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KR102681387B1 - 태양전지용 상변화물질(pcm) 나노섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지용 상변화물질(pcm) 나노섬유 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102681387B1
KR102681387B1 KR1020190161424A KR20190161424A KR102681387B1 KR 102681387 B1 KR102681387 B1 KR 102681387B1 KR 1020190161424 A KR1020190161424 A KR 1020190161424A KR 20190161424 A KR20190161424 A KR 20190161424A KR 102681387 B1 KR102681387 B1 KR 102681387B1
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heat storage
pcm
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박성근
강리라
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 PCM 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 열 히팅 이중 노즐을 포함하는 전기 방사 장치를 이용하여 고체 상태의 열저장 혼합물 및 고분자를 코어-시스(core-sheath) 형태를 갖는 태양전지용 PCM 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

태양전지용 상변화물질(PCM) 나노섬유 및 그 제조방법{A Phase Change Material nanofiber for solar cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 PCM 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 열 히팅 이중 노즐을 포함하는 전기 방사 장치를 이용하여 고체 상태의 열저장 혼합물 및 고분자를 코어-시스(core-sheath) 형태를 갖는 태양전지용 PCM 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 기능성 의류 및 자동차에 적용할 수 있는 에너지 저장시스템의 해답을 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)로부터 찾고 있는데, 여기서 상변화 물질이란, 고체에서 액체, 액체에서 기체, 기체에서 액체 상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화과정을 통하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질을 의미한다. 때문에 상기 상변화 물질은 큰 잠열, 높은 열전도성, 특정 영역에서의 용융온도, 화학적 안정성, 낮은 원가, 무독성 및 비응집성 특성이 크게 요구되고 있다.
특히, 상기 상변화 물질을 차량(선루프 등)에 적용할 경우, 차량의 에너지 효율 향상(냉각시스템 적용), 친환경 및 고급화에 기여할 수 있는 부품/시스템 개발 방향성을 확보할 수 있다. 그러나 현재 양산된 상변화 물질 소재로는 차량에 적용시, 효과가 미비하고 충분한 에너지 저장 효율이 나오지 않기 때문에 고성능 상변화 물질 소재를 발굴하고 이를 적용할 수 있는 최적의 방법이 필요한 실정이다.
종래의 상변화 물질의 경우 액체상으로 변했을 경우 유동성의 문제가 발생하기 때문에 마이크로 캡슐화 기술을 적용하여 상변화 물질을 캡슐화하였는데, 외부 충격에 의해 캡슐이 깨지는 문제 등이 발생하였다.
또 다른 일례로 태양전지 부분에 있어서, 태양전지 후면 기판에 상변화 물질을 적용시, 효율 상승분에 대한 다양한 보고들이 있지만, 이런 연구들은 일반적인 상변화 물질의 유동성을 막기 위한 통이나 비닐과 같은 고형물에 넣고 연구를 진행하였다. 이에 경량성과 공간적인 제약을 가진 실제적인 차량 적용에 있어서 알맞은 상변화 물질과 구조에 대한 연구는 현재 진행이 되고 있지 않다. 특히, 차량용 태양전지 선루프 적용을 위해선 공간적 제약으로 인해 20㎜ 이내 두께로 구성된 고효율 상변화 물질의 필름화가 필수적이다. 이에 기존에 알려진 물질과 방법만으로 낮은 열용량 및 구조적 문제들을 극복하고 이를 재현하여 실용화하는 것에는 한계가 있다. 또한 종래 사용되는 상변화 물질들 대부분의 경우 상온에서 액체상태를 유지하는 특성으로 인해 차량에 실제적으로 적용하는 것에 한계가 있다.
한국공개특허 제10-2009-0084208호는 상변화 물질을 포함하는 고분자 파이버를 제조하는 방법 및 그의 용도에 관한 것으로, 두 가지 이상의 상변화물질을 전기방사하는 방식으로 고분자 파이버를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 대부분 상온에서 액체상태를 유지하는 상변화 물질을 사용하기 때문에 실제적으로 차량 및 태양전지등에 적용하기 어려우며, 또한 상변화 물질의 잠열 특성이 높지 않다는 한계를 갖고 있다.
한국공개특허 제10-2009-0084208호
본 발명에 의하면, 높은 열용량의 상변화 물질이 적용된 상변화물질 나노섬유를 제공할 목적을 갖는다.
