삽입된 수화겔은 1시간 동안 질소분위기 하에서 중합되었다. 중합이 완료된 후, 투명 기판의 가장자리는 부틸 고무를 이용하여 용매의 증발을 방지하였다. 전기에너지를 이용해 스마트 패널의 투광도를 조절하기 위하여 제작된 패널의 가장자리 양끝단에 펠티에 모듈을 부착하였다. 이를 통해, 광학적 쌍안정성을 가지는 스마트 패널을 제작하였다.

< 실험예 2> 제작된 스마트 패널의 전류에 따른 투광도 관찰

실험예 1을 통해 제작된 스마트 패널에 부착된 펠티에 모듈은 가해주는 전압의 방향에 따라 냉각 및 가열이 가능하다. 뿐만 아니라 전류량을 조절하면 냉각 및 가열 온도를 조절할 수 있어 스마트 패널에 삽입된 PDNV-g-MC 수화겔의 투광도를 조절할 수 있다.

도 10을 참고하면, 12V의 정전압을 가하면서 전류를 0.0 A에서 0.8 A까지 조절하면서 사진을 통해 투광도 변화를 관찰하였다. 0.0 A에서는 전류가 공급되지 않으므로 초기의 투명한 상태를 유지하고, 0.2 A로 전류를 높이면 스마트 패널의 투광도가 서서히 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

전류의 세기가 강해질수록 펠티에 모듈의 온도가 상승하면서 스마트 패널의 투광도는 점차 감소하여 0.8 A가 가해질 때 스마트 패널은 완벽히 불투명한 상태로 변하게 된다. 이를 통해, 전류의 세기에 따라 펠티에 모듈의 온도가 조절되고, 펠티에 모듈의 온도 상승에 의해 스마트 패널의 온도가 상승하면서 투광도가 조절되는 것을 확인할 수 있다.

< 실험예 3> 제작된 스마트 패널의 광학적 쌍안정성 관찰

본 발명에 따른 스마트 패널에 삽입되는 수화겔은 셀룰로오스 유도체 분자에 의해 상전이 전후에 각각 안정한 상태를 유지하는 쌍안정성을 갖는다. 따라서, 외부의 지속적인 에너지 공급이 없더라도 상전이 된 상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 즉, 상전이를 통해 변화한 투광도를 안정적으로 유지할 수 있다.

도 11을 참고하면, 상기 실험예 2를 통해 제작된 스마트 패널은 12 V의 정전압을 가하는 상태에서 0.4 A의 전류를 가하게 되면 투광도가 조절되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 가해주는 전류를 제거하여 스마트 패널이 냉각시키더라도 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 투광도를 꾸준히 유지하게 된다. 여기서 12 V의 역전압을 가하면서 0.8 A의 전류를 가하게 되면 스마트 패널의 온도는 약 20 ℃로 감소하면서 다시 초기의 투명한 상태로 회복되게 된다.

투명한 상태의 스마트 패널에 다시 12 V의 정전압을 가하는 상태에서 0.8 A의 전류를 가하여 온도를 상승시키면 완전히 불투명한 상태로 변하게 된다. 역시, 전류를 제거하더라도 PDNV-g-MC 수화겔의 MC에 의한 소수성 접합으로 인하여 투광도가 유지됨을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 다시 12 V의 역전압을 가하면서 0.8 A의 전류를 가하게 되면 역시 초기의 투명한 상태로 회복됨을 확인할 수 있다.

이에 따라, 셀룰로오스 유도체 분자의 수산화기를 이용하여 비닐기를 포함하는 온도감응성 거대 단량체를 그래프트하여 수화겔을 제작할 수 있고, 제작된 수화겔은 상기 거대 단량체의 넓은 아래 임계 용액 온도 구간에 의해 넓은 온도 범위에서 선형으로 상전이를 일으킴을 확인할 수 있다.

뿐만 아니라, 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 수화겔의 부피 혹은 투광도가 지속적인 에너지 공급 없이도 상전이 이후 상태를 유지할 수 있는 쌍안정성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 소수성 접합을 제거할 수 있는 낮은 온도로 냉각시켜 다시 초기의 부피 혹은 투명한 상태로 회복되는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (11)

1. 온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계;
   셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및
   상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 상기 셀룰로오스의 소수성 접합에 의하여 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 스마트 패널용 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도감응성 단량체는 N-이소프로필아크릴아미드, N-n-프로필아크릴아미드, N,N '-디메틸아크릴아미드, N,N '-디에틸아크릴아미드, 메타크릴산, 2-하이드록시메타크릴산, 및 N-2-디에틸아미노에틸 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체가 공중합된 것을 특징으로 하는 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 온도감응성 단량체 첨가는 0.01㎖/분 내지 10㎖/분의 일정한 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계는 사슬 이동제를 포함하여 적어도 2개 이상의 서로 다른 온도감응성 단량체가 공중합되는 것을 특징으로 하는 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 셀룰로오스 유도체는 글루코오스 분자가 반복되어 결합된 것으로 글루코오스 분자의 수산화기가 치환되어 비닐기와 그래프트되는 것을 특징으로 하는 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 가교시 사용되는 가교제는 N,N,-메틸렌비스아크릴아미드, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이드, 테트라(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 온도감응성 수화겔의 제조방법.
   
7. 온도감응성 단량체를 순차적으로 반응시켜 온도감응성 거대 단량체를 형성하는 단계; 셀룰로오스 유도체에 상기 온도감응성 거대 단량체를 그래프트시키는 단계; 및 상기 그래프트된 거대 단량체를 가교시켜 상기 셀룰로오스의 소수성 접합에 의하여 광학적 쌍안정성을 가지는 수화겔을 합성하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조된 스마트 패널용 온도감응성 수화겔.
   
8. 제 7 항에 따른 온도감응성 수화겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 패널.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 온도감응성 수화겔에 결합된 광열전환물질의 함량은 수화겔 건조 중량의 0.01 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 스마트 패널.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    온도 조절 장치를 포함하여 가해지는 전압 및 전류의 크기에 따라 온도가 조절되고 패널의 투광도가 조절되는 것을 특징으로 하는 스마트 패널.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 유도체 분자의 소수성 접합에 의해 패널에 가해지는 전류의 공급이 제거되더라도 투광도를 지속적으로 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 스마트 패널.

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