KR20160000391A

KR20160000391A - 차광 구조물의 제조방법

Info

Publication number: KR20160000391A
Application number: KR1020140153507A
Authority: KR
Inventors: 루 호릉-화; 첸 웬-푸
Original assignee: 나노스타 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-01-04
Also published as: CN105293578A; KR101602486B1; TW201600466A; CN105293578B; TWI532680B

Abstract

본 발명은 차광재, 차광 구조물 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 차광 구조물은 투명 기판 및 박막을 포함한다. 상기 박막은 상기 투명 기판상에 코팅되며, 하기 화학식(I)로 표시되는 복수의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 갖는다.
M_xWC_yO_z (I)
상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.

Description

차광재, 차광 구조물, 및 이의 제조방법 {LIGHT SHIELDING MATERIAL, LIGHT SHIELDING STRUCTURE AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 차광재, 차광 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 적외선을 차단하기 위한 차광재, 차광 구조물, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 화석 연료의 과사용으로 인해, 온실 효과가 점점 심각해지고 있다. 한 가지 주요 원인은 지구상에 보유되는 가시광선 및 근적외선에 의해 발생된 열이며, 이로 인해 지구 온도가 빠르게 증가하고 있다. 그러므로, 에너지 절약 및 탄소배출량 감소가 2가지 중요한 이슈가 되고 있다.

태양 광선의 파장은 300 내지 2500 nm의 범위이다. 이러한 태양 광선 파장 영역에는 14% 자외선, 40% 가시광선, 및 44% 적외선이 포함된다. 통상적인 유리는 광투과율은 높으나 단열에 있어서는 불량하다. 과학자들과 기술자들은 태양 광선을 반사시킴으로써 적외선을 차단하기 위해서, 자동차 또는 빌딩에 통상적으로 사용하는 유리 위에 금속 박막을 코팅시키는 것을 시도하였다. 예를 들어, 알루미늄 또는 은을 함유하는 금속 박막이 사용된다. 그러나, 이러한 유형의 금속 박막은 또한 전자기파를 차단할 수 있어, GPS, ETC 또는 휴대용 통신 장치와 같은 전자 제품에 부정적인 영향을 미치게 된다. 더욱이, 대부분의 금속 박막은 일반적으로 물리적 증착(PVD) 또는 화학적 증착(CVD) 방법으로 생성되어 그 제조 비용이 높다.

또 다른 해결 방법은 태양 광선을 차단하기 위해 유리에 안료 또는 염료를 첨가하는 것이다. 그러나, 이러한 제품은 가시광선의 광 투과율이 불량하고 적외선의 차광 효과가 불량한 단점이 있다.

현재, 상업적으로 이용되고 있는 일부 제품들은 LaB₆, ATO(antimony doped tin oxide), ITO(indium doped tin oxide) 또는 기타 세라믹 화합물을 사용하여 적외선 차단 박막으로 제조되고 있다. 그러나, LaB₆는 가시광선을 흡수한다. ATO 및 ITO는 가시광선 영역에서는 우수한 광투과율을 나타내지만, 적외선 영역의 차광은 불량하다.

또한, 상업적으로 이용되고 있는 또 다른 제품은 알칼리 금속이 도핑된 텅스텐 옥사이드 분말을 사용하여 얻은 필름으로 적외선 차광재로서 이용되고 있다. 그러나, 이 제품에는 가시광선의 광 투과율과 적외선의 차광 사이의 균형 문제가 있다.

본 발명은 적외선을 차단하기 위한 차광재, 차광 구조물, 및 이의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 한 일면에 따르면, 차광재가 제공된다. 상기 차광재는 하기 식으로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드의 복합체이다.

