KR102321667B1 - 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자 - Google Patents

나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층을 형성하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율을 고려하여 입도와 조성이 결정된 나노 또는 마이크로 입자 및 상기 나노 또는 마이크로 입자의 표면을 기계적으로 연결할 바인더가 용매 내 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성되는 페인트 도막층을 포함할 수 있다.

Description

나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자{RADIATIVE COOLING DEVICE INCLUDING PAINT COATING LAYER COMPOSED OF NANO OR MICRO PARTICLES}
본 발명은 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자에 관한 것으로, 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층을 형성하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 기술에 관한 것이다.
수동형 복사 냉각(Radiative Cooling) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5 ㎛)를 반사하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8-13 ㎛) 에너지를 방사하여 수동적으로 냉각될 수 있다.
한편, 수동형 복사 가열(Radiative Heating) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5 ㎛)를 흡수하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8- 13 ㎛) 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 내지 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.
또한, 두꺼운 폴리머 소재는 모든 적외선 파장대에 대해서 높은 방사율을 갖는 브로드밴드 에미터(Broadband emitter) 이기 ‹š문에 대기의 창(sky window)에서 방사율이 높은 선택형 에미터(Selective emitter) 보다 복사냉각 성능이 떨어진다.
무기물 소재 또는 세라믹 소재의 다층박막을 이용하는 경우 대기의 창 전체에서 방사율이 높게 하기 위해서는 적층 수가 많아야 하며 이로 인하여 태양광 흡수율이 높아져 고효율 복사냉각성능을 달성하기에는 어려움이 있다.
또한, 은, 알루미늄 등 하부 금속 반사층을 포함하는 복사냉각소자는 은 및 알루미늄의 장기 안정성 문제(산화 문제)와 단가 문제로 인하여 복사냉각을 실생활에 적용하기에 어려움이 있으며 이러한 금속 소재들은 정반사를 주로 하기 때문에 눈의 피로와 빛 번짐을 유발할 수 있다.
기존 페인트의 물질은 높은 함량의 바인더를 포함하고, TiO2 나노 또는 마이크로 입자를 사용하기 때문에, TiO2의 상대적으로 낮은 밴드갭 에너지로 인하여 UV-근가시광 영역의 태양빛을 흡수하고, 고분자 바인더의 NIR 영역대 높은 소멸 계수로 인하여 NIR 영역대 흡수가 많다.
또한, 이러한 기존 페인트 물질들은 대기의 창 내에서 소멸계수가 높은 물질로 구성되지는 않기 때문에 대기의 창 내 방사율 및 각도 별 방사율이 높지 않은 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2019-0130985호, "수동 복사 냉각 구조" 한국등록특허 제10-2036071호, "다층 복사 냉각 구조" 미국등록특허 제9927188호, "METAMATERIALS-ENHANCED PASSIVE RADIATIVE COOLING PANEL"
본 발명은 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층을 형성하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존 페인트보다 태양빛을 덜 흡수하고, 대기의 창 내 방사율이 더 높아 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 기판 상에 페인트 도막층을 형성하여 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 열교환용 구리(동) 파이프의 표면이나 차량 지붕같은 비평면 기판 위에도 복사냉각 기능을 갖춘 페인트 도막층이 형성되어 복사냉각 기능을 수행할 수 있으며, 옷감, 우산 표면과 같은 천 소재에도 다잉을 통하여 복사냉각능을 부여하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고분자 보호층을 추가적으로 포함하여 수분 및 공기 등 외부 물질이 침투되는 것을 방지할 수 있어 소수성이 부여된 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸치 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 소자는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율을 고려하여 입도와 조성이 결정된 나노 또는 마이크로 입자 및 상기 나노 또는 마이크로 입자의 표면을 기계적으로 연결할 바인더가 용매 내 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성되는 페인트 도막층을 포함할 수 있다.
상기 나노 또는 마이크로 입자는 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4, c-BN, ZrO2, MgHPO4, Ta2O5, AlN, LiF, MgF2, HfO2 및 BaSO4 중 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질과 상기 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질이 혼합된 혼합 물질을 포함할 수 있다.
상기 나노 또는 마이크로 입자는 코어와 쉘로 형성되고, 상기 코어를 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질과 상기 쉘을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질이 서로 다른 물질로 이루어져 상기 코어를 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질의 적외선 방사율 및 반사율과 상기 쉘을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질의 적외선 방사율 및 반사율이 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율에 대하여 상호 보완되도록 상기 조성이 결정될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 쉘의 두께가 제어되어 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위와 상기 입사 태양광의 파장 범위의 굴절률 차이에 따라 반사 특성, 흡수 특성 및 투과 특성 중 적어도 하나의 특성이 제어될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 나노 또는 마이크로 입자 각각의 적외선 방사율 및 반사율이 중첩되어 상기 적외선 방사율 및 상기 반사율이 결정될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 나노 또는 마이크로 입자의 분말이 1:0, 3:1, 1:1, 1:3 및 0:1 중 어느 하나의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성될 수 있다.
상기 바인더는 DPHA(DiPentaerythritol HexaAcrylate), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PUA(Poly urethane acrylate), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride), Acrylic 계 고분자, Polyester 계 고분자, Polyurethane 계 고분자 중 적어도 하나의 바인더 물질을 포함할 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 적어도 하나의 바인더 물질의 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율에 기반하여 상기 적외선 방사율이 증가될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 나노 또는 마이크로 입자와 상기 바인더가 x: 1의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성되고, 상기 x는 0.2 내지 2.5의 범위를 가질 수 있다.
상기 페인트 도막층 상에 외부 물질의 침투를 차단하는 고분자 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 페인트 도막층의 두께는 30 ㎛ 내지 600 ㎛로 형성될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 상기 두께가 증가할수록 반사율이 증가하고, 투과율이 감소될 수 있다.
상기 페인트 도막층은 적외선과 수직을 이루는 기준선에 대하여 상기 적외선이 40도 내지 70도의 입사각으로 입사될 경우, 0.6 이상의 적외선 방사율을 갖을 수 있다.
본 발명은 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층을 형성하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 기존 페인트보다 태양빛을 덜 흡수하고, 대기의 창 내 방사율이 더 높아 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 기판 상에 페인트 도막층을 형성하여 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 열교환용 구리(동) 파이프의 표면이나 차량 지붕같은 비평면 기판 위에도 복사냉각 기능을 갖춘 페인트 도막층이 형성되어 복사냉각 기능을 수행할 수 있으며, 옷감, 우산 표면과 같은 천 소재에도 다잉을 통하여 복사냉각능을 부여할 수 있다.
