스마트 윈도우용 가교 열감응성 폴리(N-이소프로필아마이드) 겔 소재의 제조 및 특성 - 물/글리세롤 혼합용매 중의 글리세롤 함량의 영향 - Preparation and Properties of Crosslinked Thermo-responsive Poly(N-isopropylacrylamide) Gel Materials For Smart Windows - Effect of Glycerol Content in Water/Glycerol Solvent -원문보기
온도 변화에 따라 상 전이를 나타내는 열 감응성 고분자는 외부 온도 감응으로 태양광 투과 조절이 가능하므로 스마트 윈도우용 소재로 적용 가능하다. 넒은 온도 범위에서 사용 가능한 스마트 윈도용 열감응성 고분자의 개발은 바람직하다. 고 성능스마트 윈도우용 소재를 얻기 위하여, 단량체 N-isopropylacrylamide, 가교제 N, N'-methylenebisacrylamide (MBAm), 산화개시제 ammonium persulfate (APS)/촉매 tetramethylene diamine 및 혼합용매(물/글리세롤)을 사용하여 3차원의 열감응성(thermoresponsive) poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 겔을 제조하였다. 본 연구에서는 혼합용매 중의 글리세롤의 함량이 가교된 PNIPAm 겔 필름의 하한임계온도(low critical solution temperature, LCST), 어는점 및 태양광의 투광도에 미치는 영향을 조사하였다. 글리세롤 함량이 0 wt%에서 10 wt%로 증가하면 PNIPAm 겔 필름의 LCST/어는점은 각각 $34.3/6.3^{\circ}C$에서 $28.2/-6.5^{\circ}C$로 감소함을 알 수 있었다. LCST보다 낮은 $25^{\circ}C$에서는 본 연구에서 합성한 모든 PNIPAm 겔 필름은 투명(광 투과)하지만 LCST보다 높은 $45^{\circ}C$에서는 불투명하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 본 연구에서 합성한 PNIPAm 겔 소재는 $-6.5^{\circ}C$ 부근에서도 스마트 윈도우용 소재로 활용할 가능성이 높음을 알 수 있다.
온도 변화에 따라 상 전이를 나타내는 열 감응성 고분자는 외부 온도 감응으로 태양광 투과 조절이 가능하므로 스마트 윈도우용 소재로 적용 가능하다. 넒은 온도 범위에서 사용 가능한 스마트 윈도용 열감응성 고분자의 개발은 바람직하다. 고 성능스마트 윈도우용 소재를 얻기 위하여, 단량체 N-isopropylacrylamide, 가교제 N, N'-methylenebisacrylamide (MBAm), 산화개시제 ammonium persulfate (APS)/촉매 tetramethylene diamine 및 혼합용매(물/글리세롤)을 사용하여 3차원의 열감응성(thermoresponsive) poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 겔을 제조하였다. 본 연구에서는 혼합용매 중의 글리세롤의 함량이 가교된 PNIPAm 겔 필름의 하한임계온도(low critical solution temperature, LCST), 어는점 및 태양광의 투광도에 미치는 영향을 조사하였다. 글리세롤 함량이 0 wt%에서 10 wt%로 증가하면 PNIPAm 겔 필름의 LCST/어는점은 각각 $34.3/6.3^{\circ}C$에서 $28.2/-6.5^{\circ}C$로 감소함을 알 수 있었다. LCST보다 낮은 $25^{\circ}C$에서는 본 연구에서 합성한 모든 PNIPAm 겔 필름은 투명(광 투과)하지만 LCST보다 높은 $45^{\circ}C$에서는 불투명하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 본 연구에서 합성한 PNIPAm 겔 소재는 $-6.5^{\circ}C$ 부근에서도 스마트 윈도우용 소재로 활용할 가능성이 높음을 알 수 있다.
Thermo-responsive polymers that exhibit phase transition in response to temperature change can be used as materials for smart windows because they can control solar light transmission depending on the outside temperature. The development of thermo-responsive polymers for smart windows that can be us...
