用掺杂剂掺杂的热致变色窗及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用掺杂剂掺杂的热致变色窗以及制造该热致变色窗的方法。所述热致变色窗包括基板和形成在基板上的热致变色薄膜。热致变色薄膜具有用掺杂剂掺杂的热致变色材料，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面沿着深度方向逐渐减小。所述热致变色窗在具有低相变温度的同时具有高水平的可见光透射率和高相变效率。
【专利说明】用掺杂剂掺杂的热致变色窗及其制造方法
[0001]本申请要求在2012年6月27日提交的第10-2012-0069383号韩国专利申请的优先权，出于各种目的通过引用将该申请的全部内容包含于此。
【技术领域】
[0002]本发明涉及用掺杂剂掺杂的热致变色窗以及该热致变色窗的制造方法，更具体地，涉及用掺杂剂掺杂的具有低的相变温度的热致变色窗以及该热致变色窗的制造方法。
【背景技术】
[0003]与例如石油的化学能源的飞涨的价格相适应，开发新能源的必要性正在增加。另夕卜，伴随对新能源的需要，节能技术的重要性正在增加。事实上，普通房屋中至少60%的能源消耗归因于取暖和/或降温。具体地，普通房屋和建筑通过窗损失的能量高至24%。
[0004]因此，已经进行了在保持美观和观看特性(作为窗的基本功能)的同时，通过增加窗的密封性和隔离特性来减少通过窗损失的能量的各种尝试。例如，代表性的方法包括改变窗的尺寸和安装高隔离性的窗。
[0005]高隔离性的窗玻璃的类型包括注氩(Ar)中空玻璃和低辐射玻璃等，在注氩(Ar)中空玻璃中，将氩气等设置在一对玻璃板之间以防止热交换。还有一种类型的玻璃正在被研究，这种玻璃被具有特定的热特性的层包覆以调节引入的太阳能的量。
[0006]具体地，低辐射玻璃的表面上涂有金属或金属氧化物的薄层，金属或金属氧化物的薄层允许入射在窗上的大部分可见光进入，使得房间内部可保持明亮，同时可以阻挡红外(IR)范围的辐射。这种玻璃的作用为，它防止取暖的热泄漏到外部，并且还防止建筑外部的热量进入，由此减少了降温和取暖的费用。然而，由于这种窗的特性在于反射除了可见光之外的波长，所以这种窗具有以下的缺点。具体地，这种窗不允许IR范围的阳光进入到房间内部，这是一个缺点，尤其在冬天，并且其阳光透射率不根据季节和/或温度而调节。
[0007]因此，正在进行热致变色窗的技术的开发，通过用热致变色材料包覆玻璃来提供热致变色窗。当玻璃达到预定的温度或更高的温度时，这样的热致变色窗阻挡近红外(NIR)辐射和红外(IR)辐射而允许可见光通过，由此防止室温上升。
[0008]图1是示出了在相变之前和之后的热致变色窗的阳光透射率水平的变化的曲线图，其中，用由VO2制成的热致变色薄膜包覆玻璃基板的一个表面。
[0009]如图1中所示，可以看出，当用热致变色材料包覆玻璃时，玻璃对阳光(具体地，IR范围的阳光)的透射率在相变之前和相变之后不同。因此，当建筑物降温和取暖时，这可以
改善能量效率。
[0010]然而，由于热致变色材料具有高的相变温度，因此热致变色材料难以在实际的建筑玻璃中应用。具体地，即使是与实际中可用的温度相对接近的二氧化钒(VO2)的相变温度，其也达到68 °C。
[0011]因此，用掺杂剂掺杂由热致变色材料制成的热致变色薄膜，以降低热致变色薄膜的相变温度。[0012]现有技术的掺杂方法包括用由热致变色材料制成的靶和由掺杂剂制成的靶进行共溅射的方法以及使用用掺杂剂掺杂的靶来溅射热致变色材料的方法。
[0013]然而，这些方法的问题在于，掺杂剂被均匀地分散并分布到热致变色薄膜的整个区域，由此减小了可见光透射率的水平以及热致变色薄膜的相变效率。
[0014]提供本发明的背景部分中公开的信息仅是为了更好地理解本发明的【背景技术】，而不应该被认为是承认或者以任何形式表明该信息形成本领域技术人员已知的现有技术。
【发明内容】
[0015]本发明的各方面提供了一种用掺杂剂掺杂的热致变色窗以及制造该热致变色窗的方法，其中，所述热致变色窗在具有低相变温度的同时具有高水平的可见光透射率和高相变效率。
[0016]在本发明的一个方面中，提供了一种热致变色窗，所述热致变色窗包括基板和形成在基板上的热致变色薄膜。热致变色薄膜具有用掺杂剂掺杂的热致变色材料，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面沿着深度方向逐渐减小。
