KR20200108094A - 수동적 복사 실외 개인 냉각을 위한 분광 선택적 텍스타일 - Google Patents

Abstract

텍스타일은 (1) 매트릭스; 및 (2) 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함한다. 상기 텍스타일은 9.5μm의 파장에서 적어도 약 40%의 적외선 복사 투과율을 가지며, 상기 텍스타일은 0.3μm 내지 2μm의 파장 범위에 걸쳐서 적어도 약 40%의 가중 평균 복사 반사율을 가진다.

Description

수동적 복사 실외 개인 냉각을 위한 분광 선택적 텍스타일

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 2월 5일자 제출된 미국 임시 출원 No. 62/626,532의 이익을 주장하며, 이것의 내용은 그 전체가 참고로 여기 포함된다.

연방 지원 연구 또는 개발에 관한 언급

본 발명은 에너지부에 의해 수여된 약정서 DE-AR0000533 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정한 권리는 가진다.

실외 열 스트레스는 심각한 공중 보건 위협을 지니며, 산업 노동력 공급 및 생산성을 저해하여 사회의 안녕과 경제에 악영향을 미친다. 그러나 습도 및 바람 수준에 의한 제약 없이 인체의 국소적인 실외 냉각을 제공할 수 있는 효과적이며 경제적인 방법은 부족한 실정이다.

이 배경기술에 대하여 본 발명의 구체예를 개발하기 위한 필요성이 대두되었다.

일부 구체예에서, 텍스타일은 (1) 매트릭스; 및 (2) 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함한다. 상기 텍스타일은 9.5μm의 파장에서 적어도 약 40%의 적외선 복사 투과율을 가지며, 상기 텍스타일은 0.3μm 내지 2μm의 파장 범위에 걸쳐서 적어도 약 40%의 가중 평균 복사 반사율을 가진다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 매트릭스는 적어도 하나의 폴리올레핀을 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 매트릭스는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 약 10nm 내지 약 4000nm의 범위에서 피크 입자 크기를 가진다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 무기 재료를 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 산화금속, 할로겐화금속, 또는 황화금속 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 산화아연, 브롬화칼륨, 요오드화세슘, 염화칼륨, 염화나트륨, 또는 황화아연 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러와 매트릭스 사이의 굴절률의 차이는 매트릭스의 굴절률에 대하여 적어도 약 ±5%이다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 9.5μm의 파장에서 적외선 복사의 투과율은 적어도 약 60%이다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 0.3μm 내지 2μm의 파장 범위에 걸친 복사의 가중 평균 반사율은 적어도 약 60%이다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 매트릭스는 다공성이다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 매트릭스 내의 공극의 부피 퍼센트는 적어도 약 5%이다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 매트릭스 내의 공극은 약 10nm 내지 약 4000nm의 범위에서 피크 공극 크기를 가진다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 텍스타일은 매트릭스 및 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 섬유를 포함한다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 텍스타일은 매트릭스 및 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 필름을 포함한다.

추가의 구체예에서, 텍스타일은 (1) 매트릭스; 및 (2) 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함한다. 상기 텍스타일은 9.5μm의 파장에서 적어도 약 40%의 적외선 복사 투과율을 가지며, 상기 텍스타일은 특정한 색에 상응하는 가시선 범위의 파장에서 반사율의 피크를 가진다.

상기 텍스타일의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 메탈로이드, 산화금속, 또는 시안화금속 중 적어도 하나를 포함한다.

추가의 구체예에서, 인체의 온도를 조절하는 방법은 전술한 구체예 중 어느 하나의 텍스타일을 인체에 인접하여 위치시키는 것을 포함한다.

추가의 구체예에서, 다공성 텍스타일을 형성하는 방법은 (1) 용매, 적어도 하나의 중합체, 및 미립자 필러의 혼합물을 형성하는 단계로서, 미립자 필러는 9.5μm의 파장에서 적어도 약 40%의 적외선 복사 투과율을 갖는 무기 재료를 포함하고, 미립자 필러는 약 10nm 내지 약 4000nm의 범위에서 피크 입자 크기를 갖는 단계; (2) 혼합물을 압출하여 용매 및 텍스타일 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 텍스타일을 형성하는 단계; 및 (3) 텍스타일로부터 용매를 추출하여 다공성 텍스타일을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 방법의 일부 구체예에서, 적어도 하나의 중합체는 폴리올레핀을 포함한다.

상기 방법의 일부 구체예에서, 미립자 필러는 산화아연, 브롬화칼륨, 요오드화세슘, 염화칼륨, 염화나트륨, 또는 황화아연 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 다른 양태 및 구체예들도 또한 고려된다. 전술한 요약 및 이후의 상세한 설명은 본 발명을 임의의 특정한 구체예에 제한하려는 것이 아니며, 본 발명의 일부 구체예를 설명하려는 의도일 뿐이다.

본 발명의 일부 구체예의 성격 및 목적을 더 잘 이해하기 위해 첨부한 도면과 함께 아래의 상세한 설명이 참조되어야 한다.
도 1(a)는 일부 구체예의 다공성 필름의 모식도이다.
도 1(b)는 일부 구체예의 비-다공성 필름의 모식도이다.
도 2는 일부 구체예의 (a) 직조 텍스타일, (b) 다공성 중합체 섬유, 및 (c) 비-다공성 중합체 섬유의 모식도이다.
도 3(a)는 실외 환경에서 일광하에 인체의 열 유입 및 유출 경로를 예시하는 모식도이다. (b)는 일광을 반사시키고 인체 열 복사를 전달함으로써 복사 실외 냉각을 위해 설계된, 산화아연(ZnO) 나노입자 매립 나노포러스 폴리에틸렌(PE) 텍스타일의 모식도이다. (c)는 약 34℃의 피부 온도에서 플랑크의 법칙을 사용하여 모방된 인체 열 복사와 AM 1.5G 일사량의 스펙트럼 비교이며, 이것은 이들이 파장 범위에서 한계 중첩을 가진다는 것을 보여준다.
도 4(a)는 0.4-16μm의 파장 범위에 걸쳐서 폴리에틸렌 매체 중의 단일 ZnO 입자의 정규화된 산란 단면의 시뮬레이션이며, 이때 입자 직경은 0.01 내지 10μm에서 다양했다. (b)는 폴리에틸렌 매체 중에서 320nm의 동일한 직경을 가진 기공과 ZnO 입자 사이의 정규화된 산란 단면의 비교이다. ZnO 입자 크기 및 밀도에 대한 다수 ZnO 입자 매립 나노포러스 폴리에틸렌의 (c) 태양 반사와 (d) 중간-적외선 투과의 의존성. (c) 및 (d)의 각 데이터 포인트에서, ±0.1μm의 변량에서 입자 크기의 정규 분포를 위해 산란 단면이 평균된다. 0.4 내지 4μm의 일사량 스펙트럼에 걸쳐서 태양 반사가 평균된다. 4 내지 16μm의 인체 열 복사 파장 범위에 걸쳐서 중간-적외선 투과가 평균된다. (e)는 밀도 대 크기 평면에 (c) 및 (d)의 3차원 플롯을 투영한 것이다. 흰색 체제는 ZnO 입자의 최적 밀도 및 크기를 제시하며, 이 경우 높은 태양 반사와 높은 중간-적외선 투과가 모두 달성될 수 있다.
도 5(a)는 일광하의 ZnO-PE 텍스타일의 영상이다. (b)는 ZnO-PE 샘플에 대한 엑스선 컴퓨터 단층촬영 영상의 측면도 및 상면도이며, 이것은 ZnO 입자들의 실질적으로 균일한 분포를 나타낸다. 삽도는 동적 광 산란을 사용하여 측정된 ZnO 입자 직경의 분포 프로파일이며, 이것은 약 500nm에서 피크이다. (c)는 용융-압출에 의해 제조된 ZnO-PE 섬유의 롤의 영상이다. 주사전자현미경(SEM) 영상은 ZnO-PE 필름 샘플의 (d) 상부 표면 및 (e) 단면을 보여준다. (f)는 개별 ZnO 입자의 형태를 나타내는 고-배율 SEM 영상이다. (g)는 적분구를 가지고 측정된 자외선에서부터 중간-적외선 범위(약 0.3 내지 약 16μm)까지 ZnO-PE의 반사율 및 투과율 스펙트럼이다. 그늘 영역은 참조를 위한 AM 1.5G 태양 스펙트럼(좌측) 및 인체 복사 스펙트럼(우측)을 나타낸다.
도 6(a)는 실외 시험 환경에서의 열 측정 셋업의 영상이다. (b)는 피부를 모방한 가열체, 모방된 피부 온도를 측정하는 열전대 및 모방된 피부를 덮은 텍스타일 샘플을 포함하는 열 측정 셋업의 모식도이다. (c)는 캘리포니아 스탠포드에서 청명한 봄날에 약 4시간의 지속기간에 걸쳐서 바람에 의한 대류하에 ZnO-PE로 덮인, 면으로 덮인, 및 맨살 피부-모방 가열체를 가지고 측정된 온도의 비교이다. 참조를 위해 주변 온도와 일사량이 모두 측정되며 플롯팅된다. (d)는 (c)에서의 측정 결과에 기초하여 약 34℃의 정상 피부 온도를 유지하기 위해 ZnO-PE로 덮인, 면으로 덮인, 및 맨살 피부-모방 가열체에 의해 요구되는 계산된 추가의 냉각력이다. (e)는 바람에 의한 대류 및 땀 증발 하에 ZnO-PE로 덮인, 면으로 덮인, 및 맨살 피부-모방 가열체를 가지고 측정된 온도의 비교이다. (f)는 ZnO-PE로 덮인, 면으로 덮인, 및 맨살 피부-모방 가열체에 대해, 텍스타일을 통한 물 증발율(도 12)과 물의 기화열의 곱으로서 추산된, (d)에서 13:00시의 냉각력 요구와 땀 증발에 의해 공급된 냉각력의 비교이다.
도 7은 인체 피부의 자외선-가시선-근적외선(UV-VIS-NIR) 반사율 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 방사율이다.
도 8은 면의 UV-VIS-NIR 반사율 및 FTIR 투과율이다.
도 9는 자외선에서부터 중간-적외선 범위(0.3-16μm)까지 ZnO-PE의 측정된(실선) 및 모방된(점선) 반사율 및 투과율 스펙트럼의 비교이다. 다음의 변수들은 실험값과 밀접히 일치하는 시뮬레이션에 대해 가정된다: 20%의 공극도에서 200nm의 평균 기공 직경, 2:5의 ZnO:PE 질량비, ZnO 입자 직경의 정규 분포 d = 0.5μm ± 0.1μm 및 150μm의 필름 두께. 그늘 영역은 참조를 위한 AM 1.5G 태양 스펙트럼(좌측) 및 인체 복사 스펙트럼(우측)을 나타낸다.
도 10은 태양 및 그늘 하에서 텍스타일로 덮이지 않은 모방된 피부 가열체의 측정된 피부 온도이다.
도 11은 일광하의 옷을 입은 인체의 열 전달 모델의 모식도이다.
도 12는 면 및 ZnO-PE로 덮인 피부에 대한 측정된 값과 열 전달 모델 분석으로부터 계산된 피부 온도의 비교이다.
도 13은 ZnO-PE로 덮인 피부, 면으로 덮인 피부 및 맨살 피부로부터의 물 증발율이다.
도 14는 (a) 태양 반사 및 (b) 중간-적외선 투과에 대한 ZnO-PE 층 두께의 효과이다. 나노복합체 층 두께의 증가에 따라 트레이드오프가 관찰되며, 이 경우 약 80μm 내지 약 160μm의 두께가 높은 태양 반사 및 중간-적외선 투과에 대해 동시에 최적이다.
도 15는 약 30분간 세제 및 교반력을 사용한 ZnO-PE 텍스타일 재료의 세척 전후에 물에서 Zn²⁺ 농도를 정량하기 위한 유도 결합 플라즈마 질량분광법(ICP-MS) 측정이다. 그 결과는 미량의 ZnO(약 2 ppb)가 세척 사이클 동안 물에 방출된 것을 나타낸다. 이것은 ZnO 입자 위를 PE가 밀접히 감쌈으로 인한, 매립된 구조의 우수한 내구성을 증명한다.
도 16은 샘플에서 잔류 염화메틸렌을 검출하기 위한 클로로포름-d(상부)에 용해된 텍스타일 샘플의 ¹H 핵자기공명(NMR) 스펙트럼이다. 하부 곡선은 블랭크 기준으로서 클로로포름-d(¹H NMR 측정을 위한 용매)로부터의 것이다. 약 7.26ppm의 피크가 클로로포름-d에 상응한다. 약 1.56ppm의 물 피크는 대기로부터 흡수된 미량의 수분으로 인한 것이다. 염화메틸렌의 피크 위치는 약 5.3ppm에 있어야 하는데, 이것은 샘플 곡선에서 부재한다. 이들 측정 결과는 염화메틸렌이 매우 휘발성이며, 증발에 의해 실질적으로 완전히 제거될 수 있다는 것을 확인시켜 준다. 공기 중에서 약 2시간 건조 후 텍스타일 샘플로부터 염화메틸렌은 검출되지 않았다.
도 17에서는 폴리에틸렌에 마이크론 크기의 규소 입자를 첨가함으로써 검은색이 구현되며, 이것 역시 약 4 내지 약 18μm의 파장 범위에서 높은 적외선-투명도를 나타낸다. (a)에는 검은색 Si-PE 복합체 필름이 도시된다. (b)에는 검은색 Si-PE 섬유가 다른 착색된 폴리에틸렌 섬유와 함께 도시된다. (c)는 Si-PE 복합체 필름의 적외선 투과 스펙트럼이다.
도 18(a)는 복사 냉각 텍스타일의 착색을 위한 설계의 모식도이며, 이것은 IR-투명 무기 안료 나노입자를 PE와 혼합함으로써 형성된다. 다음에, 혼합된 복합체는 대규모 산업 과정을 통해 인터레이스 텍스타일로 편직하기 위한 연속 섬유로 압출될 수 있다. 선택된 무기 안료 분말의 (b) 사진 및 (c) FTIR 흡광도 스펙트럼. (d) 프러시안 블루(PB), (e) 산화철(Fe₂O₃) 및 (f) 규소(Si)에 대한 나노입자의 SEM 영상.
도 19(a)는 안료 나노입자-혼합 폴리에틸렌 복합체 필름의 사진, (b) UV-VIS 반사율, (c)는 FTIR 투과율이고, (d)는 가시선 불투명 스펙트럼이다.
도 20(a)는 산업 압출에 의해 생성된 착색된 폴리에틸렌 섬유의 세 가지 스풀의 사진이다. (b)에서 인장 강도 시험은 착색된 폴리에틸렌 섬유가 면과 비슷한 인장 강도를 가진다는 것을 증명한다. (c) 청색 PB-PE, (d) 적색 Fe₂O₃-PE 및 (e) 황색 Si-PE에 대한 압출된 섬유의 광학 사진. (f-h)는 편직 패턴을 나타내는 광학 사진이고, (i-k)는 우수한 착용성을 가진 편직된 텍스타일의 사진이다.
도 21(a)는 착색된 폴리에틸렌 텍스타일의 측정된 전체 FTIR 투과이다. (b)는 착색된 폴리에틸렌 텍스타일을 세척한 후 물에서 각각의 금속 이온의 무시할 수 있는(ppb 수준) 농도 증가를 나타내는 차트이다. (c)는 맨살 및 텍스타일로 덮인 피부-모방 가열체를 가지고 측정된 온도의 비교이다. 텍스타일 샘플은 면, PB-PE, Fe₂O₃-PE, Si-PE 및 나노포러스 폴리에틸렌(나노PE)을 포함한다. (d)는 맨살 피부 및 면, PB-PE, Fe₂O₃-PE 및 Si-PE 텍스타일로 덮인 사람 피부의 적외선 영상이다.

