JP6367528B2 - ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウ及びその製造方法に係り、より詳しくは、低い相転移温度を有するドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウ及びその製造方法に関する。

近年、石油などの化学エネルギー源の価格の急騰に伴い、新エネルギー源の開発の必要性が高まっている。また、これに相まって省エネルギー技術の重要性も高まってきている。実際に一般家庭におけるエネルギー消費量の６０％以上が冷・暖房のために使われる。特に、一般住宅や建物における窓ガラスから無駄に逃げ出すエネルギーが２４％にも達する。

このため、窓の基本機能である建物の美観及び眺望特性を保ちつつも、窓の気密及び断熱特性を高めて窓ガラスから逃げ出すエネルギーを減らすための種々の努力がなされており、代表的に窓の大きさを調節する方法や高断熱窓を設置する方法などが実施されている。

高断熱窓の種類には、複層ガラスにアルゴン（Ａｒ）ガスなどを注入して熱交換現象を防ぐアルゴンガス注入複層ガラスと低放射（Ｌｏｗ−Ｅ）ガラスなどがある。その他、熱的特性を持つ層をガラスにコートし、太陽光エネルギーの取り込みを調節するガラスなどが研究されている。

特に、低放射ガラスは、ガラス表面に金属または金属酸化物を薄くコートして窓ガラスから入る太陽光線のうち、可視光線は最大限に透過させて室内を明るく保つようにする共に赤外線領域の輻射線は有効にカットし、また、冬季には建物中の暖房熱が外に逃げ出さないようにカットし、夏季には建物外の熱気の中への侵入をカットして、冷・暖房費を低減するという効果があるものの、可視光線以外の波長に対しては反射をする特性のため、特に冬季に太陽から出る赤外線領域を室内へ取り込むことができず、季節（温度）に応じて太陽光の透過率が調節されないという不具合を持っている。

そこで、サーモクロミック（ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍｉｃ）効果を有する物質をガラス上にコートし、ガラスが所定の温度以上になると可視光線は取り込むが近赤外線や赤外線はカットして室内温度が上昇しないようにするサーモクロミック・ウィンドウに関する技術が開発されている。

図１は、ガラス基板の片面にＶＯ_２からなるサーモクロミック薄膜をコートしてなるサーモクロミック・ウィンドウの相転移温度の前後における太陽光の透過率の変化を示すグラフである。

図１に示すように、サーモクロミック物質をガラスにコートすることにより、相転移温度を前後にして太陽光の透過率、特に赤外線領域における透過率が変化することが分かり、これにより、建物などの冷・暖房エネルギー効率を向上させることができる。

しかしながら、このようなサーモクロミック物質は高い相転移温度を有しており、実際に建築用ガラスなどへの活用には不向きである。特に、比較的に実用可能な温度に近い二酸化バナジウム（ＶＯ_２）でも６８℃の相転移温度を有する。

そこで、サーモクロミック物質からなるサーモクロミック薄膜の相転移温度を下げるために、サーモクロミック物質からなるサーモクロミック薄膜にドーパントをドープしている。

従来、ドーパントのドーピング方法としては、サーモクロミック物質からなるターゲット（ｔａｒｇｅｔ）とドーパントからなるターゲットをコ・スパッタリング（ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）する方法とサーモクロミック物質にドーパントがドープされたターゲットを利用してスパッタリングする方法を用いていた。

しかしながら、これらの方法による場合、ドーパントがサーモクロミック薄膜の全体に均一に分散して分布することにより、サーモクロミック薄膜の可視光透過率と相転移変換効率が減少するという不具合が生じる。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、低い相転移温度を有しつつも、高い可視光透過率と相転移変換効率を有するドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウ及びその製造方法を提供することである。

このために、本発明は、基板、及び基板上に形成されるサーモクロミック薄膜を含み、前記サーモクロミック薄膜は、ドーパントがドープされたサーモクロミック物質からなり、前記ドーパントの濃度は、前記サーモクロミック薄膜の表面と裏面のいずれか一方の面から深さ方向に行くにつれて低くなることを特徴とするドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウを提供する。

また、本発明のドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウは、前記基板と前記サーモクロミック薄膜との間に形成される遮断膜をさらに含んでいてよい。

ここで、前記遮断膜は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、またはＳｉ_３Ｎ_４のいずれか一種の物質を含んでいてよい。

また、前記遮断膜は、ドーパントをさらに含んでいてよい。

また、前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＺｒの少なくとも一種であってよい。

また、前記サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）、酸化チタン（ＩＩＩ）（Ｔｉ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（ＮｂＯ_２）、及び硫化ニッケル（ＮｉＳ）のいずれか一種からなるものであってよい。

また、本発明は、基板上にドーパント層を形成するドーパント層形成ステップ、及び前記ドーパント層上にサーモクロミック物質を蒸着し、前記ドーパント層をなすドーパントを拡散させるサーモクロミック薄膜形成ステップを含むことを特徴とする、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法を提供する。

