KR20230112470A - 주간 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트를 포함하는 복사 냉각 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖는 복사 냉각 소자에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 복사 냉각 소자는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율, 투과율 및 흡수율과 관련된 굴절률을 고려하여 입자 크기 및 물질 조성이 결정된 복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖는 복사 냉각 소자에 관한 것이다.
일반적으로 냉각을 위해서는 에너지를 반드시 시용해야 한다. 일례로 냉장고, 에어콘 등 범용 냉각기기는 전기에너지(콤프레서)를 기계에너지로 변환하여 냉매를 압축시킨 뒤 압축된 냉매가 팽창될 때 발생하는 열의 흡수를 이용하여 냉각을 수행한다. 즉 열을 온도가 낮은 데에서 높은 곳으로 이동시키는 냉각을 일으키기 위해서는 에너지를 사용하여야 한다.
복사냉각은 열교환이 적외선 방사라는 에너지를 쓰지 않는 자발적인 과정을 통해 냉각체의 주변환경이 아닌 지구 대기권 밖과 일어나므로, 에너지의 소모없이 냉각을 시킬 수 있는 신기술이다. 즉 냉각체로부터 지구 대기권 바깥까지의 열교환은 에너지가 필요없는 자발적인 과정인 열복사(적외선방사)에 의해 이루어진다.
특히 어떤 소재가 태양광이 있는 주간에도 복사냉각을 수행하여 주변보다 낮은 온도가 되기 위해서는 각 파장대에서 빛의 흡수, 반사, 투과, 복사를 독립적으로 잘 제어하여야 한다. 주요 열원은 입사하는 태양광이고 태양광의 열은 UV-가시광선-근적외선의 형태로 도달하므로 태양광이 비치는 주간(daytime)에도 복사냉각이 이루어지기 위해서는 UV-가시광선-근적외선의 빛을 최대한 반사시키고 흡수하지 않아 태양광에 의한 열의 유입을 최대한 차단하여야 되며, 자신이 갖고 있는 열은 표면에서 적외선의 형태로 잘 방사하여야 한다. 그리하여 유입되는 태양광의 에너지보다 많은 양의 열에너지를 방사할 수 있다면 에너지의 소모없이 주변보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다.
뜨거운 물체에 가까이 다가가면 주위 공기가 따뜻하지 않아도 뜨거움을 느낄 수 있다. 이것이 복사에 의한 열에너지 전달방법이다. 열복사는 열원과 직접 접촉하거나 매개물질을 거치지 않아도 되는 열전달 방법이며 전자기파를 방출을 통해 열전달이 이루어지므로 매질이 필요하지 않고 빛의 속도로 천문학적 거리까지 전달된다. 가장 중요한 것은 열복사에 의한 열전달에는 에너지가 필요하지 않다.
절대온도 0K 이상의 모든 물체는 열에너지를 가지고 있어서 열복사를 하며 이때 방출하는 방출되는 복사에너지는 물체의 온도와 표면적, 그리고 표면의 성질에 따라 결정된다. 제로에너지 복사냉각의 핵심은 물체가 가지고 있는 열에너지를 지구 대기권밖으로 효과적으로 배출하는 것이며 이를 위해서는 물체의 열에너지를 지구대기권에 의해 흡수되지 않는 8~13 마이크론 파장의 장파장 적외선으로 배출하는 것이다. 8~13 마이크론 파장 이외의 적외선은 지구 대기권을 통과하는 동안 대기중의 이산화탄소, 수증기 등에 의해 흡수되므로 지구표면의 물체와 우주공간 사이에서의 열전달이 일어나지 않는다.
지구의 대기는 질소, 산소, 아르곤 외에도 소량의 수증기, 이산화탄소 등이 존재한다. sky window라 불리는 8~13마이크론 파장대의 장파장 적외선은 지구 대기에 의하여 흡수되지 않고 지구 대기밖으로 쉽게 방사된다. 지구 대기권밖 우주공간의 온도는 절대온도 0 K에 가까운-270℃이므로 표면 온도 수 십℃의 지구표면에서 장파장 적외선이 우주로 방사되어 열이 이동하는 것은 에너지가 필요없는 자발적인 현상이다. 어떤 소재가 자신의 열에너지를 sky window라 불리는 8부터 13마이크론 파장대의 장파장 적외선으로 잘 방출한다면 복사냉각은 더욱 잘 일어나게 된다.
