KR101972364B1

KR101972364B1 - 저방사 코팅 및 저방사 코팅을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재

Info

Publication number: KR101972364B1
Application number: KR1020160116340A
Authority: KR
Inventors: 유현우; 전윤기; 권대훈; 박성진; 최영우
Original assignee: (주)엘지하우시스
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: WO2018048038A1; JP6940597B2; KR20180028700A; US11046610B2; EP3511506A4; JP2019530591A; EP3511506A1; US20190352224A1

Abstract

순차적으로, 제1 하부 유전체층, 배리어층, 제2 하부 유전체층, 저방사 보호층, 저방사층, 저방사보호층 및 상부 유전체층을 포함하는 저방사 코팅 및 이를 포함하는 창호용 기능성 건축 자재를 제공한다.

Description

저방사 코팅 및 저방사 코팅을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재 {LOW-EMISSIVITY COAT AND FUNCTIONAL BUILDING MATERIAL INCLUDING LOW-EMISSIVITY COAT FOR WINDOWS}

저방사 코팅 및 저방사 코팅을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재에 관한 것이다.

저방사 유리(Low-Emissivity glass)는 은(Ag)과 같이 적외선 영역에서의 반사율이 높은 금속을 포함하는 저방사층이 박막으로 증착된 유리를 말한다. 이러한 저방사 유리는 적외선 영역의 복사선을 반사시켜 여름에는 실외의 태양 복사열을 차단하고 겨울에는 실내의 난방 복사열을 보존함으로써 건축물의 에너지 절감 효과를 가져오는 기능성 소재이다.

일반적으로 저방사층으로 사용되는 은(Ag)은 공기 중에 노출되었을 때 산화가 되므로, 상기 저방사층의 상부, 하부에 산화방지막으로 유전체층이 증착된다. 이러한 유전체층은 가시광 투과율을 증가시키는 역할도 한다.

본 발명의 일 구현예는 내열성, 내습성 및 내마모성을 향상시킴으로써 우수한 내구성을 구현하는 저방사 코팅을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예는 상기 저방사 코팅을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재를 제공한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 구현예에서, 순차적으로, 제1 하부 유전체층, 배리어층, 제2 하부 유전체층, 저방사 보호층, 저방사층, 저방사보호층 및 상부 유전체층을 포함하는 저방사 코팅을 제공한다.

구체적으로, 상기 저방사 코팅은 상기 제1 하부 유전체층, 상기 배리어층 및 상기 제2 하부유전체층이 순차적으로 적층된 적층 구조를 포함할 수 있다.

상기 저방사 코팅이 하부 유전체층 사이에 배리어층을 포함함으로써 예를 들어, 유리와 같은 투명 기판 등에 코팅된 이후 필수적으로 거쳐야 하는 고온의 강화 공정에 의한 알칼리 이온 및 산소의 이동, 확산 및 그에 따른 저방사층에 포함된 물질들의 이동, 확산을 효과적으로 방지할 수 있고, 그에 따라, 상기 저방사 코팅은 장기간 우수한 내열성, 내습성 및 내마모성을 구현할 수 있다.

상기 저방사 코팅은 상기 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층을 포함할 수 있고, 상기 하부 유전체층은 제1 하부 유전체층 및 제2 하부 유전체층으로 구분될 수 있다.

상기 제1 하부 유전체층 및 상기 제2 하부 유전체층 각각은 두께가 약 5㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다.

상기 제1 하부 유전체층, 상기 제2 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층 각각은 광 소멸 계수가 0에 가까운 물질로 구성될 수 있다.

상기 상부 유전체층의 상부에 최상부 보호층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 투명 기판; 및 상기 투명 기판의 적어도 일면에 코팅된 상기 저방사 코팅;을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재를 제공한다.

하부 유전체층 사이에 배리어층을 포함하는 상기 저방사 코팅을 포함함으로써 장기간 우수한 내열성, 내습성 및 내마모성을 구현할 수 있다.

