KR101520741B1 - 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 상전이 온도를 갖는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 및 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하되, 상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지고, 상기 도펀트의 농도는 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우를 제공한다.

Description

도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법{THERMOCHROMIC WINDOW DOPED BY DOFANT AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}
본 발명은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 상전이 온도를 갖는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 이에 못지않게 에너지 절감기술의 중요성도 증대되고 있다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉·난방비로 사용된다. 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 소비되는 에너지는 24%에 이른다.
이에 따라 창문의 기본 기능인 건물의 미관 및 조망 특성을 유지하면서도 창문의 기밀 및 단열 특성을 높여 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으며, 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 윈도우를 설치하는 방법 등이 실시되고 있다.
고단열 윈도우의 종류에는 복층 글라스에 아르곤(Ar) 가스 등을 주입하여 열 교환 현상을 막는 아르곤 가스 주입 복층 글라스와 로이 (Low-E) 글라스 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 글라스에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 글라스 등이 연구되고 있다.
특히, 로이 글라스는 글라스 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅하여 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있도록 하고 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단하여 겨울철에는 건물 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름철에는 건물 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄이는 효과가 있으나, 가시광선 이외의 파장에 대해서는 반사를 하는 특성에 의해, 특히 겨울철에 태양에서 나오는 적외선 부분을 실내로 유입시키지 못하고, 계절(온도)에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 단점을 가지고 있다.
이에 써모크로믹(thermochromic) 효과를 지닌 물질을 글라스 위에 코팅하여 글라스가 어떤 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하여 실내온도가 상승하지 않게 하는 써모크로믹 윈도우에 관한 기술이 개발되고 있다.
도 1은 글라스 기판의 일면에 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 써모크로믹 물질을 글라스에 코팅함으로써, 상전이 온도 전/후로 태양광의 투과율, 특히 적외선 영역에서의 투과율이 변함을 알 수 있고, 이에 의해 건물 등의 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 이러한 써모크로믹 물질은 높은 상전이 온도를 가지고 있어, 실제 건축용 글라스 등으로 활용하기에는 어려움이 있다. 특히, 비교적 실용 가능한 온도에 가까운 이산화바나듐(VO2)의 경우도 68℃의 상전이 온도를 갖는다.
이에, 써모크로믹 물질로 이루어진 써모크로믹 박막의 상전이 온도를 낮추기 위해 써모크로믹 물질로 이루어진 써모크로믹 박막에 도펀트(dopant)를 도핑(doping)하고 있다.
종래 도펀트의 도핑 방법으로는 써모크로믹 물질로 이루어진 타겟(target)과 도펀트로 이루어진 타겟을 코-스퍼터링(co-sputtering)하는 방법과 써모크로믹 물질에 도펀트가 도핑된 타겟을 이용하여 스퍼터링하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이에 의하는 경우 도펀트가 써모크로믹 박막 전체에 균일하게 분산되어 분포됨으로써, 써모크로믹 박막의 가시광 투과율과 상전이 변환효율이 감소한다는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 낮은 상전이 온도를 가지면서도, 높은 가시광 투과율과 상전이 변환효율을 갖는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 및 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하되, 상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지고, 상기 도펀트의 농도는 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우를 제공한다.
또한, 본 발명의 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 상기 기판과 상기 써모크로믹 박막 사이에 형성되는 차단막을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 차단막은 SiO2, Al2O3, Nb2O5, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 차단막은 도펀트를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 기판 상에 도펀트 층을 형성하는 도펀트 층 형성단계; 및 상기 도펀트 층 상에 써모크로믹 물질을 증착하며 상기 도펀트 층을 이루는 도펀트를 확산시키는 써모크로믹 박막 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은, 써모크로믹 박막 형성단계 후 후열처리(post-annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은, 상기 도펀트 층 형성단계 전에, 상기 기판 상에 차단막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 도펀트 층은 상기 차단막 상에 형성될 수 있다.
상기 도펀트 층의 두께는 5㎚ 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 상기 써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2)이고, 상기 써모크로믹 박막의 두께는 50㎚일 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막 형성단계는 스퍼터링(sputtering) 증착법에 의할 수 있다.
