WO2015065133A1 - 입자를 이용한 열 차단 시스템 - Google Patents

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WO2015065133A1
WO2015065133A1 PCT/KR2014/010437 KR2014010437W WO2015065133A1 WO 2015065133 A1 WO2015065133 A1 WO 2015065133A1 KR 2014010437 W KR2014010437 W KR 2014010437W WO 2015065133 A1 WO2015065133 A1 WO 2015065133A1
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spherical
layer
radius
filler material
particulates
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PCT/KR2014/010437
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조승래
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조승래
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/26—Reflecting filters

Definitions

  • the present invention relates to a multi-layered coating system for selectively reflecting electromagnetic waves having a specific range of wavelengths and transmitting the rest.
  • the present disclosure is a multilayer coating system (or multi-layered film structure) for reflecting infrared electromagnetic waves, in which each layer of the multilayer coating system is irregularly distributed and well separated.
  • thermal barrier techniques relate to heat resistant pates.
  • glass microspheres or hollow glass extenders are mixed with conventional paint to reduce direct thermal conductivity, which greatly improves insulation against heat loss.
  • glass microspheres with diameters ranging from approximately 50 microns to 150 microns are mixed with conventional paint, while in other embodiments, glass microspheres with diameters of approximately 100 microns Mixed with conventional paints.
  • U. S. Patent No. 4,463,90 does not discuss any aspect of the multilayer coating structure discussed herein.
  • US Pat. No. 8287998B2 hollow microspheres selected from glass microspheres, ceramic microspheres and organic polymer microspheres with an average particle size between 0.5 microns and 150 microns have a direct thermal conductivity. It is mixed with conventional paint to reduce). Further, US Pat. No. 8287998B2 also includes infrared reflecting pigment materials in conventional paint mixtures to reduce thermal conductivity associated with radiant heat transfers. Otherwise, U.S. Pat.No.8287998B2 does not discuss any aspect of the multilayer coating structure discussed in the present invention.
  • solar reflective roofing granules are disclosed.
  • the sun reflective granules are formed by sintering ceramic particles, which are coated with sun reflecting particles. Otherwise, US Patent 2010 / 0203336A1 does not discuss any aspect of the multilayer coating structures covered herein.
  • roofing granule forming particles are coated with a layer of nanoparticles that reflects near infrared radiation.
  • roofing granules are formed from infrared reflecting inert mineral core particles with naturally occurring voids (or defects). do. Otherwise, US Patent 2013 / 0108873A1 and US Patent 2013 / 0161578A1 do not discuss any aspect of the multilayer coating structures referred to herein.
  • US 2008/0035021 A1 a method of making aluminum phosphate hollow microspheres is disclosed. This US patent also shows how to use such particulates to improve insulation against heat loss. Otherwise US Patent 2008 / 0035021A1 does not discuss any aspect of the multilayer coating structures covered by the present invention.
  • indium tin oxide (ITO) fine particles are mixed with a film-forming mixture to form a thin film layer that reflects infrared waves. Otherwise, US 2007 / 0036985A1 does not discuss any aspect of the multilayer coating structures represented in the present invention.
  • US 2013/0266800 A1 a method of preparing aluminum doped zinc oxide (AZO) nanocrystals is disclosed. Moreover, this patent discloses a thin film structure that reflects infrared waves using AZO nano-particulates. Otherwise, US Patent 2013 / 0266800A1 does not discuss any aspect of the multilayer coating structures discussed herein.
  • AZO aluminum doped zinc oxide
  • the present invention is particularly similar to U.S. Pat.No. 7,604,24B2 and U.S. Pat.No. 8009351B2, where multilayer thin film structures are disclosed that use colloidal particles to reflect infrared electromagnetic waves.
  • multilayer thin film structures are disclosed that use colloidal particles to reflect infrared electromagnetic waves.
  • U.S. Pat. No. 7,604,024B2 and U.S. Pat.No. 8009351B2 are based on Bragg's law for describing infrared wave reflection.
  • the lattice constant (or inter-grid distance) determines the wavelength of the reflected waves.
  • the refractive index of the particulates and the refractive index of the filler material interposed in the space between the particulates should be approximately equal.
  • the fine particles are irregularly distributed in each layer of the multilayer coating system.
  • the present invention relies on the Mie scattering theory to explain infrared wave reflection.
  • the fine particles are appropriately selected from the conductors. Unlike the case of U.S. Pat.No. 7760424B2 and U.S. Pat.No. 8009351B2, the filler material and the particles distributed irregularly need not have nearly the same refractive indices.
  • the infrared reflection does not depend on the angle of incidence of the incoming wave, the general characteristics of the system associated with irregularly distributed particles (with or without irregularly distributed cavities).
  • prior arts relating to quantum dot technologies include US Pat. No. 83,62684B2, US Pat. No. 83,95042B2, US Pat. No. 2013 / 0003163A1, and US Pat. No. 2013 / 0207073A1.
  • this prior art is not technically relevant to the present invention, there are significant similarities to the distribution of particulates in each layer of a multilayer coating system.
  • the prior art with respect to the subject matter and the quantum dot technology is basically based on different physics and both should not be considered identical.
  • a multilayer coating system that selectively reflects electromagnetic waves of a particular range of wavelengths and transmits electromagnetic waves having wavelengths outside that particular range.
  • the disclosed multilayer coating system is associated with multiple layers of subcoated layers, each subcoating layer being irregularly distributed therein and suitably separated from a plurality of well separated spherical particulates. It has a plurality of spherical cavities.
  • the selective filtering of electromagnetic wave wavelengths in the disclosed multilayer coating system depends on the specific arrangement of subcoating layers, each subcoating layer being characterized by spherical particulates and spherical cavities having unique diameter sizes.
  • the multilayer coating system disclosed herein includes not only all types of fabrics, but also automobiles, houses and buildings (walls, glazing, roofs, etc.), oil pipelines, gas pipelines, water pipes, furniture, paper, electronics, and various household items and appliances. It can be easily applied to any surfaces that can be coated.
  • a first layer is positioned on a substrate, a second layer is positioned on the first layer, a third layer is positioned on the second layer, and a fourth layer is positioned on the third layer.
  • a coating system having multiple subcoats.
  • the first layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius a 1 and a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the second layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius a 2 > a 1 and a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the third layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius a 3 > a 2 and a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the fourth layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius a 4 > a 3 and a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • a first layer is positioned on a substrate, a second layer is positioned on the first layer, a third layer is positioned on the second layer, and a fourth layer is positioned on the third layer.
  • a coating system having multiple subcoats.
  • the first layer is irregularly distributed and among properly a plurality of spherical fine particles of discrete radius a 1 and suitably separated radius b 1> a plurality of the spherical cavity and said spherical fine particles and the spherical joint of the first And a filler material of refractive index n 1 interposed in the space of.
  • the second layer is an irregularly distributed and suitably separated plurality of spherical fine particles of radius a 2 > a 1 and a plurality of spherical cavities of radius b 2 (where b 2 > a 2 and b 2 > b 1 ) And a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical particulates and the spherical cavities.
  • the third layer is an irregularly distributed and suitably separated plurality of spherical fine particles of radius a 3 > a 2 and a plurality of spherical cavities of radius b 3 (where b 3 > a 3 and b 3 > b 2 ) And a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical particulates and the spherical cavities.
  • the fourth layer is a plurality of spherical particles having an irregularly distributed and properly separated radius a 4 > a 3 and a plurality of spherical cavities of radius b 4 (where b 4 > a 4 and b 4 > b 3 ) And a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical particulates and the spherical cavities.
  • a first layer is positioned on a substrate, a second layer is positioned on the first layer, a third layer is positioned on the second layer, and a fourth layer is positioned on the third layer.
  • a coating system having multiple subcoats.
  • the first layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius c 1 and a filler material of refractive index n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the second layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius c 1 and a filler material of refractive index n 2 > n 1 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the third layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius c 1 and a filler material of refractive index n 3 > n 2 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the fourth layer comprises a plurality of spherical fine particles having an irregularly distributed and properly separated radius c 1 and a filler material of refractive index n 4 > n 3 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • a first layer is positioned on a substrate, a second layer is positioned on the first layer, a third layer is positioned on the second layer, and a fourth layer is positioned on the third layer.
  • a coating system having multiple subcoats. First and one layer is irregularly distributed properly a plurality of spherical fine particles of discrete radius c 1 and a properly separated radius c 2> and a plurality of the spherical cavity of c 1, between the spherical particles and the spherical joint And a filler material of refractive index n 1 interposed in the space of.
  • the second layer is irregularly distributed and disposed in the space between the properly separate the radial plurality of spherical fine particles and the radius of c 1, c 2> c plurality of spherical cavity and said spherical fine particles and the spherical joint of the first Filler material having a refractive index of n 2 > n 1 .
  • the third layer is irregularly distributed and disposed in the space between the appropriate discrete radial plurality of the rectangle of c 1 fine particle and the radius c 2> c plurality of spherical cavity and said spherical fine particles and the spherical joint of the first Filler material having a refractive index of n 3 > n 2 .
  • the fourth layer is irregularly distributed, and the spaces between the plurality of spherical fine particles of a properly separated radius c 1 and radius c 2> c plurality of spherical cavity and said spherical fine particles and the spherical joint of the first Filler material with an intervening refractive index n 4 > n 3 .
  • Substrate materials can be selected from the group consisting of conductive materials, dielectric materials, ceramic materials, composite materials, semiconductor materials, polymeric materials and fabrics.
  • the filler materials may be selected from the group consisting of dielectric materials, ceramic materials, composite materials (composite mixtures) and polymeric materials.
  • Each spherical particulate material may be selected from the group consisting of conductive materials, dielectric materials and ceramic materials.
  • Each spherical particulate can be formed of a hard material, a hollow conductive shell, a dielectric core surrounded by a conductive shell or a conductive core surrounded by a dielectric shell.
  • Each spherical cavity may be formed of a hollow dielectric shell, the cavity of which may be filled with gas or empty.
  • each layer has a thickness in the range of 0.01 microns to 10,000 microns.
  • Each spherical particulate has a radius ranging from 0.001 microns to 250 microns.
  • Each spherical cavity has a cavity radius ranging from 0.002 microns to 500 microns.
  • the multilayer coating system shown in the above-described embodiments (the first, second, third, and fourth exemplary embodiments) is provided between the first electrode and the second electrode.
  • the first voltage is applied to the first electrode and a second voltage different from the first voltage is applied to the second electrode.
  • the electrodes are formed of planar conductors, which are selected from materials that transmit infrared wavelengths of interest and are also optically transparent.
  • the electrodes are formed of conductors, which are patterned to have more complex patterns such as grids or grating structures or arrays of holes or squares, etc. do. Infrared wavelengths and visible light of interest are transmitted through the openings in the patterned electrodes.
  • the conductive materials for the electrodes are not limited to conductive materials that are optically transparent or transmit infrared wavelengths of interest and any conductive materials may be used.
  • the effect of improving the insulation against heat loss is obtained by reflecting infrared rays.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a multilayer coating system according to the invention
  • FIG. 2 shows a series of embodiments of a multilayer coating system according to the invention, showing cross-sectional views along the AB line of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows another series of embodiments of a multilayer coating system according to the invention, showing cross-sectional views along line AB of FIG. 1;
  • FIG. 4 is an illustration of an exemplary action of selectively blocking (or reflecting) electromagnetic radiation at a specific range of wavelengths and transmitting the remainder;
  • FIG. 18 shows a series of embodiments of an active electromagnetic wavelength filter based on a multilayer coating system according to the invention, showing cross sectional views along the AB line of FIG. 1.
  • the thicknesses, regions, spherical particulates and spherical cavities of layers may be exaggerated for clarity, and like reference numerals refer to like elements throughout the description of the drawings.
  • Exemplary embodiments are described herein with reference to cross-sectional views of ideal embodiments.
  • certain shapes or regions in the exemplary embodiments should not be construed as limited to the specific shapes or regions shown in the exemplary embodiments, and those shapes or regions may not be construed as derivatives due to manufacturing errors. It may include.
  • the spherical particulates may appear as particles having an ellipsoidal shape that deviates slightly from the ideal sphere in a practical device.
  • FIG. 1 Denoted at 900 in FIG. 1 is an overview of the coating system disclosed herein.
  • Shown in FIG. 2 is a first exemplary embodiment 100, which includes a first layer 101 located on a substrate 10, a second layer 102 located on a first layer 101, and a first layer 100.
  • a third layer 103 located on the second layer 102 and a fourth layer 104 on the third layer 103 are provided.
  • Exemplary first embodiment 100 is a cross-sectional view of coating system 900 taken along line AB.
  • first exemplary embodiment 100 or coating system 900
  • a multilayer coating system with only four subcoat layers is contemplated in exemplary embodiments.
  • each subcoating layer 101, 102, 103, 104 has a different level of thickness to emphasize the differences in the size distribution of the spherical particulates for the other subcoating layers. Is shown. On the other hand, there is no limit to how thick each subcoating layer should be, except that each subcoating layer should be at least thick enough to contain spherical particulates. In short, each subcoating layer should have a thickness at least equal to the diameter of the spherical particulates it contains.
  • each spherical particulate of the subcoating layers is shown to have a disordered (irregular) arrangement.
  • no action is shown in this disclosure to prevent the spherical particulates of each sub-coating layer from having an orderly patterned arrangement such as crystal structures and lattice arrangements of photonic crystals, not only the particles but also any cavities present It is desirable to be irregularly distributed in the subcoat layers. The reason is simple. When spherical particles are arranged in an orderly pattern (i.e.
  • the infrared portion of the electromagnetic spectrum which accounts for most of the thermal energy, extends from 0.7 microns to approximately 1,000 microns. For a successful thermal barrier action, it is necessary to reflect infrared electromagnetic energy covering a wide range of wavelengths.
  • Such actions are such that spherical particulates are arranged at regular inter-grid distances, such that they are arranged to reflect only selectively in a completely discontinuous series of wavelengths determined by the lattice constant according to Bragg's law. Cannot be achieved. However, when spherical particles are irregularly distributed, infrared electromagnetic reflections, even if incomplete, occur over a wide range of wavelengths, which is a desirable property for successful thermal barrier action.
  • the multilayer coating system disclosed herein can be applied directly to any surfaces. These include surfaces found in houses, household appliances, windows, cars, fabrics, clothing, papers, electronics, ceramic products, and the like.
  • reference numeral 100 denotes a cross sectional view of a coating system (paint) applied to a wall
  • the substrate 10 represents a wall
  • the substrate 10 represents a fabric
  • reference numeral 100 denotes a cross sectional view of a coating system applied to the pane
  • the substrate 10 represents glass.
  • the materials for the substrate 10 may be selected from the group consisting of conductive materials, dielectric materials, ceramic materials, composite materials, semiconductor materials, polymeric materials and fabrics.
