KR20230076153A - 복사냉각 다층 필름 - Google Patents
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Abstract
복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 PETG 소재 적용 시 열변형 발생에 따른 광학적 특성 변질 문제를 개선하여 냉각 성능 효과가 실질적으로 발현되도록 하는 폴리에스터계 복사냉각 다층 필름이 개시된다. 본 발명은 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 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 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 금속 반사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 하부에 상기 금속 반사층이 적층되도록 하는 제3 고분자를 포함하는 금속 반사층 접합 기재층;을 포함하고, 상기 제1 고분자는 폴리에스터로서, 단량체로 사용되는 디올의 일부가 사이클로헥산디메탄올로 대체되어 공중합된 PETG(polyethylene terephthalate glycol modified)인 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
Description
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.
중국 공개특허 제110103559호는 유전체 입자가 함침된 주체 기능층 일면에 기능성 보호층이 적층되고, 타면에 선택적 기능층 및 패킷층이 순차로 적층된 복사냉각 재료를 개시하고 있으나, 유전체 입자 함침에 따른 기재 간 접착성 저하 문제, 선택적 기능층으로서 금속층 적층 시 적층 조건에 따른 방사층의 광학적 물성 변질 문제 등에 대해서는 인식하지 못하고 있다.
일본 공개특허 제2021-109955호는 베이스 필름, 반사 필름, 접착층 및 기재층이 순차로 적층되고, 베이스 필름이 제1층 내지 제3층으로 형성되되, 충전재가 제1층에 분산된 방사 냉각 복합 필름을 개시하고 있으나, 대기창 방사율이 다소 저조하고, 반사층 적층 시 적층 조건에 따라 방사층(베이스 필름)의 광학적 물성이 변질되는 문제가 있다.
복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 다양한 고분자 소재가 적용될 수 있으며, 그 중 폴리에스터계 수지인 PETG(polyethylene terephthalate glycol modified)는 기존의 PET(polyethylene terephthalate)로는 제조하기 어려운 투명하고 두꺼운 시트나 용기에 적합하도록 공단량체로 CHDM(1,4-cyclohexanedimethanol)을 첨가하여 공중합된 비결정성 수지로서, 복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로의 적용을 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 적외선 방사층으로 PETG 소재 적용 시 낮은 내열 특성으로 인해 기존 증착 공정 내 열변형 발생에 따른 적외선 방사 내지 태양광 반사 관련 광학적 특성에 변질을 초래하여 필름의 냉각 성능을 저하시키게 된다.
본 발명은 복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 PETG 소재 적용 시 열변형 발생에 따른 광학적 특성 변질 문제를 개선하여 냉각 성능 효과가 실질적으로 발현되도록 하는 폴리에스터계 복사냉각 다층 필름을 제공하고자 한다.
더불어, 주체에 대한 복사냉각 성능이 극대화하면서도 가공성이 우수한 구조의 복사냉각 다층 필름을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 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 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층; 상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 금속 반사층; 및 상기 제1 적외선 방사층 하부에 상기 금속 반사층이 적층되도록 하는 제3 고분자를 포함하는 금속 반사층 접합 기재층;을 포함하고, 상기 제1 고분자는 폴리에스터로서, 단량체로 사용되는 디올의 일부가 사이클로헥산디메탄올로 대체되어 공중합된 PETG(polyethylene terephthalate glycol modified)인 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm이고, 상기 금속 반사층의 두께는 20 내지 600 nm이고, 상기 금속 반사층 접합 기재층의 두께는 10 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 적외선 방사층은 코어층; 및 상기 코어층 상·하부에 적층되는 스킨층;을 포함하고, 상기 유전체 입자는 상기 코어층에만 분산되어, 상기 다층 필름의 거칠기(Roughness)가 200 nm 미만인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제1 적외선 방사층은 3 내지 11개 층으로 공압출로 형성되되, 상기 스킨층은 상기 코어층 상·하부에 각각 단일층으로 형성되고, 상기 코어층은 1 내지 9개 층으로 형성되고, 상기 스킨층의 두께는 1 내지 20 ㎛이고, 상기 코어층의 두께는 10 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 PETG는 디올이 사이클로헥산디메탄올로 10 내지 40 몰% 함량으로 대체되는 것을 특징으로 하는 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, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.8 이상, 파장 범위 3 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 16 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.6 미만인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 유전체 입자는 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 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자는 각각 PET(Polyethylene terephthalate), 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 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 금속 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성된 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
또한 상기 금속 반사층 접합 기재층 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층;을 더 포함하되, 상기 점착층은 두께가 10 내지 50 ㎛이고, 아크릴계 수지 또는 실리콘계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름을 제공한다.
