KR20220088543A - 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20220088543A
KR20220088543A KR1020200178220A KR20200178220A KR20220088543A KR 20220088543 A KR20220088543 A KR 20220088543A KR 1020200178220 A KR1020200178220 A KR 1020200178220A KR 20200178220 A KR20200178220 A KR 20200178220A KR 20220088543 A KR20220088543 A KR 20220088543A
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Abstract

본 발명은 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광을 이용하여 자체 구동되고, 물 건조, 성에 제거, 및 제빙 등에 대한 동작 안정성 및 내구성이 뛰어난 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법{Transparent Heater using Solar Cell, and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광을 이용하여 자체 구동되고, 물 건조, 성에 제거, 및 제빙 등에 대한 동작 안정성 및 내구성이 뛰어난 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
투명히터(Transparent heaters)는 발열층과 기판으로 구성된 투명한 장치이다. 이러한 투명히터는 스마트 윈도우, 제빙기, 및 성에제거기 등과 같이 명확한 시야가 필요한 다양한 어플리케이션에 적용되고 있다.
다만, 위와 같은 어플리케이션에서, 투명히터는 비, 눈, 및 안개 등과 같은 기상 조건에 노출되기 때문에 이에 대한 저항성이 요구되나, 투명히터의 발열층을 구성하는 재료들은 습열 및 고온과 같은 기상 조건에 의하여 빠르게 저하되거나, 작은 부분에 의하여도 부서지는 문제점이 있다.
특히, 발열층의 재료 중에서 금속 나노와이어인 은 나노와이어는 고유한 전기전도성이 높고 투명성이 뛰어나 가장 주목받고 있으나, 기판에 대한 접착력이 매우 약해 내구성에 대한 이슈가 끊이지 않고 있어 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
한편, 일반적인 투명히터는 열을 생성하기 위하여 외부의 전원으로부터 전류를 인가 받아야 하는 구조를 갖는다. 이로 인하여 건물의 창문 또는 웨어러블 전자제품에 적용하기에는 적합하지 않은 문제가 있다.
태양광을 이용하여 자체 구동되고, 물 건조, 성에 제거, 및 제빙 등에 대한 동작 안정성 및 내구성이 뛰어난 태양전지를 이용한 투명히터, 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 태양전지를 이용한 투명히터로서, 기판; 상기 기판의 상면에 배치되는 투명발열층; 및 상기 투명발열층의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 태양전지어레이;를 포함하고, 상기 투명발열층은 금속 나노와이어, 및 금속산화물을 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터를 제공한다.
본 발명에서는, 상기 금속산화물은 상기 금속 나노와이어의 표면에 등각이고 연속적인 막을 형성할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 상기 투명발열층 상면의 양 단부측 일부에 서로 대향되게 배치되는 한 쌍의 전극;을 더 포함하고, 상기 태양전지어레이에 의해 태양광으로부터 생산된 전력을 상기 전극을 통해 상기 투명발열층으로 공급함으로써, 상기 투명발열층이 줄 효과(Joule effect)에 의하여 발열할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 금속 나노와이어는 AgNW, 및 CuNW 중 1 이상을 포함하고, 상기 금속산화물은 ZnO, TiO2, NiO, Al2O3, AZO, 및 ITO 중 1 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 40 내지 200℃의 온도범위로 발열할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 100Ω/□ 이하의 저항값을 갖을 수 있다.
본 발명에서는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 가시광선 파장영역의 빛에서 40% 이상의 투과율 값을 갖을 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법으로서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상면에 투명발열층을 배치하는 단계; 및 상기 투명발열층의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 태양전지어레이를 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 투명발열층은 금속 나노와이어, 및 금속산화물을 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는, 상기 기판의 상면에 투명발열층을 배치하는 단계에서는, 상기 금속 나노와이어의 표면에 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 50 내지 350W의 무선주파수전력, 1 내지 100sccm의 Ar 가스유량, 및 1 내지 100mT의 작동압력의 공정조건 하에서, 상기 금속산화물을 1 내지 100분 간 증착하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명히터와 태양전지어레이의 조합에 의하여 태양광 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 자체 구동되는 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속산화물인 ZnO로 금속 나노와이어인 AgNW의 표면을 코팅함에 따라, 별도의 보호층 없이도 투명발열층의 구조적 변형을 억제할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명발열층이 구조적 안정성을 확보함에 따라, 투명히터가 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있고, 반복적인 가열환경에서도 광학적인 투명성을 유지할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명히터가 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층을 포함함으로써, 장기간에도 안정적으로 동작하고 다양한 기상환경에서도 신속하게 대응할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지를 이용한 투명히터가 건물, 자동차, 및 항공기의 창문에 적용됨으로써, 비, 성에, 및 눈을 효과적으로 제거하여 명확한 시야를 확보할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터의 층상구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일반적인 투명히터에 대한 사항을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명발열층의 열적특성을 개략적으로 도시한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 이미지를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 광학적 및 전기적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 7은 일반적인 투명히터의 구조적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 구조적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 열적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 인가전압별 순환가열반복에 따른 투과율 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 작동안정성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 구동 투명히터에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 디바이스들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다. 아래에서 사용되는 용어들 '~부', '컴포넌트', '모듈', '시스템', '인터페이스' 등은 일반적으로 컴퓨터 관련 엔티티(computer-related entity)를 의미하며, 예를 들어, 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어를 의미할 수 있다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 이 때 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터의 층상구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터로서, 기판(100); 상기 기판(100)의 상면에 배치되는 투명발열층(200); 및 상기 투명발열층(200)의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 배치되는 태양전지어레이(300);를 포함하고, 상기 투명발열층(200)은 금속 나노와이어(210), 및 금속산화물(220)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기판(100)은 투명성을 가지는 모든 재질을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 기판(100)은 투명한 유리기판이다.
일반적으로 투명히터의 구조는 기판, 발열막, 보호층, 및 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 상기 발열막으로 전압을 인가하여 상기 투명히터를 작동시킨다. 이 때, 상기 보호층은 외부로부터 입사되는 자외선을 차단하거나 온도, 및 습도 등의 주변 환경으로부터 상기 발열막을 보호하여 투명히터의 작동 안정성 및 내구성을 확보한다. 상기 투명히터의 상기 발열막을 구성하는 재료로는 탄소나노튜브, 산화물, 그래핀, 및 금속 나노와이어 등이 알려져있다.
