KR102629856B1 - 에너지 컨트롤 코팅, 구조체, 장치 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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- C03C17/3657—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions at least one coating being a metal the metal being present as a layer the multilayer coating having optical properties
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- C03C17/3602—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions at least one coating being a metal the metal being present as a layer
- C03C17/3681—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions at least one coating being a metal the metal being present as a layer the multilayer coating being used in glazing, e.g. windows or windscreens
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Abstract
하나 이상의 층이 수소화된 금속 질화물 유전체로부터 형성되는 다층 금속-유전체 에너지 컨트롤 코팅이 개시되고, 여기서 유전체는 유전체 증착 동안 또는 후에 수소화될 수 있다. 다층 코팅의 특성은 하나 이상의 수소화된 금속 질화물 유전체 층에서 수소 농도(및/또는 이의 공간적 프로파일)를 적절히 조정함으로써 설정될 수 있다. 다층 코팅의 하나 이상의 금속 층은 수소화된 질화물 유전체 층 상에 형성될 수 있고, 이에 의해 낮은 삼출 임계값으로 금속의 접착을 용이하게 하고 가시 스펙트럼에서 실질적인 투명성을 나타내는 얇은 금속 층의 형성을 가능하게 한다. 코팅의 광학 특성은 유전체 층에서 금속-유전체 계면 거칠기의 조정 및 금속 나노입자의 분산을 통해 조정될 수 있다. 전기 버스바 및 마이크로-나노 전기 그리드는 하나 이상의 금속 층과 통합되어 제빙 및 김서림 방지와 같은 기능을 제공할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "에너지 컨트롤 코팅, 구조체, 장치 및 그의 제조 방법"이라는 명칭으로 2017년 4월 17일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/486,351호에 기초한 우선권을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 광학 코팅에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 저방사율(low-emissivity) 또는 솔라 컨트롤 창(window)을 위한 광학 코팅에 관한 것이다.
광학, 열 및 전기 에너지의 흐름을 효과적으로 컨트롤할 수 있는 효율적이고 신뢰할 수 있으며 경제적인 장치는 다양한 응용 분야에서 에너지 효율 및 원하는 수동 및 능동 기능을 달성하는 데 중요하다.
아마도 가장 초기 에너지 컨트롤 장치 중 하나는 제임스 듀어(James Dewar)가 고안한 듀어 플라스크이고, 여기서 두 플라스크 사이의 부분적으로 비워진 공간(두 플라스크가 목에서만 연결되도록 하나의 금속 플라스크가 다른 플라스크를 감쌈)이 전도 및 대류에 의한 열 전달을 크게 줄이는 기능을 수행하였다[1]. 디자인은 이후 이중 유리벽 보온병으로 발전하였으며, 여기서 공간은 부분적으로 비워지고, 유리벽은 저방사율 금속 필름으로 코팅된다[2]. 그 후, 오스람(Osram)은 나트륨 유리 램프에 반사 방지 상부코트가 있는 약 50 nm의 얇은 금 필름을 적용하여 유의한 가시적인 투명성을 확보하고, 열 복사를 다시 램프로 반사시켜 램프의 에너지 효율을 높였다[3]. 얼마 후에, 이 코팅은 필립스(Philips)에 의해 구현된 약 320 nm 두께의 보다 투명한 반도체 주석 산화물 코팅으로 대체되었다[4, 5]. 다음으로, 쾨스틀린(Koestlin)은 이중 유리창의 내부 표면에 주석 산화물 코팅을 적용하여 창을 통한 복사열 손실을 현저히 감소시켰다고 보고하였다[6]. 그 후, 판(Fan) 및 파흐너(Bachner)는 효과적인 열 거울로서 주석 도핑된 인듐 산화물 및 티타늄 산화물/은/티타늄 산화물 다층 금속-유전체(metallo-dielectric) 코팅의 합성을 보고하였고, "태양광/열/전기 전환, 태양광 가열, 태양 광기전성 변환 및 창 단열"을 포함하는 다양한 응용 분야에 대한 상기 코팅 및 유사한 코팅의 적용을 제시하였다[7].
판 및 파흐너의 연구 이후에, 금속-유전체 기반의 선택 투과형(spectrally selective) 코팅이 광범하게 개발되어, 광학 전자기 스펙트럼의 가시광선, 근적외선 및 중적외선 부분에 대한 변조를 달성할 목적으로 다양한 유전체 및 금속을 포함하는 다양한 다층 코팅의 디자인이 이루어졌다[8-24]. 유전체 층은 다양한 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산화질화물, 규소 산화물, 규소 산화질화물, 규소 질화물, 규소 탄화물, 비정질 규소 및 비정질 탄소를 포함하였다. 금속에 대해서는, 광학적 특성을 고려하여 은이 우세하게 선택되었다. 다른 금속이 은의 접착을 촉진하는 씨드층 또는 불순물 확산 및 산화로부터 은층을 보호하는 버퍼/차단층과 같은 기능적인 방식으로 사용되어 왔다. 또한, 금속 및 금속 합금 층이 또한 조정층으로서, 예를 들어 투과 및/또는 반사 색상 요건뿐만 아니라, 템퍼링(열처리) 요구에 대한 광학 성능 안정성 요건을 충족시키기 위해 사용되어 왔다.
유전체는 산소 및 습기 보호 및 하부 기재에 대한 금속의 접착력 개선과 같은 광 변조 이외의 다른 목적으로 사용되어 왔다. 이러한 구조체는 많은 상이한 재료 및 상이한 증착 공정을 불가피하게 사용하면서 다수의 다층 코팅으로 발전하였다. 디자인 및 제조 복잡성이 증가함에 따라, 경제적인 코팅의 요구에 직면함과 동시에 수많은 기능적 요구 사항을 효과적으로 그리고 동시에 해결하는 데 어려움을 겪고 있다.
개요
본 개시내용의 다양한 예시적인 실시양태에서, 하나 이상의 층이 투명한 수소화된 금속 질화물 유전체로부터 형성되는 다층 금속-유전체 에너지 컨트롤 코팅이 개시된다. 수소화된 금속 질화물 유전체는 유전체 증착 동안 또는 후에 수소화될 수 있다. 다층 코팅의 하나 이상의 특성은 하나 이상의 수소화된 금속 질화물 유전체 층에서 수소 농도(및/또는 이의 공간적 프로파일)를 적절히 조정함으로써 개선되거나 설정될 수 있다. 다층 코팅의 하나 이상의 금속 층은 금속의 접착을 용이하게 하고 가시 스펙트럼에서 실질적인 투명성을 나타내는 얇은 금속 층의 형성을 가능하게 하기 위해 수소화된 질화물 유전체 층 상에 형성될 수 있다. 일부 예시적인 실시양태에서, 유전체 층 또는 다층 코팅의 증착 후 수소화는 순수한 수소 가스 또는 분자 수소를 함유하는 가스(예를 들어, 불활성 가스(예를 들어, Ar) 또는 질소 또는 다른 가스)를 사용하여 다양한 온도 및 지속 시간에서 수행될 수 있다. 증착 후 수소화는 또한 원자 수소를 사용하여 수행될 수 있다. 승온에서의 이러한 증착 후 처리는 또한 동시에 기재를 성형하면서(예를 들어, 유리의 굽힘) 다층 코팅 특성을 개선하거나 유지하기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 다른 투명 유전체 층(들)이 또한 캡슐화 층으로서 및/또는 다층 코팅 특성을 개선하기 위해 통합될 수 있다. 또한, 광학 특성은 금속 필름에서 나노 구조체를 조작하거나 투명 유전체 필름에 금속 나노 구조체를 통합함으로써 플라즈몬 공명을 통해 조정될 수 있다. 전기 버스바(busbar)는 제빙(de-icing) 및 김서림 방지(defogging)와 같은 기능을 제공하기 위해 하나 이상의 금속 층과 통합될 수 있다. 인간의 눈으로 볼 수 없는 마이크로/나노 두께의 금속 그리드 선은 광학 성능의 실질적인 변화를 초래하지 않고 가용 전원 공급 장치의 정격 전압 내에서 작동하는 동안 전력 밀도 수준을 높이기 위해 버스바에 연결될 수 있다.
따라서, 제1 측면에서,
투명 기재;
상기 투명 기재 상에 형성된 다층 금속-유전체 코팅
을 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체가 제공되고,
상기 다층 금속-유전체 코팅은 층들을
상기 투명 기재 상에 형성된 제1 투명 유전체 층;
상기 제1 투명 유전체 층 상에 형성된 금속 층; 및
상기 금속 층 상에 형성된 제2 투명 유전체 층
의 순서로 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
상기 금속 층은 충분히 얇으며, 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은, 상기 구조체가 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 유효 수소 농도를 포함한다.
또 다른 측면에서, 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬(isolated island) 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계; 및
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소의 존재 하에 금속 질화물 층의 증착에 의해 형성된 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택된다.
다른 측면에서, 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계;
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계; 및
적어도 하나의 금속 질화물 유전체 층이 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 되도록, 증착 후 수소화를 수행하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택된다.
또 다른 측면에서,
투명 기재;
상기 투명 기재 상에 형성된 다층 금속-유전체 코팅
을 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체가 제공되고,
상기 다층 금속-유전체 코팅은 층들을
상기 투명 기재 상에 형성된 제1 투명 유전체 층;
상기 제1 투명 유전체 층 상에 형성된 금속 층; 및
상기 금속 층 상에 형성된 제2 투명 유전체 층
의 순서로 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소화된 금속 질화물 유전체 층이다.
이제 실시양태가 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 균일한 유전체 층들 사이에 제공된 금속 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 2는 하부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 3은 연속적으로 또는 준연속적으로 구배를 이룬(graded) 수소 농도를 갖는 하부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 4는 상부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 5는 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는 상부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 6은 금속 층 위 및 아래에 제공된 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 7은 금속 층 위 및 아래에 제공된 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 금속 층의 위 및 아래에 제공된 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 8은 2개의 금속 층 및 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 9는 2개의 금속 층, 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층 및 제2의 상부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 10은 2개의 얇은 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 11은 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 중간의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 12는 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 상부 및 중간 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 13은 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 14는 3개의 금속 층, 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층, 및 제2의 상부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 15는 3개의 금속 층 및 4개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 16은 3개의 금속 층 및 4개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 17a 및 17b는 전기 버스바 접점이 금속 층 상에 통합된, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 17c는 예시적인 김서림 방지 또는 제빙 시스템을 도시한 것이다.
도 18a 및 18b는 2개의 금속층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 전기 버스바 접점이 각각의 금속 층 상에 통합된다.
도 19는 대략 0% 내지 10% 부피 분율의 다양한 수소 농도 범위를 사용하여 제조된 한 세트의 AlN:H 필름의 파장에 대한 굴절률의 측정된 의존성을 도시한 것이다.
도 20은 대략 0% 내지 10% 부피 분율의 다양한 수소 농도 범위를 사용하여 제조된 한 세트의 AlN:H 필름의 파장에 대한 흡광 계수의 측정된 의존성을 도시한 것이다.
도 21a-f는 (a) 수소화 없이 및 (b) 수소화 하에 제조된 AlN 필름에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지; (c) 수소화 없이 및 (d) 수소화 하에 제조된 AlN 필름에 대한 원자간력 현미경(AFM: atomic force microscopy) 이미지, 및 예시 필름의 z 방향(즉, 수직 방향)에서의 표면 돌출부의 AFM 분포의 플롯(e 및 f)을 제시한다.
도 22는 예시적인 AlN 및 AlN:H 필름의 스침각(grazing angle) x-선 회절 프로파일을 도시한 것이다.
도 23은 수소화 전 및 후에 예시적인 AlN 필름의 투과율을 도시한 것이다.