본 발명은 복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 PETG 소재 적용 시 하부에 적층되는 금속 반사층을 단순 적층하지 않고 고온의 접합 공정을 견딜 수 있는 소재로 구성된 금속 반사층 접합 기재층에 금속 반사층을 접합시킨 후 적층시킴으로써 열변형 발생에 따른 광학적 특성 변질 문제를 개선하여 냉각 성능 효과가 실질적으로 발현되도록 할 수 있다.
또한 제1 적외선 방사층을 코어층과 스킨층으로 구성하고, 유전체 입자를 코어층에만 분산되도록 하여 필름의 거칠기를 감소시킴으로써 타 기재와의 접착 특성 저하를 방지하여 층 분리 등으로 인한 복사냉각 성능 저하를 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 더욱 향상된 가공성을 보여 대량 생산 및 상용화 측면에서도 기술적 의의가 있다.
도 1은 본 발명에서 광대역 방출기 및 선택적 방출기 특성을 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
도 4는 시험예 1에서 표면 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 시험예 1의 실험 조건에서 일사량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 시험예 2에서 표면 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 시험예 2의 실험 조건에서 일사량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 다층 필름을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
도 4는 시험예 1에서 표면 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 시험예 1의 실험 조건에서 일사량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 시험예 2에서 표면 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 시험예 2의 실험 조건에서 일사량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 다층 필름을 나타낸 사진이다.
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.
복사냉각 다층 필름의 복사냉각 효과 발현을 위한 요소는 높은 태양광 반사율을 확보하는 것과 높은 적외선 방사율을 확보하는 것이다.
높은 태양광 반사율 확보는 태양광 파장(300 내지 2,500 nm)의 입사를 최대한 반사함으로써 태양광에 의한 물체의 가열을 방지하는 것을 통해 구현되며, 보통 일정 두께 수준 이상의 금속 반사층(증착)의 도입으로 태양광 반사율을 향상시킬 수 있다.
높은 적외선 방사율 확보와 관련하여 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's law)에 따르면, 물질의 종류와 관계 없이 복사(방사) 에너지의 양과 흡수 에너지의 양은 동일하다. 따라서, 적외선 파장 영역의 흡수 능력이 큰 소재는 방사 능력도 크다고 할 수 있다. 복사냉각 효과를 얻기 위해서는 중적외선 파장(4 내지 20 ㎛) 중 특히 대기창 파장(8 내지 13 ㎛) 영역에서 방사 특성이 큰 소재를 복사냉각 소재로 활용하는 것이 중요하다. 다만, 중적외선 전체 파장에서 방사 특성이 무조건 높다고 하여 복사냉각 소재로 유리함을 의미하지는 않는다. 적외선 방사는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있는데, 이는 도 1에 나타낸 바와 같은 광대역 방사(Broadband emission)와 선택적 방사(Selective emission)라고 볼 수 있다. 이상적 광대역 방출기(Broadband emitter)는 4 내지 20 ㎛ 파장 영역의 방사율이 모두 높은 방사체이고, 이상적 선택적 방출기(Selective emitter)는 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만 파장 영역의 방사율은 낮으면서 8 내지 13 ㎛ 파장 영역(대기창)의 방사율만 높은 방사체이다. 광대역 방출기의 경우, 물체로부터 적외선(또는 열)을 흡수하는 파장 영역이 넓기에 고온의 물체를 냉각하는 용도로 적합하고 냉각 전력이 높은 특징이 있다. 하지만, 대기창을 통한 우주 방사 외에도 광대역(4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만) 방사로 인한 지구 대기권 내에서 재방사된 적외선 때문에 냉각에 한계가 있고, 선택적 방출기 대비 더 낮은 냉각 온도 실현이 어렵다. 반면, 선택적 방출기는 광대역 방사를 최소화하여 대기창 방사만을 극대화함으로써, 지구 대기권에 의한 재방사 및 재가열을 방지하고 외기 온도 수준의 물체의 냉각에 적합하다. 또한 광대역 방출기 대비 냉각 전력은 다소 낮지만, 냉각 온도를 더 낮은 온도 수준으로 실현이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에서는 복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 PETG 소재 적용 시 종래기술 대비 상대적으로 선택적 방출기인 소재를 설계하여 더 낮은 냉각 온도를 실현(성능 향상)하고 가공성이 우수한 복사냉각 다층 필름을 제시하고자 한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름을 예시적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름의 주체로부터의 냉각 실현 과정을 설명하는 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 복사냉각 다층 필름(100)은 제1 적외선 방사층(110), 제2 적외선 방사층(120), 금속 반사층(130) 및 금속 반사층 접합 기재층(140)을 포함하며, 점착층(150) 및 접착층(160)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 복사냉각 다층 필름(100)은 실온, 주간 또는 야간에, 복사냉각력(Radiative cooling power) 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 가지고, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.8 이상, 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.6 미만일 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(170)가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산된 제1 고분자로서, 본 발명에서는 폴리에스터로서, 단량체로 사용되는 디올의 일부가 사이클로헥산디메탄올로 대체되어 공중합된 PETG(polyethylene terephthalate glycol modified)가 채용된다. 이때, 상기 제1 고분자는 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.