[0017]在本发明的实施例中，所述热致变色窗还可以包括设置在基板和热致变色薄膜之间的阻挡膜。
[0018]所述阻挡膜的成分可以包括从由二氧化硅(Si02)、氧化铝(A1203)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钛(TiO2)和氮化硅(Si3N4)组成的组中选择的一种材料。
[0019]所述阻挡膜还可以包括掺杂剂。
[0020]所述掺杂剂可以是从由Mo、W、Cr、Ni和Zr组成的组中选择的一种。
[0021]所述热致变色材料可以是从由二氧化钒(V02)、氧化钛(III) (Ti203)、氧化铌(NbO2)和硫化镍(NiS)组成的组中选择的一种材料。
[0022]在本发明的另一个方面中，提供了一种制造热致变色窗的方法。所述方法包括以下步骤:在基板上形成掺杂剂层；以及通过在掺杂剂层上沉积热致变色材料使得构成掺杂剂层的掺杂剂扩散到热致变色材料中来形成热致变色薄膜。
[0023]所述方法还可以包括在形成热致变色薄膜的步骤之后对得到的结构进行后退火的步骤。
[0024]所述方法还可以包括在形成掺杂剂层的步骤之前在基板上形成阻挡膜的步骤。掺杂剂层可以形成在阻挡膜上。
[0025]掺杂剂层的厚度可以是5nm或更小。优选的是，热致变色材料是二氧化钒(V02)，热致变色薄膜的厚度可以是至少50nm。
[0026]形成热致变色薄膜的步骤可以实现为溅射。
[0027]根据本发明的实施例，掺杂剂仅被添加到从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面沿着深度方向以浓度梯度掺杂的热致变色薄膜的预定区域，使得用掺杂剂掺杂的热致变色窗具有高水平的可见光透射率和高相变效率，同时具有低的相变温度。
[0028]另外，由于阻挡膜用掺杂剂掺杂，因此可以增加阻挡膜的折射率，由此增加可见光的透射率。
[0029]本发明的方法和装置具有其他的特征和优点，所述其他的特征和优点将通过附图而变得明显，或在附图中进行更详细的阐述，附图被包含于此，并在本发明的下面的详细描述中一起用于解释本发明的特定原理。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是示出了在相变之前和之后的热致变色窗的阳光透射率水平的变化的曲线图，其中，用由VO2制成的热致变色薄膜包覆玻璃基板的一个表面；
[0031]图2是示出了根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗的实施例的示意性剖视图；
[0032]图3是示出了根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗的另一个实施例的示意性首lJ视图;
[0033]图4是示出了根据本发明的制造用掺杂剂掺杂的热致变色窗的方法的实施例的示意性流程图。
【具体实施方式】
[0034]现在将详细参照根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗以及该热致变色窗的制造方法，在附图中示出并在下文描述了本发明的实施例，使得本发明所属【技术领域】的普通技术人员可以容易地实施本发明。
[0035]在整个文件中，应该参考附图，其中在不同的附图中使用相同的参考标号和符号来表示相同的或相似的组件。在本发明的以下描述中，当包含于此的已知的功能和组件的详细描述会使得本发明的主题不清楚时，将省略这些详细描述。
[0036]图2是示出了根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗的实施例的示意性剖视图。
[0037]参照图2，根据本发明该实施例的用掺杂剂掺杂的热致变色窗包括基板100和热致变色薄膜200，热致变色薄膜200由用掺杂剂掺杂的热致变色材料制成，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面沿着深度方向逐渐减小。
[0038]以这种方式，掺杂剂从热致变色薄膜的表面沿着深度方向具有浓度梯度地加入到热致变色薄膜的预定区域，而不是均匀地分散到热致变色薄膜的整个区域。因此，根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗可以具有高水平的可见光透射率和高相变效率，同时具有低的相变温度。
[0039]基板100是支持热致变色薄膜200的基体材料，并且可以优选地实现为钠钙建筑玻璃。