M_xWC_yO_z

상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다. 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드는 도펀트와 텅스텐-함유 화합물을 갖는 탄소 동소체(allotrope)의 동시 도핑(co-doping)으로부터 형성된다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 차광재의 제조 방법이 제공된다. 상기 제조 방법은 텅스텐-함유 화합물, 도펀트 및 탄소 동소체를 포함하는 분말을 준비하는 단계, 상기 분말에 연마 입자를 첨가하여 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 혼합 분말을 분쇄하여 초기 물질을 형성하는 단계, 상기 초기 물질을 혼합 가스로 열처리하여, 하기 화학식으로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 형성하는 단계를 포함한다.

M_xWC_yO_z

상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 차광 구조물이 제공된다. 상기 구조물은 투명 기판 및 박막을 포함한다. 상기 박막은 상기 투명 기판상에 코팅되며, 하기 화학식으로 표시되는 복수의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 갖는다.

M_xWC_yO_z

본 발명의 추가 일면에 따르면, 차광 구조물을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 제조 방법은 하기 화학식으로 표시되는 복수의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 준비하는 단계; 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 용매에 첨가하여 용매중에 균일하게 분산시키는 단계; 상기 용매내로 매질을 첨가하여 분산 용액을 수득하는 단계; 상기 분산 용액을 투명 기판상에 코팅하는 단계; 및 상기 분산 용액중의 매질을 고형화하여 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

M_xWC_yO_z

본 발명에 따라 차광재로서 제공된 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드(M_xWC_yO_z)는 가시광선 영역에서 우수한 투과율을 나타내고 적외선 영역에서는 우수한 차단성을 나타낸다. 또한, 고에너지 볼 밀링 분쇄법이 상기 혼합 분말에 적용되어, 합금 현상을 일으켜 초기 물질을 형성한다. 습식 공정을 이용하는 기존의 제조 방법에 비해, 본 발명에서는 건식 방법을 사용하여 부식성이 높고 오염도가 높은 부산물의 생성을 방지할 수 있다.

본 발명은 첨부되는 도면을 참고로 하여, 하기 상세한 설명에 의해 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광재의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물을 보여주는 측면도이다.
도 3b는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 차광 구조물을 보여주는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물의 입자 크기-빈도수를 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 3a에 따른 차광 구조물의 파장-투과율을 보여주는 그래프이다.

텅스텐 트리옥사이드(WO₃)는 유효 자유 전자가 부족하기 때문에, 가시광선 및 근적외선 영역에서 흡수 및 반사 성질이 불량하여, 효과적인 차광재가 될 수 없다. 텅스텐과 산소의 원자비가 3 미만일 경우, 저산소 상태가 되거나 산소 결핍 부위가 형성되어, 텅스텐 옥사이드 중에 자유 전자가 발생한다. 텅스텐과 산소의 원자비가 2.2 미만일 경우, 텅스텐 디옥사이드(WO₂)의 결정상이 없어진다. 따라서, 본 발명에서는 도펀트 및 탄소를 텅스텐 트리옥사이드의 격자내로 첨가하여 화학적으로 안정시키고 텅스텐과 산소의 원자비를 3 미만으로 조절한다. 이러한 과정에 의해, 텅스텐 옥사이드는 충분한 자유 전자를 보유하고 효과적인 차광재가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광재의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다. 상기 공정은 텅스텐-함유 화합물, 도펀트 및 탄소 동소체를 포함하는 분말을 준비하는 단계(100), 상기 분말에 연마 입자를 첨가하여 혼합 분말을 형성하는 단계(110), 상기 혼합 분말을 분쇄하여 초기 물질을 형성하는 단계(120), 상기 초기 물질을 혼합 가스로 열처리하여, 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 형성하는 단계(130)를 포함한다. 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드는 하기 화학식(I)로 표시된다:

M_xWC_yO_z (I)

상기에 기술된 텅스텐-함유 화합물은 텅스텐 트리옥사이드 분말 및/또는 텅스텐 디옥사이드 분말일 수 있다. 상기 도펀트(M)는 M을 함유하는 옥사이드, 하이드록사이드, 카보네이트, 텅스테이트, 클로라이드, 니트레이트, 설페이트, 옥살레이트, 또는 니트로겐 옥사이드일 수 있다.

