KR101303981B1

KR101303981B1 - 나노스케일의 와이어 그리드를 포함하는 저 방사율 윈도우 필름 및 코팅

Info

Publication number: KR101303981B1
Application number: KR1020107008336A
Authority: KR
Inventors: 윌 맥카씨; 폴 시스젝; 리처드 엠. 파워스
Original assignee: 라벤브릭 엘엘씨
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: HK1147127A1; US20090128893A1; CA2703010A1; JP2010539554A; JP5568013B2; EP2195689A4; CN101868738B; CN101868738A; US8908267B2; EP2195689A1; KR20100068449A; AU2008302125B2; WO2009039423A1; AU2008302125A1

Abstract

본 발명은, 소위 온실 가열(greenhouse heating)을 최대화하도록 설계된, 윈도우(101)를 위한 고 투명도, 저 방사율 필름 또는 코팅(102)에 관한 것이다. 이러한 효과는 그리드(102)가 장파장 적외선 (흑체) 방사선(105)에 대한 균일한 전도성 필름으로서 나타나도록 폭과 간격이 선택되는 전도성 그리드 및/또는 격자(102)의 사용을 통해 달성된다. 전도성 그리드 필름(102)은 흑체 복사(105)를 강하게 반사하며, 그리드(102)가 가시광 및 근적외선 광(104)에 고 투명성을 보이고, 따라서 그것을 투과시키게 된다.

Description

나노스케일의 와이어 그리드를 포함하는 저 방사율 윈도우 필름 및 코팅{LOW-EMISSIVITY WINDOW FILMS AND COATINGS INCORPORATING NANOSCALE WIRE GRIDS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 본 명세서에 전문이 참조로 포함되어 있는 발명의 명칭이 "나노스케일 와이어 그리드를 포함하는 저 방사율 윈도우 필름 및 코팅(Low-emissivity window films and coatings incorporating nanoscale wire grids)"인 2007년 9월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/994,370호의 35 U.S.C. § 119(e)에 준한 우선권의 이득을 주장한다.

발명의 분야

본 발명은 고 투명도(high-transparency), 저 방사율 윈도우 필름 또는 코팅에 관한 것이다. 본 기술은 특히, 건물, 차량 및 패시브(passive) 태양열 흡수체 내의 윈도우를 위한 에너지 절약 향상 용례를 갖지만, 이에만 전적으로 한정되지는 않는다.

이중창형 유리 윈도우(double-paned glass window)에서, 윈도우 중심을 통한 열 전달의 대략 60%는 전도나 대류가 아닌, 5 내지 20 마이크로미터 사이의 파장을 갖는 -실온 또는 거의 실온의 대상물에 의해 방출된 소위 흑체(blackbody) 방사선인- 장파장 적외선의 흡수 및 재방출에 의해 이루어진다. 이는 유리가 이들 파장의 방사 에너지를 강하게 흡수하고, 또한 80-90%의 방사율로 인해, 가열 시 이들 파장을 강하게 방출한다는 것에 기인하여 발생한다. 따라서, 비록, 유리가 장파 적외선에 대해 투명하지는 않지만, 흡수 및 재방출을 통해, 이는 일정 정도 투명성을 갖는 것처럼 거동한다.

통상적으로, 이 열 전달은 유리 표면 중 하나 이상에 저 방사율 코팅을 추가함으로써 감소된다. 예로서, 알루미늄, 은 또는 금의 얇은(<10 nm) 필름은 10% - 25% 정도의 방사율을 가지며, 이는 (a) 이 필름이 장파장 적외선에 대해 고 반사성이라는 것 및 (b) 필름이 가열되었을 때, 외부로 방사하는 대신, 그 열을 보유하는 경향이 있다는 것을 의미한다. 그러나, 이들 필름은 여전히 매우 투명하며, 즉, 이들은 많은 비율의 가시광 및 근적외선(NIR)을 감쇠시키지 않고 통과시킨다. 이는 윈도우 창유리 사이의 공간을 가로지른 방사성 열 전달을 급격히 감소시키며, 따라서, 여전히 윈도우로서 기능할 수 있게 하면서 이중창 구조의 유효 절연값을 증가시킨다.

"유전체 거울(dielectric mirror)"은 두 개의 재료들(예를 들어, 금속과 투명 세라믹 또는 폴리머) 사이의 유전 상수의 불일치가 최대화된 다층 구조이다. 이는 광학적 지수 불일치를 생성하고, 이 광학적 지수 불일치는 층들의 두께에 의해 결정되는 코너 주파수(corner frequency)(즉, 고 투명도와 높은 반사 사이의 컷오프)로, 파장의 넓은 대역에 걸쳐 매우 높은 반사율을 초래한다. 본질적으로, 유전체 거울은 반사방지(antireflection) 코팅의 정확한 반대이다. 1990년대 이래로, 장파장 "흑체" 적외선 방사선의 반사를 최대화하도록 유전체와 금속의 하나 이상의 교번적 층들로 이들을 조립시킴으로써 금속 필름의 저 방사율 특성을 향상시키는 것이 표준 관례가 되어 왔다. 이는 현저한 부분의 가시 방사선 및 태양 방사선을 투과시킴에도 불구하고, 구조체 내에서 2.5% 만큼 낮은 방사율을 가능하게 한다[예를 들어, 인터내셔널 글레이징 데이터베이스, 버전 15.1(International Glazing Database, version 15.1)에서 보고된 바와 같은 AFG 선벨트 로우-E 글래스(AFG Sunbelt Low-E glass)에 대하여 Tvis = 41.4% 및 Tsol = 21.5%].

보다 최근에, 열분해(pyrolytic) 세라믹 코팅도 저 방사율 윈도우 필터로서 사용되어 왔다[예로서, 2002년 1월 발행된 인터내셔널 글래스 리뷰(International Glass Review)의 존 디. 지젤(John D. Siegel)의 "MSVD 저 E '프리미엄 성능' 신화(The MSVD Low E 'Premium Performance' Myth)"에 설명된 바와 같이]. 이런 코팅은 화학 기상 증착(CVD) 공정에 의해 유리 상에 증착된 주석 산화물(SnO) 같은 반결정 금속 산화물이다. 이들은 금속 및 금속-유전체 코팅보다 높은 방사율을 갖는 경향이 있지만, 가시광 및 NIR 광자에 대해서는 투과성이 더 높다. 이는 이들에게 더 높은 태양열 이득 계수(SHGC)를 제공하여, 이들이 차가운, 맑은 날이 많은 기후의 지역에서 사용하기에 더 적합해지게 한다. 또한, 이들 코팅은 "연성" 금속 코팅 보다 더 강인하며, 따라서, 예로서, 그들이 브러시를 사용하지 않는 세척 프로세스를 필수로 하지 않기 때문에, 산업적 설정에서 취급하기가 더 용이하다. 비디오 디스플레이에 널리 사용되는 전도성 세라믹인 인듐 주석 산화물(ITO)도 특히, 광학계를 차갑게 유지하기 위해 설계된 "열 거울(heat mirror)"에서 저 방사율 코팅으로서 제한된 용도를 갖는다. 2000년 8월의 "투명 전도성 산화물, MRS 공보(Transparent Conducting Oxides, MRS Bulletin)"에서, 데이비드 에스. 지늘리(David S. Ginley) 및 클락 브라이트(Clark Bright)는 카드뮴 주석 산화물(Cd₂SnO₄), 아연 주석 산화물(ZnSnO₄), 마그네슘 인듐 산화물(MgIn₂O₄), 갈륨 인듐 산화물(GaInO₃), 아연 인듐 산화물(Zn₂In₂O₃), 구리 알루미늄 산화물(CuAlO₂), 및 알루미늄 실리콘 질화물(AlSiN)을 포함하는 다른 "저-E(low-E)" 세라믹 코팅을 개시한다.