  • ceramic materials, composite materials, polymeric materials and fabrics are mentioned as if they are other materials than conductive materials, dielectric materials or semiconductor materials.
  • all materials can be classified into three materials: conductive materials, dielectric materials and semiconductor materials.
  • conductive materials, dielectric materials and semiconductor materials can be classified into three materials: conductive materials, dielectric materials and semiconductor materials.
  • each of the ceramic materials, composite materials, polymeric materials and fabrics can be classified as conductive materials, dielectric materials or semiconductor materials. Nevertheless, for example, whenever the term 'dielectric material' or 'dielectric' is mentioned in the description, the term also includes ceramic materials, composite materials, polymeric materials or fabrics classified as dielectric materials.
  • the term 'conductive material' or 'conductor' is a conductor, including ceramic materials, composite materials, polymeric materials or fabrics, which are classified as conductive materials. It will be understood to include all materials.
  • the term 'semiconductor material' or 'semiconductor' is any semiconductor material, including ceramic materials, composite materials, polymeric materials or fabrics classified as semiconductor materials. It will be understood to include them.
  • the list of conductive materials that can be used to form the substrate 10 includes aluminum, chromium, cobalt, copper, gold, iridium, lithium, molybdenum, nickel, osmium, palladium, platinum, rhodium, silver, tantalum, titanium, tungsten, Vanadium, alloys thereof (eg, aluminum-copper and steel) and mixtures thereof, including but not limited to.
  • the list of composite materials that can be used to form the substrate 10 includes concrete, asphalt-concrete, fiber-reinforced polymers, carbon-fibre reinforced plastics, glass-reinforced plastics, reinforced rubbers. Laminated woods, plywood, paper, fiber glass, bricks, and various composite glasses.
  • the list of polymeric materials that can be used to form the substrate 10 includes polyacrylamide, polyacrylate, poly-diacetylene, polyepoxide, polyether ( polyether, polyethylene, polyimidazole, polyimide, polymethylacrylate, polymethylmethacrylate, polypeptide, polyphenylene-vinylene (polyphenylene-vinylene), polyphosphate, polypyrrole, polysaccharide, polystyrene, polysulfone, polythiophene, polyurethane, polyvinyl ) And the like, but are not limited thereto.
  • Substrate 10 also includes other polymeric materials such as agarose, cellulose, epoxy, hydrogel, silica gel, silica glass, siloxane, and the like. Can be formed from them.
  • the list of fabrics that can be used to form the substrate 10 includes animal textiles, plant textiles, mineral textiles, synthetic textiles and combinations thereof. Included.
  • each subcoating layer comprises a plurality of spherical fine particles of irregularly distributed and properly separated radius a and a filler material of refractive index n interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the subcoat layer 101 is a plurality of irregularly distributed and properly separated spherical fine particles 11 and a filler material 51 interposed in the space between the spherical fine particles.
  • the subcoat layer 102 comprises a plurality of irregularly distributed and properly separated spherical fine particles 12 and a filler material 52 interposed in the space between the spherical fine particles;
  • the sub-coating layer 103 comprises a plurality of irregularly distributed and properly separated spherical fine particles 13 and a filler material 53 interposed in the space between the spherical fine particles;
  • the subcoat layer 104 includes a plurality of irregularly distributed and properly separated spherical particulates 14 and a filler material 54 interposed in the space between the spherical particulates.
  • the refractive indices for the filler materials 51, 52, 53, 54 are the same.
  • the diameters of the spherical fine particles 11, 12, 13, 14 are d 11 ⁇ d 12 ⁇ d 13 ⁇ d 14 , where d 11 , d 12 , d 13 and d 14 are spherical fine particles 11, 12. , 13, 14 for each diameter.
  • the filler materials 51, 52, 53, 54 may be selected from the group consisting of dielectric materials, ceramic materials, composite materials (composite mixtures) and polymeric materials. These lists include paints, clays, glues, cements, asphalts, polymers, gelatins, glasses, resins, binders, oxides, and combinations thereof. But not limited to.
  • the list of composite materials includes paints, clays, adhesives, cements, etc.
  • the list of polymeric materials includes agarose, cellulose, epoxy, hydrogel, polyacrylamide, polyacrylate, poly-diacetylene, Polyepoxide, polyether, polyethylene, polyimidazole, polyimide, polymethylacrylate, polymethylmethacrylate, poly Peptides, polyphenylene-vinylene, polyphosphate, polypyrrole, polysaccharides, polystyrene, polysulfone, polythiophene , Polyurethane, polyvinyl, and the like.
  • Filler materials 51, 52, 53, 54 are agarose, cellulose, epoxy, hydrogel, silica gel, silica glass, siloxane ( siloxane) and the like.
  • Various resins include synthetic resins such as acrylic and vegetable resins such as mastic.
  • the list of oxides based on dielectric materials includes aluminum oxide, beryllium oxide, copper (I) oxide, copper (II) oxide, dysprosium oxide ), Hafnium (IV) oxide, lutetium oxide, magnesium oxide, scandium oxide, silicon monoxide, silicon dioxide, tantalum pentoxide ( tantalum pentoxide, tellurium dioxide, titanium dioxide, yttrium oxide, ytterbium oxide, zinc oxide, zirconium dioxide But not limited to.
  • the materials for the spherical particulates 11, 12, 13, 14 may be selected from the group consisting of conductive materials, dielectric materials and semiconductor materials.
  • the list of conductive materials that can be used to form the spherical particulates 11, 12, 13, 14 includes aluminum, chromium, cobalt, copper, gold, iridium, lithium, molybdenum, nickel , Osmium, palladium, platinum, rhodium, silver, tantalum, titanium, tungsten, vanadium, alloys thereof (e.g. aluminum Copper and steel) and mixtures thereof.
  • the spherical particulates 11, 12, 13, 14 may also be formed from a composite such as spherical particulates in a core-shell structure, where the conductive core is surrounded by an insulating shell or vice versa (insulator core). The cavity is surrounded by a conductive shell. Dielectric materials or semiconductor materials with large refractive indices may also be selected as spherical particulates 11, 12, 13, 14, but it is preferable to select conductive materials.
  • the exemplary embodiment 200 of FIG. 2 is a variation of the exemplary embodiment 100, in which irregularly distributed spherical cavities are introduced into the subcoat layers 201, 202, 203, 204.
  • the diameters of the spherical cavities in different subcoating layers satisfy d 21 ⁇ d 22 ⁇ d 23 ⁇ d 24 , where d 21 , d 22 , d 23 and d 24 are Respectively the diameters for the spherical cavities 21, 22, 23, 24.
  • the diameters of the spherical particulates in different subcoating layers satisfy d 11 ⁇ d 12 ⁇ d 13 ⁇ d 14 .
  • the diameters of the spherical fine particles and the spherical cavities are in the relationship of d 11 ⁇ d 21 , d 12 ⁇ d 22 , d 13 ⁇ d 23 and d 14 ⁇ d 24 .
  • each subcoating layer has an airgel structure having irregularly distributed spherical fine particles. Aerogel structure). Aerogels are synthetic porous materials.
  • Spherical cavities 21, 22, 23, 24 may be formed from hollow dielectric shells that may be filled with gas.
  • the spherical particulates of each subcoating layer are shown to have one matched diameter size.
  • the spherical fine particles 11 in the subcoat layer 101 have a diameter size of d 11 .
  • the diameters d 11 , d 12 , d 13 and d 14 should be interpreted as average diameters, d 11 is the average diameter size for the plurality of spherical fine particles 11, and d 12 is the plurality of spherical fine particles 12.
  • d 13 is the average diameter size for the plurality of spherical fine particles 13
  • d 14 is the average diameter size for the plurality of spherical fine particles 14.
  • the diameters for the spherical cavities in the exemplary embodiment 200 should also be interpreted as mean diameters.
  • d 21 is the average diameter size for the plurality of spherical cavities 21
  • d 22 is the average diameter size for the plurality of spherical cavities 22
  • d 23 is the average diameter for the plurality of spherical cavities 23.
  • d 24 is the average diameter size for the plurality of spherical cavities 24.
  • spherical particles of one diameter size are irregularly distributed across different subcoating layers 301, 302, 303, 304, each subcoating layer being one another. Have different refractive indices.
  • a three-dimensional schematic diagram of another exemplary embodiment 300 may be visualized by identifying layers 101, 102, 103, 104 with layers 301, 302, 303, 304 from reference numeral 900 of FIG. 1, respectively. Can be.
  • exemplary embodiment 300 represents a cross-sectional view of reference numeral 900 along line AB.
  • the refractive indices for the different subcoating layers satisfy n 61 ⁇ n 62 ⁇ n 63 ⁇ n 64 , where n 61 , n 62 , n 63 and n 64 are each filler materials ( 61, 62, 63, and 64).
  • the filler materials 61, 62, 63, 64 may be selected from the listed materials for the filler materials 51, 52, 53, 54.
  • the materials for the spherical particulates 15 may be selected from the materials listed for the spherical particulates 11, 12, 13, 14.
  • the exemplary embodiment 400 of FIG. 3 is a variation of the exemplary embodiment 300, in which irregularly distributed spherical cavities are also present in the subcoating layers 401, 402, 403, 404.
  • the refractive indices for the subcoat layers satisfy n 61 ⁇ n 62 ⁇ n 63 ⁇ n 64 .
  • the diameter of the spherical cavities is selected to be larger than the diameter of the spherical particulates 15.
  • the diameters of the spherical particulate 15 and the spherical cavity 25 satisfy d 15 ⁇ d 25 , where d 15 and d 25 are the spherical particulate 15 and the spherical cavity 25, respectively. Indicates the diameters.
  • the materials for the spherical cavity 25 can be selected from the materials listed for the spherical cavities 21, 22, 23, 24.
  • multilayer coating systems based on embodiments 300 and 400 may have different refractive indices for subcoating layers. Based on the internal reflections that occur at the interfaces of the different sub-coating layers. Such internal reflections inevitably lead to self-heating of the multilayer coating system.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the action of transmission and reflection in a physical (real) multilayer coating system 100 and other ideal multilayer coating systems 100.
  • the transmission and reflection actions shown in FIG. 4 are too ideal for a physical multilayer coating system, it provides a concise description of how wavelengths are selectively filtered in a multilayer coating system. It will be shown later that the physical multilayer coating system also exhibits equivalent properties as shown in FIG. 4. With this in mind, the following describes the effects of transmission and reflection in an ideal multilayer coating system.
  • An ideal multilayer coating system has ideal subcoating layers.
  • the ideal multilayer coating system 100 thus has ideal subcoat layers 101, 102, 103, 104.
  • the effects of transmission and reflection in the ideal multilayer coating system 100 are shown in FIG. 4, with reference numeral 501 illustrating the effect of transmission and reflection with respect to the ideal subcoat layer 101 and reference numeral 504. Similar operations to the subcoat layer 104 are described.
  • the description of the other two actions, although not explicitly indicated in FIG. 4, can be easily associated with the ideal subcoat layers 102, 103.
  • incident electromagnetic waves of wavelength ⁇ are completely transmitted for ⁇ ⁇ 4 , fully reflected for ⁇ 4 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ c , partially transmitted and partially reflected for ⁇ > ⁇ c do.
  • Sub-coating layers with such wavelength filter characteristics are usefully applied to window panes where it is very necessary to reflect thermal or infrared electromagnetic waves and transmit electromagnetic waves of the visible spectrum and wavelengths used in the broadcast communications industry.
  • the width of the reflective area in the subcoat layer is limited.
  • the physical subcoat layer has a very narrow width ⁇ with respect to the reflective region. For this reason, a single subcoat layer is often not sufficient to block all unwanted wavelengths of the infrared spectrum in thermal barrier applications.
  • the reflective area of the subcoating layer can be varied within the wavelength range by adjusting the diameters of the spherical fine particles provided in the subcoating layer. To illustrate this, reference is made to reference numeral 501 in FIG. 4 that illustrates the effects of transmission and reflection in the ideal subcoat layer 101.
  • the change in the initial point of the reflective region at 501 is a result of the smaller spherical particulates 11 distributed irregularly inside the subcoat layer 101.
  • the diameters of the spherical particulates of different subcoating layers satisfy d 11 ⁇ d 12 ⁇ d 13 ⁇ d 14 ;
  • Such an arrangement of spherical particulates of an ideal multilayer coating system 100 reflects the transmissive and reflective actions shown in FIG. 4.
  • the single subcoat layer is not sufficient to reflect all of the unwanted wavelengths due to the ⁇ of the finite width for its reflection area.
  • subcoating layers such as '101, 102, 103, 104' may be stacked together to form a multilayer coating system having a larger effective width ([Delta] ⁇ ) eff for the reflective area.
  • any electromagnetic waves of undesired wavelengths that are not reflected by the subcoat layer 104 will eventually be reflected by the subsequent subcoat layers 101, 102, 103.
  • the reflected waves in the wavelength range ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 4 are not confined inside the multilayer coating system 100 because there are no reflective regions on the travel path for these electromagnetic waves.
  • electromagnetic waves in the wavelength range ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 are reflected by the subcoat layer 101 (see reference numeral 501 in FIG. 4).
  • Such reflective electromagnetic waves travel across the sub-coat layers 102, 103, 104 without internal reflection and finally exit the multilayer coating system 100. Since there is no reflection area on the travel path, internal reflection does not occur. Also for that reason any reflected electromagnetic waves in the wavelength range ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 will not cause magnetic heating in the multilayer coating system.
  • electromagnetic waves in the wavelength range ⁇ > ⁇ c travel across the subsequent subcoat layers, some are transmitted and some are reflected. Such electromagnetic waves are internally reflected at the interfaces between the subcoats. As a result, these electromagnetic waves cause self heating of the multilayer coating system 100. Fortunately, electromagnetic waves in the wavelength range ⁇ > ⁇ c are not as active as those in the wavelength range ⁇ ⁇ ⁇ 4 . It is negligible that electromagnetic waves in the wavelength range ⁇ > ⁇ c cause heating of the multilayer coating system.
  • the multilayer coating system was irradiated on top.
  • the multilayer coating system 100 may also be irradiated at the bottom and the non-transmissive portion of its basic electromagnetic waves can still be described as shown in FIG. 4.
  • incident electromagnetic waves with wavelengths satisfying 0 ⁇ ⁇ 1 are transmitted completely across the sub-coating layers, while incident electromagnetic waves with wavelengths satisfying ⁇ > ⁇ c are partially transmitted and partially reflected.
  • major modifications in the transmission and reflection actions occur when the direction of the incident electromagnetic wave is reversed in FIG. 2.
  • 5A shows a case where a multilayer coating system is applied to a pipe carrying heated water.
  • the subcoat layer SL2 is first coated on the surface of the pipe, and the subcoat layer SL2 D is coated with the subcoat layer SL1.
  • the 'hot water' inside the pipe Hot water ' may be adequately insulated from the cooler ambient temperature outside the pipe.
