KR20230002094A - 방열분체도료 및 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방열분체도료 및 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료는 안료(pigment), 충전제(filler), 폴리머 바인더(polymer binder) 및 첨가제(additive)로 형성되고, 상기 안료 및 상기 충전제는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 상기 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 상기 폴리 바인더와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하고, 유입되는 열을 전도하는 복수의 소재로 형성되며, 상기 폴리머 바인더는 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 상기 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 방열분체도료 및 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자에 관한 것으로, 구체적으로 입사태양광의 반사를 극대화하고 흡수를 최소화하여, 유색일 경우에도 근적외선의 흡수를 최소화하고, 입사태양광의 열을 흡수하지 않으며, 동시에 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수도(방사도)를 갖고 열전도도가 높아 내부의 열이 도료 도막층으로 효과적으로 전달되어 개선된 방열능력을 갖는 옥외용 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자에 관한 것이다.
방열분체도료는 일반적인 액상형 페인트와 다르게 솔벤트(solvent)가 없는 분말(powder) 형태의 도료를 말하는데, 용제 또는 희석제를 함유하지 않은 100% 고형분으로 된 분말상의 도료이다.
방열분체도료의 도장은 분체도료를 정전 스프레이방식 등으로 뿌려서 정전기에 힘으로 도장면에 막을 형성한 후 200℃ 이상의 고온에서 가열하여 분체도료를 용융한 뒤 굳혀서 도막화한다.
분체도료는 분말형태의 안료(pigment)와 충전제(filler), 이들을 연결해줄 수 있는 폴리머 바인더(polymer binder)로 이루어져 있다.
일반적으로 방열분체도료는 배합 및 혼합 단계, 용융분산 단계, 냉각 단계, 분쇄 단계 및 포장 단계를 순차적으로 거쳐 만들어진다.
배합 및 혼합과정은 안료, 수지, 경화제, 첨가제 등, 각각의 원재료를 비율에 맞게 계량하고 혼합하여 균일하게 골고루 섞이도록 균질화하는 과정이다.
용융분산은 배합 및 혼합과정을 거쳐 각각의 재료가 균일하게 혼합된 혼합물을 가열하여 용융시켜 혼합하는 과정이다.
냉각은 용융분산된 혼합물을 식혀서 고체화해주는 과정이다.
분쇄는 용융분산후 고체화된 혼합물을 파쇄하여 원하는 입도의 분말로 만드는 공정이다.
포장은 분쇄를 통해서 만들어진 방열분체도료를 적절한 크기로 포장하는 과정이다.
방열분체도료는 주로 정전도장방법을 이용하여 사용되므로 방열분체도료의 전기적 저항치는 1011 ~ 1014 Ω·cm에 분포되어야 한다.
만약, 전기저항값이 높으면 전하가 방열분체도료를 이루는 입자에서 도장되는 재료 내부로의 이동이 어려워져 도장면에서 반발현상이 생길 수 있으며 저항값이 낮으면 전하가 너무 쉽게 방전되어 방열분체도료가 도장되는 표면에서 부착되지 못할 수도 있기 때문이다.
일반적으로 방열도료 및 방열분체도료는 열을 잘 방출하여 표면의 온도를 낮추고 내부에 열의 축적을 방지할 수 있는 도료로서 발열이 문제가 되는 LED 조명기구, 방사체(radiator) 및 효과적인 방열이 필요한 다양한 전자기기에 적용되어 전자기기 내부의 열을 효과적으로 외부로 방출하여 기기 내부의 온도를 낮추려는 목적이 있다.
열방사성(장파장 적외선 방사도)가 높은 소재일수록 적외선 방출를 원활하게 하므로 내부의 열을 적외선 방사를 통하여 효과적으로 외부로 배출하며, 열전도도가 높은 소재일수록 소재를 통한 열전도가 원활하여 내부와 외부의 열단차를 낮추므로 열방사성과 열전도도가 높은 방열 분체도료일수록 방열성능이 우수해서 내부의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
그러나, 기존의 방열도료는 열전도도와 열방사성 만을 고려하여 옥외에서 입사태양광을 흡수하여 방열능력이 제한되는 문제점이 있고, 이에 따라 방열 성능이 제한된다.