도 24는 50 μm 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일 및 코팅되지 않은 PET 필름의 프로파일을 도시한 것이다.
도 25는 1.1 mm 두께의 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일을 도시한 것이다.
도 26은 3 mm 두께의 폴리카르보네이트 시트 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일 및 코팅되지 않은 폴리카르보네이트 시트에 대한 프로파일을 도시한 것이다.
도 27은 상이한 전압(및 따라서 전력) 수준에 적용된 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 온도-시간 프로파일을 도시한 것이다.
도 28a 및 28b는 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅의 제상(defrosting) 성능을 보여주고, 여기서 도 28a는 약간 구배를 이룬 유리 상의 얼음이 미끄러지는 시간의 전력 밀도 의존성을 나타내고, 도 28b는 소비된 에너지의 전력 밀도 의존성을 나타낸 것이다.
도 29a-d는 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅의 시뮬레이션된 김서림 방지 성능을 보여주고, 여기서 도 29a는 전류가 스택에 인가될 때 김서림 영역의 시간 의존성을 나타내고, 도 29b-d는 3개의 상이한 시점에서 김서림 영역의 시뮬레이션된 공간 의존성을 보여준다.
도 30a-d는 일련의 열 가열 및 냉각 사이클 후에 상이한 시점에서 측정된, 몇몇의 지점(d)에서 측정된 예시적인 금속-유전체의 광 투과율 곡선(a-c)을 도시한 것이다.
도 31은 예시적인 금속-유전체 코팅의 단면 SEM 이미지를 보여준다.
도 32는 예시적인 금속-유전체 코팅의 ToF-SIMS로부터의 깊이 프로파일을 보여준다.
도 33은 상이한 은층 두께를 갖는 3개의 예시적인 금속-유전체 코팅의 광 흡수 곡선을 도시한 것이다.
도 1은 균일한 유전체 층들 사이에 제공된 금속 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 2는 하부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 3은 연속적으로 또는 준연속적으로 구배를 이룬(graded) 수소 농도를 갖는 하부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 4는 상부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 5는 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는 상부의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 6은 금속 층 위 및 아래에 제공된 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 7은 금속 층 위 및 아래에 제공된 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 금속 층의 위 및 아래에 제공된 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 8은 2개의 금속 층 및 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 9는 2개의 금속 층, 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층 및 제2의 상부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 10은 2개의 얇은 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 11은 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 중간의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 12는 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 상부 및 중간 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 13은 2개의 금속 층 및 3개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 14는 3개의 금속 층, 제1의 하부 수소화된 금속 질화물 유전체 층, 및 제2의 상부 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 15는 3개의 금속 층 및 4개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 16은 3개의 금속 층 및 4개의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 연속적으로 또는 준연속적으로 변화하는 수소 농도를 갖는다.
도 17a 및 17b는 전기 버스바 접점이 금속 층 상에 통합된, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것이다.
도 17c는 예시적인 김서림 방지 또는 제빙 시스템을 도시한 것이다.
도 18a 및 18b는 2개의 금속층을 포함하는, 기재 상의 금속-유전체 다층 코팅의 예시적인 실시양태를 도시한 것으로서, 여기서 전기 버스바 접점이 각각의 금속 층 상에 통합된다.
도 19는 대략 0% 내지 10% 부피 분율의 다양한 수소 농도 범위를 사용하여 제조된 한 세트의 AlN:H 필름의 파장에 대한 굴절률의 측정된 의존성을 도시한 것이다.
도 20은 대략 0% 내지 10% 부피 분율의 다양한 수소 농도 범위를 사용하여 제조된 한 세트의 AlN:H 필름의 파장에 대한 흡광 계수의 측정된 의존성을 도시한 것이다.
도 21a-f는 (a) 수소화 없이 및 (b) 수소화 하에 제조된 AlN 필름에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지; (c) 수소화 없이 및 (d) 수소화 하에 제조된 AlN 필름에 대한 원자간력 현미경(AFM: atomic force microscopy) 이미지, 및 예시 필름의 z 방향(즉, 수직 방향)에서의 표면 돌출부의 AFM 분포의 플롯(e 및 f)을 제시한다.
도 22는 예시적인 AlN 및 AlN:H 필름의 스침각(grazing angle) x-선 회절 프로파일을 도시한 것이다.
도 23은 수소화 전 및 후에 예시적인 AlN 필름의 투과율을 도시한 것이다.
도 24는 50 μm 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일 및 코팅되지 않은 PET 필름의 프로파일을 도시한 것이다.
도 25는 1.1 mm 두께의 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일을 도시한 것이다.
도 26은 3 mm 두께의 폴리카르보네이트 시트 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 광 투과율 및 반사율 프로파일 및 코팅되지 않은 폴리카르보네이트 시트에 대한 프로파일을 도시한 것이다.
도 27은 상이한 전압(및 따라서 전력) 수준에 적용된 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅에 대한 온도-시간 프로파일을 도시한 것이다.
도 28a 및 28b는 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅의 제상(defrosting) 성능을 보여주고, 여기서 도 28a는 약간 구배를 이룬 유리 상의 얼음이 미끄러지는 시간의 전력 밀도 의존성을 나타내고, 도 28b는 소비된 에너지의 전력 밀도 의존성을 나타낸 것이다.
도 29a-d는 유리 상의 예시적인 금속-유전체 코팅의 시뮬레이션된 김서림 방지 성능을 보여주고, 여기서 도 29a는 전류가 스택에 인가될 때 김서림 영역의 시간 의존성을 나타내고, 도 29b-d는 3개의 상이한 시점에서 김서림 영역의 시뮬레이션된 공간 의존성을 보여준다.
도 30a-d는 일련의 열 가열 및 냉각 사이클 후에 상이한 시점에서 측정된, 몇몇의 지점(d)에서 측정된 예시적인 금속-유전체의 광 투과율 곡선(a-c)을 도시한 것이다.
도 31은 예시적인 금속-유전체 코팅의 단면 SEM 이미지를 보여준다.
도 32는 예시적인 금속-유전체 코팅의 ToF-SIMS로부터의 깊이 프로파일을 보여준다.
도 33은 상이한 은층 두께를 갖는 3개의 예시적인 금속-유전체 코팅의 광 흡수 곡선을 도시한 것이다.
본 개시내용의 다양한 실시양태 및 측면은 아래에서 논의되는 상세한 내용을 참조하여 설명될 것이다. 다음의 설명 및 도면은 본 개시내용을 예시하는 것으로서, 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 개시내용의 다양한 실시양태의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부 사항들이 설명된다. 그러나, 특정 경우에는, 본 개시내용의 실시양태에 대한 간결한 논의를 제공하기 위해 공지된 또는 종래의 세부 사항은 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하다" 및 "포함하는"은 배타적이지 않고 포괄적이며 개방된 것으로 해석되어야 한다. 구체적으로, 명세서 및 청구 범위에서 사용될 때, 용어 "포함하다" 및 "포함하는" 및 이의 변형은 특정 특징, 단계 또는 구성 요소가 포함됨을 의미한다. 이들 용어는 다른 특징, 단계 또는 구성 요소의 존재를 배제하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "예시적인"은 "예, 실례 또는 예시로서 제공되는"을 의미하고, 본원에서 개시되는 다른 구성보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지 않아야 한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "약" 및 "대략"은 특성, 파라미터 및 치수의 변화와 같은 값의 범위의 상한 및 하한에 존재할 수 있는 변형을 포함하는 것을 의미한다. 달리 명시되지 않는 한, "약" 및 "대략"이라는 용어는 + 또는 - 25% 이하를 의미한다.
달리 명시되지 않는 한, 임의의 특정 범위 또는 군은 범위 또는 군의 각각의 모든 구성원, 및 그 안에 포함된 각각의 모든 가능한 하위 범위 또는 하위 군을 개별적으로 언급하는 단축된 방법이며, 그 안의 임의의 하위 범위 또는 하위 군에 대해서도 유사하게 적용됨을 이해하여야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 본 개시내용은 각각의 모든 특정 구성원 및 하위 범위 또는 하위 군의 조합에 관한 것이며 이를 명시적으로 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "순서대로"는 양 또는 파라미터와 함께 사용될 때, 언급된 양 또는 파라미터의 대략 1/10 내지 10배에 이르는 범위를 의미한다.
이제, 도 1을 참조하면, 종래의 금속-유전체 다층 솔라 컨트롤 구조체의 예가 도시되어 있다. 다층 구조체는 투명 기재(10) 및 그 위에 형성된 다층 금속-유전체 코팅을 포함한다. 다층 금속-유전체는 제1 (하부) 유전체 층(20), 금속 층(30) 및 제2 (상부) 유전체 층(40)을 포함한다. 금속 층(30)은 가시 스펙트럼(400-700 nm) 내에서의 투과를 허용하기에 충분히 얇으면서, 또한 적외선의 실질적인 반사를 나타낸다.
본 발명자들은 하나 이상의 유전체 층이 수소화된 금속 질화물 유전체 층으로서 제공될 때 상기 금속-유전체 구조체의 특성 및 성능이 개선될 수 있음을 발견하였다. 본 개시내용의 다양한 예시적인 실시양태에서, 하나 이상의 층이 수소화된 금속 질화물 유전체로부터 형성된 다층 금속-유전체 에너지 컨트롤 코팅이 개시된다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 다층 코팅의 특성은 하나 이상의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도(및/또는 이의 공간 프로파일)를 적절히 조정함으로써 개선되거나 선택될 수 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 다층 코팅의 적어도 하나의 금속 층은 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 상에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 가시 스펙트럼에서 실질적인 투명성을 나타내는 얇은 금속 층의 형성을 가능하게 하기 위해 낮은 삼출 임계값(percolation threshold) 및 금속의 접착을 용이하게 하는 기재를 제공한다.
이제 도 2를 참조하면, 유전체 층 중 하나가 수소화된 금속 질화물 유전체 층인 다층 금속-유전체 스택의 예시적인 실시양태가 도시되어 있다. 제시된 예시적인 실시양태에서, 투명 기재(10) 상에 형성된 하부 유전체 층(금속 층(30) 아래의)은 수소화된 금속 질화물 유전체 층(21)으로서 제공된다. 중간의 금속 층(30)은 수소화된 금속 질화물 유전체 층(21) 상에 형성된다. 또한 수소화된 금속 질화물 유전체 층일 수 있는 상부 유전체 층(40)이 금속 층(30) 위에 제공된다.
수소화된 금속 질화물 유전체 층은 비정질 또는 결정질이거나, 또는 비정질 및 결정질 둘 모두일 수 있다. 수소화된 금속 질화물 유전체의 비제한적인 예는 수소화된 알루미늄 질화물, 수소화된 티타늄 질화물 및 수소화된 티타늄 알루미늄 질화물을 포함한다. 상부 유전체 층(40)은 예를 들어 알루미늄 질화물 또는 티타늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 질화물과 같은 금속 질화물일 수 있다. 수소화된 금속 질화물 유전체 층은 도 2에 도시된 바와 같이 균일하게 수소화되거나, 또는 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 공간 의존성 수소 농도를 초래하는 방식으로 수소화될 수 있다. 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 함유를 제어함으로써, 층의 광학적, 물리적 및 화학적 특성 및 전체적인 금속-유전체 구조체를 제어, 선택 및/또는 최적화하는 것이 가능한 것으로 밝혀졌다.
중간 금속 층(30)은 은과 같은 금속이다. 다른 적합한 금속은 구리, 알루미늄, 금 및 금속 합금을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다(본원에서 사용되는 "금속"은 원소 금속 및 금속 합금 둘 모두를 지칭함).