본 발명은 고분자 보호층을 추가적으로 포함하여 수분 및 공기 등 외부 물질이 침투되는 것을 방지할 수 있어 소수성이 부여된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공할 수 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸치 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 코어 및 쉘 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 박막의 파장 별 소멸계수를 굴절률로 나눈 비를 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 각도 별 방사율을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 두께 변화에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 다양한 이미지를 설명하는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 광특성과 대기의 창 내 각도별 평균 방사율을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 표면 냉각 측정 실험을 설명하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11f는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 수냉 측정 실험을 설명하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 형성된 다양한 표면을 설명하는 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 형성된 가시광 이미지와 적외선 이미지를 비교 설명하는 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 적용될 수 있는 다양한 표면을 이용한 실험을 설명하는 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 적용될 수 있는 다양한 표면을 이용한 실험 결과를 설명하는 도면이다.
도 16a 내지 도 16e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 형성에 이용되는 바인더의 종류에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 광특성을 설명하는 도면이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율에 따른 광특성 및 냉각 전력을 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자(100)가 페인트 도막층(110)을 포함하고 있다.
일례로, 복사 냉각 소자(100)는 페인트 도막층(110)이 코팅된 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판은 다양한 표면으로 지칭될 수 있다.
다시 말해, 복사 냉각 소자(100)는 기판 상에 복사 냉각 페인트가 코팅되어 페인트 도막층(110)이 형성된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자(100)는 태양 빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각시키는 복사 냉각 소자가 구현되면 건축, 자동차 등의 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 수행할 수 있다.
일례로, 복사 냉각 소자(100)는 나노 또는 마이크로 입자 물질들은 기본적으로 밴드 갭 에너지가 높아 TiO2를 사용하는 기존 페인트와는 달리 자외선-근 가시광선 영역의 태양빛을 거의 흡수하지 않는다.
또한, 복사 냉각 소자(100)는 대기의 창(sky window) 내에서 각각 부분적으로 높은 방사율을 가지는 구간이 존재하기 때문에, 대기의 창 내 방사율 또한 더 높을 수 있다.
또한, 복사 냉각 소자(100)가 포함하는 페인트 도막층(110)을 형성하는 물질들은 기본적으로 값싸고 재료가 풍부하고 용액공정이 가능하여, 고분자 기반의 복사냉각소자와 같이 저비용 및 대면적 공정이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따르면 페인트 도막층(110)은 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율을 고려하여 입도와 조성이 결정된 나노 또는 마이크로 입자 및 나노 또는 마이크로 입자의 표면을 기계적으로 연결할 바인더가 용매 내 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성될 수 있다.
일례로, 나노 또는 마이크로 입자는 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4, c-BN, ZrO2, MgHPO4, Ta2O5, AlN, LiF, MgF2, HfO2 및 BaSO4 중 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질과 상기 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질이 혼합된 혼합 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 페인트 도막층(110)은 나노 또는 마이크로 입자 각각의 적외선 방사율 및 반사율이 중첩되어 적외선 방사율 및 반사율이 향상되도록 결정될 수 있다.
일례로, 페인트 도막층(110)은 나노 또는 마이크로 입자의 분말이 1:0, 3:1, 1:1, 1:3 및 0:1 중 어느 하나의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성될 수 있다.
여기서, 나노 또는 마이크로 입자의 분말은 3가지 내지 4가지의 다양한 종류의 나노 또는 마이크로 입자 물질이 다양한 부비피로 페인트 용액 내에서 혼합될 수 있다.
예를 들어, SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4의 나노 또는 마이크로 입자의 분말이 페인트 용액에서 혼합될 경우에 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4의 나노 또는 마이크로 입자의 분말은 1:1:1:1, 1:2:0:1 및 1:0:3:1 등의 다양한 부피비로 혼합될 수 있다.
또한, 코어가 SiO2이고 쉘이 Al2O3로 이루어진 나노 또는 마이크로 입자의 분말과 코어가 CaCO3이고, 쉘이 CaSO4로 이루어진 나노 또는 마이크로 입자의 분말이 1:0, 3:1, 1:1, 1:3 및 0:1 중 어느 하나의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 제조될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 바인더는 DPHA(DiPentaerythritol HexaAcrylate), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PUA(Poly urethane acrylate), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride), Acrylic 계 고분자, Polyester 계 고분자, Polyurethane 계 고분자 중 적어도 하나의 바인더 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 페인트 도막층(110)은 적어도 하나의 바인더 물질의 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율에 기반하여 적외선 방사율이 증가될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 페인트 도막층(110)은 나노 또는 마이크로 입자와 바인더가 x:1의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성될 수 있다. 여기서, x는 0.2 내지 2.5의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 다양한 표면은 나무 표면, 유리 표면, 금속기판 표면, 우산 표면, 집 모형 표면 및 옷감 표면 중 적어도 하나의 표면을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자(100)는 페인트 도막층(110) 상에 외부 물질의 침투를 차단하는 고분자 보호층(미도시) 추가적으로 형성될 수 있다.
일례로, 페인트 도막층(110)의 두께는 30 ㎛ 내지 650 ㎛로 형성될 수 있고, 두께가 증가할수록 반사율이 증가하고, 투과율이 감소될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 페인트 도막층(110)은 페인트 용액이 스핀코팅, 바코팅, 스프레이코팅, 닥터블레이딩, 블레이드 코팅 중 적어도 하나의 용액 공정을 통하여 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 용액은 밴드갭 에너지가 높고 대기의 창의 파장 범위인 8 내지 13 ㎛ 영역대의 장파장 적외선에 대하여 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 나노 또는 마이크로 입자의 크기(입도)와 조성이 임의로 조절되어 대기의 창의 파장 범위의 전 영역에서 높은 흡수율(방사율)을 갖도록 하고, 다양한 종류의 나노 또는 마이크로 입자들의 표면을 기계적으로 연결할 바인더 물질을 섞고 용매에 분산하여 제조될 수 있다.
혼합 나노 또는 마이크로 입자에 바인더 물질을 첨가할 시 나노 또는 마이크로 입자를 사이 사이를 연결해주어 접착력이 증가함에 따라 내구성이 증가될 수 있다.
광특성적으로는, 높은 굴절률을 갖는 나노 또는 마이크로 입자와 낮은 굴절률을 갖는 고분자 바인더 물질 계면의 산란으로 인하여 태양빛 반사가 증진될 수 있다.
또한, 고분자 바인더 물질도 대기의 창 내에서 소멸계수를 가져 페인트 층이 높은 방사율을 가질 수 있도록 기여할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 페인트 도막층(110)은 기존 페인트보다 태양 빛을 덜 흡수하고, 대기의 창의 파장 범위 내에서 방사율이 상대적으로 높아서 복사 냉각 성능이 우수하다.