본 발명의 구체예는 분광 선택적 텍스타일에 관한 것이다. 일부 구체예에서, 태양-반사, 적외선(IR)-투명, 입자-매립된 중합체 텍스타일이 실외 착용자를 위해 제공되며, 실외 환경에서 직사광선 하에 열 쾌적성을 유지할 수 있는 냉각력을 달성한다.

인체와 실외 환경 사이의 열 교환은 전도, 대류, 증발 및 복사를 수반한다. 따라서, 실외 열 쾌적성을 유지하는 것은 열 획득을 감소시키고 열 손실을 증진시킴에 의한 열 스트레스의 감소를 수반한다. 실외 냉각을 달성하기 위해 다른 접근법은 주로 의복의 증발 및 대류 열 손실에 중점을 두지만, 이들 두 가지 열 소산 경로는 모두 습도 및 바람 수준과 같은 환경 조건에 크게 의존한다는 고유한 제약을 가진다. 일사량 및 열 복사 경로는 이들이 전체 열 교환에 크게 기여함에도 실외 텍스타일에 대해 충분히 고려되지 않았다. 통상의 텍스타일과 달리, IR-투명 텍스타일은 일광을 높은 퍼센트로 반사시키고, 인체에 의해 복사되는 IR의 흡수는 낮으며, 이로써 추가의 에너지 소비 없이 복사 열 전달의 유입을 감소시키는 동시에 유출을 증진시킬 수 있고, 착용자는 실외 환경에서 냉감을 느끼게 된다. 게다가, 중합성 복합체 재료는 압출에 의해 섬유로 형성될 수 있고, 직조에 의해 섬유로부터 직조된 텍스타일이 형성될 수 있으며, 이로써 속옷용 텍스타일로서 편안함과 통기성을 제공한다. 따라서, 텍스타일은 대규모 제조가 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 구체예는 실외 개인 냉각을 위한 태양-반사, IR-투명 텍스타일을 제공하며, 이것은 속옷용 텍스타일의 쾌적성을 유지하고, 또한 대규모로 실현될 수 있다.

일부 구체예의 IR-투명 텍스타일은 인체에 의해 방사된 IR 복사의 낮은 흡수를 가지며, 이로써 IR 복사는 환경으로 자유롭게 전달될 수 있고, 그 결과 착용자는 냉감을 느끼게 된다. 한편, 텍스타일에는 텍스타일 내에 분산된 미립자 필러가 제공되며, 이것은 일사량 스펙트럼을 산란시킴으로써 직사광선 하에 냉각 효과를 제공하는 작용을 한다. 게다가, 텍스타일은 다공성이며, 텍스타일의 공극은 텍스타일을 통기성으로 만들고, 전도 및 대류를 통한 열 소산을 증가시킨다. 텍스타일은 미립자 필러로 매립된 다공성 필름으로서 형성될 수 있거나, 또는 섬유-기반 직조 구조로 형성될 수 있다. 공극이 제공되고 미립자 필러가 매립된 중합체 섬유는 압출 및 용매 추출과 같은 과정에 의해 대규모로 형성될 수 있고, 이러한 섬유로부터 직조된 텍스타일이 직조와 같은 과정에 의해 대규모로 형성될 수 있다.

일부 구체예의 텍스타일은 단일 중합체 또는 둘 이상의 상이한 중합체의 블렌드를 포함한다. 일부 구체예에서, IR 투명도를 부여하기 위해, 낮은 IR 복사 흡수, 예컨대 약 4μm 내지 약 20μm 또는 약 4μm 내지 약 16μm의 중간-IR 범위에서 낮은 복사 흡수를 가진 중합체 또는 중합체의 블렌드가 사용될 수 있다. 이러한 구체예에서, 적합한 중합체는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 다른 열가소성 폴리올레핀 또는 폴리올레핀 엘라스토머를 포함한다. PE의 경우, 적합한 분자량은 저밀도 PE(LDPE), 고밀도 PE(HDPE), 및 초고 분자량 PE(UHMWPE)의 범위일 수 있다. PE는 다른 중합체, 예컨대 PP, 염화폴리비닐(PVC), 비닐론, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아미드(예를 들어, 나일론), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르, 불화폴리비닐(PVF), 공중합체, 다른 열가소성 중합체, 천연 중합체 등과 블렌드될 수 있거나, 또는 적어도 부분적으로 치환될 수 있다. 폴리올레핀 대신, 또는 폴리올레핀과 조합하여, IR 복사의 낮은 흡수를 가진 다른 중합체, 예컨대 다음 작용기 C-O; C-N; 방향족 C-H; 및 S=O 중 하나 이상이 실질적으로 없는 중합체, 및 이들 작용기 중 하나 이상의 함량이 약 1 mmole/g 이하, 약 0.1 mmole/g 이하, 약 0.01 mmole/g 이하, 약 0.001 mmole/g 이하, 또는 약 0.0001 mmole/g 이하인 중합체가 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 적합한 중합체는 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95%, 최대 약 98% 또는 그 이상의 9.5μm의 파장에서의 IR 복사의 투과율을 가진다. 일부 구체예에서, 적합한 중합체는 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95% 또는 그 이상의 7-14μm의 파장 범위에 걸친 IR 복사의 가중 평균 투과율을 가진다. 텍스타일의 형성 동안, 하나 이상의 첨가제, 예컨대 항산화제, 항균제, 착색제 또는 염료, 물 심지제(예를 들어, 면), 금속, 목재, 실크, 울 등이 포함될 수 있다. 하나 이상의 첨가제는 텍스타일에 포함된 중합체 또는 중합체의 블렌드 내에 분산될 수 있다.

일부 구체예의 텍스타일은 또한 중합체 또는 중합체 블렌드의 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함한다. 미립자 필러는 텍스타일에 포함된 중합체 또는 중합체 블렌드에 대해 굴절률의 대비를 제공하며, 이로써 원하는 스펙트럼에서 빛을 선택적으로 산란시키고, 특히 원하는 스펙트럼에서 빛을 강하게 산란시키며, 중간-IR 범위에서는 낮은 산란을 나타낼 수 있다. 일부 구체예에서, 미립자 필러는 약 400nm 내지 약 700nm의 가시선 범위의 복사 및 700nm 내지 약 4μm의 근-IR 범위의 복사를 포함하는 약 300nm 내지 약 4μm의 범위에서 일사량 스펙트럼의 빛을 선택적으로 산란시킬 수 있는 크기 및 재료 조성을 가지며, 이로써 직사광선 아래서 냉각 효과를 제공한다. 다른 구체예에서, 미립자 필러는 가시선 범위에서 특정한 파장 또는 색을 선택적으로 산란시킬 수 있는 크기 및 재료 조성을 가지며, 이로써 착색 효과를 제공한다. 예를 들어, 미립자 필러(및 이러한 필러를 포함하는 텍스타일)는 특정한 색에 상응하는 가시선 범위의 특정한 파장에서 반사율의 피크를 가질 수 있고(예를 들어, 약 450nm), 이것은 특정한 색(예를 들어, 청색)의 가시적 출현을 제공하며, 또는 다른 특정한 색에 상응하는 가시선 범위의 다른 특정한 파장에서 반사율의 피크를 가질 수 있고(예를 들어, 약 600nm), 이것은 다른 특정한 색(예를 들어, 황색)의 가시적 출현을 제공하며, 또는 다른 특정한 색에 상응하는 가시선 범위의 다른 특정한 파장에서 반사율의 피크를 가질 수 있고(예를 들어, 약 750nm), 이것은 다른 특정한 색(예를 들어, 적색)의 가시적 출현을 제공한다(그 외에도 가능).

