KR20230106101A - 분체 도장을 이용하여 복사 냉각 특성을 갖는 메타물질을 제조하는 방법 - Google Patents

분체 도장을 이용하여 복사 냉각 특성을 갖는 메타물질을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분체 도장을 이용하여 가시광 투과율이 높으면서 얇은 두께로도 복사 냉각 특성이 우수한 피막 형태의 메타물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 분체 도장하여 투명성이 높은 피막 형태의 메타물질을 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 메타물질은 우수한 가시광 투과율 및 방열 특성을 나타낼 수 있으며, 분체 도장 공정을 이용하므로 대상체의 형태와 관계없이 메타물질 코팅을 형성할 수 있고, 얇은 두께로 균일한 코팅이 가능하다.

Description

분체 도장을 이용하여 복사 냉각 특성을 갖는 메타물질을 제조하는 방법{Method for Preparing Radiative Cooling Metamaterial by Powder Coating}
본 발명은 분체 도장을 이용하여 복사 냉각 특성을 갖는 메타물질을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분체 도장을 이용하여 가시광 투과율이 높으면서 얇은 두께로도 복사 냉각 특성이 우수한 피막 형태의 메타물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
복사 냉각(radiative cooling)이란 물체가 적외선 형태로 열을 복사하면서 일어나는 현상이다. 물체로부터 방사된 복사량이 흡수된 에너지보다 많은 경우 복사 냉각 현상이 일어나 물체의 온도가 감소하게 되고, 이러한 특성을 이용하여 외부 에너지 투입 없이 냉각 효과를 구현할 수 있는 복사 냉각 기술이 주목받고 있다.
특히, 대기는 대기의 창 영역이라 불리는 8 내지 13㎛　파장 범위의 전자기파를 흡수하지 않으므로 해당 영역대의 전자기파는 지구 밖으로 방출되는 특징을 갖는다. 이에 따라, 대기의 창 영역에서의 방사를 향상시킴으로써 냉각 효과를 증대시키기 위한 연구가 수행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0061074호에서는 복사냉각 효과 증진을 위해 PDMS 박막에 격자 패터닝 구조를 형성함으로써 대기의 창 영역에서 높은 방사율을 갖도록 하여 복사냉각 성능을 향상시키는 기술을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-2036071호는 냉각 대상에 부착되어 냉각 대상의 온도를 낮추는 다층 복사 냉각 구조에 관한 것으로, 중적외선을 흡수 및 복사하는 유전체층 및 금속 박막층을 포함하는 복사 냉각 구조를 개시하고 있다.
이와 같이 복사 냉각 소재를 이용하는 경우, 물체가 효율적으로 적외선을 방출할 수 있도록 하여 전기를 소비하지 않고 간단하게 냉각 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어 광전자 소자는 작동 시 발열이 발생하고 이로 인해 효율이 떨어지는 문제가 있는데, 필름 형태의 복사 냉각 소재를 적용하여 열을 방출시키면 소자의 효율이 향상될 수 있다.
그런데 일반적인 복사 냉각 소재는 입사광을 대부분 반사하는 특성을 갖기 때문에 가시광의 반사가 일어나 투명성이 낮다. 또한, 복사 냉각 필름은 일반적으로 액상 코팅 공정을 이용하여 제조되는데, 이러한 액상 코팅 공정으로는 히트 싱크, 핀 등 다양한 3차원 구조의 방열 부재에 균일한 코팅을 형성하기 어렵고 두께를 얇게 조절하기 어렵다는 문제가 있었다.
이와 같은 상황에서, 본 발명의 발명자들은 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 결합 사용하고 이를 분체 도장함으로써 방사율 및 투명성이 우수한 피막 형태의 메타물질 형성이 가능하며 3차원 방열 부재에도 균일한 코팅이 가능함을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 분체 도장으로 투명성 및 복사 냉각 성능이 우수한 메타물질을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 분체 도장을 이용하여 피막 형태의 메타물질을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 메타물질의 제조방법은 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 및 상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 상기 메타물질의 제조방법은 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 분체 도장한 후 모재 수지를 코팅하여 모재 수지가 코팅된 분말층을 형성하거나, 상기 분말을 모재 수지와 혼합한 후 분체 도장하는 단계; 및 상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 상기 메타물질의 제조방법은 에어로겔 입자를 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 상기 분말층에 광학 조절제를 코팅하는 단계; 상기 광학 조절제 코팅층에 모재 수지를 코팅하는 단계; 및 상기 광학 조절제 및 모재 수지가 코팅된 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 분체 도장은 정전 스프레이법(electrostatic spray method) 또는 유동 침지법(fluidized bed method)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 열처리는 80 내지 380℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 모재 수지의 굴절률은 1.2 내지 1.8일 수 있다.