상기 저방사 코팅 및 상기 창호용 기능성 건축 자재는 내열성, 내습성 및 내마모성을 향상시킴으로써 우수한 내구성을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저방사 코팅의 개략적인 단면도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에서 제조된 저방사 코팅을 포함하는 각각의 창호용 기능성 건축 자재에 대하여 내열성 평가를 수행한 후 특정 조건 하에서 이의 저방사 코팅 표면을 촬영한 광학 현미경 이미지이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 제조된 저방사 코팅을 포함하는 각각의 창호용 기능성 건축 자재에 대하여 내마모성 평가를 수행하기 전후 특정 조건 하에서 이의 저방사 코팅 표면을 촬영한 광학 현미경 이미지이다.

본 명세서에서, 소정의 구현예 또는/및 이에 포함된 소정의 구성 요소가 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미할 수 있다.

본 명세서에서, 기재의 상부 (또는 하부) 또는 기재의 상 (또는 하)에 임의의 구성이 형성되거나 위치한다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되거나 위치하는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어로서 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 하기에 기재된 구현예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하고, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

상기 저방사 코팅은 태양 복사선 중 선택적으로 원적외선을 반사하는 저방사층을 기반으로 하는 다층 박막 구조로 형성될 수 있고, 방사율을 낮추어 상기 저방사 코팅에 저방사율 즉, 로이 (Low-e: low emissivity) 효과에 의한 우수한 단열 성능을 부여한다.

상기 저방사 코팅은 상기와 같은 구조로 형성되어, 예를 들어 창문 유리의 코팅막으로 적용시, 여름에는 실외의 태양 복사열을 반사시키고 겨울에는 실내의 난방 복사열을 보존함으로써 실내외간 열의 이동을 최소화하여, 건축물의 에너지 절감 효과를 가져오는 기능성 소재이다.

방사율(Emissivity)이란 물체가 임의의 특정 파장을 갖는 에너지를 흡수, 투과 및 반사하는 비율을 의미하는 것이다. 즉, 본 명세서에서 방사율은 적외선 파장 영역에 있는 적외선 에너지의 흡수 정도를 나타내는 것으로서, 구체적으로는 강한 열 작용을 나타내는 약 5㎛ 내지 약 50㎛의 파장영역에 해당하는 원적외선이 인가되었을 때, 인가되는 적외선 에너지에 대하여 흡수되는 적외선 에너지의 비율을 의미한다.

키르히호프의 법칙에 의하면, 물체에 흡수된 적외선 에너지는 물체가 다시 방사하는 적외선 에너지와 동일하므로, 물체의 흡수율과 방사율은 동일하다.

또한, 흡수되지 않은 적외선 에너지는 물체의 표면에서 반사되므로 물체의 적외선 에너지에 대한 반사율이 높을수록 방사율은 낮은 값을 갖는다. 이를 수치적으로 나타내면, (방사율 = 1 - 적외선 반사율)의 관계를 갖는다.

이와 같은 방사율은 이 분야에서 통상적으로 알려진 다양한 방법을 통하여 측정될 수 있고, 예를 들어 KSL2514 규격에 의해 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 등의 설비로 측정할 수 있다.

임의의 물체, 예를 들어, 저방사 유리 등의 이와 같은 강한 열 작용을 나타내는 원적외선에 대한 흡수율, 즉 방사율이 단열 성능을 측정하는데 있어서, 매우 중요한 의미를 나타낼 수 있다.

상기 저방사 코팅은 예를 들어, 유리 등과 같은 투명한 기판에 코팅막으로 사용되어, 가시광선 영역에서는 소정의 투과 특성을 유지시켜 우수한 채광성을 구현할 수 있으면서, 적외선 영역에서는 방사율을 낮추어 우수한 단열 효과를 제공할 수 있는 에너지 절약형 창호용 기능성 건축 자재로 사용될 수 있다.

통상 창문 유리 등의 창호용 기능성 건축 자재는 내충격 강도 및 내열 강도를 향상시키기 위해 약 700℃ 이상의 고온 조건에서 수행되는 강화 공정(tempering process) 등을 필연적으로 거치게 되는데, 이러한 강화 공정 중에 유리 내부에 존재하는 나트륨 이온(Na⁺) 등의 알칼리 이온 및 산소가 저방사 코팅막으로 확산된다. 이와 같이, 알칼리 이온이 물리적 또는 화학적으로 확산됨에 따라 저방사 코팅막이 쉽게 손상되는 문제가 있다.

