KR20140050629A - 이중-질화물 복합 물질에 기초한 태양열 선택적 흡수체 및 이의 제조공정 - Google Patents

이중-질화물 복합 물질에 기초한 태양열 선택적 흡수체 및 이의 제조공정 Download PDF

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알레산드로 안토나이아
살바토르 에스포시토
마리아 루이사 아도니지오
안토니오 구글리엘모
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에네아-아젠지아 나지오날레 페르 레 누오베 테크놀로지에, 르＇에네르기아 에 로 스빌루포 에코노미코 사스텐니블
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Abstract

중간 온도 (400 ℃까지) 및 고온 (550 ℃까지) 모두에서 작동하는, 열역학 태양열 설비에 사용하기 위한 진공 타입의 리시버 튜브용 진공 타입박막 스펙트럼 선택 코팅, 광학적 흡수층이 타입: WyN-AlNx 또는 MoyN-AlNx의 다층의 서멧 물질인 코팅, Al 표적 및 W 또는 Mo 표적으로부터 반응성 공-스퍼터링 기술로 제조된 물질, 높은-투명도, 높은 성장 속도의 아-화학량론적 세라믹 AlN를 얻기 위해 적절한 N2의 양의 Al 표적 근처에 주입하고, 단독 W2N 또는 Mo2N 상을 얻기 위해 적절한 N2의 양의 W 또는 Mo 표적 근처에 주입하여, 단독 Al 표적에 대해 감시하는 PEM (Plasma Emission Monitoring) 또는 CVM (Cathode Voltage Monitoring) 하에서, 전이 요법하에서 수행된 공정, 제형 W2N-AlNx 또는 Mo2N-AlNx (x는 0.90 및 1.00 사이에 포함, 바람직하게는 0.95)에 가능한 근접한 서멧 물질, 따라서, 550 ℃의 온도까지 적어도 사용가능한 서멧 물질 (도 4)을 만들기 위한, 고온에서 매우 안정한 상.

Description

이중-질화물 복합 물질에 기초한 태양열 선택적 흡수체 및 이의 제조공정 {SOLAR SELECTIVE ABSORBER BASED ON DOUBLE NITRIDE COMPOSITE MATERIAL AND PROCESS FOR ITS PREPARATION}
본 발명은:
- 세라믹 매트릭스 및 그 내부에 나노분산된 금속성 거동 (metallic behavior)을 갖는 성분으로 이루어진 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질;
- 고온에서 작동하기 쉬운, 주로 열역학 타입 (thermodynamic type), 바람직하게는 선형 포물경 (parabolic mirrors)을 갖는 타입의, 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질;
- 상기 복합 물질 및 상기 다층 물질의 제조 공정; 및
- 상기 코팅 물질로 제조된, 열역학 태양열 설비용 리시버 소자 (receiver element) 및 상기 리시버 소자를 코팅하는 공정에 관한 것이다.
예를 들어, 포물경 (parabolic mirror) 기술과 관련한, 열역학 태양열 설비의 분야에서, 상기 거울의 초점선 (focal line)을 따라 위치된 리시버 튜브인 경우의, 상기 리시버 소자는 흡수체로서 작용해야 한다. 특히, 이것은 그 위에 집중된 태양열 복사 (solar radiation)의 가능한 많은 양을 흡수해야 하고, 동시에, 이것은 저장된 열의 가능한 적은 양을 외부 환경으로 손실해야 한다.
상기 리시버 튜브의 표면 코팅으로서 작용하는데 적절한 최적의 물질은 광학적 선택 방식으로 거동하는 물질, 즉, 이의 반사율 (reflectance), 흡광도 (absorbance) 및 반구형 방사율 (hemispherical emissivity)이 태양 스펙트럼 방사의 존 (zone)으로부터 열 적외선 존으로 통과하는, 방사선 파장 (radiation wavelength)으로 상당하게 변경되는 물질이다.
특히, 열역학 태양열 설비 (thermodynamic solar installation)의 더 큰 효율을 얻기 위하여, 상기 코팅 물질은, 하기 두 개 영역 사이의 계단-형 통로 (passage)를 갖는, 이상적인 거동, 즉:
i) 태양열 방사의 스펙트럼 영역 (spectral region) (0.3-2.0 ㎛)에서 영점 반사율 (null reflectance) (균일한 흡광도); 및
ii) 열 적외선 영역 (2.0-40 ㎛)에서 균일한 반사율 (영점 흡광도 및 방사율),
에 가능한 근접한 거동을 갖는 것으로 알려져 있다.
유사한 광학 거동을 얻기 위하여, 코팅 물질은 일반적으로 각각 다른 광학 특성을 갖는, 적절히 선택된 다른 물질들의 복수의 박막을 제공하는 복합 구조를 갖는다.
특히, 태양열 흡수체의 분야에서 통상적으로 사용된 물질은 소위 서멧-타입 물질을 기본적으로 포함하는, 복합 박막 (thin-film) 또는 박-층 구조이다.
일반적으로, 서멧-타입 물질은 세라믹 매트릭스 (ceramic matrix) 및 금속성 소자, 또는 세라믹 매트릭스에 분산된, 금속성 거동을 갖는 소자로 구성된 세라믹-금속 복합 물질이다.
특히, 태양열 선택적 흡수체로서 사용하기 위한 서멧 물질은, 매우 투명한 세라믹 물질의 매트릭스가, 그 내부에 일반적으로 나노입자의 형태로 분산된, 금속성 특징을 갖는 물질이 존재하는, 특별한 타입의 복합 물질로 이루어진다.
일반적으로, 서멧에서 상기 금속성 입자, 또는 금속성 거동을 갖는 입자는 통상적으로 약 10-50 옴스트롱 (1-5 nm) 정도의, 매우 작은 크기이다.
이들의 특이한 구조 덕분에, 서멧은 상기 이상적 거동에 근접한 거동을 나타내는 물질이고, 이들의 특징적인 광학 특성, 즉:
a) 태양열 복사 (solar radiation) 범위 (0.3 - 2.0 ㎛)에서 높은 광학 흡수 및
b) 적외선 (infrared radiation) 범위 (4 - 25 ㎛)에서 우수한 광학 투명성 덕분에,
"스펙트럼 선택 태양열 코팅"이라 하는 박-막 또는 박-층 적층 (layering)에 사용되는데 매우 적합하다. 더구나, 태양열 코팅용으로 최근 생산된 서멧-타입 물질은 평균 온도 (450 ℃ 미만)의 진공 상태 및 저온 (300 ℃ 미만)의 공기하에서 사용된 경우, 우수한 화학적-구조 안정성을 나타낸다.
전술된 이유 때문에, 서멧 물질은 태양열 흡수체 등급, 특히 열역학 태양열 설비, 특히 "파라볼릭 트로프 (parabolic trough)" 타입에서, 집-열 리시버 소자 (receiver element) (리시버 튜브)용 코팅 물질로서 새로운 관심의 대상이 된다.
전술된 바와 같이, 선택적 광학 흡수체로서 작동하는 스펙트럼 선택 코팅 물질의 적절한 구조는 고온에서 낮은 값의 열 발산 (thermal emittance)을 유지하는 동안 태양열 복사를 흡수하는 것을 허용한다. 이러한 효과는 하기를 포함하는 다층 구조를 활용하여 통상적으로 얻어진다:
i) 낮은 발산 값을 보장하기 쉬운, 적외선 범위에서 높은 반사력 (reflectivity)을 갖는 금속 층;
ii) 상기 리시버 튜브에 태양열 복사 입사를 최적으로 흡수하도록, 두께의 증가에 따라 감소하는 금속 함량, 즉 변화가능한 프로파일을 갖는 서멧 층; 및
iii) 태양열 복사 반사에 의해 유발된 손실을 최소화하기 위한 반사방지 층.
코팅 물질의 이러한 토폴로지 (typology)는 고성능, 즉, 낮은 방사와 결합된 높은 태양열 흡광도의 관점에서 효과적으로 제공된다.
그러나, 태양열 설비에서 리시버 소자를 위한 흡수체로서 최근에 시판되고 활용되는 서멧은, 이하 더 잘 설명되는 바와 같이, 상기 물질 자체의 물리적 및 화학적 특징의 관점에서, 상기 물질의 고온 (450 ℃ 및 550 ℃ 사이를 포함하는 온도) 및 재생산성 (reproducibility)에 적용된 경우, 낮은 신뢰도 (reliability)의 결과로서, 이들의 화학적-구조적 안정성의 점에서 제한을 갖는다.
이러한 문제점들은 시판되는 서멧들의 통상적인 것이고, 부분적으로 상기 물질 및 이들을 생산하기 위해 사용된 공정에 기인하고 있다.
본 발명의 기본 목적은 공지 기술에 대하여 전술되고, 이하 상세한 설명으로부터 더욱 이해될 수 있는 단점을 극복하는 데 있다.
전술된 기술적 문제의 해결 및 또 다른 목적은 이하 청구항에 따른 복합 물질, 다층 물질, 리시버 소자 및 이의 제조 공정에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징은 첨부된 청구항의 대상이 된다.
특히, 본 발명은 이중-질화물 서멧 타입의 광학적 선택 복합 물질, 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질, 본 발명의 코팅 물질로 제조된 열역학 태양열 설비용 리시버 소자 및 이의 제조공정을 제공한다.
본 발명의 목적은, 현재 코팅의 사용 온도 이상; 특히, 용융염-타입 교환 유체를 갖는 열역학 태양열 설비에 대하여, 관심의 범위는 300 및 550 ℃ 사이인, 전체 작동 온도 범위에 걸쳐 우수한 화학적, 구조적 및 기계적 안정성을 제공하는 수집 튜브용 코팅 물질이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 태양열 복사 영역에서 높은 흡광도를 제공하기 쉬운, 전술된 타입의 코팅 물질이다.
본 발명의 또 다른 목적은 선형 포물경 기술로 전력 생산을 위한 태양열 설비에서, 최대 작동 온도, 바람직하게는 약 550 ℃에서 낮은 열적 방사를 제공하기 쉬운, 전술된 타입의 코팅 물질이다.
본 발명의 또 다른 목적은 선형 집열기 (linear collector)를 따라 작동 온도의 전체 변형 범위 (300+550 ℃)에 걸쳐 높은 흡광도 및 낮은 방사의 관점에서 우수한 성능을 제공하기 쉬운, 전술된 타입의 코팅 물질이다.
