KR101378977B1 - 써모크로믹 유리 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 써모크로믹 유리 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 써모크로믹층의 가시광 투과율을 향상시킴과 아울러, 원하는 수준으로 가시광 투과율을 조절할 수 있는 써모크로믹 유리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 유리 기판; 및 상기 유리 기판에 형성되되, 상기 유리 기판의 적어도 한 영역을 노출시키도록 패터닝되어 있는 써모크로믹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리를 제공한다.

Description

써모크로믹 유리 및 그 제조방법{THERMOCHROMIC GLASS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 써모크로믹 유리 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 써모크로믹층의 가시광 투과율을 향상시킴과 아울러, 원하는 수준으로 가시광 투과율을 조절할 수 있는 써모크로믹 유리 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 스마트 유리는 외부 환경에 따라 빛 투과도가 변화하는 유리를 지칭한다. 이러한 스마트 유리의 예로는 일렉트로크로믹(electrochromic) 유리, 써모트로픽(thermotropic) 유리, 써모크로믹(thermochromic) 유리 등이 있다. 일렉트로크로믹 유리는 전기에 따라 빛 투과도가 변하는 유리이다. 그리고 써모트로픽 유리는 온도에 따라 가시광선 영역 또는 적외선 영역의 빛 투과도가 변하는 유리이고, 써모크로믹 유리는 온도 또는 열에 따라 가시광 영역 또는 적외선 영역의 빛 투과도가 변하는 유리이다.

여기서, 써모크로믹 코팅을 적용한 써모크로믹 유리는 특정 온도 전, 후에서 태양열선의 투과 특성이 변하므로, 이를 건물 외장유리나 자동차용 선루프, 옆 유리, 뒷 유리 등에 응용 시 여름에는 외부로부터 유입되는 태양열을 차단시켜주어 실내 냉방에너지를 절감할 수 있고, 반대로, 겨울에는 외부의 태양열을 받아들이므로 실내 난방에너지를 절감할 수 있는 사계절 전천후형 제품이 될 수 있다. 이러한 써모크로믹 유리는, 여름철에 태양열을 차단하지만 겨울철에도 태양열을 차단하여 난방에너지적으로 불리한 열선반사유리, 겨울철 실내 난방열은 차단하나 여름철 실내 복사열도 가두어 냉방에너지적으로 불리한 로이유리 등 현 보급된 에너지절감형 제품들보다 다목적으로 쓰일 수 있는 장점이 있다.

여기서, 써모크로믹 유리는 건축용으로 사용 시, 주거용 환경에 맞게 일정량의 가시광 투과율을 확보하여 적정한 채광성을 가져야 한다. 그러나 써모크로믹 코팅 시 사용되는 이산화바나듐(VO₂)은 가시광 영역에서 흡수성을 갖기 때문에 가시광 투과율이 타 유리 제품들보다 현저히 낮고, 이로 인해 채광성이나 개방감이 떨어지므로 아파트나 일반 주택 등 주거용 건물에 사용되기에는 미흡한 점이 지적되어 왔다.

일반적으로, 주거용 창으로 적용되기 위해서는 복층유리 상태에서의 가시광 투과율이 40% 이상이어야 하고, 이를 위한 코팅 단판유리의 가시광 투과율은 50% 이상을 확보해야 한다. 하지만, 써모크로믹 코팅에 있어서, 이산화바나듐(VO₂)으로 이루어진 써모크로믹층 단독으로는 이 수치에 도달하기가 어렵다. 이를 해결하기 위해, 종래에는 다층박막 구성에 의한 반사 방지(Anti-Reflection) 효과를 부여하여 최종 단판 가시광 투과율을 50% 이상 확보하려는 방법도 많은 연구의 대상이 되고 있다. 그러나 반사 방지코팅은 써모크로믹층의 상, 하부에 고굴절률 박막을 일정 두께 이상 추가 코팅해야 하는 방법인데, 이 경우, 막구조가 복잡해지고, 이에 따라, 제조 비용도 증가되는 문제가 있으며, 유리의 관측 각도에 따라 반사율과 칼라가 급격히 변하는 단점도 가지고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 써모크로믹층의 가시광 투과율을 향상시킴과 아울러, 원하는 수준으로 가시광 투과율을 조절할 수 있는 써모크로믹 유리 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 유리 기판; 및 상기 유리 기판에 형성되되, 상기 유리 기판의 적어도 한 영역을 노출시키도록 패터닝되어 있는 써모크로믹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리를 제공한다.

