KR20110137367A - 광학 코팅 - Google Patents

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KR20110137367A
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가레쓰 웨이크필드
마르틴 리안 가드너
존-폴 그리피트스
리차드 찰스 윈체비츠
타데수즈 안토니 포드고르스키
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옥스포드 에너지 테크놀로지스 엘티디.
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Abstract

본 발명은 다공성 입자를 포함하거나, 다공성 전구체 입자로부터 형성된 광학 코팅에 관한 것이다. 광학 코팅의 평균 두께는 75 내지 400 nm의 범위이고, 코팅의 표면 조도는 2 내지 300 nm의 범위이다. 이러한 코팅은 전자기 스펙트럼의 가시선 및 근적외선 부분에 걸쳐 광대역 반사방지 특성을 제공한다.

Description

광학 코팅 {OPTICAL COATING}
본 발명은 바람직하게는 가시광에 투과성이고, 바람직하게는 반사방지 특성을 제공하고, 임의로 다른 추가의 기능성을 제공하는, 다공성 입자를 포함하거나, 다공성 입자로부터 얻어지는 광학 코팅(optical coating)에 관한 것이다. 광학 코팅은 특히, 그러나 비제한적으로 태양광 전지(photovoltaic cell), 디스플레이, 발광 다이오드(light emitting diode), 및 태양열 집광기(solar concentrator)에 적용하기에 적합하다.
태양 전지(solar cell)는 주로 환경에 노출되는 유기 기판 상에 제조된다. 일반적으로, 유리(또는 폴리머) 시트는 각 표면 상의 입사 일광의 약 4 내지 5%를 반사하는데, 이러한 에너지는 전지에 대해 손실이다. 유리는 반사방지 코팅층으로 코팅될 수 있는데, 이것이 반사율을 2% 미만으로 감소시킨다. 도 1은 기판(2) 상의 종래의 단층 반사방지(AR) 코팅(1)을 개략적으로 도시한 것이다. AR 코팅(1)의 두께는 d이다. 반사율은 AR 코팅(1)의 전면 및 후면으로부터 반사된 광이 상쇄 간섭되도록 배열되는 경우에 감소된다. 이는 상기 코팅(1)의 두께가 코팅 매질에서의 입사광의 파장의 1/4에 해당하는 경우에 달성된다(수직 입사에 대해):
Figure pct00001
상기에서, λ는 진공 상태에서의 광의 파장이고, n1은 코팅의 굴절률이다. 이것은 코팅(1)의 굴절률(n1)이 기판(2)의 굴절률(n2)보다 낮다고 볼 수 있는데, 따라서 코팅(1)과 기판(2) 간의 계면에서는 반사된 광의 π 상 변화(phase change)가 있다. 물론 두께(d)는 코팅에서의 광의 파장의 1/4의 임의의 홀수 배수일 수 있다. 완전한 상쇄 간섭을 위해, 두 반사된 파의 진폭(amplitude)은 서로 동일해야 한다. 이는 굴절률이 하기와 같이 부합되는 경우에 달성될 수 있다:
Figure pct00002
이를 재배열하면 하기와 같다:
Figure pct00003
공기에 대해, n0 = 1이고, 유리에 대해, nm = 1.5이며, 이는 n1=1.22로서 코팅의 이상적인 굴절률을 제공한다.
디스플레이 적용에 있어서, AR 코팅은 디스플레이의 가시성(viewability)을 감소시키는, 즉, 눈부심(glare)을 감소시키는, 반사율을 감소시키는데 사용된다. 이러한 코팅의 또 다른 바람직한 특성은 광시야각(wide viewing angle)에 대해 반사율을 감소시키는 것이다. 이러한 경우, AR 코팅은 유리가 사용될 수도 있기는 하지만, 주로 플라스틱 기판에 적용된다.
