KR101900695B1 - 하이브리드 투명 면상 발열체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것으로서, 상세하게는 투명 기판; 상기 투명기판 상부에 증착되는 발열층; 및 상기 기판 상부 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 상부 양단에 형성되어 발열층 양단을 포함하는 전극;을 포함하고, 상기 발열층은, 상기 기판 상부에 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것으로서, 상세하게는 발열층은 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 금속층을 포함하고, 상기 금속층은 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입됨에 따라, 개선된 투과도를 가짐과 동시에 저압에서도 높은 발열 성능을 나타내는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것이다.
면상 발열체는 전기 통전에 의해 복사열을 발생시키기 때문에 공기 오염이 없고, 위생적일 뿐만 아니라 전자파 발생 및 소음이 없어 히팅 매트, 히팅 패드와 같은 침구류, 주택의 바닥 난방, 사무실/작업장 등의 산업용 난방, 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스, 축사, 농업용 설비, 자동차용 사이드미러, 냉동 진열장 표면, 창호 시스템, 욕실 거울, 가전제품 등과 같은 다양한 산업에서 다양한 형태로 이용되고 있다.
상기 면상 발열체는 철, 니켈, 크롬, 백금과 같은 금속 발열체, 전도성 금속산화물 또는 탄소와 같은 비금속 발열체를 이용할 수 있고, 이 중, 특히 높은 전기 전도성 및 높은 광투과율로 인해 ITO(Indium Tin Oxide) 금속 산화물에 대한 사용 빈도가 높다.
그라나, 상기 ITO에 의한 박막은, 온도가 상승함에 따라 균일하게 발열되지 않으며, 글라스의 곡면 부분에서 유연성이 부족하여 크랙을 발생시키게 됨에 따라, 이를 해결하기 위해서는, ITO의 결정화 온도(160℃) 이상의 고온공정 또는 증착 후 열처리를 실시하는 추가적인 공정이 필요하다.
이에 따라, 최근에는 AgNW(silver nanowire), SWCNT(single-walled carbon nanotube) 및 ITO를 기반으로 한 AgNW 에 ITO를 증착 하거나 SWCNT를 코팅하여 전기적 및 광학적 특성을 지닌 하이브리드 구조가 투명 면상 발열체 재료로서 사용되고 있다.
그러나 상기 대체된 재료들도 고온에서 발열을 유지하지 못하고 끊어지거나 가시광 영역의 투과율이 낮으며, 높은 인가된 작동 전압을 필요로 한다는 점 등 다양한 문제점을 가지고 있어, 이러한 문제점들을 보완할 수 있는 새로운 투명 면상 발열체에 대한 연구가 요구되고 있다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 기판 상에 발열층을 증착함에 있어서, 상기 발열층은 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 금속층으로 이루어지고, 상기 금속층은 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체를 제공하는 것을 그 해결 과제로 한다.
또한 본 발명은, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
투명 기판;
상기 투명기판 상부에 증착되는 발열층; 및
상기 기판 상부 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 상부 양단에 형성되어 발열층 양단을 포함하는 전극;을 포함하고,
상기 발열층은, 상기 기판 상부에 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체가 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,
투명 기판을 준비하는 단계;
상기 투명 기판 상부에 투명 전도성 산화물층-금속층-투명 전도성 산화물층으로 이루어진 발열층을 형성하는 단계; 및
상기 기판 상부 양단 또는 상기 기판과 발열층 양단을 모두 포함하는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 발열층이 2 단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어져, 하이브리드 구조를 나타냄에 따라, 전기적 특성, 광 투과도 및 발열 성능에 있어서 향상된 효과를 나타내게 된다.