상기 도펀트(M)는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, B, C, F, Al, Si, P, S, Cl, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, 또는 At 일 수 있다. 도펀트가 많이 첨가될 때, 더 많은 자유 전자가 발생하여 차광 효과가 증가될 것이다. x의 값이 점차적으로 1에 가까워질 때, 차광 효과는 점차적으로 충분해진다.

부가적으로, 자유 전자의 양, 화학적 안정도, 및 차광 유효성을 적절하게 조절하기 위해, 적당한 양의 탄소 동소체가 첨가되어 부분적으로 치환되는 산소 함량을 대체한다. 상기 탄소 동소체는 카본 블랙, 그래파이트, 카본 나노튜브, 또는 그래펜일 수 있다. 이 방법에 의해, 본 발명의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드는 우수한 차광성 및 태양광에 대한 우수한 단열성을 갖게 된다.

단계 (110)에서, 상기 연마 입자는 5mm 및 10mm의 고순도 SiC (실리콘 카바이드)를 포함한다. 또한, 상기 혼합 분말에서 연마입자와 분말의 중량비는 8:1 이다.

단계 (120)에서, 상기 혼합 분말은 고에너지 볼 밀링(High Energy Ball Milling) 내로 넣어 30분 내지 6시간 동안 분쇄한다.

단계 (130)에서, 상기 혼합 가스는 불활성 가스 및/또는 환원 가스를 포함한다. 상기 불활성 가스 및/또는 환원 가스로서, 질소(N₂), 수소(H₂), 메탄(CH₄) 또는 아르곤(Ar)을 랜덤 비율로 혼합할 수 있다. 상기 혼합 가스의 유리한 조건은 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%), 및 아르곤(90 부피%)를 사용하는 것이다. 상기 열처리 온도는 100 내지 1000℃ 이며, 상기 열처리 시간은 1 내지 12 시간이다.

도 2는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물의 제조 공정을 보여주는 흐름도이며, 상기 공정은 복수의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 준비하는 단계(200); 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 용매에 첨가하여 용매중에 균일하게 분산시키는 단계(210); 상기 용매내로 매질을 첨가하여 분산 용액을 수득하는 단계(220); 상기 분산 용액을 투명 기판상에 코팅하는 단계(230); 및 상기 분산 용액중의 매질을 고형화하여 박막을 형성하는 단계(240)를 포함한다.

단계 (200)에서, 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드는 도 1의 제조 방법에 의해 제조된다.

단계 (210)에서, 상기 용매는 톨루엔과 분산매를 6:1의 중량비로 혼합하여 얻는다.

단계 (220)에서, 상기 매질은 폴리에스테르 수지, PI 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리비닐 클로라이드 수지, 폴리비닐리덴 클로라이드 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리비닐 부티랄 수지, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 물질, 폴리프로필렌 수지, 아크릴 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 케톤 수지, 페녹시 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리아미노 수지, 우레아 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 물질 (ABS 수지), 폴리에테르 수지, 폴리아미드, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 또는 UV 수지 일 수 있다.

단계 (230)에서, 상기 분산 용액은 와이어 바 코팅(wire bar coatng), 그라바어 코팅(gravure coating), 분무 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 슬릿 코팅(slit coating), 스핀 코팅(spin coating), 로드 코팅(rod coating), 롤 코팅(roll coating) 또는 독터 블레이드 코팅(doctor blade coating) 방식으로 투명 기판상에 코팅된다.

투명 기판은 목적에 따라 PET, 아크릴 수지, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리비닐 클로라이드, 불소 수지, 또는 유리로부터 선택될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물을 보여주는 측면도이다. 도 3a에서, 차광 구조물(300)은 투명 기판(310) 및 박막(320)을 포함한다. 상기 박막(320)은 상기 투명 기판(310)상에 코팅된다. 상기 박막(320)의 두께는 0.5 내지 200 ㎛이다. 상기 박막(320)은 복수의 분산체(321)를 구비한다. 상기 분산체(321)는 하기 화학식(I)로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드이다.