불행히, 매우 투명한, 열분해 저-E 코팅에 대해서 조차도, 역시 가시광, 특히, NIR 파장에서 코팅 자체 내에서 광자의 일정 반사 및 흡수가 발생하며, 그래서, 코팅된 유리 창유리는 가시광에 대해 단지 80-90%의 투과율을 가지며, 태양광 전체 스펙트럼에 대해서는, 동일 두께의 저-아이론 유리(low-iron glass)가 90%까지, 표준 6 mm 투명 플로트 유리(clear float glass)가 77%인 데 반해, 50-65%의 투과율을 갖는다. 이는 창유리를 통한 태양열 이득을 감소시키며, 이는 태양 가열이 바람직한 더 차가운 기후의 영역에서 또는 그 주 목적이 태양광의 수집 및 저장인 패시브 태양광 장치들에서는 바람직하지 못할 수 있다.

분산형 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및 루게이트 필터(Rugate filter)를 포함하는 특정 광학 필터는 흑체 파장에서 작동하도록 설계될 수 있으며, 특정 제한된 범위 내에서 이상적 장파통과 필터(longpass filter)로서 거동하는 것으로 보여질 수 있다. 달리 말하면, 이들은 임계 파장을 초과한 방사 에너지를 반사하고, 이 파장 미만의 방사 에너지를 투과한다. 그러나, 이들 필터 모두는 사실 대역 반사기이며, 이는 이들이 제2 임계 파장 위에서는 다시 투과성이 된다는 것을 의미한다. 사실, 실세계 재료(real-world materials)의 실용적 한계는 일반적으로 이들 반사기의 대역폭을 수백 나노미터 이하로 제한하며, 이는 15,000 nm까지의 폭의 흑체 스펙트럼(~15,000-nm-wide blackbody spectrum)의 미소한 부분이다.

와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)는 수직 편광의 광을 통과시키면서, 하나의 편광의 광을 반사시킴으로써 이들을 통과하는 광의 50%를 약간 넘는 정도를 감쇠시킨다. 적외선 광을 흡수하는 대신 적외선 광을 반사하는 와이어 그리드 편광기는 1960년대 이래로, 예로서, 스리람(Sriram) 등에게 허여된 미국 특허 제4,512,638호에 개시되어 있다. 1990년대 및 2000년대의 나노스케일 리소그래피의 출현으로, 예로서, 퍼킨스(Perkins) 등에게 허여된 미국 특허 제6,122,103호에 설명된 바와 같이, 하이-엔드 광학계 및 레이저 기술과 함께 사용하기 위해 가시광 파장을 반사하는 광대역 와이어-그리드 편광기가 제조될 수 있게 되었다. 이런 장치는 수백 나노미터 이격되고 수십 나노미터 폭인 평행한 금속 와이어[비록, 그리드가 일반적으로 사용되는 용어이지만, 기술적으로는 "그리드"가 아닌 "격자(grating)"]를 필요로 한다. 이들 편광기의 한가지 장점은 이들이 장파장 적외선 뿐만 아니라, 심지어 마이크로파 및 라디오 파장에서도 반사/편광에 유효하다는 것이며, 그 이유는, 이들이 편광 가시광 이내에 있기 때문이다.

마이크로파 및 라디오 주파수(RF) 방사선에 대한 차폐부 또는 반사기로서 사용되는 다수의 전도성 메시(mesh), 그리드 및 천공판이 알려져 있다. 한가지 예는 마이크로파 오븐의 유리 또는 투명 플라스틱 문을 덮는 금속 스크린이다. 메시 내에 구멍이 오븐의 마그네트론에 의해 출력되는 5-12 cm 파장보다 상당히 작은 한, 메시는 이들 파장에 대해 균일한 전도성 필름 또는 판인 것처럼 거동하고, 따라서, 마이크로파 방사선을 반사한다. 그러나, 가시광은 메시 내의 구멍 보다 매우 작은 파장을 갖기 때문에, 이는 비전도성 재료 내의 관통 구멍인 것 처럼 구멍을 통과할 수 있다. 따라서, 유해한 마이크로파 방사선에 조작자를 노출시키지 않고, 오븐 내의 식품 조리를 볼 수 있다.

여기서 언급된 임의의 참조 문헌과 그에 대한 임의의 설명 또는 서술을 포함하는 명세서의 본 배경 기술 부분에 포함된 정보는 단지 기술적 참조용으로만 포함된 것이며, 본 발명의 범주를 속박하는 주제인 것으로 간주되지 않아야 한다.

본 기술은 장치, 구조물 또는 차량 내에서 태양열의 보유를 촉진하기 위해, 대략 250㎚ 내지 2500㎚로부터의 태양 스펙트럼에 대해 고 투과율을 유지하는 동시에, 실온 대상물에 의해 방출되는 장파장(흑체) 적외선에 대한 방사율을 낮춤으로써 창 유리 및 다른 투명하거나 반투명한 건축 재료의 유효 절연값(effective insulation value)을 증가시키는 것에 관한 것이다. 일 실시예에서, 장파장 적외선 광에 대한 윈도우의 방사율을 감소시키기 위한 장치는 전도성 재료의 필름이다. 이러한 필름은 가느다란 전도성 재료 요소 및 공극 영역(void area)의 배열로서 패턴으로 형성된다. 가느다란 전도성 재료 요소들은 전도성 재료가 장파장 적외선 광에 대해 고 반사성이 있고 가시광 및 근적외선 광에 대해 고 투과성이 있도록 일정 거리 이격된다.

다른 실시예에서, 가느다란 전도성 재료 요소는 고 투과율이고 저 방사율인(low-E) 윈도우 필름(window film)[이하, "그리드형 저-E 필름(gridded low-E film)"]을 생성하도록 설계되는 마이크로스케일 및 나노스케일 와이어 그리드, 격자 또는 코팅의 형태를 취할 수 있다. 그리드형 저-E 필름은 건물, 차량 및 패시브 태양열 장치가 방사할 수 있는 흑체 복사(blackbody radiation)의 양을 제한하면서 건물, 차량 및 패시브 태양열 장치가 취하는 태양 복사(solar radiation)를 최대화함으로써 건물, 차량 및 패시브 태양열 장치의 온도를 조절하는, 특정하지만 한정적이지는 않는 용도를 갖는다.

이러한 그리드형 저 방사율 필름 또는 코팅은 윈도우의 유효 절연값을 통상의 유리 또는 폴리머의 경우에 가능했던 것보다 상당히 크게 증가시킨다. 이는 현존하는 저-E 필름 및 코팅보다 태양 스펙트럼에 대해 더욱 투과성이 있다. 저 방사율 필름 또는 코팅은 건물, 차량 및 패시브 태양열 장치에서 태양열의 흡수 및 포획을 개선하며, 이는 춥고 맑은 기후에 특히 유용하다.

이러한 기술은 그리드형 저-E 필름 또는 코팅을 구비한 윈도우를 심미적 이유에 대하여 통상의 유리 또는 폴리머 윈도우와 광학적으로 더욱 유사하게 할 수 있다. 저-E 필름 또는 코팅은 어떠한 의미있는 방식으로도 기본 기능을 변경하지 않고, 두껍거나 얇은, 강하거나 약한, 강성이거나 가요성인, 또는 단일체이거나 개별 부품으로 이루어진 재료상에 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 특징, 세부 사항, 활용성 및 장점은 첨부된 도면에 추가로 도시되고 첨부된 청구항에 규정되는 본 발명의 다양한 실시예에 대한 후속하는 더욱 특정한 기술로부터 명확해질 것이다.

