KR20220071613A - 복사냉각 다층 필름 - Google Patents

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Abstract

투명형 복사냉각 다층 필름에 있어, 주체에 대한 복사냉각 성능이 실질적으로 구현될 수 있는 구조로서, 대량 생산이 가능한 구조의 투명형 복사냉각 다층 필름이 개시된다. 본 발명은 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 25 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 두께 20 내지 150 nm의 금속 반사층;을 포함하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.

Description

복사냉각 다층 필름{Radiative cooling multi-layer film}
본 발명은 다층 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복사냉각 다층 필름에 관한 것이다.
복사냉각이란 물체로부터 방사된 복사량이 흡수된 에너지보다 많을 때 물체의 온도가 감소하는 자연적 현상이다. 방출되는 복사에너지의 양은 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann Law)에 의해 정량화되며, 하기 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.
[수학식 1]
P = εσT4
(P는 대기의 절대온도(T)에 대한 단위면적당 방출하는 복사에너지(W/㎡), ε은 방출율, σ = 5.67 × 10-8 W/㎡·T4)
지표면은 항상 일정한 복사에너지를 방출하고 있는데, 주간에는 태양으로부터의 복사에너지를 흡수하고, 방출 복사에너지 대비 흡수 복사에너지가 더 크므로 복사냉각이 발생하지 않는다. 즉, 야간에 복사냉각 효과가 이론적으로는 더 크게 발생할 수 있으나, 구름 및 습도가 많은 곳에서는 지표면 및 물체로부터 방출된 복사에너지가 재방사되어 복사냉각이 미미하거나 발생하지 않을 수 있다. 이러한 특징에 의해 복사냉각 효과는 주로 해가 짧고 습도가 낮으며 구름이 없는 맑고 건조한 날 극대화된다. 우리나라의 경우, 봄철과 가을철에 극심한 일교차를 유발하는 원인과 관계가 있는 현상이다.
이러한 자연적 현상을 공학적으로 이용한 것을 '복사냉각 기술'이라고 칭한다. 이는 외부 에너지 투입 없이 냉각을 구현할 수 있다는 점에서 제로에너지 냉각(Zero energy cooling) 또는 패시브 쿨링(Passive cooling) 기술로도 불리며 탄소 및 에너지 저감 효과 측면에서 주목을 받고 있다. 지구 표면과 우주 사이에 존재하는 대기는 산소나 질소 등 수많은 기체의 혼합물로서 복사냉각을 위한 반투명 매개체 역할을 하나, 복사 특성의 관점에서 보면 대기는 대부분의 파장대에서의 낮은 투과율로 인해 지구 표면(평균 298 K)으로부터 우주(0 K)로의 열 복사를 약화시킨다. 그러나, 대기는 대기창(Atmospheric window)이라 불리는 8 내지 13 ㎛ 파장 범위에서의 열 복사에 대해서는 매우 투명하여 대기를 가열하지 않으면서 열을 우주 공간으로 방출할 수 있다. 대기창 투과율은 지리적 위치, 구름의 양, 습도 조건 등 여러가지 환경적 요인의 영향을 받으며, 일반적으로 맑고 건조할 경우 대기창 투과율도 높다.
중국 공개특허 제109070695호는 고분자 및 고분자 내에 분산된 다수의 유전체 입자를 포함하는 선택적 방사층을 이용한 7 내지 14 ㎛ 파장 영역의 방사에 대한 평균 방사율이 0.5 내지 1.0인 선택적 방열 냉각구조로서, 복사냉각으로 인한 표면 냉각 효과를 발현함으로써 주체(열을 제거하고자 하는 물체)로부터 냉각을 실현하는 방법을 제시하였으나, 필름과 주체 사이의 열전도 저항을 줄이기 위한 수단에 대해서는 언급하지 않고 있고, 제시된 선택적 방사층 구조만으로 실효적인 복사냉각 구현은 어려울 수 있으며, 주체로부터 복사냉각에 대한 실제적인 효과에 대해서도 제시하지 않고 있다.
