KR20220055765A - Manufacturing method of organic-inorganic hybrid capusle type phase change materials with excellent thermal conductivity and shape stability - Google Patents

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KR20220055765A
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강미숙
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an organic-inorganic hybrid capsule-type phase change material (PCM) with excellent thermal conductivity and shape stability, and more particularly, to a method for manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule and an organic-inorganic hybrid microcapsule manufactured thereby, in which the method includes: preparing a metal nanoparticle solution; preparing a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds a circumference of a phase change material (PCM); and loading metal nanoparticles in the capsule by adding the prepared metal nanoparticle solution to the prepared capsule. A phase change material in a form of the organic-inorganic hybrid microcapsule according to the present invention solves a problem of a conventional phase change material and has improved thermal conductivity and shape stability, so that the phase change material is used as a promising phase change material capable of storing and releasing energy in various fields.

Description

우수한 열 전도성 및 형태 안정성을 가진 유무기 하이브리드 캡슐형 상 변이 소재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ORGANIC-INORGANIC HYBRID CAPUSLE TYPE PHASE CHANGE MATERIALS WITH EXCELLENT THERMAL CONDUCTIVITY AND SHAPE STABILITY}Manufacturing method of organic-inorganic hybrid capsule-type phase-change material with excellent thermal conductivity and shape stability

본 발명은 우수한 열 전도성 및 형태 안정성을 가진 유무기 하이브리드 캡슐형 상 변이 소재(PCM)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid capsule-type phase change material (PCM) having excellent thermal conductivity and shape stability.

고도화된 산업은 현대 사회의 경제 발전과 함께 예기치 못한 다양한 환경 문제를 야기하고 있다. 석유와 석탄의 무분별한 소비 증가는 에너지 자원 부족과 함께 온실 가스 배출로 인한 지구 온난화를 초래하였다. 이에 전 세계적으로 청정에너지 사용을 늘리고, 에너지 활용 효율을 높이기 위한 국가 전략을 모색하는 등 재생 불가능한 에너지 및 환경 위기 문제에 적극적으로 대처하고자 하고 있다.The advanced industry is causing various unexpected environmental problems along with the economic development of modern society. The indiscriminate increase in consumption of oil and coal has caused global warming due to greenhouse gas emissions along with a shortage of energy resources. Accordingly, we are actively coping with non-renewable energy and environmental crises, such as increasing the use of clean energy worldwide and seeking national strategies to increase energy utilization efficiency.

상 변이 물질(Phase Change Materials, PCM)은 적정한 온도 범위에서 상태를 변화시켜 막대한 양의 잠열 에너지를 저장하고 방출할 수 있기 때문에 다각도에서 에너지 효율을 높이는 후보로 간주된다. PCM은 높은 에너지 저장 밀도 특성으로 인해 건물 에어컨, 전자 냉각, 폐열 회수, 직물, 태양에너지 저장, 배터리 산업 등 다양한 분야에 활용되고 있다. Phase change materials (PCMs) are considered candidates for increasing energy efficiency from various angles because they can store and release a huge amount of latent heat energy by changing their state in an appropriate temperature range. Because of its high energy storage density, PCM is being used in various fields such as building air conditioners, electronic cooling, waste heat recovery, textiles, solar energy storage, and battery industries.

최근 들어, PCM을 배터리 열 관리 소재로 응용하는 움직임이 커지고 있다. 리튬이온 배터리(Li-ion Battery, LiB)는 높은 에너지 밀도, 낮은 메모리 효과, 낮은 에너지 손실률 등의 장점으로 인해 현재 가장 성공적인 2차 전지로 널리 사용되고 있다. 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 휴대기기의 사용량이 증가함에 따라 점차 고 용량, 대형의 배터리가 요구되고 있다. 특히, 과거 화석연료를 동력원으로 삼았던 자동차와 발전기 등이 전기자동차(EV)와 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS) 등으로 기술이 대체되면서 리튬 2차 전지의 수요는 기하급수적으로 증가하는 추세이다. 배터리 수요 및 용량이 증가하면서 배터리 안전성에 대한 관심도 급격히 증가하고 있다. 배터리는 약간의 온도 변화에도 매우 민감하고 배터리 수명과 안전에 영향을 미치므로 효과적인 배터리 열 관리 시스템을 설계하는 것은 매우 중요하다. 특히 미래형 전기 자동차의 전장화에 따른 배터리 용량 증가는 결국 막대한 열을 동반하며, 이 열을 효과적으로 제어하기 위한 냉각 소재 개발이 향후 전기자동차의 발전 향방을 좌우할 것으로 보인다.Recently, there has been a growing movement to apply PCM as a battery thermal management material. Lithium ion batteries (Li-ion batteries, LiB) are currently widely used as the most successful secondary batteries due to their advantages such as high energy density, low memory effect, and low energy loss rate. As the usage of mobile devices such as smartphones, tablets, and laptops increases, high-capacity and large-sized batteries are increasingly required. In particular, as automobiles and generators that used fossil fuels as power sources in the past are replaced by electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS), the demand for lithium secondary batteries is increasing exponentially. am. As battery demand and capacity increase, interest in battery safety is also rapidly increasing. Batteries are very sensitive to even slight temperature changes and affect battery life and safety, so designing an effective battery thermal management system is very important. In particular, the increase in battery capacity due to the electrification of future electric vehicles is accompanied by enormous heat, and the development of cooling materials to effectively control this heat is expected to influence the future development of electric vehicles.

PCM 냉각 방식은 수동 열 관리 시스템으로써, 배터리에 의해 발생된 과도한 열을 배터리 모듈에 가깝게 위치한 PCM에 의해 흡수될 수 있게 디자인된다. PCM은 비교적 일정한 온도 범위에서 상 변이를 일으킴으로써 배터리로부터 열을 흡수하거나 방출하면서 배터리의 작동 온도를 유지시킬 수 있다. 적합한 PCM을 선택하기 위한 주요 변수로는 높은 열전도율과 높은 비열을 가져야 하며, 원하는 작동 범위에서 녹는점을 가져야 하고, 보조 냉각제가 적거나 없어야 하며, 응고 또는 녹는 동안 부피 변화가 무시할 정도로 작아야 한다. 또한, 비 독성, 비 인화성, 비 폭발성을 갖고 안정해야 하며, 저렴한 비용으로 대량 구매할 수 있어야 한다. The PCM cooling method is a passive thermal management system, and is designed to absorb excessive heat generated by the battery by the PCM located close to the battery module. PCM can maintain the operating temperature of the battery while absorbing or dissipating heat from the battery by undergoing a phase transition over a relatively constant temperature range. Key parameters for selecting a suitable PCM include high thermal conductivity and high specific heat, a melting point in the desired operating range, little or no auxiliary coolant, and negligible changes in volume during solidification or melting. In addition, it must be stable, non-toxic, non-flammable, non-explosive, and can be purchased in bulk at low cost.

다양한 PCM 중에서 파라핀(paraffin)은 큰 상 변화 엔탈피와 낮은 증기압, 우수한 화학적 및 자기 핵 형성 특성과 같은 우수한 열적 특성으로 인해 에너지 저장 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 파라핀계 PCM은 상 전이가 고체-액체-고체 물리적 변화를 하기 때문에 실제 적용시, 특수 잠열 장치 또는 열 교환 표면을 사용해야 하는 필요성, 고체에서 액체로의 상 변화 발생 시 액체의 유출, 낮은 열전도율 및 과 냉각 등의 한계점을 가진다. 이에, 이러한 문제점이 개선된 새로운 형태의 PCM 소재 개발이 필요한 실정이다.Among the various PCMs, paraffin is widely used in energy storage due to its excellent thermal properties such as large phase change enthalpy, low vapor pressure, and excellent chemical and magnetic nucleation properties. However, since the phase transition of paraffinic PCM is a solid-liquid-solid physical change, in practical applications, it is necessary to use a special latent heat device or a heat exchange surface, liquid leakage when a solid-to-liquid phase change occurs, low thermal conductivity and It has limitations such as overcooling. Accordingly, there is a need to develop a new type of PCM material in which these problems are improved.

대한민국 공개특허 제10-2013-0143342호 (2013.12.31. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0143342 (published on December 31, 2013)

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 우수한 열 전도성 및 형태 안정성을 가진 새로운 형태의 상 변이 소재의 제조방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a new type of phase change material having excellent thermal conductivity and shape stability in order to solve the above problems.

본 발명의 다른 목적은 상기의 제조방법으로 제조된 상 변이 소재를 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a phase change material prepared by the above manufacturing method.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 나노입자 용액을 제조하는 단계; 상 변이 물질(PCM) 둘레를 무기 쉘이 감싸는 코어-쉘 구조의 캡슐을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 금속 나노입자 용액을 상기 제조된 캡슐에 첨가하여 상기 캡슐에 상기 금속 나노입자를 로딩하는 단계;를 포함하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a metal nanoparticle solution; manufacturing a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds a phase change material (PCM); and adding the prepared metal nanoparticle solution to the prepared capsule to load the metal nanoparticles into the capsule.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐로, 열 전도도가 1 내지 2 W/mk인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐을 제공한다.In addition, the present invention provides an organic-inorganic hybrid microcapsule manufactured according to the above manufacturing method, wherein the organic-inorganic hybrid microcapsule has a thermal conductivity of 1 to 2 W/mk.

본 발명에 따른 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐 제조방법에 따라, 상 변이 물질을 무기 쉘로 캡슐화 함으로써 기존의 유기 쉘 캡슐화에 따른 상 변이 물질 용출 문제를 해결할 수 있고, 특정 크기의 금속 나노입자를 제조하여 상기 캡슐에 로딩함으로써, 무기 쉘에 따른 낮은 열 전도도를 향상시킬 수 있다.According to the organic-inorganic hybrid microcapsule manufacturing method according to the present invention, by encapsulating the phase-change material with an inorganic shell, it is possible to solve the problem of dissolution of the phase-change material due to the existing organic shell encapsulation, and metal nanoparticles of a specific size are manufactured to the capsule. By loading into the , it is possible to improve the low thermal conductivity of the inorganic shell.