또한, 복사 냉각 소자(100)는 추가 첨가제의 첨가에 따라 접착력, 표면 특성, 외부 저항성이 변화될 수 있다.
본 발명은 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층을 형성하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존 페인트보다 태양빛을 덜 흡수하고, 대기의 창 내 방사율이 더 높아 복사 냉각 성능이 우수한 페인트 도막층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 기판 상에 페인트 도막층을 형성하여 단단(rigid)하거나 유연(flexible)한 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
더하여, 본 발명은 열교환용 구리(동) 파이프의 표면이나 차량 지붕같은 비평면 기판 위에도 복사냉각 기능을 갖춘 페인트 도막층이 형성되어 복사냉각 기능을 수행할 수 있으며, 옷감, 우산 표면과 같은 천 소재에도 다잉을 통하여 복사냉각능을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명은 고분자 보호층을 추가적으로 포함하여 수분 및 공기 등 외부 물질이 침투되는 것을 방지할 수 있어 소수성이 부여된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 코어 및 쉘 구조를 설명하는 도면이다.
도 2a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 내 나노 또는 마이크로 입자(200)는 코어(201) 및 쉘(202) 구조를 가질 수 있다.
일례로, 코어(201) 및 쉘(202)을 형성하는 물질은 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4, c-BN, ZrO2, MgHPO4, Ta2O5, AlN, LiF, MgF2, HfO2 및 BaSO4을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 코어(201) 및 쉘(202)은 서로 다른 물질로 형성되고, 서로 시너지 효과를 가지는 조합으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 코어(201)가 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4, c-BN, ZrO2, MgHPO4, Ta2O5, AlN, LiF, MgF2, HfO2 및 BaSO4 중 어느 하나의 물질이고, 쉘(202)이 SiO2, Al2O3, CaCO3, CaSO4, c-BN, ZrO2, MgHPO4, Ta2O5, AlN, LiF, MgF2, HfO2 및 BaSO4 중 어느 하나의 물질일 수 있으며, 폴리머와 함께 페인트 형식으로 제작될 수 있다.
일례로, 본 발명의 일실시예에 따르면 나노 또는 마이크로 입자는 코어(201)와 쉘(202)로 형성되고, 코어(201)를 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질과 쉘(202)을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질이 서로 다른 물질로 이루어 질 수 있다.
또한, 코어(201)를 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질의 적외선 방사율 및 반사율과 쉘(202)을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 물질의 적외선 방사율 및 반사율이 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율에 대하여 상호 보완되도록 조성이 결정될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 내 나노 또는 마이크로 입자(210)는 코어(211) 및 쉘(212) 구조를 가진다.
본 발명의 일실시예에 따르면 나노 또는 마이크로 입자(210)의 쉘(212)은 그 두께가 조절되어 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위와 입사 태양광의 파장 범위의 굴절률 차이에 따라 반사 특성, 흡수 특성 및 투과 특성 중 적어도 하나의 특성이 제어될 수 있다.
예를 들어, 나노 또는 마이크로 입자(210)의 쉘(212)의 두께가 증가될 경우, 페인트 도막층의 두께도 증가될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 박막의 파장 별 소멸계수를 굴절률로 나눈 비를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2로 형성된 박막의 각 파장대에서의 소멸계수를 굴절률로 나눈 비를 예시한다.
도 3의 그래프(300)를 참고하면, 그래프(300)는 파장(wavelength) 별 비(k/n)를 나타내고, 그래프선(301)은 Al2O3을 나타내고, 그래프선(302)은 SiO2를 나타낼 수 있다.
그래프선(301) 및 그래프선(302) 상의 지점(303)은 상호보완 방출 속성(Complementary emission Properties)을 나타낼 수 있다.
그래프선(301)은 12 ㎛이후, 그래프선(302)은 8 내지 10 ㎛에서 높기 때문에 그래프선(301)은 12 ㎛ 이후를 방사하고, 그래프선(302)은 8 내지 10 ㎛에서 방사 특성을 나타낸다.
따라서, Al2O3와 SiO2를 섞으면 이러한 방사특성이 중첩되어 대기의 창 영역에서 높은 방사율을 가질 수 있다.
상술한 방사 특성은 하기 [수학식 1]에 기반하여 도출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021072754439-pat00001
[수학식 1]에서 R은 반사율을 나타낼 수 있고, n0은 공기의 굴절률을 나타낼 수 있으며, n1는 매체의 굴절률을 나타낼 수 있고, k는 재료의 흡광 계수를 나타낼 수 있다.
나노 및 마이크로 입자의 경우도 박막의 파장 별 굴절률과 소멸계수에 대해 비슷한 경향성을 가지므로 조성과 입도가 최적화된 이들 소재의 혼합물은 결과적으로 대기의 창 전 구간에서 높은 방사율을 갖게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 소자는 대기의 창 전 구간에서 높은 방사율을 갖을 수 있다.
예를 들어, 전체 대기 투명도 창에서 방사율 또한 블레이드 코팅 및 드롭 캐스팅과 같은 간단한 코팅 공정과 재료가 풍부하여 제조 및 재료 비용이 경제적일 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 두께가 250 ㎛일 시, Al2O3 및 SiO2의 부피비 변화에 따른 광특성 변화를 나타낸다.
한편, 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 두께가 250 ㎛일 시, Al2O3 및 SiO2의 부피비 변화에 따른 냉각 특성을 나타낸다.
도 4a의 그래프(400)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 0:1, 0.5: 0.5, 및 1:0인 경우에 파장 별 흡수율/방사율 변화를 나타낸다.
Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1에 해당되는 0.5: 0.5에 해당하는 그래프 선이 대기의 창의 파장 범위에서 고르게 높은 흡수율/방사율을 갖음을 확인할 수 있다.
도 4b의 그래프(410)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 0:1, 0.5: 0.5, 및 1:0인 경우에 파장 별 반사율(reflectance) 변화를 나타낸다.
Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1에 해당되는 0.5: 0.5에 해당하는 그래프 선이 대기의 창의 파장 범위에서 고르게 높은 반사율을 갖음을 확인할 수 있다.
도 4c의 그래프(420)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 0:1, 0.5: 0.5, 및 1:0인 경우에 반사율 및 투과율(transmittance) 변화를 나타낸다.
반사율 및 투과율을 함께 고려할 경우, 중 Al2O3 및 SiO2 비율은 0.5:0.5가 효율적일 수 있다.
도 4d의 그래프(430)를 참고하면, Al2O3만 존재할 경우 태양빛 반사율과 투과율이 부피비 0.5:0.5와 비슷하지만 12 ㎛대 이후 낮은 방사율에 의하여 부피비 0.5:0.5보다 복사냉각전력이 작다. 예를 들어, 부비피 0.5:0.5는 1:1과 동일하다.
