KR101399899B1 - 써모크로믹 윈도우 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 적외선의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막; 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한면에 형성되는 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.

Description

써모크로믹 윈도우{THERMOCHROMIC WINDOW}
본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 적외선의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.
써모크로미즘(thermochromism) 이란 어떤 천이금속 (transition metal)의 산화물 및 황화물이 특정한 온도(Tc ， transition temperature, 이하 천이온도)를 전·후하여 그 결정구조가 바뀌어서 물리적 성질(전기전도도 및 적외선 투과율)이 급격히 변하는 현상을 말한다.
이와 같은 써모크로믹(thermochromic) 효과를 지닌 박막을 글라스 위에 코팅하면 글라스가 어떤 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선이 차단되어 실내온도가 상승하지 않게 되는 “smart window"를 만들 수 있게 되어, 이를 자동차의 유리창이나 건물의 창문에 응용하면 에너지 절약에 큰 효과를 가질 수 있다.
써모크로믹 효과를 나타내는 재료에는 여러 가지 천이금속의 산화물과 황화물이 있으나 그 중에서 이산화바나듐(VO2)은 그 천이온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까워 많은 연구가 진행 중이다.
한편, 이와 같은 써모크로믹 박막을 건축용 유리에 적용하는 경우, 겨울철에 난방열 손실을 최소화하기 위해서는 써모크로믹 박막이 낮은 방사율(emissivity)을 가져야 하나, 현재 써모크로믹 박막은 그렇지 못하다는 단점을 가진다. 특히, 이산화바나듐 박막의 경우 일반 유리와 비슷한 0.84의 높은 방사율을 가져, 겨울철 난방열을 효과적으로 차단하지 못한다는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 겨울철 난방열을 효과적으로 차단할 수 있는 써모크로믹 윈도우를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막; 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한면에 형성되는 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.
여기서, 상기 투명전도막의 방사율은 0.25 이하인 것이 바람직하다.
또는, 상기 투명전도막의 비저항은 1*10-3 Ω㎝ 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 투명전도막은 ITO, ZnO, FTO, AZO, 및 GZO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막에 도펀트가 도핑될 수 있다.
또한, 상기 투명전도막은 AZO 또는 GZO로 이루어지고, 상기 써모크로믹 박막은 VO2로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 투명전도막은 상기 써모크로믹 박막의 하면에 형성되되, 상기 AZO 또는 GZO는 (001) 방향으로 성장된 것이 바람직하다.
그리고, 상기 투명전도막의 두께는 350 ~ 650㎚ 일 수 있다.
또한, 상기 AZO는 Al이 AZO 100 중량부 중 3 ~ 5 중량부로 도핑될 수 있고, 상기 GZO는 Ga이 GZO 100 중량부 중 3.5 ~ 5.5 중량부로 도핑될 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막에 도펀트가 도핑될 수 있으며, 상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 써모크로믹 윈도우가 낮은 방사율을 가져, 겨울철 난방열을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, (001) 방향으로 성장된 AZO 또는 GZO로 이루어진 투명전도막 상에 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 형성시킴으로써, VO2로 이루어진 써모크로믹 박막의 상전이 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 2는 AZO 박막의 증착 조건 중, 압력 및 파워(power)의 변화에 따른 AZO의 방사율 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 4는 AZO 박막에 도핑된 Al의 도핑 농도에 따른 AZO 박막의 방사율을 나타낸 그래프.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 써모크로믹 윈도우는 기판(100), 써모크로믹 박막(200), 및 투명전도막(300)을 포함하여 이루어질 수 있다.
기판(100)은 써모크로믹 박막(200) 또는 투명전도막(300)의 지지 기재로서, 바람직하게는 소다라임(soda-lime)계 건축용 글라스가 사용될 수 있다.
써모크로믹 박막(200)은 기판(100) 상에 형성되며, 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화함으로써, 특정 온도 이상의 온도에서 적외선을 차단 또는 반사하는 특성을 갖는다.
여기서, 써모크로믹 박막(200)은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 써모크로믹 박막(200)에는 상전이 온도를 낮추기 위해 도펀트가 도핑될 수 있다.
도펀트(dopant)의 도핑 비(doping ratio)가 높을수록 상전이 온도는 급격히 낮아지게 된다. 써모크로믹 박막(200)에의 도펀트 도핑은 써모크로믹 물질에 도펀트가 도핑된 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링하거나, 써모크로믹 물질로 이루어진 타겟과 도펀트로 이루어진 타겟을 코-스퍼터링(co-sputtering)함으로써 이루어질 수 있다.
투명전도막(Transparent Conductive Oxide)(300)은 써모크로믹 박막(200)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한면에 형성되어, 써모크로믹 윈도우의 방사율(emissivity)을 낮춘다.
