KR20230074368A - 복사냉각 다층 필름 - Google Patents

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Abstract

제1 유전체 입자가 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제2 유전체 입자가 분산된 제2 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제2 적외선 방사층; 상기 제2 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제3 유전체 입자가 분산된 제3 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제3 적외선 방사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 상부 및 제3 적외선 방사층 하부에 위치하고, 각각 독립적으로 제4 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제4 적외선 방사층;을 포함하는 복사냉각 다층 필름이고, 상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 서로 같거나 다른 종류인 복사냉각 다층 필름을 제공한다.

Description

복사냉각 다층 필름{Radiative cooling multi-layer film}
본 발명은 다층 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다층 구조의 수동 복사냉각 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.
미국 등록특허 제10502505호는 선택적 방사층이 고분자 중합체와 그 중합체에 분산된 유전체 입자를 포함하고, 유전체 입자의 체적 분율은 1 내지 25% 이고, 입자의 크기는 3 내지 30 ㎛이고, 파장 범위 7 내지 13 ㎛ 방사에 대해 0.6 내지 1.0의 평균 방사율을 가지고, 고분자 중합체는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸펜텐(TPX) 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 중에서 선택되고, 유전체 입자로 이산화규소(SiO2)를 포함하는 복사 냉각 구조체를 개시하고 있다. 그러나 다층 구조의 복사 냉각 구조체를 제작하기 위해서는 드라이라미네이션 공정을 통해 각 층 사이에 접착제를 도입하는 것이 필수적이나, 이 특허에서는 드라이라미네이션 공정 또는 접착제에 대한 언급이 없고, 유전체 입자 종류, 크기 및 함량에 대해 언급하고 있으나, 무기물 기반의 유전체 입자를 3 ㎛ 이상의 크기에서 1 내지 25% 함량으로 투입할 경우, 필름 표면의 조도가 증가하여 드라이라미네이션 공정이 불가능하다. 또한 유전체 입자로 제시한 이산화규소만으로는 실제적인 복사 냉각 구현이 어려울 수 있다.
본 발명은 복사냉각 다층 필름에 있어, 실질적인 복사 냉각 성능이 구현되면서, 후가공 공정이 용이한 구조의 복사냉각 다층 필름을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제1 유전체 입자가 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제2 유전체 입자가 분산된 제2 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제2 적외선 방사층; 상기 제2 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제3 유전체 입자가 분산된 제3 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제3 적외선 방사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 상부 및 제3 적외선 방사층 하부에 위치하고, 각각 독립적으로 제4 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제4 적외선 방사층;을 포함하는 복사냉각 다층 필름이고, 상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 서로 같거나 다른 종류인 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 평균 입경이 0.01 내지 30 ㎛이고, 각각 상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자에 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산된 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 각각 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO2), 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4) 및 폴리메틸실세스퀴옥산(Poly(methylsilsesquioxane))으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자, 상기 제3 고분자 및 상기 제4 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 and vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene) 및 PP(Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자는 각각 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.25 미만이고, 녹는점(Tm)이 125 내지 170℃이고, 용융지수(MI(Melt index), 230℃, 2.16 kg 하중)가 2 내지 8 g/10 min이고, 밀도가 0.88 내지 0.91 g/㎤인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 적외선 방사층, 상기 제2 적외선 방사층, 상기 제3 적외선 방사층 및 상기 제4 적외선 방사층의 두께는 각각 5 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 필름은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 200 W/㎡의 복사냉각력(Radiative cooling power)을 갖는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
본 발명은 공압출 형태의 제1 적외선 방사층, 제2 적외선 방사층 및 제3 적외선 방사층을 포함한 총 세 층의 적외선 방사층에 각각 종류가 같거나 다른 유전체 입자를 도입함으로써 실질적인 선택적 방사체를 구현하여 복사 냉각력을 극대화한 복사냉각 다층 필름을 제공할 수 있다.
