KR20230125775A - 금속 합금 스페이서를 갖는 진공 단열 유리(vig) 윈도우 유닛, 및/또는 이의 제조 방법 - Google Patents

금속 합금 스페이서를 갖는 진공 단열 유리(vig) 윈도우 유닛, 및/또는 이의 제조 방법 Download PDF

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가디언 글라스, 엘엘씨
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Abstract

진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛은 유리 기판과 같은 적어도 한 쌍의 기판 사이에 제공된 스페이서 배열을 포함한다. 특정 예시적인 구현예는 금속 합금의 스페이서(예를 들어, 필러)를 포함하거나 이를 포함하는 VIG 윈도우 유닛에 관한 것이다. 스페이서의 금속 합금은 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 이러한 금속 합금 스페이서는 유리하게는 스페이서 배열의 열전도율을 감소시키고, VIG 윈도우 유닛의 유리 R-값의 중심을 증가시킬 수 있다.

Description

금속 합금 스페이서를 갖는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛, 및/또는 이의 제조 방법
관련 출원
본 출원은 2020년 12월 30일자로 출원된 미국 가출원 제17/138,587호에 대한 우선권을 주장하며, 이의 전체가 참조로 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명의 특정 예시적인 구현예는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛에 사용되는 스페이서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 특정 예시적인 구현예는 금속 합금의 스페이서(예를 들어, 필러)를 포함하거나 이를 포함하는 VIG 윈도우 유닛에 관한 것이다. 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu, 및/또는 Zr 포함 합금)는 종래의 어닐링된 316 스테인리스 강 스페이서에 비해, 더 낮은 열전도율을 가지며 압축 강도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%(더 바람직하게는 적어도 40%, 및 가장 바람직하게는 적어도 50%)의 Ti, Cu 및/또는 Zr을 포함한다. 스페이서(들)의 금속 합금은 특정 예시적인 구현예에서 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 따라서, 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu 및/또는 Zr 포함 합금)를 사용하는 것은 스페이서 배열의 열전도율을 유리하게 감소시키고 VIG 윈도우 유닛의 유리 R-값의 중심을 증가시키고, 또한 VIG 윈도우 유닛의 기판의 충분한 간격 강도를 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 방식으로 스페이서의 압축 항복 강도를 증가시키는 것은 윈도우 유닛에서 인접한 스페이서 사이의 간격을 증가시킬 수 있고, 이는 더 높은 R-값이 달성되게 할 수 있다.
진공 IG 유닛은 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, 미국 등록특허 제5,664,395호, 제5,657,607호, 및 제5,902,652호를 참조하며, 이들의 개시내용은 모두 본원에 참조로 포함된다.
도 1 및 도 2는 종래의 진공 IG 유닛(진공 IG 유닛 또는 VIG 유닛)을 도시한다. 진공 IG 유닛(1)은 이들 사이에 배출된 또는 저압 공간(6)을 에워싸는 2개의 이격된 유리 기판(2 및 3)을 포함한다. 유리 시트/기판(2 및 3)은 융합된 접착용 유리(4) (또는 다른 적합한 재료) 및 지지 스페이서(예를 들어, 필러)(5)의 배열의 주변 또는 기밀 에지 밀봉에 의해 상호연결된다.
펌프 배기 튜브(8)는 유리 시트(2)의 내부 표면으로부터 시트(2)의 외면에서 리세스(11)의 바닥까지 통과하는 개구 또는 구멍(10)에 접착용 유리(9)에 의해 기밀 밀봉된다. 대기압 미만의 압력을 갖는 저압 영역 또는 공간(6)을 생성하기 위해 기판(2 및 3) 사이의 내부 공동이 배출될 수 있도록 진공이 펌프 배기 튜브(8)에 부착된다. 배출 후, 튜브(8)가 용융되어 진공을 밀봉한다. 리세스(11)는 밀봉 튜브(8)를 유지한다. 선택적으로, 화학 게터(12)는 리세스(13) 내에 또는 다른 적합한 위치에 포함될 수 있다.
스페이서(5)에 대한 공지된 스페이서 재료는 어닐링된 316 스테인리스 강이다. 불행하게도, 316 스테인리스 강은 13.5 W/m-K의 열전도율과 42,000 psi의 압축 항복 강도의 조합을 갖는다. 낮은 압축 항복 강도, 및 높은 열전도율에 대한 매체의 이러한 조합은 VIG 윈도우 유닛의 스페이서가 서로 너무 멀리 이격될 수 없음을 의미하며(즉, 파손을 방지하기 위해 서로 합리적으로 가깝게 위치되어야 함), 이는 결국 약 R-12의 R-값을 갖는 VIG 윈도우 유닛에 기여한다.
