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1 한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 6, ISSN (Print) ISSN (Online) ATO 복합사를이용한열차단직물의태양방사투과율변화연구 최주환 1,3 김대근 1 김선남 2 최동혁 2 이승걸 3 1 DYETEC 연구원부산분원, 2 제일윈도텍스, 3 부산대학교유기소재시스템공학과 Effects of ATO Combined Fibers for Solar Energy Transmittance of Sun- Screen Fabrics Joo Hwan Choi 1,3, Dae Geun Kim 1, Sun Nam Kim 2, Dong Hyuk Choi 2, and Seung Geol Lee 3 1 Korea Dyeing & Finishing Technology Institute Busan Branch, Busan 46757, Korea 2 Jaeil Windowtex Co., Ltd., Gyeongsan 38454, Korea 3 Department of Organic Material Science and Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea Corresponding Author: Seung Geol Lee seunggeol.lee@pusan.ac.kr Received November 11, 2016 Revised November 27, 2016 Accepted December 2, 2016 c 2016 The Korean Fiber Society Abstract: In this study, we manufactured ATO (antimony tin oxide) combined fibers to improve solar energy transmittance of sunscreen fabrics. The results indicate that the solar energy transmittance is improved with increasing sheath ratios and ATO content. We observed that the MS2-7W sample with 50:50 sheath/core ratio and 3 wt% of ATO content show the best performance. We also manufactured the sunscreen fabrics using the developed ATO combined fibers to check the performance of the thermal barrier. The results of the solar energy transmittance analysis show that an approximate 58% improvement was achieved for the thermal barrier over the commercial sunscreen fabric without any ATO content. Keywords: ATO, sheath-core fiber, sun-screen, thermal barrier, solar energy transmittance 1. 서론 최근기후변화로인한이상기후로인하여지구기온의상승이가파르게증가하고있다. 150년전지구기온상승속도가 10년간 0.045±0.012 o C이었음에반해, 최근 25년동안의지구기온상승속도는 10년간 0.177±0.052 o C로약 4배증가하였다. 또한지난 100년동안지구의평균기온은 0.74 o C 상승하였고, 한국은 1.7 o C 상승하여급격한기후변화를경험하고있다 [1]. 실제로한국에서는여름철예비전력을보존하기위해적정냉방온도를설정하고냉난방에너지를효과적으로관리하기위해많은노력을기울이고있다. 특히, 주택및건물에서의에너지손실률은벽, 바닥, 지붕등에서일어나며창문에서일어나는에너지손실률이 25% 이상으로가장큰비중을차지한다. 따라서창문을통한열에너지유입및손실이가장크다고할수있다. 태양 에너지가직접적으로실내에유입되는유일한통로이자동절기실내열에너지직접적으로실외로유출되는유일한통로도창문이라고할수있어, 에너지효율성증대를위해창문의단열이중요하다. 현재실내에유입되는태양에너지차단을위해단열필름과블라인드를활용할수있다 [2 7]. 단열필름의경우태양에너지의실내유입을직접차단을할수있으나, 가시광선의차단이어렵고, 걷어내면재설치가어려워실내가어두워진다는단점이있다. 반면블라인드의경우태양에너지의실내유입을간접적으로차단하지만, 가시광선의차단이가능하며 ( 암막등 ), 필요에따라채광을조절할수있어자유로운채광및외부조망, 밝은실내를유지할수있다. 따라서블라인드를통한단열효과가극대화될수있으면열에너지차단의가장효과적인방법중에하나로활용될수있다. 한국건축친환경설비학회에서발표된논문에의하면블라인드설치유무에따라연간총냉방에너지를 24.6% 403

