KR20180135277A - 발열 진공 유리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열 진공 유리에 관한 것으로, 복수개의 투광성 물질이 소정 간격 이격된 적층 구조로 마련되어 실내외가 구획되도록 하며, 상기 소정 간격에 각각 공기층이 형성되도록 하여 실내외가 단열되도록 하는 복층 유리; 상기 복층 유리의 실내측 방향에 구비되는 투광성 물질에 적층 코팅되며, 인가되어 전도되는 전기에 의해 발열함으로써, 발열된 열에 의해 실내가 보온되도록 하는 나노 발열층; 실외와 상기 나노 발열층 사이에 마련되는 어느 하나의 공기층이 진공 상태로 마련됨으로써, 실내에서 나노 발열층에서 발열된 복사열을 제외한 전도열 및 대류열을 차단하여 실내 방향의 단방향으로 전달되도록 하는 진공 단열층; 상기 진공 단열층과 상기 나노 발열층 사이에 적층 코팅되어 상기 나노 발열층의 복사열을 흡수 및 재방사하여 실내방향의 단방향으로 전달되도록 하는 로이 단열층;을 포함함으로써, 유리면을 통해 전달되는 열의 전도, 대류, 및 복사 과정에 의한 열의 손실 경로를 모두 차단할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명에 의하면, 유리창 내부에 진공 단열층을 이용하여 열의 전도 및 대류에 의한 열의 손실 경로를 차단함과 동시에, 상기 진공 단열층과 함께 로이 단열층을 형성함으로써, 열의 복사에 의한 손실 경로를 차단하여 보다 효율적인 실내 단열 효과를 얻을 수 있으며, 상술한 열 손실 경로가 차단되는 구성과 함께 실내면에 발열 유리의 구성이 부가됨으로써, 종래의 등방성 열전달 구조와 달리, 발열된 열이 이방성, 즉, 실내방향으로 전량 전달되어 보다 효율적인 실내 보온 효과를 얻을 수 있다.

Description

발열 진공 유리{Heating vacuum glass}

본 발명은 발열 진공 유리에 관한 것이다.

일반적으로 건물 또는 차량 등에서 발생되는 에너지 손실은 벽체나 지붕, 그리고 창문 등을 통하여 이루어진다. 이 중에서 창문을 통한 에너지 손실은 전체 에너지 소비량의 약 10% ~ 30%를 차지하고 있는데 이는 건물을 구성하는 여러 요소 중 창문이 열적으로 가장 취약하기 때문이다.

창호는 조망과 채광 기능을 갖는 투과체로서 열손실과 동시에 불필요한 열 취득이 발생하는 건물 외피의 경로가 된다. 보통 창문의 단열성능은 외벽의 단열성능에 비해 6 ~ 10배 정도 낮은 열손실 취약부위로, 건물의 에너지성능에 매우 큰 영향을 미치는 요인이다.

그러므로, 열 손실을 줄이기 위해서는 단열성을 증가시켜야 하는데, 이는 창문을 통한 열전달 즉, 전도, 대류, 복사에 의한 열전달을 억제 시켜야 한다. 단열성 강화방법은 유리창의 열적 특성을 개선 시키는 방법과 창문 전체의 효율을 개선 시키는 방법으로 분류된다.

우선, 여러 방법 중 가장 많이 사용되는 방법으로는 유리창의 방사율을 줄여주거나(Low-E glass), 유리창의 수를 늘리거나(multiple window), 유리와 유리 사이를 진공으로 하는 방법(vacuum glazing) 등이 있다.

『대한민국공개특허공보 제10-2016-0064595호 (공개일: 2016년06월08일, 주식회사 엑스엘), 발명의 명칭: 내부 스페이서를 구비한 진공 단열유리창』에는 내부가 진공 상태인 이중 진공 유리창을 이용하여 실내외 간의 열전달이 차단되도록 하는 기술적 구성이 개시되어 있다.

한편, 창문은 상술한 바와 같이 열손실이라는 기본적인 문제뿐만 아니라, 그에 따른 결로의 발생으로 인한 재실자가 느끼게 되는 불쾌적감, 창문 근처에서의 냉복사로 인한 열적 불쾌적감의 문제도 가지고 있다.

『대한민국등록특허공보 제10-1678953호 (공고일: 2016년11월23일, 주식회사 알루이엔씨), 발명의 명칭: 발열유리를 구비한 탈착식 내부 덧창 시스템』에는 실내 온도 조절이 가능하도록 기존 창호에 덧댈 수 있는 탄소나노튜브 소재의 발열유리를 구비한 탈착식 내부 덧창 시스템의 기술적 구성을 개시하여 실내 보온과 함께 창문의 결로 현상을 제거하는 구성이 개시되어 있다.