또한, SiO2만 있을 경우 상대적으로 저굴절 물질인 SiO2의 특성에 따라 태양빛 반사율이 작고 복사냉각 전력이 작다.
부피비 0.5:0.5로 섞은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트의 경우가 태양빛에 대한 반사율이 높고 투과율이 적으며 복사냉각 전력 또한 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 각도 별 방사율을 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 내 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 0.5:0.5인 경우를 예시한다.
한편, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 내 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:0인 경우를 예시한다.
도 5a의 그래프(500)와 도 5b의 그래프(510)는 파장 별 태양광의 입사 각도에서 방사율 변화를 나타낼 수 있다. 여기서, 입사 각도는 적외선의 입사 각도 일 수 있다.
예를 들어, 우수한 복사냉각능을 위해서는 각도 별 방사율 또한 높게 유지 되어야 한다.
그래프(510)의 경우에는 12 ㎛ 이후의 방사율이 낮으며 높은 각도에서는 방사율이 매우 낮아 방사율을 잘 유지하지 못한다.
한편, 그래프(500)의 경우에는 12 ㎛ 이후의 방사율이 높고, 높은 각도에서는 방사율이 높은 방사율을 유지한다.
따라서, 그래프(500)에 해당하는 페인트 도막층의 경우가 복사열을 더 잘 방출한다고 볼 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 두께 변화에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c에서 페인트 도막층의 두께는 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 및 250 ㎛이고, 페인트 도막층은 유리 표면에 코팅되는 실시예를 예시한다.
바람직하게, 페인트 도막층의 두께는 30 ㎛ 내지 600 ㎛으로 형성될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1인 경우에, Al2O3 및 SiO2의 혼합물과 바인더의 비율이 2:1인 페인트를 이용하여 형성된 페인트 도막층의 두께 변화에 따른 파장 별 흡수율/방사율의 변화를 나타낸다. 여기서, 혼합물과 바인더의 비율은 x:1를 이루고, x는 0.2 내지 2.5의 범위 내에서 변경될 수 있다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따라 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1인 경우에, Al2O3 및 SiO2의 혼합물과 바인더의 비율이 2:1인 페인트를 이용하여 형성된 페인트 도막층의 두께 변화에 따른 파장 별 반사율의 변화를 나타낸다.
도 6c는 본 발명의 일실시예에 따라 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1인 경우에, Al2O3 및 SiO2의 혼합물과 바인더의 비율이 2:1인 페인트를 이용하여 형성된 페인트 도막층의 두께 변화에 따른 반사율과 투과율 변화를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c에서 페인트 도막층의 두께는 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 및 250 ㎛이고, 페인트 도막층은 유리 표면에 코팅된다.
도 6a의 그래프(600)를 참고하면, 두께 변화에 따른 흡수율/방사율의 변화는 유사하다.
도 6b의 그래프(610)를 참고하면, 두께가 증가할수록 반사율이 증가한다.
도 6c의 그래프(620)를 참고하면, 태양광에 대한 반사율이 증가하고, 투과율은 감소한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 다양한 이미지를 설명하는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 평면에 대한 주사 현미경 이미지를 예시하고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 단층면에 대한 주사 현미경 이미지를 예시한다.
도 7c는 확산 반사율이 높은 무광택 흰색 외관으로 형성된 판의 이미지를 예시한다.
도 7a의 이미지(700)와 도 7b의 이미지(710)를 참고하면, Al2O3 및 SiO2 입자는 입자 사이 사이에 바인더 물질로 사용된 UV 경화 DPHA 결합제의 지지체와 함께 잘 결합되어 있다.
도 7c의 이미지(720)를 참고하면, 무광택 흰색은 태양 광 플럭스의 효율적인 반사와 금속 거울 층을 포함하는 PDRC(passive daytime radiative cooling) 구조의 경우에 비해 눈의 피로를 줄이는 데 중요함을 확인 시켜 준다.
이미지(720)는 거울과 같은 은색 표면이 아닌 매트한 흰색을 띄는 것을 알 수 있다.
*이미지(720)는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층에 사용되는 페인트 물질과 비교하는 비교 대상인 종래의 흰 페인트가 도막 형성된 이미지를 나타낼 수 있다.
도 7a의 이미지(700)와 도 7b의 이미지(710)에서 페인트 도막층은 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1인 경우에, Al2O3 및 SiO2의 혼합물과 바인더의 비율이 2:1인 페인트를 이용하여 형성된 페인트 도막층일 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 광특성과 대기의 창 내 각도별 평균 방사율을 설명하는 도면이다.
도 8a는 종래 기술에 따른 하얀색 페인트와 본 발명의 일실시예에 따른 페인트의 복사 냉각 성능과 관련된 광특성을 비교한다.
도 8a의 그래프(800)를 참고하면 종래 기술에 따른 하얀색 페인트는 그래프선(801)에 해당하고, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 그래프선(802)에 해당된다.
도 8b는 종래 기술에 따른 하얀색 페인트와 본 발명의 일실시예에 따른 페인트의 대기의 창 내 각도별 평균 방사율을 비교한다.
도 8b의 그래프(810)를 참고하면, 종래 기술에 따른 하얀색 페인트는 지시점(811)에 해당하고, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 지시점(812)에 해당된다.
본 발명의 일실시예에 따른 페인트와 흰색 페인트와의 광특성을 비교할 때 높은 밴드갭 에너지 및 빛의 산란으로 UV-근가시광 영역, NIR 영역에서 본 발명의 일실시예에 따른 페인트가 종래의 흰 페인트보다 더 태양빛 흡수가 적다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트의 평균 대기의 창 방사율도 93.5%로 종래의 흰 페인트의 92.6%보다 높은 것으로 측정되고, 각도 별 평균 방사율도 본 발명의 일실시예에 따른 페인트가 더 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, TiO2 입자와 NIR 밴드 흡수를 나타내는 아크릴 바인더로 구성된 종래의 흰 페인트는 0.112의 태양 중량 흡수 및 대기 투명도 창에서 평균 방사율 0.924를 나타냈다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 Al2O3와 SiO2 입자와 DPHA의 균형 잡힌 조성과 두께로 인해 0.041의 극히 낮은 태양 중량 흡수 및 0.935의 높은 평균 방사율을 나타냈다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 종래의 흰 페인트에 비해 Al2O3 및 SiO2 입자의 고조파로 인해 발생하는 각도에 강한 방사 특성을 보여 60도의 입사각에서 0.8의 높은 결과를 생성하였다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 순 냉각 전력 대 주변 온도를 비교 설명한다. 하기 설명에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트는 복사 냉각 페인트로 지칭한다.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 대 주변 온도를 비교 설명한다.