이에, 상기 제조방법에 따라 제조된 마이크로 캡슐은 기존의 상 변이 소재의 문제점을 해결하고 향상된 열 전도도와 형태 안정성을 가짐으로써, 다양한 분야에서 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 유망한 상 변이 소재로 활용될 수 있다.Accordingly, the microcapsules manufactured according to the above manufacturing method solve the problems of the existing phase-change materials and have improved thermal conductivity and shape stability, so that they can be used as promising phase-change materials that can store and release energy in various fields. can

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 X-선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 3은 상기 마이크로 캡슐의 적외선 분광기(FT-IR) 분석 결과이다.
도 4는 상기 마이크로 캡슐의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 5는 상기 마이크로 캡슐의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 에너지분산분광기(EDS) 스펙트럼이다.
도 6은 상기 마이크로 캡슐의 입자 분포도이다.
도 7은 상기 마이크로 캡슐의 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 8은 상기 마이크로 캡슐의 시차주사열량계(DSC) 분석 결과이다.
도 9A는 상기 마이크로 캡슐의 50회에 걸친 DSC 커브를 나타내고, 도 9B는 용융/냉각 50 사이클 반복 전과 후의 FT-IR 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 10은 상기 마이크로 캡슐의 활성화 에너지 계산 결과이다.
도 11은 상기 마이크로 캡슐의 열 전도도 평가 그래프이다.
도 12는 상기 마이크로 캡슐의 온도 상승에 따른 형태 안정성 및 열적 안정성을 평가한 결과이다.
1 schematically shows a microcapsule manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an X-ray diffraction analysis (XRD) result of the microcapsules prepared according to FIG. 1 .
3 is an infrared spectroscopy (FT-IR) analysis result of the microcapsule.
4 is a transmission electron microscope (TEM) image of the microcapsule.
5 is a scanning electron microscope (SEM) image and energy dispersive spectroscopy (EDS) spectrum of the microcapsule.
6 is a particle distribution diagram of the microcapsules.
7 is a thermogravimetric analysis (TGA) result of the microcapsule.
8 is a differential scanning calorimeter (DSC) analysis result of the microcapsule.
Fig. 9A shows the DSC curve over 50 times of the microcapsules, and Fig. 9B shows the FT-IR spectrum results before and after repeating 50 cycles of melting/cooling.
10 is a result of calculating the activation energy of the microcapsule.
11 is a graph for evaluating the thermal conductivity of the microcapsule.
12 is a result of evaluating the shape stability and thermal stability of the microcapsule according to the temperature rise.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자는 상 변이 물질(PCM) 코어/무기물 쉘/금속 나노입자 형태의 삼원 캡슐 타입의 상 변이 소재를 제조하여, 상 변이 시 액체의 유출이 없고 열 전도성 등이 향상됨을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present inventors prepare a phase change material of a ternary capsule type in the form of a phase change material (PCM) core/inorganic shell/metal nanoparticle, and confirm that there is no leakage of liquid during phase change and thermal conductivity is improved, so that the present invention is completed.

본 명세서에 있어서, "상 변이 물질(Phase Change Materials, PCM)"은 고체에서 액체, 액체에서 고체, 등 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화 과정을 통하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질로, "상 전이 물질", "상 변화 물질" 등의 용어와 혼용될 수 있다.In the present specification, "Phase Change Materials (PCM)" accumulates heat or releases stored heat through a kind of physical change process that changes from one state to another, such as from solid to liquid, from liquid to solid, etc. It may be used interchangeably with terms such as "phase change material" and "phase change material".

본 명세서에 있어서, "PCM@무기물"은 PCM 코어-무기 쉘 구조의 캡슐을 의미하며, "PCM@무기물@금속 나노입자"는 PCM 코어-무기 쉘 구조의 캡슐 외부에 금속 나노입자가 접착된 형태를 의미한다.As used herein, "PCM@inorganic" means a capsule having a PCM core-inorganic shell structure, and "PCM@inorganic@metallic nanoparticles" is a form in which metal nanoparticles are adhered to the outside of a capsule having a PCM core-inorganic shell structure. means

본 발명은 우수한 열 전도성 및 형태 안정성을 가지는 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule having excellent thermal conductivity and shape stability.

상기 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법은 금속 나노입자 용액을 제조하는 단계; 상 변이 물질(PCM) 둘레를 무기 쉘이 감싸는 코어-쉘 구조의 캡슐을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 금속 나노입자 용액을 상기 제조된 캡슐에 첨가하여 상기 캡슐에 상기 금속 나노입자를 로딩하는 단계;를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the organic-inorganic hybrid microcapsules includes preparing a metal nanoparticle solution; manufacturing a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds a phase change material (PCM); and loading the metal nanoparticles into the capsule by adding the prepared metal nanoparticle solution to the prepared capsule.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 금속 나노입자 용액을 제조하는 단계는 금속 전구체 용액에 분산제를 첨가하여 반응시킨 후, 환원제를 첨가하여 반응시킴으로써 수행될 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the step of preparing the metal nanoparticle solution may be performed by adding a dispersing agent to the metal precursor solution to react, and then adding a reducing agent to react.

상기 금속 전구체 용액은 금속 전구체를 용매에 용해시켜 제조된 것으로, 상기 금속 전구체는 금, 은, 구리, 텅스텐, 철, 니켈, 코발트, 아연, 티타늄, 팔라듐, 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 화합물일 수 있고, 예를 들어, HAuCl4, AgNO3, AgBF4, AgClO4, AgCl, CuO, Cu(NO3)2, CuCl2, NiCl2, Ni(NO3)2, NiSO4, CoCl2, Co(NO3)2, RuCl3, PtCl4, PtCl2 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal precursor solution is prepared by dissolving a metal precursor in a solvent, and the metal precursor is one selected from the group consisting of gold, silver, copper, tungsten, iron, nickel, cobalt, zinc, titanium, palladium, ruthenium and platinum. It may be a compound containing more than one metal, for example, HAuCl 4 , AgNO 3 , AgBF 4 , AgClO 4 , AgCl, CuO, Cu(NO 3 ) 2 , CuCl 2 , NiCl 2 , Ni(NO 3 ) 2 , NiSO 4 , CoCl 2 , Co(NO 3 ) 2 , RuCl 3 , PtCl 4 , PtCl 2 It may be, but is not limited thereto.

상기 용매는 물, 알코올, 폴리올(polyol) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may be selected from water, alcohol, polyol, and the like, but is not limited thereto.

상기 분산제는 젤라틴(gelatin), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 계면활성제(양이온성, 음이온성 및 중성), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 덱스트린(dextrin) 및 소듐 트리폴리포스페이트(sodium tripolyphosphate) 등과 같은 폴리포스페이트류(polyphosphate)로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 젤라틴일 수 있다.The dispersant is gelatin, polyvinylpyrrolidone (PVP), surfactant (cationic, anionic and neutral), ethyl cellulose, dextrin, and sodium tripolyphosphate. It may be selected from the group consisting of polyphosphates, such as, and preferably, gelatin.

상기 환원제는 하이드라진(hydrazin), 구연산 나트륨(trisodium citrate), 아스코르브산(ascorbate), NH4OH 및 LiAlH4로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 하이드라진일 수 있다.The reducing agent may be selected from the group consisting of hydrazine, sodium citrate, ascorbate, NH 4 OH and LiAlH 4 , and preferably hydrazine.

상기 분산제 및 환원제는 이에 제한되지 않고, 당업계에 공지된 분산제 및 환원제를 모두 포함할 수 있으며, 상기 금속의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.The dispersing agent and the reducing agent are not limited thereto, and may include both a dispersing agent and a reducing agent known in the art, and may be selectively used according to the type of the metal.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 금속 나노입자는 평균 입경이 10 내지 100nm로 제조될 수 있고, 바람직하게는 50 내지 100nm, 보다 바람직하게는 80nm로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실험예에 따르면, 상기 금속 나노입자가 상기 범위의 크기로 제조될 때, 상기 금속 나노입자가 로딩된 마이크로 캡슐의 열 전도도가 가장 우수함을 확인할 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the metal nanoparticles may have an average particle diameter of 10 to 100 nm, preferably 50 to 100 nm, more preferably 80 nm. According to an experimental example of the present invention, when the metal nanoparticles are manufactured to have a size within the above range, it can be confirmed that the thermal conductivity of the microcapsules loaded with the metal nanoparticles is the best.

상기 금속 나노입자의 크기는 상기 분산제와 환원제의 양으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제의 양이 적고 환원제의 양이 많으면 상기 금속 나노입자의 크기가 커지고, 반대로 상기 분산제의 양이 많고 환원제의 양이 적으면 상기 금속 나노입자의 크기가 작아진다.The size of the metal nanoparticles may be controlled by the amount of the dispersant and the reducing agent. For example, when the amount of the dispersing agent is small and the amount of the reducing agent is large, the size of the metal nanoparticles increases. Conversely, when the amount of the dispersing agent is large and the reducing agent is small, the size of the metal nanoparticles becomes small.

이에, 상기 범위의 평균 입경을 가진 금속 나노입자를 제조하기 위하여, 바람직하게는, 상기 금속 전구체 용액 전체 100 부피부에 대하여, 상기 분산제는 0.1 내지 1 부피부, 보다 바람직하게는 0.75 부피부로 첨가될 수 있고, 상기 환원제는 10 내지 20 부피부, 보다 바람직하게는 15 부피부로 첨가될 수 있다.Accordingly, in order to prepare metal nanoparticles having an average particle diameter in the above range, preferably, the dispersant is added in an amount of 0.1 to 1 part by volume, more preferably 0.75 part by volume, based on 100 parts by volume of the total metal precursor solution. may be, and the reducing agent may be added in an amount of 10 to 20 parts by volume, more preferably 15 parts by volume.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 상 변이 물질(PCM) 둘레를 무기 쉘이 감싸는 코어-쉘 구조의 캡슐을 제조하는 단계는 상기 상 변이 물질 및 무기 화합물을 1: (1 내지 2)의 질량비로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 계면활성제가 포함된 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 에멀젼에 산성 용액을 떨어뜨리며 교반시키는 단계;를 포함할 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the step of preparing a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds the phase change material (PCM) comprises mixing the phase change material and the inorganic compound in a mass ratio of 1: (1 to 2). mixing to prepare a mixture; preparing an emulsion by mixing the mixture with a solvent containing a surfactant; and dropping an acidic solution to the prepared emulsion and stirring.