본원 발명의 태양전지를 이용한 투명히터는, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 기판(100), 투명발열층(200), 및 한 쌍의 전극(400)으로 이루어지는 투명히터에 태양전지어레이(300)를 배치한 구조를 이루고 있다.
보다 상세하게는, 본원 발명의 태양전지를 이용한 투명히터는, 보호층이 없는 투명히터, 및 태양전지어레이(300)을 포함할 수 있다. 이는 자외선 차단기능, 및 전기 절연기능 등이 뛰어난 금속산화물을 이용하여 표면이 코팅된 금속 나노와이어로 상기 투명발열층(220)을 형성함으로써, 보호층이 없는 투명히터, 및 태양전지어레이(300)를 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있다.
게다가, 본원 발명의 상기 투명히터는, 금속 나노와이어(210) 및 금속산화물(220)을 조합하여 상기 투명발열층(200)을 구성함에 따라 우수한 특성을 발현할 수 있고, 바람직하게는, 금속 나노와이어(210)인 AgNW 및 금속산화물(220)인 ZnO을 조합하여 상기 투명발열층(200)을 구성함에 따라, 우수한 특성을 발현할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서 상기 투명히터에 7V의 전압이 인가되는 경우 300℃ 이상의 온도로 가열될 수 있고, 해당 온도에서 상기 투명히터의 동작 안정성 또한 확보할 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하기로 한다.
즉, 본원 발명의 태양전지를 이용한 투명히터는, 금속 나노와이어(210) 및 금속산화물(220)로 구성된 투명발열층(200)을 포함하여 우수한 특성을 발현하며, 태양전지어레이(300)를 구비함에 따라 상기 태양전지어레이(300)에 의하여 태양광으로부터 생산된 전력을 이용하여 투명히터를 작동시킬 수 있다. 본원 발명은 태양전지를 이용한 투명히터에 대한 최초의 발명에 해당한다.
상기 투명발열층(200)은, 본 발명의 일 실시예에서, 투명전도체(Transparent conductor)로서 금속 나노와이어(210)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 나노와이어(210)는 AgNW, 및 CuNW 중 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속나노와이어(210) 중에서, 특히 AgNW(은 나노와이어)는 모든 파장 영역대에서 투명한 특성과, 고유의 전기전도성이 높은 장점이 있다. 또한, AgNW는 대규모 생산에 적합하고, 기계적인 견고함과 유연함이 필요한 공정에 적합한 소재이다.
다만, AgNW는 기판(100)에 대한 접착력이 약하고, 열, 및 대기 중의 산소 및 황에 민감하고, 높은 습도 및 온도의 환경에서 특성이 빠르게 저하되거나 작은 부분에 의해서도 부서지는 단점이 있다.
또한, 상기 투명발열층(200)은, 본 발명의 일 실시예에서, 금속산화물(220)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속산화물(220)은 ZnO, TiO2, NiO, Al2O3, AZO, 및 ITO 중 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속산화물(220) 중에서, 특히 ZnO는 3.3eV의 광학밴드갭 값을 갖고 캐리어농도가 낮아 광 투과율, 및 전기 절연성이 우수한 장점이 있다. 또한, ZnO를 포함하는 투명발열층(200)은 스퍼터링법을 통하여 형성되어 기판(100)에 대한 접착력이 우수하다.
전술한 바와 같이, 본원 발명의 태양전지를 이용한 투명히터는 보호층이 없는 투명히터, 및 태양전지어레이(300)를 포함할 수 있고, 이는 자외선 차단기능, 및 전기 절연기능 등이 뛰어난 금속산화물(220)을 이용하여 투명발열층(200)을 이루는 금속 나노와이어(210)의 표면을 코팅함으로써 구현할 수 있다.
즉, 본원 발명에서는, 기존의 투명히터에 적용되는 보호층 대신 상기 금속 나노와이어(210)를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여, 상기 금속산화물(220)로 금속 나노와이어(210)의 표면을 코팅하였다. 보다 상세하게는, 상기 투명발열층(200)은 상기 금속 나노와이어(210), 및 금속산화물(220)을 포함하고, 상기 금속산화물(220)은 상기 금속 나노와이어(210)의 표면에 증착 되어 상기 금속 나노와이어(210)의 표면을 등각이고 연속적인 층으로 코팅할 수 있다. 이와 같은 과정에 의하여, 상기 금속 나노와이어(210)와 상기 금속산화물(220)은 일종의 코어쉘구조를 이룰 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명발열층(220)은, 상기 금속산화물(220)에 의해 표면이 코팅되어 도 1(b)에 도시된 형상을 갖는 복수의 상기 금속 나노와이어(210)로 이루어진 층이다. 이 때, 복수의 금속 나노와이어(210)는 인접하는 금속 나노와이어 사이에서 금속 나노와이어 네트워크를 형성할 수 도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노와이어(210)는 AgNW를 포함하고, 상기 금속산화물(220)은 ZnO를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명발열층(200)은 ZnO에 의해 표면이 코팅된 AgNW(ZnO/AgNW)로 이루어진 층이다.
한편, 상기 태양전지어레이(300)는 실리콘(Si) 기판(100)에 형성된 태양전지를 이용하여 형성된 것으로서, 2.93V의 개방회로전압, 9.33mA의 단락전류, 및 72.68%의 충진율(Fill factor)을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 하나의 상기 태양전지어레이(300)는, 7 x 3 mm2의 크기를 갖는 단일 실리콘 태양전지 6개의 조합에 의해 형성될 수 있다.
또한, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지어레이(300)는 상기 투명발열층(200)의 상면의 일부에 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에서 상기 태양전지어레이(300)는 6개의 단일 실리콘 태양전지를 포함할 수 있다.
상기 태양전지어레이(300)는 태양광으로부터 전력을 생산할 수 있고, 생산된 전력을 전극(400)으로 공급함으로써 투명히터가 태양전지에 의하여 작동할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 상기 투명발열층 상면의 양 단부측 일부에 서로 대향되게 배치되는 한 쌍의 전극(400);을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 태양전지어레이(300)에 의해 태양광으로부터 생산된 전력을 상기 전극(400)을 통해 상기 투명발열층(200)으로 공급함으로써, 상기 투명발열층(200)이 줄 효과(Joule effect)에 의하여 발열할 수 있다.