일부 구체예에서, 미립자 필러와 중합체 또는 중합체 블렌드 사이의 굴절률의 상대적인 차이는 텍스타일에 포함된 중합체 또는 중합체 블렌드의 굴절률에 대하여 적어도 약 ±1%이며(예를 들어, 589nm에서 측정된 가시광선에 대해), 예컨대 적어도 약 ±5%, 적어도 약 ±8%, 적어도 약 ±10%, 적어도 약 ±15%, 적어도 약 ±20%, 적어도 약 ±25%, 적어도 약 ±30%, 적어도 약 ±35%, 적어도 약 ±40%, 적어도 약 ±45%, 또는 적어도 약 ±50%이다. 일부 구체예에서, 미립자 필러와 중합체 또는 중합체 블렌드 사이의 굴절률의 절대적 차이는 텍스타일에 포함된 중합체 또는 중합체 블렌드의 굴절률에 대하여 적어도 약 ±0.01이며(예를 들어, 589nm에서 측정된 가시광선에 대해), 예컨대 적어도 약 ±0.05, 적어도 약 ±0.1, 적어도 약 ±0.15, 적어도 약 ±0.2, 적어도 약 ±0.25, 적어도 약 ±0.3, 적어도 약 ±0.35, 적어도 약 ±0.4, 적어도 약 ±0.45, 적어도 약 ±0.5, 또는 적어도 약 ±0.55이다. 미립자 필러의 굴절률은 텍스타일에 포함된 중합체 또는 중합체 블렌드의 굴절률보다 더 높거나 더 낮을 수 있다.

필러의 적합한 재료의 예들은 메탈로이드(예를 들어, 규소), 산화금속(예를 들어, 산화아연 및 산화철), 할로겐화금속(예를 들어, 브롬화칼륨, 요오드화세슘, 염화칼륨, 및 염화나트륨), 황화금속(예를 들어, 황화아연), 시안화금속(예를 들어, 프러시안 블루) 등과 같은, 가시선 범위의 복사, 근-IR 범위의 복사, 및 중간-IR 범위의 복사를 포함하는, 약 300nm 내지 약 20μm의 범위에서 낮은 복사 흡수를 갖는 무기 재료를 포함한다. 일부 구체예에서, 필러를 위한 적합한 재료는 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95%, 최대 약 98% 또는 그 이상의 9.5μm의 파장에서의 IR 복사의 투과율을 가진다. 일부 구체예에서, 필러를 위한 적합한 재료는 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95% 또는 그 이상의 7-14μm의 파장 범위에 걸친 IR 복사의 가중 평균 투과율을 가진다. 필러는 중간-IR 범위의 복사 대신 가시선 범위 및 근-IR 범위의 복사를 주로 산란시킬 수 있는 크기이다. 예를 들어, 필러는 가시광선의 파장과 비슷하고 중간-IR 복사의 파장 아래에 있을 수 있는 나노-크기(예를 들어, 나노입자로서)일 수 있다. 일부 구체예에서, 필러는 약 10nm 내지 약 4000nm, 약 1000nm 내지 약 4000nm, 약 100nm 내지 약 1000nm, 약 100nm 내지 약 900nm, 약 100nm 내지 약 800nm, 약 100nm 내지 약 700nm, 약 100nm 내지 약 600nm, 약 100nm 내지 약 500nm, 약 100nm 내지 약 400nm, 약 100nm 내지 약 300nm, 약 500nm 및 약 1000nm, 약 200nm 및 약 900nm, 약 300nm 및 약 800nm, 약 400nm 및 약 700nm, 또는 약 400nm 및 약 600nm의 범위에서 평균 또는 피크 입자 크기를 가지며, 더 크거나 더 작은 필러도 또한 고려된다. 일부 구체예에서, 입자 크기의 분포는 산란된 복사의 원하는 파장을 부여하기 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 필러는 크기가 상대적으로 균일할 수 있고, 예컨대 이 경우 입자 크기의 표준 편차는 평균 입자 크기의 약 50% 이하, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 약 25% 이하, 또는 약 20% 이하이다. 일부 구체예에서, 텍스타일 내에서 필러의 갯수 밀도는 적어도 약 0.1μm^-3, 적어도 약 0.5μm^-3, 적어도 약 1μm^-3, 적어도 약 2μm^-3, 적어도 약 4μm^-3, 또는 적어도 약 6μm^-3, 및 최대 약 8μm^-3 또는 그 이상이다. 필러는 규칙적인 또는 불규칙적인 모양일 수 있으며, 약 3 이하, 또는 약 3 초과의 애스펙트 비를 가질 수 있다.

일부 구체예의 텍스타일은 다공성이다. 텍스타일의 공극은 필러와 공동으로 원하는 스펙트럼에서 빛의 선택적 산란에 기여할 수 있는 크기로 될 수 있다. 예를 들어, 공극은 가시광선의 파장과 비슷하고 중간-IR 복사의 파장 아래에 있도록 하는 나노-크기(예를 들어, 나노공극)일 수 있다. 일부 구체예에서, 공극은 약 10nm 내지 약 4000nm, 약 1000nm 내지 약 4000nm, 약 100nm 내지 약 1000nm, 약 100nm 내지 약 900nm, 약 100nm 내지 약 800nm, 약 100nm 내지 약 700nm, 약 100nm 내지 약 600nm, 약 100nm 내지 약 500nm, 약 100nm 내지 약 400nm, 약 100nm 내지 약 300nm, 약 500nm 및 약 1000nm, 약 200nm 및 약 900nm, 약 300nm 및 약 800nm, 약 400nm 및 약 700nm, 또는 약 400nm 및 약 600nm의 범위에서 평균 또는 피크 공극 크기를 가지며, 더 크거나 더 작은 공극도 또한 고려된다. 일부 구체예에서, 공극 크기의 분포는 산란된 복사의 원하는 파장을 부여하기 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 공극은 크기가 상대적으로 균일할 수 있으며, 예컨대 이 경우 공극 크기의 표준 편차는 평균 공극 크기의 약 50% 이하, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 약 25% 이하, 또는 약 20% 이하이다. 공극 크기는, 예를 들어 Barret-Joyner-Halenda 모델을 사용하여 결정될 수 있다. 일부 구체예에서, 텍스타일 내의 공극의 부피 퍼센트는 적어도 약 1%, 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 또는 적어도 약 20%, 및 최대 약 30% 또는 그 이상이다. 일부 구체예에서, 공극의 적어도 일부는 통기성을 증가시키고 서로 연결된 공극을 통해 전도 및 대류 열 소산을 증가시키기 위해 서로 연결될 수 있다. 공극은 규칙적인 또는 불규칙적인 모양일 수 있으며, 약 3 이하, 또는 약 3 초과의 애스펙트 비를 가질 수 있다.

일부 구체예의 텍스타일은 공극(104)을 가진 중합체 또는 중합체 블렌드의 매트릭스(102)를 포함하고 미립자 필러(106)로 매립된 다공성 필름(100)으로서 형성될 수 있거나(도 1(a) 참조), 또는 중합체 또는 중합체 블렌드의 매트릭스(112)를 포함하고 미립자 필러(116)로 매립된 비-다공성 필름(110)으로서 형성될 수 있다(도 1(b) 참조). 추가의 구체예의 텍스타일은 섬유-기반 직조 텍스타일(200)로서 형성될 수 있다(도 2(a) 참조). 직조 텍스타일(200)의 경우, 텍스타일(200)에 포함된 다공성 중합체 섬유(202)는 공극(206)을 가진 신장된 부재(204), 및 신장된 부재(204) 내에 분산된 미립자 필러(208)를 포함한다. 대안으로서, 또는 공동으로, 텍스타일(200)에 포함된 비-다공성 중합체 섬유(212)는 공극을 결여한 신장된 부재(214), 및 신장된 부재(214) 내에 분산된 미립자 필러(218)를 포함한다. 일반적으로, 중합체 섬유는 원형 단면 모양을 가질 수 있고, 뿐만 아니라 다양한 다른 규칙적인 또는 불규칙적인 단면 모양, 예컨대 다엽형, 8각형, 타원형, 5각형, 직사각형, 정사각형-모양, 사다리꼴, 삼각형, 쐐기-모양 등을 가질 수 있다. 섬유의 표면은 친수성, 항균성, 착색, 텍스쳐화 등과 같은 추가의 특성을 부여하기 위해 화학적으로 또는 물리적으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 친수성제의 코팅과 같은 친수성을 부여하기 위한 코팅이 섬유의 표면에 적용될 수 있다. 일부 구체예에서, 중합체 섬유는 섬유 단일체를 형성하기 위해 이어지거나 조합된 다수의(예를 들어, 둘 이상) 신장된 부재를 포함한다. 신장된 부재 중 적어도 하나는 그 안에 분산된 미립자 필러를 포함하며, 신장된 부재들은 동일한 중합체(또는 동일한 중합체 블렌드) 또는 상이한 중합체(또는 상이한 중합체 블렌드)를 포함할 수 있다. 신장된 부재는 다양한 구성형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 신장된 부재는 코어-시스 구성형태, 해도형 구성형태, 행렬 또는 체커보드 구성형태, 세그먼트화된-파이 구성형태, 사이드-바이-사이드 구성형태, 스트라이프화 구성형태 등으로 배열될 수 있다. 중합체 섬유의 추가 구체예는 중공 구조, 블록 구조, 그래프트화 구조 등을 갖도록 실현될 수 있다.

일부 구체예에서, 텍스타일은 압출 및 용매 추출의 과정에 의해 형성된다. 특히, 중합체 또는 중합체의 블렌드가 파라핀 오일과 같은 용매 중에서 미립자 필러와 조합될 수 있고, 이로써 혼합물이 형성된다. 혼합물 중 용매의 부피 퍼센트는 적어도 약 1%, 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 또는 적어도 약 20%, 및 최대 약 30% 또는 그 이상과 같은, 용매 추출 후 결과의 텍스타일 내에서 공극의 원하는 부피 퍼센트를 얻기 위해 선택될 수 있다. 파라핀 오일 대신, 또는 파라핀 오일과 조합하여, 고체 왁스, 미네랄 오일 등과 같은 다른 적합한 액체 용매 또는 고체가 사용될 수 있다. 또한, 물 심지제, 착색제 등과 같은 하나 이상의 첨가제가 혼합물에 포함될 수 있다. 다음에, 혼합물은 압출 장치를 통해 압출될 수 있고, 이로써 그 안에 분산된 용매를 포함하는 필름 또는 중합체 섬유가 형성되며, 용매는 추출되고 나노공극이 남을 수 있다. 용매의 추출은 염화메틸렌과 같은 추출제의 화학 욕조에 침지시켜 수행될 수 있으며, 증발과 같은 다른 방식의 추출도 고려된다. 일단 형성되면, 일부 구체예의 중합체 섬유는, 개별 섬유로서 또는 다중-섬유 얀에 포함된 채로, 직조 텍스타일을 형성하기 위한 다양한 과정을 거칠 수 있다. 예들은 위빙, 니팅, 펠팅, 브레이딩, 플레이팅 등을 포함한다. 일부 구체예에서, 상이한 색을 수득하기 위한 상이한 미립자 필러를 포함하는 중합체 섬유가 특정 비율로 조합되거나 블렌드되며, 이로써 원하는 색을 가진 직조된 텍스타일이 형성된다.

일부 구체예의 텍스타일은 다양한 이득을 나타낼 수 있다. 일부 구체예에서, 텍스타일은 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95%, 최대 약 98%, 또는 그 이상의 9.5μm의 파장에서의 IR 복사의 투과율을 가진다. 일부 구체예에서, 텍스타일은 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95%, 또는 그 이상의 7-14μm의 파장 범위에 걸친 IR 복사의 가중 평균 반사율을 가진다. 일부 구체예에서, 텍스타일은 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 및 최대 약 90%, 최대 약 95%, 최대 약 98%, 또는 그 이상의 0.3-2μm의 파장 범위에 걸친 복사의 가중 평균 반사율을 가진다.

