KR20140001541A - 써모크로믹 윈도우 제조방법 - Google Patents

써모크로믹 윈도우 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 윈도우 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 변하는 써모크로믹 윈도우의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판 상에 투명전도막을 코팅하는 제 1 투명전도막 형성 단계; 상기 투명전도막 상에 프리-써모크로믹(pre-thermochromic) 박막을 코팅하는 프리-써모크로믹 박막 형성 단계; 및 상기 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막 적층체를 열처리하여 상기 프리-써모크로믹 박막을 써모크로믹 박막으로 개질시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법을 제공한다.

Description

써모크로믹 윈도우 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF THERMOCHROMIC WINDOW}
본 발명은 써모크로믹 윈도우 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 변하는 써모크로믹 윈도우의 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 윈도우와 로이 (Low-E) 윈도우 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 글라스에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 윈도우 등이 연구되고 있다.
특히, 로이 윈도우는 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.
한편, 이와 같은 써모크로믹 박막을 건축용 유리에 적용하는 경우, 겨울철에 난방열 손실을 최소화하기 위해서는 써모크로믹 박막이 낮은 방사율(emissivity)을 가져야 하나, 현재 써모크로믹 박막은 그렇지 못하다는 단점을 가진다. 특히, 이산화바나듐 박막의 경우 일반 유리와 비슷한 0.84의 높은 방사율을 가져, 겨울철 난방열을 효과적으로 차단하지 못한다는 문제점을 갖는다.
또한, 써모크로믹 박막은 금속성의 특성을 가지고 있어 가시광 투과율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
이에 종래에는 가시광 투과율을 향상시키기 위해 써모크로믹 박막의 두께를 얇게 하는 방법을 사용하거나, 써모크로믹 박막과 저굴절 박막 및/또는 고굴절 박막을 다층 막으로 구성하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 써모크로믹 박막의 두께를 얇게 하는 경우 써모크로믹 박막의 상전이 특성이 불 균일하게 일어난다는 문제가 발생한다. 또한, 써모크로믹 박막과 저굴절 박막 및/또는 고굴절 박막을 다층 막으로 구성하는 경우, 다층 막 형성을 위한 고온 증착 과정에서 써모크로믹 물질이 다른 결정상으로 상변화되어 써모크로믹 특성을 잃게 된다는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 써모크로믹 특성을 가지면서도 가시광의 투과율을 향상시킬 수 있는 써모크로믹 윈도우의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판 상에 투명전도막을 코팅하는 제 1 투명전도막 형성 단계; 상기 투명전도막 상에 프리-써모크로믹(pre-thermochromic) 박막을 코팅하는 프리-써모크로믹 박막 형성 단계; 및 상기 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막 적층체를 열처리하여 상기 프리-써모크로믹 박막을 써모크로믹 박막으로 개질시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 써모크로믹 윈도우 제조방법은, 상기 프리-써모크로믹 박막 형성 단계 후, 상기 프리-써모크로믹 박막 상에 투명전도막을 코팅하는 제 2 투명전도막 형성 단계를 더 포함하고, 상기 열처리 단계는 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막/ 투명전도막 적층체를 열처리하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 열처리 단계에 의해 상기 투명전도막으로부터 상기 프리-써모크로믹 박막으로 산소가 확산되어, 상기 프리-써모크로믹 박막이 상기 써모크로믹 박막으로 개질된다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막은 써모크로믹 물질인 AxBy를 포함하고, 상기 프리-써모크로믹 박막은 AxBz를 포함하고, 상기 A는 금속이고, y>z일 수 있으며, 바람직하게, 상기 z는 0일 수 있다.
또한, 상기 투명전도막의 코팅은 산소 분위기에서 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3) 및 산화나이오븀(NbO2) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 프리-써모크로믹 박막은 순수 바나듐 금속을 포함하고, 상기 열처리 단계에 의해 상기 순수 바나듐 금속이 VO2 로 상변화될 수 있다.
바람직하게, 상기 투명전도막은 In2O3, SnO2, 및 ZnO2 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 도펀트를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열처리 단계는 진공 분위기에서 400 ~ 500 ℃의 온도로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 투명전도막은 스퍼터링(sputtering) 증착법에 의해 코팅될 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 써모크로믹 특성을 가지면서도 높은 가시광 투과율과 낮은 방사율을 갖는 써모크로믹 윈도우를 제조할 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 제 1 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우 제조방법의 개략적인 흐름도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우 제조방법의 개략적인 흐름도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우의 투명전도막 두께 별 가시광 투과율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우의 반사율을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 윈도우 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 제 1 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우 제조방법의 개략적인 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 써모크모릭 윈도우를 제조하기 위해 우선, 기판 상에 투명전도막을 코팅한다(S100).