변형 경화를 통해 어닐링된 상태에 비해 316 스테인리스 강의 압축 항복 강도를 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, 변형 경화는 구조체 내의 마르텐사이트의 양을 증가시켜 그것이 강자성으로 되게 하고, 고자기 스페이서는 제조 공정 동안 문제를 일으킨다. 또한, 대부분의 순수 금속은 높은 열전도율 값 및 낮은 압축 항복 강도를 갖는다.
따라서, 예를 들어, (i) 강도를 크게 희생하지 않으면서 VIG 윈도우 유닛에 대해 더 높은 R-값을 달성할 수 있는 솔루션을 찾는 것; (ii) 상당히 자기성을 가지지 않으면서 어닐링된 316 스테인리스 강에 비해 더 높은 압축 항복 강도를 갖는 스페이서 재료를 제공하는 것; 및/또는 (iii) 316 스테인리스 강에 비해 열전도율이 낮은 스페이서 재료를 제공하는 것 중 하나 이상과 같이, 위에서 논의된 문제에 대한 해결책을 찾는 기술 분야의 필요성이 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 합금화 금속은 압축 소성 변형에 대한 저항 둘 모두를 증가시키고 열전도율을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이러한 합금은 VIG 윈도우 유닛에서 스페이서에 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다. 본 발명의 특정 예시적인 구현예는 금속 합금의 스페이서(예를 들어, 필러)를 포함하거나 이를 포함하는 VIG 윈도우 유닛에 관한 것이다. 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu, 및/또는 Zr 포함 합금)는 종래의 어닐링된 316 스테인리스 강 스페이서에 비해, 더 낮은 열전도율 및 증가된 압축 강도를 가지는 것으로 밝혀졌다. 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%(더 바람직하게는 적어도 40%, 및 가장 바람직하게는 적어도 50%)의 Ti, Cu 및/또는 Zr을 포함한다. 스페이서(들)의 금속 합금은 특정 예시적인 구현예에서 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 예를 들어, 스페이서는 Zr 및 Cu, Ni, Al 및/또는 Ti 중 하나 이상을 포함하는 Zr 기반 비정질 금속 합금이거나 이를 포함할 수 있으며, Zr 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 50%, 및 때로는 적어도 약 60%이다. 또 다른 예에서, 스페이서는 Ti 및 Al 및/또는 V 중 하나 이상을 포함하는 Ti 기반 금속 합금이거나 이를 포함할 수 있으며, Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30% 이상, 더 바람직하게는 약 40%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 50%, 및 때때로 적어도 약 60% 또는 적어도 약 80%이다. 따라서, 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu 및/또는 Zr 포함 합금)를 사용하는 것은 스페이서 배열의 열전도율을 유리하게 감소시키고 VIG 윈도우 유닛의 유리 R-값의 중심을 증가시키고, 또한 VIG 윈도우 유닛의 기판의 충분한 간격 강도를 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 방식으로 스페이서의 압축 항복 강도를 증가시키는 것은 윈도우 유닛에서 인접한 스페이서 사이의 간격을 증가시킬 수 있고, 이는 더 높은 R-값이 달성되게 할 수 있다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 그 사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판; 기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 제1 및 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉; 적어도 제1 및 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 VIG 윈도우 유닛의 적어도 제1 및 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를; 포함하는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되며, 스페이서는 13.0 W/m-K 이하의 열전도율 및 적어도 80,000 psi의 압축 항복 강도를 가지는 금속 합금을 포함한다. 금속 합금은 선택적으로 질화될 수 있다.
특정 예시적인 구현예에서, 금속 합금은 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 포함할 수 있고, 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%, 더 바람직하게는 적어도 약 50%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 80%일 수 있다.
특정 예시적인 구현예에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 50%의 Ti, 약 1 내지 20%의 Al, 및 약 1 내지 20%의 V를 포함할 수 있다.
금속 합금은 비결정질 구조를 포함하는 비정질일 수 있다. Zr 또는 Cu는 비정질 금속 합금의 최대 금속 원소 함량일 수 있다. 금속 합금(예를 들어, 비정질)의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu, 및 약 1 내지 30%의 Ni, 약 1 내지 15%의 Ti, 및/또는 약 1 내지 15% Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu, 및 약 1 내지 15%의 Nb 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있고/있거나 중량 기준으로 적어도 30%의 Cu 및 약 1 내지 35%의 Ti, 및 약 1 내지 35%의 Zr, 약 1 내지 20%의 Ni, 및/또는 약 1 내지 15% 주석 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 그 사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판; 기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 제1 및 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉; 적어도 제1 및 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 VIG 윈도우 유닛의 적어도 제1 및 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를; 포함하는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되며, 스페이서는 금속 합금에서 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 가지는 금속 합금을 포함하고, 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 50%이다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 그 사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판; 기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 제1 및 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉; 적어도 제1 및 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 VIG 윈도우 유닛의 적어도 제1 및 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를; 포함하는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되며, 스페이서는 비정질 금속 합금을 포함하고, Zr 또는 Cu는 비정질 금속 합금 중 가장 큰 금속원소이다.
