KR20110113873A - 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법 - Google Patents

투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물은, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 전도성 고분자, 유기용매 및 레진을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 레진 100중량부에 대하여, 상기 전도성 고분자는 2 내지 20중량부, 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나는 0.02 내지 2중량부, 상기 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나는 5 내지 30중량부, 상기 유기용매는 7 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 페로브스카이트 구조 산화물을 최적의 비율로 포함하는 나노입자 조성물을 이용하여, 열저항 필름의 가시광선의 투과율은 높이면서도 열선차단율, 열관류율 및 UV 차단율을 비약적으로 향상시킬 수 있으며, 탄소나노튜브를 최적의 조건하에서 산처리하여 탄소나노튜브의 길이를 짧게 함으로써, 분산도를 향상시켜 열저항성을 현저히 증가시킨 열저항필름 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법 {NANO-PARTICLE COMPOSITION WITH TRANSPARENT HEAT-SHIELD FUNCTION AND METHOD OF MANUFACTURING THERMAL RESISTANCE FILM WITH TRANSPARENT HEAT-SHIELD FUNCTION USING THEREOF}
본 발명은 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브(CNT), 전도성 고분자, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물을 포함하는 나노입자 조성물을 이용하여, 열저항 필름의 가시광선의 투과율은 높이면서도 열선차단율, 열관류율 및 UV 차단율을 비약적으로 향상시키는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 관한 것이다.
전세계적으로 온실가스 감축과 화석에너지 고갈로 인한 대안기술로 신재생 에너지나 대체에너지 기술개발이 이슈로 떠오르고 있으며, 이와 더불어 에너지의 효율적인 관리기술을 통한 부가가치 창출에 대한 관심도 급증하고 있다.
이에, 여름철에는 실내로 유입되는 열선을 차단하여 내방효율을 높이면서 가시광선은 기존의 유리와 동등하게 유지하여 쾌적한 실내를 유지하며, 겨울철에는 실내의 열손실을 최소화하여 효율적인 열관리를 할 수 있는 기능성 소재에 대한 요구가 지속되고 있으며, 특히 투명열차단 소재에 대한 수요가 급증할 것으로 예상된다.
열선흡수물질에 대한 개념은 1960년대에 제안되었지만, 본격적인 연구는 1998년 경부터 시작되었고, 2000년 경 첫 상품이 출시되었으며, 2005년 경에 이르러 1세대 상품군이 형성되었다.
이렇게 열선을 제어하기 위한 시도는 틸트유리(tinted glass), 틸트필름, 스퍼터 코팅유리 및 스퍼터 코팅필름 등의 기술로도 다양하게 개발되었으며, 일부는 이미 상용화되었으나, 아직 널리 보급되기에는 성능이나 신뢰성 부분에 한계가 있다. 특히, 종래 기술에 있어서, 스퍼터 코팅유리는 고가공정이고, 산화 및 변색에 약한 단점이 있으며, 틸트필름은 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 에너지문제에 대해 일찍부터 대안을 마련해 온 유럽에서는 1990~2000년대 초에 걸쳐 가장 열차단특성이 우수한 것으로 알려진 스퍼터 코팅유리를 복층으로 하고, 중간에 아르곤과 같은 불활성 가스가 채워진 형태의 단열창호(저방사유리,low-E유리)를 개발하여 사용하였다.
또한, 금속코팅형태의 저방사 유리는 독일을 시작으로 오스트리아, 스위스, 영국 등의 제도적 장치를 가지고 있어 수요가 증가해 왔으며, 아시아에서도 일본,중국 등의 사용비율이 점차 상승하고 있다. 다만, 한국에서는 아직 에너지관리기술에 대한 인식부족으로 국제적으로 최저수준의 적용율을 나타내고 있다.
