KR20200060665A

KR20200060665A - 열가변형 유무기 하이브리드 코팅용 조성물

Info

Publication number: KR20200060665A
Application number: KR1020180145780A
Authority: KR
Inventors: 유중환; 송정섭; 박상휘; 송민우; 이동원
Original assignee: 주식회사 케이엔더블유
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-06-01
Also published as: KR102151089B1

Abstract

본 발명은 유무기 하이브리드 코팅용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 스마트 윈도우 등 유리창에 코팅하는 경우, 가시광선은 통과하면서, 적외선을 효과적으로 차단할 수 있어 실내 온도조절에 용이하다.

Description

열가변형 유무기 하이브리드 코팅용 조성물{Thermotropic Organic-Inorganic Hybrid Coating Composition}

본 발명은 스마트 윈도우(smart window)에 사용되는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물에 관한 것이다.

스마트 윈도우(smart window)란, 태양광의 투과율을 필요에 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 스마트 윈도우의 용도 개발을 하고 있으며, 일부 분야에서는 실제로 상용화되어 향후 급속한 시장 확대가 기대되고 있다.

스마트 윈도우에 사용되는 온도감응성 고분자(temperature-responsive polymer)는 온도의 변화에 반응하여 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 최저임계용액온도(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 띄게 되고, LCST 온도보다 낮을 경우, 수소결합을 유지하여 투명한 상태의 형태를 띄게 된다.

대한민국 공개특허 제10-2005-0049205호

본 발명자들은 스마트 윈도우에 사용되는 열선 차단 효과가 향상된 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 온도감응성 액상 고분자에 무기나노입자를 첨가·분산하였을 때 상온에서 코팅액의 열선 차단 효능이 향상됨을 규명함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 수분산된 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 무기나노입자 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 제공한다.

본 발명자들은 스마트 윈도우에 사용되는 열선 차단 효과가 향상된 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 온도감응성 액상 고분자에 무기나노입자를 첨가, 분산하였을 때 상온에서 코팅액의 열선 차단 효능이 향상됨을 규명하였다.

본 명세서에서 용어‘온도감응성 고분자’란, 외부 온도에 따라서 그 성질이 바뀌는 고분자로서 특정 온도에서 가역적인 졸-겔 상전이(sol-gel phasetransition) 또는 부피 상전이(volume phase transition)가 일어나는 고분자를 의미한다. 상기 온도 감응성 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 유무기 하이브리드 코팅용 조성물은 수분산된 온도 감응성 고분자 100 중량부에 대하여 무기나노입자 수용액을 0.01 내지 5 중량부를 포함한다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 코팅용 조성물은 수분산된 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여, 무기나노입자 수용액을 0.01 내지 4 중량부, 0.01 내지 3 중량부, 0.01 내지 2 중량부, 0.01 내지 1 중량부, 0.1 내지 5 중량부, 0.1 내지 4 중량부, 0.1 내지 3 중량부, 0.1 내지 2 중량부, 0.1 내지 1 중량부, 1 내지 5 중량부, 1 내지 4 중량부, 1 내지 3 중량부, 1 내지 2 중량부, 2 내지 5 중량부, 2 내지 4 중량부, 2 내지 3 중량부, 3 내지 5 중량부, 3 내지 4중량부, 또는 4 내지 5 중량부를 포함한다.

상기 무기나노입자 수용액이 수분산 온도감응성 고분자 100 중량부에 대해서 0.01 중량부 미만으로 포함되면 적외선 차단 효율이 불량해지고, 5 중량부를 초과하여 포함되면 코팅 용액 조성물의 코팅 특성을 저해하며, 외관이 불량해질 수 있다.

본 발명의 코팅 조성물 중에 함유될 수 있는 용매는 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르(PGME), 부틸셀로솔브(BC), 메틸셀로솔부(MC), 에틸렌글리콜(EG), 프로필렌글리콜(PG), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 프로필렌 글리콜 디아세테이트(PGDA), 프로필렌 글리콜 노멀프로필에테르(PnP), 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 자일렌, 부틸아세테이트, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 부톡시에탄올, 펜탄올, 옥탄올, 헥산, 헵탄, 에테르, 케톤 및 이들의 조합물로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 코팅용 조성물은 경화제, 이형제, 계면활성제, 산화방지제, 금속입자, 산화물입자 및 질화물입자로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 첨가제가 더 포함될 수 있다.