그러나, 보통 발열된 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 쉬이 전달되는 경향이 있어, 상술한 발열 유리에 의한 실내 가열 또는 보온 기술의 구성은 실내 온도를 부가하기보다 발열된 열이 손쉽게 외부로 유출되는 한계를 가지고 있다.

또한, 진공 단열유리창의 구성 역시 진공 단열층에 의해 열의 전도 및 대류에 의한 열손실은 경감할 수는 있으나, 열의 복사에 의한 열손실은 경감할 수 없는 한계를 가지고 있다.

따라서, 유리의 기본적이며 주요한 기능인 조망, 채광, 환기의 기능을 고루 갖추면서 앞서 언급한 열손실뿐만 아니라 결로 발생 및 냉복사로 인한 열적 불쾌감을 저감할 수 있는 단열 유리의 개발이 필요하다.

특허문헌 (0001) 『대한민국공개특허공보 제10-2016-0064595호 (공개일: 2016년06월08일, 주식회사 엑스엘), 발명의 명칭: 내부 스페이서를 구비한 진공 단열유리창』 특허문헌 (0002) 『대한민국등록특허공보 제10-1678953호 (공고일: 2016년11월23일, 주식회사 알루이엔씨), 발명의 명칭: 발열유리를 구비한 탈착식 내부 덧창 시스템』

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 유리면을 통해 전달되는 열의 전도, 대류, 및 복사 과정에 의한 열의 손실 경로를 모두 차단할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 실내외의 온도차를 경감함으로써, 실외로 쉬이 유출되는 열의 손실을 저감하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

더불어, 유리 본연의 기능인 조망, 채광, 환기의 기능을 훼손하지 않으면서, 상술한 목적을 구현할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 복수개의 투광성 물질이 소정 간격 이격된 적층 구조로 마련되어 실내외가 구획되도록 하며, 상기 소정 간격에 각각 공기층이 형성되도록 하여 실내외가 단열되도록 하는 복층 유리; 상기 복층 유리의 실내측 방향에 구비되는 투광성 물질에 적층 코팅되며, 인가되어 전도되는 전기에 의해 발열함으로써, 발열된 열에 의해 실내가 보온되도록 하는 나노 발열층; 및 실외와 상기 나노 발열층 사이에 마련되는 어느 하나의 공기층이 진공 상태로 마련됨으로써, 실내에서 나노 발열층에서 발열된 열 중, 복사열을 제외한 전도열 및 대류열을 차단하여, 상기 차단된 열이 실내 방향의 단방향으로 전달되도록 하는 진공 단열층;을 포함한다.

상기 진공 단열층과 상기 나노 발열층 사이에 적층 코팅되어 상기 나노 발열층의 복사열을 흡수 및 재방사함으로써, 상기 재방사된 열이 실내방향의 단방향으로 전달되도록 하는 로이 단열층;을 더 포함할 수 있다.

상기 진공 단열층과 상기 실외측 방향에 마련되는 어느 하나의 투광성 물질에 적층 코팅되어 태양광의 적외선을 흡수 및 발열함으로써, 상기 복층 유리의 내부 온도를 높여 실내와 실외의 온도차를 격감하는 적외선 흡수층;을 더 포함할 수 있다.

상기 나노 발열층은, 그래핀(graphene) 소재로 마련되어 상기 투광성 물질에 적층 코팅됨으로써, 전기 및 열이 전도되도록 하는 투명전극; 및 상기 투명전극과 연결됨으로써, 상기 투명전극에 전극이 인가되도록 하며, 인가되는 전압에 따라 전극 간의 간격이 조절되어 형성되는 전극부;를 포함할 수 있다.

상기 투명전극은, 내부 중심이 중공된 형상으로 상기 투광성 물질의 테두리를 따라 적층 코팅되어 전류와 열을 상기 투광성 물질의 테두리를 따라 전도되게 하며, 상기 전극부는, 인접한 전극의 극성이 각각 또는 일정 배열 간 교차하여 상기 투명전극과 연결됨으로써, 인가되는 전압이 인접한 전극으로 전도될 수 있다.

상기 투명전극은, 상기 투광성 물질의 모서리 또는 다각 형상의 각 면에 원형 또는 상기 다각 형상과 동일한 형상으로 각각 마련되되, 상호 등거리 또는 대칭되는 구조로 마련될 수 있다.

상기 복층 유리는, 창문틀에 설치된 콘센트에 기계적으로 접속되어 상기 전극부에 공급되는 전기를 제공받는 플러그;를 더 포함하며, 상기 복층 유리가 열고 닫힘으로써, 상기 플러그가 상기 콘센트에 접속 또는 접속 해제되어 상기 나노 발열층의 발열이 동작될 수 있다.