밀접하게 연관된 요소들은 도면 전체에서 동일한 요소 번호를 갖는다.
도 1은 표준 유리 또는 플라스틱 윈도우페인(windowpane)의 개략도이다.
도 2는 저-E 금속 메쉬로 덮인 유리 또는 플라스틱 윈도우페인의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 실온 흑체 복사 및 태양 복사의 세기 대 파장뿐만 아니라 다양한 주기성을 갖는 저-E 금속 그리드의 반사율 대 파장을 도시한 그래프이다.
도 4는 태양 복사의 세기 대 파장뿐만 아니라 다양한 주기성을 갖는 열분해 ITO 저-E 그리드의 반사율 대 파장을 도시한 그래프이다.
도 5는 실온 대상물에 의해 방출되는 흑체 복사의 세기 대 파장뿐만 아니라 다양한 주기성을 갖는 열분해 ITO 저-E 그리드의 반사율 대 파장을 도시한 그래프이다.
도 6은 극성이 반대인 2개의 저-E 와이어 격자가 윈도우의 대면하는 표면들 상에 배치된 이중창형 윈도우의 일 실시예의 분해도이다.

도 1은 일반적인 유리 또는 플라스틱 윈도우페인(101)의 개략도이다. 자외선 광자(103, ultraviolet photon)에 의해 타격되었을 때, 윈도우페인(101)은 자외선 광자를 흡수하는데, 이는 자외선 파장이 윈도우 재료의 투과 대역(transmission band) 밖에 있기 때문이다. 근자외선, 가시광 또는 근적외선(NIR) 광의 광자(104)에 의해 타격되었을 때, 윈도우페인(101)은 이러한 광자를 투과시키는데, 이는 이러한 파장들이 윈도우 재료의 투과 대역 내에 있기 때문이다. 장파장 적외선 (흑체) 광자에 의해 타격되었을 때, 윈도우페인(101)은 이러한 광자를 다시 흡수하는데, 이는 이러한 장파장이 윈도우 재료의 투과 대역 밖에 있기 때문이다. 하지만, 이러한 에너지를 흡수할 때, 윈도우페인은 국부적으로 가열되어, 스테판-볼츠만 법칙(Stephan-Boltzmann law)에 따라 윈도우페인의 자체 흑체 복사를 국부적으로 증가시킨다. 따라서, 흑체 광자는 도 1에 도시된 바와 같이, 시준(collimated) 방식 또는 확산(diffuse) 방식 중 하나로 윈도우페인을 "관통(pass through)"하는 것으로 보일 수 있다.

이러한 거동은 정상적이며 투명한 재료에 대해 예측되는 것이지만, 큰 온도 구배가 재료의 두께에 걸쳐(예컨대, 추운 날 따뜻한 집의 윈도우에 걸쳐) 존재하는 건물 재료에서는 바람직하지 못한데, 이는 방사성 수단(radiative means)에 의해 열이 건물로부터 빠져나갈 수 있게 하기 때문이다.

도 2는 와이어 메쉬, 격자 또는 그리드(102)가 표면에 추가된 것을 제외하면 동일한 윈도우페인의 개략적인 절결도이다. 와이어들 사이의 간극은 흑체 복사의 파장보다 상당히 작도록, 즉 5㎛ 내지 20㎛보다 작도록, 동시에 가시광의 대부분의 파장 또는 모든 파장보다 상당히 크도록, 즉 600㎚ 또는 0.6㎛보다 크도록 선택된다. 이러한 범위 내에서, 정확한 간극은 그리드의 투과 및 반사 특성에 큰 영향을 미칠 것이다. 하지만, 와이어의 폭은 상기 간극보다 훨씬 작도록 선택되어, 와이어에 의해 실질적으로 차단되는 윈도우페인의 표면의 부분이 최소화된다. 예컨대, 와이어들이 15㎚ 폭을 가지며 1500㎚ 이격된 경우, 표면의 대략 1%가 차단되고 99%가 차단되지 않는다. 이 경우, 와이어 그리드에 의한 표면의 기하학적 차단은 윈도우의 총 투과율에 큰 역할을 하지 않는다.

도 2에서는, 자외선 광자(103)가 흡수되고 NUV/VIS/NIR 광자는 이전의 도 1에서와 같이 투과된다. 하지만, 흑체 광자(105)에 대해서는 와이어 그리드(102)는 부드러운 전도성 판으로부터 구별될 수 없다. 따라서, 흑체 광자(105)는 반사된다. 이는 2가지 효과를 갖는다. 첫째로, 이는 윈도우페인의 이러한 표면이 다른 대상물에 의해 방출된 흑체 광자를 흡수하는 것을 방지한다. 둘째로, 이는 윈도우페인이 자신의 흑체 광자를 이러한 표면을 통해 방출하는 것을 방지한다는 것인데, 이는 이러한 광자가 윈도우페인 재료 내로 간단하게 다시 반사되고 재흡수되기 때문이다. 따라서, 와이어 그리드는 장파장 적외선에서 윈도우페인의 유효 방사율을 크게 낮춘다.

와이어가 평행하고 넓게 이격되는 한, 장파장을 반사하고 단파장을 투과하는 일정 기능을 수행하기 위해 와이어는 두께가 특정적으로 균일하거나 특정적으로 직선일 필요는 없다. 와이어의 위치 및 폭 모두는 방사율이 낮은 필름과 같이 그리드 성능에 큰 영향을 미치지 않으면서 수십 나노미터만큼 빗나갈 수 있다. 하지만, 와이어는 양호한 전도체가 될 수 있도록 충분한 폭과 충분한 높이를 가질 필요가 있다. 주위 조건(ambient condition) 하에서 쉽게 산화되고 그 산화물은 열악한 전도체인 전도체로 만들어진 10㎚보다 가느다란 와이어는 산화를 방지하기 위한 투명한 재료로 오버코드되지 않는다면 본 용도에 부적합할 수 있다. 코팅되지 않는 용도에 있어서, 은, 알루미늄 또는 금으로 된 그리고 와이어의 두께가 15㎚ 이상인 예시적인 금속 전도체가 양호한 기능을 하지만, 다른 재료 및 두께도 사용될 수 있다.

이러한 효과는 패러데이 상자(Faraday cage), 즉 밀리미터, 센티미터 또는 미터 스케일에서 반복되고 더 짧은 파장의 방사선이 방해받지 않고 통과될 수 있게 하면서 RF 방사선을 차단하는, 주기적인 구조를 갖는 메쉬 스크린과 유사하다. 또한, 이는 전자레인지 내에서 발견되는 마이크로파 차폐 스크린과 유사하다. 또한, 표면에 배치되는 전도성 와이어의 그리드 또는 격자와 선형 간극 또는 구멍의 어레이를 갖도록 패터닝되는 전도성 판 또는 필름 사이의 차이점은, 대체로 의미론적인 것으로(largely semantic) 그리드 또는 격자의 전기적 성능 또는 광학적 성능에 있어서의 차이를 만들지 않거나 거의 만들지 않는다. 따라서, 용어 그리드, 격자 및 패터닝된 필름은 본원에서 호환적으로 사용될 수 있다. 실행에 있어서의 이러한 잠재적 다양성에 비춰볼 때, 장파장 적외선 광에 대한 윈도우의 방사율을 감소시키는 장치는 가느다란 전도성 재료 요소 및 공극 영역의 배열로서 패턴으로 형성되는 전도성 재료의 필름으로서 일반화될 수 있다. 그리고 나서, 가느다란 전도성 재료 요소는 전도성 재료가 장파장 적외선 광에 대해 고 반사성이 있고 가시광 및 근적외선 광에 대해 고 투과성이 있도록 일정 거리로 이격되도록 배열 또는 배치된다.

