KR101146674B1 - 광 투과율 가변 윈도우 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 써모크로믹층의 기능을 통한 냉난방 에너지 효율을 높임과 동시에 가시광 영역의 투과율을 높이기 위하여, (i) 광 투과가 가능한 기판, (ii) 상기 기판의 일 면측에 배치되는 써모크로믹층, (iii) 상기 써모크로믹층의 양 면에 각각 접하도록 형성되는 제1 기능 박막층들, (iv) 각각의 상기 제1 기능 박막층 위에 접하도록 형성되는 제2 기능 박막층들, 및 (v) 상기 제1 기능 박막층과 상기 제2 기능 박막층 사이의 굴절율 차이가 상기 제1 기능 박막층과 상기 써모크로믹층 사이의 굴절율 차이보다 큰 광 투과율 가변 윈도우를 제공한다.

Description

광 투과율 가변 윈도우 {Window with Variable Light Transmittance}
본 발명은 주변 온도에 따라 광 투과율이 변화되는 광 투과율 가변 윈도우에 관한 것이다.
스마트 윈도우(smart window)는 태양 빛의 투과율을 조절하는 윈도우이다. 스마트 윈도우는 태양 빛의 투과율을 조절할 수 있는 물질을 윈도우에 직접 형성한다. 그럼으로써 특정 투과율을 가진 필름을 부착하는 방식에 비해 태양 빛의 투과율을 크게 신장시키고 사용자에게 더 큰 편의성을 제공한다.
스마트 윈도우는 기능성을 나타내는 재료의 종류에 따라 액정(liquid crystal), 분극입자분산(SPD: suspended particle display), 일렉트로크로믹(EC: electrochromic), 포트크로믹(PC: photochromic), 써모크로믹(TC: thermochromic) 등으로 구분된다.
이 중 써모크로믹 스마트 윈도우는 온도에 따라 태양 빛에 대한 투과율이 달라진다. 써모크로믹 스마트 윈도우는 가시광선보다 파장이 큰 적외선 영역의 빛에 대하여 특정 온도 이상에서는 반사율이 상대적으로 높은 특성을 나타내며 특정 온도 이하에서는 투과율이 상대적으로 높은 특성을 나타낸다. 외부 온도가 낮은 겨울철에는 태양 빛 중 열을 내는 적외선에 대한 투과율이 높아 내부로 통과시켜 난방비를 절감할 수 있으며, 반대로 외부의 온도가 높아지는 여름철에는 적외선에 대한 투과율이 낮아져 열이 내부로 유입되는 것이 차단됨으로써 냉방비를 절감할 수 있다.
하지만 도 1에 도시된 바와 같이 일반 유리에서의 가시광 영역(380-780nm) 의 태양광에 대한 투과율이 90% 이상인 반면, 도 2에 도시된 바와 같이 써모크로믹층이 형성된 유리에서의 가시광 영역의 태양광에 대한 투과율이 30% 이상 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에서는 써모크로믹층의 기능을 통한 냉난방 에너지 효율을 높임과 동시에 가시광 영역의 투과율을 높일 수 있는 광 투과율 가변 윈도우를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (i) 광 투과가 가능한 기판, (ii) 상기 기판의 일 면측에 배치되는 써모크로믹층, (iii) 상기 써모크로믹층의 양 면에 각각 접하도록 형성되는 제1 기능 박막층들, (iv) 각각의 상기 제1 기능 박막층 위에 접하도록 형성되는 제2 기능 박막층들, 및 (v) 상기 제1 기능 박막층과 상기 제2 기능 박막층 사이의 굴절율 차이가 상기 제1 기능 박막층과 상기 써모크로믹층 사이의 굴절율 차이보다 큰 광 투과율 가변 윈도우가 개시된다.
일 실시예로서, 상기 기판의 일면으로부터 상기 제2 기능 박막층, 상기 제1 기능 박막층, 상기 써모크로믹층, 상기 제1 기능 박막층, 및 상기 제2 기능 박막층이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 기판은 유리이며, 광 투과율 가변 윈도우는 스마트 윈도우일 수 있다.
