用摻雜劑摻雜的熱致變色窗及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用摻雜劑摻雜的熱致變色窗以及制造該熱致變色窗的方法。所述熱致變色窗包括基板和形成在基板上的熱致變色薄膜。熱致變色薄膜具有用摻雜劑摻雜的熱致變色材料，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面沿著深度方向逐漸減小。所述熱致變色窗在具有低相變溫度的同時具有高水平的可見光透射率和高相變效率。
【專利說明】用摻雜劑摻雜的熱致變色窗及其制造方法
[0001]本申請要求在2012年6月27日提交的第10-2012-0069383號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，出于各種目的通過引用將該申請的全部內(nèi)容包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用摻雜劑摻雜的熱致變色窗以及該熱致變色窗的制造方法，更具體地，涉及用摻雜劑摻雜的具有低的相變溫度的熱致變色窗以及該熱致變色窗的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003]與例如石油的化學(xué)能源的飛漲的價格相適應(yīng)，開發(fā)新能源的必要性正在增加。另夕卜，伴隨對新能源的需要，節(jié)能技術(shù)的重要性正在增加。事實上，普通房屋中至少60%的能源消耗歸因于取暖和/或降溫。具體地，普通房屋和建筑通過窗損失的能量高至24%。
[0004]因此，已經(jīng)進(jìn)行了在保持美觀和觀看特性(作為窗的基本功能)的同時，通過增加窗的密封性和隔離特性來減少通過窗損失的能量的各種嘗試。例如，代表性的方法包括改變窗的尺寸和安裝高隔離性的窗。
[0005]高隔離性的窗玻璃的類型包括注氬(Ar)中空玻璃和低輻射玻璃等，在注氬(Ar)中空玻璃中，將氬氣等設(shè)置在一對玻璃板之間以防止熱交換。還有一種類型的玻璃正在被研究，這種玻璃被具有特定的熱特性的層包覆以調(diào)節(jié)引入的太陽能的量。
[0006]具體地，低輻射玻璃的表面上涂有金屬或金屬氧化物的薄層，金屬或金屬氧化物的薄層允許入射在窗上的大部分可見光進(jìn)入，使得房間內(nèi)部可保持明亮，同時可以阻擋紅外(IR)范圍的輻射。這種玻璃的作用為，它防止取暖的熱泄漏到外部，并且還防止建筑外部的熱量進(jìn)入，由此減少了降溫和取暖的費(fèi)用。然而，由于這種窗的特性在于反射除了可見光之外的波長，所以這種窗具有以下的缺點。具體地，這種窗不允許IR范圍的陽光進(jìn)入到房間內(nèi)部，這是一個缺點，尤其在冬天，并且其陽光透射率不根據(jù)季節(jié)和/或溫度而調(diào)節(jié)。
[0007]因此，正在進(jìn)行熱致變色窗的技術(shù)的開發(fā)，通過用熱致變色材料包覆玻璃來提供熱致變色窗。當(dāng)玻璃達(dá)到預(yù)定的溫度或更高的溫度時，這樣的熱致變色窗阻擋近紅外(NIR)輻射和紅外(IR)輻射而允許可見光通過，由此防止室溫上升。
[0008]圖1是示出了在相變之前和之后的熱致變色窗的陽光透射率水平的變化的曲線圖，其中，用由VO2制成的熱致變色薄膜包覆玻璃基板的一個表面。
[0009]如圖1中所示，可以看出，當(dāng)用熱致變色材料包覆玻璃時，玻璃對陽光(具體地，IR范圍的陽光)的透射率在相變之前和相變之后不同。因此，當(dāng)建筑物降溫和取暖時，這可以
改善能量效率。
[0010]然而，由于熱致變色材料具有高的相變溫度，因此熱致變色材料難以在實際的建筑玻璃中應(yīng)用。具體地，即使是與實際中可用的溫度相對接近的二氧化釩(VO2)的相變溫度，其也達(dá)到68 °C。
[0011]因此，用摻雜劑摻雜由熱致變色材料制成的熱致變色薄膜，以降低熱致變色薄膜的相變溫度。[0012]現(xiàn)有技術(shù)的摻雜方法包括用由熱致變色材料制成的靶和由摻雜劑制成的靶進(jìn)行共濺射的方法以及使用用摻雜劑摻雜的靶來濺射熱致變色材料的方法。
[0013]然而，這些方法的問題在于，摻雜劑被均勻地分散并分布到熱致變色薄膜的整個區(qū)域，由此減小了可見光透射率的水平以及熱致變色薄膜的相變效率。
[0014]提供本發(fā)明的背景部分中公開的信息僅是為了更好地理解本發(fā)明的【背景技術(shù)】，而不應(yīng)該被認(rèn)為是承認(rèn)或者以任何形式表明該信息形成本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的各方面提供了一種用摻雜劑摻雜的熱致變色窗以及制造該熱致變色窗的方法，其中，所述熱致變色窗在具有低相變溫度的同時具有高水平的可見光透射率和高相變效率。
[0016]在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種熱致變色窗，所述熱致變色窗包括基板和形成在基板上的熱致變色薄膜。熱致變色薄膜具有用摻雜劑摻雜的熱致變色材料，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面沿著深度方向逐漸減小。
[0017]在本發(fā)明的實施例中，所述熱致變色窗還可以包括設(shè)置在基板和熱致變色薄膜之間的阻擋膜。