본 발명에서, 상기 모재 수지는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, TFEMA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 투명 폴리이미드(colorless polyimide, CPI), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리에스테르(polyester) 및 폴리아미드(polyamide)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서, 상기 에어로겔 입자는 실리카(SiO2) 에어로겔, 티타니아(TiO2) 에어로겔, 탄소 에어로겔 및 그래핀 에어로겔로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서, 상기 광학 조절제는 모재 수지와 굴절률 차이가 0.05 이하인 유기 화합물일 수 있다.
본 발명에서, 상기 광학 조절제는 에이코산(eicosane), n-헥사데칸(n-hexadecane) 및 n-도코산(n-docosane)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서, 상기 분말의 입경은 100nm 내지 25㎛일 수 있다.
본 발명에서, 상기 피막 형태의 메타물질은 1㎛ 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에서, 상기 피막 형태의 메타물질은 70% 이상의 가시광 투과율을 가질 수 있다.
본 발명에서, 상기 피막 형태의 메타물질은 5 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 가질 수 있다.
본 발명에서, 상기 피막 형태의 메타물질이 형성되는 피도장체는 히트 싱크(heat sink), 방열 핀(fin), 냉각판 또는 태양 전지일 수 있다.
본 발명에서는 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 분체 도장하여 투명성이 높은 피막 형태의 메타물질을 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 메타물질은 우수한 가시광 투과율 및 방열 특성을 나타낼 수 있으며, 분체 도장 공정을 이용하므로 대상체의 형태와 관계없이 메타물질 코팅을 형성할 수 있고, 얇은 두께로 균일한 코팅이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 메타물질 분체 도장 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 메타물질 분체 도장 방법의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 메타물질 분체 도장 방법의 공정도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 메타물질 분체 도장 방법의 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 PVDF 메타물질 피막을 형성하는 공정의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 PDMS 메타물질 피막을 형성하는 공정의 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 분체 도장으로 PDMS 메타물질 피막을 형성하는 공정의 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 가시광 투과율 측정 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 알루미늄 기판에 메타물질 피막을 형성하는 공정에서 열융착 전후의 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 온도 변화 측정 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 가시광 투과율 및 연무도 측정 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 표면 거칠기 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 가시광 투과율 측정 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막에서 에이코산 유무에 따른 투명성 차이를 나타낸 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 알루미늄 기판에 메타물질 피막을 형성하고 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 가시광 투과율 측정 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질 피막의 연무도 측정 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 태양 전지 상에 메타물질 피막을 형성하고 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 분체 도장으로 히트 싱크 상에 메타물질 피막을 형성한 사진이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따라 분체 도장으로 히트 싱크 상에 메타물질 피막을 형성한 사진이다.
이하, 본 발명의 구체적인 양태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 분체 도장을 이용하여 피막 형태의 메타물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
메타물질(metamaterial)은 원자보다 크고 입사하는 빛의 파장보다 매우 작은 인공 구조를 주기적으로 배치하여 빛과 물질의 상호작용을 인공적으로 제어할 수 있는 물질을 의미한다. 메타물질은 자연적인 물질에서는 불가능한 방식으로 빛, 파장, 전자파 등을 제어하는 특성을 나타내어, 물질 특성에 따라 디스플레이, 자동차, 항공기 등 다양한 용도에 사용될 수 있다.
