KR20190071946A - 자가구동형 스마트 윈도우 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자가구동형 스마트 윈도우 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복층유리의 일측면에 투과율이 가변되는 변색필름을 설치하고, 복층유리를 구성하는 간봉(Spacer)의 표면에 태양전지셀을 설치하여 변색필름의 구동전원을 별도로 구비하지 않고도 자가 구동이 가능하도록 하고, 태양전지셀은 일종의 광센서로서의 기능도 수행하도록 복합 기능을 부여하며, 특히 전기변색용 투명전극으로 은(Ag) 층을 사용하지 않으면서도 적외선을 반사시키는 로이(Low E:저방사율) 특성이 좋으며, 필요에 따라서는 태양에너지 투과율을 조절하여 에너지절감에 사용할 수 있는 능동형 변색필름으로써, 다양한 유리 사이즈에 맞게 간단히 재단하여 붙이면 전기적으로 차양을 형성할 수 있어서 유리형에 비해 생산비용이 저렴하고, 시공성이 우수하고, 은 층이 없기 때문에 별도로 유리 엣지부분의 로이 박막 제거공정을 거칠 필요도 없을 뿐만 아니라, 수 W 이하의 저전력 직류전원을 사용하기 때문에 PDLC, SPD 등의 스마트 윈도우에서 나타나는 누전의 위험성이 없고, 내산화성이 우수하며, 롤 또는 얇은 시트 형태로 보관할 수 있기 때문에 파손의 위험이 적고, 운반 적재의 용이성을 확보할 수 있는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 자가구동형 스마트 윈도우 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복층유리의 일측면에 투과율이 가변되는 변색필름을 설치하고, 복층유리를 구성하는 간봉(Spacer)의 표면에 태양전지셀을 설치하여 변색필름의 구동전원을 별도로 구비하지 않고도 자가 구동이 가능하도록 하고, 태양전지셀은 일종의 광센서로서의 기능도 수행하도록 복합 기능을 부여하며, 특히 전기변색용 투명전극으로 은(Ag) 층을 사용하지 않으면서도 적외선을 반사시키는 로이(Low E:저방사율) 특성이 좋으며, 필요에 따라서는 태양에너지 투과율을 조절하여 에너지절감에 사용할 수 있는 능동형 변색필름으로써, 다양한 유리 사이즈에 맞게 간단히 재단하여 붙이면 전기적으로 차양을 형성할 수 있어서 유리형에 비해 생산비용이 저렴하고, 시공성이 우수하고, 은 층이 없기 때문에 별도로 유리 엣지부분의 로이 박막 제거공정을 거칠 필요도 없을 뿐만 아니라, 수 W 이하의 저전력 직류전원을 사용하기 때문에 PDLC, SPD 등의 스마트 윈도우에서 나타나는 누전의 위험성이 없고, 내산화성이 우수하며, 롤 또는 얇은 시트 형태로 보관할 수 있기 때문에 파손의 위험이 적고, 운반 적재의 용이성을 확보할 수 있는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체에 관한 것이다.
2015년 신기후체제 협약으로 온실가스 감축이 시급해지고 있는 가운데 우리나라는 2030년까지 온실가스 37%의 감축 목표를 세우고 신재생에너지의 확대 및 건물 등에 에너지 효율 향상을 계획하고 있는데, 이에 대한 해결책으로 제로에너지 빌딩이 급부상하고 있다.
그런데, 국내 건물의 경우 매년 8.7% 정도씩 증가하고 있는 추세로 파악되고 있으며, 건물이 소비하는 에너지소비량은 국내 전체 에너지소비량의 24%에 이른다고 하니 갈수록 증가 및 대형화되어 가고 있는 건물에 대한 에너지절감 대책이 시급한 실정이다.
특히, 건물에서 소비되는 에너지의 77%가 실내 냉난방 에너지 때문이며, 그 중에서도 창호를 통한 열손실은 20-45%에 이르고 있다고 보고되어 있다.
이와 관련하여, 미국의 DOE에 따르면, 광조절 스마트 윈도우를 적용할 경우 40% 이상의 빌딩에너지 절약이 가능하고, 냉난방시스템의 용량과 빌딩 관리비를 각각 25%까지 줄일 수 있다고 연구 보고된 바 있다.