기판은 써모크로믹 윈도우의 지지 기재로서, 바람직하게는 소다라임(soda-lime)계 건축용 글라스가 사용될 수 있다.
투명전도막은 전도성이 있는 산화물 박막으로, 기판 상에 형성되어 후술할 열처리 단계(S300)에서 프리-써모크로믹 박막으로 산소를 확산시킨다.
이와 같은, 투명전도막은 낮은 방사율(emissivity) 및 높은 굴절율을 가져 써모크로믹 윈도우의 전체적인 방사율을 낮추고, 가시광의 투과율을 향상시킨다. 즉, 투명전도막은 비저항 특성이 우수하여 써모크로믹 윈도우의 방사율을 개선하고, 높은 굴절율을 가지므로 투명전도막의 두께를 조절하여 가시광의 투과율을 제어할 수 있다.
또한, 투명전도막은 후술할 열처리 단계(S300)에서 기판 내의 이온이 써모크로믹 박막으로 확산되는 것을 막아 써모크로믹 박막이 써모크로믹 특성을 잃게되는 것을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)역할을 한다. 특히, 기판이 소다라임계 글라스인 경우, 투명전도막이 글라스 기판 내의 나트륨(Na) 이온이 써모크로믹 박막으로 나트륨 확산(sodium diffusion)하는 것을 방지할 수 있다.
투명전도막은 In2O3, SnO2, 및 ZnO2 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 투명전도막의 전기전도성 및 광학적 특성을 향상시키기 위해 투명전도막에는 도펀트가 도핑될 수 있고, 이에 의해, 투명전도막은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(F-doped Tin Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), 및 GZO(Ga-doped Zinc Oxdie) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
투명전도막은 저온(상온)에서 기판 상에 코팅될 수 있다. 또한, 투명전도막은 스퍼터링 증착법에 의해 기판 상에 코팅될 수 있다.
그리고, 투명전도막의 코팅은 산소 분위기에서 이루어질 수 있다. 이에 의해, 투명전도막에 보다 많은 산소를 포함시킴으로써, 후술한 열처리 단계(S300)에서 투명전도막에 의한 프리-써모크로믹 박막으로의 산소 확산이 더 잘 이루질 것이다.
이후, 투명전도막 상에 프리-써모크로믹 박막을 코팅한다(S200).
프리-써모크로믹 박막은 산소와 결합하여 써모크로믹 물질이 될 수 있는 순수 금속으로 이루어진 물질을 투명전도막 상에 코팅하여 형성될 수 있다. 또는, 써모크로믹 물질과 동일한 원소로 구성되되, 써모크로믹 특성을 갖지 못하는 결정상으로 이루어진 물질을 투명전도막 상에 코팅하여 형성될 수 있다. 일 례로, 프리-써모크로믹 박막은 바나듐 산화물 중 써모크로믹 특성을 갖는 이산화바나듐(VO2)을 제외한 V2O3, V3O5, V4O7, V6O11, V5O9, V6O13, V4O9, V3O7, V2O5 로 이루어질 수 있다.
즉, 써모크로믹 물질이 AxBy의 화학식을 가지는 경우, 프리-써모크로믹 물질은 AxBz의 화학식을 가질 것이다. 여기서, A는 금속이며, y>z이다. 바람직하게, z는 0일 수 있다.
프리-써모크로믹 박막은 스퍼터링 증착법에 의해 투명 전도막 상에 형성될 수 있다.
마지막으로, 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막 적층체를 열처리(S300)하여 써모크로믹 윈도우를 제조한다.
기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막 적층체를 열처리함으로써, 투명전도막에 포함된 산소는 프리-써모크로믹 박막으로 확산되고, 이에 의해 프리-써모크로믹 박막은 써모크로믹 박막으로 개질된다.
이와 같이, 열처리에 의해 프리-써모크로믹 박막을 써모크로믹 박막으로 개질시킴으로써, 우수한 써모크로믹 특성을 갖는 써모크로믹 윈도우를 제조할 수 있다.
종래 다층 막 상에 써모크로믹 박막을 코팅하는 경우, 써모크로믹 박막의 고온 증착 과정에서 써모크로믹 박막이 상변화되어 써모크로믹 특성을 상실한다는 문제가 발생하였는데, 본 발명은 다층 막 상에 프리-써모크로믹 박막을 적층한 후 열처리에 의해 프리-써모크로믹 박막을 써모크로믹 박막으로 개질시켜 써모크로믹 윈도우를 제조함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
또한, 산소가 프리-써모크크로믹 박막으로 확산됨에 따라 투명전도막은 산소 결핍(oxygen vacancy)과 금속 성분 치환에 의해 전도성이 급격히 향상하게 되고, 이에 의해 써모크로믹 윈도우의 방사율을 더욱 개선시킬 수 있다.
열처리 단계(S300)는 진공 분위기에서 400 ~ 500 ℃의 온도로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우 제조방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 프리-써모크로믹 박막 형성 단계 후(S200), 열처리 단계(300) 전에 프리-써모크로믹 박막 상에 투명전도막을 코팅하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 프리-써모크로믹 박막 상에 형성된 투명전도막은 이후 열처리 단계(S300)에서 프리-써모크로믹 박막으로 산소를 확산시킬 뿐만 아니라, 본 발명에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우에서 써모크로믹 박막을 스크래치(scratch)나 외부 오염으로부터 보호하는 보호막 역할을 한다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 써모크로믹 윈도우 제조방법에 의해 제조된 써모크로믹 윈도우는 높은 가시광 투과율과 낮은 방사율을 가진다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우의 투명전도막 두께 별 가시광 투과율을 나타낸 그래프이다. 여기서 투명전도막은 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어졌다.
도 4를 참조하면, 투명전도막의 두께가 두꺼워질수록 써모크로믹 윈도우의 가시광 투과율이 향상됨으로 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우의 반사율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 투명전도막은 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어졌으며, 투명전도막의 두께는 50㎚로 하였다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 써모크로믹 윈도우는 높은 반사율을 갖는다. 즉, 낮은 방사율을 가지므로, 우수한 단열특성을 가져 건물의 냉·난방 에너지 효율을 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.