그러나, 종래의 AR 코팅은 많은 문제점이 있다. 요망되는 낮은 굴절률(refractive index)을 갖는 적합한 코팅 물질을 발견하는 것이 어렵다. 종래의 AR 코팅은 일반적으로 고가의 처리를 요하고, 태양열 집광기용 플라스틱 윈도우와 같은 유리 이외의 기판을 사용하는 것이 어려운 화학적 증기 증착(chemical vapour deposition(CVD)) 또는 물리적 증기 증착(physical vapour deposition(PVD))과 같은 기술에 의해 적용된다. 그러나, 이러한 부재에 사용되는 일반적인 고분자 물질의 상대적으로 비활성인 표면 화학은 이후 코팅된 층의 낮은 접착력을 유발할 수 있다.
상기 분석은, 최적의 반사방지 특성이 어느 한 특정 입사각에 대한 어느 한 파장에서만 달성되고, 다른 파장 및 입사각에서는, 반사방지율이 저하되고, 이에 따라 태양 전지 또는 디스플레이의 가독성(readability)이 감소됨을 보여준다. 광대역 AR 코팅은 상이한 굴절률의 여러 층을 사용함으로써 달성될 수 있지만, 이는 복잡성과 제작 비용을 증가시켜서, 태양 전지 또는 디스플레이를 더욱 고가이고, 경제적 실행가능성을 보다 낮춘다. 또한, 소위 '자정(self-cleaning)' 코팅과 같은 태양 전지에 바람직하게 존재할 수 있는 다른 기능성 코팅 이외에 AR 코팅을 적용하는 것에 의한 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점의 적어도 일부, 몇몇 또는 어느 하나를 해소하는 것이다.
따라서, 본 발명은 다공성 입자를 포함하는 광학 코팅으로서, 코팅의 평균 두께가 75 내지 400 nm의 범위이고, 코팅의 표면 조도(surface roughness)가 2 내지 300 nm의 범위인 광학 코팅을 제공한다.
바람직하게는, 다공성 입자는 중기공(mesoporous) 입자 및 미세기공(microporous) 입자 중 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 다공성 입자는 제올라이트 입자, 실리카 입자, 및 알루미노실리케이트 입자 중 하나 이상을 포함한다.
광학 코팅은 상기 기재된 바와 같은 코팅을 알칼리 또는 염기 용액, 예컨대 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄을 포함하는 용액으로 처리함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 광학 코팅을 제조하는 방법으로서, 다공성 입자의 블렌드(blend)를 최대 치수 10 내지 70 nm 범위의 혼합물로 제공하고;
상기 입자를 기판에 적용하여 75 내지 400 nm 범위의 평균 두께를 갖는 층을 형성시키는 것을 포함한다.
본 발명은 입사광의 파장보다 낮은 등급에 대해 변하는 두께의 텍스쳐링된(textured) 표면을 제공함으로써 AR 코팅의 밴스패스(bandpass)를 확장한다.
본 명세서에서, 용어 "광학"은 예를 들어 "광학 코팅"에서 사용되나, 이 용어는 단지 가시광으로의 어떠한 제한을 내포하지 않는 것으로 의도된다. 본 발명은 필요에 따라 예를 들어, 적어도 자외선(UV) 및 적외선(IR)을 포함하는 전자기 스펙트럼의 다른 부분에 적용될 수 있다.
본 발명의 구체예가 첨부되는 도면을 참조하여 단지 예시로서 하기에서 기술될 것이다.
도 1은 기판에 제공된 종래의 균일한 두께의 단층 AR 코팅을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명을 구현하는 제 1 실시예에 따른 광학 코팅의 전자-현미경 사진(electron-micrograph)이다.
도 3은 본 발명을 구현하는 제 1 실시예에 따른 AR 코팅으로 코팅된 보로실리케이트 유리 기판에 대한 입사광 파장(nm)에 대한 반사율(%)(하부 플롯) 및 코팅되지 않은 기판에 대한 반사율(%)(상부 플롯)의 그래프이다.
도 4a는 본 발명을 구현하는 제 2 실시예에 따른 광학 코팅의 전자 현미경 사진(평면도)이다.
