KR102225793B1 - 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자 - Google Patents

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이헌
오승주
손수민
전상현
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Abstract

본 발명은 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 내부 온도를 냉각하는 소자에서 색상을 구현하는 기술적 사상에 관한 것으로서, 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 나노입자를 이용하여 복사 냉각 성능이 유지하면서도 다양한 색상을 구현하는 기술에 관한 것이다.

Description

나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자{COLOURED RADIATIVE COOLING DEVICE USING NANOMATERIALS}
본 발명은 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 내부 온도를 냉각하는 소자에서 색상을 구현하는 기술적 사상에 관한 것으로서, 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 나노입자를 이용하여 복사 냉각 성능이 유지하면서도 다양한 색상을 구현하는 기술에 관한 것이다.
수동형 복사 냉각(Radiative Cooling) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5μm)를 반사하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8-13μm) 에너지를 방사하여 수동적으로 냉각될 수 있다.
한편, 수동형 복사 가열(Radiative Heating) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5 μm)를 흡수하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8- 13μm) 에너지는 잘 흡수하지 않아 수동적으로 가열될 수 있다.
수동형 냉각 소자의 효율은 소자 자체의 광특성 측정을 통해서 확인 할 수 있다.
열 방출을 위해서는 장파장 적외선 영역에서의 높은 흡수율 또는 방사율을 가짐에 따라 우주로 열을 잘 내뿜을 수 있어야 한다.
플랑크 분포(Planck distribution)에 의하면 300K의 온도 일 때 파장 6-20㎛ 영역에서 최대로 열을 방출할 수 있는 조건을 가지게 된다. 지구의 경우에는 대기의 창(sky window) 영역이 약 8-13㎛ 영역이므로, 수동형 냉각 소자의 열 방출 능력을 최대치로 올리기 위해서는 8-13㎛ 영역에서의 흡수율 또는 방사율이 최대치가 되어야 한다.
대기의 창 파장 범위에서의 적외선 방사가 실질적인 열방출에 의한 복사냉각을 달성하는데 핵심적인 역할을 수행한다. 파장 범위가 자외선-가시광선-근적외선이 입사하는 태양광(태양으로부터 방사되는)을 100% 반사시키고 대기의 창 구간인 8㎛-13㎛ 영역대의 장파장 적외선을 외부로 100% 방사시킬 수 있다면, 300K의 주변 온도일 때 158W/m2의 냉각성능이 에너지 소모 없이 구현할 수 있다.
태양광의 95% 반사시키고, 8㎛-13㎛ 영역의 중적외선을 90% 이상 외부로 방사시키면 주변 온도가 300K 일 때 낮에는 (즉, 태양에 의한 광흡수 존재) 100W/m2의 냉각성능을 그리고 태양에 의한 광흡수가 없는 밤에는 120W/m2의 냉각성능을 구현할 수 있다.
수동형 복사냉각 소재로 사용되기 위해서는 입사 태양광인 UV-vis-NIR 파장 범위의 빛에 대하여 높은 투과율을 갖거나 높은 반사율을 갖아 입사 태양광을 흡수하지 않아야 하며, 대기의 창 구간인 8 ~ 13㎛ 영역대의 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수(방사)율을 갖아야 하며, 이외에도 옥외(outdoor) 조건에서 높은 내구성 (안정성, 내식성)을 갖아야 하고, 사용되는 물질이 값싸고 풍부하게 존재해야 하며, 값싸고 쉬운 공정으로 대면적에 성형이 가능하여야 한다.
폴리머 소재의 경우 일반적으로 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수율(방사율)을 갖으나 재료의 특성상 옥외에 방치 시 자외선, 습기 등으로 쉽게 열화되어 수명이 짧다는 단점이 존재한다.
현재 제로 에너지(zero energy) 복사냉각에서 가장 큰 문제점은 높은 태양광 반사가 가능한 소자는 금속으로 이루어져 있고, 방사소재는 태양광에 투명하며 장파장 적외선을 잘 방사시키는 소재를 사용하므로, 거의 모든 복사냉각소자의 외관은 금속 미러 색상을 나타낸다는 것이다.