이에, 스웨덴을 시발점으로 하여 세계 각국에서는 다각적인 방법으로 상술한 문제 해결을 위한 기술 개발에 매진해 왔으며, 그 중에서도 창호를 통한 에너지절감 기술로 전기변색을 이용한 전기차양 기술을 예시할 수 있다.
이러한 기술로는 Chromogenic, Thermotropic, Liquid Crystal과 같은 다이나믹 유리가 개발되어 있고, 여기에 Chromogenic 기술의 하나인 EC(Electrochromic)가 접목된 형태로 하기한 선행기술에서도 확인되는 바와 같은 유리형 스마트 윈도우가 개시되어 있다.
그런데, 유리형 스마트 윈도우는 여러 장의 유리 사이에 전기변색 기술을 응용한 것으로서 재단, 면취, 세척, 강화, 접합 등 제조공정이 매우 복잡하여 비용이 너무 비쌀 뿐만 아니라 표준화가 어렵고, 강화시 코팅 균일도가 저하되어 불량율이 높으며, 반드시 은 층의 산화방지를 위하여 별도로 로이 박막 제거공정을 거쳐야만 하는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 실리콘 마감시 수분 침투의 우려가 높아 산화 및 누전 위험이 크고, 전선연결에 따른 표준화가 곤란하여 저항 편차 문제가 발생되며, 유리라는 소재 특성상 깨지기 쉽고, 복층에 따른 열파손의 우려가 높아 안전성이 떨어지는 한계를 가지고 있다.
더구나, 무겁고, 시공할 창의 크기에 따라 사이즈를 각기 달리 제작해야 하며, 이러한 구조적 특성 때문에 유지 보관 운반 시공이 매우 어렵고 불편하며, 제조비용 외에도 매우 비싼 시공비가 들어가기 때문에 초기 투자부담이 매우 크다는 한계를 가지고 있다.
이를 개선한 예로, Supended Particle(SPD) 방식 혹은 고분자분산액정(PDLC) 방식을 예시할 수 있지만, 이 경우에는 구동전압이 매우 높고 쌍안정이 없어 에너지 소모량이 비교적 크며, 투명성을 유지하기 위해서는 상시 전력이 요구되기 때문에 의도하는 에너지 절감 효과를 얻기 어렵다는 현실적인 문제에 직면해 있다.
또한, EC를 응용하고 있는 스마트 윈도우(로이유리 등)의 경우, 하기의 선행기술에서도 나타나 있듯이 전기변색용 전극으로 대부분 은(Ag)을 채용하고 있는데, 이는 박막에서 우수한 투과도와 로이특성을 보이기 때문이다.
하지만, 은(Ag)은 부식을 일으키기 때문에 장수명화를 달성할 수 없고, 사용기간에 비례하여 효율이 떨어지는 한계가 있다.
뿐만 아니라, 선행기술에 개시된 유리형형 전기차양의 경우는 , 각각 단계별 프로세스를 한 장씩 순차처리하도록 되어 있기 때문에 제조공정이 복잡하며 연속처리가 어렵다는 한계도 가지고 있으며, 무엇보다도 위에 설명한 바와 같이 은(Ag)을 전기변색용 전극으로 활용하고 있어 상술한 문제를 피할 수 없다는 단점이 있다.
한편, 에너지절감의 일환으로 창호 시스템의 경우에도 복층유리, 삼복층유리 등이 개시되어 단열성을 높이고 있다.
특히, 복층 이상의 유리 사이에 열차단기능을 갖는 부재를 개재시키거나 혹은 태양전지를 구비하여 전기에너지를 얻도록 한 예들도 개시되고 있다.