본 발명은 투명형 복사냉각 다층 필름에 있어, 주체에 대한 복사냉각 성능이 실질적으로 구현될 수 있는 구조로서, 대량 생산이 가능한 구조의 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 25 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 두께 20 내지 150 nm의 금속 반사층;을 포함하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 필름은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 150 W/㎡의 복사냉각력(Radiative cooling power)을 가지고, 가시광선 투과율이 15 내지 70%이고, 태양광 반사율이 20 내지 50%이고, 헤이즈(Haze)가 10% 이하인 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 유전체 입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화세륨(Ce2O3), 지르코니아(ZrO2) 및 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 고분자 및 제2 고분자는 각각 PET(Polyethylene terephthalate), PETG(Glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxyalkane), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), ECTFE(Ethylene chlorotrifluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene), THV(Terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene 및 vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene) 및 PP(Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택되는 1종이거나 2종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 평균 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 금속 반사층 하부에 위치하고, 제3 고분자를 포함하여 상기 금속 반사층 성분의 산화 방지를 위한 금속 산화방지층; 및 상기 금속 산화방지층 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 금속 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)이 20 내지 150 nm 두께로 형성되고, 상기 제3 고분자는 산소 투과율이 0.1 내지 1,000 cc/㎡·day·atm이고, 수분 투과율 1 내지 100 g/㎡·day·atm인 것을 특징으로 하는 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
본 발명은 유전체 입자를 포함한 제1 적외선 방사층 및 최외측(상단)에 위치하는 제2 적외선 방사층을 포함하는 복사냉각 필름으로서, 제1 적외선 방사층에 의해 주체로부터 복사냉각되어 흡수된 열을 제2 적외선 방사층이 효과적으로 외부로 방사시킴으로써 실질적인 복사냉각 효과 구현이 가능한 투명형 복사냉각 다층 필름을 제공할 수 있다.
또한 금속 반사층과 금속 산화방지층을 구비하여 태양광으로 인한 가열로 주간 냉각 효과가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한 물체와 부착되는 점착층을 구비하여 냉각하고자 하는 물체의 표면에 손쉽게 부착할 수 있어, 필름과 주체 사이의 열전도 저항을 감소시켜 복사냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한 기존의 무기물 적층형 복사냉각 기술의 경우 진공 증착 공정 등으로 인해 대량 생산이 어려우나, 본 발명에 따른 다층 필름은 압출 성형되어 가공 용이성을 지니므로 대량 생산 및 상용화 측면에서도 기술적 의의가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도,
도 3은 본 발명의 시험예 2에서 비교시험 결과를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 시험예 3에서 비교시험 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름(100)은 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(130) 및 금속 반사층(150)을 포함하며, 금속 산화방지층(160), 점착층(170) 및 접착층(180)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 '필름'이라는 용어는 그 상대적인 두께에 따라 '시트'로도 이해될 수 있으며, 따라서 본 발명에서 '다층 필름'은 '다층 시트'를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름(100)은 실온, 주간 또는 야간에, 복사냉각력(Radiative cooling power)이 100 W/㎡ 수준을 보여준다. 구체적으로, 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름(100)은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 150 W/㎡의 복사냉각력을 나타낼 수 있고, 가시광선 투과율이 15 내지 70%이고, 태양광 반사율이 20 내지 50%이고, 헤이즈(Haze)가 10% 이하일 수 있다.
상기 제1 적외선 방사층(110)은 열을 제거하고자 하는 물체, 즉, 주체로부터 복사냉각된 열을 흡수하는 층으로서 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자(120)가 0.1 내지 25 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자(140)를 포함한다. 이때, 주체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시킨다. 여기서 방사율이란, 물체가 빛 에너지를 받아 반사, 투과 또는 흡수를 하게 되는데, 반사율, 투과율 및 흡수율의 합을 '1'이라 할 때 흡수된 에너지가 차지하는 비율을 방사율로 정의할 수 있고, 이는 방사율이 흡수율과 동일함을 전제하며, 이러한 전제 사항은 시간이 지남에 따라 운동 상태가 그대로인 동적 상태(예컨대, 온도가 변하지 않는 상태)인 경우를 의미한다. 한편, 상기 평균 방사율은 산출 범위를 8 내지 13 ㎛ 파장으로 설정하였을 경우의 평균 방사율을 정의하고 있다.