선택적으로, 오버코트(overcoat)의 필름 두께가 오버코트 재료 내의 흑체 광자의 소광 거리보다 현저히 작다면, 그리드 또는 격자는 저방사율 윈도우 커버링으로서의 성능에 심각한 영향을 주는 일 없이 적외선-불투과성 재료와 같은 유전체의 층으로 오버코트될 수 있다. 다이아몬드와 같은, 즉 가시광, 근적외선 및 흑체 복사에 대해 투명성인 재료의 오버코트가 몇몇 응용예에서는 바람직할 수 있다. 그러나, 그러한 코팅은 와이어 그리드의 내구성을 증가시킬 수 있지만, 그리드형 저 방사율 표면으로서의 기능에는 불필요하다.

"와이어"는 임의의 저 방사율 재료의 스트립 또는 재료의 스택(stack)일 수 있으며, 이러한 목적을 위한 투명 전도성 산화물의 사용은 장파장(흑체) 적외선에 대한 반사성을 심각하게 훼손하는 일 없이 태양 복사에 대한 투과성을 최대화할 것이다. 그러한 투명 전도성 산화물은 유전체 거울을 형성하기 위해 단독으로 또는 교번 층의 형태로 사용될 수 있다. 금속-및-산화물 유전체 거울의 스트립이 또한 방사율을 향상시키기 위해 사용될 수 있지만, 산화물만의 스트립보다는 낮은 투과성을 제공할 것이다.

그리드 또는 격자 구조는 큰 표면을 미세 패터닝하는 임의의 수의 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 표면은 포토리소그래피, 전자 빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 또는 마이크로콘택트 프린팅에 의해 패터닝될 수 있다. 원하는 특징부 크기는 현행의 기술로 용이하게 달성 가능하며, 어려운 문제를 제기하지 않는다. 예를 들어, 비디오 디스플레이 산업에서는, 건축용 유리를 패터닝하기 위해 필요한 치수에 비해, 수 제곱 미터의 패터닝 면적을 위한 고수율 설비를 채용한다.

훨씬 더 투박한 방법도 또한 가능하다. 예를 들어, 현미경 비드(bead) 또는 기타 물체를 코팅의 증착 전에 유리 표면 상에 흩뿌리고, 그 후에 닦아낼 수 있다. 코팅은 표면에 스탠실되거나 또는 잉크 젯에 의해 도포될 수 있고, 표면은 솔-겔(sol-gel) 잉크 또는 블록 공중합체를 사용한 화학적 자체 조립을 통해 패터닝될 수 있다.

일 실시예에서, 표면 패터닝 및 저-E 코팅의 증착은, 본원에 참고로 인용되는 "Optical Characterization Of SnO2 thin Films, Prepared by Sol Gel Method, for "Honeycomb" Textured Silicon Solar Cells"(Manea, E.; Budianu, E.; Purica, M.; Podaru, C.; Popescu, A.; Cernica, I.; Babarada, F., International Semiconductor Conference, 2006, Volume 1, 2006년 9월 발행, 페이지 179-182)에 예시로서 개시된 바와 같이, 솔-겔 처리를 통한 단일 작업으로 수행될 수 있다. 그러한 처리의 의도는 윈도우 또는 기타 건물 재료를 위한 투명 그리드형 저 방사율 표면보다는 광기전(photovoltaics)을 위한 저 반사 표면을 형성하기 위한 것이다. 그러나, 본원에 개시된 바와 같이, 유리 또는 투명 폴리머 기판 상에 PbO, ITO 및 기타 그리드형 저-E 금속 산화물 재료의 허니콤(honeycomb) 구조를 형성하기 위해 동일한 처리가 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 패터닝을 위한 방법은 폴리스티렌-b-폴리(메틸 메타크릴레이트)(PS-b-PMMA)와 같은 자체 조직화(self-organizing) 다이블록(diblock) 공중합체로 유리의 표면을 코팅하는 것이다. 이 예시적인 처리에서는, 저-E 코팅이 먼저 유리 표면 상에 증착된다. 다음으로, 56/2/42의 예시적인 비율의 스티렌/벤조시클로부텐/메틸 메타크릴레이트(BCB/MMA) 랜덤 공중합체가 톨루엔에 0.3% 중량용액으로 용해되고, 저-E 표면 상에 8 내지 12나노미터의 깊이로 증착되고, 공중합체를 교차결합(crosslink)시키기 위해 30분 동안 250℃에서 베이킹 처리되고, 마지막으로 잔류 폴리머를 제거하기 위해 톨루엔에 5분 동안 적셔진다. 이 처리는 자체 조직화된 중합체 필름을 위한 앵커 포인트(anchor point)의 역할을 하는 분자 "브러시(brush)"를 생성한다.

다음으로, 대략 70%의 PS 및 30%의 PMMA를 함유하는 블록 공중합체가 톨루엔에 1% 용액으로 용해되고, 유리 표면에 대략 30nm의 깊이까지 증착되고, 진공 오븐 안에서 12시간 동안 160 내지 190℃로 베이킹 처리된다. 이들 조건 하에서, 공중합체 필름은 PS 매트릭스 내에 수직 배향된 PMMA 실린더의 규칙적인 허니콤 형상 어레이로 자체 조립된다. 필름의 PS 성분을 교차결합하고 PMMA 성분을 용해 가능하게 만들기 위해, 그 후 샘플이 25J/㎠보다 큰 총 도스(dose)를 위해 수은 UV 램프 아래에서 진공 상태로 경화된다. 그 후 샘플은 PMMA를 용해하기 위해 빙초산에 15분 동안 침지되어, PMMA가 점유하던 영역에 빈 원통형 기공(pore)을 남긴다. 그 후, 기공 아래의 공간의 저-E 층을 용해시키기 위해 부식액(etchant)이 가해진다.

부식액의 정확한 화학 성분 및 표면에 적용하는 시간은 저-E 표면의 조성 및 두께에 따라 달라진다. 일반적으로, 폴리머 마스크를 그대로 남겨둔 채로, 플루오르화수소(HF) 용액이 금속 산화물을 공격하는데 사용될 수 있고, 염화수소(HCl)와 같은 비-불소 함유 산이 금속을 공격하는데 사용될 수 있다. 그 후, 에칭 마스크(etch mask)가 아세톤으로 제거되고, 처리가 완료된다.

이제 유리 페인(pane)이 저 방사율 그리드로 코팅되며, 이것의 기공 크기 및 간격은 다음의 관계에 의해 정의되는 바와 같이 PS-b-PMMA 공중합체의 분자량의 함수이다:

P=(0.5556)*(W/100)^0.64, D=P/1.74

여기서, P는 기공 주기 또는 중심간 간격이고, W는 달톤(Dalton) 단위의 분자량이며, D는 기공 직경이다.

다른 실시예에서, 표면은 포토리소그래피를 사용하여 패터닝된다. 유리 리소그래픽 포토마스크가 표준 CAD 및 프린팅 기술을 사용하여 제작된다. DesignCAD LT가 포토마스크 설계를 위한 일반적인 툴이며, 이것의 출력은 포토 사이언스 코포레이션(Photo Sciences Corporation)에 의해 판매되는 것과 같은 자동화된 마스크 프린팅 서비스에 업로드될 수 있다. 마스크는 표면에 포커싱될 때 대략 0.9 내지 1.1마이크로미터의 주기로 이격된 대략 0.6 내지 0.8마이크로미터의 간극을 가진 정방형 그리드의 이미지를 포함한다. 이러한 크기에서, 그리드는 대략 0.3마이크로미터의 폭(250 내지 400나노미터의 파장을 방사하는 표준 수은 증기 UV 램프를 사용하여 용이하게 달성 가능한 특징부 크기)을 가진 직교하는 와이어들로 구성될 것이다. 더 작은 특징부 크기가 더 바람직하지만, 비용 및 필요 설비의 복잡함을 증가시키는 소파장(sub-wavelength) 간섭 기술 또는 극자외선(EUV) 반사 광학계를 필요로 할 수 있다.