어떤 물체의 표면이 UV-가시광선-근적외선의 파장대의 빛, 즉 입사태양광을 흡수하지 않고 최대한 반사시켜 태양광의 조사에 의한 열에너지의 유입을 최소화하고, 동시에 태양광을 100% 반사시키지 못하여 유입된 열에너지 보다 많은 양의 열에너지를 지구 대기에 흡수되지 않는 8~13 마이크론의 적외선 방사를 통해 배출시키면 주변의 온도보다 낮게 냉각할 수 있다.
한편, 다양한 형태의 복사냉각 소자가 연구되고 있다. 폴리머 필름(쉬트) 한쪽 면에 입사 태양광 반사를 위한 은(Ag) 박막이 증착되고 필름 내부에는 장파장 적외선 방사를 위한 세라믹 미세입자가 분산된 폴리머 필름(쉬트) 형태의 복사냉각 소자가 제안되었다. 이 소자는 입사태양광을 반사시키기 위하여 은(Ag)같은 금속박막이 거울처럼 입사태양광을 반사시키는 specular reflection(거울 반사)를 사용하였다.
specular reflection(거울 반사) 대신 입사태양광의 모든 파장에 대하여 빛을 산란시키면서 반사시켜 거울같은 외관을 띠지 않고 백색을 띠는 백색 산란반사를 이용하여 입사태양광을 흡수하지 않고 모두 반사시켜 복사냉각을 수행할 수도 있다. 특히 백색 산란반사는 값비싼 은(Ag) 박막을 사용하지 않으므로 제조비용도 저렴해지며 은(Ag)박막의 열화에 따른 제품의 성능저하가 없으므로 제품의 수명도 길게 되어 옥외에 위치하여야 되는 복사냉각에 더욱 적합하다. 백색 산란반사를 효율적으로 일으키기 위해서는 반사하려는 파장과 비슷한 크기의 세라믹 마이크로 입자가 필요하고 이러한 마이크로 입자들을 연결해줄 binder 소재도 필요하다. Binder 소재로는 폴리머 소재가 매우 적당하다. 폴리머를 이루는 각종 공유결합 (C-H, C-O, 등등)의 결합에너지는 장파장 적외선의 에너지와 유사하므로 일반적인 폴리머 소재들은 sky window영역을 포함하여 장파장 적외선에 대하여 우수한 방사특성을 갖는다. 폴리머는 대량생산이 용이하고 값이 싸며 다양하게 물성을 조절할 수 있으므로 매우 경쟁력있는 소재이다. 따라서 폴리머를 이용하여 제로에너지 복사냉각소자를 구성할 수 있으면 값싸게 여러 가지 제품을 만들 수 있으며 가공성 또한 좋아지므로 여러 가지 장점이 있다.
본 발명은 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 세라믹 미세입자의 사이즈 조절과 물질의 선별을 통해, 태양광 영역대에서의 높은 굴절률과 대기의 창 영역(8~13 마이크론)에서의 높은 소멸계수(extinction coefficient k)를 가지도록 하여 높은 태양광 반사와 대기의 창 방사를 갖도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 세라믹 입자의 사이즈 조절과 태양광 영역대(UV-vis-NIR)에서의 높은 굴절률을 갖는 물질의 선별을 통해 입사 태양광과의 미산란 (Mie scattering)이 극대화되도록 하는 것을 목적으로 한다.
