KR20190070372A - 온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물 - Google Patents

온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물 Download PDF

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KR20190070372A
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Abstract

본 발명은 온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 열방성 코팅용 조성물을 이용하는 경우, 영하의 날씨에도 얼지 않으면서 태양광의 효과적인 차광/투광 조절이 가능하다.

Description

온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물{Thermotropic Composition comprising Thermoresponsive Polymer}
본 발명은 온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물에 관한 것이다.
스마트 윈도우란, 태양광의 투과율을 요구에 따라 조절할 수 있는 창문을 말한다. 스마트 윈도우를 사용하면 집안으로 투과된 태양광으로부터 열 교환을 적절하게 조절할 수 있기 때문에 공기 조절 또는 가열을 통한 불필요한 에너지 사용을 억제할 수 있다. 예를 들면, 여름철에는 건물에 조사되는 많은 태양광을 반사시킴으로써 건물 내부가 과열되는 것을 방지할 수 있고, 겨울에는 태양열을 흡수하여 방 온기를 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 과거 대부분의 태양광 투과율 조절기술은 특정 투과율을 가진 필름을 윈도우 상에 장착하는 방식이 대부분이었다. 그러나, 스마트 윈도우는 태양광의 투과율을 요구에 맞게 조절할 수 있는 물질을 개발하여 윈도우에 삽입함으로써 필름을 장착하는 방식에 비해 태양광의 투과율 조절 효율이 대폭 상향되고, 동시에 사용자에게 고도의 편의성을 제공하는 장점을 지니고 있다. 이와 같은 장점에 힘입어, 스마트 윈도우는 현재 건축분야, 정보표시 등에 다양하게 적용되고 있으며, 주로 주택창호, 베란다 등 주택인테리어용으로 사용되고 있다. 특히 일본, 미국, 유럽 등의 선진국 등에서는 지속적으로 용도 개발을 하고 있으며, 일부 분야에서는 실제로 상용화되어 향후 급속한 시장 확대가 기대되고 있다.
스마트 윈도우에 사용되는 온도감응성 고분자(temperature-responsive polymer)는 온도의 변화를 감응하여 화학적/물리적으로 가역적인 특성을 가진 물질이다. 대표적인 온도감응성 고분자로는 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)가 있다. 이 물질은 온도의 상승에 따라 고분자 사슬의 친수성/소수성 균형의 변화로 인해 하한임계용액온도 (LCST, Lower Critical Solution Temperature) 부근에서 급격히 상변화가 일어나는 물질로, 기온이 LCST 온도보다 높을 경우, 고분자와 물 사이의 수소결합이 끊어져 고분자끼리 뭉쳐 불투명한 상태의 형태를 띠게 되고, LCST 온도보다 낮을 경우, 수소결합을 유지하여 투명한 상태를 유지하게 되는 것이다.
한편, 기존의 온도감응성 고분자는 어는점이 높아 우리나라처럼 겨울에 온도가 낮은 지역에서 적용하여 사용하는 것에 한계가 있는 문제점이 있어 왔다.
대한민국 등록특허 제10-1466274호 대한민국 등록특허 제10-1578823호
본 발명자들은 스마트 윈도우에 사용되는 온도감응성 고분자의 높은 어는점으로 인한 겨울철 어는 현상을 개선할 수 있는 열방성 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 온도감응성 고분자와 알코올을 혼합하는 경우에 빙점(freezing point)을 강하시키면서 온도에 따라 우수한 차광 효과를 나타냄을 규명함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 열방성 코팅용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 1 내지 25 중량부를 포함하는 열방성 코팅용 조성물을 제공한다.
본 발명자들은 스마트 윈도우에 사용되는 온도감응성 고분자의 높은 어는점으로 인한 겨울철 동결 현상을 개선할 수 있는 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 온도감응성 고분자와 알코올을 혼합하는 경우 빙점을 강하시키면서 온도에 따라 우수한 차광 효과를 나타냄을 규명하였다.