본 발명의 또 다른 매우 중요한 목적은, 반응성 및 비-반응성 스퍼터링 공정과 같은, 금속 표적으로부터의 모든 경우들에 있어서, 높은 증착 속도로 수행된 본 발명의 물질의 제조공정으로 이루어진다. 높은 증착 속도는 생산성에 두드러진 영향을 미치고, 궁극적으로, 생산비용을 감소시킨다.
본 발명은 중-고온에서 작동하는 열전 (thermoelectric) 태양열 설비의 선형 집중 시스템 (linear concentration system)의 집열기들의 코팅으로서 이의 사용을 허용하는, 태양열 복사에 대해 파장-선택적인, 특성을 갖는 혁신적인 물질을 만들기 위한 필요에 대한 완벽한 해법이다. 사실상, 본 발명은 우수한 광-열적 성능을 갖는 적층 박막 물질 및 고온 (570 ℃까지)의 진공하에서 높은 안정성을 제공한다. 동시에, 본 발명은 높은 증착 속도, 따라서, 낮은 생산 비용을 갖는 제조공정의 제안에 대한 필요를 충족시킨다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀더 구체적으로 설명한다:
도 1은 3 층: 스펙트럼의 적외선에서 반사하는 금속성 물질 층; 서멧-타입 물질의 흡수체 층; 및 태양열 복사에 반사방지하는 반사방지 물질의 층을 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 구현 예의 단면도를 나타내고;
도 2는, 태양열 복사에 반사방지하는 제2 반사방지 물질 층이 도 1의 구현 예의 세 개의 층에 부가된, 4-층 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제2 구현 예의 단면도를 나타내며;
도 3은, 상기 금속성 물질 층 하부에 부가 접착 적응성 층 (접착 적응성 층)이 도 2의 구현 예의 제4 층에 부가된, 5-층 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제3 구현 예의 단면도를 나타내고;
도 4는, 상기 금속성 물질 층 및 서멧-타입 물질의 흡수체 층 사이의 내부위치의 추가 배리어 층 (barrier layer)이 도 3의 구현 예의 제5 층에 부가된, 6-층 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제4 구현 예의 단면도를 나타내며;
도 5는 도 2의 구현 예에 따라 실험실에서 만들어진 다층 코팅 물질의 실험적 스펙트럼 반사율을 나타내는 다이어그램이고; 동일한 도에서, 관심의 광-열적 파라미터, 특히, 두 개의 다른 작동 온도 (400 및 550 ℃)에서 평가된 태양열 흡광도 α 및 반구형 방사율 ε에 연관된 실험적 데이터는 보고된다.
이하, 본 발명을 좀더 이해하기 위한 유용한 몇몇 정의는 기재된다.
서멧: 세라믹 매트릭스에서, 금속성 나노입자, 또는 금속성 거동을 갖는 나노입자의 분산을 특징으로 하는 복합 물질.
분포형 (graded) 서멧: 상기 세라믹 매트릭스에서 분산된, 금속성 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 성분의 함량이, 상기 서멧의 가장 안쪽 계면으로부터 가장 바깥쪽 계면으로 거의 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 서멧 물질 층.
다층 서멧: 세라믹 매트릭스에서 분산된, 금속성 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 성분의 함량이, 가장 안쪽 계면으로부터 가장 바깥쪽 계면으로 계단-형으로 감소하는 것을 특징으로 하는 서멧 물질 층.
이중-질화물 서멧: 세라믹 성분 및 금속성 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 성분 모두가 질화물인 서멧-타입 물질.
금속성 거동: 우수한 전도성 및 높은 광학 흡수의 지수.
본 발명의 기술 분야에서 화학량론 비 (stoichiometric ratio)의 화합물: 자연수들 사이의 비율의 관점에서 나타날 수 있는 화학식에서 성분들.
아-화학량론적 (Sub-stoichiometric) 화합물: 상기 화합물의 화학적 원소 중 하나는 상기 화합물 자체의 화학량론 값과 관련하여 부족하다.
중간 온도 또는 중온: 450 ℃ 미만 온도.
고온: 450 ℃ 및 570 ℃ 사이를 포함하는 온도.
본 발명에 있어서, 기준이 금속성 소자 또는 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 소자 또는 성분으로 만들어진 경우, 모든 금속들이 포함되는 것을 의미한다.
본 발명의 몇몇 바람직한 구현 예들을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명자들에 의해 수행된, 몇몇 고려사항 및 실험적 시험, 및 본 발명 자체의 몇몇 요인뿐만 아니라, 본 발명의 달성의 기초는, 이하 설명될 것이다.
* * *
다층 물질
전술된 바와 같이, 본 발명의 목적은 서멧-타입 복합 물질의 적어도 한 층을 포함하는, 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질이다. 이러한 다층 물질은 또한 상기 복합 물질 층 하부에, 상기 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질의 추가 층 및 상기 복합 물질 층 상부에 놓인, 태양열 복사에 반사방지하는 반사방지 물질 층을 더욱 포함한다.
몇몇 구현 예에 있어서, 상기 금속성 물질 층 하부에 접착 적응성 층이 이롭게 제공될 수 있다.
몇몇 또 다른 구현 예에 있어서, 금속성 물질 층 및 복합 물질 층 사이에 개입된, 배리어 층이, 두 개 층 사이에 확산 및/또는 화학 반응 현상을 방지할 수 있어, 이롭게 제공될 수 있다.
상기 층들의 각 각을 선택 및 만들기 위해 본 발명자들에 의해 수행된 고려사항들은 이하 설명된다.
흡수체 층의 복합 물질
기술의 상태
상술한 바와 같이, 태양열 복사 흡수체 층으로 일반적으로 사용된 서멧은 적절한 특성을 갖는 세라믹 물질의 매트릭스에 몇몇 특별한 금속의 나노입자가 분산된 것이다. 특히, 나노미터 크기로 분산된 금속은 일반적으로: Cu, Ni, Co, Pt, Cr, Mo, W, Al, Ag 또는 이와 같은 것이다. 더구나, 금속성 거동을 갖는 물질로서 정의가능하고, 서멧 층의 제조에서 유용한 것은 또한 다음과 같은 몇몇 전이금속 질화물 및 탄화물 (carbides)이다: TixNy, ZrxNy, CrxNy, WxNy, MoxNy, MoxCy, WxCy 또는 이와 같은 것. 상기 서멧 층의 세라믹 매트릭스로 통상적으로 사용된 물질은 일반적으로 SiO, SiO2, Al2O3, AlN, SixNy, MgO, ZrO2 또는 이와 같은 것이다.
이러한 토폴로지의 서멧 층을 만드는데 사용된 최적의 기술은, 하나는 금속성 물질 (또는 금속성 거동을 갖는 물질) 및 다른 하나는 세라믹 물질을 제조할 수 있는, 공-스퍼터링 (co-sputtering) 기술, 즉, 다른 물질의 두 개의 표적으로부터의 동시 스퍼터링이다.
선결 고려사항 (Preliminary consideration)
상기 다층 코팅 물질의 광학적 활성층으로서 제공된 서멧의 유용성을 결정하기 위하여, 이를 생산하기 위한 공정뿐만 아니라, 특히 태양열 설비에 대하여, 다음의 고려사항을 주의하는 것이 바람직하다:
a) 상기 서멧 층은 우수한 균일성 (uniformity), 높은 생산성 및 낮은 비용으로 넓은 영역에 반복가능한 결과를 산출하는 증착 기술을 통하여 제공된 서멧 층을 만드는 가능성을 의미하는, 적절한 제조가능성을 제공하여야 하고;
b) 상기 선택된 서멧 층은, 금속성 함량, 또는 금속성 거동을 갖는 함량의 정확한 제어를 허용하는 기술, 및 분포된 서멧 또는 다층 서멧을 얻기 위한 공정 동안 이의 정밀한 연속 또는 계단-형 변형으로 제조가능하여야 하며;
c) 태양열 선택적 흡수체로서 최선의 서멧은, 세라믹 매트릭스에서, 상기 금속성 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 성분의 분산이 나노미터 크기를 갖는 과립형인 분산이며, 따라서, 금속성 성분, 또는 금속성 거동을 갖는 성분, 및 상기 세라믹 성분 사이에서, 부족한 젖음성 (wettability), 즉, 두 개의 격자 구조가 충분히 부조화되어, 상기 서멧-제조 공정 동안, 상기 금속이 즉시 상기 세라믹 매트릭스로 타원체화 (spheroidize)되는 경향이 있는 것이 중요하고;
상기 선택된 서멧 층은 태양열 스펙트럼 범위에서 오히려 높고, 근적외선 쪽으로 빠르게 감소하며, 중간 및 원적외선에서 실질적으로 투명하게 되는 흡수 계수를 나타내야 하며;
e) 상기 서멧에 함유된 금속성 거동을 갖는 물질은 높은 용융온도 및 고온에서 매우 낮은 확산 계수를 가져야 하고;
f) 상기 서멧에서 함유된 세라믹 물질은 고온에서 큰 물리적 및 구조적 안정성 및 동시에, 상기 서멧 층 하부 및 상부에 놓인 다양한 물질과 우수한 열적-기계적 결합을 산출하기 위하여, 과도하게 낮지 않은 열팽창계수를 나타내야 한다.
흡수체 층 제조를 위한 종래의 기술의 문제점의 확인
상기에서 이미 관찰된 바와 같이, 태양열 선택적 흡수체 사용을 위한 서멧 물질은, 내부에, 나노입자의 형태로, 금속성 특징을 갖는 물질이 분산된, 높은 투명 세라믹 물질의 매트릭스가 존재하는, 특정 타입의 복합 물질로 이루어진다.
따라서, 여기에 관찰된 것에 부가하여, 상기 정의된 바와 같은 서멧의 제조공정을 참조하면, 세라믹 표적 (RF-타입 스퍼터링)으로부터 증착된 경우, 세라믹 물질이, RF 스퍼터링 공정에서 낮은 증착 속도를 고려하여, 전체 다층 코팅 물질 (또한 태양열 코팅이라 한다)의 제조와 연관된 시간을 지체하는 요인을 구성한다는 것을 염두에 두는 것이 바람직하다.