일실시예에 따른 복사 냉각 소자는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율, 투과율 및 흡수율과 관련된 굴절률을 고려하여 입자 크기 및 물질 조성이 결정된 복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자는 TiO2, Al2O3, h-BN, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN 중 적어도 하나의 세라믹 입자와 상기 적어도 하나의 세라믹 입자와 혼합된 플라스틱 소재를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 플라스틱 소재는, 폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS(Polydimethylsiloxane), PVC(Poly Vinyl Chloride) 중에서 적어도 하나의 소재를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자는 0.1 - 5 마이크론 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자는 중공 구조 또는 코어쉘 구조 중에서 적어도 하나의 구조로 형성될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자 중에서 TiO2는 전체 입자 부피함량의 80% 미만의 부피로 함유되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 따른 상기 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트는 세라믹 미세입자들을 담는 역할을 하는 polymer matrix 소재를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 polymer matrix는 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, PVC, PE, PP, PET, 아크릴 수지, DPHA, 불소계 수지 중에서 적어도 하나의 소재를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자는, 제1 파장 범위에서 제1 고유 방사율을 갖는 제1 세라믹 입자, 제2 파장 범위에서 제2 고유 방사율을 갖는 제2 세라믹 입자 및 제3 파장 범위에서 제3 고유 방사율을 갖는 제3 세라믹 입자 중 적어도 둘 이상의 세라믹 입자가 혼합되어 형성될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 제1 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 8μm 내지 10μm을 포함하고, 상기 제2 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 10μm 내지 12.5μm를 포함하며, 상기 제3 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 11μm 내지 13μm를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 제1 세라믹 입자는, SiO2, h-BN 및 CaSO4 중 어느 하나의 세라믹 입자를 포함하고, 상기 제2 세라믹 입자는, Si3N4의 세라믹 입자를 포함하며, 상기 제3 세라믹 입자는, Al2O3의 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 제1 고유 방사율은, 상기 제1 파장 범위에서 상기 제2 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함하고, 상기 제2 고유 방사율은, 상기 제2 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율보다 높은 방사율을 포함하며, 상기 제3 고유 방사율은, 상기 제3 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제2 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖도록 할 수 있다.
일실시예에 따르면, 세라믹 미세입자의 사이즈 조절과 물질의 선별을 통해, 태양광 영역대에서의 높은 굴절률과 대기의 창 영역(8~13 마이크론)에서의 높은 소멸계수(extinction coefficient k)를 가지도록 하여 높은 태양광 반사와 대기의 창 방사를 갖도록 할 수 있다.
일실시예에 따르면, 세라믹 입자의 사이즈 조절과 태양광 영역대(UV-vis-NIR)에서의 높은 굴절률을 갖는 물질의 선별을 통해 입사 태양광과의 미산란 (Mie scattering)이 극대화되도록 할 수 있다.
일실시예에 따르면, 제시하는 주간 복사냉각을 갖는 폴리머 콤포지트 소재는 첨가되는 세라믹 미세입자들의 물질 선별과 함께 입자 사이즈를 조절함으로서, 높은 태양광 반사율과 낮은 태양광 투과율, 높은 대기의 창 방사율을 갖도록 할 수 있다.
일실시예에 따르면, 얇은 두께의 폴리머 콤포지트 쉬트가 주간 복사냉각 기능을 가질 수 있다.
일실시예에 따르면, 폴리머 수지를 선택할때는 태양광을 흡수하지 않는 폴리머중에서 사용목적에 맞게 비중, 강도, 내구성 등등을 고려하여 선택할 수 있다.
일실시예에 따르면, 복사냉각 폴리머 콤포지트는 주야간 상관없이 높은 복사냉각 파워(power)를 가질 수 있다.
일실시예에 따르면, 제시한 복사냉각 폴리머 콤포지트는 온도가 올라갈수록 적외선 방사가 촉진되어 이에 의한 열방출이 증가되므로 옥외에 설치되는 구조물과 건축물에 적용되어 태양광이 작렬하는 주간에도 입사태양광의 흡수가 최소화되고, 장파장 적외선방사를 통한 열방출이 잘 유지되어 복사냉각 성능은 개선될 수 있다.
일실시예에 따르면, 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등, 옥외에 설치되어, 내부 축열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 복사 냉각 소자를 도시한 도면이다.
도 2는 각 물질들의 입자 사이즈별 태양광 스펙트럼 내에서의 산란도를 나타내는 도면이다.
도 3은 샘플들의 광특성을 설명하는 도면이다.
도 4는 조성의 입자:바인더 비율별 광특성 을 설명하는 도면이다.
도 5는 두께가 다른 입자:바인더 비율별 태양광 반사도 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6 및 7은 세라믹 조성물을 50 v/o 포함한 폴리머 콤포지트의 입사 태양광에 대한 반사, 흡수, 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 각 물질들의 입자 사이즈별 태양광 스펙트럼 내에서의 산란도를 나타내는 도면이다.
도 3은 샘플들의 광특성을 설명하는 도면이다.
도 4는 조성의 입자:바인더 비율별 광특성 을 설명하는 도면이다.
