KR101737693B1 - 저전력 고열 면상 발열체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기-열 변환 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 저전력 고열 면상 발열체에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 고열 면상 발열체는 기판; 및 상기 기판 상에 형성되고, 1종의 준금속과 1종의 전이후금속이 도핑되어 있는 주석 산화물을 포함하는 발열층을 포함한다.

Description

저전력 고열 면상 발열체{Film type heating element with low power comsumption for highly intense heating}
본 발명은 전기-열 변환 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 면상 발열체에 관한 것이다.
일반적으로 전기의 통전에 의해 저항 가열되는 전기 발열체는 온도 조절이 용이할 뿐만 아니라 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 소음이 없기 때문에 다양한 분야에서 폭 넓게 이용되고 있다. 이러한 발열체의 발열원으로는 니켈크롬, 철크롬, 구리니켈과 같은 금속 저항선이 일반적으로 사용된다.
상기 금속 저항선을 이용한 발열체에서는 전기가 상기 저항선을 통해 흐르기 때문에 상기 금속 저항선의 어느 한 부분이라도 전기적으로 개방되면 전기 발열체가 작동하지 않으며, 상기 금속 저항선의 단락이 있는 경우에는 과열에 의한 화재의 위험성도 있다. 또한, 상기 금속 저항선은 저항이 높은 곳에서만 열이 발생하는 부분 발열 방식으로 가열이 이루어지므로 전기 발열체 전체의 온도 분포가 불균일하며, 가시광선 방사율이 비교적 크고 적외선의 방사율이 낮기 때문에 금속 저항선의 가열 효율은 일반적으로 낮다. 또한, 상기 금속 저항선을 이용하는 발열체는 전류의 흐름에 따른 전자기파의 발생에 의한 인체 유해성 때문에, 의료용과 같은 응용에 제한이 있다.
상기 금속 저항선을 대체하는 전기 발열체로서, 탄소 섬유를 펄프 부재와 같은 기재 상에 분산시켜 제조되는 섬유형 발열체 및 흑연 판상의 분말이나 탄소 분말을 분산시킨 전도성 고분자 발열 시트와 같은 면상 발열체가 개발되고 있다. 그러나 종래의 면상 발열체는 제조 원가가 높고, 도전 입자를 활용하는 것이어서 기재 전체에 걸쳐 발열 균일성을 확보하기 어려우며, 이로써 대면적화에 제한이 따른다. 또한, 전술한 적외선 방사 효율이 작기 때문에 저전력 구현이 불가능하고, 열적 내구성이 취약하여 최대 온도가 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 고온 가열을 위해 저전력 구동이 가능하고, 발열 균일성과 우수한 발열 성능 및 열적 내구성을 갖는 면상 발열체를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는 기판; 및 상기 기판 상에 형성되고, 1종 이상의 준금속과 1종 이상의 전이후금속이 도핑되어 있는 주석 산화물을 포함하는 발열층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 준금속은 상기 전이후금속보다 도핑량이 상대적으로 많을 수 있다. 상기 전이후금속의 도핑량은 상기 준금속의 도핑량의 1/7 내지 1/5의 범위 내일 수 있다. 상기 주석 산화물 내 상기 전이후금속의 도핑량은 0.10 내지 0.15 at.%일 수 있다. 상기 주석 산화물 내 상기 준금속의 도핑량은 0.65 내지 0.75 at.%일 수 있다. 상기 전이후금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 감소되고, 상기 준금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 증가되는 것에 기초하여 상기 도핑량을 결정함으로서, 소정 발열 온도 구간을 갖도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 준금속은 B(붕소), Si(규소), 게르마늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전이후금속은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi) 및 폴로늄(Po)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 준금속은 Sb(안티몬)을 포함할 수 있고, 상기 전이후금속은 Bi(비스무트)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 준금속 및 상기 전이후금속은 상기 주석 산화물 내에서 산화물 형태로 존재할 수 있다.
