KR20230111307A - Transparent planar heating element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투명 면상 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 통해 증착된 투습 방지층을 포함하여 내식성 및 투과도를 개선할 수 있는 투명 면상 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transparent planar heating element and a manufacturing method thereof. More specifically, it relates to a transparent planar heating element capable of improving corrosion resistance and transmittance, including a moisture barrier layer deposited through reactive sputtering, and a manufacturing method thereof.
에너지 자원의 고갈에 따라 세계 각국은 에너지 절약 연구에 많은 투자를 진행하고 있다. 이러한 흐름에 맞춰 최근 부각되고 있는 면상 발열체는 일반적으로 사용하고 있는 전기 발열체보다 20% 내지 40%의 전력을 감소시킬 수 있는 제품으로서 전기 에너지 절약 및 경제적 파급 효과가 클 것으로 예상된다.As energy resources are depleted, countries around the world are investing heavily in energy conservation research. In line with this trend, the planar heating element, which has recently emerged, is a product that can reduce power by 20% to 40% compared to a generally used electric heating element, and is expected to have a large electrical energy saving and economic ripple effect.
일반적으로 면상 발열체는 전기통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고, 공기를 오염시키지 않아 위생과 소음 면에서 장점이 있는 바, 히팅 매트 또는 패드 등의 침구류에 많이 이용되고 있다. 또한 면상 발열체는 주택의 바닥 난방, 사무실 및 작업장 등의 산업용 난방, 도장 건조 등 각종 산업장의 가열장치, 비닐 하우스나 축사, 농업용 설비, 자동차용 백미러, 주차장의 동결방지장치, 레저용 방한용 장비, 가전제품 등에 폭넓게 이용되고 있다.In general, the planar heating element uses radiant heat generated by electricity, so it is easy to control the temperature and does not pollute the air, so it has advantages in terms of hygiene and noise, and is widely used in bedding such as heating mats or pads. In addition, the planar heating element is widely used in floor heating of houses, industrial heating in offices and workshops, heating devices in various industrial fields such as paint drying, vinyl houses or barns, agricultural facilities, automobile rearview mirrors, freezing prevention devices in parking lots, and leisure cold weather equipment, home appliances, etc.
면상 발열체는 특히 최근에 그 이용이 활발하여 유럽의 주택 난방의 많은 부분을 대체하고 있으며, 주택 분야 외에 산업용 건조기, 농산물 건조기, 건강의료 보조제품 및 건축부자재 등으로 응용이 가능한 신소재로서 국내뿐만 아니라 해외에서도 그 사용 가능성이 높을 것으로 예상된다.In particular, the use of the planar heating element has been active recently, replacing many parts of European house heating, and it is a new material that can be applied to industrial dryers, agricultural product dryers, health and medical supplements, and building materials in addition to the housing field.
또한, 면상 발열체의 구성 및 재질을 다양하게 변화시켜 상기 용도 이외에 새로운 용도, 예를 들어, 의류나 액자 난로 등의 적용에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 특히 투명성과 전도성을 동시에 발현하는 재료를 사용함으로써 창호 및 거울 등의 투명성이 요구되는 분야로 적용이 확대되고 있다.In addition, by variously changing the configuration and material of the planar heating element, research on new applications other than the above uses, for example, clothing or picture frame stoves, is being continuously conducted. In particular, by using a material that exhibits transparency and conductivity at the same time, application is expanding to fields requiring transparency such as windows and mirrors.
이러한 특성상 기존의 터치스크린패널(TSP)용으로 많이 사용된 투명 전도막(Transparent Conductive Thin Film)을 면상 발열체로 사용할 수 있는데, 대표적인 물질로 산화인듐주석(ITO)을 들 수 있다. 그러나 TSP 용에서와 마찬가지로 ITO의 박막제조를 위해서는 기본적으로 진공상태의 공정이 필요하여 고가의 공정비가 소요될 뿐만 아니라, ITO에 사용되는 인듐은 희귀 금속으로 고갈이 예상되고 있고 원료 자체의 가격이 고가이다. 또한 유연한 디스플레이 소자를 구부리거나 접을 경우 박막의 부서짐에 의해 수명이 짧아지는 단점이 있다.Due to these characteristics, a transparent conductive thin film, which has been widely used for conventional touch screen panels (TSP), can be used as a planar heating element, and indium tin oxide (ITO) is a representative material. However, as in the case of TSP, in order to manufacture thin films of ITO, a process in a vacuum state is basically required, which not only requires expensive processing costs, but also indium used in ITO is expected to be depleted as a rare metal, and the raw material itself is expensive. In addition, when bending or folding the flexible display device, there is a disadvantage in that the lifetime is shortened due to breakage of the thin film.
ITO를 대체하기 위해 투명 전도성 필름의 전도성 소재로서 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 금속 메쉬 그리드 등을 응용한 기술이 개발되고 있다.In order to replace ITO, technologies that apply carbon nanotubes, graphene, metal nanowires, metal mesh grids, etc. as conductive materials for transparent conductive films are being developed.
