KR101398602B1 - 써모크로믹 윈도우 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 및 상기 기판 상에 형성되어 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부로 이루어지되, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부가 수평으로 배열되는 써모크로믹/저방사 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.

Description

써모크로믹 윈도우{THERMOCHROMIC WINDOW}
본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.
최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 이에 못지않게 에너지 절감기술의 중요성도 증대되고 있다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉·난방비로 사용된다. 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 소비되는 에너지는 24%에 이른다.
이에 따라 창문의 기본 기능인 건물의 미관 및 조망 특성을 유지하면서도 창문의 기밀 및 단열 특성을 높여 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으며, 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 윈도우를 설치하는 방법 등이 실시되고 있다.
고단열 윈도우의 종류에는 복층 글라스에 아르곤(Ar) 가스 등을 주입하여 열 교환 현상을 막는 아르곤 가스 주입 복층 윈도우, 복층 글라스 사이를 진공 상태로 만든 진공 윈도우, 저방사(Low-E) 윈도우 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 윈도우에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 글라스 등이 연구되고 있다.
특히, 저방사 글라스는 글라스 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅하여 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있도록 하고 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단하여 겨울철에는 건물 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름철에는 건물 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄이는 효과가 있다. 그러나, 가시광선 이외의 파장에 대해서는 반사를 하는 특성에 의해, 특히 겨울철에 태양에서 나오는 적외선 부분을 실내로 유입시키지 못하고, 계절(온도)에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 단점을 가지고 있다.
이에 써모크로믹(thermochromic) 특성을 갖는 물질을 유리 위에 코팅하여 유리가 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하여 실내온도가 상승하지 않게 함으로써, 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 써모크로믹 윈도우에 관한 기술이 개발되고 있다.
이와 같은 써모크로믹 윈도우에 관한 기술은 대한민국 공개특허 제10-2008-0040439호에 개시되어 있다.
특히, 상전이 온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까우며, 광학 정수(n,k) 값의 변화가 커 투과율 제어가 용이한 이산화바나듐(VO2)을 글라스에 코팅한 써모크로믹 윈도우에 관해 다양한 연구가 진행 중에 있다.
그러나, 이와 같은 써모크로믹 윈도우는 단열성능이 취약한 단점을 가지고 있다. 즉, 건물 내부에 존재하는 열이 써모크로믹 윈도우를 통해 쉽게 빠져나가기 때문에 겨울철 난방 에너지 손실이 크다는 단점을 갖는다.
도 1은 이산화바나듐이 코팅된 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 투과율 및 ITO가 코팅된 저방사 윈도우의 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타난 바와 같이 저방사 윈도우의 경우 가시광의 투과율은 높은 반면 적외선 영역의 투과율은 낮고, 써모크로믹 윈도우의 경우 상전이 전/후에 따라 적외선 영역의 투과율이 변한다. 한편, 저방사 윈도우의 경우 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 것을 알 수 있고, 써모크로믹 윈도우의 경우 상전이 전 적외선 영역에서 높은 투과율을 갖는다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적외선 변환효율과 단열효과를 모두 가질 수 있는 써모크로믹 윈도우를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 및 상기 기판 상에 형성되어 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부로 이루어지되, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부가 수평으로 배열되는 써모크로믹/저방사 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부는 복수 개일 수 있다.
이때, 상기 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부가 상호 교대하며 평행하게 배열될 수 있으며, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부는 선형으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부는 격자 형태로 배열될 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부의 두께가 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부의 면적이 서로 상이할 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막 코팅부는 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막 코팅부는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 저방사 박막 코팅부는 전도성 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전도성 물질은 Ag, ITO, IZO, 및 AZO 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 써모크로믹 윈도우가 수평으로 배열되는 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부를 포함하여 이루어짐으로써, 온도에 따른 적외선 투과/차단 효과 및 단열효과를 동시에 얻을 수 있어 에너지 절감 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부의 면적을 제어함으로써, 써모크로믹 윈도우의 적외선 변환 효율, 가시광 투과율, 및 단열효과를 조절할 수 있다.