이 때, 상기 투명발열층(200) 상면의 양 단부측 일부에 배치되는 상기 전극(400)은 상기 태양전지어레이(300)와 겹쳐지지 않도록 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같은 구조에 의하여, 본원 발명에서는 건물의 창문 등으로 적용되어 태양광 발전 시스템에 의하여 전력을 공급받아 작동할 수 있는 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 태양광 에너지원을 사용하여 독립적으로 작동하는 자체 구동식 투명히터로서, 운송, 건물, 웨어러블 및 원격 난방 시스템에 적용될 수 있는 스마트 에너지 시스템에 해당할 수 있다. 즉, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 자체적으로 전력을 공급하는 스마트 윈도우 히터로 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본원 발명의 투명히터는, 금속 나노와이어(210) 및 금속산화물(220)을 조합하여 상기 투명발열층(200)을 구성함에 따라 우수한 특성을 발현할 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터를 이루는 구성요소 중에서, 상기 투명히터의 광학적, 전기적, 열적, 및 구조적 특성에 대하여 상세하게 서술한다.
도 2는 일반적인 투명히터에 대한 사항을 개략적으로 도시한다.
투명히터를 효율적으로 설계하기 위해서는 투과율, 온도, 면적 전력밀도(areal power density), 및 내구성 간의 균형을 관리하는 것이 바람직하다. 이 때 투명발열층에서 생성된 열의 힘(P heat)은, 줄의 첫 번째 법칙에 따라, 저항(ρ)과 단위 면적당 전류밀도(ｊ)의 제곱의 곱에 비례한다. 즉, 아래 식의 관계가 성립된다.
Figure pat00001
또한, 줄의 법칙의 효과 및 열 손실 사이의 밸런스에 의하여, 상기 투명발열층에서 소진되는 전력은 정상 상태 온도(steady-state temperature)와 직접적으로 관련이 있다. 보다 상세하게는, 상기 투명발열층에서 소진되는 전력은 투명히터에 의하여 전달되는 열 전달의 총합에 해당한다. 상기 열 전달의 총합은 ⅰ) 기판(100)으로의 열 전도(△Pcond), ⅱ) 주변 공기로의 대류(△Pconv), 및 ⅲ) 뜨거운 표면에서 방출되는 방사선(△Prad)과 관련이 있다. 즉, 투명히터에서 줄의 효과에 의하여 생성된 열은 아래 식으로 정리할 수 있다.
Figure pat00002
이 때, P는 전력손실, Q는 생성된 열, 및 t는 시간이다. 즉, 투명히터에서 생성된 열은 기판(100)으로의 열 전도, 주변 공기로의 대류, 및 뜨거운 표면에서 방출되는 방사선의 총합이고, 이는 투명발열층에서 소진되는 전력손실에 해당한다.
도 2(a)는 일반적인 투명히터의 구조를 도시한다. 전술한 바와 같이, 일반적으로 투명히터의 구조는 기판, 발열막, 보호층, 및 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 상기 발멸막으로 전압을 공급하여 상기 투명히터를 작동시킨다. 또한, 상기 보호층은 외부로부터 입사되는 자외선을 차단하거나 주변 환경으로부터 상기 발열막을 보호하여 투명히터의 작동 안정성 및 내구성을 확보한다.
도 2(b)는 투명발열층의 재료로 사용될 수 있는 다양한 투명전도체의 열적성능지수를 개략적으로 도시한다. 상기 열적성능지수(Thermal figure of merit; TFOM)는 투명히터의 성능을 평가하기 위해 정의된다. 상기 열적성능지수는 기존의 성능지수(Figure of merit; FOM=σDC/σOp, 이 때 σDC는 전기전도도 및 σOp는 광학전도도에 해당) 및 열전달상수 α의 비율이고, Wm-2℃-1의 단위를 사용한다.
도 2(b)에 도시된 바와 같이, 금속 나노와이어(210)는 CNT, 산화물(220), 그래핀, 금속 메쉬, 및 하이브리드구조(AgNW/Polymide)에 비해 매우 높은 열적성능지수를 갖는다.
이는 금속 나노와이어(210)가 매우 높은 전기 및 열전도율을 갖기 때문이다. 금속 나노와이어(210) 중에서, 특히 AgNW는, 전술한 바와 같이, 모든 파장 영역대에서 투명한 특성과, 고유의 전기전도성이 높은 장점이 있다. 또한, AgNW는 실온에서도 가장 높은 전기전도도 특성을 갖기 때문에, 투명발열층(200)에서 투명전도체의 역할을 수행하는 재료로써 가장 유망한 재료이다.
AgNW를 포함하는 투명발열층(200)을 갖는 투명히터의 성능은 국소소결에 의하여 결정될 수 있다. 상기 국소소결은 서로 다른 AgNW 사이의 접합부 액화없이 열 또는 압력에 의하여 고체/다공성 덩어리를 형성하여 접합부의 전기저항을 감소시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 고체/다공성 덩어리는 AgNW 네트워크(AgNW network)에 해당한다. 따라서, 효과적인 침투경로를 형성함에 따라 보다 감소된 전체 네트워크 전기저항을 확보할 수 있다. 다양한 열-유도 소결 방법은 열 어닐링, 줄 가열, 및 전자 빔 용접 기술을 포함할 수 있다.
다만, 정상상태(steady-state)의 전류흐름 및 환경조건 하에서, AgNW는 핫스팟으로 인하여 침투경로를 잃어버릴 수 있고 이로 인하여 수 일 이내로 전극(400) 고장이 발생될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명발열층(200)의 열적특성을 개략적으로 도시한다.
도 3(a)는 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)에 150, 250, 및 350℃의 온도를 적용한 후의 형상을 나타내는 SEM 이미지를 도시한다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 150℃로 가열된 AgNW는 국소소결에 의하여 각각의 AgNW가 접합부가 고체/다공성 덩어리를 형성한 AgNW 네트워크를 형성하고, 250 및 350℃로 가열된 AgNW는 레일리 불안정성(Rayleigh instability)에 의해 나노스케일의 방울을 형성한다.
바람직하게는, 준비된(as prepared) AgNW의 초기 형상 대비, 150 내지 350℃의 온도 범위로 가열된 후의 AgNW는 온도 구배에 따라 형상이 명확하게 변형되었고, 이와 같은 AgNW의 국소소결, 및 레일리 불안정성(Rayleigh instability)을 통해 나노스케일 방울을 형성하는 AgNW 네트워크의 파손은 주로 표면 장력으로 인한 것이다.