일부 실시예의 텍스타일은 단층 천에 단층으로서, 또는 다중층 천의 다중(예를 들어, 둘 이상) 층 중에, 천으로 통합될 수 있다. 다중층 천의 경우, 상기 텍스타일은 하나 이상의 추가의 층, 예컨대 다른 텍스타일 재료(예를 들어, 면 또는 폴리에스테르)의 하나 이상의 층과 적층되거나 또는 조합될 수 있다. 결과의 천은 다양한 의복 물품, 예컨대 의류 및 신발류, 뿐만 아니라 다른 제품, 예컨대 의료 제품에서 사용될 수 있다.

실시예

다음의 실시예는 당업자에게 설명을 예시하고 제공하기 위하여 본 발명의 일부 구체예의 특정한 양태를 설명한다. 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 일부 구체예를 이해하고 실시하는데 있어 유용한 특정한 방법을 제공할 뿐이다.

실시예 1

수동 복사 실외 개인 냉각을 위한 무기-유기 매트릭스를 사용한 분광 선택적 텍스타일

개략:

본 실시예는 무기-유기 복합체 매트릭스를 사용한 복사 실외 냉각 텍스타일을 증명한다. 일사량의 약 90%를 초과하여 반사하고 인체의 열 복사를 선택적으로 외부로 전달함으로써 이 텍스타일은 인체와 비슷한 열 생성율(약 104 W/m²)을 가진 피부-모방 가열체를 허용할 수 있으며, 이로써 피크 일광 조건에서 면과 같은 통상의 텍스타일과 비교하여 약 5 내지 약 13℃만큼 과열을 피할 수 있다. 이러한 뛰어난 수동적 냉각 능력과 대규모 제조와의 양립성 덕택에 이 복사 실외 냉각 텍스타일은 많은 측면에서 사회에 폭넓은 이익이 되는데 유망하다.

결과 및 고찰:

실외 공간은 다양한 필수 신체 활동을 수용하는 일상 생활의 불가피한 부분이다. 예를 들어, 실외 여가 활동은 개인의 신체 건강 및 정신 복지를 유지하는데 지극히 중요하다는 것이 오랫동안 인정되었다. 추가로, 농업, 조경, 광업, 건설, 운송 등과 같은 사회의 경제에 상당히 기여하는 광범위한 직업들도 광범한 실외 노동 작업을 수반한다. 그러나, 실외 활동을 수행할 때 주로 직면하는 한 가지 위험은 과도한 열 스트레스에 대한 노출이다. 열 스트레스가 인체에 의해 효과적으로 소산되지 않을 때 이상 고열이 발생할 것이고, 열사병, 열사병 및 열경련의 생명을 위협하는 임상 증후군을 야기할 것이다. 미국에서는 열 스트레스가 자연재해로 인한 사망의 주요 원인이라고 보고된다. 열로 인한 생리적 및 심리적 영향 또한 산업 노동 생산성과 공급의 감소로 이어져 결국 개발도상국을 중심으로 전체 경제와 사회 복지에 영향을 미친다. 지구 온난화의 맥락에서, 실외 열 스트레스가 직업, 스포츠, 군사 분야뿐만 아니라 일상생활에 미치는 건강과 경제적 위협은 더욱 격렬하고 빈번해질 것이다. 최근 분석에서는 2030년까지 연간 열 발생 문제 비용이 약 2조 4천억 달러에 이를 것으로 추정했다.

따라서, 실외 냉방이 많은 측면에서 소망되지만, 개방성으로 인해 큰 도전으로 남아 있다. 에어컨을 쉽게 구현할 수 있는 실내 공간과 달리 에너지 집약적인 난방, 환기, 냉방(HVAC) 시스템을 사용해 실외 환경의 거대한 개방 공간을 냉방하는 것은 비현실적이고 비경제적이다. 이러한 상황에서 원하는 해결책은 의복을 통한 인체의 국소적인 냉방이다. 현재 아웃도어 의복에 사용되는 냉각 기술은 수분 심지를 수반하는데, 이것은 땀을 피부에서 직물 외부 표면으로 뽑아냄으로써 대사열의 제거를 용이하게 하며, 이로써 땀은 피부와 직물 사이에 갇히는 것보다 공기 중으로 더 쉽게 증발할 수 있다. 그러나, 이 기술은 땀에 의존하며, 이것은 신체적 및 정신적 악화나 심지어 죽음을 야기할 수 있는 탈수증의 잠재적 위험을 수반한다. 게다가, 주위 공기의 습도가 땀의 증발을 억제할 만큼 충분히 높을 때 그 효과는 심각하게 제한된다. 다른 의복 냉각 기술은 상변화 물질의 통합 및 시원한 공기나 액체의 순환을 포함한다. 그럼에도 불구하고 이들 기술은 부피가 큰 팩이나 튜브의 포함으로 인한 이동성의 감소 및 불편함, 및 시간 경과에 따른 보충이나 전력 소비로 인한 높은 비용 등 폭넓은 시장 채택을 방해하는 몇 가지 단점을 가진다.

복사 냉각 텍스타일은 인체의 선천적 능력을 활용해 에너지 투입 없이 열 복사를 방출하기 때문에 매력적인 전략으로 인정된다. 실내 환경에서는 적외선(IR) 투명 텍스타일이 상당한 개인 냉각을 수동적으로 제공할 수 있다는 것이 증명된다. 그러나 직사광선을 받는 실외 복사 냉각 텍스타일은 일사량(약 1000 W/m²)으로부터의 실질적인 외부 가열과 인지가능한 내부 신체 열 발생(약 100 W/m²)으로 인해 현저하게 큰 난관을 나타낸다.

본 실시예는 일사량의 약 90%를 초과하는 반사 및 인체 열 복사의 높은 전달을 가진 실외 복사 냉각 텍스타일의 개선된 개념을 증명한다. 재료 특성과 구조 광자 공학의 조합이 이 텍스타일을 개발하기 위해 사용되며, 산화아연(ZnO) 나노입자를 나노포러스 폴리에틸렌(ZnO-PE)에 매립함으로써 선택적 분광 반응을 갖게 된다. ZnO-PE는 사람의 피부와 비슷한 약 104 W/m²의 열 생성율을 가진 피부-모방 가열체를 허용할 수 있으며, 이로써 약 900 W/m²의 피크 일사량을 가진 전형적인 실외 환경에서 면과 같은 통상의 텍스타일과 비교하여, 약 200 W/m²을 초과하는 냉각력에 상응하는, 약 10℃를 초과하는 만큼의 과열을 피할 수 있다. 더욱이, 땀 증발이 역할을 했을 때 복사 냉각 텍스타일은 여전히 면에 비해 최대 약 8℃만큼 피부-모방 가열체의 과열을 피할 수 있다. 이들 결과는 수동적 실외 냉각을 위한 텍스타일 복사 특성을 선택적으로 재단하는 뛰어난 능력을 증명한다. 이 개선된 텍스타일은 더 많은 사람들이 실외의 이익을 받아들이도록 유도하는 실외 열 쾌적성의 개선을 가져올 수 있다.

인체와 실외 환경 간의 열 교환은 도 3a에 예시된다. 인체에 대한 총 열 스트레스는 다음과 같이 특정될 수 있다:

상기 식에서, P _gen 는 대사 열 생성율이고, P _sun 는 일사량으로부터의 열 획득율이고, P _rad , P _evap , P _conv 및 P _cond 는 각각 복사, 증발, 대류 및 전도를 통한 순 열 손실율이다.

따라서, 실외 열 쾌적성의 유지는 열 획득을 줄이고 열 손실을 증진시킴으로써 열 스트레스를 감소시키는 것을 수반한다. 비교 접근법은 실외 냉각을 달성하기 위해 의복의 증발 및 대류 열 손실에 주로 중점을 두지만, 이들 두 가지 열 소산 경로는 모두 습도 및 바람 수준과 같은 환경 조건에 크게 의존하는 자체적인 제약을 가진다. 일사량 및 열 복사 용어는 전체 열 교환에 크게 기여하지만 텍스타일에 대해서는 덜 고려되었다. 도 3c에 도시된 대로, 일사량 스펙트럼(AM 1.5G)은 약 0.3 내지 약 4μm에 이르는 가시선 및 근적외선 범위에 주로 분포되며, 총 전력 밀도는 약 1000 W/m²이다. 전체 일사량의 약 60%를 초과하는 양이 평균 태양 반사율 값을 바탕으로 맨살에 흡수될 수 있다(도 7). 한편, 사람의 피부는 약 0.98의 IR 방사율을 가진 좋은 IR 방사체이다(도 7). 약 34℃의 피부 온도에서 인체는 약 7 내지 약 14μm의 중간-적외선 범위에서 주로 열 복사를 방출하며, 이때 피크 방출은 약 9.5μm, 순 복사 전력 밀도는 약 100 W/m²이다. 면(흰색)과 같은 통상의 텍스타일은 약 60%의 평균 태양 반사율을 가지며, 이것은 일사량 전력의 상당 부분이 피부에 의해 흡수되는 것을 허용한다(도 8). 동시에 면의 낮은 IR 투과율은 인체 열 복사의 효율적인 소산을 방해한다(도 8). 일사량과 인체 열 복사 스펙트럼 간의 한계적 중첩 때문에(도 3c), 실외 냉각을 위해 복사 열 전달의 유입을 감소시키는 동시에 유출을 증진시키기 위해 강한 태양 반사 및 높은 중간-적외선 투과를 갖는 분광 선택적 복사 텍스타일이 제안된다.

도 3b는 나노포러스 PE(나노PE) 매트릭스 내에 매립된 ZnO 나노입자(NP)들로 이루어진 제안된 실외 복사 냉각 텍스타일의 모식도를 도시한다. 지방족 C-C 및 C-H 결합으로 이루어진 폴리에틸렌은 IR-투명하며, 따라서 실외 냉각을 위해 인체 복사를 실질적으로 완전히 전달할 수 있다. 그것의 태양 반사율은 약 1.5의 비교적 낮은 굴절률(n)로 인해 실외 목적에는 만족스럽지 않다. 무기 고체는 전형적으로 중합체보다 더 높은 굴절률을 가지며, 특히 ZnO는 약 2의 높은 굴절률(n)을 가지고, 또한 가시선(약 400nm)에서부터 중간-적외선 파장(약 16μm)까지 흡수가 거의 없다. 이들의 재료 특성은 ZnO와 PE의 조합을 실외 냉각 목적을 위한 원하는 복사 선택성을 구성하기 위한 기초 재료로서 특히 적합하게 만든다.