일반적으로, 메타물질 필름은 액상으로 스핀 코팅 등을 이용하여 제조되는데, 코팅 대상체에 굴곡이 있거나 3차원 형태인 경우 코팅이 불가능하다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 것으로서, 분체 도장(powder coating)을 이용하여 대상체의 형태와 관계없이 메타물질 코팅을 형성할 수 있으며, 얇은 두께로 필름 형성이 용이하다. 또한, 본 발명에 따라 분체 도장을 사용한 경우에도 메타물질이 액상 코팅 공정과 유사한 수준의 가시광 투과율 및 방열 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질의 분체 도장 방법은, 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 이용하여 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 메타물질 제조방법의 공정도이다. 상기 실시 형태에서, 상기 제조방법은 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 및 상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광학 조절제는 액상으로 혼합될 수 있으며, 상기 모재 수지는 액상 또는 고상으로 혼합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 메타물질의 제조방법은 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 분체 도장한 후 모재 수지를 코팅하여 모재 수지가 코팅된 분말층을 형성하거나, 상기 분말을 모재 수지와 혼합한 후 분체 도장하는 단계; 및 상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광학 조절제는 액상으로 혼합될 수 있고, 상기 모재 수지는 액상 또는 고상으로 코팅되거나 혼합될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 메타물질 제조방법의 공정도이다. 상기 실시 형태에서, 상기 제조방법은 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 모재 수지와 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 및 상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광학 조절제는 액상으로 혼합될 수 있고, 상기 모재 수지는 고상으로 혼합될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 메타물질 제조방법의 공정도이다. 상기 실시 형태에서, 상기 제조방법은 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분말을 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 상기 분말층 상에 모재 수지를 코팅하는 단계; 및 상기 모재 수지가 코팅된 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광학 조절제는 액상으로 혼합될 수 있고, 상기 모재 수지는 액상으로 코팅될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 메타물질 제조방법의 공정도이다. 상기 실시 형태에서, 상기 제조방법은 에어로겔 입자를 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 상기 분말층에 광학 조절제를 코팅하는 단계; 상기 광학 조절제 코팅층에 모재 수지를 코팅하는 단계; 및 상기 광학 조절제 및 모재 수지가 코팅된 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광학 조절제는 액상으로 코팅될 수 있고, 상기 모재 수지는 액상으로 코팅되거나 고상으로 분체 도장될 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 이용한 다양한 분체 도장 공정을 통해, 투명성이 우수하면서 복사 냉각 특성이 뛰어난 메타물질 코팅을 형성할 수 있다. 또한, 분체 도장을 이용하므로 히트싱크, 냉각판 등 복잡한 3차원 구조를 갖는 피도장체에도 메타물질 코팅을 형성할 수 있고, 얇은 두께의 코팅도 안정적으로 형성할 수 있다.
본 발명에서, 분체 도장 대상이 되는 피도장체는 2차원의 평면 기판 뿐 아니라 굴곡을 갖는 기판일 수 있고, 나아가 3차원의 구조를 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 피도장체는 히트 싱크, 냉각판 등의 방열 부재일 수 있으며, 특히 본 발명에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질은 방열 부재에 적용되어 복사 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 분체 도장을 수행하기 전, 피도장체를 샌딩하는 단계, 탈지하는 단계 및 세척하는 단계 중 하나 이상의 단계를 더 수행할 수 있다. 이로써, 분체 도장의 균일성 및 도장 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서, 분체 도장을 위한 분말화 공정은, 해당 성분을 혼합한 후 고형화하고 분쇄함으로써 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 에어로겔 입자 및 광학 조절제의 혼합물; 또는 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지의 혼합물을 분말화하는 경우, 믹싱 후 건조 또는 온도 조절을 통해 고형화된 혼합물을 분쇄함으로써 분말을 수득할 수 있다. 이때, 상기 분쇄 방법으로는 회전 분쇄, 동결 분쇄 등의 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에서, 광학 조절제 및/또는 모재 수지가 에어로겔 입자와 혼합되어 분말화되는 경우, 상기 광학 조절제는 액상으로 혼합될 수 있으며, 모재 수지는 수지 특성에 따라 액상 또는 고상으로 혼합될 수 있다. 구체적으로, 모재 수지가 열경화성 수지인 경우 액상으로 혼합될 수 있으며, 열가소성 수지인 경우 고상으로 혼합될 수 있다. 모재 수지로서 고상의 수지를 혼합하는 경우 펠렛 형태의 모재 수지를 분쇄하여 분말 형태로 제조한 후 사용할 수 있다.
본 발명의 공정에서 모재 수지가 에어로겔 입자와 함께 분말층을 형성하지 않고 별도로 코팅되는 경우, 모재 수지는 액상으로 코팅될 수 있다. 또한, 광학 조절제가 에어로겔 입자와 함께 분말층을 형성하지 않고 별도로 코팅되는 경우, 광학 조절제는 액상으로 코팅될 수 있다. 또는, 모재 수지 또는 광학 조절제를 녹는점 이하의 온도 조건에서 고형화한 후 분쇄하여 분체 도장으로 코팅하는 것도 가능하다.
상기 모재 수지 또는 광학 조절제의 액상 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 등 통상의 액상 코팅 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에서, 분체 도장 공정에 적용되는 분말의 입경은 100nm 내지 25㎛일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10㎛로 조절될 수 있다. 분체 도장을 통해 형성된 분말층은 후속 열처리 공정을 통해 두께가 감소할 수 있다.