다만, 박막금속코팅을 입히는 기술은 높은 투과율과 열선차단특성 등의 성능적 특성은 구현이 어느정도 가능하나, 습도가 높은 지역에서는 부식이 발생하여 막이 분리되거나 변색이 발생하는 문제가 있으며, 이동전화 송수신에 방해가 되는 문제가 있다.
또한, 필름위에 금속박막을 증착시키는 기술을 이용한 사우스웰(Southwall)사의 V-KOOL 제품은 적외선 차단율이 96%에 이르는 등 특성이 우수하나, 그 제조공정이 매우 복잡하고, 그에 따라 제품가격이 매우 고가라는 단점이 있다.
또한, 높은 열차단성능을 부여한 제품에서는 외부에서 유입된 열선흡수로 열팽창 특성의 차이가 크게 발생하여 지속적으로 응력을 받고 있던 복층 저방사유리가 폭발현상을 일으키는 문제가 있다.
또한, 종래의 열차단유리는 가시광선 파장의 빛 또한 차단하여 내부가 어두워지는 문제가 있다.
즉, 종래의 열차단유리 및 필름 개발기술의 경우, 열저항특성과 경제성 그리고 내구성을 모두 만족시킬 수 없으므로, 종래의 방식이 아닌 새로운 개념을 적용하여 획기적으로 이러한 문제들을 해결하고 상용화할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 페로브스카이트 구조 산화물을 최적의 비율로 포함하는 나노입자 조성물을 이용하여, 열저항 필름의 가시광선의 투과율은 높이면서도 열선차단율, 열관류율 및 UV 차단율을 비약적으로 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래 틸트필름(tinted film)이 부식 등과 같이 내구성이 낮아 지속적인 보수와 수년 후에는 교체해야 하는 것과 달리, 내구성이 획기적으로 개선되어 10년이상 장기간 사용이 가능하고, 이러한 내구성 향상에 따라 차량용 윈도우뿐만 아니라, 건축물의 윈도우까지도 바로 적용이 가능한 열저항 필름을 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래 금속박막증착 또는 스퍼터링 공정과 같은 고비용 공정을 거치지 않아 경제성이 향상되고, 대면적에도 적용가능할 뿐만 아니라, 종래 로이유리(low-E glass)가 폭발위험 등 안전성이 떨어지는 것에 반해, 매우 안정적인 열저항 필름을 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 탄소나노튜브를 최적의 조건하에서 산처리하여 탄소나노튜브의 길이를 짧게 함으로써, 분산도를 향상시켜 열저항성을 현저히 증가시킨 열저항필름 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 나노입자 조성물을 최적의 속도로 기재필름에 스핀코팅함으로써, 종래에 비해 열저항특성과 경제성 그리고 내구성을 획기적으로 개선시킬 뿐만 아니라, 에너지 효율이 현저히 향상시켜 차량, 건축물의 에너지 소비를 줄일 수 있어 친환경적인 열저항 필름을 제조하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물은, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 전도성 고분자, 유기용매 및 레진을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 레진 100중량부에 대하여, 상기 전도성 고분자는 2 내지 20중량부, 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나는 0.02 내지 2중량부, 상기 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나는 5 내지 30중량부, 상기 유기용매는 7 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물은 ABOχ이며, 상기 A는 바륨,스트론튬, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 또는 사마륨 중 하나이고, 상기 B는 전이금속, 망간, 코발트, 나이오븀 또는 텅스텐 중 하나이며, 상기 O는 산소원자이고, 상기 χ는 숫자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물은, 이산화티탄(TiO2), 산화아연, 규산마그네슘, 산화마그네슘 또는 카올린 중 적어도 하나를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 피닷(PEDOT,poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 또는 이들의 유도체 즉 CO2H, NH2, SH와 같은 작용기를 가지는 전도성고분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체산화물은 ATO(antimony tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 레진은 에폭시계 또는 아크릴계이며, 상기 유기용매는 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 셀루솔브(methyl cellosolve) 또는 메틸 에틸 케톤(MEK) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 있어서, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 유기용매, 전도성 고분자 및 레진을 혼합하여 베이스 조성물을 제조하는 베이스 조성물 제조단계; 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 질산 100중량부에 대하여, 황산 20 내지 40중량부를 포함하여 이루어진 분산용매에 첨가하고, 상기 분산용매에 초음파를 30분 내지 3시간동안 가한 후, 10시간 내지 30시간동안 산처리하는 