WO2015030549A1 - 저방사 코팅 및 이를 포함하는 창호용 건축 자재 - Google Patents

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WO2015030549A1
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김웅길
전윤기
권대훈
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(주)엘지하우시스
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Definitions

  • It relates to a low-emissivity coating and a building material for windows and doors comprising the same.
  • Low-emissivity glass refers to glass in which a low-emissivity layer containing a metal having high reflectance in the infrared region, such as silver, is deposited as a thin film.
  • a low-emissivity layer containing a metal having high reflectance in the infrared region, such as silver is deposited as a thin film.
  • Such low-emission glass is a functional material that reflects solar radiation in summer and preserves infrared rays generated by indoor heaters in winter, resulting in energy savings of buildings.
  • silver (Ag) used as a low emission layer is oxidized when exposed to air, and thus a dielectric layer is deposited as an anti-oxidation film on the upper and lower portions of the low emission layer. This dielectric layer also serves to increase the visible light transmittance.
  • One embodiment of the present invention provides a low-emission coating having excellent optical performance while maintaining durability even after heat treatment.
  • Another embodiment of the present invention provides a building material for windows and doors including the low-emissivity coating film.
  • a low-emission coating of a multi-layer structure comprising a Ti-based oxide layer, a composite metal oxide layer of zinc and aluminum, a low radiation protective metal layer and a low radiation layer in sequence.
  • the composite metal oxide layer of zinc and aluminum may include a composite metal oxide of zinc and aluminum represented by ZnAlOx, 0.9 ⁇ x ⁇ 1.1.
  • the thickness of the composite metal oxide layer of zinc and aluminum may be about 2 nm to about 10 nm.
  • the low emissive layer may have an emissivity of about 0.01 to about 0.3.
  • the low emission layer may include at least one selected from the group consisting of Ag, Au, Cu, Al, Pt, ion doped metal oxide, and combinations thereof.
  • the low emission layer may include a thickness of about 5 nm to about 25 nm.
  • the low radiation protection metal layer may have an extinction coefficient of about 1.5 to about 4 in the visible light region.
  • the low radiation protective metal layer may include at least one selected from the group consisting of Ni, Cr, an alloy of Ni and Cr, Ti, and a combination thereof.
  • It may further include an outermost dielectric layer including an Si-based composite metal nitride on the outermost surface or both surfaces of the low-emission coating.
  • the Si-based composite metal nitride may include at least one selected from the group consisting of Al, Ti, Co, and combinations thereof.
  • a first outermost dielectric layer, a Ti-based oxide layer, a composite metal oxide layer of zinc and aluminum, a first light absorbing metal layer, a low emission layer, a second light absorbing metal layer and a first outermost dielectric layer are laminated,
  • the first outermost dielectric layer and the second outermost dielectric layer may be layers including a Si-based composite metal nitride.
  • the transparent substrate In another embodiment of the invention, the transparent substrate; And a functional building material for windows and doors with the low-emissivity coating coated on the transparent substrate.
  • the stacking direction of the low radiation coating may be stacked in a direction in which the Ti-based oxide layer is closer to the transparent substrate than the low radiation layer.
  • the transparent substrate may be transparent having about 90 to about 100% visible light transmittance.
  • the substrate may be glass or transparent plastic.
  • the low-emissivity coating has excellent optical performance, but also has excellent durability even after heat treatment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a low emissive coating in accordance with one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a low-emission coated building material for windows and doors according to another embodiment of the present invention.
  • any configuration is formed on the “top (or bottom)" of the substrate or “top (or bottom)” of the substrate means that any configuration is formed in contact with the top (or bottom) of the substrate.
  • it is not limited to not including other configurations between the substrate and any configuration formed on (or under) the substrate.
  • the coating 100 is a multi-layered structure including a Ti-based oxide layer 110, a composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum, a low radiation protection metal layer 130 and a low radiation layer 140 in sequence.
  • the low emissive coating 100 can be used to make so-called low-e (low emissivity) glass.
  • the Roy glass is a functional building material for windows and windows having a low emissivity, and is typically implemented by forming a coating layer on a transparent glass substrate.
  • the low emissive coating 100 may be used as the coating layer.
  • the low-emission coating 100 may improve the durability of the functional building material for windows and windows to be applied by forming a structure specified according to each layer including the material specified as described above and the stacking order thereof.
  • the low radiation coating 100 is a multi-layered thin film structure based on the low radiation layer 140 that selectively reflects far infrared rays of sunlight, the functional building material for windows and doors to which the low radiation coating 100 is applied is the low radiation
  • the coating 100 can be given a Roy effect that the emissivity is lowered, and also can be given a thermal insulation performance by the Roy effect.
  • the functional building material for windows and doors including the low-radiation coating 100 as a coating layer forms a structure including a transparent substrate and a coating layer made of the low-radiation coating 100 to reflect solar radiation in summer and in an indoor heater in winter. It is a functional material that saves energy generated by preserving infrared rays generated.
  • emissivity refers to the rate at which an object absorbs, transmits, and reflects energy having any particular wavelength
  • emissivity herein refers to the degree of absorption of infrared energy in the infrared wavelength range, Specifically, it refers to the ratio of infrared energy absorbed to the applied infrared energy when far infrared rays corresponding to a wavelength region of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m exhibiting strong thermal action are applied.