상기 써모크로믹층은 이산화바나듐을 구비하는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 기능 박막층의 굴절율은 상기 제2 기능 박막층의 굴절율보다 크다. 예를 들면, 상기 제1 기능 박막층과 상기 제2 기능 박막층 사이의 굴절율 차이는 0.5 이상일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 기능 박막층은 2.0 이상의 굴절율을 가지며, 상기 제2 기능 박막층은 1.5 이하의 굴절율을 가질 수 있다.
굴절율은 상기 써모크로믹층, 상기 제1 기능 박막층 및 상기 제2 기능 박막층의 순서로 클 수 있다.
상기 제1 기능 박막층은 이산화티타늄(TiO2), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), Ge(게르마늄), ITO(Indium Tin Oxide), 텔루오르화납(PbTe), 산화탄탈룸(Ta2O5)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 구비하는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 기능 박막층은 이산화티타늄(TiO2), 바나듐(V), 및 크로뮴(Cr)을 구비하는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 기능 박막층은 이산화규소(SiO2), 플루오린화칼슘(CaF2), 플루오린화납(PbF2), 및 플루오린화스트론튬(SrF2)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 구비하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우는 써모크로믹층으로 인하여 냉난방 에너지 효율을 증가시키면서도 부가적인 기능층들이 적절히 배치되도록 구성함으로써 가시광 영역의 투과율을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라 써모크로믹층 상에 형성된 기능층을 통하여 써모크로믹층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반 단일 유리에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
도 2는 써모크로믹층이 형성된 유리에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
이 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우는 기판인 유리(11)의 일 면에 형성된 광 투과율 가변층으로 이루어진다. 광 투과율 가변층은 써모크로믹층(15), 써모크로믹층(15)의 양 면에 각각 형성된 제1 기능 박막층(13), 제1 기능 박막층(13)의 양 면에 각각 형성된 제2 기능 박막층(12)으로 이루어진다. 즉, 기판부터 적층된 순서대로 말하면, 유리(11), 저유전율의 제2 기능 박막층(12), 고유전율의 제1 기능 박막층(13), 써모크로믹층(15), 고유전율의 제1 기능 박막층(13) 및 저유전율의 제2 기능 박막층(12)의 순서로 적층되어 있다.
써모크로믹층(15)은 이산화바나듐을 기본으로 하는 물질로 만들어진다.
제1 기능 박막층(13)은 굴절율 2.0 이상의 고유전율 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 기능 박막층(13)은 이산화티타늄(TiO2), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), Ge(게르마늄), ITO(Indium Tin Oxide), 텔루오르화납(PbTe), 산화탄탈룸(Ta2O5) 등일 수 있다.
제2 기능 박막층(12)은 굴절율 1.5 이하의 저유전율 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 기능 박막층(12)은 이산화규소(SiO2), 플루오린화칼슘(CaF2), 플루오린화납(PbF2), 및 플루오린화스트론튬(SrF2) 등일 수 있다.
제1 실시예로서 제1 기능 박막층(13)으로 이산화티타늄을, 제2 기능 박막층(12)으로 이산화규소를 사용하였을 때 굴절율은 표 1에 나타난 바와 같다.
층 물질 굴절율
매체 공기 1.00000
제2 기능 박막층 이산화규소 (SiO2) 1.45992
제1 기능 박막층 이산화티타늄 (TiO2) 2.31836
써모크로믹층 이산화바나듐 (VO2) 2.82610
제1 기능 박막층 이산화티타늄 (TiO2) 2.31836
제2 기능 박막층 이산화규소 (SiO2) 1.45992
기판 유리 1.51852
이와 같이, 유리(11)의 일 면에 배치되는 써모크로믹층(15)과 바로 인접한 층에는 써모크로믹층(15)과 굴절율 차이가 작은 제1 기능 박막층(13)이 배치된다. 써모크로믹층(15)과 그 인접층의 굴절율 차이는 가급적 작은 것이 좋다. 그럼으로써 써모크로믹층(15)의 계면에서의 반사율이 적어지므로 가시광 영역의 투과율을 높일 수 있다.