また、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法は、サーモクロミック薄膜形成ステップの後に、ポストアニール（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を施すステップをさらに含んでいてよい。

また、前記ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法は、前記ドーパント層形成ステップの前に、前記基板上に遮断膜を形成するステップをさらに含み、前記ドーパント層は前記遮断膜上に形成されていてよい。

前記ドーパント層の厚さは、５ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、前記サーモクロミック物質は二酸化バナジウム（ＶＯ_２）であり、前記サーモクロミック薄膜の厚さは少なくとも５０ｎｍであってよい。

さらには、前記サーモクロミック薄膜形成ステップは、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）蒸着法にて行ってよい。

本発明によれば、サーモクロミック薄膜にドープされたドーパントがサーモクロミック薄膜の表面と裏面のいずれか一方の面から深さ方向に濃度勾配を有し且つ所定の領域のみにドープされることにより、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウは、低い相転移温度を有しつつも、高い可視光透過率及び相転移変換効率を有することができる。

また、遮断膜にドーパントがドープされることにより、遮断膜の屈折率を上げて可視光透過率を改善することができる。

ガラス基板の片面にＶＯ_２からなるサーモクロミック薄膜をコートしたサーモクロミック・ウィンドウの相転移温度の前後における太陽光の透過率の変化を示すグラフである。 本発明の一実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウを概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウを概略的に示す断面図である。 本発明の一実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法を概略的に示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウ及びその製造方法について詳述する。

なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することにする。

図２は、本発明の一実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウを概略的に示す断面図である。

図２を参照すると、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウは、基板１００、及びドーパントがドープされたサーモクロミック物質からなるサーモクロミック薄膜２００を含んでなり、ドーパントの濃度は、サーモクロミック薄膜の表面と裏面のいずれか一方の面から深さ方向に行くにつれて低くなるように形成される。

このように、サーモクロミック薄膜にドープされたドーパントがサーモクロミック薄膜の全体にわたって均一に分散してドープされず、サーモクロミック薄膜の表面から深さ方向に濃度勾配を有し且つ所定の領域のみにドープされることにより、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウは低い相転移温度を有しつつも、高い可視光透過率及び相転移変換効率を有することができる。

基板１００は、サーモクロミック薄膜２００の支持基材であって、好ましくは、ソーダライム（ｓｏｄａ−ｌｉｍｅ）系の建築用ガラスが使用されていてよい。

サーモクロミック薄膜２００は、基板１００上に形成され、ドーパントがドープされたサーモクロミック物質からなり、ドーパントの濃度は、図２において黒色のグラデーション（ｇｒａｄａｔｉｏｎ）で示すように、サーモクロミック薄膜の表面と裏面のいずれか一方の面から深さ方向に行くにつれて低くなるように形成される。

サーモクロミック物質は、特定の温度（相転移温度）で相転移するサーモクロミック現象によって結晶構造が変わることで物理的性質（電気伝導度、赤外線透過率など）が急変する物質であって、相転移を前後にして太陽光、特に、赤外線の遮断または反射率が変化する特性を持つ。このようなサーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）、酸化チタン（ＩＩＩ）（Ｔｉ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（ＮｂＯ_２）、及び硫化ニッケル（ＮｉＳ）のいずれか一種からなるものであってよい。

サーモクロミック物質にドープされたドーパントは、サーモクロミック薄膜２００の相転移温度を下げる。

ドーパントのドーピング比（ｄｏｐｉｎｇ ｒａｔｉｏｎ）が高いほどサーモクロミック薄膜２００の相転移温度は低くなり、ドープされるドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＺｒのいずれか一種であってよい。

また、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウは、図３に示すように、基板１００とサーモクロミック薄膜２００との間に形成される遮断膜３００をさらに含んでいてよい。

一般に、サーモクロミック物質を蒸着してサーモクロミック薄膜を形成する工程は、高温で行われ、このとき、基板上にサーモクロミック物質を直接コートすると、基板中のイオンがコートされるサーモクロミック物質へ拡散していき、サーモクロミック物質がサーモクロミック特性を失うようになる。

そこで、本発明は、基板１００とサーモクロミック薄膜２００との間に遮断膜３００を形成し、遮断膜３００が、基板１００中のイオンがサーモクロミック薄膜２００へ拡散していくことを防止する拡散バリア（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ）の役割を果たすことができる。特に、基板１００がソーダダイム系のガラス基板である場合、遮断膜３００は、ガラス基板中のナトリウム（Ｎａ）イオンがサーモクロミック薄膜２００へとナトリウム拡散（ｓｏｄｉｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）することを防止することができる。

ここで、遮断膜３００は、酸化物または窒化物薄膜からなるものであってよく、より好ましくは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、またはＳｉ_３Ｎ_４のいずれか一種の物質からなるものであってよい。

