KR20150101121A - 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우 및 이의 제조방법 - Google Patents
광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 스마트 윈도우(smart window)에 관한 것으로, 구체적으로는 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은, 적어도 하나의 스페이서; 상기 스페이서의 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치되어 있는 두 장의 기판; 상기 두 장의 기판 사이에 삽입된 형태의 온도감응성 수화겔; 상기 온도감응성 수화겔 내부에 균일하게 분포되어 있는 광열전환물질; 상기 온도감응성 수화겔을 팽윤시키는 용매; 및 상기 기판과 스페이서를 함께 밀봉하는 실란트를 포함하는 스마트 윈도우, 및 이의 제조방법을 개시한다.
상기 스마트 윈도우는 온도감응성 수화겔 내에 광열전환물질을 함유하고 있어, 흐림점 이하에서도 광열전환효과에 의한 열로 수화겔을 흐림점에 도달하게 할 수 있으므로, 주변 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 의해서도 태양광 차단 조절이 가능한 효과가 있다.
보다 구체적으로 본 발명은, 적어도 하나의 스페이서; 상기 스페이서의 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치되어 있는 두 장의 기판; 상기 두 장의 기판 사이에 삽입된 형태의 온도감응성 수화겔; 상기 온도감응성 수화겔 내부에 균일하게 분포되어 있는 광열전환물질; 상기 온도감응성 수화겔을 팽윤시키는 용매; 및 상기 기판과 스페이서를 함께 밀봉하는 실란트를 포함하는 스마트 윈도우, 및 이의 제조방법을 개시한다.
상기 스마트 윈도우는 온도감응성 수화겔 내에 광열전환물질을 함유하고 있어, 흐림점 이하에서도 광열전환효과에 의한 열로 수화겔을 흐림점에 도달하게 할 수 있으므로, 주변 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 의해서도 태양광 차단 조절이 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 스마트 윈도우(smart window)에 관한 것으로, 구체적으로는 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 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.
이에, 본 발명자들은 이러한 점에 착안하여 외부 온도 뿐만 아니라 태양광의 세기에도 자율적인 능동제어가 가능한 스마트 윈도우를 개발하고자 노력한 결과, 온도감응성 수화겔에 광열전환물질을 포함시킴으로써, 외부 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 따라서도 가변적이고 능동적으로 실내로 유입되는 태양광의 양을 조절하는 스마트 윈도우를 완성하게 되었다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 온도감응성 수화겔에 광열전환물질을 포함하여, 외부 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 따라서도 가변적이고 능동적으로 실내로 유입되는 태양광의 양을 조절하는, 스마트 윈도우를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 스마트 윈도우의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 양태로서,
적어도 하나의 스페이서; 상기 스페이서의 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치되어 있는 두 장의 기판; 상기 두 장의 기판 사이에 삽입된 형태의 온도감응성 수화겔; 상기 온도감응성 수화겔 내부에 균일하게 분포되어 있는 광열전환물질; 상기 온도감응성 수화겔을 팽윤시키는 팽윤액; 및 상기 기판과 스페이서를 함께 밀봉하는 실란트를 포함하는 스마트 윈도우를 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 기판은 투명하여 빛의 투과가 가능한 유리, 플라스틱 및 금속 중에서 선택되는 단일 또는 복합 재료인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 온도감응성 수화겔은 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
또한 바람직하게는, 상기 온도감응성 수화겔은 가교제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 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.
또한 바람직하게는, 상기 광열전환물질은 그래핀, 산화그래핀, 환원-산화그래핀, 산화철(II) 나노입자, 산화철(III) 나노입자, 및 금 나노입자로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 상기 온도감응성 수화겔에 혼합되는 광열전환물질의 함량은 수화겔 건조 중량의 0.01 내지 50중량%인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 팽윤액은 증류수 단독이거나, 또는 증류수에 결빙을 방지하기 위하여 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 및 글리세린으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 유기용매를 혼합한 혼합 용매인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 실란트는 두 장의 기판과 스페이서를 고정하고, 용매의 증발을 막기 위하여, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리설파이드 실란트, 이소부틸렌 실란트, 내습성 아크릴 접착제, 접착성 고무, 급속 경화플라스틱, 금속 테이프 및 불소 수지 테이프로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다른 양태로서,
광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔 전구체 용액을 제조하는 제1단계; 상기 수화겔 전구체 용액을 스페이서가 포함된 두 장의 기판 사이에 삽입한 후 겔화시켜 수화겔을 제조하는 제2단계; 및 스페이서와 기판을 실란트로 밀봉하여 스마트 윈도우를 제조하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 스마트 윈도우의 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 온도감응성 수화겔 내에 광열전환물질을 함유하고 있어, 흐림점 이하에서도 광열전환효과에 의한 열에 의해 수화겔을 흐림점에 도달하게 할 수 있으므로, 주변 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 의해서도 태양광 차단 조절이 가능한 효과가 있다. 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.
