Thermochromic materials are capable of a reversible change in optical transmittance and electrical resistance in response to temperature. Vanadium dioxide ($VO_2$) is one of the most promising thermocrhomic materials their distinctive switching of optical and electrical characteristics due to an abrupt semiconductor-metal transition at a critical temperature from monoclinic to tetragonal phase. Thermochromic has the potential to be used for a number of applications, including smart windows, infrared sensors or detectors, and Mott transistors. In particular, thermochromic windows effectively reduced the energy consumption in the buildings because phase transition regulates the solor irradiation in a wavelength of 800-2500 nm. Although there has been rapid progress in thermochromic behaviors, there still remain challenges to be solved for transition efficiency, visible transmittance, transition temperature, and fabrication process to achieve highly desirable for low cost industrial production. In this thesis, we study the engineering of structure and fabrication process of the $VO_2$ thin films and on the high transition efficiency by optimization of process parameter and lattice mismatch, high optical transparency with anti-reflection structure, co-doped $VO_2$ thin films, and low process temperature with high density plasma techniques by RF-superimposed DC, and solution-based synthesis of the $VO_2$ thin films with nanopatterns for the industrially favorable process. The thermochromic materials are next-generation smart windows devices, which can be highly useful for the further improvement of efficiency in thermochromic and the realization of high energy saving efficiency.
열변색 물질은 온도에 따라 광학적 특성과 전기적 저항이 가역적으로 변하는 특성을 가지고 있다. 이산화바나듐은 가장 특성이 우수한 열변색 물질로써 상전이온도에 도달하면 단사 결정 구조에서 정방형 결정 구조로 변하기 때문에 반도체-금속 전이 현상을 보여준다. 광학적 및 전기적으로 독특한 전환 특성은 스마트 윈도우, 적외선 센서 및 감지기, 모트 트랜지스터 등의 응용분야에 활용될 수 있다. 특히 열변색 윈도우는 상전이 현상으로 태양광 일사를 제어할 수 있기 때문에 효과적으로 건축물의 에너지 소비를 줄일 수 있다. 열변색 박막은 상용화에 있어 변환 효율, 상전이 온도, 히스테리시스 현상, 가시광 투과율 및 공정 온도의 이슈를 해결해야 한다. 본 연구에서는 공정 최적화 및 기판과의 격자 불일치를 최소화함으로써 상전이 효율의 향상, 저반사 설계를 통해 가시광 투과율 개선, 도핑을 통한 상전이 온도 감소뿐만 아니라 캐소드에 교류와 직류를 중첩시켜 인가시킴으로써 저온 결정화 공정을 연구하였다. 또한 수열합성법으로 이산화바나듐 나노 입자를 형성하고 프린팅 공법을 통해 패턴화된 박막을 형성함으로써 가시광 투과율을 개선하고자 하였다. 효율적인 상전이 현상을 구현함으로써 열변색은 향후 고효율 스마트윈도우로써 각광받을 수 있을 것이다.