[0040]热致变色薄膜200形成在基板100上，并由用掺杂剂掺杂的热致变色材料制成。如图2中的渐变黑色所显示的，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面随着深度而逐渐减小。
[0041]热致变色材料是指晶体结构因热致变色现象而变化的材料，在热致变色现象中，在特定的温度(相变温度)下发生相变，相变的程度使得物理性质(例如导电性和红外(IR)透射率)显著改变。热致变色材料阻挡阳光(具体地，IR辐射)的能力或者热致变色材料的阳光透射率水平(具体地，IR辐射透射率水平)在相变之前和之后发生改变。热致变色材料可以由从二氧化钒(VO2)、氧化钛(III) (Ti2O3)、二氧化铌(NbO2)和硫化镍(NiS)中选择的一种制成，但不限于此。[0042]热致变色材料中的掺杂剂降低热致变色薄膜200的相变温度。
[0043]掺杂剂的掺杂比例越高，热致变色薄膜200的相变温度就越低。掺杂剂可以是从Mo、W、Cr、Ni和Zr中选择的至少一种。
[0044]另外，如图3中所示，根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗还可以包括阻挡膜300，阻挡膜300形成在基板100和热致变色薄膜200之间。
[0045]通常，通过沉积热致变色材料来形成热致变色薄膜的工艺在高温下执行。当热致变色材料作为覆层正在被直接施加在基板上时，基板内部的离子扩散到热致变色材料中，使得热致变色材料丧失热致变色的特性。
[0046]因此，根据本发明的实施例，阻挡膜300形成在基板100和热致变色薄膜200之间。阻挡膜300可以用作防止基板100内部的离子扩散到热致变色薄膜200中的扩散阻挡件。具体地，当基板100是钠钙玻璃基板时，阻挡膜300可以防止玻璃基板内部的钠(Na)离子扩散到热致变色薄膜200中。
[0047]这里，阻挡膜300可以实现为氧化物或氮化物薄膜，更优选地，可以由从Si02、Al203、Nb205、TiO2和Si3N4中选择的一种材料制成，但不限于此。
[0048]另外，可以用掺杂剂掺杂阻挡膜300来增加其折射率，由此改善可见光透射率的水平。掺杂剂可以是从Mo、W、Cr、Ni和Zr中选择的一种，但不限于此。用于掺杂阻挡膜300的掺杂剂可以与用于掺杂热致变色薄膜200的掺杂剂相同或不同。
[0049]下面将给出根据本发明的制造用掺杂剂掺杂的热致变色窗的方法的实施例的描述。
[0050]图4是示出了根据本发明的制造用掺杂剂掺杂的热致变色窗的方法的实施例的示意性流程图。
[0051]参照图4，为了制造根据本发明的用掺杂剂掺杂的热致变色窗，在第一步骤S100，在基板上形成掺杂剂层。
[0052]形成在基板上的掺杂剂层可以由从Mo、W、Cr、Ni和Zr中选择的一种制成,但不限于此。
[0053]掺杂剂层的厚度可以是大约5nm。优选的是,掺杂剂层的厚度范围是Inm至2nm。由于掺杂剂层形成为像这样的超薄膜，所以在后续的形成热致变色薄膜的工艺中，掺杂剂层的全部掺杂剂原子将扩散到热致变色薄膜中。
[0054]然而，掺杂剂层的厚度可以根据热致变色薄膜的厚度而不同。
[0055]然后，在S200，通过在掺杂剂层上沉积热致变色材料来形成热致变色薄膜。
[0056]由于在高温下沉积热致变色材料，所以掺杂剂层的掺杂剂在热致变色材料的沉积过程中扩散，并且在沉积过程中用扩散的掺杂剂掺杂热致变色薄膜。因此，这形成了用掺杂剂掺杂的热致变色薄膜，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的表面沿着深度方向逐渐减小。
[0057]在示例中，当在掺杂剂层(该掺杂剂层在基板上以Inm至2nm范围的厚度形成)上通过溅射形成具有50nm厚度的二氧化钒(VO2)薄膜时，在于400°C至500°C的温度范围下执行的VO2沉积工艺过程中，掺杂剂层的全部掺杂剂原子扩散到VO2薄膜中。
[0058]由于以这种方式，热致变色薄膜的仅有从表面至预定深度的部分被掺杂剂掺杂，所以可以改善用掺杂剂掺杂的热致变色窗的可见光透射率和相变效率。
[0059]另外，能够通过控制掺杂剂层的厚度和沉积工艺来调节热致变色薄膜的将要被掺杂剂掺杂的深度，由此容易地控制可见光的透射率。另外，能够通过调节掺杂剂层的厚度来容易地控制将要扩散到热致变色薄膜中的掺杂剂的量。
[0060]根据本发明的制造用掺杂剂掺杂的热致变色窗的方法还可以包括在形成热致变色薄膜的步骤S200之后的后退火步骤。