더욱이, 본 발명은 상기 발열체의 투명 전도성 산화물층과 금속층의 두께를 조절함으로써, 저압에서도 높은 발열 성능을 나타냄은 물론이고, 개선된 광 투과도를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 투명 면상 발열체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면저항, 비저항, 캐리어 밀도 및 홀 이동도의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 회절 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 3V/cm의 전압을 인가하여 측정한 발열성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 인가 전압을 달리하여 측정한 발열성능을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서리 제거 효율을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면저항, 비저항, 캐리어 밀도 및 홀 이동도의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 회절 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 3V/cm의 전압을 인가하여 측정한 발열성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 인가 전압을 달리하여 측정한 발열성능을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서리 제거 효율을 나타낸 것이다.
본 발명은, 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것으로서, 상세하게는 기판 상에 발열층을 증착함에 있어서, 상기 발열층이 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 금속층으로 이루어지고, 상기 금속층은 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
투명 기판;
상기 투명기판 상부에 증착되는 발열층; 및
상기 기판 상부 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 상부 양단에 형성되어 발열층 양단을 포함하는 전극;을 포함하고,
상기 발열층은, 상기 기판 상부에 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 투명 면상 발열체를 모식화하여 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체에 있어서 상기 투명 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose)필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide; PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene;PS), 이축연신폴리스틸렌(K레진 함유 biaxially oriented PS; BOPS), 유리 또는 강화유리 등으로 형성될 수 있으며, 상기 열거된 물질로 한정되지 않고, 투명성을 가진 기판 재료면 어느 것이나 사용될 수 있다.
또한, 상기 투명 기판 상부에 증착되는 발열층은, 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 금속층으로 이루어지고, 상세하게는 상기 기판 상부에 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어진다.
보다 상세하게는, 상기 발열층은 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어져, 하이브리드 구조를 가짐에 따라, 캐리어 밀도가 증가되어 면저항이 감소하게 되고, 이에 따라 전류량이 증가되어 발열 성능이 현저히 향상됨은 물론이고, 상기 발열 분포가 고르게 나타나게 된다.
바람직하게는 상기 발열층에 있어서, 상기 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층은, 1단의 투명 전도성 산화물층과 2단의 투명 전도성 산화물층이 각각 30 ~ 100nm의 두께 범위를 갖고, 상기 금속층은 5 ~ 20nm의 두께 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 투명 전도성 산화물층이 30~100nm의 두께 범위를 갖는 것은, 상기 투명 전도성 산화물층 두께가 30nm 미만일 경우, 상기 투명 전도성 산화물층과 금속층 사이의 굴절율 차에 의하여 하이브리드 투명 면상 발열체의 투과도가 현저히 낮아지는 문제점이 있고, 상기 투명 전도성 산화물층 두께가 100nm 초과하는 경우에는, 투명도가 현저히 낮아짐은 물론이고, 두꺼운 두께로 인하여 하이브리드 투명 면상 발열체에서 저항체로 작용하여 상기 발열체의 전기적 특성을 감소시켜 발열 효율을 저하시키게 되기 때문이다.
이에, 상기 투명 전도성 산화물층은 30~100nm의 두께 범위를 가짐으로써, 굴절율 정합(index matching)에 의한 투과도를 조절 또는 개선함은 물론이고, 면저항을 향상시켜 발열성을 개선한다.
또한, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층은 5 ~ 20nm의 두께로 조절됨에 따라, 전기적 특성 향상으로 발열 성능이 현저히 향상되고, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에서의 광 굴절률 정합에 의해 광 투과율이 조절 또는 개선되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 투명 전도성 산화물은, ITO(Indium Tin Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gahllium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 바람직하게는 상기 투명 전도성 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속층은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로, 바람직하게는 전기 전도성이 높은 Ag인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 2 단으로 형성된 투명 전도성 산화물층은, 각각 30~50nm의 두께를 가지고, 상기 금속층은 10~15nm의 두께 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 상기 2 단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어진 본 발명의 발열층은, 하이브리드 구조를 나타냄에 따라, 전기적 특성, 광 투과도 및 발열 성능에 있어서 향상된 효과를 나타내게 된다.