따라서, 자동차, 건축물, 콘테이너 등에 사용될 경우 색상이 금속 미러 색상으로 한정되고 있어, 복사냉각소재의 응용에 있어서 단점으로 나타나고 있다.
만약, 제로 에너지(zero energy) 복사 냉각 소재에 염료 혹은 메타 구조에 의해서 색을 넣게 되면 색 구현을 위한 태양광 에너지 흡수가 높게 되면서 빛-열 에너지 전화에 의해서 복사 냉각 소재의 성능을 구현 하기에 어려운 문제점이 존재한다.
한국등록특허 제10-2036071호, "다층 복사 냉각 구조" 한국공개특허 제10-2019-0130985호, "수동 복사 냉각 구조" 일본공개특허 제2019-515967호, "방사 냉각 구조체 및 시스템" 한국공개특허 제10-2019-0118755호, "복사냉각에서 색상 구현이 가능한 냉각재 및 이를 이용한 색상 구현 방법"
본 발명은 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 스캐터링 나노입자와 색상형 나노입자를 이용하여 기존 복사 냉각 성능을 유지하면서 다양한 색상을 표현하는 색상형 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 빛이 산란되는 효과에 의해 백색을 띄는 스캐터링층을 먼저 형성한 후, 스캐터링층에 다양한 색상을 표현할 수 있는 색상층을 형성하여 색 구현력을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 색상 구현을 위한 색상형 나노입자에 적외선 방사용 나노입자를 코팅하여 복사 냉각 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 스캐터링 나노입자와 색상형 나노입자를 이용하여 낮 시간과 밤 시간에 관계 없이 복사 냉각 효율이 높은 색상형 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 태양광이 입사되는 낮(day time)이나 태양광이 입사되지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모 없이 주변온도 이하로 냉각시켜, 건축, 자동차 등의 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각기능을 수행하는 색상형 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자는 금속 물질로 형성되어 태양광을 반사하는 태양광 반사층, 적외선을 흡수 및 방사하는 폴리머와, 상기 태양광을 스캐터링하는 스캐터링 나노입자의 혼합물로 형성되는 스캐터링층 및 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자로 형성되어, 상기 색상형 나노입자의 종류에 대응하는 색을 발색하는 색상층을 포함할 수 있다.
상기 스캐터링층은 상기 태양광을 스캐터링하여 백색을 구현하고, 상기 색상층은 상기 구현된 백색을 바탕으로 상기 색상형 나노입자의 종류에 따라 색상을 구현할 수 있다.
상기 적외선 방사용 나노입자는 상기 적외선을 흡수 및 방사하여 상기 스캐터링층의 적외선 흡수율 및 방사율을 증가시킬 수 있다.
상기 태양광 반사층 및 스캐터링층의 사이에 배치되는 기준층을 더 포함할 수 있다.