특히, 1 차원 구조를 갖는 금속 나노와이어 혹은 탄소나노튜브 등이 전기적 네트워크를 형성하며 전도성 필름을 구성하는 경우 높은 전기 전도성을 갖는 필름이 제조될 수 있다. 또한 1 차원 구조의 물질은 그 직경이 수 nm 내지 수십 nm 이기 때문에 분산성이 우수하여 필름으로 제조되었을 때 가시광선 영역에서 85% 이상의 투과도를 획득할 수 있다.In particular, when metal nanowires or carbon nanotubes having a one-dimensional structure form an electrical network and constitute a conductive film, a film having high electrical conductivity can be manufactured. In addition, since the one-dimensional structure material has a diameter of several nm to several tens of nm, it has excellent dispersibility and can obtain transmittance of 85% or more in the visible ray region when made into a film.
그러나, 금속 나노 와이어나 탄소 나노튜브와 같이 일정한 종횡비를 가지는 전도성 물질이 불연속 상으로 분산되어 있는 상태에서 잉크 상에서는 균일하게 분산되어 있더라도, 기재 상에 코팅되어 건조되는 과정 중에 전도성 물질 간의 응집이 발생할 수 있다. 균일도가 좋지 않은 상태에서 인가된 전류는 균일하게 흐르지 않게 되고 국부적으로 높은 열이 발생하게 되며 불균일한 발열이 일어나거나 단선이 되는 경우가 발생하게 된다.However, even if a conductive material having a constant aspect ratio, such as a metal nanowire or a carbon nanotube, is dispersed in a discontinuous phase and uniformly dispersed in an ink, agglomeration may occur between the conductive materials during the process of being coated on a substrate and drying. In a state of poor uniformity, the applied current does not flow uniformly, and high heat is generated locally, and uneven heat generation or disconnection occurs.
대한민국 등록특허 제 10-1222639 호는 그래핀을 포함하는 투명 발열체에 대해 개시하고 있으나, 상기 투명 발열체 또한 기판 상에 그래핀을 형성하는 과정에서 균일도가 좋지 않고, 그래핀 상에서 국부적으로 높은 열이 발생하는 문제점이 있다.Korean Patent Registration No. 10-1222639 discloses a transparent heating element including graphene, but the transparent heating element also has problems in that uniformity is not good and high heat is locally generated on the graphene in the process of forming graphene on a substrate.
한편, ITO를 대체하기 위한 또 다른 기술로는 산화물층/금속층/산화물층으로 형성된 발열체가 연구되고 있으나, 상기 산화물층에 이용되는 금속 산화물이 수분 투과 등에 취약한 문제가 있는 바, 발열체 자체의 내구성이 저하되는 문제가 있다.On the other hand, as another technology for replacing ITO, a heating element formed of an oxide layer/metal layer/oxide layer has been studied, but the metal oxide used for the oxide layer has a problem such as being vulnerable to moisture permeation, etc. There is a problem in that durability of the heating element itself is lowered.
이에, 상기 문제점들을 극복하여, 수분 투과성을 향상시켜 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 투과성이 우수한 면상 발열체의 개발이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a demand for the development of a planar heating element having excellent permeability as well as improving durability by overcoming the above problems and improving water permeability.
본 발명의 목적은 투명 면상 발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a transparent planar heating element and a manufacturing method thereof.
본 발명의 다른 목적은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 통해 증착된 투습 방지층을 포함하여 내식성 및 투과도를 개선할 수 있는 투명 면상 발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a transparent planar heating element capable of improving corrosion resistance and transmittance, including a moisture barrier layer deposited through reactive sputtering, and a manufacturing method thereof.
본 발명의 다른 목적은 내식성 및 투과도가 개선된 투명 히터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a transparent heater with improved corrosion resistance and transmittance.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 제1 금속 산화물층; 상기 제1 금속 산화물층의 상면에 형성된 금속층; 상기 금속층의 상면에 형성된 제2 금속 산화물층; 및 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 증착하여 형성되는 투습 방지층을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, a transparent planar heating element according to an embodiment of the present invention includes a base substrate; a first metal oxide layer formed on one surface of the base substrate; a metal layer formed on an upper surface of the first metal oxide layer; a second metal oxide layer formed on an upper surface of the metal layer; and a moisture barrier layer formed by depositing on the upper surface of the second metal oxide layer.
상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The first and second metal oxide layers may be selected from the group consisting of zinc tin oxide (ZTO), indium gallium zinc oxide (IGZO), zinc aluminum oxide (ZAO), indium zinc oxide (IZO), and zinc oxide (ZnO).
상기 금속층은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The metal layer may be selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, and alloys thereof.
상기 투습 방지층은 Al2O3 박막층이며, 상기 Al2O3 박막층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 이용하여 증착된 것이다.The moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer, and the Al 2 O 3 thin film layer is deposited using a reactive sputtering method.
