KR20180119239A - 복합형 스마트 윈도우 필름 - Google Patents

복합형 스마트 윈도우 필름 Download PDF

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Abstract

자연에너지에 의한 열이 인가될 때 변색되는 수동형 변색 동작과 전기에 의한 열이 인가될 때 변색되는 능동형 변색 동작이 모두 가능한 복합형 스마트 윈도우 필름이 제공된다. 이는 열이 가해지면 광 투과율이 변경되도록 변색되는 열변색 필름부와, 전기가 인가되면 발열하여 열변색 필름부에 열을 가하는 발열 필름부를 포함한다. 따라서 전이온도에 상관없이 우수한 열변색 소재를 채용하여 스마트 윈도우를 제조하는 것이 가능하다. 나아가, 열변색 소재와 점착 또는 접착제 성분을 혼합하여 열변색층을 형성함으로써 열변색 필름부와 발열 필름부를 단순히 압착하는 것으로 접착시킬 수 있다.

Description

복합형 스마트 윈도우 필름{MULTI SMART WINDOW FILM}
본 발명은 변색 필름 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자연에너지에 의한 수동형 열변색 동작은 물론 전기를 이용한 발열에 의한 능동형 열변색 동작이 모두 가능한 복합형 스마트 윈도우 필름에 관한 것이다.
전세계적인 에너지 문제로 인해 건축물의 에너지 절감에 대한 관심이 증가하고 있다. 건축물의 에너지 소비는 전체 에너지 소비의 약 36%를 차지하고 있을 만큼 그 비중이 매우 높다. 특히, 건축 재료 중에서도 창을 구성하는 유리의 단열특성이 매우 나쁘기 때문에, 창을 통한 에너지 손실을 방지하기 위해 다양한 노력이 시도되고 있다.
최근에는 태양열 투과율이 계절이나 상황에 따라 변함으로써 단열 특성을 극대화하는 스마트 윈도우 기술이 많은 관심을 받고 있다. 스마트 윈도우 기술은 전자와 전기적인 산화/환원반응을 이용하는 전기변색(EC, Electrochromic), 전기장 내에서의 배열을 이용하는 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)과 SPD(Suspended Particles Device)와 같은 능동형과 빛에 의한 전자의 광여기를 이용하는 광변색(Photochromic), 그리고 열에너지를 통한 상전이가 되어 광학적 특성이 변하는 열변색(Thermochromic)과 같은 수동형이 있다.
능동형의 장점은 언제든 원하는 시간에 투과율을 조절할 수 있다는 것이지만 제조공정이 까다롭고 반드시 고가의 투명 전도성 전극을 1소자 내에 2장 이상을 사용해야하기 때문에 가격이 매우 높으며 투과율제어를 위해서는 전기에너지가 소비되는 단점이 있다. 반면 수동형은 빛이나 온도에 따라 자동으로 투과율이 변하므로 구동 시 에너지 소비가 없고 투명 전도성 전극이 필요 없으므로 제조비용이 저렴한 장점이 있지만 외부환경에 의해 투과율이 변하므로 사용자가 원할 때 자유롭게 투과율을 조절하지 못하는 단점이 있다.
수동형 스마트 윈도우 중에서도 광변색의 경우 유기물 소재는 변색속도는 빠르지만 내구성이 약해서 윈도우에 사용이 어렵고, 무기물 소재는 변색속도가 느리고 가역성이 떨어지는 단점이 있다. 하지만 열변색 소재, 그 중에서도 M-phase의 결정상을 가지는 VO2(M)와 같은 무기물 소재의 경우 내구성도 우수하고 변색 속도도 빨라서 VO2(M)를 이용한 열변색 윈도우에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
VO2(M)와 같은 열변색 재료가 코팅된 유리/필름은 일정한 온도 이상에서 빛의 투과율이 변하게 되는데 이러한 온도를 열전이 온도라 한다. VO2(M)의 열전이 온도가 약 68℃이며 이 온도 이상이 되면 근적외선에 해당하는 빛의 투과율이 감소하는 특징을 가진다. 이러한 특징은 태양광선 중 열작용을 하는 근적외선을 외부온도에 따라 투과율을 선택적으로 조절할 수 있게 하여 건물의 냉방에너지를 크게 절감할 수 있게 한다.
하지만 종래의 VO2(M)은 앞서 언급 한 데로 열전이 온도가 68℃로 실제로 스마트 윈도우로 사용하기에는 전이온도가 높고 실제 사용에 많은 제한이 따른다.
앞서 언급한 데로 종래의 VO2(M)필름은 수동형 변색필름으로, 외부온도에 의해 투과율이 변하므로 사용자가 원할 때 자유롭게 투과율을 조절하지 못하는 단점과, 열변색 온도가 68℃로 높아 스마트윈도우에 사용하기에 많은 제약이 따른다. 뿐만 아니라 종래의 기술에서는 VO2(M)막의 형성을 500℃ 이상의 고온에서 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3) 등 유연성이 없고 크기에 제한이 있는 기판에서만 양질의 결정이 형성되어 우수한 열변색 특성에도 불구하고 응용에 한계가 있었다.
종래의 기술들은 VO2(M)의 전이온도를 낮추거나, 양질의 VO2(M)막을 유연성 기판에서 얻는 데 집중되어 있고 능동적인 구동을 구현하는 기술 제안은 거의 없는 실정이다.
한국 특허공개 10-2016-005913
본 발명은 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 수동형인 열변색 필름을 능독적으로 제어할 수 있는 기능을 부여하여 하나의 필름이 수동형과 능동형 제어가 동시에 가능한 열변색필름을 제공한다.