여기서, 상기 유리 기판의 적어도 한 영역은 메쉬(mesh) 또는 스트라이프(stripe) 형태로 노출될 수 있다.

또한, 상기 써모크로믹층은 이산화바나듐(VO₂)로 이루어질 수 있다.

그리고 가시광 투과율이 45 내지 85%일 수 있다.

아울러, 근적외선 투과율이 44 내지 74%일 수 있다.

한편, 본 발명은, 유리 기판의 표면 중 적어도 한 영역이 노출되도록 써모크로믹 재료를 증착시키는 단계; 및 증착된 상기 써모크로믹 재료를 건조시켜 상기 유리 기판 표면에 써모크로믹층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 써모크로믹 재료의 증착은 스퍼터링 공정을 통해 이루어질 수 있다.

이때, 상기 스퍼터링 공정에서는 바나듐(V)으로 이루어진 타겟을 사용하고, 공정가스로는 O₂와 Ar로 이루어진 혼합가스를 주입시켜 상기 유기 기판 표면에 이산화바나듐(VO₂)을 증착시킬 수 있다.

또한, 상기 써모크로믹 재료를 증착시키기 전, 상기 유리 기판 상에 상기 써모크로믹 재료를 패터닝(patterning)하기 위한 마스크(mask)를 배치할 수 있다.

이때, 상기 유리 기판 대비 상기 마스크의 면적 비율은 10 내지 90%일 수 있다.

아울러, 상기 유리 기판 상에 바(bar) 형태의 상기 마스크를 복수개 배치시켜, 상기 유리 기판 표면의 복수개 영역에 상기 써모크로믹 재료의 증착을 차단시킬 수 있다.

또한, 복수개의 상기 마스크는 메쉬 또는 스트라이프 형태로 상기 유리 기판 상에 배치될 수 있다.

그리고 상기 써모크로믹 재료의 증착 및 패터닝은 인-시츄(in-situ) 공정으로 진행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 써모크로믹층에 패턴을 부여하여 써모크로믹층이 형성되는 유리 기판 중 소정의 영역을 노출시킴으로써, 가시광 투과율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래와 같은 복잡한 다층막 코팅을 하지 않고서도 원하는 만큼 가시광 투과율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 써모크로믹층에 패턴을 부여하기 위해 진행하는 마스킹 공정 시 유리 기판의 노출 영역 즉, 마스크의 면적 비율을 조절함으로써, 제조되는 써모크로믹 유리의 가시광 투과율을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리 제조방법에서 스퍼터링 공정 중 인-시츄 마스킹 공정을 나타낸 공정도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리 제조방법을 나타낸 공정 개념도.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리 및 그 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 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리(100)는, 온도 또는 열에 따라 가시광 영역 또는 적외선 영역의 빛 투과도가 변하는 유리임과 아울러, 가시광 투과율을 향상시킬 뿐만 아니라 원하는 수준으로 가시광 투과율을 조절할 수 있는 유리로, 유리 기판(110) 및 써모크로믹층(120)을 포함하여 형성된다.

유리 기판(110)은 창 유리로 사용되는 판유리이다. 이때, 유리 기판(110)은 투명성, 평활성을 가지고 있으면 특별히 한정되지 않고, 재질, 두께, 치수, 형상 등은 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.