상기 적외선 방사용 나노입자는 SiO2, Al2O3, Si3N4, cBN 및 CaSO4 중 어느 하나의 적외선 방사용 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 색상형 나노입자는 CdSe, Cds 및 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 어느 하나의 색상형 나노입자를 포함하고, 상기 페로브스카이트(perovskite) 물질은 화학식 ABX3을 갖으며, 상기 A는 Cs, Sn, Bi 및 메틸 암모늄(Methyl Ammonium) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 B는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti 및 Zn 중 어느 하나의 금속 물질을 포함하며, 상기 X는 Cl, Br 및 I 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 폴리머는 PDMS(Polydimethyl siloxane), PUA(Poly urethane acrylate), PET (polyethylene terephthalate), PVC (polyvinyl chloride), PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 DPHA(Dipentaerythritol Hexaacrylate) 중 어느 하나의 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 스캐터링 나노입자는 MgF2, Al2O3, SiO2, MgO, ZnO 및 TiO2 중 어느 하나의 스캐터링 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 태양광 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 스캐터링층은 상기 폴리머와 상기 스캐터링 나노입자를 용매에 함께 넣고 분산시킨 상기 혼합물을 상기 태양광 반사층 및 상기 기준층 중 어느 하나 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 색상층은 상기 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자가 포함된 혼합물을 상기 스캐터링층 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
본 발명은 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 스캐터링 나노입자와 색상형 나노입자를 이용하여 기존 복사 냉각 성능을 유지하면서 다양한 색상을 표현하는 색상형 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 빛이 산란되는 효과에 의해 백색을 띄는 스캐터링층을 먼저 형성한 후, 스캐터링층에 다양한 색상을 표현할 수 있는 색상층을 형성하여 색 구현력을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 색상 구현을 위한 색상형 나노입자에 적외선 방사용 나노입자를 코팅하여 복사 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 스캐터링 나노입자와 색상형 나노입자를 이용하여 낮 시간과 밤 시간에 관계 없이 복사 냉각 효율이 높은 색상형 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 태양광이 입사되는 낮(day time)이나 태양광이 입사되지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모 없이 주변온도 이하로 냉각시켜, 건축, 자동차 등의 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각기능을 수행하는 색상형 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자의 색상 특성을 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 색상층 물질의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope) 이미지를 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각소자의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 이미지를 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자의 복사 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험을 설명하는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자의 구성 요소를 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 1a는 기준층 상에 태양광 반사층이 형성되는 실시예를 예시하고, 도 1b는 기준층이 태양광 반사층과 스캐터링층 사이에 배치되는 실시예를 예시한다.
도 1a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자(100)는 태양광 반사층(110), 기준층(120), 스캐터링층(130) 및 색상층(140)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 태양광 반사층(110)은 금속 물질로 형성된 금속소자의 박막으로서 태양광을 전 반사할 수 있다.
일례로, 태양광 반사층(110)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
즉, 태양광 반사층(110)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질로 형성될 수 있다.
또한, 태양광 반사층(110)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 적어도 둘이 결합된 합금 물질로 형성될 수 있다.
일례로, 태양광 반사층(110)은 금속 물질 또는 합금 물질을 열증착하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 스캐터링층(130)은 적외선을 흡수 및 방사하는 폴리머(131)와, 태양광을 스캐터링하는 스캐터링 나노입자(132)의 혼합물로 형성될 수 있다.
일례로, 스캐터링층(130)은 태양광을 스캐터링하여 백색을 구현할 수 있다.
즉, 스캐터링층(130)은 태양광의 흡수를 최소화하면서 스캐터링을 유도함에 따라 백색을 구현할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 폴리머(131)는 폴리머는 PDMS(Polydimethyl siloxane), PUA(Poly urethane acrylate), PET (polyethylene terephthalate), PVC (polyvinyl chloride), PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 DPHA(Dipentaerythritol Hexaacrylate) 중 어느 하나의 폴리머를 포함할 수 있다.
일례로, 스캐터링 나노입자(132)는 MgF2, Al2O3, SiO2, MgO, ZnO 및 TiO2 중 어느 하나의 스캐터링 나노입자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 스캐터링 나노입자(132)는 태양광을 스캐터링하여 폴리머(131)의 투명 색상을 백색으로 구현할 수 있다.
예를 들어, ZnO 및 TiO2는 비교적으로 높은 에너지 밴드갭을 갖음에 따라 400nm 이하의 파장 범위에서 태양광을 흡수함에 따라 태양광 스펙트럼을 고려하였을 때 태양광 흡수율이 낮아서 복사 냉각 소자에 적용하기 적합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 스캐터링층(130)은 폴리머(131)와 스캐터링 나노입자(132)를 용매에 함께 넣고 분산시킨 혼합물을 태양광 반사층(110) 및 기준층(120) 중 어느 하나 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 태양광 반사층(110) 다음에 기준층(120)이 위치할 경우, 스캐터링층(130)은 기준층(120) 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
또한, 기준층(120) 다음에 태양광 반사층(110)이 위치할 경우, 스캐터링층(130)은 태양광 반사층(110) 상에 코팅하여 형성될 수 있는데, 상술한 구조는 도 1b를 이용하여 추가 설명하도록 한다.