본 발명의 일 구현예에서 상기 PETG는 폴리에스터 제조 시 디올 성분 중 일부로 대체되는 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 함량이 10 내지 40 몰%일 수 있고, 바람직하게는 15 내지 35 몰%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 25 내지 35 몰%일 수 있다.
상기 제1 적외선 방사층(110)의 평균 두께는 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(120)을 통한 열 방출 성능이 저하될 수 있다.
이와 같이, 제1 적외선 방사층(110)은 선택적 적외선 방사(8 내지 13 ㎛ 파장 영역의 대기창 방사)를 통해 열 방출 특성을 지닌다. 여기서 제1 고분자는 폴리프로필렌 계열로 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 입자를 제1 고분자 내에 함침함으로써 고분자 필름 표면의 거칠기(Roughness)가 증가하여 타 기재와의 접착 특성을 저해할 수 있는데, 이를 개선하기 위해 본 발명에서 상기 제1 적외선 방사층(110)은 3 내지 11개 층으로 공압출하여 제작될 수 있다. 이러한 다층 구조는 제1 적외선 방사층(110)의 양쪽 표면, 즉, 스킨(Skin)층(111)은 순수 폴리프로필렌 계열의 수지만을 적용하며, 양쪽 스킨층(111) 사이의 코어(Core)층(112)이라 칭하는 해당 층의 고분자에 유전체 입자를 함침하는 형태로 구현될 수 있다. 이때 코어층(112)은 1 내지 9개 층으로 형성될 수 있다. 각 코어층(112)에 함침되는 유전체 입자는 각 층에 단독으로 함침되거나, 각 층에 혼합하여 함침될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 유전체 입자(170)는 상기 코어층(112)에만 분산되어, 다층 필름(100)이 200 nm 미만 거칠기(Roughness)를 갖도록 할 수 있다. 이때, 상기 스킨층(111)의 두께는 1 내지 20 ㎛, 상기 코어층(112)의 두께는 10 내지 200 ㎛ 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 유전체 입자(170)는 상기 제1 고분자 매트릭스 상에 분산되어 제1 적외선 방사층(110)의 선택적 방사 성능이 구현되도록 하며, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 높은 평균 방사율을 고려할 때 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자(170)가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 분산되어 있으며, 바람직하게는 평균 입경 1 내지 10 ㎛의 유전체 입자(170)가 1 내지 5 중량% 함량으로 분산되어 있을 수 있다. 이러한 유전체 입자(170)로는 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)) 등을 들 수 있다.
상기 제2 적외선 방사층(120)은 제1 적외선 방사층(110)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시키기 위한 층으로서, 적외선 방사 특성이 좋고, 발수성을 통한 자가세정(오염 방지) 및 내구성을 향상시키는 특성을 지닌 제2 고분자 소재로 형성되며, 본 발명에서는 제2 적외선 방사층(120)을 통해 실질적인 복사냉각 효과를 구현하게 된다. 즉, 상기 제2 적외선 방사층(120)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(170)를 제2 적외선 방사층(120)에는 포함시키지 않음으로써, 제1 적외선 방사층(110)에서 복사냉각되어 흡수된 열을 효과적으로 외부로 방사시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 특성 구현을 위한 제2 고분자 소재로는 예컨대, PET(Polyethylene terephthalate), 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 선택될 수 있으며, 바람직하게는 불소계 수지가 선택될 수 있고, 더욱 바람직하게는 흡습도가 0.2 % 미만이고, 녹는점(Tm)이 150 내지 330℃이고, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대하여 평균 방사율이 0.7 이상이고, 파장 범위 4 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 20 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.4 미만인 불소계 수지가 사용될 수 있다. 불소계 수지를 이용한 제2 적외선 방사층(120)은 불소계 필름을 제조하여 합지하거나, 불소계 하드 코팅액을 도포하여 코팅함으로써 구성될 수 있다. 여기서 금속 반사층(130)에 의한 눈부심의 정도를 용도에 따라 조절하기 위해 태양광 투과 특성은 크게 변하지 않으면서 헤이즈(Haze)가 1 내지 85% 범위인 수지를 사용할 수 있다.
상기 제2 적외선 방사층(120)의 평균 두께는 10 ㎛ 내지 3 mm일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 1,000 ㎛일 수 있다. 제2 적외선 방사층(120)의 두께가 과도할 경우에는 제2 적외선 방사층(120)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 방사층(120)의 두께가 상기 수준으로 얇을 경우 선택적 방사가 가능하므로 열 방출 성능에 있어 유리하다.