기재(10)는 가요성 필름/포일/시트, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카르보네이트, 폴리이미드 및 폴리비닐 부티랄을 포함하는 재료로 형성된 중합체 필름/포일/시트(예를 들어, 롤-투-롤 스퍼터(roll-to-roll sputter) 증착 시스템에서 처리됨); 및 경질 기재, 예컨대 폴리카르보네이트 및 유리 시트(글레이징(glazing))(예를 들어, 인-라인 또는 셔틀 스퍼터(shuttle sputter) 증착 시스템에서 처리됨)와 같은 임의의 적합한 투명 유전체일 수 있지만, 이로 제한되지는 않는다.
유전체 층(21 및 40) 및 금속 층(30)의 두께는 예를 들어 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 가시광선의 투과율, 근적외선의 반사율, 및 중적외선의 방사율, 및 전기적 특성, 비제한적인 예를 들어 전기 전도도 및 시트 저항을 포함하는 적합한 광학적 및 전기적 특성을 보이도록 선택될 수 있다. 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 예시적인 두께 범위는 10 nm 내지 100 nm를 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다. 금속 층의 예시적인 두께 범위는 3 nm 내지 30 nm를 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다.
일부 예시적인 구현예에서, 층은 스퍼터 증착을 통해 형성될 수 있다. 이러한 공정은 주위 온도, 근접 주위 온도 또는 저온(예를 들어, 50℃ 내지 200℃)에서 수행될 수 있다. 수소화된 금속 질화물 층을 포함하는 유전체 층은 반응성 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 질화물 필름은 아르곤 및 질소 스퍼터 가스와 함께 알루미늄의 반응성 스퍼터링을 사용하여 증착될 수 있다. 결정립 크기(grain size)가 다양한 알루미늄 질화물 필름은 일반적으로 기재 온도를 변경함으로써 얻어진다.
이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 수소화된 금속 질화물 유전체의 다양한 특성(예를 들어, 물리적, 화학적 및 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 굴절률 및 흡광 계수), 및 수소화된 금속 질산염 유전체의 다른 층, 예컨대 금속 층 및/또는 투명 기재와의 상호작용의 다양한 측면(예를 들어, 접착, 패시베이션(passivation), 수분 및/또는 산소에 대한 장벽 보호)은 전력, 전구체 가스 유속 - 일반적으로 아르곤 및 질소, 챔버 압력 및 기재 온도와 같은 일반적인 증착 파라미터 이외에, 수소의 첨가를 제어함으로써, 예컨대 반응성 스퍼터 증착 동안 수소 가스의 첨가의 제어를 통해 제어, 조정, 조절, 선택 또는 달리 변경될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 수소화된 금속 질화물 유전체의 특성은 스퍼터 증착 공정 동안 성장 표면에서 원자 또는 이온성 수소 공급원의 첨가를 통해 조정될 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 수소화된 금속 질화물 유전체의 특성은 층을 원자 또는 이온성 수소 공급원에 노출시킴으로써 스퍼터 증착 후에 조정될 수 있다. 다수의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 포함하는 예시적인 실시양태에서, 층들 중 임의의 하나 이상의 층은 하나 이상의 기능을 제공하도록 조정될 수 있고, 집합적으로 목적하는 다층 코팅을 제공할 수 있다.
하나의 예시적인 구현예에서, 수소는 0.25 부피% 내지 2.5 부피%, 또는 0.5 부피% 내지 5 부피%, 또는 0.5% 내지 10 부피%, 또는 1 부피% 내지 10 부피%, 또는 0.5 부피% 내지 20 부피%의 농도를 갖는 수소 가스를 제공함으로써 스퍼터링에 의한 성장 동안 금속 질화물 유전체 층에 혼입된다.
하나의 예시적인 구현예에서, 수소는 1 중량 ppm 내지 1000 중량 ppm, 또는 1 중량 ppm 내지 10,000 중량 ppm, 또는 10 중량 ppm 내지 10,000 중량 ppm, 또는 100 중량 ppm 내지 100,000 중량 ppm의 농도로 성장 동안 또는 성장 후에 금속 질화물 유전체 층에 혼입된다.
아래에서 제공되는 실시예에서 설명되는 바와 같이, 저온 스퍼터 증착 공정에서 다양한 농도를 갖는 원소 수소 가스의 첨가는 상응하는 범위의 물리적, 화학적 및 광학적 특성을 나타내는 다양한 수소화된 알루미늄 질화물(AlN:H) 필름을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 대안적인 접근법에서, 필름 성장 표면에서 다양한 수준의 원자 및/또는 이온성 수소 플럭스의 첨가는 상응하는 범위의 물리적, 화학적 및 광학적 특성을 나타내는 수소화된 알루미늄 질화물 필름을 동등하게 생성한다.
또 다른 접근법에서, 알루미늄 질화물 필름을 증착 후에 다양한 수준의 다양한 원자 또는 이온성 수소 플럭스에 노출시키고 노출 지속 시간을 변경하면 상응하는 범위의 물리적, 화학적 및 광학적 특성을 나타내는 다양한 수소화된 알루미늄 질화물 필름이 생성된다.
일부 예시적인 실시양태에서, 증착 후에 유전체 층 또는 다층 코팅의 수소화를 순수한 수소 가스 또는 분자 수소를 함유하는 가스(예를 들어, 불활성 가스(예를 들어, Ar), 또는 질소, 또는 다른 가스)를 사용하여 다양한 온도 및 지속 시간에서 수행할 수 있다. 증착 후 수소화는 또한 원자 수소를 사용하여 수행될 수 있다. 승온에서의 이러한 증착 후 처리는 또한 기재를 형성하면서 동시에(예를 들어, 유리의 굽힘) 다층 코팅 특성을 개선하거나 유지하기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 다른 투명 유전체 층(들)이 또한 캡슐화 층으로서 및/또는 다층 코팅 특성을 개선하기 위해 통합될 수 있다.
일부 예시적인 실시양태에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도)는 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 굴절율이 가시 스펙트럼에서 대략 1.5 내지 1.7, 또는 대략 1.6 내지 1.8, 또는 대략 1.5 내지 1.8, 또는 대략 1.7 내지 2.1 또는 대략 1.6 내지 2.1, 또는 대략 1.5 내지 2.1이 되도록 선택되거나 제어된다.
일부 예시적인 실시양태에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도) 및 수소화된 금속 질화물 유전체 층 상에 증착된 금속 층의 두께 (및 선택적으로 금속-유전체 이중층의 수)는 금속-유전체 구조체가 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%, 또는 적어도 75%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 85%의 투명도를 나타내도록 선택되거나 제어된다. 한 예시적인 실시양태에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도) 및 수소화된 금속 질화물 유전체 층 상에 증착된 금속 층의 두께 (및 선택적으로 금속-유전체 이중층의 수)는 금속-유전체 구조체가 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도, 및 적외선 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 반사율을 나타내도록 선택되거나 제어된다.
일부 예시적인 실시양태에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도)는 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 흡광 계수가 (i) 200 nm 내지 400 nm의 파장에 대해 0 내지 0.15 또는 0 내지 0.07; 및 (ii) 400 nm 내지 700 nm의 가시 스펙트럼의 파장에 대해 0 내지 0.02 또는 0 내지 0.05가 되도록 선택되거나 제어된다.
일부 예시적인 실시양태들에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도) 및 수소화된 금속 질화물 유전체 층 상에 증착된 금속 층의 두께는 금속 층의 저항률(실온에서의)이 약 2 μΩ cm 내지 6 μΩ cm, 또는 6 μΩ cm 내지 10 μΩ cm, 또는 10 μΩ cm 내지 20 μΩ cm, 또는 2 μΩ cm 내지 20 μΩ cm, 또는 2 μΩ cm 내지 10 μΩ cm가 되도록 선택되거나 제어된다.
일부 예시적인 실시양태들에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도)는 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 평균 결정립 크기가 30 내지 100 nm, 또는 5 내지 30 nm, 또는 5 내지 100 nm, 또는 100 nm 미만, 30 nm 미만, 또는 5 nm가 되도록 선택되거나 제어된다. 또한, 특정 실시 양태에서, 나노 결정이 없는 비정질 수소화된 알루미늄 질화물 네트워크를 생성하기 위해 충분한 공정 농도의 수소 가스가 사용된다.
일부 예시적인 실시양태에서, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도)는 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 성장 방향(즉, 수직 방향/z-방향)으로의 표면 피쳐/결정립 돌출부의 크기 분포의 반치전폭(full-width at half-maximum)이 3 내지 5 nm, 또는 2 내지 3 nm, 또는 1 내지 2 nm이거나, 또는 5 nm 미만, 4 nm 미만, 3 nm 미만, 2.5 nm 미만, 2 nm 미만, 또는 1 nm 미만이 되도록 선택되거나 제어된다.
수소화된 금속 질화물 유전체 층(21)의 수소 농도는 평활한(연속적인) 금속 필름의 우수한 성장을 촉진하여, 금속 층(30)에 가시 스펙트럼에서의 투과율(예를 들어, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80% 또는 적어도 85%의 투과율) 및 향상된 전기 전도성을 나타내기에 충분히 얇으면서 고립된 섬이 존재하지 않도록 선택될 수 있다. 따라서, 하나의 예시적인 구현예에서, 주어진 선택된 금속 층 및 주어진 선택된 금속 질화물에 대해, 수소 농도는 얇지만 섬이 존재하지 않는 금속층의 성장에 적합한 조건을 확인하기 위해 변화될 수 있다(예를 들어, 수소화 공정 동안 존재하는 수소의 양의 변화, 예컨대 수소 가스의 부피 분율의 변화를 통해 간접적으로).
이론에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 수소화된 금속 질화물 층 내의 수소의 존재는 또한 투명 기재(10)에 대한 금속 질화물 유전체 층의 접착을 향상시키는 데 유리할 수 있다고 여겨진다. 따라서, 하나의 예시적인 구현예에서, 제시된 선택된 투명 기재 및 제시된 선택된 금속 질화물에 대해, 수소 농도는 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 투명 기재에 대한 만족스러운 접착을 달성하는 적합한 조건을 확인하기 위해 변화될 수 있다(예를 들어, 수소화 공정 동안 존재하는 수소의 양의 변화, 예컨대 수소 가스의 부피 분율의 변화를 통해 간접적으로).
이론에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 수소화된 금속 질화물 유전체는 또한 수소화된 금속 질화물 유전체와 투명 기재 사이의 하부 계면에서 수산화물 및 산화물의 적절한 형성과 함께 조밀하고 단단한 네트워크를 제공할 수 있는 것으로 여겨진다. 따라서, 상기 조밀하고 단단한 네트워크는 특히 투과성 중합체 물질에서 하부의 투명 기재로부터 수분 및 산소의 투과에 대한 효과적이고 강력한 장벽으로서 작용할 수 있다. 따라서, 하나의 예시적인 구현예에서, 제시된 선택된 투명 기재 및 제시된 선택된 금속 질화물에 대해, 수소 농도는 투명 기재로부터 수분 및/또는 산소의 투과에 대한 만족스러운 장벽 보호를 달성하는 적합한 조건을 확인하기 위해 변화될 수 있다(예를 들어, 수소화 공정 동안 존재하는 수소의 양의 변화, 예컨대 수소 가스의 부피 분율의 변화를 통해 간접적으로).