본 발명에서, 분체 도장 공정은 정전 스프레이법(electrostatic spray method), 유동 침지법(fluidized bed method) 등 공지의 분체 도장 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 바람직하게, 본 발명에서는 정전 스프레이법이 적용될 수 있다. 구체적으로, 입자를 분말화한 다음, 분말에 공기를 주입하여 분말이 액체와 유사한 거동을 보이게 하여 분체 도장에 용이한 상태가 되도록 분말화된 입자를 유동화시키고, 유동화된 입자를 대전시켜 접지된 피도장면에 정전기적 인력을 통해 도장시킬 수 있다.
본 발명에서, 분체 도장을 완료한 후 열처리를 통해 투명 메타물질을 형성할 수 있다. 열처리 전에는 분체 도료로 형성된 분말층으로 인하여 불투명한 형태인 반면, 열처리를 수행하면 메타물질이 형성되고 투명성이 우수한 코팅으로 전환된다. 본 발명에서, 상기 열처리 온도는 모재 수지 및 광학 조절제의 특성을 고려하여 80 내지 380℃의 범위에서 조절될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 상기 열처리는 150 내지 350℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다. 이러한 열처리에 의해, 표면 거칠기가 감소하고 가시광 투과도가 증가하면서 투명 메타물질층이 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 분체 도장 공정에서는 코팅 후 열처리를 통해 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지가 결합되어 투명성을 가지며 방열성이 우수한 메타물질을 형성할 수 있다.
본 발명의 공정에 따르면, 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 한 번에 혼합하여 분체 도장하는 간단한 공정으로 피막 형태의 메타물질을 형성할 수 있고, 또는 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 개별적으로 코팅하는 경우에도 메타물질 형성이 가능하다. 또한, 모재 수지의 종류 및 특성을 고려하여 온도 등의 공정 조건을 조절함으로써, 다양한 종류의 모재 수지를 본 발명의 공정에 적용하여 광 특성이 우수한 메타물질을 제조할 수 있다.
본 발명에서, 모재 수지란 필름의 베이스가 되는 소재를 의미하는 것으로, 필름 제조에 사용되는 통상의 광투과성 폴리머 수지가 사용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 모재 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, TFEMA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 투명 폴리이미드(colorless polyimide, CPI), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide) 등을 1종 이상 사용할 수 있다. 그 중에서도, 폴리비닐리덴 플루오라이드는 열가소성 물질로서 상온에서 분말 형태로 존재하고, 분체 도장 공정 시 소성(baking) 과정에서 용융 후 다시 고체 상태로 돌아오며, 복사 냉각 특성이 우수하다는 점에서 바람직하다.
본 발명에서, 상기 모재 수지가 PVDF와 같은 열가소성인 경우, 열처리에 의해 융착이 일어나고 메타물질이 제조되며 상온으로 돌아왔을 때 필름 형태의 투명한 메타물질 코팅이 형성된다. 이때, 열처리 온도는 150℃ 이상, 바람직하게 150 내지 350℃일 수 있다.
한편, 모재 수지가 PDMS와 같은 열경화성인 경우 열처리에 의해 경화가 일어나면서 필름 형태의 투명 메타물질 코팅이 형성된다. 모재 수지로서 열경화성 수지를 이용하는 경우, 필요에 따라 경화제를 첨가하여 사용할 수 있다. 이때, 열처리 온도는 130℃ 이하, 바람직하게 80 내지 120℃일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 상기 모재 수지는 1.2 내지 1.8, 구체적으로 1.3 내지 1.7, 예를 들어 1.4 내지 1.6의 굴절률을 갖는 광투과성 폴리머 수지일 수 있다. 본 발명에서는 모재 수지 및 광학 조절제의 굴절률 차이를 조절함으로써, 복사 냉각 특성 및 가시광 투과율을 모두 향상시킬 수 있다.
상기 에어로겔 입자는 5 내지 50nm, 바람직하게 10 내지 30nm의 입경을 갖는 1차 입자가 응집되어 형성된 마이크로 수준의 입자 응집체로서, 에어로겔 입자의 입경은 0.1 내지 100㎛, 예를 들어 2 내지 25㎛일 수 있다.
상기 에어로겔 입자로는 실리카(SiO2) 에어로겔, 티타니아(TiO2) 에어로겔, 탄소 에어로겔, 그래핀 에어로겔 등을 1종 이상 사용할 수 있다.
상기 에어로겔 입자는 모재 수지, 에어로겔 입자 및 광학 조절제의 총 중량을 기준으로 1 내지 10중량% 포함될 수 있다. 에어로겔 입자의 함량이 너무 낮으면 방사율이 불충분할 수 있으며, 에어로겔 입자의 함량이 너무 높으면 투명성이 저하되는 문제가 나타날 수 있다.