도 4b는 본 발명을 구현하는 제 2 실시예에 따른 광학 코팅의 전자 현미경 사진(단면도)이다.
도 5는 본 발명을 구현하는 제 2 실시예에 따른 AR 코팅으로 코팅된 보로실리케이트 유리 기판에 대한 입사광 파장(nm)에 대한 반사율(%)(하부 플롯) 및 코팅되지 않은 기판에 대한 반사율(%)(상부 플롯)의 그래프이다.
도 6은 본 발명을 구현하는 제 3 실시예에 따른 광학 코팅의 전자 현미경 사진(단면도)이다.
도 7은 본 발명을 구현하는 제 3 실시예에 따른 AR 코팅으로 코팅된 유리 기판에 대한 입사광 파장(nm)에 대한 반사율(%)(하부 플롯) 및 코팅되지 않은 기판에 대한 반사율(%)(상부 플롯)의 그래프이다.
도 8은 본 발명을 구현하는 제 4 실시예에 따른 AR 코팅으로 코팅된 유리 기판에 대한 입사광 파장(nm)에 대한 반사율(%)(하부 플롯) 및 코팅되지 않은 기판에 대한 반사율(%)(상부 플롯)의 그래프이다.
광학 코팅의 바람직한 구체예는 반사방지 코팅에 다공성 나노입자를 사용하거나, 반사방지 코팅을 형성하기 위한 전구체로서 다공성 나노입자를 사용하는 것에 관한 것이다. 상기 입자는 개방 구조 또는 다공성 구조를 갖는다. 다공성 입자가 반사방지 코팅으로서 사용되는데, 그 이유는 물질의 다공성 성질이 자연적으로 굴절률을 감소시키기 때문이다(즉, 굴절률이 공기 및 입자 물질의 굴절률의 평균이 된다). 이에 따라, 입자는 표면에 적용되고, 유리와 공기 사이 중간에 가까운 굴절률을 갖는 요건을 충족시킬 수 있다. 입자는 (2nm 초과의 기공 직경을 갖는) 중기공 또는 (2nm 미만의 기공 직경을 갖는) 미세기공일 수 있다. 일반적으로, 입자는 최대 치수가 100nm 미만이고, 기공 직경이 10nm 미만인 규칙적인 기공 구조를 갖는다.
다공성 입자에 적합한 물질은 실리카 또는 알루미노실리케이트 물질, 예를 들어, 제올라이트를 포함한다. 다공성 입자로 바람직한 물질은 실리카 또는 낮은 수준의 알루미나를 갖는 실리카를 기반으로 한다. 특이적인 예로는 100% 실리카이고, P6/mmm의 공간 그룹(space group)을 갖는 LTL 제올라이트, 또는 LTA 제올라이트가 포함된다. 그 밖의 예로는, 보다 큰 기공 크기, 예를 들어, 2 내지 10nm 범위의 기공 직경으로 인해 제올라이트로서 분류되지 않는 중기공 물질이 있다. 바람직한 중기공 물질은 순수한 실리카로 구성되며, 바람직한 기공 크기는 3nm이다. 적합한 다공성 입자는 구입가능하다.
본 발명의 이러한 구체예에 따르면, 다공성 실리카 입자 또는 알루미노실리케이트 입자의 블렌드가 광범위한 투과 대역폭(broad transmission bandwidth)을 갖는 반사방지 코팅을 생성하는데 사용된다. 상기 입자는 AR 코팅에 대한 대역폭을 개선하기 위해, 바람직하게는 10 내지 70nm 범위에 있는 상이한 크기(최대 치수)의 블렌드를 포함하지만, 조도를 낮추고 이에 따라 최종 필름의 투과 대역폭을 낮추지만, 개선된 내마모성을 갖는 40nm 내지 50nm(또는 10 내지 70nm 범위 내의 다른 중간 값)의 입자 혼합물을 포함할 수 있다. 입자는 기판, 예컨대, 유리 또는 폴리머 상에 층을 형성하는데 사용되며, 이러한 층은 평균 두께가 75 내지 400nm 범위이고, 표면 조도가 2 내지 300nm 범위이고, 굴절률이 1.1 내지 1.4 범위이다. 두께에 대해 더욱 바람직한 값은 100 내지 200nm 범위이다. 더욱 바람직한 표면 조도는 10 내지 150nm 범위이고, 매우 바람직하게는 20 내지 80nm이다.