따라서, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 실내로 유입되는 태양광을 효율적이고 능동적으로 조절하므로, 실내 온도의 상승을 억제하여 냉방 에너지 사용량을 절약하고, 쾌적한 실내 환경의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 망상구조를 가지는 수화겔을 이용함으로써 제조공정이 단순하여 대량생산이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른, 온도감응성 수화겔 전구체 용액의 광열전환물질의 유무에 대한 태양광 하에서의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 온도에 대한 투광도 변화를 300-900㎚ 파장영역에 대해 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 반복적인 온도 변화에 대한 투광도 변화를 600㎚ 파장에 대해 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 의해 제조된 스마트 윈도우의 태양광 노출 시간에 대한 태양광의 차단 여부를 확인한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른, 온도감응성 수화겔 전구체 용액의 광열전환물질의 유무에 대한 태양광 하에서의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 온도에 대한 투광도 변화를 300-900㎚ 파장영역에 대해 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 반복적인 온도 변화에 대한 투광도 변화를 600㎚ 파장에 대해 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 의해 제조된 스마트 윈도우의 태양광 노출 시간에 대한 태양광의 차단 여부를 확인한 사진이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우의 단면도를 나타낸 것으로,
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 스마트 윈도우(10)는 적어도 하나의 스페이서(12)에 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치된 두 장의 기판(11, 11') 사이에 삽입된 형태의 광열전환물질(14)이 함유된 온도감응성 수화겔(13)로 구성되어 있다. 이때, 수화겔은 팽윤액(15)을 포함하고 있으며, 이의 증발을 막고 기판과 스페이서를 고정하기 위해 실란트(16)로 밀봉처리 되어 있다.
상기 두 장의 기판(11, 11')은 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 스페이서(12)는 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
상기 온도감응성 수화겔(13)은 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 공중합 될 수 있다.
또한, 단량체를 연결하는 데에 있어서 선택적으로 가교제가 사용될 수 있다. 상기 가교제는 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 이상일 수 있다.
상기 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. 종래 기술에서는 온도감응성 수화겔 단독으로 스마트 윈도우를 제작하였으나, 이 방식은 오직 외부 온도에 의해서만 태양광 차단 여부가 결정되어 비효율적이라 할 수 있다. 외부 온도가 흐림점 이하에서는 태양광의 세기가 강하여도 태양광을 투과시키고, 이를 극복하기 위해 소재의 흐림점을 낮추게 되면 온도는 높고 태양광이 약한 경우에도 윈도우가 불투명하여 주변 경관의 조망이 어렵다. 따라서, 외부 온도뿐만 아니라 태양광의 세기에 따라 능동적으로 스마트 윈도우의 작동 여부를 조절할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명에서는 이런 기술적 요구에 부합하기 위해 온도감응성 수화겔에 태양광의 세기 효과를 반영할 수 있는 광열전환물질을 혼합하여 스마트 윈도우를 개발하였다. 상기 광열전환물질(14)은 태양광을 흡수한 후 열로 전환하여 방출하는 광열전환효과를 가지는 물질로서, 산화그래핀, 그래핀, 환원-산화그래핀, 산화철(II) 나노입자, 산화철(III) 나노입자, 금 나노입자 이외의 다른 물질들도 대체 혹은 혼용되어 사용 될 수 있다.