  • Kirchhoff's law states that the absorbed energy is equal to the emissivity because the infrared energy absorbed by the material is equal to the energy emitted again.
  • Such emissivity can be measured through various methods commonly known in the art, and is not particularly limited, but can be measured, for example, by a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) according to the KSL2514 standard. .
  • FT-IR Fourier transform infrared spectrometer
  • Absorption, or emissivity, to far-infrared rays exhibiting such a strong thermal action may represent a very important meaning in measuring the degree of thermal insulation performance.
  • the low-emissivity coating 100 forms a coating layer as described above on a transparent substrate such as glass, so that the energy-saving functional building material can provide excellent thermal insulation effect by lowering the emissivity while maintaining a predetermined transmission characteristic in the visible light region.
  • a transparent substrate such as glass
  • the low radiation layer 140 is a layer formed of an electrically conductive material, for example, a metal, which may have a low emissivity, that is, has a low sheet resistance, and thus has a low emissivity.
  • the low emissivity layer 140 may have an emissivity of about 0.01 to about 0.3, specifically about 0.01 to about 0.2, more specifically about 0.01 to about 0.1, even more specifically About 0.01 to about 0.08.
  • the low-emissivity layer 140 having the above emissivity may have a sheet resistance of about 0.78 kW / sq to about 6.42 kW / sq of a thin film material.
  • the low radiation layer 140 performs a function of selectively transmitting and reflecting solar radiation.
  • the low emission layer 140 may include at least one selected from the group consisting of Ag, Au, Cu, Al, Pt, ion doped metal oxide, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the ion doped metal oxide includes, for example, indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), Al doped zinc oxide (AZO), gallium zinc oxide (GZO), and the like.
  • the low-emissivity layer 140 may be silver (Ag), thereby the low-emission coating 100 can implement a high electrical conductivity, low absorption in the visible light region, excellent durability and the like.
  • the low emission layer 140 may have a thickness of, for example, about 10 nm to about 25 nm.
  • the low radiation layer 140 having a thickness in the above range is suitable for simultaneously implementing a low emissivity and a high visible light transmittance.
  • the low radiation protection metal layer 130 is made of a metal having excellent light absorption performance to control the sunlight, and to control the material, thickness, etc. of the low radiation protection metal layer 130, the low radiation coating film 100 You can adjust the color to implement.
  • the low radiation protection metal layer 130 may be formed by being stacked on one or both surfaces of the low radiation layer 140.
  • the low radiation protection metal layer 130 may have an extinction coefficient in the visible region of about 1.5 to about 3.5.
  • the extinction coefficient is a value derived from an optical constant that is a material-specific property of a material, and the optical constant is expressed as n-ik in a formula.
  • the real part n is the refractive index
  • the imaginary part k is called the extinction coefficient (also called absorption coefficient, extinction coefficient, extinction coefficient, etc.).
  • the extinction coefficient is a function of the wavelength [lambda], and for metals the extinction coefficient is generally greater than zero.
  • the low radiation protection metal layer 130 absorbs a portion of the visible light by using a metal having an extinction coefficient of the visible light region in the above range, so that the low radiation coating 100 has a predetermined color.
  • the low radiation protection metal layer 130 may include at least one selected from the group consisting of Ni, Cr, an alloy of Ni and Cr, Ti, and a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the low radiation protection metal layer 130 may have a thickness of about 1 nm to about 5 nm, for example.
  • the low radiation coating 100 may be adjusted to have a predetermined transmittance and reflectance while serving as a low radiation protection layer including the low radiation protection metal layer 130 in the thickness range.
  • the Ti-based oxide layer 110 and the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum serve as a protective film for protecting the low-emission protective metal layer 130 and the low-emissive layer 140 as a dielectric layer.
  • optical performances such as transmittance, reflectance, transmittance, and reflection color can be realized at a desired target level according to the value of the refractive index.
  • the Ti-based oxide layer 110 may be a layer formed by depositing titanium oxide represented by TiOx, 1.8 ⁇ x ⁇ 2.2.
  • the Ti-based oxide layer 110 is easy to give a variety of optical performance (transmittance, reflectance, color index) to the low-emission coating (100). That is, the optical performance range that cannot be realized by the low-emission coating 100 except for the Ti-based oxide layer 110 may be implemented by applying the Ti-based oxide layer 110.
  • the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum is interposed between the low radiation protection metal layer 130 and the Ti oxide layer 110 to thereby form the low radiation protection metal layer 130 and the Ti oxide layer ( In case of direct contact with 110, it may serve to prevent durability degradation caused by interfacial reaction after heat treatment. That is, the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum increases the adhesion between the low-emission protective metal layer 130 and the Ti-based oxide layer 110 to prevent degradation of durability of the low-emission coating after heat treatment.
  • the low-emission coating 100 may solve the problem of deterioration of durability by the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum while implementing various optical performances by the Ti-based oxide layer 110. .
  • the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum is a layer including a composite metal oxide of zinc and aluminum represented by ZnAlOx, 0.9 ⁇ x ⁇ 1.1, and is formed by depositing the composite metal oxide of zinc and aluminum. Can be.
  • the thickness of the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum may be about 2 nm to about 10 nm.