[0061]当因为掺杂剂层的掺杂剂原子在形成热致变色薄膜的步骤S200未全部扩散到热致变色薄膜中而使得掺杂剂层剩余时，该方法还可以包括热处理包括基板、掺杂剂层和热致变色薄膜的多层结构的后退火步骤，以使得剩余的掺杂剂层的全部掺杂剂扩散到热致变色薄膜中。
[0062]另外，根据本发明的制造用掺杂剂掺杂的热致变色窗的方法还可以包括在形成掺杂剂层的步骤SlOO之前在基板上形成阻挡膜的步骤。
[0063]S卩，该方法还可以包括在基板和掺杂剂层之间形成阻挡膜的步骤。阻挡膜用作防止基板中的离子扩散到热致变色薄膜中的扩散阻挡件。这意图防止基板内部的离子与掺杂剂层中的掺杂剂原子一起在形成热致变色薄膜的步骤S200扩散到热致变色薄膜中。
[0064]另外，在阻挡膜上形成热致变色薄膜的步骤S200，还用扩散到阻挡膜中的掺杂剂掺杂该阻挡膜。因此，这可以增加阻挡膜的折射率，由此增加掺杂剂添加到其中的热致变色窗的可见光透射率。
[0065]已经针对附图给出了本发明的特定的示例性实施例的前面的描述。这些示例性实施例不意图是穷举的或者使本发明局限于公开的精确的形式，并且明显的是，在以上教导的启示下，本领域普通技术人员能够做出许多修改和变化。例如，虽然上面描述了掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的下表面沿着深度方向逐渐减小的实施例，但是本发明不限于此，掺杂剂的浓度可以从热致变色薄膜的上表面沿着深度方向逐渐减小。在这种情况下，制造该热致变色窗的方法可包括:通过在基板上沉积热致变色材料来形成热致变色薄膜；在热致变色薄膜上形成掺杂剂层；对包括基板、热致变色薄膜和掺杂剂层的多层结构进行热处理，使得构成掺杂剂层的掺杂剂扩散到热致变色材料中。该方法还可包括:在形成热致变色薄膜之前，在基板上形成阻挡膜，其中，热致变色薄膜形成在阻挡膜上。
[0066]因此，意图的是，本发明的范围不限于前述的实施例，而是被权利要求和它们的等同物所限定。
【权利要求】
1.一种热致变色窗，所述热致变色窗包括: 基板；以及 热致变色薄膜，形成在基板上， 其中，热致变色薄膜包括用掺杂剂掺杂的热致变色材料，掺杂剂的浓度从热致变色薄膜的上表面和下表面中的一个表面沿着深度方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的热致变色窗，所述热致变色窗还包括设置在基板和热致变色薄膜之间的阻挡膜。
3.根据权利要求2所述的热致变色窗，其中，阻挡膜的成分包括从由Si02、Al203、Nb205、TiO2和Si3N4组成的组中选择的一种材料。
4.根据权利要求2所述的热致变色窗，其中，阻挡膜还包括掺杂剂。
5.根据权利要求1所述的热致变色窗，其中，掺杂剂是从由Mo、W、Cr、Ni和Zr组成的组中选择的一种。
6.根据权利要求4所述的热致变色窗，其中，掺杂剂是从由Mo、W、Cr、Ni和Zr组成的组中选择的一种。
7.根据权利要求1所述的热致变色窗，其中，热致变色材料包括从由V02、Ti203、Nb02和NiS组成的组中选择的一种材料。
8.—种制造热致变色窗的方法，所述方法包括下述步骤: 在基板上形成掺杂剂层；以及 通过在掺杂剂层上沉积热致变色材料使得构成掺杂剂层的掺杂剂扩散到热致变色材料中来形成热致变色薄膜。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括在形成热致变色薄膜之后对得到的结构进行后退火。
10.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括:在形成掺杂剂层之前，在基板上形成阻挡膜，其中，掺杂剂层形成在阻挡膜上。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，掺杂剂层的厚度是5nm或更小。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，热致变色材料包括V02，热致变色薄膜的厚度是至少50nm。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，形成热致变色薄膜的步骤包括溅射。
【文档编号】B32B37/15GK103507323SQ201310262930
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】崔溶元, 郑映振, 文东建, 车芝伦 申请人:三星康宁精密素材株式会社