하지만, 복층 이상의 유리는 단열성 측면에서 효과가 있으나, 전도에 따른 열차단 효과는 크게 얻을 수 없고, 열차단부재나 태양전지를 사용할 경우에는 창호의 고유기능인 채광성과 조망성을 떨어뜨리기 때문에 한계에 직면해 있는 상태이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 복층유리의 일측면에 투과율이 가변되는 변색필름을 설치하고, 복층유리를 구성하는 간봉(Spacer)의 표면에 태양전지셀을 설치하여 변색필름의 구동전원을 별도로 구비하지 않고도 자가 구동이 가능하도록 하되, 특히 전기변색용 전극으로 은(Ag)을 사용하지 않으면서도 투과도와 로이특성이 우수하고 유리 사이즈에 상관없이 재단하여 붙이기만 하면 자연스럽게 전기차양을 형성할 수 있어 생산비용이 저렴하며, 시공성이 우수하고, 별도의 로이박막 제거공정을 거칠 필요도 없을 뿐만 아니라, 누전위험성이 없고, 내산화성이 우수하며, 롤 형태로 감아 보관할 수 있기 때문에 파손의 위험성이 없고, 보관 유지 운반 적재의 용이성을 확보할 수 있는 투과율이 가변되는 스마트 윈도우용 변색필름을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 사각틀 형태의 윈도우프레임(10)과; 상기 윈도우프레임(10) 내부에 배치 고정되어 복층 이상을 구성하는 유리(20)와; 상기 유리(20)들 사이에 개재되어 유리(20)들의 간격을 유지하면서 밀봉하는 틀 형태의 간봉(Spacer)(30)과; 상기 유리(20)중 실내측 면 혹은 실외측 면 중 어느 한 면에 부착되는 전기변색용 변색필름(40)과; 상기 간봉(30)의 하면에 설치되는 다수의 태양전지셀(50)과; 상기 태양전지셀(50)로부터 배선되어 발전된 전기를 축전하는 축전지(60)와; 상기 축전지(60)의 전기를 이용하여 상기 변색필름(40)을 구동하는 컨트롤러(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 제공한다.
이때, 상기 유리(20)와 간봉(30)에 의해 밀폐된 내부공간에는 아르곤(Ar)이 주입된 것에도 그 특징으로 한다.
또한, 상기 전기변색용 변색필름(40)은 PET, PP 또는 COP를 포함하는 기재필름(100)과; 상기 기재필름(100)의 상면에 스퍼터링되는 이산화규소층(110)과; 상기 이산화규소층(110)의 상면에 폴리 ITO로 스퍼터링되는 제1투명전극층(120)과; 상기 제1투명전극층(120) 위에 WO3로 스퍼터링되는 환원변색물질층(130)과; 상기 환원변색물질층(130) 위에 LiPON으로 스퍼터링되는 전해질층(140)과; 상기 전해질층(140) 위에 NiO로 스퍼터링되는 산화변색물질층(150)과; 상기 산화변색물질층(150) 위에 적어도 하나 이상의 O(Oxide)-M(Metal)-O(Oxide) 구조를 갖도록 스퍼터링되는 제2투명전극층(160)과; 상기 제2투명전극층(160)의 상면에 스퍼터링되는 배리어층(170)과; 상기 배리어층(170) 위에 합지되는 보호필름(180);을 포함하는 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 복층유리의 일측면에 투과율이 가변되는 변색필름을 설치하고, 복층유리의 일측면에 투과율이 가변되는 변색필름을 설치하고, 복층유리를 구성하는 간봉(Spacer)의 표면에 태양전지셀을 설치하여 변색필름의 구동전원을 별도로 구비하지 않고도 자가 구동이 가능하도록 하고, 태양전지셀은 일종의 광센서로서의 기능도 수행하도록 복합 기능을 부여하며, 특히 전기변색용 투명전극으로 은(Ag) 층을 사용하지 않으면서도 적외선을 반사시키는 로이(Low E:저방사율) 특성이 좋으며, 필요에 따라서는 태양에너지 투과율을 조절하여 에너지절감에 사용할 수 있는 능동형 변색필름으로써, 다양한 유리 사이즈에 맞게 간단히 재단하여 붙이면 전기적으로 차양을 형성할 수 있어서 유리형에 비해 생산비용이 저렴하고, 시공성이 우수하고, 은 층이 없기 때문에 별도로 유리 엣지부분의 로이 박막 제거공정을 거칠 필요도 없을 뿐만 아니라, 수 W 이하의 저전력 직류전원을 사용하기 때문에 PDLC, SPD 등의 스마트 윈도우에서 나타나는 누전의 위험성이 없고, 내산화성이 우수하며, 롤 또는 얇은 시트 형태로 보관할 수 있기 때문에 파손의 위험이 적고, 운반 적재의 용이성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 구성하는 변색필름의 층구조를 보인 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변색필름에 적용되는 전기변색 전극 구조인 OMO 구현시 옥사이드의 거칠기 대비 스퍼터링하여 형성할 수 있는 두께 변화를 보인 예시적인 테스트 사진이다.