또한, 제4 적외선 방사층을 도입하여 제1 내지 제3 적외선 방사층에 의해 주체로부터 복사냉각되어 흡수된 열을 제4 적외선 방사층이 효과적으로 외부로 방사시킴으로써 보다 실질적인 복사냉각 효과 구현이 가능하면서도, 제4 적외선 방사층이 외면층을 겸비하여 표면 조도를 개선함으로써 높은 함량의 유전체 입자 적용이 가능하게 하여 복사냉각력을 더욱 극대화하고, 후가공 공정인 드라이라미네이션 공정을 원활하게 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
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 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름(100)은 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120), 제3 적외선 방사층(130) 및 제4 적외선 방사층(140)을 포함한다.
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 복사냉각 다층 필름(100)은 실온, 주간 또는 야간에, 복사냉각력(Radiative cooling power) 130 W/㎡ 수준을 보여준다. 구체적으로, 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름(100)은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 200 W/㎡의 복사냉각력을 가지고, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.9 이상, 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.8 미만이고, 파장 범위 300 nm 이상 400 nm 미만에서 평균 반사율이 0.4 이상 및 평균 투과율이 0.1 미만, 파장 범위 400 nm 이상 800 nm 미만에서 평균 반사율이 0.8 이상 및 평균 투과율이 0.1 미만, 파장 범위 800 nm 이상 2,500 nm 미만에서 평균 반사율이 0.9 이상 및 평균 투과율이 0.1 미만일 수 있다.
상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)은 열을 제거하고자 하는 물체, 즉, 주체로부터 복사냉각된 열을 흡수하는 층으로서, 각 층별로 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자(150, 160, 170)가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자, 제2 고분자 및 제3 고분자를 포함한다. 이때, 주체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 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.
본 발명에서 상기 제1 고분자, 제2 고분자 및 제3 고분자는 각각 적외선 방사 특성이 우수하고 공압출 및 합지(드라이라미네이션) 공정이 용이한 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 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 and vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.25 미만이고, 녹는점(Tm)이 125 내지 170℃이고, 용융지수(MI(Melt index), 230℃, 2.16 kg 하중)가 2 내지 8 g/10 min이고, 밀도가 0.88 내지 0.91 g/㎤인 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 프로필렌 단독 중합체이거나 프로필렌 이외의 α-올레핀과의 공중합체일 수 있으며, 바람직하게는 공단량체로 에틸렌 또는 부텐을 각각 20 중량% 이하, 5 중량% 이하 함량으로 포함하는 프로필렌 공중합체일 수 있다.
상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)의 평균 두께는 각각 5 내지 1,000 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 15 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 각 적외선 방사층(110, 120, 130)의 두께가 너무 얇을 경우 복사냉각 열의 흡수 성능이 저하될 수 있고, 과도할 경우에는 상기 제4 적외선 방사층(140)을 통한 열 방출 성능이 저하될 수 있다.
이와 같이, 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)은 각각 선택적 적외선 방사(8 내지 13 ㎛ 파장 영역의 대기창 방사)를 통해 열 방출 특성을 지닌다. 여기서 폴리프로필렌 계열의 제1 고분자, 제2 고분자 및 제3 고분자는 광대역 적외선 방사 영역(파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만)의 방사율은 매우 낮으면서 선택적 적외선 방사 영역에 일부 방사 피크를 가지고 있으며, 대기창 방사 영역(8 내지 13 ㎛)에서 적외선 방사 피크를 갖는 유전체 입자를 도입함으로써 선택적 적외선 방사 영역의 방사율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 유전체 입자(150, 160, 170)를 각각 제1 고분자, 제2 고분자 및 제3 고분자 내에 함침함으로써 고분자 필름 표면의 거칠기(Roughness)가 증가하여 타 기재와 드라이라미네이션 가공 등 접착 공정 시 접착 특성을 저해할 수 있는데, 이를 개선하기 위해 본 발명에서는 상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130) 중 가장 가장 외층으로 적층되는 적외선 방사층(도면에서 제1 적외선 방사층(110) 및 제3 적외선 방사층(130)) 상부 및 하부에 각각 유전체 입자가 함유되지 않은 제4 적외선 방사층(140)이 도입되어 원활한 후가공 공정이 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명에서 상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)는 각각 대응되는 상기 제1 고분자, 제2 고분자 및 제3 고분자의 매트릭스 상에 분산되어 각각 대응되는 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)의 선택적 방사 성능이 구현되도록 한다.