본원에 기술된 특징, 양태, 이점, 및 예시적인 구현예는 조합되어 또 다른 추가 구현예를 실현할 수 있다.
이들 및 다른 특징 및 이점은 도면과 함께 예시적인 구현예에 대해 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 그리고 보다 완벽하게 이해될 수 있다.
도 1은 종래의 진공 IG 유닛의 종래 기술의 단면도이다.
도 2는 도 1에 예시된 섹션 라인을 따라 취해진 도 1의 진공 IG 유닛의 바닥 기판, 에지 밀봉, 및 스페이서의 종래 기술의 평면도이다
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른, 도 1 및 도 2의 VIG 윈도우 유닛에 사용될 수 있는 금속 합금 스페이서, 또는 임의의 다른 VIG 윈도우 유닛의 측면도이다.
이제 더 구체적으로, 동일한 도면부호가 여러 도면에 걸쳐 동일한 부품을 나타내는 첨부 도면을 참조한다.
도 1 및 도 2는 예시적인 진공 IG 유닛(진공 IG 유닛 또는 VIG 유닛)을 도시한다. VIG 윈도우 유닛(1)은 이들 사이에 배출된 또는 저압 공간(6)을 에워싸는 2개의 이격된 실질적으로 평행한 유리 기판(2 및 3)을 포함한다. 유리 시트/기판(2 및 3)은 융합된 접착용 유리 (또는 다른 적합한 재료) 및 지지 스페이서(예를 들어, 필러)(5)의 배열의 주변 또는 기밀 에지 밀봉(4)에 의해 상호연결된다. 펌프 배기 튜브(8)는 유리 시트(2)의 내부 표면으로부터 시트(2)의 외면에서 리세스(11)의 바닥까지 통과하는 개구 또는 구멍(10)에 접착용 유리(9)에 의해 기밀 밀봉된다. 대기압 미만의 압력을 갖는 저압 영역 또는 공간(6)을 생성하기 위해 기판(2 및 3) 사이의 내부 공동이 배출될 수 있도록 진공이 펌프 배기 튜브(8)에 부착된다. 배출 후에, 튜브(8)는 용융되어 진공을 밀봉하고, 스페이서(5)는 적어도 유리 기판(2 및 3)을 서로 이격시킨다. 리세스(11)는 밀봉 튜브(8)를 유지한다. 선택적으로, 화학 게터(12)는 리세스(13) 내에 또는 다른 적합한 위치에 포함될 수 있다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예는 금속 합금의 스페이서(예를 들어, 필러)를 포함하거나 이를 포함하는 VIG 윈도우 유닛에 관한 것이다. 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu, 및/또는 Zr 포함 합금)는 종래의 어닐링된 316 스테인리스 강 스페이서에 비해, 더 낮은 열전도율 및 증가된 압축 강도를 가지는 것으로 밝혀졌다. 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서(5)의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%(더 바람직하게는 적어도 40%, 및 가장 바람직하게는 적어도 50%)의 Ti, Cu 및/또는 Zr을 포함한다. 스페이서(들)의 금속 합금은 특정 예시적인 구현예에서 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서(5)용 재료는 유리하게는: (i) 강도를 크게 희생하지 않으면서, VIG 윈도우 유닛에 대한 증가된 유리 중심 R-값(예를 들어, 스페이서 간격의 함수로서 적어도 11.1, 더 바람직하게는 적어도 12.0, 더 바람직하게는 적어도 13.0, 및 때때로 적어도 14.0); (ii) 상당히 자기성을 가지지 않으면서 어닐링된 316 스테인리스 강에 비해 더 높은 압축 항복 강도를 갖는 스페이서 재료를 제공하는 것; 및/또는 (iii) 316 스테인리스 강에 비해 열전도율이 낮은 스페이서 재료를 제공하는 것 중 하나 이상을 제공하도록 설계된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 합금화 금속은 스페이서(5)용 재료에 대해 압축 소성 변형에 대한 저항 둘 모두를 증가시키고 열전도율을 감소시킨다. 이러한 금속 합금은 VIG 윈도우 유닛에서 스페이서에 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 특정 예시적인 구현예는 금속 합금의 스페이서(예를 들어, 필러)(5)를 포함하거나 이를 포함하는 VIG 윈도우 유닛에 관한 것이다. 금속 합금 스페이서(5)는 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 적어도 유리 기판(2 및 3) 사이에 제공된다. 