  • the low radiation coating 100 may further include an outermost dielectric layer 150 including Si-based composite metal nitride on the outermost surface or both surfaces of the low radiation coating.
  • the Si-based composite metal nitride may be formed as a nitride of a metal and Si including at least one selected from the group consisting of Al, Ti, Co, and combinations thereof.
  • the Si-based composite metal nitride may be a layer formed by depositing a compound represented by SiAlNx, 1.2 ⁇ x ⁇ 1.5.
  • the low-emission coating 100 may further include additional dielectric layers depending on the performance and the intended use to be implemented in addition to the above-described layers.
  • the additional dielectric layer may include various metal oxides, metal nitrides, and the like, for example, titanium oxide, tin zinc oxide, zinc oxide, zinc aluminum oxide, tin oxide, bismuth oxide, silicon nitride, silicon It may include at least one selected from the group consisting of aluminum nitride and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the low-emissivity coating 100 adjusts the transmittance and reflectance according to the wavelength of light by adjusting the material, position, and thickness of each layer constituting the low-emission coating 100 to realize an optical spectrum suitable for the purpose of use. Can be achieved by controlling. That is, the low-emission coating 100 may be capable of fine control of optical performance such as color, reflectance, transmittance, etc. of the high reflective surface of the low-emission coating 100 from the outside by adjusting the material and thickness of each layer. .
  • the low-emission coating 100 shown in FIG. 1 has a first outermost dielectric layer 150, a Ti-based oxide layer 110, a composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum, and a first light absorbing metal layer from below. 130, the low emission layer 140, the second light absorption metal layer 130, and the first outermost dielectric layer 150 are stacked.
  • the first outermost dielectric layer 150 and the second outermost dielectric layer 150 are layers including Si-based composite metal nitrides.
  • Based on the low emissive layer 140 of the low emissive coating 100 may be attached to the substrate to be low emissive coating in the direction of the composite metal oxide layer 120 of zinc and aluminum.
  • the substrate 190 may be a transparent substrate and form a coating layer of the low-emission coating 100 to manufacture a functional building material for windows and doors such as Roy glass.
  • the transparent substrate 290 In another embodiment of the invention, the transparent substrate 290; And a functional building material 200 for windows and doors with the low-emission coating 280 coated on the transparent substrate 290.
  • Figure 2 shows a cross section of the functional building material for the windows and doors.
  • the transparent substrate 290 may be a transparent substrate having high visible light transmittance.
  • a glass or transparent plastic substrate having about 90 to about 100% visible light transmittance may be used.
  • the transparent substrate 290 may be used, for example, without limitation, glass used for construction, and may be, for example, about 2 mm to about 12 mm thick, depending on the purpose of use.
  • the building material for windows and doors 200 has excellent durability by the low-emission coating 280 as described above, while securing the heat insulating performance by the low-emission coating by applying the low-emission coating 280.
  • the low emissive coating 280 may be prepared by laminating each layer according to known methods.
  • Each layer may be laminated by, for example, a deposition method, and the deposition method is not particularly limited and may be performed according to a known method.
  • each layer of the low emissive coating 280 may be by deposition, may also be carried out without limitation in accordance with known methods, for example, may be deposited using a magnetron sputter deposition machine.
  • a SiAlN x layer was deposited on a transparent glass substrate having a thickness of 6 mm at a thickness of 38 nm under an atmosphere of nitrogen / argon (60 vol% nitrogen, 40 vol% argon).
  • the TiO x layer was then deposited to 34 nm thick under oxygen / argon (10% oxygen, 90% argon) atmosphere and the ZnAlO x layer was deposited to 6 nm thickness under 100% argon atmosphere.
  • the SiAlN x layer was 50 nm thick under the same conditions as the SiAlN x layer deposition conditions. It was deposited by to prepare a low-emission coating coated Roy glass.
  • Embodiment the thickness of ZnAlO x layer in Example 1 was produced in the glass by Roy and the same conditions as in Example 1 except that the laminate to 3nm.
  • a Roy glass was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the ZnAlO x layer was removed from the multilayer structured film as in Example 1.
  • a Roy glass was manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the TiO x layer and the ZnAlO x layer were excluded from the multilayer structured film as in Example 1.
  • Example 1 Clear Glass / SiAlN x (38) / TiO x (34) / ZnAlO x Layer (6) / NiCr (3.5) / Ag (11) / NiCr (3.5) / SiAlN x (50)
  • Example 2 Clear Glass / SiAlN x (38) / TiO x (34) / ZnAlO x Layer (3) / NiCr (3.5) / Ag (11) / NiCr (3.5) / SiAlN x (50) Comparative Example 1 Clear Glass / SiAlN x (38) / TiO x (34) / NiCr (3.5) / Ag (11) / NiCr (3.5) / SiAlN x (50) Comparative Example 2 Clear Glass / SiAlN x (38) / NiCr (3.5) / Ag (11) / NiCr (3.5) / SiAlN x (50)
  • the samples were placed with the temperature inside the equipment maintained at about 700 ° C., held for 7 minutes, and then the samples were taken out.
  • Comparative Example 2 the visible light transmittance and the change in haze before and after heat treatment were smaller than those in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, but only one material (SiAlNx) was used in addition to the metal layer, thereby adding a TiOx layer (Examples 1 and 2 And there is a limit to the range of optical performance that can be implemented than Comparative Example 1).