일 실시예에서, {110} 면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 20 °~ 30 °의 범위 내에 있고, {211}면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 45 °~ 55 °의 범위 내에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 발열층의 두께는 100 ㎚ 내지 500 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 발열 온도가 500 ℃ 내지 800 ℃일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발열층 상에 형성되는 금속 전극을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 발열층 상에 적층되는 보호층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 발열층 및 상기 보호층은 교대로 반복하여 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 면상 발열체는 의료용 기기, 건강 보조기, 발열기능이 있는 장식품, 가전 제품, 건물, 건물의 바닥, 타일과 같은 마감재, 벽돌, 건물 외부 또는 내부, 자동차 유리창, 농업 시설 기기, 산업용 오븐, 인쇄 배선 회로 기판, 투명 전극, 태양 전지, 인쇄용 잉크 또는 선박용 도료에 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 준금속, 바람직하게는 Sb(안티몬) 및 전이후금속, 바람직하게는 Bi(비스무트)가 도핑된 주석 산화물을 포함하는 박막 형태의 발열층을 구비함으로써, 발열 균일성 확보를 통해 대면적화가 가능하고, 저전력 구동이 가능한 면상 발열체가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 면저항을 통한 우수한 발열 성능 및 열적 내구성을 가질 수 있으며, 이를 통해, 장 수명을 갖는 면상 발열체가 제공될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체의 X-선 회절 분석법(XRD)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 면상 발열체의 시간에 따른 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체(100)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체(100)는 기판(110) 및 발열층(120)을 포함한다. 기판(110)은 유리(glass), 석영(quartz), 세라믹, 소다 라임(soda lime), 플라스틱(plastic), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 수지, 폴리에틸렌(polyethylene) 수지, 또는 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 기판(110)은 유리(glass)를 포함한다.
발열층(120)은 상기 기판(110) 상에 형성된다. 상기 발열층(120)은 적어도 1종 이상의 준금속과 적어도 1종 이상의 전이후금속이 도핑된 주석 산화물을 포함한다. 상기 준금속 및 상기 전이후금속은 상기 주석 산화물 내에서 산화물 형태로 존재할 수 있다.
상기 준금속은 금속과 비금속의 중간 성질을 갖는다. 예를 들어, 상기 준금속은 B(붕소), Si(규소) 게르마늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb) 또는 텔루륨(Te)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 준금속은 Sb (안티몬)을 포함한다.
상기 주석 산화물 내 준금속의 도핑량은 0.65 내지 0.75 at.%(원자수비)일 수 있다. 상기 주석 산화물 내 준금속의 도핑량이 0.65 at.% 미만일 경우, 상기 주석 산화물 내에서 도펀트 역할을 수행하기 어렵다. 상기 주석 산화물 내 준금속의 도핑량이 0.75 at.% 초과일 경우, 면저항의 값이 증가하여 면상 발열체의 발열 온도를 감소시킬 수 있다.
상기 전이후금속은 전이 금속에 비해 녹는점과 끓는점이 낮아 주석 산화물 내에서 전이 금속에 비해 반응성이 크다. 예를 들어, 상기 전이후금속은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi) 또는 폴로늄(Po)을 포함한다. 바람직하게, 상기 전이후금속은 Bi (비스무트)를 포함한다.
상기 주석 산화물 내 전이후금속의 도핑량은 0.10 내지 0.15 at.%의 범위 내이다. 상기 주석 산화물 내 전이후금속의 도핑량이 0.1 at.% 미만일 경우, 상기 주석 산화물 내에서 도펀트 역할을 수행하기 어렵다. 상기 주석 산화물 내 전이후금속의 도핑량이 0.15 at.% 초과될 경우, 반응성이 큰 전이후 금속에 의해 오히려 면상 발열체의 구조 안정화가 어려울 수 있다. 그러나, 상기 범위 내에서, 전이후 금속은 상기 주석 산화물 내에서 산소와 강하게 결합하여 면상 발열체의 구조 안정화를 꾀하여 열적 내구성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전이후금속의 도핑량은 상기 준금속의 도핑량에 비하여 면저항의 값에 더 큰 영향을 주기 때문에, 상기 전이후금속은 상기 준금속에 비하여 상대적으로 미량 첨가될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전이후금속의 도핑량은 상기 준금속의 도핑량의 1/7 내지 1/5의 범위 내일 수 있다. 상기 범위 내에서, 전이후 금속에 의한 면상 발열체의 매트릭스가 안정화되어 열적 내구성과 적외선 방출 효율이 향상되고, 동시에 준금속에 의한 전기전도성의 향상에 의해 발열 특성이 향상될 수 있다. 상기 전이후금속의 도핑량이 상기 준금속의 1/7 미만인 경우, 동일 전력의 소모 대비발열 온도가 작아 전이후금속의 도핑에 의한 열적 내구성 향상과 전기-열 변환 효율의 향상이 나타나지 않으며, 상기 전이후금속의 도핑량이 1/5를 초과할 경우, 광투과도가 70% 미만으로 감소되고, 발열 온도가 급격히 감소된다.