또한, 금속 질화물 유전체 층의 성장 동안 다양한 농도의 수소의 존재는 다양한 잠재적으로 유리한 효과를 제공할 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 이론에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 층 형성 동안 수소의 존재는 원자 규모 결함의 패시베이션, 결정립 크기 변경, 물리적 구조 변경(결정질에서 비정질로의), 표면 특성의 변형, 화학 환경의 조정을 제공할 수 있는 것으로 생각된다. 이러한 변화의 영향 중 일부는 향상된 광학적 투과율 및 감소된 흡광 계수를 포함하며, 이는 주어진 광학 장치 설계에서 가시광 투과율 개선, 적외선 반사율 증가, 및 보다 우수한 투명 중립성(clear-neutrality) 및 일사열 취득 대비 가시광선 투과율(light-to-solar gain)을 통해 성능을 향상시킬 수 있다.
수소의 포함은 또한 보다 전기적으로 저항성인 네트워크로 이어지고, 이것은 댕글링 결합(dangling bond)의 패시베이션 및 결함에 의한 전하 호핑(charge hopping)의 완화에 따른 결과일 수 있다. 예를 들어, 이것은 다시 Ag 섬 형성을 완화하고, 삼출 임계값을 낮추고, 따라서 보다 평활한 금속(예를 들어, 은) 필름을 촉진할 수 있다. 추가의 적절한 수소화 수준은 또한 금속(예를 들어, 은) 층과 유전체 필름 사이, 및 유전체 필름과 하부 기재 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 추가로, 적절한 수준의 수소는 또한 막 응력 완화로 이어질 수 있다. 수소화는 또한 필름 경도의 조절을 가능하게 한다.
상기 설명한 예시적인 실시양태의 또 다른 예시적인 용도는 수소화된 금속 질화물(공정 중에 또는 증착 후에 수소화된)을 사용하여, 공기에 노출된 후 산화질화물 및 수산화물의 자연적인 형성을 통해 금속(예를 들어, Ag)의 산화 또는 부식에 대한 고유한 저항 및 안정성을 제공하는 스펙트럼 선택적 코팅을 제공하는 것을 포함한다.
상기 설명한 예시적인 실시양태의 또 다른 변형은 추가의/2차 캡슐화를 제공하기 위해 또 다른 유전체가 금속-유전체 코팅 위에 증착되는 스펙트럼 선택적 코팅을 포함한다. 잠재적인 투명 유전체는 알칼리 할로겐화물(예를 들어, MgF2) 및 다른 큰 밴드갭(bandgap) 세라믹(예를 들어, 질화물, 금속 산화질화물 또는 수소화된 금속 산화질화물)을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다.
상기 설명한 예시적인 실시양태의 또 다른 변형은 캡슐화 층(들)으로서 및/또는 다층 코팅의 특성을 향상시키는 층(들)으로서 기능하기 위해 금속 층 위 및/또는 아래의 투명 유전체 층(들), 또는 얇은(예를 들어, 0.05 nm 내지 3 nm) 금속 층(들)의 증착을 포함한다.
또 다른 예시적인 실시양태에서, 적절하게 수소화된 금속 질화물 층으로서 제공될 때 최상위 유전체 층은 주변 산소 및 수분에 노출시 수산화물 및 산화물의 형성을 용이하게 유도할 수 있다. 수산화알루미늄은 활성 결정립 경계 부위에서 쉽게 형성되며, 그의 보다 큰 격자 상수를 감안할 때 구조체의 임의의 공극을 채우는 경향을 나타낼 것이다. 알루미늄은 또한 자연 산화물을 쉽게 형성한다. 따라서, 산화알루미늄과 수산화알루미늄의 조합은 산소 및 수분 투과에 대한 강력한 투과 장벽을 제공할 수 있다.
이론에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 수소 농도(수소 가스의 농도와 같은 공정 중 농도, 또는 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소의 증착 후 농도)가 또한 금속 필름 특성의 조절을 유도할 수 있다고 생각된다. 수소는 활성 전자 부위를 패시베이션하여 네트워크의 전기 전도성을 개선하는 역할을 수행할 수 있다고 생각된다. 또한, 수소는 금속 필름의 성장에 영향을 미쳐, 결정립 구조 및 따라서 그의 특성에 영향을 줄 수 있다고 생각된다. 따라서, 하나의 예시적인 구현예에서, 주어진 선택된 금속 층 및 주어진 선택된 금속 질화물에 대해, 수소 농도는 얇지만 섬이 존재하지 않는 향상된 특성(예를 들어, 광 투과율, 전기 전도성 등)에 적합한 조건을 확인하기 위해 변화될 수 있다(예를 들어, 수소화 공정 동안 존재하는 수소의 양의 변화, 예컨대 수소 가스의 부피 분율의 변화를 통해 간접적으로).
본원에서 설명되는 것을 포함하는 금속-유전체 다층 스택의 다양한 실시양태는 예를 들어 롤-투-롤 또는 인-라인/셔틀 제조 시스템에서 생산될 수 있고, 여기서 롤-투-롤 시스템은 전형적으로 가요성 필름/포일 상에 다층 코팅을 증착하기 위해 사용되는 반면, 인-라인/셔틀 시스템은 전형적으로 강성 시트 상에 다층 코팅을 증착하기 위해 사용된다. 롤-투-롤 시스템에서, 가요성 필름/기재는 전형적으로 폭이 상당히 넓고, 필름 폭은 예를 들어 1.6 m 또는 2.1 m이고, 필름은 롤 상에 있으며, 여기서 필름은 길이가 상당히 긴 길이, 즉 웹 길이(예를 들어, 1 km 이상)이다.
예시적인 롤-투-롤 제조 시스템에서, 금속-유전체 다층 스택, 예를 들어 수소화된 알루미늄 질화물-은-수소화된 알루미늄 질화물 장치의 증착은 3개의 순차적인 증착 대역을 포함할 수 있다. 유전체 필름 증착 대역에서, 수소화된 알루미늄 질화물의 RF 또는 DC 또는 펄스 RF 또는 DC 마그네트론 반응성 스퍼터 증착은 증착 대역에서 수소의 도입/주입과 함께 알루미늄 질화물의 반응성 스퍼터 증착의 다양한 표준 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 대안적으로, DC 스퍼터링 또는 저주파수-중간 주파수 스퍼터링이 사용될 수 있다.
하나의 예시적인 구성에서, 분자 수소 가스는 막 성장 표면에 또는 그 근처에 도입/주입되고, 여기서 알루미늄 표적으로부터 연장된 플라즈마가 분자 수소와 최적으로 상호 작용하여 분자 수소를 수소 원자 및 이온으로 해리시킬 수 있고, 이들은 다시 수소화된 알루미늄 질화물 유전체 필름의 성장시에 화학적으로 통합된다. 또 다른 예시적인 구성에서, 수소 가스는 아르곤-질소 혼합물과 같은 스퍼터 가스 내에 적절한 부피 농도로 첨가되어, 수소화된 알루미늄 질화물 필름의 반응성 스퍼터 증착을 유도한다. 또 다른 예시적인 구성에서, 수소는 막 성장 표면에 도입/주입되고 적절한 수준에서 스퍼터 가스에 첨가되어 수소화된 알루미늄 질화물 필름을 생성한다. 또 다른 구성에서, 분무기/이온화기는 성장 표면에 또는 성장 표면 근처에 원자 수소 및/또는 이온성 수소를 도입/주입하여 수소화된 알루미늄 질화물 필름의 성장을 유도하는데 사용된다. 후자의 구성에서, 분무기/이온화기는 막 성장 표면에 또는 막 성장 표면 근처에서 원자 및/또는 이온성 수소를 적절하게 공급/주입하는 수소 글로우 방전(glow discharge)을 포함할 것이다. 수소 글로우 방전은 적절한 RF, DC, 펄스 또는 마이크로파 플라즈마 구성을 사용하여 생성될 수 있다. 금속 필름 증착 대역에 대해 유사한 수소 도입 수단이 통합될 수 있다.
하나의 예시적인 구현예에서, 롤-투-롤 제조 시스템의 주어진 증착 대역 내에서, 수소 주입기는 측면에, 즉 웹 폭을 따라 균일하게 분포될 수 있으며, 이에 의해 폭을 따라 가스/플라즈마 화학의 균일성을 보장함으로써 필름의 전체 폭을 따라 생성된 필름의 특성의 균일성을 달성하는 데 기여한다. 또한, 가장 간단한 구성에서, 적절한 밀도의 수소 주입기가 종 방향으로, 즉 웹의 운동 방향을 따라 분포될 수 있으며, 이에 의해 증착 대역과 관련하여 수소화된 알루미늄 질화물 필름의 증착에서 균일성을 제공할 수 있다.
대안적인 구성에서, 수소 주입기는 종 방향으로 2개의 뱅크로 세분될 수 있고, 이에 의해 종 방향으로 2개의 상이한 농도로 수소(분자 및/또는 원자 및/또는 또는 이온성)의 주입을 가능하게 하여 수소 농도와 관련하여 수소화된 알루미늄 질화물 필름의 2개의 준연속적인 영역을 생성할 수 있다. 또 다른 구성에서, 수소 주입기는 종 방향에 대한 수소 농도의 구배를 달성하기 위해 적절하게 세분될 수 있고, 이에 의해 본질적으로 연속적으로 구배를 이룬 수소 농도를 갖는 수소화된 알루미늄 질화물 필름을 생성한다. 금속 필름의 증착 대역에서 수소 농도를 제어하고 이에 따라 금속 필름의 특성을 조절하기 위해 유사한 기술이 사용될 수 있다.
인-라인/셔틀 제조 시스템에서, 상기 설명한 것과 유사한 방법을 사용하여 수소를 도입하고 이에 의해 필름 특성의 원하는 조절을 수행할 수 있다.
또한, 인라인/셔틀 제조 시스템에서, 증착 후 수소화가 수행될 수 있다. 예를 들어, 3층 스택은 순차적 증착 대역에서 알루미늄 질화물, 은 및 알루미늄 질화물의 증착을 수행할 수 있고; 그 후, 다층 스택은 수소 함유 가스(예를 들어, Ar, N2 등)로 처리될 것이다. 또한, 증착 후 처리는 다층 코팅의 특성을 개선하기 위해 승온에서 일어날 수 있다. 또한, 코팅 특성을 유지하거나 코팅 특성을 개선하면서 기재 형성(예를 들어, 유리의 굽힘)을 달성하기 위해 온도를 충분히 높은 수준으로 상승시킬 수 있다. 예시적인 가스는 주로 작은 농도의 수소와 함께 질소를 포함하는 형성 가스이고; 이 경우, 질소의 존재는 또한 알루미늄 질화물 필름의 임의의 결함을 '수리' 또는 '치유'하는 역할을 하는 반면, 수소는 댕글링 결합을 패시베이션하고 금속 및 유전체 필름의 임의의 산화를 완화하거나 제거하기 위해 전체 공정 동안 환원 환경을 제공하는 역할을 수행할 수 있다.
이하에서 설명되는 일부 예시적인 실시양태에서, 수소화된 금속 질화물 유전체 층 상에 증착된 금속 필름이 패턴화될 수 있다. 이러한 패턴화를 용이하게 하기 위한 하나의 예시적인 구현예에서, 레이저 어블레이션(laser ablation) 하위 시스템은 예를 들어 롤-투-롤 제조 시스템 내에 Ag 증착 대역 이후에, 후속 유전체 필름 증착 대역 전에, 즉 두 증착 대역을 분리하는 진공 커튼 벽에 통합된다. 또한, 레이저 시스템은 초단파(ultra-short) 피코초 또는 펨토초 레이저 펄스를 전달함으로써, 레이저 광 필드와 금속 층(예를 들어, Ag) 사이의 상호작용으로 인해 하부층의 임의의 실질적인 가열 없이 원자/이온성 플라즈마 플룸(plume)을 방출할 수 있다. 레이저 빔 전달 제어 시스템, 예컨대 컴퓨터 제어 갤보-스캐너(galvo-scanner)와 함께 이들 공정을 사용하면 나노미터, 마이크로미터 또는 밀리미터 규모 개구부와 같은 패턴화된 은을 생성하여 특정 전자기 투과/반사 특성(예를 들어, 특정 대역의 마이크로파 주파수의 투과)에 영향을 주거나 또는 특정 무선 주파수 수신기 기능을 생성할 수 있다.
