JP6259711B2 - サーモクロミックウィンドウ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーモクロミックウィンドウ及びその製造方法に係り、より詳しくは、温度に応じて太陽光の透過率が調節されるサーモクロミックウィンドウ及びその製造方法に関する。

最近、石油等の化学エネルギー源の価格が急騰するとともに、新たなエネルギー源の開発の必要性が大きくなっている。また、これに劣らず、省エネルギー技術の重要性も増大している。実際に、一般家庭のエネルギー消費量のうち６０％以上は、冷・暖房費として使用される。特に、一般住宅および建物において、窓を介して消費されるエネルギーは２４％に達する。

これにより、窓の基本機能である建物の美観および眺望の特性を維持しつつ、かつ窓の気密および断熱特性を高めて、窓を介して消費されるエネルギーを減らすための多様な努力がなされており、代表として、窓の大きさを調節する方法から高断熱窓を設置する方法等が実施されている。

高断熱窓の種類には、複層ガラスにアルゴン（Ａｒ）ガス等を注入して熱交換現象を防ぐアルゴンガス注入複層窓や、複層ガラスの間を真空状態にする真空窓、ローイー（Ｌｏｗ−Ｅ）ウィンドウ等がある。この他にも、熱的特性を有する層をガラスにコートして、太陽光を通じたエネルギーの流入を調節するウィンドウ等が研究されている。

特に、ローイーウィンドウは、ガラス表面に金属または金属酸化物を薄くコートして、ウィンドウを介して入ってくる可視光線の大部分は中に透過させて室内を明るく維持できるようにし、赤外領領域の輻射線は効果的に遮断して、冬場には建物内で発生した暖房熱が外に出ていかないように遮断し、夏場には建物外の熱気を遮断して冷・暖房費を減らす効果がある。しかし、可視光線以外の波長に対しては反射をする特性により、特に、冬場に太陽から放出される赤外線部分を室内に流入させることができず、季節（温度）に応じて太陽光の透過率が調節されないという短所を有している。

そこで、サーモクロミック（ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍｉｃ）特性を持つ物質をガラス上にコートして、ガラスがある一定の温度以上になると、可視光線は入ってくるが近赤外線および赤外線は遮断して、室内温度が上昇しないようにすることで冷・暖房エネルギー効率を向上させることができるサーモクロミックウィンドウに関する多様な技術が開発されている。

特に、相転移温度が６８℃と比較的実用可能な温度に近く、且つ光学定数（ｎ、ｋ）値の変化が大きいため透過率の制御が容易な二酸化バナジウム（ＶＯ_２）をガラスにコートしたサーモクロミックウィンドウに関して多様な研究が進められている。

一方、このようなサーモクロミック薄膜は、ダークイエロー（ｄａｒｋ ｙｅｌｌｏｗ）の反射色を有し、且つ短波長の吸収率が高いため可視光透過率が低いという短所を有する。

そこで、サーモクロミックウィンドウの可視光透過率を向上させるために、サーモクロミックウィンドウに反射防止膜（ａｎｔｉ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を形成したり、サーモクロミック薄膜をフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程にてパターニングしたりする方法を用いている。

図１は、ガラス基板上に二酸化バナジウムをコートしたサーモクロミックウィンドウとガラス基板上に形成される二酸化バナジウム薄膜の上・下面にそれぞれＡｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２からなる薄膜を形成することで反射防止膜を形成したサーモクロミックウィンドウの相転移の前（２０℃）と後（９０℃）における波長毎の透過率を示すグラフである。

図１に示すように、反射防止膜が形成されたサーモクロミックウィンドウの場合、相転移の前の可視光領域での透過率が多少上昇したことが分かる。なお、可視光領域での透過率の上昇とともに、赤外線領域での透過率が大きく減少しており、このような赤外線領域での透過率の減少は、サーモクロミックウィンドウの変換特性（相転移前・後の赤外線領域の透過率の変化）を悪化させる。

また、反射防止膜は、高屈折薄膜と低屈折薄膜とが積層されてなる構造からなり、このような積層膜は、製造工程が複雑であるという短所がある。
そして、サーモクロミック薄膜をパターニングしてサーモクロミックウィンドウの透過率を向上させる方法は、その工程が複雑であり且つコストが多くかかるという短所を有する。

大韓民国公開特許第１０−２００８−００４０４３９号（２００８.０５.０８）

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、可視光透過率を向上させることができるサーモクロミックウィンドウ及びその製造方法を提供することである。