상기 제2 금속 산화물층의 두께는 10 내지 50nm이며, 상기 투습 방지층의 두께는 20 내지 50 nm인 것이다.The second metal oxide layer has a thickness of 10 to 50 nm, and the moisture barrier layer has a thickness of 20 to 50 nm.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 제조방법은 1) 베이스 기판을 준비하는 단계; 2) 상기 베이스 기판의 일면에 제1 금속 산화물층; 금속층; 및 제2 금속 산화물층의 순으로 적층된 발열층을 형성하는 단계; 3) 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 투습 방지층을 형성하는 단계; 및 4) 상기 발열층의 양 측면에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 투습 방지층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)에 의해 증착된 Al2O3 박막층인 것이다.A method of manufacturing a transparent planar heating element according to another embodiment of the present invention includes the steps of 1) preparing a base substrate; 2) a first metal oxide layer on one surface of the base substrate; metal layer; and forming a heating layer stacked in the order of a second metal oxide layer; 3) forming a moisture barrier layer on the upper surface of the second metal oxide layer; and 4) forming electrodes on both sides of the heating layer, wherein the moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer deposited by reactive sputtering.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 히터는 상기 투명 면상 발열체를 포함하는 것이다.A transparent heater according to another embodiment of the present invention includes the transparent planar heating element.
본 발명의 투명 면상 발열체 및 이의 제조방법에 의하면 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 통해 증착된 투습 방지층을 포함하여 면상 발열체의 내식성 및 투과도를 개선할 수 있는 장점이 있다.According to the transparent planar heating element and its manufacturing method of the present invention, there is an advantage that can improve the corrosion resistance and transmittance of the planar heating element, including a moisture barrier layer deposited through a reactive sputtering method (reactive sputtering).
도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Al2O3 박막층의 내식 특성을 평가하기 위해 제작된 시편의 모식도이다.
도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 7.5 nm의 두께를 가진 ZnO의 FE-SEM 표면 형상을 나타낸 것이다.
도 1(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 7.5 nm의 두께를 가진 Al2O3의 FE-SEM 표면 형상을 나타낸 것이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링법과 Al2O3 타겟 스퍼터링 방법으로 증착한 Al2O3 박막의 증착률 결과를 나타낸 것이다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링법과 타겟 스퍼터링법으로 제조된 20 nm 두께의 Al2O3 박막에 대한 굴절률 결과를 나타낸 것이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO층과 Al2O3 층의 두께를 각각 0 내지 20 nm로 변화시키며 증착한 시편에 대해, 85/85 테스트를 실시하여 10,000 분까지 유지시킬 때의 면저항 변화를 나타낸 것이다
도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cu(20 nm)/ZnO(20 nm) 샘플의 85/85 테스트 전과 10,000 분 후의 시편 사진을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과도 측정에 사용된 glass/ZnO/Cu/ZnO/Al2O3 투명 면상 발열체 샘플 구조를 나타낸 것이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 금속 산화물층의 두께를 10 nm로 고정한 채, Al2O3 박막의 두께를 10 내지 60 nm로 변화시키며 측정한 투과도 결과이다.
도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 금속 산화물층의 두께를 20 nm로 고정한 채, Al2O3 박막의 두께를 10 내지 50 nm까지 변화시키며 측정한 투과도 결과이다.
도 5(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (20 nm)/Al2O3 (40 nm) 구조를 가지는 투명 히터의 줄 발열 (Joule heating) 특성을 나타낸 것이다.
도 5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 히터의 발열 재현성을 시험하기 위해 60 초 간격으로 3.5 V 전압의 인가와 제거를 10회 반복하며 온도의 증가와 하락을 측정한 결과이다.
도 5(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (20 nm)/Al2O3 (40 nm) 구조를 가지는 투명 히터의 전압 증가에 따른 전류와 온도 그래프, 전력 증가에 따른 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 5(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터의 장수명 테스트 결과를 나타낸 것이다.1(a) is a schematic diagram of a specimen manufactured to evaluate corrosion resistance of an Al 2 O 3 thin film layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 1 (b) shows the FE-SEM surface shape of ZnO having a thickness of 7.5 nm according to an embodiment of the present invention.
1(c) shows the FE-SEM surface shape of Al 2 O 3 having a thickness of 7.5 nm according to an embodiment of the present invention.
2(a) shows the results of the deposition rate of Al 2 O 3 thin films deposited by the reactive sputtering method and the Al 2 O 3 target sputtering method according to an embodiment of the present invention.
2(b) shows the refractive index results of Al 2 O 3 thin films having a thickness of 20 nm manufactured by reactive sputtering and target sputtering according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 (a) shows the sheet resistance change when maintaining up to 10,000 minutes by performing an 85/85 test on a specimen deposited while changing the thickness of the ZnO layer and the Al 2 O 3 layer from 0 to 20 nm, respectively, according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 (b) shows specimen photographs of Cu (20 nm) / ZnO (20 nm) samples before and after 85/85 testing according to an embodiment of the present invention and after 10,000 minutes.
Figure 4 (a) shows a glass / ZnO / Cu / ZnO / Al 2 O 3 transparent plane heating element sample structure used for transmittance measurement according to an embodiment of the present invention.