도 3(b)는 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)에 실온, 150℃ 이하, 및 350℃의 온도를 적용한 후의 AgNW의 형상을 개략적으로 도시한다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, AgNW는 실온에서 와이어의 형상을 갖고, 150℃ 이하의 온도에서 네트워크를 형성하고, 350℃의 온도에서 나노스케일의 구체(nanospheres)의 형상을 갖는다.
바람직하게는, 도 3(b)는 레일리 불안정성에 의해 나노스케일의 구체로 변형된 AgNW를 도시하며, 이는 레이저 조사, 줄 가열, UV 광처리, 및 열 가열의 과정과 유사하다.
다만, 실제적인 투명히터는 50 내지 250℃의 온도 범위의 가열기능을 빠르게 제어할 필요가 있으나, 전술한 바와 같이 상기 AgNW를 250℃ 이상으로 가열하는 경우에는 형상에 변형이 발생하는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위하여, 본원 발명에서는 상기 투명발열층(200)에 포함되는 금속 나노와이어(210)인 AgNW를 덮을 수 있도록 금속산화물(220)인 ZnO 막을 형성하였다. 즉, 상기 투명발열층(200)은 표면에 ZnO 막이 형성된 AgNW를 포함할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에서 300℃ 이상에서도 동작이 가능한 투명히터를 구현할 수 있다. 상기 투명히터는 장기간 작동, 다양한 환경, 및 핫스팟 하에서도 AgNW의 우수한 특성을 효율적으로 활용할 수 있고, 열 조건 하에서도 열 안정성을 확보할 수 있다. 즉, 상기 금속산화물(220)인 ZnO로 상기 금속 나노와이어(210)인 AgNW의 표면을 코팅함에 따라, 별도의 보호층 없이도 상기 투명발열층(200)의 구조적 변형을 억제할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 3(c)는 ZnO/AgNW로 이루어진 층을 투명발열층(200)에 150, 250, 및 350℃의 온도를 적용한 후의 형상을 나타내는 SEM 이미지를 분석하였다. 그 결과, 상기 투명발열층(200)이 모든 온도에서 손상되지 않았음을 확인하였다.
즉, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 층을 투명발열층(200)이 50 내지 250℃의 온도구간에서도 구조가 변형되지 않았고, 이에 따라 상기 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 동작 안정성을 확보하여 실제적으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 바람직하게는, 상기 투명발열층(200)이 구조적 안정성을 확보함에 따라, 상기 투명히터가 고온의 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 4(a)는 기판(100) 위에 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 형성하고, 투명발열층(200)의 상면의 일부에 전극(400)을 형성한 투명히터의 구조를 개략적으로 도시한다.
전술한 바와 같이, AgNW는 전기전도도가 높고 모든 파장 영역대에서 투명한 장점을 가지고 있으나, 기판(100)에 대한 접착력이 약하고 주변 환경의 온도, 습도 등에 예민한 단점이 있다.
이와 같은 AgNW는 상기 투명발열층(200)에 단독으로 적용되는 경우, 히터 작동에 따라 발생되는 열에 의하여 구조가 변형되어 투과율이 저하되고, 전기전도도 특성이 저하되는 등 투명히터의 품질에 악영향을 미칠 수 있다.
도 4(b)는 기판(100) 위에 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 형성하고, 투명발열층(200)의 상면의 일부에 전극(400)을 형성한, 본원 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 구조를 개략적으로 도시한다.
전술한 바와 같이, ZnO는 3.3eV의 광학밴드갭 값을 갖고 캐리어농도가 낮아 광 투과율, 및 전기 절연성이 우수한 장점이 있다. 또한, ZnO를 포함하는 투명발열층(200)은 스퍼터링법을 통하여 형성되어 기판(100)에 대한 접착력이 우수하다.
이와 같은 ZnO를 활용하여 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 투명히터에 적용하는 경우, 상기 투명히터는 열 안정성 및 내구성을 확보할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 이미지를 개략적으로 도시한다.
도 5(a)는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)의 단면 FESEM 이미지를 도시한다. 또한, 도 5(b)는 20 나노미터 이하의 평균 직경 및 동일한 육각형 패턴을 갖는 AgNW의 고해상도 투과 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 필름의 층 두께는 1 내지 100 나노미터이다. 바람직하게는, ZnO 필름의 층 두께는 10 내지 20 나노미터이고, 더욱 바람직하게는 ZnO 필름의 층 두께는 15 나노미터이다.
또한, 전술한 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 필름은 20 나노미터 이하의 직경을 갖는 AgNW를 덮을 수 있는 등각(conformal)이고 연속적인 층을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 광학적 및 전기적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 6(a)는 유리기판 위에 ZnO 필름이 형성된 시편(파란색 선)과 유리기판 위에 AgNW가 형성된 시편(연두색 선)의 투과율 그래프를 도시한다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 가시광선 파장 영역대의 투과율에 있어서, 두 시편의 투과율은 유사하다. 다만, 자외선 파장 영역대에서, 유리기판 위에 ZnO 필름이 형성된 시편(파란색 선)이 유리기판 위에 AgNW가 형성된 시편(연두색 선) 대비 뛰어난 UV 흡수율을 가지고 있다.
상기와 같은 AgNW의 UV 특성에 따라, 기존의 투명히터는 보호층을 구비하여 외부로부터 입사되는 자외선을 차단하여 발열막을 보호하거나 투명히터의 작동 안정성을 확보해왔다.
반면, 본원 발명에서는, 상기와 같은 ZnO의 UV 특성을 활용함으로써 보호층이 없는 투명히터를 구현하였다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에서, 자외선 차단기능이 뛰어난 금속산화물(220)인 ZnO를 이용하여 표면이 코팅된 금속 나노와이어(210)인 AgNW로 상기 투명발열층(200)을 형성함으로써, 보호층이 없는 투명히터를 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있다.
이는, 상기 투명발열층(200)이 ZnO/AgNW으로 이루어지는 경우 ZnO가 AgNW를 감싸는 구조로 형성되므로, 상기 유리기판 위에 ZnO 필름이 형성된 시편과 동일하게 빛이 ZnO으로 입사되어 UV 흡수 성능을 발휘할 수 있기 때문이다.