제1 기능 박막층(13)으로서의 이산화티타늄층은 써모크로믹층(15)과 인접하고 있으면서 써모크로믹층(15)의 산화를 방지하는 동시에 자체 세정(self cleaning) 효과가 있어서 다층 박막층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 기능 박막층(13)과 바로 인접한 층에는 굴절율 차이가 큰 제2 기능 박막층(12)이 배치된다. 제1 기능 박막층(13)과 제2 기능 박막층(12)의 굴절율 차이는 최대한 큰 것이 좋다. 박막층의 굴절률은 각각 n1, n2라고 했을 때, 반사율은 [(n1-n2)/(n1+n2)]^2이다. 따라서 굴절율 차이가 클수록 반사율이 높아진다. 그럼으로써 고유전율을 가지는 제1 기능 박막층(13)과 저유전율을 가지는 제2 기능 박막층(12)의 경계면에서 반사가 발생하고, 각 경계면에서 반사한 광은 서로 중첩되어 간섭을 일으키게 된다.
제2 기능 박막층(12)으로서의 이산화규소층은 이산화티타늄층과 인접하고 있음으로써 이산화규소층의 내구성이 향상된다.
이때 각 층의 두께는 빛의 파장(
Figure 112010050638513-pat00001
)의 1/4두께인 것이 바람직하다. 왜냐하면 두 굴절율 차에 의한 두 개의 반사면이 있는 경우 두 반사면에서 반사된 빛은 서로 간섭함으로써 최종 반사율이 결정되는데, 두 반사면 사이의 거리인 일 층의 두께가 (1/4)
Figure 112010050638513-pat00002
인 경우, 첫번째 반사면에서 반사되는 빛에 대해 두번째 반사면에서 반사되는 빛은 (1/2)
Figure 112010050638513-pat00003
만큼 지연되어 두 반사광 사이에는 180도의 위상차로 인하여 상쇄 간섭이 일어나서 반사율이 최소가 되고 투과율이 최대가 되기 때문이다. 즉 첫번째 반사면과 두번째 반사면이 있을 때, 첫번째 반사면과 두번째 반사면에서 같은 위상차로 반사가 일어난다면 보강 간섭으로 반사율이 높아질 것이고, 첫번째 반사면과 두번째 반사면에서 반대 위상차로 반사가 일어난다면 상쇄 간섭으로 반사율이 최소가 된다. 반사면의 간격이 상쇄간섭을 일으킬 수 있도록 함으로써 반사 방지 기능(anti-reflection)을 가질 수 있다.
제1 기능 박막층(13)에는 이산화티타늄 외에도 바나듐(V), 크로뮴(Cr) 등의 물질을 미량 첨가할 수 있다. 왜냐하면 이산화티타늄은 3.2eV의 높은 밴드갭을 가지고 있으므로 가시광 응답형 촉매의 역할을 부가하여 바나듐(V), 크로뮴(Cr) 등의 물질을 미량 투입할 경우 밴드 흡수대가 이동하여 가시광 영역의 활성도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 광 투과율 가변 윈도우는 써모크로믹층(15) 만으로 형성된 것에 비하여 가시광 영역의 투과율이 30% 이상 증가되었음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
이 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우는 기판인 유리(21)의 일 면에 형성된 광 투과율 가변층으로 이루어진다. 광 투과율 가변층은 써모크로믹층(25), 써모크로믹층(25)의 일 면에 형성된 제1 기능 박막층(23), 제1 기능 박막층(23)의 위에 형성된 제2 기능 박막층(22)으로 이루어진다. 즉, 기판부터 적층된 순서대로 말하면, 유리(21), 써모크로믹층(25), 고유전율의 제1 기능 박막층(23) 및 저유전율의 제2 기능 박막층(22)의 순서로 적층되어 있다.
