KR20210093582A - 방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법 - Google Patents

방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 열적 안정성을 가지고 고온에서 높은 복사율을 가지는 방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법에 관한 것이다.

Description

방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법{COATING COMPOSITION FOR THERMAL PADS, THERMAL PADS COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD OF THERMAL PADS}
본 발명은 방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법에 관한 것이다.
전자 기기의 고성능화 및 고집적화에 따라, 전자 기기의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위한 요구가 커지고 있다.
전자 기기의 방열성능 개선을 위한 종래의 방식은 팬(fan) 등에 의한 대류 방열이나, 냉매 등에 의한 전도 방열 등이 있으나, 전자 기기의 소형화, 경량화 등에 의해 팬 또는 쿨링 재킷 등의 부가 장치에 의한 방열은 공간적 제약을 받는 한계가 있다.
또한, 높은 열전도도를 갖는 소재에 대한 연구가 진행되고 있으나, 이러한 방열 방식은 국소부의 높은 열에너지를 전도에 의해 분산시키는 수준으로 열을 궁극적으로 소쇄하는 역할을 담당하지는 못한다.
한편, 금속의 표면에 축적된 열에너지를 대류가 아닌 복사 형태로 소쇄하는 방법으로, 금속 전도체의 복사능을 높이기 위해 애노다이징(anodizing) 등의 표면처리에 의한 방법이 있으나, 근본적으로 금속소재 표면의 복사율이 낮아 효과에 한계를 가지고 있다.
따라서, 열적 안정성이 우수하고, 고온에서의 복사율을 향상시킨 새로운 조성의 코팅 조성물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 우수한 열적 안정성을 가지고 고온에서 높은 복사율을 가지는 방열 패드용 코팅 조성물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 고온에서 높은 복사율을 갖는 방열 패드를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 방열 패드의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에서는, 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러; 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및 용매를 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물이 제공된다.
또한, 본 명세서에서는, 기재; 및 상기 기재의 적어도 일면 상에 상기 일 구현예의 코팅 조성물이 도포되어 형성된 코팅층;을 포함하는 방열 패드가 제공될 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러를 미립화하는 단계; 상기 미립화된 무기필러에 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지, 및 용매를 첨가하여 코팅 조성물을 제조하는 단계; 상기 코팅 조성물을 기재 상에 도포하는 단계; 및 상기 코팅 조성물이 도포된 기재를 건조하는 단계를 포함하는, 방열 패드의 제조방법이 제공된다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 방열 패드용 코팅 조성물, 이를 포함하는 방열 패드 및 방열 패드의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 상기 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러; 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및 용매를 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명자들은, 방열 패드용 코팅 조성물에 대한 연구를 진행하여, 상술한 성분을 포함하는 방열 패드용 코팅 조성물이 우수한 열적 안정성을 가지고 고온에서 높은 복사율을 갖는다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
상기 구현예의 방열 패드용 코팅 조성물은 6 내지 20㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러를 포함하여, 상기 코팅 조성물을 포함하는 방열 패드 내의 기재의 복사능을 향상시키고 기재가 전기절연의 특성을 갖게 하는 효과를 가질 수 있다. 나아가, 상기 방열 패드용 코팅 조성물은 상기 무기필러와 함께 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지를 포함하여, 상기 무기필러 입자를 고정하여 기재에 잘 부착되도록 하는 효과와 적외선 흡수로 인한 방열의 역할을 가질 수 있다.
상기 특성을 갖는 방열 패드용 코팅 조성물을 방열이 필요한 부품이나 방열기구에 적용하는 경우, 표면의 복사율이 향상되어, 발생된 열이 대류와 전도 외에 복사에 의한 방열효과를 얻을 수 있으며 전체 방열량이 증가될 수 있다. 이에 따라, 향상된 방열성능을 갖는 방열 패드의 제공을 가능하게 한다.
상기 무기필러는 파장 범위 6 내지 20 ㎛, 또는 8 내지 20 ㎛, 또는 6 내지 12 ㎛, 또는 8 내지 12 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 갖는 것이 바람직하다.
상기 무기필러는 상기 파장 범위의 적외선 흡수 스펙트럼을 가짐으로써, 상기 코팅 조성물을 포함하는 방열제품 또는 방열 패드가 약 300℃ 이상의 고온에서도 높은 복사율을 가질 수 있도록 한다. 또한, 보다 단파장 대역의 적외선 흡수가 추가될수록 고온 영역에서의 방열효과가 향상된다.