본 발명의 다른 태양으로 내부에 공기층이 형성되며, 일측이 투광성 물질로 마련되는 복층 유리; 그래핀(graphene)으로 마련되어 상기 일측의 내면에 적층 코팅되며, 인가되어 전도되는 전기에 의해 발열되는 나노 발열층; 및 상기 공기층이 진공 상태로 마련됨으로써, 상기 나노 발열층에서 발열된 열 중, 복사열을 제외한 전도열 및 대류열을 차단하여, 차단된 열이 상기 일측의 투광성 물질 방향의 단방향으로 전달되도록 하여 물체를 가열하는 진공 단열층;을 포함한다.

타측의 내면에 적층 코팅되어 상기 나노 발열층의 복사열을 흡수 및 재방사함으로써, 재방사된 열이 상기 일측의 투광성 물질 방향의 단방향으로 전달되도록 하여 물체를 가열하는 로이 단열층;을 더 포함할 수 있다.

상술한 과제의 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 유리창 내부에 진공 단열층을 이용하여 열의 전도 및 대류에 의한 열의 손실 경로를 차단함과 동시에, 상기 진공 단열층과 함께 로이 단열층을 형성함으로써, 열의 복사에 의한 손실 경로를 차단하여 보다 효율적인 실내 단열 효과를 얻을 수 있다.

둘째, 상술한 열 손실 경로가 차단되는 구성과 함께 실내면에 발열 유리의 구성이 부가됨으로써, 종래의 등방성 열전달 구조와 달리, 발열된 열이 이방성, 즉, 실내방향으로 전량 전달되어 보다 효율적인 실내 보온 효과를 얻을 수 있다.

셋째, 투광도가 높은 로이 단열층, 적외선 흡수층 및 그래핀의 구성을 통해, 유리 본연의 기능인, 조망, 채광 및 환기의 기능을 유지하면서, 상술한 보온 및 단열 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조에 따라 열이 유입되는 과정을 나타내는 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀으로 마련되는 투명전극과 전극부의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 창틀에 마련되어 공급되는 전기를 기계적으로 개폐하는 커넥터를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단방향으로 전달되는 발열된 열을 통해 음식이 가열되는 일례를 나타내는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

본 발명은 크게 그래핀 투명전극 및 진공유리의 구성을 이용한 이방성 열전달 기술과, 그래핀 투명전극의 구조에 따른 발열 기술, 및 발열 기능을 창틀의 개폐 동작을 통해 기계적으로 실시하는 발열 동작을 제어하는 기술로 구성된다.

우선, 그래핀 투명전극과 진공유리를 이용한 이방성 열전달 기술에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조를 나타내는 측단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리의 내부 구조에 따라 열이 유입되는 과정을 나타내는 분해도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발열 진공 유리(100)는 열이 손쉽게 유출되는 투광성 물질(이하, '유리'라 한다)을 통해 전도, 대류, 복사에 의해 유출되는 열의 유출 경로를 차단하는 복수의 단열층을 마련하고, 이와 함께 유리 자체를 발열시키되, 발열된 열이 상기 복수의 단열층에 의해 다시 실내로 유입되도록 함으로써, 보다 효율적으로 실내를 단열 및 보온할 수 있다.

또한, 나아가, 태양광을 흡수하여 유리 내부를 가열함으로써, 실내외 온도차를 격감하여 부가적으로 실내를 단열할 수 있는 구성을 포함한다.

본 발명의 발열 진공 유리(100)는 상술한 기능을 수행하기 위해, 복층 유리(110), 나노 발열층(120), 진공 단열층(130), 로이 단열층(140) 및 적외선 흡수층(150)의 구성을 포함한다.

복층 유리(110)는 창문의 조망과 채광 기능 및 환기 기능을 제공하기 위해, 투광성 물질로 마련되며, 실내 공간을 구획하는 내측 유리(111), 실외에 노출되는 외측 유리(112)를 기본으로 하는 이중 복합 창호로 구성되거나, 내측 유리(111)와 외측 유리(112) 사이에 마련되는 중간 유리(113)가 더 포함되어 삼중 복합 창호로 구성될 수 있다. 또한, 목적에 따라 중량 증가의 한계가 있으나 다수의 유리들이 일정 간격으로 배치되어 구성될 수 있음은 물론이다.

