KR20140073882A - 써모크로믹 윈도우 - Google Patents

Abstract

본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 일면 또는 양면에 요철 패턴이 형성된 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.

Description

써모크로믹 윈도우{THERMOCROMIC WINDOW}

본 발명은 써모크로믹 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우에 관한 것이다.

최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 이에 못지않게 에너지 절감기술의 중요성도 증대되고 있다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉·난방비로 사용된다. 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 소비되는 에너지는 24%에 이른다.

이에 따라 창문의 기본 기능인 건물의 미관 및 조망 특성을 유지하면서도 창문의 기밀 및 단열 특성을 높여 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으며, 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 윈도우를 설치하는 방법 등이 실시되고 있다.

고단열 윈도우의 종류에는 복층 글라스에 아르곤(Ar) 가스 등을 주입하여 열 교환 현상을 막는 아르곤 가스 주입 복층 윈도우, 복층 글라스 사이를 진공 상태로 만든 진공 윈도우, 저방사(Low-E) 윈도우 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 윈도우에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 글라스 등이 연구되고 있다.

특히, 저방사 글라스는 글라스 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅하여 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있도록 하고 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단하여 겨울철에는 건물 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름철에는 건물 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄이는 효과가 있다. 그러나, 가시광선 이외의 파장에 대해서는 반사를 하는 특성에 의해, 특히 겨울철에 태양에서 나오는 적외선 부분을 실내로 유입시키지 못하고, 계절(온도)에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 단점을 가지고 있다.

이에 써모크로믹(thermochromic) 특성을 갖는 물질을 유리 위에 코팅하여 유리가 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하여 실내온도가 상승하지 않게 함으로써, 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 써모크로믹 윈도우에 관한 기술이 개발되고 있다.

이와 같은 써모크로믹 윈도우에 관한 기술은 대한민국 공개특허 제10-2008-0040439호에 개시되어 있다.

특히, 상전이 온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까우며, 광학 정수(n,k) 값의 변화가 커 투과율 제어가 용이한 이산화바나듐(VO₂)을 글라스에 코팅한 써모크로믹 윈도우에 관해 다양한 연구가 진행 중에 있다.

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 윈도우에서 기판, 특히 건축용 소다라임(soda-lime) 유리 기판은 일정 열용량을 갖는데, 이와 같은 열용량에 의해 써모크로믹 윈도우의 온도가 외기(대기)의 온도뿐만 아니라, 태양광에 의한 기판의 온도에 의해 영향을 받게 된다. 더욱이, 측정 결과 써모크로믹 윈도우의 온도는 외기보다 태양광에 의한 영향을 더 받는 것으로 측정되었다.

이와 같이, 써모크로믹 윈도우의 온도가 태양광의 영향을 많이 받게 되면 겨울철에도 태양광에 의해 써모크로믹 윈도우의 온도가 떨어지지 않는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 써모크로믹 윈도우의 온도가 태양광이 아닌 외기의 온도에 더 많은 영향을 받도록 하는 써모크로믹 윈도우를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 일면 또는 양면에 요철 패턴이 형성된 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우를 제공한다.

그리고, 상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ta, Fe, Al, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

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 윈도우는 상기 써모크로믹 박막 상에 형성되는 반사방지막을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 반사방지막은 TiO₂, SiO₂, 및 Al₂O₃ 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 써모크로믹 윈도우는 상기 써모크로믹 박막의 하면에 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.

그리고, 상기 요철 패턴은 반구형, 사각형, 및 톱니형 중 어느 하나의 단면 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판에 요철 패턴을 형성하여 기판의 표면적을 증가시킴으로써, 태양광에 의해 기판이 가지는 열을 효율적으로 발산시켜 기판의 온도가 태양광보다 외기(대기) 온도에 보다 큰 영향을 크게 받도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 요철 패턴에 의해 써모크로믹 윈도우의 반사색을 조절함으로써, 써모크로믹 윈도우의 미려함을 증가시킬 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 2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 윈도우에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 기판(100) 및 써모크로믹 박막(200)을 포함하여 이루어질 수 있다.

기판(100)은 투명 또는 유색의 일정한 넓이 및 두께를 갖는 기재이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우가 건물 등의 창호로 사용될 경우 기판(100)은 소다라임(soda-lime)계 유리가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 열강화 또는 화학강화된 강화유리가 사용될 수 있다.

기판(100)의 일면 또는 양면에는 요철 패턴이 형성되어 있다.