상기 무기필러는 실리카, 실리콘나이트라이드, 실리콘옥시나이트라이드, 보론나이트라이드, 실리콘보로옥시나이트라이드 및 실리콘보로나이트라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 특히 상기 예시된 화합물들 중 실리콘옥시나이트라이드 또는 실리콘보로옥시나이트라이드는 상대적으로 넓은 적외선 흡수 스펙트럼을 가진다는 측면에서 상기 무기필러로 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 무기필러는 비결정질일 수 있다. 상기 무기필러가 비결정질인 경우, 결정질인 경우에 비해 보다 넓은 범위의 적외선 흡수 스펙트럼을 가질 수 있으며, 이에 따라 고온에서도 높은 복사율을 가질 수 있다.
예를 들면, 실리콘옥시나이트라이드의 경우, 합성 시 Si와 SiO2의 몰 비율을 조절하여 Si2N2O 보다 결정성이 낮은 비결정질의 SiNxOy를 합성 할 수 있다.
도 1은 Si2N2O 및 SiNxOy의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 1에 따르면 비결정질의 SiNxOy는 Si2N2O 보다 넓은 범위의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상기 무기필러의 평균 입도 분포는 300 내지 800 nm, 또는 350 내지 700 nm, 또는 400 내지 600 nm일 수 있다. 무기필러의 평균 입도 분포가 상기 범위인 경우, 보다 우수한 분산 안정성을 가질 수 있다.
상기 무기필러는 상기 방열 패드용 코팅 조성물의 전체 중량을 기준으로 10 내지 40 중량%, 또는 15 내지 35 중량%, 또는 20 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 무기필러의 함량이 상기 범위 내인 경우, 본 발명에서 목표로 하는 효과가 충분히 발현될 수 있다.
상기 무기필러의 함량이 상기 코팅 조성물의 전체 중량에 대해 10 중량% 미만인 경우 상기 코팅 조성물로 코팅된 기재가 방열특성을 충분히 발휘하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 다만, 상기 무기필러의 함량이 상기 코팅 조성물의 전체 중량에 대해 40 중량%를 초과할 경우 분산 안정성이 떨어지거나, 기재에 대한 코팅 부착성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 방열 패드용 코팅 조성물에는 바인더 수지가 포함된다.
이때, 상기 바인더 수지는 상기 무기필러에 비해 상대적으로 좁은 범위의 적외선 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더 수지는 9 내지 10 ㎛ 파장의 적외선 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다.
상기 바인더 수지가 상기 범위의 적외선 흡수 스펙트럼을 가짐으로, 기재의 방열특성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.
상기 바인더 수지는 오르가노알콕시실란계, 오르가노아미노실란계, 보로실리케이트계, 우레탄계 및 아크릴레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 그 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 오르가노알콕시실란계 화합물은 테트라메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 디메틸메톡시실란, 트리에틸메톡시실란, 에틸트리메톡시실란 및 디에틸메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 고형분의 함량을 기준으로 전체 조성물에 대해 10 내지 40 중량%, 또는 15 내지 35 중량%, 또는 20 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더 수지의 고형분 함량이 전체 조성물에 대해 10 중량% 미만인 경우 코팅된 기재가 방열특성을 충분히 발휘하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 40 중량%를 초과하는 경우 분산안정성이 떨어지거나, 기재에 대한 코팅 부착성이 저하되는 문제점이 발생할 우려가 있다.
상기 방열 패드용 코팅 조성물에는 용매가 포함된다.
상기 용매는 그 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 알코올류, 에테르류, 아세탈류, 케톤류, 에스테르류, 알코올 에스테르류, 케톤 알코올류, 에테르 알코올류, 케톤 에테르류, 케톤 에스테르류, 에스테르에테르류, 방향족계 용제 등이 사용될 수 있으며, 예를 들어 에탄올, 이소프로필 알코올 및 부틸알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 방열 패드용 코팅 조성물에는 분산제, 침강방지제, 소포제 및 레벨링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제가 더 포함될 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 기재; 및 상기 기재의 적어도 일면 상에 상기 일 구현예의 코팅 조성물이 도포되어 형성된 코팅층;을 포함하는 방열 패드가 제공될 수 있다.
상기 코팅 조성물에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.
