텅스텐 도핑이 소다라임유리위에 증착된 ZnO/VO2/ZnO 다층 박막의 열변색 특성에 미치는 영향

Abstract

열변색 특성을 가진 VO2를 기반으로 하는 스마트윈도우는, VO2의 상전이 온도(Tc)인 68℃ 이상과 이하의 온도에서 태양광 투과율이 변화하여, 건물에서 냉/난방에 사용되는 에너지를 절약할 수 있는 점에서 주목받고 있다. VO2 기반 열변색 유리는 저(30℃)/고(90℃)온에서 높은 가시 광선 투과율을 가지지만, 적외선 영역에서는 투과율 차이를 나타내는 특성을 갖는다. 따라서 열을 수반하는 적외선을 온도에 따라 선택적으로 투과시켜, 여름철과 겨울철에 건물에서 냉/난방에 소비되는 에너지를 효과적으로 절약할 수 있다. VO2 기반 열변색 유리가 우수한 에너지 절약 효과를 가지는 건물 창호로 사용되기 위해서는 건축 유리에서 요구되는 가시 광선 투과율, 높은 적외선 투과율 차이, VO2 상전이 온도(Tc) 제어 등의 문제들을 해결해야 한다. 가시 광선 투과율과 적외선 투과율 차이를 증가시키기 위해 스퍼터링법으로 VO2 박막을 증착할 때, ZnO 박막을 완충층와 무반사층으로 사용한 VO2 기반 다층 박막의 열변색 특성 결과가 보고된 바 있다. 하지만 여전히 VO2의 상전이 온도(Tc)가 상온에 비해 높기 때문에 에너지 절약 효과에 한계가 있다는 문제점이 있다. Doping, 미세구조 제어, 내부 stress 제어 등을 이용한 VO2 박막의 Tc 제어가 보고된 바 있으며, 이 중 텅스텐(W) doping이 Tc 제어에 가장 효율적이라고 알려져 있다. 텅스텐 이온(W6+)은 바나듐 이온(V4+)과의 이온 크기 차이, 원자가 전자수 차이로 인해, doping 시 VO2의 local lattice distortion와 energy band structure의 변화를 가져오며, 이에 따라 VO2의 Tc가 변한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 co-sputtering법을 이용하여 soda lime glass위에 ZnO/VxW1-xO2/ZnO(x=0, 0.005, 0.012, 0.015) 다층 박막을 제조하여 텅스텐 doping이 VO2 기반 다층 박막의 열변색 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 측정된 ZnO와 VO2박막의 굴절률을 이용하여, simulation을 통해 우수한 열변색 특성을 가지는 다층 박막 구조를 설계하였으며, 설계된 구조를 가지는 ZnO/VO2/ZnO 다층 박막의 열변색 특성에 텅스텐 doping이 미치는 영향을 조사하였다. XPS 분석을 이용하여 doping된 텅스텐 원소 정량 분석을 수행하였으며, 4 point probe법으로 온도 변화에 따른 전기저항 변화를 측정하여 Tc 변화를 조사하였다. 또한 Spectrophotometer를 이용하여 텅스텐 doping이 가시광선-적외선 영역의 투과율 변화에 미치는 영향을 조사하였다.

Smart window based on VO2 is one of promising thermochromic glasses which can regulate heat flow through window by solar modulation near room temperature. Thermochromic glasses with high visible light transmittance and large difference in infrared transmittance between high- and low-temperature VO2 phases, are required to have large amount of energy saving in buildings. In order to commercialize VO2-based thermochromic glass, it is necessary to solve problems such as low visible light transmittance, low solar modulation ability, and controlling transition temperature(Tc) of VO2. To improve visible light transmittance and solar modulation ability, thermochromic properties of VO2-based multi-layer thin film using the ZnO as a buffer layer and anti-reflection(AR) layer have been reported. However, there is still the problem that the energy saving effect is limited because the Tc(~68℃) of VO2 is higher than room temperature. There are several methods to control Tc, such as doping, microstructure control, and internal stress control. Among these methods, tungsten(W) doping is known to be most effective method for controlling Tc. W doping changes the V-V bonding length and energy band structure of VO2 due to the difference atomic size and valence electrons. In this study, ZnO/VXW1-XO2/ZnO(x=0, 0.005, 0.012, 0.015) multi-layer thin film was deposited on soda lime glass by sputtering, and the effect of tungsten doping on the thermochromic properties of a VO2-based multi-layer thin film was investigated.