KR20140073027A - 써모크로믹 복층 윈도우 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 제 1 기판, 상기 제 1 기판과 이격되게 설치되는 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성되는 중공층을 포함하는 써모크로믹 복층 윈도우에 있어서, 상기 중공층은 에어로겔로 충진되고, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 면들 중 적어도 어느 하나의 일 면에는 써모크로믹 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우를 제공한다.

Description

써모크로믹 복층 윈도우{THEMOCHROMIC MULTI-LAYER WINDOW}
본 발명은 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것이다.
최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 이에 못지않게 에너지 절감기술의 중요성도 증대되고 있다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉·난방비로 사용된다. 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 소비되는 에너지는 24%에 이른다.
이에 따라 창문의 기본 기능인 건물의 미관 및 조망 특성을 유지하면서도 창문의 기밀 및 단열 특성을 높여 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으며, 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 윈도우를 설치하는 방법 등이 실시되고 있다.
고단열 윈도우의 종류에는 복층 글라스에 아르곤(Ar) 가스 등을 주입하여 열 교환 현상을 막는 아르곤 가스 주입 복층 윈도우, 복층 글라스 사이를 진공 상태로 만든 진공 윈도우, 저방사(Low-E) 윈도우 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 윈도우에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 글라스 등이 연구되고 있다.
특히, 저방사 글라스는 글라스 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅하여 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있도록 하고 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단하여 겨울철에는 건물 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름철에는 건물 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄이는 효과가 있다. 그러나, 가시광선 이외의 파장에 대해서는 반사를 하는 특성에 의해, 특히 겨울철에 태양에서 나오는 적외선 부분을 실내로 유입시키지 못하고, 계절(온도)에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 단점을 가지고 있다.
이에 써모크로믹(thermochromic) 특성을 갖는 물질을 유리 위에 코팅하여 유리가 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하여 실내온도가 상승하지 않게 함으로써, 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 써모크로믹 윈도우에 관한 기술이 개발되고 있다.
이와 같은 써모크로믹 윈도우에 관한 기술은 대한민국 공개특허 제10-2008-0040439호에 개시되어 있다.
특히, 상전이 온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까우며, 광학 정수(n,k) 값의 변화가 커 투과율 제어가 용이한 이산화바나듐(VO2)을 글라스에 코팅한 써모크로믹 윈도우에 관해 다양한 연구가 진행 중에 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 유리 기판의 일면에 이산화바나듐 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 이산화바나듐을 유리 기판에 코팅함으로써, 상전이 전(30℃)과 상전이 후(90℃)로 태양광의 투과율, 특히 근적외선 영역에서의 투과율이 변함을 알 수 있고, 이에 의해 건물 등의 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 이와 같은 써모크로믹 윈도우는 단열성능이 취약한 단점을 가지고 있다. 즉, 건물 내부에 존재하는 열이 써모크로믹 윈도우를 통해 쉽게 빠져나가기 때문에 겨울철 난방 에너지 손실이 크다는 단점을 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적외선 변환효율과 단열효과를 모두 가질 수 있는 써모크로믹 복층 윈도우를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 제 1 기판, 상기 제 1 기판과 이격되게 설치되는 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성되는 중공층을 포함하는 써모크로믹 복층 윈도우에 있어서, 상기 중공층은 에어로겔로 충진되고, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 면들 중 적어도 어느 하나의 일 면에는 써모크로믹 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우를 제공한다.
여기서, 상기 에어로겔은 두께 1㎝를 기준으로 85% 이상의 태양광 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에어로겔의 밀도는 상온에서 150㎎/㎤ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 에어로겔의 열전도율은 30㎽/mK 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에어로겔은 실리카 에어로겔일 수 있다.