4(b) shows transmittance results measured while changing the thickness of the Al 2 O 3 thin film from 10 to 60 nm while fixing the thickness of the second metal oxide layer to 10 nm according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4(c) shows transmittance results measured while changing the thickness of the Al 2 O 3 thin film from 10 to 50 nm while fixing the thickness of the second metal oxide layer to 20 nm according to an embodiment of the present invention.
5(a) is a Joule heating characteristic of a transparent heater having a ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (20 nm)/Al 2 O 3 (40 nm) structure according to an embodiment of the present invention. It shows.
Figure 5 (b) is a result of measuring the increase and decrease of the temperature by repeating the application and removal of the 3.5 V voltage at 60 second intervals 10 times in order to test the heat generation reproducibility of the transparent heater according to an embodiment of the present invention.
5(c) is a graph of current and temperature with increasing voltage of a transparent heater having a ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (20 nm)/Al 2 O 3 (40 nm) structure according to an embodiment of the present invention, and a temperature change according to power increase.
Figure 5 (d) shows the long life test results of the heater according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
면상 발열체 등에 이용되는 ITO (Indium Tin Oxide)는 높은 가시광선 투과도와 낮은 면저항 특성으로 투명 히터에 사용되고 있는 대표적인 물질 중 하나이다. 그러나, 희토류인 Indium의 첨가 및 필수적인 고온 공정으로 인한 높은 제조원가, 높은 면저항, 산화물 특유의 취성으로 인한 글라스 곡면부에서의 크랙 발생등의 문제로 인해 투명 히터 적용에 한계가 있고 이에 대한 대체 연구가 활발히 진행중이다.ITO (Indium Tin Oxide), which is used for planar heating elements, is one of the representative materials used in transparent heaters due to its high visible light transmittance and low sheet resistance. However, there are limitations to the application of transparent heaters due to problems such as high manufacturing cost due to the addition of indium, a rare earth element, and essential high-temperature process, high sheet resistance, and cracks on the curved surface of glass due to the brittleness peculiar to oxide, and alternative research is being actively conducted.
이를 대체하기 위해 연구중인 물질로는 카본 나노튜브, 그래핀, 은 나노와이어, 산화물/금속/산화물 등이 있는데, 카본 나노튜브와 그래핀은 높은 가시광선 투과도를 보이지만, 면저항이 높아 투명 히터 적용에 적합하지 않고, 은 나노와이어는 높은 가시광성 투과도와 낮은 면저항을 가지지만 면상 발열이 아닌 선상 발열로 발열 균일도가 떨어지며, 열적 안정성과 장기 신뢰성이 취약하여 상업적 투명 히터 적용에 적합하지 않은 문제가 있다.Materials under study to replace them include carbon nanotubes, graphene, silver nanowires, oxides/metals/oxides, and the like. Carbon nanotubes and graphenes exhibit high visible light transmittance, but have high sheet resistance, making them unsuitable for application as transparent heaters. Silver nanowires have high visible light transmittance and low sheet resistance, but have poor heating uniformity due to linear heating rather than plane heating, and poor thermal stability and long-term reliability, making them unsuitable for commercial transparent heater applications.
반면, 산화물/금속/산화물 구조의 투명 히터는 높은 가시광선 투과도와 낮은 면저항을 가질 뿐만 아니라, 박막 내 균일한 면저항의 분포로 인한 균일한 발열특성, 그리고 간단한 공정과 대면적화 등의 장점으로 인해 ITO의 대체물질로 크게 각광받고 있다. On the other hand, transparent heaters with an oxide/metal/oxide structure not only have high visible light transmittance and low sheet resistance, but also have uniform heating characteristics due to uniform sheet resistance distribution in the thin film, and advantages such as simple process and large area.
하지만, 산화물/금속/산화물 투명히터의 산화물로 주로 사용되는 ZnO 산화물층은 수분 투과성이 높아 고온환경에 지속적으로 노출 시 금속층의 부식에 취약하게 되어 장기안정성이 취약하다는 단점을 가지고 있다.However, the ZnO oxide layer, which is mainly used as an oxide of oxide/metal/oxide transparent heaters, has high water permeability and is vulnerable to corrosion of the metal layer when continuously exposed to a high temperature environment, resulting in poor long-term stability.
이에, 본 출원인은 상기 금속층 부식의 문제를 해결할 수 있는 투명 면상 발열체를 개발하기 이르렀다.Accordingly, the present applicant has developed a transparent planar heating element capable of solving the problem of corrosion of the metal layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 제1 금속 산화물층; 상기 제1 금속 산화물층의 상면에 형성된 금속층; 상기 금속층의 상면에 형성된 제2 금속 산화물층; 및 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 증착하여 형성되는 투습 방지층을 포함할 수 있다.A transparent planar heating element according to an embodiment of the present invention includes a base substrate; a first metal oxide layer formed on one surface of the base substrate; a metal layer formed on an upper surface of the first metal oxide layer; a second metal oxide layer formed on an upper surface of the metal layer; and a moisture barrier layer formed by depositing on the upper surface of the second metal oxide layer.