Thermo-responsive polymers that exhibit phase transition in response to temperature change can be used as materials for smart windows because they can control solar light transmission depending on the outside temperature. The development of thermo-responsive polymers for smart windows that can be used over a wide temperature range is desirable. To obtain high performance smart windows materials, three-dimensional thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) gels were prepared by free radical polymerization from monomer N-isopropylacrylamide, N, N'-methylenebis acrylamide (MBAm) as a crosslinking agent, ammonium persulfate (APS) as a strong oxidizing agent/tetramethylene diamine as a catalyst, and a mixture of two solvents (water/glycerol). This study examined the effect of glycerol content on the lower critical solution temperature (LCST), freezing temperature and the solar light transmittance of crosslinked PNIPAm gel films. The LCST and freezing temperature of PNIPAm gel films were found to be significantly decreased from 34.3 and $6.3^{\circ}C$ to 28.2 and $-6.5^{\circ}C$ with increasing glycerol content from 0 wt% to 10 wt%, respectively. It was found that the transparent PNIPAm gel films at $25^{\circ}C$ (temperature < LCST) were converted to translucent gels at higher temperature ($45^{\circ}C$) (temperature > LCST). These results suggested that the crosslinked PNIPAm gel materials prepared in this study could have high potential for application in smart glass materials.
Thermo-responsive polymers that exhibit phase transition in response to temperature change can be used as materials for smart windows because they can control solar light transmission depending on the outside temperature. The development of thermo-responsive polymers for smart windows that can be used over a wide temperature range is desirable. To obtain high performance smart windows materials, three-dimensional thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) gels were prepared by free radical polymerization from monomer N-isopropylacrylamide, N, N'-methylenebis acrylamide (MBAm) as a crosslinking agent, ammonium persulfate (APS) as a strong oxidizing agent/tetramethylene diamine as a catalyst, and a mixture of two solvents (water/glycerol). This study examined the effect of glycerol content on the lower critical solution temperature (LCST), freezing temperature and the solar light transmittance of crosslinked PNIPAm gel films. The LCST and freezing temperature of PNIPAm gel films were found to be significantly decreased from 34.3 and $6.3^{\circ}C$ to 28.2 and $-6.5^{\circ}C$ with increasing glycerol content from 0 wt% to 10 wt%, respectively. It was found that the transparent PNIPAm gel films at $25^{\circ}C$ (temperature < LCST) were converted to translucent gels at higher temperature ($45^{\circ}C$) (temperature > LCST). These results suggested that the crosslinked PNIPAm gel materials prepared in this study could have high potential for application in smart glass materials.
따라서 본 연구에서는 물과 글리세롤 혼합용매를 사용하여 열(온도) 감응성 고분자인 가교 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 겔을 합성하여 글리세롤의 함량의 변화에 따른 PNIPAm 겔의 LCST 변화(LCST 저하), 어는점의 변화(어는점 강하), 광 투과율 및 투명-불투명 전이 등에 대한 연구를 수행하였으며, 본 연구에서 합성된 PNIPAm을 저온에서 스마트 윈도우로 적용할 수 있는 가능성을 검토하였다.
제안 방법
기존의 스마트 윈도우는 구동장치가 필요한 단점이 있기 때문에 소재 자체로 태양광 투과율이 자동 조절 될 수 있는 소재가 새롭게 주목 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 온도 감응형 PNIPAm 겔 고분자 소재를 합성함에 있어 용매를 물과 글리세롤을 혼합하여 적용하고 물/글리세롤 용매 중 글리세롤의 함량이 가교된 PNIPAm 겔 필름의 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 하한 임계 온도(LCST)는 용매를 물 단독으로 사용할 경우는 34.
대상 데이터
본 실험에 사용한 모노머는 N-isoprolyacrylamide (NIPAm, TCI, Japan)을, 가교제는 N, N’-methylenebisacrylamide (≥99%, MBAM, Sigma-Aldrich, USA)를 사용하였다. 개시제는 ammonium peroxydisulfate (APS, Sigma-Aldrich, USA)를, 촉매제로 N, N, N’, N’-tetramethylethylenediamine (TEMED, Sigma-Aldrich, USA)를 사용하였다. 용매는 물(DI water)과 글리세롤(glycerol, ≥ 99.
본 실험에 사용한 모노머는 N-isoprolyacrylamide (NIPAm, TCI, Japan)을, 가교제는 N, N’-methylenebisacrylamide (≥99%, MBAM, Sigma-Aldrich, USA)를 사용하였다. 개시제는 ammonium peroxydisulfate (APS, Sigma-Aldrich, USA)를, 촉매제로 N, N, N’, N’-tetramethylethylenediamine (TEMED, Sigma-Aldrich, USA)를 사용하였다.
이론/모형
PNIPAm의 low critical solution temperature (LCST) 측정은 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC Q25, TA instrument, USA)를 사용하여 분석하였다. 상 전이가 일어나는 온도에서 발열량 변화를 측정하였으며, 질소 분위기 하에서 수행하였다.