도 3의 금속 합금 스페이서(5)는 본 발명의 예시적인 구현예에 따라 도 1 및 도 2의 VIG 윈도우 유닛에, 또는 임의의 다른 VIG 윈도우 유닛에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 논의되고/되거나 도 3에 도시된 금속 합금 스페이서(5)는 임의의 미국 등록특허 제5,664,395호, 제5,657,607호, 제5,902,652호, 제10,703,667호, 제10,683,695호, 제10,590,695호, 제10,465,433호, 및/또는 제10,435,938호에 기술된 임의의 VIG 윈도우 유닛에 사용될 수 있으며, 이들의 개시내용은 모두 본원에 참조로 포함된다. 도 3에 도시된 금속 합금 스페이서(5)(예를 들어, Ti, Cu, 및/또는 Zr 포함 합금)는 종래의 어닐링된 316 스테인리스 강 스페이서에 비해, 더 낮은 열전도율 및 증가된 압축 강도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%(더 바람직하게는 적어도 40%, 및 가장 바람직하게는 적어도 50%)의 Ti, Cu 및/또는 Zr을 포함한다. 스페이서(들)의 금속 합금은 특정 예시적인 구현예에서 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 예시적인 스페이서 재료가 다음의 표에 열거되어 있다. 대부분의 순수 금속(예를 들어, 다음의 표에서 Al, Ni, Zr, 및 Ti를 참조)은 높은 열전도율 값 및 낮은 압축 항복 강도를 가지며, 이는 VIG 스페이서(5)에 사용하기에 바람직하지 않음을 알 수 있다. 열전도율을 감소시키는 것은 유리 편 사이의 열전달 양을 감소시킬 것이다.
순수 금속을 합금하는 단계는 압축 소성 변형에 대한 저항 둘 모두를 증가시키고 열전도율을 감소시킨다. 압축 수율을 증가시키는 것은, 유리 편 사이에서 열전도가 일어날 수 있는 부위의 수를 감소시키는 각각의 개별 필러 사이의 공간을 증가시키는 능력을 제공한다. 티타늄 기반 합금 Ti-6A1-4V(티타늄 6-4로도 알려짐)는 본 발명의 예에 따른 스페이서(5)에 대한 예시적인 재료이며, 예를 들어 약 6%의 Al, 약 4%의 V, 및 약 90%의 Ti로 이루어진다. 예를 들어, Ti-6A1-4V(티타늄 6-4로도 알려짐), 티메트 685, 및 하스텔로이 C276과 같은 예시적인 스페이서(5) 재료 합금은 모두 어닐링된 316 스테인리스 강보다 더 낮은 열전도율 및 상당히 더 높은 압축 항복 강도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서, Ti-6A1-4V(티타늄 6-4로도 알려짐), 티메트 685, 및 하스텔로이 C276과 같은 예시적인 스페이서(5) 재료 합금은 스페이서 재료와 관련 하여 어닐링된 316 스테인리스 강에 비해 상당한 개선을 나타내고, VIG 윈도우 유닛 및/또는 스페이서(5)가 내구성을 희생하지 않고 서로 더 멀리 이격되도록 더 높은 R-값이 실현될 수 있게 한다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, 스페이서(5)용 재료는 (a) 적어도 80,000 psi, 더 바람직하게는 적어도 100,000 psi, 더 바람직하게는 적어도 150,000 psi, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 200,000 psi의 압축 항복 강도, 및/또는 (b) 13.0 W/m-K 이하, 더 바람직하게는 12.0 W/m-K 이하, 더욱 더 바람직하게는 11.0 W/m-K, 그리고 가장 바람직하게는 10.0 W/m-K 또는 9.0 W/m-K의 열전도율을 갖도록 설계된다. 본 발명의 특정 예시적인 구현예에서, Ti-6A1-4V(티타늄 6-4로도 알려짐) 및 티메트 685와 같은 Ti 기반 합금, 및 하스텔로이 C276과 같은 Ni-Mo-Cr 포함 합금이 스페이서(5)용으로 적합할 수 있다. 예를 들어, 용체 노화된 열처리된 조건에서 Ti-6A1-4V는 단지 42,000 psi에서 어닐링된 316 스테인리스 강에 비해 압축 항복 강도(155,000 psi) 및 열전도율(6.7 W/m-K)의 개선을 제공한다. 티메트 685와 같은 다른 Ti 기반 합금이 사용될 수 있다. 이러한 티타늄 합금에 대한 추가 이점은 이들이 강자성 또는 상자성이 아니며, 이는 제조 동안 필러 배치의 용이함을 가능하게 한다는 것이다.