2 404 최주환 김대근 김선남 최동혁 이승걸 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 까지절감할수있는것으로나타났다 [6]. 이것은실내블라인드설치를통해실내온도가 0.7 o C 낮게나타난연구결과와일치한다 [7]. 또한, 섬유소재의태양방사투과율을낮추기위한조건으로, 섬유의 filament 수가많거나, 원형단면보다는이형단면이낮으며, 소재에따라서는태양방사투과율이 PET > nylon6 > PE > PP 순으로나타났다 [8]. 본연구에서는열차단기능성을개선하기위해 ATO (antimony tin oxide) 를활용하여태양방사투과율을측정하였다. ATO의함량에따른태양방사투과율의변화와원사의방사시 sheath/core의함량, 그리고제직조건에따른태양방사투과율을연구하였다. 또한개발된원사를이용하여열차단썬스크린을제조하여태양방사투과율의변화를고찰하였다. 2. 실험 2.1. 재료본연구에사용된 ATO 입자는 미지나노텍에서생산된무기화합물로평균입경이 50 nm급입자를사용하였다. sheath/core 복합사제조를위한 sheath부투입용 ATO 함유 M/B를제조하기위하여롯데케미칼에서생산된 I.V. 0.8 PET chip을사용하였고, core부투입용으로는효성에서생산된 I.V PET chip을사용하였다. M/B chip 제조는 ATO 나노입자를분산제등의첨가제로 1차분산한후고분산 segment 타입의 twin screw를이용하여 M/B chip을제조하였다 실험방법복합사의제조는 Table 1과같은조건으로 SDY 75/24 sheath/core 복합사를제조하여 sheath:core의비율과 ATO 함량에따른성능의차이를비교하고자하였다. 복합사의 sheath, core 비율은 30:70 또는 40:60 조건으로방사하였고, ATO의함량은 wt% 으로변화시켜가면서복합사를제조하였다. 제도된복합원사의규격은 SDY(spin drawn yarn) 75/24로제조되었다. 제조된복합사를이용하여태양방사투과율을측정하기위해복합사를경사밀도 123 ends/inch, 위사밀도 100 picks/ Table 2. Warp and weft density of the fabrics Sample Warp density (ends/inch) Weft density (picks/inch) MS1-1W MS1-2W MS1-3W MS1-4W MS1-5W MS1-6W Table 3. The characteristics of sunscreen fabrics Warp DTY300D + DTY300D + DTY150D Weft Weft density DTY300D + DTY150D + LM150D 2 (ATO 0%) ATO300D + ATO150D + LM150D 2 (ATO 60%) ATO300D + DTY150D + LM150D 2 (ATO 40%) DTY300D + ATO150D + LM150D 2 (ATO 20%) 44, 46 picks/inch inch로제직하였다. Table 2에서보는바와같이 ATO 함량과 sheath/core 비율에따라위사밀도에서근소한차이가발생하였다 태양방사투과율측정태양방사투과율의측정은블라인드제품류에대한태양방사투과율 (solar energy transmittance, τ e or TE) 과관련하여규격화된측정법이없어건축용판유리의태양방사투과율측정법 (KS L 2514:2011) 으로태양방사투과율을측정하였다. 시험장비는 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Perkin-Elmer, Lambda 1050, USA) 를사용하여온도 o C, 습도 %R.H. 조건에서측정하였다 열차단썬스크린제조가격경쟁력확보를위해 ATO 75/24 복합사를 PET 가연사 (draw textured yarn, DTY) 와저융점사 (low melt fiber, LM) 를합사하여열차단썬스크린을제조하였다. 합사조건은 Table 3에따라제조하였고, 썬스크린용원단에사용되는위사의합사조건을변경하여시료를제직하였다. ATO 복합사는함량을달리하여위사에합사후시료를제작하였다. Table 1. Sheath/core ratios and ATO content of bicomponent fibers Sample Sheath : core ratio ATO content (wt%) MS : MS : MS : MS : MS : MS : 결과및고찰 3.1. ATO 입도분석및표면분석먼저본연구에사용되는 ATO의입도크기를분석하기위해입도분석기 (ELSZ-2000, Otsuka Electronics Korea Co., Ltd.) 를사용하여 ATO의입도크기를분석한결과 ATO 입자의크기는평균 49.3 nm으로나타났다 (Figure 1). ATO가함유된 ATO 복합사의단면과표면을 SEM(JSM-7500F, JEOL,

ATO 복합사를이용한열차단직물의태양방사투과율변화연구 405 Table 4. Solar energy transmittance (TE,%) and reduction rate (R,%) of the fabrics (MS1) Sample TE (%) R (%) MS1-1W 48.5 - MS1-2W 45.2 6.8 MS1-3W 42.4 12.5 MS1-4W 39.