  • the subcoat layer SL2 is an ideal subcoat layer of the above-mentioned wave transmission and reflection actions, heat waves from 'hot water' are internally reflected inside the pipe by the subcoat layer SL2, whereby It prevents the heat loss of 'hot water'.
  • any heat from external heat sources is partially transmitted through the subcoat layer SL1, resulting in internal reflections in the subcoat layer SL1 which result in heating of the entire multilayer coating system (Fig. Recalling a drawing with regions A, B and C of 4).
  • Such processes even though the amount of heat energy actually delivered to 'hot water', depend on the temperature state of the external heat sources, are responsible for non-radiative heat processes (e.g., heat transfer by direct heat conduction). This results in adding more heat to 'hot water'.
  • FIG. 5B shows the opposite situation in which the arrangement of the subcoat layers SL1 and SL2 is reversed from the case in FIG. 5A.
  • the 'hot water' inside the pipe is constantly undergoing heat loss.
  • heat from 'hot water' is partially transmitted through the subcoat layer SL1, resulting in internal reflections in the subcoat layer SL1, which in turn ends heating the entire multilayer coating system.
  • the heat energy loss from the direct thermal conduction process can be increased as opposed to in the radioactive heat treatment.
  • the physical subcoat layer 104 does not have transmissive and reflective regions so clearly outlined as shown at 504 as opposed to the ideal subcoat layer 104. However, when the physical subcoating layers are stacked together to form a multilayer coating system, the resulting transmissive and reflective actions exhibit most of the properties described with reference to FIG. 4 for an ideal coating system.
  • Mie theory was used to calculate Q bac and Q ext . Nevertheless, two distinct regions can be easily identified in the graph of ⁇ Q in FIG. 6.
  • the first region I has a specific range of 0 ⁇ ⁇ 2.2 ⁇ m and has a negative value ( ⁇ Q ⁇ 0) for ⁇ Q
  • the second region II has a 2.2 ⁇ m ⁇ ⁇ ⁇ 15 ⁇ m
  • the results for the wavelengths selected from the first region (I) are shown in FIG. 7, and the results for the wavelengths selected from the second region (II) are shown in FIG. 8, and in the polar coordinates the aluminum particles are centered.
  • Located and examined from the left. 7 and 8 show that the wavelengths of the first region I are strongly scattered forward (ie transmitted) while the wavelengths of the second region II are scattered backward (ie reflected). It prevails.
  • the first region I of FIG. 6 may be associated with the wavelength range 0 ⁇ lambda ⁇ lambda 4 in the numeral '504';
  • the second region II of FIG. 6 may be associated with the wavelength range ⁇ 4 ⁇ ⁇ ⁇ c at 504.
  • the ratio of scattered wave intensity I s and incident wave intensity I o approaches 1 for sufficiently large wavelengths.
  • such wavelengths correspond to those satisfying ⁇ »15 ⁇ m.
  • Waves in this region correspond to waves with wavelengths satisfying ⁇ > ⁇ c at 504 in FIG. 4, which are partially transmitted and partially reflected at the same scales.
  • results for the wavelengths selected from the regions corresponding to ⁇ Q ⁇ 0 and ⁇ Q> 0 are shown in FIGS. 10 and 11, respectively, wherein the aluminum spherical particulates are centrally located and irradiated from the left in both polar coordinates.
  • the results here also show that wavelengths in the region corresponding to ⁇ Q ⁇ 0 have strong front scattering and waves in the region corresponding to ⁇ Q> 0 have strong back scattering.
  • Such properties are consistent with the change in the 'reflective area' towards the shorter wavelength with reduced diameter size for the aluminum spherical fine particles in FIG.
  • the exemplary embodiment 200 of FIG. 2 uses spherical cavities to reduce thermal conductivity associated with direct thermal conductivity.
  • the wavelengths selected from the regions where the ratio of scattered wave intensity I s and incident wave intensity I o are ⁇ Q ⁇ 0 and ⁇ Q> 0 in FIG. 13.
  • Exemplary embodiment 300 is an alternative to a multilayer coating system in which spherical particulates of diameter sizes matched to the sub-coating layers are irregularly distributed, each sub-coating layers 301, 302, 303, 304.
  • Yet another exemplary embodiment 400 is a modification of exemplary embodiment 300 in which evenly distributed spherical cavities are present in subcoating layers with irregularly distributed spherical particulates. Although spherical cavities are weak in reflecting infrared waves, they still provide improved insulation against heat loss by reducing the thermal conductivity associated with heat transfer by direct conduction.
  • the transmission and reflection actions of the wave are characterized by the ⁇ Q graph.
  • the 'wavelength of interest, ⁇ ' may be selected from ⁇ bordered by 2 ⁇ m ⁇ ⁇ ⁇ 4 ⁇ m.
  • the closest face-to-face separation between the nearest neighboring spherical fine particles is 10 ⁇
  • the closest face-to-face separation between the nearest neighboring spherical particles is 10 ⁇
  • the nearest neighboring face-to-face separation distance of 10 ⁇ is only an approximation to the separation distance where interactions between spherical particulates can be ignored.
  • N p and W p can be represented again as N p ⁇ V layer / (10 ⁇ + 2a) 3 and W p ⁇ 4.1888 ⁇ a 3 gV layer / (10 ⁇ + 2a) 3 .
  • the scattering of electromagnetic waves in a mixture of irregularly distributed particulates requires a clear calculation of the scattering solution of a single particulate alignment. And, often such scattering scattering is sufficient to account for the scattering phenomenon in the mixtures.
  • the transmission and reflection of light in a milk bottle or a cloud of cloud can be quantitatively explained by the Mie theory problem of a single milk particle for a milk bottle or a single raindrop for a cloud of clouds.
  • cases have been considered in which irregularly distributed aluminum particulates are embedded in the medium material with or without irregularly distributed cavities. From a physical point of view, the electromagnetic scattering phenomenon in such systems is related to single particle Mie theory solutions.
  • N p and W p are simply N p ⁇ V layer / (5 ⁇ + 2a) 3 and W p ⁇ 4.1888 ⁇ a 3 gV layer / (5 ⁇ + 2a) 3 .
  • the separation distance that the two particles can see as far apart so that most of the interaction between them is largely ignored depends on the type of particles involved. For example, if the particles are charged, a separation distance of 10 ⁇ cannot be sufficient to ignore the interactions between the two particles. Nevertheless, the choice of 10 ⁇ in FIG. 17A would make most particulate types 'sufficiently separated', including aluminum particulates.
  • ⁇ represents the wavelength of the electromagnetic wave inside the medium material (filler material) in which spherical fine particles (and spherical cavities) are irregularly distributed. Therefore, in the above ⁇ Q graphs, the wavelength ⁇ represents the wavelength of the electromagnetic wave inside the medium.
  • Simple procedures relating to the manufacture of a multilayer coating system are (1) preparing the mixtures for each of the lower coating layers and (2) applying the mixtures onto the substrate to form a subcoating layer. Such processes are shown in Figure 17B.
  • the first container having the first solution is mixed together with one size of spherical particles and another inherent size of spherical cavities, respectively indicated by small particles and small cavities in the figure.
  • the second container with the second solution is mixed together with larger spherical particulates and spherical cavities, denoted as 'large particulates' and 'large cavities' in the figures, respectively.
  • the first subcoat layer on the substrate can be formed by dipping the substrate shown in FIG. 17B into a first container.
  • the substrate may then be dried or cured before dipping into the second container to form a second subcoat layer.
  • a multilayer coating system can be formed on both surfaces of the substrate.
  • each layer of the multilayer coating system may be formed on the substrate by a spraying method.
  • Mixtures for each subcoating layer may be prepared by mixing together aluminum spherical particulates and cavities in any solution.
  • solvent base coatings such as adhesives, clays, etc.
  • polyurethanes such as adhesives, clays, etc.
  • polyurethanes such as polyurethanes
  • elastomers such as polyurethanes
  • plastics such as polymethylmethacrylate
  • gelatin such as polymethylmethacrylate
  • aluminum spherical fine particles of one size and spherical cavities of different diameters may be mixed in a liquefied PMMA (polymethylmethacrylate) solution.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • the 'second solution' in FIG. 17B can also be represented by the liquefied PMMA, but aluminum fine particles and spherical cavities of larger diameter sizes are mixed than those mixed in the 'first solution'.
  • the multilayer coating system can be formed on the substrate according to the dipping procedures already described.
  • the aluminum spherical particulates and cavities can be mixed in a solution formed of a polymeric material such as polyurethane. In this case, the 'first solution' and 'second solution' of FIG.
  • 17B may be represented as polyurethane solutions, where each solution contains aluminum particulates and cavities of appropriate diameter sizes.
  • the multilayer coating system can be formed thereon by soaking (or dipping) a fabric into the 'first solution' and 'second solution' according to the dipping processes described previously.
  • a multilayer coating system can be formed on strands of textile fibers by repeating the same process. Such threads coated with a multilayer coating system can be used to make heat resistant clothes.
  • the exemplary embodiment 500 of FIG. 18 is an example of an activated electromagnetic wavelength filter, where the starting point of the reflecting region (eg, ⁇ 4 of 504 in FIG. 4) is applied to the application of an electric field. Can be changed.
  • the electric field between the electrodes 5, 6 is generated by applying a bias voltage to the electrodes.
  • Semiconductor materials react like dielectric materials in the absence of an electric field. However, when exposed to electric fields, semiconductor materials react like conductive materials. Such a property can be used to effectively control the wavelength at which electromagnetic waves begin to reflect.
  • the value of ⁇ 4 in reference numeral 504 of FIG. 4 may be changed by adjusting the strength of the electric field exposed to the sub-coating layer corresponding to 504.
  • FIG. 18 Another exemplary embodiment 600 of FIG. 18 is a variation of embodiment 500 in which evenly distributed spherical cavities are also present in the subcoating layer with irregularly distributed spherical particulates.
  • the illustrative examples in FIG. 18 are based on multilayer coating systems 100, 200, the alternative exemplary embodiments 300, 400 of FIG. 3 also replace systems 100, 200. Can be used.
  • the electrodes 5, 6 of the exemplary embodiments 500, 600 of FIG. 18 may be formed of planar conductors that are transparent to the wavelengths of interest.
  • the upper electrode 5 should be transparent to the infrared electromagnetic waves of interest.
  • the electrodes 5, 6 must both transmit infrared waves of interest as well as optically transparent. do.
  • the electrodes 5 or 6 or both also have more complex patterns, such as grids or grating structures or arrays of holes or squares, etc. Can be patterned. When the electrodes are patterned into such structures, the infrared wavelengths and visible light of interest can be transmitted through the openings of the patterned electrodes. If the electrodes are patterned with openings, the conductive materials for the electrodes are not limited to optically transparent conductors that transmit infrared wavelengths of interest, but any conductive materials may be used.
  • the thermal barrier system using the particles according to the present invention can be used industrially in the field to which the thermal barrier system is applied.

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Abstract

적외선파들을 반사하는 다중층 코팅 시스템이 개시된다. 다중층 코팅 시스템은 기판 상에 위치하며, 불규칙하게 분포되고 적절하게 분리된 반경 a1의 복수의 구형 미립자들 및 적절하게 분리된 반경 b1 > a1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들 및 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함하는 층 1; 및 다음 단어 방정식으로 표현되는 그 다음 층들, "층 i-1 상에 위치하며, 불규칙하게 분포되고 적절하게 분리된 반경 ai의 복수의 구형 미립자들 및 적절하게 분리된 반경 bi > ai(여기서, bi > bi-1)의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들 및 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 ni의 필러 물질을 포함하는 층 i"(여기서, 정수 i는 1보다 크다)을 구비한다.

Description

입자를 이용한 열 차단 시스템
본 내용은 특정한 범위의 파장을 갖는 전자파는 선택적으로 반사하고 나머지는 투과시키는 다중층 코팅 시스템(multi-layered coating system)에 관한 것이다. 특히, 본 내용은 적외선 전자파를 반사하기 위한 다중층 코팅 시스템(또는 다중층 필름 구조(multi-layered film structure))으로서, 다중층 코팅 시스템의 각 층이 불규칙하게 분포되고 적절하게 분리된(well separated) 복수의 구형 미립자들(particulates) 및 복수의 구형 공동들(voids)과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 필러(filler) 물질을 포함하는 다중층 코팅 시스템에 관한 것이다.
인류가 만든 에너지의 대부분은 난방과 냉방에 사용된다. 예컨대, 여름에는 흔히 전기 요금의 대부분이 실내 온도를 낮게 유지하기 위해 에어컨을 작동시키는데 사용되는 에너지와 관련이 있는 반면에, 겨울에는 실내를 따뜻하게 유지하기 위해 히터를 작동시키는데 에너지를 사용한다. 난방 및 냉방에 낭비된 에너지의 대부분은 열 손실에 대한 열악한 절연에 기인할 수 있다. 내열(heat resistant) 페인트에 관한 종래 기술에서는, 통상의 페인트가 미립자들 및 공동들과 혼합됨으로써 내열 페인트로 변환되게 된다. 다른 유사한 종래 기술에서는, 콜로이드 입자들(colloidal particles)이 적외선 전자파를 차단하기 위해 창유리나 유리와 같은 기판 상에 적용되는 막-형성 물질과 혼합된다.