본 발명은 입사태양광의 반사를 극대화하고 흡수를 최소화하여, 유색일 경우에도 근적외선의 흡수를 최소화하고, 입사태양광의 열을 흡수하지 않으며, 동시에 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수도(방사도)를 갖고 열전도도가 높아 내부의 열이 도료 도막층으로 효과적으로 전달되어 개선된 방열능력을 갖는 옥외용 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 주간(daytime)에 입사태양광에 의한 온도의 상승이 없으므로 주야간 상관없이 높은 방열능력을 갖는 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층이 복사 냉각 성능을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 옥외에 설치되는 기기에 적용하면 태양광이 작렬하는 주간에도 입사태양광의 흡수가 최소화되고, 장파장 적외선방사를 통한 열방출이 잘 유지되면서, 열전도성이 우수하여, 열원의 에너지를 표면으로 잘 전달하므로 방열 성능은 더욱 개선된 방열분체도료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등, 옥외에 설치되어, 내부열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결하는 방법으로 사용될 수 있는 방열분체도료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 장파장 적외선 방사를 대기에 흡수되지 않는 8㎛ 내지 13㎛의 장파장 적외선에 집중하여 적외선 방사에 의한 열배출이 개선된 방열분체도료 및 이에 기반한 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 미세기공에 의한 효과적인 입사태양광의 산란 촉진에 기반하여, 폴리머 바인더의 함량이 증가하더라도 우수한 복사냉각 성능을 가지며, 폴리머 바인더의 함량이 증가하므로 도료 도막층의 내구성도가 향상되는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료는 안료(pigment), 충전제(filler), 폴리머 바인더(polymer binder) 및 첨가제(additive)로 형성되고, 상기 안료 및 상기 충전제는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 상기 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 상기 폴리 바인더와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하고, 유입되는 열을 전도하는 복수의 소재로 형성되며, 상기 폴리머 바인더는 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 상기 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성될 수 있다.
상기 복수의 소재는, 상기 복수의 흡수 피크에 기반하여 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, AIN 및 SiC 중 결정되어 혼합될 수 있다.
상기 복수의 소재는, 상기 열의 전도와 관련하여 h-BN, SiC, AIN 및 BeO 중 적어도 하나를 1 부피비(vol%) 내지 20 부피비(vol%)로 포함할 수 있다.
상기 복수의 폴리머 수지는, 상기 흡수 피크에 기반하여 C=C의 결합 폴리머, C-O의 결합 폴리머, F-C-F의 결합 폴리머, -OF의 결합 폴리머 중 O-H, C-H 결합이 적은 폴리머로 결정되어 상기 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머로 혼합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자는 방열분체도료를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하고, 상기 방열분체도료는 안료(pigment), 충전제(filler), 폴리머 바인더(polymer binder) 및 첨가제(additive)로 형성되고, 상기 안료 및 상기 충전제는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 상기 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 상기 폴리 바인더와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하는 복수의 소재로 형성되며, 상기 폴리머 바인더는 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 상기 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성될 수 있다.
상기 도료 도막층은 상기 첨가제에 기반하여 흐름성, 난연성, 유동성, 발포방지성, 대전 방지성, 광택 중 적어도 하나가 변경될 수 있다.
상기 도료 도막층은 상기 복수의 흡수 피크에 기반하여 상기 8㎛ 내지 13㎛에서의 적외선에 대한 흡수 및 방사가 증가되고, 상기 안료 및 상기 충전제의 굴절률이 상기 폴리머 바인더의 굴절률보다 높아서 상기 안료 및 상기 충전제의 굴절률과 상기 폴리머 바인더의 굴절률 차이에 기반하여 상기 입사태양광을 산란 및 반사하며, 상기 도료 도막층의 하부로부터 유입되는 열을 상기 도료 도막층의 상부로 전도할 수 있다.