표면은 잉크젯 프린터를 사용하여 Microchem KMPR 1000과 같은 신속 노광 UV 민감성 광경화 재료(fast-exposure, UV-sensitive photoresist material)로 대략 1마이크로미터의 깊이까지 코팅될 수 있고, 클린룸 조건하에 100℃에서 5분 동안 베이킹 처리된다. 현상된 레지스트(resist)의 특징부에 있어서 유리한 종횡비를 제공하는 경우를 제외하고는 정확한 깊이는 중요하지 않으며, 코팅은 또한 특별히 마이크로미터 스케일로 균일하거나 또는 편평할 필요가 없다. 저-E 코팅 자체가 일반적으로 1마이크로미터보다 훨씬 얇고, 일반적으로 0.2마이크로미터 정도이거나 그보다 작기 때문에, ±50 내지 90%의 높은 변동이 완벽히 수용 가능하며, 처리의 결과물을 현저히 악화시키지 않을 것이다.

다음으로, 코팅된 유리 또는 폴리머 시트는 연속 스캐닝 UV 포토리소그래피 시스템 내에 배치되고[예를 들어, 앤빅 코포레이션(Anvik Corporation)으로부터 입수 가능한 시스템들 중 하나이며, 시간당 대략 20제곱미터의 수율이 가능함], 포토마스크의 투사된 소형화된 이미지로 노광된다. 이 처리는 눈에 보이는 심(seam)을 남기지 않으며, 현재는 1㎛ 특징부 크기로 제한되지만 미래에는 더 작은 특징부가 사용 가능할 것이다. 연속 스캐닝 및 패터닝 처리는, 패터닝 설비 자체는 고정된 상태로 유지되면서 유리를 앞뒤로 이동시키는 것을 요구한다. 따라서 플로어 공간 요건은 대략 패터닝될 가장 큰 유리 페인의 길이 및 폭의 대략 2배에 3개의 측면 상의 대략 2미터 출입 복도를 더한 것이다. 3m×4m 유리를 패터닝하는 시스템의 경우에, 필요한 플로어(floor) 공간은 대략 10m×10m이다. 노광 파장은 일반적으로 365nm이고(그러나, 다른 UV 파장 및 심지어 X-선 파장까지도 기능을 수행할 것임), 1마이크로미터의 KMPR 1000을 위한 필요 도스는 대략 70J/㎠이다. 100℃에서 3분의 노광후 베이킹 처리가 권장되지만, 처리에 있어서 의무적인 것은 아니다.

다음으로, 샘플은 Microchem SU-8 또는 2.38% TMAH(0.26N) 수성 알칼리 현상액과 같은 현상 용액으로 120초 동안 헹굼된다. 이제 레지스트에 원하는 와이어 그리드의 형상으로 공간이 존재한다. 이제 저-E 코팅이 상술한 표준 증착 기술을 사용하여 레지스트에 있는 구멍을 통해 표면 위로 증착된다. 마지막으로, 나머지 레지스트가 아세톤 또는 MicroChem Remover PG(NMP)와 같은 "스트리퍼(stripper)" 용매를 사용하여 80℃의 배쓰(bath)에서 10분 동안 세척되거나 플라즈마 부식액으로 세척된다. 예를 들어, 반응성 이온 부식액이 다음의 설정으로 10초 이내에 스트리핑 작업을 수행할 수 있다: 100mTorr의 압력 및 10℃의 온도에서 80 sccm O2 및 8 sccm CF4에 의한 200W 파워. 레지스트 스트리핑이 완료되면, 이제 미세패터닝된 저-E 표면이 완성된다.

다른 예시적인 실시예에서는, 때때로 롤러식 나노임프린트 리소그래피(Roller-type Nanoimprint Lithography) 또는 RNIL로 언급되는 표준 오프셋 프린팅 기술을 사용하여 레지스트가 패터닝된다. 프린트 판 또는 금속으로 구성된 "쉼(shim)", 세라믹, 폴리머, 또는 모든 다른 견고한 물질(예를 들어, 니켈의 100 마이크로미터 두께 시트)이, 보통 필수적이지는 않으나 마이크로패터닝된 쿼츠 마스터(quartz master)로부터의 엠보싱에 의해, 일정 구멍 사이즈 및 형상으로(또는 임의의 다른 일정 패턴으로), 그 위에 마이크로스코픽 노브(microscopic knob)의 패턴을 가지도록 준비되며, 원통형 롤러 주위로 포장된다. 그리고 나서, 패터닝될 표면은 액상 레지스트 또는 마스크 재료[예를 들어, 아니솔(anisol)에서의 Microchem Nano PMMA 공중합체 1%)로 코팅되며, 본질적으로 프린팅 프레스와 유사한 장치를 사용하여, 레지스트를 건조 및 경화하기 위해 설계된 온도(예를 들어, 유리 전이 온도)로 가열된 롤러가 유리의 표면을 가로질러 표준 프린팅 공정에 따라 롤링된다. 그리고 나서, 패터닝된 표면은 베이킹 공정(예를 들어, 160℃에서 30분)을 통해 또는 자외선 경화 램프(예를 들어, 285nm의 수은 증기 램프)로의 노광을 통해, 주위 조건 하에서 어느 한 쪽을 충분히 건조 및 경화시킬 수 있게 된다. 그리고 나서, 저-E 코팅이 프린팅된 패턴을 통해(예를 들어, 스퍼터링 공정 또는 화학 기상 증착 공정을 통해) 증착되며, 패터닝된 레지스트는 전술한 바와 같이 스트립핑된다. 가요성 및 강성 표면 둘 모두를 패터닝하는 매우 유사한 공정이, 대한민국 경기도 소재의 킨텍스에서 2008년 4월 9일부터 11까지 있었던 스마트 제조 응용에 관한 국제 회의의 슈후아이 란(Shuhuai Lan), 이혜진, 니준(Jun Ni), 이수훈, 이문구에 의해 "롤러식 나노임프린트 리소그래피(RNIL) 공정에 관한 조사"에 설명되었다.

전술한 설명은 예시적인 목적만을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 가시적인 스펙트럼으로의 매우 높은 투명도를 갖는 마이크로패터닝된 그리드형 저-E 표면과 같이, 다른 패터닝 기술의 폭넓은 종류가 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 3은 다양한 간격의 저-E 와이어 그리드의 반사율 대 파장을 도시하고, 또한 태양광과 실온의 물체에서 방출되는 흑체 복사 둘 모두의 강도 대 파장을 도시한 그래프이다. 고 투명도를 갖고, 상업적으로 이용가능한 저-E 필름의 반사 스펙트럼이 비교를 위해 제공된다(출처 : 인터내셔널 글레이징 데이터베이스 버전 15.1). 선택된 범위 내의 모든 그리드는 태양에 의해 방출된 NIR 광 및 가시광에 고 투명성을 가지고, 흑체 복사에는 고 반사성을 띄며, 두 경우에 있어서, 그리드의 성능은 바람직하게는 모놀리식 저-방사율 필름과 비교하여, VIS 및 NIR 파장에 대해 더 훌륭한 투명도를 제공한다. 그리드형 저-방사율 윈도우 필름으로 사용 시 본 발명의 실시예를 고려하면, 이러한 모든 그리드 및 유도 구조물은 본질적으로 동일한 광학 특성을 갖는다.