기체 상 질화는 압축 항복 강도를 증가시키기 위해 선택적으로 사용될 수 있다. (예를 들어, Ti 기반 합금 - 상기 표 참조) 기체 상 질화는 질소 원자가 티타늄 합금의 격자 내로 확산되는 2차 열처리 공정이다. 질소 원자는 표면에 또는 벌크에 상당한 티타늄 질화물을 형성하지 않으면서 유동 강도 및 경도를 증가시키는 간극 원자 부위에 위치된다. 이는 열전도율이 Ti 합금보다 상당히 더 높기 때문에 유리하다.
예를 들어, VIG 윈도우 유닛의 스페이서(5)는 Ti 및 Al 및/또는 V 중 하나 이상을 포함하는 Ti 기반 금속 합금이거나 이를 포함할 수 있으며, Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30% 이상, 더 바람직하게는 약 40%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 50%, 및 때때로 적어도 약 60% 또는 적어도 약 80%이다. 예를 들어, 스페이서(5)의 금속 함량은, Ti 외에도, 중량% 기준으로 약 1 내지 20%의 Al(더 바람직하게는 약 2 내지 10%, 그리고 가장 바람직하게는 약 4 내지 8%), 및 약 1 내지 20%의 V(더 바람직하게는 약 1 내지 10%, 그리고 가장 바람직하게는 약 2 내지 6%)를 포함할 수 있다. Ti-6A1-4V(티타늄 6-4로도 알려짐)는 이러한 Ti 기반 합금의 예이다.
다른 예로서, 스페이서는 Zr 및 Cu, Ni, Al 및/또는 Ti 중 하나 이상을 포함하는 Zr 기반 비정질 금속 합금이거나 이를 포함할 수 있으며, Zr 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 50%, 및 때로는 적어도 약 60%이다. 따라서, 금속 합금 스페이서(예를 들어, Ti, Cu 및/또는 Zr 포함 합금)를 사용하는 것은 스페이서 배열의 열전도율을 유리하게 감소시키고 VIG 윈도우 유닛의 유리 R-값의 중심을 증가시키고, 또한 VIG 윈도우 유닛의 기판의 충분한 간격 강도를 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 방식으로 스페이서의 압축 항복 강도를 증가시키는 것은 윈도우 유닛에서 인접한 스페이서 사이의 간격을 증가시킬 수 있고, 이는 더 높은 R-값이 달성되게 할 수 있다.
스페이서(들)(5)의 금속 합금은 특정 예시적인 구현예에서 비정질 금속 합금(예를 들어, Zr 및/또는 Cu 기반 비정질 합금)일 수 있다. 예를 들어, 스페이서는 Zr 및 Cu, Ni, Al 및/또는 Ti 중 하나 이상을 포함하는 Zr 기반 비정질 금속 합금이거나 이를 포함할 수 있으며, Zr 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 50%, 및 때로는 적어도 약 60%이다. 이러한 스페이서를 사용하는 것은 스페이서 배열의 열전도율을 유리하게 감소시키고 VIG 윈도우 유닛의 유리 R-값의 중심을 증가시키고, 또한 VIG 윈도우 유닛의 기판의 충분한 간격 강도를 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 방식으로 스페이서의 압축 항복 강도를 증가시키는 것은 윈도우 유닛에서 인접한 스페이서 사이의 간격을 증가시킬 수 있고, 이는 더 높은 R-값이 달성되게 할 수 있다.
스페이서(5)에 대한 비정질 합금(예를 들어, VIT 105, VIT 106, VIT 601, AMZ4, 또는 AMC4)은 금속 및 다른 고전적인 합금에 비해 비정렬된 비결정질 구조를 특징으로 한다. 상이한 금속을 열과 조합하고 함께 용융시켜 액체를 제조할 수 있다. 이 액체가 빠르게 냉각될 때, 금속 원자는 비정질 합금을 형성하는 데 용융물로부터 액체형 랜덤 위치를 유지한다. 합금 시스템은 액체로부터 고체로의 상당한 상 전이가 존재하지 않는 방식으로 선택될 수 있어서, 이어서 주조, 3D 인쇄 또는 사출 성형에 의해 제조될 수 있는 최종형상근접(near net shape) 구성요소를 생성한다(따라서 스페이서(5)는 VIG 유닛의 유리에 대한 3D 인쇄를 포함하지만 이에 제한되지 않는 이러한 기술 중 임의의 기술에 의해 제조될 수 있음). 격자 결함이 없거나 결정립 또는 상 경계가 거의 없거나 전혀 없이, 조성물 변동이 거의 없거나 전혀 존재하지 않는다. 본원에서 스페이서(5)용으로 사용될 수 있는 몇몇 예시적인 Zr 및 Cu 기반 비정질 합금은 다음의 종래의 어닐링된 316 스테인리스 강 스페이서와 비교된다. 예를 들어, VIT 105 비정질 합금은 16%의 Cu, 12%의 Ni, 3%의 Ti, 4%의 Al, 및 본질적으로 Zr의 잔부(예를 들어, 약 65%)로 이루어진다. 다른 예로써, AMZ4 비정질 합금은 24%의 Cu, 4%의 Al, 2%의 Nb, 및 본질적으로 Zr의 잔부(예를 들어, 약 70%)로 이루어진다. 또 다른 예로서, AMC4 비정질 합금은 26%의 Ti, 16%의 Zr, 8%의 Ni, 4%의 Sn, 및 본질적으로 Cu의 잔부(예를 들어, 약 46%)로 이루어진다.