상기 기재는 그 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 금속, 유리, 또는 플라스틱일 수 있다. 예를 들어, 상기 기재는 구리, 알루미늄 등의 금속성 기재일 수 있다.
상기 기재의 적어도 일면 상에 상기 일 구현예의 코팅 조성물을 도포하여 코팅층을 형성할 수 있다. 이때 상기 코팅 조성물의 도포는 통상적인 도포 방법, 예를 들어, 실크 스크린 피복, 롤 피복, 분사 피복, 침적 피복 또는 스핀 피복 등의 방법으로 수행될 수 있다.
한편, 상기 방열 패드의 두께 및 형태는 특별히 제한되지 않으며, 상기 방열 패드를 적용하고자 하는 전자 기기의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
예를 들어, 상기 방열 패드는 10 내지 200 ㎛, 또는 20 내지 100 ㎛, 또는 20 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 방열 패드는 상기 코팅 조성물을 사용하여 형성된 코팅층을 포함함에 따라, 고온에서도 높은 복사율을 가질 수 있다.
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면,
파장 범위 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러를 미립화하는 단계,
상기 미립화된 무기필러에 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및 용매를 첨가하여 코팅 조성물을 제조하는 단계,
상기 코팅 조성물을 기재 상에 도포하는 단계, 및
상기 코팅 조성물이 도포된 기재를 건조하는 단계
를 포함하는, 방열 패드의 제조방법이 제공될 수 있다.
먼저, 상기 방열 패드의 제조방법은 파장 범위 6 내지 20 ㎛, 또는 8 내지 20 ㎛, 또는 6 내지 12 ㎛, 또는 8 내지 12 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러를 미립화하는 단계를 포함한다.
상기 무기필러에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.
이때, 무기필러 입자의 미립화는 니딩(kneading), 바스켓밀링(basket milling), 볼밀링(ball milling), 애지테이터밀링(agitator milling), 플랜터리밀링(planetary milling) 등 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 습식 또는 건식 공정이 적용될 수 있다.
이후, 상기 미립화된 무기필러에 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및 용매를 첨가하여 코팅 조성물을 제조할 수 있다.
상기 바인더 수지 및 용매에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.
이후 상기 제조된 코팅 조성물을 기재 상에 도포 및 건조하여, 기재 및 코팅층을 포함하는 방열 패드를 제조할 수 있다.
이때, 상기 기재 및 도포 방법에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.
본 발명에 따르면, 우수한 열적 안정성을 가지고 고온에서 높은 복사율을 가지는 방열 패드용 코팅 조성물이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온에서 높은 복사율을 갖는 방열 패드가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온에서 높은 복사율을 갖는 방열 패드의 제조방법이 제공될 수 있다.
도 1은 Si2N2O 및 SiNxOy의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 2는 세라믹 히터(a), 비교예의 시편(b), 및 실시예의 시편(c)을 나타낸 이미지이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
무기필러로 Si와 SiO2의 몰 비율을 조정하여 파장 범위 8 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 비결정질의 실리콘옥시나이트라이드(SiNxOy)를 합성하였다.
이후, 상기 SiNxOy 입자를 플랜터리밀링(planetary milling)을 이용한 습식 공정을 통해 미립화 하였다.
상기 미립화된 SiNxOy 입자 25.4%, 메틸트리메톡시실란과 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시 실란을 3:7의 중량비로 혼합한 바인더 수지 고형분 25.6% 및 용매로 이소프로필알코올 49%를 혼합하여 방열 패드용 코팅 조성물을 제조하였다.
이후, 상기 코팅 조성물을 알루미늄 소재의 기재(Al, 70x40x2 mm; 도 2의 부호 3) 위에 분사 피복(spray coating) 방법으로 도포하여 코팅층(도 2의 부호 4)을 형성하고, 120℃의 오븐에서 30분 건조하여 50 ㎛ 두께로 코팅된 방열패드를 제조하였다.
세리믹 히터(T/C embedded Ceramic Heater; 도 2의 부호 1)에 서멀 그리스(Thermal Grease, 4.2W/m·K; 도 2의 부호 2)를 이용하여 상기 제조된 방열 패드를 부착하여 도 2의 (c)와 같은 실시예의 시편을 제조하였다.