산처리단계; 상기 산처리단계를 거친 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 상기 베이스 조성물에 첨가하여 혼합함으로써, 나노입자 조성물을 제조하는 나노입자 조성물 제조단계; 기재필름에 상기 나노입자 조성물을 도포하여 경화시킴으로써, 도막을 형성시켜 열저항필름을 제조하는 열저항필름 제조단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 레진 100중량부에 대하여, 상기 전도성 고분자는 2 내지 20중량부, 상기 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나는 5 내지 30중량부, 상기 유기용매는 7 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 베이스 조성물에 이산화티탄(TiO2), 산화아연, 규산마그네슘, 산화마그네슘 또는 카올린 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 레진은 에폭시계 또는 아크릴계이며, 상기 유기용매는 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 셀루솔브(methyl cellosolve) 또는 메틸 에틸 케톤(MEK) 중 적어도 하나이고, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 피닷(PEDOT) 또는 이들의 유도체 즉 CO2H, NH2, SH와 같은 작용기를 가지는 전도성고분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 반도체산화물은 ATO(antimony tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 산처리단계에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조 산화물은 상기 레진 100중량부에 대하여, 0.02 내지 2중량부를 포함하며, 상기 페로브스카이트 구조 산화물은 ABOχ이고, 상기 A는 바륨,스트론튬, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 또는 사마륨 중 하나이며, 상기 B는 전이금속, 망간, 코발트, 나이오븀 또는 텅스텐 중 하나이며, 상기 O는 산소원자이고, 상기 χ는 숫자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열저항필름 제조단계에 있어서, 상기 기재필름은 폴리에스테르, 에틸렌테레프탈레이트·에틸렌이소프탈레이트 공중합체, 부틸렌테레프탈레이트·부틸렌이소프탈레이트 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 페로브스카이트 구조 산화물을 최적의 비율로 포함하는 나노입자 조성물을 이용하여, 열저항 필름의 가시광선의 투과율은 높이면서도 열선차단율, 열관류율 및 UV 차단율을 비약적으로 향상시키는 장점이 있다.
또한, 종래 틸트필름(tinted film)이 부식 등과 같이 내구성이 낮아 지속적인 보수와 수년 후에는 교체해야 하는 것과 달리, 내구성이 획기적으로 개선되어 10년이상 장기간 사용이 가능하고, 이러한 내구성 향상에 따라 차량용 윈도우뿐만 아니라, 건축물의 윈도우까지도 바로 적용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 종래 금속박막증착 또는 스퍼터링 공정과 같은 고비용 공정을 거치지 않아 경제성이 향상되고, 대면적에도 적용가능할 뿐만 아니라, 종래 로이유리(low-E glass)가 폭발위험 등 안전성이 떨어지는 것에 반해, 매우 안정적인 장점이 있다.
또한, 탄소나노튜브를 최적의 조건하에서 산처리하여 탄소나노튜브의 길이를 짧게 함으로써, 분산도를 향상시켜 열저항성을 현저히 증가시킨 열저항필름 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 나노입자 조성물을 최적의 속도로 기재필름에 스핀코팅함으로써, 종래에 비해 열저항특성과 경제성 그리고 내구성을 획기적으로 개선시킬 뿐만 아니라, 에너지 효율이 현저히 향상시켜 차량, 건축물의 에너지 소비를 줄일 수 있어 친환경적인 열저항 필름을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물의 전도열 차단원리를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 3은 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에서 산처리시간에 따른 탄소나노튜브를 촬영한 SEM사진
도 4는 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에서 열저항필름 제조단계(S40)의 스핀코팅속도에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에서 산처리단계(S20)의 산처리시간에 따른 파장별 라만강도의 변화를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에서 산처리단계(S20)의 산처리시간에 따른 파장별 라만강도의 변화를 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 의한 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 본 발명에 의한 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물에 대하여 살펴본다. 본 발명의 조성물은 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 전도성 고분자, 유기용매 및 레진을 포함하여 이루어진다.