전술된 문제점을 극복하고, 높은 증착 속도를 갖는 세라믹 성분의 제조 공정을 제공하기 위하여, 금속성 표적으로부터 반응성-타입 스퍼터링 공정에 의존하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 태양열 코팅을 만들기 위해 오늘날 사용된 최적의 반응성 스퍼터링 공정은 반응성 가스로서 산소의 사용하고, 따라서 금속 산화물 타입의 (서멧) 세라믹 매트릭스를 생산한다. 산소-함유 반응 환경의 금속성 표적의 공정에 있어서, 상기 표적은 불안정성 (instability) 및 부족한 공정 재생산성 (reproducibility)을 산출하는, 히스테리시스 현상 (hysteresis phenomenon)의 수반된 존재로 독성 현상 (poisoning phenomenon) (표적 표면 산화)을 직면한다. 이러한 현상은 일반적으로 상기 공정 챔버에서 반응성 가스의 양을 정확하게 관리하고, 독성 및 히스테리시스 현상을 방지할 수 있는, PEM (Plasma Emission Monitoring)- 또는 CVM (Cathode Voltage Monitoring)-타입 피드백 시스템에 의해 제어된다.
반응성 (산화) 환경에서 두 개의 금속성 표적의 동시 스퍼터링에 의해 얻어진 서멧-타입 복합 물질의 제조에 대하여, 상기 공정 및 생산된 물질의 안정성 및 재생산성을 보장하기 위하여, 금속성 표적 모두에 독성 및 히스테리시스를 방지하는 것이 필수적일 것이다. 그러나, 피드백 시스템은 두 개의 표적 중 오직 하나의 상태를 제어할 수 있고; 따라서, 두 개의 표적 중 하나의 상태는 공정 재생산성 및 따라서 생산된 서멧의 화학적-물리적 특징에 명백한 문제로, 제어 밖으로 남는다.
현재까지 사용에서 서멧에 연관된 전술된 문제점을 더욱 이해하기 위하여, 이하 고온에서 작동하는 태양열 코팅에 널리 사용된, Mo-Al2O3 서멧에 연관된 예가 보고된다.
(스퍼터링 가스로서 Ar+O2 혼합물을 사용하여 두 개의 금속성 표적 - Al 및 Mo -으로부터 공-스퍼터링 공정에 의해 얻어진) Mo-Al2O3 복합 물질의 경우에 있어서, 두 개의 금속성 표적은 "중독"되는 경향이 있고, 히스테리시스 및 공정 불안정성을 초래한다. 이러한 경우에 있어서, 상기 Al 표적은, 산화 환경에서 이러한 금속의 더 낮은 반응성을 활용하여, Mo 표적 근처에 가능한 한 많은 높은 산소 농도로 제한을 모색하는, 피드백 시스템으로 제어하에 놓여 질 수 있다.
그러나, 특정 양의 산화 몰리브덴 MoO3, α-상 및 β-상 모두가 형성된, Mo-Al2O3-타입 서멧을 제조하는데 불가피한, 상기 스퍼터링 플랜트 및 반응성 공-스퍼터링 공정상에 기술적 수준에 적용될 수 있는 다수의 주의사항은 문제가 되지 않는다. 따라서, 이러한 타입의 공정에서 실질적으로 얻어진 서멧은 고온에서 "순수한" Mo-Al2O3 서멧의 동일한 화학적 안정성을 갖지 않는, Mo-MoO3-Al2O3 타입의 복합체와 더욱 유사하다.
공지 기술의 문제점을 극복
상기 물질의 기술 명세서에 참고하여 상기 보고된 이러한 문제점 (제조성, 높은 생산성, 낮은 비용, 분포된 또는 다층 형태에서 서멧의 획득, 광학 흡수 스펙트럼의 적절한 패턴, 고열 안정성, 너무 낮지 않은 CTE), 및 반응성 스퍼터링 요법 (regimen) 하에 작동을 편리하게 하기 때문에 설명된 이유뿐만 아니라 산소로 작동에서 일련의 제한의 존재를 고려하여, 본 발명자들은 새로운 서멧-타입 물질을 고안하고 시험했다.
특히, MyNz-AlN 타입의 이중-질화물 서멧은 고안되고 제조되었고, 여기서 MyNz은 금속성 성분/금속성 거동을 갖는 성분이고, AlN은 복합 물질의 세라믹 매트릭스이다. "M"에 의해, 전이 금속을 나타내고, 특히 전이 금속의 질화물은 주로 금속성 거동을 갖는다. 바람직한 금속은 특히 W 및 Mo, 차선으로는, Ti 및 Zr이다.
이하 좀더 예시되는 바와 같은, 본 발명의 구현 예에 따르면, MyNz-AlN 타입의 광학적으로 흡수하는 복합 물질 (서멧)의 제조는 두 개의 금속성 표적 (M 및 Al)으로부터 반응성 공-스퍼터링 공정 및 질소 (N2)를 포함하는 스퍼터링 가스, 및 바람직하게는 Ar+N2 혼합물을 포함하는 가스를 사용하여 수행된다.
(예를 들어, 분포형의) MyNz-AlN 서멧의 제조에 있어서, AlN 물질 (서멧 매트릭스)은 매우 투명한 아-화학량론적 AlN과 양립가능한 최대 증착 속도를 유발하는, 일정한 캐소드 전력 및 질소 흐름 조건 하에서 생산된다. 이러한 질소 흐름은 공정의 설정된 파라미터가 아니고, 오히려 이것의 값은 피드백 시스템으로 결정되고 관리되며, 이것은, 예를 들어, 공정 챔버에서 반응성 가스의 양을 정확하게 관리할 수 있는, PEM (Plasma Emission Monitoring) 타입 또는 CVM (Cathode Voltage Monitoring) 타입일 수 있다.
이들 기술을 통해, 상기 알루미늄 표적에 질소 공급이 연속적으로 부족하게 유지시키는 것이 가능하고, 이에 의해 상기 금속성 표적 상에 어떤 독성 또는 히스테리시스 현상을 방지한다.
동시에, 상기 서멧에서 분산된 MyNz 물질은 출발시 높은 금속성 함량, 및 공정 말단에서 낮은 금속성 함량으로 분포된- 또는 다층-타입 서멧 물질을 얻기 위하여, (점진적 또는 계단-형 방식으로 감소하는 전력 값을 갖는) 상기 캐소드 전력을 변화시켜 생산된다.
이렇게 함에 있어서, 만약 상기 서멧-형성 공정에 연관된 특별한 고안장치가 적용되지 않는다면, 상기 서멧의 증착된 MyNz 금속성 성분은 상기 공정의 초기에서 공정의 말단에 증착된 것에 관하여 부족하게 질화될 수 있는 성분을 가질 수 있다.
상기 형성 공정에 연관된 흡수체 층의 불안정성 문제
분포된- 또는 다층-타입 서멧 타입성 공정의 관련 조건은 N2 흐름이 AlN 등급에 영향을 미치지 않기 위하여, 변화될 수 없는 것이다. 이것은, 서멧 층 증착이 물질 M의 캐소드 전력 및 이의 스퍼터링 속도를 낮춰서, 수행됨에 따라, 상기 서멧 질화 금속 입자의 AlN 매트릭스에서 삽입될 것이고, 여기서 금속은 질소가 부족하게 점진적으로 성장하는 (점차적으로 질화된 금속), 결점을 수반한다.
이러한 현상은, 상기 금속성 물질의 질화 수준이 금속성 거동을 갖는 서멧 성분의 화학적 및 구조적 안정성의 특성을 뚜렷하게 결정하기 때문에, 특별히 관련이 있다.
실제로, 고온에서 불안정한 MyNz 물질은 MyNz-AlN 서멧의 형성을 유발하고, 그들은 또한 열적으로 불안정하다. 따라서, MyNz-AlN 서멧을 포함하는 태양열 코팅은 또한 고온에서 그들을 불안정하게 할 것이다.
사실상, 예를 들어, M2N-타입 구조로, 충분히 질화된 MyNz 물질은, 고온에서 조차도 매우 안정한 반면, 500℃ 이상에서 어닐링을 수반하여, 부족하게 질화된 MyNz 물질은 질화물+금속 (M2N+M) 타입의 혼합 물질에 불균화 (dismutation)를 초래한다. 동시에, 500℃ 이상의 어닐링을 수반하는, 과도하게 질화된 MyNz 물질은, 질소 방출로 재조정된 결정 구조를 초래한다.
궁극적으로, 과도하지 않은 과중한 질화 값에 대해서만, 반응성 스퍼터링에 의해 얻어진 상기 MyNz 물질은 열 안정성의 관점으로부터 충분히 신뢰할 수 있는 것으로 고려될 수 있고, 따라서 상기 AlN 매트릭스에 도입된 것은 고온에서 안정한 서멧 물질을 초래할 수 있다.
흡수체 층 불안정성 문제의 해법
이러한 불안정성 문제점을 고려하여, 본 발명은 Al 표적 근처, 또는 물질 M의 표적 근처 이외에, 국소적 N2 주입 (N2 inletting)을 제공한다. 상기 M 표적 근처에 이러한 국소적 N2 주입은 분포형 또는 다층 서멧의 제조에 필요한 전체 전력에 대하여, MyNz 물질의 과도하지 않은 과중한 질화를 얻도록, 즉, 화학량론적 값에 가능한 한 가까운 질화를 얻고, (생산된 서멧에서) 화학량론적의 나노입자 및 안정한 M2N을 포함할 수 있도록 적절하게 계산될 수 있다.
이하 더욱 예시된 바와 같이, 이러한 물질 M의 표적 근처에 국소적 N2의 주입은 "전이 요법 (transition regimen)"하에서 수행되고, 피드백 시스템으로 관리되는 AlN 물질의 스퍼터링 공정의 과정을 변경하지 않는다.
금속성 IR 반사체 층
태양열 설비에서 다층 물질의 IR 반사체 층으로서 금속 유용성을 위해 필요한 특징들의 확인
적외선 반사체로서 일반적으로 사용된 금속은: Mo, W, Ag, Cu, Au, 또는 이와 같은 것이다.