상기 혼합물을 제조하는 단계는 상기 상 변이 물질 및 무기 화합물을 1: (1 내지 2), 바람직하게는 1:1.5의 질량비로, 40 내지 60℃, 바람직하게는 50℃에서 30분 내지 2시간, 바람직하게는 1시간 교반시켜 혼합함으로써 수행될 수 있다. 상기 범위의 질량비로 혼합될 때, 상기 무기 쉘의 평균 두께가 20 내지 40nm로 제조될 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30nm로, 열 전도성이 우수한 최적 무기 쉘의 두께로 제조될 수 있기에, 상기의 질량비로 혼합됨이 바람직할 것이다. The step of preparing the mixture comprises the phase change material and the inorganic compound in a mass ratio of 1: (1 to 2), preferably 1:1.5, at 40 to 60 °C, preferably at 50 °C for 30 minutes to 2 hours, Preferably, it can be carried out by mixing by stirring for 1 hour. When mixed in the mass ratio in the above range, the average thickness of the inorganic shell may be prepared to be 20 to 40 nm, and preferably to 20 to 30 nm, since it can be manufactured to the optimal thickness of the inorganic shell excellent in thermal conductivity, the above It would be preferable to mix by mass ratio.

상기 상 변이 물질은 35 내지 51℃ 온도 범위의 녹는점을 갖는 n-에이코산(n-eicosaen), n-헤네이코산(n-heneicosane), n-도코산(n-docosane), n-트리코산(n-tricosane) 및 n-테트라코산(n-tetracosane)으로 이루어진 군에서 선택되는 파라핀계 유기물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The phase change material is n-eicosaen (n-eicosaen), n-heneicosane, n-docosane (n-docosane), n-tricho having a melting point in the temperature range of 35 to 51 ℃ It may be a paraffinic organic material selected from the group consisting of acids (n-tricosane) and n-tetracosane, but is not limited thereto.

상기 무기 화합물은 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS) 또는 테트라메틸 오르토실리케이트(tetramethyl orthosilicate, TMOS)에서 선택되는 실리카 전구체 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The inorganic compound may be a silica precursor compound selected from tetraethyl orthosilicate (TEOS) or tetramethyl orthosilicate (TMOS), but is not limited thereto.

상기 에멀젼을 제조하는 단계는 상기 제조된 상 변이 물질 및 무기 화합물의 혼합물을 계면활성제가 포함된 용매에 혼합함으로써 수행될 수 있다.The preparing of the emulsion may be performed by mixing the prepared mixture of the phase change material and the inorganic compound in a solvent containing a surfactant.

상기 계면활성제는 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(cetyl trimethylammonium bromide, CTAB), 도데실 트리메틸암모늄 브로마이드(dodecyl trimethylammonium bromide, DTAB), 또는 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(tetradecyl trimethylammonium bromide, TTAB)에서 선택되는 양이온성 계면활성제일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The surfactant is a cationic surfactant selected from cetyl trimethylammonium bromide (CTAB), dodecyl trimethylammonium bromide (DTAB), or tetradecyl trimethylammonium bromide (TTAB) However, the present invention is not limited thereto.

상기 에멀젼 제조는 상 변이 물질의 용융 온도보다 약간 높은 온도에서 수행될 수 있고, 40 내지 60℃, 바람직하게는 50℃에서 수행될 수 있다.The emulsion preparation may be carried out at a temperature slightly higher than the melting temperature of the phase change material, and may be carried out at 40 to 60 °C, preferably at 50 °C.

이후, 상기 제조된 에멀젼에 산성 용액을 떨어뜨리며 교반시키는 단계는, 상기 제조된 에멀젼에 35 내지 37% HCl 용액을 2 내지 4시간, 바람직하게는 3시간 동안 천천히 떨어뜨리면서 1 내지 3시간, 바람직하게는 2시간 동안 더 교반함으로써 수행될 수 있고, 이에 따라 상 변이 물질 코어를 무기 쉘이 둘러싸는 코어-쉘 구조의 캡슐이 형성될 수 있다.After that, the step of stirring while dropping the acid solution to the prepared emulsion is slowly dropping a 35 to 37% HCl solution into the prepared emulsion for 2 to 4 hours, preferably for 3 hours for 1 to 3 hours, preferably may be performed by further stirring for 2 hours, and thus, a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds the phase change material core may be formed.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 금속 나노입자를 로딩하는 단계는 상기 제조된 금속 나노입자 용액을 상기 제조된 캡슐에 첨가하여 30 내지 2시간, 바람직하게는 1시간 교반시킨 후, 40 내지 60℃, 바람직하게는 50℃에서 20 내지 30시간, 바람직하게는 24시간 숙성시킨 다음, 여과, 세척 및 건조함으로써 수행될 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, in the step of loading the metal nanoparticles, the prepared metal nanoparticle solution is added to the prepared capsule and stirred for 30 to 2 hours, preferably for 1 hour, and then 40 to 60 It can be carried out by aging at ℃, preferably at 50 ℃ for 20 to 30 hours, preferably for 24 hours, followed by filtration, washing and drying.

이에 따라, 상기 코어-쉘 구조의 캡술 외부에 상기 금속 나노입자가 접착된 형태의 마이크로 캡슐 분말을 획득할 수 있다.Accordingly, it is possible to obtain a microcapsule powder in a form in which the metal nanoparticles are adhered to the outside of the capsule having the core-shell structure.

또한, 본 발명은 상기의 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법에 따라 제조된 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐을 제공한다.In addition, the present invention provides an organic-inorganic hybrid microcapsule manufactured according to the manufacturing method of the organic-inorganic hybrid microcapsule.

상기 마이크로 캡슐은 열 전도도가 1 내지 2 W/mk, 바람직하게는 1 내지 1.5 W/mk 로, 캡슐 형태 이전의 순수한 상 변이 물질 또는 금속 나노입자가 접합되지 않은 상 변이 물질 코어-무기 쉘의 캡슐 보다 2배 이상의 우수한 열 전도도를 가질 수 있다. The microcapsule has a thermal conductivity of 1 to 2 W/mk, preferably 1 to 1.5 W/mk, and a pure phase change material prior to the capsule form or a phase change material core to which metal nanoparticles are not bonded. It can have superior thermal conductivity of more than twice that.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to help the understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the content of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

<실시예 1> 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조<Example 1> Preparation of organic-inorganic hybrid microcapsules

1. PCM@SiO1. PCM@SiO 2 2 마이크로 캡슐의 제조Preparation of microcapsules

마이크로 캡슐 형태의 상 변이 물질을 제조하기 위하여, 먼저 n-에이코산(n-eicosane, Alfa aesar, 네덜란드)과 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS, Junsei Chemical, 일본)를 1:1의 질량비로 혼합하여 50℃에서 1시간 동안 교반시켰다. 동시에 50℃ 온도로 맞추어진 포름아미드(formamide, 대정화금, 한국)(PCM 1 중량에 대해 약 220 내지 1100 중량)에 양이온성 계면활성제인 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(cetyl trimethylammonium bromide, CTAB, Junsei Chemical, 일본)(PCM 1 중량에 대해 약 0.3 내지 1 중량)를 첨가하였다. 준비된 상기의 두 용액을 혼합하여 교반하여 균일한 에멀젼을 제조하였다. 그 후 HCl(35-37%, 대정화금, 한국) 용액을 3시간 동안 천천히 드롭(drop)시켰고, 2시간 동안 더 교반시켰다. 50℃에서 24시간 동안 숙성하여 필터 후 얻어진 분말을 탈 이온수로 여러 번 세척한 후 실온에서 24시간 건조시켰다. 상기의 제조 과정은 n-에이코산부터 n-테트라코산(n-tetracosane)까지의 파라핀계 PCM 물질 모두에 적용할 수 있다.In order to prepare the phase change material in the form of microcapsules, first, n-eicosane (Alfa aesar, Netherlands) and tetraethyl orthosilicate (TEOS, Junsei Chemical, Japan) were mixed in a mass ratio of 1:1. The mixture was stirred at 50° C. for 1 hour. At the same time, the cationic surfactant cetyl trimethylammonium bromide (CTAB, Junsei Chemical, Japan) (about 0.3 to 1 weight per weight of PCM) was added. The prepared two solutions were mixed and stirred to prepare a uniform emulsion. After that, the HCl (35-37%, Daejung Chemicals, Korea) solution was slowly dropped for 3 hours, and stirred for 2 hours more. After aging at 50° C. for 24 hours, the obtained powder was washed several times with deionized water and dried at room temperature for 24 hours. The above manufacturing process can be applied to all paraffinic PCM materials from n-eicosane to n-tetracosane.

이 때, 에멀젼을 만드는 온도는 PCM의 용융 온도보다 약간 높은 온도에서 수행해야 하며, 분산제인 양이온성 계면활성제 CTAB의 농도를 1로 고정시키고 PCM 코어(core)와 TEOS 쉘(shell)의 농도를 달리함으로써, SiO2 캡슐 두께를 조절할 수 있다. At this time, the temperature to make the emulsion should be carried out at a temperature slightly higher than the melting temperature of PCM, and the concentration of the cationic surfactant CTAB as a dispersant was fixed to 1, and the concentrations of the PCM core and TEOS shell were different. By doing so, SiO 2 capsule thickness can be adjusted.