열 차단 기술에 관한 종래 기술 중 하나의 범주는 내열 페이트에 관한 것이다. 미국 특허 제4623390호에서는, 직접적인 열 전도도를 줄이기 위해 통상의 페인트에 유리 마이크로스피어들(glass microspheres) 또는 중공 유리 연장제들(hollow glass extenders)이 혼합되는데, 이들은 열 손실에 대한 절연을 크게 개선시킨다. 일 실시례에서는, 대략 50 마이크론(micron)에서 150 마이크론까지의 범위의 직경을 갖는 유리 마이크로스피어들이 통상의 페인트에 혼합되는 반면에, 다른 실시례에서는, 대략 100 마이크론의 직경을 갖는 유리 마이크로스피어들이 통상의 페인트에 혼합된다. 그 외에는 미국 특허 제4623390호는 본 발명에서 논의되는 다중층 코팅 구조에 관한 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제8287998B2호에서는, 평균 입자 크기가 0.5 마이크론과 150 마이크론 사이인 유리 마이크로스피어들, 세라믹 마이크로스피어들 및 유기 폴리머(organic polymer) 마이크로스피어들로부터 선택된 중공의 마이크로스피어들이 직접적인 열 전도도(thermal conductivity)를 줄이기 위해 통상의 페인트에 혼합되어 있다. 나아가, 미국 특허 제8287998B2호는 또한 방사 열 전달(radiative heat transfers)과 관련된 열 전도도를 줄이기 위해 통상의 페인트 혼합물에 적외선 반사 안료 물질들(pigment materials)을 포함시키고 있다. 그 외에는 미국 특허 제8287998B2호는 본 발명에서 논의되는 다중층 코팅 구조의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2010/0203336A1호에서는, 태양 반사 루핑 과립(solar reflective roofing granule)이 개시되어 있다. 일 실시례에서는, 태양 반사 과립은 세라믹 입자들을 소결(sinter)함으로써 형성되는데, 소결된 세라믹 입자들은 태양 반사 입자들로 코팅되어 있다. 그 외에는 미국 특허 제2010/0203336A1호는 본 내용에서 커버하는 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2013/0108873A1호에서는, 루핑 과립(roofing granule) 형성 입자가 근적외선 방사(near infrared radiation)를 반사하는 나노입자층으로 코팅되어 있다. 유사하게, 미국 특허 제2013/0161578A1호에서는, 루핑 과립이 자연적으로 발생하는 공동들(voids)(또는 결함들(defects))을 갖는 적외선 반사 불활성 미네랄 코어 입자(infrared reflecting inert mineral core particle)로부터 형성된다. 그 외에는 미국 특허 제2013/0108873A1호와 미국 특허 제2013/0161578A1호는 본 내용에서 언급하는 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2008/0035021A1호에서는, 알루미늄 인산염 중공 마이크로스피어들을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 미국 특허는 또한 열 손실에 대한 절연을 개선하기 위해 그러한 미립자들을 어떻게 사용할 것인지를 나타내고 있다. 그 외에는 미국 특허 제2008/0035021A1호는 본 발명에 의해 커버되는 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에도 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2007/0298242A1호에서는, 광파(optical waves)를 필터링하기 위한 렌즈가 개시되어 있으며, 그 렌즈 표면에는 박막층을 구비하는 금속 나노미립자들이 형성되어 있는 것이 개시되어 있다. 그 외에는 미국 특허 제2007/0298242A1호는 본 내용에서 논의된 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2007/0036985A1호에서는, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 미세 미립자들이 적외선파들(infrared waves)을 반사하는 박막층을 형성하기 위해 막-형성 혼합물과 섞여 있다. 그 외에는 미국 특허 제2007/0036985A1호는 본 발명에서 나타내고 있는 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
미국 특허 제2013/0266800A1호에서는, 알루미늄 도핑 아연 산화물(aluminum doped zinc oxide, AZO) 나노크리스탈들(nanocrystals)을 준비하는 방법이 개시되어 있다. 더욱이, 이 특허에는 AZO 나노-미립자들을 사용하여 적외선파들을 반사하는 박막 구조가 개시되어 있다. 그 외에는 미국 특허 제2013/0266800A1호는 본 내용에서 논의된 다중층 코팅 구조들의 어떠한 측면에 대해서도 논의하고 있지 않다.
본 발명은 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호와 특히 유사한데, 여기서는 적외선 전자파들을 반사하기 위해 콜로이드 입자들을 사용하는 다중층 박막 구조들이 개시되어 있다. 그러나, 본 발명과 이러한 종래 기술들과의 사이에는 기본적으로 명백한 차이점들이 있다. 그 차이점들은 다음과 같이 요약된다.
미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호의 세부사항들은 다음과 같다:
1. 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호에서는, 다중층 구조의 각 층에 있어서 미립자들이 규칙적인 격자간 거리(lattice spacing)로 배열되어 있다.
a) 이는 필수조건이다. 이것이 없다면, 모든 작동 원리는, 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호에 설명되어 있는 바와 같이, 실패하게 된다.
b) 그러한 종래 기술은 광결정들(photonic crystals)로 분류될 수 있다.
2. 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호는 적외선파 반사를 설명하기 위한 브래그의 법칙에 의거하게 된다.
a) 브래그의 법칙의 프레임 워크(frame work) 내에서는, 격자 상수(또는 격자간 거리)가 반사파들의 파장을 결정한다.
b) 이는 광결정들의 전형적인 특성이다.
3. 가시광 파장들이 고도로 투과되도록 하기 위해서, 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호는 다음 제한들을 필요로 한다:
a) 미립자들의 굴절률과 미립자들 사이의 공간에 개재되는 필러(filler) 물질의 굴절률은 거의 일치하여야 한다.
b) 필러 물질의 굴절률과 미립자들의 굴절률 사이의 차이는 0.05보다 작거나 동일하다. 즉, 만일 nm = 1.5가 필러 물질의 굴절률이라고 하면, 미립자들은 |nm - np| ≤ 0.05가 되도록 np = 1.45와 np = 1.55 사이의 굴절률들을 갖는 물질들로부터 선택되어야 한다.
c) 위와 같은 제한들로 인해 알루미늄, 크롬, 코발트, 구리, 금, 이리듐(iridium), 리튬, 몰리브덴, 니켈, 오스뮴(osmium), 팔라듐, 백금, 로듐(rhodium), 은, 탄탈륨(tantalum), 티타늄, 텅스텐 및 바나듐을 포함하는 금속 미립자들의 사용이 제한된다. 반면에, 그 산화물의 대부분은 np = 1.45와 np = 1.55 사이의 굴절률을 갖고 있어서 미립자로 사용될 수 있다.
4. 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호에서는, 적외선 반사가 도래파(incoming wave)의 입사각, 광결정들의 일반적인 특성 및 브래그의 법칙의 결과에 크게 의존하게 된다.
본 발명의 세부사항은 다음과 같다:
1. 본 발명에 있어서, 미립자들은 다중층 코팅 시스템의 각 층에 불규칙하게 분포되어 있다.
2. 본 발명은 적외선파 반사를 설명하기 위한 미이 산란 이론(Mie scattering theory)에 의존한다.
3. 본 발명에 있어서, 미립자들은 도전체들로부터 적절하게 선택된다. 미국 특허 제7760424B2호와 미국 특허 제8009351B2호의 경우와 달리, 필러 물질과 불규칙하게 분포된 미립자들은 거의 동일한 굴절률들을 가질 필요가 없다.
4. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시례에 있어서는, 다중층 코팅 시스템의 각 층에서 불규칙하게 분포된 미립자들과 함께 불규칙하게 분포된 공동들도 존재하게 된다.
5. 본 발명에 있어서, 적외선 반사는 도래파의 입사각, (불규칙하게 분포된 공동들을 갖거나 또는 갖지 않는) 불규칙하게 분포된 미립자들과 관련된 시스템의 일반적인 특성들에 대해 의존하지 않는다.
이와 같은 세부사항들의 명백한 차이점들이 미국 특허 제7760424B2호 및 미국 특허 제8009351B2호로부터 본 발명을 명확하게 구별짓게 한다.
참고로, 양자점(quantum dot) 기술들에 관한 종래 기술로 미국 특허 제8362684B2호, 미국 특허 제8395042B2호, 미국 특허 제2013/0003163A1호 및 미국 특허 제2013/0207073A1호가 있다. 비록 이러한 종래 기술은 기술적으로 본 발명과 관련이 없다고 하더라도, 다중층 코팅 시스템의 각 층에서의 미립자들의 분포와 현저한 유사점들이 있다. 반면에, 본 내용과 양자점 기술에 관한 위 종래 기술은 기본적으로 다른 물리학에 기초하고 있으며 양자는 동일한 것으로 간주되어서는 않된다.
본 발명의 주요 목적은 적외선을 반사함으로써 열 손실에 대한 절연성을 향상시키는 다중층 코팅 시스템을 제공하는 것이다.
특정한 범위의 파장들의 전자파들은 선택적으로 반사하고 그 특정한 범위 이외의 파장들을 갖는 전자파들은 투과시키는 다중층 코팅 시스템이 개시된다. 개시된 다중층 코팅 시스템은 서브코팅층들(subcoated layers)의 다중층들과 관련되며, 각 서브코팅층은 그 내부에 불규칙하게 분포되어 적절하게 분리된(well separated) 복수의 구형 미립자들과 적절하게 분리된 복수의 구형 공동들을 구비한다. 개시된 다중층 코팅 시스템에서 전자기파 파장들의 선택적인 필터링은 서브코팅층들의 특정한 배열에 의존하며 각 서브코팅층은 고유한 직경 크기들을 갖는 구형 미립자들과 구형 공동들에 의해 특징지워진다.
여기서 개시된 다중층 코팅 시스템은 모든 유형의 직물들뿐만 아니라, 자동차, 주택 및 빌딩(벽, 창유리, 지붕 등), 송유관, 가스관, 수도관, 가구, 종이, 전자기기 및 다양한 집안 물품 및 기구 등을 포함하는, 코팅될 수 있는 어떠한 표면들에도 쉽게 적용될 수 있다.
이하에서 다양한 예시적인 실시례들을 요약한다.
예시적인 제1 실시례에 있어서는, 기판 상에 제1 층이 위치하고, 제1 층 상에 제2 층이 위치하며, 제2 층 상에 제3 층이 위치하고, 제3 층 상에 제4 층이 위치하는, 다중층의 서브코팅들을 구비하는 코팅 시스템이 제공된다. 제1 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 a1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제2 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 a2 > a1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제3 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 a3 > a2의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제4 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 a4 > a3의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다.
예시적인 제2 실시례에 있어서는, 기판 상에 제1 층이 위치하고, 제1 층 상에 제2 층이 위치하며, 제2 층 상에 제3 층이 위치하고, 제3 층 상에 제4 층이 위치하는, 다중층의 서브코팅들을 구비하는 코팅 시스템이 제공된다. 제1 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 a1의 복수의 구형 미립자들 및 적절하게 분리된 반경 b1 > a1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제2 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 a2 > a1의 복수의 구형 미립자들 및 반경 b2(여기서, b2 > a2 및 b2 > b1)의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제3 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 a3 > a2의 복수의 구형 미립자들 및 반경 b3(여기서, b3 > a3 및 b3 > b2)의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 그리고 제4 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 a4 > a3의 복수의 구형 미립자들 및 반경 b4(여기서, b4 > a4 및 b4 > b3)의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다.
예시적인 제3 실시례에 있어서는, 기판 상에 제1 층이 위치하고, 제1 층 상에 제2 층이 위치하며, 제2 층 상에 제3 층이 위치하고, 제3 층 상에 제4 층이 위치하는, 다중층의 서브코팅들을 구비하는 코팅 시스템이 제공된다. 제1 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제2 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n2 > n1의 필러 물질을 포함한다. 제3 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n3 > n2의 필러 물질을 포함한다. 그리고 제4 층은 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n4 > n3의 필러 물질을 포함한다.
예시적인 제4 실시례에 있어서는, 기판 상에 제1 층이 위치하고, 제1 층 상에 제2 층이 위치하며, 제2 층 상에 제3 층이 위치하고, 제3 층 상에 제4 층이 위치하는, 다중층의 서브코팅들을 구비하는 코팅 시스템이 제공된다. 제1 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들 및 적절하게 분리된 반경 c2 > c1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함한다. 제2 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들 및 반경 c2 > c1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n2 > n1의 필러 물질을 포함한다. 제3 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들 및 반경 c2 > c1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n3 > n2의 필러 물질을 포함한다. 그리고 제4 층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 c1의 복수의 구형 미립자들 및 반경 c2 > c1의 복수의 구형 공동들과, 상기 구형 미립자들과 구형 공동들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n4 > n3의 필러 물질을 포함한다.
기판용 물질들은 전도성 물질들, 유전체 물질들, 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 반도체 물질들, 고분자 물질들(polymeric materials) 및 직물들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
필러 물질들은 유전체 물질들, 세라믹 물질들, 복합체 물질들(복합 혼합물들) 및 고분자 물질들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
각 구형 미립자용 물질들은 전도성 물질들, 유전체 물질들 및 세라믹 물질들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
각 구형 미립자는 단단한 물질, 중공 도전성 쉘(shell), 전도성 쉘로 둘러싸인 유전체 코어 또는 유전체 쉘로 둘러싸인 전도성 코어로 형성될 수 있다.
각 구형 공동은 중공 유전체 쉘로 형성될 수 있으며, 그 캐비티(cavity)는 기체로 채워져 있을 수 있거나 비어 있을 수 있다.
다중층 코팅 시스템에서 각 층은 0.01 마이크론에서 10,000 마이크론까지의 범위의 두께를 갖는다.
각 구형 미립자는 0.001 마이크론에서 250 마이크론까지의 범위의 반경을 갖는다.
각 구형 공동은 0.002 마이크론에서 500 마이크론까지의 범위의 캐비티 반경을 갖는다.
예시적인 제5 및 제6 실시례에 있어서는, 전술한 실시례들(예시적인 제1, 제2, 제3 및 제4 실시례)에 나타나 있는 다중층 코팅 시스템이 제1 전극과 제2 전극 사이에 끼여 있으며, 제1 전극에 제1 전압이 인가되고 제2 전극에 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가된다.
전극들은 평면 도전체들로 형성되며, 그 도전체들은 관심을 갖는 적외선 파장을 투과시키고 광학적으로도 투명한 물질들로부터 선택된다.
전극들은 도전체들로 형성되며, 그 도전체들은 격자무늬(grid)나 격자구조들(grating structures) 또는 구멍들(holes)이나 사각형들(squares) 등의 배열과 같은 더 복잡한 패턴들을 갖도록 패턴화된다. 관심을 갖는 적외선 파장들과 가시광은 패턴화된 전극들의 개구들을 통해 투과된다.
전극들이 패턴화된 경우에는, 전극들용 전도성 물질들은 광학적으로 투명하거나 관심을 갖는 적외선 파장들을 투과시키는 전도성 물질들로 제한되는 것은 아니며 어떠한 전도성 물질들도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 다중층 코팅 시스템에 의하면 적외선을 반사함으로써 열 손실에 대한 절연성을 향상시킬수 있는 효과를 얻는다.