[0018]所述阻擋膜的成分可以包括從由二氧化硅(Si02)、氧化鋁(A1203)、五氧化二鈮(Nb2O5)、二氧化鈦(TiO2)和氮化硅(Si3N4)組成的組中選擇的一種材料。
[0019]所述阻擋膜還可以包括摻雜劑。
[0020]所述摻雜劑可以是從由Mo、W、Cr、Ni和Zr組成的組中選擇的一種。
[0021]所述熱致變色材料可以是從由二氧化釩(V02)、氧化鈦(III) (Ti203)、氧化鈮(NbO2)和硫化鎳(NiS)組成的組中選擇的一種材料。
[0022]在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種制造熱致變色窗的方法。所述方法包括以下步驟:在基板上形成摻雜劑層；以及通過在摻雜劑層上沉積熱致變色材料使得構(gòu)成摻雜劑層的摻雜劑擴(kuò)散到熱致變色材料中來形成熱致變色薄膜。
[0023]所述方法還可以包括在形成熱致變色薄膜的步驟之后對得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后退火的步驟。
[0024]所述方法還可以包括在形成摻雜劑層的步驟之前在基板上形成阻擋膜的步驟。摻雜劑層可以形成在阻擋膜上。
[0025]摻雜劑層的厚度可以是5nm或更小。優(yōu)選的是，熱致變色材料是二氧化釩(V02)，熱致變色薄膜的厚度可以是至少50nm。
[0026]形成熱致變色薄膜的步驟可以實現(xiàn)為濺射。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實施例，摻雜劑僅被添加到從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面沿著深度方向以濃度梯度摻雜的熱致變色薄膜的預(yù)定區(qū)域，使得用摻雜劑摻雜的熱致變色窗具有高水平的可見光透射率和高相變效率，同時具有低的相變溫度。
[0028]另外，由于阻擋膜用摻雜劑摻雜，因此可以增加阻擋膜的折射率，由此增加可見光的透射率。
[0029]本發(fā)明的方法和裝置具有其他的特征和優(yōu)點，所述其他的特征和優(yōu)點將通過附圖而變得明顯，或在附圖中進(jìn)行更詳細(xì)的闡述，附圖被包含于此，并在本發(fā)明的下面的詳細(xì)描述中一起用于解釋本發(fā)明的特定原理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是示出了在相變之前和之后的熱致變色窗的陽光透射率水平的變化的曲線圖，其中，用由VO2制成的熱致變色薄膜包覆玻璃基板的一個表面；
[0031]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的實施例的示意性剖視圖；
[0032]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的另一個實施例的示意性首lJ視圖;
[0033]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的制造用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的方法的實施例的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0034]現(xiàn)在將詳細(xì)參照根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗以及該熱致變色窗的制造方法，在附圖中示出并在下文描述了本發(fā)明的實施例，使得本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員可以容易地實施本發(fā)明。
[0035]在整個文件中，應(yīng)該參考附圖，其中在不同的附圖中使用相同的參考標(biāo)號和符號來表示相同的或相似的組件。在本發(fā)明的以下描述中，當(dāng)包含于此的已知的功能和組件的詳細(xì)描述會使得本發(fā)明的主題不清楚時，將省略這些詳細(xì)描述。
[0036]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的實施例的示意性剖視圖。
[0037]參照圖2，根據(jù)本發(fā)明該實施例的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗包括基板100和熱致變色薄膜200，熱致變色薄膜200由用摻雜劑摻雜的熱致變色材料制成，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面沿著深度方向逐漸減小。
[0038]以這種方式，摻雜劑從熱致變色薄膜的表面沿著深度方向具有濃度梯度地加入到熱致變色薄膜的預(yù)定區(qū)域，而不是均勻地分散到熱致變色薄膜的整個區(qū)域。因此，根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗可以具有高水平的可見光透射率和高相變效率，同時具有低的相變溫度。
[0039]基板100是支持熱致變色薄膜200的基體材料，并且可以優(yōu)選地實現(xiàn)為鈉鈣建筑玻璃。
[0040]熱致變色薄膜200形成在基板100上，并由用摻雜劑摻雜的熱致變色材料制成。如圖2中的漸變黑色所顯示的，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面隨著深度而逐漸減小。
