KR101286170B1 - 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 포토크로믹 박막을 갖는 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 글라스 기판; 상기 글라스 기판 상에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막; 상기 산화물 또는 질화물 박막 상에 형성되는 이산화바나듐(VO2) 박막; 및 상기 이산화바나듐 박막 상에 형성되는 포토크로믹(photochromic) 박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스를 제공한다.

Description

써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법{THERMOCHROMIC GLASS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 포토크로믹 박막을 갖는 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
써모크로미즘(thermochromism) 이란 어떤 천이금속 (transition metal)의 산화물 및 황화물이 특정한 온도(Tc ， transition temperature, 이하 천이온도)를 전·후하여 그 결정구조가 바뀌어서 물리적 성질(전기전도도 및 적외선 투과율)이 급격히 변하는 현상을 말한다.
이와 같은 써모크로믹(thermochromic) 효과를 지닌 박막을 글라스 위에 코팅하면 글라스가 어떤 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선이 차단되어 실내온도가 상승하지 않게 되는 “smart window"를 만들 수 있게 되어, 이를 자동차의 유리창이나 건물의 창문에 응용하면 에너지 절약에 큰 효과를 가질 수 있다. 써모크로믹 효과를 나타내는 재료에는 여러 가지 천이금속의 산화물과 황화물이 있으나 그 중에서 이산화바나듐(VO2)은 그 천이온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까워 많은 연구가 진행 중이다.
이산화바나듐(VO2)과 같은 바나듐 산화물은 V2O3, V3O5, V4O7, V6O11, V5O9, V6O13, V4O9, V3O7, V2O5, VO2 등과 같이 다양한 결정상으로 존재하는데, 써모크로믹 특성은 이산화바나듐(VO2)의 결정상에서만 나타난다.
V2O3, V3O5, V4O7, V6O11, V5O9, V6O13, V4O9, V3O7, V2O5 등과 같이 다양한 결정상으로 존재하는 바나듐(Vanadium) 산화물을 써모크로믹 효과를 갖는 VO2 결정상으로 상변화하는 방법으로는 글라스 기판을 고온으로 가열한 후 바나듐 산화물을 코팅하거나, 바나듐 산화물을 코팅한 후에 어닐링(post annealing)하는 방법 등이 사용되고 있다.
반면, 이와 같은 이산화바나듐 박막을 이용한 써모크로믹 글라스는 이산화바나듐 고유의 색으로 인해 옐로우(Yellow) 계열의 색상을 나타낸다.
그러나, 써모크로믹 글라스가 건축용으로 사용되는 경우, 소비자는 글라스의 색상으로 그린(Green), 블루(Blue), 또는 그레이(Gray) 계열의 색상을 선호하므로 이산화바나듐 박막을 이용한 써모크로믹 글라스는 소비자의 요구에 부합하지 못한다는 단점을 가진다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소비자 요구에 부합한 색상을 갖는 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 글라스 기판; 상기 글라스 기판 상에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막; 상기 산화물 또는 질화물 박막 상에 형성되는 이산화바나듐(VO2) 박막; 및 상기 이산화바나듐 박막 상에 형성되는 포토크로믹(photochromic) 박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스를 제공한다.
여기서, 상기 포토크로믹 박막은 380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하는 것이 바람직하며, 상기 포토크로믹 박막은 Ag, Ag halide, Zinc halide, Spiropyran, 및 Diarylethene로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 이산화바나듐(VO2) 박막은 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑(doping)될 수 있다.
또한, 상기 산화물 또는 질화물 박막은 SiO2, Al2O3, Nb2O5, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 산화물 또는 질화물 박막의 두께는 30 ~ 80㎚일 수 있다.
또한, 본 발명은 글라스 기판 상에 산화물 또는 질화물 박막을 코팅하는 산화물 또는 질화물 박막 형성단계; 상기 산화물 또는 질화물 박막 상에 스퍼터링 증착법에 의해 VO2 박막을 코팅하는 VO2 박막 형성단계; 및 상기 VO2 박막 상에 포토크로믹 박막을 코팅하는 포토크로믹 박막 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 VO2 박막 형성단계는 VO2에 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑(doping)된 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어지거나, VO2로 이루어진 스퍼터링 타겟과 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 포토크로믹 박막 형성단계는 DC 스퍼터링 증착법 또는 sol-gel법에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 써모크로믹 글라스의 색상을 소비자의 요구에 부합하게 조절할 수 있으며, 바람직하게는 써모크로믹 글라스가 그레이 계열의 색상을 갖도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 글라스의 개략적인 단면도.
도 2는 포토크로믹 물질인 산화몰리브덴(MoO3)의 광 조사 시간에 따른 흡수율을 나타낸 그래프
도 3은 포토크로믹 물질을 코팅한 렌즈(lens)의 투과율을 나타낸 그래프.
도 4는 이산화바나듐 박막과 포토크로믹 박막 및 본 발명에 따른 이산화바나듐 박막 상에 포토크로믹 박막이 적층된 다층 막의 투과율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 글라스 제조방법의 개략적인 흐름도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 글라스 및 이의 제조방법에 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 글라스의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 써모크로믹 글라스는 글라스 기판(100), 산화물 또는 질화물 박막(200), 이산화바나듐(VO2) 박막(300), 및 포토크로믹(photochromic) 박막(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.