도 4는 도 3의 OMO 구현시 밴딩 전후에서 표면 크랙 발생 여부를 ITO와 비교 테스트한 샘플 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 구성하는 변색필름 제조용 스퍼터링 챔버를 모식화시킨 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 구성하는 변색필름의 층구조를 보인 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변색필름에 적용되는 전기변색 전극 구조인 OMO 구현시 옥사이드의 거칠기 대비 스퍼터링하여 형성할 수 있는 두께 변화를 보인 예시적인 테스트 사진이다.
도 4는 도 3의 OMO 구현시 밴딩 전후에서 표면 크랙 발생 여부를 ITO와 비교 테스트한 샘플 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 구성하는 변색필름 제조용 스퍼터링 챔버를 모식화시킨 예시도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 복층 혹은 삼복층 등 다층유리에 적용되는 스마트 윈도우로서, 투과율이 가변되는 변색필름과, 상기 변색필름의 구동전원을 자가 발전할 수 있어 별도로 외부전원을 사용하지 않아도 되는 스마트 윈도우 조립체를 제공한다.
다만, 도면을 참조한 예시적인 설명은 복층유리를 기준으로 도시 설명하기로 하며, 삼복층 등 다층유리를 갖는 스마트 윈도우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체는 윈도우프레임(10)을 포함한다.
상기 윈도우프레임(10)은 사각틀 형태로서, 내부에는 적어도 2장 이상의 유리(20)가 내장된다.
즉, 상기 유리(20)는 복층, 삼층 등과 같이 다층으로 배치된다.
그리고, 상기 유리(20)들 사이에는 이들 유리(20)들의 간격을 유지하면서 밀봉하기 위한 간봉(Spacer)(30)이 개재된다.
이 경우, 상기 간봉(30)은 틀 형태를 가짐이 바람직하며, 밀봉성과 내구성 및 내열성을 향상시키기 위해 폴리우레탄수지에 멜라민 시아누레이트 10중량%와, 펜타에리스리톨 5중량%를 혼합한 혼합액을 성형하여 제조됨이 바람직하다.
이때, 멜라민 시아누레이트는 수지분산성이 좋고 대상수지의 물성을 저하시키지 않으면서 내열성은 향상시키고 성형성은 우수한 특성이 있으며, 펜타에리스리톨은 합성고무와 플라스틱의 중간 특성을 가진 물질로서 발화저항성을 크게 하는 특성이 있다.
아울러, 상기 유리(20)와 간봉(30)에 의해 밀폐된 내부공간에는 아르곤(Ar)이 주입된다. 이는 상기 내부공간에 수분함량이 높거나 공기함량이 높을 경우 결로가 생길 우려가 있고, 또한 열전도에 따른 단열성능 저하를 초래하므로 이를 억제하기 위함이다.
또한, 상기 유리(20)중 실내측 면 혹은 실외측 면 중 어느 한 면에는 투과율이 가변되는 전기변색용 변색필름(40)이 부착된다.
뿐만 아니라, 상기 간봉(30)의 하면에는 다수의 태양전지셀(50)이 설치되며, 상기 태양전지셀(50)은 배선을 통해 축전지(60)와 연결되고, 상기 축전지(60)는 컨트롤러(70)를 통해 상기 변색필름(40)을 구동하기 위한 전원으로 사용된다.
특히, 본 발명에서는 태양전지셀(50)이 유리(20)가 아닌 간봉(30)의 상면에 설치되기 때문에 조망권을 해칠 염려가 없고, 채광성을 떨어뜨리지도 않는다.
태양전지셀(50)로 사용할 수 있는 형태는 박막 Si계, 결정질 Si계, GaAs계, CIGS계 등 다양하게 적용가능하며, 유연한 태양전지셀도 적용 가능하다.
더구나, 상기 변색필름(40)의 구동에 필요한 전원은 대전력을 요구하지 않기 때문에 간봉(30) 상에 설치된 태양전지셀(50) 만으로도 충분한 구동 전력을 얻을 수 있다.
태양전지셀(50)과 축전기(60)의 용량은 국내 평균일조량 3.5시간 기준으로 부하소비 전력을 계산하고, 필요한 발전량과 태양전지셀(50)의 발전효율을 감안하여 결정한다. 예를들어, 변색필름(40)을 1W 구동 조건으로 하루 3.5시간 구동한다고 가정하면,
. 1일 소비전력 : 1W x 3.5h = 3.5W/h
. 필요 발전량 : 3.5W/h ÷ 3.5시간 = 1W
. 태양전지셀 선정 : 1W x 1.2(발전 효율) = 1.2W 가 된다.