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 대 열 전달 계수를 비교 설명한다.
도 9d는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 순 냉각 전력 대 태양 플럭스를 비교 설명한다.
도 9e는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 대 태양 플럭스를 비교 설명한다.
도 9a 내지 도 9e의 그래프들은 공통적으로, 중위도의 여름(Mid-Latitude summer)과 대기 질량(air mass, AM)이 1.5에 대하여 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트의 온도 변화에 대한 측정 결과를 예시하여, 본 발명의 복사 냉각 페인트가 종래 기술에 따른 흰 페인트에 대비하여 복사 냉각 성능이 우수함을 보여 준다.
도 9a의 그래프(900)를 참고하면, 그래프선(901) 및 그래프선(902)은 종래 기술에 따른 흰 페인트의 순 냉각 전력 변화를 주변 온도의 변화에 따라 나타내고, 그래프선(903) 및 그래프선(904)은 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 순 냉각 전력 변화를 주변 온도의 변화에 따라 나타낸다.
도 9b의 그래프(910)를 참고하면, 그래프선(911) 및 그래프선(912)은 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 변화를 주변 온도의 변화에 따라 나타내고, 그래프선(913) 및 그래프선(914)은 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 냉각 온도 변화를 주변 온도의 변화에 따라 나타낸다.
도 9c의 그래프(920)를 참고하면, 그래프선(921) 및 그래프선(922)은 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 변화를 열 전달 계수에 따라 나타내고, 그래프선(923) 및 그래프선(924)는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 냉각 온도 변화를 열 전달 계수에 따라 나타낸다.
도 9d의 그래프(930)를 참고하면, 그래프선(931) 및 그래프선(932)은 종래 기술에 따른 흰 페인트의 순 냉각 전력 변화를 태양 플럭스(solar flux)에 따라 나타내고, 그래프선(933) 및 그래프선(934)은 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 순 냉각 전력 변화를 태양 플럭스(solar flux)에 따라 나타낸다.
도 9e의 그래프(940)를 참고하면, 그래프선(941) 및 그래프선(942)은 종래 기술에 따른 흰 페인트의 냉각 온도 변화를 태양 플럭스(solar flux)에 따라 나타내고, 그래프선(933) 및 그래프선(934)은 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 냉각 온도 변화를 태양 플럭스(solar flux)에 따라 나타낸다.
구체적으로, 도 9a 내지 도 9e의 그래프들을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트는 종래 기술에 따른 흰 페인트에 비해 모든 조건에서 순 냉각 전력이 높고, 주변 온도가 낮게 측정된다.
종래 기술에 따른 흰 페인트와 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트 사이의 순 냉각 전력 및 주변 온도의 이러한 차이는 주로 태양 광 흡수율 값에서 발생함을 확인 시켜 준다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트는 겨울철보다는 여름철에 더 우수한 복사 냉각 성능을 제공할 수 있다.
상술한 순 냉각 전력은 복사 전력(Prad), 대기 방출 전력(Patm), 태양 흡수 전력(Psun) 및 전도와 대류에 따른 전력 손실을 이용해서 도출 될 수 있다.
복사 전력(Prad)은 복사 냉각 소자의 표면에서 방출되는 반구 복사 전력으로서, 하기 [수학식 2]에 기반하여 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021072754439-pat00002
[수학식 2]에서, IBB는 흑체 복사 강도를 나타낼 수 있고, T는 온도를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 대기 방출 전력(Patm)은 복사 냉각 소자의 대기 복사 흡수로 인한 전력 손실로서, 하기 [수학식 3]에 기반하여 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021072754439-pat00003
[수학식 3]에서, IBB는 흑체 복사 강도를 나타낼 수 있고, Tatm은 주변 온도를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 태양 흡수 전력(Psun)은 복사 냉각 소자의 태양 흡수로 인한 전력 손실로서, 하기 [수학식 4]에 기반하여 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112021072754439-pat00004
[수학식 4]에서, IAM1.5는 태양력 밀도 조건을 나타낼 수 있고, AM1.5는 1.5배의 공기층의 공기 중량을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 순 냉각 전력(Pnet)은 에너지 보존 법칙에 기반하여 아래 [수학식 5]로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021072754439-pat00005
[수학식 5]에서, Pnet은 순 냉각 전력을 나타낼 수 있고, Prad는 복사 전력을 나타낼 수 있으며, Patm은 대기 방출 전력을 나타낼 수 있고, Psun은 태양 흡수 전력을 나타낼 수 있으며, Pnon-rad는 전도와 대류에 따른 전력 손실을 나타낼 수 있다.
다시 말해, 도 9a 내지 도 9e를 참고할 때, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트가 종래 기술에 따른 흰 페인트보다 적어도 4도 이상의 더 낮은 냉각 온도를 가진다.
이 차이는 대부분 태양광 흡수에 따른 것으로 태양광 전력이 세질수록 복사 냉각 페인트가 종래의 흰 페인트에 비하여 냉각을 더 잘 수행함에 따라 복사 냉각 성능이 상대적으로 우수함을 나타낸다.
*
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 표면 냉각 측정 실험을 설명하는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 표면 냉각 측정 실험을 위한 개략도를 예시한다.
도 10a를 참고하면, 표면 냉각 측정 실험 환경(1000)은 우드 프레임(1001) 사이에 투명 아크릴(1002) 판이 위치하고, 투명 아크릴(1002) 판 상에 폴리스타이렌(1003)이 위치하고, 폴리스타이렌(1003) 상에 샘플(1004)이 위치하는데 샘플(1004) 폴리스타이렌(1003)은 온도계(1005)에 의해 결합된다.
내부에는 온도계(1006)가 존재하고, 저밀도 폴리스타이렌(1007)이 덮어지고, 알루미늄 커튼(1008)에 의해 고정된 형태를 가진다.
온도계(1005)는 복사 냉각 소자 하부의 온도를 측정하고, 온도계(1006)는 공기 중의 온도를 측정한다.
도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트와 종래의 흰 페인트 그리고 공기 중의 온도 변화 및 태양 광 플럭스(solar flux)의 변화를 나타낸다.
도 10b의 그래프(1010)를 참고하면, 종래의 흰 페인트를 나타내는 그래프선(1011)과 공기를 나타내는 그래프선(1013)은 시간 경과에 따라 온도가 증가하는데, 그래프선(1011)의 온도 증가 폭이 더 크다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트를 나타내는 그래프선(1012)은 시간 경과에 따라 온도 증가 폭이 상대적으로 작고, 그래프선(1011)과 그래프선(1013)에 대비하여 온도가 낮다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 냉각 성능을 가지고 있다.