본 발명자는 수년간의 연구 및 수차례의 실험을 통해 종래의 일반적인 금속화합물을 이용한 열저항필름과 달리, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 전도성 고분자, 유기용매 및 레진을 최적의 비율로 혼합하여 투명성을 확보하면서도 우수한 복사열 차단효과를 갖는 물질을 개발하였다.
여기서, 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 수차례의 실험결과, 본 발명의 나노입자 조성물에 첨가하면, 전기전도성을 증가시키고, 이에 따라 열흡수성 등의 열저항특성을 현저히 증가시키는 효과가 있다. 그 함량은 상기 레진 100중량부에 대하여, 0.02 내지 2중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5중량부, 가장 바람직하게는 1.2중량부를 포함하는 것이 효과적이다. 0.02중량부 미만인 경우에는 전기전도성과 열저항특성의 증가효과가 미미하며, 2중량부를 초과하는 경우에는 비용 대비 열저항특성 강화효과가 떨어져 경제성이 저하될 뿐만 아니라, 과다한 함량으로 오히려 전도성 고분자, 반도체 산화물, 페로브스카이트 구조 산화물 등 타 물질의 열저항특성을 방해하여 오히려 전반적인 열저항 특성이 저하되는 문제가 있다.
탄소나노튜브와 그래핀 중 하나만 첨가해도 무방하나, 이를 혼합하여 첨가하는 것이 더 열저항 효과를 증가시킬 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 전도성 고분자란 전도성을 갖는 고분자이면 어느 것이든 무방하나, 수차례의 실험결과, 복사열 차단에 가장 효과적인 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 피닷(PEDOT) 또는 이들의 유도체 즉 CO2H, NH2, SH와 같은 작용기를 가지는 전도성고분자이므로, 이들 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
그 함량은 상기 레진 100중량부에 대하여, 2 내지 20중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10중량부, 가장 바람직하게는 8중량부를 포함하는 것이 효과적이다. 2중량부 미만인 경우에는 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나와의 혼합으로 인한 시너지 효과로 가시광선 파장대(400nm 내지 800nm)를 제외한 파장대의 열차단율이 극대화되는 효과가 미미한 문제가 있으며, 20중량부를 초과하는 경우에는 과도한 함량으로 경제성이 낮으며, 오히려 가시광선 파장대의 빛 차단율이 높아져서 열저항 필름의 투명성이 현저히 낮아지는 문제가 있다.
또한, 상기 반도체산화물은 ATO(antimony tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 중 적어도 하나를 사용하는 것이 복사열 차단효율을 높이는데 가장 바람직하다.
상기 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물은 도 1과 같은 구조를 가짐으로써, 복사열 뿐만 아니라, 전도열까지 차단할 수 있어, 전반적인 열저항특성을 향상시키는데 매우 효과적인 것으로 본 발명자의 수차례 실험결과 나타났다.
이러한 본 발명의 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물은 ABOχ인 것이 바람직하며, 상기 A는 바륨, 스트론튬, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 또는 사마륨 중 하나이고, 상기 B는 전이금속, 망간, 코발트, 나이오븀 또는 텅스텐 중 하나이며, 상기 O는 산소원자이고, 상기 χ는 숫자로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 조성을 가진 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물은 수차례의 실험결과, 본 발명의 조성물과 혼합되어 복사열 차단효율을 높이며, 전도열까지 상당부분 차단함으로써, 열흡수율을 증가시킬 수 있어 바람직하다.