유리 기판(110)은 이 외에도 창유리로 사용하기 위한 투명한 재질의 기판이면 가능하다. 예를 들어, ITO(indium tin oxide) 유리, ITO 유리 상에 발색물질(NiO, Cr₂O₃, CoO)을 증착한 기판, 폴리에스테르(polyester), 폴리설폰(polysulfone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리아마이드(polyamide), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리메틸펜탄(polymethylpentane), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리비닐 염화물 등의 고분자 필름 또는 고분자 필름 상에 발색 물질을 증착한 기판 등을 사용할 수 있다. 이러한 유리 기판(110)은 써모크로믹층(120)의 증착을 용이하게 하기 위해, 표면처리될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 유리 기판(110)은 써모크로믹층(120)에 의해, 메쉬(mesh) 또는 스트라이프(stripe) 형상으로 적어도 한 영역이 노출될 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

써모크로믹층(120)은 유리 기판(110)에 형성된다. 이러한 써모크로믹층(120)은 특정 온도에서 금속-반도체 상전이(metal insulator transition) 현상이 일어나는 특징을 갖는다. 여기서, 특정 온도란, 상전이 온도를 의미한다. 즉, 주변 온도가 써모크로믹층(120)의 상전이 온도보다 높을 경우 써모크로믹층(20)은 적외선을 차단 또는 반사시킨다. 또한, 주변 온도가 써모크로믹층(120)의 상전이 온도보다 낮을 경우 써모크로믹층(120)은 적외선을 투과시킨다. 이러한 써모크로믹층(120)은 산화바나듐(V_xO_y)을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어, 바나듐과 산소의 양론비가 1:2인 이산화바나듐 V_xO_y(x:y=1:2), 산화바나늄 VO_x(x<2) 또는 오산환바나듐 V_xO_y(x:y=2:5)을 포함할 수 있다. 여기서, 산화바나듐 VO_x(x<2)을 포함하는 이유는 산화바나듐이 균질한 구조에서는 이산화바나듐 V_xO_y(x:y=1:2)으로 존재하고, 불균질한 구조에서는 상이 비교적 적게 산화되며, 경우에 따라서는 금속 원자 상태의 바나듐 원자를 그대로 수반하고 있을 수 있기 때문이다. 특히, 이산화바나듐(VO₂)의 경우 약 68℃의 상전이 온도를 가지는 것으로 알려져 있다. 즉, 이산화바나듐(VO₂)은 68℃ 보다 높은 온도에서는 금속적인 상태를 가져, 적외선을 차단 또는 반사시키고, 68℃ 보다 낮은 온도에서는 반도체적인 상태를 가져 적외선을 투과시킨다.

여기서, 이산화바나듐(VO₂)은 가시광 영역에서 흡수성을 갖기 때문에 가시광 투과율이 타 유리 제품들보다 현저히 낮고, 이로 인해, 채광성이나 개방감이 떨어져, 아파트나 일반 주택 등 주거용 건물에 사용되기에는 미흡한 점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 이산화바나듐(VO₂)으로 이루어지는 써모크로믹층(120)에 패턴을 부여하였다. 즉, 유리 가판(110)에 형성되는 써모크로믹층(120)은. 유리 기판(110)의 적어도 한 영역이 메쉬 또는 스트라이프 형태로 노출되도록 패터닝되어 있다. 이와 같이, 패터닝된 써모크로믹층(120)에 의해 유리 기판(110)의 소정 영역이 노출되면, 그 노출된 면적만큼 가시광 투과율이 높아지게 되는데, 구체적으로는 하기의 관계식을 통해 써모크로믹 유리(100)의 가시광 투과율을 산출할 수 있다.

써모크로믹 유리 단판의 전체 가시광 투과율

= 이산화바나듐 가시광 투과율(%)×이산화바나듐이 형성된 면적 비율(%)+유리 기판의 기사광 투과율(%)×유리 기판의 노출된 영역의 면적 비율(%)