상기 베이스 기판은 유리 기판, 폴리머 기판 등으로, 구체적으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리에텔렌나프탈레이트 (PEN), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(Nylon), 폴리테트라플로우로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리카보네이트 (PC), 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택될 수 있으나, 투명 기판은 제한 없이 모두 사용이 가능하다.The base substrate may be a glass substrate, a polymer substrate, or the like, and may be specifically selected from polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), nylon, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether ether ketone (PEEK), polycarbonate (PC), and polyarylate (PAR), but a transparent substrate may be used without limitation.
면상 발열체의 표면에서 빛이 반사되는 경우, 빛의 투과도가 감소하여 발열체 자체의 투명도가 떨어지는 문제가 있다. 이에, 상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 본 발명의 면상 발열체의 빛 반사 방지막의 역할을 하는 것으로, 빛의 반사를 최소화함으로써, 빛의 투과도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. When light is reflected from the surface of the planar heating element, there is a problem in that the transmittance of light is reduced and the transparency of the heating element itself is lowered. Thus, the first and second metal oxide layers to serve as an anti-reflection film of the planar heating element of the present invention, by minimizing the reflection of light, can serve to improve the transmittance of light.
더 나아가, 상기 금속층에 포함되는 Cu 등은 전기 전도도가 높은 장점이 있는 반면, 쉽게 산화되는 문제가 있는 바, 상기 금속층의 상면에 제2 금속 산화물층이 형성됨에 따라 금속층의 산화를 방지하여 면저항이 상승하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.Furthermore, while Cu or the like included in the metal layer has an advantage of high electrical conductivity, there is a problem of being easily oxidized. As a second metal oxide layer is formed on the upper surface of the metal layer, oxidation of the metal layer is prevented, thereby preventing an increase in sheet resistance.
한편, 면상 발열체가 우수한 특성을 발휘하기 위해서는 상기 금속층이 제1 금속 산화물층 상면에서 연속 박막을 이루는 것이 바람직하며, 이 경우, 면 저항의 감소를 유도함으로써 전체적인 발열체 특성의 증가를 나타낼 수 있는 장점이 있다. 이에, 상기 제1 금속 산화물층은 상기 금속층의 증착 과정에서 젖음성(wettability)을 향상시킴으로써, 상기 금속층이 연속 박막 형태를 이루도록 하는 장점이 있다.On the other hand, in order to exhibit excellent characteristics of the planar heating element, it is preferable that the metal layer form a continuous thin film on the upper surface of the first metal oxide layer. In this case, the overall heating element characteristics are increased by inducing a decrease in sheet resistance. There is an advantage that can be shown. Accordingly, the first metal oxide layer has an advantage of improving wettability during the deposition process of the metal layer so that the metal layer forms a continuous thin film.
한편, 앞서 살핀 바와 같이 상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 수분 투과성이 높아 고온 환경에 지속적으로 노출 시, 금속 층의 부식을 야기할 수 있는 문제가 있는 바, 이에 본 발명의 면상 발열체는 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 추가적으로 투습 방지층을 증착하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, as described above, the first and second metal oxide layers have high moisture permeability, and when continuously exposed to a high-temperature environment, there is a problem that may cause corrosion of the metal layer. Accordingly, the planar heating element of the present invention is characterized in that a moisture permeation prevention layer is additionally deposited on the upper surface of the second metal oxide layer.
즉, 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 추가적으로 투습 방지층을 증착함에 따라, 상기 제2 금속 산화물층을 통해 금속층에 수분이 투과됨으로써 발생할 수 있는 면상 발열체 자체의 부식 문제를 해결할 수 있는 장점이 있는 것이다.That is, as a moisture barrier layer is additionally deposited on the upper surface of the second metal oxide layer, it is possible to solve the problem of corrosion of the planar heating element itself, which may be caused by moisture permeating the metal layer through the second metal oxide layer.
상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 ZnO이다.The first and second metal oxide layers may be selected from the group consisting of zinc tin oxide (ZTO), indium gallium zinc oxide (IGZO), zinc aluminum oxide (ZAO), indium zinc oxide (IZO), and zinc oxide (ZnO). Preferably, the first and second metal oxide layers are ZnO.
상기 금속층은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 Cu이다.The metal layer may be selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, and alloys thereof, and is preferably Cu.
상기 Cu는 금속 중 비교적 낮은 전기 저항(1.72μΩ*cm) 과 좁은 d-band로 인해 가시광선 투과율이 높은 특징을 갖는 바, 본 발명의 금속층으로 상기 Cu를 포함하는 경우, 면저항을 낮게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 가시광선 투과도를 향상시킬 수 있어, 본 발명이 목적하는 가시광선 투과도가 우수한 면상 발열체를 제공할 수 있다.The Cu has a relatively low electric resistance (1.72 μΩ * cm) of metals and a high visible light transmittance due to a narrow d-band. When the Cu is included as the metal layer of the present invention, the sheet resistance can be maintained low, and the visible light transmittance can be improved, so that a planar heating element having excellent visible light transmittance for the purpose of the present invention can be provided.
