두개의파장범위에서는반사성을가지고제3파장범위에서는흡수성을가지는코팅제

두 개의 파장범위에서는 반사성을 가지고 제 3 파장 범위에서는 흡수성을 가지는 코팅제

주택의 실내에 사용되는 벽 페인트와 같은 잘 알려진 코팅제는 바인더, 안료 및 서로 다른 접착제로 이루어져 있다. 대부분의 경우 하얀색의 벽 페인트가 빛을 반사시키는 장점이 있어 이를 선호하고 있다.

밝은 색을 사용한 방안에서는 빛을 반사하는 것뿐만 아니라, 겨울에는 방안에 있는 물체, 주택의 내벽 및 방안의 사람으로부터 방출되는 열복사를 반사 해야하고, 방의 외벽 안쪽에서 배출되는 열복사를 반사하는 것이 요구된다. 20℃ 온도에서 집의 내벽에서 복사하는 열에너지는 다음과 같다.

이때, ε은 표면 방출도이고; σ는 스테판 볼쯔만 상수(5.67×10 ^-8 )이며; T는 표면의 캘빈온도이다.

빈의 법칙(Wien's law)에 따르면, 이 온도와 관련된 파장은 9.89 ㎛이며, 열 적외선 범위의 파장이다. 이것은 플랑크의 복사법칙(Planck's law of radiation)에 의하면, 벽은 9.89 ㎛의 최대복사를 한다. 주택에 사용되는 코팅제는 5 ∼ 100 ㎛의 파장 범위에서 열복사를 많이 흡수하므로 단지 열복사의 약 5%만이 반대쪽 즉, 외벽의 안쪽으로 반사되고, 나머지 95%는 벽의 열전도에 의하여 외부로 전달되거나방안에서 없어져 버린다.

태양이 겨울에 비칠 때에, 이때에는 일년 중 태양의 위치가 가장 낮은 위치이므로, 예를 들면 태양복사는 남쪽의 창문을 통하여 내벽에 닿을 수 있고, 0.3 ∼ 2.5 ㎛의 태양복사의 스펙트럼 범위내에서 벽 페인트의 반사하는 성질에 의하여 흡수될 수 있으며, 열로 전환되기도 한다.

보통 벽 페인트용 안료는 태양광선의 스펙트럼의 가시광선 영역을 벗어난 0.8 ∼ 2.5 ㎛인 근적외선 영역에서 반사되는 것이 사용된다. 그리고 가시광선 영역의 "흰색"과 같이 상기의 파장범위 안에서 태양광선의 대부분이 다시 반사된다. 또한 통상의 페인트에서 사용되는 안료와 바인더는 열적외선 영역 즉, 열복사 영역에서 높은 흡수성을 가진다. 태양 방사로부터 얻어질 수 있는 열의 95% 이상이 즉각적으로 열복사로서 방출된다.

이 열이 방에 존재하여도 방은 태양이 비출 때에만 단지 따뜻해진다. 이는 근적외선의 낮은 에너지를 얻고, 특히 표면으로부터의 즉각적인 95%의 열방출 때문에 다음 밤 동안 어떠한 에너지 이득 분이 저장되지 않는다.

집 벽의 바깥 부분에도 같은 현상이 적용된다. 시각적으로 감지되는 흰색과 담색의 페인트가 주로 외관용으로 사용된다. 착색도 내부용 페인트와 유사하므로 태양광선의 근적외선 스펙트럼 영역에서 역시 많은 양이 반사된다. 내벽용 페인트와 마찬가지로 외벽용 페인트의 반사도는 열 적외선 영역 즉, 열복사 영역에서는 낮다.

상기 파장영역 안에서의 강한 흡수 밴드와 사용된 바인더 및 안료 때문에 벽페인트에서 태양광선으로부터 얻어져서 열로 전환된 95%가 다시 방출된다.

따라서 본 발명의 목적은 상식적인 방법을 고려한다면, 담색과 같은 주택 벽의 색디자인의 미적인 면을 고려하면서도 단순한 방법을 사용하여 겨울에는 직사광선과 분산된 빛을 포함하여 주택의 열균형이 가능하도록 하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 해결되어 있다.

본 발명은 0.4 ∼ 0.7 ㎛의 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역에서 반사하고, 0.75 ~ 2.5 ㎛의 근적외선 영역에서는 흡수가능한 코팅제에 관한 것이다. 이러한 코팅제는 3 ∼ 100 ㎛의 열 적외선 영역, 특히 5 ∼ 50 ㎛에서는 낮은 흡수도를 가지면서 높은 반사도를 가진다. 다시 말하면 상기 파장의 범위에서는 표면 온도가 0 ∼ 30℃이면 최대한 복사하게 된다. 이것은 이 파장범위에서는 낮은 열 방출도를 갖는다는 것을 의미한다.