M_xWC_yO_z(I)

도 3b는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 차광 구조물을 보여주는 측면도이다. 도 3b에서, 차광 구조물(300)은 2개의 투명 기판(310) 및 박막(320)을 포함하며, 상기 박막(320)은 2개의 투명 기판(310) 사이에 배치되고 복수의 분산체(321)를 구비한다. 이 구체예에서, 상기 분산 용액내로 트리에틸렌 글리콜, 디에틸헥사노에이트, 또는 폴리비닐 부티랄이 추가로 첨가된다. 이 경우, 점성 특징을 갖는 상기 군의 물질이 첨가된 분산 용액으로 인해 2개의 투명 기판(310)은 함께 접착될 수 있다. 먼저, 상기 분산 용액을 도포한 후, 박막(320)을 형성한다. 다음, 상기 박막(320)을 2개의 투명 기판(310) 사이에 배치한다. 그 후, 열 결합 방법을 이용하여 도 3b에 도시된 바와 같은 차광 구조물(300)을 형성한다. 이 구체예는 방폭 유리에 적용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 투명 기판은 내부에 복수의 분산체(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 첫째, 투명 기판(310)은 상기 분산 용액내로 침지된다. 다음, 투명 기판(310)은 가열되어 용융 상태가 된다. 상기 분산체는 용융 상태의 투명 기판내로 균일하게 혼합된다. 예를 들어, 상기 투명 기판은 PET 일 수 있다. 상기 PET는 상기 분산 용액내로 침지되어, 상기 PET의 표면에 복수의 분산체가 존재하게 된다. 가열 및 냉각 단계 후에, 상기 PET의 내부에는 복수의 분산체가 함유된다.

상기 분산액(321)의 격자 구조가 육각형인 경우, 가시광선 영역에서의 광 투과율 및 적외선 영역에서의 차광성이 모두 우수하다. 상기 분산액(321)의 격자 구조가 무정형, 입방형(cubic) 또는 정방 결정형(tetragonal)인 경우, 가시광선 영역에서의 광 투과율은 여전히 우수하지만, 적외선 영역에서의 차광성은 불량하다.

본 발명의 박막(320)은 다량의 근적외선과 원적외선을 흡수할 뿐만 아니라, 일부 가시광선도 흡수하여, 박막은 청색 또는 녹색으로 보인다.

상기 박막(320) 중의 분산체(321)의 직경이 너무 클 경우, 가시광선 영역에서의 기하학적 산란 또는 미 산란(Mie scattering)으로 인해, 박막(320)은 반투명(frosted) 유리로서 불량한 투명도를 나타낸다. 그러므로, 본 발명에서는 상기 분산체(321)의 직경을 1 내지 1000 nm로 조절하여 광학적 사용을 위해 우수한 투과율을 얻는다.

도 4는 본 발명의 하나의 구체예에 따른 차광 구조물의 입자 크기-빈도수를 보여주는 그래프이다. 본 발명에서 차광재(분산체)의 입자 크기는 입자 크기 분석기( (Mastersizer, Malvern, UK)로 측정한다. 상기 입자 크기 분석기는 레이저 회절 산란 기술(ISO 13320 설명서)를 이용하여 입자 크기를 측정한다. 레이저 빔이 상기 입자 샘플을 통과할 때, 상이한 각도 및 밀도의 산란된 광이 발생된다. 상기 입자 크기 분석기는 산란광 스펙트럼을 측정 및 기록한 후, 산란광 스펙트럼을 분석하여 입자 크기 분포를 계산한다. 도 4에서, 가로축은 나노미터(nm) 단위의 입자 크기를 나타내고, 세로축은 백분율(%) 단위의 빈도수를 나타낸다. 원자비가 Cs:W:C=0.32:1:0.4 인 차광재는 500℃에서 1시간 동안 열처리된 후 140nm 미만의 입자 크기를 나타내고 있다. 계산 이후, 누적 분포도가 50%인 입자들 (D50)인 최대 평균 직경은 54nm이고, 누적 분포도가 90%인 입자들 (D90)인 최대 평균 직경은 110nm이다.