본 명세서에서 용어 ‘유무기 하이브리드’란, 유기물과 무기물을 서로 혼합, 산출하여 원재료의 성질과 전혀 다른 특성을 구현시킨 것이다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 ‘수분산된 온도감응성 고분자’는 0.1 내지 20%(w/v)의 고분자 함량을 가진다. 다른 구체예에서 수분산된 온도감응성 고분자의 함량은 0.1 내지 15%(w/v), 0.1 내지 10%(w/v), 0.1 내지 8%(w/v), 0.1 내지 6%(w/v), 0.1 내지 5%(w/v), 0.1 내지 4%(w/v), 0.1 내지 3%(w/v); 0.5 내지 20%(w/v), 0.5 내지 15%(w/v), 0.5 내지 10%(w/v), 0.5 내지 8%(w/v), 0.5 내지 6%(w/v), 0.5 내지 5%(w/v), 0.5 내지 4%(w/v), 0.5 내지 3%(w/v); 1 내지 20%(w/v), 1 내지 15%(w/v), 1 내지 10%(w/v), 1 내지 8%(w/v), 1 내지 6%(w/v), 1 내지 5%(w/v), 1 내지 4%(w/v), 1 내지 3%(w/v); 2 내지 20%(w/v), 2 내지 15%(w/v), 2 내지 10%(w/v), 2 내지 8%(w/v), 2 내지 6%(w/v), 2 내지 5%(w/v), 2 내지 4%(w/v), 2 내지 3%(w/v); 또는 3 내지 20%(w/v), 3 내지 15%(w/v), 3 내지 10%(w/v), 3 내지 8%(w/v), 3 내지 6%(w/v), 3 내지 5%(w/v), 3 내지 4%(w/v)일 수 있고, 가장 구체적으로는 3%(w/v)이다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, ‘온도감응성 고분자’는 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 선택되나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 무기나노입자를 코팅용 조성물에 균일하게 포함함으로써 적외선 차단 효과를 향상시키는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명의 코팅용 조성물에 포함되는 온도감응성 고분자는 당업계에서 사용되는 모든 종류의 온도감응성 고분자로 제한없이 사용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 ‘무기나노입자’는 세슘텅스텐산화물(Cesium Tungsten Oxide, CTO), 안티모니주석산화물(Antimony Tin Oxide, ATO), 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 이들의 혼합물이다.

상기 무기나노입자의 평균 입경은 0.1 내지 500 nm, 1 내지 100 nm, 구체적으로는 1 내지 50 nm인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기‘무기나노입자 수용액’은 0.01 내지 4%(w/v) 의 함량을 갖는다. 다른 구체예에 있어서 무기나노입자 수용액의 함량은 0.01 내지 3%(w/v), 0.01 내지 2%(w/v) 또는 0.01 내지 1%(w/v) 이고, 보다 구체적으로는 0.1 내지 4%(w/v), 0.1 내지 3%(w/v), 0.1 내지 2%(w/v), 0.1 내지 1%(w/v), 0.5 내지 4%(w/v), 0.5 내지 3%(w/v), 0.5 내지 2%(w/v), 0.5 내지 1%(w/v)이며, 가장 구체적으로는 0.8(w/v)이다.

본 발명의 코팅용 조성물은 특정 표면층에 도포하여 적용할 수 있다. 예컨대, 건물의 창, 차량용 창 및 썬루프 등의 스마트 윈도우에 적용될 수 있으며, 안경, 선글라스, 또는 디스플레이 기기의 표시부에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서,‘코팅용 조성물’은 적외선 차광용이다.