예를 들어, 용매는 에탄올, 물, 헥산, PGMEA(Propylene glycol methyl ether acetate), PGME(Propylene glycol methyl ether) 및 MIBK(Methyl isobutyl ketone) 중 어느 하나의 용매를 포함한다.
예를 들어, 용매는 휘발성이 강하여 단시간에 증발 되는 용매가 이용됨에 따라 스캐터링 나노입자(132)가 분산된 후 코팅하여 형성될 수 있다.
일례로, 스캐터링 나노입자(132)는 고 굴절률을 가지는 나노입자로서 폴리머를 용매에 함께 넣고 분산시킨 뒤, 스핀코팅 또는 바코팅 등의 다양한 증착 방법을 이용하여 기준층(120) 상에 평평하게 형성될 수 있다.
일례로, 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자(100)는 태양광 반사층(110)과 스캐터링층(130) 사이에서 기준층(120)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 스캐터링층(130)은 담지법 및 스핀코팅법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 색상층(140)은 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자로 형성되어, 색상형 나노입자의 종류에 대응하는 색을 발색할 수 있다.
일례로, 색상층(140)은 스캐터링층(130)에 의해 구현된 백색을 바탕으로 색상형 나노입자의 종류에 따라 다양한 색상을 구현할 수 있다.
예를 들어, 다양한 색상은 적색, 녹색, 파란색 등을 포함하며, 색상형 나노입자가 태양광에 의해 발색하는 색상에 따라 다른 색상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 다르면 적외선 방사용 나노입자는 적외선을 흡수 및 방사하여 스캐터링층(130)의 적외선 흡수율 및 방사율을 증가시킬 수 있다.
즉, 적외선 방사용 나노입자는 스캐터링층(130)의 폴리머(131)에 의한 적외선 흡수 및 방사를 지원하도록, 색상층(140)에서 적외선을 흡수 및 방사하는 나노입자로서 색상형 나노입자에 코팅될 수 있다.
예를 들어, 적외선 방사용 나노입자는 SiO2, Al2O3, Si3N4, cBN 및 CaSO4 중 어느 하나의 적외선 방사용 나노입자를 포함할 수 있다.
적외선 방사용 나노입자는 대기의 창에 해당하는 파장 범위에서 평균적으로 높은 적외선 흡수율 및 방사율을 갖는다. 여기서, 대기의 창에 해당하는 파장 범위는 8μm 내지 13μm일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 색상형 나노입자는 CdSe, Cds 및 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 어느 하나의 색상형 나노입자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 페로브스카이트(perovskite) 물질은 화학식 ABX3을 갖으며, A는 Cs, Sn, Bi 및 메틸 암모늄(Methyl Ammonium) 중 어느 하나를 포함하고, B는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti 및 Zn 중 어느 하나의 금속 물질을 포함하며, X는 Cl, Br 및 I 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 색상층(140)은 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자가 포함된 혼합물을 스캐터링층(130) 상에 코팅하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 색상층(140)은 색상형 나노입자에 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 후, 용매에 용해된 혼합물이 스캐터링층(130) 상에 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 색상층(140)은 담지법, 스핀코팅법 및 스프레이 코팅법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
일례로, 색상형 나노입자는 고온 수열법(Hot-Injection)을 기반으로 합성되고, 적외선 방사용 나노입자는 색상형 나노입자에 코팅될 경우, APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicat) 와 같은 고분자를 첨가한 후 가수분해(Hydrolysis) 공법을 이용하여 색상형 나노입자의 표면에 쉘로 형성될 수 있다.
도 1b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자(150)는 기준층(160), 태양광 반사층(170), 스캐터링층(180) 및 색상층(190)을 포함하고, 스캐터링층(180)은 폴리머(181) 및 스캐터링 나노입자(182)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자(100)와 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자(150)는 기준층(120)과 기준층(160)의 위치의 차이만 있을 뿐 색상 구현 및 복사 냉각 성능을 동일하게 제공할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자의 색상 특성을 설명하는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자가 백색, 적색, 녹색을 구현할 시, 복사 냉각 소자의 적층 구조를 예시한다.