본 발명에 의하면, 상온에서 고체상태의 상변화 물질을 상변화물질 나노섬유로 만들 수 있는 효과적이고 효율적인 방법을 제공할 목적을 갖는다.
본 발명에 의하면, 종래의 상변화물질 층의 두께를 줄이면서 고효율을 갖는 상변화 물질을 제공할 목적을 갖는다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따르면, 내측 노즐 및 외측 노즐을 포함하는 열 히팅 이중 노즐이 구비된 전기 방사 장치를 준비하는 단계; 열저장 혼합물을 상기 내측 노즐에 투입하고, 고분자를 상기 외측 노즐에 투입하는 단계; 가열된 열저장 혼합물 용액과 고분자를 열 히팅 이중 노즐을 통해 전기방사하는 방사단계; 를 포함하고, 상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질; 및 제2 열저장 물질; 을 포함하고, 상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮은 것인 태양전지용 PCM(Phase Change Material) 나노섬유 제조방법을 제공한다.
상기 열저장 혼합물은 고체상으로 투입되고, 상기 고분자는 액체상으로 투입되는 것일 수 있다.
재료 투입 속도는 25 내지 70㎕/m 일 수 있다.
상기 가열은 50 내지 150℃ 에서 진행되는 것일 수 있다.
상기 가열은 오일 히터(oil heater)장치를 통해 진행되는 것일 수 있다.
상기 열 히팅 이중 노즐은 종방향 또는 횡방향으로 이동하는 것일 수 있다.
상기 열저장 혼합물 용액 및 고분자는 컬렉터 상으로 전기방사되고, 상기 열 히팅 이중 노즐 및 상기 컬렉터 사이의 이격 길이는 10 내지 20cm일 수 있다.
본 발명에 따르면, 열저장 혼합물을 포함하는 코어부; 및 고분자를 포함하는 시스부; 를 포함하고, 상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질; 및 제2 열저장 물질; 을 포함하고, 상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮은 것인 태양전지용 PCM(Phase Change Material) 나노섬유를 제공한다.
상기 제1 열저장 물질은 50℃ 이하에서는 고체 상태이고, 70℃ 이상에서는 액체 상태일 수 있다.
상기 제1 열저장 물질은 석시노나이트릴(succinonitrile)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제2 열저장 물질은 무기물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 무기물은 카본, 파인 세라믹, 페로브스카이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것일 수 있다.
상기 파인 세라믹은 질화 붕소(boron nitride), 질화 알루미늄(aluminum nitride), 탄화 규소(silicon carbide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 페로브스카이트는 하기 화학식 1, 화학식 2, 화학식 3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조를 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
AMX3
[화학식 2]
AMX4
[화학식 3]
A2MX6
(상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 A는 알칼리 글속, 유기 암모늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하고, M은 2가 또는 4가의 전이 금속 원소, 희토류 금속 원소, 알칼리 토류 금속 원소, 납, 주석, 게르마늄, 갈륨, 인듐, 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 폴로늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, X는 할로겐 원소 또는 산소를 포함한다)
상기 고분자는 펜타에리트리톨(pentaerythritol, PE), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 아크릴레이트(acrylate), 펜타글리세린(pentaglycerine, PG), 네오펜틸 글리콜(neopentyl glycol, NPG), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체(polyvinyidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴클로라이드-아크릴로니트릴(polyvinylidene chloride-co-acrylonitrile, PVdC-co-AN), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 상기의 PCM 나노섬유를 포함하는 태양전지용 PCM 필름을 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 열용량의 상변화 물질이 적용된 상변화물질 나노섬유를 제공할 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 상온에서 고체 상태의 상변화 물질을 상변화물질 나노섬유로 만들 수 있는 효과적이고 효율적인 방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 종랭의 상변화물질 층의 두께를 줄이면서 고효율을 갖는 상변화 물질을 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 PCM 나노섬유 제조과정에 대한 순서도를 간단히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 PCM 나노섬유의 제조장치를 간단히 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 PCM 나노섬유를 간단히 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 PCM 나노섬유를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 PCM 필름 사진을 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 PCM 필름을 차량의 태양전지 썬루프에 적용한 예시도를 나타낸 것이다.
도 7는 본 발명의 제조예에서 석시노나이트릴의 온도에 따른 상태 변화를 나타낸 사진이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명은 PCM(Phase Change Material) 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 녹는점이 각기 다른 열저장 물질을 포함하는 열저장 혼합물을 주요 재료로 하여 전기방사 방식으로 제조된 태양전지용 PCM 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 방법발명에 해당하는 PCM 나노섬유 제조방법 및 물건발명에 해당하는 PCM 나노섬유를 구분하여 각각 설명하도록 하겠다.