상기 제1 고분자(140)는 태양 방사를 투과하고 적외선 방사를 방출하는 소재로서, 예컨대, 300 내지 5,000 nm의 파장 범위에서 태양광을 20% 미만, 바람직하게는 5% 미만으로 낮은 비율로 흡수하고, 5 내지 50 ㎛ 파장 범위에서 적외선 흡수율(방출률)이 0.6 이상, 바람직하게는 0.9 이상일 수 있다. 이러한 제1 고분자 소재로서는 예컨대, PET(Polyethylene terephthalate), PETG(Glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxyalkane), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), ECTFE(Ethylene chlorotrifluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene), THV(Terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene 및 vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene) 등을 들 수 있으며, 본 발명에서는 투명한 소재가 적용된다.
상기 제1 적외선 방사층(110)의 평균 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 1,000 ㎛일 수 있다. 제1 적외선 방사층(110)의 두께가 너무 얇은 경우 복사냉각 열의 흡수 성능이 저하될 수 있고, 과도할 경우에는 상기 제2 적외선 방사층(130)을 통한 열 방출 성능이 저하될 수 있다.
상기 유전체 입자(120)는 상기 제1 고분자(140) 매트릭스 상에 분산되어 제1 적외선 방사층(110)의 선택적 방사 성능이 구현되도록 하며, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 방사에 대하여 높은 평균 방사율을 고려할 때 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자(120)가 0.1 내지 25 중량% 함량으로 분산되어 있으며, 바람직하게는 평균 입경 1 내지 10 ㎛의 유전체 입자(120)가 1 내지 5 중량% 함량으로 분산되어 있을 수 있다. 이러한 유전체 입자(120)로는 예컨대, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화세륨(Ce2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4) 등을 들 수 있다.
상기 제2 적외선 방사층(130)은 제1 적외선 방사층(110)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시키기 위한 층으로서, 적외선 방사율이 높고, 발수 및 오염 방지 특성을 지닌 고분자 소재로 형성되며, 본 발명에서는 제2 적외선 방사층(130)을 통해 실질적인 복사냉각 효과를 구현하게 된다. 즉, 상기 제2 적외선 방사층(130)이 구비됨으로써 제1 적외선 방사층(110)에 복사냉각 열이 머무르지 않고 신속히 외부로 방출될 수 있도록 한다.
본 발명에서는 제1 적외선 방사층(110)에 포함된 유전체 입자(120)를 제2 적외선 방사층(130)에는 포함시키지 않음으로써, 제1 적외선 방사층(110)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 제2 적외선 방사층(130) 소재는 제1 적외선 방사층(110)과 마찬가지로 PET(Polyethylene terephthalate), PETG(Glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxyalkane), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), ECTFE(Ethylene chlorotrifluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene), THV(Terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene 및 vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane) 및 PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택되는 1종이거나 2종 이상이 혼합된 고분자를 이용하여 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 투명한 소재가 적용된다.
상기 제2 적외선 방사층(130)의 평균 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 1,000 ㎛일 수 있다. 제2 적외선 방사층(130)의 두께가 과도할 경우에는 제2 적외선 방사층(130)의 두께 자체로 인해 열 방출 성능이 저하될 수 있다. 여기서, 고분자의 경우 두께가 50 ㎛ 이상, 또는 100 ㎛ 이상 수준이면 광대역 방사체(Broadband Emitter, BE)로 작용하여 대기창(8 내지 13 ㎛ 파장) 이외의 파장도 포함하는 4 내지 20 ㎛ 파장에 대해 방사를 하고, 선택적 방사체(Selective Emitter, SE) 대비 상대적으로 높은 냉각 전력 특징을 보인다. 하지만 두께 50 ㎛ 미만의 고분자는 소재에 따라 선택적 방사체로 작용하여 대기창 파장 영역으로 선택적 방사가 가능하여 광대역 방사체 대비 냉각 온도를 높일 수 있는 장점이 있어, 상기 제2 적외선 방사층의 두께가 상기 수준으로 얇을 경우 선택적 방사가 가능하므로 열 방출 성능에 있어 유리하다.
한편, 상기 제1 적외선 방사층(110) 및 제2 적외선 방사층(130)은 각각 UV 안정제, 난연제, 산화방지제, 중화제, 가공조제 등의 첨가제를 0.1 내지 5 중량% 범위에서 블렌드하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 태양광으로 인한 가열로 주간 냉각 효과가 저하되는 것을 방지하기 위하여 금속 반사층(150)과 금속 산화방지층(160)을 더 구비할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 제1 적외선 방사층(110) 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 두께 20 내지 150 nm의 금속 반사층(150)을 구비하고, 또한 상기 금속 반사층(150) 하부에 위치하고, 제3 고분자를 포함하여 상기 금속 반사층(150) 성분의 산화 방지를 위한 금속 산화방지층(160)을 구비할 수 있다.