또한, 본 발명 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는, 상기 기판 상부 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 상부 양단에 형성되어 발열층 양단을 포함하는 전극을 갖는다.
상기 전극은, Ag, 나노와이어/페이스트와 같은 투명성을 갖는 금속, ITO, ZnO, SnO2와 같은 산화물 투명 전극 또는 카본 나노튜브, 그래핀과 같은 비산화물 투명 전극 등을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 다른 일 측면으로,
투명 기판을 준비하는 단계;
상기 투명 기판 상부에 투명 전도성 산화물층-금속층-투명 전도성 산화물층으로 이루어진 발열층을 형성하는 단계; 및
상기 기판 상부 양단 또는 상기 기판과 발열층 양단을 모두 포함하는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법이 제공된다.
본 발명, 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법은, 투명기판을 준비하는 단계, 발열층을 형성하는 단계 및 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.
이때 상기 투명 기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose)필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide; PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene;PS), 이축연신폴리스틸렌(K레진 함유 biaxially oriented PS; BOPS), 유리 또는 강화유리 등으로 형성될 수 있으며, 상기 열거된 물질로 한정되지 않고 투명성을 가진 기판 재료면 어느 것이나 사용될 수 있다.
다음으로, 발열층을 형성하는 단계는 상기 투명 기판 상부에 투명 전도성 산화물층-금속층-투명 전도성 산화물층을 형성하는 것으로서, 상세하게는, 상기 발열층은, 상기 기판 상부에 투명 전도성 산화물을 30~100nm의 두께로 증착하여, 제 1 단의 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계; 상기 제 1 단의 투명 전도성 산화물층 상부에 금속을 5~20nm의 두께로 증착하여, 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층 상부에 상기 투명 전도성 산화물을 30~100nm의 두께로 증착하여 제 2 단의 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게는 상기 발열층은, 스퍼터링법, 화학기상증착법, 열증착법, 이온빔 증착법, 분무열분해법, 졸-겔 용법 등의 공정으로 형성될 수 있고, 상기 투명 전도성 산화물은 30~100nm의 두께 범위로 증착되고, 상기 금속은 5~20nm의 두께로 증착된다.
이때, 상기 투명 전도성 산화물층이 30~100nm의 두께 범위로 증착되는 것은 굴절율 정합(index matching)에 의한 투과도를 조절 또는 개선함은 물론이고, 면저항을 향상시켜 발열성을 개선하기 위한 것이다.
또한, 상기 금속이 5~20nm의 두께로 증착되는 것은, 전기적 특성 향상으로 발열 성능을 향상시키면서도 상기 투명 전도성 산화물층 사이에서의 광 굴절률 정합에 의해 광 투과율이 조절 또는 개선되도록 하기 위함이다.
바람직하게는, 상기 투명 전도성 산화물층은 30~50nm의 두께 범위를 나타내고, 상기 금속층은 10~15nm의 두께 범위를 나타낸다.
이때, 상기 투명 전도성 산화물은, ITO(Indium Tin Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gahllium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 바람직하게는 상기 투명 전도성 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 한다.
또한, 이때 상기 금속층은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로, 바람직하게는 Ag인 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 발열층 형성단계는, 투명 전도성 산화물층과 금속층을 연속적으로 증착하여 발열층을 형성함에 따라, 2단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과, 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어져, 하이브리드 구조를 갖게 된다. 이에 따라, 본 발명에 의해 제조되는 발열체는 캐리어 밀도가 증가되어 면저항이 감소하게 되고, 이에 따라 전류량이 증가되어 발열 성능이 현저히 향상됨은 물론, 상기 발열 분포가 고르게 나타나게 된다.