VIT 105, AMZ4, 및 AMC4 비정질 합금은 어닐링된 316 스테인리스 강과 관련하여 유리하다는 점에서, 이들은 더 낮은 열전도율 및/또는 더 높은 압축 항복 강도를 갖는다는 것을 알 수 있다.
스페이서(5)에 대한 본 발명의 특정 예시적인 비정질 합금 구현예에서, 스페이서(5)용 비정질 금속 합금은 중량 기준으로 합금의 금속 함량에 대해 적어도 40%의 Zr, 더 바람직하게는 적어도 50%의 Zr, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 60%의 Zr; 약 1 내지 35%의 Cu, 더 바람직하게는 약 10 내지 30%의 Cu, 그리고 가장 바람직하게는 약 15 내지 25%의 Cu; 약 1 내지 30%의 Ni, 더 바람직하게는 약 5 내지 20%의 Ni, 그리고 가장 바람직하게는 약 10 내지 15%의 Ni; 약 1 내지 15%의 Ti, 더 바람직하게는 약 1 내지 10%의 Ti, 그리고 가장 바람직하게는 약 1 내지 5%의 Ti; 및/또는 약 1 내지 15%의 Al, 더 바람직하게는 약 1 내지 10%의 Al, 그리고 가장 바람직하게는 약 1 내지 5%의 Al일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
스페이서(5)에 대한 본 발명의 특정 예시적인 비정질 합금 구현예에서, 스페이서(5)용 비정질 금속 합금은 중량 기준으로 합금의 금속 함량에 대해 적어도 40%의 Zr, 더 바람직하게는 적어도 50%의 Zr, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 60%의 Zr; 약 1 내지 35%의 Cu, 더 바람직하게는 약 10 내지 30%의 Cu, 그리고 가장 바람직하게는 약 15 내지 25% 의 Cu; 약 1 내지 15%의 Nb, 더 바람직하게는 약 1 내지 10%의 Nb, 그리고 가장 바람직하게는 약 1 내지 5%의 Nb; 및/또는 약 1 내지 15%의 Al, 더 바람직하게는 약 1 내지 10%의 Al, 그리고 가장 바람직하게는 약 1 내지 5%의 Al일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
스페이서(5)에 대한 본 발명의 특정 예시적인 비정질 합금 구현예에서, 스페이서(5)용 비정질 금속 합금은 중량 기준으로 합금의 금속 함량에 대해, 적어도 30%의 Cu, 더 바람직하게는 적어도 40%의 Cu; 약 1 내지 35%의 Ti, 더 바람직하게는 약 10 내지 35%의 Ti, 그리고 가장 바람직하게는 약 20 내지 30%의 Ti; 약 1 내지 35%의 Zr, 더 바람직하게는 약 5 내지 30%의 Zr, 그리고 가장 바람직하게는 약 10 내지 22%의 Zr; 약 1 내지 20%의 Ni, 더 바람직하게는 약 2 내지 15%의 Ni, 그리고 가장 바람직하게는 약 5 내지 12%의 Ni; 및/또는 약 1 내지 15%의 Sn, 더 바람직하게는 약 1 내지 10%의 Sn, 그리고 가장 바람직하게는 약 2 내지 8%의 Sn일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
지르코니아 기반 벌크 금속 유리의 추가 열처리는 필러의 표면에 지르코늄 산화물(예를 들어, ZrO2)을 생성할 수 있다. 이러한 지르코늄 산화물(예를 들어, ZrO2)의 박층은 비정질 합금의 기계적 특성을 유지하면서 벌크 비정질 금속 필러와 유리 사이에 열 장벽을 생성할 수 있다. ZrO2의 열전도율은 약 1.7 W/m K이다. 예를 들어, 30분 내지 60분 동안 225C 내지 275C의 온도에서 산소 풍부 분위기에서의 열처리는 스페이서의 적어도 하나 또는 모든 측부 상에 지르코늄 산화물(예를 들어, ZrO2) 표면 산화물을 생성한다.