[0041]熱致變色材料是指晶體結(jié)構(gòu)因熱致變色現(xiàn)象而變化的材料，在熱致變色現(xiàn)象中，在特定的溫度(相變溫度)下發(fā)生相變，相變的程度使得物理性質(zhì)(例如導(dǎo)電性和紅外(IR)透射率)顯著改變。熱致變色材料阻擋陽光(具體地，IR輻射)的能力或者熱致變色材料的陽光透射率水平(具體地，IR輻射透射率水平)在相變之前和之后發(fā)生改變。熱致變色材料可以由從二氧化釩(VO2)、氧化鈦(III) (Ti2O3)、二氧化鈮(NbO2)和硫化鎳(NiS)中選擇的一種制成，但不限于此。[0042]熱致變色材料中的摻雜劑降低熱致變色薄膜200的相變溫度。
[0043]摻雜劑的摻雜比例越高，熱致變色薄膜200的相變溫度就越低。摻雜劑可以是從Mo、W、Cr、Ni和Zr中選擇的至少一種。
[0044]另外，如圖3中所示，根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗還可以包括阻擋膜300，阻擋膜300形成在基板100和熱致變色薄膜200之間。
[0045]通常，通過沉積熱致變色材料來形成熱致變色薄膜的工藝在高溫下執(zhí)行。當(dāng)熱致變色材料作為覆層正在被直接施加在基板上時，基板內(nèi)部的離子擴(kuò)散到熱致變色材料中，使得熱致變色材料喪失熱致變色的特性。
[0046]因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，阻擋膜300形成在基板100和熱致變色薄膜200之間。阻擋膜300可以用作防止基板100內(nèi)部的離子擴(kuò)散到熱致變色薄膜200中的擴(kuò)散阻擋件。具體地，當(dāng)基板100是鈉鈣玻璃基板時，阻擋膜300可以防止玻璃基板內(nèi)部的鈉(Na)離子擴(kuò)散到熱致變色薄膜200中。
[0047]這里，阻擋膜300可以實現(xiàn)為氧化物或氮化物薄膜，更優(yōu)選地，可以由從Si02、Al203、Nb205、TiO2和Si3N4中選擇的一種材料制成，但不限于此。
[0048]另外，可以用摻雜劑摻雜阻擋膜300來增加其折射率，由此改善可見光透射率的水平。摻雜劑可以是從Mo、W、Cr、Ni和Zr中選擇的一種，但不限于此。用于摻雜阻擋膜300的摻雜劑可以與用于摻雜熱致變色薄膜200的摻雜劑相同或不同。
[0049]下面將給出根據(jù)本發(fā)明的制造用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的方法的實施例的描述。
[0050]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的制造用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的方法的實施例的示意性流程圖。
[0051]參照圖4，為了制造根據(jù)本發(fā)明的用摻雜劑摻雜的熱致變色窗，在第一步驟S100，在基板上形成摻雜劑層。
[0052]形成在基板上的摻雜劑層可以由從Mo、W、Cr、Ni和Zr中選擇的一種制成,但不限于此。
[0053]摻雜劑層的厚度可以是大約5nm。優(yōu)選的是,摻雜劑層的厚度范圍是Inm至2nm。由于摻雜劑層形成為像這樣的超薄膜，所以在后續(xù)的形成熱致變色薄膜的工藝中，摻雜劑層的全部摻雜劑原子將擴(kuò)散到熱致變色薄膜中。
[0054]然而，摻雜劑層的厚度可以根據(jù)熱致變色薄膜的厚度而不同。
[0055]然后，在S200，通過在摻雜劑層上沉積熱致變色材料來形成熱致變色薄膜。
[0056]由于在高溫下沉積熱致變色材料，所以摻雜劑層的摻雜劑在熱致變色材料的沉積過程中擴(kuò)散，并且在沉積過程中用擴(kuò)散的摻雜劑摻雜熱致變色薄膜。因此，這形成了用摻雜劑摻雜的熱致變色薄膜，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的表面沿著深度方向逐漸減小。
[0057]在示例中，當(dāng)在摻雜劑層(該摻雜劑層在基板上以Inm至2nm范圍的厚度形成)上通過濺射形成具有50nm厚度的二氧化釩(VO2)薄膜時，在于400°C至500°C的溫度范圍下執(zhí)行的VO2沉積工藝過程中，摻雜劑層的全部摻雜劑原子擴(kuò)散到VO2薄膜中。
[0058]由于以這種方式，熱致變色薄膜的僅有從表面至預(yù)定深度的部分被摻雜劑摻雜，所以可以改善用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的可見光透射率和相變效率。
[0059]另外，能夠通過控制摻雜劑層的厚度和沉積工藝來調(diào)節(jié)熱致變色薄膜的將要被摻雜劑摻雜的深度，由此容易地控制可見光的透射率。另外，能夠通過調(diào)節(jié)摻雜劑層的厚度來容易地控制將要擴(kuò)散到熱致變色薄膜中的摻雜劑的量。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的制造用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的方法還可以包括在形成熱致變色薄膜的步驟S200之后的后退火步驟。
