[논문 리뷰] Towards Commercializing Vanadium Dioxide Films: Investigation of the Impact of Different Interface on the Deterioration Process for Largely Extended Service Life

Tianci Chang, Xun Cao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 05.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 45인용 수 98

한 줄 요약

이 연구는 수증기와 고온 환경에서의 열화를 억제함으로써 산화바나듐(VO2) 필름의 수명을 크게 연장하는 HfO2 기반 봉쇄 구조를 제안한다. VO2 필름의 표면과 단면을 모두 완전히 봉쇄하는 수분 기반 안정성 높은 HfO2 층을 통합함으로써, 실제 환경 조건에서 약 16년 간 안정적인 상전이 성능을 달성하였으며, HfO2 층은 수분과 산화를 차단하는 장벽 역할을 하면서 동시에 광학 성능을 향상시킨다.

ABSTRACT

Long term stability is the most pressing issue that impedes commercialization of Vanadium Dioxide (VO2) based functional films, which show a gradual loss of relative phase transition performance, especially in humid conditions when serving as smart windows. Here, we investigated the impact of different interface on the deterioration process of VO2 films and proposed a novel encapsulation structure for largely extended service life. Hydrophobic and stable hafnium dioxide (HfO2) layers have been incorporated with VO2 films for encapsulated surfaces and cross sections. With modified thickness and structure of HfO2 layers, the degradation process of VO2 can be effectively suppressed. The proposed films can retain stable phase transition performances under high relative humidity (90%) and temperature (60 Celsius) over 100 days, which is equal to about 16 years in the real environment. Improving the stability of VO2 materials is a necessary step towards commercializing production of high performance films for long term use.

연구 동기 및 목표

• VO2 기반 열색변색 필름의 장기적 환경 불안정성이라는 핵심 과제를 해결하여 상용화를 저해하는 요인을 제거한다.
• 특히 표면 및 단면 노출 여부에 따른 인터페이스 구조가 VO2 필름의 열화 과정에 미치는 영향을 조사한다.
• 수분 기반 안정성 높은 HfO2 층을 활용한 새로운 봉쇄 전략을 개발하여 환경 안정성과 광학 성능을 동시에 향상시킨다.
• Hallberg-Peck 가속 모델을 사용하여 가속화된 노화 시험 결과를 기반으로 실제 환경 조건에서의 서비스 수명을 정량화한다.
• VO2 필름을 HfO2로 완전히 봉쇄하는 것이 수분, 산화, 열 열화에 대한 저항력을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

제안 방법

• VO2 필름에 탄성층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 펄스 레이저 증착(PLD)을 사용하여 두께를 조절할 수 있는 HfO2 층(0–200 nm)을 형성한다.
• 반사율 감소 및 광학 성능 최적화를 위해 다층 구조의 VO2/HfO2를 설계하였으며, HfO2 두께를 체계적으로 변화시켜 투명도와 태양열 조절 능력의 균형을 확보한다.
• 가속화된 노화 시험 결과(90% 상대습도, 60°C, 100일)를 실생활 수명으로 외삽하기 위해 Hallberg-Peck 가속 모델을 활용한다.
• 고습도/고온 노화,-boiling water immersion, 및 최대 400°C까지의 열처리를 포함한 세 가지 별도의 안정성 시험을 실시한다.
• X선 회절(XRD), 주사전자현미경(SEM), 투과율 측정을 수행하여 시간이 지남에 따라 상 안정성, 미세구조 변화 및 광학적 성능 열화를 모니터링한다.
• HfO2는 자연스러운 수분 기반 성질, 낮은 수증기 투과율, 높은 경도, 광학 향상에 적합한 굴절률(약 2.0–2.2)을 갖추고 있어 선택되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 노출 대비 단면 노출 여부에 따라 인터페이스 구조가 고습도 환경에서 VO2 필름의 열화 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고습도 및 고온 조건에서 HfO2 봉쇄가 VO2의 산화 및 수해리 반응을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 가속화된 노화 데이터를 기반으로 실생활 조건에서 HfO2 봉쇄된 VO2 필름의 정량적 수명은 얼마인가?
• RQ4 HfO2 층 두께가 VO2 필름의 광학 성능과 환경 안정성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 완전히 봉쇄된 HfO2/VO2 구조는 끊임없이 끓는 물과 고온 열처리에 노출된 후에도 안정적인 상전이 행동을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 완전히 봉쇄된 VO2/HfO2 필름(VH-2)은 90% 상대습도 및 60°C 조건에서 100일 이상 안정적인 열색변색 성능을 유지하였으며, 이는 실생활 조건에서 약 16년에 해당한다.
• HfO2 층은 자연스러운 수분 기반 성질 덕분에 수분 흡착을 크게 감소시켰으며, VO2에 비해 전하 밀도 감소와 수분 분자와의 약한 수소결합이 확인되어 수증기 저항성이 높다는 것이 입증되었다.
• VH-2 샘플은 끓는 물에 24시간 노출된 후에도 약 9%의 태양열 조절 능력을 유지하였고, 봉쇄되지 않은 V-1 필름은 8시간 이내에 완전히 열화되었다.
• XRD 분석 결과, 완전히 봉쇄된 VH-2 필름은 375°C까지 순수 단일정계 VO2 상을 유지한 반면, 보호되지 않은 V-1 필름은 375°C에서 열색변색 성능이 없는 V2O5 상으로 변한 것으로 확인되었다.
• HfO2 층은 열 안정성을 향상시켰으며, VH-2 필름은 375°C까지는 열화 없이 안정성을 유지하였고, 단면이 노출된 VH-1 샘플은 400°C에서 열화가 발생하였다.
• 광학 측정 결과, HfO2 두께 80 nm에서 투명도가 최대 55.8%에 도달하였고, 태양열 조절 능력은 15.9%로 최적의 균형을 이룩하여 광학 성능과 보호 성능을 동시에 향상시켰다.