  • Example 1 Example 2 and Comparative Example 1 is to increase the optical performance by adding a TiO x layer compared to Comparative Example 2, but Comparative Example 1 has a problem of wear resistance performance due to the interface adhesion problem between the TiO x layer and NiCr layer after heat treatment Degradation can be confirmed from the results of Tables 2 and 3.
  • Example 1 and Example 2 even after the heat treatment, the wear resistance was excellent, and it was confirmed that the problem of interfacial adhesion between the TiO x layer and the NiCr layer was solved. As can be seen from Table 3, Example 1 and Example 2 did not cause damage of the low-emission coating in the cleaning test even after the heat treatment.
  • Example 1 in which the thicker ZnAlO x layer is formed in Table 2 has little haze after heat treatment compared to Example 2, and the change in visible light transmittance due to the interfacial reaction between the deposited films is smaller.

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Abstract

Ti계 산화물층, 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층, 저방사 보호 금속층 및 저방사층을 순차적으로 포함하는 다층 구조의 저방사 코팅이 제공된다.

Description

저방사 코팅 및 이를 포함하는 창호용 건축 자재
저방사 코팅 및 이를 포함하는 창호용 건축 자재에 관한 것이다.
저방사 유리(Low-Emissivity glass)는 은(Ag)과 같이 적외선 영역에서의 반사율이 높은 금속을 포함하는 저방사층이 박막으로 증착된 유리를 말한다. 이러한 저방사 유리는 여름에는 태양 복사열을 반사시키고 겨울에는 실내 난방기에서 발생하는 적외선을 보존해 줌으로써 건축물의 에너지 절감효과를 가져오는 기능성 소재이다.
일반적으로 저방사층으로 사용되는 은(Ag)은 공기 중에 노출되었을 때 산화가 되므로, 상기 저방사층의 상부, 하부에 산화방지막으로 유전체층이 증착된다. 이러한 유전체층은 가시광 투과율을 증가시키는 역할도 한다.
본 발명의 일 구현예는 열처리 후에도 내구성을 유지하면서 광학 성능이 우수한 저방사 코팅을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 저방사 코팅막을 포함하는 창호용 건축 자재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, Ti계 산화물층, 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층, 저방사 보호 금속층 및 저방사층을 순차적으로 포함하는 다층 구조의 저방사 코팅을 제공한다.
상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층은 ZnAlOx, 0.9≤x≤1.1로 표시되는 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물을 포함할 수 있다.
상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층의 두께가 약 2nm 내지 약 10nm일 수 있다.
상기 저방사층은 방사율이 약 0.01 내지 약 0.3 포함할 수 있다.
상기 저방사층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, 이온 도핑 금속 산화물, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 저방사층의 두께가 약 5nm 내지 약 25nm 포함할 수 있다.
상기 저방사 보호 금속층은 가시광선 영역의 소멸 계수가 약 1.5 내지 약 4일 수 있다.
상기 저방사 보호 금속층은 Ni, Cr, Ni과 Cr의 합금, Ti 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 저방사 코팅의 최외각 일면 또는 양면에 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 최외각 유전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 Si계 복합금속 질화물은 Al, Ti, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하부로부터, 제1 최외각 유전체층, Ti계 산화물층, 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층, 제1 광흡수 금속층, 저방사층, 제2 광흡수 금속층 및 제1 최외각 유전체층이 적층된 구조이고, 상기 제1 최외각 유전체층 및 상기 제2 최외각 유전체층은 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 층인 일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 투명 기재; 및 상기 투명 기재에 상기 저방사 코팅이 코팅된 창호용 기능성 건축 자재를 제공한다.
상기 저방사 코팅의 적층 방향은 상기 Ti계 산화물층이 상기 저방사층보다 상기 투명 기재와 가깝게 되는 방향으로 적층될 수 있다.
상기 투명 기재는 약 90 내지 약 100% 가시광선 투과율을 갖는 투명 일 수 있다.
상기 기재는 유리 또는 투명 플라스틱 일 수 있다.
상기 저방사 코팅은 광학 성능을 우수하게 구현하면서도, 열처리 가공 처리 후에도 내구성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저방사 코팅의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 저방사 코팅된 창호용 건축 자재의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “상부 (또는 하부)” 또는 기재의 “상 (또는 하)”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 저방사 코팅을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저방사 코팅(100)의 단면도이다. 상기 코팅(100)은 Ti계 산화물층(110), 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120), 저방사 보호 금속층(130) 및 저방사층(140)을 순차적으로 포함하는 다층 구조이다.