상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)는 각각 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 높은 평균 방사율을 고려할 때 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산될 수 있고, 바람직하게는 평균 입경 1 내지 10 ㎛의 유전체 입자가 1 내지 5 중량% 함량으로 분산되어 있을 수 있다.
상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)로서, 예컨대, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO2), 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4), 폴리메틸실세스퀴옥산(Poly(methylsilsesquioxane), PMSQ) 등이 사용될 수 있는데, 상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)는 서로 같거나 다를 수 있고, 선택적 방사체 구현을 위해 바람직하게는 서로 다를 수 있다.
즉, 본 발명에서 상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)를 서로 다른 종류의 유전체 입자로 적용할 경우 임계성이 향상된 선택적 방사체를 구현하여 복사 냉각력을 보다 극대화할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 유전체 입자의 방사 특성에 따라 특정 조합에서 보다 향상된 선택적 복사냉각 효과를 구현할 수 있는 것을 확인하였으며, 이때, 적외선 방사층을 최소 세 층으로 나누어 구성함으로써, 한 층에 서로 다른 종류의 유전체 입자를 적용 시 각 입자가 갖고 있는 불순물 간에 화학적 혹은 물리적 반응이 일어나 최종 제품의 광학적 특성이 저하되는 현상을 방지할 수 있도록 하였다.
상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)의 조합으로서 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 실리카, 제올라이트 및 폴리메틸실세스퀴옥산이 조합되어 선택될 수 있다. 상기 3종의 유전체 입자의 조합이 선택될 경우, 상기 제1 유전체 입자(150), 제2 유전체 입자(160) 및 제3 유전체 입자(170)는 각각 실리카, 제올라이트 및 폴리메틸실세스퀴옥산일 수 있고, 실리카, 폴리메틸실세스퀴옥산 및 제올라이트일 수 있고, 제올라이트, 실리카 및 폴리메틸실세스퀴옥산일 수 있고, 제올라이트, 폴리메틸실세스퀴옥산 및 실리카일 수 있고, 폴리메틸실세스퀴옥산, 실리카 및 제올라이트일 수 있고, 폴리메틸실세스퀴옥산, 제올라이트 및 실리카일 수 있다.
상기 제4 적외선 방사층(140)은 상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시키는 것과 동시에 원활한 후가공 공정이 이루어지도록 하기 위한 층으로서, 적외선 방사 특성이 좋은 제4 고분자 소재로 형성되며, 본 발명에서는 제4 적외선 방사층(140)을 통해 실질적인 복사냉각 효과를 구현하게 된다. 즉, 상기 제4 적외선 방사층(140)이 구비됨으로써 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)에 복사냉각 열이 머무르지 않고 신속히 외부로 방출될 수 있도록 한다.
본 발명에서는 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)에 포함된 유전체 입자를 제4 적외선 방사층(140)에는 포함시키지 않음으로써, 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 특성 구현을 위한 제4 고분자 소재로는 원활한 후가공 공정 및 흡수된 열의 외부 방사에 적합한 성능을 보유한 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 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 and vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 불소계 수지 또는 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. 상기 폴리프로필렌으로는 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.25 미만이고, 녹는점(Tm)이 125 내지 170℃이고, 용융지수(MI(Melt index), 230℃, 2.16 kg 하중)가 2 내지 8 g/10 min이고, 밀도가 0.88 내지 0.91 g/㎤인 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
상기 제4 적외선 방사층(140)의 평균 두께는 5 내지 1,000 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 ㎛일 수 있다. 제4 적외선 방사층(140)의 두께가 과도할 경우에는 제4 적외선 방사층(140)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 제4 적외선 방사층(140)의 두께가 상기 수준으로 얇을 경우 선택적 방사가 가능하므로 열 방출 성능에 있어 유리하다.