도 1은 이산화바나듐이 코팅된 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 투과율 및 ITO가 코팅된 저방사 윈도우의 투과율을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 3은 기판 상에 이산화바나듐 박막과 ITO 박막이 적층된 구조를 갖는 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 투과율을 나타낸 그래프.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 평면도 및 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막 코팅부와 ITO로 이루어진 저방사 박막 코팅부의 면적 비에 따른 상전이 전/후 투과율 차이를 나타낸 그래프.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 평면도 및 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 윈도우에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 기판(100), 및 써모크로믹/저방사 박막(200)을 포함하여 이루어질 수 있다.
기판(100)은 투명 또는 유색의 일정한 넓이 및 두께를 갖는 기재로, 바람직하게는 소다라임(soda-lime)계 유리가 사용될 수 있다.
써모크로믹/저방사 박막(200)은 기판(100) 상에 형성되며, 서로 수평으로 배열되는 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)로 이루어진다.
써모크로믹 박막 코팅부(210)는 기판(100) 상에 형성되며, 써모크로믹 물질을 코팅함으로써 형성할 수 있다. 써모크로믹 물질은 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화하는 물질로, 상전이 전/후로 태양광 특히, 근적외선의 투과율 내지 반사율이 변화하는 특성을 갖는다.
이에 의해, 써모크로믹 박막 코팅부(210)는 온도가 높은 여름철에는 적외선을 차단시킴으로써 열 에너지의 유입을 막아 냉방부하를 감소시키고 온도가 낮은 겨울에는 적외선을 투과시킴으로써 난방부하를 감소시킬 수 있다.
써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 써모크로믹 박막 코팅부(210)는 도펀트(dopant)가 도핑(doping)된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다.
써모크로믹 물질에 도펀트를 도핑함으로써, 써모크로믹 물질의 상전이 온도를 제어할 수 있으며, 일반적으로, 도펀트의 도핑 비(doping ration)가 높을수록 써모크로믹 물질의 상전이 온도는 낮아진다. 도핑되는 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
저방사 박막 코팅부(220)는 기판(100) 상에 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 수평으로 배열되도록 형성되며, 전도성 물질을 코팅함으로써 형성할 수 있다. 저방사 박막 코팅부(220)는 적외선 영역의 투과율, 특히, 5 ~ 50㎛ 파장의 원적외선의 투과율을 낮춤으로써, 겨울철 실내 난방열이 외부로 빠져나가는 것을 억제한다. 저방사 박막 코팅부(220)는 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있다.
전도성 물질은 Ag, ITO, IZO, 및 AZO 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 특별히 구애될 것은 아니다.
본 발명에 따른 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)는 수평으로 배열된다.
써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)를 수직으로 배열, 즉 적층하여 구성하는 경우 단열 성능은 향상되지만 저방사 박막 코팅부의 낮은 근적외선 투과율로 인해 써모크로믹 박막 코팅부의 근적외선 변환효율이 크게 감소하게 된다.
도 3은 기판 상에 이산화바나듐 박막과 ITO 박막이 적층된 구조를 갖는 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 3을 비교하면, 써모크로믹 박막에 저방사 박막을 적층한 써모크로믹 윈도우의 경우, 써모크로믹 박막만으로 이루어진 써모크로믹 윈도우에 비해 근적외선 변환효율이 크게 감소하였음을 알 수 있다.
이에, 본 발명은 기판(100) 상에 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)를 수평으로 배열되게 형성함으로써, 기판(100)의 일정 부위에서는 온도에 따라 적외선을 투과/차단시키고, 기판(100)의 다른 부위에서는 단열효과를 갖도록 하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 써모크로믹 윈도우가 수평으로 배열되는 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부를 포함하여 이루어짐으로써, 온도에 따른 적외선 투과/차단 효과 및 단열효과를 동시에 얻을 수 있어 에너지 절감 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우에서 기판(100) 상에 형성되는 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)는 복수 개일 수 있다.