상기 도료 도막층은, 미세기공(micropore)을 5% 내지 30% 포함하여 상기 입사태양광의 산란 및 반사를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 입사태양광의 반사를 극대화하고 흡수를 최소화하여, 유색일 경우에도 근적외선의 흡수를 최소화하고, 입사태양광의 열을 흡수하지 않으며, 동시에 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수도(방사도)를 갖고 열전도도가 높아 내부의 열이 도료 도막층으로 효과적으로 전달되어 개선된 방열능력을 갖는 옥외용 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 주간(daytime)에 입사태양광에 의한 온도의 상승이 없으므로 주야간 상관없이 높은 방열능력을 갖는 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층이 복사 냉각 성능을 제공할 수 있다.
본 발명은 옥외에 설치되는 기기에 적용하면 태양광이 작렬하는 주간에도 입사태양광의 흡수가 최소화되고, 장파장 적외선방사를 통한 열방출이 잘 유지되면서, 열전도성이 우수하여, 열원의 에너지를 표면으로 잘 전달하므로 방열 성능은 더욱 개선된 방열분체도료를 제공할 수 있다.
본 발명은 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등, 옥외에 설치되어, 내부열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결하는 방법으로 사용될 수 있는 방열분체도료를 제공할 수 있다.
본 발명은 장파장 적외선 방사를 대기에 흡수되지 않는 8㎛ 내지 13㎛의 장파장 적외선에 집중하여 적외선 방사에 의한 열배출이 개선된 방열분체도료 및 이에 기반한 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 미세기공에 의한 효과적인 입사태양광의 산란 촉진에 기반하여, 폴리머 바인더의 함량이 증가하더라도 우수한 복사냉각 성능을 가지며, 폴리머 바인더의 함량이 증가하므로 도료 도막층의 내구성도가 향상되는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 방열 모식도를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층의 사진 및 적외선 열화상 이미지를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 방열 모식도를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층의 사진 및 적외선 열화상 이미지를 설명하는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료를 설명하는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료의 구성 요소를 예시한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료(100)는 안료(110), 충전제(120), 폴리머 바인더(130) 및 첨가제(140)를 포함하여 형성된다.
일례로, 안료(110) 및 충전제(120)는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 폴리 바인더(130)와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하고, 유입되는 열을 전도하는 복수의 소재로 형성될 수 있다.
예를 들어, 복수의 소재는 복수의 흡수 피크에 기반하여 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, AIN 및 SiC 중 결정되어 혼합될 수 있다.
복수의 소재는 5㎛ 내지 20㎛의 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수도를 갖고, 8㎛ 내지 13㎛의 장파장 적외선을 잘 흡수 및 방사하여 복사 냉각 성능을 제공하며, 입사태양광을 흡수하지 않고, 효과적으로 산란 반사할 수 있는 입도(0.5 내지 20㎛)를 갖는다.
또한, 복수의 소재는 빛을 잘 반사시키도록 가급적 굴절률이 높아 폴리머 바인더와 굴절률 차이가 크며, 열전도도가 높아 도막층의 열을 잘 전도하는 소재일 수 있다.
복수의 소재는 5㎛ 내지 20㎛ 의 장파장 적외선 전 영역에서 높은 흡수도를 갖기 위하여 각 파장에서 높은 흡수피크를 갖는 소재들을 선택하고 혼합하여 사용될 수 있다.
일 예로 각각 다른 파장에서의 흡수피크를 갖는 Al2O3, SiO2, Si3N4를 혼합하여 8㎛ 내지 13㎛ 전 영역에서의 열방사도를 높일 수 있다.
복수의 흡수 피크는 방열분체도료(100)가 8㎛ 내지 13㎛에서의 장파장 적외선에 대한 높은 방사율을 가지도록 한다.
예를 들어, 복수의 소재는 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, AIN 및 SiC 중 제1 소재가 8㎛ 내지 10㎛에서 흡수 피크를 가지면, 제2 소재가 9㎛ 내지 11㎛에서 흡수 피크를 가지며, 제3 소재가 10㎛ 내지 13㎛에서 흡수 피크를 가짐에 따라, 제1 소재 내지 제3 소재가 결정되어 혼합될 수 있다.
