건물 유리의 에너지 효율을 높이기 위한 고투명 실란화 셀룰로오스 에어로겔

May 26, 2023

날짜: 2023년 8월 18일

저자: Eldho Abraham, Vladyslav Cherpak, Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove, 이태우, Qingkun Liu, Ivan I. Smalyukh

원천:Nature Energy, 8권, 381~396페이지(2023)

DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01226-7

쾌적한 실내 환경을 유지하기 위해 건물은 전 세계에서 생산되는 에너지의 약 40%를 소비합니다. 차갑거나 더운 실외로부터 건물 내부를 수동적으로 격리하는 측면에서 창문과 채광창은 유리의 높은 투명성과 단열을 동시에 달성하는 것이 여전히 어려운 과제로 남아 있기 때문에 건물 외피에서 가장 효율성이 낮은 부분입니다. 여기에서는 콜로이드 자체 조립 및 롤투롤 처리와 호환되는 절차와 같은 접근 방식을 활용하여 지구에 풍부한 생체 고분자인 셀룰로오스로 제작된 매우 투명한 에어로겔을 설명합니다. 에어로겔은 가시광선 투과율이 97~99%(유리보다 좋음)이고 헤이즈는 ~1%이며 열전도율은 정지 공기보다 낮습니다. 이러한 경량 소재는 다중 창 단열 유리 장치 내부의 창으로 사용하거나 기존 창을 개조하는 데 사용할 수 있습니다. 우리는 에어로겔이 어떻게 에너지 효율성을 높이고 단열 유리 장치, 채광창, 일광 및 외관 유리를 위한 고급 기술 솔루션을 가능하게 하여 건물 외피에서 유리의 역할을 잠재적으로 증가시킬 수 있는지 보여줍니다.

추가 에너지 공급이 거의 또는 전혀 없이 외부 환경에 관계없이 원하는 실내 조건을 제공하려면 건물 외피는 열 전도, 대류 및 방출을 통해 내부-외부 에너지 교환을 최소화해야 합니다1,2,3,4. 유약을 사용하여 이를 달성하는 것은 가시 범위 투명도 및 안개에 대한 일반적으로 엄격한 요구 사항으로 인해 특히 어렵습니다5,6. 이 문제에 대한 현재 접근 방식은 공기 또는 충전 가스가 포함된 절연 유리 장치(IGU)를 활용하지만5,6,7,8 이러한 IGU의 높은 열 차단 성능은 유리판 사이에 큰 간격 두께가 필요하며 이는 결국 가스 대류에 의해 제한됩니다. , 창 수 및 구조적 제약 조건. 반면에 훨씬 더 얇은 진공 단열 유리 장치의 사용은 밀봉 무결성과 높은 비용으로 인해 제한됩니다9,10. 저방사율 은 및 기타 코팅을 사용하면 실온 건물 내부에서 발생하는 흑체형 전자기 방사율로 인한 에너지 손실을 제한할 수 있지만5,6,7,8,9,10 탈출하는 부분만 포착할 수 있습니다. 가시 범위 투명성을 저하시키는 대가로 에너지를 소비합니다.

파이프 단열재부터 화성 탐사선11,12,13에 이르는 응용 분야에 사용되는 고열 절연 재료인 에어로겔은 IGU 내부 응용 분야에서 가스 충전재14,15,16,17,18,19를 위한 고체 재료 대체품으로 높은 수요를 받아왔습니다. 이는 효율적인 열 장벽으로서 정지 공기 및 기타 가스 충진재보다 성능이 뛰어난 재료 종류로 돋보입니다20,21,22,23,24. 그러나 에어로겔은 일반적으로 기계적으로 깨지기 쉽고 빛을 강하게 산란시킵니다. 건물 관련 규모와 비용에서 낮은 헤이즈, 높은 투명성 및 기계적 견고성을 갖춘 에어로겔을 제조하는 것도 여전히 과제로 남아 있습니다30. 셀룰로오스 기반 에어로겔25,28,29,30,31을 포함한 투명 에어로겔의 개발은 소규모로 제한되어 있는 동시에 대부분의 유약 유형에 사용하기에는 여전히 부적합한 헤이즈 및 투명도 특성을 갖추고 있습니다. 열 범위 방사율을 제어하기 위한 기술 솔루션은 매우 적합하고 널리 사용되지만5,6,7,8,9 최근 전기 변색 접근 방식의 출현은 태양열 이득 및 개인 정보 보호 제어32,33,34의 요구 사항을 해결할 것을 약속합니다. 우수한 투명 열 장벽이 부족하면 창 기술5,6,7,8,9의 에너지 효율성이 크게 제한됩니다.

여기에서는 유약 응용 분야에 적합한 재료 특성을 갖춘 매우 투명한 실란화 셀룰로오스 에어로겔(SiCellAs)의 확장 가능한 제조를 보여줍니다. 유리판 사이에 끼워진 이러한 단열성이 높은 SiCellA 재료는 RB = 5h ft2 °F Btu−1(Btu는 영국식을 나타내는 북미 표준 영국식 단위)와 같이 열 흐름에 대한 높은 저항 R을 갖는 창을 허용할 수 있습니다. 열 단위) 및 RS ≒ 0.9m2 K W−1(SI 단위). SiCellA는 기존 이중창 IGU의 기하학적 폼 팩터에 대한 높은 R ​​단열을 달성하는 데 도움이 될 수 있으며 일광 및 채광창용 유리를 가능하게 하여 잠재적으로 창문뿐만 아니라 건물 벽에 대한 현재 표준 및 목표를 초과할 수도 있습니다1,2 3,4,7. 공기 또는 기타 가스 필러가 포함된 IGU의 배치는 넓은 창 간 간격의 대류와 다중 창 IGU의 유리-공기 인터페이스에서 나오는 빛의 반사로 인해 제한되지만 SiCellA 기반 IGU에는 그러한 본질적인 제한이 없습니다.