본 발명은 상술한 능동형 열변색 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 복합형 스마트 윈도우 필름을 제공하며, 이는: 열이 가해지면 광 투과율이 변경되도록 변색되는 열변색 필름부; 및 전기가 인가되면 발열하여 상기 열변색 필름부에 열을 가하는 발열 필름부;를 포함하고, 상기 열변색 필름부의 상기 변색은 자연에너지에 의한 열 또는 상기 발열 필름부에 의한 열에 의해 이루어진다.
상기 발열 필름부는 상기 열변색 필름부의 면에 접하고 투명한 것일 수 있다.
상기 발열 필름부는: 전기가 인가되면 발열하는 발열층; 상기 발열층 상에 형성되어 상기 발열층의 산화를 방지하는 코팅층; 및 상기 발열층에 전기를 인가하기 위한 단자부;를 포함할 수 있다.
상기 발열층은 면저항이 10Ω/□ 이하일 수 있다.
상기 단자부는 상기 발열층 상의 양측단부에 각각 띠 형상으로 배치될 수 있다.
상기 열변색 필름부는: 기재층; 및 상기 기재층 상에 형성되고 상기 발열필름부의 코팅층이 형성된 면과 접하는 열변색층;를 포함할 수 있다.
상기 열변색층은 열변색 물질, 및 점착 또는 접착제를 포함할 수 있다.
상기 열변색 물질은 이산화바나듐(VO2) 단독, 또는 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 몰리브텐(Mo), 안티몬(Sb), 및 인듐(In) 중의 하나 또는 하나 이상의 이종금속이 도핑된 이산화바나듐(doped VO2)일 수 있다.
본 발명은 또한 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법을 제공하며, 이는: 열이 가해지면 광 투과율이 변경되도록 변색되는 열변색 필름부와 전기가 인가되면 발열하는 발열 필름부를 각각 준비하는 단계; 및 상기 열변색 필름부와 상기 발열 필름부를 접착하는 단계;를 포함하고, 상기 열변색 필름부의 상기 변색은 자연에너지에 의한 열 또는 상기 발열 필름부에 의한 열에 의해 이루어진다.
상기 열변색 필름부는 열변색 물질과 점착제 또는 접착제와 혼합한 후 혼합물을 기재에 도포하여 제조할 수 있다.
상기 접착은 상기 열변색 필름부와 상기 발열 필름부를 적층한 후 롤러로 가압하여 이루어질 수 있다.
상기 발열 필름부는 소정 면저항을 가지는 발열층과, 상기 발열층 상에 형성되어 상기 발열층의 산화를 방지하는 코팅층과, 상기 발열층에 전기를 인가하기 위한 단자부를 포함할 수 있다.
상기 열변색 필름부를 상기 발열 필름부의 코팅층이 형성된 면에 접착하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 제작되는 능동형 열변색필름은 여름철과 같이 대기온도가 열변색 소재의 전이온도가보다 높을 때는 외부전원 없이 스스로 투과율을 조절하는 수동형 스마트 윈도우 필름의 장점을 가지고, 또한 겨울철과 같이 대기온도가 열변색 소재의 전이온도가보다 낮을 때는 전기를 인가하여 투과율을 조절하는 능동형스마트 윈도우 필름의 장점을 동시에 제공한다.
아울러 본 발명에 따른 필름은 선택적으로 발열 필름부를 통해 열을 인가할열변색 수 있기 때문에 전이온도에 상관없이 우수한 변색 소재를 사용할 수 있다. 이를테면, Vanadium dioxide(VO2)는 열변색 특성이 우수하지만 전이온도가 약 68℃로 높기 때문에 스마트 윈도우에 사용이 어려웠지만, 본 발명에서는 특별한 제한 없이 이산화바나듐을 열변색 소재로 적용할 수 있다. 예를 들어 이산화바나듐의 전이온도를 낮추기 위해 기존에는 W와 같은 이종금속을 도핑하여 스마트 윈도우를 제작해야 했고, 그에 따른 문제가 발생하였다. 즉, 전이온도를 상온 수준으로 내리기 위해서 W의 도핑량을 증가시키면 VO2의 전이온도는 내려가지만 그와 함께 변색 전과 후의 변화율 차이도 감소하여 열변색 효율이 감소하는 문제를 감수해야 하였다. 하지만 본 발명의 필름은 순수 VO2도 사용이 가능하기 때문에 열변색 특성이 우수한 열변색 필름을 제조하여 스마트 윈도우에 적용하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 따른 복합형 스마트 윈도우 필름에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 광이나 외기온도와 같은 자연에너지에 의해 인가되는 열에 의해 변색되어 광투과율이 변경되는 수동형 열변색 필름과 전기 인가에 의해 발열하는 발열 필름부를 접합하여 수동형 변색 동작과 능동형 변색 동작이 모두 이루어질 수 있는 복합형 스마트 윈도우 필름을 제공한다. 이러한 복합형 스마트 윈도우 필름은 여름철과 같이 광이나 외기 온도에 의한 열이 변색 온도 이상이 될 경우에는 스스로 변색되고, 또한 필요할 경우에 전기를 인가하여 발열시킴으로써 변색될 수 있다. 수동형 열변색 필름부의 열변색층에 점착제 또는 접착제를 포함시킴으로써 별도의 접착제의 사용 없이 열변색 필름부의 접착 성분을 이용하여 발열 필름부와 접착시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 스마트 윈도우 필름을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 스마트 윈도우 필름(10)은 열변색 필름부(20)와 발열 필름부(30)를 포함하며, 열변색 필름부(20)와 발열 필름부(30)는 면이 접하여 접합되어 있다. 열변색 필름부(20)는 광이나 외기 온도가 인가되어 발열되어 변색온도 이상이 되면 스스로 변색하는 소위 '수동형' 변색 필름이다. 발열 필름부(30)는 전기를 인가하면 발열하여 접착된 열변색 필름부(20)에 열을 전달한다. 발열 필름부(30)로부터의 열이 전달되면 열변색 필름부(20)는 소위 '능동형' 변색 동작을 수행한다. 따라서 본 발명의 스마트 윈도우 필름(10)은 복합형 또는 하이브리드형 변색 필름이라고 할 수 있다.