또한, 상기 제 1 기판 또는 상기 제 2 기판은 반사 유리일 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막은 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 서로 대향하는 면 중 적어도 어느 하나의 일 면에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 써모크로믹 박막은, 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 적어도 한 면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산화물 또는 질화물 박막은 AlOx, SiOx, Nb2O5, TiO2, 및 Si3N4 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 중공층이 에어로겔로 충진됨으로써 고 단열성을 가질 수 있어 냉·난방 에너지 절감 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 온도가 높은 여름철에는 적외선을 차단시킴으로써 열 에너지의 유입을 막아 냉방부하를 감소시키고 온도가 낮은 겨울에는 적외선을 투과시킴으로써 난방부하를 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 유리 기판의 일면에 이산화바나듐 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 개략적인 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 서로 이격되게 설치되는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200), 에어로겔로 충진되는 중공층(300), 및 써모크로믹 박막(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.
제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)은 투명 또는 유색의 일정한 넓이 및 두께를 갖는 기재로서, 소다라임(soda-lime)계 유리가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 열강화 또는 화학강화된 강화유리가 사용될 수 있다.
또한, 제 1 기판(100) 또는 제 2 기판(200)은 반사 유리일 수 있다.
반사 유리란 일반 투명 유리의 표면에 금속질의 얇은 막을 붙여 태양광선의 반사율을 높이는 유리로, 건물의 냉방부하를 감소시키고 옥외에서 보면 건물의 외벽이 거울처럼 보이게 하는 유리이다.
제 1 기판(100) 또는 제 2 기판(200) 중 반사 유리로 이루어지는 기판은 태양광이 입사되는 기판인 것이 바람직할 것이다.
중공층(300)은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)이 서로 이격되어 설치됨에 따라 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 형성된다.
중공층(300)에는 에어로겔(aerogel)이 충진된다.
에어로겔은 열·전기·소리·충격 등에 강하고, 무게가 같은 부피의 공기보다 3배밖에 무겁지 않아 단열재·충격 완충재·방음재 등으로 사용될 수 있으며, 특히, 약 94%에 이르는 높은 투과성에 비해 열전도도가 매우 낮아 투명 단열재로서 높은 효용을 가진다.
에어로겔은 이산화규소 나노 구조체가 부직포처럼 성글게 얽힌 구조를 가지며, 공기가 전체 부피의 98%를 차지하는 실리카(SiO2) 에어로겔일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 중공층(300)이 에어로겔로 충진됨으로써 고 단열성을 가질 수 있어 냉·난방 에너지 절감 효율을 향상시킬 수 있다. 일 예로, 에어로겔의 열 전도율은 0.011 ~ 0.015W/mK인 반면, 공기의 열 전도율은 0.025W/mK이고, 아르곤(Ar)의 열 전도율은 0.0163W/mK로, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 종래의 진공 복층 윈도우나 아르곤 가스가 주입된 복층 윈도우에 비해 높은 단열성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 우수한 방음성 및 내충격성을 가질 수 있다.
그리고, 종래의 진공 복층 윈도우나 아르곤 가스가 주입된 복층 윈도우의 경우 오래 사용함에 따라 진공 상태가 파괴되거나 가스가 누설되어 단열성이 저하되는 문제가 발생하나, 본 발명은 중공층(300)에 에어로겔이 충진된 복층 윈도우로 구성됨으로써 영구적으로 단열성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 에어로겔은 실내의 높은 채광성을 위해 두께 1㎝를 기준으로 85% 이상의 태양광 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 에어로겔의 밀도는 150㎎/㎤ 이하인 것이 바람직하다.
에어로겔의 밀도가 낮을수록 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 무게를 가볍게 할 수 있으며, 에어로겔의 기공이 많아 단열성능이 좋아지고 투과성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 단열성을 위해 에어로겔의 열전도율은 30㎽/mK 이하인 것이 바람직하다.
써모크로믹 박막(400)은 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)의 면들 중 적어도 어느 하나의 일 면에 써모크로믹 물질을 코팅함으로써 형성된다.
써모크로믹 물질은 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화하는 물질로, 상전이 전/후로 태양광 특히, 근적외선의 투과율 내지 반사율이 변화하는 특성을 갖는다.
이에 의해, 써모크로믹 박막(400)은 온도가 높은 여름철에는 적외선을 차단시킴으로써 열 에너지의 유입을 막아 냉방부하를 감소시키고 온도가 낮은 겨울에는 적외선을 투과시킴으로써 난방부하를 감소시킬 수 있다.