글라스 기판(100)은 투명 또는 유색의 일정한 넓이 및 두께를 갖는 기재로, 바람직하게는 소다라임계 글라스가 사용될 수 있다.
산화물 또는 질화물 박막(200)은 글라스 기판(100) 상에 형성되며, 써모크로믹 글라스 제조 공정 중 글라스 기판(100) 내의 나트륨(Na) 이온이 350℃ 이상의 온도에서 후술할 이산화바나듐 박막(300)으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하여 이산화바나듐 박막(300)이 써모크로믹 특성을 잃는 것을 방지하는 나트륨 확산 장벽(sodium diffusion barrier)의 역할을 한다.
산화물 또는 질화물 박막(200)은 SiO2, Nb2O5, Al2O3, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있고, 두께는 30 ~ 80 ㎚인 것이 바람직할 것이나, 코팅되는 물질의 종류 및 코팅 물질의 굴절률 등에 따라 조절될 것이다.
이산화바나듐(VO2) 박막(300)은 산화물 또는 질화물 박막(200) 상에 형성되며, 온도에 따라 상전이 되어 적외선의 투과율을 조절한다.
이산화바나듐 박막(300)은 특정 온도에서 천이 현상이 발생하고, 이러한 써모크로믹 현상에 의해서 이산화바나듐의 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도 및 적외선 투과율)이 급격히 변하함으로써, 특정 온도 이상에서 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하는 효과를 가질 수 있다.
이산화바나듐 박막(300)에는 이산화바나듐의 상전이 온도를 낮추기 위해 도펀트(dopant)가 도핑(doping)될 수 있으며, 바람직하게는 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑될 수 있다.
포토크로믹(photochromic) 박막(400)은 이산화바나듐 박막(300) 상에 형성되어, 써모크로믹 글라스의 색상을 조절한다.
포토크로믹 박막(400)은 광 조사에 의해 화학 물질의 결합 상태가 변하여, 흡수 스펙트럼이 다른 이성질체가 생성되어 박막의 색상이 가역적으로 변화한다.
도 2는 포토크로믹 물질인 산화몰리브덴(MoO3)의 광 조사 시간에 따른 흡수율을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 포토크로믹 물질은 광 조사 시간에 따라 흡수율이 변하는 것을 알 수 있고, 이와 같은 광 흡수율 변화에 의해 색상이 변화하게 되는 것이다.
도 3은 포토크로믹 물질을 코팅한 렌즈(lens)의 투과율을 나타낸 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 포토크로믹 렌즈는 자외선이 조사되는 낮 시간에 색상이 변하여 투과율이 낮아짐을 알 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 포토크로믹 박막(400)은 380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하여, 써모크로믹 글라스가 그레이(gray) 계열의 색상을 띄도록 한다.
380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하는 물질로는 Ag, Ag halide, Zinc halide, Spiropyran, 및 Diarylethene로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
이와 같이, 옐로우(yellow) 계열의 색상을 나타내는 이산화바나듐 박막 상에 포토크로믹 박막을 코팅함으로써, 써모크로믹 글라스의 색상을 조절할 수 있다.
특히, 이산화바나듐 박막 상에 380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하는 포토크로믹 박막을 코팅함으로써 건축용 글라스로 소비자의 수요가 높은 그레이 계열의 색상을 갖는 써모크로믹 글라스를 제조할 수 있다.
즉, 380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하는 포토크로믹 박막을 CIE L*a*b* 표색계에서 a가 ±5 이하이고, b가 10 이상의 값을 가져 옐로우 계열의 색상을 나타내는 이산화바나듐 박막 상에 코팅함으로써, 써모크로믹 글라스를 a가 ±5 이내이고, b가 15 이하인 그레이 계열의 색상을 갖도록 할 수 있다.
[표 1]은 이산화바나듐 박막 및 포토크로믹 박막의 a, b 값과 이를 다층 막으로 형성하여 색상을 보정한 후의 a, b 값을 나타낸 표이다.
a* b* 색상 보정 후
a* b*
VO2 박막 -1.309 41.211 0.558 12.736
포토크로믹 박막 8.647 -25.31
[표 1]에 나타난 바와 같이, 옐로우 계열의 색상을 나타내는 이산화바나듐 박막에 CIE L*a*b* 표색계에서 a가 8.648이고, b가 -25.31인 값을 갖는 포토크로믹 박막을 코팅하여, b 값을 현저히 낮춤으로써 그레이 계열의 색상을 갖는 써모크로믹 글라스를 제조할 수 있다.
도 4는 이산화바나듐 박막과 포토크로믹 박막 및 본 발명에 따른 이산화바나듐 박막 상에 포토크로믹 박막이 적층된 다층 막의 투과율을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 이산화바나듐 박막은 480㎚ 이상의 파장에서 높은 투과율을 갖는데 반하여 본 발명에 따른 다층 막은 이를 일정하게 낮춤으로써, 그레이 계열 색상을 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 글라스 제조방법의 개략적인 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 써모크로믹 글라스는 글라스 기판 상에 산화물 또는 질화물 박막을 코팅하여 산화물 또는 질화물 박막을 형성하는 단계(S100), 산화물 또는 질화물 박막 상에 스퍼터링 증착법에 의해 VO2 박막을 코팅하여 VO2 박막을 형성하는 단계(S200), 및 VO2 박막 상에 포토크로믹 박막을 코팅하여 포토크로믹 박막 형성을 단계(S300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, VO2 박막은 VO2에 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑(doping)된 스퍼터링 타겟(target)을 이용한 스터터링 증착법에 의해 형성되거나, VO2로 이루어진 스퍼터링 타겟과 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 스퍼터링 타겟을 이용한 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착법에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 포토크로믹 박막은 DC 스퍼터링 증착법 또는 sol-gel법에 의해 형성될 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 : 글라스 기판 200 : 산화물 또는 질화물 박막
300 : 이산화바나듐 박막 400 : 포토크로믹 박막