상기 투습 방지층은 Al2O3 박막층이며, 상기 Al2O3 박막층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 이용하여 증착된 것이다.The moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer, and the Al 2 O 3 thin film layer is deposited using a reactive sputtering method.
Al2O3는 높은 광투과도 특성을 보이며, 극박 두께에서도 우수한 수분 침투 방지막으로 알려져 있다. Al2O3 박막은 다양한 스퍼터법으로 증착이 가능한데, 대표적으로 Al2O3 타겟을 직접 스퍼터링 하는 방법(target sputtering)과 Al 타겟을 스퍼터 하는 도중 O2 가스를 흘려 증착 과정에서 화학반응을 이용하여 Al2O3 층을 형성시키는 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)이 있다. 타겟 스퍼터링법의 경우 일반적으로 증착률이 매우 낮으며 이를 해결하기 위해서 전력을 증가시켜야 하지만 산화물 타겟의 높은 취성으로 인해 높은 전압이 인가되면 스퍼터 타겟에 손상이 발생할 수 있어 전력 증가에 한계가 있다. Al 2 O 3 exhibits high light transmittance and is known as an excellent moisture penetration prevention film even with an ultra-thin thickness. The Al 2 O 3 thin film can be deposited by various sputtering methods. Representatively, there is a method of directly sputtering an Al 2 O 3 target and a reactive sputtering method in which an Al 2 O 3 layer is formed by using a chemical reaction in the deposition process by flowing O 2 gas during sputtering of an Al target. In the case of the target sputtering method, the deposition rate is generally very low, and power must be increased to solve this problem. However, due to the high brittleness of the oxide target, when a high voltage is applied, the sputter target may be damaged, so there is a limit to the increase in power.
반면, 반응성 스퍼터링법을 이용한 Al2O3 박막의 증착은 연성의 특성을 가지는 금속 타겟을 사용하기 때문에 인가되는 전력을 상당히 증가시킬 수 있어 타겟 스퍼터링법에 비해 매우 높은 증착률이 가능하고 박막 내 유입되는 O2 가스양에 따라 박막의 조성비 조절이 용이한 장점을 가지고 있다.On the other hand, since the deposition of Al 2 O 3 thin films using the reactive sputtering method uses a metal target having ductility, the applied power can be significantly increased, so that a very high deposition rate is possible compared to the target sputtering method, and the composition ratio of the thin film can be easily adjusted according to the amount of O 2 gas introduced into the thin film.
이에, 상기 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 이용하여, 본 연구에서는 OMO 구조의 투명 히터 상부에 우수한 수분침투 방지막으로 알려진 Al2O3박막을 반응성 스퍼터링법으로 증착하여 투명 히터의 고온 내식성 향상과 더불어 광 투과도의 증가가 동시에 가능한 방법을 제시한다.Therefore, by using the reactive sputtering method, in this study, an Al2O3 thin film, known as an excellent moisture penetration prevention film, is deposited on the top of the OMO structure transparent heater by the reactive sputtering method to improve the high-temperature corrosion resistance of the transparent heater. We present a method that can simultaneously increase light transmittance.
상기 제2 금속 산화물층의 두께는 10 내지 50nm이며, 상기 투습 방지층의 두께는 20 내지 50 nm인 것이다.The second metal oxide layer has a thickness of 10 to 50 nm, and the moisture barrier layer has a thickness of 20 to 50 nm.
상기 제2 금속 산화물층은 앞서 살핀 바와 같이, 하면 금속층의 산화를 방지하여 면저항의 급격한 증가를 억제하는 역할을 하며, 빛의 반사를 최소화함으로써 가시광 투과도를 향상시키는 역할을 한다. 또한, 상기 투습 방지층은 제2 금속 산화물층을 통해 금속층으로 수분이 투과되는 것을 방지함으로써, 발열체 자체의 내식성을 향상시키는 역할을 한다.As described above, the second metal oxide layer serves to suppress a rapid increase in sheet resistance by preventing oxidation of the lower surface metal layer, and serves to improve visible light transmittance by minimizing light reflection. In addition, the moisture barrier layer serves to improve corrosion resistance of the heating element itself by preventing moisture from permeating into the metal layer through the second metal oxide layer.
상기 금속층의 산화 방지, 가시광 투과도 향상 및 내식성의 극대화는 상기 제2 금속 산화물층 및 투습 방지층 각각의 두께 범위를 최적화함을 통해 달성할 수 있는 것이다.Antioxidation of the metal layer, improvement in visible light transmittance, and maximization of corrosion resistance can be achieved by optimizing the thickness range of each of the second metal oxide layer and the moisture barrier layer.
이에, 상기 제2 금속 산화물층의 두께는 10 내지 50 nm이며, 상기 투습 방지층의 두께는 20 내지 50 nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 제2 금속 산화물층의 두께는 15 내지 25 nm이며, 상기 투습 방지층의 두께는 35 내지 45 nm일 수 있다.Accordingly, the second metal oxide layer may have a thickness of 10 to 50 nm, the moisture barrier layer may have a thickness of 20 to 50 nm, more preferably the second metal oxide layer may have a thickness of 15 to 25 nm, and the moisture barrier layer may have a thickness of 35 to 45 nm.