PCM 나노섬유 제조방법
본 발명의 PCM 나노섬유 제조방법은 내측 노즐 및 외측 노즐을 포함하는 열 히팅 이중 노즐이 구비된 전기 방사 장치를 준비하는 단계; 열저장 혼합물을 상기 내측 노즐에 투입하고, 고분자를 상기 외측 노즐에 투입하는 단계; 가열된 열저장 혼합물 용액과 고분자를 열 히팅 이중 노즐을 통해 전기방사하는 방사단계; 를 포함하고, 상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮은 것을 특징으로 한다.
도 1에는 본 발명의 PCM 나노섬유 제조 과정에 대한 순서도가 나타나 있고, 도 2에는 본 발명의 PCM 나노섬유 제조장치 및 제조과정이 나타나 있다. 이를 참고하여 각 단계에 대해 설명하도록 하겠다.
준비 단계
내측 노즐 및 외측 노즐을 포함하는 열 히팅 이중 노즐이 구비된 전기 방사 장치를 준비하는 단계이다.
구체적으로 본 발명의 전기 방사 장치는 공급부, 히팅부 및 노즐부를 포함한다.
상기 공급부는 재료를 투입하고 방사하기 전까지 재료를 보관하는 곳이고, 상기 히팅부는 공급부에 보관된 재료에 열을 가하는 곳이고, 상기 노즐부는 상기 히팅부에서 가열된 재료를 외부로 방사하는 곳이다. 이때 각 공급부는 각 노즐부에 연결되어 있다.
상기 공급부는 보다 구체적으로 내측 실린지; 및 외측 실린지; 를 포함하고 있고, 상기 노즐부는 열 히팅 이중 노즐;을 포함한다.
상기 열 히팅 이중 노즐은 내측 노즐; 및 외측 노즐; 을 포함한다.
상기 공급부의 내측 실린지는 상기 노즐부의 내측 노즐과 연결되어 있고, 상기 외측 실린지는 외측 노즐과 연결되어 있는 것이 특징이다. 이때 상기 내측 실린지에 투입되어 내측 노즐을 통해 방사되는 재료는 최종적으로 제조되는 나노섬유의 코어(core)를 형성하고, 외측 실린지에 투입되어 외측 노즐을 통해 방사되는 재료는 최종적으로 나노섬유의 시스(sheath)를 형성하는 것이 특징이다. 즉, 상기 노즐부는 재료가 섬유형태로 방사될 때 방사되는 섬유의 코어(core)부를 형성시키는 내측 노즐 및 상기 섬유의 코어를 둘러싸는 시스(sheath)부를 형성시키는 외측 노즐을 포함한다.
상기 히팅부는 오일; 오일관; 및 오일히터; 를 포함하는데, 상기 오일은 오일관을 따라 순환하게 되고, 순환하는 중 오일히터를 통해 열을 공급받게 된다. 가열된 오일은 다시 오일관을 따라 이동하다가 내측 실린지를 감싸는 형태로 상기 내측 실린지의 둘레를 따라 이동하여 상기 내측 실린지 내부의 재료에 열을 전달하게 된다.
본 발명에 있어서 상기 히팅부는 상기 내측 실린지에만 열을 공급한다. 즉, 최종적으로 제조되는 나노섬유의 코어를 형성하는 재료에만 열을 전달하는 것이 특징이다.
투입 단계
공급부의 내측 실린지를 통해 노즐부의 내측 노즐에 재료를 투입하고, 공급부의 외측 실린지를 통해 노즐부의 외측 노즐에 재료를 투입하여 방사하게 된다.
본 발명에서는 상기 전기 방사 장치에 투입되는 재료로 열저장 혼합물 및 고분자를 포함한다. 구체적으로 노즐부의 내측 노즐에 고체상의 열저장 혼합물을 투입하고, 상기 외측 노즐에 고분자를 투입하게 된다. 상기 재료의 투입 속도는 25 내지 70㎕/m 일 수 있다.
상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질 및 제2 열저장 물질을 포함하는데, 상기 제1 열저장 물질은 석시노나이트릴(succinonitrile)을 포함하고, 상기 제2 열저장 물질은 무기물을 포함한다.