다음으로, 전극을 형성하는 단계는, 상기 전극이 상기 기판 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 및 발열층 양단을 모두 포함하도록 형성됨을 특징으로 하고, 상기 전극은, Ag, 나노와이어/페이스트와 같은 투명성을 갖는 금속, ITO, ZnO, SnO2와 같은 산화물 투명 전극 또는 카본 나노튜브, 그래핀과 같은 비산화물 투명 전극 등을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이와 같이 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 발열체는, 발열층으로서, 상기 2 단으로 형성된 투명 전도성 산화물층과 상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입된 금속층으로 이루어진 하이브리드 구조를 나타냄에 따라, 전기적 특성, 광 투과도 및 발열 성능에 있어서 향상된 효과를 나타내게 된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
하이브리드 투명 면상 발열체 제조
기판을 50×50mm 크기의 non-alkali glass(Corning E-2000)로 하고, 타켓을 3인치의 ITO(SnO2, 10중량%) 및 Ag(순도 99.999%)로 하여, 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 상기 기판 상에 상기 ITO 및 Ag를 연속적으로 증착시켜, ITO/Ag/ITO로 박막이 연속적으로 증착된 다층구조의 하이브리드 투명 면상 발열체를 제조하였다.
상기 마그네트론 스퍼터링 공정에 의한 ITO/Ag/ITO 하이브리드 투명 면상 발열체 제조는, ITO 박막 두께는 40nm로 일정하게 하고, 상기 Ag 박막 두께는 10, 15 및 20nm가 되도록 증착하였다.
이를 위하여, 상기 마그네트론 스퍼터링 공정은 상온에서 20sccm의 고순도 Ar을 챔버에 주입하고, DC(Ag) power 및 RF(ITO) power를 각각 100W 및 200W로 하였으며, working pressure는 1.0Pa로 유지하여 실시되었다. 또한, 상기 ITO 및 Ag 타켓을 기판 상에 증착하기 전, 상기 타켓 표면에 남아있는 오염물을 제거하고 방전의 안정성을 유지시키기 위하여 예비 스퍼터링(pre-sputtering)을 10분간 실시하였다.
상기 과정에 의해 기판 상에 ITO-Ag-ITO 순으로 증착된 박막이 형성된 다음에는, 상기 기판 및 ITO-Ag-ITO 박막 양단 모두가 포함되도록 기판 및 박막 양단을 Cu 테이프로 감아 전극을 형성하였다.
이에 따라, 제조된 ITO/Ag/ITO의 다층구조 하이브리드 투명 면상 발열체는 Ag의 박막 두께 10nm, 15nm 및 20nm에 따라 각각 ITO/Ag(10)/ITO, ITO/Ag(15)/ITO 및 ITO/Ag(20)/ITO로 제조되었다.
단일막 투명 면상 발열체 제조
기판을 50×50mm 크기의 non-alkali glass(Corning E-2000)로 하고, 타켓을 3인치의 ITO(SnO2, 10중량%)로 하여, 마그네트론 스퍼터링 공정(RF 200W)에 의해 상기 기판 상부에 상기 ITO가 95nm 두께로 증착된 ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체를 제조하였다.
이때, 상기 ITO 박막층 형성 후, 금속층으로 Ag를 증착하지 않는 것을 제외하고는 상기 하이브리드 투명 면상 발열체 제조방법과 동일한 방법에 의해 ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체를 제조하였다.
분석
전기적 특성 분석
상기 제조된 Ag 박막 두께를 달리한 하이브리드 투명 면상 발열체와 단일막 투명 면상 발열체의 전기적 특성을 분석하기 위하여, 박막의 면저항(sheets resistance), 비저항(resistivity), 캐리어 농도(carrier density) 및 홀 이동도(hall mobility)를 측정하였으며, 이때 상기 홀 이동도는 Hall-effect measurement system(ECOPIA, HMS3000)을 사용하여 측정하였다.