제2 금속 산화물층 및 투습 방지층의 두께를 상기 범위내로 하는 경우, 금속층의 산화를 효과적으로 방지하여 면상 발열체의 면저항의 급격한 증가를 방지하고, 가시광 투과도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내식성 또한 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.When the thickness of the second metal oxide layer and the moisture barrier layer is within the above range, it is possible to effectively prevent oxidation of the metal layer to prevent a rapid increase in sheet resistance of the planar heating element, and to improve visible light transmittance. Corrosion resistance also has the advantage of being able to be maximized.
다만, 제2 금속 산화물층 및 투습 방지층의 두께가 각각 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 효과가 미미할 수 있다.However, when the thicknesses of the second metal oxide layer and the moisture barrier layer are out of the above ranges, the effect may be insignificant.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 제조방법은 1) 베이스 기판을 준비하는 단계; 2) 상기 베이스 기판의 일면에 제1 금속 산화물층; 금속층; 및 제2 금속 산화물층의 순으로 적층된 발열층을 형성하는 단계; 3) 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 투습 방지층을 형성하는 단계; 및 4) 상기 발열층의 양 측면에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 투습 방지층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)에 의해 증착된 Al2O3 박막층인 것이다.A method of manufacturing a transparent planar heating element according to another embodiment of the present invention includes the steps of 1) preparing a base substrate; 2) a first metal oxide layer on one surface of the base substrate; metal layer; and forming a heating layer stacked in the order of a second metal oxide layer; 3) forming a moisture barrier layer on the upper surface of the second metal oxide layer; and 4) forming electrodes on both sides of the heating layer, wherein the moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer deposited by reactive sputtering.
상기 1) 단계는 베이스 기판을 준비하는 단계로, 바람직하게는 유리 기판을 준비하는 것이 바람직하고, 더 나아가, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리에텔렌나프탈레이트 (PEN), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(Nylon), 폴리테트라플로우로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리카보네이트 (PC) 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택될 수 있으나, 투명 기판은 제한 없이 모두 사용이 가능하다.Step 1) is a step of preparing a base substrate, preferably a glass substrate, and furthermore, may be selected from polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), nylon (Nylon), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether ether ketone (PEEK), polycarbonate (PC) and polyarylate (PAR), but the transparent substrate All can be used without restrictions.
이후, 상기 베이스 기판의 일면에 제1 금속 산화물층; 금속층; 및 제2 금속 산화물층의 순서로 적층시켜 발열층을 형성할 수 있다.Then, a first metal oxide layer on one surface of the base substrate; metal layer; And the second metal oxide layer may be stacked in order to form a heating layer.
구체적으로, 상기 제1 금속 산화물층 및 제2 금속 산화물층의 종류는 ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 ZnO이다.Specifically, the first metal oxide layer and the second metal oxide layer may be selected from the group consisting of zinc tin oxide (ZTO), indium gallium zinc oxide (IGZO), zinc aluminum oxide (ZAO), indium zinc oxide (IZO), and zinc oxide (ZnO), preferably ZnO.
한편, 상기 금속층은 열 전도성이 높은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 금속이 사용될 수 있으며, 구리(Cu)가 사용되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다.On the other hand, the metal layer may be a metal selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W and alloys thereof having high thermal conductivity, and copper (Cu) is preferably used, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 발열층은 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이 코팅, 딥(dip) 코팅, 플로(flow) 코팅, 닥터 블레이드(doctor blade)와 디스펜싱(dispensing), 잉크젯 프린팅, 옵셋 프린팅, 스크린 프린팅, 패드(pad) 프린팅, 그라비아 프린팅, 플렉소(flexography) 프린팅, 스텐실 프린팅, 드롭 캐스팅(drop casting) 및 임프린팅(imprinting) 방법 중에서 선택된 방법으로 형성할 수 있다.Specifically, the heating layer may be formed by a method selected from among spin coating, roll coating, spray coating, dip coating, flow coating, dispensing with a doctor blade, inkjet printing, offset printing, screen printing, pad printing, gravure printing, flexography printing, stencil printing, drop casting, and imprinting.
상기 방식에 의해 발열층이 형성된 후, 그 상면에 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 이용하여, Al2O3 박막층을 증착시켜, 투습 방지층을 형성할 수 있다.After the heating layer is formed by the above method, an Al 2 O 3 thin film layer may be deposited on the upper surface using a reactive sputtering method to form a moisture barrier layer.
구체적으로, 1 sccm의 O2 가스를 Ar 가스와 혼합 주입하여, 반응 챔버 내 압력을 1 x 10-2 torr로 유지한 상태에서 Al 타겟에 RF 150W를 인가하는 반응성 스퍼터링법을 이용하여 Al2O3 박막을 형성할 수 있다.Specifically, an Al 2 O 3 thin film can be formed using a reactive sputtering method in which 1 sccm of O 2 gas is mixed with Ar gas and injected, and RF 150 W is applied to an Al target while maintaining the pressure in the reaction chamber at 1 x 10 -2 torr.