예를 들어, PCM과 TEOS의 농도를 1:1의 질량비(또는 몰 비)로 할 경우, 20nm의 쉘이 만들어지며, TEOS 농도를 2배로 증가시키면 40nm의 쉘이, 3배로 증가시키면 60nm의 쉘이 만들어져, 농도가 1배씩 증가할 때마다 20nm 씩 쉘 두께가 증가하는 경향을 보였다.For example, if the concentration of PCM and TEOS is 1:1 by mass ratio (or molar ratio), a shell of 20 nm is produced. was made, and the shell thickness tended to increase by 20 nm for every one-fold increase in concentration.

쉘의 두께가 두꺼워지면 PCM이 녹아 나오지 않기 때문에 캡슐이 안정하지만, 열 전도성은 떨어져서 빠른 잠열 응답이 불가능하다. 따라서 열 전도성을 고려하여 가장 최적 조건으로 PCM과 TEOS의 농도를 1:1.5로 하여 쉘 두께를 30nm로 최대한 얇고 안정하게 제조하였다.When the thickness of the shell becomes thick, the capsule is stable because PCM does not melt out, but the thermal conductivity is poor, so a fast latent heat response is impossible. Therefore, considering the thermal conductivity, the concentration of PCM and TEOS was 1:1.5 as the most optimal condition, and the shell thickness was 30 nm as thin and stable as possible.

2. 금속 나노입자 졸 제조 과정2. Metal Nanoparticle Sol Manufacturing Process

2-1. 구리 나노입자의 제조2-1. Preparation of copper nanoparticles

소정의 CuO 파우더(Alfa aesar, 네덜란드)를 암모니아 수용액에 용해시키고 분산제로서 젤라틴(gelatin, Sigma-Aldrich, 미국)을 첨가하여 2시간 동안 교반시켰다. 별도로 암모니아 수용액에 하이드라진(hydrazin, 덕산, 한국)과 젤라틴을 첨가하여 2시간 동안 교반시켰다. 균일하게 혼합된 두 용액을 혼합하여 N2 가스 버블링 하에서 1시간 동안 교반시켜 최종적으로 Cu 금속 나노입자 용액을 제조하였다. A predetermined CuO powder (Alfa aesar, Netherlands) was dissolved in an aqueous ammonia solution, and gelatin (gelatin, Sigma-Aldrich, USA) was added as a dispersant and stirred for 2 hours. Separately, hydrazine (hydrazin, Deoksan, Korea) and gelatin were added to an aqueous ammonia solution and stirred for 2 hours. The two uniformly mixed solutions were mixed and stirred under N 2 gas bubbling for 1 hour to finally prepare a Cu metal nanoparticle solution.

2-2. 은 나노입자의 제조2-2. Preparation of silver nanoparticles

AgNO3(Sigma-Aldrich, 미국)와 NH4OH(28%, 대정화금, 한국)를 적정량의 몰 비로 혼합하여 용액을 만들었다. 상기 용액에 분산제로써 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP, Sigma-Aldrich, 미국)을 첨가한 후 10분 동안 교반시켰다. 그 후 환원제로서 NaBH4(대정화금, 한국)를 첨가하여 은 나노입자 용액을 제조하였다.AgNO 3 (Sigma-Aldrich, USA) and NH 4 OH (28%, Daejeong Hwageum, Korea) were mixed in an appropriate molar ratio to prepare a solution. Polyvinylpyrrolidone (polyvinylpyrrolidone, PVP, Sigma-Aldrich, USA) was added to the solution as a dispersant and stirred for 10 minutes. Thereafter, NaBH 4 (Daejeong Hwageum, Korea) was added as a reducing agent to prepare a silver nanoparticle solution.

금속의 종류에 따라서 분산제와 환원제를 달리 사용할 수도 있고 같은 것을 사용할 수도 있다. 금속 나노입자를 제조할 때 사용하는 환원제로는 NH4OH, (hydrazin), 구연산 나트륨(trisodium citrate), 아스코르브산(ascorbate), LiAlH4, 등을 사용할 수 있으며, 가장 최적의 환원제는 하이드라진이고, 분산제로는 PVP, 젤라틴, 계면활성제(양이온, 음이온, 중성), 에틸셀룰로오스, 덱스트린, 폴리포스페이트류(polyphosphate) 등을 사용할 수 있으며, 가장 최적의 분산제는 젤라틴이었다.Depending on the type of metal, the dispersing agent and the reducing agent may be used differently or the same may be used. As a reducing agent used to prepare metal nanoparticles, NH 4 OH, (hydrazin), sodium citrate, ascorbate, LiAlH 4 , etc. can be used, and the most optimal reducing agent is hydrazine, As a dispersant, PVP, gelatin, surfactant (cation, anion, neutral), ethyl cellulose, dextrin, polyphosphate, etc. can be used, and the most optimal dispersant is gelatin.

금속나노입자의 크기는 10nm ~ 100nm 사이즈로 제어가 가능한데, 이는 환원제의 양과 분산제의 양으로 조절이 가능하다. 열전도도가 가장 좋은 사이즈는 50 ~ 100nm로, 가장 최적 사이즈는 80nm로 확인되었다. 사용한 금속원료 용액의 농도는 0.1M, 환원제의 농도는 0.1M, 분산제의 농도는 0.03M이었다. 일정한 부피의 금속원료 용액에 대해 환원제 및 분산제의 부피 비를 달리 사용하였다. 금속원료 용액의 부피를 1이라고 가정하였을 때, 사용한 환원제의 부피는 금속원료 용액의 부피 대비 10 ~ 20% (10, 12.5, 15.0, 17.5 및 20), 분산제의 부피는 금속원료 용액의 부피 대비 0.1 ~ 1.0% (0.1, 0.25, 0.5, 0.75 및 1.0)였다. 그리고 금속 나노입자가 최적의 사이즈인 80nm를 가질 때의 환원제와 분산제의 부피는 금속원료 용액의 부피 대비 각각 15%와 0.75%였다. The size of the metal nanoparticles can be controlled from 10 nm to 100 nm in size, which can be controlled by the amount of the reducing agent and the amount of the dispersing agent. It was confirmed that the size with the best thermal conductivity was 50 ~ 100 nm, and the most optimal size was 80 nm. The concentration of the metal raw material solution used was 0.1M, the concentration of the reducing agent was 0.1M, and the concentration of the dispersant was 0.03M. Different volume ratios of the reducing agent and the dispersing agent were used for a constant volume of the metal raw material solution. Assuming that the volume of the metal raw material solution is 1, the volume of the reducing agent used is 10 to 20% (10, 12.5, 15.0, 17.5, and 20) of the volume of the metal raw material solution, and the volume of the dispersing agent is 0.1 compared to the volume of the metal raw material solution ~1.0% (0.1, 0.25, 0.5, 0.75 and 1.0). And when the metal nanoparticles had an optimal size of 80 nm, the volumes of the reducing agent and the dispersing agent were 15% and 0.75%, respectively, relative to the volume of the metal raw material solution.

3. PCM@SiO3. PCM@SiO 22 @금속 삼원 마이크로 캡슐 제조@Metal ternary microcapsule manufacturing

상기 실시예 1의 1에 따라 제조된 PCM@SiO2 마이크로 캡슐을 합성하는 과정에서, 상기 실시예 1의 2에 따라 제조된 금속 나노입자 용액을 숙성 단계 전에 첨가하였다. 약 1시간 동안 충분히 교반시킨 후 여과하여 세척하였다. 이후 상온에서 24시간 건조하여 최종적으로 PCM@SiO2@Cu 분말을 얻었다 (도 1).In the process of synthesizing the PCM@SiO 2 microcapsules prepared according to Example 1 1, the metal nanoparticle solution prepared according to Example 1 2 was added before the aging step. After sufficient stirring for about 1 hour, it was filtered and washed. After drying at room temperature for 24 hours, PCM@SiO 2 @Cu powder was finally obtained (FIG. 1).

<실험예 1> 마이크로 캡슐의 형태적 특성 분석<Experimental Example 1> Morphological characterization of microcapsules

1-1. X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석1-1. X-ray diffraction (XRD) analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐들의 결정 구조는 2θ 각도 20-90°범위에서 니켈 파장이 필터링된 CuKα 방사선(30.0kV, 30.0mA)을 사용하여 5°/min 의 속도로 분말 X-선 회절분석기 (XRD, 모델 MPD, PANalytical)에 의해 결정되었다.The crystal structure of the microcapsules prepared according to Example 1 was obtained by using CuKα radiation (30.0 kV, 30.0 mA) with nickel wavelength filtered in a 2θ angle of 20-90° at a rate of 5°/min using powder X-rays. determined by diffractometer (XRD, model MPD, PANalytical).

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 XRD를 분석한 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane (PCM) 샘플의 XRD 패턴에서는 능면체(rohmbohedral) 형태의 입방형(cubic) 결정 구조를 갖는 전형적인 사면체 구조가 보였다. As a result of XRD analysis of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 2, in the XRD pattern of a pure n-eicosane (PCM) sample, a rhombohedral-shaped cubic crystal structure A typical tetrahedral structure with

반면, PCM@SiO2 샘플에서는 코어에 해당하는 n-eicosane의 피크가 약하게 관찰되긴 했지만, 피크 세기가 크게 감소하였고 캡슐의 쉘인 SiO2에 의해 2θ = 20°부근에서 브로드한 피크가 뚜렷하게 관찰되었다. 이는 실리카 쉘에 대한 비정질(amorphous) 구조를 의미하고 마이크로 캡슐화를 입증한다. On the other hand, in the PCM@SiO 2 sample, although the peak of n-eicosane corresponding to the core was weakly observed, the peak intensity was greatly reduced, and a broad peak was clearly observed around 2θ = 20° by SiO 2 , the shell of the capsule. This implies an amorphous structure for the silica shell and demonstrates microencapsulation.