본 발명을 더욱 완전하게 이해하기 위해서, 다음 설명과 첨부 도면들에 도면 부호가 부가되어 있으며, 첨부 도면들에서,
도 1은 본 발명에 따른 다중층 코팅 시스템의 개략적인 도면을 나타내고;
도 2는 본 발명에 따른 다중층 코팅 시스템의 일련의 실시례들을 나타내는 것으로서, 도 1의 AB선에 따른 횡단면도들을 나타내며;
도 3은 본 발명에 따른 다중층 코팅 시스템의 다른 일련의 실시례들을 나타내는 것으로서, 도 1의 AB선에 따른 횡단면도들을 나타내고;
도 4는 특정한 범위의 파장들에서 전자기 방사선을 선택적으로 차단(또는 반사)하고 나머지는 투과시키는 예시적인 작용을 나타내는 도면이고;
도 5는 다중층 코팅 시스템이 온수(hot water)를 함유하는 파이프에 적용되는 두 가지 경우들을 나타내고;
도 6은 (Qext, Qbac, ΔQ = Qbac - Qext) 대 파장의 그래프로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 300 nm의 알루미늄 구형 미립자가 전자기 방사선으로 조사되는 것을 나타내고;
도 7은 도 6의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 300 nm의 알루미늄 구형 미립자가 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 8은 도 6의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 300 nm의 알루미늄 구형 미립자가 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 9는 (Qext, Qbac, ΔQ = Qbac - Qext) 대 파장의 그래프로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 100 nm의 알루미늄 구형 미립자가 전자기 방사선으로 조사되는 것을 나타내고;
도 10은 도 9의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 100 nm의 알루미늄 구형 미립자가 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 11은 도 9의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 100 nm의 알루미늄 구형 미립자가 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 12는 ΔQ = Qbac - Qext 대 파장의 그래프로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 알루미늄 구형 미립자가 전자기 방사선으로 조사되는 것을 나타내고;
도 13은 ΔQ = Qbac - Qext 대 파장의 그래프로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 구형 공동이 전자기 방사선으로 조사되는 것을 나타내고;
도 14는 도 13의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 200 nm의 구형 공동이 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 15는 도 13의 경우에 상응하는 산란된 방사선의 극 좌표 모습을 나타내는 것으로서, 굴절률 n = 1.4962를 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 200 nm의 구형 공동이 왼쪽으로부터 조사되는 것을 나타내고;
도 16은 ΔQ = Qbac - Qext 대 파장의 그래프로서, 굴절률 n을 갖는 매질(필러 물질)에 매립된 반경 a = 200 nm의 알루미늄 구형 미립자가 전자기 방사선으로 조사되는 것을 나타내고;
도 17은 (A) 정방형 격자 및 (B) 그 제조 과정을 나타내며;
도 18은 본 발명에 따른 다중층 코팅 시스템에 기초한 활성 전자기 파장 필터의 일련의 실시례들을 나타내는 것으로서, 도 1의 AB선을 따른 횡단면도들을 나타낸다.
다양한 예시적인 실시례들을 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명하며, 예시적인 실시례들의 일부는 전체적으로 유사한 요소들을 나타내는 유사한 도면 부호들을 갖도록 나타나 있다. 예시적인 실시례들은 여기서 개시되는 특정한 형태들로 한정하고자 의도한 것은 아니며, 이러한 예시적인 실시례들은 본 내용의 여러 측면들을 설명하기 위해 도면들을 참조하여 제공된 것에 불과하다. 여기서 예시적인 실시례들은 본 내용의 범위 내에 속하는 모든 수정들(modifications), 균등물들(equivalents) 및 대안들(alternatives)을 커버한다.
도면들에 있어서, 층들의 두께들, 영역들, 구형 미립자들과 구형 공동들의 크기들은 명확성을 위해 과장될 수 있으며, 도면들의 설명 전체에 있어서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 언급한다. 여기서 예시적인 실시례들은 이상적인 실시례들의 횡단면도를 참조하여 설명된다. 따라서 예시적인 실시례들에서 특정한 형상들이나 영역들은 그 예시적인 실시례들에 나타나 있는 특정한 형상들이나 영역들에 한정되는 것으로 해석되어서는 않되며, 그러한 형상들이나 영역들은 제조상의 오차들에 기인한 파생물들을 포함할 수 있다. 예컨대, 예시적인 실시례에서 구형 미립자는 실제 장치에서는 이상적인 구로부터 약간 벗어나는 타원체 형상을 갖는 미립자로 나타날 수 있다.
설명 전체에 있어서, '제1 층', 제2 층', '제3 층', '제4 층' 등과 같은 용어들은 예시적인 실시례들에서 특정한 층들을 언급하기 위해 사용된다. 균등하게, '층 1', '층 2', '층 3, '층 4' 등과 같은 용어들이 더 적절할 때마다 대신해서 사용될 것이다.
예시적인 실시례들을 더욱 특정해서 설명하기 위해, 다양한 측면들이 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 설명되는 예시적인 실시례들에 한정되지 않는다.
도 1의 도면 부호 '900'으로 나타나 있는 것은 본 내용에 개시된 코팅 시스템의 개요이다. 도 2에 나타나 있는 것은 예시적인 제1 실시례(100)로서, 기판(10) 상에 위치하는 제1 층(101), 제1 층(101) 상에 위치하는 제2 층(102), 제2 층(102) 상에 위치하는 제3 층(103), 제3 층(103) 상에 제4 층(104)을 구비한다. 예시적인 제1 실시례(100)는 AB선을 따라 취해진 코팅 시스템(900)의 단면도이다.
단지 네 개의 서브코팅층들이 예시적인 제1 실시례(100)(또는 코팅 시스템(900))에 나타나 있더라도, 다중층 코팅 시스템에서 서브코팅층들의 수에는 제한이 없다. 그러나, 간결하게 나타내기 위하여, 예시적인 실시례들에서는 단지 네 개의 서브코팅층들만을 갖는 다중층 코팅 시스템이 고려되어 있다.
도 2의 바람직한 실시례(100)에 있어서는, 각 서브코팅층(101, 102, 103, 104)이 다른 서브코팅층들에 대한 구형 미립자들의 크기 분포의 차이들을 강조하기 위해 서로 다른 수준의 두께를 갖는 것으로 나타나 있다. 반면에, 각 서브코팅층은 최소한 구형 미립자를 함유하기에 충분히 두꺼워야 한다는 것을 제외하고는 각 서브코팅층이 얼마나 두꺼워야 하는가에는 제한이 없다. 간단히 말하면, 각 서브코팅층은 적어도 그것이 함유하는 구형 미립자의 직경과 같은 두께를 갖고 있어야 한다.
예시적인 실시례(100)에서뿐만 아니라, 후술하는 예시적인 실시례들에 있어서는, 서브코팅층들의 각각의 구형 미립자들은 무질서한(불규칙한) 배열을 갖도록 나타나 있다. 본 내용에서는 각 서브코팅층들의 구형 미립자들이 결정 구조들 및 광결정들의 격자 배열들과 같은 질서정연한 패턴의 배열을 갖는 것을 방지하기 위한 작용들이 나타나 있지 않더라도, 미립자들뿐만 아니라, 존재하는 어떠한 공동들도 각 서브코팅층들에서 불규칙하게 분포되어 있는 것이 바람직하다. 그 이유는 단순하다. 구형 미립자들이 질서정연한 패턴으로 배열되어 있을 때(즉, 미립자들이 규정된 격자간 거리로 배열되어 있을 때)에는, 전자기 반사들이 브래그의 법칙에 따라 격자 상수에 의해 결정되는 완전히 불연속적인 일련의 파장값들에서 발생하게 된다. 그러한 특성이 여러 적용제품들을 조율하기 위해서 단지 불연속적인 파장값들만을 선택하는 곳에서는 이상적이라고 하더라도, 본 발명이 목표로 하는 종류의 적용제품들에는 적합하지 않다. 예컨대, 대부분의 열 에너지를 설명하는 전자기 스펙트럼의 적외선부는 파장이 0.7 마이크론에서 대략 1,000 마이크론까지 연장된다. 성공적인 열 차단 작용을 위해서는, 광범위한 파장들을 커버하는 적외선 전자기 에너지들을 반사시킬 필요가 있다. 그러한 작용들은, 브래그의 법칙에 따라 격자 상수에 의해 결정되는 완전히 불연속적인 일련의 파장들에서 단지 선택적으로만 반사시키도록 정열되어 있는 것과 같이, 구형 미립자들이 규칙적인 격자간 거리로 배열되어 있는 것으로는 달성될 수 없다. 그러나 구형 미립자들이 불규칙하게 분포되어 있을 때에는, 적외선 전자기 반사들이, 비록 그 정도가 불완전하더라도, 광범위한 파장에 대해 일어나게 되는데, 이는 성공적인 열 차단 작용에는 바람직한 특성이다.
여기서 개시된 다중층 코팅 시스템은 어떠한 표면들에 관해서도 직접 적용될 수 있다. 이들은 주택들, 가정용 기기들, 창문들, 자동차들, 직물들, 의류들, 종이들, 전자 제품들, 세라믹 제품들 등에 발견되는 표면들을 포함한다. 따라서, 만일 도면 부호 '100'이 벽에 적용되는 코팅 시스템(페인트)의 횡단면도를 나타낸다고 하면, 기판(10)은 벽을 나타내고; 반면에 도면 부호 '100'이 직물에 적용되는 코팅 시스템의 횡단면도를 나타낸다고 하면, 기판(10)은 직물을 나타내며; 만일 도면 부호 '100'이 창유리에 적용되는 코팅 시스템의 횡단면도를 나타낸다고 하면, 기판(10)은 유리를 나타낸다.
기판(10)용 물질들은 전도성 물질들, 유전체 물질들, 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 반도체 물질들, 고분자 물질들 및 직물들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 여기서, 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 고분자 물질들 및 직물들은 마치 이들이 전도성 물질들, 유전체 물질들 또는 반도체 물질들과 다른 물질들인 것처럼 언급되어 있다. 오해가 생길 수 있는 소지를 없애기 위하여, 모든 물질들은 전도성 물질들, 유전체 물질들 및 반도체 물질들의 세 가지 물질들로 분류될 수 있다. 이제 물질의 실제 성분들에 따라, 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 고분자 물질들 및 직물들의 각각은 전도성 물질들, 유전체 물질들 또는 반도체 물질들로 분류될 수 있다. 그렇긴 하지만, 예컨대, '유전체 물질' 또는 '유전체'라는 용어가 설명에서 언급될 때마다, 그 용어는 유전체 물질로 분류되는 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 고분자 물질들 또는 직물들도 포함하는, 유전체의 성질을 갖는 모든 물질들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 유사하게, '전도성 물질' 또는 '도전체'라는 용어가 설명에서 언급될 때마다, 그 용어는 전도성 물질로 분류되는 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 고분자 물질들 또는 직물들도 포함하는, 도전체인 모든 물질들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 그리고, '반도체 물질' 또는 '반도체'라는 용어가 설명에서 언급될 때마다, 그 용어는 반도체 물질로 분류되는 세라믹 물질들, 복합체 물질들, 고분자 물질들 또는 직물들도 포함하는, 반도체인 모든 물질들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
기판(10)을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 전도성 물질들의 목록에는 알루미늄, 크롬, 코발트, 구리, 금, 이리듐, 리튬, 몰리브덴, 니켈, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 그 합금(예컨대, 알루미늄-구리 및 강철) 및 그 혼합물이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 기판(10)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 복합체 물질들의 목록에는 콘크리트, 아스팔트-콘크리트, 섬유-강화 폴리머들(fibre-reinforced polymers), 카본-섬유 강화 플라스틱들, 유리-강화 플라스틱들, 강화 고무들, 적층 합판들(laminated woods), 합판(plywood), 종이, 섬유 유리들, 벽돌 및 다양한 복합체 유리들이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 기판(10)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 고분자 물질들의 목록에는 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리 다이아세틸렌(poly-diacetylene), 폴리에폭사이드(polyepoxide), 폴리에테르(polyether), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리이미다졸(polyimidazole), 폴리이미드(polyimide), 폴리메칠아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메칠메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리펩타이드(polypeptide), 폴리페닐렌-비닐렌(polyphenylene-vinylene), 폴리인산염(polyphosphate), 폴리피롤(Polypyrrole), 다당류(polysaccharide), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리설폰(polysulfone), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐(polyvinyl) 등과 같은 것이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 기판(10)은 또한 아가로스(agarose), 셀룰로스(cellulose), 에폭시(epoxy), 하이드로겔(hydrogel), 실리카겔(silica gel), 실리카 글라스(silica glass), 실록산(siloxane) 등과 같은 다른 고분자 물질들로부터 형성될 수 있다. 기판(10)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 직물들의 목록에는 동물성 직물들(animal textiles), 식물성 직물들(plant textiles), 광물성 직물들(mineral textiles), 합성 직물들(synthetic textiles) 및 그 조합들이 포함된다.
도면 부호 '100'에서 각 서브코팅층은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 반경 a의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n의 필러 물질을 포함한다. 예시적인 실시례(100)에 있어서, 서브코팅층(101)은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 복수의 구형 미립자들(11)과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 필러 물질(51)을 포함하고; 서브코팅층(102)은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 복수의 구형 미립자들(12)과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 필러 물질(52)을 포함하며; 서브코팅층(103)은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 복수의 구형 미립자들(13)과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 필러 물질(53)을 포함하고; 서브코팅층(104)은 불규칙하게 분포되어 있으며 적절하게 분리된 복수의 구형 미립자들(14)과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 필러 물질(54)을 포함한다. 도면 부호 '100'의 경우에는, 필러 물질들(51, 52, 53, 54)에 대한 굴절률들이 동일하다. 그리고, 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)의 직경들은 d11 < d12 < d13 < d14이며, 여기서 d11, d12, d13 및 d14는 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)에 대한 각각의 직경이다.
필러 물질들(51, 52, 53, 54)은 유전체 물질들, 세라믹 물질들, 복합체 물질들(복합체 혼합물들) 및 고분자 물질들로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이들 목록에는 페인트, 점토(clay), 접착제(glue), 시멘트, 아스팔트, 고분자 물질들, 젤라틴, 유리들(glasses), 수지들(resins), 바인더들(binders), 산화물들 및 그 조합들이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 복합체 물질들의 목록에는 페인트, 점토, 접착제, 시멘트 등이 포함된다. 고분자 물질들의 목록에는 아가로스(agarose), 셀룰로스(cellulose), 에폭시(epoxy), 하이드로겔(hydrogel), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리 다이아세틸렌(poly-diacetylene), 폴리에폭사이드(polyepoxide), 폴리에테르(polyether), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리이미다졸(polyimidazole), 폴리이미드(polyimide), 폴리메칠아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메칠메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리펩타이드(polypeptide), 폴리페닐렌-비닐렌(polyphenylene-vinylene), 폴리인산염(polyphosphate), 폴리피롤(Polypyrrole), 다당류(polysaccharide), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리설폰(polysulfone), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐(polyvinyl) 등이 포함된다. 필러 물질들(51, 52, 53, 54)은 아가로스(agarose), 셀룰로스(cellulose), 에폭시(epoxy), 하이드로겔(hydrogel), 실리카겔(silica gel), 실리카 글라스(silica glass), 실록산(siloxane) 등과 같은 다른 고분자 물질들로부터도 형성될 수 있다. 다양한 수지들에는 아크릴(acrylic)과 같은 합성 수지들과 매스틱(mastic)과 같은 식물성 수지들이 포함된다. 유전체 물질들에 기초한 산화물의 목록에는 산화알루미늄, 산화베릴륨(beryllium oxide), 산화구리(I)(copper(I) oxide), 산화구리(II)(copper(II) oxide), 산화디스프로슘(dysprosium oxide), 산화하프늄(IV)(hafnium(IV) oxide), 산화루테튬(lutetium oxide), 산화마그네슘, 산화스칸듐(scandium oxide), 일산화규소(silicon monoxide), 이산화규소(silicon dioxide), 오산화탄탈럼(tantalum pentoxide), 이산화텔루륨(tellurium dioxide), 이산화티타늄(titanium dioxide), 이산화이트륨(yttrium oxide), 산화이테르븀(ytterbium oxide), 산화아연(zinc oxide), 이산화지르코늄(zirconium dioxide)과 같은 것이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다.