이 경우, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)는 상호 교대하여 평행하게 배열될 수 있으며, 특히, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 선형으로 상호 교대하며 평행하게 배열될 수 있다. 여기서, 선형이란 직선, 사선 등을 포함한다.
또한, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)가 복수 개인 경우 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)는 도 5에 도시된 바와 같이 격자 형태로 배열될 수 있다.
써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)가 격자 형태로 배열되는 경우 선형으로 배열됨에 의해 발생할 수 있는 편광 문제를 차단할 수 있다. 즉, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)를 선형으로 배열하는 경우 써모크로믹/저방사 박막이 편광 필터로 작용하여 빛을 편광시키는 문제가 발생할 수 있으나, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)를 격자 형태로 배열하는 경우 이와 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 다른 써모크로믹 윈도우에서, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)의 면적은 서로 상이할 수 있다.
써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)의 면적을 제어함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 적외선 변환 효율, 가시광 투과율, 및 단열효과를 조절할 수 있다.
예를 들어, 써모크로믹 박막 코팅부(210)가 차지하는 면적이 증가할수록 근적외선 변환효율이 증가하는 반면, 저방사 박막 코팅부(220)가 차지하는 면적이 증가할수록 가시광 투과율이 증가하고 써모크로믹 윈도우 전체의 방사율이 낮아져 단열효과는 향상된다. 따라서, 본 발명에 따른 써모크로믹 윈도우의 사용 환경 및 사용자의 기호에 따라 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)의 면적을 제어함으로써, 써모크로믹 윈도우의 적외선 변환 효율, 가시광 투과율, 및 단열효과를 조절할 수 있다.
도 8은 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막 코팅부와 ITO로 이루어진 저방사 박막 코팅부의 면적 비에 따른 상전이 전/후 투과율 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 써모크로믹 박막 코팅부의 면적이 저방사 박막 코팅부의 면적보다 큰 경우 적외선 영역의 변환 효율이 높음을 알 수 있고, 저방사 박막 코팅부의 면적이 써모크로믹 박막 코팅부의 면적보다 큰 경우 변환 효율은 작아지나, 단열 효과가 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)의 패턴 선폭을 조절함으로써 추가적인 단열 효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 전도성 물질로 구성된 패턴은 선폭의 4 ~ 5배 이상의 파장을 갖는 파동을 차단할 수 있다. 따라서, 써모크로믹 박막 코팅부(210) 및/또는 저방사 박막 코팅부(220)의 패턴 선폭을 제어함으로써 써모크로믹 박막 코팅부(210) 및/또는 저방사 박막 코팅부(220)에 의해 차단되는 파장을 조절할 수 있다. 일례로, 써모크로믹 박막 코팅부(210)의 선폭이 특정 값 미만일 경우 5㎛ 이상의 파장을 갖는 원적외선을 차단할 수 있고, 이에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 저방사 박막 코팅부(220)에 의한 단열 효과 이외에 추가적인 단열 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우에서, 써모크로믹 박막 코팅부(210)와 저방사 박막 코팅부(220)의 두께는 서로 상이할 수 있다.
이는, 변환 효율을 만족하는 써모크로믹 박막 코팅부(210)의 두께와 가시광 투과율 및 단열효과를 만족시키는 저방사 박막 코팅부(220)의 두께가 서로 상이할 수 있기 때문이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 기판 200: 써모크로믹/저방사 박막
210: 써모크로믹 박막 코팅부 220: 저방사 박막 코팅부

Claims (12)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성되어 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부로 이루어지되, 상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부가 수평으로 배열되는 써모크로믹/저방사 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부는 복수 개인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부 및 저방사 박막 코팅부가 상호 교대하며 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부는 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부는 격자 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부의 두께가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부와 저방사 박막 코팅부의 면적이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부는 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 코팅부는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 저방사 박막 코팅부는 전도성 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 Ag, ITO, IZO, 및 AZO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.

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