일례로, 복수의 소재는 열의 전도와 관련하여 h-BN, SiC, AIN, BeO 중 적어도 하나를 1 부피비(vol%) 내지 20 부피비(vol%)로 포함할 수 있다.
열전도도가 높은 소재일수록 소재를 통한 열전도가 원활하여 내부와 외부의 열단차를 낮출 수 있다.
발열이 문제가 되는 기기에 적용되어 내부의 열을 효과적으로 외부로 방출하여 내부의 온도를 낮출 수 있다.
일례로, 폴리머 바인더(130)는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 복수의 폴리머 수지는 흡수 피크에 기반하여 C=C의 결합 폴리머, C-O의 결합 폴리머, F-C-F의 결합 폴리머, -OF의 결합 폴리머 중 O-H, C-H 결합이 적은 폴리머로 결정되어 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머로 혼합될 수 있다.
일례로, 복수의 폴리머 수지는 흡수 피크에 기반하여 C=C의 결합 폴리머, C-O의 결합 폴리머, F-C-F의 결합 폴리머, -OF의 결합 폴리머 중 제1 폴리머가 8㎛ 내지 10㎛에서 흡수 피크를 가지면, 제2 폴리머가 9㎛ 내지 11㎛에서 흡수 피크를 가지며, 제3 폴리머가 10㎛ 내지 13㎛에서 흡수 피크를 가짐에 따라, 제1 폴리머 내지 제3 폴리머가 결정되어 혼합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 첨가제(140)는 방열분체도료(100)가 도막층으로 형성된 경우에, 도막층의 흐름성, 난연성, 유동성, 발포방지성, 대전 방지성, 광택 중 적어도 하나를 변경할 수 있다.
일례로, 방열분체도료(100)는 열전도성과 열방사성이 뛰어나고, 열을 잘 방출하여 표면의 온도를 낮추고 내부에 열의 축적을 방지할 수 있다.
열방사성(장파장 적외선 방사도)가 높은 소재일수록 적외선 방출을 원활하게 하므로 내부의 열을 적외선 방사를 통하여 효과적으로 외부로 배출할 수 있다.
열방사성과 열전도도가 높은 방열분체도료일수록 방열성능이 우수해짐에 따라 내부의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
옥외에서 사용되는 방열분체도료(100)는 열방사성과 열전도도 이외에 입사태양광(자외선, 가시광선, 근적외선)을 흡수하거나 투과시키지 않고 반사한다.
본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료(100)는 입사태양광에 의한 가열이 적음에 따라 높은 태양광반사도를 갖고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료(100)는 안료(110)의 구성물질을 변화하여 도료 도막층이 태양광 반사가 크고, 근적외선 흡수가 적고, 장파장 적외선 그중 에서도 대기의 창 구간인 8㎛ 내지 13㎛ 적외선의 흡수방사가 크고 열전도도가 높아서 기존의 방열 분체도료에 대비하여 주간에 더욱 뛰어난 방열성능을 갖을 수 있다.
본 발명은 페인트 도막층의 형성 두께가 감소하면서, 페인트 도막층 형성을 위한 페인트 용액 내 바인더 함량이 증가하더라도 입사태양광에 대한 반사율이 증가하면서 투과율이 감소함에 따라 페인트 도막층의 형성을 위한 작업성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 주간(daytime)에 입사태양광에 의한 온도의 상승이 없으므로 주야간 상관없이 높은 방열능력을 갖는 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층이 복사 냉각 성능을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 방열 모식도를 설명하는 도면이다.
도 2는 입사태양광 흡수가 적고 반사가 크며, 장파장 적외선 방사도가 높고 특히 대기의 창 구간의 장파장 적외선에 대한 방사도가 높고, 열전도도가 높은 방열 분체도료를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자의 방열 모식도를 예시한다.