도 5는 도 3a에 따른 차광 구조물의 파장-투과율을 보여주는 그래프이다. 투명 기판(310)은 PET 이며, 분산체(321)의 원자비는 Cs:W:C=0.32:1:0.4 이다. 가로축은 나노미터(nm) 단위의 파장을 나타내고, 세로축은 백분율(%) 단위의 투과율을 나타낸다. 도 5에서, 광 투과가 380 내지 780 nm에서 일어나는 것을 볼 수 있다. 500 nm의 투과율이 69% 이고, 1000 nm의 투과율은 3%이며, 1500 nm의 투과율은 1% 이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 차광 구조물은 가시광선 영역에서 우수한 광투과율을, 적외선 영역에서는 우수한 차광성을 나타낸다.

하기의 구체적인 실시예들은 추가 설명을 위해 제공되는 것이다.

<비교예>

비교예에서는 투명 기판으로서 두께가 23㎛인 PET를 사용하였다. 전체 태양광 스펙트럼(300 내지 2500 nm)의 투과율은 89.2% 이상이었다. 가시광선 영역의 투과율은 90%이고, 적외선 영역의 투과율은 85% 였다. 그러므로, PET의 차광 효과가 불량하다.

<실시예 1>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 세슘 옥사이드 45.09g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링(High Energy Ball Milling)에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 500℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 50 m²/g 이었다.

수득된 차광재의 화학적 조성을 EDS를 사용하여 분석한 결과, 원자비가 Cs:W:C = 0.32:1:0.4 였다. 이는 Cs 및 C가 텅스텐 옥사이드내로 도핑되어 새로운 화합물이 형성되었음을 보여주는 것이다.

그 다음, 상기 차광재를 톨루엔 및 분산매와 혼합하였다. 상기 차광재, 톨루엔 및 분산매의 중량비는 3:6:1 였다. 그리고 나서, 초음파를 이용하여 평균 입자 크기가 60 nm인 입자들을 함유하는 슬러리를 진동시켰다. 그 후, 상기 슬러리를 아크릴 수지와 1:9의 중량비로 혼합하여, 분산 용액을 수득하였다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 그 결과를 도 5에 도시하고, 이의 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 65% 였고, 차광 계수(shading coefficient, SC)는 0.42 였다.

<실시예 2>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 소듐 옥사이드 31g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 500℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 53 m²/g 이었다.

수득된 차광재의 화학적 조성을 EDS를 사용하여 분석한 결과, 원자비가 Na:W:C = 0.9:1:0.2 였다. 이는 Na 및 C가 텅스텐 옥사이드내로 도핑되어 새로운 화합물이 형성되었음을 보여주는 것이다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 70% 였고, SC는 0.45 였다.

<실시예 3>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 인듐 옥사이드 13.9g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 500℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 51 m²/g 이었다.

수득된 차광재의 화학적 조성을 EDS를 사용하여 분석한 결과, 원자비가 In:W:C = 0.1:1:0.4 였다. 이는 In 및 C가 텅스텐 옥사이드내로 도핑되어 새로운 화합물이 형성되었음을 보여주는 것이다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 55% 였고, SC는 0.50 였다.

<실시예 4>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 칼슘 옥사이드 8.4g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 500℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 54 m²/g 이었다.

수득된 차광재의 화학적 조성을 EDS를 사용하여 분석한 결과, 원자비가 Ca:W:C = 0.15:1:0.2 였다. 이는 Ca 및 C가 텅스텐 옥사이드내로 도핑되어 새로운 화합물이 형성되었음을 보여주는 것이다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 62% 였고, SC는 0.45 였다.