도 10c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트와 종래의 흰 페인트 간의 온도 변화만을 비교한다.
도 10c의 그래프(1020)를 참고하면, 종래의 흰 페인트를 나타내는 그래프선(1021)은 히팅(heating) 효과를 나타내고, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트를 나타내는 그래프선(1022)는 냉각(cooling) 효과를 나타낸다.
도 10d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 표면 냉각 측정 실험에서 습도와 바람 세기를 나타낸다.
도 10e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 표면 냉각 측정 실험에서 이슬점 온도 변화를 나타낸다.
도 10d의 그래프(1030)를 참고하면, 습도는 60%에서 45%의 범위를 갖고 풍속 변화도 크지 않다.
도 10e의 그래프(1040)를 참고하면, 이슬점 온도는 시간이 경과할 수 록 감소한다.
도 10f는 표면 냉각 측정 실험 외부 환경(1050)에서 흰 색 페인트가 코팅된 샘플(1051)과 본 발명의 일실시예에 따른 페인트가 코팅된 샘플(1052)을 예시하고, 우측 상단은 실험 외부 환경 시 하늘 이미지를 예시한다.
구체적으로, 11:00 ~ 13:00 사이에 측정 된 온도 값은 샘플이 10:00 이후에 노출 되었기 때문에 평균 및 최소 온도 변화를 찾는 데 사용되었다.
구름이 태양 플럭스를 가리는 순간 샘플(1051)의 최소 온도 변화(
Figure 112021072754439-pat00006
T)는 -2.1
Figure 112021072754439-pat00007
였고, 샘플(1052)는 PDRC에 유해한 높은 이슬점에서도 상당한 PDRC 효과로 주변 온도 이하를 유지하여 평균 및 최소 온도 변화(
Figure 112021072754439-pat00008
T)에 대해 각각 5.6
Figure 112021072754439-pat00009
및 8.8
Figure 112021072754439-pat00010
의 온도 강하를 나타냈다.
따라서, 본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
도 11a 내지 도 11f는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 수냉 측정 실험을 설명하는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 수냉 측정 실험을 위한 개략도를 예시한다.
도 11a를 참고하면, 수냉 측정 실험 환경(1100)은 폴리스타이렌(1101)의 내부에 물(1102)이 위치하고, 물(1102) 위에 알루미늄 판(1103)이 위치하며, 알루미늄(1103) 상에 본 발명의 일실시예에 따른 페인트(1104)가 코팅된다. 예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트는 복사 냉각 페인트로 지칭될 수 있고, 하기 설명에서는 복사 냉각 페인트로 지칭한다.
물(1102)은 약 10 ㎚의 깊이를 가지고, 온도계(1105)가 배치된다.
알루미늄 판(1103)은 약 1 ㎚의 두께를 가지고, 복사 냉각 페인트(1104)는 마이크론 두께로 코팅되고, 공기 중의 온도는 온도계(1106)에 의해 측정된다.
도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래의 흰 페인트 그리고 공기 중의 온도 변화 및 태양 광 플럭스(solar flux)의 변화를 나타낸다.
도 11b의 그래프(1110)를 참고하면, 종래의 흰 페인트를 나타내는 그래프선(1111)과 공기를 나타내는 그래프선(1113)은 시간 경과에 따라 온도가 증가한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트를 나타내는 그래프선(1112)은 시간 경과에 따라 온도 증가 폭이 상대적으로 작고, 그래프선(1111)과 그래프선(1113)에 대비하여 온도가 낮다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트는 냉각 성능을 가지고 있다.
도 11c는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래의 흰 페인트 간의 온도 변화만을 비교한다.
도 11c의 그래프(1120)를 참고하면, 종래의 흰 페인트를 나타내는 그래프선(1121)은 히팅(heating) 효과를 나타내고, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트를 나타내는 그래프선(1122)은 냉각(cooling) 효과를 나타낸다.
도 11d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 수냉 측정 실험에서 습도와 바람 세기를 나타낸다.
도 11e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 수냉 측정 실험에서 이슬점 온도 변화를 나타낸다.
도 11d의 그래프(1130)를 참고하면, 습도는 60%에서 45%의 범위를 갖고 풍속 변화도 크지 않다.
도 11e의 그래프(1140)를 참고하면, 이슬점 온도는 시간이 경과할 수 록 감소한다.
도 11f는 수냉 측정 실험 외부 환경(1150)에서 흰 색 페인트가 코팅된 샘플(1151)과 본 발명의 일실시예에 따른 페인트가 코팅된 샘플(1152)을 예시하고, 우측 상단은 실험 외부 환경 시 하늘 이미지를 예시한다.
구체적으로, 수냉 측정 실험에서 샘플(1151)과 샘플(1152)은 10:00에 하늘에 노출되었다.
*흐린 날씨와 낮은 태양 플럭스로 종래 기술에 따른 흰 페인트는 각각 평균 및 최소 온도 변화(
Figure 112021072754439-pat00011
T)에 대해 거의 주변 온도 차이가 0.3
Figure 112021072754439-pat00012
와 -1.3
Figure 112021072754439-pat00013
로 나타났다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트는 흐린 날씨에도 평균 이하의 PDRC, 즉 평균 및 최소 온도 변화(
Figure 112021072754439-pat00014
T)에 대해 각각 -3.4
Figure 112021072754439-pat00015
및 -6.2
Figure 112021072754439-pat00016
로 나타났다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 형성된 다양한 표면을 설명하는 도면이다.
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 나무(wood) 위에 성막한 이미지를 예시하고, 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 구리 기판(copper plate)상에 성막한 이미지를 예시한다.
도 12a의 이미지(1200)와 도 12b의 이미지(1210)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층은 나무 및 금속 기판 상에서 잘 형성된다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층은 다양한 표면 상에 코팅 형성될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 형성된 가시광 이미지와 적외선 이미지를 비교 설명하는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 일정 패턴으로 형성한 가시광 이미지를 예시하고, 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 일정 패턴으로 형성한 적외선 이미지를 예시한다.
도 13a의 이미지(1300)와 도 13b의 이미지(1310)를 참고하면, KU 모양으로 패턴된 구리 기판 위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 복사 냉각 페인트의 높은 방사율로 인하여 KU가 선명하게 보인다.
즉, 이미지(1300)는 가시광 이미지로 KU 모양이 잘 보이지 않으나, 이미지(1310)는 적외선 이미지로 KU 모양 부분이 냉각 되어 적외선 카메라를 통한 적외선 이미지로서 KU 모양 부분이 도드라지게 보이게 된다.
따라서, 이미지(1310)을 보면 본 발명의 복사 냉각 페인트의 방사율이 우수함을 확인할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 적용될 수 있는 다양한 표면을 이용한 실험을 설명하는 도면이다.