도 6(b)는 FTO로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(파란색 선), AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(빨간색 선), 및 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(연두색 선)의 전류-전압 그래프를 도시한다. 또한, 상기 투명히터들의 사진을 우하단에 도시하고 있다.
저항 값에 있어서, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 상기 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 저항값이 6.38Ω/□에서 3.76Ω/□으로 감소하였다.
반면, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 저항값은 100Ω/□ 이하인 것을 확인할 수 있다. 바람직하게는, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 저항값은 3.0 내지 4.0Ω/□인 것을 확인할 수 있고, 더욱 바람직하게는, 3.5Ω/□의 저항값을 확인할 수 있다. 즉, ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 3.5Ω/□의 저항값을 갖는다. 이에 따라, ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 3V에서 0.85A의 전류를 전도할 수 있고, 이는 상기 FTO로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터 대비 180% 향상된 결과이다.
또한, 전력은 I2R의 관계식을 갖는 줄 효과의 영향을 받아 상기 투명히터에 의하여 손실된다. 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 전력값은 2.55W이고, 이는 상기 FTO로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(1.4W) 대비 182% 향상된 결과이다. 이를 통해, AgNW 각각의 상호연결, 및 줄 효과를 통해 열을 유도하기 위한 침투경로를 형성함으로써, 전자 수송이 향상되는 것을 알 수 있다. 즉, 높은 전력은 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 설계를 통해 생산할 수 있다.
도 7은 일반적인 투명히터의 구조적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다. 도 7에 도시된 상기 투명히터는 AgNW만으로 이루어진 투명발열층(200)을 포함한다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 9V(정상상태작동)에서 30분 동안 장기간 작동한 전후의 AgNW의 XRD 패턴을 분석하였다. XRD 패턴을 보다 명확히 확보하기 위하여, 상기 AgNW는 실리콘 기판 위에 형성되었다. 도 7(a)의 하단에서 관찰된 피크들은 (111), (002), 및 (022)면에 해당하고, 이는 AgNW의 입방정계(cubic crystal system)에 대응된다. 9V에서 장기간 작동한 후의 AgNW의 XRD 패턴에서, 54°이하의 2θ값에서의 피크는 실리콘 기판에 대응된다.
또한, 도 7(b)는 9V에서 30분 동안 장기간 작동한 전후의 AgNW의 (111)면에 대응하는 피크를 도시한다. 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 9V에서 30분 동안 장기간 작동한 이후의 AgNW의 (111)면의 피크 세기는 비교적 감소하였다. 이는 줄 가열 후 AgNW의 네트워크가 손실되어 구조 및 특성이 저하되어, 실리콘 기판이 비교적 많이 노출된 것을 의미한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 구조적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시된 상기 투명히터는 ZnO/AgNW으로 이루어진 투명발열층(200)을 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 9V(정상상태작동)에서 30분 동안 장기간 작동한 전후의 ZnO/AgNW의 XRD 패턴을 분석하였다. 도 8(a)에서 파란색 원으로 표시된 피크들은 ZnO의 육방정형 결정계(hexagonal crystal system)에 대응된다.
또한, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 정상상태작동 전후의 샘플 모두 AgNW에 대응하는 결정학적 면이 모두 일치한다. 다만, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 34.3°의 2θ값에서 ZnO 필름의 (002)면에 해당하는 XRD 피크의 세기는 정상상태작동(9V) 이후에 현저하게 증가하였다. 이는 ZnO 필름의 결정성을 시사한다.
다만, 도 8(d)에 도시된 바와 같이, AgNW 및 ZnO의 정방형/육방정형 결정 대칭(symmetry)으로 인하여 ZnO/AgNW의 격자가 변형되었다.
이와 같은 XRD 패턴 분석을 기반으로, ZnO이 AgNW를 코팅하더라도 AgNW의 결정특성은 그대로 유지된다고 판단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 열적 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 9(a)는 투명히터의 과도 온도 프로파일(transient temperature profile)을 측정하기 위한 셋업을 도시한다. 이 셋업은 투명히터의 뒷면에 부착된 K-type 열전대(thermocouple module)를 이용하여 측정된 실시간 데이터를 획득하기 위한 USB 인터페이스가 있는 마이크로 컨트롤러(ATmega328P)를 포함한다. 상기 투명히터는 복수의 사이드면에 은 페이스트를 포함하고, 상기 은 페이스트는 접촉전극패드의 역할을 수행할 수 있다. 상기 은 페이스트와 접촉된 도선은 소스 측정 장치로 연결될 수 있다.
도 9(b)는 정상상태성능 측정을 위한 다양한 투명히터의 온도 및 인가전압 그래프를 도시한다. 보다 상세하게는, 투명히터의 정상상태성능을 측정하기 위하여, 2.2mm의 두께를 갖는 유리기판 위에 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(검은색 선), 및 2.2mm의 두께를 갖는 유리기판 위에 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(빨간색 선)의 온도 및 인가전압 그래프를 도시한다.
도 9(b)에 도시된 바와 같이, 상기 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터 대비 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 3 내지 9V의 범위를 갖는 모든 작동 전압에 대하여 비교적 높은 온도 값을 나타냈다.
이는 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터가 비교적 효율적으로 작동한 것을 의미한다. 보다 상세하게는, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터가 여과된 경로를 통하여 전자수송이 향상되고 줄 효과에 의한 가열이 유도됨에 따라, 비교적 낮은 전압에서도 높은 온도까지 도달한 것을 의미한다.
특히, 7V의 작동전압에서 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터가 가장 효율적으로 작동하였으며, 상기 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터 대비 145% 향상된 300℃의 온도를 나타냈다.
도 9(c)는 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터에 대한 실시간 온도 프로파일을 도시하고, 도 9(d)는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터에 대한 실시간 온도 프로파일을 도시한다.