상기 금속 반사층(150)은 상기 제1 적외선 방사층(110) 하부에 위치하여 태양광 방사를 반사하는데, 본 발명에서는 다층 필름의 태양광 반사율을 20 내지 50% 범위로 하여 시야 확보를 위한 태양광 투과가 일부 이루어지도록 할 수 있다.
이러한 금속 반사층(150)을 이루는 소재는 태양광 반사성 금속 재료로서, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)이 바람직하게 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 다층 필름(100)의 가시광선 투과율은 15 내지 70%일 수 있는데, 이는 금속 반사층(150)의 금속 증착 두께를 상기한 바와 같이 20 내지 150 nm 범위에서 조절하여 달성될 수 있다.
본 발명에서는 필름의 적용 용처에 따라 수분 등으로 인해 금속 반사층(150)을 이루는 금속 성분이 쉽게 산화되어 태양광 반사 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 금속 반사층(150) 하부에 제3 고분자를 포함하는 금속 산화방지층(160)이 구비될 수 있다.
이를 위해 상기 제3 고분자는 산소 및 수분 투과율이 낮은 소재가 선택될 수 있으며, 구체적으로 산소 투과율이 0.1 내지 1,000 cc/㎡·day·atm이고, 수분 투과율 1 내지 100 g/㎡dayatm, 바람직하게는 산소 투과율이 0.1 내지 100 cc/㎡·day·atm이고, 수분 투과율 1 내지 50 g/㎡·day·atm인 고분자가 선택될 수 있다.
상기 제3 고분자 소재로는 상기 산소 및 수분 투과율을 만족하는 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 PET(Polyethylene terephthalate), PVDC(Polyvinylidene chloride) 또는 EvOH(Ethylene vinyl alcohol)가 사용될 수 있고, 더욱 바람직하게는 PET(Polyethylene terephthalate)가 사용될 수 있다.
또한 본 발명에서는 다층 필름(100)과 주체 사이의 열전도 저항을 감소시켜 복사냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 수단으로서, 상기 금속 산화방지층(160) 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층(170)이 더욱 구비될 수 있다.
상기 점착층(170)을 이루는 소재로는 상기 금속 산화방지층(160)과 물체 사이에서 점착 성능을 부여하면서 본 발명에 따른 복사냉각 성능을 저하시키지 않는 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지 등이 사용될 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 제1 적외선 방사층(110) 및 제2 적외선 방사층(130)의 사이와, 상기 금속 반사층(150) 및 금속 산화방지층(160) 사이를 연결하는 접착층(180)이 더욱 구비될 수 있다.
상기 접착층(180)을 이루는 소재로는 상기 접착 대상이 되는 층에 접착 성능을 부여하면서 본 발명에 따른 복사냉각 성능을 저하시키지 않는 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지 등이 사용될 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 다층 필름(100)을 구성하는 층들은 상기 금속 반사층(150)을 제외하고는 모두 압출 성형이 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 다층 필름(100)은 각 층을 구성하는 펠렛상의 원료를 이용하여 압출 라미네이션 내지 공압출 등의 공지된 방법으로 제조될 수 있으며, 따라서 기존의 무기물 적층형 복사냉각 기술의 경우 진공 증착 공정 등으로 인해 대량 생산이 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 다층 필름(100)은 압출 성형되어 가공 용이성을 지니므로 대량 생산이 용이한 장점이 있다. 이때, 상기 제1 적외선 방사층(110)의 경우에는 고분자 수지 자체에 유전체 입자(120)를 균일하게 분산시켜 펠렛화한 후 압출 성형을 통해 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 다층 필름(100)을 이용한 선택적 복사냉각의 대상이 되는 주체로는 예컨대, 태양 전지 패널, 자동차 외장재 혹은 창문, 건축물의 지붕 혹은 창문, 커튼 및 블라인드, 농업용 방호막 및 비닐하우스, 플렉서블 투명 전극, 옥외 대형 디스플레이 표면 등 복사냉각이 요구되는 매우 다양한 대상에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 다층 필름(100)을 이용한 선택적 복사냉각의 과정은 다음과 같다.