모재 수지에 적외선 방사 특성을 부여하기 위해 에어로겔 입자를 적용하는 경우, 에어로겔 입자로 인해 가시광 투과도가 저하되는 문제가 발생한다. 본 발명에서는 광학 조절제(optical modulator)의 도입을 통해 이러한 문제를 해결하여, 적외선 방사율이 높으면서 가시광 투과도도 우수한 메타물질을 제공할 수 있다.
에어로겔 입자의 나노 기공 공기층은 산란에 의한 반사의 원인이 되는데, 본 발명에 따라 분체 도장 시 모재 수지와 굴절률이 유사한 광학 조절제를 에어로겔 입자와 함께 사용하면, 이들의 결합을 통해 에어로겔 입자로 인한 가시광 투과율 저하 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 광학 조절제는 유기 화합물로서, 모재 수지와 굴절률이 유사한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 조절제로는 모재 수지와 굴절률 차의 절대값이 0.05 이하, 바람직하게는 0.03 이하, 더 바람직하게는 0.02 이하인 물질이 사용될 수 있다. 이에 따라, 광학 조절제가 에어로겔과 결합 사용되는 경우 가시광 영역의 투과율 및 연무도 감소를 억제하면서 복사 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 모재 수지로 굴절률이 1.42 수준인 PVDF가 사용되는 경우 광학 조절제로는 굴절률이 1.39 내지 1.45인 소재가 사용될 수 있으며, 바람직하게 굴절률이 1.42 내지 1.44인 소재가 사용될 수 있다.
상기 광학 조절제의 구체적인 예시로는, 에이코산(eicosane, n=1.431), n-헥사데칸(n-hexadecane, n=1.4329), n-도코산(n-docosane, n=1.443) 등이 예시될 수 있다. 바람직하게, 광학 조절제로서 에이코산을 사용하는 경우 모재 수지의 굴절률과 매칭성이 우수하여 투명성이 우수한 분체 도장 코팅이 형성될 수 있다.
상기 에어로겔 입자 및 광학 조절제는 1:4 내지 1:50의 중량비로 사용될 수 있으며, 바람직하게 1:5 내지 1:30으로 사용할 수 있다. 상기 범위에서, 에어로겔 입자의 공극에 광학 조절제가 충분히 함침되어 가시광 투과도 향상 효과가 발휘될 수 있다.
또한, 모재 수지와 에어로겔의 중량비는 10:0.2 내지 10:5, 바람직하게는 10:0.5 내지 10:2일 수 있다. 상기 중량 범위에서, 에어로겔 입자와 광학 조절제의 복합체가 모재 수지 내에 적절히 분산되어 방사율 향상 및 투과율 향상 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 에어로겔 입자와 광학 조절제를 결합 사용하고 분체 도장 공정에 적용함으로써, 에어로겔 입자에 의한 방사 효과는 향상되면서 가시광 산란 반사가 억제된 메타물질 코팅을 형성할 수 있다. 관련하여, 본 발명의 실시예에서는 분체 도장시 광학 조절제의 첨가에 의해 에어로겔 입자의 방열 효과가 저해되지 않고, 에어로겔 입자만을 첨가한 경우와 유사하게 우수한 냉각 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 한편, 광학 조절제 없이 모재 수지와 에어로겔 입자만을 이용하여 분체 도장한 경우 가시광 투과율이 50% 이하로 불투명성을 나타내는 반면, 에어로겔 입자에 광학 조절제를 함께 사용한 경우 투과율이 70% 이상으로 크게 향상되는 것을 확인하였다.
본 발명에 따라 분체 도장을 이용하여 형성된 메타물질 피막은 가시광 영역(파장 400 내지 800nm)에서 투과율이 70% 이상, 구체적으로 70 내지 95%일 수 있다. 또한, 표면 거칠기(Ra)는 5 내지 50㎛, 예를 들어 10 내지 30㎛로 조절될 수 있으며, 상기 표면 거칠기 및 내부의 다공성 구조에 따라 연무도(haze factor)는 20 내지 60% 범위에서 조절될 수 있고, 예를 들어 30 내지 50%일 수 있다.
본 발명의 분체 도장으로 형성된 피막 형태의 메타물질은 1㎛ 내지 1mm일 수 있으며, 분체 도장을 이용하므로 50㎛ 이하의 얇은 두께를 갖는 코팅을 용이하게 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 메타물질 피막의 두께는 10 내지 100㎛일 수 있으며, 더 바람직하게는 15 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명을 이용하여 형성된 메타물질 피막은 이와 같이 얇은 두께로도 우수한 방열성을 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면 분체 도장으로도 액상 코팅 공정에 비해 물성의 저하가 발생하지 않으며, 얇은 두께로도 방사율이 뛰어나고 가시광 투과율이 우수한 메타물질 코팅을 형성할 수 있다. 또한, 액상 코팅과 달리 3차원 구조의 피도장체에도 균일한 코팅 형성이 가능하므로, 히트 싱크(heat sink), 방열 핀(fin), 냉각판, 태양 전지 등 다양한 방열 부재의 복사 냉각 코팅으로 유용하게 이용될 수 있다.