도 2를 참고하면, 복사 냉각 대상이자 도료 도막층(210)이 형성된 복사 냉각 소자(200)는 입사태양광을 반사하고, 5㎛ 내지 20㎛의 장파장 적외선을 흡수 및 방사하는데, 효과적인 장파장 적외선의 흡수 및 방사를 위해서 구름 투과된 장파장 적외선 범위에 해당하는 8㎛ 내지 13㎛의 장파장 적외선을 효과적으로 흡수 및 방사한다.
도료 도막층(210)은 첨가제에 기반하여 흐름성, 난연성, 유동성, 발포방지성, 대전 방지성, 광택 중 적어도 하나가 변경될 수 있다.
도료 도막층(210)은 방열분체도료를 이용하여 형성되는데, 방열분체도료의 도장은 방열분체도료를 정전 스프레이방식 등으로 뿌려서 정전기에 힘으로 도장면에 막을 형성한 후 200℃ 이상의 고온에서 가열하여 방열분체도료를 용융한 뒤 굳혀서 도막화하여 형성된다.
옥외에 설치되는 물체에 도포되는 방열 분체도료는 열방사성과 열전도도 이외에 입사태양광(자외선, 가시광선 및 근적외선을 포함)에 대한 반사도에 대하서도 고려하여야 한다.
방열도료의 주목적이 효과적인 방열을 통한 기기 내부의 축열을 방지하는 것이므로 아무리 방열도료의 방열성능이 우수하여도 입사태양광의 반사가 적고 흡수가 클 경우 입사태양광의 열을 흡수하게 되므로 효과적인 방열을 위하여 입사태양광의 반사를 극대화시킬 필요가 있다.
방열분체도료의 형성물질과 관련하여 열전도, 가시광 및 적외선은 물질별로 하기 표 1과 같이 정리될 수 있다.
| 소재 | 열전도 | 가시광 | 적외선 | ||
| 열 전도도(W/mk) | 색상 | 밴드갭(eV) | k>0.1파장 영역(㎛) | FTIR 피크(㎛) | |
| SiC | 100-150 | 연두색 또는 남색 | 2.4(β), 3.2(α) | 8-34 | 13 |
| MgO | 38-54 | 흰색 | 7.8 | - | 18.3 |
| TiO2 | 2.9-8 | 흰색 | 3.05, 3.2 | 9.5- | 6.9 |
| AIN | 170-220 | 흰색 | 6 | 10- | 14 |
| Si3N4 | 15-40 | 회색 | 5 | 6.8- | 11.5 |
| BN | 600-740(in-plane), 30(out-plane) | 흰색 | 5.2(h-BN), 6.4(c-BN) | - | 7.4, 12.5 |
| Al2O3 | 20-30 | 흰색 | 7.6, 7.0 | 9.2- | 9.5 |
| SiO2 | 1.3 | 흰색 | 8.6 | 7.8-10.3 | 9.3 |
| ZnO | 29-50 | 흰색 | 3.2 | 15- | 9.5 |
| BeO | 250-300 | 흰색 | 10.6 | - | 13.5 |
| MnO | 0.2 | 녹색, 회색, 갈색 | 3.8 | - | 15.8 |
| ZrO2 | 3 | 흰색 | 5.4 | - | 22, 8.5 |
| CaCO3 | 2.7 | 흰색 | 6 | - | 7.2, 11.4 |
| BaSO4 | 1.5 | 흰색 | 6 | - | 9.3, 16 |
| 흑연(graphite) | 25-470 | 검정색 | 0.04 | 0.2- | |
| CNT | 2000-6000 | 검정색 | 0-2 | 0.2- | |
본 발명의 일실시예에 따르면 도료 도막층(210)을 형성하는 안료 및 충전제의 소재는 장파장 적외선 영역에서 큰 흡수도를 갖는 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN, CNT, Graphite 중에서 선택할 수 있으나 근적외선 흡수가 큰 TiO2, CNT, Graphite를 사용하지 않고, 열전도도 높은 h-BN, SiC, AlN, BeO를 1 부피비(vol %) 내지 20 부피비(vol %)로 포함할 수 있다.
