KR20190103598A - 스마트 윈도우 필름 제조 방법 및 이에 의해 제조된 스마트 윈도우 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 분산형 액정(PDLC: Polymer Dispersed Liquid Crystal)을 이용하여 스마트 윈도우 필름(smart window film)을 제조하는 기술에 관한 것으로, 특히 은 나노와이어(Ag nanowire)와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 방법으로 투명전극을 제조함으로써 기존의 은 나노와이어를 고정하는 공정을 생략, 투명전극의 전도성 향상, 스마트 윈도우의 유연성 향상시킬 수 있는 스마트 윈도우 필름 제조 방법 및 이에 의해 제조된 스마트 윈도우 필름에 관한 것이다.
본 발명의 스마트 윈도우 필름 제조 방법은 (a) 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 혼합용액을 이용하여 제1 기판에 도포하는 단계; (b) 상기 혼합용액에 포함된 용매를 제거하여 제1 기판의 상부에 제1 투명전극을 형성하는 단계; (c) 상기 (a) 및 (b)단계를 반복 수행하여 제2 기판에 제2 투명전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 투명전극 및 제2 투명전극 사이에 고분자 분산형 액정층을 삽입하여 합지하는 단계;를 포함함에 기술적 특징이 있다.

Description

스마트 윈도우 필름 제조 방법 및 이에 의해 제조된 스마트 윈도우 필름{Manufacturing method of smart window film and smart window film thereby}

본 발명은 고분자 분산형 액정(PDLC: Polymer Dispersed Liquid Crystal)을 이용하여 스마트 윈도우 필름(smart window film)을 제조하는 기술에 관한 것으로, 특히 은 나노와이어(Ag nanowire)와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 방법으로 투명전극을 제조함으로써 기존의 은 나노와이어를 고정하는 공정을 생략, 투명전극의 전도성 향상, 스마트 윈도우의 유연성 향상시킬 수 있는 스마트 윈도우 필름 제조 방법 및 이에 의해 제조된 스마트 윈도우 필름에 관한 것이다.

태양광의 투과율을 원하는 방향으로 자유롭게 조절할 수 있는 스마트 윈도우는 사용되는 소재의 종류에 따라 다양하게 나누어지고 있으며, 특히 PDLC를 이용한 스마트 윈도우는 대형화에 용이하여 그 활용도가 높다.

PDCL가 적용된 스마트 윈도우는 고분자 매트릭스에 미세한 액정방울들이 형성되어 있으며, 전압을 인가하면 액정방울들이 반응하여 인가된 전계 방향에 따라 일정한 방향으로 정렬되며, 정렬된 방향과 투과되는 빛의 방향이 일치하게 되어 빛을 투과시키는 원리로 작동한다.

스마트 윈도우에 전압을 인가하지 않는 경우 액정 방울이 방향성을 잃게 되어 불규칙적으로 배열하기 때문에 빛이 투과하지 않고 산란된다.

이러한 특성을 이용하여 스마트 윈도우는 창문, 거울, 디스플레이 장치에 적용할 수 있으며, 빛의 투과도 및 반사도를 조절하는 용도로 사용되고 있다. 일예로 스마트 윈도우를 건축물 또는 자동차에 적용하여 조광이 필요한 경우 태양광이 실내로 들어올 수 있도록 투명하게 조절할 수 있고, 반대로 태양광을 차단할 수 있다.

이러한 기능을 이용하기 위한 종래의 기술로서는 대한민국 등록특허 제10-1501104호의 "스마트 윈도우용 유연한 다기능성 적층체 필름"이 제안되었으며, 이를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

감온 물질 유닛(28)은 감온 물질과 전기 변색 물질의 적층체에 의한 스마트 윈도우용 유연한 다기능성 적층체이며, 제1유연성 기재(23)의 하부에 제2 그래핀층(24)이 형성된다.

감온 물질과 전기변색 물질의 적층체는 제1기재에 제3 그래핀층(26)을 형성하고, 제1기재를 에칭에 의해서 제거하면서 롤투롤 방식에 의해서 제3 그래핀층(26)을 제2유연성 기재(27)에 전사한다.

PDLC층은 마주보는 롤러부로 감온 변색 물질층(21)-제1 기능화된 그래핀층(22)-제1유연성 기재(23)-제2 그래핀층(24)과 함께 도입되어 라미네이트될 수도 있으며, 혹은 유연성 기재(27)-제3 그래핀층(26)과 함께 롤러부로 도입되어 적층되도록 하며, PDLC층이 라미네이트 된 몸체와 PDLC가 라미네이트 되지 않은 몸체를 함께 서로 마주보는 복수 개의 롤러부를 통과시킴으로써 두 몸체를 라미네이팅함으로써 PLDC를 포함하는 스마트 윈도우용 유연한 다기능성 적층체가 제조된다.