이에, 본 발명의 일 구현예에서는, 상기 저방사 코팅이 하부 유전체층 사이에 배리어층을 포함함으로써 예를 들어, 유리와 같은 투명 기판 등에 코팅된 이후 필수적으로 거쳐야 하는 고온의 강화 공정에 의한 알칼리 이온 및 산소의 이동, 확산 및 그에 따른 저방사층에 포함된 물질들의 이동, 확산을 효과적으로 방지할 수 있고, 그에 따라, 상기 저방사 코팅은 장기간 우수한 내열성, 내습성 및 내마모성을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저방사 코팅의 단면을 개략적으로 나타낸다. 상기 저방사 코팅은 순차적으로, 제1 하부 유전체층, 배리어층, 제2 하부 유전체층, 저방사 보호층, 저방사층, 저방사보호층 및 상부 유전체층을 포함한다.

상기 저방사층은 낮은 방사율을 가질 수 있는 전기 전도성 재료, 예를 들어 금속으로 형성된 층으로, 즉, 낮은 면저항을 가지고 그에 따라 낮은 방사율을 갖는다.

예를 들어, 상기 저방사층은 방사율이 약 0.01 내지 약 0.3일 수 있고, 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.2일 수 있고, 보다 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.1일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 약 0.01 내지 약 0.08일 수 있다.

상기 방사율 범위의 저방사층은 가시광선 투과율 및 적외선 방사율을 적절히 조절하여 우수한 채광성 및 단열 효과를 동시에 구현할 수 있다. 상기와 같은 방사율을 갖는 상기 저방사층은 박막으로 구성한 재료의 면 저항이 예를 들어, 약 0.78 Ω/sq 내지 약 6.42 Ω/sq일 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 저방사층은 태양 복사선을 선택적으로 투과 및 반사시키는 기능을 수행하고, 구체적으로 적외선 영역의 복사선에 대한 반사율이 높아 저방사율을 갖는다.

상기 저방사층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, 이온 도핑 금속 산화물 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 제한되는 것이 아니며, 저방사 성능을 구현할 수 있는 것으로 공지된 금속이 제한없이 사용될 수 있다. 상기 이온 도핑 금속 산화물은 예를 들어, 인듐주석산화물(ITO), 불소 도핑된 주석산화물(FTO), Al 도핑된 아연산화물(AZO), 갈륨아연산화물(GZO) 등을 포함한다.

일 구현예에서, 상기 저방사층은 은(Ag)으로 형성된 층일 수 있고, 그에 따라 상기 저방사 코팅은 높은 전기전도도, 가시광선 영역에서의 낮은 흡수율, 내구성 등을 구현할 수 있다.

상기 저방사층의 두께는, 예를 들어, 약 5nm 내지 약 25nm일 수 있다. 상기 범위의 두께를 갖는 저방사층은 낮은 적외선 방사율 및 높은 가시광선 투과율을 동시에 구현하기에 적합하다.

일 구현예에서, 상기 저방사 보호층은 가시광선 영역에서의 소멸 계수(extinction coefficient)가 약 1.5 내지 약 3.5일 수 있다. 상기 소멸 계수는 소재의 물질 고유의 특성인 광학 상수에서 도출되는 값으로서, 상기 광학 상수는 수식으로는 n-ik로 표기된다. 이때 실수 부분은 n은 굴절률이고, 허수 부분인 k는 소멸 계수 (흡수 계수, 흡광 계수, 소광 계수 등으로도 명명됨)라고 한다. 소멸 계수는 파장(λ)의 함수이며, 금속의 경우 소멸 계수가 0보다 큰 것이 일반적이다. 소멸 계수, k는 흡수 계수, α와 α=(4πk)/λ의 관계를 갖으며, 흡수 계수, α는 빛이 통과하는 매질의 두께가 d일 때, I=I0exp(-αd)의 관계로 매질에 의한 빛의 흡수로 인해 통과한 빛의 세기(I)가 입사한 빛의 세기(I0)에 비해 감소하게 된다.

