KR20200065132A - 스마트 창호용 금속 도핑 바나듐 산화물 하이드로겔 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도감응성 고분자를 포함하는 써모크로믹 코팅용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 써모크로믹 코팅용 조성물은 스마트 창호용으로 사용될 수 있고, 금속 도핑된 산화 바나듐 하이드로겔을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 써모크로믹 코팅용 조성물을 스마트 창호 등 유리창에 코팅하는 경우, 적외선을 효과적으로 차단할 수 있어 실내 온도 조절이 용이하며, 냉·난방비 절감효과와 효율적인 에너지 사용이 가능하다.
Description
본 발명은 스마트 창호(smart window)에 사용되는 금속 도핑 바나듐 산화물 하이드로겔에 관한 것이다.
21세기 들어 가장 중요한 이슈 중 하나는 심각한 에너지 부족이다. 낮은 에너지 소비, 에너지 수집 및 에너지 저장 기술을 통해 유한한 에너지 자원의 효율적인 사용이 요구된다. 최근 이러한 관점에서, 신소재 유리로서 외부환경에 응답하여 빛의 투광도가 조절되는 스마트 창호(smart window)는 에너지의 경제적인 측면에서 기능적인 대안으로 관심을 받고 있다.
스마트 창호(smart window)란, 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 창호를 말한다. 과거 대부분의 태양광 투과율 조절기술은 특정 투과율을 가진 필름을 윈도우상에 장착하는 방식이 대부분이었다. 그러나 스마트 창호는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 물질을 개발하여 윈도우에 삽입함으로써 특정 투과율을 가진 필름을 장착하는 방식에 비하여 태양광의 투과율이 대폭 개선됨과 동시에 사용자에게 고도의 편의성을 제공하는 장점을 지니고 있다. 이와 같은 장점에 힘입어 스마트 창호는 현재 수송분야, 건축분야 및 정보표시분야 등에 다양하게 응용되고 있으며, 주로 주택 창호, 거실, 베란다, 현관, 샤워 룸 등 주택 인테리어용으로 사용되고 있다. 특히, 일본, 미국, 유럽 등의 선진국 등에서는 지속적으로 용도개발을 하고 있고 일부 분야에서는 실제로 상품화되고 있어 향후 급속한 시장 확대가 예상되고 있다.
스마트 창호는 지붕, 채광, 건축 또는 차량의 창문 및 인테리어 파티션과 같이 실용적으로 응용될 수 있다. 상기 스마트 창호는 집안으로 투과된 태양광으로부터 열 교환을 적절하게 조절할 수 있기 때문에 공기 조절 또는 가열을 통하여 불필요한 에너지 사용을 억제할 수 있다. 예를 들면, 스마트 창호는 여름에 일시적인 많은 태양광을 반사함으로써 건물 내부가 과열되는 것을 억제시킬 수 있고, 겨울에 태양열을 흡수하여 방 온기를 유지시키는데 도움을 줄 수 있다.
스마트 창호에 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 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 띠게 되고, LCST 온도보다 낮을 경우, 수소결합을 유지하여 투명한 상태를 유지하게 되는 것이다.
특히, 최근에는 열에 의해 물질의 색이 변화하는 특성인 써모크로믹(thermochromic) 재료를 유리에 코팅하여 적외선 투과율을 통한 에너지 유입을 조절하는 써모크로믹 유리가 연구되고 있다. 이와 같은 써모크로믹 유리는 빛의 투과도나 반사율을 마음대로 조절할 수 있는 소위 '스마트 창호' 개발과 관련되어 관심이 집중되고 있는 실정이다.
상기 써모크로믹 재료는 상변이 온도를 기준으로 하여 적외선 영역의 광투과도 및 반사도가 크게 변화하는 특성이 있으며, 써모크로믹 재료의 대표적인 예로는 바나듐 디옥사이드(VO2, Vanadium Dioxide)가 있다.
그러나, 종래와 같이 VO2만을 유리에 코팅시키는 경우에는 첫째, 광투과도의 절대치가 다소 낮다는 점, 둘째, VO-2를 유리에 코팅하는 공정에 있어서 400 ℃ 이상의 공정온도가 요구되므로 상기 VO2의 손상의 우려가 존재하고, 유리로부터 불순물이 혼입될 수 있다는 문제점이 있었다.
본 발명자들은 스마트 창호에 사용되는 적외선(열선) 차단 효과가 우수한 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 온도감응성 고분자에 텅스텐이 도핑된 이산화바나듐(W-VO2, tungsten vanadium dioxide) 나노입자를 첨가·분산하였을 때 상온에서 적외선 차단 효과가 향상됨을 규명함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 스마트 창호용 금속 도핑 바나듐 산화물 하이드로겔을 포함하는 코팅용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 코팅용 조성물을 포함하는 코팅 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 코팅용 조성물 또는 상기 코팅 필름을 포함하는 스마트 창호를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 수분산 된 온도감응성 고분자 100 중량부에 대하여 금속 도핑 바나듐산화물 나노입자 1 내지 50 중량부를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅용 조성물을 제공한다.