가시광선 영역에서 흰색 또는 밝은 코팅제를 생산하기 위하여, 안료는 가시광선 영역에서는 투명하고, 바인더보다 굴절성이 크고 가시광선 영역에서는 결과적으로 후방산란이 일어나는 것을 선택해야 하므로 흰색과 밝은 색을 선택한다.

선택된 안료는 0.75 ∼ 2.5 ㎛의 근적외선 영역에서는 다소 흡수성을 가지며, 특히 5 ~ 50 ㎛의 열 적외선 영역에서는 안료가 다시 투과성을 가지게 되어 열복사는 거의 흡수되지 않는다. 다음의 설명에서는 이러한 안료를 다른 첨가제와는 더욱 구별화하기 위하여 제 2 입자로 명명한다.

5 ∼ 50 ㎛의 열 적외선 영역에서 반사도를 얻기 위하여 박편의 안료를 바인더에 첨가하고, 반사율은 다음과 같은 식으로 표시되며, 본 발명의 반사율 R은40%, 특히 60% 이상이다.

여기서 n은 안료의 굴절율이고, k는 흡광계수이다. 이후로 명료히 하기 위하여 이러한 안료를 제 1 입자라 한다.

상기한 안료들의 반사도는 넓은 밴드를 갖는다. 다시 말하면, 근적외선 영역과 열 적외선 영역 뿐만 아니라 가시광선 영역까지 반사한다. 이러한 사실에도 불구하고, 오직 열 적외선 부분에서만 반사되고, 가시광선 영역에서는 가능한 한 어떠한 것도 나타내지 않아야 한다.

이것은 한편으로는 제 1 입자 위에 제 2 입자를 직접 코팅하거나 또는 바인더에 자유 코팅함으로써 얻어진다. 또한 감지된 색이 흐려지지 않도록 하기 위하여 제 1 입자의 박편 크기는 가능한 한 큰 것을 선택하는 것이 유리하다.

0.75 ∼ 2.5 ㎛의 근적외선 영역, 즉 가시광선의 파장 밖의 범위에서 원하는 흡수성을 갖는 코팅제를 얻기 위하여 한편으로는 제 2 입자 자체를 도포하고, 다른 한편으로는 코팅제를 착색하는 목적으로 또다른 입자를 도포한다.

또다른 입자는 가시광선 영역 안에서 광학적으로 선택되고, 구별되는 색, 예를 들어 빨강, 녹색 또는 파랑인 경우에는 오직 반사되도록 한다. 그리고 만일 제 1 입자가 이 영역에서 영향을 거의 주지 않는다면, 반사성에 영향을 주기 위하여 근적외선 영역에서 높은 흡수력을 가지며, 열 적외선 영역에서 높은 투명성을 갖는 것을 선택한다.

상기의 안료가 분산된 바인더의 선택은 처리되는 표면에 의존한다. 필수적으로 바인더는 어쨌든 상기의 파장 범위 안에서 코팅제가 후방산란을 하거나 반사역할을 할 수 있도록 가시광선 영역과 열 적외선 영역에서 높은 투명성을 가져야 한다. 근적외선 영역에서는 바인더가 흡수 밴드를 가질 때 매우 유리하다.

벽 표면에 대하여서는 분산 바인더는 실제적으로 공기가 통하는 것이 유리하며, 특히 폴리에틸렌을 기재로 한 분산제의 혼합물과 소량의 아크릴 분산제가 함유된 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합물이 본 발명에 따른 코팅제에 적합하다.

창문틀의 내, 외쪽에 사용되는 금속 표면, 금속 외관 및 금속 구조를 위하여 예를 들면, 온실용으로는 용제포함 바인더가 더 적합하다. 그 예로는 고리화 된 고무, 수화된 탄화수소 수지가 적합하며, 특히 수화된 탄화수소 수지가 내부적인 이유로 선호되어 사용된다.

본 발명의 개념 중 유리하고 개선된 발전은 예를 들면 알루미늄, 구리, 은, 금, 니켈, 아연, 철과 같은 금속, 스테인레스 스틸, 놋쇠 또는 동과 같은 금속의 합금, 실리콘, 게르마늄과 같은 반도체, 또는 도핑된 실리콘과 같은 도핑된 반도체 중에서 선택하여 사용한다.