상기 저방사 코팅(100)은, 이른 바, 로이 (Low-e: low emissivity) 유리를 제조하는 데에 사용할 수 있다. 상기 로이 유리는 낮은 방사율을 갖는 창호용 기능성 건축 자재로서, 통상적으로 투명 유리 기재에 코팅층을 형성하여 구현한다. 상기 저방사 코팅(100)은 상기 코팅층으로서 사용될 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 상기와 같이 특정된 재료를 포함하는 각층 및 그 적층 순서에 따라 특정되는 구조를 형성함으로써, 적용되는 창호용 기능성 건축 자재의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 태양광 중 선택적으로 원적외선을 반사하는 저방사층(140)을 기반으로 하는 다층 박막 구조로서, 상기 저방사 코팅(100)이 적용된 창호용 기능성 건축 자재는 상기 저방사 코팅(100)에 의해 방사율이 낮아지는 로이 효과가 부여되고, 또한 로이 효과에 의한 단열 성능이 부여될 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)을 코팅층으로 포함하는 창호용 기능성 건축 자재는 투명 기재 및 상기 저방사 코팅(100)으로 이루어진 코팅층을 포함하는 구조를 형성하여 여름에는 태양 복사열을 반사시키고 겨울에는 실내 난방기에서 발생하는 적외선을 보존해 줌으로써 건축물의 에너지 절감 효과를 가져오는 기능성 소재이다.
'방사율(Emissivity)'이란 물체가 임의의 특정 파장을 갖는 에너지를 흡수, 투과 및 반사하는 비율을 의미하는 것이다, 즉, 본 명세서에서 방사율은 적외선 파장 영역에 있는 적외선 에너지의 흡수 정도를 나타내는 것으로서, 구체적으로는, 강한 열 작용을 나타내는 약 5㎛ 내지 약 50㎛의 파장영역에 해당하는 원적외선이 인가되었을 때, 인가되는 적외선 에너지에 대하여 흡수되는 적외선 에너지의 비율을 의미한다.
키르히호프의 법칙에 의하면 물질에 흡수된 적외선 에너지는 다시 방사되어 나오는 에너지와 동일하므로 흡수율은 방사율과 동일하다.
또한, 흡수되지 않은 적외선 에너지는 물질 표면에서 반사되므로 방사율은 적외선 에너지 반사가 높을수록 낮은 값을 갖게 된다. 이를 수치적으로 나타내면, (방사율 = 1 - 적외선 반사율)의 관계를 갖는다.
이와 같은 방사율은 이 분야에서 통상적으로 알려진 다양한 방법을 통하여 측정될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, KSL2514 규격에 의해 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 등의 설비로 측정할 수 있다.
이와 같은 강한 열 작용을 나타내는 원적외선에 대한 흡수율, 즉 방사율이 단열 성능의 정도를 측정하는데 있어서, 매우 중요한 의미를 나타낼 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 유리 등과 같은 투명 기재에 전술한 바와 같은 코팅층을 형성함으로써, 가시광선 영역에서는 소정의 투과 특성을 유지시키면서 방사율을 낮추어 우수한 단열 효과를 제공할 수 있는 에너지 절약형 기능성 건축 자재로 사용될 수 있다.
이하, 상기 저방사 코팅(100)에 포함되는 각 층에 대하여 상세히 설명한다.
상기 저방사층(140)은 낮은 방사율을 가질 수 있는 전기전도성 재료, 예를 들어 금속으로 형성된 층으로, 즉, 낮은 면저항을 가지고, 그에 따라 낮은 방사율을 갖는다. 예를 들어, 상기 저방사층(140)은 방사율은 약 0.01 내지 약 0.3일 수 있고, 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.2일 수 있고, 보다 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.1일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.08일 수 있다. 상기 저방사층(140)이 상기 범위의 방사율을 가지는 경우, 저방사 코팅막(100)의 단열 효과 및 가시광 투과율 측면을 동시에 고려하여 적절할 수 있다. 상기와 같은 방사율을 갖는 상기 저방사층(140)은 박막으로 구성한 재료의 면저항이 약 0.78 Ω/sq 내지 약 6.42 Ω/sq일 수 있다.
상기 저방사층(140)은 태양 복사선을 선택적으로 투과 및 반사시키는 기능을 수행한다. 상기 저방사층(140)은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, 이온 도핑 금속 산화물 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 이온 도핑 금속 산화물은 예를 들어, 인듐주석산화물(ITO), 불소 도핑된 주석산화물(FTO), Al 도핑된 아연산화물(AZO), 갈륨아연산화물(GZO) 등을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 저방사층(140)은 은(Ag)일 수 있고, 이로써 상기 저방사 코팅(100)은 높은 전기전도도, 가시광선 영역에서의 낮은 흡수율, 우수한 내구성 등을 구현할 수 있다.
상기 저방사층(140)의 두께는, 예를 들어, 약 10nm 내지 약 25nm일 수 있다. 상기 범위의 두께를 갖는 저방사층(140)은 낮은 방사율 및 높은 가시광선 투과율을 동시에 구현하기에 적합하다.
상기 저방사 보호 금속층(130)은 광흡수 성능이 뛰어난 금속으로 이루어져 태양광을 조절하는 기능을 하고, 상기 저방사 보호 금속층(130)의 재료, 두께 등을 조절하여 상기 저방사 코팅막(100)이 구현하는 색상을 조절할 수 있다.