한편, 상기 제1 적외선 방사층(110) 및 제2 적외선 방사층(120)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, 즉, 태양광 반사율 극대화 및 태양광 투과율 최소화를 통해 주간 냉각 효율을 향상시키기 위하여 금속 반사층(130)으로서, 상기 제1 적외선 방사층(110) 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 두께 6 내지 200 nm의 금속 반사층(130)을 구비한다.
상기 금속 반사층(130)은 상기 제1 적외선 방사층(110) 하부에 위치하여 태양광 방사를 반사한다. 이러한 금속 반사층(130)을 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 100 내지 150 nm 두께로 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속 반사층(130)은 금속 반사층 접합 기재층(140) 상단에 접합하여 구비된다. 종래 제1 적외선 방사층(110) 제조 후 하단면에 금속증착 공정을 진행하는 것이 일반적이나, 증착 기재의 특성에 따라 증착 조건을 변경하거나 증착 공정에 의한 열 변형 문제가 발생하여 제1 적외선 방사층(110)의 광학적 물성이 변질될 우려가 있었으며, 특히, 제1 적외선 방사층(110) 소재로 PETG 소재를 적용할 경우 PETG의 낮은 내열 특성으로 인해 스퍼터(Sputter), 진공 증착(Evaporator) 등의 물리적 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정을 통한 금속 반사층(130) 도입 시, 고분자의 열 변형 문제는 더욱 심각해질 수 있다. 본 발명에서는 열적, 기계적 물성이 우수한 금속 반사층 접합 기재층(140)을 별도로 구비하여 접합을 진행한 뒤 복사냉각 필름(100)을 구성함으로써 상기 문제를 개선하였다.
본 발명에서 금속 반사층 접합 기재층(140)은 제3 고분자를 포함하며,상기 제3 고분자는 100℃의 온도 조건에서 필름의 외관 상 주름 또는 열 변형이 일어나지 않는 고분자 중에서 선택될 수 있으며, 예컨대, PET(Polyethylene terephthalate), 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 선택될 수 있으며, 고온의 접합 공정을 견딜 수 있는 소재로서 바람직하게는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 제1 적외선 방사층(110)에 금속 증착을 진행하던 종래 방식 대비 금속 증착 조건의 변경 없이 일정한 가공성을 확립할 수 있다. 즉, 종래 방식의 경우, 제1 적외선 방사층(110)을 변경할 때마다 제1 고분자 및 유전체 입자의 특성에 따라 금속 증착 조건(증착 속도, 압력, 냉각롤 온도 조건 등)을 변경해야 하는 번거로움이 있었으나, 본 발명에서는 일정한 성질의 접합 기재를 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.
상기 금속 반사층 접합 기재층(140)의 두께는 금속 증착 조건 변경의 불필요성, 주체로부터의 열 전달 등을 고려할 때 10 내지 300 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 100 ㎛일 수 있다.
본 발명에서는 다층 필름(100)과 주체 사이의 열전도 저항을 감소시켜 복사냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 수단으로서, 상기 금속 반사층 접합 기재층(140) 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층(150)이 더욱 구비될 수 있다. 이때 점착층의 두께는 10 내지 50 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 25 ㎛일 수 있다.
상기 점착층(150)을 이루는 소재로는 상기 금속 반사층 접합 기재층(140)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(120)의 사이와, 상기 제1 적외선 방사층(110) 및 금속 반사층(130)의 사이를 연결하는 접착층(160)이 더욱 구비될 수 있다.
상기 접착층(160)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(130)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(170)를 균일하게 분산시켜 펠렛화한 후 압출 성형을 통해 제조될 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 다층 필름의 구체적인 제조과정을 예시적으로 설명한다.
먼저, 제1 고분자 펠렛 또는 파우더와 유전체 입자를 블렌딩(Blending)하여 제1 적외선 방사층(110) 내 코어층(112) 압출용 마스터배치(Master batch)를 제조한다(제1 단계). 이때, 상기 마스터배치의 농축비는 15 내지 70 중량%가 되도록 한다.
다음으로, 상기 마스터배치와 제1 고분자 펠렛을 드라이 블렌드(Dry blend)하여 제1 적외선 방사층(110) 내 코어층(112) 및 제1 고분자 펠렛만을 이용한 스킨층(111)의 공압출 필름을 T-die 다층 필름 성형기를 사용하여 다층 공압출 방식으로 제조한다. 여기서, 상기 T-die 압출기 파트 중 2개 파트는 순수한 제1 고분자가 투입되도록 하여 스킨층(111)을 구성하도록 한다. 제1 적외선 방사층(110) 압출 직후 또는 이후, 상하 양면에 대하여 코로나 방전 처리를 한다(제2 단계).
다음으로, 불화수소 배기 장치가 되어 있는 설비에서 제2 고분자를 이용하여 제2 적외선 방사층(120)을 제조하고, 하면에 코로나 방전 처리를 수행한다(제3 단계). 제3 단계에서는 단층 압출 방식을 채택할 수 있고, 단축 또는 이축연신 공정이 포함될 수 있다.