본 발명의 개념중 유리하고 또다른 개선된 발전은 제 1 입자는 전기적으로 전도성을 가지고 있으며, 화학적 저항도를 증가시키고 광택도를 증가시키는 목적으로 전기적으로 우수한 전도성을 갖는 박막으로 코팅하는 것이다.

본 발명의 개념 중 더 유리하고 개선된 발전은 제 1 입자는 전기적으로 전도성을 가지고 있으며, 색깔을 띄도록 하는 비전도성을 가지는 박막으로 코팅되어 있는 것이다.

본 발명의 개념 중 유리하고 또다른 개선된 발전은 제 1 입자는 플라스틱 박판 또는 운모판 같이 전기적으로 비전도성을 가지는 물질에 도핑된 티탄 옥사이드, 인디움 티탄 옥사이드 또는 안티몬 옥사이드 같은 전기적으로 전도성을 가지는 코팅물질로 도포되어 있다.

본 발명의 개념 중 유리하고 또다른 개선된 발전은 제 2 입자는 황화납, 황화아연과 같은 금속 황화물, 셀렌화 아연과 같은 금속 셀렌화물, 염화나트륨, 염화칼륨과 같은 염화물, 칼슘 플루오라이드, 리튬 플루오라이드, 바륨 플루오라이드, 소디윰 플루오라이드와 같은 플루오르화물, 안티몬화 인디윰과 같은 안티몬화물, 마그네슘 옥사이드, 안티몬 옥사이드, 아연 옥사이드와 같은 금속산화물, 티탄산 바륨, 아철산 바륨, 순수한 황산칼슘(CaSO ₄ ), 침전된 황산바륨, 그리고 리토폰과 같이 황화아연과 황산바륨이 혼합된 결정체 중에서 선택한다.

본 발명의 개념 중 유리하고 또다른 개선된 발전은 제 2 입자가 무기안료인 경우는 철 옥사이드를 포함하는 금속 옥사이드, 바람직하기로는 투명한 철 옥사이드, 레드 철 옥사이드와 옐로우 철 옥사이드, 예를 들면 BASF 시코트란스 포뮬레이션, Bayer α-철 옥사이드; 피그먼트 블랙 11을 포함하는 철 옥사이드 검정 안료; 크롬 옥사이드 그린을 포함하는 크롬 옥사이드; 레드 납을 포함하는 납 옥사이드; 몰리브덴 옥사이드; 혼합금속 옥사이드; 그리고 미세결정 철(II), 철(III) 시아나이드 화합물을 기재로 한 데쥬사 보센 블루(Degussa's vossen blue)를 포함하는 철블루 안료 중에서 선택되고, 유기안료인 경우는 디스아조 안료, 인디고 안료, 바람직하기로는 티오인디고 유도체, 예를 들면 7,7'-디클로로티오인디고, 및 프탈로시아닌 중에서 선택한다.

본 발명의 개념 중 더 유리한 발전은 바인더로서 용제함유 바인더, 물 래커(Water Lacquer) 또는 수분산액이고, 고리화된 고무, 염소화된 고무, 부틸 고무, 탄화수소 수지, α-메틸스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에스터 아미드, 부틸아크릴레이트, 폴리아크릴레이트 바람직하기로는 부틸 폴리아크릴레이트를 기재로 한 아크릴 수지, 폴리에틸렌 옥사이드를 기재로 한 수분산액, 에틸렌 아크릴산 공중합체를 기재로 한 수분산액, 메타크릴레이트를 기재로 한 수분산액, 아크릴레이트-스틸렌을 기재로 한 수분산액, 비닐피롤리딘비닐아세테이트 공중합체, 어택틱폴리이소프로필아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈 또는 상기에서 언급된 분산액과 물 래커의 혼합물 중에서 선택하여 사용한다.

본 발명을 실시예와 실험예를 통하여 자세히 설명하겠다.

본 발명에 따르는 코팅제의 효과를 남향으로 난 창문 반대쪽의 내벽 위에 실시하겠다.

분산액 혼합물은 다음과 같은 조성으로 이루어져 있다.

200g 고형분이 40%인 폴리에틸렌 분산액

200g 고형분이 40%인 폴리에틸렌 옥사이드

20g 고형분이 40%인 아크릴 분산액(Rohm & Haas사의 Primal WL-91K, Primal HG44E, Maincote 54K 제품, Hoechst Aktiengesellschaft사의 DM 772. DM777 제품)

2g 거품방지제(Rhodia사의 Rodoline 643 제품, Byk Chemicals사 Byk 023, Byk 024 제품)

30g 점증제(Rohm & Haas사의 Acrysol TT-615 제품, Clariant MH 2000 제품, Bermocell EHM 200)

240g 물

200g 황화아연

200g 아연 옥사이드

5g 크롬 옥사이드 그린

80g 박편의 알루미늄 동

벽의 일부분에 라임 그린과 밝은 페인트의 혼합물을 칠하였다. 그후 페인트를 건조시키고, 태양광선이 방사된 후에 페인트가 칠해지지 않은 벽과 페인트가 칠해진 표면 온도를 측정하였다. 벽으로의 열전도에도 불구하고, 본 발명의 페인트로 칠한 벽 부분은 미처리 부분에 비하여 15℃가 더 높았다.