따라서, 기존의 방열 분체도료보다 입사태양광 흡수가 적어 옥외에서 주간에 더욱 뛰어난 방열성능을 갖는 방열 분체도료에 기반한 도료 도막층(210)일 수 있다.
기존의 방열도료는 열전도도와 열방사성 만을 고려하여 옥외에서 입사태양광을 흡수하여 방열능력이 제한되나 본 발명에서 제시한 방열 분체도료는 입사태양광의 반사를 극대화하고 흡수를 최소화하며, 유색일 경우에도 근적외선의 흡수를 최소화하여, 입사태양광의 열을 적게 흡수하고, 동시에 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수도(방사도)를 갖고 열전도도가 높아 내부의 열이 도막층으로 효과적으로 전달되어 개선된 방열능력을 갖는다.
도료 도막층(210)은 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등 옥외에 설치되어, 내부 열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결하기 위해 장비 표면에 형성되어, 복사 냉각 소자(200)로서 동작하여 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등의 발열 문제를 해결할 수 있다.
도료 도막층(210)은 열을 잘 방출하여 표면의 온도를 낮추고 내부에 열의 외부로 전도함에 따라 열의 축적을 방지하여 발열이 문제가 되는 기기에 적용되어 열을 효과적으로 외부로 방출하여 내부의 온도를 낮출 수 있다.
도료 도막층(210)은 복수의 흡수 피크에 기반하여 8㎛ 내지 13㎛에서의 적외선에 대한 흡수 및 방사가 증가되고, 안료 및 충전제의 굴절률이 폴리머 바인더의 굴절률보다 높아서 상기 안료 및 충전제의 굴절률과 폴리머 바인더의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하며, 도료 도막층(210)의 하부로부터 유입되는 열원의 열을 도료 도막층(210)의 상부로 전도할 수 있다.
또한, 도료 도막층(210)은 상부로 전도된 열을 적외선 방사에 기반한 열 방출과 함께 방출한다.
이에 따라 도료 도막층(210)은 하부에 위치하여 열을 발생 시키는 열원의 열을 낮출 뿐만 아니라 외부로부터 유입되는 입사태양광에 의한 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
일례로, 도료 도막층(210)은 안료, 충전제 및 폴리머 바인더와 함께 미세기공(micropore)을 5% 내지 30% 포함하여 입사태양광의 산란 및 반사를 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도료 도막층(210)은 방열분체도료가 도막되는 과정에서 미세기공이 형성되고, 미세기공은 2㎚이하의 내부 폭을 갖는다.
도료 도막층(210)은 안료와 충전제와 미세기공 간의 계면에서의 굴절률 차이, 폴리머 바인더와 미세기공 간의 계면에서의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광의 산란 및 반사를 촉진시킬 수 있다.
예를 들어, 기공이 도료 도막층(210) 내에 특정 부피 이상이면 입사태양광 산란이 촉진되어 입사태양광의 산란 및 반사가 증가하지만 특정 부피 이상으로 기공 부피분율이 커지면 도막층의 기계적 성질이 저하될 수 있다. 예를 들어, 특정 부피는 30 %일 수 있다.
도료 도막층(210)은 내부에 충진제 및 안료에 기반한 세라믹 입자와 폴리머 바인더와 미세기공으로 이루어져 입사태양광을 산란 및 반사하는데, 세라믹입자의 굴절률은 대략 2.0 이상, 폴리머 바인더는 1.4~1.6 그리고 미세기공의 굴절률은 1.0이므로 미세기공에 의한 입사태양광의 산란은 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
다시 말해, 도료 도막층(210)은 세라믹 입자와 폴리머 바인더의 굴절률 차이에 기반한 입사태양광의 산란 및 반사에 더하여 세라믹 입자와 미세기공 간의 굴절률 차이 및 폴리머 바인더와 미세기공 간의 굴절률 차이에 기반한 입사태양광의 산란 및 반사가 제공되어 입사태양광의 산란 및 반사가 촉진될 수 있다.