このために、本発明は、基板と；前記基板上に形成される複数のナノドット；及び前記基板及びナノドット上に形成されサーモクロミック物質からなるサーモクロミック薄膜を含み、前記基板上に形成されたサーモクロミック薄膜の膜厚は、前記ナノドット上に形成されたサーモクロミック薄膜の膜厚よりも薄いことを特徴とするサーモクロミックウィンドウを提供する。
ここで、前記ナノドットは、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、及びＰｔのうちのいずれか一つの物質からなるものであってよい。
そして、前記ナノドットの高さは、９ｎｍ以下であることが好ましい。
また、前記サーモクロミック薄膜は、ドーパントをさらに含んでいてよく、前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、及びＮｉのうちの少なくともいずれか一つであってよい。
そして、前記サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）であることが好ましい。

また、本発明は、基板上に熱処理にてナノドット（ｎａｎｏ ｄｏｔ）を形成する前駆体物質をコートする前駆体物質コーティング段階と；前記前駆体物質を熱処理して前記基板上にナノドットを形成するナノドット形成段階；及び前記ナノドットが形成された基板上にサーモクロミック物質をコートするサーモクロミック薄膜形成段階とを含むことを特徴とするサーモクロミックウィンドウの製造方法を提供する。
ここで、前記前駆体物質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、及びＰｔのうちのいずれか一つであってよい。
そして、前記ナノドット形成段階とサーモクロミック薄膜形成段階とは、同時に行われていてよい。
また、前記前駆体物質コーティング段階は、前記前駆体物質を５ｎｍ以下にコートすることが好ましい。
そして、前記サーモクロミック薄膜はドーパントをさらに含んでいてよく、前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、及びＮｉのうちの少なくともいずれか一つであってよい。
また、前記サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）であることが好ましい。

本発明によれば、サーモクロミックウィンドウの可視光透過率を向上させることができる。
また、サーモクロミック薄膜の粒径及び結晶性を向上させ、サーモクロミック薄膜の変換効率を高めることができる。

ガラス基板上に二酸化バナジウム薄膜が形成されたサーモクロミックウィンドウと、ガラス基板上に二酸化バナジウム薄膜と反射防止膜が形成されたサーモクロミックウィンドウとの相転移の前と後における波長毎の透過率を示すグラフである。 本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの概念的な断面図である。 本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの製造方法の概略的なフローチャートである。 熱処理によってナノドット形態に変化したＡｇのＳＥＭ写真である。 従来のサーモクロミックウィンドウと本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウとの相転移の前と後における波長毎の透過率を示すグラフである。 従来のサーモクロミックウィンドウと本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの粒径を撮影したＳＥＭ写真である。 従来のサーモクロミックウィンドウと本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウのＸＲＤピークを示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係るサーモクロミックウィンドウ及びその製造方法について詳しく説明する。
なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することにする。

図２は、本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの概念的な断面図であり、図３は、その製造方法を示す概略的なフローチャートである。

図２及び図３を参考すると、本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウは、基板１００と、ナノドット２００、及びサーモクロミック薄膜３００とを含んでなるものであってよい。

基板１００は、透明または色付の所定の広さ及び厚さを有する基材である。
本発明に係るサーモクロミックウィンドウが建築向けまたは自動車向けなどのウィンドウとして使用される場合、基板１００は、ソーダライム（ｓｏｄａ−ｌｉｍｅ）系ガラスが用いられていてよく、好ましくは、熱強化または化学強化された強化ガラスが用いられていてよい。

ナノドット（ｎａｎｏ ｄｏｔ）２００は、基板１００上に形成される。
ナノドット２００は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、及びＰｔのうちのいずれか一つの物質からなるものであってよい。

ナノドット２００の径は１０ｎｍ以下であってよく、ナノドット２００の高さは９ｎｍ以下であることが好ましい。ナノドット２００の高さが大きいほど、すなわち、ナノドット層の厚さが厚いほど、サーモクロミックウィンドウの可視光透過率が減少するからである。

このようなナノドット２００は、基板１００上にＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、またはＰｔのような前駆体物質をコート（Ｓ１００）した後、前駆体物質を熱処理（Ｓ２００）することで形成することができる。前駆体物質を熱処理すれば、前駆体物質の表面エネルギーの変化及び物質固有の特性である凝集現象によってディウェッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）が生じ、その結果、前駆体物質コーティング層はナノドット形態に変化するようになる。一般に、約２５０℃の温度で１０分間熱処理を施すと、前駆体物質コーティング層はナノドット形態に変化する。

図４は、熱処理によってナノドット形態に変化したＡｇのＳＥＭ写真である。
前駆体物質のコーティング（Ｓ１００）は、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの多様な方法にて行うことができる。

一方、前駆体物質コーティング層の厚さが薄いほど熱処理によるナノドットの形成がしやすくなり、且つ、ナノドットの高さ、すなわち、ナノドット層の厚さが薄く形成されることで、サーモクロミックウィンドウの可視光透過率を向上させることができることから、前駆体物質コーティング段階（Ｓ１００）では、前駆体物質を５ｎｍ以下にコートすることが好ましい。ナノドットの高さは、ディウェッティング過程で前駆体物質コーティング層の厚さよりも大きくなるようになる。実験的にナノドットの高さは、前駆体物質コーティング層の厚さよりも約７０％大きくなることが分かった。