상기 반도체산화물 또는 상기 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나의 함량은 상기 레진 100중량부에 대하여, 5 내지 30중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 내지 20중량부, 가장 바람직하게는 15중량부를 포함하는 것이 효과적이다. 5중량부 미만인 경우에는 전도열 및 복사열 차단효과가 현저히 떨어지는 문제가 있으며, 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나와의 혼합으로 인한 시너지 효과로 가시광선 파장대(400nm 내지 800nm)를 제외한 파장대의 열차단율이 극대화되는 효과가 미미한 문제가 있으며, 30중량부를 초과하는 경우에는 과도한 함량으로 경제성이 낮으며, 오히려 가시광선 파장대의 빛 차단율이 높아져서 열저항 필름의 투명성이 현저히 낮아지는 문제가 있다.
또한, 상기 유기용매는 어느 것을 사용하여도 무방하나, 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물 및 이를 이용해 제조된 열저항필름의 열저항특성을 극대화시키기 위해 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 셀루솔브(methyl cellosolve) 또는 메틸 에틸 케톤(MEK) 중 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 그 함량은 상기 레진 100중량부에 대하여, 7 내지 40중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 30중량부, 가장 바람직하게는 20중량부를 포함하는 것이 효과적이다. 7중량부 미만인 경우에는 상기 탄소나노튜브, 반도체 산화물 등의 성분들의 분산성이 떨어져 전반적인 열저항특성이 저하되는 문제가 있으며, 40중량부를 초과하는 경우에는 과도한 함량으로 오히려 각 성분들이 고르게 분산되지 않아 열을 충분히 흡수하지 못 하는 문제가 있다.
상기 레진은 기재필름에 본 발명의 나노입자 조성물이 높은 접착력을 가지며 코팅됨으로써, 열저항필름의 내구성을 향상시키기 위해, 에폭시계 또는 아크릴계를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물에 이산화티탄(TiO2), 산화아연, 규산마그네슘, 산화마그네슘 또는 카올린 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 UV를 99%이상 확실히 차단시킴으로써, 열 차단효과를 극대화시키기 위해, 상기 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 보완하도록 최적화된 물질이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 의한 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법의 일실시예는, 베이스 조성물 제조단계(S10), 산처리단계(S20), 나노입자 조성물 제조단계(S30), 열저항필름 제조단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
상기 베이스 조성물 제조단계(S10)는 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 유기용매, 전도성 고분자 및 레진을 혼합하여 베이스 조성물을 제조하는 단계이다. 이는 복사열 및 전도열을 효과적으로 차단 및 흡수함으로써, 전반적인 열저항특성을 향상시키면서도 가시광선 파장대의 빛을 대부분 통과시킴으로써, 투명성을 유지할 수 있도록 개발한 각 성분들을 최적의 비율로 혼합하는 과정이다.
상기 물질들의 혼합은 어떠한 방식으로 해도 무방하며, 각 성분 및 함량은 상기 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물에 설명한 바와 같다.
다음으로, 산처리단계(S20)는 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 질산 100중량부에 대하여, 황산 20 내지 40중량부를 포함하여 이루어진 분산용매에 첨가하고, 상기 분산용매에 초음파를 30분 내지 3시간동안 가한 후, 10시간 내지 30시간동안 산처리하는 단계이다. 이는 탄노나노튜브 또는 그래핀의 길이를 짧게 끊는 과정으로, 이들의 분산도를 현저히 높임으로써, 전기전도도 및 열저항특성을 극대화시키기 위함이다.
상기 분산용매는 질산 100중량부에 대하여, 황산 20 내지 40중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 25 내지 35중량부를 포함하는 것이 효과적이다. 20중량부 미만이거나 40중량부를 초과하는 경우에는 수차례 실험에 의해 상기 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)를 적절한 길이로 짧게 끊을 수 있는 최적의 질산과의 함량비율을 벗어남으로써, 전기전도성 및 열저항특성의 증가효과가 현저히 저하되는 문제가 있다.