다음으로, 제3 고분자를 이용하여 금속 반사층 접합 기재층(140)을 제조하고, 상하 양면에 대하여 코로나 방전 처리를 수행한다(제4 단계). 제4 단계 역시 단층 압출 방식을 채택할 수 있고, 단축 또는 이축연신 공정이 포함될 수 있다.
다음으로, 금속 반사층 접합 기재층(140)의 하면에 점착제(150) 도포 및 실리콘 이형 PET 필름을 부착한다(제5 단계).
다음으로, 상기 제5 단계에서 생성된 필름 중, 금속 반사층 접합 기재층(140)의 상면에 롤투롤 금속 증착법을 이용하여 금속 반사층(130)을 접합한다(제6 단계). 금속 증착은 마그네트론 스퍼터링 공정, 이온 스퍼터링 공정 또는 전자 빔 코팅 공정을 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 단계부터 제3 단계까지 제조된 기재를 바탕으로, 제1 적외선 방사층(110)의 상면에 접착제(160)를 도포하고 건조한 뒤, 제2 적외선 방사층(120)의 하면과 합지한다(제7 단계).
다음으로, 상기 제7 단계에서 제조된 기재 중, 제1 적외선 방사층(110)의 하면에 접착제(160)를 도포하고 건조한 뒤, 상기 제6 단계에서 제조된 금속 반사층 접합 기재층(140)의 금속 접합면과 합지하여 복사냉각 필름(100)을 완성한다(제8 단계).
다음으로, 상기 제8 단계에서 제조된 복사냉각 필름(100)을 항온항습실에서 1일 이상 어닐링한다(제9 단계).
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(160)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. 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. 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·축산업, 정류장, 대형 그늘막, 차양막 등에 응용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예 및 비교예를 들어 설명한다.
실시예 1
제1 적외선 방사층을 총 3-layer로 구성하고, 제1 고분자로 PETG(에틸렌클리콜 단위의 30 몰%에 해당하는 부분을 CHDM 단위로 대체) 사용하였으며 코어층에 유전체 입자(균 입경 2 내지 5 ㎛의 실리카(SiO2))를 0.1 중량% 함량으로 혼합 투입하였다. 제1 적외선 방사층의 두 스킨층에는 순수한 제1 고분자인 PETG를 적용하고, T-die 다층 필름 성형기를 사용하여 다층 공압출 방식으로 3-layer(코어층 두께 45 ㎛, 스킨층 두께 10 ㎛)로 구성된 제1 적외선 방사층을 제조하였다.
또한 PVDF를 같은 방법으로 압출 성형하여 두께 25 ㎛의 제2 적외선 방사층을 제조하였다.
또한 금속 반사층 접합 기재층을 구성하는 제3 고분자로서 PET를 사용하여 하면에 점착제(아크릴계 수지)를 도포하고, 상면에 롤투롤 금속 증착법으로 은(Ag)을 이용하여 금속 반사층(두께 100 nm)을 접합시켰다.
이후, 다층 필름 성형기를 이용하여 상기 제조된 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 사이와, 제1 적외선 방사층 및 금속 반사층 사이를 아크릴계 수지로 접착층을 형성하여 다층 필름을 제조하였고, 제조된 다층 필름을 도 8에 나타내었다.
실시예 2 및 3
실시예 1에서 제1 적외선 방사층의 3-layer를 코어층 두께 35 ㎛, 스킨층 두께 15 ㎛로 구성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 필름을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 제1 적외선 방사층 소재로 PETG 대신 PET를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 필름을 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서 금속 반사층 접합 기재층 없이 스퍼터링 공정을 통해 은(Ag)을 이용하여 두께 100 nm의 금속 반사층을 제1 적외선 방사층에 직접 증착시키고, 다층 필름 성형기를 이용하여 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 사이와, 금속 반사층 및 금속 산화방지층 사이를 아크릴계 수지로 접착층을 형성하여 접착하고, 금속 반사층 이면에 아크릴계 점착층을 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 필름을 제조하였고, 제조된 다층 필름을 도 8에 나타내었다.
비교예 3
실시예 1에서 유전체 입자를 혼합시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 필름을 제조하였다.
비교예 4
실시예 1에서 유전체 입자를 코어층 및 스킨층에 각각 0.033 중량% 함량으로 혼합시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 필름을 제조하였다.
시험예 1
제1 적외선 방사층 소재 차이에 따른 필름의 적외선 방사 및 냉각 효과를 비교하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 다층 필름에 대하여 하기 방법으로 분광 특성을 측정하고 그 결과를 하기 표 1 나타내었다. 또한 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 다층 필름을 태양광이 조사되는 옥외에 비치하고, 전도와 대류 효과가 최소화되는 조건 하에 필름 표면 온도를 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
[분광 특성 측정방법]
(1) 적외선 방사율
적분구(Integrating sphere) 액세서리가 장착된 FT-IR Spectrometer(VERTEX 70v, Bruker社)를 이용하여 적외선 방사율을 측정하였다. 코팅된 금(Gold)을 기준(Reference)으로 활용하였고, 측정은 반사 모드와 투과 모드로 진행한 후, 하기 수학식 1에 따라 적외선 방사율을 산출하였다.