일 실시예에서, 상기 전이후금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 감소되고, 상기 준금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 증가되는 것에 기초하여 상기 도핑량을 결정함으로서, 소정 발열 온도 구간을 갖도록 설계될 수 있다.
발열층(120)의 두께는 약 100 ㎚ 내지 약 500 ㎚일 수 있다. 상기 발열층(120)이 100 ㎚ 미만의 두께를 가지면 높은 저항 값에 비하여 낮은 열 용량으로 인해 발열 효과가 미미할 수 있고, 상기 발열층(120)이 500 ㎚ 초과의 두께를 가지면 기판(110) 상에 균일하게 형성되지 어렵거나 기판(110)과 발열층(120)의 열팽창 계수의 차이와 같은 요인에 의한 크랙(crack)과 같은 결함이 발생할 수 있다. 바람직하게, 발열층(120)은 200 ㎚ 내지 400 ㎚의 두께를 가질 수 있으며, 이 범위에서 고온에서의 수명을 결정하는 박막의 기계적 강도와 발열 온도가 최적화된다. 발열층(120)의 발열 온도는 500 ℃ 내지 800 ℃일 수 있다.
발열층(120)의 면저항(sheet resistance)은 40 Ohm/sq. 내지 500 Ohm/sq.일 수 있다. 동일한 조성비를 갖는 박막들의 면저항은 박막의 두께(thickness)에 따라 달라질 수 있다.
발열층(120)의 투과율(transmittance)은 전술한 도핑량의 범위 내에서 가시광선 파장의 범위(300 ㎚ ~ 700 ㎚)에서 70 % 내지 100 %의 투과율을 가질 수 있다. 상기 발열층(120)은 육안으로 보기에도 투명성을 갖는다. 상기 발열층(120)의 투과율이 70 % 미만인 경우, 불순물이 다수 포함되어 불투명하다. 바람직하게, 발열층(120)은 평균 87 %의 투과율을 갖는다.
발열층(120)은 용액 증발법에 의해 형성될 수 있다. 상기 발열층(120)은 300 ℃ ~ 600 ℃의 증착 장비 내에서 분산 용액을 증발시켜 기판(110) 상에 증착하여 형성될 수 있다. 상기 분산 용액은 용매로서 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 또는 부탄올(butanol)과 같은 알콜과 전구체로서 염화주석(SnCl4), 삼염화안티몬(SbCl3), 및 염화비스무트(BiCl3)을 포함할 수 있다. 필요에 따라, 추가적 도펀트로서 삼염화알루미늄(AlCl3), 삼염화망간(MnCl3), 및 삼염화코발트(CoCl3)와 같은 염이 더 첨가될 수 있다. 상기 전구체들은 전술한 조성 범위를 만족하도록 상기 용매 내에 각각 적합한 농도로 혼합될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분산 용액 내에는 상기 전구체들의 화학 결합을 돕는 금속 염화물과 같은 촉매가 더 첨가될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 증착 장비는 분산 용액을 가열하는 소스부, 상기 분산 용액으로부터 기화된 중간 생성물이 기판(110) 상에 증착되도록 기판(110)을 지지하는 지지부 및 기판(110)을 가열하기 위한 열원을 갖는 증착부를 포함할 수 있다.
상기 분산 용액을 증발시킬 경우 염화주석(SnCl4)의 염소(원소기호 Cl)와 주석(원소기호 Sn) 사이의 결합이 끊어지고, 상기 주석(원소기호 Sn)이 대기 중의 산소(원소기호 O)와 결합하여 주석 산화물(SnOx)이 형성된다. 상기 주석 산화물의 결합 에너지(binding energy)는 486.4eV이다. 상기 주석 산화물은 이산화주석(SnO2)일 수 있다. 상기 주석 산화물은 결정질일 수 있다.
전술한 용액 증발법은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 발열층(120)은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 용액 코팅법, 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 면상 발열체는 발열층(120) 상에 금속 전극(130)이 형성될 수 있다. 또한, 금속 전극(130)이 형성된 발열층(120) 상에 보호층(140)이 더 형성될 수도 있다.
금속 전극(130)은 상기 발열층(120) 상부의 양측에 형성될 수 있다. 상기 금속 전극(130)은 캐노드 또는 애노드의 전극이 형성될 수 있다. 상기 금속 전극(130)은 상기 발열층(120)의 일부 영역, 예를 들면, 가장자리 영역 상에 직접 접촉하여 전기적으로 연결되고 배선(미도시)은 상기 금속 전극(130)의 일부 영역 상에 형성되어 발열층(120)과 외부 회로(전원 및/또는 구동 회로)를 서로 연결할 수 있다.