상기 층은, 결합제(binder) 물질 및 다공성 입자의 현탁액을 사용하여, 분무, 스핀-코팅(spin-coating) 또는 딥-코팅(dip-coating)과 같은 습식 가공 기술에 의해 기판 상에 형성된다. 결합제는 코팅에 기계적 강도를 부여할 수 있다. 결합제의 바람직한 구체예는, 실리케이트 계열, 실리카, 실리콘 계열, 실록산 계열 또는 아크릴레이트 계열이다. 표면 조도는 출발 입자의 치수 범위로 인해 층의 증착시에 자연적으로 형성된다. 입자는 바람직하게는 실란 화학(silane chemistry)을 사용하여 서로 부착되고, 견고한 구조로 함께 결합된다. 바람직한 구체예에서, 테트라에틸 오르쏘실리케이트가 물, 알코올 및 산으로 포뮬레이팅되고, 전처리 단계에서 기판 상에 스핀 코팅되어 기판에 입자를 부착시키는 계면 영역을 제공한다. 광학 층에는 임의로, 예를 들어, 알칼리 또는 염기 용액, 예컨대, 0.1M KOH 배쓰, 0.1 M NaOH 배쓰, 0.1M NHOH4 배쓰로 추가로 화학적 배쓰 처리(chemical bath treatment)가 수행되어 입자를 함께 결합시킨다. 화학적 배쓰 처리는 바람직하게는 수계 용액으로 제한되는 것은 아니다. 화학적 배쓰 처리 후, 필름의 구조가 변경되고, 스크래치 내성이 증가한다. 이러한 층은 스펙트럼의 가시 부분(파장 범위 400 내지 700nm)에 걸쳐 반사율을 종래 유리 표면에 대해 80% 넘게 감소시킨다.
표면 처리의 바람직한 구체예는 수행되는 표면 개질화가 기판 표면에 결합제 시스템과 화학적으로 결합할 수 있는, 즉 공유적으로 또는 이온적으로 결합할 수 있는, 화학적 작용기를 도입하는 것이다. 이러한 작용기의 선택은 당해 개개의 기술자들에게 공지되어 있다. 적합한 표면 개질화 기술은 플라즈마, 코로나, 또는 화염 처리, 유기 라디칼, 카르벤 또는 니트렌과 같은 반응성 중간체와의 표면 반응을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
실시예 1. 중기공 실리카 나노입자를 기반으로 한 반사방지 필름
중기공 실리카 나노입자를 기반으로 한 AR 코팅 및 이를 제조하는 방법에 대한 본 발명을 구현하는 특정 예는 하기와 같다: 중기공 실리카로 구성된 입자를 하기와 같이 입자의 현탁액으로 하여 보로실리케이트 유리 기판 상에 150nm 층으로 형성시켰다: 100㎕의 메탄올 중의 0.75% w/v 중기공 실리카를 10초 동안 4000 rpm으로 유리 기판 상으로 스피닝(spinning)시켰다. 입자는 주로 입방형이거나 직사각형이고, 일반적으로 25 내지 50 nm 범위의 최대 치수를 갖는 상이한 크기의 입자의 블렌드를 포함한다. 백색광 간섭계(white light interferometry)로 측정한 경우, 표면 조도는 80nm 였다. 간섭계에 대한 추가의 정보는 http://www.optics.arizona.edu/jcwy ant/pdf/meeting_papers/whitelightinterferometry.pdf에서 찾아볼 수 있다. 도 2는 상기 층의 전자 현미경 사진이고, 도 3은 코팅되지 않은 유리 기판(상부 플롯)과 비교되는 기판 상(하부 플롯)의 층에 대해 스펙트럼의 가시부에서의 근수직 입사(near normal incidence) 시 반사율의 그래프이다. 상기 층에 대한 분광 타원편광 측정(Spectroscopic ellipsometry measurement)에 의해 굴절률(500nm에서)이 1.10 내지 1.15인 것으로 나타났다.