따라서, 본 발명은 미세기공에 의한 효과적인 입사태양광의 산란 촉진에 기반하여, 폴리머 바인더의 함량이 증가하더라도 우수한 복사냉각 성능을 가지며, 폴리머 바인더의 함량이 증가하므로 도료 도막층의 내구성도가 향상되는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 통해 제작된 방열분체도료를 이용하여 형성된 도료 도막층(210)은 데이터 센터, 무선통신 통신중계기 등 발열로 인해 장비의 온도가 높아져 냉각이 필요한 상황에서 장비에 직접적으로 적용하거나 열 흡수 물질(heat sinking material)에 적용할 수 있다. 즉, 방열분체도료를 냉각이 필요한 장비에 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 다양한 표면에 복사 냉각 성능이 우수한 도료 도막층을 형성하여 도료 도막층을 형성하는 물질의 선별을 통해, 입사태양광 영역대에서의 높은 굴절률과 대기의 창 영역에서의 높은 소멸계수(extinction coefficient k)를 가지도록 특성을 구현하여, 도료 도막층의 두께가 얇은 경우에서도 높은 태양광 반사와 대기의 창 방사를 구현하는 방열분체도료를 이용하여 도료 도막층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 주간(daytime)에 입사태양광에 의한 온도의 상승이 없으므로 주야간 상관없이 높은 방열능력을 갖는 방열분체도료 및 이를 이용하여 형성된 도료 도막층이 복사 냉각 성능을 제공할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층의 사진 및 적외선 열화상 이미지를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 기존의 흑색, 청색, 백색의 방열도료와 본 발명에서 제시된 입사태양광 흡수가 적고 반사가 크며, 장파장 적외선 방사도가 높고 특히 8㎛ 내지 13㎛의 적외선 방사도가 높고, 열전도도가 높은 백색 방열분체도료가 도장된 면인 도료 도막층의 일반 카메라 이미지 및 적외선 열화상 이미지를 예시한다.
도 3a를 참고하면, 일반 카메라 이미지에서 제1 도장면(300)은 상용화 흑색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하고, 제2 도장면(301)은 상용화 청색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하며, 제3 도장면(302)은 상용화 백색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하고, 제4 도장면(303)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층에 해당하며, 제5 도장면(304)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층에 해당할 수 있다.
제1 실시예와 제2 실시예는 안료 및 충전제를 형성하는 복수의 소재와 폴리머 바인더를 형성하는 복수의 폴리머에 차이가 존재한다.
도 3b를 참고하면, 적외선 열화상 이미지에서 제1 도장면(310)은 상용화 흑색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하고, 제2 도장면(311)은 상용화 청색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하며, 제3 도장면(312)은 상용화 백색 방열 도료가 도장된 도료 도막층에 해당하고, 제4 도장면(313)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층에 해당하며, 제5 도장면(314)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 방열분체도료가 도장된 도료 도막층에 해당할 수 있다.
제1 도장면(310) 내지 제5 도장면(314)에서 측정되는 온도에 기반하여, 동일한 외부 조건에서 본 발명에 따른 도장면인 제4 도장면(313)과 제5 도장면(314)의 표면온도가 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 방열분체도료는 기존의 방열도료보다 입사태양광 흡수를 줄여 주간에 더 우수한 방열성능을 갖는다.