한편, 상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120), 제3 적외선 방사층(130) 및 제4 적외선 방사층(140)은 각각 UV 안정제, 난연제, 산화방지제, 중화제, 가공조제 등의 첨가제를 0.1 내지 5 중량% 범위에서 블렌드하여 사용할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 다층 필름(100)은 각 층을 구성하는 펠렛상의 원료를 이용하여 공압출, 드라이라미네이션 등의 공지된 방법으로 제조될 수 있다. 이때, 상기 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120) 및 제3 적외선 방사층(130)의 경우에는 고분자 수지 자체에 유전체 입자를 균일하게 분산시켜 펠렛화한 후 압출 성형을 통해 제조될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 다층 필름의 제조는 예컨대, 제1 고분자 펠렛 또는 파우더와 제1 유전체 입자(150)를 블렌딩(Blending)하여 제1 적외선 방사층(110) 압출용 마스터배치(Master batch)를 제조하고, 상기 마스터배치와 제1 고분자 펠렛을 드라이 블렌드(Dry blend)하여 제1 적외선 방사층용 수지를 준비하고, 동일한 방법으로 제2 적외선 방사층용 수지 및 제3 적외선 방사층용 수지를 준비한 후, 공압출하여 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120), 제3 적외선 방사층(130) 및 제4 적외선 방사층(140)의 5층으로 구성된 다층 필름을 제조한다.
한편, 본 발명에 따른 다층 필름은 통상적인 복사냉각 다층 필름에 적층되는 금속 반사층, 점착층 및 접착층이 더 구비될 수 있다.
상기 금속 반사층은 상기 제4 적외선 방사층(140) 하부에 위치하여 태양광 방사를 반사하는 층으로서, 이러한 금속 반사층을 이루는 소재는 태양광 반사성 금속 재료로서, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)이 바람직하게 적용될 수 있다. 이때 은(Ag)을 이용한 금속 반사층(130)의 경우 5 내지 200 nm 두께로 적용할 수 있다.
상기 점착층은 상기 금속 반사층 하부에 위치하여 다층 필름(100)과 주체 사이의 열전도 저항을 감소시켜 복사냉각 효율을 보다 향상시키도록 한다. 이때, 점착층의 두께는 10 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 점착층을 이루는 소재로는 예컨대, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지 등이 사용될 수 있다.
상기 접착층은 상기 제4 적외선 방사층(140)의 하부와 금속 반사층 및 기타 기재의 사이를 접착하는 층으로서, 상기 접착층을 이루는 소재로는 예컨대, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지 등이 사용될 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 제3 적외선 방사층(130)을 주체로 향하게 하여 냉각하고자 하는 주체(목표물)의 표면과 밀착시킨다. 이때 주체의 밑면을 제외한 모든 면(상부 및 측면)에 밀착시킬 수 있다. 상기 주체(목표물)의 표면은 예컨대, 금속, 플라스틱, 시멘트, 직물 또는 유리일 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 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(수동 복사냉각). 이러한 제로 에너지 냉각 복합 소재를 제공함으로써 실생활 적용 가능성에 기여하고, 결과적으로 에너지 저감 및 탄소 저감 효과에도 크게 기여할 수 있다. 구체적으로, 온도 1℃를 낮추면 냉각에 소모되는 에너지 7% 절감 또는 온실가스 99 만톤CO2/年의 저감 효과가 있다고 알려져 있다. 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름은 기존 시스템의 변형 없이도 원하는 효과를 얻을 수 있는 부착형 필름이기에, 기존의 냉장냉동 콜드체인 시스템(운송, 대형 물류창고 등), 위험물 보관소(가스 보관소, 기름 탱크 등), 실외 캐비닛, 건축물 외벽, 농업·축산업·임업·수산업, 정류장, 대형 그늘막, 차양막 등에 응용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 시험예를 들어 설명한다.