실시예 2. 필름에 대한 전구체로서 중기공 실리카 나노입자로부터 얻어진 반사방지 필름
25 내지 50 nm의 중기공 실리카 입자의 막을 2:40:1의 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS):이소프로필 알코올:0.1M HC1의 TEOS 용액으로 처리된 유리 기판 상에 스핀 코팅하였다. 실리카 입자를 메탄올 중에 0.75% w/v 입자로서 현탁시키고, 400rpm으로 스피닝하는 기판 표면으로 lOO㎕를 플러딩(flooding)시켰다. 건조시킨 후, 코팅을 80℃에서 24시간 동안 0.1M KOH 용액에 침지시켜서 최종 필름을 생성시켰으며, 이는 ASTM Standard Pencil Hardness Test D3363-05 내지 5H를 통과하였다. 도 4a는 필름의 평면도이고, 도 4b는 단면도를 나타낸다. 반사율이 도 5에 제시되며, 최소는 550nm에서 0.25%이고(하부 플롯), 코팅되지 않은 기판의 반사율 또한 비교로서 도 5에 제시된다(상부 플롯). KOH 처리는 구조가 상당히 개질화됨을 보여주며, 이는 다공성 입자를 포함하는 구조가 필름의 최종 구조에 대한 전구체로서 작용함을 시사한다.
실시예 3. 반사방지 코팅으로서 LTL 나노제올라이트 필름
입자 크기 10 내지 70 nm의 1% w/v LTL 제올라이트의 용액을 25% 제올라이트 포뮬레이션, 25% 메탄올 및 50% 이소프로필 알코올로서 포뮬레이팅하였다. 이 용액을 60초 동안 1000 rpm으로 유리 기판에 스피닝시켰다. 이 필름을 건조시키고, 스피닝 공정을 5개의 층이 형성될 때까지 반복하였다. 필름의 구조가 도 6에 단면도로 도시되어 있으며, 세정된 유리 슬라이드와 비교하여 반사 특성이 도 7에 도시된다.
실시예 4. 중기공 실리카 나노입자 혼입 표면 및 벌크(bulk) 결합제 물질로부터 얻어진 반사방지 코팅
메탄올 중의 1.4% w/v 중기공 실리카의 용액을 입자 공급원으로서 사용하였다(용액 A). 메탄올 중의 중기공 실리카 입자의 크기는 20 - 30 nm였다. lOO㎕ 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS), 2ml 이소프로판올(IPA) 및 50㎕ 염산을 포함하는 결합제 용액을 제조하였다(용액 B). 유리 기판을 10분 동안 60℃에서 아세톤으로 세척하고, 10분 동안 60℃에서 IPA로 세척함으로써 준비한 후, 건조시켰다. 기판의 치수는 25 mm x 25 mm 였다. 반사방지 코팅을 스핀 코터(spin coater)를 사용하여 제조하였다. 기판을 4200rpm으로 스피닝시키고, 270㎕의 용액 B를 기판 상에 증착시켜 25초 동안 계속해서 스피닝시켰다. 이후, 270㎕의 용액 A를 기판 상에 증착시켜 25초 동안 4200rpm으로 스피닝시켰다. 이후, 이러한 두 증착(deposition) 단계를 반복하여 적절한 광학적 및 기계적 특성을 갖는 최종 코팅을 얻었다. 유리 기판과 비교하여 반사 특성이 도 8에 제시된다.