Claims (12)

  1. 기판 상에 투명전도막을 코팅하는 제 1 투명전도막 형성 단계;
    상기 투명전도막 상에 프리-써모크로믹(pre-thermochromic) 박막을 코팅하는 프리-써모크로믹 박막 형성 단계; 및
    상기 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막 적층체를 열처리하여 상기 프리-써모크로믹 박막을 써모크로믹 박막으로 개질시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 윈도우 제조방법은,
    상기 프리-써모크로믹 박막 형성 단계 후, 상기 프리-써모크로믹 박막 상에 투명전도막을 코팅하는 제 2 투명전도막 형성 단계를 더 포함하고,
    상기 열처리 단계는 기판/ 투명전도막/ 프리-써모크로믹 박막/ 투명전도막 적층체를 열처리 하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  3. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 열처리 단계에 의해 상기 투명전도막으로부터 상기 프리-써모크로믹 박막으로 산소가 확산되어, 상기 프리-써모크로믹 박막이 상기 써모크로믹 박막으로 개질되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 써모크로믹 물질인 AxBy를 포함하고,
    상기 프리-써모크로믹 박막은 AxBz를 포함하고,
    상기 A는 금속이고, y>z인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 z는 0인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명전도막의 코팅은 산소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3) 및 산화나이오븀(NbO2) 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프리-써모크로믹 박막은 순수 바나듐 금속을 포함하고,
    상기 열처리 단계에 의해 상기 순수 바나듐 금속이 VO2 로 상변화되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명전도막은 In2O3, SnO2, 및 ZnO2 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투명전도막은 도펀트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 진공 분위기에서 400 ~ 500 ℃의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명전도막은 스퍼터링(sputtering) 증착법에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우 제조방법.

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