상기 기재된 금속의 각각에 대하여, 태양열 설비에 사용하기 위한 다층 코팅 물질의 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질 층으로서 상기 금속의 유용성을 결정하기 위하여, 다음과 같은 몇몇 특징을 정확하게 분석하는 것이 바람직하다:
a. 1 - 25 ㎛ 범위에서 스펙트럼 반사율;
b. 예를 들어, 리시버 튜브와 같은, 리시버 소자의 작동 온도에서 진공하에서 구조적 안정성;
c. 고온에서 휘발성 산화물 형성의 확인, 산화 가스를 함유하는 환경, 및 리시버 튜브의 작동 온도에서, 물리적-화학적 안정성;
d. 주로 스틸 또는, 선택적으로, 상기 코팅 물질이 적용될 수 있는 리시버 소자를 구성하는 다른 타입의 물질에 대한, 접착 특성;
e. 상기 세라믹 물질, 통상적인 서멧 매트릭스 내부에 반사하는 금속성 물질의 고온에서의 원소 확산 계수 (elemental diffusion coefficient);
f. 스틸 또는 상기 코팅 물질이 적용될 수 있는 리시버 소자를 구성하는 다른 타입의 물질로부터 이동하는 원소의 확산 현상에 대한 배리어 층으로서 작용하기 위한 능력.
Mo, W, Ag, Cu 및 Au에 대해 수행된 분석
특히 Mo, W, Ag, Cu 및 Au를 고려하여, 다음을 확인하였다:
a. 적외선 반사율: Au, Ag 및 동일한 Cu는 그들이 근적외선 (1 - 4 ㎛ 범위)에서도 매우 높은 반사율 값을 가지므로, 최적의 스펙트럼 성능을 제공하는 금속이고; 이것은 태양 흡광도 존으로부터 열 방출 존까지 전달에서 매우 가파른 상승으로 광학 컷오프 (optical cutoff)를 허용하며; 상기 거동은 고온의 존재에서 조차 낮은 방사율 값을 유지시켜, 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질에 영향을 준다;
b. 고온의 진공 하에서 구조적 안정성: 목록의 모든 금속은 W 및 Mo를 선호로, 우수한 신뢰도를 나타낸다;
c. 산화 환경하에서 물리-화학적 안정성: Au 및 Ag는 좀더 안정한 것인 반면, Mo는 T > 350℃에서 휘발성 산화물을 형성하고, W는 T > 470℃에서 휘발성 산화물을 형성한다.
d. 스틸 접착 특성: Mo는 매우 우수한 접착 특성을 가지며, W은 다소 우수한 반면, Au, Ag 및 Cu은 매우 약한 접착 특성을 갖는다 (강한 접착 특성을 갖는 적절한 층으로 스틸 및 금속 사이에 개입하여 개선될 수 있는 접착);
e. 고온 확산 특성: Ag, Cu 및 Au는 높은 확산 계수를 나타내는 반면, Mo, 및 특히 W는, 작동 온도 및 장시간 동안, 상부에 놓인 서멧-타입 복합 층에 대한 안정성을 제공하는 매우 낮은 확산 계수를 갖는다;
f. 스틸에 대한 배리어 효과: Mo, 및 특히 W는 매우 효과적인 물질이고, 스틸로부터 이동하는 원소의 확산 현상에 대한 배리어 층으로서 작용하기 위해 적용된다.
금속성 물질 선택
여기까지 수행된 분석으로부터, 상기 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질 (이하 금속성 IR 반사체라 한다)의 선택에 있어서, 모든 특성들 중에서, 따라서 전술된 다른 거동들의 조화를 발견하는 것이 바람직하다는 것이 명백하다. 특히, 반사체로서 사용될 물질의 선택은, 다른 것들 중에서, 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질이 이의 사용 동안 적용되는 온도에 의해, 결정될 것이다.
고온에서 (즉, 550 ℃까지) 작동하는 태양열 설비에서 사용하는데, W, 및 차선으로 Mo가 가장 신뢰할 수 있는 물질이라는 것이 증명되었다. 이러한 경우에 있어서, 본 발명의 구현 예에 따르면, 상기 반사하는 금속성 물질 층은 최선의 적외선 반사율, 즉, α-상 결정 구조를 갖는 (W 및 Mo의) 결정 구조로 만들어진다. 이하 좀더 예시된 바와 같이, 이러한 구조는 하기를 바람직하게는 제공하는 제조 공정에 의해 조성된다: i) CO2 및 H2O의 매우 낮은 잔류물을 갖는, 스퍼터링 챔버에서 매우 무거운 (< 5×10-7 mbar) 기본 진공; ii) 상기 스퍼터링 공정 전에 예열된, 매우 깨끗한 기판 (예를 들어, 스틸 튜브); iii) 세라믹 또는 서멧-타입 복합 층의 기판 (예를 들어, 스틸) 상에 예비 증착 (선택적인 구현 예에 있어서 본 단계는 존재하지 않음); iv) 금속성 IR 반사체 물질의 증착을 위해 높은 에너지 효과 (높은 캐소드 전력, 상기 챔버에서 충분히 낮은 압력, 상기 기판상에 적용된 BIAS)을 갖는 스퍼터링 공정.
중-저온 (<450℃)에서 작동하는 태양열 설비 및 높은 성능 (고온에서 매우 낮은 방사율)을 추구하는 가설에서의 사용을 위하여, Ag, 및 또한 Cu의 사용은 고려할 가치가 있다. 이들 금속의 모두는, 또한 본 발명에 따른 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 바람직한 구현 예의 적용인, 배리어 효과를 갖는 접착 적응성 층의 내부위치로 스틸 (또는 상기 기판을 구성하는 다른 물질) 상에 이들의 접착력을 바람직하게는 개선시켜, 사용될 수 있다.
접착 적응성 층
이러한 층은: W, Mo, Ti, Zr, AlN, W+AlN, Mo+AlN, Ti+AlN, Zr+AlN, WxN-AlN 서멧, MoxN-AlN 서멧, TiNx, ZrNx, Al2O3, W+Al2O3 및 Mo+Al2O3을 포함하는 군으로부터 선택된 타입일 수 있다.
금속성 IR 반사체로서 Ag 또는 Cu의 사용의 경우에 있어서, 상기 접착층은 우선적 배향 (preferential orientation) (111)으로 그 위에 Ag 또는 Cu의 성장을 촉진하는 것과 같이, 축 c를 따라 우선적으로 성장하는, W 타입 또는 Mo 타입이 바람직하다. 특히, 최선의 격자 결합 (lattice coupling)을 얻고, Ag 또는 Cu 금속성 반사체의 접착 특성을 최대화하기 위하여, α 결정 형태 W (또는 Mo)의 제1 층 및 β 결정 형태 W (또는 Mo)의 제2 층을 증착하는 것이 바람직하다.
요컨대, IR 반사체를 참조하고, 본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 고온 (550 ℃까지)에서 작동하는 다층 태양열 코팅 물질에 사용하는데 가장 적절한 물질은, 이하 좀더 예시된 바와 같이, 리시버 소자의 기판을 적절히 처리 (가열, 플라즈마 에칭, "예비" 세라믹 또는 서멧-타입 복합 층)하는 가능성, 및 높은 에너지 효과를 갖는 스퍼터링 공정으로 IR 반사체의 만드는데 작동하는 가능성으로, W, 및 차선으로, Mo이다.
반대로, 상기 IR 반사체를 참조하고, 본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 중-저온 (<450 ℃, 바람직하게는 400 ℃)에서 작동하는 다층 태양열 코팅 물질에 사용하기 위해 가장 적절한 물질은, 이하 좀더 예시되는 바와 같이, 상기 IR 반사체 층 상부에 놓이고, 하부에 적절한 접착 적응성 층에 증착시, Ag 및 차선으로, Cu이다.
W(Mo)/서멧 계면
실험적 시험 및 임계 검출
본 발명의 수행 동안 실행된 실험적 검토는, 예를 들어, W 또는 Mo로 제조된 반사금속층, 및 서멧-타입 복합 물질의 AlN 세라믹 매트릭스 사이에서의 고온에서 화학적 반응성의 존재를 보여준다.
특히, 오히려 개방형, 4중-대칭 구조를 갖는, W 및 Mo와 같은 물질이, (질소-함유 분위기 하에서 반응성 공-스퍼터링 공정으로 본 발명에 따라 만들어지고, 질화 알루미늄 AlN이 포함된 세라믹 매트릭스에 존재하는) 질소로 향하는 높은 반응성을 초래할 수 있는 반면, 오히려 패킹된 3중-대칭 구조는 낮은 반응성을 초래할 수 있다.
W 또는 Mo 및 AlN 사이의 반응성 수준에 영향을 미치는 또 다른 관련 요인은 상기 AlN 세라믹 매트릭스가 생산되는 공정의 타입에 의해 나타낸다. 일반적으로, AlN 반응성은 질소가 특별히 풍부한 가스 하에서 (과-화학량론적-타입 AlN의 형성으로, Al 표적 독성의 조건하에서) 반응성 스퍼터링에 의해 생산되는 경우 특히 높다. 따라서, 상기 서멧 층 (MyNz-AlN, 여기서 M은, 예를 들어, W 또는 Mo이다)이 (W 또는 Mo의) 금속성 IR 반응체 상에 직접적으로 증착되는 본 발명의 다층 코팅 물질의 구현 예의 경우에 있어서, 고온 화학적 반응의 존재에서 AlN-W (또는 Mo) 계면의 분해를 유발하는 것을 발생시킬 수 있다. 다시 말해서, (W 또는 Mo의) 상기 금속성 IR 반응체 상에 직접적으로 본 발명에 따른 서멧 층의 증착 (WyN-AlN 또는 MoyN-AlN)은 계면을 수반할 수 있고, 여기서 AlN 및 W (Mo)는 가능한 고-온 화학적 반응 (계면 분해)으로, 친밀하게 접촉될 것이다.
상기 시험으로부터, 450 ℃ 미만의 온도에 대해, 계면에서, 반응은 관찰하기에 어려울 정도로 느리게 나타나고, 이것은 전술된 바와 같이 서멧 층 - 금속성 IR 반사체 구조 (서멧/M, 여기서 M은 금속)의 사용이, 전반적으로 높지 않은 온도에서, 불안정성 문제점을 수반하지 않는 이유이다. 이것은 중-저온 (400 ℃)에서 교환 유체 (exchange fluids) (투열성 오일 (diathermic oil))로 작동하는 리시버 튜브에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 경우이다.