도 5는 두께가 다른 입자:바인더 비율별 태양광 반사도 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6 및 7은 세라믹 조성물을 50 v/o 포함한 폴리머 콤포지트의 입사 태양광에 대한 반사, 흡수, 투과 특성을 나타내는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 소자(100)를 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 일실시예에 따른 복사 냉각 소자(100)는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율, 투과율 및 흡수율과 관련된 굴절률을 고려하여 입자 크기 및 물질 조성이 결정된 복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 복사 냉각 소자(100)는 압축 또는 사출방식으로 형성되는 플라스틱 부품의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 타일, 복사냉각루프타일, 냉동탑차에 사용되는 복사냉각 래핑필름과 같은 소자로 자유롭게 가공될 수 있다.
복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트는 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖도록 한다.
복사냉각 폴리머 콤포지트에 사용되는 상용화된 플라스틱 소재 일반 플라스틱 소재들과 비교하여 세라믹 미세입자들이 포함된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트 소재는 입사태양광의 흡수를 줄이고 산란에 의한 반사를 극대화하며 8~13 마이크론 적외선의 방사를 하여 주간 복사냉각 성능을 갖는다. 즉 주간에도 에너지의 투입없이 스스로 냉각된다.
입사태양광을 효과적으로 산란 반사시키기 위하여 폴리머에 첨가되는 세라믹 미세입자들은 폴리머 재료와의 굴절률 차이가 크고, 입사태양광을 흡수하지 않으며 8~13 마이크론 적외선의 방사도가 높은 소재를 선택하며, 세라믹 미세입자들의 크기도 입사 태양광과의 산란이 극대화되는 크기로 선택될 수 있다.
8~13 마이크론 적외선의 방사도가 높은 물질인 h-BN, TiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN 등에서 입사태양광을 효과적으로 반사시키고 흡수하지 않는 h-BN, TiO2, Al2O3, ZrO2, CaCO3, BaSO4 등으로 구성될 수 있다.
TiO2, Al2O3, h-BN, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN 같은 세라믹 입자들이 폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC 등과 같은 폴리머 소재 내부에 분산된 플라스틱 콤포지트 소재는 입사 태양광 (UV-vis-NIR)을 효과적으로 반사하며, 8~13 마이크론 sky window 전 영역에서 높은 흡수(방사)도를 갖을 수 있으므로 복사냉각 기능을 갖는다.
상기 세라믹 미세입자들은 폴리머 수지들과 서로 다른 굴절률을 가지므로 입사광을 산란시켜 입사태양광을 반사시키나 세라믹 입자 자체가 태양광을 흡수하지 않아야 한다.
세라믹 입자에는 단일 입자뿐만 아니라 이종의 세라믹소재로 구성된 coreshell 입자나 내부가 비어있는 hollow 마이크로 입자도 포함된다.
폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS 등과 같은 폴리머 수지에 분산제, 점증제 등을 첨가하여 폴리머 소재 내부의 세라믹 미세입자들의 분산성을 개선할 수 있다.
효과적인 입사태양광 (UV-vis-NIR)의 반사를 위해 세라믹 미세입자의 크기를 0.1~ 5 마이크론으로 할 수 있다.
폴리머 matrix 소재와 세라믹 미세입자들과의 굴절률 차이가 클수록 입사태양광의 산란반사가 촉진되므로 굴절률이 높은 세라믹 입자를 그리고 가능하면 굴절률이 낮은 폴리머 소재를 선택하여 입사태양광 반사율을 높인다.
본 특허에서는 세라믹 미세입자의 사이즈 조절과 물질의 선별을 통해, 태양광 영역대에서의 높은 굴절률과 대기의 창 영역(8~13 마이크론)에서의 높은 소멸계수(extinction coefficient k)를 가지도록 하여 높은 태양광 반사와 대기의 창 방사를 갖도록 한다.
세라믹 입자의 사이즈 조절과 태양광 영역대(UV-vis-NIR)에서의 높은 굴절률을 갖는 물질의 선별을 통해 입사 태양광과의 미산란 (Mie scattering)이 극대화되도록 할 수 있다.
또한, 복사 냉각 소자(100)는 대기의 창(sky window) 내에서 각각 부분적으로 높은 방사율을 가지는 구간이 존재하기 때문에, 대기의 창 내 방사율 또한 더 높을 수 있다.