이 실시예서 제1 기능 박막층(23)과 제2 기능 박막층(22)은 기본적으로 도 3에 도시된 실시예에서와 동일하므로 이에 대한 설명은 앞에서 설명한 것을 참조하면 된다.
제2 실시예로서 제1 기능 박막층(23)으로 이산화티타늄을, 제2 기능 박막층(22)으로 이산화규소를 사용하였을 때 굴절율은 표 2에 나타난 바와 같다.
층 물질 굴절율
매체 공기 1.00000
제2 기능 박막층 이산화규소 (SiO2) 1.45992
제1 기능 박막층 이산화티타늄 (TiO2) 2.31836
써모크로믹층 이산화바나듐 (VO2) 2.82610
기판 유리 1.51852
이와 같이, 유리(21)의 일 면에 배치되는 써모크로믹층(25)과 바로 인접한 층에는 써모크로믹층(25)과 굴절율 차이가 작은 제1 기능 박막층(23)이 배치된다. 써모크로믹층(25)과 그 인접층인 제1 기능 박막층(23)의 굴절율 차이는 최소한 작은 것이 좋다. 그럼으로써 써모크로믹층(25)의 계면에서의 반사율이 적어지므로 가시광 영역의 투과율이 높아진다.
또한, 제1 기능 박막층(23)과 바로 인접한 층에는 제1 기능 박막층(23)과 굴절율 차이가 큰 제2 기능 박막층(22)이 배치된다. 제1 기능 박막층(23)과 제2 기능 박막층(22)의 굴절율 차이는 최대한 큰 것이 좋다. 그럼으로써 고유전율을 가지는 제1 기능 박막층(23)과 저유전율을 가지는 제2 기능 박막층(22)의 경계면에서 굴절이 발생하고, 각 경계면에서 굴절한 광은 서로 중첩되어 간섭을 일으키게 된다. 이와 같이 구성함으로써 최소의 층으로 높은 반사율을 얻을 수 있다.
제2 기능 박막층(22)으로서의 이산화규소층은 이산화티타늄층과 인접하고 있음으로써 이산화규소층의 내구성이 향상된다.
도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 광 투과율 가변 윈도우는 써모크로믹층(25) 만으로 형성된 것에 비하여 가시광 영역의 투과율이 20% 이상 증가되었음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 광 투과율 가변 윈도우의 단면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 광 투과율 가변 윈도우에서의 파장별 빛의 투과율 그래프이다.
비교예에 따른 광 투과율 가변 윈도우에서는 유리(31)로부터 시작하여 고유전율의 제1 기능 박막층(33), 저유전율의 제2 기능 박막층(32), 써모크로믹층(35), 저유전율의 제2 기능 박막층(32) 및 고유전율의 제1 기능 박막층(33)의 순서로 순차적으로 적층되어 있다. 즉, 앞에서 제1 및 제2 실시예와 비교하였을 때, 고유전율인 써모크로믹층(35)에 인접한 층에 저유전율의 제2 기능 박막층(32)이 배치된다는 점에서 차이가 있다.
도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 바와 같이 구성된 광 투과율 가변 윈도우는 써모크로믹층(35) 만으로 형성된 것에 비하여 가시광 영역의 투과율이 더욱 감소하였음을 알 수 있다. 이는 써모크로믹층(35)에 추가하여 제1 및 제2 기능 박막층(32)들을 추가적으로 배치함으로써 투명도가 악화되었기 때문이다.