투명전도막(300)은 써모크로믹 박막(200)보다 낮은 방사율을 가지므로, 써모크로믹 박막(200)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한면에 투명전도막(300)을 형성함으로써, 써모크로믹 윈도우의 전체적인 방사율을 낮출 수 있다.
바람직하게는, 투명전도막(300)은 써모크로믹 박막(200)의 하면에 형성되어, 써모크로믹 박막(200)의 증착 과정에서 기판(100)으로부터 써모크로믹 박막(200)으로 기판(100) 내의 이온이 확산되는 것을 막아 써모크로믹 박막(200)이 써모크로믹 특성을 잃게되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 할 수 있다. 특히, 기판(100)이 소다라임계 유리 기판인 경우, 투면전도막(300)이 유리 기판 내의 나트륨(Na) 이온이 써모크로믹 박막(200)으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 투명전도막(300)은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO(Zinc Oxide), FTO(F-doped Tin Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), 및 GZO(Ga-doped Zinc Oxdie) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
투명전도막(300)의 방사율은 투명전도막을 이루는 물질의 성질 및 투명전도막의 증착 조건에 따라 다양한 방사율을 가진다.
도 2는 AZO 박막의 증착 조건 중, 압력 및 파워(power)의 변화에 따른 AZO의 방사율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 투명전도막의 증착 조건을 제어함으로써, 투명전도막의 방사율 값을 조절할 수 있다.
바람직하게는, 투명전도막(300)은 0.25 이하의 방사율 또는 1*10-3 Ω㎝ 이하의 비저항을 가질 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 써모크로믹 윈도우가 기판(100), 써모크로믹 박막(200), 및 투명전도막(300)을 포함하여 구성됨으로써, 써모크로믹 윈도우는 낮은 방사율을 갖게 된다. 이에 의해, 장파장 적외선(2500 ~ 4000 ㎚)에 대한 반사율이 증가하여 차폐계수가 낮아지게 되므로 겨울철 난방열 손실을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우를 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명의 써모크로믹 윈도우는 기판(100), 기판(100) 상에 형성되되 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막(210), 및 써모크로믹 박막(210)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한면에 형성되되 AZO 또는 GZO로 이루어진 투명전도막(310)을 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 바람직하게는, 투명전도막(310)은 써모크로믹 박막(210)의 하면에 형성되되, 투명전도막(310)을 이루는 AZO 또는 GZO는 (001) 방향으로 성장된 것일 수 있다.
투명전도막(310)이 써모크로믹 박막(210)의 하면에 형성되되, (001) 방향으로 성장된 AZO 또는 GZO로 이루어짐으로써, 투명전도막(310)은 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막(210)의 확산 장벽(diffusion barrier) 및 시드층(seed layer) 역할을 수행한다.
즉, 투명전도막(310)이 기판(100)과 써모크로믹 박막(210) 사이에 위치함으로써, 전술한 바와 같이 기판(100)으로부터 써모크로믹 박막(210)으로 기판(100) 내의 이온이 확산되는 것을 방지한다. 또한, 써모크로믹 박막(210)을 이루는 VO2와 매칭이 잘되는 (001) 방향으로 성장된 AZO 또는 GZO를 투명전도막(310)으로 하고, 상기 투명전도막(310) 상에 VO2를 성장시킴으로써, VO2는 우수한 상전이 성능을 갖는 (010) 방향으로 성장된다.
투명전도막(310)의 두께는 350 ~ 650㎚인 것이 바람직하다.
그리고, AZO는 Al이 AZO 100 중량부 중 3 ~ 5 중량부 도핑된 것이 바람직하며, GZO는 Ga이 GZO 100 중량부 중 3.5 ~ 5.5 중량부 도핑된 것이 바람직하다.
도 4는 AZO 박막에 도핑된 Al의 도핑 농도에 따른 AZO 박막의 방사율을 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타난 바와 같이, AZO에 Al이 3 ~ 5 중량부 도핑됨으로써 AZO는 0.17 ~ 0.25의 방사율을 갖는다.
또한, 전술한 바와 같이 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막(210)의 상전이 온도를 낮추기 위해 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
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, 210: 써모크로믹 박막
300, 310: 투명전도막

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되되, (001) 방향으로 성장된 AZO 또는 GZO로 이루어진 투명전도막; 및
    상기 투명전도막의 상면에 형성되되, (010) 방향으로 성장된 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도막의 방사율은 0.25 이하인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도막의 비저항은 1*10-3 Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막에 도펀트가 도핑되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도막의 두께는 350 ~ 650㎚ 인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 AZO는 Al이 AZO 100 중량부 중 3 ~ 5 중량부로 도핑된 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 GZO는 Ga이 GZO 100 중량부 중 3.5 ~ 5.5 중량부로 도핑된 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  12. 삭제
  13. 제6항에 있어서,
    상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.

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