PNIPAm의 투과율은 자외선/가시광선/근적외선 분광광도계(UV-VIS-NIR spectrometer, V-770, JASCO, Japan)를 사용하여 측정하였다. 상온 및 고온에서의 투과율을 측정 비교하기 위해 온도 제어장치를 장착하였으며 LCST 이하인 25 ℃와 LCST 이상인 45 ℃에서 각각 측정하였다.
성능/효과
동일한 시료들에 대하여 LCST 이하인 온도 25 ℃에서와 LCST 이상인 온도 45 ℃에서의 투과율을 각각 Figure 4(a)와 Figure 4(b)에 나타내었다. LCST 이하인 25 ℃에서는 대체적으로 투과율이 높은 것을 알 수 있다. 그런데 1,450 nm 지점과 1,900 nm 이상의 영역에서 투과율 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험의 범위에서는 물/글리세롤 용매 중 글리세롤의 함량에 관계없이 모두 효과적인 태양광 차단 특성이 발현되는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 빠른 응답 속도와 효과적인 열차단 특성을 지닌 열감응성 PNIPAm겔을 적용하면 무 전력 스마트 윈도우 제작이 가능할 것으로 생각된다.
태양광 투과율은 모든 샘플이 LCST 이하인 25 ℃에서 높은 투과율을 나타냈으며, LCST 이상인 45 ℃에서는 0%에 가까운 투과율을 나타내었다. 이러한 특성으로 보아 다양한 환경에서 스마트 윈도우용으로 사용하기 위한 대표적인 열감응성 PNIPAm 겔 고분자의 합성을 위해서는 빙점 강하를 발현하는 혼합용매[용매 물/비(저) 휘발성 용질 글리세롤(비점: 290 ℃)]을 적용하는 것이 바람직한 것으로 생각되었다.
따라서 본 연구에서는 온도 감응형 PNIPAm 겔 고분자 소재를 합성함에 있어 용매를 물과 글리세롤을 혼합하여 적용하고 물/글리세롤 용매 중 글리세롤의 함량이 가교된 PNIPAm 겔 필름의 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 하한 임계 온도(LCST)는 용매를 물 단독으로 사용할 경우는 34.3 ℃로 측정되었으며, 물/글리세롤 혼합용매에서 글리세롤을 1 ~ 10 wt%를 각각 적용한 경우 글리세롤의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, 10 wt%를 첨가하였을 때는 28.2℃로 낮아지는 것을 확인하였다. 또한 어는점은 물 단독 용매의 경우 6.
후속연구
특히 순수한 물과 글리세롤이 10 wt%가 들어간 시료의 상대적인 동결 엔탈피(△H)가 낮은 것이 특징으로 나타났다. 이러한 특성은 글리세롤을 첨가하는 것이 PNIPAm 고분자 소재의 어는점을 낮추는데 있어 효과적인 방법임을 나타내며, 이로 인해 응용 분야를 더욱 넓게 확장시킬 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대표적인 열(온도) 감응성 고분자 PNIPAm의 장점은 무엇인가?
대표적인 열(온도) 감응성 고분자 PNIPAm의 경우 농도, pH 및 이온 강도에 비교적 민감하지 않으며 가역적으로 일어나는 투명-불투명 상전이를 가지며, 비교적 낮은 가격으로 제작 가능한 장점을 가지고 있다[13-16]. 그리고 PNIPAm의 LCST는 약 34 ℃로 사람이 실제 생활하는 공간에서 태양광이 차단되는 온도로 설정되기에 대체적으로 적합하다.
효과적인 에너지 절감을 위한 투과율 조건은 무엇인가?
효과적인 에너지 절감을 위해서는 LCST 이상에서의 광 투과율과 LCST 이하에서의 광 투과율의 차이가 70% 이상이어야 하며, LCST 이하에서는 높은 투과율을 나타내며, LCST 이상에서는 낮은 투과율을 나타내어야 한다. 그리고 열감응성 소재의 LCST는 용도에 따라 조절이 가능하여야 한다.
기존의 스마트 윈도우의 개선 방안은 무엇인가?
기존의 스마트 윈도우는 감전 변색(전기 변색, electrochromic), 또는 가스 및 빛과 같은 외부 자극에 특성이 발현되는 소재를 적용하여 왔다[7-9]. 하지만 온도 감응성 소재를 스마트 윈도우에 적용하게 되면 온도 감응만으로도 태양광 조절이 가능하기 때문에 기존 전기 및 에너지 소비 감축을 할 수 있어 고효율의 건축물을 만들 수 있다[10]. 따라서 최근 이러한 온도 감응성 소재를 스마트 윈도우에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
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