PCM@SiO2@Cu 샘플에서는 추가적으로 금속성(metallic) Cu의 (111) 및 (200) 결정면에 해당하는 피크가 뚜렷하게 관찰되었고, 산화구리에 대한 피크는 확인되지 않았다. n-tetracosane을 이용한 PCM@SiO2@Ag 샘플에서 역시 결과는 동일하게 나타났다. 이는 열 전도도 향상을 위해 로딩한 구리 금속 나노입자 혹은 은 나노입자가 마이크로 캡슐에 안정적으로 로딩되어 있음을 의미한다. In the PCM@SiO 2 @Cu sample, additional peaks corresponding to the (111) and (200) crystal planes of metallic Cu were clearly observed, and the peak for copper oxide was not confirmed. In the PCM@SiO 2 @Ag sample using n-tetracosane, the results were also the same. This means that copper metal nanoparticles or silver nanoparticles loaded to improve thermal conductivity are stably loaded in the microcapsule.

1-2. FT-IR (fourier transform infrared spectroscopy) 분석1-2. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐 샘플들의 화학 구조 및 조성은 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광기 (Nicolet iS10 분광계, 미국 Thermo Fisher Scientific Inc.)를 사용하여 특성화되었다. FT-IR 스펙트럼은 400에서 4000 cm-1 주파수 범위에서 32회 스캐닝의 평균값으로 기록되었다.The chemical structure and composition of the microcapsule samples prepared according to Example 1 above were characterized using a Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometer (Nicolet iS10 spectrometer, Thermo Fisher Scientific Inc., USA). FT-IR spectra were recorded as the average of 32 scans in the 400 to 4000 cm -1 frequency range.

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 FT-IR을 분석한 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane (PCM) 샘플의 스펙트럼에서는 2900-2840 cm-1 범위에서 -CH3 및 -CH2의 stretch에 의한 갈라짐 피크가 관찰되었다. 1470 및 710 cm-1에서 C-H의 변형 진동 및 -CH2의 stretch에 의한 날카롭고 강한 피크가 관찰되었다. 강한 피크가 -CH2의 stretch 및 717 cm-1에서 -CH2의 면내 흔들림 진동에 의한 피크가 관찰되었다. As a result of analyzing the FT-IR of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 3, in the spectrum of the pure n - eicosane (PCM) sample, -CH 3 and - A split peak due to the stretch of CH 2 was observed. At 1470 and 710 cm -1 , sharp and strong peaks were observed due to the strain vibration of CH and the stretch of -CH 2 . A strong peak was observed due to the stretch of -CH 2 and the in-plane oscillation of -CH 2 at 717 cm -1 .

반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2, 및 PCM@SiO2@Cu 혹은 PCM@SiO2@Ag 샘플에서는 전체적으로 n-eicosane에 할당되는 피크 세기가 크게 감소되었고, 실리카 쉘에 의한 특징적인 피크들이 추가적으로 관찰되었다. 1000-1200 cm-1 영역에서의 브로드한 피크는 O-Si-O의 진동에서 기인하며, n-eicosane과 SiO2 사이의 물리적 상호 작용에 의해 =CO 및 -CO의 카르보닐 신축 진동에 의한 특징적인 피크가 관찰되었다. 또한, 3570 cm-1의 O-H 신축 진동에 대한 넓은 밴드는 마이크로 캡슐화된 샘플 표면에 풍부한 하이드록실 그룹의 존재를 입증한다. On the other hand, in the microencapsulated PCM@SiO 2 , and PCM@SiO 2 @Cu or PCM@SiO 2 @Ag samples, the peak intensity assigned to n-eicosane as a whole was greatly reduced, and characteristic peaks due to the silica shell were additionally observed. became The broad peak in the 1000-1200 cm -1 region originates from the vibration of O-Si-O, and is characterized by the carbonyl stretching vibration of =CO and -CO due to the physical interaction between n-eicosane and SiO 2 negative peaks were observed. In addition, the broad band for the OH stretching vibration of 3570 cm −1 demonstrates the presence of abundant hydroxyl groups on the microencapsulated sample surface.

1-3. 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 분석1-3. Transmission electron microscope (TEM) analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐화 샘플의 형태 및 미세 구조는 120 kV에서 작동하는 고해상도 투과전자현미경 (TEM, H-7600, Hitachi, Japan)에 의해 결정되었다.The morphology and microstructure of the microencapsulated sample prepared according to Example 1 were determined by a high-resolution transmission electron microscope (TEM, H-7600, Hitachi, Japan) operating at 120 kV.

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐을 TEM으로 분석한 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, (a) PCM@SiO2 마이크로 캡슐은 약 400nm의 크기를 갖는 규칙적인 구형 형태를 나타낸다. n-eicosane 코어와 SiO2 쉘은 밝기 차이에 의해 뚜렷하게 구분될 수 있고, 균일하고 안정적인 쉘 형성을 보여준다. As a result of analyzing the microcapsules prepared according to Example 1 by TEM, as shown in FIG. 4 , (a) PCM@SiO 2 microcapsules exhibit a regular spherical shape having a size of about 400 nm. The n-eicosane core and the SiO 2 shell can be clearly distinguished by the difference in brightness, showing a uniform and stable shell formation.

한편, PCM@SiO2@Cu의 (b) 및 (c) 두 가지 샘플에서는 10nm 및 50nm의 상이한 크기의 Cu 나노입자가 실리카 쉘에 안정적으로 로딩되어 있음을 명확하게 보여주었다. 특히 동일한 비율로 Cu 나노입자를 첨가했음에도 불구하고, 캡슐에서 관찰되는 Cu 입자의 양은 PCM@SiO2@Cu (50nm) 샘플에서 더 많았다. On the other hand, two samples of PCM@SiO 2 @Cu (b) and (c) clearly showed that Cu nanoparticles of different sizes of 10 nm and 50 nm were stably loaded in the silica shell. In particular, the amount of Cu particles observed in the capsule was higher in the PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) sample, despite the addition of Cu nanoparticles in the same proportion.

n-tetracosane을 이용한 PCM@SiO2@Ag 샘플에서 TEM 이미지 결과는 유사하였다. 이는 Cu 혹은 Ag 금속 나노입자의 크기에 따라 실리카 쉘 표면의 전하, 두께의 영향을 받아 상호 결합력에 차이가 있는 것으로 예상된다. 결국, 부분적으로 깨진 마이크로 캡슐 형태 및 Cu 혹은 Ag 나노입자들의 형상도 관찰되긴 했지만, TEM 결과는 PCM@SiO2@금속 나노입자 캡슐이 성공적으로 형성되었음을 의미한다. The TEM image results of the PCM@SiO 2 @Ag sample using n-tetracosane were similar. It is expected that there is a difference in the mutual bonding strength depending on the size of the Cu or Ag metal nanoparticles and is affected by the charge and thickness of the silica shell surface. In the end, although partially broken microcapsules and the shapes of Cu or Ag nanoparticles were also observed, the TEM results indicate that PCM@SiO 2 @metal nanoparticle capsules were successfully formed.

1-4. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 및 에너지분산분광기(energy dispersive X-ray spectrometer, EDS) 분석1-4. Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 전체적인 형상은 15 kV의 가속전압에서 주사전자현미경 (SEM, S-4100, Hitachi, Japan)에 의해 결정되었고, 에너지 분산 X선 분광법 (EDS, EX-250, Horiba, Japan) 분석을 이용하여 원소 성분을 확인하였다.The overall shape of the microcapsules prepared according to Example 1 was determined by scanning electron microscopy (SEM, S-4100, Hitachi, Japan) at an acceleration voltage of 15 kV, and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS, EX-250) , Horiba, Japan) were used to confirm the elemental components.

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐을 SEM-EDS로 분석한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, PCM@SiO2 샘플은 비교적 매끄러운 표면을 가진 구형 입자를 나타내었다. 샘플을 준비하는 과정 및 전자 빔 조사에 의해 부분적으로 손상된 마이크로 캡슐이 관찰되었고, 이로 인해 EDS 결과에서 코어에 해당하는 탄소의 비율이 높게 검출되었다. As a result of analyzing the microcapsules prepared according to Example 1 by SEM-EDS, as shown in FIG. 5 , the PCM@SiO 2 sample exhibited spherical particles having a relatively smooth surface. Microcapsules partially damaged by the sample preparation process and electron beam irradiation were observed, and due to this, a high percentage of carbon corresponding to the core was detected in the EDS result.

반면, PCM@SiO2@Cu 샘플의 SEM 이미지는 캡슐 외부에 금속성 Cu 나노입자가 균일하게 로딩되어 있음을 보여주고, EDS 결과 역시 PCM@SiO2@Cu 하이브리드 캡슐의 원소 조성을 분명하게 보여주었다.On the other hand, the SEM image of the PCM@SiO 2 @Cu sample showed that metallic Cu nanoparticles were uniformly loaded on the outside of the capsule, and the EDS result also clearly showed the elemental composition of the PCM@SiO 2 @Cu hybrid capsule.

1-5. 입자 분포 분석1-5. Particle Distribution Analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 입자 크기 분포도는 전기 영동 광산란 측정 장치 (ELS 8000, Otsuka Electronics, Japan)를 이용하였고, 670nm의 레이저 광원, 250 Hz의 모듈 주파수 및 산란 각도를 사용하여 참조 빔 모드에서 측정되었다.For the particle size distribution diagram of the microcapsules prepared according to Example 1, an electrophoretic light scattering measurement device (ELS 8000, Otsuka Electronics, Japan) was used, and a laser light source of 670 nm, a module frequency of 250 Hz, and a scattering angle were used for reference. Measured in beam mode.

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 입자 분포를 분석한 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 수용액에 분포된 PCM@SiO2, PCM@SiO2@Cu (10nm), PCM@SiO2@Cu (50nm) 입자의 평균 크기는 각각 428.7, 563.9, 631.0 nm였다. 금속 나노입자의 로딩은 캡슐의 입자 크기를 증가시켰다.As a result of analyzing the particle distribution of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 6, PCM@SiO 2 , PCM@SiO 2 @Cu (10nm), PCM@SiO 2 @Cu distributed in an aqueous solution The average size of the (50 nm) particles was 428.7, 563.9, and 631.0 nm, respectively. The loading of metal nanoparticles increased the particle size of the capsules.