먼저, 선택적 복사냉각 구조로 이루어진 필름 또는 시트(100)를 점착층(170)을 주체로 향하게 하여 냉각하고자 하는 주체(목표물)의 표면과 밀착하여 부착한다. 이때 주체의 밑면을 제외한 모든 면(상부 및 측면)에 밀착하여 부착할 수 있다.
다음으로, 적외선 방사에 의해 선택적 복사냉각 구조로 이루어진 필름 또는 시트(100)의 표면이 냉각되며(Surface cool), 필름 또는 시트(100) 대비 상대적으로 높은 온도 상태인 주체(목표물)의 온도가 상대적으로 낮은 온도 상태인 필름 또는 시트(100)로 열이 이동한다(Space cool).
다음으로, 선택적 복사냉각 구조에 의해 발생한 복사냉각력에 상응하는 냉각을 주체(목표물)에 제공한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름(100)은 선택적 적외선 방사 및 태양광 반사 기능을 수행하는 선택적 복사냉각 필름 구조를 제공함으로써, 별도의 에너지 없이 주체(목표물)의 온도를 낮출 수 있다. 이러한 제로 에너지 냉각 복합 소재를 제공함으로써 실생활 적용 가능성에 기여하고, 결과적으로 에너지 저감 및 탄소 저감 효과에도 크게 기여할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
실시예
PETG(폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 구성하는 에틸렌 단위의 30 몰%에 해당하는 부분을 1,4-시클로헥산디메틸렌 단위로 대체)와 평균 입경 2 내지 5 ㎛의 실리카(SiO2)를 0.1 중량% 함량으로 단축압출기에 투입하여 용융 혼련 및 냉각 고화시켜 펠렛상으로 제조한 후, 압출 성형하여 두께 25 ㎛의 제1 적외선 방사층을 제조하였다. 이후, 전자빔 가열법에 의해 은(Ag)을 가열 증기화시켜 두께 100 nm의 금속 반사층을 증착하였다.
또한 PVDF를 같은 방법으로 압출 성형하여 두께 25 ㎛의 제2 적외선 방사층을 제조하였다.
또한 산소 투과율이 40 cc/㎡dayatm이고, 수분 투과율 20 g/㎡dayatm인 PET를 같은 방법으로 압출 성형하여 금속 산화방지층을 제조하였다.
다층 필름 성형기를 이용하여 상기 제조된 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 사이와, 금속 반사층 및 금속 산화방지층 사이를 아크릴계 수지로 접착층을 형성하여 접착하고, 금속 산화방지층 이면에 아크릴계 점착층을 형성시켜 투명형 복사냉각 다층 필름을 제조하였다.
시험예 1
상기 제조된 다층 필름에 대하여 하기 방법에 따라 가시광선 투과율, 태양광 반사율 및 헤이즈(Haze)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[측정방법]
(1) 가시광선 투과율 및 태양광 반사율
ASTM E424 방법에 따라 측정하였다.
(3) 헤이즈(Haze)
ASTM D1003 방법에 따라 측정하였다.
구분 가시광선 투과율(%) 태양광 반사율(%) Haze(%)
실시예 65 25 5
시험예 2
상기 제조된 투명형 복사냉각 다층 필름이 적용된 투명 창(실시예)과, 적용되지 않은 일반 투명 창(비교예)에 대하여 하기 조건으로 비교시험을 실시하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
[시험조건]
- 주체(목표물) 소재 : 투명 아크릴 소재
- 온도 측정 위치 : 내부 공기(Space cool)
- 기후 조건 : (주간) 습도 20 ~ 40 %, 구름양 2 ~ 3할 / (야간) 습도 40 ~ 90 %, 구름양 0 ~ 10할
도 3을 참조하면, 일반 투명 창(표면에 필름 미부착)의 내기 온도 대비 투명형 복사냉각 다층 필름 적용 투명 창의 내기 온도가 최대 약 3℃ 가량 낮게 나타났다. 비교예 대비 실시예의 온도 저감 효과가 나타난 구간은 오전 7시 경부터 오후 7시 경까지로 나타났다. 이는 내부 공기(Space cool) 온도 측정의 경우에 한한다.