그렇지 않다면, 상기 금속이 다소 개방형 구조를 갖고, AlN은 질소가 특별히 풍부한 가스 하에서 생산되는, 중-고온 (>450 ℃)에서의 상기 서멧/M 계면에서 AlN 및 W 또는 Mo 사이의 반응은 적절할 수 있는 것으로 입증되고, 하기 식의 타입이다:
AlN + (x+y) M = MxN + MyAl
동시에, 고온 (570℃)에서 다층 코팅 물질을 유지시켜, 전술된 반응이 포화되지 않지만, 서멧/M 계면의 점진적 분해, 금속성 IR 반사체의 반사력의 점진적 악화에서 자체의 분해, 및, 따라서 다층 코팅 물질의 방사를 생성할 수 있는 것이 입증된다. 이것은, 고온 (550 ℃)에서 교환 유체 (용융염)로 작동하는 리시버 튜브에 사용에 대하여, 상기 다층 코팅 물질의 성능의 불안정성의 위험성을 피하기 위하여, 상기 Al 표적 및 (4중 대칭 구조를 갖는) W 또는 Mo의 금속성 IR 반사체 상에 N2 포화에 의해 생성된 서멧 (WyN-AlN 또는 MoyN-AlN) 층 사이의 계면을 배제하는 것이 바람직할 수 있다는 것을 의미한다.
상기 실험 시험에 의해 강조된 문제점에 대한 해법
전술된 이유 때문에, 본 발명의 구현 예에 따른 고온 (550 ℃)에서 작동할 수 있는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조에 대하여, 스틸 (또는 다른 물질) 기판과 상기 층의 열적-기계적 안정성이 양립가능한 높은 에너지 스퍼터링 공정 (높은 캐소드 전력, 낮은 압력, BIAS)에 의해, 다소 패킹된 (3중 대칭) 구조를 갖는, 예를 들어, W 또는 Mo의 반사하는 금속성 층을 사용 및 증착하는 것이 예상된다. 실제로, 과도하게 패킹된 구조를 갖는 반사하는 금속성 물질 (W 또는 Mo)의 층들은 온도 순환 하에서 접착 및 열적-기계적 안정성의 심각한 문제점을 갖는, 고 압축-타입 고유 응력을 나타낸다. 여기까지 언급된 것은 높은 패킹 요인 (금속 반응성 감소)를 갖는 구조를 얻기 위한 필요 및 상기 기판상에 접착을 손상시키는 압축 응력의 수반된 생성으로, 과도한 패킹 값에 도달하지 않게 하기 위한 필요 사이를 절충하기 위한 조사를 수반한다.
항상 상기 설명된 이유 때문에, 본 발명의 구현 예에 따라 고온 (550 ℃)에서 작동할 수 있는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조에 대하여, 이것은 아-화학량론적 AlN 매트릭스가 금속성 (W 또는 Mo) 층으로 향하는 낮은 반응성을 갖는 것이 입증되었기 때문에, 상기 Al 표적이 아-화학량론적 AlN 매트릭스로 서멧을 생산하기 위하여 전이 요법 (PEM 또는 CVM 감시) 하에서 작업하는 공정 가스 환경 하에 분포형 서멧 (WyN-AlN 또는 MoyN-AlN) 층을 상기 금속 (W 또는 Mo) 상에 직접 증착하는 것이 예상된다.
배리어 층
본 발명의 변형에 따르면, 상기 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질이 금속성 물질을 반사하는 층 및 서멧 타입의 복합 물질을 광학적으로 흡수하는 층 사이에 개입된 배리어 층을 고찰한다.
본 배리어 층은 본 발명자들에 의한 시험의 대상이 되었다. 이러한 층에 대한 원하는 특성은 다음과 같다:
- 매우 높은 온도 (600℃ 까지)에서 조차도 W (또는 Mo)으로 향하는 안정성 및 화학적으로 불활성;
- 전체 다층 코팅 물질의 전반적 광학 거동을 손상하지 않게 하는, IR 스펙트럼 영역 및 충분하게 얇은 (5-50 nm) 투명도;
- 반사하는 금속성 물질 및 서멧 층 (이것은 다층 물질의 제조공정 동안 배리어 층 후에 증착된다) 사이에 친밀한 접촉을 완벽하게 제거하기 위하여, (예를 들어, W 또는 Mo의) 반사하는 금속성 물질의 표면에 커버 등각 (conformal)을 갖는, 충분한 간결성 (compact);
- 우수한 확산 공정 차단 특성;
- 바닥층 (금속성, 바람직하게는 W 또는 Mo) 및 상부 층 (서멧)에 열적-기계적으로 적용가능성.
상기 개시된 내역에 기초하여, 본 발명의 구현 예에 따르면, 상기 배리어 층은 높은 금속성 함량은 갖는, WxN-AlNyOz 타입 또는 MoxN-AlNyOz 타입의 서멧-타입 물질로 만들어진다. 이하 명백해지는 바와 같이, 상기 배리어 층은 모든 표적들 근처에 질소 주입 및 단독 Al 표적 근처에 산소 주입으로, 금속성 표적, 바람직하게는 W (또는 Mo), 및 Al 표적을 사용하여, 공-스퍼터링 기술로 생산된다. 상기 층은 하부 금속 (W 또는 Mo)으로 향하는 WxN-AlNyOz (또는 MoxN-AlNyOz) 층에 낮은 반응성을 보장하기 위하여, 0.1 및 0.4 사이의 범위의, 평균으로 낮은 z/y 비를 갖는, 세라믹 매트릭스 (AlNyOz)을 특징으로 할 수 있다.
종합하면, 본 발명의 구현 예에 따르면, 고온에서 시간에 걸쳐 화학적으로 안정한 MyNz-AlN 타입 (바람직하게는 WyNz-AlN 또는 MoyNz-AlN)의 분포형 서멧에 기초하여 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 생산하기 위하여, WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlNyOz 서멧 타입의, 배리어 효과를 갖는 박층으로 (바람직하게는 W 또는 Mo의) 반사하는 금속성 물질 및 상기 서멧 층 사이에 개입하는 것이 가능하다.
* * *
본 발명의 바람직한 구현 예는 첨부된 도면을 참조하여 기재될 것이다.
도 1을 참조하면, 이중-질화물 서멧 타입의 광학적 선택 복합 물질 (1)은 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질에 삽입된 것의 예로서 표현된다.
전술된 바와 같이, 이중-질화물 서멧 타입의 광학적으로 흡수하는 복합 물질은 세라믹 매트릭스 및 그 내부에 나노 분산된 금속성 거동을 갖는 성분으로 필수적으로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 상기 세라믹 매트릭스는 질화 알루미늄 또는 질화 규소 (바람직하게는 AlNx)이고, 여기서 알루미늄 (Al) 또는 실리콘 (Si) 및 질소 (N)의 비는 아-화학량론적이며, 상기 금속성 거동을 갖는 성분은 MyNz 타입의 질화물이고, 여기서 M은 전이금속이며, M 및 N 사이의 비는 화학량론적이다. 특히, M 및 N 사이의 비는 M2N 상이 필수적으로 존재한다.
구현 예에 따르면, 상기 세라믹 매트릭스는 하기를 포함한다:
- 0.90≤x<1.00의 범위에 포함된, 특히 0.95인 x를 갖는 질화 알루미늄 AlNx; 또는
- k>0인 질화 규소 Si3N4 -k.
흡수층과 연관한 본 발명자들에 의해 원래의 고려사항 및 시험에 관련하여 전술된 것에 대하여, 상기 서멧-타입 물질의 금속성 거동을 갖는 성분을 형성하는 전이금속 M은 W, Mo, Ti, Zr, 및 특히 바람직하게는 W 또는 Mo을 포함하는 군으로부터 선택된다.
특히, 바람직하게는 광학적으로 흡수하는 분포형 또는 다층 서멧-타입 복합 물질에서, 상기 금속성 거동을 갖는 성분은 구배 또는 계단-형 패턴에 따라 각각 세라믹 매트릭스에서 분산된다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 또한 태양열 설비, 특히 중-고온 (550 ℃까지)에서 바람직하게 작동하는 열역학 태양열 설비에서 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질에 관한 것이다.
상기 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질은 전술된 서멧 타입의 광학적으로 흡수하는 복합 물질의 적어도 하나의 층 (1)을 포함한다.
특히, 도 1에 표시된 구현 예에 따르면, 상기 다층 코팅 물질은 서멧 물질 층 (1) 하부에, 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질의 추가 층 (2), 및 상기 서멧-타입 복합 물질 층 (1)에 상부에 놓이는, 태양열 복사에 반사방지하는 반사방지 물질의 추가 층 (3)을 포함한다.
특히, 상기 서멧-타입 복합 물질 층은 약 0.05-0.15 ㎛의 범위에서 포함된 두께를 갖는다.
상기 금속성 IR 반사체에 관련하여 전술된 바와 같이, 상기 금속성 물질 층 (2)은 W, Mo, Ag, Cu, Au; 특히, α-상인 경우 바람직하게는 W 또는 Mo을 포함하는 군으로부터 선택된다.
상기 금속성 물질 (2), 특히 W 또는 Mo를 포함하는 경우, 3중-타입 고-소형화 α-상 결정 구조 (높은 반사력)을 갖는다.
상기 금속성 물질 층 (2)은 바람직하게는 약 0.06-0.60 ㎛의 범위로 포함된 두께를 갖는다.
도 1을 참조하면, 상기 반사방지 물질 (3)은 질화 알루미늄 (AlN) 또는 Al2O3, 또는 SiO2이고, 및/또는 바람직하게는 0.02-0.15 ㎛의 범위로 포함된 두께를 갖는다.
도 3을 참조하면, 선택적 구현 예에 따르면, 상기 다층 코팅 물질은 상기 금속성 물질 층 (2) 하부에 추가 접착 적응성 층 (4)를 포함하고, 이것은 상기 코팅 물질이 적용된 기판상에 금속성 층 (2)의 접착력을 증가시키는 목적을 가지며, 높은 IR 반사율을 갖는 α-상 W 또는 Mo의 3중-타입, 고-소형화 반사 금속 층의 성장을 촉진하는 추가 목적을 갖는다.