이어서, 다양한 스페이서의 계산된 열전도율을 VIG R- 값 계산기로 가져와 VIG 윈도우 유닛의 열 성능에 대한 효과를 결정하였다. Ti-6A1-4V(티타늄 6-4 또는 Ti- 6-4로도 알려짐) 및 헤라우스 비정질 합금 VIT105 스페이서는 아래의 스테인리스 강 필러에 비교되었다. 압축 강도의 증가(예를 들어, 더 큰 필러 간격의 결과) 및 열전도율의 감소로 인해, 예를 들어, 제한 없이, Ti 6-4 및 VIT105의 경우 각각 20.3 및 25.7의 VIG 유닛 R-값을 달성할 수 있다(이는 종래의 스테인리스 강 스페이서/필러에 대한 것보다 훨씬 더 높음). 분석 결과 및 계산으로 이어지는 파라미터는 아래에서 나타내질 수 있다. 이중 Ag 및 삼중 Ag는 VIG 유닛의 유리 기판 중 하나의 내부 표면의 상이한 유형의 저-E 코팅을 지칭함에 유의한다.
따라서, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 스페이서는 종래의 어닐링된 316 테인리스 강 스페이서(예를 들어, 필러)에 비해 VIG 윈도우 유닛이 더 높은 R- 값을 실현하게 할 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 그 사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판; 기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 제1 및 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉; 적어도 제1 및 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 VIG 윈도우 유닛의 적어도 제1 및 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를; 포함하는 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되며, 스페이서는 13.0 W/m-K 이하의 열전도율 및 적어도 80,000 psi의 압축 항복 강도를 가지는 금속 합금을 포함한다.
바로 앞 단락의 VIG 윈도우 유닛에서, 스페이서는 12.0 W/m-K 이하, 더 바람직하게는 11.0 W/m-K 이하, 더 바람직하게는 10.0 W/m-K 이하, 그리고 가장 바람직하게는 9.0 W/m-K 이하의 열전도율을 갖는 금속 합금을 포함할 수 있다.
선행하는 2개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 스페이서는 적어도 100,000 psi의 압축 항복 강도, 더 바람직하게는 적어도 150,000 psi의 압축 항복 강도, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 200,000 psi의 압축 항복 강도를 갖는 금속 합금을 포함할 수 있다.
선행하는 3개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금은 질화될 수 있다.
선행하는 4개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금은 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 포함할 수 있고, 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%, 더 바람직하게는 적어도 약 50%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 80% 일 수 있다.
선행하는 5개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 50%의 Ti, 약 1 내지 20%의 Al, 및 약 1 내지 20%의 V를 포함할 수 있다.
선행하는 6개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금은 비결정질 구조를 포함하는 비정질일 수 있다. Zr 또는 Cu는 비정질 금속 합금의 최대 금속 원소 함량일 수 있다.
선행하는 7개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr을 포함할 수 있다.
선행하는 8개 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함할 수 있고, 약 1 내지 30%의 Ni, 약 1 내지 15%의 Ti, 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
선행하는 9개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함할 수 있고, 약 1 내지 15%의 Nb 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
선행하는 10개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%의 Cu 및 약 1 내지 35%의 Ti를 포함할 수 있고, 약 1 내지 35%의 Zr, 약 1 내지 20%의 Ni, 및/또는 약 1 내지 15%의 Sn 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
선행하는 11개의 단락 중 임의의 단락의 VIG 유닛에서, 스페이서 중 적어도 하나는 이의 표면에 코팅을 포함할 수 있다. 코팅은 지르코늄의 산화물(예를 들어, ZrO2)과 같은 세라믹일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 코팅은 스페이서 중 적어도 하나의 1개, 2개, 3개, 또는 모든 측부 상에 존재할 수 있다. 코팅은 열처리에 의해 형성될 수 있다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 구현예로 고려되는 것과 관련하여 설명되어 있지만, 본 발명은 개시된 구현예로 제한되지 않고, 대조적으로, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주 내에 포함되는 다양한 변형 및 등가의 구성을 포함하고자 함이 이해되어야 한다.