이하에서 설명되는 일부 예시적인 실시양태에서, 제조 공정은 다층 금속-유전체 장치가 하나 이상의 플라즈몬 흡수 피크(예를 들어, 그의 광 흡수 스펙트럼에서 하나 이상의 피크)를 나타내도록 구성될 수 있다. 이러한 플라즈몬 흡수 피쳐는 예를 들어 가시적 색상 변화 및 자외선 보호를 포함하지만 이로 제한되지 않는 금속-유전체 다층 장치의 광학적 특성을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 금속 나노구조체를 다층 금속-유전체 장치에 통합함으로써 플라즈몬 특징이 도입될 수 있다. 예를 들어, 금속 나노 구조체의 생성을 유도하는, 금속 필름에 나노 규모 거칠기(0.1 nm 내지 30 nm의 RMS 거칠기)를 생성함으로써 플라즈몬 흡수가 도입될 수 있다. 이러한 거칠기는 예를 들어 (i) 하부 유전체 층의 거칠기를 변경함으로써(여기서, 유전체 층 거칠기는 스퍼터 증착 속도 및 스퍼터 가스 화학에 의해 변화될 수 있음); (ii) 스퍼터 증착 속도 및 스퍼터 가스 화학을 변화시킴으로써 금속 필름의 성장 특징을 변경함으로써; (iii) 유전체 또는 금속 층(들)의 원자/이온 충격에 의해 생성될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시양태에서, 금속 나노입자는 예를 들어 (i) 금속 막 두께를 변화시킴으로써; (ii) 예를 들어 수소화를 통해 유전체 화학을 변경하여 금속 원자 확산 및 응집을 촉진함으로써; (iii) 예를 들어, 성장 표면에 충돌하기 전에 금속 원자가 나노입자로 응집될 수 있는 스퍼터 기반 공정을 사용하거나 금속 나노입자를 분무함으로써, 유전체 필름 증착과 동시에 나노입자를 증착함으로써 투명 유전체 층 내에 통합될 수 있다. 일부 예시적인 실시양태에서, 파장의 범위 및/또는 플라즈몬 흡수의 강도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 금속 필름의 거칠기를 통해 하나 이상의 플라즈몬 피쳐가 제공되는 예시적인 구현예에서, 플라즈몬 피쳐의 파장 및/또는 강도는 도입되는 거칠기의 양을 제어함으로써 변화될 수 있다. 대안적으로, 금속 나노입자를 투명 유전체 층에 혼입함으로써 하나 이상의 플라즈몬 피쳐가 제공되는 예시적인 구현예에서, 플라즈몬 피쳐의 파장 및/또는 강도는 금속 나노입자의 분산을 제어함으로써 변화될 수 있다.
본원에서 개시되는 다양한 예시적인 실시양태는 광범위한 응용 분야에서 이용될 수 있으며, 예를 들어 수동 또는 능동 장치로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 개시되는 다양한 금속-유전체 구조체 및 그의 변형체는 비제한적인 예로서 투명한 가열 거울 및 투명한 솔라 컨트롤 코팅을 포함하는 스펙트럼 선택적 코팅; 능동 저항 가열을 동시에 제공하는 투명 가열 거울 및 투명 솔라 컨트롤 코팅을 포함하는 스펙트럼 선택적 저항 가열기; 투명 가열 거울 및 투명 솔라 컨트롤 코팅으로 기능하고 자동차, 항공 우주, 해양 및 관련 응용 분야에서 고효율 제상기 및 김서림 방지기로서 사용되는 스펙트럼 선택적 저항 가열기; 스펙트럼 선택적 복사 냉각 코팅; 투명 도체; 근불가시 무선 주파수 수신기 및 송신기; 및 근불가시 무선 주파수 에너지 수확기를 포함하는 응용 분야에서 이용될 수 있다.
다음 단락들은 하나 이상의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 사용하는 상이한 층 구성 및 조합을 포함하는, 금속-유전체 구조체의 상이한 구조적 구성의 예시적인 실시양태의 세트를 개시한다.
도 3을 참조하면, 하부 유전체 층(22)의 수소 농도가 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시키는 금속-유전체 스택의 대안적인 예시적인 실시양태가 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 농도는 투명 기재(10)와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 구배를 이룬다. 구체적으로, 하부 유전체 필름-기재 계면에서, 수소 농도는 접착 및 투과 장벽을 위해 선택되고, 하부 유전체 필름-금속 필름 계면에서, 수소 농도는 금속 필름 접착 및 평활도 및 적합한 전기적 및 광학적 특성을 위해 선택된다.
도 4에 도시된 금속-유전체 스택의 다른 실시양태에서, 하부 유전체(20)는 금속 질화물 유전체 필름이고, 상부 유전체 층(41)은 수소화된 금속 질화물 필름이며, 중간층(30)은 금속 필름이다. 층(41)은 산소 및 수분의 투과에 대한 효과적이고 강력한 장벽으로서 작용하는 조밀한 네트워크를 달성하기 위해 공기에 노출시 수산화물 및 산화물의 형성을 지지하도록 적절하게 수소화된다. 추가로, 필름은 또한 광학 특성을 향상시키거나 조절하여 투명 중립성 및 일사열 취득 대비 가시광선 투과율을 포함하는 원하는 광학 성능을 제공하기 위해 적절하게 수소화될 수 있다. 상부 유전체 필름(41)은 또한 하부 금속 필름 위에 조밀하고 단단한 수소화된 네트워크를 제공한다.
도 5에 도시된 금속-유전체 스택의 대안적인 실시양태에서, 상부 유전체(42)의 수소 농도는 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다. 구체적으로, 하부 유전체 필름-기재 계면에서, 수소 농도는 금속 필름에 대한 하부 유전체 필름의 접착을 위해 선택되고, 하부 유전체 필름-공기 계면에서, 수소 농도는 강력한 천연 수산화물 및 산화물 장벽 층의 형성을 위한 조밀하고 강력한 네트워크 및 화학적 조성을 촉진하기 위해 선택된다. 필름은 또한 광학 특성을 향상시키거나 조절하여 투명 중립성 및 일사열 취득 대비 가시광선 투과율을 포함하는 원하는 광학 성능을 제공하기 위해 적절하게 수소화될 수 있다.
도 6에 도시된 금속-유전체 스택의 또 다른 실시양태에서, 하부 유전체(21) 및 상부 유전체 층(41)은 수소화된 금속 질화물 유전체 필름인 반면, 중간 층(30)은 금속 필름이다. 층(21)은 하부 기재와의 향상된 접착력을 지지할 뿐만 아니라 섬이 존재하지 않는 우수한 평활한 Ag 필름 성장을 촉진하기 위해 적절하게 수소화될 수 있다. 하부 층은 또한 유전체-기재 계면에서 수산화물 및 산화물의 적절한 형성과 함께 조밀한 네트워크를 제공하고, 따라서 특히 투과성 중합체 물질의 경우 하부 기재로부터 수분 및 산소의 투과에 대한 효과적이고 강력한 장벽으로서 작용한다. 산소 및 수분의 투과에 대한 효과적이고 강력한 장벽으로서 작용하는 조밀하고 단단한 네트워크를 달성하기 위해 층(41)은 공기에 노출시 수산화물 및 산화물의 형성을지지하기 위해 적절하게 수소화될 수 있다. 추가로, 필름은 또한 광학 특성을 향상시키거나 조절하기 위해 적절하게 수소화될 수 있으며, 이에 의해 투명 중립성 및 일사열 취득 대비 가시광선 투과율을 포함하는 원하는 광학 성능을 제공할 수 있다. 필름은 또한 하부 금속 필름에 인접하는 조밀하고 단단한 수소화된 네트워크를 제공한다.
도 7에 도시된 금속-유전체 스택의 대안적인 실시양태에서, 하부 유전체(22) 및 상부 유전체(42)의 수소 농도는 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다. 구체적으로, 상부 유전체 필름-금속 필름 계면에서, 수소 농도는 금속 필름에 대한 상부 유전체 필름의 접착을 위해 선택되고, 상부 유전체 필름-공기 계면에서, 수소 농도는 강력한 천연 수산화물 및 산화물 장벽 층의 형성을 위한 조밀하고 강력한 네트워크 및 화학적 조성을 촉진하기 위해 선택된다. 하부 유전체 필름-기재 계면에서, 수소 농도는 접착 및 투과 장벽을 위해 선택되고, 하부 유전체 필름-금속 필름 계면에서, 수소 농도는 금속 필름 접착 및 평활도 및 적합한 전기적 및 광학적 특성을 위해 선택된다. 추가로, 2개의 유전체 필름은 또한 광학 특성을 향상시키고/시키거나 조절하여 투명 중립성 및 일사열 취득 대비 가시광선 투과율을 포함하는 원하는 광학 성능을 제공하기 위해 적절하게 수소화될 수 있다.
금속-유전체 다층 스택의 또 다른 예시적인 실시양태가 도 8에 도시되어 있고, 여기서, (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (40)은 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (60)은 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체가 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(21)은 수소화된 금속 질화물, 예컨대 수소화된 알루미늄 질화물 또는 수소화된 티타늄 질화물 또는 수소화된 티타늄 알루미늄 질화물이고, 유전체 층(20)은 금속 질화물 유전체 층, 예컨대 알루미늄 질화물 또는 티타늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 질화물이고, 중간 금속 층(30)은 은과 같은 금속 필름이다. 유전체 층(21, 40 및 60) 및 은 층(30 및 50)의 두께는 원하는 광학적 및 전기적 특성; 특히, 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 가시광선의 투과율, 근적외선의 반사율, 및 중적외선의 방사율, 및 전기적 특성, 비제한적인 예를 들어 전기 전도도 및 시트 저항을 달성하도록 선택(적절하게 조정)된다.
도 9에 도시된 금속-유전체 스택의 대안적인 실시양태에서, (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (40)은 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (61)은 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 존재한다. 제1 하부 유전체 층(21) 및 제2 상부 유전체 층(61)은 수소화된다.
도 10에 도시된 금속-유전체 스택의 또 다른 대안적인 실시양태에서, (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (41)은 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (61)은 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(21), 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 유전체 층(41) 및 제2 상부 유전체 층(61)은 수소화된다.
도 11에 도시된 금속-유전체 스택의 또 다른 대안적인 실시양태에서, (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (42)는 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (61)은 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(21) 및 제2 상부 유전체 층(61)은 수소화되고, 이 때 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 유전체 층(42)의 수소 농도가 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다.
도 12에 도시된 금속-유전체 스택의 또 다른 대안적인 실시양태에서, (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (42)는 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (62)는 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(21)은 수소화되고, 이 때 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 유전체 층(42) 및 제2 상부 유전체 층(62)의 수소 농도가 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다.
도 13에 도시된 금속-유전체 스택의 또 다른 대안적인 실시양태에서, (22)는 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (42)는 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (62)는 제2 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(22)는 수소화되고, 이 때 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 유전체 층(42) 및 제2 상부 유전체 층(62)의 수소 농도가 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다.