동일한 온도에서 광열전환물질 중 하나인 산화그래핀을 포함한 수화겔 전구체 용액과 포함되지 않은 용액을 태양광에 10분간 노출시켜 온도를 측정한 결과, 산화그래핀이 포함된 경우 약 4℃의 추가적인 온도 증가가 관찰되었다(실험예 1, 도 2 참조). 구체적으로, 산화그래핀을 포함한 경우, 수화겔의 흐림점(33℃) 이상인 35℃에 도달하지만, 그렇지 않은 경우에는 그 이하인 31℃에서 온도평형이 이루어졌음을 알 수 있었다. 이런 결과는 산화그래핀의 광열전환효과를 통해 방출되는 열에 의한 것으로, 광열전환물질을 수화겔에 혼합할 경우 온도감응성 수화겔이 외부 온도 이상으로 가열될 수 있음을 보여준다. 즉, 외부 온도는 흐림점 이하라도 태양광의 세기가 강하면 광열전환효과를 통해 방출되는 열에 의해 온도감응성 수화겔이 흐림점 이상의 온도로 도달하여 불투명해져 태양광을 차단하게 된다.
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 윈도우가 불투명하여 바람직하지 못하다.
상기 온도감응성 수화겔이 팽윤되어 있는 팽윤액(15)은 증류수를 기본으로 하나, 결빙을 방지하기 위하여 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세린 등의 유기용매가 혼합되어 사용될 수 있다.
상기 실란트(16)는 두 장의 기판과 스페이서를 고정하는 용도와 팽윤액의 증발을 막는 용도로 사용된다. 상기 실란트는 바람직하게는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리설파이드 실란트, 이소부틸렌 실란트, 내습성 아크릴 접착제, 접착성 고무, 급속 경화플라스틱, 금속 테이프 또는 불소수지 테이프 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 윈도우는 광열전환물질을 함유하는 수화겔 전구체 용액을 제조하는 제1단계; 상기 수화겔 전구체 용액을 스페이서가 포함된 두 장의 기판 사이에 삽입한 후 겔화시켜 수화겔을 제조하는 제2단계; 및 스페이서와 기판을 실란트로 밀봉하여 스마트 윈도우를 제조하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 있어서 상기 제1단계는 수화겔 전구체 용액을 제조하는 단계로서, 상기 수화겔 전구체 용액은 용매(팽윤액)에 온도감응성 수화겔 단량체를 용해시킨 후, 광열전환물질 및 선택적으로 가교제를 넣고, 이후 불활성 분위기 하에서 중합촉진제 및 개시제를 넣고 중합시킴으로써 제조할 수 있다. 이때 사용되는 용매, 온도감응성 수화겔 단량체, 광열전환물질, 가교제 등은 전술된 바와 같으며, 중합촉진제 및 개시제는 당 업계에서 통상적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 제2단계는 상기 수화겔 전구체 용액을 스페이서가 포함된 두 장의 기판 사이에 삽입한 후 겔화시켜 수화겔을 제조하는 단계로서, 이때 상기 수화겔 전구체 용액을 삽입하는 방법 및 겔화시키는 방법은 당 업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 상기 제3단계는 수화겔이 제조된 후 스페이서와 기판을 실란트로 밀봉하여 스마트 윈도우를 제조하는 단계로서, 이때 사용되는 실란트는 전술된 바와 같으며, 밀봉하는 방법은 당 업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이렇게 제조된 본 발명에 따른 스마트 윈도우는, 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.
따라서, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 실내로 유입되는 태양광을 효율적이고 능동적으로 조절하므로, 실내 온도의 상승을 억제하여 냉방 에너지 사용량을 절약하고, 쾌적한 실내 환경의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 망상구조를 가지는 수화겔을 이용함으로써 제조공정이 단순하여 대량생산이 용이한 효과가 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하기로 하나, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
<실시예> 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우의 제조
상온에서 단량체인 N-이소프로필아크릴아미드 355.1㎎, 가교제인 메틸렌비스아크릴아미드 4.9㎎을 3차 증류수 2040.0㎕에 넣고 녹였다. 여기에 광열전환물질인 5mg/mL 농도의 산화그래핀 수용액 600.0㎕를 넣고 섞어 주었다. 이렇게 섞은 용액은 감압기를 이용하여 진공 상태를 만들어 산소를 제거하여 시료 용액을 제조하였다. 질소 분위기 하에서 상기 시료 용액에 중합촉진제인 테트라메틸렌아민 9.0㎕ 와 개시제인 암모늄퍼설페이트 1.8㎎을 넣고, 150 ㎛인 스페이서가 포함된 두 장의 유리 기판 사이에 삽입한 후 1시간 동안 겔화시켰다. 겔화 후 스페이서와 유리기판을 불소수지 테이프로 밀봉하여 스마트 윈도우를 제조하였다.