<실시예 5>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 세슘 옥사이드 45.09g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 750℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 46 m²/g 이었다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 68% 였고, SC는 0.40 였다.

<실시예 6>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 세슘 옥사이드 45.09g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 1000℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 42 m²/g 이었다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 62% 였고, SC는 0.42 였다.

<실시예 7>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 세슘 옥사이드 45.09g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 750℃에서 5시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 41 m²/g 이었다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 67% 였고, SC는 0.412 였다.

<실시예 8>

텅스텐 트리옥사이드 231.84g, 세슘 옥사이드 45.09g, 및 카본 블랙 12g을 포함하는 분말을 5 mm 및 10 mm의 고순도 SiC 연마 입자를 함유하는 고에너지 볼 밀링에 넣었다. 연마 입자와 분말의 중량비는 8:1 이었다. 1시간 동안 밀링 후, 차광재의 초기 물질을 수득하였다. 그 다음, 상기 초기 물질을 오븐에 넣고, 수소(5 부피%), 메탄(5 부피%) 및 아르곤(90 부피%)을 포함하는 혼합 가스의 존재하에 750℃에서 10시간 동안 열처리하였다. 이때, 압력은 1 atm 이었다. 수득된 차광재의 비표면적은 38 m²/g 이었다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 64% 였고, SC는 0.42 였다.

<실시예 9>

그 다음, 상기 차광재를 톨루엔 및 분산매와 혼합하였다. 상기 차광재, 톨루엔 및 분산매의 중량비는 3:6:1 였다. 그리고 나서, 초음파를 이용하여 평균 입자 크기가 60 nm인 입자들을 함유하는 슬러리를 진동시켰다. 그 후, 상기 슬러리를 UV 수지와 1:9의 중량비로 혼합하여, 분산 용액을 수득하였다.

상기 분산 용액을 상기 PET 상에 독터 블레이드 코팅 방식으로 코팅하였다. 100℃의 핫 에어를 이용하여 상기 분산 용액을 10분 동안 건조시켰다. 그 다음, 반투명하고 청색을 띤 박막을 10 ㎛의 두께로 수득하였다. 광학 특징을 하기 표 1에 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 70% 였고, SC는 0.40 였다.

	C.C.	T.T	S.S.A.	수지	T (%)	SC
C.E.					89.2
1	Cs,W,C,O	500℃/1hr	50	아크릴 수지	65	0.42
2	Na,W,C,O	500℃/1hr	53	아크릴 수지	70	0.45
3	In,W,C,O	500℃/1hr	51	아크릴 수지	55	0.5
4	Ca,W,C,O	500℃/1hr	54	아크릴 수지	62	0.45
5	Cs,W,C,O	750℃/1hr	46	아크릴 수지	68	0.4
6	Cs,W,C,O	1000℃/1hr	42	아크릴 수지	62	0.42
7	Cs,W,C,O	750℃/5hrs	41	아크릴 수지	67	0.41
8	Cs,W,C,O	750℃/10hrs	38	아크릴 수지	64	0.42
9	Cs,W,C,O	750℃/5hrs	41	UV 수지	70	0.4
C.E.: 비교예 C.C.: 화학적 조성 T.T: 열처리 온도/시간 S.S.A.: 비표면적(m²/g) T: 가시광선 영역의 투과율

SC는 동일한 광 조사 조건하에서 각각의 실시예(1-9) 및 비교예(두께가 23㎛인 PET) 사이의 비이다. SC의 값이 작을수록, 차광 효과는 더욱 좋다.

본 발명이 비록 일부 특정예에 의해 설명되었을지라도, 다른 실시예들이 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위는 본원에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않는다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명의 구조에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 자명할 것이다. 이상과 같이, 본 발명은 아래에 기재될 청구범위의 범위내에서 이루어지는 본 발명의 수정 및 변형을 포함한다.