발열 필름부(30)는 열변색 필름부(20)와 면접하면서 투명한 필름일 수 있다. 발열 필름부(30)는 발열층(31)과 발열층(31) 상에 형성된 코팅층(33)과 단자부(35)를 포함한다.
발열층(31)은 단자부(35)를 통해 전기가 인가되면 발열하는 발열체로서 바람직하게는 투명한 필름일 수 있다. 발열층(31)은 전도성을 가진 필름이면 특별한 제약없이 적용될 수 있으나, 바람직하게는 건축물이나 차량의 창호와 같이 큰 면적에서 충분한 발열을 얻기 위해서 면저항이 10Ω/□ 이하일 수 있다. 예를 들어 발열층(31)에 적용가능한 필름은 인듐주석산화물 필름(ITO film), 은나노와이어필름(Silver nanowire film), 금속메시필름(Metal mesh film) 등이 있다. 이중 금속메시필름은 유연성과 면저항이 우수하여 가장 바람직하게 적용될 수 있다.
발열층(31)에 외부전류를 공급하기 위한 단자부(35)는 발열층(31)의 양측단 상부에 띠 모양으로 형성되는 전도층일 수 있다. 이러한 단자부(35)는 금속페이스트를 스크린 인쇄 등의 인쇄방식으로 형성하거나, CVD, 스퍼터링 등의 증착방식으로 형성할 수 있다.
코팅층(33)은 단자부(35) 사이의 발열층(31) 상면 부위에 형성된다. 코팅층(33)은 열변색 필름부(20)의 열변색층(21)과 접한 상태로서 발열층(31)이 발열되면 열에너지를 열변색층(21)에 전달한다. 코팅층(33)은 발열층(31)의 전도 재료의 산화를 방지하고 열용량을 높이는 역할을 하기 위한 것으로 열용량이 높고 배리어(barrier) 특성이 우수한 소재를 채용한다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), PI(Polyimid), 부틸고부(IIR) 등과 같은 고분자 재료를 단독으로 사용하거나 고분자재료에 배리어특성을 개선하기 위해 몬모릴로나이트(MMT) 혹은 그래핀(Graphene)을 혼합하여 코팅층(33)으로 사용할 수 있다. 이를테면, 상술한 소재를 포함하는 용액을 발열층(31) 상에 도포한 후 열경화, 광경화 등의 경화하여 코팅층(33)을 형성할 수 있다.
열변색 필름부(20)는 기재부(23)와, 기재부(23) 상에 형성된 열변색층(21)을 포함한다.
기재부(23)는 투명한 필름으로서, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈렌, 고리형폴리올레핀(COP), 환상올레핀공중합체(COC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 트리아세틸셀룰로오스필름(TAC)이 적용될 수 있다.
열변색층(21)은 열변색 소재를 점착제나 접착제와 혼합한 후 기재부(23)에 도포하여 형성할 수 있다. 열변색 소재는 예를 들어 순수한 이산화바나듐 (VO2)이나 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 몰리브텐(Mo), 안티몬(Sb), 인듐(In) 중 하나 또는 하나 이상의 이종금속이 도핑된 이산화바나듐(Doped VO2)등이 사용될 수 있다.
본 발명의 복합형 스마트 윈도우 필름(10)은 상술한 열변색 필름부(20)와 발열 필름부(30)를 접착하여 형성한다. 접착은 상술한 바와 같이 열변색 필름부(20)의 열변색층(21)이 점착제 또는 접착제를 포함하고 있기 때문에, 별도의 접착제를 사용하지 않고, 열변색 필름부(20)와 발열 필름부(30)를 접착시킬 수 있다.
예를 들어, 열변색 필름부(20)와 발열 필름부(30)을 적층한 후 한 쌍의 압박롤러 사이를 통과시켜서 압착할 수 있다. 적층은 열변색 필름부(20)의 열변색층(21)이 발열 필름부(30)의 코팅층(33)이 형성된 면에 접하도록 배치한다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 스마트 윈도우 필름(10)은 여름철과 같이 태양광이나 태양열을 포함하는 외기 온도가 열변색 소재의 전이 온도 이상일 경우 열변색 필름부(20)가 변색 동작을 수행한다. 그 외, 사용자는 필요에 따라서 발열 필름부(30)에 전원을 인가하여 열변색 필름부(20)가 변색 동작을 수행하도록 한다. 이 경우에는 본 발명의 복합형 스마트 윈도우 필름(10)은 능동형 열변색 필름으로 동작하게 되는 것이다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 복합형 스마트 윈도우 필름 20: 열변색 필름부
21: 열변색층 23: 기재부
30: 발열 필름부 31: 발열층
33: 코팅층 35: 단자부