도 14a는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트를 집 모형 또는 우산 상에 코팅 또는 다잉한 후 집 모형 및 우산의 이미지를 예시한다.
도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트와 종래 기술에 따른 흰 페인트를 집 모형 또는 우산 상에 코팅한 후의 적외선 이미지를 예시한다.
도 14a를 참고하면, 집 모형 이미지(1400)는 흰 페인트가 코팅된 집 모형 이미지(1401) 및 복사 냉각 페인트가 코팅된 집 모형 이미지(1402)를 포함한다.
또한, 우산 이미지(1410)는 흰 페인트가 다잉된 우산 이미지(1411) 및 복사 냉각 페인트가 다잉된 우산 이미지(1412)를 포함한다.
집 모형 이미지(1400) 및 우산 이미지(1410)를 참고하면, 유관 상으로부터 유사하게 확인될 수 있다.
도 14b를 참고하면, 집 모형 적외선 이미지(1420)는 흰 페인트가 코팅된 집 모형 적외선 이미지(1421) 및 복사 냉각 페인트가 코팅된 집 모형 적외선 이미지(1422)를 포함한다.
또한, 우산 적외선 이미지(1430)는 흰 페인트가 다잉된 우산 적외선 이미지(1431) 및 복사 냉각 페인트가 다잉된 우산 적외선 이미지(1432)를 포함한다.
집 모형 적외선 이미지(1420)를 참고하면, 집 모형 적외선 이미지(1421)에 대비하여 집 모형 적외선 이미지(1422)에서 측정된 온도가 약 8
Figure 112021072754439-pat00017
낮다.
한편, 우산 적외선 이미지(1430)를 참고하면, 우산 적외선 이미지(1431)에 대비하여 우산 적외선 이미지(1432)에서 측정된 온도가 약 4
Figure 112021072754439-pat00018
낮다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따르면 본 발명의 일실시예에 따르면 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트를 이용하여 형성된 본 발명의 페인트 도막층의 복사 냉각 성능이 종래 기술에 따른 흰 페인트보다 우수하다.
실험 결과에 따른 평균 온도 변화를 하기 [표 1]과 같이 정리 할 수 있다. 여기서 평균 온도 변화는 최소 온도 변화에서 최대 온도 변화를 제외한 값일 수 있다.
흰 페인트(
Figure 112021072754439-pat00019
)		 복사 냉각 페인트(
Figure 112021072754439-pat00020
)
집 모형 -0.6(-0.8-2.2) -1.8(-3.2-0)
우산 2.3(-2.8-8.8) -1.6(-4.8-2.25)
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층이 적용될 수 있는 다양한 표면을 이용한 실험 결과를 설명하는 도면이다.
도 15a는 도 14b에서 설명된 집 모형을 이용한 실험 결과를 예시하고, 도 15b는 도 14b에서 설명된 우산을 이용한 실험 결과를 예시한다.
도 15a의 그래프(1500)를 참고하면, 온도 변화와 태양 플럭스 변화를 시간 변화에 따라 나타내고, 그래프선(1501)은 종래의 흰 페인트를 나타내며, 그래프선(1502)은 본 발명의 복사 냉각 페인트를 나타내고, 그래프선(1503)은 주변 공기를 나타낸다.
한편, 도 15b의 그래프(1510)를 참고하면, 온도 변화와 태양 플럭스 변화를 시간 변화에 따라 나타내고, 그래프선(1511)은 종래의 흰 페인트를 나타내며, 그래프선(1512)은 본 발명의 복사 냉각 페인트를 나타내고, 그래프선(1513)은 주변 공기를 나타낸다.
도 15a의 그래프(1500) 및 도 15b의 그래프(1510)에 따르면 본 발명의 일실시예에 따른 주변 공기의 온도를 기준으로 본 발명의 복사 냉각 페인트는 냉각 효과를 나타내는데 반하여 종래 기술의 흰 페인트는 온도가 증가한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트는 복사 냉각 성능이 종래 기술의 흰 페인트에 대비하여 우수하다.
따라서, 본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공할 수 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸치 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공할 수 있다.
*
도 16a 내지 도 16e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 형성에 이용되는 바인더의 종류에 따른 광특성 및 냉각 특성을 설명하는 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 광특성을 나타낸다.
한편, 도 16d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더에 따른 냉각 특성을 나타낸다.
다음으로, 도 16e는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 태양광 입사 각도 별 방사율을 나타낸다. 여기서, 입사 각도는 태양광 중 적외선과 관련될 수 있다.
도 16a 내지 도 16e에서의 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층은 바인더 종류의 차이는 존재하고, 나노 또는 마이크로 입자의 부피비는 Al2O3 및 SiO2 비율이 1:1에 해당되며, 두께는 250㎛로 가정한다.
도 16a의 그래프(1600)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 종류에 따른 파장 별 흡수율/방사율 변화를 나타낸다.
그래프(1600)의 그래프선(1601)은 바인더의 종류 중 DPHA를 예시하고, 그래프선(1602)은 바인더의 종류 중 Acrylate를 예시한다.
그래프선(1601)과 그래프선(1602)은 바인더가 대기의 창의 파장 범위에서 흡수율/방사율을 가짐을 나타낸다.
도 16b의 그래프(1610)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 종류에 따른 파장 별 반사율(reflectance) 변화를 나타낸다.
그래프(1610)의 그래프선(1611)은 바인더의 종류 중 DPHA를 예시하고, 그래프선(1612)은 바인더의 종류 중 Acrylate를 예시한다.
그래프선(1611)과 그래프선(1612)은 바인더가 입사 태양광의 파장 범위에서 반사율을 가짐을 나타내고, 그래프(1610)에 따르면 DPHA의 반사율이 상대적으로 우수하다.
*도 16c의 그래프(1620)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 종류에 따른 반사율 및 투과율(transmittance) 변화를 나타낸다.
그래프(1620)는 바인더의 종류 중 DPHA를 예시하고, 바인더의 종류 중 Acrylate를 예시한다.
그래프(1620)에 따르면 바인더는 반사율이 우수하면서 투과율은 낮다.
도 16d의 그래프(1630)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위해 이용된 바인더의 종류에 따른 냉각 전력을 나타낸다.
그래프(1630)는 바인더가 냉각 전력이 약 100 W/m2임을 보여 준다.
도 16e의 그래프(1640)를 참고하면, 바인더의 종류 중 DPHA는 지시점(1641)에 해당하고, 바인더의 종류 중 Acrylate는 지시점(1642)에 해당된다.