여기서, 투광성 물질이라 함은 유리, 폴리아크릴, 폴리에틸렌 등의 소재로, 빛의 반사량 및 산란량을 포함한 적정 투광도(透光度, transmitancy)를 갖도록 마련되며, 보안 및 안전을 위하여 적정 강도 및 경도를 갖도록 마련될 수 있으며, 발열에 의한 열적 스트레스에 견디기 위해 적정한 내열성을 갖는 소재로 마련되는 것이 바람직하다.

나노 발열층(120)은 복층 유리(110)에 적층 코팅되어 발열함으로써, 유리를 통해 쉬이 유출되는 실내 열을 단열 및 보온할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 내측 유리(111)와 같이 실내측에 직접적으로 맞닿아 있는 복층 유리(110)의 내부면에 설치되는 구성을 상정하여 도시하고 설명하였으나, 때에 따라 실내측에 근접한 유리에 설치하는 것 역시 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 물론이다. 이때, 나노 발열층(120)은 전기적 저항에 의한 발열을 하게 되며, 유리의 조망 및 채광 기능을 보장하기 위해 투명전극(121)으로 구성될 수 있다.

여기서, 투명전극(121)이란 광학적으로 가시광선 영역에서 높은 투광도를 가지며, 동시에 전기적으로 전도성을 가지는 물질로, 인듐 산화물, 금속 산화물, 폴리아세틸렌, 금속나노와이어, 탄소나노튜브 및 그래핀의 구성이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 그래핀의 구성을 상정하여 도시하고 설명한다.

상술한 투명전극(121)의 상세한 설명은 후술될 도 4에 다시 상세히 설명하기로 한다.

진공 단열층(130)은 내측 유리(111)와 외측 유리(112) 사이에 열전달 매질인 공기를 제거하거나 내측과 중간 유리(111, 113) 또는 별도의 진공 유리가 사용되어 매질에 의한 열의 전도 및 대류에 의한 열손실을 저감한다. 진공 단열층(130)은 최근 고진공 구현 방식인 진공챔버방식으로 10^{- 6}torr의 내부 압력을 구현할 수 있으며, 외부의 대기압 사이에 큰 압력차를 상쇄시키기 위해 층 내부에 미세한 지지대가 여러 개 설치된다. 그리고, 모서리 부분은 밀봉상태를 완벽하게 유지시키기 위하여 유리 계통의 재질로써 용접되어 있으며, 창 내부의 공기를 뽑아내기 위한 tube가 진공 단열층(130)의 한 면에 설치된다.

이러한 구조하에서 진공 단열층(130)의 복사 열전달, 지지대나 유리창 모서리 부분을 통한 열전도, 낮은 압력하에서 잔류가스를 통한 열전도 등을 최소화시키면서도 대기압과 내부진공상태의 압력차에 따른 지속적인 응력, 풍압, 간헐적인 응력 등에 장기간 동안 안정성 있게 유지될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

진공 단열층(130)은 단열층 내부 압력, 유리의 간격, 지지대를 통한 열관류 및 유리의 표면방사율에 따라 단열 효과가 달라질 수 있다. 내부 압력이 10^{- 3}torr이하 10^{- 4}torr일 때, 가장 높고, 유리의 간격에 따른 단열 성능은 거의 차이가 없으나 인장강도를 고려하여 0.2mm일 때, 가장 효율이 높으며, 지지대의 지름 및 배치간격은 0.2mm와 23mm 일때, 열관류율이 가장 낮다.

로이(Low-E:low-emissivity) 단열층(140)은 근적외선을 반사시켜, 전체 열 취득 계수는 낮추면서도 높은 빛 투광성은 유지하도록 하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 진공 단열층(130)과 나노 발열층(120) 사이에 적층 코팅되어 실내 온도의 복사열뿐만 아니라 나도 단열층에서 발열된 복사열을 실내로 반사하여 복층 유리(110)의 열관류율을 낮춤으로써, 실내 단열 및 보온 기능을 수행한다.

다시 말해, 진공 단열층(130)을 통해 열의 전도 및 대류에 의한 열전달을 차단할 때, 진공 단열층(130)과 나노 발열층(120) 사이에 로이 단열층(140)이 형성되어 열의 복사에 의한 열전달을 차단함으로써, 보다 효과적인 실내 보온 및 단열을 가능하게 한다.

일반적으로, 복사열 중 적외선이 자외선이나 가시광선에 비해 강한 열작용을 하므로, 로이 단열층(140)을 외측 유리(112)에 설치하여 태양광 또는 여타의 적외선 복사열을 차단함으로써 실내 냉방 효율을 높일 수 있다. 또한, 로이 단열층(140)을 내측 유리(111)에 설치하여 실내에서 복사되어 유출되는 적외선을 차단함으로써, 실내 난방 효율을 높일 수 있다. 또한, 열 스트레스 발생 확률을 최소화하기 위한 목적 등으로 코팅의 위치를 달리할 수 있다.