도 2a를 참고하면, 복사 냉각 소자는 백색 구현을 위한 적층 구조(200), 녹색 구현을 위한 적층 구조(210) 및 적색 구현을 위한 적층 구조(220)를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조(200)는 은막(silver layer), 기판(substrate) 및 스캐터링층(PMMA + ZnO)가 순차적으로 위치하고, 스캐터링층(PMMA + ZnO)이 태양광을 스캐터링하여 백색을 구현한다.
본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조(210)는 은막(silver layer), 기판(substrate), 스캐터링층(PMMA + ZnO) 및 색상층(Colored Nanomaterial)이 순차적으로 위치하고, 색상층(Colored Nanomaterial)을 형성한 색상형 나노입자의 종류에 따라 녹색을 구현한다.
본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조(220)는 은막(silver layer), 기판(substrate), 스캐터링층(PMMA + ZnO) 및 색상층(Colored Nanomaterial)이 순차적으로 위치하고, 색상층(Colored Nanomaterial)을 형성한 색상형 나노입자의 종류에 따라 적색을 구현한다.
예를 들어, 은막(silver layer)은 태양광 반사층에 해당될 수 있고, 기판(substrate)는 기준층에 해당될 수 있다.
예를 들어, 기판(substrate)은 Flexible PET(polyethylene terephthalate)를 포함할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 다양한 색삭형 복사 냉각 소자를 예시한다.
도 2b를 참고하면, 복사 냉각 소자는 은색(230), 백색(240), 녹색(250), 적색(260)을 구현할 수 있다.
은색(230)은 기준층 상에 은(Ag)을 이용하여 태양광 반사층 만이 형성된 경우에 해당될 수 있다.
백색(240)은 기준층 또는 태양광 반사층 상에 스캐터링층 만이 형성된 경우에 해당될 수 있다.
녹색(250) 및 적색(260) 스캐터링층 상에 녹색(250) 또는 적색(260)에 해당하는 나노입자가 색상층으로 코팅된 경우에 해당될 수 있다.
따라서, 본 발명은 빛이 산란되는 효과에 의해 백색을 띄는 스캐터링층을 먼저 형성한 후, 스캐터링층에 다양한 색상을 표현할 수 있는 색상층을 형성하여 색 구현력을 향상시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 색상층 물질의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope) 이미지를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자의 투과 전자 현미경 이미지를 예시한다.
도 3a를 참고하면, 투과 전자 현미경 이미지(300)는 적외선 방사용 나노입자에 해당하는 Silica(301)가 색상형 나노입자에 해당하는 CsPbBr3(302)에 코팅된 경우를 나타낼 수 있다. 예를 들어, CsPbBr3는 녹색을 구현할 수 있다.
도 3b를 참고하면, 투과 전자 현미경 이미지(310)는 적외선 방사용 나노입자에 해당하는 Silica(311)가 색상형 나노입자에 해당하는 CsPbBrxI3-x(312)에 코팅된 경우를 나타낼 수 있다. 예를 들어, CsPbBrxI3-x 는 적색을 구현할 수 있다.
즉, 색상층은 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자를 이용하여 형성됨에 따라 적외선 방사율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 색상 구현을 위한 색상형 나노입자에 적외선 방사용 나노입자를 코팅하여 복사 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각소자의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 이미지를 설명하는 도면이다.
도 4a는 태양광 반사층의 주사 전자 현미경 이미지(400)를 예시하고, 도 4b는 색상층의 주사 전자 현미경 이미지(410)를 예시하며, 도 4c 및 도 4d는 스캐터링층의 주사 전자 현미경 이미지(420) 및 주사 전자 현미경 이미지(430)를 예시한다.
도 4b의 주사 전자 현미경 이미지(410)를 참고하면, 색상형 나노입자 상에 적외선 방사용 나노입자의 층이 형성되어 색상형 나노입자를 코팅하고 있다.