수치 최적화는 분광 선택적 복사 특성을 도출하기 위한 구조 광자 공학을 사용하는 무기-유기 매트릭스 설계를 위해 수행된다. 도 4a는 0.4 내지 16μm의 스펙트럼 파장을 통한 PE의 매체 중에서 구형 ZnO 입자의 정규화된 산란 단면을 시뮬레이션하며, 입자 직경은 0.01 내지 10μm에서 다양하다. 입자 크기가 0.1μm를 하회하거나 또는 1μm를 상회할 때, 산란 단면은 전체 파장 범위에 걸쳐서 전부 작거나 전부 크며, 그 결과 상기 스펙트럼에서 선택성이 낮아진다. 태양광의 파장과 비슷한 0.1 내지 1μm의 입자 크기에서는 강한 Mie 산란이 일어나며, 이것은 가시선 및 근-IR 범위에서 선택적으로 산란 단면을 유의하게 증가시키지만, 중간-IR에서는 산란이 작게 유지된다. 이 결과는 약 0.1 내지 약 1μm 내에서 ZnO 입자 크기의 적절한 선택이 가시선 및 근-IR에서 높은 반사와 중간-IR에서 높은 투과를 달성하는 것을 허용한다는 것을 나타낸다. 게다가, ZnO 입자와 기공의 산란 단면이 동일한 직경에서 PE 매체 중에서 비교된다(예를 들어, 320nm, 도 4b). 상기 비교는 ZnO 입자가 가시선 범위에서 기공보다 더 강한 산란을 유도한다는 것을 보여주며, 이것은 더 높은 가시선 반사율을 얻기 위한 ZnO의 이점을 더 예시한다. 마지막으로, 태양 반사(도 4c) 및 중간-IR 투과(도 4d)에 대한 ZnO 입자 크기의 효과를 결정하기 위해 상세한 계산이 수행된다. 입자 크기와 밀도가 증가함에 따라 태양 반사는 증가하는 반면 중간-IR 투과는 감소하며, 이것은 도 4e에 투영된 최적화된 범위(흰색 영역)를 가져온다.

수치 최적화로부터의 지침에 따라, ZnO-PE 텍스타일은 ZnO:PE = 약 2:5의 중량비로 ZnO 입자와 용융된 폴리에틸렌을 파라핀 오일 중에서 혼합하고(PE 대 오일의 비는 약 1 대 5이다) 혼합하고, 다음에 이 복합체 혼합물을 박막으로 멜트-프레싱하고, 마지막으로 염화메틸렌으로 필름에서 파라핀 오일을 추출함으로써 제작된다. 결과의 ZnO-PE 필름은 태양 아래서 흰색을 나타내며(도 5a), 이것은 모든 가시광선이 모든 각도에서 강하게 산란된다는 것을 나타낸다. 주사전자현미경(SEM) 검사는 ZnO 입자들이 PE 매트릭스에 무작위로 매립된 텍스타일의 다공성 구조(공극 점유 부피는 약 20 내지 약 30%이다)를 드러냈다(도 5d-f). 엑스선 현미경을 사용한 텍스타일 샘플의 엑스선 컴퓨터 단층촬영은 전체 부피 내에서 ZnO 입자들의 실질적으로 균일한 분포를 보여주었다(도 5b). 이들의 직경은 동적 광 산란법을 사용하여 주로 약 0.3 내지 약 0.8μm인 것으로 특성화되었으며, 피크는 약 0.5μm이고(도 5b), 이것은 수치 최적화된 입자 크기와 일치한다.

ZnO-PE의 광학적 특성은 자외선-가시선-근적외선(UV-VIS-NIR) 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법을 사용하여 적분구를 가지고 측정되었다. 측정된 스펙트럼은 태양광 영역에서 약 90%를 초과하는 높은 반사율 및 인체 열 복사가 집중되는 약 7 내지 약 14μm에서는 약 80%의 높은 투과율을 나타낸다(도 5g). 측정된 스펙트럼은 이론적 시뮬레이션 결과와 잘 일치하며(도 9), 이것은 복사 실외 냉각 텍스타일의 기준을 충족하기 위한 이러한 분광 선택적 특징의 실현을 위해 적절한 재료 및 합리적인 구조 광자 설계의 전략적 선택을 검증한다.

실외 인체 냉각을 달성하기 위한 목적에서, 사용된 텍스타일은 그 자체로 열 방출량이 매우 적고(대신 높은 열 전달), 강한 태양 반사를 가진다. 그것의 복사 특성은 복사 냉각을 위한 다른 접근법과 꽤 상이하며, 본원에서의 접근법은 용도의 성격에 따른 복사 냉각의 다양한 기회를 더 강조한다. 더 중요하게는, 이 접근법은 텍스타일의 편직 또는 직조를 위한 섬유로 재료가 압출될 수 있는 독자적 특징을 가진 텍스타일 용도를 위해 구체적으로 설계된다(도 5c).

캘리포니아 스탠퍼드에서 청명한 봄날에 ZnO-PE 복사 냉각 텍스타일의 실외 성능이 증명된다. 도 6a에 도시된 측정 셋업은 하부로의 열 손실을 방지하기 위해 폼의 상부에 위치된 피부를 모방한 가열체, 모방된 피부 온도를 측정하기 위한 가열체 표면의 열전대, 및 모방된 피부를 덮은 텍스타일 샘플을 포함한다(도 6b). 피부의 대사 열 생성율을 모방하기 위해 약 104 W/m²의 가열 전력 유입이 가열체에 적용되었다. 피부-모방 가열체의 실시간 온도가 정오 무렵 약 4시간 동안 기록되었고, 전체 셋업은 직사광선 밑에서 공기에 노출되었다. 도 6c에 도시된 대로, 13:00(현지 시간)시 무렵에 바람에 의한 대류 및 약 910 W/m²의 피크 일사량 하에, ZnO-PE로 덮인 피부-모방 가열체는 약 33.5℃의 온도를 나타냈으며, 이것은 흰색 면으로 덮인 피부-모방 가열체(45.6℃) 및 맨살 피부-모방 가열체(53.1℃)보다 훨씬 더 낮다. 텍스타일 샘플이 없는 피부-모방 가열체의 온도는 햇빛과 그늘에서 모두 동일했고(도 10), 이것은 측정된 온도 차이가 텍스타일의 효과로부터 비롯되었다는 것을 확인시켜 준다는 것을 주지한다. ZnO-PE로 덮인 피부-모방 가열체에 대한 현저히 더 낮은 온도는 ZnO-PE의 뛰어난 냉각력을 증명하며, 이것은 복사 열 유출을 증진시키는 인체 열 복사에 대한 높은 전달 및 태양으로부터의 열 유입을 감소시키는 높은 태양 반사의 결과라고 생각된다. 열전달 모델 분석을 사용하여 도 6c의 시험 조건에서 약 34℃의 정상 피부 온도를 달성하기 위해 이들 텍스타일 샘플에 요구되는 추가의 냉각력이 계산된다(보충 노트, 도 11 및 12). 11:00부터 15:00(현지 시간)까지 하루 동안 면으로 덮인 피부-모방 가열체와 맨살 피부-모방 가열체는 각각 약 116 내지 약 219 W/m² 및 약 305 내지 약 454 W/m²의 추가의 냉각력을 특정한 반면, ZnO-PE는 피부-모방 가열체를 수동적으로 냉각시킴으로써 추가의 냉각력 공급 없이 약 34℃를 약간 하회하는 온도를 유지했다(도 6d).

땀 증발이 추가의 냉각력을 제공할 수 있다는 것이 더 고려되며, 이것은 텍스타일을 통한 물 증발율(도 13)과 물의 기화열(약 44 kJ/mol)의 곱으로서 추산되었다. 그러나 증발에 의한 추산된 냉각력 공급은 여전히 바람에 의한 대류 및 약 910 W/m²의 피크 일사량 하에 면으로 덮인 피부-모방 냉각체 및 맨살 피부-모방 냉각체에 요구되는 냉각력을 상쇄할 수 없다(도 6f). 땀 증발 효과를 고려하기 위해 가열체의 상부의 물-소킹 다공성 층에서 약 900 내지 약 1050 W/m²의 일사량 및 바람에 의한 대류 하에 실시간 실외 측정이 수행된다(도 6e). 땀 증발 효과가 추가된 상태에서, ZnO-PE는 여전히 피부-모방 가열체의 온도를 약 34℃에서 유지하지만, 면으로 덮인 경우와 맨살인 경우에는 각각 약 5 내지 약 8℃ 및 약 9 내지 약 15℃만큼의 과열이 관찰되었고, 이것은 열 분석 결과와 일치하며, 실외 환경에서 복사 냉각의 우수성을 더 확인시켜 준다.

태양 반사 및 중간-적외선 투과에 대한 ZnO-PE 층 두께의 효과가 추가로 고려된다(도 14). 약 10μm 내지 약 640μm의 범위 내에서 나노복합체 층 두께가 증가함에 따라 트레이드오프가 관찰되며, 이 경우 약 80μm 내지 약 160μm의 두께가 높은 태양 반사 및 중간-적외선 투과에 동시에 최적이다.

더욱이, ZnO-PE 텍스타일 재료의 안정성 및 내구성이 유도 결합 플라즈마 질량분광법을 사용하여 세척 전후에 물에서 Zn 이온 농도를 측정함으로써 평가되었다(도 15). 그 결과는 세척 사이클 동안 미량의 ZnO(약 2 ppb)가 물에 방출되었다는 것을 보여준다. 이것은 ZnO 입자 위를 PE가 밀접히 감쌈으로 인한 매립된 구조의 우수한 내구성을 증명한다. 또한, ¹H 핵자기공명(NMR)을 사용한 측정 결과는 염화메틸렌이 매우 휘발성이며, 증발에 의해 실질적으로 완전히 제거될 수 있다는 것을 확인시켜 준다(도 16).

더욱이, PE에 마이크론 크기 규소 입자를 첨가함으로써 검은색이 구현되며, 이것 역시 약 4 내지 약 18μm의 파장 범위에서 높은 적외선-투명도를 나타낸다(도 17).

요약하면, 이 실시예는 재료 특성과 구조 광자 공학의 조합을 통해서 인체의 수동적 실외 냉각에 유리한 분광 선택적 복사 특성을 가진 ZnO-PE 텍스타일을 제시했다. 여기서 증명된 피크 일광 조건에서 주목할만한 실외 냉각 성능은 온난화 기후와 함께 점점 더욱 격렬해지고 빈번해지는 실외 열 스트레스라는 거대한 도전에 직면하기 위한, 통상의 섬유에는 누락된 특징인, 수동 복사 열 소산 메커니즘의 유망성을 나타낸다. ZnO-PE의 추가 이점은 대규모 제작과의 실질적인 양립성을 포함한다. 다른 합성 텍스타일 재료(예를 들어, 나일론 및 폴리에스테르)와 마찬가지로, 실제 사용시 착용 편안함을 개선하기 위해 착용성 변형 처리가 ZnO-PE에 적용될 수 있다. 수분 심지 특성을 통합하기 위한 ZnO-PE의 섬유 기하구조의 추가 조작은 복사과 증발 열 소산의 협력적 기능을 허용할 수 있다.

재료 및 방법:

ZnO-PE 복사 실외 냉각 텍스타일의 제조:

ZnO-PE 복합체 재료를 ZnO 입자(약 99.9%, Sigma Aldrich)와 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, 약 2.2 g/10min의 용융 지수, Sigma Aldrich) 및 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW, Alfa Aesar)을 ZnO:HDPE:UHMWPE = 약 2:4:1의 중량비로 약 200℃의 온도에서 파라핀 오일(경질, Fisher Chemical) 중에서 혼합하여 제작했다. 파라핀 오일의 부피는 폴리에틸렌의 중량의 약 5배였다. 다음에, 혼합물을 약 70 내지 약 100℃에서 박막으로 멜트-프레스했다. 마지막으로, 염화메틸렌(약 99.99%, Fisher Chemical)을 사용하여 필름에서 파라핀 오일을 추출했다. 상업용 압출기를 사용하여 ZnO-PE 섬유를 용융-압출했다.

재료 특성화

FEI Sirion(5 kV)으로 SEM 영상을 촬영했다. ZEISS Xradia 520 Versa 엑스선 현미경을 사용하여 엑스선 컴퓨터 단층촬영을 수행했다. Malvern Zetasizer Nano ZS를 사용하여 ZnO 입자 직경 분포 프로파일을 특성화했다. Agilent Cary 6000i UV-VIS-NIR 분광광도계를 사용하여 확산 적분구를 가지고 UV-VIS-NIR 반사율 및 투과율을 측정했다. 확산 금 적분구(PIKE Technologies)를 구비한 FTIR 분광계(Model 6700, Thermo Scientific)를 사용하여 IR 반사율 및 투과율을 측정했다.