적외선 흡수층(150)은 높은 가시광 투과도를 가지면서 근적외선 영역에서 높은 흡광 특성을 가져 낮은 적외선 투과율을 가지는 박막 층으로 외측 유리(112)의 내면에 적층 코팅된다. 적외선 흡수층(150)은 가시광 투과율이 70% 이상(550 nm 파장 기준), 근적외선 투과율은 20% 이하(1000 nm 파장 기준)의 특성을 갖도록 마련되어, 근적외선을 흡수하여 발열 특성을 보임으로써, 나노 발열층(120)과 함께 또 하나의 투명 발열층을 형성할 수 있다. 이때, 적외선 흡수층(150)은 냉방을 위해 설치되는 외측 유리(112)의 로이 단열층(140) 대신 설치되어 내부 단열 및 보온 효과를 증대시킬 수 있다.

여기서, 적외선 흡수층(150)에 사용되는 적외선 흡수물질은 파장 700nm ~ 1500nm 영역에서 빛을 흡수하는 물질이며, 일례로, 구리 나노입자, ATO, 인듐 주석 산화물(ITO), 또는 폴리머에, 실리카나 폴리실라젠이 함유된 물질로 구현될 수 있다. 다른 예로, 적외선 흡수층(150)에 사용되는 적외선 흡수물질은 디이모늄계 색소, 구리 이온과 아연 이온을 함유하는 화합물 색소, 시아닌계 색소, 안트라퀴논계 색소, 스쿠아릴륨계, 아조메틴계, 아조계 또는 벤질리덴계 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 예건대, 고분자 수지필름에 적외선 흡수물질은 디이모늄 계열의 적외선 흡수 색소를 1.0 중량%, 2.0 중량% 이하 함유될 수 있다.

도 1 내지 도 3의 내용을 정리하여 약술하면, 본 발명의 일 실시예에서 도시하고 설명하는 발열 진공 유리(100)의 설치 구조는 우선, 복층 유리(110) 내부에 진공 단열층(130)을 설치하여, 실내외의 열의 전도 및 대류에 의한 열손실을 차단하고, 진공 단열층(130)에 다시 로이 단열층(140)을 형성함으로써, 열의 복사에 의한 열손실을 차단함으로써, 실내의 단열을 도모할 수 있다. 이때, 실내측에 나노 발열층(120)으로 구성되는 발열층을 형성하여 실내측을 가열함으로써, 가열된 열이 등방성이 아닌 이방성 즉, 실내 방향을 지향하여 실내 단열 효과는 물론 실내의 보온 효과를 창출할 수 있다.

나아가, 외측 유리(112)에 로이 단열층(140) 대신 적외선 흡수층(150)을 형성하여, 실내측의 나노 발열층(120)과 더불어 실외측에 또 하나의 발열층을 형성할 수 있다. 적외선 흡수층(150)의 발열은 진공 단열층(130) 및 로이 단열층(140)에 의해 열교환이 차단될 수 있겠으나, 적외선 흡수층(150)을 통해 복층 유리(110) 내부를 가열함으로써, 실내외의 온도차를 저감하여 창틀(S) 또는 진공 단열층(130)을 통해 미세하게 손실되는 열의 전달을 경감할 수 있으므로, 실내의 보온 및 단열 효과를 한층 부가할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 그래핀 투명전극으로 구성되는 나노 발열층의 세부 구성에 따른 발열 기술에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀으로 마련되는 투명전극과 전극부의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 나노 발열층(120)은 그래핀에 전기를 인가하여 발열시킴으로써, 유리 전면에서 발열된 열을 통해 실내를 보온 또는 가열하는 것으로, 투명전극(121) 및 전극부(122)로 구성된다.

투명전극(121)은 투광도가 매우 높고 전기적 및 열적 전도도가 매우 높은 그래핀으로 구비되어 유리 본연의 기능인 조망 및 채광 기능을 보장하면서, 인가되는 전류를 통해 발열하며, 발열된 열은 다시 그래핀을 통해 빠르게 유리 전면을 향해 전도될 수 있다.