또한, 도 3에서의 커브는 모든 파장에서 균일하게 반사하는 이상적인 금속의 와이어 그리드를 나타낸다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 알루미늄은 완전 금속에 양호하게 근사하므로, 알루미늄 와이어 그리드의 응답은 도 3에 그래핑된 응답과 매우 유사하다. 그러나, 구리 및 금과 같은 "불완전" 금속은 긴 파장의 적외선과 근적외선에서 고 반사도를 보이나, 가시적인 스펙트럼의 더 짧은 파장에서는 실질적으로 낮은 반사도(그리고 대응하는 에너지에서 전자로 더 낮은 전도성)를 보이는데, 이것이 금속들이 각각 노랑과 빨강색으로 보이는 이유이다. 이러한 금속은 저-E 와이어 그리드 또는 격자를 형성하는데 사용되는 경우, 가시적인 파장에서 반사 스펙드럼이 약화될 것이어서, 반사도 대 파장의 커브가 도 3에서의 커브와 비교하여 오른쪽으로 이동할 것이다.

이와 동시에, 이상적인 금속(예를 들어, 금은 녹색광에 대응하는 500nm 주변의 파장에서의 투과 피크를 보이는 반면, 이상적인 금속의 투과 스펙트럼은 피크를 보이지 않음)과 비교하여 가시적인 파장에서의 투과 스펙트럼이 증진된다. 결론적으로, 그리드 또는 격자는 일반적으로 태양 복사에 더욱 투명해진다. 그러나, 이러한 "불완전" 금속이 흑체 파장에서 고 반사성을 나타내기 때문에, 그리드가 유사한 저-방사율 특성을 보유한다. 산화 주석(SnO)과 같은 투명한 전도성 산화물에서, 이러한 물질은 가시광에 대체로 완전히 투명한 반면, 장파장의 적외선에는 고 반사성을 유지하므로 그래프는 훨씬 더 오른쪽으로 이동한다. 도 3은 600-나노미터 주파에서 550-nm 구멍으로 패터닝된 저-E 표면이, 동일 재료이지만 65% 적은 재료를 채용하고 태양 스펙트럼에 크게 개선된 투과율을 보이는 모놀리식 필름에 유사한 방사율을 나타낼 것임을 표시한다.

본 발명의 목적에서, 저-E 그리드가 절연 표면상의 전도성 라인의 증착에 의해, 고체 전도성 필름 내 구멍의 에칭에 의해 또는 몇몇 다른 방법에 의해 형성되는지 여부는 문제되지 않는다. 그리드 개구의 패킹(packing) 배열은 정사각이나 육각 대칭 또는 충분히 규정된 평균 사이즈와 간격을 갖는 개구의 의사난수(pseudo-random) 배치를 보일 수 있다. 또한, 다른 것에 대하여 크게 연장된 일 차원을 갖는 개구는 편광 효과를 가지는 경향이 크지만, 구멍의 형상은 정사각형, 원형, 삼각형, 불규칙 또는 장치의 기능을 현저하게 바꾸지 않는 임의의 다른 형상일 수 있다.

또한, 도 3의 그래프는, 와이어 그리드 편광기로도 알려진, 전도성 와이어의 평행 격자의 파장 대 반사도를 도시한다. 편광 효과 때문에, 이러한 구조는 근자외선에서부터 원적외선까지의 광범위 파장에 걸쳐 본질적으로 일정한--이 경우, 44% 근처-- 반사도를 유지한다는 흥미로운 특성을 갖는다. 유사하게도, 편광 특성 때문에, 격자는 모든 파장에 걸쳐 대략 40-50%의 방사율을 가지며, 이는 통상의 유리의 80-90%보다 현저하게 작은 것이다. 와이어 그리드 편광기는 일반적으로 광학에서 사용되며, 윈도우의 저-방사율 필름 및 다른 건축 재료로 사용되지는 않았다. 이와 같은 사용은 본 발명의 실시예로 여겨진다. 또한, 이전과 같이, 와이어가 투명한 유전성 재료층으로 오버코팅되면, 와이어 격자의 저-방사율 특성이 크게 보존되어, 이러한 층의 제공된 두께는 재료의 흑체 광자의 소광 거리보다 현저하게 작으며 재료는 다이아몬드와 같이 흑체 복사에도 투명하다는 것을 알아야 한다.

도 4는 태양 복사의 강도 대 파장뿐만 아니라, 다양한 주기를 갖는 열분해(pyrolytic) ITO 그리드의 반사도 대 파장을 도시한 그래프이다. 그래프가 명확히 도시하는 바와 같이, 그리드 구조는 모놀리식 ITO 필름과 비교하여, 가시광 및 근적외선 태양 복사 둘 모두에 실질적으로 더 투명하다.

도 5는 실온의 물체에 의해 방출되는 흑체 복사의 강도 대 파장뿐만 아니라, 다양한 주기를 갖는 열분해 ITO 그리드의 반사도 대 파장을 도시한 그래프이다. 그래프가 명확히 도시하는 바와 같이, 흑체 파장에서 적외선 광에 대한 반사도(1에서 방사율을 뺀 것과 대략 같음)는 그리드 사이즈가 증가함에 따라 기껏해야 적은 퍼센트로 변화한다. 따라서, 방사율 "패널티"는 투과율 이득보다 작으며, 이는 이러한 마이크로구조의 코팅이 윈도우 유리 내로 합체되는 경우, 지출된 달러나 소비된 가열의 BTU로 측정되는 바와 같이, 윈도우는 춥고 맑은 날씨에 더 나은 성능을 발휘할 것이다.

다른 열분해, 투명, 전도성, 저-방사율 코팅의 스펙트럼은 여기에 도시된 그래프로부터 상세하게 달라질 수 있으나, 본질적으로는 총 형태와 기능에서 동일할 것이며, 일반적인 성능 특성에서 유사할 것이다. 또한, 매우 투명한 저-E 코팅은 감온변색(thermochromic) 이나 열반사 윈도우 필터를 더 훌륭하게 해주며, SHGC의 조정으로부터 저-E 기능을 분리시켜서, 이용가능한 투과율의 범위를 이러한 감온변색 또는 열반사 필터로 늘린다는 것을 알아야 한다.

도 6은 두 개의 윈도우페인(401 및 401')이 그 대향 표면에서 와이어 그리드(402 및 402')로 덮여진, 본 발명의 다른 실시예의 분해도를 도시한다. 격자에 의해 방출된 흑체 복사는 본질적으로 편광되기 때문에, 대향하는 극성의 두 와이어 격자 편광기를 이중창형 윈도우의 두 개의 대향 표면상에 위치시키는 것이 가능하며, 이에 의해 하나의 편광기에 의해 방출된 광이 다른 것에 의해 강하게 반사되며, 그 반대도 또한 같다. 이는 윈도우의 효율적인 방사율을 제로에 매우 가깝게 하는 다른 방식이다. 그러나, 편광기가 가시광의 범위에서 편광되도록 설계되는 경우, 이러한 교차된 편광기는 매우 적은 광을 투과화는 고 반사성을 갖는 윈도우를 초래할 것이다.

통상의 건축상의 윈도우--예를 들어, 인간에 의해 물체와 경치가 보일 수 있는 고체의, 투명한, 비확산 벽 요소--에서와 같은 이러한 설계의 용도는, 도 3에 도시된 바와 같이, 가시광에 고도의 투과율을 가지면서, 흑체 복사를 편광(이에 따라 반사시킴)시키기 위해 와이어 격자의 간격이 조정되는 경우에 극대화된다.