[수학식 1]
적외선 방사율(%) = 100 - 적외선 반사율(%) - 적외선 투과율(%)
(2) 태양광 반사율 및 태양광 투과율
ASTM E424 방법에 따라 측정하였다.
[필름 표면 온도 측정 조건]
- 측정일자 : 2021/09/23 10~16시
- 일사량(도 5 참조) : 평균 일사량 701 W/㎡, 최소 일사량 94 W/㎡, 최대 일사량 1,102 W/㎡
- 측정값 : 필름 표면 온도
| 구분 | 적외선 방사율(%) | 태양광 반사율(%) | 태양광 투과율(%) | |||||
| BE 영역 (4~8, 13~18 ㎛) |
SE 영역 (8~13 ㎛) |
UV (300~400 nm) |
Vis (400~800 nm) |
NIR (800~2,500 nm) |
UV (300~400 nm) |
Vis (400~800 nm) |
NIR (800~2,500 nm) |
|
| 비교예 1 | 87.25 | 94.68 | 45.36 | 85.59 | 92.97 | 0.16 | 0.01 | 0.11 |
| 실시예 1 | 82.19 | 94.46 | 48.22 | 88.00 | 95.51 | 0.31 | 0.02 | 0.08 |
도 4를 참조하면, 복사냉각 다층 필름의 제1 적외선 방사층 소재로 종래 PET 소재를 적용하는 경우(비교예 1) 대비하여, 본 발명에 따라 PETG 소재를 적용할 경우(실시예 1) 주간(10~16시) 대에 평균 약 1℃의 추가 표면 온도 감소가 나타났고, 이를 통해 표면을 통한 냉각이 추가 발현됨을 확인할 수 있다.
표 1을 참조하면, 제1 적외선 방사층 소재로 PET를 적용한 필름(비교예 1)보다 PETG 소재를 적용한 필름(실시예 1)의 광학적 특성에 있어, 선택적 방출 (Selective emitter, SE, 8~13 ㎛) 파장 영역 내 적외선 방사율은 동등 수준인 반면, 광대역 방출 (Broadband emitter, BE, 4~8 ㎛ 및 13~18 ㎛) 파장 영역 내 적외선 방사율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 SE 파장 영역으로 인해 필름 외부로 방출되는 열은 동등한 수준이지만, BE 파장 영역의 낮은 방사율로 인해 제1 적외선 방사층 소재로 PETG 소재를 적용한 복사냉각 필름의 경우(실시예 1) 외부로 방출되지 못하고 필름 자체에 머무는 열의 양이 적어서 PET 소재를 적용한 경우(비교예 1) 대비 더 높은 냉각 성능 효과를 보이는 것에 기인함을 알 수 있다.
또한 표 1에서 300~2,500 nm(자외선-가시광선-근적외선) 파장 영역의 태양광 반사율과 투과율 결과를 살펴보면, 동등 수준의 태양광 투과율 특성을 보이는 반면, 제1 적외선 방사층 소재로 PET 소재를 적용한 경우(비교예 1) 대비 PETG 소재를 적용한 필름(실시예 1)이 모든 파장 영역에 걸쳐 높은 태양광 반사율 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따라 제1 적외선 방사층 소재로 PETG 소재를 적용한 필름(실시예 1)이 높은 태양광 반사율 특성으로 인해 300~2,500 nm의 태양광 파장으로 인해 유입되는 열의 양이 더 적은 것에서 기인한다는 것을 확인할 수 있다.
시험예 2
복사냉각 필름 내 금속 반사층의 위치에 따른 비교 시험을 위해, 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 다층 필름을 태양광이 조사되는 옥외에 비치하고, 전도와 대류 효과가 최소화되는 조건 하에 필름 표면 온도를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 측정 조건은 다음과 같다.
[측정 조건]
- 측정일자 : 2021/06/02 10~16시
- 일사량(도 7 참조) : 평균 일사량 872 W/㎡, 최소 일사량 335 W/㎡, 최대 일사량 1,083 W/㎡
- 측정값 : 필름 표면 온도
도 6을 참조하면, 복사냉각 다층 필름의 적외선 방사층 소재로 PETG를 적용함에 있어, 하부에 적층되는 금속 반사층을 금속 반사층 접합 기재층에 접합시킨 후 적층할 경우(실시예 1) 기존 방식으로 제1 적외선 방사층에 직접 증착한 경우(비교예 2) 대비, 주간(10~16시) 대에 평균 약 1.2℃의 추가 표면 온도 감소가 나타났고, 이를 통해 표면을 통한 냉각이 추가 발현됨을 확인할 수 있다.