サーモクロミック薄膜３００は、サーモクロミック物質からなり、基板１００及びナノドット２００上に形成される。

サーモクロミック物質は、特定の温度（相転移温度）で相転移するサーモクロミック現象によって結晶構造が変わって物理的性質（電気伝導度、赤外線透過率など）が急変する物質であって、相転移の前と後において太陽光、特に近赤外線の透過率ないし反射率が変化する特性を持つ。これにより、サーモクロミック薄膜は気温の高い夏季には赤外線を遮断させることで熱エネルギーの流入を阻止して冷房負荷を低減させ、気温の低い冬季には赤外線を透過させることで暖房負荷を低減させることができる。

サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）、酸化チタン（III）（Ｔｉ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（ＮｂＯ_２）、及び硫化ニッケル（ＮｉＳ）のうちのいずれか一つの物質を含んでなるものであってよく、好ましくは、相転移温度が実用可能な温度に近い二酸化バナジウムからなるものであってよい。

サーモクロミック薄膜３００は、ＰＶＤ、ＣＶＤなどの多様な方法にて形成されていてよい（Ｓ３００）。

ナノドット２００が形成された基板１００上にサーモクロミック物質をコートすれば、膜厚にバラツキを有するサーモクロミック薄膜３００が形成される。すなわち、基板上に形成されたサーモクロミック薄膜３００ａの膜厚は、ナノドット上に形成されたサーモクロミック薄膜３００ｂの膜厚よりも薄く形成される。一般に、Ａｇ、Ａｕのような前駆体物質は、低いエネルギーを有する状態でも酸化物薄膜または金属薄膜の形成がしやすくなるようにする特徴を持つ。これにより、ナノドット２００では相対的にサーモクロミック物質の蒸着速度が早いことから厚膜のサーモクロミック薄膜が形成され、また、ナノドット２００が形成されていない基板１００部分では相対的にサーモクロミック物質の蒸着速度が遅いことから薄膜のサーモクロミック薄膜が形成される。よって、このようなサーモクロミック薄膜の成長速度を制御することでテクスチャされたサーモクロミック薄膜を形成することができる。

一方、ナノドットの形成段階（Ｓ２００）はサーモクロミック薄膜形成段階（Ｓ３００）と同時に行われていてよい。
一般に、サーモクロミック薄膜形成工程は、４５０℃以上の高温で行われるので、別途の熱処理工程によって前駆体コーティング層をナノドット形態に変化させる必要なく、前駆体コーティング層が形成された基板にサーモクロミック薄膜を形成する工程を行うことで、前駆体コーティング層をナノドット形態に変化させることができる。すなわち、サーモクロミック薄膜の形成のための昇温過程で前駆体コーティング層をナノドット形態に変化させることができる。

また、本発明の一実施例に係るサーモクロミック薄膜３００は、ドーパントがドープされたサーモクロミック物質からなるものであってよい。
サーモクロミック物質にドーパントをドープすることで、サーモクロミック物質の相転移温度を制御することができ、一般に、ドーパントのドーピング比（ｄｏｐｉｎｇ ｒａｔｉｏｎ）が高いほどサーモクロミック物質の相転移温度は低くなる。
ドープされるドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、及びＮｉのうちの少なくともいずれか一つであってよい。

このようにして本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウを形成することで、サーモクロミックウィンドウの可視光透過率を向上させることができる。すなわち、本発明におけるナノドット２００は、その厚さが薄い（好ましくは、９ｎｍ以下）ことからサーモクロミックウィンドウの可視光透過率に影響を与えず、基板上に成長されたサーモクロミック薄膜３００ａは、ナノドット上に成長されたサーモクロミック薄膜３００ｂの膜厚よりも薄く形成されるので、全体的にサーモクロミックウィンドウの可視光透過率を向上させることができる。

図５は、ガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウと３ｎｍ高さのＡｇからなるナノドットが形成されたガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウの相転移の前と後における波長毎の透過率を示すグラフであり、表１は、このようなサーモクロミックウィンドウの３８０〜７８０ｎｍ波長における相転移の前と後の平均透過率を測定した結果を表す表である。

図５及び表１に表すように、本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの場合、可視光領域での平均透過率が従来のサーモクロミックウィンドウよりも約１．６％向上したことが分かる。