금속-유전체 다층 스택의 또 다른 대안적인 실시양태가 도 14에 도시되고, 여기서 (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (40)은 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (60)은 제2 상부 유전체 층 및 제3 하부 유전체 층이고, (70)은 제3 금속층이고, (81)은 제3 상부 유전체 층(62)이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 제1 하부 유전체 층(21) 및 제3 상부 유전체 층(81)은 수소화된 금속 질화물, 예컨대 수소화된 알루미늄 질화물 또는 수소화된 티타늄 질화물 또는 수소화된 티타늄 알루미늄 질화물이며, 유전체 층(40 및 60)은 금속 질화물, 예컨대 알루미늄 질화물 또는 티타늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 질화물이고, 중간 금속 층(30, 50 및 70)은 금속 필름, 예컨대 은이다. 유전체 층(21, 40, 60 및 81) 및 금속 층(30, 50 및 70)의 두께는 원하는 광학적 및 전기적 특성; 특히, 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 가시광선의 투과율, 근적외선의 반사율, 및 중적외선의 방사율, 및 전기적 특성, 비제한적인 예를 들어 전기 전도도 및 시트 저항을 달성하도록 선택(적절하게 조정)될 수 있다.
금속-유전체 다층 스택의 또 다른 대안적인 실시양태가 도 15에 도시되고, 여기서 (21)은 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (41)은 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (61)은 제2 상부 유전체 층 및 제3 하부 유전체 층이고, (70)은 제3 금속층이고, (81)은 제3 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 유전체 층(21, 41, 61 및 81)은 수소화된 금속 질화물이고, 중간 금속 층(30, 50 및 70)은 금속 필름, 예컨대 은이다. 유전체 층(21, 40, 60 및 81) 및 금속 층(30, 50 및 70)의 두께는 원하는 광학적 및 전기적 특성; 특히, 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 가시광선의 투과율, 근적외선의 반사율, 및 중적외선의 방사율, 및 전기적 특성, 비제한적인 예를 들어 전기 전도도 및 시트 저항을 달성하도록 조정된다.
금속-유전체 다층 스택의 또 다른 대안적인 실시양태가 도 16에 도시되고, 여기서 (22)는 제1 하부 유전체 층이고, (30)은 제1 금속 층이고, (42)는 제1 상부 유전체 층 및 제2 하부 층이고, (50)은 제2 금속 층이고, (62)는 제2 상부 유전체 층 및 제3 하부 유전체 층이고, (70)은 제3 금속층이고, (82)는 제3 상부 유전체 층이다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 제공된다. 유전체 층(22, 42, 62 및 82)의 수소 농도는 준연속적으로 또는 연속적으로 구배를 이룸으로써 벌크 요건뿐만 아니라 계면 요건에 대응하여 필름 특성을 국소적으로 향상시킨다. 유전체 층(22, 42, 62 및 82) 및 금속 층(30, 50 및 70)의 두께는 원하는 광학적 및 전기적 특성; 특히, 광학적 특성, 비제한적인 예를 들어 가시광선의 투과율, 근적외선의 반사율, 및 중적외선의 방사율, 및 전기적 특성, 비제한적인 예를 들어 전기 전도도 및 시트 저항을 달성하도록 선택(적절하게 조정)될 수 있다.
금속-유전체 다층 스택의 다른 예시적인 실시양태가 도 17a 및 17b에 도시되어 있고, 여기서 스택은 하부 유전체 층(21), 금속 층(30) 및 유전체 층(41)을 포함한다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 존재한다. 유전체 층(21 및 41)은 AlN:H와 같은 수소화된 금속 질화물이고, 층(30)은 은과 같은 금속이다. 전기 버스바 접점(100 및 110)은 금속 층(30)과 옴 접촉(ohmic contact)을 하고, 버스바는 금속-유전체 장치(90)으로의 전력의 전달을 용이하게 하기 위해 공간적으로 이격되어 위치하고(평면도 AA'); 오른쪽에서 왼쪽을 가리키는 화살표는 전류의 방향(즉, 양전하의 흐름)을 나타낸다. 적절한 두께의 전기 버스바(100 및 110)은 금속 및 금속 합금의 전자 빔 증발, 금속 및 금속 합금의 스퍼터 증착, 및 식각 및 소성 공동 공정을 사용한 금속 잉크 및 페이스트의 인쇄를 포함하고 이로 제한되지 않는 다양한 방법을 사용하여 금속 접점을 증착함으로써 금속-유전체 장치에 통합될 수 있다.
도 17c는 선행 실시양태에 따른 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는 솔라 컨트롤 구조체(90), 및 구조체 내에 형성된 적어도 하나의 금속 층과 전기 연통하는 전기 버스바(100, 110)을 갖는 전면유리를 포함하는 예시적인 김서림 방지 또는 제빙 시스템을 도시한 것이다. 이 시스템은 또한 솔라 컨트롤 구조체로 전달되는 전류를 제어하기 위한 전원(430) 및 제어 회로(400)을 포함한다. 제어 회로(400)은 명령어로 프로그램되고, 메모리(415)에 저장되고, 솔라 컨트롤 구조체에 시간-의존적 전류를 전달하기 위해 프로세서(410)에 의해 실행 가능할 수 있다(김서림 방지/제빙 모듈(450)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이). 예를 들어, 제어 회로는 김서림 방지 및/또는 제빙에 적절한 기간에 걸쳐, 지속적으로 또는 간헐적으로, 및 선택적으로 미리 결정된 시간 의존도에 따라 전류를 제공할 수 있다. 제어 회로는 얼음 또는 김서림의 존재를 감지하기 위해 하나 이상의 센서(420)에 추가로 연결될 수 있다.
도 17c에 도시된 예시적인 실시양태에 제시된 바와 같이. 제어 회로(400)은 프로세서(410), 메모리(415), 시스템 버스(405) 및 하나 이상의 선택적 추가 장치를 포함할 수 있다.
도면에 제시된 예시적인 시스템은 주어진 구현예에서 이용될 수 있는 구성 요소로 제한되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 시스템은 하나 이상의 추가 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 제어 및 프로세싱 하드웨어(400)의 하나 이상의 구성 요소는 프로세싱 장치에 접속되는 외부 구성 요소로서 제공될 수 있다.
금속-유전체 다층 스택의 또 다른 예시적인 실시양태가 도 18a 및 18b에 도시되어 있고, 여기서 스택은 유전체 층(21), 금속 층(30), 유전체 층(41), 금속 층(50) 및 유전체 층(61)을 포함한다. 다층 구조체는 기재(10) 상에 존재한다. 유전체 층(21, 41 및 61)은 금속 질화물, 예컨대 AlN:H이고, 층(30 및 50)은 은과 같은 금속이다. 전기 버스바 접점(130 및 140)은 금속 층(30 및 50)과 옴 접촉을 하고, 버스바는 금속-유전체 장치(120)으로의 전력의 전달을 용이하게 하기 위해 공간적으로 이격되어 위치하고(평면도 BB'); 오른쪽에서 왼쪽을 가리키는 화살표는 전류의 방향(즉, 양전하의 흐름)을 나타낸다. 적절한 두께의 전기 버스바(130 및 140)은 금속 및 금속 합금의 전자 빔 증발, 금속 및 금속 합금의 스퍼터 증착, 및 식각 및 소성 공동 공정을 사용한 금속 잉크 및 페이스트의 인쇄를 포함하고 이로 제한되지 않는 다양한 방법을 사용하여 금속 접점을 증착함으로써 금속-유전체 장치에 통합될 수 있다.
대안적인 실시양태는 유전체 상에, 예를 들어 도 1의 유전체 층(40) 상에 또는 도 4의 유전체층(41) 상에 직접 전기 버스바를 증착, 인쇄 또는 부착하는 단계를 수반할 것이다. 금속 버스바는 유전체 상에 직접 전자빔 또는 스퍼터 증착될 수 있거나; 버스바는 금속 잉크(예를 들어, 은 잉크)를 사용하여 인쇄될 수 있거나; 또는 금속 리본에는 적절한 전도성 접착제 에폭시가 부착될 수 있다. 이들 접점은 또한 양호한 옴 접촉을 달성하기 위해 적절하게 열처리-소결될 수 있다. 대안적으로, 잉크 인쇄 동안 유전체의 저항 특성은 유전체를 국소적으로 제거하기 위한 플라즈마 방전의 사용을 통해 완화될 수 있다. 또한, 레이저 가공이 또한 이용될 수 있고; 예를 들어, 레이저 어블레이션 공정은 유전체의 선택적 박리를 달성하기 위해 사용될 수 있고, 금속의 레이저 인쇄의 다양한 방법, 예를 들어 레이저 유도된 순방향 전사(laser induced forward transfer)가 사용될 수 있다.
유전체로의 은 이동의 또 다른 실시양태에서, 도 31에 도시된 바와 같이 하부 Ag 층으로부터 상부 유전체로 확산하는 Ag 나노입자가 유전체 위에 증착/인쇄된 은 그리드로부터의 은 확산과 함께 이용될 수 있고, 이에 의해 고품질 옴 접촉을 유도한다. 최적의 은 이동을 달성하여 접촉 저항을 낮추기 위해 국소 열/광학 처리(들)를 동시에 사용할 수 있다.
전기 버스바의 사용에 추가하여, 적절한 마이크로미터 내지 나노미터의 얇은 전기 그리드가 또한 이용될 수 있으며, 여기서 버스바에 연결된 그리드는 더 낮은 전압 작동을 가능하게 하면서 필요한 전력 밀도의 달성을 용이하게 한다. 그리드는 이전 단락에서 설명된 버스바와 유사한 방식으로 적용될 수 있지만, 사람의 눈으로는 감지할 수 없는 치수를 갖는다. 예를 들어, 다수의 마이크로미터 내지 나노미터의 얇은 전기 전도성 와이어가 사용될 수 있다.
상기 설명한 예시적인 실시양태는 하나 이상의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 갖는 다층 금속-유전체 구조체의 예시적인 구현 및 적용의 비제한적인 세트를 도시하기 위해 제공된 것이고, 다양한 다른 잠재적인 실시양태가 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 스펙트럼 선택적인 금속-유전체 다층 스택은 적절하게 패턴화될 수 있으며, 이에 의해 다른 기능들을 통합할 수 있다. 예를 들어, 이들은 RF 주파수 범위에서 선택적 반사율 및 투과율 특성을 제공함으로써 금속 층의 적절한 개구 패턴화(나노미터, 마이크로미터 및 밀리미터 길이 규모의)를 포함할 수 있고, 이들 패턴은 하나의 또는 다수의 금속 층 상에 존재할 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예는 적절한 안테나의 패턴화 및 후속 정류를 통한 RF 전자기 방사선 수집의 통합을 수반하고, 이것은 다시 적절한 센서(들)에 전력을 공급하여 자체 구동 센서(들)를 유도할 수 있다. 언급된 기능성 이외에도, 다양한 예시적인 실시양태는 제시된 인클로저/시스템에 대해 울트라-스마트 윈도우를 형성할 수 있다.
상기 설명한 예시적인 실시양태의 또 다른 예시적인 용도는 스펙트럼 선택적 복사 냉각 코팅 장치의 설계 내에서 조정 가능한 수소화된 금속 질화물, 예컨대 AlN:H와의 사용을 포함하고, 상기 장치에서 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선 부분은 거의 완전히 반사되고, 이와 동시에 예를 들어 ∼8-13 μm 범위의 중적외선에 투명한 윈도우를 제공함으로써 복사 열 에너지가 제시된 부피로부터 차가운 외부 공간을 향해 방출되도록 허용하고 이에 의해 복사 냉각이 수행된다. 한 예로서, 광결정 냉각 장치는 다양한 광결정 층으로 구성될 수 있으며, 여기서 저 및 고 인덱스의 큰 밴드갭(large bandgap) 물질의 이중층을 은 기재 상에 포함하는 광대역 태양광 반사기는 수소화된 질화물을 이용할 것이다.