뿐만 아니라, 상기 태양전지셀(50)은 일종의 광센서로서의 기능도 수행하게 되는데, 광량이 충분한 맑은 날의 경우 축전지(60)의 축전이 양호하므로 신속히 충전되기 때문에 만충 여부를 알람으로 알리도록 컨트롤러(70)를 통해 제어하게 되면 실내 거주자는 그것만으로도 기상상태 여부를 인지할 수 있어 많은 장점을 제공할 수 있다.
한편, 상기 변색필름(40)은 기존에 일반적으로 활용되던 증착방식이나 혹은 습식 코팅방식이 아닌 고주파 스퍼터링(RF Sputtering) 방식을 통한 건식(Dry Sputtering Type)으로 이루어진다.
즉, 코팅은 앞서 종래 기술에서 설명한 바와 같이 수명 단축의 문제가 있고, 증착은 스퍼터링에 비해 박막의 치밀도가 떨어지고 고진공도를 유지해야 하므로 공정조건을 맞추기 어려울 뿐만 아니라 증착속도 조절이 용이치 않으며 균일도를 확보하기가 쉽지 않기 때문이다.
이에 비해, 본 발명에서 활용하는 고주파 스퍼터링은 타깃 물질을 이온 충격함으로써 그 물질의 원자, 분자를 그 부근에 있는 피착물 표면에 치밀하면서 균일하게 부착시킬 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 증착속도 조절도 용이하고, 공정조선을 맞추기도 쉬운 장점도 있다.
특히, 본 발명에서는 전기변색용 전극을 형성할 때 OMO(Oxide/Metal/Oxide) 구조의 투명전극을 구현하여 화학적으로도 안정하고 전도성도 우수하여 전기변색용 전극으로 적합하고, 표면 플라즈몬(Surface Plasmon) 효과를 유도하여 로이 특성을 지니면서 비정질산화물의 월등한 표면 균일도를 확보함으로써 아주 얇은 두께의 박막처리도 가능하면서 3V 이내의 구동전압으로도 저전력 구동이 가능하여 에너지 절감에 뛰어난 적합성을 구현하도록 설계된다.
또한, 이러한 방식은 전기변색 방식은 제어장치의 핵심부품인 IC(MCU 등)와의 접합성이 좋아 배선이 간단하며, 소자 구조와 제조공정이 간단하고, 무엇보다도 사용온도가 20-80℃까지 넓고 다색화가 가능하여 인테리어 창호로도 손색이 없도록 한 특장점도 갖는다.
아울러, 이하 설명되는 '전기변색(Electrochromic)'은 이미 상용화된 기술로서, 전압을 인가했을 때 전계나 전류의 방향에 따라 전기 화학적 산화, 환원반응이 일어나 가역적으로 색이 변하는 현상을 말한다.
이를 테면, WO3, MoO3, TiO3 등은 환원상태에서 컬러가 나타나게 되는데 이를 환원발색(Cathodic Coloration) 물질이라 하며, V2O5, IrO2, Nb2O5, NiO 등은 산화상태에서 컬러가 나타나게 되는데 이를 산화발색(Anodic Coloration) 물질이라 한다.
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체를 구성하는 변색필름은 기재필름(100)을 포함한다.
상기 기재필름(100)은 투명성을 유지하면서 내구성도 갖기 때문에 본 발명에서 기재필름으로 사용되며, 에너지절감이 요구되는 창호의 유리 표면에 부착된다.
그리고, 상기 기재필름(100)의 상면에는 이산화규소(SiO2)층(110)이 형성된다.
상기 이산화규소층(110)은 챔버 내에서 스퍼터링되어 박막으로 형성되며, 전기변색 전극을 통해 열을 받아 기재필름(100)의 온도가 올라갈 때 기재필름(100)에서 방출되는 산소, 올리고머, 카본 등이 전기변색 전극 쪽으로 이동하지 못하도록 차단하여 내구성을 향상시키면서 특히, 인덱스매칭성(Index Matching Characteristics)을 좋게 하여 투과율을 높이기 위해 형성된다.