도 4c의 주사 전자 현미경 이미지(420)를 참고하면, 스캐터링층이 두께(421)를 가지며, 스캐터링 나노 입자(422)를 포함하고 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자의 복사 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 색상형 나노입자의 종류에 따른 색상형 복사 냉각 소자의 적외선 흡수 및 방사율을 예시한다.
도 5a의 그래프(500)를 참고하면, 가로축은 파장의 변화를 나타낼 수 있고, 세로축은 흡수율의 변화를 나타낼 수 있으며, 백색(501), 녹색(502) 및 적색(503)의 흡수율 변화를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 백색(501)은 스캐터링층이 최상층에 위치하여 백색을 구현하는 색상형 복사 냉각 소자에 해당하고, 녹색(502)은 녹색을 구현할 수 있는 색상층이 최상층에 위치하여 녹색을 구현하는 색상형 복사 냉각 소자에 해당하며, 적색(503)은 적색을 구현할 수 있는 색상층이 최상층에 위치하여 적색을 구현하는 색상형 복사 냉각 소자에 해당할 수 있다.
그래프(500)에 따르면 백색(501), 녹색(502) 및 적색(503)은 낮 동안 태양 광에 해당하는 파장 범위(0.3μm 내지 2.5 μm)에서 흡수율이 낮고, 2.5 μm 이후에 흡수율이 높다.
따라서, 대기의 창에 해당하는 파장 범위(8μm 내지 13μm)에서 높은 흡수율 및 방사율을 가질 수 있어서, 복사 냉각 소자로서 동작될 수 있다.
도 5b의 그래프(510)를 참고하면, 가로축은 파장의 변화를 나타낼 수 있고, 세로축은 발광 강도의 변화를 나타낼 수 있으며, 녹색(511) 및 적색(512)에 해당하는 색상형 나노입자를 나타낼 수 있다.
그래프(510)에 따르면 녹색(511)은 500nm에서 높은 발광 강도를 나타내고, 적색(512)은 650nm에서 높은 발광 강도를 나타낸다.
따라서, 녹색(511)에 해당하는 색상형 나노입자 또는 적색(512)에 해당하는 색상형 나노입자를 이용하여 형성된 색상층은 낮 동안 태양 광에 해당하는 파장 범위(0.3μm 내지 2.5 μm) 이후의 파장 범위에서 높은 발광 강도를 갖음에 따라 낮은 열 방생에 의해서도 색상을 가질 수 있다.
즉, 본 발명은 낮은 태양광 흡수에 의해서도 높은 발광을 가지는 스캐터링 나노입자와 색상형 나노입자를 이용하여 기존 복사 냉각 성능을 유지하면서 다양한 색상을 표현하는 색상형 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험을 설명하는 도면이다.
도 6a는 낮 시간 동안의 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험을 예시하고, 도 6b는 낮 시간 동안의 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험을 예시한다.
도 6a의 그래프(600) 및 도 6b의 그래프(610)를 참고하면, 가로축은 시간의 변화를 나타낼 수 있고, 세로축은 온도의 변화와 온도 차이(△T)의 변화를 나타낼 수 있다.
여기서, 그래프(600)는 공기(601), 백색(602), 녹색(603), 적색(604) 및 은색(605)을 나타내고, 그래프(610)는 공기중(611), 백색(612), 녹색(613), 적색(614) 및 은색(615)을 나타낼 수 있다.
그래프(600)를 참고하면, 백색(602), 녹색(603), 적색(604), 은색(605) 및 공기(601) 순으로 온도가 낮고, 백색(602), 녹색(603), 적색(604) 및 은색(605) 순으로 온도 차이가 크다.
그래프(610)를 참고하면, 녹색(613), 적색(614) 및 백색(612) 순서로 온도가 낮고, 은색(615) 및 공기(611)의 온도는 유사하며, 백색(612), 녹색(613) 및 적색(614)은 온도 차이가 유사하다.
그래프(600)과 그래프(610)에 기반하여 낮과 밤 시간 동안에 색상형 복사냉각 소자에 의해 냉각된 온도를 하기 표 1과 같이 정리할 수 있다.