또한, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 첨가한 분산용매에 초음파를 가하여 교반함으로써, 상기 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)를 효과적으로 끊을 수 있다. 초음파를 가하는 교반시간이 30분 미만인 경우에는 충분히 교반되지 않아 분산성이 떨어지는 문제가 있으며, 3시간을 초과하는 경우에는 경제성이 낮을 뿐만 아니라, 오히려 교반된 탄소나노튜브 또는 그래핀이 서로 엉킴으로써, 전반적인 산처리효과가 저하되는 문제가 있다.
상기 교반 이후에, 10시간 내지 30시간동안 분산용매에 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 유지시킴으로써, 서서히 산화반응을 시킨다. 여기서, 산처리시간은 10시간 내지 30시간인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 12시간 내지 24시간, 가장 바람직하게는 24시간인 것이 효과적이다. 10시간 미만인 경우에는 충분히 탄소나노튜브 또는 그래핀이 끊어지지 않아 전기전도도 및 열저항 특성의 상승이 미미하며, 30시간을 초과하는 경우에는 오히려 끊어진 탄소나노튜브 또는 그래핀이 다시 엉킴으로써, 다시 전기전도도 및 열저항 특성이 저하되는 문제가 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 산처리 시간이 12시간이 넘어야 어느 정도 탄소나노튜브 또는 그래핀이 끊어지기 시작하며, 24시간정도가 되어야 짧은 길이로 끊어지는 것을 알 수 있다.
나노입자 조성물 제조단계(S30)는 상기 산처리단계를 거친 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 상기 베이스 조성물에 첨가하여 혼합함으로써, 나노입자 조성물을 제조하는 단계이다. 이는 산처리된 탄소나노튜브 또는 그래핀을 베이스 조성물에 혼합함으로써, 기재필름에 코팅할 나노입자 조성물을 최종적으로 제조하는 과정이다.
나노입자 조성물 제조단계(S30)에서, 탄소나노튜브 또는 그래핀의 첨가함량은 상기 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물에서 설명한 바와 같다.
마지막으로, 열저항필름 제조단계(S40)는 기재필름에 상기 나노입자 조성물을 도포하여 경화시킴으로써, 도막을 형성시켜 열저항필름을 제조하는 단계이다. 이는 나노입자 조성물을 기재필름에 최적의 방식으로 코팅함으로써, 열저항필름의 내구성, 열저항특성을 극대화시키는 과정이다.
상기 기재필름은 폴리에스테르, 에틸렌테레프탈레이트·에틸렌이소프탈레이트 공중합체, 부틸렌테레프탈레이트·부틸렌이소프탈레이트 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어지는 것이 본 발명의 나노입자 조성물과의 접착성을 향상시켜 내구성을 향상시키는 데 가장 효과적이다.
또한, 어떤 방식으로 코팅해도 무방하나, 다양한 구성으로 이루어진 나노입자 조성물을 효과적으로 분산시키며 고르게 코팅할 수 있어 스핀코팅 방식을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 스핀코팅의 속도는 500 내지 900RPM인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 600 내지 800RPM, 가장 바람직하게는 700RPM인 것이 효과적이다. 속도가 늦을수록 열저항코팅층이 두껍게 형성되어 열흡수성 등의 열저항특성이 전반적으로 향상되나, 그만큼 가시광선 부근의 파장 또한 통과하지 못 함으로써, 투명성이 낮아져서 실제 자동차 및 건설용 유리에 사용되는 열저항필름으로써의 활용성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 도 4에 나타난 바와 같이, 수차례의 실험을 통해, 가시광선을 최대한 많이 통과시키면서도 열저항특성을 극대화할 수 있는 최적의 스핀코팅속도를 찾아, 이러한 임계적 의의를 갖는 수치범위로 본 발명을 한정하였다.