상기 접착 적응성 층 (4)은 약 0.02-0.12 ㎛의 범위에 바람직하게 포함된 두께를 갖고, 및/또는 W, Mo, Ti, Zr, W+AlN, Mo+AlN, Ti+AlN, Zr+AlN, TiNx, ZrNx AlN, Al2O3, W+Al2O3, Mo+Al2O3, WxN-AlN, MoxN-AlN으로 구성된 군의 하나 이상의 원소를 포함한다. 바람직하게는, 이것은 Ag 또는 Cu 타입의 금속성 IR 반사체에 대한 접착층으로서 제공된 경우 Mo, W, Ti, Al2O3 또는 Mo+Al2O3이고; 바람직하게는 α 결정 형태 W (또는 Mo)의 제1 층 및 β 결정 형태 W (또는 Mo)의 제2 층을 갖는 W 또는 Mo 타입이며; 반면 W 또는 Mo 타입의 금속성 IR 반사체에 대해 α-상 성장을 촉진하는 적응성 층으로서 제공된 경우, WNx-AlN, MoNx-AlN, Al2O3, W+Al2O3 또는 Mo+Al2O3 타입이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 추가 선택적 구현 예에 따르면, 상기 다층 코팅 물질은, 두 개의 층 사이의 확산 및/또는 화학적 반응 현상을 방지할 수 있는, 금속성 물질을 반사하는 층 (2) 및 서멧 물질의 층 (1) 사이의 내부위치에 추가 배리어 층 (5)을 포함한다.
상기 배리어 층 (5)은 약 0.005-0.05 ㎛의 범위에 바람직하게 포함된 두께를 갖고, 이것은 서멧 물질의 타입: WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlyNOz이다. 상기에서 배리어 층에 대해 논의한 바와 같이, 상기 후자는 세라믹 성분 AlNyOz에 대하여 금속성 거동을 갖는 성분 (WxN 또는 MoxN)의 30%-50% 퍼센트로, 높은 금속 함량을 갖는 서멧-타입 물질이다. 더구나, 이는 바람직하게는 약 0.1-0.4의 범위에 포함된 WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlyNOz 사이의 z/y비를 갖는다.
본 발명의 구현 예에 따르면, 상기 서멧-타입 물질 층 (1)은 분포형 또는 다층이고, 상기 서멧 물질 층 (1)의 금속성 성분은 각각 구배 또는 계단-형 패턴에 따라, 서멧 층 및 금속성 층 사이 또는 서멧 층 및 배리어 층 사이의, 가장 내부의 계면으로부터, 서멧 층 및 반사방지 물질 층 사이에 가장 외부 계면으로 감소한다.
도 2, 3 및 4를 참조하면, 상기 다층 코팅 물질은 상기 제1 반사방지 물질 층 (3) 상부에 놓인 추가 제2 반사방지 물질 층 (6)을 포함한다.
상기 제2 반사방지 물질 층 (6)은 (하부 층과 같은) 약 0.02-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께를 바람직하게 가지며, 항상 바람직하게는, SiO2 또는 Al2O3이다.
본 발명의 목적인 물질의 몇몇 대표적인 구현 예의 상세한 설명으로부터, 상기 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 구성하는, 상기 목록의 부가적인 층들은, 접착 적응성 층 (4), 배리어 층 (5) 및 제2 항 반사 물질 층 (6)이 명확하고, 6-층 다층 물질을 형성하기 위해 3개가 모두 존재할 수 있으며, 또는 이들 중 오직 2개는, 5-층 다층 물질을 형성하기 위해 어떤 하나의 조합 (접착 적응성 층 (4) 및 배리어 층 (5); 배리어 층 (5) 및 제2 반사방지 물질 층 (6); 접착 적응성 층 (4) 및 제2 반사방지 물질 층 (6))에 따라, 존재할 수 있고, 또는 이들은 4-층 다층 물질을 형성하기 위해 개별적으로 존재할 수 있다.
단일 반사방지 층을 수반하는 형상에 있어서, 상기 AlN 층은 또한 상기와 같이, 선택적으로 SiO2 또는 Al2O3일 수 있다. 반대의 경우에 있어서, 두 개의 반사방지 층을 갖는 형상에 있어서, 상기 순서는 AlN (제1 층) + SiO2 또는 Al2O3 (제2 층)일 수 있다.
도 5를 참조하면, 4-층 구현 예에 따른 다층 코팅 물질은 금속성 IR 반사체로서 W의 층, 분포-형 (graded-type) 서멧 물질 W2N-AlNx의 층, 제1 반사방지 층으로서 AlN의 층, 및 제2 반사방지 층으로서 SiO2의 층을 포함하고, 약 550 ℃의 작동 온도, 0.95 이상의 흡광도 α 및 0.14 미만의 방사율 εh를 갖는다.
이하, 먼저 광학적으로 흡수하는 서멧-타입 복합 물질의 제조공정을 설명하고, 그 다음 태양열 설비, 특히 열역학적 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정이 설명될 것이다.
상기 광학 선택적 이중-질화물 서멧-타입 복합물질의 제조 공정은, (상기 서멧 흡수체 층에 연관하여) 상기에서 예시된 바와 같이, 이중 금속성 표적, (i) M 및 (ii) Al 또는 Si로 질소-함유 분위기 하에서 반응성 공-스퍼터링 기술에 기초된다. 본 발명에 따르면, 독립적인 질소 흐름은 각 금속성 표적 (i) 및 (ii) (M, Al 또는 Si)에 대해 제공되고, 상기 공정은 하기 단계를 실질적으로 동시에 포함한다:
- 아-화학량론 비에서 질화 알루미늄 또는 질화 규소 AlNx 또는 Si3N4 -k을 증착시키는 단계;
- 화학량론 비에서, 특히 M2N 상이 필수적으로 존재하도록, M 표적에 의해 생산된 MyNz을 증착시키는 단계.
특히, 본 발명의 공정에 따르면, 상기 실질적으로 동시에 일어나는 단계는 하기 단계가 예측된다:
- 아-화학량론비에서 AlNx 또는 Si3N4 -k을 얻기 위해, 부족하게 유지되는 질소 흐름 및 일정한 캐소드 전압 하에서 작동하는, Al 또는 Si 표적에 의해 생성된 질화 알루미늄 또는 질화 규소를 증착시키는 단계;
- 화학량론 비에서 MyNz을 얻기 위한, 즉, 상기 M2N 상을 바람직하게 얻기 위한 비에서, 감소하는 캐소드 전력 및 질소 흐름에서 작동하는 M 표적에 의해 생성된 MyNz를 증착시키는 단계.
본 발명에 따르면, 상기 Al 표적에서 질소 흐름은 전체 공정 동안 아-화학량론적 Al/N 비를 유지하도록 피드백 시스템을 통해 감시되고 변화된다.
특히, 상기 피드백 시스템은 PEM (Plasma Emission Monitoring) 또는 CVM ("Cathode Voltage Monitoring") 타입이 바람직하다.
상기 질소-함유 분위기에서 상기 스퍼터링 공정은 바람직하게는 Ar+N2 혼합물을 포함한다.
상기 공정은 이전에 정의된 바와 같이 서멧-타입 복합 물질의 제조를 제공하고, 따라서, 상기 금속성 표적 M은 W, Mo, Ti 및 Zr, 더욱 바람직하게는 W 또는 Mo을 포함하는 군으로부터 바람직하게 선택된 전이금속 M이다.
본 발명의 공정의 구현 예에 따르면, 부족하게 유지된 질소 흐름 및 일정한 캐소드 전압 하에서 작동하여 수행된, Al 또는 Si 표적에 의해 생산된 질화 알루미늄 또는 질화 규소를 증착시키는 단계는, 0.90≤x<1.00의 범위에 포함된 AlNx의 x 및 (K>0) 0 보다 큰 Si3N4 -k의 k를 갖는, 아-화학량론 비에서 AlNx 또는 Si3N4 -k을 얻기 위한 것이다. 특히, AlNx의 x는 바람직하게는 0.95이다.
이하, 태양열 설비, 특히 열역학 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정이 기재된다.
특히, 이것은 광학적으로 흡수하는 서멧-타입 복합 물질의 제조와 관련하여 여기에 기재된 모든 단계가 예측된다.
도 1의 구현 예를 참조하면, 상기 공정은 하기의 단계를 시간 순서로 더욱 포함한다:
- 상기 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질 층 (2)를 증착시키는 제1 단계;
- 이중-질화물 서멧 타입의 전술된 광학적으로 흡수하는 복합 물질의 제조공정을 통해 이중-질화물 서멧 (1)을 증착시키는 제2 단계; 및
- 태양열 복사에 반사방지하는 제1 반사방지 물질 (3)을 증착시키는 제3 단계.
본 발명의 구현 예에 따르면, 상기 금속성 물질 층 (2)을 증착시키는 단계는, 전술된 바와 같이, 상기 층의 더 높은 반사력을 얻는 것을 허용하는 금속성 물질의 결정 α 상을 얻도록 수행된다.
특히, 상기 공정은 약 0.05-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께로 서멧 물질 층 (1); 및/또는 W, Mo, Ag, Cu, Au 및/또는 α-상 결정 구조를 갖는 금속성 물질 (2)를 포함하는 군으로부터 선택된 금속성 물질 층 (2); 및/또는 약 0.06-0.60 ㎛의 범위에 포함된 두께의 금속성 물질 층 (2); 및/또는 AlN을 포함하는 반사방지 물질 층 (3); 및/또는 약 0.02-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 반사방지 물질 층 (3)을 바람직하게 얻도록 수행된다.
또 다른 구현 예를 참조하면, 상기 공정은, 금속성 물질 층 (2)를 증착시키는 제1 단계 전에, 스퍼터링 기술을 통해 수행되는, 추가 접착 적응성 층의 증착의 예비 단계를 포함한다.
전술된 바와 같이, 상기 접착 적응성 층 (4)은 약 0.02-0.12 ㎛의 범위에 포함된 두께로 바람직하게 만들어지고; 및/또는 W, Mo, Ti, Zr, W+AlN, Mo+AlN, Ti+AlN, Zr+AlN, TiNx, ZrNx AlN, Al2O3, W+Al2O3, Mo+Al2O3, WxN-AlN, MoxN-AlN을 포함하는 군의 하나 이상의 원소를 포함한다.