특히, 이산화규소를 화학양론비에 맞게 균일하게 코팅시키면 산소를 포함한 투과 물질들의 투과차단(Barrier) 특성을 월등히 강화시킬 수 있고, 계면간 결합 안정성을 현저히 강화시켜 계면에서의 부착력을 향상할 수 있게된다. .더구나, 기재필름(100)의 굴절율은 1.6 정도이고, 이산화규소층(110)의 굴절율은 1.4 정도이며, 후술되는 전기변색 전극, 즉 폴리 ITO(Poly ITO) 박막 형태로 스퍼터링되는 제1투명전극층(120)의 굴절율은 1.95 정도에 해당하기 때문에 고굴절-저굴절-고굴절 형태를 갖도록 하여 인덱스매칭시킴으로써 투과율을 높일 수 있게 된다.
아울러, 상기 이산화규소층(110)의 상면에는 제1투명전극층(120)이 형성된다.
상기 제1투명전극층(120)은 본 발명에 따른 변색필름에 전원을 인가하여 변색기능을 유도함으로써 전기차양을 구현하기 위한 수단이다.
본 발명에 따른 상기 제1투명전극층(120)은 기존과 달리 폴리 ITO를 스퍼터링하여 형성된다.
즉, 종래에는 ITO 필름으로 만들어진 것을 붙이는 방식이기 때문에 접착에 따른 솔벤트 안정화를 위해 반드시 별도의 열처리공정을 거쳐야만 하는 단점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 다결정으로 만들어진 Poly ITO를 바로 스퍼터링하여 부착시키는 것이므로 일괄처리가 가능하고, 별도의 열처리공정이 필요치 않아 공정간소화를 달성할 수 있으며, 그에 따라 불량율도 제로화되는 특장점이 있다.
또한, 상기 제1투명전극층(120)의 상면에는 환원변색물질층(130)과 전해질층(140)과 산화변색물질층(150)이 순차로 스퍼터링되어 박막 형태로 형성된다.
이때, 상기 환원변색물질층(130)과 산화변색물질층(150)은 선행기술들에서도 확인되는 바와 같이 이미 공지되어 있는 것이므로 그 기능 및 특징에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 발명에서는 상기 환원변색물질층(130)으로 WO3를 사용하고, 상기 산화변색물질층(150)으로는 NiO를 사용한다는 점만 언급하기로 한다.
아울러, 상기 전해질층(140)은 통상적인 TaO 박막 고체전해질을 사용하지 않고 LiPON(Lithium phosphorous oxy-nitride)을 사용한다는 점에서 기존 기술과 차이가 있다.
예컨대, 통상적으로 사용하는 TaO 고체전해질은 Ta2O5 박막 형태로 사용되는데 인가되는 전기장에 의해 H+ 이온의 주입 및 이탈에 따라 재료의 광학적 특성을 변화시켜 전기변색이 가능하도록 한 것으로 H+ 이온의 작용을 유도하기 위해 반드시 별도의 수소처리공정을 거쳐야만 하는 단점이 있다.
하지만, 본 발명에서 사용되는 LiPON은 별도의 수소처리공정을 가질 필요없이 박막 고체전해질로 바로 사용하여도 Li+ 이온의 주입 및 이탈을 통해 전기변색을 유도할 수 있다.
그리고, 상기 산화변색물질층(150)의 상면에는 제2투명전극층(160)이 스퍼터링되어 형성된다.
상기 제2투명전극층(160)은 상기 제1투명전극층(120)과 대응되게 형성될 수 있다. 그리하여, 양자에 전압이 걸리게 되면 이들 사이에 전기장이 형성되고, 이 전기장의 영향으로 Li+ 이온의 주입 및 이탈이 일어나면서 전기변색을 유도하게 된다.
여기에서, 본 발명의 경우 상기 제2투명전극층(160)을 OMO 구조를 이루도록 하여 화학적 안정성을 극대화시키면서 전도성도 향상시키고, 무엇보다도 표면 플라스몬 효과에 따른 로이 특성향상, 비정질산화물의 월등한 표면 균일도를 유지하되 은(Ag)을 사용하지 않기 때문에 부식의 우려도 없을 뿐만 아니라, 특히 금속층을 포함하고 있어 낮은 저항 특성을 가져 전도성을 높이는 전기변색 전극을 완성한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 제2투명전극층(160)은 적어도 하나 이상의 O(Oxide Layer)-M(Metal Layer)-O(Oxide Layer) 구조를 갖는다.
예컨대, 본 발명에서는 도 2의 예시와 같이, 제1옥사이드층(160a)-제1메탈층(160b)-제2옥사이드층(160c)-제2메탈층(160d)-제3옥사이드층(160e)으로 이루어진다.