실시예
하기 실시예는 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 본 개시내용의 실시양태를 이해하고 실시할 수 있도록 제시된다. 실시예는 본 개시내용의 범위를 제한하는 것이 아니라, 단지 예시적이고 대표적인 것으로 간주되어야 한다.
실시예
1: 수소화된
AlN
필름의 수소 농도에 대한 굴절률 및
흡광
계수의 의존성
도 19는 스퍼터링 동안 대략 0% 내지 10% 부피 분율의 수소 농도를 사용하고 RF 반응성 스퍼터링을 사용하여 유리 기재 상에 증착된 AlN:H 필름의 파장의 함수로서의 광학 지수에 대한 예시적인 데이터 세트를 보여준다. 주요 스퍼터 가스는 아르곤 및 질소를 포함하였다.
반응성 RF 스퍼터링을 사용하여 증착된 이들 필름은 공칭 총 가스 유속이 20 sccm인 극저온으로 펌핑된 다중 표적 스퍼터링 챔버에서 제조되었고, 여기서 아르곤 유속은 15 sccm이고, 질소 유속은 5 sccm이고, 수소 유속은 0 내지 10 sccm이다. 아르곤은 알루미늄 표적에 근접하여 도입되었고, 질소 및 수소는 성장 표면에 근접하여 도입되었다. 증착 동안 챔버 압력은 공칭적으로 5 mTorr이다. RF 전력의 범위는 150 내지 350 W이다. 기재는 초기에 주위 온도이었고, 활발하게 가열되거나 냉각되지 않았다.
도 20은 AlN:H 필름의 흡광 계수에 대한 대응하는 데이터 세트를 보여준다. 전구체 수소 함량의 변화는 명백하게 광학 지수를 조절하는 역할을 한다. 또한, 수소의 도입은 다양한 광 파장에 걸쳐 유전체 필름의 흡광 계수를 감소시키는 것으로 관찰된다. 흡광 계수의 감소는 원자 규모 결함 부위에서의 수소 결합에 기인한다. 광학 지수의 변화는 필름의 물리적 구조-결정립 크기의 조정뿐만 아니라 수소 결합의 함수이다.
실시예
2: 수소화된
AlN
필름의 형태 및 결정립 크기
도 21(a-f)은 유리 상에 증착된 예시적인 AlN 및 AlN:H 필름의 주사 전자 현미경(SEM) 및 원자간력 현미경(AFM) 이미지 및 Z(수직) 방향에서의 표면 피쳐/결정립 돌출부/높이의 분포를 보여준다. 알루미늄 질화물의 수소화는 결정립 크기를 분명하게 감소시키고(각각 AlN 및 AlN:H 필름의 SEM 이미지를 보여주는 도 21a 및 21b 참조), 보다 평활한 필름을 생성한다. AlN 필름의 평균 결정립 크기 및 표준 편차는 48.6 ± 9 nm이고, AlN:H 필름의 경우 25.4 + 9 nm이다. 필름의 표면 거칠기는 AFM 스캔에서 관찰된다(각각 AlN 및 AlN:H 필름 표면의 AFM 스캔을 보여주는 도 21c 및 21d 참조). 또한, Z 방향의 표면 피쳐/결정립 돌출부/높이의 분포가 도 21e 및 도 21f에 제시되어 있고, 도 21e에서 AlN:H 필름은 약 2.2 nm의 반치전폭(FWHM)으로 보다 좁은 분포를 갖는 반면, AlN 필름은 약 3.6 nm의 FWHM을 가지며; 도 21f에서 AlN 및 AlN:H 필름 세트의 또 다른 예에 대한 분포는 각각 약 2.5 nm 및 약 1.4 nm의 FWHM을 보여준다.
실시예
3: 수소화된
AlN
필름의 소각 X-선 회절(
XRD
) 연구
도 22는 Si(100) 상에 RF 반응성 스퍼터링을 사용하여 증착된 3개의 소각 x- 선 회절(XRD) 패턴으로서, 하나는 AlN에 대한 것이고 2개는 AlN:H 필름에 대한 것이며, 여기서 후자는 전구체 가스 유동에서 1.25% 및 2.5% 부피 분율 수소로 성장되었다. 최상위 XRD 스캔은 AlN에 대한 회절 패턴을 보여주고, 두 번째 및 세 번째 XRD 스캔은 각각 1.25% 및 2.5% 수소를 사용하여 성장된 AlN:H에 대한 회절 패턴을 보여준다. 특징적인 결정질 피크/라인 강도는 수소가 증가함에 따라 감소하고, 필름은 점차적으로 증가하는 비정질 특성을 갖는 것으로 관찰된다.
실시예
4: 필름 증착 동안 및 증착 후의 수소화
도 23은 AlN의 광 투과율이 증착 후 수소화에 의해 동등하게 향상될 수 있음을 도시한 것이다. 구체적으로, 유리 상에 증착된 예시적인 AlN 필름은 RF 수소 플라즈마에 노출된다. 수소화 전 AlN 필름 및 수소화 후 AlN 필름(HAlN으로 표시)의 광 투과는 필름의 광 투과율이 다양한 광 파장에 걸쳐 개선됨을 보여준다.
실시예
5: 수소화된
및 수소화 되지
않은 금속-유전체 스택의 측정된 광학 특성
하부 유전체 층, 중간 금속 층 및 상부 유전체 층을 포함하는 예시적인 금속-유전체 다층 스택의 광학 특성이 도 24에 도시되어 있다. 금속-유전체 스택은 스퍼터 증착을 사용하여 증착된다. 유전체 층은 수소화된 알루미늄 질화물이고, 금속 층은 은이다. 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름이다. 비코팅 PET 필름 및 코팅된 PET 필름에 대한 투과 및 반사 곡선이 도면에 제시되어 있다. 가시광선의 최대 투과율은 86%이고, 광순응 가중(photopic weighted) 가시광 투과율은 85%이며, 총 태양 에너지 거부율은 35%이다. ∼900 nm 부근에서 투과율 곡선의 불연속성은 검출기 시프트이다.
제1 하부 유전체 층, 제1 금속 층, 제1 상부 및 제2 하부 유전체 층, 제2 금속층 및 제2 상부 유전체 층을 포함하는 또 다른 예시적인 금속-유전체 다층 스택의 광학 특성이 도 25에 도시되어 있다. 금속-유전체 스택은 스퍼터 증착을 사용하여 증착된다. 유전체 층은 수소화된 알루미늄 질화물이고, 금속 층은 은이다. 코팅된 유리에 대한 투과 및 반사 곡선이 도면에 제시되어 있다. 가시광선의 최대 투과율은 77%이고, 광순응 가중 가시광 투과율은 76%이며, 총 태양 에너지 거부율은 47%이다. 코팅된 유리의 색상 파라미터는 L* = 90.10, a* = -0.55 및 b* = 0.63이다. ∼900 nm 부근에서 투과율 곡선의 불연속성은 검출기 시프트이다.
제1 하부 유전체 층, 제1 금속 층, 제1 상부 및 제2 하부 유전체 층, 제2 금속층 및 제2 상부 유전체 층을 포함하는 또 다른 예시적인 금속-유전체 다층 스택의 광학 특성이 도 26에 도시되어 있다. 금속-유전체 스택은 스퍼터 증착을 사용하여 증착된다. 유전체 층은 수소화된 알루미늄 질화물이고, 금속 층은 은이다. 기재는 폴리카르보네이트 시트이다. 폴리카르보네이트 시트에 대한 투과 및 반사 곡선이 도면에 제시되어 있다. 가시광선의 최대 투과율은 71%이고, 광순응 가중 가시광 투과율은 70%이며, 총 태양 에너지 거부율은 49%이다. 코팅된 폴리카르보네이트의 색상 파라미터는 L* = 87.04, a* = -1.48 및 b* = 1.42이고, 비코팅된 폴리카르보네이트의 색상 파라미터는 L* = 90.9, a* = -0.52 및 b* = 0.50이다.
실시예
6: 제빙 및
김서림
방지 적용을 위한 수소화된
AlN
층을 갖는 금속-유전체 장치의 성능에 대한 실험 연구
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 가열 성능이 도 27에 도시되어 있다. 다층 스택은 유리 기재 상에 증착된다. 금속 층과 접촉하는 전기 버스바는 가변 전원에 연결된다. 시간의 함수로서 온도 변화의 프로파일이 다양한 전력 수준에 대해 도시되어 있다. 온도는 반대쪽 유리 표면에서 측정된다.
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 제상 성능이 도 28a 및 28b에 도시되어 있다. 다층 스택은 유리 기재 상에 증착되며, 여기서 스택 내의 금속 층과 접촉하는 전기 버스바는 가변 전원에 연결된다. 대략 1 mm 두께의 얼음 시트가 유리 기재의 코팅되지 않은 면에 직접 동결된다. 약 -10℃의 일반적인 주변 온도 하에서 스택에 전기를 공급하고, 유리 표면에서 얼음을 제거하는 데 필요한 시간이 다양한 전력 수준에 대해 기록된다. 유리-얼음 계면에 대해 충분한 균일한 전력이 공급되면, 얇은 용융된 물층이 계면(즉, 계면의 전체 표면)에서 발생하여 얼음 시트를 미끄러지게 한다. '미끄러지는 시간'은 전력 공급과 얼음 시트 미끄러짐 사이의 소요 시간으로 정의된다. 도 28a는 전력 밀도의 함수로서 미끄러지는 시간을 보여준다. 얼음으로 덮인 전체 영역에 대해 높은 전력 밀도를 직접 균일하게 적용하면, 제빙이 매우 빠르기 때문에 얼음이 완전히 녹지 않고 주위로 열을 잃지 않지 않으면서 얼음에서 시료 표면을 신속하게 분리할 수 있다. 이것은 상당한 에너지 절약으로 이어진다. 도 28b는 얼음 표면을 분리시키기 위해 요구되는 최소 에너지의 존재를 예시한다. 이 도면은 또한 대략 0.7 m x 1.4 m의 전체 크기의 표준 차량 전면유리에서 동등한 제상에 필요한 전압 및 전류를 포함한다.
예시적인 금속-유전체 코팅의 계획된 김서림 방지 성능이 도 29a-29d에 도시되어 있다. 장치 구조는 위에서 설명한 것과 유사하다. 벤치마킹된 완전 대류 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics) 모델을 사용하여, 시간의 함수로서 서린 김으로 덮인 예시적인 코팅된 유리 표면의 비율이 도 29a에 제시되어 있다. 코팅에 대한 전력은 시간 0에 공급된다. 도 29b-d는 상이한 시간(각각 0, 2초 및 2.5초)에서 김서림 방지 패턴의 2차원 지도를 제공한다.
실시예
7: 수소화된
AlN
층을 갖는 금속-유전체 장치의 열 안정성
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 안정성이 도 30a-d에 도시되어 있다. 금속-유전체 스택은 유리 위에 존재한다. 온도는 반대쪽 유리 표면에서 측정된다. 광 투과는 상이한 시간에, 즉 초기에는 시간 0에, 이어서 일련의 가열 및 냉각 사이클에 후에 상이한 시간에 3개의 상이한 위치(도 30d에 도시된 바와 같이)에서 측정된다. 각각의 열 사이클은 10초 동안 전원을 켠 후, 전원을 끈 15분의 냉각 기간으로 구성되었다. 전형적인 초기 온도는 실온이며, 열 사이클의 가열기 후의 피크 온도는 대략 100℃이다.
실시예
8: 수소화된
AlN
층을 갖는 금속-유전체 장치의
플라즈몬
흡수
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 단면 SEM 이미지가 도 31에 도시되어 있다. 후방 산란 모드에서 이미지는 짙은 회색층으로 보이는 상단 수소화된 AlN 층(510)에서 백색 입자(520)으로 보이는 은(500)의 존재를 제시한다. 은 나노입자는 국소 표면 플라즈몬 공명을 일으킨다.