실외 열 측정

실리콘 고무 절연 가요성 가열체(Omega, 약 39cm²)를 사용하여 피부를 모방했다. 가열체를 전원(Keithley 2400)에 연결했고, 이것은 대사 열 생성율을 모방하기 위해 약 104 W/m²의 가열 전력 밀도를 제공했다. 피부 가열체에 의해 생성된 열이 주변 환경으로 선택적으로 전달되는 것을 보장하기 위해 모방된 피부 가열체 아래에 절연 폼을 배치했다. 리본 타입 열 접점 열전대(직경 약 0.3mm, K-타입, Omega)를 가열체의 상부 표면과 접촉시켜 모방된 피부 온도를 측정했다. 텍스타일 샘플로 피부-모방 가열체 위를 덮었다. 전체 장치는 알루미늄화 마일러 층으로 덮인 목재 프레임에 의해 지지되었다. 테스트 동안 상기 셋업을 직사광선 및 공기에 노출시켰다. ZnO-PE 및 면으로 덮인 피부-모방 가열체 및 미피복 가열체의 온도뿐만 아니라 주변 온도를 실시간 측정했다. 일사계(Kipp & Zonen CMP 6)를 사용하여 직접 및 확산 일사량을 기록했다. 땀 증발 효과를 함께 측정하기 위해, 탄소-코팅 알루미늄 폼의 얇은 층을 물로 소킹하고, 폴리도파민-코팅 나노PE 필름으로 밀봉하고, 가열체의 상부에 배치하여 땀 증발 효과를 모방했다.

물 증발율 시험

이 시험 과정은 수정된 ASTM E96에 기초한다. 약 100mL의 매체 병(Fisher Scientific)을 증류수 약 40mL로 채운 후 오픈-탑 캡과 실리콘 개스킷(Corning)을 사용하여 텍스타일 샘플로 밀봉했다. 다음에, 밀봉된 병을 환경 챔버에 배치했다. 챔버 내부의 온도 및 상대습도는 각각 약 35℃ 및 30±10%로 고정시켰다. 샘플과 함께 병의 총 질량을 주기적으로 측정했다. 다음에, 증발된 물에 상응하는 감소된 질량을 노출 면적(직경 약 3cm) 및 시간으로 나눠서 물 증발율을 도출했다.

ZnO 매립된 폴리에틸렌으로부터 투과 및 반사의 모델링

광학적 투과 및 반사를 모방하기 위해, ZnO 매립된 PE 재료를 균일하게 분포된 산란 입자들을 함유하는 무작위 매체로서 모델링한다. 단일 ZnO 나노입자의 광학적 산란 특징은 Mie 이론을 사용하여 계산될 수 있다. 계산에 사용된 ZnO의 광학적 변수는 W. L. Bond, "Measurement of the Refractive Indices of Several Crystals," Journal of Applied Physics 36, 1674 (1965), 및 M. R. Querry, "Optical constants" (MISSOURI UNIV-KANSAS CITY, 1985)에서 찾을 수 있다. 상이한 파장에서 상이한 크기를 가진 입자들의 산란 단면이 산출된다. 다수 ZnO 나노입자 매립된 PE를 모방하기 위해, 산란 단면을 ±0.1μm의 변량하에 ZnO 입자 크기의 정규 분포에 대해 평균한다.

이러한 무작위 매체를 통한 광학적 투과는 Chandrasekhar 복사 전달 이론을 사용하여 모방될 수 있다. ZnO 나노입자는 등방성 산란체로서 모델링되며, 이것은 각 ZnO 입자는 상이한 모양을 가질 수 있지만 거시적 평균적 광학 특성이 텍스타일의 성능에 영향을 미친다는 점에서 좋은 근사치이다. 산란 입자들을 함유하는 슬랩 영역을 통한 투과는 다음과 같이 얻어질 수 있다:

(1)

상기 식에서, ρ는 ZnO 나노입자의 밀도이고, σ _avg 는 평균 산란 단면이고, h는 재료의 두께이다.

식 (1)은 무한 호스트 매체의 슬랩 영역이 산란 입자들로 매립된 상황에 적용된다. 따라서, ZnO 매립된 PE가 공중에 매달린 필름 구조라는 것을 고려하면, 전체 투과 T _overall 는 식 (1)에서 얻어진 투과와 유효 매체로서 필름 구조의 투과 T _f 를 따로 곱함으로써 계산되며, 즉 다음과 같다:

(2)

재료 흡수는 관심 파장 범위에서 무시할 수 있을만큼 작기 때문에, ZnO 매립된 PE 필름의 전체 반사는 R _overall = 1 - T _overall 로서 계산된다.

보충 노트:

추가의 냉각력 요구의 열 전달 모델 분석

실외 조건에서 34℃의 피부 온도를 달성하기 위해 피부에 의해 요구되는 추가의 냉각력을 결정하기 위해 1차원 정상-상태 열 전달 모델 분석을 사용한다(도 11). 이 모델에서 인체의 열은 일사량 및 대사 열 생성으로부터 획득된다. 열 복사, 전도 및 대류가 옷을 입은 인체로부터 주변 공기로 열의 소산을 모방하기 위해 포함된다(도 7).

텍스타일로 덮인 피부에 대해, 피부 표면과 텍스타일 외부 표면에서 에너지 균형 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다:

피부 표면에서:

텍스타일 외부 표면에서:

텍스타일 내의 온도 프로파일은 다음과 같이 근사될 수 있다:

맨살 피부에 대해, 피부 표면에서 에너지 균형 방정식은 다음과 같다:

여기서, q _gen 은 단위면적당 대사 열 생성율이고, q _cool 은 추가의 냉각력 공급이다. q _{rad , skin} 은 피부로부터의 복사 열 플럭스이고, q _{rad , amb} 은 주변 공기로부터의 복사 열 플럭스이고, q _{rad , t} 는 텍스타일 내부 표면으로부터의 복사 열 플럭스이고, q _{rad , to} 는 텍스타일 외부 표면으로부터의 복사 열 플럭스이고, q _{cond , air} 는 피부와 텍스타일 사이의 공기 갭에서의 전도 열 플럭스이고, q _conv 는 텍스타일로부터 주변 공기로의 대류 열 플럭스이다. 푸리에 법칙, 뉴턴의 냉각 법칙 및 슈테판-볼츠만 법칙에 기초하여, 전도, 대류 및 복사 열 플럭스 용어는 다음과 같이 표현될 수 있다:

모든 입력 변수가 아래 표 1에 기재된다.

열 전달 모델 분석에 대한 입력 변수

기호	정의	값	단위
q gen	대사 열 생성 플럭스	104	W·m-2
k	열 전도도	텍스타일, k textile = 0.05 공기 갭, k air = 0.03	W·m-1·K-1
t	두께	면, t cotton = 180 ZnO-PE, t ZnO-PE =150 공기 갭, t air = 300~500	μm
σ	슈테판-볼츠만 상수	5.67 x 10-8	W·m-2·K-4
ε ir	MIR 에미턴스	피부, ε skin = 1 주변, ε amb = 0.8 면, ε cotton,ir = 0.88 ZnO-EP, ε ZnO-PE,ir = 0.15	단위 없음
α ir	MIR 흡광도	면, α cotton,ir = 0.88 ZnO-PE, α ZnO-PE,ir = 0.15	단위 없음
τ ir	MIR 투과율	면, τ cotton,ir = 0.03 ZnO-PE, τ ZnO-PE,ir = 0.7	단위 없음
ρ ir	MIR 반사율	면, ρ cotton,ir = 0.09 ZnO-PE, ρ ZnO-PE,ir = 0.15	단위 없음
α vis	UV-VIS-NIR 흡광도	면, α cotton,vis = 0.03 ZnO-PE, α ZnO-PE,vis = 0.08	단위 없음
τ vis	UV-VIS-NIR 투과율	면, τ cotton,vis = 0.33 ZnO-PE, τ ZnO-PE,vis = 0.02	단위 없음
ρ vis	UV-VIS-NIR 반사율	피부, ρ skin,vis = 0.36 면, ρ cotton,vis = 0.64 ZnO-PE, ρ ZnO-PE,vis = 0.9	단위 없음

실외 열 시험 동안 추가의 냉각력은 공급되지 않으며, 즉 q _cool = 0이다. 도 6c의 측정된 P _sun , T _skin 및 T _amb 값을 사용하여, 상이한 시간에서 대류 열 전달 계수 h를 맨살 피부 경우에 대해 식 (6)을 사용하여 시험 기간에 걸쳐서 핏팅한다. 핏팅된 대류 열 전달 계수 h 값을 사용하여, ZnO-PE 및 면의 경우에 대해 피부 온도가 계산되며, 이것은 측정된 피부 온도 값과 잘 일치한다(도 12). 이 결과는 열 전달 모델 분석의 적용가능성을 확인시켜 준다. 식 (3), (4), (5) 및 (6)에 T _skin = 34℃ 및 모든 다른 주어진 입력 변수를 집어넣어 도 6c의 시험 조건에서 34℃의 피부 온도를 유지하기 위한 추가의 냉각력 q _cool 을 계산한다.

실시예 2

수동적 복사 냉각을 위한 적외선-투명 폴리에틸렌 텍스타일의 착색

개략:

인체와 환경 간의 열 흐름을 효과적으로 조절하는 것은 열 쾌적성을 개선할 뿐만 아니라 건물의 에너지 소비를 줄일 수 있는 개선되고 비용-효과적인 접근법을 제시한다. 적외선 특성-조작 텍스타일은 효과적인 인체 냉각 및 보온을 위한 복사 열 소산을 수동적으로 조절하는 것으로 나타났다. 그러나 원하는 적외선 특성을 훼손하지 않고 가시선 색의 동시 제어를 허용하는 것은 큰 과제로 남아 있으며, 이것은 실제 용도에서 이들의 매력을 크게 제약한다. 본 실시예는 대규모 산업 과정을 통해 가시선-착색되고 적외선-투명한 텍스타일을 제작하기 위해 염료 분자 대신 착색 성분으로서 무기 나노입자와 가요성 호스트로서 폴리에틸렌을 이용하는 전략을 보고한다. 이대로 제작된 복합체 텍스타일은 약 1.6 내지 1.8℃의 수동적 냉각 효과와 함께 약 80%의 높은 적외선 투명도를 나타내며, 또한 우수한 세척 안정성과 함께 강한 가시선 색을 나타낸다. 이 용이한 착색 접근법은 효과적인 에너지 절감을 위한 온도-조절 웨어러블 용도에서 복사 텍스타일의 상용화를 촉진할 수 있다.

결과 및 고찰:

웨어러블에 대해 열 흐름을 관리하는 것은 사람의 건강 및 쾌적성을 개선하기 위한 중요한 기능이다. 게다가, 막대한 에너지가 공간 가열 및 냉각에 소비되며, 예를 들어 미국에서 전체 에너지 소비의 약 10%를 넘게 차지한다는 점을 고려하면, 열-관리 웨어러블은 건물의 에너지 절약에 실질적인 영향을 미칠 수 있다. 이것은 인구 및 생활 수준이 증가함에 따라 증가하는 에너지 수요와 기후 변화 문제를 완화하는데 바람직하다. 대부분의 에너지가 빈 공간에서 낭비되는 건물-수준 온도 조절과 달리, 개인별 열 관리 전략은 보다 효율적이고 비용-효과적인 해결책이며, 이것은 인체와 그것의 국소 환경에 국소적인 가열 및 냉각을 제공하는 것을 목표로 한다.