다양한 세라믹 미세입자는 8~13 마이크론 sky window구간에서 높은 방사율을 갖으며 입사태양광은 흡수하지 않는다. 이러한 소재들만을 활용하여 주간복사냉각 소자를 만들 수 있는데, 폴리머 재료내부에 세라믹 나노(마이크로)입자가 분산된 형태로 복사냉각 소자를 구현할 수 있다. 즉 다양한 폴리머 소재 내부에 세라믹 미세입자가 분포되어 있어 폴리머 재료 내부의 세라믹 미세입자들에 의해 입사태양광을 최대로 산란반사시키고 8~13 마이크론 장파장 적외선의 방사를 최대로 하면 복사냉각을 수행하는 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트 쉬트가 되는 것이다. 입사태양광의 반사가 일정 수준 이상이 되면 태양빛이 비치는 주간에도 복사냉각기능을 수행하는 주간 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트가 된다.
본 발명은 이러한 콤포지트가 혼합된 플라스틱 형태의 복사 냉각 소자(100)에 해당한다.
즉, 본 발명은 세라믹 입자가 혼합된 폴리머 소재 자체에 대한 내용이며 일반 폴리머처럼 세라믹 입자가 분산되어 복사냉각기능을 갖는 폴리머 (폴리머 콤포지트)도 사출, 압출같은 다양한 방법으로 가공될 수 있다.
폴리머(플라스틱) 소재를 용융시키고 세라믹 미세입자를 분산시켜 플라스틱 콤포지트를 제작할 수 있고, 사출성형, 압출성형 등의 방법이 흔히 사용되며 폴리머 (플라스틱) 소재는 열가소송 소재를 사용할 수도 있다.
즉, 일실시예에 따른 복사 냉각 소자(100)는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율, 투과율 및 흡수율과 관련된 굴절률을 고려하여 입자 크기 및 물질 조성이 결정된 복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 복수의 세라믹 입자는 TiO2, Al2O3, h-BN, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN 중 적어도 하나의 세라믹 입자와 상기 적어도 하나의 세라믹 입자와 혼합된 플라스틱 소재를 포함할 수 있고, 플라스틱 소재는, 폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS(Polydimethylsiloxane), PVC(Poly Vinyl Chloride) 중에서 적어도 하나의 소재를 포함할 수 있다.
복수의 세라믹 입자는 0.1 - 5 마이크론 범위의 크기를 갖고, 중공 구조 또는 코어쉘 구조 중에서 적어도 하나의 구조로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 복수의 세라믹 입자 중에서 TiO2는 전체 입자 부피함량의 80% 미만의 부피로 함유될 수 있다.
주간 복사냉각 폴리머 콤포지트는 세라믹 미세입자들을 담는 역할을 하는 polymer matrix 소재를 더 포함할 수 있고, polymer matrix는 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, PVC, PE, PP, PET, 아크릴 수지, DPHA, 불소계 수지 중에서 적어도 하나의 소재를 포함할 수 있다.
다른 일실시예로, 본 발명의 일실시예에 따른 복사 냉각 소자(100)는 친환경 및 수용성 복사 냉각 소자로서 수용성 복사냉각 코팅층(110)을 포함할 수도 있다.
일례로, 복사 냉각 소자(100)는 콤포지트 도막층(110)이 코팅된 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판은 다양한 표면으로 지칭될 수 있다.
다시 말해, 복사 냉각 소자(100)는 기판 상에 복사 냉각 콤포지트가 코팅되어 콤포지트 도막층(110)이 형성된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 복사 냉각 소자(100)는 태양 빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각시키는 복사 냉각 소자가 구현되면 건축, 자동차 등의 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 수행할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면, 또한, 복수의 세라믹 입자는, 제1 파장 범위에서 제1 고유 방사율을 갖는 제1 세라믹 입자, 제2 파장 범위에서 제2 고유 방사율을 갖는 제2 세라믹 입자 및 제3 파장 범위에서 제3 고유 방사율을 갖는 제3 세라믹 입자 중 적어도 둘 이상의 세라믹 입자가 혼합되어 형성될 수 있다.
이 경우, 제1 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 8μm 내지 10μm을 포함하고, 상기 제2 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 10μm 내지 12.5μm를 포함하며, 상기 제3 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 11μm 내지 13μm를 포함할 수 있다.