본 발명자들은 스마트 창호에 사용되는 적외선(열선) 차단 효과가 우수한 코팅용 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 온도감응성 고분자에 텅스텐이 도핑된 이산화바나듐 나노입자를 첨가·분산하였을 때 상온에서 적외선 차단 효과가 향상됨을 규명하였다.
본 명세서에서 용어 '온도감응성 고분자(temperature-responsive polymer)'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 온도 감응성 고분자의 이러한 상전이가 나타나는 온도를 임계 용해 온도(critical solution temperature)라 하고, 상전이에 대한 농도-온도 다이어그램에서 가장 낮은 상전이 온도를 하한 임계용액온도(LCST, lower critical solution temperature)라 한다.
본 발명의 코팅용 조성물은 수분산 된 온도 감응성 고분자 100중량부에 대하여 금속 도핑 바나듐 산화물 나노입자 1 내지 50 중량부를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 코팅용 조성물은 온도 감응성 고분자 100 중량부에 대하여, 금속 도핑 바나듐 산화물 나노입자를 1 내지 40 중량부, 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 1 내지 10 중량부, 1 내지 8 중량부, 1 내지 6 중량부, 1 내지 4 중량부, 또는 1 내지 2 중량부를 포함한다.
상기 금속 도핑 바나듐 산화물 나노입자가 온도감응성 고분자 100 중량부에 대해서 1 중량부 미만으로 포함되면 적외선 차단 효율이 불량해지고, 50 중량부를 초과하여 포함되면 코팅용 조성물의 코팅 특성을 저해하며, 외관이 불량해질 수 있다.
본 명세서에서 용어 '바나듐 산화물'은 VO, VO2, V2O3, V2O5, V3O8, V6O13 등 다양한 바나듐 산화물을 의미하지만, 본 발명의 코팅용 조성물에서 필요한 써모크로믹 특성을 지닌 물질은 이산화 바나듐(VO2) 뿐이다.
또한, 본 발명의 코팅용 조성물은 하이드로겔(hydrogel)의 성상을 띈다.
따라서, 본 발명의 코팅용 조성물은 금속 도핑된 이산화 바나듐/하이드로겔(Metal doped vanadium dioxide/hydrogel, M-VO2/hydrogel, 또는 M-VO2/hydrogel 코팅액)로 불리울 수 있다.
상기 '이산화 바나듐(VO2, vanadium dioxide)' 은 온도, 압력 등이 변화함에 따라 결정구조가 변하여 절연체 혹은 반도체에서 금속으로 상전이(MIT, metal-insulator transition)가 일어나는 특성을 가지며, 상전이 온도 영역인 68℃(380K) 부근에서, 단사정 결정구조(monoclinic)에서 정방형 결정구조(tetragonal)로 결정 구조가 변화한다. 따라서, 상전이 온도인 68℃ 이상에서는 금속 형태로 존재하여 우수한 적외선 차폐효과를 나타내고, 68℃ 미만에서는 절연체 형태로 존재함으로써 적외선을 투과시킨다. 또한, 이산화 바나듐은 써모크로믹 특성을 지닌 물질에 해당하여, 상술한 MIT 특성 및 써모크로믹 특성을 이용하여 스마트 창호의 차폐기능 등을 조절하는데 용이하다.
본 발명의 코팅용 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 '유무기 하이브리드'란, 유기물과 무기물을 서로 혼합, 산출하여 원재료의 성질과 전혀 다른 특성을 구현시킨 것이다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 수분산 된 온도감응성 고분자는 0.1 내지 20 %(w/v)의 고분자 함량을 가진다. 다른 구체예에서 0.1 내지 15%(w/v), 0.1 내지 10%(w/v), 0.1 내지 5%(w/v), 0.1 내지 3%(w/v), 1 내지 20%(w/v), 1 내지 15%(w/v), 1 내지 10%(w/v), 1 내지 5%(w/v), 또는 1 내지 3%(w/v) 일 수 있으며, 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 발명의 일 구현예에 있어서, '도핑된 금속'은 텅스텐(W), 세슘(Cs), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 및 칼륨(K)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속이다.
본 명세서에서 바나듐 산화물에 상기 금속을 도핑함으로써, MIT 온도를 68 ℃ 에서 40 ℃ 이하로 낮추어 실온과 근접한 온도에서 상전이가 가능하도록 함에 따라 더욱 효과적인 적외선 차단 코팅액 조성물을 얻을 수 있다.
상기 바나듐 산화물에 대한 금속의 도핑량은 1 내지 20%, 1 내지 10%, 1 내지 5%, 3 내지 20%, 3 내지 10%, 또는 3 내지 5%이다.