<비교예> 광열전환물질을 함유하지 않은 온도감응성 수화겔만을 이용한 스마트 윈도우의 제조
시료 용액의 제조에 있어서, 광열전환물질을 포함하지 않고, 단량체인 N-이소프로필아크릴아미드 355.1㎎, 가교제인 메틸렌비스아크릴아미드 4.9㎎을 3차 증류수 2640.0㎕에 넣고 용해시켜 시료 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 수행하여 스마트 윈도우를 제조하였다.
<실험예 1> 광열전환물질의 유무에 따른 온도감응성 수화겔의 온도 변화 관찰
광열전환물질의 유무에 따른 온도감응성 수화겔의 태양광 하에서의 온도 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
실시예 및 비교예와 동일한 조성의 수화겔 전구체 용액을 외부기온이 30℃인 실외에서 태양광에 10분간 노출시킨 후, 온도 변화를 관찰하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에서 보는 바와 같이, 광열전환물질인 산화그래핀이 포함되지 않은 수화겔 전구체 용액(비교예)은 초기 온도 30℃에서 태양광에 10분간 노출된 후, 31℃로 상승하였으나, 광열전환물질인 산화그래핀이 포함된 수화겔 전구체 용액(실시예)은 초기 온도 30℃에서 35℃로 상승하였다. 이러한 4℃의 추가적인 온도 증가는 산화그래핀이 태양광을 흡수하여 열로 전환한 것을 수화겔 전구체 용액이 흡수하여 나타낸 결과이다.
따라서, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 주변 온도의 증가 뿐만 아니라 태양광의 세기에도 감응하여 능동적으로 실내로 유입되는 태양광의 양을 조절할 수 있다.
<실험예 2> 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 투광도 관찰
본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우의 온도에 따른 투광도의 변화를 알아보기 위하여, 산화그래핀이 포함된 온도감응성 수화겔의 온도에 따른 투광도 변화를 측정하였다. 수화겔의 투광도는 자외선-가시광선 분광광도계(V-550, Jasco)를 이용하여 300-900㎚ 파장영역에서 측정하였다. 자외선-가시광선 분광광도계 내의 금속재질의 시료 잡이에 연결된 항온순환수조를 통해 수화겔의 온도를 조절하면서 이에 따른 투광도 변화를 측정하여 도 3에 나타내었다.
도 3에서 보는 바와 같이, 수화겔 온도가 흐림점 이하인 25℃일 때는 가시광선영역과 근적외선 영역(약 500-900 nm)에서 투광도가 평균 95% 이상이었고, 흐림점 이상인 40℃일 때는 측정한 300-900㎚ 파장영역에서 모두 투광도가 1% 이하로 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함함으로써 흐림점 이하에서는 태양광을 투과하고, 흐림점 이상에서는 태양광을 차단하여 온도에 따라 투광도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 3> 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔의 투광도 변화의 가역성
본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우의 투광도 변화의 가역성을 알아보기 위하여, 산화그래핀이 포함된 온도감응성 수화겔의 온도를 반복적으로 조절하여 그에 따른 투광도 변화를 측정하였다. 구체적으로, 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 외부 온도를 흐림점 이하인 25℃ 및 흐림점 이상인 40℃로 조절하는 과정을 4회 반복하여 600 nm 파장의 투광도를 측정하여 도 4에 나타내었다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔은 외부 온도가 여러 번 반복하여 변하더라도 25℃일 때는 투광도가 평균 94%이고, 40℃일 때는 투광도가 평균 1% 이하로 나타남으로써 우수한 투광도 조절 성능을 유지하기 때문에 스마트 윈도우에 유용하게 사용될 수 있다.