적용
광학 코팅의 바람직한 적용은 태양광 태양 전지 상부의 유리 윈도우 상에서 이다. 상기 태양 전지는 임의의 적합한 부류, 예컨대 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 박막 실리콘 및 하이브리드 기술로 된 부류일 수 있다. 광학 코팅은 태양광 전지에 태양열을 집광하고 유도하는데 사용되는 태양열 집광기로서 공지된 그 밖의 광학 부재 상에 사용될 수 있다. 이러한 부재에 적합한 폴리머 물질은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)와 같은 폴리에스테르, 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP)과 같은 폴리올레핀을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 그러나, 본 발명을 구현하는 광학 코팅은 또한 일반적인 디스플레이 및 예를 들어, 건물의 열 관리를 위한 일반적인 윈도우 분야에 사용될 수 있다. 본 발명을 구현하는 광학 코팅은 또한 유리로 만들어지거나 플라스틱 물질로 만들어지거나 간에 안경 엘리먼트(element), 예를 들어, 스펙터클 렌즈(spectacle lense)에 사용될 수 있다.
물론, 광학 코팅을 반사방지에 대해 우수하게 것과 같은 특성은, 코팅이 발광 분야, 특히 광대역 발광, 예컨대, 컬러 디스플레이, 일반적으로 조명, 특히 백색 조명 등에 우수한 효율을 달성하는데 사용될 수 있음을 의미한다. 이러한 경우, 기판은 유리 또는 플라스틱 물질, 예를 들어, 폴리카보네이트 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 제조될 수 있지만, 물론 이들 물질 또한 태양 전지에도 사용될 수 있다.
본 발명의 추가의 구체예는 나노 입자를 기반으로 하는 다층 코팅 및 상기 기술된 바와 같이 외층 상에 반사방지 부재를 또한 포함하는 박막을 포함한다. 광 관리 특성(optical management property)을 조합하고 통합하는 이러한 능력은 특이적이며, 나노입자 기반 AR 코팅의 결과로서만 얻어질 수 있는데, 이러한 방식으로 물질의 특정 요망되는 광학 특성을 이용할 수 있고, 태양 전지 및 그 밖의 지금까지의 윈도우에 이러한 물질을 사용할 수 없게 한, 물질의 굴절률에서의 변동 효과를 최소화한다.
특정 추가의 구체예가 반사방지 특성 이외에 이용된 광학 특성 및/또는 물리-화학적 특성과 관련하여 하기에서 기술될 것이다.
1. 자외선 차폐( ultraviolet screening )
일부 유형의 태양 전지, 예를 들어, 염료 감응형 전지(dye sensitised cell)는, 기기 성능에 대한 악영향으로 인해 UV 광이 차폐될 것을 요한다. 사용되는 일반적인 화합물은 TiO2 및 ZnO을 포함한다. 그러나, 단지 TiO2 층을 지닌 유리 기판(굴절률 2.7)을 코팅하는 것은 입사광 하에 윈도우의 반사율을 21% 이하까지 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 기술된 바와 같은 반사방지 코팅의 추가의 기능성이 전지 효율을 유지시키는데 사용된다.
2. 입사광의 하향 변환( down conversion ).
태양 전지에서 감소된 효율의 주 원인은 광흡수 반도체의 전도 밴드(conduction band) 내에서 전하 운반체의 열중성자화(thermalization)에 의해 생성된 포논의 결과인 것이며, 이는 반도체 윈도우의 상부 상에 하향 변환 층을 포함함시킴으로써 감소될 수 있다. 이는 일반적으로 UV를 청색광, 청색광을 녹색광, UV를 적색광 등으로 전환시킬 것이다. 보다 높은 주파수 광자로부터 하향 변환하는 임의의 물질이 유용하며, 이들 물질은 일반적으로 인광 물질, 예컨대, YAG:Ce, Y2SiO5:Ce 또는 그 밖의 발광성 산화물을 기반으로 한다. 이들 물질이 유리보다 높은 굴절귤을 지니기 때문에, 이들 물질은 본 발명에 따른 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 특정 구체예는 연료 감응형 태양 전지에 관한 것이며, 앞서 언급된 바와 같이, 이러한 전지로부터 UV 광을 제거할 필요가 있다. 그러나, 전지 효율은, 입사 태양 UV 광을 덜 손상하는 파장, 특히 400 내지 450nm의 청색광으로 변환시킴으로써 증가될 수 있다. 이는 근 UV(290-400nm)에서 광대역 흡수를 갖는 발광 물질을 사용하고, 작은 스트로크 이동(small Stroke shift)을 통해 400 내지 450nm에서의 방출로 변환시킴으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 그러한 물질로는 근 UV 여기 청색 발광체인 CaWO4 및 Y2SiO5:Ce를 포함한다. 앞서와 같이, 이들 물질은 상기 기술된 바와 같은 AR 코팅과 함께 사용된다.