Claims (13)

  1. 열이 가해지면 광 투과율이 변경되도록 변색되는 열변색 필름부; 및
    전기가 인가되면 발열하여 상기 열변색 필름부에 열을 가하는 발열 필름부;를 포함하고,
    상기 열변색 필름부의 상기 변색은 자연에너지에 의한 열 또는 상기 발열 필름부에 의한 열에 의해 이루어지는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 필름부는 상기 열변색 필름부의 면에 접하고 투명한 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 발열 필름부는:
    전기가 인가되면 발열하는 발열층;
    상기 발열층 상에 형성되어 상기 발열층의 산화를 방지하는 코팅층; 및
    상기 발열층에 전기를 인가하기 위한 단자부;를 포함하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 발열층은 면저항이 10Ω/□ 이하인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 단자부는 상기 발열층 상의 양측단부에 각각 띠 형상으로 배치되는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 열변색 필름부는:
    기재층; 및
    상기 기재층 상에 형성되고 상기 발열필름부의 코팅층이 형성된 면과 접하는 열변색층;를 포함하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열변색층은 열변색 물질, 및 점착 또는 접착제를 포함하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열변색 물질은 이산화바나듐(VO2) 단독, 또는 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 몰리브텐(Mo), 안티몬(Sb), 및 인듐(In) 중의 하나 또는 하나 이상의 이종금속이 도핑된 이산화바나듐(doped VO2)인, 복합형 스마트 윈도우 필름.
  9. 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법으로서:
    열이 가해지면 광 투과율이 변경되도록 변색되는 열변색 필름부와 전기가 인가되면 발열하는 발열 필름부를 각각 준비하는 단계; 및
    상기 열변색 필름부와 상기 발열 필름부를 접착하는 단계;를 포함하고,
    상기 열변색 필름부의 상기 변색은 자연에너지에 의한 열 또는 상기 발열 필름부에 의한 열에 의해 이루어지는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열변색 필름부는 열변색 물질과 점착제 또는 접착제와 혼합한 후 혼합물을 기재에 도포하여 제조하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 접착은 상기 열변색 필름부와 상기 발열 필름부를 적층한 후 롤러로 가압하여 이루어지는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 발열 필름부는 소정 면저항을 가지는 발열층과, 상기 발열층 상에 형성되어 상기 발열층의 산화를 방지하는 코팅층과, 상기 발열층에 전기를 인가하기 위한 단자부를 포함하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 열변색 필름부를 상기 발열 필름부의 코팅층이 형성된 면에 접착하는 것인, 복합형 스마트 윈도우 필름을 제조하는 방법.
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