특히, 이러한 OMO 전극 구조는 도 3의 예시와 같이 옥사이드층의 표면거칠기를 작게 하면 층의 두께를 최대한 줄일 수 있는 장점이 있으며, 아울러 도 4의 예시와 같이 밴딩 테스트시에도 ITO는 밴딩 후 크랙이 발생하지만, OMO 전극 구조는 비정질 산화물을 포함하고 있기 때문에 밴딩 후에도 크랙이 생기지 않고 밴딩 전,후의 변화가 없어 크랙 발생에 따른 국부적 저항 증가로 인한 손실 발생 우려가 없으므로 안정적인 구동이 가능하게 된다.
그리고, 상기 제2투명전극층(160)의 상면에는 배리어층(170)이 형성된다.
상기 배리어층(170)은 이산화규소를 사용할 수도 있지만, 더욱 바람직하기로는 유연성과 탄성율이 더욱 우수한 열경화성 플라스틱을 증착시켜 코팅한다.
이에 더하여, 배리어층(170)의 밀도를 높이기 위해 이온화처리를 하면 더욱 좋다.
이후, 상기 배리어층(170)의 표면을 보호하기 위해 보호필름(180)이 구비되는데, 상기 보호필름(180)은 박막형 필름을 단순히 붙이는 방식으로 구비되면 된다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 자가구동형 스마트 윈도우 조립체은 도 4와 같은 스퍼터링 장치를 통해 연속처리된다.
예컨대, 도 5에 따르면 스퍼터링 장치는 스퍼터링 챔버(200)를 포함한다.
상기 스퍼터링 챔버(200)는 진공상태로 유지되며, 아주 정밀한 고진공 상태까지 유지할 필요는 없다.
그리고, 상기 스퍼터링챔버(200)의 중심에는 스퍼터링드럼(210)이 회전가능하게 설치되며, 이를 기준으로 좌,우 양측에는 각각 권출롤(unwinding roll)(220)과 권취롤(winding roll)(230)이 설치된다.
이때, 상기 권출롤(220)에는 기재필름인 기재필름(100)이 감겨있고, 기재필름(100)은 권출롤(220)로부터 풀려나와 제1텐션롤(222)을 거쳐 스퍼터링드럼(210)을 경유한 다음 다시 제2텐션롤(232)을 통해 권취롤(230)에 코일 형태로 감기게 되며, 상기 스퍼터링드럼(210)은 기재필름(100)의 진행방향으로 회전된다.
이와 같은 기재필름(100)의 이동과정중 상기 스퍼터링드럼(210)과 접지된 상태로 이동되는 영역에서 상술한 각 층 형성을 위한 스퍼터링이 진행된다.
이를 위해, 상기 스퍼터링드럼(210)의 하측에는 상기 스퍼터링드럼(210)의 곡률반경에 대응되게 이격 배치되어 고주파 스퍼터링을 수행하는 다수의 레이어챔버, 즉 제1-11레이어챔버(LC1-LC11)가 서로 구획된 상태로 구비된다.
그리고, 상기 제1-11레이어챔버(LC1-LC11)에는 각 층 형성을 위한 재료를 상기 스프터링드럼(210)에 접지된 상태로 서서히 이동중인 기재필름(100)의 표면으로 스퍼터링하기 위한 스퍼터링유닛(240)이 구비되고, 상기 스퍼터링유닛(240)에는 RF 전원(250)이 연결된다.
이 경우, 상기 RF 전원(250)을 사용하는 이유는 플라스마의 전자밀도를 높여 치밀한 박막을 만들고 핀홀을 감소시키기 위함이며, 특히 WO3나 NiO와 같은 부도체의 산화물 타겟을 쉽게 코팅하기 위함이다.
덧붙여, 상기 스퍼터링드럼(210)에 직류 바이어스 전원을 연결하면 스퍼터링되는 해리된 이온들을 스퍼터링드럼(210) 쪽으로 집속시킬 수 있어 스퍼터링 효율을 더욱 높일 수 있다.
즉, 제1레이어챔버(LC1)에서는 이산화규소가 스퍼터링되어 기재필름(100)의 표면에 이산화규소층(110)을 형성한다.