<실험예 2> 마이크로 캡슐의 열적 특성 분석<Experimental Example 2> Thermal characteristics analysis of microcapsules

2-1. 열중량 분석 (thermogravimetric analysis, TGA)2-1. thermogravimetric analysis (TGA)

잠열 저장 응용 분야에서 열적 안정성은 형태 안정 상 변화 물질에 대한 중요한 매개 변수 중 하나이다. 상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐 샘플의 열적 안정성은 열중량 분석 (TGA, TGA-N1000, SCINCO, Daejeon, Korea)을 통해 분석하였고, 10℃ min-1의 가열 속도로 25~600℃ 범위에서 측정되었다.Thermal stability in latent heat storage applications is one of the important parameters for shape-stable phase-change materials. The thermal stability of the microcapsule sample prepared according to Example 1 was analyzed through thermogravimetric analysis (TGA, TGA-N1000, SCINCO, Daejeon, Korea), and the range of 25 ~ 600 °C with a heating rate of 10 °C min -1 was measured in

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 TGA를 분석한 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane은 약 170℃부터 질량 손실이 일어나기 시작하여 240℃에 도달할 때까지 전형적인 1단계 열 분해 거동을 나타내며, 이는 선형 알칸(alkane) 사슬의 주요 분해에서 기인한다. As a result of analyzing the TGA of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 7, the pure n-eicosane starts to lose mass from about 170° C. It exhibits degradation behavior, which results from major degradation of linear alkane chains.

PCM@SiO2 및 PCM@SiO2@Cu 샘플 역시 70.1, 65.3 wt%의 1단계 질량 손실을 보였고, 캡슐화에 의해 열 분해 온도가 크게 증가하였다. 금속 산화물의 도입은 열적 안정성 향상을 유도하여 형태 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 실리카 쉘과 Cu 금속 나노입자가 n-eicosane의 열 기화를 방지해주는 장벽 역할을 함과 동시에 캡슐의 열적 안정성을 향상시킬 수 있음을 의미한다. The PCM@SiO 2 and PCM@SiO 2 @Cu samples also showed a one-step mass loss of 70.1 and 65.3 wt%, and the thermal decomposition temperature was significantly increased by encapsulation. The introduction of the metal oxide can improve the morphological stability by inducing an improvement in thermal stability. In addition, it means that the silica shell and Cu metal nanoparticles can serve as a barrier to prevent thermal vaporization of n-eicosane and improve the thermal stability of the capsule at the same time.

특히, TGA 커브에서의 탄소 질량 손실은 마이크로 캡슐화된 샘플에 포함된 n-eicosane의 실제 질량과 상관관계가 있다. 모든 샘플은 65% 이상 n-eicosane을 포함하는 열적으로 안정한 상 변이 물질로서 활용할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.In particular, the carbon mass loss in the TGA curve correlates with the actual mass of n-eicosane contained in the microencapsulated sample. All samples can be expected to be utilized as thermally stable phase change materials containing 65% or more of n-eicosane.

2-2. 시차주사열량계(different scanning calorimetry, DSC) 분석2-2. Different scanning calorimetry (DSC) analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 상 변화 거동, 잠열 저장 및 방출에 대한 특성은 한국의 영남대학교 천연물 의료소재 핵심연구 지원센터(CRCNM)에서 시차주사열량계 (DSC, Q200, TA Instruments, USA)에 의해 조사되었다. DSC 측정은 질소 기류 하에서 5℃ min-1의 스캐닝 속도로 10~50℃ 범위에서 수행되었고, 각 샘플의 양은 약 6-7 mg이었다.The characteristics of the phase change behavior, storage and release of latent heat of the microcapsules prepared according to Example 1 were analyzed using a differential scanning calorimeter (DSC, Q200, TA Instruments, USA) at Yeungnam University Natural Products Medical Material Core Research Support Center (CRCNM) in Korea. ) was investigated. The DSC measurement was performed in the range of 10-50° C. at a scanning speed of 5° C. min −1 under a nitrogen stream, and the amount of each sample was about 6-7 mg.

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 상 변화 거동 및 열 저장 방출 성능을 나타내는 DSC 분석 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane의 DSC 스캔 결과는 이정점(bimodal) 결정화 거동과 단일 용융 피크를 나타내었다. As a result of DSC analysis showing the phase change behavior and heat storage and release performance of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. A melting peak was shown.

n-eicosane의 bimodal 결정화 거동은 균질 핵화된 액체 상태에서 회전상으로의 전이(Tr)와 불균일 핵화된 회전상에서 결정질상으로의 상 전이(Tc)에 해당하는 발열 피크를 의미하는데, 대부분의 파라핀계 왁스에서 보이는 특성이다. The bimodal crystallization behavior of n-eicosane refers to exothermic peaks corresponding to the transition from the homogeneously nucleated liquid state to the rotating phase (T r ) and the heterogeneous nucleated rotating phase to the crystalline phase (T c ). This is a characteristic seen in paraffin wax.

또한, 용융 과정에서 나타나는 단 하나의 흡열 피크는 n-eicosane이 안정한 상 변이 소재임을 의미하며, n-eicosane 기반의 캡슐화된 소재는 내열성 및 결정성이 우수한 잠열 저장 소재로 활용될 수 있다. In addition, the single endothermic peak that appears during the melting process means that n-eicosane is a stable phase change material, and n-eicosane-based encapsulated material can be used as a latent heat storage material with excellent heat resistance and crystallinity.

한편, DSC 커브와 관련된 상 변화 매개 변수 및 상 변화 특성 계산 결과는 하기 표 1에 요약되어 있다. Meanwhile, the calculation results of the phase change parameters and phase change characteristics related to the DSC curve are summarized in Table 1 below.

Figure pat00001
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마이크로 캡슐화된 샘플들의 결정화 온도(Tc)가 모두 고온으로 이동되었는데, 이는 이종 핵 형성에 따른 결정화도 향상에서 기인한다. 특히, 무기물 실리카 쉘과 Cu 금속 나노입자에 의해 n-eicosane의 분자 운동이 제한되면서 결정화 온도가 증가한 것으로 여겨진다. 특히, n-eicosane에서 관찰된 2개의 뚜렷한 bimodal 결정화 피크들이 캡슐화되면서 전체적으로 그 경계가 통합되는 양상을 나타내었다. 이는 캡슐화에 의해 결정화 시간이 연장되고 결정자 크기가 증가하면서 회전상이 안정화된 것으로 예상한다. The crystallization temperature (T c ) of all microencapsulated samples was moved to a high temperature, which is due to the improvement of crystallinity due to the formation of heterogeneous nuclei. In particular, it is believed that the crystallization temperature increased as the molecular motion of n-eicosane was restricted by the inorganic silica shell and Cu metal nanoparticles. In particular, as two distinct bimodal crystallization peaks observed in n-eicosane were encapsulated, the boundary was integrated as a whole. It is expected that the rotational phase is stabilized as the crystallization time is prolonged and the crystallite size is increased by encapsulation.

더욱이, PCM 소재의 결정화 엔탈피(ΔHc)와 용융 엔탈피(ΔHm)는 잠열 저장 및 방출과 직접적인 관련이 있는 중요한 매개 변수로 열 저장 능력을 의미한다. n-eicosane은 각각 250.41, 244.15 J/g의 높은 용융 엔탈피, 결정화 엔탈피 값을 가지는데, 상 전이 시 발생하는 에너지의 저장 및 방출 능력이 우수함을 뜻한다. Moreover, crystallization enthalpy (ΔH c ) and melting enthalpy (ΔH m ) of PCM materials are important parameters directly related to latent heat storage and release, implying heat storage capacity. n-eicosane has high melting enthalpy and crystallization enthalpy values of 250.41 and 244.15 J/g, respectively, indicating excellent storage and release ability of energy generated during phase transition.

반면, 마이크로 캡슐화된 샘플들의 절대적인 상 변화 엔탈피는 감소하였다. 이는 잠열을 흡수할 수 없는 무기물 실리카 쉘과 Cu 금속 나노입자 로딩에 의한 영향으로 자연스러운 결과이다. 놀랍게도, 캡슐화된 PCM@SiO2에 비해서 Cu 금속 나노입자가 로딩된 PCM@SiO2@Cu 샘플의 상 변화 엔탈피는 약간 증가하였다. 이는 Cu 금속 나노입자에 의한 열전도도 향상에 따른 빠른 열 전달을 의미하고, PCM 소재의 잠열 저장 및 방출 속도가 향상될 수 있음을 나타낸다. On the other hand, the absolute phase change enthalpy of the microencapsulated samples decreased. This is a natural result of the loading of inorganic silica shells and Cu metal nanoparticles that cannot absorb latent heat. Surprisingly, the enthalpy of phase change of the PCM@SiO 2 @Cu sample loaded with Cu metal nanoparticles was slightly increased compared to the encapsulated PCM@SiO 2 . This means fast heat transfer due to the improvement of thermal conductivity by Cu metal nanoparticles, and indicates that the storage and release rate of latent heat of the PCM material can be improved.

실리카 무기 쉘과 금속 입자에 의한 열 전도도 증가 및 열 전달 능력 향상은 소재의 과 냉각도와 관련이 있다. 과 냉각은 용융 온도와 결정화온도의 차이로 열 전달의 장애 요소이므로, 효과적으로 과 냉각을 억제할 수 있어야 우수한 상 전이 소재이다. 이러한 점에서, 마이크로 캡슐화된 소재는 캡슐 내부 n-eicosane의 이종 핵 생성 장벽을 감소시킴으로써 열 전달을 향상시키고 과 냉각을 억제하여 잠재적인 잠열 저장 및 방출 소재임을 시사한다. The increase in thermal conductivity and heat transfer ability by the silica inorganic shell and metal particles are related to the overcooling of the material. Since overcooling is an obstacle to heat transfer due to the difference between the melting temperature and the crystallization temperature, overcooling must be effectively suppressed for an excellent phase transition material. In this regard, the microencapsulated material improves heat transfer by reducing the heteronucleation barrier of n-eicosane inside the capsule and suppresses overcooling, suggesting that it is a potential latent heat storage and release material.