따라서, 본 발명은 옥외에 설치되는 기기에 적용하면 태양광이 작렬하는 주간에도 입사태양광의 흡수가 최소화되고, 장파장 적외선방사를 통한 열방출이 잘 유지되면서, 열전도성이 우수하여, 열원의 에너지를 표면으로 잘 전달하므로 방열 성능은 더욱 개선된 방열분체도료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등, 옥외에 설치되어, 내부열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결하는 방법으로 사용될 수 있는 방열분체도료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 장파장 적외선 방사를 대기에 흡수되지 않는 8㎛ 내지 13㎛의 장파장 적외선에 집중하여 적외선 방사에 의한 열배출이 개선된 방열분체도료 및 이에 기반한 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (11)
- 안료(pigment), 충전제(filler), 폴리머 바인더(polymer binder) 및 첨가제(additive)로 형성되고,
상기 안료 및 상기 충전제는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 상기 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 상기 폴리 바인더와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하고, 유입되는 열을 전도하는 복수의 소재로 형성되며,
상기 폴리머 바인더는 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 상기 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는
방열분체도료. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 소재는, 상기 복수의 흡수 피크에 기반하여 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, AIN 및 SiC 중 결정되어 혼합되는 것을 특징으로 하는
방열분체도료. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 소재는, 상기 열의 전도와 관련하여 h-BN, SiC, AIN 및 BeO 중 적어도 하나를 1 부피비(vol%) 내지 20 부피비(vol%)로 포함하는 것을 특징으로 하는
방열분체도료. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 폴리머 수지는, 상기 흡수 피크에 기반하여 C=C의 결합 폴리머, C-O의 결합 폴리머, F-C-F의 결합 폴리머, -OF의 결합 폴리머 중 O-H, C-H 결합이 적은 폴리머로 결정되어 상기 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머로 혼합되는 것을 특징으로 하는
방열분체도료. - 방열분체도료를 이용하여 형성된 도료 도막층을 포함하고,
상기 방열분체도료는 안료(pigment), 충전제(filler), 폴리머 바인더(polymer binder) 및 첨가제(additive)로 형성되고,
상기 안료 및 상기 충전제는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 상기 장파장 적외선에서 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크(peak)를 가지며, 상기 폴리 바인더와의 굴절률 차이에 기반하여 입사태양광을 산란 및 반사하는 복수의 소재로 형성되며,
상기 폴리머 바인더는 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하되 상기 8㎛ 내지 13㎛에서 복수의 흡수 피크를 가지고, 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 소재는, 상기 복수의 흡수 피크에 기반하여 h-BN, SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, AIN 및 SiC 중 결정되어 혼합되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 소재는, 상기 열의 전도와 관련하여 h-BN, SiC, AIN 및 BeO 중 적어도 하나를 1 부피비(vol%) 내지 20 부피비(vol%)로 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 폴리머 수지는, 상기 흡수 피크에 기반하여 C=C의 결합 폴리머, C-O의 결합 폴리머, F-C-F의 결합 폴리머, -OF의 결합 폴리머 중 O-H, C-H 결합이 적은 폴리머로 결정되어 상기 근적외선을 흡수 하지 않는 복수의 폴리머로 혼합되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제5항에 있어서,
상기 도료 도막층은 상기 첨가제에 기반하여 흐름성, 난연성, 유동성, 발포방지성, 대전 방지성, 광택 중 적어도 하나가 변경되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제5항에 있어서,
상기 도료 도막층은 상기 복수의 흡수 피크에 기반하여 상기 8㎛ 내지 13㎛에서의 적외선에 대한 흡수 및 방사가 증가되고, 상기 안료 및 상기 충전제의 굴절률이 상기 폴리머 바인더의 굴절률보다 높아서 상기 안료 및 상기 충전제의 굴절률과 상기 폴리머 바인더의 굴절률 차이에 기반하여 상기 입사태양광을 산란 및 반사하며, 상기 도료 도막층의 하부로부터 유입되는 열을 상기 도료 도막층의 상부로 전도하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제5항에 있어서,
상기 도료 도막층은, 미세기공(micropore)을 5% 내지 30% 포함하여 상기 입사태양광의 산란 및 반사를 증가시키는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20210084796 | 2021-06-29 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220078793A KR20230002094A (ko) | 2021-06-29 | 2022-06-28 | 방열분체도료 및 방열분체도료를 이용한 도료 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자 |
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| Country | Link |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180101272A (ko) | 2017-03-03 | 2018-09-12 | 주식회사 아모그린텍 | 방열 분체 도료 조성물, 이를 통해 제조된 방열 분체 도료 및 그 제조방법 |
| KR102047889B1 (ko) | 2019-03-26 | 2019-11-22 | 동의대학교 산학협력단 | 알루미늄실리케이트를 포함하는 방열분체도료 제조기술 |
-
2022
- 2022-06-28 KR KR1020220078793A patent/KR20230002094A/ko unknown
Patent Citations (2)
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