상기 무기물은 카본, 파인 세라믹, 페로브스카이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 페로브스카이트는 납(Pb)을 포함하지 않고, 주석(Sn)을 포함하고, 바람직하게 Cs2SnI6 를 포함한다.
상기 고분자는 펜타에리트리톨(pentaerythritol, PE), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 아크릴레이트(acrylate), 펜타글리세린(pentaglycerine, PG), 네오펜틸 글리콜(neopentyl glycol, NPG), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체(polyvinyidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴클로라이드-아크릴로니트릴(polyvinylidene chloride-co-acrylonitrile, PVdC-co-AN), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함한다. 더욱 구체적으로 상기 고분자는 용매와 함께 투입된다. 이때 상기 용매는 극성 비양자성 용매(Polar aprotic solvents)인 것이 바람직하다. 이때 상기 고분자는 3 내지 15중량% 농도가 되는 것이 바람직하다.
상기 극성 비양자성 용매는 아세톤(Acetone), nn-디메틸포름아마이드(nn-demethylformamide), 아세토나이트릴(acetonitrile), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 포름아마이드(formamide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함한다.
본 발명에서는 상기 고체상의 열저장 혼합물을 전기 방사하기 위해서는 액체상으로 변환해줄 필요가 있는데, 히팅부의 오일 히터(oil heater)를 통해 가열된 오일(oil)로 상기 고체상의 열저장 혼합물에 가열이 진행된다. 이때 가열 온도는 50 내지 150℃ 이다. 더욱 바람직하게 70 내지 150℃ 이다. 이때 상기 가열 온도가 50℃ 미만일 경우 본 발명의 열저장 혼합물을 가열하여 온전히 전기방사시킬 수 있는 액체상태로 만들기 어렵고, 150℃ 초과할 경우, 에너지 효율이 떨어지고 열저장 혼합물을 경화시키기 까지 오랜 시간을 필요로 하기 때문에 공정 효율이 떨어지는 문제가 있다.
상기 히팅부에 의해 상기 고체상의 열저장 혼합물은 액체상의 열저장 혼합물 용액이 된다.
방사 단계
가열된 열저장 혼합물 용액과 고분자를 열 히팅 이중 노즐을 통해 전기방사하는 단계이다. 열저장 혼합물 용액을 내측 노즐을 통해, 고분자를 외측 노즐을 통해 상기 열저장 혼합물 용액 및 고분자가 코어-시스(core-sheath)의 구조를 갖는 섬유 형태로 전기 방사한다. 구체적으로 외측 노즐은 상기 외측 노즐 및 내측 노즐이 접촉하는 지점에서 상기 외측 노즐이 상기 내측 노즐의 테두리를 감싸는 형태로 제공되는데, 이로 인해 외측 노즐에서 방사되는 고분자가 내측 노즐에서 방사되는 열저장 혼합물 용액을 감싸는 형태로 방사되게 된다. 이때 상기 열저장 혼합물 용액 및 고분자는 컬렉터 상으로 전기방사 된다. 이때 상기 전기방사는 8 내지 20kV의 전압으로 진행되는 것이 바람직하다.
상기 열저장 혼합물 용액은 코어(core)에 포함되고, 상기 고분자는 시스(sheath)에 포함된다.
본 발명의 전기 방사 장치의 노즐은 종방향 또는 횡방향으로 이동하는 것이 특징인데, 상기 노즐의 이동으로 원하는 영역에 방사 섬유를 형성시킬 수 있다.
상기 열 히팅 이중 노즐 및 상기 컬렉터 사이의 이격 길이는 10 내지 20cm 이다.
PCM 나노섬유
본 발명의 PCM 나노섬유는 상기 PCM 나노섬유 제조방법에 의해 제조된 것으로, 열저장 혼합물을 포함하는 코어부; 및 고분자를 포함하는 시스부; 를 포함한다.
도 3은 본 발명의 PCM 나노섬유를 간단히 나타낸 것으로, 내부 코어(core)에 열저장 혼합물이 위치하고 있으며, 그 둘레를 따라 외부 시스(sheath)에 고분자가 위치하고 있다.
도 4는 본 발명의 PCM 나노섬유를 제조하여 주사전자현미경으로 단면을 촬영한 것이다. 이를 참고하면 원기둥 형태의 열저장 혼합물 테두리를 고분자가 두르고 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질; 및 제2 열저장 물질; 을 포함하고, 상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮은 것이 특징이다.