3 ATO 복합사를이용한열차단직물의태양방사투과율변화연구 405 Table 4. Solar energy transmittance (TE,%) and reduction rate (R,%) of the fabrics (MS1) Sample TE (%) R (%) MS1-1W MS1-2W MS1-3W MS1-4W MS1-5W MS1-6W 를확인할수있었다. 감소율 (R) 은식 (2) 를이용하여평가하였다. Figure 1. Distribution of particle diameter of ATO nanoparticles. R (%) TE 1W TE nw TE 1W = (2) Figure 2. SEM images of ATO fibers with magnitude of (a) 2000 and (b) Japan) 을사용하여 Figure 2 와같이나타내었다 (Figure 2) 태양방사투과율제조된복합사를이용하여태양방사투과율을측정하기위해제조된직물 (Table 2) 의태양방사투과율을 KS L 2514:2011 분광투과율및분광반사율의측정법을사용하여측정하였다. 태양방사투과율 (τ e, TE) 은식 (1) 을이용하여평가하였다. Σ λ Eλ Δλ τ τ 1 ( λ) n e = Σ λ Eλ Δλ 위에서 λ: 파장 (nm), λ: 파장너비 (nm), Eλ: 직접도달하는태양방사상대값의표준스펙트럼분포로파장범위 ( nm) 의수치를이용, τ 1,(λ) n : n장직물의분광투과율, Eλ λ : 태양방사투과율을계산하기위한가중계수를나타낸다. 측정결과 Table 4와같은태양방사투과율의변화 (1) 위에서 TE 1w : MS1-1W 직물의태양방사투과율, TE nw : MS1-2W 6W 직물의태양방사투과율 (n = 2,3,4,5,6) 을나타낸다. 태양방사투과율의측정결과, sheath/core의비율에서 sheath 부의비율이높을수록태양방사투과율이감소되는것을확인할수있었고, ATO의함량이높을수록태양방사투과율이낮아지는것을확인하였다. ATO 함량이 3.0 wt% (MS-6W) 일때태양방사투과율이 MS1-1W 대비저감률이 22.8% 로가장큰값을나타내었다. 또한동일 sheath/core 비율기준으로 ATO 함량을 1.5 wt% 에서 3.0 wt% 으로증가하였을때태양방사투과율의감소율차이가 MS1-1W, MS1-2W의경우 6.8% 그리고 MS1-3W, MS1-6W의경우 10.3% 로나타났다. 동일 ATO 함량조건인경우 sheath/core 비율을 30:70에서 40:60으로변화하였을때태양방사투과율의감소율차이가 MS1-1W, MS1-3W의경우 12.5% 그리고 MS1-2W, MS1-6W의경우 16.0% 로확인하였다. 따라서 ATO의함량이 1.5 wt% 에서 3.0 wt% 으로증가할때보다 sheath/core의비율이 30:70에서 40:60으로변화될때태양방사투과율의감소율이더큰것으로사료되어진다. 하지만위의복합원사를사용하여염색시멜란지효과와같은줄무늬가발생하였다. 이는 SDY로방사시발생하는불균일한방사성으로인하여염색시줄무늬가발생하는것으로판단된다. 균염성을향상시키기위해 SDY를 POY(paritially oriented yarn) 로방사한후 DTY 연신가연하여 Table 5와같은조건으로제직하였다. 태양투과방사율을낮추어열차단성능을향상시키기위하여선행시험결과를참조하여 sheath 부의비율을 50로향상시켜복합사를방사하였다. 그리고 filament 수가많을수록태양방사투과율이낮다는연구결과 [8] 를토대로 filament 수를 24에서 36으로높여서원사를제조하였다. 제조된복합사를이용하여태양방사투과율을측정하기위해복합사를경사밀도 123 ends/inch, 위사밀도 100 picks/ inch로제직하였고, ATO의함량은 1.5에서 3.0 wt% 로 (MS2-

406 최주환 김대근 김선남 최동혁 이승걸 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 403-408 Table 5.