지시점(1641) 및 지시점(1642)은 바인더가 대기의 창의 파장 범위에서 입사 각도에 따라 방사율을 가짐을 나타낸다. 여기서, 입사 각도는 적외선의 입사 각도일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 소자에 포함된 페인트 도막층을 형성하기 위한 바인더도 대기의 창의 파장 범위에서 적외선 방사율을 지원함에 따라 복사 냉각 성능을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층에 대하여 7가지 대기 투과율 모델에 따라 계산된 순 냉각 전력 및 냉각 온도에 대한 측정 결과를 예시한다.
도 17을 참고하면, 그래프(1700)는 공기압 1.5의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내고, 그래프(1710)는 열대야(Tropical)의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내며, 그래프(1720)는 북극 여름(Sub-arctic Summer)의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내고, 그래프(1730)는 북극 겨울(Sub-arctic Winter)의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내며, 그래프(1740)는 중위도 여름(Mid-latitude Summer)의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내고, 그래프(1750)는 중위도 겨울(Mid-latitude Winter)의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타내며, 그래프(1760)는 1976년의 미국 표준에서의 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력을 나타낸다.
그래프(1700) 내지 그래프(1760)는 위치와 계절에 따른 파장 별 투과율 및 순 냉각 전력의 차이가 존재함을 나타낸다.
그래프(1700) 내지 그래프(1760)에서 투과율을 나타내는 그래프는 가로축이 파장이고 세로축이 투과율을 나타내고, 순 냉각 전력과 냉각 온도를 나타내는 그래프는 가로축이 페인트의 종류를 나타내고 세로축이 순 냉각 전력을 나타낼 수 있다.
그래프(1700) 내지 그래프(1760)에서 순 냉각 전력은 냉각 온도와 유사하고, 위치와 계절과 관계 없이 종래 기술에 따른 흰 페인트에 대비하여 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 페인트가 냉각 성능이 우수함을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자의 부피비에 따른 광특성을 설명하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층의 두께가 250 ㎛일 시, Al2O3 및 SiO2의 부피비 변화에 따른 광특성 변화를 나타내고, 도 4a와 대비하여 상대적으로 다양한 부비피를 예시한다.
도 18의 그래프(1800)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자 중 Al2O3 및 SiO2 비율이 0:1, 0.25: 0.75, 0.5:0.5, 0.75:0.25 및 1:0인 경우에 파장 별 흡수율/방사율 변화를 나타낸다.
Al2O3 및 SiO2 비율이 0:1, 0.25: 0.75, 0.5:0.5, 0.75:0.25 및 1:0에 따른 광특성은 아래 표 2로 정리될 수 있다. 예를 들어, Al2O3 및 SiO2 비율 중 0.25:0.75는 1:3일 수 있고, 0.5:0.5는 1:1일 수 있으며, 0.75:0.25는 3:1일 수 있다.
Al2O3:SiO2 0:1 0.25:0.75 0.5:0.5 0.75:0.25 1:0
평균 투과율(%) 7.38 4.09 2.73 2.21 1.96
평균 반사율(%) 88.75 92.1 94.1 94.3 94.6
평균 흡수율(%) 3.87 3.81 3.2 3.49 3.44
대기의 창 방사율(%) 91.2 93.2 93.5 93.6 92.4
총 냉각 전력(Wm-2) 91.68 95.01 100.31 100.58 95.79
표 2를 참고하면, 평균 투과율은 평균 태양광 투과율을 나타낼 수 있고, 평균 반사율은 평균 태양광 반사율을 나타낼 수 있으며, 평균 흡수율은 평균 태양광 흡수율을 나타낼 수 있고, 대기의 창 방사율은 대기의 창에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율을 나타낼 수 있다.표 2에 따르면, Al2O3 및 SiO2 비율은 0.5:0.5 및 0.75:0.25가 다른 비율들에 대비하여 상대적으로 대기의 창 방사율과 총 냉각 전력 측면에서 우수하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층은 나노 또는 마이크로 입자의 분말이 3:1 및 1:1 중 어느 하나의 부피비로 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하는 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율에 따른 광특성 및 냉각 전력을 설명하는 도면이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 용액에서 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율에 따른 광특성을 예시한다. 여기서, 나노 또는 마이크로 입자는 Al2O3 및 SiO2의 비율이 1:1이고, 페인트 도막층의 두께는 250 ㎛일 수 있다.
도 19a는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 용액에서 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 따른 파장 별 흡수율/방사율 변화를 예시한다.
도 19a의 그래프(1900)를 참고하면, 그래프(1900)는 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1일 시 각각에 대한 파장 별 흡수율/방사율의 변화를 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 따르면 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율은 x:1 이고, x는 0.2 내지 2.5의 범위를 가질 수 있다.
도 19b는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 용액에서 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 따른 파장 별 반사율 변화를 예시한다.
도 19b의 그래프(1910)를 참고하면, 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 반사율의 차이가 존재하고, 나노 또는 마이크로 입자의 비율이 증가할수록 반사율이 증가된다.
도 19c는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 용액에서 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 따른 반사율과 투과율을 예시한다.
도 19c의 그래프(1920)를 참고하면, 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 반사율 및 투과율의 차이가 존재하고, 나노 또는 마이크로 입자의 비율이 증가할수록 반사율이 증가되고 투과율이 감소된다.
도 19d는 본 발명의 일실시예에 따른 페인트 도막층을 형성하기 위한 페인트 용액에서 나노 또는 마이크로 입자와 바인더의 비율이 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 따른 냉각 전력을 예시한다.
도 19d의 그래프(1930)를 참고하면, 1.5:1, 2:1 및 2.5:1인 경우에 냉각 전력의 차이가 존재하고, 나노 또는 마이크로 입자의 비율이 증가할수록 냉각 전력이 증가된다.
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: 페인트 도막층

Claims (1)

  1. 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율을 고려하여 입도와 조성이 결정된 나노 또는 마이크로 입자 및 상기 나노 또는 마이크로 입자의 표면을 기계적으로 연결할 바인더가 용매 내 혼합된 페인트 용액이 다양한 표면 상에 코팅(coating) 또는 다잉(dyeing)되어 형성되는 페인트 도막층을 포함하고,
    상기 나노 또는 마이크로 입자는 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질과 상기 적어도 하나의 나노 또는 마이크로 입자 물질이 혼합된 혼합 물질을 포함하고,　상기 나노 또는 마이크로 입자 물질이 서로 다른 물질로 이루어진 경우, 상기 서로 다른 물질의 적외선 방사율이 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율에 대하여 상호 보완되도록 상기 조성이 결정되고,
    상기 페인트 도막층은 상기 페인트 용액 내 추가 첨가제가 첨가되는 경우, 접착력, 표면 특성 및 외부 저항성 중 적어도 하나가 변화되는 것을 특징으로 하는
    복사 냉각 소자.
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