더불어, 제1 적외선 방사층의 소재가 PETG로 적용되고 제1 적외선 방사층에 열증착(thermal evaporator), 스퍼터(sputter) 등의 물리적 증착(physical vapor deposition, PVD) 방식을 통한 금속 증착이 이루어질 경우, 내부 증착열에 의해 내열성이 떨어지는 PETG 특성으로 인해 제1 적외선 방사층의 열변형 또는 기재 파괴가 발생될 수 있다.
또한 도 8을 참조하면, 스퍼터(sputter)를 활용하여 제1 적외선 방사층에 직접 금속을 증착한 경우(비교예 2) 육안 상으로도 주름 발생 및 열 변형이 일어난 것을 확인할 수 있는데 반해, 본 발명에 따라 제1 적외선 방사층 하부가 아닌 금속 반사층 접합 기재층에 접합시킨 경우(실시예 1)에는 주름 발생이나 특별한 열 변형이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 PETG 대비 높은 내열성을 가진 PET와 같은 금속 반사층 접합 기재층을 활용하여 금속 접합을 진행함으로써 주름 발생과 같은 열 변형을 방지할 수 있어 본 발명에 따른 다층 필름을 제조하는 데 있어 가공성의 향상과 함께 냉각 성능에 기여할 수 있는 광학적 특성 향상까지 기대할 수 있게 된다.
시험예 3
제1 적외선 방사층(유전체 입자 함침)의 층 구성에 따른 합지 가공 용이성 차이를 확인하기 위해 유전체 입자를 코어층에만 도입할 경우(실시예 1 내지 3)와 단층 필름에 도입할 경우(비교예 3 및 4)를 비교하였다. 제조된 각 다층 필름에 대하여 5개 부위를 임의로 채취하여 3D profiler를 이용하여 표면 이미지를 촬영하고, 하기 방법으로 표면 거칠기, 합지 가공 용이성 및 적외선 방사율을 측정 및 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표면 거칠기 및 합지 가공 용이성 측정 및 평가 방법]
측정 대상 필름의 임의의 부위를 5 × 5 cm로 재단하여 3D profiler를 이용하여 표면 거칠기를 측정(Ra(중심선 평균 거칠기) 값을 취함)하고, 합지 공정 중 박리 발생 시 가공 용이성이 불량(X), 그렇지 않은 경우 양호(O)로 평가하였다.
[적외선 방사율 측정방법]
적분구(Integrating sphere) 액세서리가 장착된 FT-IR Spectrometer(VERTEX 70v, Bruker社)를 이용하여 적외선 방사율을 측정하였다. 코팅된 금(Gold)을 기준(Reference)으로 활용하였고, 측정은 반사 모드와 투과 모드로 진행한 후, 하기 수학식 2에 따라 적외선 방사율을 산출하였다.
[수학식 2]
적외선 방사율(%) = 100 - 적외선 반사율(%) - 적외선 투과율(%)
| 구분 | 단일 재질 구성 | 3-layer 구성(두께:Skin/Core/Skin) | ||||
| 비교예 3 (유전체 미적용) |
비교예 4 (전층 유전체 적용) |
실시예 1 (10/45/10㎛) |
실시예 2 (15/35/15㎛) |
실시예 1 (20/25/20㎛) |
||
| 층 구성 |
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|
| 표면 이미지 |
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|
| Surface Roughness | 23 nm | 363 nm | 127 nm | 70 nm | 65 nm | |
| 합지 가공 용이성 | O | X | O | O | O | |
| 적외선 방사율 (%) |
BE 영역 (3~8, 13~16 ㎛) |
44.27 | 50.85 | 50.51 | 50.24 | 51.90 |
| SE 영역 (8~13 ㎛) |
76.77 | 82.71 | 82.42 | 82.11 | 83.43 | |
표 2를 참조하면, 복사냉각 다층 필름의 제1 적외선 방사층을 코어층과 스킨층으로 구성하고, 유전체 입자를 코어층에만 분산되도록 할 경우(실시예 1 내지 3) 필름의 거칠기가 감소하여 합지 가공성이 양호하고, 타 기재와의 접착 특성 저하를 방지함으로써 층 분리 등으로 인한 복사냉각 성능 저하 방지가 가능한 것을 알 수 있다. 이때, 스킨층의 두께가 상대적으로 두꺼워질수록 표면 거칠기는 개선되고, 합지 가공성도 양호한 것으로 나타났다.
이에 대하여, 유전체 입자를 코어층 및 스킨층의 전 층에 분산시킬 경우(비교예 4) 유전체 입자의 표면 이행으로 인해 필름의 표면 거칠기가 매우 높아지고, 이로 인해 접착력과 합지 가공성이 저하되는 결과를 보였다. 유전체 입자가 적용되지 않은 비교예 3의 표면 거칠기와 합지 가공성이 양호한 것을 볼 때, 유전체 입자의 표면 이행이 그 원인임을 알 수 있다.