상기 금속 전극(130)은 발열층(120)에 전류를 전달하여야 하므로 전기 저항이 낮고, 부착이 쉬우며 부착 강도가 큰 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 전극(130)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 및/또는 구리(Cu)와 같은 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속 전극(130)은 스퍼터링과 같은 기상 증착 방식으로 박막 형태로 제조될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 금속 전극(130)은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)과 같은 투명 전도성 산화막 또는 전술한 금속의 슬러리를 이용한 코팅법에 의해 제조될 수도 있다.
보호층(140)은 상기 발열층(120)을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 것으로서 내열성 및 내습성 물질로 형성될 수 있다. 상기 보호층(140)은 산화마그네슘(MgO)과 같은 유전체 산화물, 직포 및 부직포 구조의 섬유체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보호층(140)은 기상 증착법이나 분산 용매를 이용한 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 디핑 방법, 브러슁 또는 기타 습식 코팅 방법 또는 접착재를 이용해 적층될 수도 있다.
상기 직포 또는 부직포는 예를 들면, 폴리에스테르 섬유, 폴리아마이드 섬유, 폴리우레탄 섬유, 아크릴 섬유, 폴리올레핀 섬유 또는 셀룰로오스 섬유와 같은 합성 수지 섬유의 일종 또는 이종 이상으로 제조된 직포 또는 부직포; 면으로 제조된 직포 또는 부직포; 또는 상기 합성 수지 섬유 및 면을 혼합하여 제조된 직포 또는 부직포일 수 있다. 상기와 같은 소재를 이용하여, 직포 또는 부직포를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 일반적인 제지 또는 직조 공정을 이용하여 제조하면 된다.
도 1c를 참조하면, 상기 면상 발열체는 기판(110) 상에 발열층(120), 금속 전극(130) 및 보호층(140)이 교대로 반복하여 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 발열층(120)은 발열층(120)에 포함되는 도핑 물질의 농도가 깊이 방향으로 가변화할 수 있도록 복수의 층들이 집적된 적층 구조를 가질 수도 있다. 복수의 발열층이 집적된 적층 구조를 가짐에 따라, 하나의 발열층(120)으로부터 사용처에 따라 요구되는 물리적 특성이나 전기적 특성을 얻을 수 없는 경우에 적층 구조의 발열층을 적용하여 이를 달성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체의 X-선 회절 분석법(XRD)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체의 X-선 회절에서 회절각 2θ(theta)의 {110}면은 20 °~ 30 °부근에 피크(peak)를 가지며, {101} 및 {200}면은 30 °~ 40 °부근에 피크를 가지며, {211}면은 45 °~ 55 °에 피크를 갖는다. {220}, {310}, {112}, {301} 및 {321} 면은 55 °~ 80 °에서 피크를 갖는다. 이로써, 상기 면상 발열체는 루타일(rutile) 구조의 결정 조직을 갖는다. 면상 발열체(100)는 강하게 결정화된 구조를 가지며, 면상 발열체(100)의 단면 형상은 기둥의 형태를 가질 수 있다.
상기의 면상 발열체는 발열체를 필요로 하는 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 온열기 및 마사지기와 같은 의료용 기기 또는 건강 보조기; 헤어 드라이어, 고데기, 다리미, 순간 온수기, 온수 탱크, 보일러, 온도 유지기, 전기스토브, 발열기능이 있는 장식품, 그릴, 레인지, 토스터기, 세탁기, 밥솥, 커피 메이커, 보온 포트와 같은 가전 제품; 또는 건물, 건물의 바닥, 타일과 같은 마감재, 벽돌, 건물 외부 또는 내부, 및 자동차 유리창에 적용될 수 있고, 페인트 건조기, 온풍기, 미러 제상기와 같은 자동화 시설; 고추 및 과일과 같은 농작물 건조기, 온실 관리기, 농업용 온풍기, 플라스틱 하우스 난방기 등과 같은 농업 시설; 또는 밀폐제 경화를 위한 건조, 각종 물질의 용융 또는 가열을 위한 산업용 오븐, 인쇄 배선 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB), 투명 전극 및 태양 전지의 효율과 내구성 향상을 위하여 응용될 수 있고, 인쇄용 잉크, 회로 기판과 같은 각종 산업화 기기에 적용될 수 있다. 또한, 선박의 선박용 도료 또는 선박용 제품에 이용될 수 있다.