상기 저방사 보호 금속층(130)은 상기 저방사층(140)의 일면 또는 양면에 적층되어 형성될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 저방사 보호 금속층(130)은 가시광선 영역에서의 소멸 계수(extinction coefficient)가 약 1.5 내지 약 3.5일 수 있다. 상기 소멸 계수는 소재의 물질 고유의 특성인 광학 상수에서 도출되는 값으로서, 상기 광학 상수는 수식으로는 n-ik로 표기된다. 이때 실수 부분은 n은 굴절률이고, 허수 부분인 k는 소멸 계수 (흡수 계수, 흡광 계수, 소광 계수 등으로도 명명됨)라고 한다. 소멸 계수는 파장(λ)의 함수이며, 금속의 경우 소멸 계수가 0보다 큰 것이 일반적이다. 소멸 계수, k는 흡수 계수, α와 α=(4πk)/λ의 관계를 갖으며, 흡수 계수, α는 빛이 통과하는 매질의 두께가 d일 때, I=I0exp(-αd)의 관계로 매질에 의한 빛의 흡수로 인해 통과한 빛의 세기(I)가 입사한 빛의 세기(I0)에 비해 감소하게 된다.
상기 저방사 보호 금속층(130)은 상기 범위의 가시광선 영역의 소멸 계수는 갖는 금속을 사용하여, 가시광선의 일정 부분을 흡수하여, 상기 저방사 코팅(100)이 소정의 색상을 갖도록 한다.
예를 들어, 상기 저방사 보호 금속층(130)은 Ni, Cr, Ni과 Cr의 합금, Ti 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 저방사 보호 금속층(130)의 두께는, 예를 들어, 약 1nm 내지 약 5nm일 수 있다. 상기 저방사 코팅(100)은 상기 두께 범위의 저방사 보호 금속층(130)을 포함하여 저방사 보호층으로써의 역할을 수행하면서 소정의 투과율 및 반사율을 갖도록 조절할 수 있다.
상기 Ti계 산화물층(110) 및 상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)은 유전체층으로서 상기 저방사 보호 금속층(130) 및 상기 저방사층(140)을 보호하는 보호막으로서 작용하고, 재료, 두께 등을 조절하여 굴절률의 값에 따라, 투과율, 반사율, 투과 및 반사색상 등의 광학 성능을 원하는 목표 수준으로 구현될 수 있게 한다.
상기 Ti계 산화물층(110)은 구체적으로, TiOx, 1.8≤x≤2.2로 표시되는 티타늄 산화물을 증착하여 형성된 층일 수 있다. 상기 Ti계 산화물층(110)은 상기 저방사 코팅(100)에 다양한 광학 성능(투과율, 반사율, 색지수)을 부여하기에 용이하다. 즉, 상기 Ti계 산화물층(110)을 제외한 저방사 코팅(100)으로 구현할 수 없는 광학 성능 범위를 상기 Ti계 산화물층(110)을 적용함으로써 구현할 수 있다.
그러나, Ti계 산화물층을 포함하는 경우, 저방사 보호 금속층을 상부에 형성하게 되면 Ti계 산화물층과 저방사 보호 금속층 간의 계면 반응에 의해 열처리 후 내마모 성능과 같은 내구성이 저하 되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)은 상기 저방사 보호 금속층(130)과 상기 Ti계 산화물층(110) 사이에 개재됨으로써, 상기 저방사 보호 금속층(130)과 상기 Ti계 산화물층(110)이 직접 접하게 되는 경우 열처리 후에 계면 반응에 의해 초래되는 내구성 저하를 방지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)은 상기 저방사 보호 금속층(130)과 상기 Ti계 산화물층(110)의 접착력을 높여주어 열처리 후 저방사 코팅의 내구성 저하를 방지한다.
그에 따라서, 상기 저방사 코팅(100)은 상기 Ti계 산화물층(110)에 의해 다양한 광학적 성능을 구현하면서도, 상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)에 의해 내구성 저하의 문제를 해결할 수 있다.
상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)은 ZnAlOx, 0.9≤x≤1.1로 표시되는 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물을 포함하는 층으로서, 구체적으로 상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물을 증착하여 형성될 수 있다.
상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120)의 두께는 약 2nm 내지 약 10nm일 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 상기 저방사 코팅의 최외각 일면 또는 양면에 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 최외각 유전체층(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 Si계 복합금속 질화물은 Al, Ti, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속과 Si의 질화물로서 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 Si계 복합금속 질화물은 SiAlNx, 1.2≤x≤1.5로 표시되는 화합물을 증착하여 형성된 층일 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 전술하여 설명된 층 이외에도 구현하고자 하는 성능 및 목적하는 용도에 따라서 추가적인 유전체층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 추가적인 유전체층은 다양한 금속 산화물, 금속 질화물 등을 포함할 수 있고, 예를 들어, 티타늄옥사이드, 주석아연옥사이드, 아연옥사이드, 아연알루미늄옥사이드, 주석옥사이드, 비스무스옥사이드, 실리콘나이트라이드, 실리콘알루미늄나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 금속 산화물 및/또는 금속 질화물에 비스무트(Bi), 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 안티몬(Sb), 베릴륨(Be) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 도핑할 수 있다.
상기 저방사 코팅(100)은 사용 목적에 맞는 광학 스펙트럼을 구현하기 위하여, 상기 저방사 코팅(100)을 구성하는 각 층의 재료, 위치 및 두께를 조절함으로써 빛의 파장 대에 따른 투과율과 반사율을 제어하여 달성할 수 있다. 즉, 상기 저방사 코팅(100)은 각 층의 재료 및 두께를 조절함으로써 외부로부터 보이는 상기 저방사 코팅(100)의 고 반사면의 색상, 반사율, 투과율 등의 광학 성능의 미세한 제어가 가능할 수 있다.