기판(100)에 형성된 요철 패턴은 기판(100)의 전체적인 표면적을 증가시킨다. 이와 같이, 기판(100)의 표면적이 증가하면 기판(100)의 열 발산율이 증가하게 되고, 따라서 기판(100)이 태양광으로부터 얻는 열을 효율적으로 발산시킴으로써, 기판(100)의 온도가 태양광보다 외기(대기) 온도에 더 큰 영향을 받도록 할 수 있다. 즉, 종래에는 겨울철에도 태양광에 의해 기판(100) 온도가 떨어지지 않음으로써 써모크로믹 윈도우가 태양광을 차단하여 태양광이 실내로 유입되지 못하였는데, 본 발명은 기판에 요철을 형성함으로써 이와 같은 문제를 해결하였다. 이에 의해, 겨울철 건물의 난방 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 요철 패턴이 형성되지 않은 평평한 유리에 후술할 써모크로믹 박막(200)을 코팅하게 되면, 써모크로믹 윈도우는 광시각에 따른 반사색의 차이를 가져 관찰자가 보는 면에 따라 색상이 다소 달리 보이게 된다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라 요철 패턴이 형성된 면에 써모크로믹 박막을 형성하면, 써모크로믹 박막도 요철 패턴을 갖게 되고, 이 패턴에 의해 써모크로믹 윈도우의 반사색을 조절함으로써, 써모크로믹 윈도우가 전 면적에 걸쳐 일정한 반사색을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 써모크로믹 윈도우의 미려함을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 요철 패턴은 써모코크로믹 박막의 두께(수십㎚)에 의해 요철 효과가 사라지는 것을 방지하기 위해 적어도 100㎚ 이상의 크기로 형성되는 것이 바람직할 것이다.

요철 패턴은 그 단면이 반구형, 사각형, 및 톱니형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있으나, 특별히 이에 구애될 것은 아니며 기판의 표면적을 증가시키고 써모크로믹 윈도우가 전체적으로 일정한 반사색을 가질 수 있도록 하는 다양한 형상을 가질 수 있을 것이다.

요철 패턴은 기판(100)을 화학적 에칭, 샌드 블라스팅 등과 같은 물리적 방법으로 처리하여 형성할 수 있다. 또는, 기판(100)을 압연 등과 같은 기계적 방법으로 처리하여 형성할 수 도 있다.

써모크로믹 박막(200)은 기판(100) 상에 형성된다.

써모크로믹 박막(200)은 써모크로믹 물질을 기판(100) 상에 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(200)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.

또한, 써모크로믹 박막(200)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, Ta, Fe, Al, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 써모크로믹 박막(200) 상에 형성되는 반사방지막(미도시)을 더 포함할 수 있다.

반사방지막은 써모크로믹 윈도우로 입사되는 태양광의 반사를 줄여 써모크로믹 윈도우의 투과율을 향상시킨다. 또한, 반사방지막은 써모크로믹 윈도우가 스크래치나 외부 오염 물질에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.

반사방지막은 TiO₂, SiO₂, 및 Al₂O₃ 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 써모크로믹 박막(200)의 하면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막(미도시)을 더 포함할 수 있다.

써모크로믹 박막(200)의 하면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막은 기판(100) 내의 이온이 써모크로믹 박막(200)으로 확산되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 수행한다. 일반적으로 써모크로믹 박막을 형성하는 공정은 고온에서 이루어지는데, 이때 기판(100) 상에 써모크로믹 박막(200)을 직접 코팅하게 되면 기판(100) 내의 이온이 코팅되는 써모크로믹 박막(200)으로 확산되어 써모크로믹 박막(200)이 써모크로믹 특성을 잃게 된다. 특히, 기판(100)이 소다다임계 유리인 경우, 유리 내의 나트륨(Na) 이온이 써모크로믹 박막으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하게 된다. 이에 기판(100)과 써모크로믹 박막(200) 사이에 산화물 또는 질화물 박막을 형성함으로써, 기판(100) 내의 이온이 써모크로믹 박막(200)으로 확산되어 써모크로믹 박막(200)이 써모크로믹 특성을 잃게 되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 산화물 또는 질화물 박막은 AlOx, SiOx, Nb₂O₅, TiO₂, 및 Si₃N₄ 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 기판
200: 써모크로믹 박막

Claims (9)

1. 일면 또는 양면에 요철 패턴이 형성된 기판; 및
   상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ta, Fe, Al, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
4. 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 윈도우.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 써모크로믹 박막 상에 형성되는 반사방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 반사방지막은 TiO₂, SiO₂, 및 Al₂O₃ 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 써모크로믹 박막의 하면에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 산화물 또는 질화물 박막은 AlOx, SiOx, Nb₂O₅, TiO₂, 및 Si₃N₄ 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 요철 패턴은 반구형, 사각형, 및 톱니형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
   
   

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