의복 텍스타일의 적외선(IR) 특성을 제어하는 것은 인체의 국소적인 냉각 및 가열에 강한 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, IR-투명 나노포러스 폴리에틸렌(나노PE)은 약 2℃만큼 신체를 수동적으로 냉각시킨다는 것이 증명되며, IR 방사율이 낮은 금속화된 나노PE는 약 7℃만큼 신체를 보온할 수 있다. 이것은 사람의 피부가 높은 방사율(ε = 약 0.98)을 가지며 흑체처럼 작용한다는 사실로 인한 것인데, 이것은 약 7 내지 약 14μm의 IR 파장 범위에서 열 복사를 강하게 방출하며, 피크 강도는 약 9.5μm이다. 따라서, 열 복사 경로는 인체 열 소산에서 필수 역할을 하며, 실내 조건에서는 약 50%를 넘게 차지한다. 비교 텍스타일 재료는 적외선 복사 제어 능력을 결여하기 때문에, 이들 발견은 개인 열 관리를 위한 방향을 열어준다.

그러나 적외선 특성 제약은 가시선 색 출현을 동시에 제어하는데 큰 어려움을 초래할 수 있다. 색은 웨어러블 시장을 지배하는 가장 중요한 요인 중 하나이므로, 이 딜레마는 현실 생활에서 실제 용도를 제약하는 큰 과제로 남아 있다. 문제는 유기 직물 염료 분자들이 인체 복사를 강하게 흡수할 수 있는 상이한 종류의 화학 결합들, 예컨대 C-O 신축(약 7.7 - 약 10μm), C-N 신축(약 8.2 - 약 9.8μm), 방향족 C-H 휨(약 7.8 - 약 14.5μm) 및 S=O 신축(약 9.4 - 약 9.8μm)을 가진다는데 있다. 따라서, 유기 염료의 첨가는 낮은 IR 투명도를 야기할 수 있고, 이것은 복사 냉각 효과에 부적합하다. 더욱이, 복사 텍스타일의 기본 재료인 폴리에틸렌은 화학적으로 비활성이고 극성 기를 결여하는데, 이것은 화학 염료의 표면 밀착을 억제한다.

이 실시예에서, 가시선 및 적외선 특성 제어 사이의 상기 딜레마가 해소되며, 복사 냉각을 위한 높은 IR 투명도를 가진 착색된 폴리에틸렌 텍스타일의 증명이 보고된다. 이것은 농도 및 크기 최적화 하에 특정한 가시선 색은 반사시키면서 IR 영역에서는 무시할 수 있는 흡수를 갖는 무기 안료 나노입자를 성공적으로 확인하고 이용함으로써 달성된다. 불안정한 표면 밀착 접근법보다, 무기 안료 나노입자는 폴리에틸렌 매트릭스에 화합되어 안정한 착색을 위한 실질적으로 균일한 복합체를 형성한다. 착색된 폴리에틸렌 복합체는 대규모 과정을 사용하여 인터레이스 직물의 편직을 위한 연속적이며 기계적으로 강한 섬유로 쉽게 압출될 수 있다는 것이 더 증명된다. 편직된 직물은 약 80%의 높은 IR 투명도 및 약 1.6 내지 약 1.8℃의 우수한 복사 냉각 성능을 나타내며, 또한 물에서의 세척 사이클에 대해 우수한 색 안정성을 나타낸다. 이 접근법은 더욱 효율적인 에너지 활용을 위해 개선된 개인 열 관리를 제공하기 위한 복사 텍스타일의 실제 구현을 위한 토대를 놓는다.

착색된 폴리에틸렌 텍스타일에 대한 제안된 설계의 모식도가 도 18a에 도시된다. IR-투명 무기 나노입자가 안료로서 선택되고, 폴리에틸렌이 가요성 중합체 호스트 또는 매트릭스로서 선택된다. 이들 두 성분은 컴파운딩 과정을 통해 균일하게 혼합되었고, 다음에 형성된 복합체는 인터레이스 직물의 직조 또는 편직을 위한 섬유 모양으로 압출될 수 있다. IR-투명도의 기준을 만족한다고 밝혀진 무기 고체는 프러시안 블루(PB), 산화철(Fe₂O₃) 및 규소(Si)를 포함하며, 이들은 또한 비독성이고, 도 18b에 도시된 대로 텍스타일에서 사용하기에 저렴하다. 도 18c의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광학 측정은 C≡N 신축 진동으로 인한 약 4.8μm에서 프러시안 블루의 강하고 좁은 피크 및 표면의 자생 산화규소로 인한 약 8-10μm에서 규소의 약하고 넓은 피크를 제외하고 이들 무기 고체가 약 4-14μm의 적외전 파장 영역에서 무시할 수 있는 흡광도를 가진다는 것을 예시한다. 이들의 입자 크기는, 도 18d-f의 주사전자현미경(SEM) 영상에서 드러난 대로, 약 20nm 내지 약 1000nm의 범위에서 선택되었다. 한편, 이 나노규모 크기 범위는 약 4-14μm의 인체 열 복사 파장보다 훨씬 더 작다. 따라서, 이들 나노입자는 착색된 폴리에틸렌 혼합물의 IR 투명도를 저하시킬 수 있는 적외선 광의 강한 산란을 유도하지 않을 것이다. 다른 한편, 특정 크기 범위에서 높은 굴절률의 유전체 또는 반도체 나노입자는 Mie 이론에 근거하여 가시선 스펙트럼 범위에서 강한 공명 광 산란을 가질 수 있다. 따라서, 상이한 가시선 색들이 나노규모 치수를 제어함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 벌크 규소의 검은색과 달리, 약 100nm 내지 약 200nm의 직경을 가진 규소 나노입자(633nm에서 굴절률 > 약 3.8)는 황색을 나타내며, 이것은 자기 및 전기 쌍극자 모드의 여기와 관련된 뚜렷한 Mie 공명 반응으로 인한 결과이다. 규소 나노입자와 달리, 프러시안 블루 및 산화철 나노입자는 벌크로서 자연색을 나타낸다. 프러시안 블루의 진청색은 Fe(II)와 Fe(III) 사이의 원자가내 전하 전달과 관련되고, 산화철의 암적색은 약 2.2 eV의 광학적 밴드 갭에 의해 결정된다. 청색, 적색, 및 황색의 이들 세 가지 원색을 가지고 전체 가시선 스펙트럼에 걸친 모든 상이한 색들이 이들을 상이한 비율로 혼합함으로써 잠재적으로 생성될 수 있다.

컴파운딩 과정을 이용하여 나노입자와 용융 폴리에틸렌 펠릿을 약 180℃에서 기계적으로 혼합했으며, 이것은 실질적으로 균일한 무기 고체-중합체 복합체를 생성한다. 약 1% 나노입자의 최적화된 질량비에서, 복합체는 임의의 모양으로의 성형을 위한 우수한 열 가공성 및 가시선과 자외선 범위 모두에 대해 만족스러운 광학 특성을 유지한다. 폴리에틸렌 중합체 매트릭스 내부에 안료 나노입자의 실질적으로 균일한 분포 때문에, 약 100μm 두께를 가진 성형된 PB-PE, Fe₂O₃-PE 및 Si-PE 복합체 필름은 각각 청색, 적색 및 황색의 균일하고 강한 색을 나타낸다(도 19a). 복합체 필름의 자외선-가시선(UV-VIS) 분광학 측정은 약 450nm, 약 600nm 및 약 750nm에서 우세한 반사 파장을 드러내며, 이것은 프러시안 블루, 산화철 및 규소 나노입자의 원래 색과 잘 일치한다(도 19b). 가시광선의 강한 반사 및 흡수는 가시선 범위에서 약 80%를 초과하는 높은 불투명도(1 - 정반사 투과율로서 특정됨)를 가져오며(도 19d), 이것은 텍스타일 뒤에 있는 물체가 인식되는 것을 방지하는데 있어 의류의 기본적인 기능을 만족시킨다. 더욱이, 적외선 영역에서 상기 복합체는 모두 약 80%의 높은 투명도를 나타내며(도 19c), 이것은 복사 냉각 효과를 달성하기 위해 신체 복사 열이 환경으로 전달되는 것을 허용한다.

고 처리량 용융 방적기를 사용하여 멀티-필라멘트 얀으로 착색된 폴리에틸렌 복합체의 압출이 더 증명된다(도 20a). 도 20c-e의 광학 현미경 영상에 의해 드러난 대로, 압출된 얀은 각각 약 30 내지 약 50μm 직경의 19개의 모노-필라멘트 섬유로 이루어진다. 또한, 안료 나노입자가 섬유 내부에 실질적으로 균일하게 매립된 것이 입증된다. 게다가, 기계 강도 시험은 착색된 폴리에틸렌 복합체 얀이 약 1.9 내지 약 2.8N의 최대 인장력을 지속할 수 있다는 것을 보여주며, 이것은 통상의 의류 직물에서 사용된 코튼 얀과 비슷하다(도 20b). 이 기계 강도는 얀을 우수한 통기성, 유연성 및 기계 강도를 가진 대규모 인터레이스 직물로 편직하는 것을 더 허용했다(도 20f-k). 인터레이스 편직 패턴의 통합하에, 착색된 폴리에틸렌 복합체 직물은 여전히 약 80%의 높은 적외선 투과율을 나타내며(도 21a), 이것은 도 19c에 도시된 평면 고체 필름의 투과율과 대략 동일하다. 더욱이, 착색된 폴리에틸렌 직물의 안정성 및 내구성이 유도 결합 플라즈마 질량분광법을 사용하여 세척 전후에 물에서 Fe, K 및 Si 이온 농도를 측정함으로써 평가되었다(도 21b). 이온 농도의 무시할 수 있는 변화는 Fe₂O₃, 프러시안 블루 및 Si 나노입자가 폴리에틸렌 중합체 매트릭스로 단단히 감싸진 것을 확인시켜 주며, 이로써 물에 안료 나노입자의 방출 없이 세척 사이클을 지속하고 원래 색을 유지할 수 있다.

마지막으로, 착색된 폴리에틸렌 텍스타일의 열 성능이 특성화된다. 고무 절연 가요성 가열체를 사용하여 피부의 열 생성을 모방했고, 상이한 텍스타일 샘플로 덮었을 때 그것의 온도 반응을 기록했다. 전체 셋업을 챔버에 봉입하고, 챔버 내부의 주변 공기 온도를 약 25℃로 실질적으로 일정하게 유지했다. 인체 대사 열 생성율과 비슷한 약 80 W m^-2의 가열 전력 밀도에서 맨살 피부 가열체는 약 33.5℃의 온도를 나타냈다. 피부 가열체가 통상의 면 텍스타일로 덮였을 때, 피부 온도는 약 36.5℃로 증가했다(도 21c). PB-PE, Fe₂O₃-PE 및 Si-PE 텍스타일로 덮였을 때, 피부 온도는 약 34.7 내지 약 34.9℃의 범위에서 측정되었고, 이것은 면과 비교하여 약 1.6 내지 약 1.8℃만큼 인체를 수동적으로 냉각시킬 수 있는 이들의 능력을 증명한다. 사람의 피부에 착색된 폴리에틸렌 텍스타일을 착용시킨 상태에서 복사 냉각 효과가 적외선 카메라를 사용하여 가시화되고 검증된다(도 21d). 열 화상 하의 비교는 착색된 폴리에틸렌 텍스타일이 통상의 면 텍스타일보다 환경으로 신체 복사 열의 훨씬 더 나은 전달을 허용한다는 것을 분명히 예시한다.