상기 저방사 보호층은 상기 범위의 가시광선 영역의 소멸 계수는 갖는 금속을 사용하여, 가시광선의 일정 부분을 흡수하여, 상기 저방사 코팅 (110)이 소정의 색상을 갖도록 한다.

예를 들어, 상기 저방사 보호층은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 니켈-크롬(Ni-Cr), 티타늄(Ti), 니켈티티늄(Ni-Ti) 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 저방사 보호층은 단일 층 또는 복수의 층으로 포함될 수 있고, 상기 저방사층의 일면 또는 양면에 위치할 수 있다. 도 1에서는 저방사층의 양면에 복수의 층으로 저방사 보호층이 형성된 경우를 나타낸다.

상기 저방사 보호층의 두께는, 예를 들어, 약 0.5nm 내지 약 5nm일 수 있고, 이에 한정되지 않으며, 용도에 맞게 적절히 변경할 수 있다.

상기 저방사 코팅은 상기 두께 범위의 저방사 보호층을 가짐으로써 저방사 보호층으로서의 역할을 수행하면서 소정의 투과율 및 반사율을 갖도록 조절하기에 적합하다.

일 구현예에서, 상기 저방사 코팅은 상기 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층을 포함할 수 있고, 상기 하부 유전체층은 제1 하부 유전체층 및 제2 하부 유전체층으로 구분될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 저방사 코팅은 상기 제1 및 제2 하부 유전체층의 사이에 상기 배리어층을 포함함으로써 저방사 코팅의 손상을 효과적으로 방지하여 장기간 우수한 내열성, 우수한 내습성 및 우수한 내마모성을 구현할 수 있다.

상기 제1 하부 유전체층, 상기 제2 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층 각각은 광 소멸 계수가 0에 가까운 물질로 구성될 수 있다. 소멸 계수가 0 보다 큰 것은 입사광이 상기 저방사층에 도달하기 전에 각 유전체층에서 흡수되는 것을 의미하므로, 투명한 시야 확보를 저해하는 요인이 되어 바람직하지 않다. 따라서, 상기 각 유전체층의 소멸 계수는 예를 들어, 가시광선 영역 (약 380nm 내지 약 780nm 파장 범위)에서 약 0.1 미만을 가질 수 있다. 그 결과, 상기 각 유전체층은 우수한 채광성을 확보함으로써 투명한 시야 확보에 도움이 될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 하부 유전체층, 상기 제2 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층 각각은 금속 산화물, 금속 질화물, 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하거나, 상기 적어도 하나에, 비스무트(Bi), 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 안티몬(Sb), 베릴륨(Be) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소가 도핑된 물질을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 하부 유전체층, 상기 제2 하부 유전체층 및 상기 상부 유전체층 각각은 산화티타늄, 산화주석아연, 산화아연, 산화아연알루미늄, 산화주석, 산화비스무스, 질화실리콘, 질화실리콘알루미늄, 질화실리콘주석 등 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 이러한 금속 산화물 및/또는 금속 질화물에 비스무트(Bi), 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 안티몬(Sb), 베릴륨(Be) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 도핑할 수 있고, 그 결과 내구성 향상에 기여할 수 있다.

또한, 상기 상부 유전체층은 두께가 약 30㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 배리어층은 상기 저방사 코팅을 포함하는 창호용 기능성 건축 자재의 제조 공정 중에 수반되는 열처리 공정에서의 열로부터 보호, 고온 다습한 주변 환경에 방치 시 고온 다습한 환경으로부터의 보호, 또는 운송이나 취급시에 물리적인 손상에 대한 보호의 목적으로 형성된 층이다.

상기 저방사 코팅은 이와 같이, 상기 배리어층을 포함하여 하부의 투명 유리 기판으로부터 알칼리 이온과 산소의 물리적, 화학적 확산을 방지시킬 수 있으므로 전술한 열처리 공정과 고온 다습한 주변 환경으로부터 저방사 코팅을 보호하는 작용을 할 수 있으며, 또한, 상기 배리어층이 유리 기판과 저방사 코팅의 계면 접착력을 향상시켜 저방사 코팅의 내마모성이 향상된다.

그에 따라, 상기 배리어층을 포함한 상기 창호용 기능성 건축 자재는 내열성, 내습성 및 내마모성이 우수하다.