본 명세서에서 상기 ‘적외선’은 가시광선보다 파장이 긴 전자기파로서 일반적으로 780 내지 1500 nm인 전자기파를 의미하나, 반드시 상기 범위에 한정되는 것은 아니므로, 본 발명의 조성물은 상기 범위를 벗어나는 범위의 전자기파도 차단할 수 있다.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 무기나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물은 가시광선 투과율은 우수하면서도 적외선 차광율이 뛰어나다.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 본 발명의 유무기 하이브리드 코팅용 조성물이 도포된 적외선 차광용 코팅 필름을 제공한다.

상기 본 발명의 코팅 필름은, 가시광선의 투과율은 우수하고, 적외선 차단률이 높은 본 발명의 조성물이 도포되어 있으므로 적외선 특이적 차광용도의 스마트 윈도우, 선글라스, 안경, 또는 디스플레이 기기 등의 코팅 필름으로서 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명의 코팅 필름을 포함하는 스마트 윈도우를 제공한다. 상기 스마트 윈도우는 상술한 본 발명의 조성물 및/또는 코팅 필름을 포함하는 것이므로 높은 가시광선 투과성을 나타내면서도, 우수한 적외선 차단률을 나타낸다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(a) 본 발명은 온도감응성 고분자와 무기나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 제공한다.

(b) 본 발명의 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 스마트 윈도우 등 유리창에 코팅하는 경우, 가시광선은 통과하면서, 적외선을 효과적으로 차단할 수 있어 실내 온도조절에 용이하다.

도 1은 본 발명의 유무기 하이브리드 코팅용 조성물의 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

제조예 1 내지 4: 열가변형 유무기 하이브리드 코팅액 제조

상온에서 온도감응성 액상 고분자인 3 %(w/v) 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)(Poly(N-isopropylacrylamide); PNIPAm) 및 0.8 %(w/v) CTO(cesium tungsten oxide)/H₂O (무기나노입자 수용액)을 표 1과 같이 일정 비율(w/w)을 반응기에 넣고 진동 3분 및 초음파 처리 30분을 진행하여 혼합하였다. 무기나노입자 첨가 효과를 비교하기 위해, 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)로 구성된 비교예 1을 제조하였다.

실험예 1: PNIPAm에 CTO 첨가에 따른 가시광 및 열선 투과 효과

제조한 유무기 하이브리드 코팅용 조성물의 가시광 및 열선 투과 효과를 확인하기 위하여 CTO 첨가에 따른 투과율을 측정하였다.

본 실험에서 광투과율은 UV-VIS-NIR 분광광도계 (V-770, JASCO社)를 이용하여 300~2500nm 파장영역에서 측정하였다.

표 1 및 도 1에 나타난 바와 같이, 무기나노입자인 본 발명의 유무기 하이브리드 코팅용 조성물은 CTO의 첨가율에 상관없이 가시광선 영역에서는 90% 이상의 투과율이 나타났으나, 적외선 영역에서는 CTO의 첨가율이 높아질수록 투과율이 낮아짐을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 코팅용 조성물은 가시광선의 투과율은 높으면서도 및 적외선(열선)을 차단하는데 매우 효과적임을 확인하였다.

-		제조예 1	제조예 2	제조예 3	제조예 4	비교예 1
PNIPAm/CTO (w/w)		25	50	75	100	PNIPAm/ CTO 불포함
광 투과율 (%)	550nm (가시광선)	90.1	91.5	92.3	92.2	92.1
광 투과율 (%)	1188nm (적외선)	43.8	62.9	68.1	72.0	81.5

Claims

수분산된 온도감응성 고분자(temperature-responsive polymer) 100 중량부에 대하여 무기나노입자 수용액 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 수분산된 온도감응성 고분자는 0.1 내지 20%(w/v)의 고분자 함량을 갖는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
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 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 무기나노입자는 세슘텅스텐산화물(Cesium Tungsten Oxide, CTO), 안티모니주석산화물(Antimony Tin Oxide, ATO) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 무기나노입자인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 무기나노입자 수용액은 0.01 내지 4.00 %(w/v) 함량인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 코팅용 조성물은 적외선 차광용인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 조성물이 도포된 적외선 차광용 코팅 필름.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 조성물이 도포된 스마트 윈도우.
제 7 항의 코팅 필름을 포함하는 스마트 윈도우.