시험예 3
상기 제조된 투명형 복사냉각 다층 필름이 적용된 투명 창과, 적용되지 않은 투명 창(미부착), 상용 썬팅 필름이 적용된 투명 창 및 상용 Low-E(Low-Emissivity) 필름이 적용된 투명 창에 대하여 하기 조건으로 비교시험을 실시하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 참고로, 상기 상용 썬팅 필름과 상용 Low-E 필름은 열차단 필름의 일종으로 시판되는 제품이 사용되었으며, 두 필름 모두 가시광선을 투과시키나 썬팅 필름은 자외선과 적외선을 모두 차단하며, Low-E 필름은 저방사율을 주요 특징으로 한다는 데 차이가 있다.
[시험조건]
- 주체(목표물) 소재 : 철
- 온도 측정 위치 : 내부 액체(물)(Space cool)
- 기후 조건 : (주간) 습도 20 ~ 45 %, 구름양 0 ~ 7할 / (야간) 습도 40 ~ 90 %, 구름양 0 ~ 7할
도 4를 참조하면, 투명형 복사냉각 다층 필름(실시예), 표면에 필름 미부착, 썬팅 필름, Low-E 필름(이상 비교예)에서 모두 가시광선 투과형 필름에 해당되며, 시험예 3에서는 적외선을 반사 및 차단시키거나 방사한다는 관점에서 실생활에서 유사 분야에 적용되는 필름을 비교함으로써 그 효과를 확인하고자 하였다. 도 4를 참조하면, 투명형 복사냉각 다층 필름이 적용된 경우, 미부착된 경우 대비 최고 4℃, 썬팅 필름이 적용된 경우 대비 5℃, Low-E 필름이 적용된 경우 대비 2℃ 온도 저감 효과를 나타냈다. 특히, 썬팅 필름이 적용된 경우는 미부착 대비 주간에 최고 7℃까지 온도가 상승한 점과, 실시예의 경우 비교예들에 비해 온도가 대부분 낮게 유지된 점으로 미루어 본 발명에 따른 선택적 방사 냉각 구조의 실생활 적용 가능성을 확인할 수 있다.
시험예 4
본 발명에 따른 투명형 복사냉각 다층 필름에서 점착층의 효과를 확인하기 위해 상기 실시예에서 점착층이 없는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 복사냉각 필름을 제조(비교예)하였고, 상기 시험예 2에서의 시험조건과 동일한 조건으로 비교시험을 실시하였다. 시험 후 주체의 표면 온도를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 비교예
표면 온도(℃) 9.1 11.3
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 금속 산화방지층 하부에 위치하여 주체와 부착되는 점착층을 더 포함함으로써 필름과 주체 사이의 열전도 저항을 감소시켜 복사냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있음이 확인된다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 투명형 복사냉각 다층 필름 110 : 제1 적외선 방사층
120 : 유전체 입자 130 : 제2 적외선 방사층
140 : 제1 고분자 150 : 금속 반사층
160 : 금속 산화방지층 170 : 점착층
180 : 접착층

Claims (7)

  1. 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 25 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층;
    상기 제1 적외선 방사층 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층; 및
    상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 두께 20 내지 150 nm의 금속 반사층;
    을 포함하는 복사냉각 다층 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필름은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 150 W/㎡의 복사냉각력(Radiative cooling power)을 가지고, 가시광선 투과율이 15 내지 70%이고, 태양광 반사율이 20 내지 50%이고, 헤이즈(Haze)가 10% 이하인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화세륨(Ce2O3), 지르코니아(ZrO2) 및 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 및 제2 고분자는 각각 PET(Polyethylene terephthalate), PETG(Glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxyalkane), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), ECTFE(Ethylene chlorotrifluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene), THV(Terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene 및 vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene) 및 PP(Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택되는 1종이거나 2종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 평균 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 반사층 하부에 위치하고, 제3 고분자를 포함하여 상기 금속 반사층 성분의 산화 방지를 위한 금속 산화방지층; 및
    상기 금속 산화방지층 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)이 20 내지 150 nm 두께로 형성되고,
    상기 제3 고분자는 산소 투과율이 0.1 내지 1,000 cc/㎡·day·atm이고, 수분 투과율 1 내지 100 g/㎡·day·atm인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
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