상기 배리어층은 예를 들어, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물, 복합 금속 산화물, 복합 금속 질화물, 복합 금속 산질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있고, 구체적으로는 실리콘산화물, 실리콘알루미늄산화물, 지르코늄산화물, 지르코늄실리콘산화물, 티타늄산화물, 티타늄지르코늄산화물, 실리콘산질화물, 실리콘알루미늄산질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄실리콘산질화물, 티타늄산질화물, 티타늄지르코늄산질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

상기 배리어층은 두께가 약 1㎛ 내지 약 30㎛일 수 있다.

상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 상기 저방사 코팅의 두께를 지나치게 증가시키지 않으면서 상기 저방사 코팅이 충분한 내열성, 내습성 및 내마모성을 구현할 수 있다.

예를 들어, 상기 상부 유전체층의 상부에 최상부 보호층을 더 포함할 수 있다.

상기 최상부 보호층은 금속층, 금속 산화물층 및 실리콘-알루미늄계 복합금속 산화질화물층을 순차적으로 포함하는 다층 구조일 수 있다.

상기 금속층은 상기 상부 유전체층 상에 증착되어 형성된 것으로, 상기 금속층 표면에 후산화 공정을 통해 상기 금속층 표면을 일부 산화시켜 금속 산화물층을 형성하는 경우 일부 산화되지 아니하고 남아있는 층을 의미할 수 있다.

상기 금속층은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘계 복합금속, 티타늄계 복합금속, 지르코늄계 복합금속 및 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 지르코늄 또는 지르코늄계 복합금속을 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

즉, 상기 금속층은 상기 상부 유전체층 상에 증착되어 형성되므로, 상기 금속층은 O₂, H₂O 및 Na⁺ 등과 같은 화학반응물의 확산을 저해함으로써, 저방사 코팅이 내습성, 내산성, 내염기성 등 우수한 화학적 특성을 가질 수 있도록 한다.

또한, 상기 금속층의 두께는 0.5nm 내지 5nm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

예를 들어, 상기 금속층 표면의 후산화 공정을 통해 상기 금속층 표면을 일부 산화시켜 금속 산화물층을 형성하는 경우, 상기 금속층의 두께는 일부 산화되지 아니하고 남은 최종 두께를 의미할 수 있다

이때, 금속층의 두께가 0.5nm 미만인 경우, 저방사 코팅의 내습성, 내산성, 내염기성 등 우수한 화학적 특성이 저하되는 문제점이 있고, 금속층의 두께가 5nm를 초과하는 경우, 저방사 코팅의 투과율이 감소하는 문제점이 있다.

상기 금속 산화물층은 상기 금속층 상부에 형성된 것으로 상기 금속 산화물층의 형성으로 인하여, 저방사 코팅막의 기계적 특성이 우수하고, O₂, H₂O 및 Na⁺ 등과 같은 화학반응물의 확산을 저해함으로써, 화학적 특성이 우수하다.

특히, 상기 금속 산화물층의 형성이 상기 금속층 표면의 후산화 공정을 통해 상기 금속층 표면을 일부 산화시켜 수행되는 경우, 후산화 공정에 의해 금속이 산화되면서 금속 산화물 형성 시 부피 팽창이 일어나게 되는데, 이러한 부피 팽창에 따라 고밀도 금속 산화물층이 형성될 수 있어, 저방사 코팅의 경도를 더욱 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

즉, 본 발명에 따라 금속층 표면의 후산화 공정을 통해 금속층 표면을 일부 산화하여 금속 산화물층을 형성하는 경우, 최상부 코팅층 중 금속 산화물층만 생략한 경우에 비해 저방사 코팅의 경도를 현저히 증가시킬 수 있다.