도 2는 상기 하이브리드 투명 면상 발열체 및 단일막 투명 면상 발열체의 면저항, 비저항, 캐리어 농도 및 홀 이동도를 측정하여 나타낸 것이고, 하기 표 1은 상기 발열체 각각의 면저항 및 비저항 값을 정리하여 나타낸 것이다.
| 투명면상발열체 | ITP 박막 두께(nm) |
Ag 박막 두께(nm) |
면저항 (Ω/□) |
비저항 (Ω·cm) |
|
| 하이브리드 투명면상발열체 |
ITO/Ag(10)/ITO | 40 | 10 | 5.33 | 5.11×10-5 |
| ITO/Ag(15)/ITO | 40 | 15 | 3.29 | 3.26×10-5 | |
| ITO/Ag(20)/ITO | 40 | 20 | 2.15 | 2.23×10-5 | |
| 단일막 투명면상발열체 |
ITO(95) | 95 | - | 59.58 | 55.79×10-5 |
이를 참고하면, Ag 박막층이 ITO 박막층 사이에 삽입된 하이브리드 투명 면상 발열체는, 단일막만이 기판에 증착된 투명 면상 발열체 ITO(95)(59.58Ω/□)에 비해 현저히 낮은 면저항(5.33Ω/□ :Ag(10nm), 3.29Ω/□: Ag(15nm), 2.15Ω/□: Ag(20nm))을 나타내고, 상기 ITO 박막층 사이에 삽입되는 Ag 박막 두께가 증가할수록 면저항이 낮아짐을 확인할 수 있었다.(도 2(a) 및 표 1)
또한, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는, ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체와 비교하여 비저항이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.(도 2(b) 및 표 1) 이는 상기 하이브리드 투명 면상 발열체에서 Ag 박막층이 ITO 박막층 사이에 삽입되어 전자의 수가 증가되고 이에 따라 캐리어 밀도가 급격히 증가함에 따른 것이다.
반면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는 Ag 박막층을 포함하여 캐리어 밀도를 증가시킴에 따라 이온화 불순물 산란을 증가시켜, ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체와 비교하여 낮은 홀 이동도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
하기 식 (1)은 상기 하이브리드 투명 면상 발열체 및 단일막 투명 면상 발열체의 전체적인 전기적 특성을 분석하기 위한 것으로, 이를 통해 캐리어 밀도, 홀 이동도 및 비저항의 관계를 분석하였다.
(1) 
상기 식 (1)에 따르면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체의 캐리어 밀도 증가분은 이동도의 감소 분보다 현저히 높게 나타남에 따라, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체의 비저항이 현저히 낮게 됨을 알 수 있었다.
또한, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체 ITO/Ag(10)/ITO, ITO/Ag(15)/ITO 및 ITO/Ag(20)/ITO에서 상기 Ag 박막층의 두께가 증가함에 따라 홀 이동도와 캐리어 밀도가 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 Ag 박막 증착 시, 박막 형성 초기는 섬 구조를 이루다가 점차 연속적인 박막을 형성하게 됨에 따라, ITO 단일층과 Ag의 결정성이 향상되어 입자 크기(grain size)가 커짐에 따른 것으로, 이에 따라 입계에 의한 산란 감소로 이동도가 향상되고, 비저항이 감소되는 것이다.
광투과도 분석
상기 제조된 Ag 박막 두께를 달리한 하이브리드 투명 면상 발열체와 단일막 투명 면상 발열체의 광투과율을 200~1100nm 영역에서 측정하여, 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, 550nm에서 ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체의 광투과율은 81.6%이고, 하이브리드 투명 면상 발열체의 광 투과율은 Ag의 10, 15 및 20 nm의 두께에 따라, 86.9%, 81.7% 및 66.5%로 측정되었다.
이를 통해, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는 Ag 박막층의 두께가 증가할수록 연속적인 박막이 형성되어 반사율이 높아짐에 따라 광투과도가 감소되나, 상기 Ag 박막층 두께 조절을 통해 ITO 단일막 투명 면상 발열체보다 개선된 투과율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
X-ray 회절분석
상기 Ag 박막 두께를 달리한 하이브리드 투명 면상 발열체와 단일막 투명 면상 발열체의 결정구조를 확인하기 위하여, 2θ 모드 24~48°에서, X-ray 회절 분석을 실시하고, 도 4에 이를 나타내었다.