また、遮断膜３００には、屈折率を上げて可視光透過率を改善するためにドーパントをドープしていてよく、ドープされるドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＺｒのいずれか一種であってよい。

以下、本発明の一実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法を説明する。

図４は、本発明の一実施例に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法を概略的に示すフローチャートである。

図４を参照すると、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウを製造するために、まず、基板上にドーパント層を形成する（Ｓ１００）。

基板上に形成されるドーパント層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＺｒのいずれか一種からなるものであってよい。

ドーパント層は、５ｎｍの厚さを有していてよく、好ましくは、１〜２ｎｍの厚さを有していてよい。このように超薄膜形態でドーパント層を形成することにより、後述するサーモクロミック薄膜形成中にドーパント層をなすドーパントの全てが、サーモクロミック薄膜へ拡散していってドープされる。

なお、このようなドーパント層の厚さは、サーモクロミック薄膜の厚さに応じて変わり得る。

次いで、ドーパント層上にサーモクロミック物質を蒸着してサーモクロミック薄膜を形成する（Ｓ２００）。

サーモクロミック物質の蒸着は高温工程で行われるので、サーモクロミック物質の蒸着過程でドーパント層をなすドーパントは拡散していき、拡散していったドーパントは蒸着されるサーモクロミック薄膜にドープされる。これにより、サーモクロミック薄膜の表面から深さ方向にいくにつれて低くなる濃度勾配を持つドーパントがドープされたサーモクロミック薄膜が形成される。

一例として、基板上に１〜２ｎｍの厚さで形成されたドーパント層上にスパッタリング蒸着法にて二酸化バナジウム（ＶＯ_２）を５０ｎｍ蒸着する場合、ドーパント層をなすドーパントは、４００〜５００℃の温度で行われる二酸化バナジウム（ＶＯ_２）蒸着工程の際に全て拡散していき、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）薄膜としてドープされる。

このように、拡散工程によってサーモクロミック薄膜の表面から所定の深さまでにドーパントがドープされることにより、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの可視光透過率及び相転移変化効率を改善することができる。

また、ドーパント層の厚さ及び蒸着工程を制御してサーモクロミック薄膜にドーパントがドープされる深さを調節することで可視光透過率を容易に制御することができ、ドーパント層の厚さを調節することでドープされるドーパントの量を容易に制御することができる。

本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法は、サーモクロミック薄膜形成ステップ（Ｓ２００）の後に、ポストアニール（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を施すステップをさらに含んでいてよい。

すなわち、サーモクロミック薄膜形成ステップ（Ｓ２００）において、ドーパント層をなすドーパントの全てがサーモクロミック薄膜へと拡散していかずにドーパント層が残存する場合、これをサーモクロミック薄膜へと全て拡散させるために基板／ドーパント層／サーモクロミック薄膜からなる積層体を熱処理するポストアニールステップをさらに有していてよい。

また、本発明に係るドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法は、ドーパント層形成ステップ（Ｓ１００）の前に、基板上に遮断膜を形成するステップをさらに含んでいてよい。

すなわち、基板とドーパント層との間に基板中のイオンがサーモクロミック薄膜へ拡散していくことを防止する拡散バリアの役割をする遮断膜を形成するステップを更に含んでいてよい。これは、サーモクロミック薄膜形成ステップ（Ｓ２００）において、ドーパント層のドーパントとともに基板中のイオンがサーモクロミック薄膜へ拡散していくことを防止するためである。

また、このように形成された遮断膜にサーモクロミック薄膜形成ステップ（Ｓ２００）において拡散していくドーパントがドープされることで遮断膜の屈折率が上がり、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの可視光透過率を向上させることができる。

以上、本発明を限定された実施例や図面に基づいて説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者ならば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。

よって、本発明の範囲は説明された実施例に局限されて決められてはならず、特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。

１００ 基板
２００ ドーパントがドープされたサーモクロミック薄膜
３００ 遮断膜

Claims (5)

1. 基板上にドーパント層を形成するドーパント層形成ステップ、
   前記ドーパント層上に二酸化バナジウム（ＶＯ_２）を蒸着し、前記ドーパント層をなすドーパントを拡散させて、サーモクロミック薄膜を形成するサーモクロミック薄膜形成ステップ、及び、
   前記サーモクロミック薄膜形成ステップの後に、ポストアニール（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌｉｎｇ）ステップをさらに含み、
   前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＺｒのいずれか一種であることを特徴とする、ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法。
2. 前記ドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法は、
   前記ドーパント層形成ステップの前に、前記基板上に遮断膜を形成するステップをさらに含み、
   前記ドーパント層は、前記遮断膜上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法。
3. 前記ドーパント層の厚さは、５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法。
4. 前記サーモクロミック薄膜の厚さは少なくとも５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載のドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法。
5. 前記サーモクロミック薄膜形成ステップは、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）蒸着法にて行うことを特徴とする、請求項１に記載のドーパントがドープされたサーモクロミック・ウィンドウの製造方法。

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