요약하면, 이 실시예는 가시선-착색 및 적외선-투명 텍스타일의 대규모 제작을 위한 무기 안료 나노입자에 기초한 개선된 접근법을 증명하며, 이것은 비교 텍스타일로서 다양한 색의 매력을 나타내면서 인체 복사 열의 더욱 효율적인 소산을 허용할 수 있다. 프러시안 블루, 산화철 및 규소를 포함하는 안료 재료는 무시할 수 있는 IR 흡수, 비-독성 및 저 비용의 모든 조건을 만족하는 것으로 밝혀졌으며, 이들은 각각 청색, 적색 및 황색의 원색을 발생시킬 수 있다. 전체 가시선 스펙트럼에 걸쳐서 퍼져 있는 상이한 색들이 이들 세 가지 원색을 상이한 비율로 혼합함으로써 잠재적으로 생성될 수 있다. 나노입자 농도 및 크기가 최적화된 대규모 컴파운딩, 압출 및 편직 과정을 통해서, 그대로 제작된 복합체 텍스타일은 강한 가시선 색, 약 80%의 높은 적외선 투명도, 약 1.6 내지 약 1.8℃의 수동적 냉각 효과 및 우수한 세척 안정성을 나타낸다. 여기 제시된 접근법은 복사 텍스타일의 착색에서의 핵심 문제를 해결하며, 이로써 에너지-효율적이며 비용-효과적인 열-관리 웨어러블 기술의 적용을 향한 움직임에 도움이 된다.

재료 및 방법:

텍스타일 제작

프러시안 블루(ACROS Organics), 산화철(Sigma Aldrich, 99%) 및 규소(MTI Corporation, 100nm ,99%)와 같은 각각의 무기 고체 안료 나노입자를 용융 고밀도 폴리에틸렌 펠릿(용융 지수: 약 2.2g/10min, Sigma Aldrich)과 약 180℃에서 트윈-스크류 컴파운더(Polymers Center of Excellence)를 사용하여 혼합함으로써 폴리에틸렌을 착색시켰다. 나노입자와 폴리에틸렌의 최적화된 질량비는 약 1:100이다. 다음에, 멀티-필라멘트 용융 방적기(Hills Inc.)를 사용하여 나노입자-혼합된 폴리에틸렌 복합체를 섬유로 압출했다. Gaston College의 Textile Technology Center에 의한 FAK 샘플러 편직기를 사용하여 텍스타일 편직을 수행했다.

재료 특성화

광학 현미경(Olympus)으로 압출된 섬유와 편직된 텍스타일의 사진을 촬영했다. FEI XL30 Sirion SEM(약 5 kV)에 의해 SEM 영상을 촬영했다. 확산 금 적분구(PIKE Technologies)를 구비한 FTIR 분광계(Model 6700, Thermo Scientific)를 사용하여 적외선 흡광도 및 투과율을 측정했다. 자외선-가시선 분광계(Agilent, Cary 6000i)로 가시선 반사 및 불투명도를 측정했다.

열 측정

전원(Keithley 2400)에 연결된 고무 절연 가요성 가열체(Omega, 약 72cm²)를 사용하여 피부를 모방했다. 리본 타입 열 접점 열전대(직경 약 0.3mm, K-타입, Omega)를 모방된 피부의 상부 표면과 접촉시켜 피부 온도를 측정했다. 피부 가열체에 의해 생성된 열이 주변으로 선택적으로 전달되는 것을 보장하기 위해 모방된 피부 가열체 아래에 가드 가열체 및 절연 폼을 배치했다. 가드 가열체의 온도는 피부 가열체와 동일하게 설정해서 테이블로 내려가는 열 전도를 피했다. 전체 장치를 챔버에 봉입하고, 챔버 내부의 주변 온도를 약 25℃로 실질적으로 일정하게 제어했다. 피부 가열체의 전력 밀도는 약 80 W m^-2으로 실질적으로 일정하게 설정하며, 이것은 약 25℃의 주변 온도에서 약 33.5℃의 피부 온도를 만들었다. 텍스타일 샘플(약 5cm² x 약 5cm²)로 피부를 덮었을 때, 주변 온도가 약 25℃로 유지된 상태에서 정상-상태 피부 온도 반응을 측정한다. 보정된 열 카메라(MikroSHOT, Mikron)로 열 화상을 촬영했다.

기계 시험

Instron 5565에 의해 인장 강도 시험을 측정했다. 얀 샘플을 약 4cm의 길이로 잘랐다. 게이지 거리는 약 2cm 길이였고, 변위 속도는 약 10mm min^-1로 유지했다.

세척 시험

편직된 텍스타일을 깨끗한 물(약 80ml)에서 약 30분간 교반하여 세척했다. 세척 전후에 물을 수집했고, 다음에 유도 결합 플라즈마 질량분광법(ICP-MS)을 사용하여 시험해서 세척 동안 텍스타일 샘플로부터 방출된 금속 이온(프러시안 블루, 산화철 및 규소에 대해 각각 K, Fe 및 Si)의 양을 정량했다.

본원에서 단일 형태를 나타내는 용어들은 맥락이 분명하게 다르게 표시하지 않는 한 복수의 대상물을 포함할 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 한 대상에 대한 언급은 맥락이 분명하게 다르게 표시하지 않는 한 다수의 대상을 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "실질적으로", "실질적인" 및 "약"은 작은 변화를 기술하고 설명하기 위해 사용된다. 사건 또는 상황과 함께 사용될 때, 그 용어들은 그 사건 또는 상황이 정황하게 일어나는 경우들뿐만 아니라 그 사건 상황이 아주 근사하게 일어나는 경우들을 나타내는 것일 수 있다. 예를 들어, 수치와 함께 사용될 때, 이 용어들은 그 수치의 ±10% 이하, 예컨대 ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하, 또는 ±0.05% 이하의 변화 범위를 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "크기"는 대상의 특징적인 치수를 나타낸다. 그러므로, 예를 들어, 구형인 대상의 크기는 그 대상의 직경을 나타낼 수 있다. 구형이 아닌 대상의 경우에, 구형이 아닌 그 대상의 크기는 상응하는 구형 대상의 직경을 나타낼 수 있으며, 이때 상응하는 구형의 대상은 구형이 아닌 대상의 것과 실질적으로 동일한 유도 가능한 또는 측정 가능한 특성들의 특정 세트를 나타내거나 가진다. 대상의 세트를 특정 크기를 가지는 것으로서 나타낼 때, 그 대상들은 특정 크기 근처의 크기 분포를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 그러므로, 본원에서 사용되는 바와 같이, 대상들의 세트의 크기는 평균 크기, 중간 크기, 또는 피크 크기와 같은, 크기들의 분포의 전형적 크기를 나타내는 것일 수 있다.

추가적으로, 양, 비율, 및 다른 수치들은 때로 본원에서 범위 양식으로 표현된다. 그러한 범위 양식은 편리성과 간단성을 위해 사용되고 범위의 한계로서 분명하게 명시된 수치를 포함할 뿐만 아니라, 그 범위 내에서 포함된 모든 개별적인 수치 또는 하위범위들을 마치 각각의 수치 및 하위범위가 분명하게 명시되는 것처럼 포함하는 것으로 유연하게 인지되어야 한다. 예를 들어, 약 1 내지 약 200의 범위의 비율은 약 1 및 약 200의 분명하게 인용된 한계를 포함할뿐만 아니라, 약 2, 약 3, 및 약 4와 같은 개별적인 비율, 및 약 10 내지 약 50, 약 20 내지 약 100, 등등과 같은 하위 범위들을 포함하는 것으로 인지되어야 한다.

본 개시가 특정 구체예들을 참조하여 기술된 한편으로, 당업자들은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 것과 같이 본 개시의 진정한 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 이루어질 수 있고 동등물들이 치환될 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 그에 더불어, 많은 변형이 특정 상황, 물질, 물질의 조성, 방법, 작동 또는 작동들을 본 개시의 목적, 사상 및 범주에 적응시키기 위해 이루어질 수 있다. 그러한 모든 변형은 여기에 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 특히, 특정 방법들은 특히 특정 순서로 수행된 작동들을 참조하여 기술될 수 있는 한편으로, 이런 작동들은 본 개시의 교시로부터 벗어나지 않으면서 동등한 방법을 형성하기 위하여 조합되거나, 세분화되거나, 또는 순서가 바뀔 수 있는 것이 인지될 것이다. 따라서, 본원에서 특별하게 표시되지 않는 한, 작동들의 순서 및 편성은 본 개시를 제한하지 않는다.

Claims (21)

1. 매트릭스; 및
   매트릭스 내에 분산된 미립자 필러
   를 포함하는 텍스타일로서,
   상기 텍스타일은 9.5μm의 파장에서 적어도 40%의 적외선 복사 투과율을 가지며, 상기 텍스타일은 0.3μm 내지 2μm의 파장 범위에 걸쳐서 적어도 40%의 가중 평균 복사 반사율을 갖는, 텍스타일.
2. 제 1 항에 있어서, 매트릭스는 적어도 하나의 폴리올레핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
3. 제 2 항에 있어서, 매트릭스는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
4. 제 1 항에 있어서, 미립자 필러는 10nm 내지 4000nm의 범위에서 피크 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
5. 제 1 항에 있어서, 미립자 필러는 무기 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
6. 제 5 항에 있어서, 미립자 필러는 산화금속, 할로겐화금속, 또는 황화금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
7. 제 5 항에 있어서, 미립자 필러는 산화아연, 브롬화칼륨, 요오드화세슘, 염화칼륨, 염화나트륨, 또는 황화아연 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
8. 제 1 항에 있어서, 미립자 필러와 매트릭스 사이의 굴절률의 차이는 매트릭스의 굴절률에 대하여 적어도 ±5%인 것을 특징으로 하는 텍스타일.
9. 제 1 항에 있어서, 9.5μm의 파장에서 적외선 복사의 투과율은 적어도 60%인 것을 특징으로 하는 텍스타일.
10. 제 1 항에 있어서, 0.3μm 내지 2μm의 파장 범위에 걸친 복사의 가중 평균 반사율은 적어도 60%인 것을 특징으로 하는 텍스타일.
11. 제 1 항에 있어서, 매트릭스는 다공성인 것을 특징으로 하는 텍스타일.
12. 제 11 항에 있어서, 매트릭스 내의 공극의 부피 퍼센트는 적어도 5%인 것을 특징으로 하는 텍스타일.
13. 제 11 항에 있어서, 매트릭스 내의 공극은 10nm 내지 4000nm의 범위에서 피크 공극 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
14. 제 1 항에 있어서, 매트릭스 및 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
15. 제 1 항에 있어서, 매트릭스 및 매트릭스 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
16. 매트릭스; 및
    매트릭스 내에 분산된 미립자 필러
    를 포함하는 텍스타일로서,
    상기 텍스타일은 9.5μm의 파장에서 적어도 40%의 적외선 복사 투과율을 가지며, 상기 텍스타일은 특정한 색에 상응하는 가시선 범위의 파장에서 반사율의 피크를 갖는, 텍스타일.
17. 제 16 항에 있어서, 미립자 필러는 메탈로이드, 산화금속, 또는 시안화금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스타일.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 텍스타일을 인체에 인접하여 위치시키는 것을 포함하는, 인체의 온도를 조절하는 방법.
19. 용매, 적어도 하나의 중합체, 및 미립자 필러의 혼합물을 형성하는 단계로서, 미립자 필러는 9.5μm의 파장에서 적어도 40%의 적외선 복사 투과율을 갖는 무기 재료를 포함하고, 미립자 필러는 10nm 내지 4000nm의 범위에서 피크 입자 크기를 갖는 단계;
    혼합물을 압출하여 용매 및 텍스타일 내에 분산된 미립자 필러를 포함하는 텍스타일을 형성하는 단계; 및
    텍스타일로부터 용매를 추출하여 다공성 텍스타일을 형성하는 단계
    를 포함하는, 다공성 텍스타일을 형성하는 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 적어도 하나의 중합체는 폴리올레핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 19 항에 있어서, 미립자 필러는 산화아연, 브롬화칼륨, 요오드화세슘, 염화칼륨, 염화나트륨, 또는 황화아연 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    

Images