이때, 투명전극(121)은 유리면 전체에 적층 코팅됨으로써, 인가된 전류와 함께 발열된 열이 유리면의 전체 면으로 빠르고 고르게 전달되게 하는 것이 바람직하다.(도 4a 참조) 그러나, 생산 단가가 비싼 그래핀의 사용량을 줄이기 위해, 유리면의 테두리를 따라 내부가 중공된 형태로 적층 코팅되어 전류가 인가될 수 있음은 물론이다.(도 4b 참조)

여기서, 투명전극(121)에 사용되는 물질은, 가장 널리 사용되는 인듐 산화물(Sn:In₂O_3, ITO; indium tin oxide)과 인듐 산화물의 희소성으로 인해 대체 물질로 개발된 금속 산화물, 할로겐 원소가 도핑된 폴리아세틸렌, 금속나노와이어, 탄소나노튜브 등이 있다. 그러나, 화학적 안정성의 문제, 투명도의 문제, 생산 공정과 비용의 문제 또는 탄소나노튜브와 같이 뛰어난 기계적 특성, 유연성, 화학적 안정성 등의 장점에 비해 높은 면저항을 갖는 문제로 인해, 본 발명의 일 실시예에서는 그래핀을 투명전극(121)으로 상정하여 설명한다.

그래핀(graphene)은 흑연으로부터 간단하게 접착테이프를 이용하여 그래핀을 기계적으로 박리할 수 있는 장점은 물론, 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 또한, 200,000cm²/v·s의 매우 높은 전자이동도, ~5000W/m·K의 높은 열전도도, ~1.0Tpa의 영 계수를 갖고 있으며, 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한, 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%에 이른다. 구리보다 100배 이상의 전기적 전도도와 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있으며, 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상의 열전도도를 갖고 있다. 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

전극부(122)는 투명전극(121)에 전류를 인가하기 위해, 유리면의 테두리에서 투명전극(121)을 향해 연장형성되는 다수개의 돌출된 전극으로 구성된다.

전극부(122)는 구리, 알루미늄, 철강, 아연 및 각 금속의 혼합재료, 흑연성분의 탄소성형 화합물 및 탄소테이프 중 어느 하나 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 전극부(122)의 배열을 구성할 때에는 전류의 흐름을 고르게 하기 위하여 두께뿐만 아니라 높이를 일정하게 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 투명전극(121)에서 발생하는 발열량은 전극부(122)의 간격과 밀접한 관련이 있다. 전극부(122)의 간격이 조밀할수록 같은 전력 또는 전압으로 높은 발열량을 생성해낼 수 있다.

그러나, 전극부(122)의 간격을 조밀하게 형성하기 위해, 전극부(122)를 유리 전면에 걸쳐 형성하는 것은 유리면의 조망과 채광 기능을 훼손하게 될 수 있어, 전극부(122)를 유리 테두리로부터 소정 간격 돌출되는 다수개의 전극을 통해 전류가 인가되도록 구성하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명의 발열 진공 유리(100)는 건물 또는 차량 등에 사용되어 사용자와 근접한 거리에서 사용될 수밖에 없으며, 이에, 안전사고를 고려하여 그리 높은 전압을 인가하기에는 무리가 있어, 5V, 600Ω 정도의 전력이 인가되는 것이 바람직하다.

따라서, 유리 테두리를 따라 각각의 전극 패턴을 형성하여 전류가 흐르는 전극 간의 거리를 제어하는 것이 필요하다.

일반적으로, 동전압에서 발열량은 기존 간격(d1)과 조밀해진 간격(d2)이 있을 때, (d1/d2)²의 비율로 증가한다. 따라서, 전극 간의 간격은 인가되는 전압, 설치되는 전극의 비용, 전극의 길이, 설치되는 구조에 따라 각기 다른 간격으로 배열되어 설치되는 것이 바람직하다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는 투명전극(121)과 전극부(122)를 유리 테두리면을 따라 내부가 중공된 형태로 형성하되, 전류의 흐름을 유리면 전체를 따라 형성되게 하는 것이 아닌 전극의 극성을 엇갈리게 교차 형성하여 전류의 흐름이 근접한 전극으로 향하도록 할 수 있다.

이를 통해, 유리 테두리에서의 결로를 현상을 경감할 수 있으며, 유리면 중심으로 전달되는 열을 통해 냉복사 역시 경감함으로써, 그에 따른 사용자의 불쾌적감을 경감할 수 있다.

나아가, 내부가 중공된 형태에 다시 그래핀의 투명전극(121)을 단전된 상태로 유리면의 전체를 커버(164)할 수 있도록 형성함으로써, 테두리면의 그래핀은 발열 기능을 전담하고, 중공된 내부의 그래핀은 열전도를 담당하도록 마련하여 테두리에서 발생한 열이 내부로 빠르고 고르게 전달되도록 할 수 있다.(도 4c, 4d 참조)

또한, 전극부(122)의 설치 구조 또는 배열에 따라 투명전극(121)의 크기 또는 형상 역시 연동되게 변경될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 유리의 사각 모서리 또는 네 면의 중단에 각각 부분적으로 단전된 투명전극(121)을 마련하고, 전류를 인가함으로써, 발열된 열이 유리면 전체를 따라 고르게 전도되도록 할 수 있다.(도 4e, 4f 참조)

이에, 형성되는 투명전극(121)은 사각 형상이거나, 고른 열전도를 위해 원형의 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 각각 형성되는 투명전극(121)은 유리의 가로와 세로 비율에 따라 상하 또는 좌우면의 형상이 대칭되게 형성되는 것이 바람직하며, 유리면의 중심으로부터 등거리로 형성되는 것이 바람직하다.