또 다른 구현 예를 참조하면, 상기 공정은 하기 두 개의 층 사이에 확산 및/또는 화학적 반응 현상을 방지할 수 있는, 금속성 물질 층 (2) 및 서멧 물질 층 (1) 사이에 개입된 배리어 층 (5)을, 반응성 공-스퍼터링 기술을 통해 수행되는, 추가 증착의 단계를 포함한다.
전술된 바와 같이, 상기 배리어 층 (5)는 약 0.005-0.05 ㎛의 범위에 포함된 두께로 바람직하게 만들어지고; 및/또는 서멧: WxN-AlNyOz 및 MoxN-AlyNOz을 포함하는 군으로부터 선택되며; 및/또는 상기 z/y 비는 0.1-0.4 범위에 포함되고; 및/또는 상기 서멧은 WxN 또는 MoxN의 높은 금속성 함량이고, 상기 세라믹 성분 AlNyOz에 대하여 30%-50%의 퍼센트 범위에 포함된다.
또 다른 구현 예와 관련하여, 상기 공정은 제1 반사방지 물질 (3) 상부에 놓인 반사방지 물질 (6)의 추가 제2 층을, 반응성 스퍼터링 기술을 통해 수행되는, 증착의 단계를 포함한다.
전술된 바와 같이, 상기 제2 반사방지 물질 층 (6)은 SiO2 또는 Al2O3이고; 및/또는 바람직하게는 약 0.02-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께로 만들어진다.
상기 금속성 물질 층 (2)를 증착하는 제1 단계를 참조하면, 이는 높은 캐소드 전력 밀도 및 낮은 압력에서 작동하는, 스퍼터링 기술을 통해 수행되고, 반면에 제1 반사방지 물질 (3)을 증착시키는 제3 단계는 반응성 스퍼터링 기술을 통해 수행된다.
특히, 상기 금속성 물질 층 (2)를 증착하는 단계를 참조하면, 상기 캐소드 전력 밀도는 약 8 및 18 W/㎠ 사이에 포함되고, 및/또는 상기 낮은 압력은 약 0.6 및 6.0μBar 사이에 포함된다.
상기 금속성 물질의 층 (2) 또는 추가 접착 적응성 층 (4)를 증착시키는 단계를 참조하면, 상기 공정은 하기의 추가 예비 단계를 포함한다:
- 스퍼터링 작동 챔버에서 무거운 진공 조건 (heavy vacuum condition) (약 < 5 * 10-7 mbar)을 만드는 단계;
- 코팅될 기판의 표면상에 CO2 및/또는 H2O 잔류물을 최소화시키는 단계;
- 증착 기판을 세정하는 단계 및 예열하는 단계.
특히, 상기 기재된 예비 단계는 하기가 예측된다:
- 약 2 - 5 kV의 범위에 포함된 캐소드 전압 및 약 5 - 30 μBar의 범위에 포함된 압력에서 이온 빔 기술의 수단에 의해 기판의 표면의 아르곤 플라즈마 처리; 및/또는
- 약 5×10-7 - 1×10-5 mbar의 범위에 포함된 압력 값을 갖는 진공하의 100 및 300 ℃ 사이에 포함된 온도에서 기판을 가열.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 포함하는, 태양열 설비의 리시버 소자에 관한 것이다. 특히, 상기 리시버 소자는 상기 목적을 위해 적절한 다른 물질 또는 스틸로 만들어진, 열-운반 유체 (heat-carrying fluid)를 함유할 수 있는 리시버 튜브이다. 물론, 전술된 공정은 상기 리시버 소자에 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 적용하기 위해 사용된다.
따라서, 본 발명은 또한 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 전술된 제조 공정의 하나 이상의 단계를 포함하는 상기 리시버 소자에 대한 코팅 공정에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명에 따른 코팅 물질이 진공 (570 ℃의 온도까지) 및 공기 (450 ℃의 온도까지) 하에서 모두 작동할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 최대 작동 온도의 이러한 높은 제한은 시판되는 태양열 코팅에 관련된 것보다 훨씬, 본 발명에 따른 코팅의 독보적인 특색이고, 상기 코팅을 구성하는 층에서 이들의 순서 및 이들을 제조하기 위해 사용된 공정에, 사용된 물질의 높은 화학적-구조적 안정성에 기여한다.
* * *
실시 예
본 발명의 다층 물질의 구현 예의 실시 예는 비-제한 예의 방식으로 제공된다.
실시 예 1: 하기 표 1과 같은 도 1에 예시된 물질은 제조된다.
층 물질 두께
1-서멧 질화 텅스텐-질화 알루미늄 약 0.1 ㎛
2-반사 금속 (α-상) 텅스텐 약 0.13 ㎛
3-반사방지 질화 알루미늄 약 0.08 ㎛
실시 예 2: 하기 표 2와 같은 도 2에 예시된 물질은 제조된다.
층 물질 두께
1-서멧 질화 텅스텐-질화 알루미늄 약 0.1 ㎛
2-반사 금속 (α-상) 텅스텐 약 0.13 ㎛
3-반사방지 질화 알루미늄 약 0.08 ㎛
6-2nd반사방지층 SiO2 약 0.08 ㎛
실시 예 3: 하기 표 3과 같은 도 3에 예시된 물질은 제조된다.
층 물질 두께
1-서멧 질화 텅스텐-질화 알루미늄 약 0.1 ㎛
2-반사 금속 (α-상) 텅스텐 약 0.13 ㎛
3-반사방지 질화 알루미늄 약 0.08 ㎛
6-2nd반사방지층 SiO2 약 0.08 ㎛
4-접착 적응성 Al2O3 약 0.06 ㎛
실시 예 4: 하기 표 4와 같은 도 4에 예시된 물질은 제조된다.
층 물질 두께
1-서멧 질화 텅스텐-질화 알루미늄 약 0.1 ㎛
2-반사 금속 (α-상) 텅스텐 약 0.13 ㎛
3-반사방지 질화 알루미늄 약 0.08 ㎛
6-2nd반사방지층 SiO2 약 0.08 ㎛
4-접착 적응성 Al2O3 약 0.06 ㎛
5-배리어 WxN-AlNyOz (0.1≤z/y≤0.4) 약 0.02 ㎛
일반적으로, 도 4는 다층 물질이 적용되는, 도에서 묘사되지 않은 스틸 또는 다른 물질의 기판 (예를 들어, 열역학 설비를 위한 리시버 튜브)으로부터 출발하는 다음의 순서를 제공하는, 6개의 박층을 포함하는 구조를 갖는 본 발명의 구현 예를 보여준다:
- 예를 들어, WNx-AlN 또는 MoNx-AlN 또는 Al2O3 또는 W+Al2O3 또는 Mo+Al2O3 타입인, 높은 IR 반사력을 갖는 α-상 W (또는 Mo)의 반사 금속성 층의 성장을 증진시키기 위한 접착 적응성 층 (4) (0.02 및 0.12 ㎛의 사이에 포함된 두께);
- IR 반사체로서, 바람직하게는 W 또는 Mo의 반사하는 금속성 층 (2) (0.06 내지 60 ㎛의 두께);
- 바람직하게는 WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlyNOz인, 서멧 타입의 배리어 층 (5) (0.005 내지 0.05 ㎛의 두께);
- 선택적 흡수체로서, 바람직하게는 WyN-AlN 또는 MoyN-AlN 타입 (0.05 내지 0.15 ㎛의 두께)인 서멧 물질 층 (1), 여기서 금속성 성분의 함량은 상기 기판으로부터 반사방지 층을 향하여 감소;
- 바람직하게는 AlN 타입의 제1 반사방지 층 (3) (0.02 내지 0.15 ㎛의 두께);
- SiO2 또는 Al2O3 타입의 제2 반사방지 층 (0.02 내지 0.15 ㎛의 두께).
* * *
본 발명은 이의 바람직한 구현 예들을 참조하여 기재되었다. 다른 구현 예들은 이하 청구항의 보호 범주에 의해 정의된 바와 같이, 동일한 발명의 개념 안에 모두 포함되는 것으로 이해된다.
본 출원에 기재된 요소 및/또는 파라미터 및/또는 조건들의 어떤 조합은, 본 발명에 따른, 각 개별적인 요소, 파라미터, 또는 조건이 상기 조합의 어떤 다른 요소, 파라미터 또는 조건의 전체적인 개별적 및 독립적인 것을 의미하기 때문에, 순수하게 대표적인 의미를 가지며, 따라서 상기 조합으로부터 추출가능하고 어떤 다른 조합에서 대체가능하다.
1: 복합 물질 층 2: 금속성 물질 층
3: 반사방지 물질 층 4: 접착 적응성 층
5: 배리어 층 6: 제2 반사방지 물질 층

Claims (52)

  1. 세라믹 매트릭스 및 그 내부에 나노분산된 금속성 거동을 갖는 성분으로 필수적으로 이루어진 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질로서;
    상기 세라믹 매트릭스는 알루미늄 또는 질화 규소이고, 여기서 Al 또는 Si 및 N 사이의 비는 아-화학량론적이며,
    상기 금속성 거동을 갖는 성분은 MyNz 타입의 질화물이고, 여기서 M은 전이금속이며, 상기 M 및 N 사이의 비는 화학양론적이어서 M2N 상이 필수적으로 존재하는 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 매트릭스는 0.90≤x<1.00의 범위에 포함된 x를 갖는 질화 알루미늄 AlNx 또는 k>0를 갖는 질화 규소 Si3N4 -k인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질.
  3. 청구항 2에 있어서,
    x는 0.95인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질.