다른 조성으로 상기와 동일한 실험을 반복하였다. 크롬 디옥사이드 그린 대신에 바이어 α-철 레드 옥사이드를 사용하였고, 알루미늄 동 대신에 도핑된 실리콘 입자를 사용하였다. 혼합물은 밝은 빨강으로 착색된 밝은 색으로 제조되었다. 태양 방사후 미처리된 벽과 비교할 때, 페인트가 처리된 벽은 12℃가 증가된 온도로 측정되었다.

상기와 동일한 색을 외벽 안에 칠하였다. 밤에는 열화상 카메라를 사용하여측정하였고, 이 장소에서는 집밖으로 손실되는 열이 적었다.

남쪽으로 접해있는 집의 외벽에 대하여 또한 실험을 실시하였는데, 제 2 입자로 사용된 황화아연과 아연 옥사이드 안료 대신에 리토폰을 동일한 양으로 사용하고, 혼합물내의 아크릴 양을 약간 증가시켰다. 박편 크기가 약 10000 ㎛ ² 인 아연 박편을 열적외선 영역에서 반사성을 가지는 제 1 입자로 사용하였다. 혼합물은 착색되지 않았고 밝고, 굴절된 흰색으로 제조되었다. 본 발명에 따른 페인트를 사용하여 칠해진 장소에서의 온도는 미처리된 곳보다 11℃ 증가되었다.

황산칼슘과 아철산 바륨(Barium ferrite)을 상기의 혼합물에 동량으로 가하였다. 감지된 색이 가시영역에서 흰색임에도 불구하고 태양광선의 스펙트럼의 근적외선 영역의 흡수도는 이러한 방법으로 명확하게 증가 될 수 있었다.

밤에는 본 발명의 페인트로 칠해진 집의 벽에는 열화상 카메라로 관찰하였고, 명확하게는 페인트가 미처리된 곳보다 열이 밖으로 덜 복사되었다.

남쪽으로 접해진 두 창문 중 하나의 알루미늄 틀의 표면에 제 2 입자를 기재로한 아연 옥사이드 이외에, 또다른 입자로서 철 옥사이드 블랙 안료 소량, 제 1 입자로서 스테인레스 스틸 박편소량과 적외선 투명 유연제 소량으로 이루어진 광택 페인트를 기재로한 고리화 고무로 외부에 칠하였다. 창틀의 내부는 수화된 탄화수소 수지를 기재로 한 광택 페인트로 칠하였다.

리토폰은 제 2 입자로 사용되었고, 니켈 박편으로 코팅된 은은 제 1 입자로 표시되었고, 투과성을 가지는 철 이온은 페인트의 착색을 위하여 또 다른 입자로사용되었다.

낮동안 얻어진 에너지는 주로 태양광선 스펙트럼의 근적외선으로부터 안쪽까지 전도되었다. 밤에는 열화상 카메라로 관찰한 결과, 본 발명의 코팅제가 칠해진 창틀이 처리되지 않은 바깥쪽보다 열이 덜 복사되었다.

종래의 기술

미국특허 제 4,916,014 호에는 두 파장 범위에서 반사성을 가지는 코팅제가 공지되어있다. 그러나 여기서 기술된 발명의 목적을 고려하면, 가시광선 영역에서 높은 반사성을 가질 뿐만 아니라 상기의 코팅액으로 칠하여진 빌딩이 가열되는 것을 방지하기 위하여 상기의 코팅액이 태양광선의 근적외선 영역에서 반사성을 가져야 한다.

적외선 반사성과 난연성 방지를 가지는 코팅액은 독일특허 제 1227594 호에 공지되어 있다. 상기 코팅액은 근적외선 영역에서는 높은 반사성을 가진다. 그러나 이것은 상기에서 기술된 발명의 목적을 고려하면, 코팅액은 근적외선 영역에서 반사되지만 선택된 재료 때문에 10 ㎛ 파장 이상의 열 적외선 영역에서는 흡수되므로, 방출효과가 일어나게 된다.