비교예
세리믹 히터(T/C embedded Ceramic Heater; 도 2의 부호 1)에 서멀 그리스(Thermal Grease, 4.2W/m·K; 도 2의 부호 2)를 이용하여 알루미늄 소재의 기재(Al, 70x40x2 mm; 도 2의 부호 3)를 부착하여 도 2의 (b)와 같은 비교예의 시편을 제조하였다.
실험예: 방열 성능 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편에 대하여 다음과 같은 방법으로 방열성능을 평가하였다.
먼저 세라믹 히터에 일정 전압을 인가하여 안정화된 온도를 기준온도인 히터 온도(Heater Temp.)로 설정하였다.
실시예 및 비교예의 시편에 부착된 히터에 동일한 전압을 인가하여 안정화되는 온도를 각각 측정하였다.
Heater Temp. 비교예 실시예
1차
평가		 ℃ 175 109 93
ΔT - 66 82
Temp. Ratio 1 0.623 0.531
방열성능(%) - - 24.20
2차
평가		 ℃ 177 110 94
ΔT - 67 83
Temp. Ratio 1 0.621 0.531
방열성능(%) - - 23.40
3차
평가		 ℃ 176 110 93
ΔT - 66 83
Temp. Ratio 1 0.625 0.528
방열성능(%) - - 25.80
상기 표 1에서 ΔT, Temp. Ratio 및 방열성능(%)이 의미하는 바는 하기 일반식과 같다.
[일반식]
ΔT = Theater - Tsample
Temp. Ratio = (Tsample /Theater)
방열 성능(%) = (ΔT실시예/ ΔT비교예)%
구체적으로, 상기 ΔT는 세라믹 히터의 안정화 온도인 기준 온도와 비교예 또는 실시예의 시편의 안정화 온도의 차이를 의미한다. 상기 Temp. Ratio 값은 기준온도인 히터 온도(Heater Temp.) 대비 비교예 또는 실시예의 시편의 안정화 온도의 비율을 의미한다. 상기 방열성능%는 비교예의 ΔT 대비 실시예의 ΔT를 의미한다.
이때, Temp. Ratio 값이 작을수록 방열 성능이 개선된 것을 의미한다. 상기 표 1을 참고하면, 상기 실시예의 시편이 상기 비교예의 시편 대비 방열 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
1: 세라믹 히터
2: 서멀 그리스
3: 기재
4: 코팅층

Claims (12)

  1. 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러;
    실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및
    용매
    를 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기필러는 실리카, 실리콘나이트라이드, 실리콘옥시나이트라이드, 보론나이트라이드, 실리콘보로옥시나이트라이드 및 실리콘보로나이트라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기필러는 비결정질인, 방열 패드용 코팅 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기필러의 평균 입도 분포는 300 내지 800 nm인, 방열 패드용 코팅 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 9 내지 10 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 갖는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 오르가노알콕시실란계, 오르가노아미노실란계, 보로실리케이트계, 우레탄계 및 아크릴레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오르가노알콕시실란계 화합물은 테트라메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 디메틸메톡시실란, 트리에틸메톡시실란, 에틸트리메톡시실란 및 디에틸메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    무기필러 10 내지 40 중량%;
    바인더 수지의 고형분 10 내지 40 중량%; 및
    잔량의 용매
    를 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    분산제, 침강방지제, 소포제 및 레벨링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는, 방열 패드용 코팅 조성물.
  11. 기재; 및
    상기 기재의 적어도 일면 상에 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 코팅 조성물이 도포되어 형성된 코팅층
    을 포함하는 방열 패드.
  12. 6 내지 20 ㎛의 적외선 흡수 스펙트럼을 가지는 무기필러를 미립화하는 단계,
    상기 미립화된 무기필러에 실록산계, 보로실리케이트계, 우레탄계, 또는 아크릴레이트계 화합물을 포함하는 바인더 수지; 및 용매를 첨가하여 코팅 조성물을 제조하는 단계,
    상기 코팅 조성물을 기재 상에 도포하는 단계, 및
    상기 코팅 조성물이 도포된 기재를 건조하는 단계
    를 포함하는, 방열 패드의 제조방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023034091A1 (en) * 2021-08-28 2023-03-09 Purdue Research Foundation Paint compositions and paint coatings for radiative cooling and related method of manufacture
WO2024118766A1 (en) * 2022-11-30 2024-06-06 Purdue Research Foundation Radiative cooling paint mixtures, single-layer paints, and methods of producing and using the same

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