구형 미립자들(11, 12, 13, 14)용 물질들은 전도성 물질들, 유전체 물질들 및 반도체 물질들로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 전도성 물질들의 목록에는 알루미늄, 크롬, 코발트, 구리, 금, 이리듐(iridium), 리튬(lithium), 몰리브덴(molybdenum), 니켈, 오스뮴(osmium), 팔라듐(palladium), 백금(platinum), 로듐(rhodium), 은, 탄탈럼(tantalum), 티타늄(titanium), 텅스텐(tungsten), 바나듐(vanadium), 그 합금(예컨대, 알루미늄-구리 및 강철) 및 그 혼합물이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)은 또한 코어-쉘(core-shell) 구조의 구형 미립자들과 같은 복합체로 형성될 수도 있는데, 여기서 전도성 코어는 절연성 쉘로 둘러싸여 있거나 또는 그 반대로(절연체 코어나 캐비티(cavity)가 전도성 쉘로 둘러싸여 있도록) 되어 있다. 큰 굴절률들을 갖는 유전체 물질들 또는 반도체 물질들도 또한 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)로 선택될 수 있지만, 전도성 물질들을 선택하는 것이 바람직하다.
도 2의 예시적인 실시례(200)는 예시적인 실시례(100)의 변형이며, 그 실시례에서는 불규칙하게 분포된 구형 공동들이 서브코팅층들(201, 202, 203, 204)에 도입되어 있다. 예시적인 실시례(200)에 있어서는, 서로 다른 서브코팅층들에 있는 구형 공동들의 직경들이 d21 < d22 < d23 < d24를 충족하며, 여기서 d21, d22, d23 및 d24는 각각 구형 공동들(21, 22, 23, 24)에 대한 직경들이다. 예시적인 실시례(100)에서와 동일하게, 서로 다른 서브코팅층들에 있는 구형 미립자들의 직경들은 d11 < d12 < d13 < d14를 충족한다. 그리고, 구형 미립자들과 구형 공동들의 직경들은 d11 < d21, d12 < d22, d13 < d23 및 d14 < d24의 관계에 있다.
불규칙하게 분포된 구형 공동들의 수가 매우 크고 각 공동들의 직경이 매우 작은 한계점에 있어서는, 예시적인 실시례(200)의 다중층 코팅 시스템에서 각 서브코팅층들은 불규칙하게 분포된 구형 미립자들을 구비하는 에어로젤 구조(aerogel structure)가 된다. 에어로젤은 합성 다공성 물질이다.
구형 공동들(21, 22, 23, 24)은 기체로 채워질 수 있는 중공 유전체 쉘들(hollow dielectric shells)로 형성될 수 있다.
예시적인 실시례들(100, 200)에 있어서뿐만 아니라, 다른 실시례들에 있어서, 각 서브코팅층의 구형 미립자들은 하나의 일치된 직경 크기를 갖도록 나타나 있다. 예컨대, 서브코팅층(101)에서 구형 미립자(11)는 d11의 직경 크기를 갖는다. 실제로는, 동일한 직경 크기를 갖는 두 개의 서로 다른 구형 미립자들을 제조하는 것은 불가능하지는 않지만 극히 어렵다. 그러므로, 직경들 d11, d12, d13 및 d14는 평균 직경들로 해석되어야 하며, d11은 복수의 구형 미립자(11)에 대한 평균 직경 크기이고, d12는 복수의 구형 미립자(12)에 대한 평균 직경 크기이며, d13은 복수의 구형 미립자(13)에 대한 평균 직경 크기이고, d14는 복수의 구형 미립자(14)에 대한 평균 직경 크기이다. 마찬가지로, 예시적인 실시례(200)에서 구형 공동들에 대한 직경들도 평균 직경들로 해석되어야 한다. 예컨대, d21은 복수의 구형 공동(21)에 대한 평균 직경 크기이고, d22는 복수의 구형 공동(22)에 대한 평균 직경 크기이며, d23은 복수의 구형 공동(23)에 대한 평균 직경 크기이고, d24는 복수의 구형 공동(24)에 대한 평균 직경 크기이다.
도 3의 다른 예시적인 실시례(300)에 있어서는, 하나의 직경 크기의 구형 미립자들이 서로 다른 서브코팅층들(301, 302, 303, 304)을 가로질러 불규칙하게 분포되어 있으며, 각 서브코팅층들은 서로 다른 굴절률들을 갖는다. 다른 예시적인 실시례(300)의 3차원적인 개략도는 도 1의 도면 부호 '900'으로부터 층들(101, 102, 103, 104)을 각각 층들(301, 302, 303, 304)과 동일시함으로써 가시화될 수 있다. 그와 관련하여, 예시적인 실시례(300)는 AB선을 따르는 도면 부호 '900'의 횡단면도를 나타낸다. 예시적인 실시례(300)에 있어서 서로 다른 서브코팅층들에 대한 굴절률들은 n61 < n62 < n63 < n64를 충족하며, n61, n62, n63 및 n64는 각각 필러 물질들(61, 62, 63, 64)에 대한 굴절률을 나타낸다.
필러 물질들(61, 62, 63, 64)은 필러 물질들(51, 52, 53, 54)에 대한 목록의 물질들에서 선택될 수 있다.
구형 미립자(15)용 물질들은 구형 미립자들(11, 12, 13, 14)에 대한 목록의 물질들에서 선택될 수 있다.
도 3의 예시적인 실시례(400)는 예시적인 실시례(300)의 변형이며, 그 실시례에서는 불규칙하게 분포된 구형 공동들도 서브코팅층들(401, 402, 403, 404)에 존재한다. 예시적인 실시례(300)의 경우에서와 같이, 서브코팅층들에 대한 굴절률들은 n61 < n62 < n63 < n64를 충족한다. 그러나, 구형 공동들의 직경은 구형 미립자(15)의 직경보다 더 크게 되도록 선택된다. 예시적인 실시례(400)에서 구형 미립자(15)와 구형 공동(25)의 직경들은 d15 < d25를 충족하며, d15와 d25는 각각 구형 미립자(15)와 구형 공동(25)의 직경들을 나타낸다.
구형 공동(25)용 물질들은 구형 공동들(21, 22, 23, 24)에 대한 목록의 물질들에서 선택될 수 있다.
비록 여기서는 실시례들(300, 400)이 바람직한 실시례들(100, 200)의 대안으로서 설명해 왔지만, 실시례들(300, 400)에 기초한 다중층 코팅 시스템은 서브코팅층들에 대한 서로 다른 굴절률들에 의거한 서로 다른 서브코팅층들의 경계면들에서 발생하는 내부 반사들을 겪게 된다. 그러한 내부 반사들은 불가피하게 다중층 코팅 시스템의 자기 가열(self-heating)을 야기하게 된다.
이하에서는 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시례들에 따른 다중층 코팅 시스템의 작용들을 상세히 설명한다.
도 4에는 물리적인(현실적인) 다중층 코팅 시스템(100)과 다른 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)에서 투과와 반사의 작용을 보여주는 개략적인 도면이 나타나 있다. 비록 도 4에 나타나 있는 투과와 반사 작용들이 물리적인 다중층 코팅 시스템에 비해 너무 이상적이라고 하더라도, 그것은 다중층 코팅 시스템에서 파장들이 어떻게 선택적으로 필터링되는가에 관한 간결한 설명을 제공해 준다. 추후 물리적 다중층 코팅 시스템도 또한 도 4에 나타나 있는 바와 균등한 특성들을 나타낸다는 것을 보이도록 한다. 이를 염두에 두면서, 이하에서 이상적인 다중층 코팅 시스템에서 투과와 반사의 작용에 관해 설명한다.
이상적인 다중층 코팅 시스템은 이상적인 서브코팅층들을 구비한다. 따라서 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)은 이상적인 서브코팅층들(101, 102, 103, 104)을 구비한다. 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)에서 투과와 반사의 작용들이 도 4에 나타나 있으며, 도면 부호 '501'은 이상적인 서브코팅층(101)과 관련된 투과와 반사의 작용을 설명하고 도면 부호 '504'는 이상적인 서브코팅층(104)에 대한 유사한 작용들을 설명한다. 나머지 두 개의 작용들의 설명도, 도 4에 명시적으로 표시되어 있지는 않지만, 이상적인 서브코팅층들(102, 103)과 쉽게 관련될 수 있다.
이상적인 서브코팅층(104)에 있어서는, 파장 λ의 입사 전자기파가 λ < λ4에 대해서는 완전히 투과되고, λ4 ≤ λ ≤ λc에 대해서는 완전히 반사되며, λ > λc에 대해서는 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 그러한 파장 필터 특성들을 갖는 서브코팅층들은 열 또는 적외선 전자기파들은 반사하고 가시광 스펙트럼과 방송 통신 산업에서 사용되는 파장들의 전자기파들은 투과하는 것이 매우 요구되는 창유리에 유용하게 적용된다.
서브코팅층에서 반사 영역의 폭은 한정되어 있다. 이상적인 서브코팅층(104)에 대하여는, 반사 영역의 폭은 Δλ = λc - λ4에 의해 주어진다. 일반적으로, 물리적인 서브코팅층은 반사 영역에 대해 매우 좁은 폭의 Δλ를 갖는다. 이러한 이유로, 단일 서브코팅층은, 종종 열 차단 적용제품들에서는, 적외선 스펙트럼의 원하지 않는 파장들을 전부 차단하기에 충분하지 않게 된다. 다행히, 서브코팅층의 반사 영역은 그 서브코팅층에 구비된 구형 미립자들의 직경들을 조절함으로써 파장 범위 내에서 변화될 수 있다. 이를 나타내기 위하여, 이상적인 서브코팅층(101)에서 투과와 반사의 작용들을 설명하는 도 4의 도면 부호 '501'을 참고한다. 도면 부호 '501'의 결과는 더 큰 직경 크기의 구형 미립자들에 대한 이상적인 서브코팅층(104)에서 투과 및 반사의 작용들을 설명하는 도면 부호 '504'의 결과와 비교될 수 있다. 양자를 비교하면, 도면 부호 '501'에서 반사 영역의 시작 지점은 λ = λ1에서 일어나게 되며, 여기서 λ4 > λ1이다. 그러한 도면 부호 '501'에서 반사 영역의 초기 지점의 변화는 서브코팅층(101)의 내부에 불규칙하게 분포된 더 작은 구형 미립자(11)에 따른 결과이다. 예시적인 실시례(100)에 있어서는, 서로 다른 서브코팅층들의 구형 미립자들의 직경들이 d11 < d12 < d13 < d14를 충족하고; 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)의 구형 미립자들의 그러한 배열은 도 4에 나타나 있는 투과 및 반사 작용들을 반영한다.
단일 서브코팅층은 그 반사 영역에 대한 한정된 폭의 Δλ로 인해 원하지 않는 파장들을 전부 반사하기에는 충분하지 않다. 그러나, 도면 부호 '101, 102, 103, 104'와 같은 서브코팅층들은 반사 영역에 대한 더 큰 실효적 폭의 (Δλ)eff를 갖는 다중층 코팅 시스템을 형성하도록 함께 적층될 수 있다. 예컨대, 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)은, 그 투과 및 반사 작용들이 도 4에 나타나 있으며, 그 반사 영역에 대해 (Δλ)eff = λc - λ1의 실효적 폭을 갖는다. 이상적인 다중층 코팅 시스템(100)에 있어서는, 서브코팅층(104)에 의해 반사되지 않는 원하지 않는 파장들의 어떠한 전자기파들도 그 다음의 서브코팅층들(101, 102, 103)에 의해 결국 반사되게 된다. 도 4에서 파장 범위 λ1 ≤ λ ≤ λ4에 속하는 반사파들은 다중층 코팅 시스템(100)의 내부에 가두어지지 않게 되는데, 이는 이들 전자기파들에 대하여 이동 경로상에는 반사 영역들이 없기 때문이다. 예컨대, 파장 범위 λ1 ≤ λ ≤ λ2의 전자기파가 서브코팅층(101)에 반사된다고 가정한다(도 4의 도면 부호 '501' 참조). 그러한 반사 전자기파는 내부 반사 없이 서브코팅층들(102, 103, 104)을 가로질러 이동하여 최종적으로 다중층 코팅 시스템(100)을 빠져나가게 된다. 이동 경로상에서 반사 영역이 없기 때문에 내부 반사가 발생하지 않게 된다. 또한 그러한 이유로 파장 범위 λ1 ≤ λ ≤ λ2에 속하는 반사된 어떠한 전자기파들도 다중층 코팅 시스템에서 자기 가열을 야기하지 않게 된다. 그러나, 파장 범위 λ > λc의 전자기파들은 그 다음의 서브코팅층들을 가로질러 이동하기 때문에 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 그러한 전자기파들은 그 서브코팅층들 사이의 경계면들에서 내부 반사되게 된다. 결과적으로, 이러한 전자기파들은 다중층 코팅 시스템(100)의 자기 가열을 야기하게 된다. 다행히도, 파장 범위 λ > λc의 전자기파들은 파장 범위 λ ≤ λ4의 전자기파들만큼 활동적이지는 않다. 파장 범위 λ > λc의 전자기파들이 다중층 코팅 시스템의 가열을 야기하는 것은 무시할 수 있을 정도에 불과하다.
전술한 설명들에 있어서는, 다중층 코팅 시스템은 최상부에 조사되었다. 예시적인 실시례(100)에 있어서는, 최상부는 서브코팅층(104)이고 최하부는 기판(10)이다. 다중층 코팅 시스템(100)은 또한 최하부로 조사될 수도 있으며 그 기본적인 전자기파들의 투과 및 반사 작용들의 않은 부분은 여전히 도 4에 나타나 있는 바와 같이 설명될 수 있다. 예컨대, 0 < λ < λ1를 충족하는 파장들을 갖는 입사 전자기파들은 서브코팅층들을 가로질러 완전히 투과되는 반면에 λ > λc를 충족하는 파장들을 갖는 입사 전자기파들은 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 그러나, 투과 및 반사 작용들에 있어서 주요한 수정사항들은 입사 전자기파의 방향이 도 2에서와 반대로 되어 있을 때에 생기게 된다. 비록 λ1 ≤ λ ≤ λ4를 충족하는 파장들을 갖는 입사 전자기파들이 여전히 완전히 반사된다고 하더라도, 도 4에서 λ4 < λ ≤ λc를 충족하는 파장들을 갖는 입사 전자기파들은 그 입사 방향이 도 2에서와 반대로 되어 있기 때문에 일부는 반사되고 일부는 투과된다. 영역 A, B 및 C에서 부분적으로 투과된 전자기파들은 서로 다른 서브코팅층들 사이에서 발생되는 내부 반사들을 겪게 된다. 그러한 내부 반사들은 다중층 코팅 시스템의 자기 가열을 야기하게 된다.