이하 실험예를 통하여 더욱 구체적으로 본 발명의 실시예들에 관하여 설명하기로 한다. 하기 실험예의 구체적 수치들은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 분명히 이해하여야 한다.
실험예 1
전술한 실시예들로부터 선택하여 기상 증착을 위한 분산 용액을 마련하였다. 표 1과 같은 조성을 갖도록 각각 적합한 중량을 취하여 메탄올(methanol), 매트릭스의 전구체로서 염화주석(SnCl4), 준금속의 전구체로서 삼염화안티몬(SbCl3), 전이후금속의 전구체로서 염화비스무트(BiCl3)을 혼합한 분산 용액 5g을 준비하였고, 증착 장비 내에서 300 ℃ ~ 600 ℃의 범위 내에서 상기 분산 용액을 가열하고, 가열된 기판 상에 증착을 수행하였다.
실험예 2
전술한 실시예들로부터 선택하여 기상 증착을 위한 분산 용액을 마련하였다. 표 1과 같은 조성을 갖도록 각각 적합한 중량을 취하여 메탄올(methanol), 염화주석(SnCl4), 삼염화안티몬(SbCl3), 및 염화비스무트(BiCl3)를 포함하는 분산 용액 10g을 준비하였고, 증착 장비 내에서 300 ℃ ~ 600 ℃의 범위 내에서 상기 분산 용액을 가열하고, 가열된 기판 상에 증착을 수행하였다.
비교예
전술한 실시예들과의 비교를 위하여 기상 증착을 위한 분산 용액을 마련하였다. 표 1과 같은 조성을 갖도록 각각 적합한 중량을 취하여 메탄올(methanol), 및 염화주석(SnCl4)을 혼합한 분산 용액 5g을 준비하였고, 증착 장비 내에서 300 ℃ ~ 600 ℃의 범위 내에서 상기 분산 용액을 가열하고, 가열된 기판 상에 증착을 수행하였다.
삭제
삭제
실험예들과 비교예의 조성비
표 1은 상기 실험예들 및 비교예들에 따른 면상 발열체들을 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy)로 분석하여 조성비를 나타낸 표이다. 조성비의 단위는 at.%이다.
실험예 1 실험예 2 비교예
C (탄소) 0 0 0
Sn (주석) 46.54 45.9 47.92
O (산소) 51.37 52.91 52.18
Sb(안티몬) 0.67 0.74 0
Bi(비스무트) 0.12 0.12 0
실험예들과 비교예의 특성 실험 1
표 2는 실험예 1, 실험예 2, 및 비교예의 면상 발열체를 4-point probe를 이용하여 면저항(sheet resistance)을 측정하였고, 석영관(quartz tube)에 둘러싸인 면상 발열체의 양 끝단 전극의 접촉 부분에 220V의 전압을 걸어주어 그 때의 최고 온도 값을 나타낸 표이다.
실험예 1 실험예 2 비교예
최고온도(℃) 650 670 127
면저항(Ohm/sq.) 165 80 680
실험예들에 따른 면상 발열체는 삼염화안티몬(SbCl3) 및 염화비스무트(BiCl3)를 포함하는 분산 용액으로부터 형성되어 준금속으로 안티몬(Sb), 전이후금속으로 비스무트(Bi)가 도핑된 주석 산화물을 포함한다. 비교예에 따른 면상 발열체는 삼염화안티몬(SbCl3) 및 염화비스무트(BiCl3)를 포함하지 않는 분산 용액에 의해 제조되었다. 따라서, 비교예에 따른 면상 발열체는 준금속으로 안티몬(Sb), 전이후금속으로 비스무트(Bi)가 도핑되지 않은 주석 산화물을 포함한다.
실험예 1 및 실험예 24의 면저항은 비교예의 면저항에 비해 상대적으로 낮다. 220 V의 일정 전압을 인가할 때의 소모 전력인 P=V2/R에 따라 면저항이 작을수록 실험예 1 및 실험예 2의 최고온도는 비교예의 최고 온도에 비해 높게 나타났다. 이는 준금속으로 안티몬(Sb), 전이후금속으로 비스무트(Bi)가 도핑된 주석 산화물을 포함하는 실험예 1과 실험예 2의 면상 발열체가 비교예에 비해 발열 성능이 우수하다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 면저항을 통한 우수한 발열 성능이 얻어질 수 있다.