상기 금속 산화물층은 실리콘 산화물(SiO₂), 알루미늄 산화물(Al₂O₃), 티타늄 산화물(TiO₂), 지르코늄 산화물(ZrO₂), 실리콘계 복합금속 산화물, 티타늄계 복합금속 산화물, 지르코늄계 복합금속 산화물, 및 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 지르코늄 산화물 또는 지르코늄계 복합금속 산화물을 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 금속 산화물층의 두께는 0.5nm 내지 5nm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 금속 산화물층이 상기 금속층 표면의 후산화 공정을 통해 상기 금속층 표면이 일부 산화되어 형성되는 경우, 상기 금속층의 초기 두께는 1nm 내지 10nm일 수 있고, 후산화 공정에 따라 상기 상기 금속층 표면의 0.5nm 내지 5nm가 산화됨으로써, 이는 금속 산화물층의 두께가 될 수 있다.

상기 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층은 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물이 증착되어 형성된 것으로, 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물은 복합금속 중 실리콘 또는 지르코늄이 주성분인 합금 산화질화물인 것으로, 상기 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층의 우수한 경도에 의하여 내마모성 등 기계적 특성을 보다 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

예를 들어, 상기 실리콘계 복합금속 산화질화물은 실리콘알루미늄옥시나이트라이드(Silicon Aluminium oxynitride)를 포함할 수 있고, 상기 지르코늄계 복합금속 산화질화물은 지르코늄알루미늄옥시나이트라이드(zirconium Aluminium oxynitride)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물의 증착은 전술한 바와 같이, 상기 금속층의 표면을 일부 산화시켜 상기 금속 산화물층을 형성시킴과 동시에 수행될 수 있다.

상기 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층의 두께는 2nm 내지 20nm일 수 있다. 이때, 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층의 두께가 2nm 미만인 경우, 내마모성 등 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있고, 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층의 두께가 20nm를 초과하는 경우, 투과율이 감소되는 문제점이 있다.

상기 저방사 코팅은 사용 목적에 맞는 광학 스펙트럼을 구현하기 위하여, 상기 저방사 코팅을 구성하는 각 층의 재료 및 두께를 조절함으로써 빛의 파장 대에 따른 투과율과 반사율을 제어하여 달성할 수 있다. 예를 들어, 상기 저방사 코팅은 가시광선 투과율이 높여 채광성을 향상시킴으로써 투명한 시야를 확보하면서도 적외선 방사율을 저감시켜 우수한 단열 효과를 확보할 수 있다.

상기 저방사 코팅은 이를 구성하는 각 층의 재료 및 두께를 조절함으로써 외부로부터 보이는 상기 저방사 코팅의 고 반사면의 색상, 반사율, 투과율 등의 광학 성능에 대한 미세한 제어가 가능할 수 있다.

도 4는 상기 창호용 기능성 건축 자재의 단면도이고, 기판의 적어도 일면, 예를 들어, 일면 또는 양면에 저방사 코팅이 코팅된 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 창호용 기능성 건축 자재는 상기 기판의 적어도 일면에 제1 하부 유전체층, 배리어층, 제2 하부 유전체층, 저방사 보호층, 저방사층, 저방사보호층 및 상부 유전체층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.

또한, 상기 상부 유전체층의 상부에 최상부 보호층이 더 적층될 수 있고, 상기 최상부 보호층은 상기 상부 유전체층의 상부로부터 순차적으로 금속층, 금속 산화물층 및 실리콘계 또는 지르코늄계 복합금속 산화질화물층을 포함한 다층 구조일 수 있다.

상기 제1 하부 유전체층, 상기 배리어층, 상기 제2 하부 유전체층, 상기 저방사 보호층, 상기 저방사층, 상기 저방사보호층, 상기 상부 유전체층 및 상기 최상부 보호층은 일 구현예에서 전술한 바와 같다.

상기 기판은 가시광선 투과율이 높은 투명 기판일 수 있고, 예를 들어, 약 80% 내지 약 100% 가시광선 투과율을 갖는 유리 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 기판은, 예를 들어, 건축용으로 사용되는 유리가 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들어, 약 2mm 내지 약 12mm의 두께일 수 있고, 사용 목적 및 기능에 따라 달라질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 창호용 기능성 건축 자재를 제조하기 위해, 먼저 투명 유리 기판을 준비한 뒤, 상기 저방사 코팅의 각 층을 순차적으로 형성할 수 있다. 저방사 코팅의 각 층을 공지된 방법에 따라, 원하는 물성을 구현하기에 적합한 방법으로 형성할 수 있다.