전술한 바와 같이, 실제적인 투명히터는 50 내지 250℃의 온도 범위에서 빠르게 제어할 필요가 있다. 이로 인하여, 투명히터는 원하는 온도에 도달하기 위해 필요한 시간에 대한 특성이 중요하다. 도 9(c), 및 도 9(d)에 도시된 바와 같이, 상기 투명히터들 모두 100초 이내의 짧은 시간 내에 원하는 온도에 도달할 수 있다. 도달된 온도는 인가된 전압을 제어하며 유지할 수 있다. 특히, 7V에서 300℃ 이하의 정상상태온도를 갖는 그래프에 의하여, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 ZnO의 세라믹 특성 및 AgNW의 열 방사율의 조합으로 인하여 보다 더 효율적으로 작동하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 인가전압별 순환가열반복에 따른 투과율 특성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
투명히터는 전기적 성능과 더불어, 광학적 성능 또한 중요하다. 본원 발명에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 광학적 성능을 확인하기 위하여, 반복적으로 세 번 가열하는 순환가열작동(Cyclic heating operation)을 실시한 후에 투과율을 측정하였다. 각 가열 사이클은 바이어스를 적용한 다음 정상상태온도를 실현하기 위한 유지보수단계, 및 실온으로 복구하는 냉각단계를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 3, 5, 및 9V의 전압에서 각각 세 번씩 가열하는 순환가열작동을 수행한 후에, 상기 투명히터의 광학적 특성을 분석하였다.
도 10(a)는 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터에 대한 투과율 프로파일을 도시한다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 3V의 전압을 인가하는 경우 가열 사이클 이후의 투과율이 거의 유사하였고, 5V의 전압을 인가하는 경우 가시광선 파장영역(400nm < λ < 750nm)에서의 투과율 감소와 함께 약간의 변화가 발생되었고, 9V의 전압을 인가하는 경우 가시광선 파장영역에서 70.29%에서 63.49%로 투과율이 크게 저하되었다.
표 1은 AgNW로 이루어진 투명발열층(200)의 평균 투과율값을 요약하였다.
투명히터 종류 인가전압 평균 투과율 (%)
파장 범위: 400 내지 750nm
Cycle1 Cycle2 Cycle3
AgNW 3V 70.84 71.19 70.11
5V 70.43 69.49 68.04
9V 70.29 61.87 63.49
또한, 도 10(a)에서, 각 인가전압에서의 투명발열층(200) 표면의 SEM 이미지가 각 그래프 하단에 도시되어 있다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 3V의 전압이 인가된 이후의 투명히터 대비 9V의 전압이 인가된 이후의 투명히터는 AgNW 및 AgNW 네트워크에 변형이 다수 발생되었다. 이를 통해, 높은 바이어스 조건 하에서의 투명히터의 광학적 투과율 변화는, AgNW의 변형에 의한 것으로 판단할 수 있다.
즉, 투명히터의 가열 용량 및 투명성에 있어서, AgNW를 보호하는 것이 중요하다. 이에 따라, 본원 발명에서는 전술한 바와 같이, 상기 금속산화물(220)로 금속 나노와이어(210)의 표면을 코팅한 투명발열층(200)을 활용하였다.
도 10(b)는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터에 대한 투과율 프로파일을 도시한다. 도 10(b)에 도시된 바와 같이, ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 인가전압에 상관없이 AgNW 및 AgNW 네트워크가 변형이 없고, 양호하고 균일한 투과율을 나타낸다. 이는 순환가열작동 이후에도 일관된 투과율 플롯을 나타낸다.
표 2는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)의 평균 투과율값을 요약하였다.
투명히터 종류 인가전압 평균 투과율 (%)
파장 범위: 400 내지 750nm
Cycle1 Cycle2 Cycle3
ZnO/AgNW 3V 67.38 67.11 66.77
5V 67.14 68.68 67.58
9V 66.71 65.25 67.17
상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터, 즉 태양전지를 이용한 투명히터는 가시광선 파장영역의 빛에서 40% 이상의 투과율 값을 갖는다. 바람직하게는, 태양전지를 이용한 투명히터는 가시광선 파장영역의 빛에서 65% 이상의 투과율 값을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 가시광선 파장영역의 빛에서 67%의 평균 투과율을 갖는다. 상기 가시광선 파장영역은 400 내지 750 nm의 범위의 빛이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명발열층(200)이 구조적 안정성을 확보함에 따라, 투명히터가 반복적인 가열환경에서도 광학적 투명성을 유지할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 도 10(b)에서, 각 인가전압에서의 투명발열층(200) 표면의 SEM 이미지가 각 그래프 하단에 도시되어 있다. 도 10(b)에 도시된 바와 같이, ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 외부 바이어스가 적용되더라도 매우 안정적인 형상을 유지하였다. 즉, 금속산화물인 ZnO로 금속 나노와이어인 AgNW의 표면을 코팅함에 따라, 별도의 보호층 없이도 투명발열층의 구조적 변형을 억제할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명히터의 작동안정성에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
상업적인 어플리케이션에 있어서, 투명히터는 장기간에도 안정적으로 작동될 수 있어야 한다.
도 11(a)에 도시된 바와 같이, ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터를 대상으로 장기간 동안의 순환가열반복을 수행하였다. 보다 상세하게는, 상기 순환가열반복은 3V의 전압을 인가하고 전압을 차단하는 가열주기를 10시간 동안 반복하여 수행되었다. 그 결과, 상기 투명히터는 가열 기간 동안 매우 안정적으로 작동하였고, 100℃의 가열용량을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 11(b)는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터의 열 분포를 도시한다. 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 상기 투명히터에 의해 발생되는 열은 히터 영역 전체에 걸쳐서 매우 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 3V의 전압이 인가된 열화상 이미지는 100℃ 이상의 높은 가열 온도를 가질 수 있다.
또한, 상기 투명히터는 다양한 기상 환경에서 사용될 수 있으므로, 비, 눈, 및 안개 등과 같은 기상 환경에 대한 작동 안정성이 요구된다.
도 11(c)는 비 오는 날의 기상 환경을 시뮬레이션하여, 비오는 날의 물 건조 성능을 확인하기 위한 테스트 결과를 도시한다. 그 결과, 도 11(c)에 도시된 바와 같이, 상기 투명히터에 3V의 전압이 인가되는 경우 물방울은 상기 투명히터에 의하여 15초 이내에 빠르게 건조되는 것을 확인할 수 있었다.