써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
써모크로믹 박막(400)은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)이 서로 대향하는 면 중 적어도 어느 하나의 일 면에 형성될 수 있다.
써모크로믹 박막(400)이 이와 같이 형성됨으로써, 스크래치나 외부 오염에 의해 써모크로믹 박막(400)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 써모크로믹 박막(400)은 도펀트(dopant)가 도핑(doping)된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다.
써모크로믹 물질에 도펀트를 도핑함으로써, 써모크로믹 물질의 상전이 온도를 제어할 수 있으며, 일반적으로, 도펀트의 도핑 비(doping ration)가 높을수록 써모크로믹 물질의 상전이 온도는 낮아진다.
도핑되는 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고, 써모크로믹 박막(400)의 상면 또는 하면 중 적어도 한 면에는 산화물 또는 질화물 박막(미도시)이 형성될 수 있다.
써모크로믹 박막(400)의 하면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막은 써모크로믹 박막이 형성되는 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200) 내의 이온이 써모크로믹 박막으로 확산되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 수행한다. 일반적으로 써모크로믹 박막(400)을 형성하는 공정은 고온에서 이루어지는데, 이때 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200) 상에 써모크로믹 박막(400)을 직접 코팅하게 되면 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200) 내의 이온이 코팅되는 써모크로믹 박막(400)으로 확산되어 써모크로믹 박막(400)이 써모크로믹 특성을 잃게 된다. 특히, 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200)이 소다다임계 유리인 경우, 유리 내의 나트륨(Na) 이온이 써모크로믹 박막(400)으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하게 된다. 이에 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200)과 써모크로믹 박막(400) 사이에 산화물 또는 질화물 박막을 형성함으로써, 제 1 기판(100) 내지 제 2 기판(200) 내의 이온이 써모크로믹 박막(400)으로 확산되어 써모크로믹 박막(400)이 써모크로믹 특성을 잃게 되는 것을 방지할 수 있다.
써모크로믹 박막(400)의 상면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막은 써모크로믹 박막(400)의 반사율을 낮추는 등 광학적인 기능을 수행하며, 써모크로믹 박막(400)이 스크래치나 외부 오염에 의해 손상되는 것을 방지한다.
산화물 또는 질화물 박막은 AlOx, SiOx, Nb2O5, TiO2, 및 Si3N4 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서를 더 포함할 수 있다. 스페이서는 복수 개일 수 있으며, 서로간 일정한 간격을 두고 규칙적으로 배열될 수 있다.
또한, 제 1 기판과 제 2 기판의 가장자리는 실링재에 의해 기밀 밀봉될 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: 제 1 기판 200: 제 2 기판
300: 중공층 400: 써모크로믹 박막

Claims (12)

  1. 제 1 기판, 상기 제 1 기판과 이격되게 설치되는 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성되는 중공층을 포함하는 써모크로믹 복층 윈도우에 있어서,
    상기 중공층은 에어로겔로 충진되고,
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 면들 중 적어도 어느 하나의 일 면에는 써모크로믹 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 두께 1㎝를 기준으로 85% 이상의 태양광 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔의 밀도는 상온에서 150㎎/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔의 열전도율은 30㎽/mK 이하인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 실리카 에어로겔인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 기판 또는 상기 제 2 기판은 반사 유리인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 서로 대향하는 면 중 적어도 어느 하나의 일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은,
    이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 적어도 한 면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 산화물 또는 질화물 박막은 AlOx, SiOx, Nb2O5, TiO2, 및 Si3N4 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105372847A (zh) * 2015-11-13 2016-03-02 北汽福田汽车股份有限公司 调光薄膜、具有其的眼镜与光学窗口
CN109126643A (zh) * 2017-06-15 2019-01-04 湖南尚成新材料科技有限责任公司 一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法

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