도 1에 도시된 상기 저방사 코팅(100)은 하부로부터, 제1 최외각 유전체층(150), Ti계 산화물층(110), 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120), 제1 광흡수 금속층(130), 저방사층(140), 제2 광흡수 금속층(130) 및 제1 최외각 유전체층(150)이 적층된 구조를 보여준다.
상기 제1 최외각 유전체층(150) 및 상기 제2 최외각 유전체층(150)은 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 층이다.
상기 저방사 코팅(100)의 저방사층(140)을 기준으로 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층(120) 쪽의 방향으로 저방사 코팅하고자 하는 기재에 부착시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 기재(190)는 투명 기재로서, 상기 저방사 코팅(100)의 코팅층을 형성하여 로이 유리와 같은 창호용 기능성 건축 자재를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 투명 기재(290); 및 상기 투명 기재(290)에 상기 저방사 코팅(280)이 코팅된 창호용 기능성 건축 자재(200)를 제공한다.
도 2는 상기 창호용 기능성 건축 자재의 단면을 도시한 것이다.
상기 투명 기재(290)는 가시광선 투과율이 높은 투명 기재일 수 있고, 예를 들어, 약 90 내지 약 100% 가시광선 투과율을 갖는 유리 또는 투명 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 상기 투명 기재(290)는, 예를 들어, 건축용으로 사용되는 유리가 제한 없이 사용될 수 있고, 사용 목적에 따라서, 예를 들어, 약 2mm 내지 약 12mm의 두께일 수 있다.
상기 창호용 건축 자재(200)는 상기 저방사 코팅(280)을 적용함으로써 로이 효과에 의한 단열 성능을 확보하면서도, 전술한 바와 같이 상기 저방사 코팅(280)에 의해 우수한 내구성을 갖는다.
상기 저방사 코팅(280)은 각 층을 공지된 방법에 따라 적층하여 제조될 수 있다. 상기 각 층은 예를 들어, 증착 방법에 의해 적층될 수 있고, 상기 증착 방법은 특별히 제한되지 아니하고, 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 저방사 코팅(280)의 각 층은 증착에 의할 수 있고, 역시 공지된 방법에 따라 제한 없이 수행될 수 있으며, 예를 들면 마그네트론 스퍼터 증착기를 이용하여 증착할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1
마그네트론(C-Mag) 스퍼터링 증착기(Selcos, Cetus-S)를 사용하여, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성 및 두께를 갖는 다층 구조를 갖는 저방사 코팅이 코팅된 로이 유리를 제작하였다.
먼저, 6mm 두께를 갖는 투명 유리 기재 상에 SiAlNx층을 질소/아르곤 (질소 60부피%, 아르곤 40부피%) 분위기 하에서 두께 38nm로 증착하였다. 이어서 TiOx층을 산소/아르곤 (산소 10부피%, 아르곤 90부피%) 분위기 하에서 34nm 두께로 증착하였고, ZnAlOx층을 아르곤 100부피% 분위기 하에서 6nm 두께로 증착하였다. NiCr층, Ag층, NiCr층을 아르곤 100부피% 분위기 하에서 순서대로 각 3.5nm, 11nm 및 3.5nm 두께로 증착한 후에, 마지막으로 SiAlNx층을 상기 SiAlNx층의 증착 조건과 똑같은 조건에서 두께 50nm로 증착하여 저방사 코팅이 코팅된 로이 유리를 제작하였다.
실시예 2
실시예 1에서 ZnAlOx층의 두께를 3nm로 적층한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 로이 유리를 제작하였다.
비교예 1
실시예 1과 같은 다층 구조의 막에서 ZnAlOx층을 제외한 것을 제외한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 로이 유리를 제작하였다.
비교예 2
실시예 1과 같은 다층 구조의 막에서 TiOx층 및 ZnAlOx층을 제외한 것을 제외한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 로이 유리를 제작하였다.
표 1
구분 다층 구조(막 두께, nm)
실시예 1 투명 유리 / SiAlNx (38) / TiOx (34) / ZnAlOx층 (6) / NiCr(3.5) / Ag(11) / NiCr(3.5) / SiAlNx (50)
실시예 2 투명 유리 / SiAlNx (38) / TiOx (34) / ZnAlOx층 (3) / NiCr(3.5) / Ag(11) / NiCr(3.5) / SiAlNx (50)
비교예 1 투명 유리 / SiAlNx (38) / TiOx (34) / NiCr(3.5) / Ag(11) / NiCr(3.5) / SiAlNx (50)
비교예 2 투명 유리 / SiAlNx (38) / NiCr(3.5) / Ag(11) / NiCr(3.5) / SiAlNx (50)
평가
실험예 1
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제작된 로이 유리의 샘플에 대하여 아래와 같은 방법으로 열처리한 후, 광학 물성을 평가하였다.
실험실용 box furnace 장비를 사용하여, 장비 내부의 온도를 약 700℃로 유지된 상태에서 상기 샘플을 넣고, 7분 간 유지한 후에, 샘플을 꺼내었다.
