열가변형 적외선 차단 코팅에 이용하기 위한 VO2 나노와이어의 합성 및 전기적/광학적 특성분석

Abstract

Thermo-chromic smart window는 외부의 온도에 따라 태양광을 선택적으로 차단하여 창호를 통한 에너지 손실을 줄일 수 있도록 고안된 Energy saving system의 하나이다. 전이금속 산화물인 VO2(이산화바나듐)은 Thermo-chromic smart window의 coating 재료로서 많은 연구가 이루어지고 있다. VO2는 상온과 가까운 68°C에서 MIT transition(Metal-Insulating transition)이 일어나게 된다. MIT transition이 일어나게 되면 VO2 물질의 전기적, 광학적 성질이 급격하게 변화하는 현상을 수반하게 되며, 전기저항 및 적외선 투과도가 변화할 때, 가열 시와 냉각 시의 변화가 서로 다른 hysteresis loop을 보인다.

VO2를 실생활에서thermo-chromic smart window에 사용하기 위해서는 VO2재료가 가시광선 영역에서 50%-60%정도의 높은 투과도를 확보해야 하고, 특히 phase transition이 일어나는 온도(Tc)가 실생활에 사용가능한 상온영역의 온도 범위까지 낮춰져야 한다. 또한 이를 상용화 하기 위해, 저비용, 고효율, 대면적의 thermo-chromic coating이 가능해야 한다. 이와 관련하여 최근에는 나노구조 재료를 포함하는 thermo-chromic coating에 대한 연구 및 나노VO2 재료 자체의 특성에 대한 연구가 활발히 진행이 되고 있다.

본 연구에서는 비용이 저렴하면서도 대량생산에 용이한 수열합성법을 이용하여 VO2나노와이어를 합성하였다. 합성 온도 및 시간을 달리하여 다른 크기를 가지는 VO2나노 와이어를 제조하였고, thermal treatment를 통해 VO2 monoclinic phase를 가지는 VO2 나노와이어를 얻었다.

나노와이어의 굵기에 따라 Tc(상전이온도)가 달라지는지 화학적, 전기적, 광학적 방법으로 측정하여 확인하고자 하였다. 상전이 온도는 기존의 파우더 및 벌크 재료에서 보고된 Tc와 거의 같다는 것을 확인하였으며, 상전이 온도가 나노와이어의 굵기변화에 관계없이 일정하다는 것을 확인하였다. 나노와이어를 Air gun Spray법을 이용하여 fused silica기판위에 도포시키는 실험을 진행하였으며, 폴리머와 VO2나노와이어를 섞은 졸을 제조 하여 spin-coating 방법을 통해 기능성 코팅을 얻고자 하였다. 이를 통해 thermo-chromic coating으로서 활용하기 위한 특성연구를 진행하였다.