Claims (10)

  1. 글라스 기판;
    상기 글라스 기판 상에 형성되는 산화물 또는 질화물 박막;
    상기 산화물 또는 질화물 박막 상에 형성되는 이산화바나듐(VO2) 박막; 및
    상기 이산화바나듐 박막 상에 형성되는 포토크로믹(photochromic) 박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토크로믹 박막은 380 ~ 780㎚의 파장을 흡수하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포토크로믹 박막은 Ag, Ag halide, Zinc halide, Spiropyran, 및 Diarylethene로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이산화바나듐(VO2) 박막은 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑(doping)된 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 또는 질화물 박막은 SiO2, Al2O3, Nb2O5, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 또는 질화물 박막의 두께는 30 ~ 80㎚인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스.
  7. 글라스 기판 상에 산화물 또는 질화물 박막을 코팅하는 산화물 또는 질화물 박막 형성단계;
    상기 산화물 또는 질화물 박막 상에 스퍼터링 증착법에 의해 VO2 박막을 코팅하는 VO2 박막 형성단계; 및
    상기 VO2 박막 상에 포토크로믹 박막을 코팅하는 포토크로믹 박막 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 VO2 박막 형성단계는 VO2에 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질이 도핑(doping)된 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 VO2 박막 형성단계는 VO2로 이루어진 스퍼터링 타겟과 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 포토크로믹 박막 형성단계는 DC 스퍼터링 증착법 또는 sol-gel법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 글라스 제조방법.

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