실시예
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
제조예 1: 분체 도장을 이용한 PVDF 메타물질 코팅 제조
모재 수지로서 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF), 에어로겔 입자로서 SiO2 에어로겔 입자(SAP) 및 광학 조절제로서 에이코산(eicosane)을 이용하여, 분체 도장을 통해 필름 형태의 투명 메타물질을 제조하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, SiO2 에어로겔 입자 1g, 에이코산 5g 및 PVDF 10g를 혼합한 후 분말화하였다. 제조된 분말을 호퍼에 투입하여 분말 유동화를 진행하고, 유동화된 분말을 스프레이 건을 통하여 대전시켰다. 접지된 피도장면에 대전된 분말을 정전기적 인력에 의해 균일한 두께로 분체 도장하여 메타물질 코팅을 형성하고, 200℃에서 열처리하여 25㎛ 두께의 투명한 메타물질을 형성하였다.
제조예 2: 분체 도장을 이용한 PDMS 메타물질 코팅 제조 (1)
모재 수지로서 폴리디메틸실록산(PDMS), 에어로겔 입자로서 SiO2 에어로겔 입자(SAP) 및 광학 조절제로서 에이코산(eicosane)을 이용하여, 분체 도장을 통해 필름 형태의 투명 메타물질을 제조하였다. 각 성분의 중량비는 제조예 1과 동일한 조건으로 설정하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, SiO2 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 액상에서 먼저 혼합하고 분말화한 후, 제조된 분말을 호퍼에 투입하여 분말 유동화를 진행하고, 유동화된 분말을 스프레이 건을 통하여 대전시켰다. 접지된 피도장면에 대전된 분말을 정전기적 인력에 의해 균일한 두께로 분체 도장하여 분말층을 형성하였다. 상기 분말층에 액상의 PDMS를 스핀 코팅하고 100℃에서 열경화시켜 25㎛ 두께의 투명한 메타물질을 제작하였다.
제조예 3: 분체 도장을 이용한 PDMS 메타물질 코팅 제조 (2)
제조예 2와 동일한 소재를 이용하여, 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지층을 순차적으로 형성하여 메타물질 코팅을 형성하였다.
도 7에 나타낸 바와 같이, SiO2 에어로겔 입자를 호퍼에 투입하여 분말 유동화를 진행하고, 유동화된 분말을 스프레이 건을 통하여 대전시켰다. 접지된 피도장면에 대전된 분말을 정전기적 인력에 의해 균일한 두께로 분체 도장하여 분말층을 형성한 후, 액상의 광학 조절제를 코팅하였다. 상기 코팅층에 PDMS를 스핀 코팅하고 100℃에서 열경화시켜 25㎛ 두께의 투명한 메타물질을 제작하였다.
실험예 1: 분체 도장을 이용하여 제조된 메타물질의 투과율 및 복사 냉각 특성 분석
제조예 1의 공정으로 분체 도장하여 투명 메타물질을 제조하고, 이에 대하여 400~800nm 파장 영역에서 가시광 투과율을 측정하였다.
도 8은 상기 가시광 투과율 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 모재 수지만을 코팅한 경우 가시광 투과율이 84.4%로 측정되었으며, 메타물질 형태로 코팅한 경우 82.3%로서 큰 차이가 발생하지 않는 결과가 나타났다.
또한, 도 9와 같이 알루미늄 기판 상에 분체 도장으로 메타물질 코팅을 형성한 후 열융착하고, 시간 경과에 따른 온도 변화를 측정하여 복사 냉각 특성을 확인하였다. 비교를 위하여, 순수 알루미늄 기판에 대해서도 온도 변화를 측정하였다.
도 10은 상기 온도 변화 측정 결과를 나타낸 그래프로, 순수 알루미늄 기판은 60분 후 온도가 52.5℃까지 상승하는 반면, 메타물질이 코팅된 경우 60분 후 온도가 46.8℃로서, 온도가 5.7℃ 낮은 것을 확인하였다.
이에 따라, 본 발명에 따라 분체 도장으로 형성된 메타물질은 투명성 및 방열 성능이 모두 우수한 것을 알 수 있었다.