즉, 도 4에서, 400RPM과 500RPM 사이는 500RPM과 800RPM 사이보다 현저히 가시광선 부근에의 투과율이 저하되는 것을 볼 수 있다.
따라서, 스핀코팅속도가 500RPM 미만인 경우에는 열저항코팅이 과도하게 두꺼워짐으로써, 가시광선 투과율이 급격히 저하되어 활용성이 떨어지는 문제가 있고, 900RPM을 초과하는 경우에는 두께가 너무 얇아짐으로써, 전반적인 열저항특성이 현저히 저하되는 문제가 있다.
이하 <표 1>에서는 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 따라 제조된 열저항필름(실시예1,2,3)과 종래 사용되는 열저항필름(비교예1,2)의 열저항특성, 즉, i) 열관류율, ii) 열선차단율, iii) 가시광선 투과율, iv) UV 차단율을 비교하였다.
전체적인 열저항성능은 UV 차단율이 10%가량이며, 나머지 3항목은 모두 30%가량의 비중을 가진다.
여기서, 실시예 1은 본 발명의 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법에 따라 제조된 열저항필름, 실시예 2는 실시예 1에서 탄소나노튜브의 산처리를 제외하고 제조된 열저항필름, 실시예 3은 실시예 1에서 탄소나노튜브를 제외하고 제조된 열저항필름이다.
또한, 비교예 1은 시판중인 3M사의 열저항필름이고, 비교예 2는 시판중인 일본크리스탈본드사의 열저항필름이다.
여기서, 열관류율은 KS L2525 시험규격, 열선차단율은 JIS K7350 시험규격, 가시광선 투과율은 JIS K7105 시험규격, UV차단율은 JIS K 7105 시험규격으로 측정되었다. 또한, 열관류율은 다음과 같은 공식을 통해 계산되었다.
열관류율 = (1 / 열저항) = (열전도율 / 두께)
열전도율 = (두께 / 열저항)
열저항 = (실내표면 열전달저항 + 재료의 두께 / 재료의 열전도율)
열관류율
(U-value)
(Kcal/m2hr℃)		 열선차단율
(IR cut.)
(%)		 가시광선투과율
(VLT)
(%)		 UV 차단율
(UV cut.)
(%)
실시예 1 4.1 95 86 99
실시예 2 4.5 91 82 99
실시예 3 4.8 89 79 99
비교예 1 5.6 65 60 98
비교예 2 5.0 80 72 99
상기 <표 1>의 실험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명에 해당하는 실시예 1,2,3의 경우에는 열저항 성능이 종래의 비교예 1,2에 비해 월등히 우수한 것을 알 수 있다.
특히 본 발명의 나노입자 구조를 이용한 실시예 1은 실시예 2,3에 비해서도 우수한 열저항 성능을 보여주고 있는 바, 본 발명의 탄소나노튜브 첨가 및 이를 산처리한 것이 각각 열저항특성 향상에 크게 기여하고 있음을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 산처리단계(S20)를 거치지 않은 경우와 산처리시간을 6,12,18,24시간으로 구분하여 라만(RAMAN)분석을 실시하였다. 도 5는 다양한 파장에 대해 실험을 실시한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 5의 실험결과 그래프를 1000 내지 1500(cm-1) 파장대에 대해 확대하여 자세히 나타는 그래프이다.
상기 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위에 속하는 12시간, 18시간, 24시간 탄소나노튜브를 산처리한 열저항필름이 라만강도가 전반적으로 현저히 낮게 측정됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 산처리단계(S20)의 산처리시간이 임계적의의를 가짐이 명백함을 알 수 있다.