[0061]當(dāng)因為摻雜劑層的摻雜劑原子在形成熱致變色薄膜的步驟S200未全部擴(kuò)散到熱致變色薄膜中而使得摻雜劑層剩余時，該方法還可以包括熱處理包括基板、摻雜劑層和熱致變色薄膜的多層結(jié)構(gòu)的后退火步驟，以使得剩余的摻雜劑層的全部摻雜劑擴(kuò)散到熱致變色薄膜中。
[0062]另外，根據(jù)本發(fā)明的制造用摻雜劑摻雜的熱致變色窗的方法還可以包括在形成摻雜劑層的步驟SlOO之前在基板上形成阻擋膜的步驟。
[0063]S卩，該方法還可以包括在基板和摻雜劑層之間形成阻擋膜的步驟。阻擋膜用作防止基板中的離子擴(kuò)散到熱致變色薄膜中的擴(kuò)散阻擋件。這意圖防止基板內(nèi)部的離子與摻雜劑層中的摻雜劑原子一起在形成熱致變色薄膜的步驟S200擴(kuò)散到熱致變色薄膜中。
[0064]另外，在阻擋膜上形成熱致變色薄膜的步驟S200，還用擴(kuò)散到阻擋膜中的摻雜劑摻雜該阻擋膜。因此，這可以增加阻擋膜的折射率，由此增加摻雜劑添加到其中的熱致變色窗的可見光透射率。
[0065]已經(jīng)針對附圖給出了本發(fā)明的特定的示例性實施例的前面的描述。這些示例性實施例不意圖是窮舉的或者使本發(fā)明局限于公開的精確的形式，并且明顯的是，在以上教導(dǎo)的啟示下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠做出許多修改和變化。例如，雖然上面描述了摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的下表面沿著深度方向逐漸減小的實施例，但是本發(fā)明不限于此，摻雜劑的濃度可以從熱致變色薄膜的上表面沿著深度方向逐漸減小。在這種情況下，制造該熱致變色窗的方法可包括:通過在基板上沉積熱致變色材料來形成熱致變色薄膜；在熱致變色薄膜上形成摻雜劑層；對包括基板、熱致變色薄膜和摻雜劑層的多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，使得構(gòu)成摻雜劑層的摻雜劑擴(kuò)散到熱致變色材料中。該方法還可包括:在形成熱致變色薄膜之前，在基板上形成阻擋膜，其中，熱致變色薄膜形成在阻擋膜上。
[0066]因此，意圖的是，本發(fā)明的范圍不限于前述的實施例，而是被權(quán)利要求和它們的等同物所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種熱致變色窗，所述熱致變色窗包括: 基板；以及 熱致變色薄膜，形成在基板上， 其中，熱致變色薄膜包括用摻雜劑摻雜的熱致變色材料，摻雜劑的濃度從熱致變色薄膜的上表面和下表面中的一個表面沿著深度方向逐漸減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱致變色窗，所述熱致變色窗還包括設(shè)置在基板和熱致變色薄膜之間的阻擋膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱致變色窗，其中，阻擋膜的成分包括從由Si02、Al203、Nb205、TiO2和Si3N4組成的組中選擇的一種材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱致變色窗，其中，阻擋膜還包括摻雜劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱致變色窗，其中，摻雜劑是從由Mo、W、Cr、Ni和Zr組成的組中選擇的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱致變色窗，其中，摻雜劑是從由Mo、W、Cr、Ni和Zr組成的組中選擇的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱致變色窗，其中，熱致變色材料包括從由V02、Ti203、Nb02和NiS組成的組中選擇的一種材料。
8.—種制造熱致變色窗的方法，所述方法包括下述步驟: 在基板上形成摻雜劑層；以及 通過在摻雜劑層上沉積熱致變色材料使得構(gòu)成摻雜劑層的摻雜劑擴(kuò)散到熱致變色材料中來形成熱致變色薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括在形成熱致變色薄膜之后對得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后退火。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括:在形成摻雜劑層之前，在基板上形成阻擋膜，其中，摻雜劑層形成在阻擋膜上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，摻雜劑層的厚度是5nm或更小。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，熱致變色材料包括V02，熱致變色薄膜的厚度是至少50nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，形成熱致變色薄膜的步驟包括濺射。
【文檔編號】B32B37/15GK103507323SQ201310262930
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】崔溶元, 鄭映振, 文東建, 車芝倫 申請人:三星康寧精密素材株式會社