상기의 관계식에 따라, 이산화바나듐(VO₂)의 가시광 투과율이 일정하다고 했을 때, 결국, 노출된 영역의 면적 비율(%)에 의해 전체 가시광 투과율이 결정될 수 있다. 그러므로, 가시광 투과율을 높이기 위해서는 유리 기판(110)의 노출된 영역의 면적 비율(%)이 증가되도록 써모크로믹층(120)을 패터닝하여 형성시키면 된다. 여기서, 패터닝된 써모크로믹층(120)은 마스킹(masking) 공정을 통해 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 하기의 써모크로믹 유리의 제조방법에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편, 써모크로믹 유리(100)의 가시광 투과율을 높이고자 써모크로믹층(120)의 면적 비율(%)을 줄이게 되면, 써모크로믹 유리(100)의 본연의 특성인 태양열선 차단 특성이 감소되므로, 써모크로믹 유리(100)의 사용처, 즉, 주거용 건물에 사용되는지 아니면, 상업용 건물에 사용되는지에 따라 최적의 면적 비율(%)을 산출하여 형성해야 함은 물론이다. 예를 들어, 주거용 건물에는 써모크로믹층(120)의 면적 비율(%)을 줄여, 기사광 투과율을 높이는 방향으로 최적화시키고, 상업용 건물에는 써모크로믹층(120)의 면적 비율(%)을 늘려, 태양열선 차단에 최적화시키는 방향으로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 유리 기판(110) 및 유리 기판(110)의 적어도 한 영역을 노출시키도록 패터닝되어 있는 써모크로믹층(120)을 포함하는 써모크로믹 유리(100)는 45 내지 85%의 가시광 투과율과 44 내지 74%의 근적외선 투과율을 나타낼 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리(100)는 종래와 같은 복잡한 다층막 코팅을 하지 않고서도 원하는 만큼 가시광 투과율을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리 제조방법에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 유리 제조방법은, 먼저, 유리 기판(110)을 준비한다. 이때, 유리 기판(110)으로는 창 유리로 사용되는 판유리를 사용할 수 있다. 그 다음, 이 유리 기판(110)의 표면 중 적어도 한 영역이 노출되도록 써모크로믹 재료를 증착시킨다. 여기서, 도시한 바와 같이, 써모크로믹 재료의 증착은 스퍼터링 공정을 통해 이루어질 수 있다. 이에 따라, 유리 기판(110)을 스퍼터링 챔버(10)에 장입시킨다. 이때, 써모크로믹 재료를 증착시키기 위한 스퍼터링 공정에서는 바나듐(V)으로 이루어진 스퍼터링 타겟을 사용하고, 공정가스로는 O₂와 Ar로 이루어진 혼합가스를 주입시켜 유리 기판(110) 표면에 써모크로믹 재료인 이산화바나듐(VO₂)을 증착시킨다.

여기서, 본 발명의 실시 예에서는 써모크로믹 재료 증착 시 이와 동시에 써모크로믹 재료를 패터닝(patterning)한다. 이는, 유리 기판(110)의 표면 중 소정 영역을 노출시키기 위함으로, 이러한 패터닝 공정을 위해 본 발명의 실시 예에서는 유리 기판(110) 상에 마스크(M)를 배치한다. 이때, 유리 기판(110) 대비 마스크(M)의 면적 비율은 10 내지 90% 범위로 제어할 수 있는데, 써모크로믹 유리(100)의 사용처에 따라 상기의 범위 내에서 조절할 수 있다.

또한, 유리 기판(110) 표면의 복수개 영역 즉, 노출되는 영역을 복수개 확보하기 위해, 복수개의 마스크(M)를 구비하여 유리 기판(110) 상에 배치하고, 이를 통해, 복수개의 마스크(M) 영역에 써모크로믹 재료의 증착을 차단시킬 수 있다. 이때, 복수개의 마스크(M)는 메쉬 또는 스트라이프 형태로 유리 기판(110) 상에 배치되어, 이를 통해, 도 3에 도시한 바와 같이, 유리 기판(110)의 노출 영역의 형상을 스트라이프 형태로 구현할 수 있다. 여기서, 도 3의 좌, 우측 화살표는 써모크로믹 재료의 증착 진행 방향을 나타낸다.

즉, 가시광 투과율을 높이기 위해서는 마스크(M)의 면적을 늘려주면 되고, 반대로, 가시광 투과율을 줄이기 위해서는 마스크(M)의 면적을 줄여 상대적으로 써모크로믹 재료의 증착 면적을 늘려주면 된다.