시험예
본 시험예에서는 하기 표 1 및 표 2의 층별 조성 및 두께로 폴리프로필렌계 복사냉각 필름을 제조한 후, 하기 방법으로 가공성 및 복사냉각력을 측정 내지 평가하고 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 함께 나타내었다.
폴리프로필렌계 필름은 다음과 같이 제작되었다: 제1 적외선 방사층, 제2 적외선 방사층, 제3 적외선 방사층, 제1 적외선 방사층 상부와 제3 적외선 방사층 하부에 각각 제4 적외선 방사층을 순차로 총 5개 층으로 구성하고, 제1 고분자, 제2 고분자, 제3 고분자 및 제4 고분자로 폴리프로필렌(용융지수(MI)가 8 g/10min., 밀도가 0.9 g/㎤, 녹는점이 165℃ 및 열변형 온도 115℃)을 사용하였다. 제1 적외선 방사층, 제2 적외선 방사층 및 제3 적외선 방사층은 표 1에 기재된 유전체 입자(각 평균 입경 3 내지 5 ㎛) 조성을 분산시킨 수지로 준비되었고, 제4 적외선 방사층은 상기 순수 폴리프로필렌을 적용하였다.
제1 고분자 펠렛 또는 파우더와 제1 유전체 입자를 블렌딩(Blending)하여 제1 적외선 방사층 압출용 마스터배치(Master batch)를 제조하고, 상기 마스터배치와 제1 고분자 펠렛을 드라이 블렌드(Dry blend)하여 제1 적외선 방사층용 수지를 준비하고, 동일한 방법으로 제2 적외선 방사층용 수지 및 제3 적외선 방사층용 수지를 준비하였다. 준비된 3종의 수지와 제1 적외선 방사층 상부 및 제3 적외선 방사층 하부에 각각 제4 적외선 방사층이 적층되도록 공압출하여 최종 5-layer의 다층 필름을 제조하였다(실시예 1 내지 6). 다만, 비교예의 경우 표 1에 기재된 유전체 입자 조성을 제1 적외선 방사층에 모두 분산시켜 3-layer의 다층 필름으로 제조하였다. 한편, 통상 복사냉각 다층 필름에 적용되는 금속 반사층, 점착층 및 접착층으로서, 전자빔 가열법에 의해 상기 제4 적외선 방사층 하부에 은(Ag)을 가열 증기화시켜 두께 100 nm의 금속 반사층을 증착하였고, 금속 반사층 이면에 아크릴계 점착층을, 제4 적외선 방사층의 하부와 금속 반사층 사이에는 접착층을 형성하였다.
[측정 내지 평가 방법]
(1) 가공성
드라이라미네이션 공정 중 박리 발생 시 불합격(X), 그렇지 않은 경우 합격(O)으로 평가하였다.