3. 소수성 자정 코팅
유기 물질 및 먼지에 의한 태양 전지 표면의 오염은 전지 외부 효율의 상당한 저하 및 고비용의 세정 방법 이행을 유발하는 심각한 문제이다. 소수성 표면은 전지 표면으로부터 빗물을 흘러 내리게 하는 것을 개선시키며, 이것은 먼지 및 유기 물질을 잡아내는 작용을 하고, 윈도우 투과 특성을 보유한다. 반사 방지 코팅 외에 서로 공유 결합된 소수성 테일(tail) 성분 및 반응성 헤드(head) 성분을 함유하는 기를 공유적으로 삽입함으로써 표면을 화학적으로 개질화시켜 표면이 영구적으로 소수성이 되도록 하는 것을 부가적으로 포함한다. 이러한 소수성 치환기는 일반적으로 비극성 또는 플루오르화된 화합물, 예컨대, 방향족 고리, 실리콘 왁스, 유기 구조에 불소 원자를 갖거나 갖지 않는 다양한 길이의 알킬쇄를 포함하나 이로 제한되는 것은 아니다. 적합한 반응성 헤드 기로는 실란, 실라잔, 라디칼, 카르벤 및 니트렌을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
4. 입사 UV 광의 양자 분리( quantum cutting )
양자 분리는 입사 광자가 발광 물질, 보통 항상 그러한 것은 아니지만, 희토류 원소를 기반으로 하는 물질에 의해 흡수되고, 이후, 100% 초과의 양자 효율을 생성하는 두개의 광자를 방출하는 현상을 나타낸다. 그러나, 입사 광자의 에너지가 방출되는 광자의 에너지의 두 배이거나 이보다 더 커야함에 따라, 에너지는 보존된다. 태양 전지에 대한 이러한 현상의 적용은 명백한데, 반도체 흡수물질의 밴드 갭보다 더 큰 에너지를 지닌 두 개의 광자로 나뉜 입사 광자는 존재하는 양자 분리 층으로 광자당 두 배나 많은 전류를 생성할 것이다. 이러한 층은 반사방지 층과 결합하여 전지로의 광을 최대화한다. 적합한 양자 분리 시스템이 하나 이상의 희토류 이온과 함께 TiO2와 같은 와이드(wide) 밴드갭 반도체를 기반으로 할 수 있다.
5. 적외선 반사
AR 코팅과 함께 적외선 반사층이 모듈 및 집광식 태양광발전시스템(concentrator photovoltaic system) 둘 모두에 대한 열 전달을 관리하는데 사용될 수 있다. 태양 전지 내 열 생성은 반도체 내에 전자를 산란시키고, 저항성을 증가시키는 작용을 하는 포논을 생성한다. 사용될 수 있는 적합한 IR 반사 화합물로는 산화인듐주석, 산화아연알루미늄, 불소 도핑된 산화주석을 포함하나, 다른 n-타입 및 p-타입 와이드 밴드갭 반도체도 사용될 수 있다.
