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얇은 필름 코팅은 유리 시공, 태양전지 및 터치스크린과 같은 다양한 분야에서 유리에 새로운 가능을 부여할 수 있다. Megatron 박막증착(sputtering) 시스템을 통해, 다양한 방식으로 재료를 코팅하여 개선된 표면의 질(quality)을 달성할 수 있는 완전히 새로운 코팅을 구현하였다. 연구팀은 10월 21~24일(Hall 15, Booth A33) 독일 뒤셀도르프(Dusseldorf)에서 개최되는 국제 유리기구 박람회에서 본 기법을 소개할 예정이다.

실내는 따뜻하고 아늑하고 바깥은 추울 때, 약간의 열은 창문을 통해 빠져나가게 된다. 가능한 실내에서 빠져나가는 열을 최소화하여 난방비를 절약하고자 3층 유리 단열창호시스템(triple glazing)을 사용한다. 그러나 이 방법의 단점은, 해질녘이나 이른 아침에 가장 발견하기 쉽다. 외부 온도의 하강은 가장 바깥쪽 판유리(pane)의 온도를 야간에 크게 떨어뜨려 공기 중 습기가 유리창에 응결(condensation)되도록 한다. 그 결과 유리창이 뿌옇게 변한다.

빠깥쪽 유리창에 전도성 코팅(conductive coating)을 하면, 소량의 열이 유리창을 통해 차가운 외부 환경으로 발산되므로 응결현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한 이 코팅은 바람이나 기후에 의한 마모에 저항할 수 있도록 하여 흠집이 덜 생기도록 한다. 터치스크린 코팅용으로 사용되고 있는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)은 이런 특성을 제공해 줄 수 있다. 그러나 가장 큰 단점은 비용이다. 인듐은 매우 귀하고 가격이 고가이다. 이 물질로 3층 단열창을 코팅하고자 한다면, 유리창의 가격이 급등하게 될 것이다.

Megatron 박막증착 기술은 박막 및 표면공학 연구소(Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST)에서 개발되었으며, 어떤 종류에도 적용할 수 있는 완전히 새로운 코팅 시스템 개발 가능성을 열어주고 있다. 3층 유리창의 경우, 용액 기반의 티타늄 산화물을 사용하였다. 티타늄(titanium)은 인듐보다 훨씬 저렴하지만 전도성이 없다. 때문에 티타늄에 니오븀(niobium)을 첨가하게 되었다고 Volker Sittinger 박사는 밝혔다. 환원하면, 과학자들은 티타늄에 전도성을 부여하기 위해 코팅 물질을 정교하게 오염시킨 것이다. 그러나 얼만큼의 니오븀을 사용해야 유리창에 물의 응결억제를 최적화할 수 있을까? 지금까지 이에 대한 명확한 해답을 얻지 못했으나 Megatron을 통해 답을 얻게 되었다. 기존의 박막증착 시스템과는 달리, Megatron은 원하는 수준으로 도핑(doping) 농도를 변화시킬 수 있다. 또한 코팅 속도를 증가시켜 더 평활한 표면을 얻을 수 있다.

기존의 박막증착 프로세스는 티타늄 잉곳(ingot)과 같은 고체 물질을 퍼부어 진공 체임버 내에서 고에너지 이온을 사용하는 방식을 이용하였다. 이런 이온이 다수의 티타늄 원자와 충돌하면 티타늄이 유리 기질 상에 매우 얇은 필름형태로 형성된다. 이 도핑 프로세스는 보통 노이븀 이온을 필요로 하며, 그 농도는 이미 시작부터 결정되어 버린다. IST에서 개발한 Megatron 시스템은 다른 방식을 사용하였다. 본 경우, 티타늄과 노이븀으로 각각 만들어진 구별된 물질을 타깃(target)으로 사용하여 도핑 농도를 자유롭게 조절할 수 있도록 하였다. 연구팀은 농도를 마음대로 변경할 수 있을 뿐만 아니라 한 필름의 두께 내에서 농도구배를 줄 수도 있다. 예를 들어 본 방법은 태양전지의 효율을 향상시키는 용도로도 활용할 수 있다.

또한 지금까지 타깃으로 혼합될 수 없는 물질을 필름 형태로 만드는 새로운 코팅도 가능하게 하였다. 예를 들어, 텅스텐과 이산화티타늄의 조합은 내부 공간의 자가세정 표면(self-cleaning surface)을 조성하는데 사용되었다. 자외선이 순수한 이산화티타늄 필름에 조사되면, 필름에 존재하는 어떤 유기 입자도 분해된다. 만약 이산화티타늄 필름을 텅스텐으로 도핑하면, 유기 먼지 입자는 자연광에 노출될 때 분해되고 탈락된다.

Megatron을 구축하기 전에, 이 문제에 대한 시뮬레이션을 먼저 수행하였다: 서로 다른 타깃을 포함하는 두 개의 진공 체임버 가스 시스템을 분리하는 가장 좋은 방법은 무엇인가? 어떤 칸막이가 필요하며 어디에 위치시켜야 하는가? 시뮬레이션은 이에 대한 해답을 제공해 주었다. 연구팀은 10월 21~24일(Hall 15, Booth A33) 독일 뒤셀도르프(Dusseldorf)에서 개최되는 국제 유리기구 박람회에서 본 기법을 소개할 예정이다.

그림> Megatron 플라즈마 방전 모델을 보여주는 시뮬레이션

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-10-10


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