Claims

차광재로서, 하기 식(I)로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드의 복합체로 이루어지고, 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드가 도펀트와 텅스텐-함유 화합물을 갖는 탄소 동소체(allotrope)의 동시 도핑(co-doping)으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 차광재:
M_xWC_yO_z (I)
상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.
제 1항에 있어서, 상기 도펀트가 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, B, C, F, Al, Si, P, S, Cl, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 차광재.
제 1항에 있어서, 상기 탄소 동소체가 카본 블랙, 그래파이트, 카본 나노튜브, 그래펜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 차광재.
제 1항에 있어서, 상기 차광재가 직경이 1 내지 1000 nm인 입자인 것을 특징으로 하는 차광재.
제 4항에 있어서, 상기 차광재의 직경이 1 내지 150 nm인 것을 특징으로 하는 차광재.
(a) 텅스텐-함유 화합물, 도펀트 및 탄소 동소체를 포함하는 분말을 준비하는 단계;
(b) 상기 분말에 연마 입자를 첨가하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
(c) 상기 혼합 분말을 분쇄하여 초기 물질을 형성하는 단계;
(d) 상기 초기 물질을 혼합 가스로 열처리하여, 하기 화학식(I)로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 형성하는 단계를 포함하는, 차광재의 제조 방법:
M_xWC_yO_z (I)
상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.
제 6항에 있어서, 상기 텅스텐-함유 화합물이 텅스텐 트리옥사이드 또는 텅스텐 디옥사이드인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 도펀트가 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, B, C, F, Al, Si, P, S, Cl, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 탄소 동소체가 카본 블랙, 그래파이트, 카본 나노튜브, 그래펜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 연마 입자가 SiC로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 혼합 분말이 상기 연마 입자 및 상기 분말을 8:1의 중량비로 혼합함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 단계 (c)에서, 상기 혼합 분말의 분쇄가 고에너지 볼 밀링에 의해 30분 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 혼합 가스가 수소, 메탄 및 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제 6항에 있어서, 상기 열처리 온도가 100 내지 1000℃ 이며, 상기 열처리 시간이 1 내지 12 시간인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
투명 기판; 및
상기 투명 기판상에 코팅된 박막을 포함하는 차광 구조물로서,
상기 박막이 하기 화학식(I)로 표시되는 복수의 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 갖는 것을 특징으로 하는 차광 구조물:
M_xWC_yO_z (I)
상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.
제 15항에 있어서, 상기 박막의 두께가 0.5 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 차광 구조물.
(a) 복수의 하기 화학식(I)로 표시되는 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 준비하는 단계;
(b) 상기 탄소-도핑된 텅스텐 옥사이드를 용매에 첨가하여 용매중에 균일하게 분산시키는 단계;
(c) 상기 용매내로 매질을 첨가하여 분산 용액을 수득하는 단계;
(d) 상기 분산 용액을 투명 기판상에 코팅하는 단계; 및
(e) 상기 분산 용액중의 매질을 고형화하여 박막을 형성하는 단계를 포함하는, 차광 구조물의 제조 방법:
M_xWC_yO_z (I)
상기 식에서, M은 하나 이상의 화학 원소를 갖는 도펀트이고, W는 텅스텐이고, C는 탄소이고, O는 산소이며, x, y 및 z는 0<x≤1, 0<y≤1, 및 0<z≤3의 범위이다.
제 17항에 있어서, 상기 매질이 폴리에스테르 수지, PI 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리비닐 클로라이드 수지, 폴리비닐리덴 클로라이드 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리비닐 부티랄 수지, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 물질, 폴리프로필렌 수지, 아크릴 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 케톤 수지, 페녹시 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리아미노 수지, 우레아 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 물질 (ABS 수지), 폴리에테르 수지, 폴라아미드, 아크릴 수지, 에폭시 수지, UV 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.