도 11(d)는 안개가 자욱한 날의 기상 환경을 시뮬레이션하여, 안개 제거 성능 확인을 위한 성에 제거 테스트 결과를 도시한다. 해당 테스트는 150초 동안 수증기를 상기 투명히터에 지속적으로 노출시키는 방식으로 진행하였다. 그 결과, 도 11(d)에 도시된 바와 같이, 상기 투명히터에 3V의 전압이 인가되는 경우 기본 유리창 대비 선명한 시야가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
도 11(e)는 눈 오는 날의 기상 환경을 시뮬레이션하여, 제빙 성능 확인을 위한 제빙 테스트 결과를 도시한다. 해당 테스트는 창문에 쌓인 눈을 고려하여 수행되었다. 그 결과, 도 11(e)에 도시된 바와 같이, 상기 투명히터에 3V의 전압이 인가되는 경우 상기 투명히터의 창 위에 형성된 두꺼운 얼음 층을 제거하기 위하여 약 560초가 소요된 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 테스트 결과에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터가 실제적인 어플리케이션에도 적합하다고 판단할 수 있다. 이 때, 상기 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터는 기상 조건에 따라 기설정된 전압을 인가받아 구동될 수 있다.
즉, 상기 투명히터가 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층을 포함함으로써, 장기간에도 안정적으로 동작하고 다양한 기상환경에서도 신속하게 대응할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 운송, 건물, 웨어러블 및 원격 난방 시스템에 적용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터가 건물, 자동차, 및 항공기의 창문에 적용됨으로써, 비, 성에, 및 눈을 효과적으로 제거하여 명확한 시야를 확보할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이하에서는, 상기와 같은 투명히터가 적용된, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터의 특성에 대하여 상세하게 서술한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터에 대한 사항들을 개략적으로 도시한다.
도 12(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 태양광으로부터 발전된 전력을 사용하기 위하여, 상기 태양열 구동 투명히터는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터, 및 상기 태양전지어레이(300)를 포함할 수 있다. 단일의 실리콘 태양전지는 7×3 mm2의 크기를 갖고, 6개의 실리콘 태양전지는 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)의 상면 일부에 하나의 태양전지어레이(300)를 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 태양전지어레이(300)는 2.93V의 개방회로전압, 9.33 mA의 단락전류, 및 72.68%의 충진율을 갖는다. 또한, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지어레이(300)의 전류-전압 특성을 기반으로, 상기 태양전지어레이(300)의 태양광에서 전력으로의 전력변환효율(PCE)은 약 15.77%로 추정할 수 있다.
도 12(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 상기 태양전지를 이용한 투명히터(이하, '태양전지를 이용한 투명히터'), 및 상기 태양전지어레이(300)가 없고 따른 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하는 투명히터(이하, '투명히터')를 도시한다.
도 12(c)에 도시된 바와 같이, 각 투명히터의 태양광 발전 가열 용량을 비교하기 위하여, 상기 태양전지를 이용한 투명히터 및 상기 투명히터에 AM 1.5G의 광원을 이용하여 빛을 각각 조사하였다. 상기 AM 1.5G의 광원은 태양광과 유사한 인공광원에 해당한다.
그 결과, 도 12(d)에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지를 이용한 투명히터 및 상기 투명히터는 서로 다른 열적 상태를 확인할 수 있다. 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 40 내지 200℃의 온도범위로 발열할 수 있다. 바람직하게는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 55 내지 60℃의 온도범위로 발열할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 58℃의 온도까지 발열할 수 있다.
반면, 상기 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 45℃의 온도까지 발열한 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기 태양전지를 이용한 투명히터는 상기 투명히터 대비 발열온도가 128.89% 향상되었다.
태양광 효과로 인한 가열 온도를 분석하기 위하여, 100mW/cm2의 표준 태양광 조사 전력 밀도 하에서 태양열에 의해 구동되는 줄 가열 용량을 평가하였다. 16% 이하의 전력변환효율을 갖는 태양전지어레이(300)는 16mW/cm2의 전력을 생성할 수 있다. 이 양의 전력을 투명히터에 공급하는 것을 고려하면, 정상상태온도는 아래 식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure pat00003
이 때 I2R는 입력전력, Qd는 총 열 손실, c는 비열 용량(유리의 경우, 0.84J/g℃), m은 질량(2.2mm 두께의 유리의 경우, 14.3g), 및 To는 초기 실온 온도이다. 80℃ 이하의 가열온도를 고려하여, 복사, 전도, 및 공기 대류에 대하여 최소 방열 조건을 취하였고, 이를 바탕으로 Rsh 값이 3Ω/□인 투명히터에 대하여 60℃이하의 정상상태 온도값을 도출하였다. 이 값은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터로부터 측정된 온도(58℃)와 거의 동일한 값이다.
즉, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터가 태양광 에너지원을 이용하여 독립적으로 작동할 수 있다는 것을 의미한다. 또는, 상기 투명히터와 상기 태양전지어레이(300)의 조합에 의하여 태양광 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 자체 구동되는 상기 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지를 이용한 투명히터의 제조 방법을 서술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법으로서, 기판(100)을 준비하는 단계; 상기 기판(100)의 상면에 투명발열층(200)을 배치하는 단계; 및 상기 투명발열층(200)의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 태양전지어레이(300)를 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 투명발열층(200)은 금속 나노와이어(210), 및 금속산화물(220)을 포함할 수 있다.
상기 기판(100)을 준비하는 단계는, 본 발명의 일 실시예에서, 기판(100)을 아세톤, 메탄올, 및 증류수를 순차적으로 이용하여 세척할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 기판(100)은 투명성을 가지는 모든 재질을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 기판(100)은 투명한 유리기판이다. 또한, 전술한 XRD 패턴 분석, SEM 이미지 등의 투명히터의 특성 분석 시에 사용될 수 있는 실리콘 웨이퍼, 현미경 유리, 및 (FTO) 유리기판 등도 상기 기판(100)과 마찬가지로 아세톤, 메탄올, 및 증류수를 순차적으로 이용하여 세척할 수 있다.
상기 기판(100)의 상면에 투명발열층(200)을 배치하는 단계는, 상기 기판(100) 위에 금속 나노와이어(210)를 형성하는 단계; 및 상기 금속 나노와이어(210) 상에 금속산화물(220)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 기판(100) 위에 금속 나노와이어(210)를 형성하는 단계에서는, 상기 기판(100) 위에 스핀코팅을 이용하여 상기 금속 나노와이어(210)를 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노와이어(210)는 AgNW를 포함할 수 있다. 이 경우, AgNW 잉크는 Flexio(Flexiowire 2020)로부터 구매한 IPA 용액에서 분산되었고, 1 내지 50 나노미터의 직경 및 1 내지 50 마이크로미터의 길이를 갖는다. 바람직하게는, 상기 AgNW 잉크에 포함된 AgNW는 15 내지 25 나노미터의 직경 및 20 내지 25 마이크로미터의 길이를 갖는다. 이 용액을 마이크로 피펫(80 ㎕)을 이용하여 기판(100) 위에 떨어뜨리고, AgNW 네트워크를 형성하기 위하여 1분 동안 2000 rpm으로 회전시켰다.