예를 들어, 저방사 코팅에 포함된 각 층들은 스퍼터링법 등의 방법에 따라 형성할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하고, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

실시예

실시예 1

마그네트론 스퍼터링 증착기 (Selcos Cetus-S)를 사용하여, 하기와 같이 투명 유리 기판에 코팅된 다층 구조의 저방사 코팅을 제조하였다.

6mm 두께의 투명 유리 기판 상에 SiAl target을 질소를 포함하는 반응성 가스인 아르곤/나이트로젠 (아르곤:나이트로젠의 유량비 = 80:10) 분위기 하에서 증착하여 10nm 두께의 제1 하부 유전체층을 형성하고, 이의 상부면에 아르곤/산소 (아르곤 10부피%, 산소 90부피%) 분위기 하에서 3nm 두께의 ZrOx 금속 산화물층을 증착하여 배리어층을 형성하고, 이의 상부면에 SiAl target을 질소를 포함하는 반응성 가스인 아르곤/나이트로젠 (아르곤:나이트로젠의 유량비 = 80:20) 분위기 하에서 증착하여 35nm 두께의 제2 하부 유전체층을 형성하였다.

이어서, 제2 하부 유전체층의 상부면에 아르곤 100% 분위기 하에서 NiCr을 1.0nm 두께로 증착하여 저방사보호층을 형성하고, 이의 상부면에 아르곤 100% 분위기 하에서 Ag을 증착하여 12nm 두께의 저방사층을 형성하고, 이의 상부면에 아르곤 100% 분위기 하에서 NiCr을 1.0nm 두께로 증착하여 저방사보호층을 형성하였다.

또한 이어서, 상기 저방사층의 상부면에 형성된 저방사보호층의 상부면에 SiAl target을 질소를 포함하는 반응성 가스인 아르곤/나이트로젠 (아르곤:나이트로젠의 유량비 = 80:20) 분위기 하에서 증착하여 40nm 두께의 상부 유전체층을 형성함으로써 투명 유리 기재에 코팅된 저방사 코팅을 제조하였다.

실시예 2

상부 유전체층의 상부면에 최상부 보호층을 더 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 투명 유리 기재에 코팅된 저방사 코팅을 제조하였고, 구체적으로, 상기 상부 유전체층의 상부면에, 아르곤 100% 분위기에서 지르코늄을 증착하여, 4 ~ 5nm 두께의 지르코늄층을 형성한 후, 상기 금속층 표면에 후산화 공정을 수행하여 지르코늄층 표면을 일부 산화시켜 3 ~ 4nm 두께의 지르코늄 산화물층을 형성하였고, 상기 지르코늄층의 표면을 일부 산화시켜 지르코늄 산화물층을 형성함과 동시에 실리콘알루미늄옥시나이트라이드를 증착하여 10nm 두께의 실리콘알루미늄옥시나이트라이드층을 형성함으로써 상기 최상부 보호층을 형성하였다.

비교예 1

실시예 1에서 6mm 두께의 투명 유리 기판 상에 SiAl target을 질소를 포함하는 반응성 가스인 아르곤/나이트로젠 (아르곤:나이트로젠의 유량비 = 80:10) 분위기 하에서 증착하여 45nm 두께의 하부 유전체층을 단층으로 형성하고 배리어층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 투명 유리 기재에 코팅된 저방사 코팅을 제조하였다.

평가 방법

실험예 1: 내열성 평가

실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 저방사 코팅이 코팅된 투명 유리 기재의 헤이즈를 측정하였다.

이어서, 상기 각 투명 유리 기재를 장비 내부의 온도를 약 700℃로 유지된 상태에 있는 실험실용 box furnace 장비(AJEON HEATING INDUSTRIAL.CO. LTD)에 넣고, 5분 간 유지한 후에 꺼냄으로써 강화 공정을 수행하였고, 상기 강화 공정을 수행한 이후 다시 이들 각각에 대하여 헤이즈를 측정하였다.

이어서, 전술한 바와 같이, 상기 강화 공정을 수행하기 이전 및 이후에 측정한 각 헤이즈로부터 헤이즈의 변화량을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.