추가적으로 상기 표 1에 또 다른 상 변화 성능 지표로서 캡슐화 효율(Een), 에너지 저장 효율(Ees), 열 저장 능력(Ces)을 계산하였다. 캡슐화 효율은 코어 PCM 소재의 방출 잠열에 의해서 결정되는 값으로 모두 60% 이상의 효율을 나타내었다. 이는 앞서 언급한 TGA 커브에서의 질량 손실과 거의 동일한 값으로, 60% 이상 n-eicosane이 함유되어 있어 효과적으로 잠열을 저장하거나 방출할 수 있을 것으로 여겨진다.Additionally, encapsulation efficiency (E en ), energy storage efficiency (E es ), and heat storage capacity (C es ) were calculated as another phase change performance index in Table 1 above. The encapsulation efficiency is a value determined by the latent heat of release of the core PCM material, and all showed an efficiency of 60% or more. This is almost the same value as the mass loss in the aforementioned TGA curve, and it is considered that it can effectively store or release latent heat because it contains more than 60% n-eicosane.

PCM 소재의 작업 효율은 에너지 저장 효율 및 열 저장 능력과 매우 밀접한 관련이 있다. 에너지 저장 효율 n-eicossane의 함량에 따라 캡슐화 효율과 거의 유사했으며, 특히 열 저장 능력이 모두 99% 이상의 높은 효율을 나타내었다. 이는 적절한 크기와 형태로 캡슐화가 이루어졌고, 상 전이 온도 이상에서도 소재의 외관상 변형없이 안정적으로 소재의 에너지 저장 및 방출이 가능할 것으로 예상된다.The working efficiency of PCM materials is closely related to energy storage efficiency and heat storage capacity. Energy storage efficiency was almost similar to encapsulation efficiency according to the content of n-eicossane, and in particular, all of the heat storage capacity showed high efficiency of 99% or more. It is encapsulated in an appropriate size and shape, and it is expected that the energy storage and release of the material can be stably without deformation even at the phase transition temperature or higher.

2-3. 다중 사이클 분석2-3. Multi-cycle analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 상 변화 거동 및 열적 특성의 신뢰성을 조사하기 위해 다중 사이클 DSC scan을 수행한 결과, 도 9의 A에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane은 다중 사이클 반복에 따라 Tr이 크게 변화하였는데, 이는 용융-냉각 과정이 반복되면서 n-eicosane의 결정화도가 감소해서 초래된 결과로 여겨진다. As a result of performing multi-cycle DSC scan to investigate the reliability of the phase change behavior and thermal properties of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. Accordingly, T r changed significantly, which is considered to be the result of a decrease in the crystallinity of n-eicosane as the melt-cooling process was repeated.

하기 표 2는 이에 따른 열적 특성을 요약한 것이다.Table 2 below summarizes the thermal properties accordingly.

Figure pat00002
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반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2@Cu 샘플은 사이클 횟수가 증가해도 Tr, Tc 및 Tm의 값이 거의 변하지 않았고, 모든 사이클 곡선이 초기 곡선과 거의 동일하였다. 이는 마이크로 캡슐화된 샘플들이 상 변이 안정성과 구조 및 열적 안정성이 우수함을 보여준다. 특히, 다중 사이클 상 전이에도 불구하고 용융 및 냉각 엔탈피 값 역시 동일하게 유지되었는데, 마이크로 캡슐의 형태 안정성과 우수한 열 신뢰성으로 긴 수명 주기를 의미한다. On the other hand, in the microencapsulated PCM@SiO 2 @Cu sample, the values of T r , T c and T m did not change even when the number of cycles was increased, and all cycle curves were almost identical to the initial curves. This shows that the microencapsulated samples have excellent phase change stability and structural and thermal stability. In particular, despite the multi-cycle phase transition, the melting and cooling enthalpy values also remained the same, which means a long life cycle due to the morphological stability and excellent thermal reliability of microcapsules.

상기 샘플의 용융/냉각 50 사이클 반복 전과 후의 FT-IR 분석 결과, 도 9B에 나타난 바와 같이, n-eicosnae은 반복된 용융-냉각 과정에 의해 결정상의 변형이 일어나 새로운 탄화수소(hydrocarbon) 관련 피크들이 관찰되었다. 2800 cm-1에서 추가적인 -CH stretch, 2000 cm-1부근에서 -C≡C-에 할당되는 피크들이 관찰되었는데, 이는 n-eicosane의 고체-액체 사이의 상 전이에 따라 결정 수축에 의한 구조 변형이 예상된다. As a result of FT-IR analysis before and after repeating 50 cycles of melting/cooling of the sample, as shown in FIG. 9B, n-eicosnae undergoes crystal phase transformation by repeated melt-cooling process, and new hydrocarbon-related peaks are observed. became Additional -CH stretch at 2800 cm -1 , and peaks assigned to -C≡C- were observed near 2000 cm -1 , indicating that structural deformation due to crystal shrinkage according to the solid-liquid phase transition of n-eicosane was observed. It is expected.

반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2@Cu 샘플은 50 사이클 반복 후에도 반응 전 FT-IR 패턴과 거의 동일하였다. 이러한 결과는 마이크로 캡슐화된 샘플이 반복된 용융-냉각 사이클에도 캡슐 형태가 손상되지 않고, 안정적인 미세 구조를 유지할 수 있음을 의미한다. 따라서 상 변화 가역성과 열적 안정성에 대한 신뢰성이 우수한 상 전이 소재로서 캡슐화가 성공적으로 이루어졌음을 입증한다.On the other hand, the microencapsulated PCM@SiO 2 @Cu sample was almost identical to the FT-IR pattern before the reaction even after 50 cycles of repetition. These results mean that the microencapsulated sample can maintain a stable microstructure without damaging the capsule shape even after repeated melt-cooling cycles. Therefore, it proves that the encapsulation was successful as a phase change material with excellent reliability for phase change reversibility and thermal stability.

2-4. 활성화 에너지 분석2-4. Activation Energy Analysis

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 상 변화 및 열 분해에 대한 활성화 에너지를 계산하기 위해 DSC 커브를 바탕으로 Ozawa 방정식을 계산한 결과, 도 10에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosane은 용융 과정의 DSC scan rate에 따라 Tm과 용융 엔탈피 면적의 차이가 컸다. As a result of calculating the Ozawa equation based on the DSC curve to calculate the activation energy for the phase change and thermal decomposition of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 10, pure n-eicosane is a melting process The difference between T m and melting enthalpy area was large according to the DSC scan rate.

반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2@Cu (50nm) 샘플은 비교적 그 변화 폭이 작고, 용융 엔탈피 피크의 경향도 동일했다. 이는 앞에서 언급한 두 샘플의 상 변화 거동 및 열적 특성에 대한 안정성과 관련이 있다. 상이한 scan rate에도 불구하고 용융 엔탈피 값의 변화가 없다는 것은 캡슐화된 샘플이 안정적으로 에너지를 저장하고 방출할 수 있음을 의미하고, 결정화도가 높음을 뜻한다. On the other hand, the microencapsulated PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) sample had a relatively small change range, and the trend of the melting enthalpy peak was the same. This is related to the stability of the phase change behavior and thermal properties of the two samples mentioned above. The absence of change in enthalpy of melting despite different scan rates means that the encapsulated sample can stably store and release energy, and its crystallinity is high.

상 변이 특성에 따른 활성화 에너지는 결정 핵 생성과 성장 결정 모두의 영향을 받게 된다. ln(ψ/Tm2) 대 1/Tm 의 해당 플롯에 의해 얻은 기울기 값이 용융(melting)에 대한 활성화에너지로, n-eicosane과 PCM@SiO2@Cu (50nm)의 값은 각각 148.40, 245.07 kJ/mol이었다. 이는 n-eicosane이 더 빠르게 용융 과정이 일어나고, 이종 핵 생성 효과에 기인하여 결정의 수축-팽창 과정이 잘 일어난다고 볼 수 있다. The activation energy according to the phase change characteristics is affected by both crystal nucleation and growth crystals. The slope value obtained by the corresponding plot of ln(ψ/Tm 2 ) versus 1/Tm is the activation energy for melting, and the values of n-eicosane and PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) are 148.40 and 245.07, respectively. kJ/mol. It can be seen that n-eicosane melts faster and the crystal shrinkage-expansion process occurs well due to the heterogeneous nucleation effect.

반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2@Cu (50nm)은 무기물 캡슐화에 의해 결정성이 향상되고, n-eicosane을 보호함으로써 용융에 대한 활성화 에너지가 증가한 것으로 여겨진다. 결국, PCM@SiO2@Cu (50nm)의 높은 용융 활성화 에너지는 잠열 저장 응용 분야에서 상 전이 시에도 형태와 열적 특성이 안정적으로 유지될 수 있음을 나타낸다.On the other hand, it is believed that microencapsulated PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) has improved crystallinity by encapsulation of inorganic substances and increased activation energy for melting by protecting n-eicosane. In conclusion, the high melt activation energy of PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) indicates that the morphology and thermal properties can be stably maintained even during phase transition in latent heat storage applications.

2-5. 열 전도도 평가2-5. Thermal Conductivity Assessment

열 전도도는 효율적인 열 전달의 척도이다. 상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 열 전도도는 Thermal conductivity analyzer (C-Therm Technologies Ltd., TCi Thermal Conductivity Analyzer, New Brunswick, Canada)를 사용하여 실온(25℃)에서 측정되었다.Thermal conductivity is a measure of efficient heat transfer. The thermal conductivity of the microcapsules prepared according to Example 1 was measured at room temperature (25° C.) using a thermal conductivity analyzer (C-Therm Technologies Ltd., TCi Thermal Conductivity Analyzer, New Brunswick, Canada).