실험예들과 비교예의 특성 실험 2
도 3은 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 면상 발열체를 시간에 따른 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 준금속으로 안티몬(Sb), 전이후금속으로 비스무트(Bi)가 도핑되지 않은 주석 산화물을 포함하는 비교예(CE1)의 면상 발열체는 180분 동안 400 ℃의 온도로 유지하다 급격히 온도가 감소되었다. 하지만 준금속으로 안티몬(Sb), 전이후금속으로 비스무트(Bi)가 도핑된 주석 산화물을 포함하는 실험예 1(EX1) 및 실험예 2(EX2)는 300분 동안 500 ℃ ~ 700 ℃의 온도로 유지되었다. 따라서, 본 실시예에 따른 면상 발열체는 온도 내구성이 상대적으로 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 준금속, 바람직하게는 Sb(안티몬) 및 전이후금속, 바람직하게는 Bi(비스무트)가 도핑된 주석 산화물을 포함하는 박막 형태의 발열층을 구비함으로써, 저전력 구동이 가능한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 면저항을 통한 우수한 발열 성능 및 열적 내구성을 가질 수 있으며, 이를 통해, 사용 수명을 연장할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 면상 발열체를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 면상 발열체 110; 기판
120; 발열층 130; 금속전극
140; 보호층

Claims (25)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성되고, 1종 이상의 준금속과 1종 이상의 전이후금속이 도핑되어 있는 주석 산화물을 포함하는 발열층을 포함하며,
    상기 준금속은 상기 전이후금속보다 도핑량이 상대적으로 많은 면상 발열체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량은 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량의 1/7 내지 1/5의 범위 내인 면상 발열체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주석 산화물 내 상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량은 0.10 내지 0.15 at.%인 면상 발열체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주석 산화물 내 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량은 0.65 내지 0.75 at.%인 면상 발열체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 감소되고, 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 증가되는 것에 기초하여 상기 도핑량을 결정함으로서, 소정 발열 온도 구간을 갖도록 설계된 면상 발열체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 준금속은 B(붕소), Si(규소) 게르마늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 면상 발열체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi) 및 폴로늄(Po)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 면상 발열체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열층 상에 형성되는 금속 전극을 더 포함하는 면상 발열체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열층 상에 적층되는 보호층을 더 포함하는 면상 발열체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발열층 및 상기 보호층은 교대로 반복하여 적층되는 면상 발열체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    발열 온도가 500℃ 내지 800℃의 범위 내인 면상 발열체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 준금속 및 상기 1종 이상의 전이후금속은 상기 주석 산화물 내에서 산화물 형태로 존재하는 면상 발열체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    {110} 면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 20 °~ 30 °의 범위 내에 있고, {211}면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 45 °~ 55 °의 범위 내에 있는 면상 발열체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열층의 두께는 100 ㎚ 내지 500 ㎚의 범위 내인 면상 발열체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 의료용 기기, 건강 보조기, 발열기능이 있는 장식품, 가전 제품, 건물, 건물의 바닥, 마감재, 벽돌, 건물 외부 또는 내부, 자동차 유리창, 농업 시설 기기, 산업용 오븐, 인쇄 배선 회로 기판, 투명 전극, 태양 전지, 인쇄용 잉크 또는 선박용 도료에 적용되는 면상 발열체.
  17. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성되고, 1종 이상의 준금속과 1종 이상의 전이후금속이 도핑되어 있는 주석 산화물을 포함하는 전도성 박막을 포함하며,
    상기 준금속은 상기 전이후금속보다 도핑량이 상대적으로 많은 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량은 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량의 1/7 내지 1/5의 범위 내인 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 주석 산화물 내 상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량은 0.10 내지 0.15 at.%인 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 주석 산화물 내 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량은 0.65 내지 0.75 at.%인 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 감소되고, 상기 1종 이상의 준금속의 도핑량이 증가할수록 면저항은 증가되는 것에 기초하여 상기 도핑량이 결정되는 저전력 전기 전도성 박막 구조체
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 준금속은 B(붕소), Si(규소) 게르마늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 전이후금속은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi) 및 폴로늄(Po)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 1종 이상의 준금속 및 상기 1종 이상의 전이후금속은 상기 주석 산화물 내에서 산화물 형태로 존재하는 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
  25. 제 17 항에 있어서,
    {110} 면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 20 °~ 30 °의 범위 내에 있고, {211}면의 X선 회절 피크 위치 2θ가 45 °~ 55 °의 범위 내에 있는 저전력 전기 전도성 박막 구조체.
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