또한, 제1 세라믹 입자는, SiO2, cBN 및 CaSO4 중 어느 하나의 세라믹 입자를 포함하고, 상기 제2 세라믹 입자는, Si3N4의 세라믹 입자를 포함하며, 상기 제3 세라믹 입자는, Al2O3의 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
또한, 제1 고유 방사율은, 상기 제1 파장 범위에서 상기 제2 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함하고, 상기 제2 고유 방사율은, 상기 제2 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율보다 높은 방사율을 포함하며, 상기 제3 고유 방사율은, 상기 제3 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제2 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함할 수 있다.
도 2는 각 물질들의 입자 사이즈별 태양광 스펙트럼 내에서의 산란도를 나타내는 도면(200)이다.
구체적으로, 도 2는 플라스틱에 분산된 ceramic 입자들의 광산란 simulation 결과를 나타낸다.
태양광 스펙트럼 내에서 산란반사를 극대화하기 위하여, Al2O3, TiO2, h-BN, ZrO2, SiO2, CaCO3의 굴절률과 소멸계수 값을 이용하여 산란도를 구하였다. 태양광 세기가 센 영역에서 산란도가 크면 산란반사율이 증가하기 때문에, 높은 태양광 반사율을 제공할 수 있다. 가용할 수 있는 입자의 사이즈와 이러한 산란도를 참고하여, Al2O3는 평균입경 1 마이크론, TiO2는 평균입경 0.2 마이크론, h-BN은 평균입경 2 마이크론를 실험에 사용하였다.
[표 1]
[표 1]은 각 콤포지트 용액의 세라믹 입자 부피비 조성을 나타낸다.
[표 2]
[표 2]는 각 조성의 광특성 정리표를 나타낸다.
입자: 바인더의 부피비 함량을 1:1로 고정하고, [표 1]과 같은 조성으로 콤포지트 용액을 제조하여 유리 기판위에 약 100 마이크론의 도막층을 형성하였다. 1번은 TiO2 만을 이용하여 형성한 콤포지트며, 2번은 Al2O3, SiO2를 50% 부피비씩 넣어 제조한 콤포지트이다.
2번 샘플은 기 출원등록된 특허(등록번호 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 콤포지트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자 10-2321667)의 조성이다. 본 특허에서 제시하는 콤포지트는 상대적으로 적은 두께에서도 높은 태양광 반사와 낮은 태양광 투과, 높은 총 냉각전력을 제공해야 하므로, 1 ~ 10 번의 샘플 중 이러한 특성에 부합하는 샘플은 5, 8, 9번이다.
도 3은 샘플들의 광특성을 설명하는 도면(300)이다. 특히, wavelength 대 reflection를 나타내는 그래프, wavelength 대 transmission을 나타내는 그래프, wavelength 대 absorption을 나타내는 그래프를 차례로 도시한다.
도 3에서는 1,2,5 번 샘플의 광특성을 나타내었다. 1번의 경우 TiO2만 사용되어, 태양광 투과가 낮지만 흡수 또한 높다. 따라서 1번 샘플의 경우 은폐력이 우수하지만, 복사냉각성능은 떨어진다. 2번 샘플은 Al2O3, SiO2가 사용되어 태양광 반사가 높지만 태양광 투과 또한 높다. 따라서 은폐력이 떨어지지만, 복사냉각성능은 우수하다. (복사냉각을 위해 높은 두께가 요구된다.) 이에 반해, 5번, 8번, 9번 샘플의 경우는 2번과 같이 높은 태양광 반사율을 가지면서도, 태양광 투과가 1번과 같이 낮다. 즉, 물질선별과 입자사이즈의 조정을 통하여, 태양광 영역 대에서 반사율이 높고, 투과율이 낮고, 복사냉각성능을 나타내도록 할 수 있으며, 우수한 복사냉각성능과 높은 은폐력을 가진 복사냉각 플라스틱 콤포지트를 제조할 수 있다.
도 4는 조성의 입자:바인더 비율별 광특성을 설명하는 도면(400)이다.
특히, wavelength 대 reflection를 나타내는 그래프, wavelength 대 transmission을 나타내는 그래프, wavelength 대 absorption을 나타내는 그래프를 차례로 도시한다.