상기 금속 도핑 바나듐 산화물 입자의 평균 입경은 0.1 내지 500 nm, 1 내지 400 nm, 1 내지 300 nm, 1 내지 200 nm, 1 내지 100 nm이고, 구체적으로는 1 내지 90 nm, 1 내지 60 nm이며, 더욱 구체적으로는 1 내지 50 nm인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 코팅액은 특정 표면층에 도포하여 적용할 수 있다. 예컨대, 건물의 창, 차량용 창 및 썬루프 등의 스마트 창호에 적용될 수 있으며, 안경, 선글라스, 또는 디스플레이 기기의 표시부에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 'M-VO2/hydrogel 코팅액'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 금속 도핑 바나듐 산화물 나노입자를 포함하는 M-VO2/hydrogel 코팅액은 적외선 차광율이 뛰어나다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 본 발명의 M-VO2/hydrogel 코팅액이 도포된 적외선 차광용 코팅 필름을 제공한다.
상기 본 발명의 코팅 필름은, 고온에서 적외선 차단율이 높은 본 발명의 조성물이 도포되어 있으므로 적외선 특이적 차광용도의 스마트 창호, 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 창호를 제공한다. 상기 스마트 창호는 상술한 본 발명의 조성물 및/또는 코팅 필름을 포함하는 것이므로 우수한 적외선 차단율을 나타낸다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 온도감응성 고분자와 금속 도핑 바나듐 산화물을 포함하는 코팅용 조성물을 제공한다.
(b) 본 발명의 코팅용 조성물을 스마트 창호 등 유리창에 코팅하는 경우, 여름철 고온에서는 적외선을 효과적으로 차단하고, 겨울철 저온에서는 적외선을 투과하는 안정적인 가역적 전환이 가능하여 실내 온도조절이 용이하며, 우수한 에너지 절감 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 온도감응성 고분자 및 금속 도핑 바나듐 산화물을 포함하는 코팅용 조성물의 적외선 영역에서의 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.
실시예
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.
제조예 1 내지 4: M-VO
2
/hydrogel 코팅액의 제조
상온에서 온도감응성 액상 고분자인 3 %(w/v) 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)(Poly(N-isopropylacrylamide, PNIPAm) 및 1.0 %(w/v) W-VO2(tungsten vanadium dioxide)/H2O 일정 비율(w/w)을 반응기에 넣고 진동 3분 및 초음파 처리 30분을 진행하여 혼합하였다. W-VO2 나노입자 첨가 효과를 비교하기 위해, 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드)로 구성된 비교예 1을 제조하였다.
실험예 1: PNIPAm에 W-VO
2
첨가에 따른 적외선(열선) 투과 효과
제조예 1 내지 4에 대한 적외선(열선) 투과율 효과를 확인하기 위하여 W-VO2 첨가에 따른 광 투과율을 측정하였다. 본 실험에서 광 투과율은 UV-VIS-NIR 분광광도계(V-770, JASCO社)를 이용하여 상온에서 700~2500 nm 파장영역에서 측정하였다. 결과는 표 1 및 도 1에 나타내었고, 제조예 1의 광투과율은 도 1에 나타내었다.
표 1 및 도 1에 나타난 바와 같이, W-VO2 첨가율이 높을수록 적외선(열선)의 투과율이 낮아짐을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 코팅 조성물은 상온에서 적외선(열선)을 차단하는데 매우 효과적임을 확인하였다.
| - | 제조예1 | 제조예2 | 제조예3 | 제조예4 | 비교예1 |
| PNIPAm/W-VO2 (w/w) |
10 | 15 | 20 | 25 | PNIPAm (W-VO2 불포함) |
| 광투과율 (%)1188 nm | 56.0 | 63.8 | 68.2 | 75.9 | 81.5 |
Claims (10)
- 수분산 된 온도감응성 고분자(temperature-responsive polymer) 100 중량부에 대하여 금속 도핑 바나듐 산화물 나노입자 1 내지 50 중량부를 포함하는 코팅용 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수분산 된 온도감응성 고분자는 0.1 내지 20 %(w/v)의 고분자함량을 갖는 것인 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 코팅용 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바나듐 산화물은 이산화 바나듐(VO2)인 것을 특징으로 하는 코팅용 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바나듐 산화물 나노입자에 도핑된 금속은 텅스텐(W), 세슘(Cs), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo) 및 칼륨(K)으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속입자인 것을 특징으로 하는 코팅용 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 코팅용 조성물은 하이드로겔의 성상인 것을 특징으로 하는 코팅용 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 코팅용 조성물은 적외선 차광용인 것을 특징으로 하는 코팅용 조성물.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 조성물이 도포된 적외선 차광용 코팅 필름.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 조성물이 도포된 스마트 창호.
- 제 8 항의 코팅 필름을 포함하는 스마트 창호.
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