  4. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전이금속 M은 W, Mo, Ti, Zr을 포함하는 군으로부터 선택된 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 거동을 갖는 성분은, 각각 분포된 또는 다층 복합 물질을 만들기 위해, 구배에 따라 또는 계단-형 패턴에 따라 분포된 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 복합 물질의 적어도 하나의 층 (1)을 포함하는, 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  7. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 다층 코팅 물질은 상기 복합 물질 층 (1) 하부에, 스펙트럼의 적외선 영역에서 반사하는 금속성 물질의 추가 층 (2), 및 상기 복합 물질 층 (1) 상부에 놓인, 태양열 복사에 반사방지하는 반사반지 물질의 추가 층 (3)을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 복합 물질 층 (1)은 약 0.05-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 금속성 물질의 층 (2)은 W, Mo, Ag, Cu, Au를 포함하는 군으로부터 선택된 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  10. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)은 α-상 W 또는 Mo인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  11. 청구항 7 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 물질 (2)은 3중-타입, 고-소형화 α-상 결정 구조를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  12. 청구항 7 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)은 약 0.06-0.60 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  13. 청구항 7 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사방지 물질 층 (3)은 AlN 또는 Al2O3 또는 SiO2인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  14. 청구항 7 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사방지 물질 층 (3)은 0.02-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  15. 청구항 7 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 코팅 물질은 상기 금속성 물질 층 (2) 하부에 추가 접착 적응성 층 (4)을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  16. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 접착 적응성 층 (4)은 약 0.02-0.12 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  17. 청구항 15 또는 16에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)의 상기 접착 적응성 층 (4)은, 상기 금속성 물질 층 (2)이 Ag 또는 Cu 또는 Au인 경우에, Mo, W, Ti, Al2O3, Mo+Al2O3, 또는 상기 금속성 물질 층 (2)이 α-상 W 또는 Mo인 경우에, WxN-AlN, MoxN-AlN, Al2O3, W+Al2O3, Mo+Al2O3인 조건에서, W, Mo, Ti, Zr, W+AlN, Mo+AlN, Ti+AlN, Zr+AlN, TiNx, ZrNx AlN, Al2O3, W+Al2O3, Mo+Al2O3, WxN-AlN, MoxN-AlN을 포함하는 군의 하나 이상의 원소를 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  18. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)은 Ag 또는 Cu 또는 Au이고, 상기 접착 적응성 층 (4)은 W (또는 Mo)을 형성하는 α 결정의 제1 층 및 W (또는 Mo)을 형성하는 β 결정의 제2 층을 갖는 W 또는 Mo인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  19. 청구항 7 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 코팅 물질은 상기 금속성 물질 층 (2) 및 상기 복합 물질 층 (1) 사이에 위치되어 두 층들 사이에 확산 및/또는 화학 반응 현상을 방지할 수 있는 추가 배리어 층 (5)을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  20. 청구항 7 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 물질 층 (1)은 분포되거나 또는 다층이고, 여기서 상기 금속성 거동을 갖는 성분은, 구배 또는 계단-형 패턴에 따라, 복합 층 및 금속 층 사이 또는 복합 층 및 배리어 층 사이의 가장 안쪽 계면으로부터 복합 층 및 반사방지 물질 층 사이의 가장 바깥쪽 계면으로 감소하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  21. 청구항 19 또는 20에 있어서,
    상기 배리어 층 (5)은 약 0.005-0.05 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  22. 청구항 19 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배리어 층 (5)은 세라믹 매트릭스 및 그 내부에 나노분산된, 타입: WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlyNOz의 금속성 거동을 갖는 성분으로 필수적으로 이루어진 복합 물질인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  23. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 WxN-AlNyOz 또는 MoxN-AlyNOz의 z/y 비는 약 0.1-0.4의 범위에 포함되고, 및/또는 상기 복합 물질은 상기 세라믹 성분 AlNyOz에 대하여 30%-50%의 상기 금속성 거동을 갖는 성분, WxN 또는 MoxN을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  24. 청구항 7 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 코팅 물질은 반사방지 물질 (3)의 제1 층 상부에 놓인 추가 반사방지 물질의 제2 층 (6)을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  25. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 제2 반사방지 물질 층 (6)은 약 0.02-0.15 ㎛의 범위에 포함된 두께를 갖는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  26. 청구항 24 또는 25에 있어서,
    상기 제2 반사방지 물질 층 (6)은 SiO2 또는 Al2O3 및 상기 제1 반사방지 물질 층 (3)은 AlN인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  27. 청구항 7 내지 26 중 어느 한 항에 있어서,
    약 550 ℃의 작동 온도에서, 흡광도 α는 0.95 초과이고, 방사율 εh는 0.14 미만인 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  28. 청구항 6 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 코팅 물질은 550 ℃의 작동 온도까지 안정한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질.
  29. 이중 금속 표적, (i) M 및 (ii) Al 또는 Si로 질소-함유 분위기 하에서 반응성 공-스퍼터링 기술에 기초하며, 각 표적 (i) 및 (ii)에 대해 질소의 독립적 흐름을 제공하고, 하기의 단계가 실질적으로 동시에 일어나는 작동을 포함하는, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정:
    아-화학량론 비에서 질화 알루미늄 또는 질화 규소 AlNx 또는 Si3N4 -k를 증착시키는 단계;
    화학량론 비에서, M2N 상이 필수적으로 존재하도록, 상기 M 표적에 의해 제조된 MyNz를 증착시키는 단계.
  30. 아-화학량론 비에서 질화 알루미늄 또는 질화 규소 AlNx 또는 Si3N4 -k를 증착시키는 단계는 화학량론 비에서 상기 물질을 얻기 위하여 요구된 흐름에 대하여 부족하게 유지되는 질소 흐름 및 일정한 캐소드 전압 하에서 작동하는 Al 또는 Si 금속성 표적에 의해 생성되고;
    상기 MyNz를 증착시키는 단계는 화학량론 비에서 상기 MyNz를 얻기 위한 비에서, M2N 상이 필수적으로 존재하도록, 감소하는 캐소드 전력 및 질소 흐름에서 작동하는 상기 M 표적에 의해 생성되며;
    여기서 상기 Al 또는 Si 표적에서 질소 흐름은 전체 공정 동안에 아-화학량론적으로 AlNx에서 Al/N 비, 또는 Si3N4 -k에서 Si/N 비를 유지시키기 위하여 피드백 시스템에 통하여 감시되고 변화되는 전술한 청구항에 따른 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  31. 청구항 29 또는 30에 있어서,
    상기 피드백 시스템은 PEM (Plasma Emission Monitoring) 또는 CVM (Cathode Voltage Monitoring) 타입인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  32. 청구항 29 내지 31 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질소-함유 분위기는 Ar+N2 혼합물을 포함하는 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  33. 청구항 29 내지 32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 표적 M은 전이금속 M인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  34. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 전이금속 M은 W, Mo, Ti 및 Zr을 포함하는 군으로부터 선택된 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  35. 청구항 33 또는 34에 있어서,
    상기 전이금속 M은 W 또는 Mo인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  36. 청구항 29 내지 35 중 어느 한 항에 있어서,
    x는 0.90 및 1.00 미만 사이를 포함하고, k는 0 초과인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  37. 전술한 청구항에 있어서,
    x는 0.95인 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조공정.
  38. 청구항 29 내지 37에 따른 광학적 선택 이중-질화물 복합 물질의 제조 공정을 포함하는, 청구항 6 내지 28 중 어느 한에 따른 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  39. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 공정은 하기 시간 순서를 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정:
    스펙트럼의 적외선 영역을 반사하는 금속성 물질의 층 (2)을 증착시키는 제1 단계;
    이중-질화물 복합 물질 (1)을 증착시키는 제2 단계;
    태양열 복사에 반사방지하는 제1 반사방지 물질 (3)을 증착시키는 제3 단계.
  40. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)의 증착 단계는 상기 3중-타입, 고-소형화 금속성 물질의 결정 α 상을 얻기 위해 수행되는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  41. 청구항 39 또는 40에 있어서,
    상기 공정은, 상기 금속성 물질 층 (2)을 증착시키는 제1 단계 전에, 스퍼터링 기술을 통하여 추가 접착 적응성 층 (4)을 증착시키는 예비 단계를 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  42. 청구항 39 내지 41 중 어느 하나에 있어서,
    상기 공정은, 상기 금속성 물질 층 (2) 및 상기 복합 물질 층 (1) 사이에 개입되어 두 층들 사이에 확산 및/또는 화학 반응 현상을 방지할 수 있는 추가 배리어 층 (5)을, 공-스퍼터링 기술을 통하여, 증착시키는 단계를 더욱 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  43. 청구항 39 내지 42 중 어느 하나에 있어서,
    상기 공정은, 상기 제1 반사방지 물질 (3) 상부에 놓이는 추가 제2 반사방지 물질 층 (6)을, 반응성 스퍼터링 기술을 통하여, 증착시키는 단계를 더욱 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  44. 청구항 39 내지 43 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 반사방지 물질 (3)을 증착시키는 단계는 반응성 스퍼터링 기술을 통하여 수행되는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  45. 청구항 39 내지 44 중 어느 하나에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2)을 증착시키는 단계는, 높은 캐소드 전력 밀도 및 낮은 압력에 작동하는, 스퍼터링 기술을 통하여 수행되는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  46. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 캐소드 전력 밀도는 8 및 18 W/㎠ 사이에 포함되고, 및/또는 상기 낮은 압력은 0.6 및 6.0 μBar 사이에 포함되는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  47. 청구항 39 내지 46 중 어느 하나에 있어서,
    상기 금속성 물질 층 (2) 또는 추가 접착 적응성 층 (4)을 증착시키는 단계는 하기의 추가 예비 단계들을 포함하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정:
    스퍼터링 작동 챔버에서 진공 조건 (약 5 x 10-7 mbar)을 만드는 단계;
    코팅될 기판의 표면에 CO2 및/또는 H2O 잔류물을 최소화시키는 단계;
    증착 기판을 세정 및 예열시키는 단계.
  48. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 예비 단계는:
    약 2 - 5 kV의 범위에 포함된 캐소드 전압 및 약 5 - 30 μBar의 범위에 포함된 압력에서 이온 빔 기술의 수단에 의한 상기 기판의 표면의 아르콘 플라즈마 처리; 및/또는
    약 5×10-7 - 1×10-5 mbar의 범위에 포함된 압력 값의 진공하에서 약 100 및 300 ℃ 사이에 포함된 온도로 상기 기판을 가열을 수반하는 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질의 제조 공정.
  49. 청구항 6 내지 28 중 어느 한 항에 따른 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 포함하는 태양열 설비의 리시버 소자.
  50. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 리시버 소자는 열-운반 유체를 함유할 수 있는 리시버 튜브를 포함하는 태양열 설비의 리시버 소자.
  51. 전술한 청구항에 있어서,
    상기 튜브는 스틸인 태양열 설비의 리시버 소자.
  52. 청구항 38 내지 48 중 어느 한 항에 따른 태양열 설비에 사용하기 위한 스펙트럼 선택 다층 코팅 물질을 제조하는 공정을 포함하는 청구항 49 내지 51 중 어느 하나에 따른 리시버 소자의 코팅 공정.
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