또한, 제2 및 제3 그래핀층(24, 26)은 전극으로서, 그래핀 이외에도 ITO, FTO, 혹은 은 나노와이어, 은 나노 메쉬, PEDOT:PSS 및 이들의 조합을 사용할 수도 있도록 하고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 스마트 윈도우의 투명전극은 종래의 고가의 인듐을 사용하여 제조단가가 높은 ITO의 사용 및 은 나노와이어를 고정하는 공정이 필요한 은 나노 와이어 등의 사용에 대한 소재들의 조합에 대해서는 포괄적으로 제시하고 있으나, 전극 소재 조합 및 전극 형성과 관련된 구체적인 기술적인 사항에 대하여 전혀 제시하고 있지 못하다.

또한, 종래의 기술은 투명전극의 접착을 위하여 접착제를 도포하는 공정 또는 투명전극 층 위에 접착제를 코팅하는 공정을 필요로 하여 공정이 다소 복잡하다는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 스마트 윈도우 제조에 있어서, PDLC의 양 측면에 형성되는 투명전극 중 적어도 일측면의 투명전극을 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재의 혼합물질로 제조하여 나노탄소소재 표면 관능기와 기판의 화학결합을 통하여 접착하고, 나노탄소소재와 은 나노와이어를 물리적으로 결합함으로써 접착공정을 생략하는 것이 가능하도록 하는 것에 목적이 있다.

또한, 혼합된 전극 소재를 이용하여 투명전극의 전도성을 향상시키고, 스마트 윈도우의 유연성을 향상시켜 제조 공정이 단순화된 스마트 윈도우 필름을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 (a) 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 용액을 이용하여 제1 기판에 도포하는 단계; (b) 상기 용액에 포함된 용매를 제거하여 제1 기판의 상부에 제1 투명전극을 형성하는 단계; (c) 상기 (a) 및 (b)단계를 반복 수행하여 제2 기판에 제2 투명전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 투명전극 및 제2 투명전극 사이에 고분자 분산형 액정층을 삽입하여 합지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 스마트 윈도우 필름 제조 방법 및 이에 의해 제조된 스마트 윈도우 필름은 PDLC의 양 측면에 형성되는 투명전극 중 적어도 일측면의 투명전극을 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재의 혼합물질로 제조하여 나노탄소소재 표면 관능기와 기판의 화학결합을 통하여 접착하고, 나노탄소소재와 은 나노와이어를 물리적으로 결합함으로써 접착공정을 생략하는 것이 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 혼합된 전극 소재를 이용하여 투명전극의 전도성을 향상시키고, 스마트 윈도우의 유연성을 향상시켜 제조 공정이 단순화된 스마트 윈도우 필름을 제공하는 것이 가능하다는 또 다른 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 유연한 다기능성 적층체를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 스마트 윈도우 제조 방법을 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예의 전자현미경 사진
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예의 광 투과 효율 특성도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 스마트 윈도우 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 혼합용액을 이용하여 제1 기판에 도포하는 단계(S1 내지 S4 단계), 혼합용액에 포함된 용매를 제거하여 제1 기판의 상부에 제1 투명전극을 형성하는 단계(S5 및 S6 단계), 제1 기판에 제1 투명전극을 형성하는 과정중 S1 내지 S5 단계를 반복하여 제2 기판에 제2 투명전극을 형성하는 단계 및 제1 투명전극 및 제2 투명전극 사이에 고분자 분산형 액정층을 삽입하여 합지하는 단계(S8 및 S9 단계)를 포함한다.

여기서, 표면처리된 나노탄소소재는 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노섬유, 그래핀, 나노활성탄소섬유 및 이들이 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으며, 표면처리는 산소 및 공기를 포함하는 오존, 이산화탄소, 일산화탄소 중 어느 하나를 이용한 기산산화반응 공정, 산을 이용한 액산산화반응 공정, 전기적 산화반응 공정, 비산화 처리 공정, 플라즈마 처리 공정, 전기적 중합 공정, 기상성장 공정 및 코팅 공정중 어느 하나에 의해 수행된다(S2 단계).

이와 같이 준비된 표면처리된 나노탄소소재는 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재 혼합 용액을 제조하기 위하여 은 나노와이어 용액에 함유되어 있는 은 나노와이어 대비 10 내지 80 중량비의 표면처리된 나노탄소소재를 첨가한다. 첨가된 나노탄소소재의 균일한 분산을 위하여 30 내지 90℃에서 10분 내지 3시간 동안 교반한 후 초음파 처리를 10 내지 30분 동안 실시한다(S3 단계).