(2) 복사냉각력
제조된 필름을 정사각형 모양의 기판으로 구성된 복사냉각력 측정 구조체(가로 × 세로 = 100 mm × 100 mm) 상단 면에 맞닿도록 부착하여 준비한다. 기판의 하단에는 피드백 히터(Feed Back Heater)가 장착되어 있어, 제조된 필름에 의해 냉각된 표면 온도를 인식하고, 열을 가함으로써 기준 온도로 일정하게 유지시킨다. 이 때, 단위 면적 기준으로 소요된 전력 수치를 계산하여 복사냉각력을 측정하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
표 1 및 표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 공압출 형태의 제1 적외선 방사층, 제2 적외선 방사층 및 제3 적외선 방사층을 포함한 총 세 층의 적외선 방사층에 각각 종류가 다른 유전체 입자를 도입하고, 외면층을 겸비하는 제4 적외선 방사층을 도입하여 표면 조도를 개선함으로써, 복사냉각력 100 내지 150 W/㎡ 수준으로서 실질적인 선택적 방사체 구현이 가능하면서도 후가공 공정이 원활이 수행되도록 하는 복사냉각 다층 필름이 제공됨을 확인할 수 있으며, 다만, 제1 내지 제3 적외선 방사층의 두께가 다소 얇거나(실시예 2), 유전체 입자 함량이 다소 많거나(실시예 5), 제4 적외선 방사층의 두께가 다소 얇은 경우(실시예 6)에는 후가공 공정이 원활하지 않을 수 있고, 유전체 입자 함량이 다소 적을 경우(실시예 3)에는 복사냉각력이 저하될 수 있으므로, 복사냉각력 극대화 및 가공성 향상을 모두 만족시키는 이상적인 각 층별 조성 및 두께가 존재하는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 서로 다른 종류의 유전체 입자를 사용하더라도 한 층에 모두 적용할 경우(비교예 1) 후가공 공정이 원활히 이루어지지 않을 뿐 아니라, 광학적 특성이 현저히 저하되고, 실리카, 제올라이트 및 PMSQ 각각 단층으로 적용할 경우(비교예 2 내지 4)에는 동일한 조건(전체 적외선 방사층 두께 및 전체 유전체 입자 함량)에서 복사냉각력이 저조한 것을 확인할 수 있다.
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 : 복사냉각 다층 필름 110 : 제1 적외선 방사층
120 : 제2 적외선 방사층 130 : 제3 적외선 방사층
140 : 제4 적외선 방사층 150 : 제1 유전체 입자
160 : 제2 유전체 입자 170 : 제3 유전체 입자

Claims (7)

  1. 제1 유전체 입자가 분산된 제1 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제1 적외선 방사층;
    상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제2 유전체 입자가 분산된 제2 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제2 적외선 방사층;
    상기 제2 적외선 방사층 하부에 위치하고, 제3 유전체 입자가 분산된 제3 고분자를 포함하고, 열을 제거하고자 하는 물체를 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율 0.5 내지 1로 선택적 복사냉각시키는 제3 적외선 방사층; 및
    상기 제1 적외선 방사층 상부 및 제3 적외선 방사층 하부에 위치하고, 각각 독립적으로 제4 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제4 적외선 방사층;
    을 포함하는 복사냉각 다층 필름이고,
    상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 서로 같거나 다른 종류인 복사냉각 다층 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 평균 입경이 0.01 내지 30 ㎛이고, 각각 상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자에 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산된 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체 입자, 상기 제2 유전체 입자 및 상기 제3 유전체 입자는 각각 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 규산알루미늄(Al2SiO5), 제올라이트(Na2Al2Si3O-2H2O), 탄산칼슘(CaCO3), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 산화아연(ZnO), 황산아연(ZnSO4), 이산화타이타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO2), 산화 카올린(Al2Si2O5(OH)4) 및 폴리메틸실세스퀴옥산(Poly(methylsilsesquioxane))으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자, 상기 제3 고분자 및 상기 제4 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 and vinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PVDC(Polyvinylidene chloride), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PE(Polyethylene) 및 PP(Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자, 상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자는 각각 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.25 미만이고, 녹는점(Tm)이 125 내지 170℃이고, 용융지수(MI(Melt index), 230℃, 2.16 kg 하중)가 2 내지 8 g/10 min이고, 밀도가 0.88 내지 0.91 g/㎤인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 적외선 방사층, 상기 제2 적외선 방사층, 상기 제3 적외선 방사층 및 상기 제4 적외선 방사층의 두께는 각각 5 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 필름은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 200 W/㎡의 복사냉각력(Radiative cooling power)을 갖는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
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