실험예 2: 분체 도장을 이용한 메타물질 코팅의 표면 거칠기 및 광 특성 분석
제조예 1의 공정으로 분체 도장하여 제조된 투명 메타물질에 대해, 표면 거칠기를 확인하고 400~800nm 파장 영역에서 가시광 투과율 및 연무도를 측정하였다. 비교를 위하여, 순수 PVDF 층에 대해서도 동일한 실험을 수행하였다.
도 11은 가시광 투과율 및 연무도 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 메타물질은 가시광 투과율이 82.3%로서 순수 PVDF 층의 투과율인 84.4%와 2.1% 차이로, 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 한편, 연무도의 경우 순수 PVDF에 비해 약 18% 높아진 것을 확인하였다.
도 12는 각 시편에 대한 표면 거칠기 측정 결과를 나타낸 것으로서, 순수 PVDF 층의 경우 표면 거칠기(Ra)가 8.89㎛인 반면, 메타물질층의 표면 거칠기는 19.9㎛로 측정되었다. 연무도 차이는 이와 같은 표면 거칠기 및 내부의 다공성 구조에 의해 나타난 것으로 확인되며, 상기 표면 특성 조절에 따라 연무도 조절이 가능함을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 에이코산 유무에 따른 메타물질 코팅의 광 특성 분석
제조예 1의 공정으로 분체 도장하여 제조된 투명 메타물질에 대해, 400~800nm 파장 영역에서 가시광 투과율을 측정하였다.
도 13은 상기 가시광 투과율 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 모재 수지인 PVDF만을 코팅한 경우 가시광 투과율이 80% 이상으로 높은 반면, PVDF에 에어로겔을 혼합하여 분체 도장한 경우에는 50% 이하로 크게 저하되는 것을 확인하였다. 이에 따라, 방열 성능을 위해 에어로겔을 혼합하면 투명성이 저하되는 문제가 있음을 확인하였다.
그런데, 본 발명에 따라 광학 조절제인 에이코산을 함께 이용한 경우 이와 같은 문제가 해결되어, 가시광 투과율이 70% 이상인 결과가 나타났다. 즉, 본 발명에서는 에어로겔 입자와 광학 조절제의 결합 사용에 의해, 에어로겔을 첨가하더라도 투명성이 우수한 코팅을 형성할 수 있다는 것을 확인하였다. 도 14의 사진을 참조하면, 이와 같은 투명성 차이를 명확하게 확인할 수 있다.
또한, 알루미늄 기판 상에 분체 도장으로 메타물질 코팅을 형성한 후 시간 경과에 따른 온도 변화를 측정하여 복사 냉각 특성을 확인한 결과를 도 15에 나타내었다. 비교를 위하여, 순수 알루미늄 기판, 모재 수지를 형성한 기판 및 에이코산을 첨가하지 않고 제작한 필름에 대해서도 온도 변화를 측정하였다.
실험 결과를 참조하면, 60분 경과 후 금속 기판은 온도가 50.4℃로 상승하고, 모재 수지 형성한 경우 온도가 44.3℃로 상승한 반면, 에어로겔을 첨가하는 경우 온도가 40.2℃로서 냉각 효과가 나타난 것을 확인하였다. 또한, 에어로겔과 에이코산을 함께 사용한 경우에도 온도가 40.5℃로서 에어로겔만을 첨가한 경우와 비교했을 때 온도 차이가 거의 없는 것을 확인하였다.
이에 따라, 본 발명에서 사용되는 광학 조절제는 에어로겔의 방열 효과를 저해하지 않으면서 투명성은 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
실험예 4: 메타물질 코팅의 광 특성 및 방열 특성 분석
제조예 2의 방법으로 투명한 메타물질을 제작하였다. 비교를 위하여, 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 PDMS를 혼합한 액상 혼합물을 코팅하여 메타물질 필름을 제조하였다. 각 필름에서, 메타물질 전체에 대한 에어로겔 및 광학 조절제의 혼합량의 비율은 각각 30 및 40부피%로 조절하였다.
각 필름에 대하여, 가시광 파장 대역에서 투과율(%)을 측정하여 도 16에 나타내었다. 도 16을 참고하면, 본 발명에 따라 분말화 후 분체 도장을 통해 제작한 메타물질 필름이 액상 공정을 통해 제조한 메타물질 필름과 가시광 투과율이 유사한 수준임을 확인할 수 있었다.
또한, 각 필름에 대하여 가시광 파장 대역에서 연무도(%)를 측정한 결과를 도 17에 나타내었다. 도 17을 참고하면, 본 발명에 따라 분체 도장을 통해 제작한 메타물질 필름이 액상 공정을 통해 제조한 메타물질 필름과 연무도 차이가 거의 없는 것을 확인하였다.