아래에서는, 창틀의 개폐동작에 따라 상술한 투명전극의 발열 동작을 제어하는 기술에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 창틀에 마련되어 공급되는 전기를 기계적으로 개폐하는 커넥터를 나타내는 개략도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 커넥터(160)는 나노 발열층(120)에 전기를 공급하기 위해 마련되는 것으로, 일반적으로 유리창 또는 유리문이 폐쇄 상태일 때, 전류가 흐를 수 있도록 마련되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 창문의 폐쇄 지점에 커넥터(160)를 설치함으로써, 별도의 센서를 마련하지 않고서도, 창문의 기계적인 폐쇄를 통해 나노 발열층(120)에 전기를 인가하여 실내의 단열 및 보온 기능을 수행할 수 있다.(도 5a 참조)

여기서, 폐쇄 지점에 형성되는 커넥터(160)는 창문틀(WF) 지점에 마련된 탄성 스프링(163)의 탄성력에 의해 융기 또는 하강하는 콘센트(162)가 설치되고, 창틀(S) 지점에 돌출된 플러그(161)를 구비하여, 창문이 폐쇄될 때, 플러그(161)가 창문틀(WF)의 커버(164)를 밀어 넣어 노출되는 콘센트(162)에 접속 및 통전되도록 함으로써, 안전사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 창문틀(WF) 상부를 따라 노출된 콘센트(162)가 연장형성되거나, 일정 간격으로 설치됨으로써, 창문이 개방된 상태에서도 단전 없이 전기가 인가되도록 하거나, 환기를 위해 일정 간격 개방된 상태에서 전기가 인가되도록 할 수 있다.(도 5b, 5c 참조)

나아가, 두 짝의 여닫이 창문의 경우, 대칭되는 양 끝단의 창문틀(WF)에 도 4a 에서 설명한 탄성 스프링(163)이 마련된 콘센트(162)가 각각 마련되어 전기를 인가하되, 두 짝의 창문이 폐쇄된 상태, 즉, 창틀(S)이 서로 마주보도록 접촉한 상태에서 전기를 통전시킬 수 있도록 연결 커넥터(165)를 구성하여, 양 창문이 모두 폐쇄된 상태에서만 양 창문의 발열 기능이 동작되도록 할 수 있다.(도 5d 참조)

이하에서는, 본 발명의 이방성 열전달 기술이 실내 단열뿐만 아니라 다른 분야에 응용되어 사용될 수 있는 일례에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단방향으로 전달되는 발열된 열을 통해 음식이 가열되는 일례를 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 진공 유리는 복층 유리의 투광도와 나노 발열층을 통한 발열 및 진공층을 이용하여 실내 단열을 가능하게 하는 구성으로 사용될 수 있으나, 이방성의 단방향 열전달 기술을 이용하여 물체를 가열하는 수단으로 사용될 수 있다.

구체적으로, 나노 발열층을 진공유리 내면 전체에 적층 코팅한 상태에서 전극부에 비교적 고압의 전기를 인가하여 나노 발열층을 발열시키고, 진공 단열층 및 로이 단열층의 복사, 전도, 단열 구성을 통해 발열된 열이 대칭된 단방향으로 전달되도록 함으로써, 물체 또는 음식을 가열할 수 있다.

예를 들어, 가스레인지를 대체하는 전기레인지의 구성은 보통 열선이 들어 있는 금속판을 가열함으로써, 물체 또는 음식이 담겨진 냄비를 가열하는 방식으로 사용된다. 그러나, 본 발명의 이방성 열전달 기술은 열선 대신 그래핀이라는 투명 전극을 사용하여 진공 단열층 내부를 가열함으로써, 종래 전기레인지의 복잡한 구성 및 중량 문제 등을 해결할 수 있다.