제1 및 제2 실시예에 따른 광 투과율 가변 윈도우를 유리(11, 21)에 적용한 스마트 윈도우는 임계 온도 근처에서 투과율이 점진적으로 변화되는 써모크로믹층(15, 25)을 구비한다. 즉, 가시광선보다 파장이 큰 적외선 영역의 빛에 대하여 특정 온도 이상에서는 투과율이 상대적으로 낮은 특성을 나타내고 특정 온도 이하에서는 투과율이 상대적으로 높은 특성을 나타낸다. 그럼으로써 외부 온도가 낮은 겨울철에는 태양 빛 중 열을 내는 적외선에 대한 투과율이 높아 내부로 통과시켜 난방비를 절감할 수 있으며, 반대로 외부의 온도가 높아지는 여름철에는 적외선에 대한 투과율이 낮아져 열이 내부로 유입되는 것이 차단됨으로써 냉방비를 절감할 수 있다.
특히, 써모크로믹층(15, 25)의 형성으로 인한 투과율 감소를 방지하기 위하여 고유전율인 써모크로믹층(15, 25)과 인접한 층에는 고유전율의 제1 기능 박막층(13, 23)을 형성하고 제1 기능 박막층(13, 23) 위에는 굴절율 차이가 크도록 저유전율의 제2 기능 박막층(12, 22)을 형성함으로써 투과율 감소를 최소화할 수 있다. 동시에 써모크로믹층(15, 25)의 산화를 방지하여 다층 박막들로 이루어진 층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명은 스마트 윈도우를 비롯한 다양한 산업 분야에 이용될 수 있다.
10, 20: 광 투과율 가변 윈도우
11, 21: 기판
12, 22: 제2 기능 박막층
13, 23: 제1 기능 박막층
15, 25: 써모크로믹층

Claims (11)

  1. 광 투과가 가능한 기판;
    상기 기판의 일 면측에 배치되는 써모크로믹층;
    상기 써모크로믹층의 양 면에 각각 접하도록 형성되는 제1 기능 박막층들;
    각각의 상기 제1 기능 박막층 위에 접하도록 형성되는 제2 기능 박막층들; 및
    상기 제1 기능 박막층과 상기 제2 기능 박막층 사이의 굴절율 차이가 상기 제1 기능 박막층과 상기 써모크로믹층 사이의 굴절율 차이보다 큰 광 투과율 가변 윈도우.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 일면으로부터 상기 제2 기능 박막층, 상기 제1 기능 박막층, 상기 써모크로믹층, 상기 제1 기능 박막층, 및 상기 제2 기능 박막층이 순차적으로 적층된 광 투과율 가변 윈도우.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리인 광 투과율 가변 윈도우.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 써모크로믹층은 이산화바나듐을 구비하는 물질로 이루어진 광 투과율 가변 윈도우.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기능 박막층의 굴절율은 상기 제2 기능 박막층의 굴절율보다 큰 광 투과율 가변 윈도우.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 기능 박막층과 상기 제2 기능 박막층 사이의 굴절율 차이는 0.5 이상인 광 투과율 가변 윈도우.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 기능 박막층은 2.0 이상의 굴절율을 가지며, 상기 제2 기능 박막층은 1.5 이하의 굴절율을 가지는 광 투과율 가변 윈도우.
  8. 제7 항에 있어서,
    굴절율은 상기 써모크로믹층, 상기 제1 기능 박막층 및 상기 제2 기능 박막층의 순서로 큰 광 투과율 가변 윈도우.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 기능 박막층은 이산화티타늄(TiO2), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), Ge(게르마늄), ITO(Indium Tin Oxide), 텔루오르화납(PbTe), 산화탄탈룸(Ta2O5)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 구비하는 물질로 이루어진 광 투과율 가변 윈도우.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 기능 박막층은 이산화티타늄(TiO2), 바나듐(V), 및 크로뮴(Cr)을 구비하는 물질로 이루어진 광 투과율 가변 윈도우.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 기능 박막층은 이산화규소(SiO2), 플루오린화칼슘(CaF2), 플루오린화납(PbF2), 및 플루오린화스트론튬(SrF2)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 구비하는 물질로 이루어진 광 투과율 가변 윈도우.
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