본 발명에 따르면, 써모크로믹 박막에 도핑된 도펀트가 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 농도 구배를 가지고 일정 영역에만 도핑됨으로써, 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우는 낮은 상전이 온도를 가지면서도 높은 가시광 투과율 및 상전이 변환효율을 가질 수 있다.
또한, 차단막에 도펀트가 도핑됨으로써, 차단막의 굴절율을 상승시켜 가시광 투과율을 개선할 수 있다.
도 1은 글라스 기판의 일면에 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법의 개략적인 흐름도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우는 기판(100), 및 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어진 써모크로믹 박막(200)을 포함하여 이루어지되, 도펀트의 농도는 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 갈수록 낮아지게 형성된다.
이와 같이, 써모크모믹 박막에 도핑된 도펀트가 써모크로믹 박막 전체에 걸쳐 균일하게 분산되어 도핑되지 않고, 써모크로믹 박막의 표면으로부터 깊이 방향으로 농도 구배를 가지고 일정 영역에만 도핑됨으로써, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우는 낮은 상전이 온도를 가지면서도 높은 가시광 투과율 및 상전이 변환효율을 가질 수 있다.
기판(100)은 써모크로믹 박막(200)의 지지 기재로서, 바람직하게는 소다라임(soda-lime)계 건축용 글라스가 사용될 수 있다.
써모크로믹 박막(200)은 기판(100) 상에 형성되되, 도펀트(dopant)가 도핑(doping)된 써모크로믹 물질로 이루어지며, 도펀트의 농도는 도 2에서 검은색 그라데이션(gradation)으로 나타난 바와 같이, 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 갈수록 낮아지게 형성된다.
써모크로믹 물질은 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화하는 물질로, 상전이 전/후로 태양광 특히, 적외선의 차단 또는 반사율이 변화하는 특성을 갖는다. 이와 같은 써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
써모크로믹 물질에 도핑된 도펀트는 써모크로믹 박막(200)의 상전이 온도를 낮춘다.
도펀트의 도핑 비(doping ration)가 높을수록 써모크로믹 박막(200)의 상전이 온도는 낮아지게 되며, 도핑되는 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우는 도 3에 도시된 바와 같이 기판(100)과 써모크로믹 박막(200) 사이에 형성되는 차단막(300)을 더 포함할 수 있다.
일반적으로 써모크로믹 물질을 증착하여 써모크로믹 박막을 형성하는 공정은 고온에서 이루어지는데, 이때 기판 상에 써모크로믹 물질을 직접 코팅하게 되면 기판 내의 이온이 코팅되는 써모크로믹 물질로 확산되어 써모크로믹 물질이 써모크로믹 특성을 잃게 된다.
이에 본 발명은 기판(100)과 써모크로믹 박막(200) 사이에 차단막(300)을 형성하여, 차단막(300)이 기판(100) 내의 이온이 써모크로믹 박막(200)으로 확산되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 하도록 할 수 있다. 특히, 기판(100)이 소다다임계 글라스 기판인 경우, 차단막(300)은 글라스 기판 내의 나트륨(Na) 이온이 써모크로믹 박막(200)으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 차단막(300)은 산화물 또는 질화물 박막으로 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 SiO2, Al2O3, Nb2O5, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 차단막(300)에는 굴절율을 상승시켜 가시광 투과율을 개선하기 위해 도펀트를 도핑할 수 있고, 도핑되는 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우를 제조하기 위해, 우선 기판 상에 도펀트 층을 형성한다(S100).
기판 상에 형성되는 도펀트 층은 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
도펀트 층은 5㎚의 두께를 가질 것이다. 바람직하게, 도펀트 층은 1 ~ 2㎚의 두께를 가질 것이다. 이와 같이 초박막 형태로 도펀트 층을 형성함으로써, 후출할 써모크로믹 박막 형성 중 도펀트 층을 이루는 도펀트들이 전부 써모크로믹 박막으로 확산되어 도핑될 것이다.