4 406 최주환 김대근 김선남 최동혁 이승걸 Textile Science and Engineering, 2016, 53, Table 5. Sheath/core ratios, ATO content, type, warp, and weft density of the fabrics Sample Sheath : core ratio ATO content (wt%) Type Warp density (ends/inch) Weft density (picks/inch) MS2-1W 0 DTY 75/ MS2-2W 50 : DTY 75/ MS2-3W 50 : DTY 75/ MS2-4W 50 : DTY 75/ MS2-5W 50 : DTY 75/ MS2-6W 40 : DTY 75/ MS2-7W 50 : POY 120/ Table 6. Solar energy transmittance (TE, %) and reduction rate (R, %) of the fabrics (MS2) Sample TE (%) R (%) MS2-1W MS2-2W MS2-3W MS2-4W MS2-5W MS2-6W MS2-7W W MS2-5W) 변화시켜제직하였다. 비교를위해 ATO 함량이 0 wt% 인샘플 (MS2-1W) 과 sheath/core 비율이 40:60 인샘플 (MS2-6W) 을제조하였다. 또한 POY 120/36 조건으로섬도를변화시킨샘플 (MS2-7W) 도태양방사투과율성능을비교하기위해제조하였다. 상기의조건으로제직된직물을이용하여태양방사투과율을측정하여 Table 6과같은태양방사투과율의변화를확인할수있었다. 태양방사투과율의측정결과 ATO의함량이높을수록태양방사투과율이감소되며, 3.0 wt% 일때가장낮은투과율을나타내었다. ATO 함량이 3.0 wt% 일때 sheath/core 비율이 40:60(MS2-6W) 보다 50:50(MS2-5W) 일경우에태양방사투과율이 38.33% 에서 33.80% 로감소되었다. 이는 sheath 부의비율이높을수록태양방사투과율이감소되는경향과일치하였다. POY의경우 (MS2-7W), 섬도의증가로태양방사투과율이 22.61% 로더욱감소하는결과를얻을수있었다. 하지만 POY의경우강도 (2.22 g/d) 면에서 DTY의강도 (3.97 g/d) 에비해약 56% 의강도를나타내어 MS2-5W의조건일때최적성능을나타내는것으로판단된다 열차단썬스크린의태양방사투과율 Table 3과같은조건으로 ATO 위사의 ATO 함량을조절하여만든링합연사와위사밀도를 44 picks/inch에서 46 picks/ inch로조절하여열차단썬스크린샘플을 Figure 3과같이제직하였다. 제직한열차단썬스크린의태양방사투과율을측정하여결과를 Table 7에나타내었다. Figure 3. Images of the sunscreen fabrics; (a) ATO 20% (44T), (b) ATO 20% (46T), (c) ATO 40% (44T), (d) ATO 40% (46T), (e) ATO 60% (44T), and (f) ATO 60% (46T). 제직된썬스크린의태양방사투과율은 ATO 함량이증가할수록태양방사투과율이낮아짐을확인할수있었다. ATO 0%( 대조군 ) 대비개선율 (%) 은 ATO 60% 44T의경우 20.16%, 46T의경우 21.77% 로나타났다. 따라서위사밀도에따른태양방사투과율의변화는미미한것으로사료된다. 태양방사투과율성능을높이기위해, 위사원사일부에만

ATO 복합사를이용한열차단직물의태양방사투과율변화연구 407 Table 7. Solar energy transmittance (TE, %) and reduction rate (R, %) of the sunscreen fabrics Sample TE (%) R (%) ATO 0% (44T) 31.05 - ATO 20% (44T) 28.09 9.