또한, 상기 실험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 나노입자를 이용해 제조된 열저항필름은 종래 기술에 비해 제조공정이 단순하고 경제성이 있으면서도 열저항 성능이 종래보다 우수하여, 해당 기술분야에서 새로운 개념을 이용한 획기적인 에너지절감소재로 다양한 분야에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (15)

  1. 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나, 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 전도성 고분자, 유기용매 및 레진을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레진 100중량부에 대하여, 상기 전도성 고분자는 2 내지 20중량부, 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나는 0.02 내지 2중량부, 상기 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나는 5 내지 30중량부, 상기 유기용매는 7 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물은 ABOχ이며, 상기 A는 바륨,스트론튬, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 또는 사마륨 중 하나이고, 상기 B는 전이금속, 망간, 코발트, 나이오븀 또는 텅스텐 중 하나이며, 상기 O는 산소원자이고, 상기 χ는 숫자로 구성되는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    이산화티탄(TiO2), 산화아연, 규산마그네슘, 산화마그네슘 또는 카올린 중 적어도 하나를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 피닷(PEDOT,poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 또는 이들의 유도체 즉 CO2H, NH2, SH와 같은 작용기를 가지는 전도성고분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반도체산화물은 ATO(antimony tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 레진은 에폭시계 또는 아크릴계이며, 상기 유기용매는 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 셀루솔브(methyl cellosolve) 또는 메틸 에틸 케톤(MEK) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물
  8. 반도체 산화물 또는 페로브스카이트(Perovskite) 구조 산화물 중 적어도 하나, 유기용매, 전도성 고분자 및 레진을 혼합하여 베이스 조성물을 제조하는 베이스 조성물 제조단계;
    탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 질산 100중량부에 대하여, 황산 20 내지 40중량부를 포함하여 이루어진 분산용매에 첨가하고, 상기 분산용매에 초음파를 30분 내지 3시간동안 가한 후, 10시간 내지 30시간동안 산처리하는 산처리단계;
    상기 산처리단계를 거친 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 상기 베이스 조성물에 첨가하여 혼합함으로써, 나노입자 조성물을 제조하는 나노입자 조성물 제조단계;
    기재필름에 상기 나노입자 조성물을 도포하여 경화시킴으로써, 도막을 형성시켜 열저항필름을 제조하는 열저항필름 제조단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 레진 100중량부에 대하여, 상기 전도성 고분자는 2 내지 20중량부, 상기 반도체 산화물 또는 페로브스카이트 구조 산화물 중 적어도 하나는 5 내지 30중량부, 상기 유기용매는 7 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 베이스 조성물에 이산화티탄(TiO2), 산화아연, 규산마그네슘, 산화마그네슘 또는 카올린 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 레진은 에폭시계 또는 아크릴계이며, 상기 유기용매는 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 셀루솔브(methyl cellosolve) 또는 메틸 에틸 케톤(MEK) 중 적어도 하나이고,
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 피닷(PEDOT) 또는 이들의 유도체 즉 CO2H, NH2, SH와 같은 작용기를 가지는 전도성고분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  13. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 베이스 조성물 제조단계에 있어서, 상기 반도체산화물은 ATO(antimony tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  14. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 산처리단계에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조 산화물은 상기 레진 100중량부에 대하여, 0.02 내지 2중량부를 포함하며, 상기 페로브스카이트 구조 산화물은 ABOχ이고, 상기 A는 바륨,스트론튬, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 또는 사마륨 중 하나이며, 상기 B는 전이금속, 망간, 코발트, 나이오븀 또는 텅스텐 중 하나이며, 상기 O는 산소원자이고, 상기 χ는 숫자로 구성되는 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
  15. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 열저항필름 제조단계에 있어서, 상기 기재필름은 폴리에스테르, 에틸렌테레프탈레이트·에틸렌이소프탈레이트 공중합체, 부틸렌테레프탈레이트·부틸렌이소프탈레이트 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명열차단 기능을 갖는 나노입자 조성물을 이용한 투명열차단 기능을 갖는 열저항필름의 제조방법
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