그러나, 이와 같은 도펀트 층의 두께는 써모크로믹 박막의 두께에 따라 달라질 수 있다.
이후, 도펀트 층 상에 써모크로믹 물질을 증착하여 써모크로믹 박막을 형성한다(S200).
써모크로믹 물질의 증착은 고온 공정에서 이루어지므로 써모크로믹 물질의 증착 과정에서 도펀트 층을 이루는 도펀트는 확산하게 되고, 확산된 도펀트는 증착되는 써모크로믹 박막으로 도핑된다. 이에 의해, 써모크로믹 박막의 표면으로부터 깊이 방향으로 낮아지는 농도 구배를 가지는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 박막이 형성된다.
일 예로, 기판 상에 1 ~ 2㎚의 두께로 형성된 도펀트 층 상에 스퍼터링 증착법에 의해 이산화바나듐(VO2)을 50㎚ 증착하는 경우, 도펀트 층을 이루는 도펀트는 400 ~ 500℃의 온도로 이루어지는 이산화바나듐(VO2) 증착 공정에서 전부 확산되어 이산화바나듐(VO2) 박막으로 도핑된다.
이와 같이, 확산 공정에 의해 써모크로믹 박막의 표면으로부터 일정 깊이까지만 도펀트가 도핑되게 함으로써, 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우의 가시광 투과율 및 상전이 변화효율을 개선할 수 있다.
또한, 도펀트 층의 두께 및 증착 공정을 제어하여 써모크로믹 박막에 도펀트가 도핑되는 깊이를 조절하여, 가시광 투과율을 용이하게 제어할 수 있으며, 도펀트 층의 두께를 조절하여 도핑되는 도펀트의 양을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은 써모크로믹 박막 형성단계(S200) 후 후열처리(post-annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 써모크로믹 박막 형성단계(S200)에서 도펀트 층을 이루는 도펀트들이 전부 써모크로믹 박막으로 확산되지 않아 도펀트 층이 잔존하는 경우, 이를 써모크로믹 박막으로 전부 확산시키기 위해 기판/도펀트 층/써모크로믹 박막 적층체를 열처리하는 후열처리 단계를 더 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은 도펀트 층 형성단계(S100) 전에, 기판 상에 차단막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 기판과 도펀트 층 사이에 기판 내의 이온이 써모크로믹 박막으로 확산되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 하는 차단막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 써모크로믹 박막 형성단계(S200)에서 도펀트 층의 도펀트와 함께 기판 내의 이온이 써모크로믹 박막으로 확산되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 이와 같이 형성된 차단막에 써모크로믹 박막 형성단계(S200)에서 확산되는 도펀트가 도핑됨으로써 차단막의 굴절율을 상승시켜, 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우의 가시광 투과율을 향상시킬 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: 기판 200: 도펀트가 도핑된 써모크로믹 박막
300: 차단막

Claims (12)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막을 포함하되,
    상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지고,
    상기 도펀트의 농도는 상기 써모크로믹 박막의 상면 또는 하면 중 어느 일 면으로부터 깊이 방향으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 써모크로믹 박막 사이에 형성되는 차단막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단막은 SiO2, Al2O3, Nb2O5, TiO2, 또는 Si3N4 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 차단막은 도펀트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  5. 제1항에 또는 제4항에 있어서,
    상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 또는 Zr 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우.
  7. 기판 상에 도펀트 층을 형성하는 도펀트 층 형성단계; 및
    상기 도펀트 층 상에 써모크로믹 물질을 증착하며 상기 도펀트 층을 이루는 도펀트를 확산시키는 써모크로믹 박막 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은,
    써모크로믹 박막 형성단계 후 열처리하는 후열처리(post-annealing) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법은,
    상기 도펀트 층 형성단계 전에, 상기 기판 상에 차단막을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 도펀트 층은 상기 차단막 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도펀트 층의 두께는 5㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2)이고, 상기 써모크로믹 박막의 두께는 50㎚인 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막 형성단계는 스퍼터링(sputtering) 증착법에 의하는 것을 특징으로 하는 도펀트가 도핑된 써모크로믹 윈도우 제조방법.
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