또한, 상기 금속 나노와이어(210) 상에 금속산화물(220)을 형성하는 단계에서는, 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 상기 금속 나노와이어(210) 상에 금속산화물(220) 막을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속산화물(220)은 ZnO를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 4인치 크기의 직경을 갖는 ZnO 타겟은 상온에서 스퍼터링되었고, 스퍼터링 공정 동안 50 내지 350W의 무선주파수전력(RF power), 1 내지 100sccm의 Ar 가스 유량, 및 1 내지 100mT의 작동 압력의 공정조건 하에서, ZnO를 1 내지 100분 간 증착하여 형성할 수 있다.
즉, 상기 기판의 상면에 투명발열층(200)을 배치하는 단계에서는, 상기 금속 나노와이어(210)의 표면에 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 50 내지 350W의 무선주파수전력, 1 내지 100sccm의 Ar 가스 유량, 및 1 내지 100mT의 작동 압력의 공정조건 하에서, 상기 금속산화물(220)을 1 내지 100분 간 증착하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판의 상면에 투명발열층(200)을 배치하는 단계에서는, 상기 금속 나노와이어(210)의 표면에 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 250 내지 350W의 무선주파수전력, 45 내지 55sccm의 Ar 가스 유량, 및 4 내지 6mT의 작동 압력의 공정조건 하에서, 상기 금속산화물(220)을 3 내지 7분 간 증착하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판의 상면에 투명발열층(200)을 배치하는 단계에서의 기판회전속도는 4 내지 6rpm를 유지할 수 있다.
이러한 제조방법에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명발열층(200)은, 상기 금속산화물(220)에 의해 표면이 코팅된 상기 금속 나노와이어(210)로 이루어질 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 금속산화물(220)은 상기 금속 나노와이어(210)의 표면에 증착되어 상기 금속 나노와이어(210)의 표면을 등각이고 연속적인 층으로 코팅할 수 있고, 상기 금속 나노와이어(210)와 상기 금속산화물(220)은 일종의 코어쉘구조를 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노와이어(210)는 AgNW를 포함하고, 상기 금속산화물(220)은 ZnO를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 상면에 상기 투명발열층(200)을 배치하는 단계에서는, ZnO에 의해 표면이 코팅된 AgNW(ZnO/AgNW)로 이루어진 층을 형성할 수 있다.
본 발명은 태양전지를 이용한 투명히터를 최초로 개시한다. 본 발명의 실시예들에 따른 태양전지를 이용한 투명히터는 스핀코팅, 및 마그네트론 스퍼터링에 의해 달성되었다.
특히, 상기 투명히터는 AgNW와 ZnO로 이루어진 투명발열층(200)을 포함하고, 이로 인하여 투명히터의 작동에 따른 인가전압에 의해 AgNW 및 AgNW 네트워크가 변형되는 것을 효과적으로 방지하여 상기 투명히터의 동작 안정성 및 내구성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명히터와 태양전지어레이의 조합에 의하여 태양광 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 자체 구동되는 태양전지를 이용한 투명히터를 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속산화물인 ZnO로 금속 나노와이어인 AgNW의 표면을 코팅함에 따라, 별도의 보호층 없이도 투명발열층의 구조적 변형을 억제할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명발열층이 구조적 안정성을 확보함에 따라, 투명히터가 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있고, 반복적인 가열환경에서도 광학적인 투명성을 유지할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명히터가 ZnO/AgNW로 이루어진 투명발열층을 포함함으로써, 장기간에도 안정적으로 동작하고 다양한 기상환경에서도 신속하게 대응할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지를 이용한 투명히터가 건물, 자동차, 및 항공기의 창문에 적용됨으로써, 비, 성에, 및 눈을 효과적으로 제거하여 명확한 시야를 확보할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 태양전지를 이용한 투명히터로서,
    기판;
    상기 기판의 상면에 배치되는 투명발열층; 및
    상기 투명발열층의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 태양전지어레이;를 포함하고,
    상기 투명발열층은 금속 나노와이어, 및 금속산화물을 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속산화물은 상기 금속 나노와이어의 표면에 등각이고 연속적인 막을 형성하는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지를 이용한 투명히터는 상기 투명발열층 상면의 양 단부측 일부에 서로 대향되게 배치되는 한 쌍의 전극;을 더 포함하고,
    상기 태양전지어레이에 의해 태양광으로부터 생산된 전력을 상기 전극을 통해 상기 투명발열층으로 공급함으로써, 상기 투명발열층이 줄 효과(Joule effect)에 의하여 발열하는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노와이어는 AgNW, 및 CuNW 중 1 이상을 포함하고,
    상기 금속산화물은 ZnO, TiO2, NiO, Al2O3, AZO, 및 ITO 중 1 이상을 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지를 이용한 투명히터는 AM 1.5G 광원 하에서 40 내지 200℃의 온도범위로 발열할 수 있는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지를 이용한 투명히터는 100Ω/□ 이하의 저항값을 갖는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지를 이용한 투명히터는 가시광선 파장영역의 빛에서 40% 이상의 투과율 값을 갖는, 태양전지를 이용한 투명히터.
  8. 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법으로서,
    기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 상면에 투명발열층을 배치하는 단계; 및
    상기 투명발열층의 상면의 일부에 배치되어 상기 투명발열층에 전력을 공급하는 태양전지어레이를 배치하는 단계;를 포함하고,
    상기 투명발열층은 금속 나노와이어, 및 금속산화물을 포함하는, 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판의 상면에 투명발열층을 배치하는 단계에서는,
    상기 금속 나노와이어의 표면에 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 50 내지 350W의 무선주파수전력, 1 내지 100sccm의 Ar 가스유량, 및 1 내지 100mT의 작동압력의 공정조건 하에서, 상기 금속산화물을 1 내지 100분 간 증착하여 형성하는, 태양전지를 이용한 투명히터의 제조방법.
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