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 비행 시간형 이차 이온 질량분석(TOF-SIMS: Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)를 통해 얻은 깊이 프로파일이 도 32에 도시되어 있다. 수평 축의 스퍼터 시간은 스택 표면으로부터의 거리에 대한 프록시이다. 상단의 레이블은 플롯의 상이한 영역을 상부의 수소화된 AlN 층, 은 중간층, 하부의 수소화된 AlN 층, 및 실리콘 기재로 확인한다. 플롯은 상부의 수소화된 AlN 층 내부에 은의 존재를 보여주며, 도 31에 도시된 SEM 이미지에서의 관찰을 확증해준다.
예시적인 금속-유전체 다층 스택의 플라즈몬 흡수가 도 33에 도시되어 있다. 다양한 은층 두께를 갖는 금속-유전체 코팅이 유리 기재 상에 증착된다. 광 투과 및 반사는 기재의 코팅된 면으로부터 측정되고, 흡수를 결정하기 위해 사용된다. 보라색 파장 범위(380 - 450 nm)에서 뚜렷한 흡수 피크가 분명히 나타난다. 관찰된 플라즈몬 흡수는 유전체 층 내의 은 나노입자의 존재를 고려한 유효 매체 이론(Effective Medium Theory)의 예측과 일치하는 현상인 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance)의 시그니처이다. 은층의 두께가 감소함에 따라 피크 강도 및 피크 파장 둘 모두가 감소하고, 이것은 플라즈몬 흡수 파장 가변성(tunability)을 입증한다. 유전체 조성을 변화시킴으로써(예를 들어, 수소화 수준의 변화를 통해), 및 도 19 및 도 20에 따라 상부의 수소화된 금속 질화물 층의 유전율을 변경함으로써 추가의 가변성이 도입될 수 있다. 유전율에 대한 플라즈몬 주파수 의존성을 유지하면서, 유전체 특성의 변화는 플라즈몬 피크의 공명 파장을 이동시킬 수 있고, 따라서 광학 특성의 변화(예를 들어, 상이한 반사 색상의 설계)를 허용할 수 있다.
상기 설명한 구체적인 실시양태는 단지 예로서 제시되었으며, 이들 실시양태는 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능함을 이해하여야 한다. 청구범위는 개시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라, 본 개시내용의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안을 포함하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.
참조문헌
Claims (54)
- 금속-유전체 솔라 컨트롤(solar control) 구조체로서,
투명 기재;
상기 투명 기재 상에 형성된 다층 금속-유전체 코팅
을 포함하고,
상기 다층 금속-유전체 코팅은 층들을
상기 투명 기재 상에 형성된 제1 투명 유전체 층;
상기 제1 투명 유전체 층 상에 형성된 금속 층; 및
상기 금속 층 상에 형성된 제2 투명 유전체 층
의 순서로 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
상기 구조체는 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내고;
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하고,
적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 평균 결정립 크기(grain size)가 30 nm 미만인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 플라즈몬 금속 나노구조체는 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내에 존재하는 복수의 금속 나노입자를 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈몬 금속 나노구조체는 상기 금속 층의 나노 규모 피쳐를 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 나노구조체는 상기 플라즈몬 공명이 가시 및 자외선 스펙트럼 중 하나 또는 둘 다에서의 흡수와 관련되도록 형성되는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 수소화된 알루미늄 질화물 층인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가 1 중량 ppm 내지 1000 중량 ppm인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 상기 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가시 스펙트럼의 최소 흡광 계수가 0.02 미만인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 굴절률이 1.5 내지 1.8인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층의 저항률이 2∼6 마이크로옴 cm인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 성장 방향에서의, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 결정립 크기 분포의 반치전폭이 3 nm 미만인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층이 은층인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층의 두께가 3 nm 내지 30 nm인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체가 적외선 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 85%의 반사율을 나타내는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 금속-유전체 코팅이 상기 금속 층 및 전원과 전기 연통하는 버스바(busbar)를 추가로 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 투명 유전체 층이 제1의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고, 상기 제2 투명 유전체 층이 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제17항에 있어서, 상기 금속 층 및 상기 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 금속-유전체 이중층을 형성하고, 상기 다층 금속-유전체 코팅이 하나 이상의 추가의 금속-유전체 이중층을 추가로 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제18항에 있어서, 상기 다층 금속-유전체 코팅의 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 상기 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 솔라 컨트롤 구조체를 포함하는 차량용 전면유리(windshield).
- 제20항에 있어서, 상기 다층 금속-유전체 코팅이 상기 금속 층 및 전원과 전기 연통하는 버스바를 추가로 포함하는 차량용 전면유리.
- 제21항에 따른 차량용 전면유리;
전원; 및
상기 차량용 전면유리를 제빙(deicing)하기 위해 상기 금속 층에 전류를 전달하도록 구성된 제어 회로
를 포함하는 차량. - 제21항에 따른 차량용 전면유리;
전원; 및
상기 차량용 전면유리의 김서림 방지(defogging)를 위해 상기 금속 층에 전류를 전달하도록 구성된 제어 회로
를 포함하는 차량. - 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법으로서,
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬(isolated island) 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계; 및
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소의 존재 하에 금속 질화물 층의 증착에 의해 형성된 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택되고,
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 코팅의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하고,
적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는 이 유전체 층에서의 평균 결정립 크기가 30 nm 미만이 되도록 선택되는 제조 방법. - 제24항에 있어서, 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층은, 수소 가스의 존재 하에서 스퍼터링 공정을 통해 형성하는 제조 방법.
- 제24항 또는 제25항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 형성 동안의 수소 농도가 1 부피% 내지 10 부피%인 제조 방법.
- 제25항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 형성 동안의 수소 농도가 0.25 부피% 내지 20 부피%인 제조 방법.
- 제25항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 형성 동안의 수소 농도가 0.25 부피% 내지 2.5 부피%인 제조 방법.
- 제25항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 형성 동안의 수소 농도가 0.25 부피% 내지 5 부피%인 제조 방법.
- 제24항 또는 제25항에 있어서, 1 중량 ppm 내지 1000 중량 ppm의 수소 농도를 갖는 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 형성되는 제조 방법.
- 제24항 또는 제25항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 제조 방법.
- 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 제1 투명 유전체 층이 제1의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 형성하고, 상기 제2 투명 유전체 층이 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 형성하는 제조 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 금속 층 및 상기 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 금속-유전체 이중층을 형성하고, 상기 방법이 하나 이상의 추가의 금속-유전체 이중층을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
- 제33항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 제조 방법.
- 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법으로서,
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계;
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계; 및
적어도 하나의 금속 질화물 유전체 층이 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 되도록, 증착 후 수소화를 수행하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택되고,
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 코팅의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하고,
적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는 이 유전체 층에서의 평균 결정립 크기가 30 nm 미만이 되도록 선택되는 제조 방법. - 제35항에 있어서, 각각의 금속 질화물 유전체 층은 스퍼터링 공정을 통해 형성하는 제조 방법.
- 제35항 또는 제36항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 1 중량 ppm 내지 1000 중량 ppm의 수소 농도를 갖도록, 증착 후 수소화를 수행하는 제조 방법.
- 제35항 또는 제36항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 제조 방법.
- 제35항 또는 제36항에 있어서, 상기 제1 투명 유전체 층이 제1의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 형성하고, 상기 제2 투명 유전체 층이 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층을 형성하는 제조 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 금속 층 및 상기 제2의 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 금속-유전체 이중층을 형성하고, 상기 방법은 하나 이상의 추가의 금속-유전체 이중층을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
- 제39항에 있어서, 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내의 수소 농도가, 투명 기재와 관련된 표면 법선에 평행한 방향으로 공간적으로 구배를 이루는 제조 방법.
- 제35항 또는 제36항에 있어서, 투명 기재를 가열하고 굽히면서, 증착 후 수소화를 수행하는 제조 방법.
- 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체로서,
투명 기재;
상기 투명 기재 상에 형성된 다층 금속-유전체 코팅
을 포함하고,
상기 다층 금속-유전체 코팅은 층들을
상기 투명 기재 상에 형성된 제1 투명 유전체 층;
상기 제1 투명 유전체 층 상에 형성된 금속 층; 및
상기 금속 층 상에 형성된 제2 투명 유전체 층
의 순서로 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하고,
적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 평균 결정립 크기가 30 nm 미만인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체. - 제43항에 있어서, 상기 플라즈몬 금속 나노구조체는 적어도 하나의 수소화된 금속 질화물 유전체 층 내에 존재하는 복수의 금속 나노입자를 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제43항에 있어서, 상기 플라즈몬 금속 나노구조체는 상기 금속 층의 나노 규모 피쳐를 포함하는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 나노구조체는 상기 플라즈몬 공명이 가시 및 자외선 스펙트럼 중 하나 또는 둘 다에서의 흡수와 관련되도록 형성되는 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체.
- 제24항에 있어서, 금속 층은 수소의 존재 하에 증착하는 제조 방법.
- 제47항에 있어서, 금속 층이 은층인 제조 방법.
- 제47항에 있어서, 금속 층의 활성 전자 부위가 패시베이션되도록, 금속층의 증착 동안 사용되는 수소의 농도를 제어하는 제조 방법.
- 제47항에 있어서, 금속 층의 하나 이상의 광학적 또는 전기적 특성이 미리 선택된 기준을 충족시키도록, 금속층의 증착 동안 사용되는 수소의 농도를 제어하는 제조 방법.
- 제35항에 있어서, 금속 층은 수소의 존재 하에 증착하는 제조 방법.
- 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체로서,
투명 기재;
상기 투명 기재 상에 형성된 다층 금속-유전체 코팅
을 포함하고,
상기 다층 금속-유전체 코팅은 층들을
상기 투명 기재 상에 형성된 제1 투명 유전체 층;
상기 제1 투명 유전체 층 상에 형성된 금속 층; 및
상기 금속 층 상에 형성된 제2 투명 유전체 층
의 순서로 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
상기 구조체는 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내고;
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 코팅의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하고,
상기 금속 층의 저항률이 2∼6 마이크로옴 cm인 금속-유전체 솔라 컨트롤 구조체. - 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법으로서,
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 그리고 금속 층의 저항률이 2∼6 마이크로옴 cm가 되도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계; 및
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 수소의 존재 하에 금속 질화물 층의 증착에 의해 형성된 수소화된 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택되고.
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 코팅의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하는 제조 방법. - 투명 기재 상에 금속-유전체 코팅을 제조하는 방법으로서,
투명 기재 상에 제1 투명 유전체 층을 증착하는 단계;
금속 층이 고립된 섬 없이 연속적인 필름을 형성하도록, 그리고 금속 층의 저항률이 2∼6 마이크로옴 cm가 되도록, 제1 투명 유전체 층 상에 금속 층을 증착하는 단계;
금속 층 상에 제2 투명 유전체 층을 증착하는 단계; 및
적어도 하나의 금속 질화물 유전체 층이 수소화된 금속 질화물 유전체 층이 되도록, 증착 후 수소화를 수행하는 단계
를 포함하고;
상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는 금속 질화물 유전체 층이고;
금속 층의 두께, 및 각각의 수소화된 금속 질화물 유전체 층의 수소 농도는, 금속-유전체 코팅이 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 적어도 70%의 투명도를 나타내도록 선택되고,
상기 금속 층, 상기 제1 투명 유전체 층 및 상기 제2 투명 유전체 층 중 적어도 하나는, 상기 금속-유전체 코팅의 흡수 스펙트럼이 플라즈몬 공명을 포함하도록 구성된 플라즈몬 금속 나노구조체를 포함하는 제조 방법.
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