본 명세서에서 용어 ‘온도감응성 고분자’란, 외부 온도에 따라서 그 성질이 바뀌는 고분자로서 특정 온도에서 가역적인 졸-겔 상전이(sol-gel phase transition) 또는 부피 상전이(volume phase transition)가 일어나는 고분자를 의미한다. 상기 온도감응성 고분자의 이러한 상전이가 나타나는 온도를 임계 용해 온도(critical solution temperature)라 하고, 상전이에 대한 농도-온도 다이어그램에서 가장 낮은 상전이 온도를 하한임계용액온도(lower critical solution temperature, LCST)라 한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 온도감응성 고분자는 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)[poly(N-isopropylacrylamide)], 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)[ Poly(N,N-diethylacrylamide)], 폴리(N-에틸메타크릴아마이드)[ Poly(N-ethylmethacrylamide)], 폴리(메틸비닐에테르)[ Poly(methyl vinyl ether)], 폴리(2-에톡시에틸비닐에테르)[ Poly(2-ethoxyethyl vinyl ether)], 폴리(N-비닐카프로락탐)[ Poly(N-vinylcaprolactam)], 폴리(N-비닐아이소부티라마이드[Poly(N-vinylisobutyramide)] 및 폴리(N-비닐-n-부티라마이드)[ Poly(N-vinyl-n-butyramide)]로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 온도감응성 고분자이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 온도감응성 고분자는 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드) 및 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 온도감응성 고분자이다.
본 명세서에서 용어 ‘알코올’이란, 하이드록시기가 탄소원자에 결합된 유기 화합물을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 알코올은 일가 알코올(monohydric alcohol) 또는 다가 알코올(polyhydric alcohol)이다. 상기 일가 알코올은 하나의 하이드록시기가 탄소원자에 결합된 유기화합물로, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), n-부틸 알코올(n-butyl alcohol) 등을 포함한다. 상기 다가 알코올은 둘 이상의 하이드록시기가 탄소원자에 결합된 유기화합물로, 프로필렌글라이콜(propylene glycol), 에틸렌글라이콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol) 등을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 알코올은 일가 알코올이다.
본 발명의 다른 구체예에 있어서, 상기 일가 알코올은 에탄올이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 알코올은 다가 알코올이다.
본 발명의 다른 구체예에 있어서, 상기 다가 알코올은 프로필렌글라이콜이다.
본 명세서에서 용어, '열방성(thermotropic)'이란, 온도 변화에 의해 분자 구조가 변하는 성질을 의미한다. 구체적으로 열방성 물질은 LCST 이상에서는 현탁한 비등방성 용융상태가 되나, LCST 이하에서는 투명한 등방성 액체가 된다. 따라서, 본 발명의 열방성 코팅용 조성물은 온도에 따른 상전이를 통해 광투과를 조절할 수 있다.
본 발명의 열방성 코팅용 조성물은 특정 표면 층에 도포하여 적용할 수 있다. 예컨대, 건물의 창, 차량용 창 및 썬루프 등의 스마트 윈도우에 적용될 수 있다.
본 발명의 열방성 코팅용 조성물은 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 1 내지 25 중량부를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 열방성 코팅용 조성물은 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여, 알코올 1 내지 22 중량부, 1 내지 20 중량부, 1 내지 17 중량부, 1 내지 14 중량부, 1 내지 11 중량부, 2 내지 25 중량부, 2 내지 22 중량부, 2 내지 20 중량부, 2 내지 17 중량부, 2 내지 14 중량부, 2 내지 11 중량부, 3 내지 25 중량부, 3 내지 22 중량부, 3 내지 20 중량부, 3 내지 17 중량부, 3 내지 14 중량부, 3 내지 11 중량부 또는 3 내지 10 중량부를 포함한다.
본 발명의 열방성 코팅용 조성물은 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 류의 중량부가 25 중량부 초과인 경우, 침전물이 형성되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 열방성 코팅용 조성물은 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 류의 중량부가 1 중량부 미만인 경우, 열방성 코팅용 조성물의 빙점의 강하가 충분치 않아 영하의 온도에서 얼 수 있다.
본 발명의 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 1 내지 25 중량부를 포함하는 조성물은 열방성 코팅용 조성물이다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 열방성 코팅용 조성물은 가시광선(400 내지 780 nm) 또는 적외선(780 내지 1500 nm) 차광용이다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 온도감응성 고분자를 포함하는 열방성 코팅용 조성물을 제공한다.