이와 달리, 와이어 격자의 간격이, 가시광이 통과시 강하게 편광된 그런 것인 경우, 그 후 윈도우가 가시 스펙트럼에서 거의 완전하게 반사하는 것으로 보일 것이며, 그렇지 않을 경우, 선택적 감극제(406)가 두 개의 편광기들 사이의 어딘가에 위치된다. 감극제(406)의 목적은 설정된 양 만큼(보통 90도) 감극제를 통과하는 가시광 및 근적외선 광의 편광 벡터를 회전하게 하는 것이어서, 와이어 격자(401)로부터 방출된 편광된 가시광은 와이어 격자(401')에 의해 반사되기 보다 투과되며, 그 반대도 같다.

일 실시예에서, 예컨대, 파장 0.25 내지 2.5 마이크로미터 사이의 태양 스펙트럼 내의 광자의 극성을 회전시키도록 감극제(406)가 선택되지만, 5 내지 20 마이크로미터로부터의 흑체 광자의 극성 상에는 영향을 미치지 않는다. 이와 달리, 감극제 재료가 흑체 복사에 대해 불투과성인 경우, 흑체 광자를 흡수하여 재복사하는 경향이 있으며, 흑제 광자의 극성을 효과적으로 무작위화한다. 이러한 경우, 각각의 와이어 격자는 모든 극성으로 흑체 광자를 수용하며, 각각은 대략 55%까지 이러한 흑체 복사를 반사/감소시킴으로써, 전체 장치의 유효 방사율은 약 20%로서 보통 유리의 80% 내지 90% 방사율보다 훨씬 작다.

감극제(406)가 가시광, 근적외선 광 및 흑체 복사에 대해 동시에 투명성을 갖는 경우, 저 방사율 윈도우와 같은 이러한 장치의 활용이 최대화된다. 이는 감극제(406)가 흑체 광자의 소광 거리보다 얇거나 감극제의 부분이 흑체 광자의 소광 거리보다 두꺼운 경우 달성될 수 있으며, 감극제의 부분(예컨대, 구조적 또는 기질 재료)은 태양 스펙트럼과 흑체 스펙트럼 모두에서 광의 파장에 대해 투명성을 갖는 재료로부터 제조된다. 이러한 경우, 구조적으로 강하고 물에 용해되지 않으며 0.25 내지 30.0 마이크로미터 범위에서 투명성을 갖는 다이아몬드가 양호한 재료이다. 염화나트륨을 포함한 다른 재료는 유사 범위 이상에서 투명성을 갖지만 수증기에 용해되어 매우 완전한 건조(dessication) 및 캡슐화를 필요로 한다. 다른 경우에, 흑체 투명성 감극제는 흑체 광자를 감극시키지도 않고 흡수/재복사하지도 않으며, 일단 다시, 일 와이어 격자에 의해 방출된 흑체 복사는 다른 것에 의해 거의 완전히 반사됨으로써, 전체 장치의 유효 방사율은 5% 미만인 반면, 가시광 및 근적외선 광에 대한 투과율은 (와이어 간격에 따라) 윈도우 재료 자체의 투과율과 거의 동일할 수 있다.

트위스트형 네마틱 액정 셀(twisted nematic liquid crystal cell)은 감극제로서 흔히 사용되며, 그들의 편광 특성이 스위치 온 및 스위치 오프 될 수 있는 장점을 가진다. 와이어 그리드 감극제 및 본 명세서에 개시된 다른 와이어 격자는 네마틱 및 트위스트형 네마틱 액정 셀을 위한 효과적인 정렬 층을 만듦으로써, 작동 저-E 윈도우 장치에 필요한 구성요소의 총 개수를 감소시킨다. 정렬 층으로서의 와이어 그리드 및 격자의 사용은 본 발명의 실시예에서 고려된다. 따라서, 감극제로서의 와이어 격자, 정렬 층 및 저 방사율 표면 모두를 동시에 사용하는 것이 가능하다. 다른 모든 측면에서, 액정 셀 및 다른 감극제의 설계, 제조 및 사용이 공지되어 있다.

본 명세서에서 여러 예시적 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정 구성에만 제한되지 않음을 알아야 한다. 반사방지 코팅 또는 필름과 같은 선택적 구성요소는 특정 적용 또는 특정 제조 방법의 필요성에 부합하도록 추가되거나 이동될 수 있으며, 몇몇 실시예의 품질저하된 형태가 특정 구성요소를 제거, 결합 또는 대체함으로써 생산될 수 있다. 예컨대, 와이어 그리드는 나노스케일 금속 로드, 링, 정사각형 또는 다른 형상의 의사난수 산란(pseudo-random scattering)으로 교체될 수 있다. 이러한 배열은 덜 효과적이지만 잠재적으로 제조하는 데 훨씬 싸다.

본 발명의 다양한 실시예의 재료 및 구조가 강성일 수 있지만, 본 명세서에서 설명한 기능을 수행하는 저 E-필름을 위한 강성에 대한 요건은 없다. 또한, 본 발명의 실시예에서 다양한 구성요소가 부착되거나 직접적으로 물리적인 접촉이 되는 것으로 도시되고 설명되는 반면, 구성요소가 단순히 근접하지만 물리적으로 분리되어 있는 경우에는 본 발명의 다른 실시예가 또한 작용할 것이다. 따라서, 그리드형 저-E 필름은 고형 물체[예컨대, 윈도우, 유리 블록, 스팬드럴(spandrel) 또는 이동식 패널] 또는 고형 물체 그룹(예컨대, 필터 스테이지 광 또는 광학 작업대에 고정된 구성요소 세트)으로서 구체화될 수 있는 반면, 예컨대, 유리 윈도우, 스팬드럴, 유리 블록 및 다른 빌딩 재료의 표면에 적용될 수 있는 텐트(tent) 재료, 담요, 커튼 또는 아플리케 필름과 같은 가요성 물체로서 구체화될 수도 있다.

금속, 세라믹, 유리, 나노구조 및 마이크로구조 광자 재료 및 심지어는 얼음, 액체 및 증기를 포함하는 매우 다양한 대안적 재료가 그리드형 저 E 윈도우 장치를 제조하는데 사용될 수 있다. 장치는 에어 간극, 진공 간극, 발포체, 비드, 섬유 패드 또는 에어로겔을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 단열 특성을 강화시키도록 설계된 특징부를 포함할 수 있다. 차량 또는 빌딩 벽의 구조적 구성요소로서 작용하기에 충분히 두껍고 강성일 수 있다. 복합 표면 주위에 랩핑되거나 복합 표면 상에 형성될 수 있다. 심미적으로 색상이 보강될 수 있거나 더욱 전형적인 빌딩 재료를 닮도록 위장될 수도 있다.

다양한 층의 정확한 배치가 본 명세서에서 도시된 것보다 다양할 수 있으며, 선택된 재료와 파장에 따라, 다양한 층들이 본 발명의 필수 구조와 기능을 변화시키지 않고, 단일 층, 물체, 장치 또는 재료로서 결합될 수 있다. 상기 설명이 많은 특성을 포함하지만, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해하기 보다는 특정 예시적 실시예의 설명을 단순히 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 다양한 재료와 다양한 구성으로 장치를 제작하는 다양한 가능성이 존재한다.