また、本発明によれば、サーモクロミック薄膜の粒径及び結晶性を向上させることができる。図６は、従来のサーモクロミックウィンドウと本発明の一実施例に係るサーモクロミックウィンドウの粒径を撮影したＳＥＭ写真である。図６（ａ）は、ガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウのＳＥＭ写真であり、図６（ｂ）は、５ｎｍ高さのＡｇからなるナノドットが形成されたガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウのＳＥＭ写真であり、図６（ｃ）は、１０ｎｍ高さのＡｇからなるナノドットが形成されたガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウのＳＥＭ写真である。また、図７は、ガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウ、５ｎｍ高さのＡｕからなるナノドットが形成されたガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウ、及び１０ｎｍ高さのＡｕからなるナノドットが形成されたガラス基板上に二酸化バナジウムがコートされたサーモクロミックウィンドウのＸＲＤピークを示したグラフである。図６及び図７に示したように、ナノドット上に形成された二酸化バナジウム薄膜の粒径及び結晶性がガラス基板上に形成された二酸化バナジウム薄膜の粒径及び結晶性よりも向上したことが分かる。また、ナノドットの高さが大きいほど、すなわちナノドット層の厚さが厚いほどナノドット上に成長されるサーモクロミック薄膜の粒径がさらに大きくなり、且つサーモクロミック薄膜の結晶性が向上することが分かる。

このように、サーモクロミック薄膜３００の結晶性及び粒径が向上すれば、サーモクロミック薄膜の変換効率（相転移の前と後の透過率の差）を高めることができる。
そして、ナノドット２００は、基板１００中のイオンがサーモクロミック薄膜３００へと拡散することを防止する拡散障壁（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ）の役割を果たすことができる。一般に、サーモクロミック薄膜３００を形成する工程は高温で行われ、このとき、基板１００上にサーモクロミック薄膜３００を直接コートさせると、基板１００中のイオンがコートされるサーモクロミック薄膜３００へと拡散していき、サーモクロミック薄膜３００がサーモクロミック特性を失うことがある。特に、基板１００がソーダダイム系ガラス基板の場合、ガラス中のナトリウム（Ｎａ）イオンがサーモクロミック薄膜へとナトリウム拡散（ｓｏｄｉｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）するようになる。これに対し、本発明の場合、基板１００とサーモクロミック薄膜３００との間に形成されたナノドット２００が基板１００中のイオンのサーモクロミック薄膜３００への拡散を低減させることで、サーモクロミック薄膜３００がサーモクロミック特性を失ってしまうことを防止することができる。

以上のように本発明を限定された実施例と図面に基づいて説明してきたが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、かかる記載から種々の修正や変形が可能である。
したがって、本発明の範囲は説明された実施例に局限されて決められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。

１００ 基板
２００ ナノドット
３００ サーモクロミック薄膜

Claims (9)

1. 基板と;
   前記基板上に形成される複数のナノドット；及び
   前記基板及びナノドット上に形成されサーモクロミック物質からなるサーモクロミック薄膜とを含み、
   前記基板上に形成されたサーモクロミック薄膜の膜厚は、前記ナノドット上に形成されたサーモクロミック薄膜の膜厚よりも薄く、
   前記ナノドットの高さは、９ｎｍ以下であり、
   前記サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ _２ ）であることを特徴とする、
   サーモクロミックウィンドウ。
2. 前記ナノドットは、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、及びＰｔのうちのいずれか一つの物質からなることを特徴とする請求項１に記載のサーモクロミックウィンドウ。
3. 前記サーモクロミック薄膜は、ドーパントをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のサーモクロミックウィンドウ。
4. 前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、及びＮｉのうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項３に記載のサーモクロミックウィンドウ。
5. 基板上に熱処理にてナノドット（ｎａｎｏ ｄｏｔ）を形成する前駆体物質をコートする前駆体物質コーティング段階と;
   前記前駆体物質を熱処理して前記基板上にナノドットを形成するナノドット形成段階；及び
   前記ナノドットが形成された基板上にサーモクロミック物質をコートするサーモクロミック薄膜形成段階とを含むサーモクロミックウィンドウの製造方法であって、
   前記前駆体物質コーティング段階は、前記前駆体物質を５ｎｍ以下にコートし、
   前記サーモクロミック物質は、二酸化バナジウム（ＶＯ _２ ）であり、
   前記サーモクロミック薄膜形成段階が、４５０℃以上の高温で行われることを特徴とする、
   サーモクロミックウィンドウの製造方法。
6. 前記前駆体物質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、及びＰｔのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載のサーモクロミックウィンドウの製造方法。
7. 前記ナノドット形成段階とサーモクロミック薄膜形成段階とは、同時に行われることを特徴とする請求項５または６に記載のサーモクロミックウィンドウの製造方法。
8. 前記サーモクロミック薄膜は、ドーパントをさらに含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のサーモクロミックウィンドウの製造方法。
9. 前記ドーパントは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、及びＮｉのうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載のサーモクロミックウィンドウの製造方法。