도 5A에는 다중층 코팅 시스템이 가열된 물을 운반하는 파이프에 적용된 경우를 나타낸다. 이 경우에는 파이프의 표면에 서브코팅층(SL2)이 1차로 코팅되어 있으며 그 서브코팅층(SL2)D은 서브코팅층(SL1)으로 코팅된다. 그러한 서브코팅층들의 배열에 의해, 파이프 내부의 '온수(
Figure 6eab
水)(Hot water)'는 파이프 외부의 더 차가운 주변 온도로부터 적절하게 절연될 수 있다. 서브코팅층(SL2)이 전술한 파의 투과 및 반사 작용들의 이상적인 서브코팅층이라고 가정하면, '온수'로부터의 열파(heat waves)는 서브코팅층(SL2)에 의해 파이프 내부에서 내부적으로 반사되며, 그에 의해 '온수'의 열 손실을 방지하게 된다. 반면에, 외부 열원들로부터의 어떠한 열도 서브코팅층(SL1)을 통해 부분적으로 투과되며, 결과적으로 전체 다중층 코팅 시스템의 가열을 야기하는 서브코팅층(SL1) 내에서의 내부 반사들을 야기하게 된다(도 4의 영역 A, B 및 C를 갖는 도면을 상기한다). 그러한 과정들은, 비록 '온수'에 실제로 전달되는 열 에너지의 양이 외부 열원들의 온도 상태에 의존한다고 하더라도, 비방사성(non-radiative) 열처리들(heat processes)(예컨대, 직접적인 열전도에 의한 열전달)을 통해 '온수'에 더 많은 열을 부가하는 결과를 초래하게 된다.
도 5B에는 서브코팅층들(SL1, SL2)의 배열이 도 5A에서의 경우와 반대로 되어 있는 반대 상황을 나타낸다. 그러한 서브코팅층들의 배열하에서는, 파이프 내부의 '온수'는 끊임없이 열손실을 겪게 된다. 예컨대, '온수'로부터의 열은 서브코팅층(SL1)을 통해 부분적으로 투과되며, 서브코팅층(SL1) 내에서 내부 반사들을 초래하게 되고, 차례로 전체 다중층 코팅 시스템을 가열하는 것이 종료된다. 그러한 정렬에서는 방사성 열처리에서와 반대로 직접적인 열 전도 과정으로부터 열 에너지 손실이 증가될 수 있다.
이하에서는, 물리적인 다중층 코팅 시스템의 투과 및 반사 작용들이 상세히 설명된다.
물리적인 서브코팅층(104)은 이상적인 서브코팅층(104)과 반대로 도면 부호 '504'에 나타나 있는 바와 같이 그렇게 선명하게 윤곽을 드러낸 투과 및 반사 영역들을 갖지 않는다. 그러나, 물리적인 서브코팅층들이 다중층 코팅 시스템을 형성하도록 서로 적층되어 있을 때에는, 결과적인 투과 및 반사 작용들은 이상적인 코팅 시스템에 대해 도 4를 참조하여 설명된 특성들의 대부분을 나타낸다.
도 6에는 후방 산란 계수(backward scattering efficiency factor 또는 back-scattering efficiency factor) Qbac, 흡광 계수(extinction efficiency factor) Qext 및 차이 함수(difference function) ΔQ = Qbac - Qext의 그래프들이 나타나 있으며, 이는 반경 a = 300 nm의 알루미늄 구형 미립자가 굴절률 n = 1.4962의 매질(필러 물질) 내에 매립되어 있고 강도(intensity) Io의 입사 전자기파로 조사될 때에 얻을 수 있는 것이다. Qbac 및 Qext를 계산하기 위하여 미이 이론(Mie theory)이 사용되었다. 그렇긴 하지만, 두 개의 구별되는 영역들이 도 6의 ΔQ의 그래프에서 쉽게 확인될 수 있다. 제1 영역(I)은 0 < λ < 2.2 ㎛의 특정한 범위를 가지며 ΔQ에 대해 음의 값(ΔQ < 0)을 갖는 특성을 보이는 반면에 제2 영역(II)은 2.2 ㎛ ≤ λ ≤ 15 ㎛의 특정한 범위를 가지며 ΔQ에 대해 양의 값(ΔQ > 0)을 갖는 특성을 보인다. 비록 도 6에 즉시 명백하게 나타나 있지 않지만, 충분히 큰 파장들을 갖는 파들에 대해서는 ΔQ의 값이 0에 접근한다. 도 6의 경우에, 그러한 파들은 λ ≫ 15 ㎛를 충족하는 파장들을 갖는 것들에 상응한다. ΔQ가 0에 접근하는 그러한 영역은 제3 영역(III)으로 확인할 수 있다.
도 6의 ΔQ 그래프의 영역들과 도 4의 도면 부호 '504'에 나타나 있는 투과 및 반사 작용들의 영역들 사이의 상응성은 제1 및 제2 영역들(I, II)에서 선택된 파장들에 대해 나타나게 된다. 계산에 있어서는, 굴절률 n = 1.4962의 매질(필러 물질) 내에 매립되어 있는 반경 a = 300 nm의 알루미늄 구형 미립자가 강도(intensity) Io의 입사 전자기파로 조사되는 것을 가정한다. 전방 및 후방 산란파들의 가시적 표현을 위해, 산란파 강도(scattered wave intensity) Is와 입사파 강도(incidence wave intensity) Io의 비율이 전술한 제1 및 제2 영역들(I, II)로부터 선택된 파장들 각각에 대해 극좌표로 나타내었다. 제1 영역(I)으로부터 선택된 파장들에 대한 결과들은 도 7에 나타나 있으며, 제2 영역(II)으로부터 선택된 파장들에 대한 결과들은 도 8에 나타나 있고, 양 극좌표들에 있어서 알루미늄 미립자는 중심에 위치해 있으며 왼쪽으로부터 조사된다. 도 7 및 도 8의 결과들은 제1 영역(I)의 파장들은 전방으로 산란되는(즉, 투과되는) 것이 강한 반면에 제2 영역(II)의 파장들은 후방으로 산란되는(즉, 반사되는) 것이 우세하게 된다. 따라서, 도 6의 제1 영역(I)은 도면 부호 '504'에서 파장 범위 0 < λ < λ4와 관련될 수 있고; 도 6의 제2 영역(II)은 도면 부호 '504'에서 파장 범위 λ4 < λ ≤ λc와 관련될 수 있다. 비록 도 6 및 도 8에 즉시 명백하게 나타나 있지는 않지만, 산란파 강도(scattered wave intensity) Is와 입사파 강도(incidence wave intensity) Io의 비율은 충분히 큰 파장들에 대해서는 1에 접근한다. 도 6의 경우에는, 그러한 파장들은 λ ≫ 15 ㎛를 충족하는 것들에 상응한다. 이 영역의 파들은 도 4의 도면 부호 '504'에서 λ > λc를 충족하는 파장들을 갖는 파들에 상응하며, 이러한 파들은 동일한 규모들로 일부는 투과되고 일부는 반사된다.
도 9에는 후방 산란 계수(back-scattering efficiency factor) Qbac, 흡광 계수(extinction efficiency factor) Qext 및 차이 함수(difference function) ΔQ = Qbac - Qext의 그래프들이 나타나 있으며, 이는 반경 a = 100 nm의 알루미늄 구형 미립자가 굴절률 n = 1.4962의 매질(필러 물질) 내에 매립되어 있고 강도(intensity) Io의 입사 전자기파로 조사될 때에 얻을 수 있는 것이다. 전방 및 후방 산란파들의 가시적 표현을 위해, 산란파 강도(scattered wave intensity) Is와 입사파 강도(incidence wave intensity) Io의 비율이 도 9의 ΔQ < 0 및 ΔQ > 0인 영역들로부터 선택된 파장들의 각각에 대해 극좌표로 표현되었다. ΔQ < 0 및 ΔQ > 0에 상응하는 영역들로부터 선택된 파장들에 대한 결과들이 도 10 및 도 11에 각각 나타나 있으며, 알루미늄 구형 미립자는 중심에 위치해 있으며 극좌표의 양자 모두에 있어서 왼쪽으로부터 조사된다. 도 6의 경우와 똑같이, 여기서도 결과들은 ΔQ < 0에 상응하는 영역의 파장들은 전방 산란이 강하며 ΔQ > 0에 상응하는 영역의 파들은 후방 산란이 강하다. 그러나, 도 6에서의 경우와 비교하면, 도 9에서 ΔQ = 0인 파장 위치는 더 짧은 파장쪽으로 변경되어 있다. 그러한 특성은 도 4에서 알루미늄 구형 미립자에 대해 줄어든 직경 크기를 갖는 더 짧은 파장쪽으로 '반사 영역'이 변경되어 있는 것과 일치한다(각 서브코팅층들에서 미립자들의 직경들에 대해 도 2를 참조한다). 최종적으로, 도 12에 알루미늄 구형 미립자들의 서로 다른 반경들에 상응하는 ΔQs의 그래프들이 비교를 위해 나타나 있다. ΔQs의 미이 이론(Mie theory) 계산을 위해 a = 100 nm, a = 300 nm 및 a = 500 nm와 같은 반경들이 참조되었다.
도 2의 예시적인 실시례(200)은 직접적인 열전도와 관련된 열전도도를 줄이기 위해 구형 공동들을 사용한다. 도 13에 반경 a의 구형 공동이 굴절률 n = 1.4962의 매질(필러 물질) 내에 매립되어 있고 강도(intensity) Io의 입사 전자기파로 조사되는 경우에 대해 얻게 되는 ΔQ의 그래프가 나타나 있다. 계산에 고려되는 구형 공동에 대한 세 가지 서로 다른 반경들은 a = 200 nm, a = 450 nm 및 a = 700 nm이다. 전방 및 후방 산란파들의 가시적 표현을 위해, 산란파 강도(scattered wave intensity) Is와 입사파 강도(incidence wave intensity) Io의 비율이 도 13의 ΔQ < 0 및 ΔQ > 0인 영역들로부터 선택된 파장들의 각각에 대해 극좌표로 표현되었다. ΔQ < 0 및 ΔQ > 0에 상응하는 영역들로부터 선택된 파장들에 대한 결과들은 도 14 및 도 15에 각각 나타나 있으며, 알루미늄 구형 공동은 중심에 위치해 있으며 극좌표의 양자 모두에 있어서 왼쪽으로부터 조사된다. 결과들은 ΔQ < 0에 상응하는 영역의 파장들은 전방으로 산란되는 것(즉, 투과되는 것)이 강한 반면에 ΔQ > 0에 상응하는 영역의 파들은 후방으로 약하게 산란된다. 그러한 결과들은 유전체 매질(필러 물질)에 매립된 구형 공동이 적외선 전자기파들을 반사하는데 저조하게 작용한다는 것을 확인해 준다. 그럼에도 불구하고, 페인트와 같은 혼합물에서 구형 공동들의 존재는 직접적인 열 전도 과정과 관련되는 열 전달들을 줄임으로써 열 손실에 대한 절연성을 향상시킨다.
예시적인 실시례(300)는 서브코팅층들에 일치된 직경 크기의 구형 미립자들이 불규칙하게 분포되어 존재하는 다중층 코팅 시스템의 대안이 되는 모습이며, 각 서브코팅층들(301, 302, 303, 304)은 서로 다른 굴절률들의 필러 물질들(61, 62, 63, 64)을 구비한다. 도 16에는 반경 a = 200 nm의 알루미늄 구형 미립자가 굴절률 n의 매질(필러 물질) 내에 매립되어 있는 것이 나타나 있다. 도 16에서 서로 다른 매질들에 대해 고려되는 굴절률들은 n = 1.5, n = 2, n = 2.5 및 n = 3이다.
또 다른 예시적인 실시례(400)는 불규칙하게 분포된 구형 공동들도 불규칙하게 분포된 구형 미립자들과 함께 서브코팅층들에 존재하는 예시적인 실시례(300)의 수정이다. 비록 구형 공동들은 적외선파들을 반사하는 것이 약하다고 하더라도, 그것들은 여전히 직접적인 전도에 의한 열 전달과 관련된 열 전도도를 줄임으로써 열 손실에 대한 향상된 절연성을 제공한다.
비록 전술한 도면들에서의 서브코팅층들이 많은 구형 미립자들을 함유한다고 하더라도, ΔQs는 단일 구형 미립자의 경우에 계산된 것이 명백하며; 이러한 결과들은 서브코팅층들에서 투과 및 반사 작용들을 설명하기 위해 사용되었다. 그러한 분석은, 각 서브코팅층들의 구형 미립자들이 그들 사이의 상호작용이 무시될 수 있도록 서로 충분히 분리되어 있다고 하면, 유효하게 된다. 관심을 갖는 주어진 파장, 예컨대, λ에 대해, ~10λ의 거리만큼 분리되어 있는 가장 가깝게 이웃한 두 개의 구형 미립자들은 '충분히 분리된' 것으로 볼 수 있다. 예컨대, 파의 투과 및 반사 작용들이 도면 부호 '504'에 의해 설명되는 이상적인 서브코팅층(104)에서 상기 '관심을 갖는 파장, λ'는 λ = λ4로 나타낼 수 있으며, 이 파장은 반사 영역이 시작하는 지점을 정의한다. 유사하게, 도면 부호 '501'이 파의 투과 및 반사 작용들을 설명하는 이상적인 서브코팅층(101)에 있어서는, 상기 '관심을 갖는 파장, λ'는 λ = λ1로 나타낼 수 있다. 이제, (이상적인 서브코팅층들과 반대로) 물리적인 서브코팅층들에 대해서는, 파의 투과 및 반사 작용들은 ΔQ 그래프에 의한 특성을 갖게 된다. 도 6에 나타나 있는 ΔQ의 경우에는, 상기 '관심을 갖는 파장, λ'는 2 ㎛ ≤ λ ≤ 4 ㎛로 경계지워지는 λ로부터 선택될 수 있다.