그림 4에서는 입자:폴리머 부피비에서 입자의 함량을 증가하여 샘플을 제작한 후 광특성을 측정하였다. 입자의 함량이 증가함에도, 태양광 반사율은 비슷하게 유지가 되었으며 이는 입자:바인더 함량이 50% 부피비까지 되어도, 복사냉각콤포지트가 태양광 반사를 잘 하는 것을 뜻한다. 해당 샘플들의 평균 광특성은 아래 표 3에 나타내었다.
[표 3]은 5번 조성의 입자:폴리머 비율별 광특성 정리표를 나타낸다.
[표 3]
도 5는 두께가 다른 입자:바인더 비율별 태양광 반사도 그래프를 나타내는 도면이다.
각 입자:바인더 부피비에서, 300 마이크론 정도의 도막두께를 형성한 샘플의 광특성을 측정하였을 시에도, 100 마이크론의 샘플과 태양광 반사가 유사한 것을 확인하였다. 이는 100 마이크론 정도의 낮은 두께에서도, 충분한 태양광 반사를 가지는 것을 뜻한다.
[표 4]
[표 4]는 다양한 조성의 ceramic 미세입자가 50 v/o함유된 폴리머 콤포지트의 광특성을 나타낸다.
도 6 및 7은 세라믹 조성물을 50 v/o 포함한 폴리머 콤포지트의 입사 태양광에 대한 반사, 흡수, 투과 특성을 나타내는 도면이다. 특히, wavelength 대 reflection를 나타내는 그래프, wavelength 대 absorption을 나타내는 그래프, wavelength 대 transmission을 나타내는 그래프를 차례로 도시한다.
도 6은 윗편 테이블 조성 1부터 8까지세라믹 조성물을 50 v/o 포함한 폴리머 콤포지트의 입사 태양광에 대한 반사, 흡수, 투과
도 7은 그림 7 윗편 테이블 조성 1부터 8까지세라믹 조성물을 50 v/o 포함한 폴리머 콤포지트의 파장별 광특성/ 입사태양광에 대하여 낮은 흡수를 그리고 8~13마이크론 sky window구간에서 높은 흡수율(방사율)을 보여 주간 복사냉각 특성을 나타낸다.
도 7에서 보는 바와 같이, Al2O3, TiO2, h-BN 미세입자가 분산된 플라스틱 필름의 광특성 측정 결과 입사 태양광 영역에서 낮은 흡수도를, 장파장 적외선 (sky window) 영역에서는 높은 흡수(방사)도를 보여 복사냉각 능이 있음을 나타낸다.
결국, 본 발명을 이용하면, 상용화된 플라스틱 소재(폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS, PVC, PDMS)에 세라믹 미세입자들을 혼합하여 주간 복사냉각 기능을 갖도록 할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 세라믹 미세입자의 사이즈 조절과 물질의 선별을 통해, 태양광 영역대에서의 높은 굴절률과 대기의 창 영역(8~13 마이크론)에서의 높은 소멸계수(extinction coefficient k)를 가지도록 하여 높은 태양광 반사와 대기의 창 방사를 갖도록 할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 세라믹 입자의 사이즈 조절과 태양광 영역대(UV-vis-NIR)에서의 높은 굴절률을 갖는 물질의 선별을 통해 입사 태양광과의 미산란 (Mie scattering)이 극대화되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 제시하는 주간 복사냉각을 갖는 폴리머 콤포지트 소재는 첨가되는 세라믹 미세입자들의 물질 선별과 함께 입자 사이즈를 조절함으로서, 높은 태양광 반사율과 낮은 태양광 투과율, 높은 대기의 창 방사율을 갖도록 할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 얇은 두께의 폴리머 콤포지트 쉬트가 주간 복사냉각 기능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 폴리머 수지를 선택할때는 태양광을 흡수하지 않는 폴리머중에서 사용목적에 맞게 비중, 강도, 내구성 등등을 고려하여 선택할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 복사냉각 폴리머 콤포지트는 주야간 상관없이 높은 복사냉각 파워(power)를 가질 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 제시한 복사냉각 폴리머 콤포지트는 온도가 올라갈수록 적외선 방사가 촉진되어 이에 의한 열방출이 증가되므로 옥외에 설치되는 구조물과 건축물에 적용되어 태양광이 작렬하는 주간에도 입사태양광의 흡수가 최소화되고, 장파장 적외선방사를 통한 열방출이 잘 유지되어 복사냉각 성능은 개선될 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 데이터센터나 통신 장비, 중계시설 등, 옥외에 설치되어, 내부 축열때문에 장비의 온도가 높아져 생기는 문제점을 해결할 수 있다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 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 (12)
- 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 적외선 방사율과 입사 태양광에 대한 반사율, 투과율 및 흡수율과 관련된 굴절률을 고려하여 입자 크기 및 물질 조성이 결정된 복수의 세라믹 입자가 혼합되어 형성된 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 세라믹 입자는 TiO2, Al2O3, h-BN, ZrO2, CaCO3, BaSO4, MgO, Y2O3, BeO, MnO, ZnO, SiC, AlN 중 적어도 하나의 세라믹 입자와 상기 적어도 하나의 세라믹 입자와 혼합된 플라스틱 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제2항에 있어서,
상기 플라스틱 소재는,