상기 헤이즈는 Haze Meter(BYK Gardner, Haze-gard plus)를 이용하여 측정하였다.

또한, 상기 내열성 평가를 수행한 이후 각각의 저방사 코팅이 코팅된 유리기재를 광학현미경(KONICA MINOLTA, CM-3500D, 배율 Χ200)으로 촬영하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1
Haze 변화량	0.09	0.07	4.70

상기 표 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1은 헤이즈 변화량이 크게 계산되어 결함 정도가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.

반면, 실시예 1 및 2는 저방사 코팅의 구조적인 변형이 적게 발생하여 결함 정도가 적게 나타난 것으로 이해되고, 비교예 1과 비교할 때, 열적 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 내마모성의 평가

실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 저방사 코팅이 코팅된 투명 유리 기재 기재에 대해 세척기(MANNA, MGR-460)을 사용하여 내마모성 시험을 실시하였다.

이어서, 상기 각 투명 유리 기재를 장비 내부의 온도를 약 700℃로 유지된 상태에 있는 실험실용 box furnace 장비(AJEON HEATING INDUSTRIAL.CO. LTD)에 넣고, 5분 간 유지한 후에 꺼냄으로써 강화 공정을 수행하였고, 상기 강화 공정을 수행한 이후 다시 이들 각각에 대해 세척기(MANNA, MGR-460)을 사용하여 내마모성 시험을 실시하였다.

이어서, 강화 공정을 수행하기 이전 및 이후에 실시한 각 내마모성 시험에서, 상기 각 저방사 코팅의 표면에 스크래치가 발생하였는지 여부를 육안으로 관찰하고, 관찰된 스크래치의 형태 또는 형상을 표 2에 나타내었다.

상기 스크래치는 육안으로 관찰시 구분 가능한 최소 크기인 약 50㎛ 이상의 폭을 가지는 것을 관찰하였다.

또한, 상기 내마모성 평가를 수행하기 전후로 각각의 저방사 코팅이 코팅된 유리기재를 광학현미경(KONICA MINOLTA, CM-3500D, 배율 Χ50)으로 촬영하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1
강화 공정 수행 이전	미발생	미발생	면적 스크래치(area scratch)
강화 공정 수행 이후	미발생	미발생	면적 스크래치(area scratch)

상기 표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1은 스크래치가 더욱 빠른 시간 내에 발생하여 내마모성이 나쁨을 확인할 수 있었다.

반면, 실시예 1 및 2는 저방사 코팅의 구조적인 변형이 더욱 적게 발생하여 스크래치가 더욱 느리게 발생한 것으로 이해되고, 비교예 1과 비교할 때, 내마모성이 우수함을 확인할 수 있었다.

100: 저방사 코팅
110: 제1 하부 유전체층 120: 배리어층 130: 제2 하부 유전체층
140, 160: 저방사 보호층
150: 저방사층
170: 상부 유전체층

Claims

투명 유리기판; 및 상기 투명 유리기판의 적어도 일면에 코팅된 저방사 코팅;을 포함하고,
상기 저방사 코팅은 제1 하부 유전체층, 배리어층, 제2 하부 유전체층, 저방사 보호층, 저방사층, 저방사보호층 및 상부 유전체층이 순차적으로 적층된 적층 구조를 포함하며,
상기 제1 하부 유전체층과 상기 제2 하부 유전체층은 동일 물질을 포함하고, 상기 물질은 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)을 포함하고,
상기 배리어층은 지르코늄 산화물로 이루어지며 상기 투명 유리기판 내부에 존재하는 알칼리 이온 및 산소가 상기 저방사 코팅막으로 확산되는 것을 방지하는
창호용 기능성 건축 자재.
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제1항에 있어서,
상기 상부 유전체층의 상부에 최상부 보호층을 더 포함하는
창호용 기능성 건축 자재.
제12항에 있어서,
상기 최상부 보호층은 금속층, 금속 산화물층 및 실리콘-알루미늄계 복합금속 산화질화물층을 순차적으로 포함하는 다층 구조인
창호용 기능성 건축 자재.
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제1항에 있어서,
상기 투명 유리기판은 80% 내지 100%의 가시광선 투과율을 갖는
창호용 기능성 건축 자재.