이어, 스퍼터링드럼(210)의 회전에 의해 이산화규소층(110)이 형성된 부분이 제2레이어챔버(LC2)에 위치되면 제2레이어챔버(LC2)에서는 Poly ITO를 스퍼터링하여 이산화규소층(110) 위에 제1투명전극층(120)을 형성하게 된다.
이와 같은 방식으로 진행되어 제3레이어챔버(LC3)에서는 환원변색물질층(130)을, 제4레이어챔버(LC4)에서는 전해질층(140)을, 제5레이어챔버(LC5)에서는 산화변색물질층(150)을, 제6,7,8,9,10레이어챔버(LC6,LC7,LC8,LC9,LC10)에서는 옥사이드, 메탈, 옥사이드, 메탈, 옥사이드가 순차 스퍼터링되어 하나의 제2투명전극층(160)을 형성하며, 제11레이어챔버(LC11)에서는 배리어층(170)을 형성하게 된다.
이와 같이, 본 발명은 하나의 스퍼터링 챔버(200)를 기재필름이 통과하기만 하면 다수의 변색에 필요한 층이 형성된 변색필름이 제조되기 때문에 공정 효율이 향상되고, 생산성도 향상되며, 그와 함께 불량율은 제로화되고, 층의 안정성을 확보할 수 있는 유용한 기술로 기대된다.
이러한 변색필름에 전원을 인가하게 되면 두 전극 사이에 전기장이 형성되면서 변색을 일으켜 햇빛의 투과도를 조절할 수 있게 되어 단열 기능은 물론 차양기능까지 구현할 수 있어 스마트 윈도우에 적합한 특성을 구현할 수 있게 된다.
100: 기재필름
110: 이산화규소층
120: 제1투명전극층
130: 환원변색물질층
140: 전해질층
150: 산화변색물질층
160: 제2투명전극층
170: 배리어층
180: 보호필름
110: 이산화규소층
120: 제1투명전극층
130: 환원변색물질층
140: 전해질층
150: 산화변색물질층
160: 제2투명전극층
170: 배리어층
180: 보호필름
Claims (3)
- 사각틀 형태의 윈도우프레임(10)과;
상기 윈도우프레임(10) 내부에 배치 고정되어 복층 이상을 구성하는 유리(20)와;
상기 유리(20)들 사이에 개재되어 유리(20)들의 간격을 유지하면서 밀봉하는 틀 형태의 간봉(Spacer)(30)과;
상기 유리(20)중 실내측 면 혹은 실외측 면 중 어느 한 면에 부착되는 전기변색용 변색필름(40)과;
상기 간봉(30)의 하면에 설치되는 다수의 태양전지셀(50)과;
상기 태양전지셀(50)로부터 배선되어 발전된 전기를 축전하는 축전지(60)와;
상기 축전지(60)의 전기를 이용하여 상기 변색필름(40)을 구동하는 컨트롤러(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유리(20)와 간봉(30)에 의해 밀폐된 내부공간에는 아르곤(Ar)이 주입된것을 특징으로 하는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기변색용 변색필름(40)은 PET, PP 또는 COP를 포함하는 기재필름(100)과; 상기 기재필름(100)의 상면에 스퍼터링되는 이산화규소층(110)과; 상기 이산화규소층(110)의 상면에 폴리 ITO로 스퍼터링되는 제1투명전극층(120)과; 상기 제1투명전극층(120) 위에 WO3로 스퍼터링되는 환원변색물질층(130)과; 상기 환원변색물질층(130) 위에 LiPON으로 스퍼터링되는 전해질층(140)과; 상기 전해질층(140) 위에 NiO로 스퍼터링되는 산화변색물질층(150)과; 상기 산화변색물질층(150) 위에 적어도 하나 이상의 O(Oxide)-M(Metal)-O(Oxide) 구조를 갖도록 스퍼터링되는 제2투명전극층(160)과; 상기 제2투명전극층(160)의 상면에 스퍼터링되는 배리어층(170)과; 상기 배리어층(170) 위에 합지되는 보호필름(180);을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가구동형 스마트 윈도우 조립체.
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|---|---|---|---|
| KR1020170172887A KR102057607B1 (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 자가구동형 스마트 윈도우 조립체 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20190071946A true KR20190071946A (ko) | 2019-06-25 |
| KR102057607B1 KR102057607B1 (ko) | 2019-12-19 |
Family
ID=67065555
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020170172887A KR102057607B1 (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 자가구동형 스마트 윈도우 조립체 |
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