폴리우레탄 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리 아크릴레이트 수지, PDMS(Polydimethylsiloxane), PVC(Poly Vinyl Chloride), 폴리 알키드계, 폴리 아크릭계 수지 중에서 적어도 하나의 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 세라믹 입자는 0.1 - 5 마이크론 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 세라믹 입자는 중공 구조 또는 코어쉘 구조 중에서 적어도 하나의 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 세라믹 입자 중에서 TiO2는 전체 입자 부피함량의 80% 미만의 부피로 함유되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제1항에 있어서,
상기 주간 복사냉각 폴리머 콤포지트는 세라믹 미세입자들을 담는 역할을 하는 polymer matrix 소재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제6항에 있어서,
상기 polymer matrix는 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, PVC, PE, PP, PET, 아크릴 수지, DPHA, 불소계 수지 중에서 적어도 하나의 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 세라믹 입자는, 제1 파장 범위에서 제1 고유 방사율을 갖는 제1 세라믹 입자, 제2 파장 범위에서 제2 고유 방사율을 갖는 제2 세라믹 입자 및 제3 파장 범위에서 제3 고유 방사율을 갖는 제3 세라믹 입자 중 적어도 둘 이상의 세라믹 입자가 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 8μm 내지 10μm을 포함하고,
상기 제2 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 10μm 내지 12.5μm를 포함하며,
상기 제3 파장 범위는, 상기 파장 범위 중 11μm 내지 13μm를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 세라믹 입자는, SiO2, h-BN 및 CaSO4 중 어느 하나의 세라믹 입자를 포함하고,
상기 제2 세라믹 입자는, Si3N4의 세라믹 입자를 포함하며,
상기 제3 세라믹 입자는, Al2O3의 세라믹 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 고유 방사율은, 상기 제1 파장 범위에서 상기 제2 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함하고,
상기 제2 고유 방사율은, 상기 제2 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제3 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율보다 높은 방사율을 포함하며,
상기 제3 고유 방사율은, 상기 제3 파장 범위에서 상기 제1 세라믹 입자 및 상기 제2 세라믹 입자의 방사율보다 높은 방사율을 포함하는 것을 특징으로 하는
복사 냉각 소자.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020220008760A KR20230112470A (ko) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 주간 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트를 포함하는 복사 냉각 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220008760A KR20230112470A (ko) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 주간 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트를 포함하는 복사 냉각 소자 |
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|---|---|
| KR20230112470A true KR20230112470A (ko) | 2023-07-27 |
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ID=87433463
Family Applications (1)
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| KR1020220008760A KR20230112470A (ko) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 주간 복사냉각기능을 갖는 플라스틱 콤포지트를 포함하는 복사 냉각 소자 |
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| KR (1) | KR20230112470A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117126451A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-28 | 无锡会通轻质材料股份有限公司 | 一种被动辐射制冷发泡聚丙烯珠粒材料 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102036071B1 (ko) | 2018-06-12 | 2019-10-24 | 경희대학교 산학협력단 | 다층 복사 냉각 구조 |
| KR20190130985A (ko) | 2018-05-15 | 2019-11-25 | 광주과학기술원 | 수동 복사 냉각 구조 |
-
2022
- 2022-01-20 KR KR1020220008760A patent/KR20230112470A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190130985A (ko) | 2018-05-15 | 2019-11-25 | 광주과학기술원 | 수동 복사 냉각 구조 |
| KR102036071B1 (ko) | 2018-06-12 | 2019-10-24 | 경희대학교 산학협력단 | 다층 복사 냉각 구조 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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