한편, 공정 안정성을 위해, 써모크로믹 재료의 증착과 이의 패터닝 공정은 인-시츄(in-situ) 공정으로 진행하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 유리 기판(110)의 표면 중 소정 영역을 노출시키도록 증착 및 패터닝된 써모크로믹 재료를 건조시키면, 유리 기판(110) 표면에 써모크로믹층(120)이 형성된 써모크로믹 유리(100)가 제조된다.

	마스크 면적 비율 b/(a+b)*100%	가시광 투과율 (380~780㎚)	근적외선 투과율 (850㎚)	VO2 면적 비율 (%)	용도
비교 예 1	0	40	41.0	100	상업용 건물
실시 예 1	10	45	44.6	90
실시 예 2	20	50	48.2	80	주거용 건물
실시 예 3	30	55	51.7	70
실시 예 4	40	60	55.3	60
실시 예 5	50	65	58.9	50
실시 예 6	60	70	62.5	40
실시 예 7	70	75	66.1	30
실시 예 8	80	80	69.6	20
실시 예 9	90	85	73.2	10
비교 예 2	100	90	76.8	0

한편, 상기 표 1은 써모크로믹 유리(100)의 마스크(M) 면적 비율에 따른 가시광 투과율과 근적외선 투과율 변화를 나타낸 표이다. 여기서, a는 VO₂의 폭이고, b는 마스크(M)의 폭이다. (도 3 참조)

상기 표 1은 직경 2인치의 순수 바나듐(V)을 스퍼터링 타겟으로 하여 제조한 써모크로믹 유리에 대한 가시광 투과율 및 근적외선 투과율 결과이다. 이때, 작업 압력은 5mtorr로 제어되었고, 공정가스로는 O₂와 Ar로 이루어진 혼합가스를 주입하였는데, 이때, O₂ 대비 Ar의 가스량은 0 내지 10%로 제어하였다.

먼저, 비교 예 1은 마스크(M)를 사용하지 않은 경우 즉, 써모크로믹층에 패턴을 형성하지 않은 경우로, 가시광 투과율이 가장 낮게 나타났다. 이와 같이, 낮은 가시광 투과율을 나타내는 비교 예 1에 따른 써모크로믹 유리를 주거용 건물의 창에 적용하기에는 적합하지 않다. 그리고 비교 예2는 유리 기판 대비 마스크(M) 면적이 100%로, 유리 기판에는 써모크로믹층의 증착이 차단되어 90%의 가시광 투과율을 나타낸다.

이에 반해, 실시 예1 내지 실시 예 9는 마스크(M)의 면적 비율을 10 내지 90%로 차례로 조절한 것으로, 마스크(M)의 면적 비율이 증가될수록 가시광 투과율 또한 증가됨을 확인할 수 있다. 특히, 주거용 창 적용을 위한 최소한의 가시광 투과율인 50% 이상의 가시광 투과율을 보이는 실시 예 3 내지 실시 예 9는 주거용 건물에 적합하고, 가시광 투과율이 45%인 실시 예 2는 상업용 건물에 적합하다. 아울러, 마스크(M)의 면적 비율이 증가될수록 근적외선 투과율도 증가됨을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 마스크(M)의 면적 비율을 조절하여, 써모크로믹 유리의 가시광 투과율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 목적 즉, 써모크로믹 유리의 사용처에 따라 원하는 수준으로 가시광 투과율을 조절할 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: 써모크로믹 유리 110: 유리 기판
120: 써모크로믹층 10: 스퍼터링 챔버
M: 마스크

Claims (13)

1. 유리 기판; 및
   상기 유리 기판에 형성되되, 상기 유리 기판의 적어도 한 영역을 노출시키도록 패터닝되어 있는 써모크로믹층;
   을 포함하되,
   주거용 건물 또는 상업용 건물의 창 유리로 적용되기 위한 가시광 투과율 45 내지 85%를 확보하기 위해, 상기 써모크로믹층의 면적 비율은 상기 유리 기판 면적 대비 10~90%인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유리 기판의 적어도 한 영역은 메쉬(mesh) 또는 스트라이프(stripe) 형태로 노출되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 써모크로믹층은 이산화바나듐(VO₂)로 이루어진 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   근적외선 투과율이 44 내지 74%인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 유리.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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