<실험예 4> 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우의 태양광 조절 성능 측정
본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우의 능동적인 태양광 조절 성능을 알아보기 위해, 실시예와 비교예를 통해 제조한 스마트 윈도우를 태양광에 노출시켜 능동적인 태양광의 차단여부를 관찰하여 도 5에 나타내었다. 측정 시험은 실외 온도가 흐림점보다 낮은 32℃이었고, 태양광이 강한 오후 2시에 시행되었다.
도 5에서 보는 바와 같이, 시험 초기 상태에는 두 윈도우 모두 투명하여 태양광을 투과시키지만(도 5의 ㄱ 및 ㄴ 참조), 2분 후의 관찰 결과를 보면 광열전환물질인 산화 그래핀이 포함된 실시예의 윈도우 장치만이 태양광을 차단하고 있음을 알 수 있다(도 5의 ㄷ 및 ㄹ 참조). 즉, 광열전환물질 없이 온도감응성 수화겔로 이루어진 비교예의 스마트 윈도우는 태양광이 강하더라도 실외 온도가 흐림점보다 낮아 스마트 윈도우가 투명하여 태양광을 차단하지 못했으나, 본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우는 실외 온도가 흐림점보다 낮더라도 태양광이 강한 경우 태양광이 광열전환물질에 의해 열로 전환되어 수화겔에 전달됨으로써 수화겔의 온도 상승에 의해 불투명해져 태양광을 차단함을 확인하였다.
따라서, 위 결과로부터 본 발명에 따른 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 이용한 스마트 윈도우는 실외 온도 및 태양광의 세기에 의해서도 능동적으로 태양광을 조절할 수 있으므로, 기존의 스마트 윈도우를 대체하여 유용하게 사용될 수 있다.
10: 스마트 윈도우
11, 11': 기판
12: 스페이서
13: 온도감응성 수화겔
14: 광열전환물질
15: 팽윤액
16: 실란트
11, 11': 기판
12: 스페이서
13: 온도감응성 수화겔
14: 광열전환물질
15: 팽윤액
16: 실란트
Claims (10)
- 적어도 하나의 스페이서; 상기 스페이서의 의해 서로 마주보도록 임의의 간격으로 배치되어 있는 두 장의 기판; 상기 두 장의 기판 사이에 삽입된 형태의 온도감응성 수화겔; 상기 온도감응성 수화겔 내부에 균일하게 분포되어 있는 광열전환물질; 상기 온도감응성 수화겔을 팽윤시키는 팽윤액; 및 상기 기판과 스페이서를 함께 밀봉하는 실란트를 포함하는 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 투명하여 빛의 투과가 가능한 유리, 플라스틱 및 금속 중에서 선택되는 단일 또는 복합 재료인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도감응성 수화겔은 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 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도감응성 수화겔은 가교제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 제 4 항에 있어서,
상기 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 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광열전환물질은 그래핀, 산화그래핀, 환원-산화그래핀, 산화철(II) 나노입자, 산화철(III) 나노입자, 및 금 나노입자로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도감응성 수화겔에 혼합되는 광열전환물질의 함량은 수화겔 건조 중량의 0.01 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 팽윤액은 증류수 단독이거나, 또는 증류수에 결빙을 방지하기 위하여 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 및 글리세린으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 유기용매를 혼합한 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실란트는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리설파이드 실란트, 이소부틸렌 실란트, 내습성 아크릴 접착제, 접착성 고무, 급속 경화플라스틱, 금속 테이프 및 불소 수지 테이프로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
- 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔 전구체 용액을 제조하는 제1단계; 상기 수화겔 전구체 용액을 스페이서가 포함된 두 장의 기판 사이에 삽입한 후 겔화시켜 수화겔을 제조하는 제2단계; 및 스페이서와 기판을 실란트로 밀봉하여 스마트 윈도우를 제조하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는,
제 1 항의 스마트 윈도우의 제조방법.
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| KR1020140022393A KR20150101121A (ko) | 2014-02-26 | 2014-02-26 | 광열전환물질을 함유하는 온도감응성 수화겔을 포함하는 스마트 윈도우 및 이의 제조방법 |
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