(b) 본 발명의 열방성 코팅용 조성물을 이용하는 경우, 영하의 날씨에도 얼지 않으면서 효과적으로 차광/투광할 수 있다.
도 1은 열방성 코팅액의 침전에 대한 알코올 첨가의 영향을 나타낸다.
도 2는 열방성 코팅액의 동결 여부에 대한 알코올 첨가의 영향을 나타낸다.
도 3은 LCST 전후의 열방성 코팅액의 광투과 효과를 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.
실시예 1: 열방성 코팅액의 제조-1
상온에서 온도감응성 액상 고분자인 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(Poly(N-isopropylacrylamide, PNIPAAm) 및 알코올류(에탄올, 프로필렌글리콜 등)을 표 1과 같이 일정 비율을 반응기에 넣고 진동 3분 및 초음파 처리 30분을 진행하여 혼합하였다. 알코올 류 첨가에 의한 효과를 비교하기 위해, 폴리 (N-이소프로필아크릴아미드)로 구성된 비교예 1을 제조하였다.
구성성분 함량
(Vol%) 비교예 1 실시예 1-1-1 실시예 1-1-2 실시예 1-1-3 실시예 1-1-4 실시예 1-1-5 실시예 1-1-6
PNIPAm 100 100 100 100 100 100 100
에탄올 - 3 5 7 10 30 50
프로필렌 글리콜 - - - - - - -
(Vol%) 비교예 1 실시예 1-2-1 실시예 1-2-2 실시예 1-2-3 실시예 1-2-4 실시예 1-2-5 실시예 1-2-6
PNIPAm 100 100 100 100 100 100 100
에탄올 - - - - - - -
프로필렌
글리콜		 - 3 5 7 10 30 50
실시예 2: 열방성 코팅액의 제조-2
상온에서 온도감응성 액상 고분자인 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)(poly(N,N-diethylacrylamide), PDEAA)와 알코올류 (에탄올, 프로필렌글리콜 등)을 표 2와 같이 일정 비율을 반응기에 넣고 진동 3분 및 초음파 처리 30분을 진행하여 혼합하였다.
구성성분 함량
(Vol%) 비교예 2 실시예 2-1-1 실시예 2-1-2 실시예 2-1-3 실시예 2-1-4 실시예 2-1-5 실시예 2-1-6
PDEAA 100 100 100 100 100 100 100
에탄올 - 3 5 7 10 30 50
프로필렌
글리콜		 - - - - - - -
(Vol%) 비교예 2 실시예 2-2-1 실시예 2-2-2 실시예 2-2-3 실시예 2-2-4 실시예 2-2-5 실시예 2-2-6
PDEAA 100 100 100 100 100 100 100
에탄올 - - - - - - -
프로필렌
글리콜		 - 3 5 7 10 30 50
알코올 첨가에 의한 효과를 비교하기 위해, 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)로 구성된 비교예 2를 제조하였다.
실시예 3: 첨가제의 유무에 따른 열방성 코팅액의 침전 유무
첨가제의 유무에 따른 열방성 코팅액의 침전 유무를 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 2에서 제조한 열방성 코팅액을 상온에서 3시간 방치 후 침전 여부를 확인하였다. 알코올이 포함되지 않은 열방성 코팅액(비교예 1 및 2)은 침전 현상이 없음을 확인하였고, 첨가제가 들어간 실시예의 경우, 첨가제의 비율에 따라 침전 유무가 관찰되었다(도 1 및 표 3 내지 4).
따라서 첨가제의 함량에 따른 침전 현상이 나타나지 않는 조성비를 이용하여, 스마트 유리의 코팅액으로 사용될 수 있다.
- 실시예
1-1-1		 실시예
1-1-2		 실시예
1-1-3		 실시예
1-1-4		 실시예
1-1-5		 실시예
1-1-6
침전 유/무 무 무 무 무 유 유
- 실시예
1-2-1		 실시예
1-2-2		 실시예
1-2-3		 실시예
1-2-4		 실시예
1-2-5		 실시예
1-2-6
침전 유/무 무 무 무 무 유 유
- 실시예
2-1-1		 실시예
2-1-2		 실시예
2-1-3		 실시예
2-1-4		 실시예
2-1-5		 실시예
2-1-6
침전 유/무 무 무 무 무 유 유
- 실시예
2-2-1		 실시예
2-2-2		 실시예
2-2-3		 실시예
2-2-4		 실시예
2-2-5		 실시예
2-2-6
침전 유/무 무 무 무 무 유 유
실시예 4: 열방성 코팅액의 동결 여부 확인
첨가제의 유무에 따른 열방성 코팅액의 동결 여부를 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다. 실시예 3에서 침전이 관찰된 열방성 코팅액은 비교에서 제외하였다.
실시예 1 및 2에서 제조된 열방성 코팅액을 -10에서 각각 12시간 경과 후 동결 여부를 확인하였다. 알코올이 포함되지 않은 열방성 코팅액(비교예 1 및 2)은 -10에서는 얼어있는 형상을 나타내는 반면, 첨가제가 포함된 열방성 코팅액(실시예 1 및 2)은 -10에서 모두 얼지 않는 형상을 나타냄을 확인하였다(도 2 및 표 4).
따라서, 첨가제가 포함된 열방성 코팅액의 경우, 겨울철과 같은 저온에서도 사용할 수 있으며, 사계절 내내 스마트 유리의 코팅액으로 사용가능함을 확인하였다.