열처리 전후 각각 haze-gardner plus 장비를 이용하여, 가시광 투과율과 헤이즈(Haze)를 측정하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 2
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제작된 로이 유리의 샘플에 대하여, 소형 세척기를 이용하여 열처리 전후의 내마모성 테스트를 진행하였다. 샘플을 넣고, 브러쉬 위치에서 57초간 멈춰 놓고, 3초간 지나간다. 이때 물 공급은 충분하게 해준다. 세척 등급을 1~6 등급으로 구분하며, 세척 후 스크래치 발생이 없을 경우를 1등급으로 평가하여 하기 표 3에 기재하였다.
표 2
구분 Δ가시광 투과율(%) Δ헤이즈(Haze)
열처리 전 열처리 후 차이(Δ) 열처리 전 열처리 후 차이(Δ)
실시예 1 44.79 48.70 3.91 0.12 0.20 0.08
실시예 2 41.92 47.78 5.86 0.12 0.60 0.47
비교예 1 42.31 49.39 7.08 0.12 0.50 0.38
비교예 2 38.60 40.50 1.9 0.12 0.16 0.04
표 3
구분 세척 등급
열처리 전 열처리 후 비고
실시예 1 1 등급 1 등급 열처리 후 저방사 코팅의 손상 없음
실시예 2 1 등급 1 등급 열처리 후 저방사 코팅의 손상 없음
비교예 1 1 등급 6 등급 열처리 후 저방사 코팅이 벗겨짐
비교예 2 1 등급 1 등급 열처리 후 저방사 코팅의 손상 없음
비교예 2의 경우 열처리 전후 가시광 투과율 및 헤이즈 변화량이 실시예 1, 2 및 비교예 1 대비하여 작지만, 금속층 이외에 하나의 물질(SiAlNx)만 사용하기 때문에 TiOx층을 추가한 경우 (실시예 1, 2 및 비교예 1)보다 구현 가능한 광학 성능 범위에 제한이 있다.
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1은 비교예 2 대비하여 TiOx 층이 추가되어 광학 성능을 넓힌 것이지만, 비교예 1은 열처리 후에 TiOx 층과 NiCr층의 계면 접착력 문제가 발생하여 내마모성능이 저하됨을 상기 표 2 및 표 3의 결과로부터 확인할 수 있다.
반면, 실시예 1 및 2는 열처리 후에도 내마모성능이 우수하여 TiOx 층과 NiCr층의 계면 접착력 문제가 해소되었음을 확인할 수 있었다. 표 3에서 알 수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 2는 열처리 후에도 세척 테스트에서 저방사 코팅의 손상이 발생하지 않았다.
표 2에서 보다 두꺼운 ZnAlOx층을 형성한 실시예 1은 실시예 2 대비하여 열처리 후 헤이즈 발생이 거의 없고, 증착막 사이의 계면 반응에 의한 가시광 투과율 변화가 보다 작다.
<부호의 설명>
100, 280: 저방사 코팅
110, 210: Ti계 산화물층
120, 220: 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층
130, 230: 저방사 보호 금속층
140, 240: 저방사층
150, 250: 최외각 유전체층
190, 290: 유리 기재
200: 창호용 건축 자재

Claims (15)

  1. Ti계 산화물층, 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층, 저방사 보호 금속층 및 저방사층을 순차적으로 포함하는 다층 구조의 저방사 코팅.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층은 ZnAlOx, 0.9≤x≤1.1로 표시되는 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물을 포함하는
    저방사 코팅.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층의 두께가 2nm 내지 10nm인
    저방사 단열 코팅.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저방사층은 방사율이 0.01 내지 0.3인
    저방사 코팅.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저방사층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, 이온 도핑 금속 산화물, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    저방사 코팅.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저방사층의 두께가 5nm 내지 25nm인
    저방사 코팅.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저방사 보호 금속층은 가시광선 영역의 소멸 계수가 1.5 내지 4인
    저방사 단열 코팅막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저방사 보호 금속층은 Ni, Cr, Ni과 Cr의 합금, Ti 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    저방사 코팅.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저방사 코팅의 최외각 일면 또는 양면에 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 최외각 유전체층을 더 포함하는
    저방사 코팅.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 Si계 복합금속 질화물은 Al, Ti, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    저방사 코팅.
  11. 제1항에 있어서,
    하부로부터, 제1 최외각 유전체층, Ti계 산화물층, 아연 및 알루미늄의 복합 금속계 산화물층, 제1 광흡수 금속층, 저방사층, 제2 광흡수 금속층 및 제1 최외각 유전체층이 적층된 구조이고,
    상기 제1 최외각 유전체층 및 상기 제2 최외각 유전체층은 Si계 복합금속 질화물을 포함하는 층인
    저방사 코팅.
  12. 투명 기재; 및
    상기 투명 기재에 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 저방사 코팅이 코팅된
    창호용 기능성 건축 자재.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 저방사 코팅의 적층 방향은 상기 Ti계 산화물층이 상기 저방사층보다 상기 투명 기재와 가깝게 되는 방향으로 적층된
    창호용 기능성 건축 자재.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 투명 기재는 90 내지 100% 가시광선 투과율을 갖는 투명 기재인
    창호용 기능성 건축 자재.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 유리 또는 투명 플라스틱 기판인
    창호용 기능성 건축 자재.
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