시간/색상 백색 녹색 적색 은색
낮 시간 4.2℃ 3.6℃ 1.7℃ -0.7℃
밤 시간 6.3℃ 6.7℃ 6.7℃ 0.0℃
표 1에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자는 낮 시간과 밤시간에 모두 복사 냉각을 수행할 수 있다.
도 6c는 4일 동안의 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험을 예시하고, 도 6d는 4일 동안의 색상형 복사 냉각 소자에 의한 외부 온도 변화 실험의 환경을 예시한다.
도 6c의 그래프(620)를 참고하면, 가로축은 시간의 변화를 나타낼 수 있고, 세로축은 온도의 변화와 온도 차이(△T)의 변화를 나타낼 수 있으며, 공기(621), 백색(622), 녹색(623), 적색(624) 및 은색(625)을 나타낼 수 있다.
그래프(620)에 따르면, 백색(622), 녹색(623), 적색(624) 및 은색(625) 순으로 온도 차이가 크다.
즉, 백색(622), 녹색(623), 적색(624) 및 은색(625) 순으로 복사 냉각 효율이 높을 수 있다.
도 6d의 그래프(630)를 참고하면, 도 6c의 데이터와 연관된 실험 환경의 변화 중 상대 습도(631), 풍속(632), 이슬점(633)의 변화를 나타낸다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 복사 냉각 소자 110: 태양광 반사층
120: 기준층 130: 스캐터링층
140: 색상층

Claims (11)

  1. 금속 물질로 형성되어 태양광을 반사하는 태양광 반사층;
    적외선을 흡수 및 방사하는 폴리머와, 상기 태양광을 스캐터링하는 스캐터링 나노입자의 혼합물로 형성되는 스캐터링층; 및
    적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자로 형성되어, 상기 색상형 나노입자의 종류에 대응하는 색을 발색하는 색상층을 포함하고,
    상기 적외선 방사용 나노입자는 상기 적외선을 흡수 및 방사하여 상기 폴리머에 의한 적외선 흡수 및 방사를 지원함에 따라 적외선 흡수율 및 방사율을 증가시키는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캐터링층은 상기 태양광을 스캐터링하여 백색을 구현하고,
    상기 색상층은 상기 구현된 백색을 바탕으로 상기 색상형 나노입자의 종류에 따라 색상을 구현하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 반사층 및 스캐터링층의 사이에 배치되는 기준층을 더 포함하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 방사용 나노입자는 SiO2, Al2O3, Si3N4, cBN 및 CaSO4 중 어느 하나의 적외선 방사용 나노입자를 포함하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 색상형 나노입자는 CdSe, Cds 및 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 어느 하나의 색상형 나노입자를 포함하고,
    상기 페로브스카이트(perovskite) 물질은 화학식 ABX3을 갖으며,
    상기 A는 Cs, Sn, Bi 및 메틸 암모늄(Methyl Ammonium) 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 B는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti 및 Zn 중 어느 하나의 금속 물질을 포함하며,
    상기 X는 Cl, Br 및 I 중 어느 하나를 포함하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 PDMS(Polydimethyl siloxane), PUA(Poly urethane acrylate), PET (polyethylene terephthalate), PVC (polyvinyl chloride), PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 DPHA(Dipentaerythritol Hexaacrylate) 중 어느 하나의 폴리머를 포함하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스캐터링 나노입자는 MgF2, Al2O3, SiO2, MgO, ZnO 및 TiO2 중 어느 하나의 스캐터링 나노입자를 포함하는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성되는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스캐터링층은 상기 폴리머와 상기 스캐터링 나노입자를 용매에 함께 넣고 분산시킨 상기 혼합물을 상기 태양광 반사층 및 기준층 중 어느 하나 상에 코팅하여 형성되는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 색상층은 상기 적외선 방사용 나노입자가 코팅된 색상형 나노입자가 포함된 혼합물을 상기 스캐터링층 상에 코팅하여 형성되는
    나노입자를 이용한 색상형 복사 냉각 소자.
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