6. 광촉매 반사방지 코팅
자정 유리는 또한 이산화티탄 박막으로 코팅함으로써 제조될 수 있는데, 이러한 박막은 UV 광자를 흡수하여 표면 상태를 통해 재결합하고 유기 오염물질을 분해하는 유리 라디칼을 생성할 가능성이 높은 전자-홀 쌍을 생성한다. 물론, 이는 태양 전지에 대해서는 유리하지만, 이산화티탄의 높은 굴절률은 유리가 20% 초과의 반사율을 가짐을 의미할 수 있다. 추가의 문제는 이산화티탄이 유기 오염물질에 직접 접촉해야 유효하기 때문에, AR 코팅으로 간단히 TiO2를 오버코팅할 수 없다는 점이다. 효과적인 코팅은 TiO2 입자와 블렌딩되는 본원에 기술된 유형의 다공성 나노입자를 사용하여 이루어질 수 있는데, 이러한 코팅에 여러 층의 나노입자가 놓이고, 다공성 입자에 대한 TiO2의 비는 유리 표면으로부터 멀리 이동함에 따라 높은 비에서 낮은 비로 변한다. 따라서, 다공성 입자에 대한 TiO2의 비의 구배는 유리 기판과의 계면에서 최대이고, 상부(노출된) 표면에서 최소이다. 이들 층은 다공성이여서 TiO2 입자로의 접근이 유지되지만, 굴절률은 코팅이 반사방지성을 갖도록 코팅에 대해 높은 굴절률로부터 낮은 굴절률까지로 등급화된다.
상기 기술된 추가의 기능성 층은 물론 다공성 입자 기반 AR 코팅과 함께 서로 임의 조합하여 사용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 다공성 실리카 입자를 포함하는 광학 코팅으로서, 코팅의 평균 두께가 75 내지 400 nm의 범위이고, 코팅의 표면 조도(surface roughness)가 2 내지 300 nm의 범위인 광학 코팅(optical coating).
  2. 제 1항에 있어서, 코팅의 굴절률(refractive index)이 1.0 내지 1.4 범위인 광학 코팅.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 반사방지 코팅인 광학 코팅.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 450nm 내지 700nm 범위의 파장을 갖는 입사광에 대한 반사율이 2% 미만, 바람직하게는 1.5% 미만인 광학 코팅.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅의 표면 조도가 10 내지 150nm 범위, 임의로 20 내지 80nm 범위인 광학 코팅.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 자외선 차폐 층, 하향 변환(down-conversion) 층, 소수성 층, 양자 분리(quantum cutting) 층, 적외선 반사층 또는 광촉매 층 중 하나 이상의 추가 층을 포함하는 광학 코팅.
  7. 제 6항에 있어서, 다공성 입자가 상기 어느 한 추가 층의 표면 상에 제공되는 광학 코팅.
  8. 제 6항에 있어서, 다공성 입자가 상기 하나 이상의 추가 층으로 통합되는 광학 코팅.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 입자가 중기공(mesoporous) 실리카 입자를 포함하는 광학 코팅.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 광학 코팅을 포함하는 태양 전지.
  11. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 광학 코팅을 포함하는 디스플레이.
  12. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 광학 코팅을 포함하는 조명 부재.
  13. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 광학 코팅을 포함하는 안경 엘리먼트.
  14. 다공성 실리카 입자의 블렌드(blend)를 최대 치수 10 내지 70 nm 범위의 혼합물로 제공하고;
    상기 입자를 기판에 적용하여 75 내지 400 nm 범위의 평균 두께를 갖는 층을 형성시키는 것을 포함하는, 광학 코팅의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 실리카 입자를 둘러싸는 결합제 물질을 첨가하는 것을 추가로 포함하는, 광학 코팅의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 결합제가 실리케이트 계열, 실리카, 실리콘 계열, 실록산 계열 또는 아크릴레이트 계열 결합제 중 하나 이상인, 광학 코팅의 제조 방법.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 기판을 전처리하여 입자를 기판에 화학적으로 결합시키는 것을 추가로 포함하는, 광학 코팅의 제조 방법.
  18. 제 14항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 입자가 중기공 실리카 입자를 포함하는, 광학 코팅의 제조 방법.
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