도 4를 참고하면, ITO(95)단일박막의 경우, 2θ=30° 부근에서 (222)방향과 2θ=35°부근에서 (400)방향 회절피크가 나타남에 따라 상기 ITO 단일박막은 halo-pattern임을 알 수 있었다.
반면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체의 경우, 30°부근에서 (222) 회절피크가 나타남을 확인할 수 있었다. 이는, 38°부근 Ag 삽입층 (111)방향의 영향에 의한 것으로, Ag가 버퍼(buffer)층으로 작용하여 Ag 상면에 증착된 ITO가 (222)방향의 에피택셜(epitaxial) 성장한 것으로 판단된다.
발열성능 분석
(1) 동일한 전압(3V/cm)에서의 발열 성능 분석
상기 Ag 박막 두께를 달리한 하이브리드 투명 면상 발열체와 단일막 투명 면상 발열체의 발열성능을 분석하기 위하여, 3V/cm의 동일한 전압을 인가하여, 시간에 따른 평균 발열 온도 및 최고 온도를 측정하였다. 또한, 이때 3V/cm 전압 인가 후 정상상태에서 평균 발열 온도까지 소요되는 시간을 측정함으로써, 발열속도를 측정하였고, 상기 전압을 인가 후 100초가 경과하면 상기 전원을 중단함으로써 냉각속도를 측정하였다.
상기 3V/cm의 동일한 전압조건에서 실시한 발열 성능 분석은 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는 정상 상태에서 평균 발열 온도에 도달하는데 약 30초(발열속도)가 소요되었으며, 최대 발열 온도에서 상온으로의 냉각은 약 50초(냉각속도)가 소요됨에 따라, 발열 및 냉각속도가 빠름을 확인할 수 있었다.
또한, 3V/cm의 전압 인가 시 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는, ITO 박막층 사이에 삽입된 Ag 박막층의 두께 10, 15 및 20nm에 따라 최대 발열 온도가 92, 131 및 145℃로 측정된 반면, 상기 동일한 전압에서 상기 단일막 투명 면상 발열체는 최대 발열 온도가 32℃로 측정되었다. 더욱이, Ag 박막층 두께가 15nm인 ITO/Ag(15)/ITO 하이브리드 투명 면상 발열체는 ITO(95) 단일막 투명 면상 발열체 보다 최대 온도가 약 100℃ 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다.
이는, 상기 하이브리드 박막을 갖는 발열체는 2단의 ITO층 사이에 Ag박막층이 삽입된 형태임에 따라, 상기 Ag층에 의해 면저항이 ITO 단일 박막에 비해 현저히 낮아지고, 상기 Ag 박막층 두께 증가에 의해 면저항 감소가 보다 증가되기 때문이다.
따라서 상기 결과로 부터, 하이브리드 박막에 의한 발열체가 단일박막으로 구성된 발열체 보다 현저히 높은 발열 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
(2) 다양한 인가 전압에서의 발열 성능 분석
상기 Ag 박막 두께를 달리한 하이브리드 투명 면상 발열체와 단일막 투명 면상 발열체의 발열성능을 분석하기 위하여, 인가 전압을 달리하여 발열량을 측정하였다.
이때, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는 2~3V/cm의 인가 전압에서 60초 동안 발열량을 측정하였고, 상기 단일막 투명 면상발열체는 3~12V의 인가 전압에서 60초 동안 발열량을 측정하여, 도 6에 나타내었다.
도 6을 참고하면, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체의 경우, 전체적으로 발열 분포가 균일하게 나타남은 물론이고, 2~3V/cm의 낮은 전압만으로도 100℃ 이상의 발열을 나타냄을 확인할 수 있었다. 더욱이, 상기 하이브리드 투명 면상 발열체는 Ag 박막층 두께가 20nm인 경우, 3V 인가 전압에서 145℃로 현저히 높은 발열 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
반면, 단일막 투명 면상 발열체의 경우, 전체적으로 발열 분포가 균일하지 않음은 물론이고, 100℃의 발열을 나타내기 위해서는 12V/cm의 전압을 인가하여야 함을 확인할 수 있었다.