상기 열저장 혼합물은 바람직하게 제1 열저장 물질 85 내지 95중량% 및 제2 열저장 물질 5 내지 15중량% 포함한다.
상기 제1 열저장 물질은 50℃ 이하에서는 고체 상태이고, 70℃ 이상에서는 액체 상태이다. 바람직하게 상기 제1 열저장 물질은 석시노나이트릴(succinonitrile)을 포함한다.
상기 제2 열저장 물질은 무기물을 포함하는데, 카본, 파인 세라믹, 페로브스카이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함한다.
상기 카본은 카본 블랙(carbon black), 그래파이트(graphite), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 파인 세라믹은 질화 붕소(boron nitride), 질화 알루미늄(aluminum nitride), 탄화 규소(silicon carbide) 및 이들의 조합으로 이룽어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 페로브스카이트는 하기 화학식 1, 화학식 2, 화학식 3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조를 포함한다.
[화학식 1]
AMX3
[화학식 2]
AMX4
[화학식 3]
A2MX6
(상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 A는 알칼리 금속, 유기 암모늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하고, M은 2가 또는 4가의 전이 금속 원소, 회토류 금속 원소, 알칼리 토류 금속 원소, 납, 주석, 게르마늄, 갈륨, 인듐, 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 폴로늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, X는 할로겐 원소 또는 산소를 포함한다.)
바람직하게 상기 페로브스카이트는 납(Pb)을 포함하지 않고, 주석(Sn)을 포함한다.
바람직하게 상기 페로브스카이트는 상기 화학식 3 구조를 포함한다.
바람직하게 상기 A는 알칼리 금속이고, 상기 M은 주석을 포함한다.
상기 고분자는 펜타에리트리톨(pentaerythritol, PE), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 아크릴레이트(acrylate), 펜타글리세린(pentaglycerine, PG), 네오펜틸 글리콜(neopentyl glycol, NPG), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체(polyvinyidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴클로라이드-아크릴로니트릴(polyvinylidene chloride-co-acrylonitrile, PVdC-co-AN), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함한다.
PCM 나노섬유 필름
본 발명은 상기 PCM 나노섬유를 포함하는 필름을 제공한다. 구체적으로 컬렉터 상으로 재료가 전기 방사 장치에 의해 전기 방사될 때, 열 히팅 이중 노즐을 종방향 또는 횡방향으로 이동시킴으로써 상기 방사되는 PCM 나노섬유를 필름으로 제조할 수 있다.
도 5에는 부직포 형태로 제조된 본 발명의 PCM 나노섬유 필름이 나타나 있고, 도 6에는 상기 PCM 나노섬유 필름을 차량의 태양전지 셀 뒷면에 부착된 본 발명의 PCM 나노섬유 필름 예시가 나타나 있다.
이하, 본 발명을 구체적인 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예
상변화 물질인 석시노나이트릴(Succinonitrile)을 준비하여 온도에 따른 상태 변화를 확인하였다.
도 7에는 온도에 따라 본 발명의 상변화 물질인 석시노나이트릴의 상태 변화를 관찰한 사진이 나타나 있다. 이를 참고하면, 상온(a)에서 고체 형태이고, 80℃(b)에서 액체 상태이며, 25℃(c)로 냉각시켰을 때 다시 고체 상태로 돌아갔다. 또한 25℃에서 상기 석시노나이트릴을 무기물인 Cs2SnI6와 혼합하여 본 발명의 열저장 혼합물(d)을 제조한 후 에도 고체상태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.
실험예1(잠열 테스트)
하기 표 1과 같이 상변화 물질을 준비하여 이들 물질에 대한 잠열을 측정하였다.
물질(Material) 녹는점(Melting point) 잠열(latent heat)
실시예1 Succinonitrile 58℃ 331KJ/kg
비교예1 Sodium acetate trihydrate 58℃ 205
비교예2 Hexadecane 18℃ 236
비교예3 Heptadecane 18℃ 214
비교예4 KF, 4H2O 18℃ 236
비교예5 Butyl stearate 19℃ 140
비교예6 Paraffin C16 21℃ 152
비교예7 Paraffin RT20 21℃ 172
비교예8 Paraffin FMC 21℃ 130
비교예9 Dimethyl sebacate 21℃ 125
비교예10 Eutectic E21 21℃ 150
상기 표 1을 참고하면, 실시예1의 물질인 석시노나이트릴(Succinonitrile, SCN)의 잠열이 가장 높음을 확인할 수 있고, 비교예2 내지 비교예10의 물질이 상온에서 액체상태를 보이는 것에 반해 실시예1 및 비교예1의 물질은 상온에서 고체상태를 보임을 확인할 수 있다.