또한, 장치는, 반사적 또는 흡수적이건 간에, 서로 및 본래의 두 편광기에 대한 일정 각도에서 평행하던지 회전하던지 간에, 장치 내에서 다양한 위치에서 다양한 파장의 광의 편광 상태를 변경시키기 위하여, 하나 이상의 추가적인 편광기를 포함할 수 있다. 또한, 다양한 라인 간격의 다중 와이어 그리드는 장치 내의 다양한 위치에서의 특정 파장에 대한 정확한 반사율, 투과율 및 명백한 방사율을 조정하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 액정 감극제는 구성요소 분자를 재배향하는 전기장, 텍스처 표면, 내부 가이드 와이어 또는 다른 수단을 구비하거가 구비하지 않은, 네마틱, 트위스트형 네마틱, 스멕틱(smectic), 고형/결정형 및 다른 물리적/분자적 상태의 매우 다양한 조합을 사용할 수 있다. 렌즈, 프리즘 필름의 사용 또는 반사성 구성요소의 비평행 배향을 통해, 장치로부터의 반사는 임의의 방향으로 보내질 수 있으며, 또는 빌딩과 차량과 같은 큰 거울형 표면 근처에서 때때로 발생하는 블라인드 "제2 태양" 효과(blinding "second sun" effect)를 제한하도록 확산될 수 있다. 이러한 실시예는 본 발명의 일부로 간주된다.

본 발명의 작동의 주요 원리에 영향을 끼치지 않는 다수의 다른 변경예가 존재한다. 예컨대, 임의의 또는 모든 층이 다중층 폴리머 광학 필름 및 일반 광자 결정을 포함하지만 이에 제한되지는 않는, 도핑된, 나노구조의, 또는 마이크로구조의 재료로 구성될 수 있다. 분산형 브래그 반사기(DBR) 또는 루게이트 필터와 같은 하나 이상의 대역 반사기는 특정 파장에서 장치의 반사율 또는 투과율을 조정하기 위해 추가될 수 있다. 반사적이던지 흡수적이던지 간에, 임의의 종류의 색상 필터가 심미적 이유로 추가될 수 있다. 하나 이상의 층은 비평면 형상(예컨대, 포물선)일 수 있으며, 또는 다른 형상의 반사기 또는 유사 장치가 윈도우를 위한 저 방사율 강화로서 장치의 기본 특성을 변화시키지 않고 다양한 각도로부터 유입되는 광을 집결시키거나 편향시키는 것을 돕도록 포함될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예가 어느 정도의 특정성을 가지고, 하나 이상의 개별 실시예를 참고로 하여 상기에서 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 개시된 실시예에 대해 다수의 변경을 할 수 있다. 상기 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 대상은 제한하는 것이 아니라 특정 실시예를 단지 설명하는 것으로 해석되어야 한다. 모든 방향적 언급, 예컨대, 근접한, 말단의, 상부, 하부, 내부, 외부, 상향, 하향, 좌측, 우측, 측방향, 전방, 후방, 최상부, 바닥부, 위에, 아래에, 수직, 수평, 시계방향 및 반시계방향은 단지 본 발명의 독자의 이해를 돕기 위한 분별 목적을 위해 사용되었고, 본 발명의 위치, 배향 또는 사용에 관해 특별한 제한을 한 것은 아니다. 예컨대, 부착된, 결합된, 연결된 및 접합된의 연결성 언급은 광범위하게 이해될 것이며, 다른 표현이 없는 경우, 요소들의 집합체 사이의 중간 부재 및 요소들 사이의 관련 이동성을 포함할 수 있다. 따라서, 연결성 언급은 두 요소가 직접 연결되어 서로 고정된 관계에 있음을 반드시 나타내지는 않는다. 세목 또는 구조의 변화는 후술되는 청구항에서 정의되는 바와 같이 본 발명의 기본 요소로부터 벗어나지 않게 이루어진다.

Claims

가느다란 전도성 재료 요소들과 공극 영역의 배열로서 패턴으로 형성된 전도성 재료의 필름을 포함하는, 장파장 적외선 광에 대한 윈도우의 방사율을 감소시키는 장치이며,
가느다란 전도성 재료 요소들은 전도성 재료가 장파장 적외선 광에 대해 60% 보다 높은 반사성이 있고 가시광 및 근적외선 광에 대해 80% 보다 높은 투과성이 있도록 일정 거리로 이격되는
윈도우 방사율 감소 장치.
제1항에 있어서,
패턴은 그리드 또는 격자를 포함하는
윈도우 방사율 감소 장치.
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제2항에 있어서,
패턴은 편광기로서 또는 액정 정렬 층으로서 작용하도록 또한 구성되는 격자를 포함하는
윈도우 방사율 감소 장치.
삭제
제1항에 있어서,
필름은 윈도우 내의 창유리(pane of glass)의 표면상의 코팅을 포함하는
윈도우 방사율 감소 장치.
제1항에 있어서,
가느다란 전도성 재료 요소들은
a) 폭이 1나노미터 이상이거나,
b) 그들 사이의 거리는 20마이크로미터보다 작고 0.1마이크로미터보다 크거나,
c) 금속 또는 금속 산화물 와이어 메쉬를 포함하거나,
d) 의사난수 산란 와이어 세그먼트를 포함하거나,
e) 산화물을 전도시키는 스트립을 포함하고, 패턴은 유전체 거울을 형성하도록 교번 층들 내의 스트립의 배열을 포함하거나,
f) 그들 사이의 거리는 비균일한
윈도우 방사율 감소 장치.
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제1항에 있어서,
전도성 재료를 오버코팅하는 유전체 재료의 얇은 층을 더 포함하고,
유전체 재료의 얇은 층은 가시광, 적외선 및 장파장 적외선 (흑체) 방사선 각각에 투명하거나,
유전체 재료의 얇은 층을 포함하는 유전체 재료는 장파장 적외선 (흑체) 방사선에 불투명하고, 얇은 층의 두께는 유전체 재료에서의 장파장 적외선 (흑체) 방사선의 소광 거리보다 작은
윈도우 방사율 감소 장치.
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제2항에 있어서,
패턴은 격자를 포함하고,
상기 장치는 전도성 재료의 제2 필름을 더 포함하고,
제2 필름의 패턴은 제2 격자를 포함하고,
두 개의 격자들은 직각으로 정렬되는
윈도우 방사율 감소 장치.
제15항에 있어서,
전도성 재료의 두 개의 필름들 사이에 위치설정된 감극제를 더 포함하고,
두 개의 격자들은 가시광, 근적외선 및 장파장 적외선 (흑체) 방사선을 편광하고,
감극제는 장파장 적외선 (흑체) 방사선의 편광에 영향을 주지 않으면서 가시광 및 근적외선 방사선의 편광 벡터를 회전시키는
윈도우 방사율 감소 장치.
저 방사율 윈도우이며,
창유리와,
창유리 상에 형성된, 제1항, 제2항, 제4항, 제6항, 제7항, 제13항, 제15항, 또는 제16항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는
저 방사율 윈도우.
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저 방사율 윈도우이며,
창유리와,
창유리 상에 지지된 나노스케일 전도성 와이어들의 그리드 또는 격자를 포함하며,
나노스케일 전도성 와이어들은 그리드가 장파장 적외선 광에 대해 60% 보다 높은 반사성이 있고 가시광 및 근적외선 광에 대해 80% 보다 높은 투과성이 있도록 일정 거리로 이격되는
저 방사율 윈도우.
제33항에 있어서,
나노스케일 전도성 와이어들을 오버코팅하는 유전체 재료의 얇은 층을 더 포함하고,
유전체 재료의 얇은 층을 포함하는 유전체 재료는 장파장 적외선 (흑체) 방사선에 불투명하고,
얇은 층의 두께는 유전체 재료에서 장파장 적외선 (흑체) 방사선의 소광 거리보다 작은
저 방사율 윈도우.