여기서, 표면처리된 나노탄소소재의 첨가비율이 10 중량비 미만을 혼합하는 경우 전도성 및 접착 특성이 떨어지는 단점이 있으며, 80 중량비를 초과하도록 혼합하는 경우에는 표면처리된 나노탄소소재의 응집으로 인한 저항 증가와 투명도가 떨어지는 단점이 존재하므로 표면처리된 나노탄소소재의 첨가비율은 10 내지 80 중량비를 유지하도록 한다.

이와 같은 중량비를 갖도록 제조된 혼합용액을 제1 기판 표면에 도포(S4 단계)하며, 이러한 도포 공정은 스프레이, 브러쉬 페인팅, 딥 코팅, 박막 코팅 및 스핀 코팅중 어느 하나에 의해 수행된다.

이후 제1 투명전극의 형성은 도포된 혼합용액에 포함된 표면처리된 나노탄소소재의 관능기와 제1 기판이 화학적으로 결합되도록 30 내지 160 ℃에서 10 내지 30분 동안 열을 가하여 결합 유도 및 상기 분산용액의 용매를 증발시켜 형성된다(S5 단계).

여기서, 공정 온도 및 시간이 하한치 미만일 경우에는 혼합용액에 포함된 용매의 증발이 이루어지지 않으며, 표면처리된 나노탄소소재와 제 1기판 사이의 화학적 결합이 형성되지 않는 현상이 발생되며, 또한 공정 온도 및 시간이 상한치를 초과의 경우 제 1기판이 열에 의하여 변형이 발생된다.

제1 기판 상부에 제1 투명 전극을 형성한 이후, 동일한 공정으로 제2 기판 상부에 제2 투명전극을 형성하고(S1 내지 S5 및 S7 단계), 제1 투명전극 및 제2 투명전극 사이에 고분자 분산형 액정층을 삽입하여 합지함으로써 스마트 윈도우 필름을 제조한다(S8 및 S9 단계).

여기서, 제1 및 제2 기판과 상기 고분자 분산형 액정층의 합지는 롤투롤(Roll To Roll) 방식으로 수행되며, 열풍과 자외선을 이용하여 합지된 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 고분자 분산형 액정층을 경화시킨다.

실시예)

본 발명의 실시예는 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재를 투명전극으로 사용하여 스마트 윈도우 필름의 제조을 제조한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 나노탄소소재로는 탄소나노튜브를 사용하였고, 탄소나노튜브의 표면 관능기는 질산과 황산을 혼합하여 제조하였다. 질산과 황산이 3:1의 비율로 혼합된 용액 250 ml에 탄소나노튜브를 첨가한 후 1시간 동안 초음파 처리하였다. 초음파 처리 후 탄소나노튜브를 거른 후 증류수로 세척하고 80℃에서 12시간 동안 건조하여 탄소나노튜브에 카르복실기를 도입하여 탄소나노튜브를 표면처리하였다.

이후, 표면처리된 탄소나노튜브를 은 나노와이어 용액에 첨가하여 60℃에서 1시간 동안 교반한 후 30분 동안 초음파 처리하여 은 나노와이어와 표면처리된 탄소나노튜브가 혼합된 혼합용액을 제조하였다.

이후, 혼합용액은 기판인 PET 필름의 표면에 스프레이 방식으로 표면에 고르게 도포하였으며, 혼합용액이 도포된 PET 필름은 150℃에서 2시간 동안 열처리하여 사용된 용매를 제거하고, 탄소나노튜브의 관능기와 PET가 결합할 수 있도록 유도하였다.

동일한 방법으로 2개의 투명전극이 형성된 필름을 제조한 후 롤투롤 방식을 이용하여 필름 사이에 고분자 분산형 액정층을 합지하여 스마트 윈도우 필름을 제조하였다.

비교예1)

비교예1은 은 나노와이어와 표면처리 되지 않은 나노탄소소재를 투명전극으로 사용한 스마트 윈도우 필름을 제조한 것이다.

여기서, 본 발명의 실시예에서와는 달리 표면처리 하지 않은 나노탄소소재를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행하여 스마트 윈도우 필름을 제조하였다.

비교예2)

비교예2는 은 나노와이어만을 투명전극으로 사용한 스마트 윈도우 필름을 제조한 것이다.

비교예2는 본 발명의 실시예 1에서 표면처리된 나노탄소소재를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행하여 스마트 윈도우 필름을 제조하였다.

이하, 투명전극에 사용된 소재의 특성에 따른 투명전극의 형상특성평가 및 투명전극의 광 투과 효율 평가에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예와 비교예들의 전자현미경 사진으로서, (a)는 본 발명의 실시예, (b) 및 (c)는 비교예1 및 2의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재가 균일하게 분산된 상태로 투명전극을 형성하고 있으며, 비교예1의 경우에는 은 나노와이어와 표면처리되지 않은 나노탄소소재의 응집이 나타나 본 발명의 실시예에 비하여 광 투과 효율이 상대적으로 낮을 것으로 추정해 볼 수 있다.