- 비교예
1		 실시예
1-1-1		 실시예
1-1-2		 실시예
1-1-3		 실시예
1-1-4
동결 여부
(@-10)		 O X X X X
- 비교예
1		 실시예
1-2-1		 실시예
1-2-2		 실시예
1-2-3		 실시예
1-2-4
동결 여부
(@-10)		 O X X X X
- 비교예
2		 실시예
2-1-1		 실시예
2-1-2		 실시예
2-1-3		 실시예
2-1-4
동결 여부
(@-10)		 O X X X X
- 비교예
2		 실시예
2-2-1		 실시예
2-2-2		 실시예
2-2-3		 실시예
2-2-4
동결 여부
(@-10)		 O X X X X
실시예 5: 열방성 코팅액의 광투과 확인
첨가제를 함유하는 열방성 코팅액의 광투과 특성을 확인하기 위해, 온도에 따른 투과율 변화를 측정하였다.
실시예 1 및 2에서 제조한 열방성 코팅액의 투과율을 UV-VIS-NIR 분광광도계 (V-770, JASCO社)를 이용하여 300~2500nm 파장영역에서 측정하였다. UV-VIS-NIR 분광광도계 내에 연결된 온도 조절 장치를 활용하여, LCST 이상/이하의 온도를 조절하고 이에 따른 투과율을 측정하여 표 5에 나타내었다. 첨가제가 포함된 코팅액 및 온도감응성 고분자 모두 LCST 이하에서는 광투과율이 90% 이상의 투과율을 보였으며, LCST 이상일 때는 모두 1% 이하의 투과율을 나타났다(도 3 및 표 5 내지 6).
따라서, 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 열방성 코팅액은 온도감응성 고분자를 포함함으로써 LCST에 따라 태양광의 투과/차단을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 비교예
1		 실시예 1-1-1 실시예 1-1-2 실시예 1-1-3 실시예 1-1-4
광투과율
(%)		 LCST(34℃)
이하		 550 nm
(가시광선)		 92.2 92.5 92.6 92.5 92.7
1188 nm
(적외선)		 81.7 81.8 81.8 81.9 82.2
LCST(34℃)
이상		 550 nm
(가시광선)		 0.12 0.13 0.13 0.14 0.13
1188 nm
(적외선)		 0.25 0.50 0.50 0.51 0.51
- 비교예
1		 실시예 1-2-1 실시예 1-2-2 실시예 1-2-3 실시예 1-2-4
광투과율
(%)		 LCST(34℃)
이하		 550 nm
(가시광선)		 92.2 92.5 92.6 92.5 92.8
1188 nm
(적외선)		 81.7 81.8 82.2 81.8 82.2
LCST(34℃)
이상		 550 nm
(가시광선)		 0.12 0.16 0.16 0.16 0.16
1188 nm
(적외선)		 0.25 0.48 0.50 0.51 0.51
- 비교예
2		 실시예 2-1-1 실시예 2-1-2 실시예 2-1-3 실시예 2-1-4
광투과율
(%)		 LCST(28℃)
이하		 550 nm
(가시광선)		 92.1 92.0 92.0 92.0 92.0
1188 nm
(적외선)		 81.8 81.7 81.7 81.7 81.7
LCST(28℃)
이상		 550 nm
(가시광선)		 0.15 0.19 0.19 0.19 0.19
1188 nm
(적외선)		 0.22 0.31 0.31 0.31 0.31
- 비교예
2		 실시예 2-2-1 실시예 2-2-2 실시예 2-2-3 실시예 2-2-4
광투과율
(%)		 LCST(28℃)
이하		 550 nm
(가시광선)		 92.1 90.2 90.2 90.2 88.3
1188 nm
(적외선)		 81.8 81.1 81.1 81.1 81.0
LCST(28℃)
이상		 550 nm
(가시광선)		 0.15 0.29 0.29 0.29 0.29
1188 nm
(적외선)		 0.22 0.50 0.50 0.51 0.52

Claims (4)

  1. 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 알코올 1 내지 25 중량부를 포함하는 열방성 코팅용 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도감응성 고분자는 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드), 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드), 폴리(N-에틸메타크릴아마이드), 폴리(메틸비닐에테르), 폴리(2-에톡시에틸비닐에테르), 폴리(N-비닐카프로락탐), 폴리(N-비닐아이소부티라마이드 및 폴리(N-비닐-n-부티라마이드)로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 온도감응성 고분자인 것을 특징으로 하는 열방성 코팅용 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 알코올은 일가 알코올(monohydric alcohol) 또는 다가 알코올(polyhydric alcohol)인 것을 특징으로 하는 열방성 코팅용 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열방성 코팅용 조성물은 가시광선 또는 적외선 차광용인 것을 특징으로 하는 열방성 코팅용 조성물.
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