5 ATO 복합사를이용한열차단직물의태양방사투과율변화연구 407 Table 7. Solar energy transmittance (TE, %) and reduction rate (R, %) of the sunscreen fabrics Sample TE (%) R (%) ATO 0% (44T) ATO 20% (44T) ATO 40% (44T) ATO 60% (44T) ATO 0% (46T) ATO 20% (46T) ATO 40% (46T) ATO 60% (46T) 조건을참조하여제직하였다. 경사는 ATO 300/72 2합과 LM 50D를합사하였고 (ATO 원사 92%), 위사는 ATO 300/ 72 2합과 LM 70D 2합을합사하였다 (ATO 원사 81%). 제직한열차단썬스크린샘플은 Figure 4와같다. 태양방사투과율측정결과로사II 썬스크린의경우 32.94% 를나타낸반면, 신규제직한썬스크린의경우 13.77% 로대조군대비개선율이약 58% 로대폭향상되었다. 4. 결론 본연구에서는열차단성능을향상시키기위해 ATO 무기화합물을이용하여 sheath/core 복합사를제조하여다양한 sheath/core 비율과 ATO 함량에따른태양방사투과율의변화를고찰하였다. 태양방사투과율은 ATO 입자가포함된 sheath 부의비율이커질수록, 그리고 ATO가함유된원사의비율이높아질수록낮은값을가지는것으로확인하였다. 또한여러가지제직조건에의해태양방사투과율의변화를확인하였고, sheath/core의비율이 50:50 그리고 ATO 의함량이 3.0 wt%, DTY 제직조건에서가장최적화된성능을나타내었다. 연구개발된 ATO 원사를사용하여열차단썬스크린을제조한결과최대약 58% 의열차단개선율을나타내어 ATO 원사의열차단성능이우수함을확인할수있었다. 감사의글 : 본연구는 2014년지역특화산업육성 (R&D) 기술개발사업의연구개발로수행되었음 ( 과제번호 : R ). References Figure 4. Images of the sunscreen fabrics; (a) Rosa II sun-screen fabric (no ATO) and (b) Rosa II sun-screen fabric (ATO content: warp 92%, weft 81%). 적용되었던 ATO 원사를경사및위사에확대적용하여태양방사투과율을측정하였다. 대조군은제일윈도텍스에서개발한로사II 썬스크린의 DTY 원사를사용하였고, 제직 1. C. H. Cho and H. J. Baek, Understand Climate Change, National Institute of Meteorological Sciences, W. Cho and N. Lim, Study on Energy Performance and Economic Evaluation of Windows System with Built-in Type Blinds, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 2010, 10, Y. Choi, E. Kang and E. Lee, Design and Analysis of Double Blind Daylighting System, J. Korean Solar Energy Soc., 2011, pp S. Lee, J. Kang and K. Kim, Energy Performance Evaluation of a Double-skin Facade with a Venetian Blind in Residential Buildings, J. Korean Solar Energy Society, 2010, 30, H. Ku, Y. Park, S. Koo, J. Kim, M. Yeo, and K. Kim, An Experimental Study on the Control Strategy of an Automated Venetial Blind in Summer, J. Architect. Inst. Korea, 2007, 27, S. Lee and K. Kim, A Study on Cooling Energy Reduction with Blind Installation in the Atrium, Conference Proceeding of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building, 2009, pp

6 408 최주환 김대근 김선남 최동혁 이승걸 Textile Science and Engineering, 2016, 53, D. Kim, K. Yoon, J. Kang, and K. Kim, Experimental Study on Indoor Thermal Characteristics in Accordance with the Use of Windows and Blinds in Double Skin Facade in Summer, J. Korean Solar Energy Society, 2011, 31, J. Imakita, Special Function Fiber, Sen-I Gakkaishi, 2014, 70,

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method