이때, 발열 방향과 대칭된 면의 유리, 즉, 중간 유리는 유리가 아닌 불투명 재질로 사용될 수 있음은 물론이다. 다시 말해, 실내 단열을 위한 구성에서는 중간 유리 표면에 로이 단열층이 형성되어 복사열을 차단하는 기능을 하였으나, 물체를 가열하기 위한 구성에서는 중간유리 대신 복사열을 차단할 수 있는 다른 구성이 사용됨으로써, 보다 간편한 구성을 통해 상술한 기능을 수행할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.

100 : 발열 진공 유리
110 : 복층 유리
111 : 내측 유리
112 : 외측 유리
113 : 중간 유리
120 : 나노 발열층
121 : 투명전극
122 : 전극부
130 : 진공 단열층
140 : 로이 단열층
150 : 적외선 흡수층
160 : 커넥터
161 : 플러그
162 : 콘센트
163 : 탄성 스프링
164 : 커버
165 : 연결 커넥터
S : 창틀 WF : 창문틀

Claims (9)

1. 복수개의 투광성 물질이 소정 간격 이격된 적층 구조로 마련되어 실내외가 구획되도록 하며, 상기 소정 간격에 각각 공기층이 형성되도록 하여 실내외가 단열되도록 하는 복층 유리;
   상기 복층 유리의 실내측 방향에 구비되는 투광성 물질에 적층 코팅되며, 인가되어 전도되는 전기에 의해 발열함으로써, 발열된 열에 의해 실내가 보온되도록 하는 나노 발열층; 및
   실외와 상기 나노 발열층 사이에 마련되는 어느 하나의 공기층이 진공 상태로 마련됨으로써, 실내에서 나노 발열층에서 발열된 열 중, 복사열을 제외한 전도열 및 대류열을 차단하여, 상기 차단된 열이 실내 방향의 단방향으로 전달되도록 하는 진공 단열층;을 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 진공 단열층과 상기 나노 발열층 사이에 적층 코팅되어 상기 나노 발열층의 복사열을 흡수 및 재방사함으로써, 상기 재방사된 열이 실내방향의 단방향으로 전달되도록 하는 로이 단열층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 진공 단열층과 상기 실외측 방향에 마련되는 어느 하나의 투광성 물질에 적층 코팅되어 태양광의 적외선을 흡수 및 발열함으로써, 상기 복층 유리의 내부 온도를 높여 실내와 실외의 온도차를 격감하는 적외선 흡수층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 나노 발열층은,
   그래핀(graphene) 소재로 마련되어 상기 투광성 물질에 적층 코팅됨으로써, 전기 및 열이 전도되도록 하는 투명전극; 및
   상기 투명전극과 연결됨으로써, 상기 투명전극에 전극이 인가되도록 하며, 인가되는 전압에 따라 전극 간의 간격이 조절되어 형성되는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 투명전극은,
   내부 중심이 중공된 형상으로 상기 투광성 물질의 테두리를 따라 적층 코팅되어 전류와 열을 상기 투광성 물질의 테두리를 따라 전도되게 하며,
   상기 전극부는,
   인접한 전극의 극성이 각각 또는 일정 배열 간 교차하여 상기 투명전극과 연결됨으로써, 인가되는 전압이 인접한 전극으로 전도되는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 투명전극은,
   상기 투광성 물질의 모서리 또는 다각 형상의 각 면에 원형 또는 상기 다각 형상과 동일한 형상으로 각각 마련되되, 상호 등거리 또는 대칭되는 구조로 마련되는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
7. 제 4항 내지 제6항에 있어서,
   상기 복층 유리는,
   창문틀에 설치된 콘센트에 기계적으로 접속되어 상기 전극부에 공급되는 전기를 제공받는 플러그;를 더 포함하며,
   상기 복층 유리가 열고 닫힘으로써, 상기 플러그가 상기 콘센트에 접속 또는 접속 해제되어 상기 나노 발열층의 발열이 동작되는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
8. 내부에 공기층이 형성되며, 일측이 투광성 물질로 마련되는 복층 유리;
   그래핀(graphene)으로 마련되어 상기 일측의 내면에 적층 코팅되며, 인가되어 전도되는 전기에 의해 발열되는 나노 발열층; 및
   상기 공기층이 진공 상태로 마련됨으로써, 상기 나노 발열층에서 발열된 열 중, 복사열을 제외한 전도열 및 대류열을 차단하여, 차단된 열이 상기 일측의 투광성 물질 방향의 단방향으로 전달되도록 하여 물체를 가열하는 진공 단열층;을 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.
9. 제 8항에 있어서,
   타측의 내면에 적층 코팅되어 상기 나노 발열층의 복사열을 흡수 및 재방사함으로써, 재방사된 열이 상기 일측의 투광성 물질 방향의 단방향으로 전달되도록 하여 물체를 가열하는 로이 단열층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   발열 진공 유리.

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