상기 실시예 1에 따라 제조된 마이크로 캡슐의 실질적인 열 전도도를 평가한 결과, 도 11에 나타난 바와 같이, 순수한 n-eicosnae의 열 전도도는 실온에서 0.4716 W/mK로 측정되었고, PCM@SiO2는 0.4924 W/mK로 캡슐화와 함께 열 전도도가 약간 증가하였다. 특히, PCM@SiO2@Cu (10nm) 샘플의 열 전도도(1.1469 W/mK)에 비해 PCM@SiO2@Cu (50nm) 샘플의 열 전도도(1.3926 W/mK)가 향상되었다. As a result of evaluating the actual thermal conductivity of the microcapsules prepared according to Example 1, as shown in FIG. 11, the thermal conductivity of pure n-eicosnae was measured as 0.4716 W/mK at room temperature, and PCM@SiO 2 was 0.4924 There was a slight increase in thermal conductivity with encapsulation in W/mK. In particular, the thermal conductivity (1.3926 W/mK) of the PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) sample was improved compared to the thermal conductivity (1.1469 W/mK) of the PCM@SiO 2 @Cu (10 nm) sample.

이는 TEM 이미지에서 관찰했듯이 더 많은 양의 Cu 금속 나노입자가 캡슐에 로딩되었을 뿐만 아니라, 금속 나노입자의 사이즈가 클수록 열 전도율이 우수함을 의미한다. 나노 유체의 유효 열전도율은 임계 입자 미만으로 분산된 입자의 크기가 증가할수록 향상될 수 있다. 방출된 에너지를 빠르게 전달하고, 저장 효율을 높이기 위해서는 열 전도도가 높아야 하고, 결국 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2@Cu (50nm) 샘플이 잠열 저장 및 방출을 통해 효과적으로 열 관리를 수행할 수 있음을 시사한다.This means that, as observed in the TEM image, a larger amount of Cu metal nanoparticles were loaded into the capsule, and the larger the size of the metal nanoparticles, the better the thermal conductivity. The effective thermal conductivity of the nanofluid can be improved as the size of the particles dispersed below the critical particle increases. In order to rapidly transfer the released energy and increase the storage efficiency, it must have high thermal conductivity, which in turn suggests that microencapsulated PCM@SiO 2 @Cu (50 nm) samples can perform effective thermal management through latent heat storage and release. do.

2-6. 온도 상승에 따른 열적 안정성 및 형태 안정성 평가2-6. Evaluation of thermal stability and shape stability according to temperature rise

상 변이 소재의 산업 분야에서의 실제적인 적용을 위해서는 상 전이 시 액체의 유출이 없어야 하고, 결국 형태 안정성 특징이 매우 중요하다. 25-50℃ 온도 범위에서 온도 상승에 따른 마이크로 캡슐화된 소재들의 열적 안정성 및 형태 안정성을 비교하였다. 용융점(melting point) 측정기를 사용하여 소재의 상 변이 현상을 실시간으로 관찰한 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 상온(25℃)에서 고체 상태였던 순수한 n-eicosane은 용융 온도 37℃ 이상에서는 액체 상태로 완전히 녹는 것이 관찰되었다. For the practical application of the phase change material in the industrial field, there should be no leakage of the liquid during the phase change, and in the end, the shape stability characteristic is very important. The thermal stability and shape stability of the microencapsulated materials according to the temperature increase in the 25-50 °C temperature range were compared. As a result of observing the phase transition of the material in real time using a melting point measuring device, as shown in FIG. 12 , pure n-eicosane, which was in a solid state at room temperature (25° C.), was in a liquid state at a melting temperature of 37° C. or higher. Complete melting was observed.

반면, 마이크로 캡슐화된 PCM@SiO2 및 PCM@SiO2@Cu (10nm, 50nm) 샘플들은 용융 온도 이상에서도 액체 상태의 n-eicosane이 유출되지 않고, 초기 상태가 동일하게 유지되었다. 이는 모든 샘플이 성공적으로 캡슐화되었고, 형태 안정적으로 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 유망한 상 변이 소재임을 시사한다.On the other hand, the microencapsulated PCM@SiO 2 and PCM@SiO 2 @Cu (10nm, 50nm) samples did not leak liquid n-eicosane even above the melting temperature, and the initial state was maintained the same. This suggests that all samples were successfully encapsulated and are promising phase-change materials that can store and release energy in a shape-stable manner.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 즉, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. Do. That is, the substantial scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (13)

금속 나노입자 용액을 제조하는 단계;
상 변이 물질(PCM) 둘레를 무기 쉘이 감싸는 코어-쉘 구조의 캡슐을 제조하는 단계; 및
상기 제조된 금속 나노입자 용액을 상기 제조된 캡슐에 첨가하여 상기 캡슐에 상기 금속 나노입자를 로딩하는 단계;를 포함하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
preparing a metal nanoparticle solution;
manufacturing a capsule having a core-shell structure in which an inorganic shell surrounds a phase change material (PCM); and
A method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule comprising; adding the prepared metal nanoparticle solution to the prepared capsule and loading the metal nanoparticles into the capsule.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노입자 용액을 제조하는 단계는,
금속 전구체 용액에 분산제를 첨가하여 반응시킨 후, 환원제를 첨가하여 반응시킴으로써 수행되며,
상기 금속 전구체 용액 전체 100 부피부에 대하여,
상기 분산제는 0.1 내지 1 부피부, 상기 환원제는 10 내지 20 부피부로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of preparing the metal nanoparticle solution,
It is carried out by adding a dispersing agent to the metal precursor solution and reacting, and then adding a reducing agent to react,
With respect to 100 parts by volume of the total metal precursor solution,
The method for producing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that the dispersant is added in an amount of 0.1 to 1 part by volume, and the reducing agent is added in an amount of 10 to 20 parts by volume.
제 2 항에 있어서,
상기 금속 전구체는,
금, 은, 구리, 텅스텐, 철, 니켈, 코발트, 아연, 티타늄, 팔라듐, 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The metal precursor is
Gold, silver, copper, tungsten, iron, nickel, cobalt, zinc, titanium, palladium, ruthenium and a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that the compound containing one or more metals selected from the group consisting of platinum .
제 2 항에 있어서,
상기 분산제는,
젤라틴(gelatin), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 계면활성제, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 덱스트린(dextrin) 및 폴리포스페이트류(polyphosphate)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The dispersant is
Organic-inorganic, characterized in that selected from the group consisting of gelatin, polyvinylpyrrolidone (PVP), surfactant, ethyl cellulose, dextrin and polyphosphates (polyphosphate) Method for manufacturing hybrid microcapsules.
제 2 항에 있어서,
상기 환원제는,
하이드라진(hydrazin), 구연산 나트륨(trisodium citrate), 아스코르브산(ascorbate), NH4OH 및 LiAlH4로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The reducing agent,
Hydrazine (hydrazin), sodium citrate (trisodium citrate), ascorbic acid (ascorbate), NH 4 OH and LiAlH 4 A method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that selected from the group consisting of.
제 2 항에 있어서,
상기 금속 나노입자는,
평균 입경이 10 내지 100nm로 제조되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The metal nanoparticles,
A method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that the average particle diameter is prepared in a range of 10 to 100 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 상 변이 물질은,
n-에이코산(n-eicosaen), n-헤네이코산(n-heneicosane), n-도코산(n-docosane), n-트리코산(n-tricosane) 및 n-테트라코산(n-tetracosane)으로 이루어진 군에서 선택되는 파라핀계 유기물인 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
The method of claim 1,
The phase change material is
n-eicosaen, n-heneicosane, n-docosane, n-tricosane and n-tetracosane A method for producing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that it is a paraffin-based organic material selected from the group consisting of
제 1 항에 있어서,
상기 캡슐을 제조하는 단계는,
상기 상 변이 물질 및 무기 화합물을 1: (1 내지 2)의 질량비로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 계면활성제가 포함된 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계; 및
상기 제조된 에멀젼에 산성 용액을 떨어뜨리며 교반시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of preparing the capsule,
preparing a mixture by mixing the phase change material and the inorganic compound in a mass ratio of 1: (1 to 2);
preparing an emulsion by mixing the mixture with a solvent containing a surfactant; and
A method of producing an organic-inorganic hybrid microcapsule comprising a; the step of stirring while dropping an acidic solution to the prepared emulsion.
제 8 항에 있어서,
상기 무기 화합물은,
테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS) 또는 테트라메틸 오르토실리케이트(tetramethyl orthosilicate, TMOS)에서 선택되는 실리카 전구체 화합물인 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The inorganic compound is
A method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that the silica precursor compound is selected from tetraethyl orthosilicate (TEOS) or tetramethyl orthosilicate (TMOS).
제 8 항에 있어서,
상기 계면활성제는,
세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(cetyl trimethylammonium bromide, CTAB), 도데실 트리메틸암모늄 브로마이드(dodecyl trimethylammonium bromide, DTAB), 또는 테트라데실 트리메틸암모늄 브로마이드(tetradecyl trimethylammonium bromide, TTAB)에서 선택되는 양이온성 계면활성제인 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The surfactant is
A cationic surfactant selected from cetyl trimethylammonium bromide (CTAB), dodecyl trimethylammonium bromide (DTAB), or tetradecyl trimethylammonium bromide (TTAB), characterized in that , Method for manufacturing organic-inorganic hybrid microcapsules.
제 1 항에 있어서,
상기 무기 쉘은,
평균 두께가 20 내지 40nm로 제조되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
The method of claim 1,
The inorganic shell,
A method of manufacturing an organic-inorganic hybrid microcapsule, characterized in that the average thickness is manufactured to 20 to 40 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노입자를 로딩하는 단계는,
상기 제조된 금속 나노입자 용액을 상기 제조된 캡슐에 첨가하여 교반시킨 후, 40 내지 60℃에서 20 내지 30시간 숙성시킨 다음, 여과, 세척 및 건조하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of loading the metal nanoparticles,
Organic-inorganic hybrid microcapsules, characterized in that the prepared metal nanoparticle solution is added to the prepared capsule and stirred, then aged at 40 to 60° C. for 20 to 30 hours, followed by filtration, washing and drying. manufacturing method.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐로, 열 전도도가 1 내지 2 W/mk인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 마이크로 캡슐.13. An organic-inorganic hybrid microcapsule prepared according to any one of claims 1 to 12, wherein the organic-inorganic hybrid microcapsule has a thermal conductivity of 1 to 2 W/mk.
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