상기 결과를 통해, 본 발명에 따른 메타물질 분체 도장에 의해 메타물질의 광 특성이 저하되지 않고, 액상 코팅 공정과 유사한 수준으로 유지됨을 확인하였다.
실험예 5: 메타물질 코팅의 방열 특성 분석
제조예 3의 방법을 이용하여 투명한 메타물질을 제작하였다. 상기 메타물질을 적용한 태양 전지(solar cell)에 대해, 시간 경과에 따른 온도 변화를 측정하여 복사 냉각 특성을 확인하고 그 결과를 도 18에 나타내었다. 비교를 위하여, 코팅층이 형성되지 않은 태양 전지 및 액상 코팅 공정으로 형성한 메타물질에 대해서도 온도 변화를 측정하였다.
실험 결과를 참조하면, 100분 경과 후 태양 전지의 온도는 66.6℃까지 상승하였으나, 메타물질 분체 도장을 적용한 경우 59.0℃로서 7.6℃의 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한, 액상 코팅으로 형성한 메타물질과의 비교를 통해, 분체 도장 시에도 액상 코팅과 냉각 효과에 차이가 없다는 것을 확인하였다.
실험예 6: 히트싱크(heat sink)에 메타물질 분체 도장 적용
제조예 1의 방법으로 히트싱크(방열판)에 메타물질 코팅을 형성하고 코팅 형성 전후의 사진을 도 19 및 20에 나타내었다.
도 19를 참조하면, 복잡한 구조의 방열판에도 전체적으로 균일한 코팅이 가능한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 20은 3.5cm x 3.5cm의 방열판에 메타물질을 분체 도장한 사진을 나타낸 것으로, 분체 도장 전후의 핀(fin) 사이 간격을 측정한 결과 핀 사이의 간격이 약 50㎛ 감소한 것을 확인하였다. 코팅 대상체인 핀 사이 간격은 약 1.5mm로서, 이와 같이 핀 사이 간격이 좁은 경우에도 균일하게 도장이 가능함을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 형태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 에어로겔 입자, 광학 조절제 및 모재 수지를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계;
    상기 분말을 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계; 및
    상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 메타물질의 제조방법.
  2. 에어로겔 입자 및 광학 조절제를 혼합하고 고형화하여 분말을 제조하는 단계;
    상기 분말을 분체 도장한 후 모재 수지를 코팅하여 모재 수지가 코팅된 분말층을 형성하거나, 상기 분말을 모재 수지와 혼합한 후 분체 도장하는 단계; 및
    상기 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 메타물질의 제조방법.
  3. 에어로겔 입자를 분체 도장하여 분말층을 형성하는 단계;
    상기 분말층에 광학 조절제를 코팅하는 단계;
    상기 광학 조절제 코팅층에 모재 수지를 코팅하는 단계; 및
    상기 광학 조절제 및 모재 수지가 코팅된 분말층을 열처리하여 피막 형태의 메타물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 메타물질의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분체 도장이 정전 스프레이법(electrostatic spray method) 또는 유동 침지법(fluidized bed method)에 의해 수행되는, 메타물질의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리가 80 내지 380℃의 온도 조건에서 수행되는, 메타물질의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재 수지의 굴절률이 1.2 내지 1.8인, 메타물질의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재 수지가 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, TFEMA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 투명 폴리이미드(colorless polyimide, CPI), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리에스테르(polyester) 및 폴리아미드(polyamide)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인, 메타물질의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어로겔 입자가 실리카(SiO2) 에어로겔, 티타니아(TiO2) 에어로겔, 탄소 에어로겔 및 그래핀 에어로겔로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인, 메타물질의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조절제가 모재 수지와 굴절률 차이가 0.05 이하인 유기 화합물인, 메타물질의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조절제가 에이코산(eicosane), n-헥사데칸(n-hexadecane) 및 n-도코산(n-docosane)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인, 메타물질의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말의 입경이 100nm 내지 25㎛인, 메타물질의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피막 형태의 메타물질이 1㎛ 내지 1mm의 두께를 갖는, 메타물질의 제조방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피막 형태의 메타물질이 70% 이상의 가시광 투과율을 갖는, 메타물질의 제조방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피막 형태의 메타물질이 5 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖는, 메타물질의 제조방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피막 형태의 메타물질이 형성되는 피도장체가 히트 싱크(heat sink), 방열 핀(fin), 냉각판 또는 태양 전지인, 메타물질의 제조방법.
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