도 17A에 나타나 있는 2차원 격자에 있어서, 가장 가깝게 이웃한 구형 미립자들 사이의 가장 가까운 면 대 면 분리는 10λ이며, 반경 a의 구형 미립자에 의해 점유되는 실효 면적 Aeff는 Aeff = (10λ + 2a)2이다. 3차원 입방체 격자에 있어서, 가장 가깝게 이웃한 구형 미립자들 사이의 가장 가까운 면 대 면 분리는 10λ이며, 반경 a의 구형 미립자에 의해 점유되는 실효 체적 Veff는 Veff = (10λ + 2a)3으로 표현될 수 있다. 이제, 만일 Vlayer가 도면 부호 '100'의 서브코팅층들 중 하나에 대한 체적을 나타낸다고 하면, 그 서브코팅층의 구형 미립자들의 총수 (Np)는 Np = Vlayer / Veff 또는 Np = Vlayer / (10λ + 2a)3으로 주어진다. 구형 미립자들의 총중량(즉, 서브코팅층의 구형 미립자들의 총수의 중량)은 Wp = Npmg 또는 Wp = 4.1888ρa3gVlayer / (10λ + 2a)3으로 주어지며, 여기서 g는 중력상수이고, ρ는 미립자의 질량 밀도이며, m은 m = ρ(4 / 3)πa3 또는 m = 4.1888ρa3으로 정의되는 단일 구형 미립자 질량이다. 도 17A에서 10λ의 가장 가까이 이웃한 면 대 면 분리 거리는 구형 미립자들 사이의 상호작용들이 무시될 수 있는 분리 거리에 대한 근사치일뿐이다. 그러므로, 10λ보다 더 크게 되는 어떠한 분리 거리들도 여기서는 유효한 분석이 된다. 그것과 관련하여, Np 및 Wp는 Np ≤ Vlayer / (10λ + 2a)3 및 Wp ≤ 4.1888ρa3gVlayer / (10λ + 2a)3로 다시 표현될 수 있다.
일반적으로, 불규칙하게 분포된 미립자들에 관한 혼합물에서 전자기파들의 산란은 단일 미립자 정렬의 산란 해법에 대한 명확한 계산을 필요로 한다. 그리고, 종종 그러한 산란 산란은 그 혼합물들에서의 산란 현상을 설명하기에 충분한다. 예컨대, 우유병 또는 뭉게구름에서의 빛의 투과 및 반사는 우유병의 경우 단일 우유 입자 또는 뭉게 구름의 경우 단일 빗방울에 관한 미이 이론(Mie theory) 문제에 의해 양적으로 설명될 수 있다. 전술한 예시적인 실시례에 있어서는, 불규칙하게 분포된 알루미늄 미립자들이 불규칙하게 분포된 공동들과 함께(또는 그러한 공동들 없이) 매질 물질에 매립되어 있는 경우들이 고려되어 왔다. 물리적인 견해로부터는, 그러한 시스템들에서 전자기적 산란 현상은 단일 입자 미이 이론(Mie theory) 해법들에 관련된다. 이에 관한 세부적인 사항에 이용되는 물리학의 상세한 점은 다음 참조 문헌에서 발견될 수 있다: C. Bohren and D. Huffman, "Absorption and Scattering of Light by Small Particles," John Wiley & Sons, Inc., 1998; ISBN 0-471-29340-7.
물론, 도 17A에서 10λ의 분리 거리에 관하여는 특별한 것이 없다. 만일 그 대신에 두 개의 가장 가까운 이웃한 구형 미립자들 사이의 다른 분리 거리, 가령 5λ가 구형 미립자들이 '충분히 분리된' 것으로 볼 수 있는 길이로 고려될 수 있다고 하면, Np 및 Wp는 단순히 Np ≤ Vlayer / (5λ + 2a)3 및 Wp ≤ 4.1888ρa3gVlayer / (5λ + 2a)3로 주어진다. 두 개의 미립자들이 그 양자 사이의 어떠한 상호작용도 대부분 무시될 수 있도록 충분히 멀리 떨어져 있는 것으로 볼 수 있는 분리 거리는 관련된 미립자들의 유형에 의존한다. 예컨대, 만일 미립자들이 충전되어(charged) 있다고 하면, 10λ의 분리 거리는 그 두 미립자들 사이의 상호작용들을 무시하기에 충분할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 도 17A에서의 10λ의 선택은 알루미늄 미립자들을 포함하여 대부분의 미립자 유형들을 '충분히 분리된' 것으로 만들게 된다.
전술한 도면들에서 λ는 구형 미립자들(및 구형 공동들)이 불규칙하게 분포되어 있는 매질 물질(필러 물질) 내부의 전자기파의 파장을 나타낸다. 그러므로 전술한 ΔQ 그래프들에서 파장 λ는 그 매질 내부의 전자기파의 파장을 나타낸다. 이에 대응되는 자유 공간 파장 λo는 λo = nλ로 주어지며, 여기서 n은 내부의 미립자들(및 공동들)을 수용하고 있는 매질의 굴절률이다.
다중층 코팅 시스템의 제조에 관련된 간단한 과정들은 (1) 각 하부 코팅층들용 혼합물들을 준비하는 것 및 (2) 혼합물들을 서브코팅층을 형성하기 위해 기판 상에 적용하는 것이다. 도 17B에 그러한 과정들이 나타나 있다. 제1 용액을 갖는 제1 컨테이너에는 도면에서 각각 '작은 미립자' 및 '작은 공동'으로 표시된 하나의 크기의 구형 미립자들 및 다른 고유한 크기의 구형 공동들이 함께 혼합된다. 제2 용액을 갖는 제2 컨테이너에는 도면에서 각각 '큰 미립자' 및 '큰 공동'으로 표시된 더 큰 구형 미립자들 및 구형 공동들이 함께 혼합된다. 알루미늄 구형 미립자들과 중공 유리구들(glass spheres)이 통상의 페인트에 혼합되는 경우에는, 도 17B에서 제1 컨테이너의 '제1 용액' 및 제2 컨테이너의 '제2 용액'은 상기 통상의 페인트로 형성될 수 있다. 기판 상의 제1 서브코팅층은 도 17B에 나타나 있는 그 기판을 제1 컨테이너에 디핑(dipping)해서 형성할 수 있다. 그 다음 기판을 제2 서브코팅층을 형성하기 위해 제2 컨테이너에 디핑하기 전에 건조(dry) 또는 경화(cure)시킬 수 있다. 도 17B에 나타나 있는 디핑법(dipping method)으로, 다중층 코팅 시스템은 기판의 양 표면들 상에 형성될 수 있다. 주택 표면들 또는 자동차 표면들과 같이 디핑법을 이용할 수 없는 기판들에 대해서는, 다중층 코팅 시스템의 각 층들은 스프레이법(spraying method)에 의해 기판 상에 형성될 수 있다.
비록 전술한 내용들이 혼합물, 즉, 통상의 페인트가 알루미늄 미립자들 및 구형 공동들과 함께 혼합되어 있는 도 17B의 '제1 용액' 및 '제2 용액'에 관련되어 있다고 하더라도, 다중층 코팅 시스템의 각 서브코팅층들을 위한 혼합물들은 알루미늄 구형 미립자들과 공동들을 어떠한 용액들에도 함께 섞음으로써 준비될 수도 있다. 이들에는 용제형 코팅들(solvent base coatings), (접착제, 점토 등과 같은) 복합체 혼합물들, (폴리우레탄(polyurethane), 엘라스토머들(elastomers), 플라스틱들(plastics), 젤라틴(gelatin), 에폭시(epoxy), 아크릴(acrylic), 폴리메칠메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등과 같은) 고분자 물질들뿐만 아니라 일부 열거된 다양한 수지들(resins) 및 시멘트와 같은 바인더들(binders)이 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 대안적인 예로서, 하나의 크기의 알루미늄 구형 미립자들 및 다른 직경 크기의 구형 공동들이 액화된 PMMA(폴리메칠메타크릴레이트(polymethylmethacrylate)) 용액에서 혼합될 수 있다. 이러한 특정한 경우에는, 도 17B에서 '제2 용액'도 액화된 PMMA에 의해 나타낼 수 있지만, '제1 용액'에 혼합된 것들보다 더 큰 직경 크기들의 알루미늄 미립자들 및 구형 공동들이 혼합된다. 다중층 코팅 시스템은 이미 설명된 디핑 과정들에 따라 기판 상에 형성될 수 있다. 또다른 대안적인 예에 있어서는, 알루미늄 구형 미립자들과 공동들은 폴리우레탄과 같은 고분자 물질로 형성된 용액에 혼합될 수 있다. 이 경우에는, 도 17B의 '제1 용액'과 '제2 용액'은 폴리우레탄 용액들로 나타낼 수 있으며, 여기서 각 용액들은 적절한 직경 크기들을의 알루미늄 미립자들 및 공동들을 함유한다. 다중층 코팅 시스템은 이전에 설명한 디핑 공정들에 따라 천(fabric)을 '제1 용액' 및 '제2 용액'에 소킹(soaking)(또는 디핑)함으로써 그 위에 형성될 수 있다. 유사하게, 다중층 코팅 시스템은 동일한 공정을 반복함으로써 직물 섬유(textile fiber)의 가닥(strand) 상에 형성될 수 있다. 다중층 코팅 시스템으로 코팅된 그러한 실들(threads)은 내열의복(heat resistant clothes)을 만드는데에 사용될 수 있다.
도 18의 예시적인 실시례(500)는 활성화된 전자기 파장 필터의 일 예이며, 여기서 반사 영역의 시작점(예컨대, 도 4의 도면 부호 '504'의 λ4)은 전계(electric field)의 인가에 의해 변경될 수 있다. 전극들(5, 6) 사이의 전계는 상기 전극들에 바이어스 전압을 인가함으로써 발생된다. 반도체 물질들은 전계가 없는 경우에는 유전체 물질들처럼 반응한다. 그러나 전계에 노출될 때에는, 반도체 물질들은 전도성 물질들처럼 반응한다. 그러한 성질은 전자기파가 반사되기 시작하는 파장을 효과적으로 조절하는 데에 이용될 수 있다. 예컨대, 도 4의 도면 부호 '504'에서 λ4의 값은 '504'에 상응하는 서브코팅층에 노출되는 전계의 강도(strength)를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 18의 다른 예시적인 실시례(600)는 불규칙하게 분포된 구형 공동들도 불규칙하게 분포된 구형 미립자들과 함께 서브코팅층에 존재하는 실시례(500)의 변형이다. 비록 도 18에서 예시적인 예들이 다중층 코팅 시스템들(100, 200)에 기초하고 있다고 하더라도, 도 3의 대안적인 예시적 실시례들(300, 400)도 또한 시스템들(100, 200) 대신에 사용될 수 있다.
도 18의 예시적인 실시례들(500, 600)의 전극들(5, 6)은 관심을 갖는 파장들에 대해 투명한 평면 도체들로 형성될 수 있다. 예컨대, 적외선 반사체들의 경우에, 상부 전극(5)은 관심을 갖는 적외선 전자기파들에 대해 투명하여야 한다. 더욱이, 만일 예시적인 실시례들(500, 600)에 나타나 있는 다중층 코팅 시스템이 광학적으로 투명하다고 하면, 전극들(5, 6)은 모두 광학적으로 투명할뿐만 아니라 관심을 갖는 적외선 파들을 투과시켜야 한다.
일반적으로, 전극(5)이나 전극6) 또는 이들 양자는 또한 격자무늬(grid)나 격자구조들(grating structures) 또는 구멍들(holes)이나 사각형들(squares) 등의 배열과 같은 더욱 복잡한 패턴들로 패턴화될 수 있다. 전극들이 그러한 구조들로 패턴화된 때에는, 관심을 갖는 적외선 파장들과 가시광은 그 패턴화된 전극들의 개구들을 통해 투과될 수 있다. 전극들이 개구들을 갖도록 패턴화된 경우에는, 그 전극들을 위한 전도성 물질들은 관심을 갖는 적외선 파장들을 투과시키는 광학적으로 투명한 도체들만으로 한정되는 것이 아니라 어떠한 전도성 물질들도 사용될 수 있다.
전술한 바는 다양한 예시적인 실시례들 중 하나의 예이며 그것으로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 그 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 예시적인 실시례들에서 새로운 가르침들이나 잇점들로부터 벗어나지 않고 많은 수정사항들이 가능하다는 것을 알 수 있다. 그러한 모든 수정사항들은 청구범위에 정의된 바와 같이 본 내용의 범위 내에 포함되는 것으로 의도되어 있다.
본 발명에 따른 입자를 이용한 열 차단 시스템은 열 차단 시스템이 적용되는 분야에서 산업상 이용할 수 있다.

Claims (25)

  1. 기판 상에 위치하며, 불규칙하게 분포되고 적절하게 분리된(well separated) 반경 a1의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 n1의 필러 물질을 포함하는 층 1; 및
    다음 단어 방정식으로 표현되는 그 다음 층들,
    "층 i-1 상에 위치하며, 불규칙하게 분포되고 적절하게 분리된(well separated) 반경 ai의 복수의 구형 미립자들과, 상기 구형 미립자들 사이의 공간에 개재된 굴절률 ni의 필러 물질을 포함하는 층 i"(여기서, 정수 i는 1보다 크다)
    을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 도전성 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 유전체 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 반도체 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 직물을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 층은 0.01 마이크론에서 10,000 마이크론까지의 범위의 두께를 갖는 다중층 코팅 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질은 고분자 물질(polymeric material)을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질은 바인더(binder)를 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질은 수지(resin)를 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질은 유전체 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질은 세라믹 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 구형 미립자들은 전도성 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 구형 미립자들은 유전체 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 구형 미립자들은 반도체 물질을 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 구형 미립자는 0.001 마이크론에서 250 마이크론까지의 범위의 반경을 갖는 다중층 코팅 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질의 굴절률은 ni = ni-1를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러 물질의 굴절률은 ni > ni-1를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 구형 미립자들의 반경은 ai > ai-1를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 구형 미립자들의 반경과 상기 필러 물질의 굴절률은
    ai = ai-1, ni > ni-1,
    를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  20. 청구항 1에 있어서,
    굴절률 n1의 필러 물질을 형성하는 상기 층 1의 내부에서 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된(well separated) 반경 b1 > a1의 복수의 구형 공동들; 및
    굴절률 ni의 필러 물질을 형성하는 상기 층 i의 내부에서 불규칙하게 분포되며 적절하게 분리된(well separated) 반경 bi > ai의 복수의 구형 공동들(여기서, 정수 i는 1보다 큼)을 더 구비하는 다중층 코팅 시스템.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 구형 공동들의 반경은 bi > bi-1를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 구형 공동들의 반경은 bi = bi-1를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 구형 공동들의 반경과 상기 필러 물질의 굴절률은
    bi = bi-1, ni > ni-1,
    를 충족하며, 여기서 정수 i는 1보다 큰 다중층 코팅 시스템.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 구형 공동은 0.002 마이크론에서 500 마이크론까지의 범위의 캐비티(cavity) 반경을 갖는 중공의(hollow) 유전체 쉘(shell)로 형성되어 있는 다중층 코팅 시스템.
  25. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판으로부터 가장 멀리 위치한 상기 층의 두 개의 면들 중 더 먼 것에 인접하여 위치한 제1 전극;
    상기 층 1과 상기 기판 사이에 위치한 제2 전극;
    상기 제1 전극에 인가된 제1 전압; 및
    상기 제1 전압과 다르며 상기 제2 전극에 인가된 제2 전압을 더 구비하는 다중층 코팅 시스템.
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