한편, 적외선 방사율에 있어 비교예 1 및 2의 결과를 살펴보면, 유전체 입자 적용 시 필름의 표면온도와 직접적으로 관계하는 적외선 방사율이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 동일한 함량의 유전체 입자를 적용한 비교예 4와 실시예 1 내지 3의 적외선 방사율 특성이 유사하게 나타난 것으로 볼 때, 유전체 입자의 분산 위치나 스킨층의 두께와는 관계 없이 필름 표면의 냉각 성능은 동일한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 3층 공압출을 통한 제1 적외선 방사층 성형 시 코어층에만 유전체 입자를 도입함에 따라 동일 수준의 적외선 방사율 구현과 더불어 합지 가공성을 개선시키는 효과가 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 : 복사냉각 다층 필름
110 : 제1 적외선 방사층
111 : 스킨층 112 : 코어층
120 : 제2 적외선 방사층 130 : 금속 반사층
140 : 금속 반사층 접합 기재층 150 : 점착층
160 : 접착층 170 : 유전체 입자
111 : 스킨층 112 : 코어층
120 : 제2 적외선 방사층 130 : 금속 반사층
140 : 금속 반사층 접합 기재층 150 : 점착층
160 : 접착층 170 : 유전체 입자
Claims (10)
- 평균 입경 0.01 내지 30 ㎛의 유전체 입자가 0.1 내지 30 중량% 함량으로 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 상부에 위치하고, 제2 고분자를 포함하여 상기 선택적 복사냉각된 열을 외부로 방출시키는 제2 적외선 방사층;
상기 제1 적외선 방사층 하부에 위치하여 태양광을 반사시키는 금속 반사층; 및
상기 제1 적외선 방사층 하부에 상기 금속 반사층이 적층되도록 하는 제3 고분자를 포함하는 금속 반사층 접합 기재층;
을 포함하고,
상기 제1 고분자는 폴리에스터로서, 단량체로 사용되는 디올의 일부가 사이클로헥산디메탄올로 대체되어 공중합된 PETG(polyethylene terephthalate glycol modified)인 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 제1 적외선 방사층 및 제2 적외선 방사층의 두께는 각각 10 ㎛ 내지 3 mm이고, 상기 금속 반사층의 두께는 20 내지 600 nm이고, 상기 금속 반사층 접합 기재층의 두께는 10 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 제1 적외선 방사층은 코어층; 및 상기 코어층 상·하부에 적층되는 스킨층;을 포함하고, 상기 유전체 입자는 상기 코어층에만 분산되어, 상기 다층 필름의 거칠기(Roughness)가 200 nm 미만인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제3항에 있어서,
상기 제1 적외선 방사층은 3 내지 11개 층으로 공압출로 형성되되, 상기 스킨층은 상기 코어층 상·하부에 각각 단일층으로 형성되고, 상기 코어층은 1 내지 9개 층으로 형성되고, 상기 스킨층의 두께는 1 내지 20 ㎛이고, 상기 코어층의 두께는 10 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 PETG는 디올이 사이클로헥산디메탄올로 10 내지 40 몰% 함량으로 대체되는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 필름은 -100 내지 300℃의 작동 온도 하에 50 내지 150 W/㎡의 복사냉각력(Radiative cooling power)을 가지고, 파장 범위 8 내지 13 ㎛의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.8 이상, 파장 범위 3 ㎛ 이상 8 ㎛ 미만 및 13 ㎛ 초과 16 ㎛ 미만의 적외선 방사에 대한 평균 방사율이 0.6 미만인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 유전체 입자는 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 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 제2 고분자 및 상기 제3 고분자는 각각 PET(Polyethylene terephthalate), 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 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 금속 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성된 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름. - 제1항에 있어서,
상기 금속 반사층 접합 기재층 하부에 위치하여 상기 물체와 부착되는 점착층;을 더 포함하되, 상기 점착층은 두께가 10 내지 50 ㎛이고, 아크릴계 수지 또는 실리콘계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사냉각 다층 필름.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210161561A KR20230076153A (ko) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 복사냉각 다층 필름 |
| PCT/KR2022/017246 WO2023090717A1 (ko) | 2021-11-19 | 2022-11-04 | 복사냉각 다층 필름 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210161561A KR20230076153A (ko) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 복사냉각 다층 필름 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230076153A true KR20230076153A (ko) | 2023-05-31 |
Family
ID=86542937
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210161561A KR20230076153A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-22 | 복사냉각 다층 필름 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230076153A (ko) |
-
2021
- 2021-11-22 KR KR1020210161561A patent/KR20230076153A/ko not_active Application Discontinuation
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