Claims (35)

  1. 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛으로서,
    사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판;
    기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 제1 및 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉;
    적어도 상기 제1 및 상기 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 상기 VIG 윈도우 유닛의 적어도 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는 13.0 W/m-K 이하의 열전도율 및 적어도 80,000 psi의 압축 항복 강도를 가지는 금속 합금을 포함하는, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스페이서는 12.0 W/m-K 이하의 열전도율을 가지는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스페이서는 11.0 W/m-K 이하의 열전도율을 가지는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서는 10.0 W/m-K 이하의 열전도율을 가지는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서는 9.0 W/m-K 이하의 열전도율을 갖는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서는 적어도 100,000 psi의 압축 항복 강도를 가지는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서는 적어도 150,000 psi의 압축 항복 강도를 갖는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서는 적어도 200,000 psi의 압축 항복 강도를 갖는 금속 합금을 포함하는, VIG 유닛.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금은 질화되는, VIG 유닛.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금은 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 포함하고, 상기 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 30%인, VIG 유닛.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금은 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 포함하고, 상기 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 50%인, VIG 유닛.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금은 가장 큰 금속 원소로서 Ti를 포함하고, 상기 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 80%인, VIG 유닛.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 50%의 Ti, 약 1 내지 20%의 Al, 및 약 1 내지 20%의 V를 포함하는, VIG 유닛.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금은 비결정질 구조를 포함하는 비정질인, VIG 유닛.
  15. 제1항 내지 제9항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서, Zr 또는 Cu는 상기 금속 합금의 최대 금속 함량을 가지는, VIG 유닛.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr을 포함하는, VIG 유닛.
  17. 제1항 내지 제9항 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함하고, 약 1 내지 30%의 Ni, 약 1 내지 15%의 Ti, 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  18. 제1항 내지 제9항 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함하고, 약 1 내지 15%의 Nb 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  19. 제1항 내지 제9항, 제14항 및 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%의 Cu 및 약 1 내지 35%의 Ti를 포함하고, 약 1 내지 35%의 Zr, 약 1 내지 20%의 Ni, 및/또는 약 1 내지 15%의 Sn 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서 중 적어도 하나는 이의 표면에 코팅을 포함하는, VIG 유닛.
  21. 제20항에 있어서, 상기 코팅은 지르코늄의 산화물을 포함하는, VIG 유닛.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 코팅은 ZrO2를 포함하는, VIG 유닛.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은 상기 적어도 하나의 스페이서의 모든 측부 상에 제공되는, VIG 유닛.
  24. 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛으로서,
    사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판;
    기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 상기 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 상기 제1 및 상기 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉;
    적어도 상기 제1 및 상기 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 상기 VIG 윈도우 유닛의 적어도 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는 상기 금속 합금 내의 최대 금속 원소로서 Ti를 가지는 금속 합금을 포함하고, 상기 금속 합금의 Ti 함량은 중량 기준으로 적어도 약 50%인, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛.
  25. 제24항에 있어서, 상기 금속 합금은 13.0 W/m-K 이하의 열전도율 및/또는 적어도 80,000 psi의 압축 항복 강도를 갖는, VIG 유닛.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 50%의 Ti, 약 1 내지 20%의 Al, 및 약 1 내지 20%의 V를 포함하는, VIG 유닛.
  27. 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛으로서,
    사이에 갭을 한정하는 제1 및 제2 이격된 유리 기판;
    기밀 밀봉을 형성하고 대기압보다 낮은 압력에 있는 상기 갭을 한정하는 것을 돕기 위해 상기 제1 및 상기 제2 기판의 주변에 근접하게 제공되는 에지 밀봉;
    적어도 상기 제1 및 상기 제2 유리 기판의 이격을 돕기 위해 상기 VIG 윈도우 유닛의 적어도 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판 사이에 제공되는 복수의 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는 비정질 금속 합금을 포함하고, Zr 또는 Cu는 상기 비정질 금속 합금의 최대 금속 원소인, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛.
  28. 제27항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr을 포함하는, VIG 유닛.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함하고, 약 1 내지 30%의 Ni, 약 1 내지 15%의 Ti, 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  30. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 40%의 Zr 및 약 1 내지 35%의 Cu를 포함하고, 약 1 내지 15%의 Nb 및/또는 약 1 내지 15%의 Al 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  31. 제27항에 있어서, 상기 금속 합금의 금속 함량은 중량 기준으로 적어도 30%의 Cu 및 약 1 내지 35%의 Ti를 포함하고, 약 1 내지 35%의 Zr, 약 1 내지 20%의 Ni, 및/또는 약 1 내지 15%의 Sn 중 적어도 하나를 포함하는, VIG 유닛.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서 중 적어도 하나는 이의 표면에 코팅을 포함하는, VIG 유닛.
  33. 제32항에 있어서, 상기 코팅은 지르코늄의 산화물을 포함하는, VIG 유닛.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서, 상기 코팅은 ZrO2를 포함하는, VIG 유닛.
  35. 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은 상기 적어도 하나의 스페이서의 모든 측부 상에 제공되는, VIG 유닛.
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