상기와 같이 하이브리드 구조의 발열체가 단일막 구조의 발열체 보다 균일한 발열 분포도는 물론이고, 현저히 높은 발열율을 나타내는 것은, 하이브리드 구조에 따른 것이다. 즉, ITO 박막층 사이에 삽입된 Ag층에 의해 박막 저항이 낮아지면서 전류량이 증가하기 때문이다.
(3) 서리 제거 효율 분석
상기 하이브리드 투명 면상 발열체 중, 광투과 및 발열 모두에서 높은 성능을 나타낸 Ag 박막층 두께가 15nm인 ITO/Ag(15)/ITO와, 상기 단일막 투명 면상 발열체 ITO(95)에 대한 서리 제거 효율을 측정하였다. 이때 대기온도의 영향을 최소화하기 위하여 드라이아이스를 이용해 주위 온도를 0℃로 만든 후, 상기 서리 제거 효율 측정은 실시되었다.
도 7은 ITO/Ag(15)/ITO 및 ITO(95)에 대한 서리 제거 효율을 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 하이브리드 구조의 ITO/Ag(15)/ITO의 경우, 3V/cm의 전압을 인가함과 동시에 서리가 제거되기 시작하여 약 5초 경과 후 서리가 완벽히 제거됨을 확인할 수 있었다. 반면, 단일막 구조의 ITO(95)는 3V/cm의 전압을 인가하여 약 5초 경과한 후부터 서리가 제거되기 시작하고, 30초가 경과하여도 서리가 완벽하게 제거 되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
상기 분석 결과로 부터, 하이브리드 투명 면상 발열체는 단일막의 투명 면상 발열체에 비해, 전기적 특성 및 발열성이 현저히 향상되고, 2단의 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입되는 금속층의 두께를 조절함으로써, 투과도 또한 개선할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (8)
- 투명 기판;
상기 투명기판 상부에 증착되는 발열층; 및
상기 기판 상부 양단에 형성되거나 또는 상기 기판 상부 양단에 형성되어 발열층 양단을 포함하는 전극;을 포함하고,
상기 발열층은,
상기 기판 상부에 2단으로 형성되어 각각 30~100nm의 두께 범위를 갖는 투명 전도성 산화물층과,
상기 투명 전도성 산화물층 사이에 삽입되어 5~20nm의 두께 범위를 갖는 박막 형상의 금속층으로 이루어지며,
비저항이 2.23×10-5 내지 5.11×10-5 Ω·cm이고, 면저항이 2.15 내지 5.33 Ω/□인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은, Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전도성 산화물층은, ITO(Indium Tin Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전도성 산화물층은 ITO(Indium Tin Oxide)이고, 상기 금속층은 Ag인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체. - 투명 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상부에 투명 전도성 산화물을 30~100nm의 두께로 증착하여, 제 1 단의 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계;
상기 제 1 단의 투명 전도성 산화물층 상부에 금속을 5~20nm의 두께로 증착하여, 박막 형상의 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 금속층 상부에 상기 투명 전도성 산화물을 30~100nm의 두께로 증착하여 제 2 단의 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및
상기 기판 상부 양단 또는 상기 기판과 발열층 양단을 모두 포함하는 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 단계들을 거쳐 제조된 투명 면상 발열체의 비저항은 2.23×10-5 내지 5.11×10-5 Ω·cm이고, 면저항은 2.15 내지 5.33 Ω/□인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법. - 삭제
- 제 6 항에 있어서,
상기 투명 전도성 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide)이고, 상기 금속은 Ag인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 투명 면상 발열체의 제조방법.
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