실험예2(이온전도도 테스트)
상기 표 1의 실시예1의 물질을 하기 표 2과 같은 비율로 무기물과 혼합하고, 이 혼합물에 대한 이온전도도 테스트를 실시하였다. 이때 상기 무기물로는 Cs2SnI6 를 이용하였다.
무기물(wt%) 이온 전도도(σ, mS/cm) Ea(eV)
At 30℃ At 100℃
실시예2 1 0.224 8.72 0.52
실시예3 5 1.587 15.68 0.30
실시예4 10 2.67 17.56 0.25
실시예5 15 4.799 39.38 0.28
상기 실시예2 내지 실시예5의 이온전도도를 보면 고체 상태(At 30℃) 보다 액체 상태(At 100℃)에서 이온 전도도가 더 높아진 것을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 내측 노즐 및 외측 노즐을 포함하는 열 히팅 이중 노즐이 구비된 전기 방사 장치를 준비하는 단계;
    열저장 혼합물을 상기 내측 노즐에 투입하고, 고분자를 상기 외측 노즐에 투입하는 단계;
    가열된 열저장 혼합물 용액과 고분자를 열 히팅 이중 노즐을 통해 전기방사하는 방사단계; 를 포함하고,
    상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질; 및 제2 열저장 물질; 을 포함하고,
    상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮고,
    상기 제1 열저장 물질은 석시노나이트릴(succinonitrile)을 포함하는 것인 태양전지용 PCM(Phase Change Material) 나노섬유 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열저장 혼합물은 고체상으로 투입되고,
    상기 고분자는 액체상으로 투입되는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    재료 투입 속도는 25 내지 70㎕/m 인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열은 50 내지 150℃ 에서 진행되는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열은 오일 히터(oil heater)장치를 통해 진행되는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 히팅 이중 노즐은 종방향 또는 횡방향으로 이동하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열저장 혼합물 용액 및 고분자는 컬렉터 상으로 전기방사되고,
    상기 열 히팅 이중 노즐 및 상기 컬렉터 사이의 이격 길이는 10 내지 20cm 인 태양전지용 PCM 나노섬유 제조방법.
  8. 열저장 혼합물을 포함하는 코어부; 및
    고분자를 포함하는 시스부; 를 포함하고,
    상기 열저장 혼합물은 제1 열저장 물질; 및 제2 열저장 물질; 을 포함하고,
    상기 제1 열저장 물질의 녹는점이 상기 제2 열저장 물질의 녹는점 보다 낮고,
    상기 제1 열저장 물질은 석시노나이트릴(succinonitrile)을 포함하는 것인 태양전지용 PCM(Phase Change Material) 나노섬유.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열저장 물질은 50℃ 이하에서는 고체 상태이고, 70℃ 이상에서는 액체 상태인 태양전지용 PCM 나노섬유.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2 열저장 물질은 무기물을 포함하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 무기물은 카본, 파인 세라믹, 페로브스카이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파인 세라믹은 질화 붕소(boron nitride), 질화 알루미늄(aluminum nitride), 탄화 규소(silicon carbide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 페로브스카이트는 하기 화학식 1, 화학식 2, 화학식 3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조를 포함하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유.
    [화학식 1]
    AMX3
    [화학식 2]
    AMX4
    [화학식 3]
    A2MX6
    (상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 A는 알칼리 글속, 유기 암모늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하고, M은 2가 또는 4가의 전이 금속 원소, 희토류 금속 원소, 알칼리 토류 금속 원소, 납, 주석, 게르마늄, 갈륨, 인듐, 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 폴로늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, X는 할로겐 원소 또는 산소를 포함한다)
  15. 제8항에 있어서,
    상기 고분자는 펜타에리트리톨(pentaerythritol, PE), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 아크릴레이트(acrylate), 펜타글리세린(pentaglycerine, PG), 네오펜틸 글리콜(neopentyl glycol, NPG), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체(polyvinyidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴클로라이드-아크릴로니트릴(polyvinylidene chloride-co-acrylonitrile, PVdC-co-AN), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는 것인 태양전지용 PCM 나노섬유.
  16. 제8항에 따른 PCM 나노섬유를 포함하는 태양전지용 PCM 필름.
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