다만, 은 나노와이어만으로 투명전극을 형성한 비교예2는 실시예에 비하여 응집의 발생이 적어 상대적으로 광 투과 효율이 높을 것으로 추정해 볼 수 있으나 은 나노와이어의 고정을 위한 추가적인 공정이 필요하게 되며, 본 발명의 실시예에서는 우측 하단에 도시되어 있는 표면처리된 나노탄소소재가 은 나노와이어를 고정하는 역할을 담당하게 됨으로써 은 나노와이어의 고정을 위한 추가적인 공정을 생략할 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명의 실시예는 비교예1에 비해 다소 광 투과효율이 다소 저하 될 수 있으나, 투명전극을 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재의 혼합물질로 제조하여 나노탄소소재 표면 관능기와 기판을 화학결합을 통하여 접착하고, 나노탄소소재와 은 나노와이어를 물리적으로 결합하여 접착 공정을 생략하더라도 그 기능의 구현이 가능함을 예상할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예와 비교예들의 광 투과 효율을 평가한 것이다.

도 4에 도시한 바와 같이 광 투과 효율은 비교예2, 실시예, 비교예1의 순서대로 높은 값을 나타내었다.

이중 비교예2는 470nm의 파장까지는 80에서 90%사이의 광 투과 효율을 나타내었으며, 이후 480 내지 600nm의 파장에서는 90%이상의 광 투과 효율을 나타내다가 610 내지 740nm에서는 88 내지 90% 사이의 광 투과 효율을 나타내었다.

본 발명의 실시예의 경우에는 400nm까지는 비교예2보다는 1% 정도 높은 광 투과 효율을 나타내고 있으나, 410nm 이상의 파장에서는 비교예2보다 광 투과 효율이 상대적으로 다소 낮은 값을 나타내고 있지만 2% 미만의 광 투과 효율의 저하만이 존재하였다.

이를 통하여, 본 발명은 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재의 혼합물질로 투명전극을 형성함으로써, 종래의 은 나노와이어만으로 투명전극을 형성한 것에 비하여 광 투과 효율을 최소화하면서도 은 나노와이어의 고정을 위한 유기 바인더에 의한 은 나노와이의 고정 공정을 생략할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (11)

1. (a) 은 나노와이어와 표면처리된 나노탄소소재를 혼합한 혼합용액을 이용하여 제1 기판에 도포하는 단계;
   (b) 상기 혼합용액에 포함된 용매를 제거하여 제1 기판의 상부에 제1 투명전극을 형성하는 단계;
   (c) 상기 (a) 및 (b)단계를 반복 수행하여 제2 기판에 제2 투명전극을 형성하는 단계; 및
   (d) 상기 제1 투명전극 및 제2 투명전극 사이에 고분자 분산형 액정층을 삽입하여 합지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 표면처리된 나노탄소소재는 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노섬유, 그래핀, 나노활성탄소섬유 및 이들이 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 표면처리는 산소 및 공기를 포함하는 오존, 이산화탄소, 일산화탄소 중 어느 하나를 이용한 기산산화반응 공정, 산을 이용한 액산산화반응 공정, 전기적 산화반응 공정, 비산화 처리 공정, 플라즈마 처리 공정, 전기적 중합 공정, 기상성장 공정 및 코팅 공정중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계에서 상기 혼합용액은 은 나노와이어 용액에 상기 표면처리된 나노탄소소재를 첨가후 분산시켜 혼합용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 혼합용액은 상기 은 나노와이어 용액에 포함되어 있는 은 나노와이어 대비 표면처리된 나노탄소소재가 10 내지 80중량비를 갖도록 첨가되어 제조되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 표면처리된 나노탄소소재는 상기 은 나노와이어 용액에 첨가된 후 30 내지 90 ℃에서 10분 내지 3시간 동안 교반한 후 초음파 처리를 10 내지 30분 동안 실시하여 상기 혼합용액이 제조되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계에서 혼합용액의 도포는 스프레이, 브러쉬 페인팅, 딥 코팅, 박막 코팅 및 스핀 코팅중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 (b)단계에서 제1 투명전극의 형성은 상기 나노탄소소재의 관능기와 제1 기판이 화학적으로 결합되도록 30 내지 160 ℃에서 10 내지 30분 동안 열을 가하여 결합 유도 및 상기 혼합용액의 용매를 증발시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 (d)단계에서 상기 제1 및 제2 기판과 상기 고분자 분산형 액정층의 합지는 롤투롤(Roll To Roll) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 열풍과 자외선을 이용하여 합지된 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 고분자 분산형 액정층을 경화시키는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 필름 제조 방법.
    
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항의 스마트 윈도우 필름 제조 방법에 의하여 제조되는 스마트 윈도우 필름.
    

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