상기 투습 방지층을 형성한 이후, 발열층의 양 측면에 전극을 스퍼터링 방식으로 증착시켜 투명 면상 발열체를 제조한다. 상기 전극은 Ag 전극이지만, 상기 예시에 국한되지 않고, 발열체에 전압을 제공할 수 있는 전극이라면 제한 없이 모두 사용 가능하다. After forming the moisture barrier layer, electrodes are deposited on both sides of the heating layer by a sputtering method to manufacture a transparent planar heating element. Although the electrode is an Ag electrode, it is not limited to the above example, and any electrode capable of providing a voltage to the heating element may be used without limitation.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 히터는 상기 투명 면상 발열체를 포함하는 것이다.A transparent heater according to another embodiment of the present invention includes the transparent planar heating element.
즉, 상기 투명 히터는 상기 투명 면상 발열체는 치밀한 Al2O3 박막층이 수분 침투막으로 작용하여, 발열층의 부식을 효율적으로 억제할 수 있는 바, 상기 투명 면상 발열체를 포함하는 투명 히터는 우수한 발열 재현성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 가시광선 투과도 또한 개선할 수 있는 장점이 있다.That is, in the transparent heater, the transparent planar heating element has a dense Al 2 O 3 thin film layer acting as a moisture permeation film to efficiently suppress corrosion of the heating layer, and the transparent heater including the transparent planar heating element has an advantage of not only exhibiting excellent heat generation reproducibility, but also improving visible light transmittance.
제조예manufacturing example
20mm X 20mm의 유리(Non alkali glass, Corning E2000) 기판을 별도의 처리 없이 이용하였다. 각 층의 증착 전 챔버의 기저 압력(base pressure)은 5.0 X 10-7 Torr 이하로 유지하였고, 모든 증착 과정에서 20 sccm Ar 가스(99.9999%)를 주입하여 챔버 내 압력을 1 X 10-2 Torr(ZnO, Al2O3), 3 X 10-3 Torr(Cu) 로 상승 유지시킨 후 DC 100W (Cu), RF 50W (ZnO), RF 60W (Al2O3)를 인가하여 박막을 형성하였다. A 20 mm X 20 mm glass (Non alkali glass, Corning E2000) substrate was used without separate treatment. The base pressure of the chamber before deposition of each layer was maintained at 5.0 X 10 -7 Torr or less, and 20 sccm Ar gas (99.9999%) was injected during all deposition processes to increase the pressure in the chamber to 1 X 10 -2 Torr (ZnO, Al 2 O 3 ), 3 X 10 -3 Torr (Cu), and then DC 100W (Cu), RF 50W (Z nO) and RF 60W (Al 2 O 3 ) were applied to form a thin film.
반응성 스퍼터링의 경우 1 sccm의 O2 가스를 Ar 가스와 혼합 주입하여 챔버 내 압력을 1 × 10-2 Torr로 유지한 상태에서 Al 타겟에 RF 150W를 인가하는 반응성 스퍼터링법을 이용하여 Al2O3 박막을 형성하였다.In the case of reactive sputtering, an Al 2 O 3 thin film was formed using a reactive sputtering method in which 1 sccm of O 2 gas was mixed with Ar gas and injected, and RF 150 W was applied to an Al target while maintaining the pressure in the chamber at 1 × 10 -2 Torr.
모든 스퍼터 타겟의 직경은 3 inch였으며, 기판의 회전속도는 15 RPM (revolution per minute)으로 유지하였으며, 기판에 대한 인위적인 가열이나 냉각은 실시하지 않았다.The diameter of all sputter targets was 3 inches, the rotation speed of the substrate was maintained at 15 RPM (revolution per minute), and no artificial heating or cooling was performed on the substrate.
실험 방법Experiment method
ZnO 및 Cu 박막의 두께는 유리 기판 상에 다양한 두께의 박막을 증착한 후 Alpha-step surface profiler (D-100, KLA Tencor)를 이용하여 측정하였으며, 도출된 ZnO와 Cu의 증착률은 각각 0.046 nm/s와 0.51 nm/s이었다. Al2O3박막의 굴절률과 두께는 실리콘 (Si) 웨이퍼 기판상에 증착한 Al2O3 박막을 Spectroscopic Ellipsometry (M2000D, Woollam)를 이용하여 70° 각도로 입사되는 400 내지 1000 nm 파장의 빛에 대해 5점 매핑(mapping) 법으로 측정하였고, 도출된 반응성 스퍼터법과 타겟 스퍼터법의 증착률은 각각 0.0094 nm/s와 0.00098 nm/s이었다.The thicknesses of the ZnO and Cu thin films were measured using an Alpha-step surface profiler (D-100, KLA Tencor) after depositing thin films of various thicknesses on a glass substrate, and the resulting ZnO and Cu deposition rates were 0.046 nm/s and 0.51 nm/s, respectively. The refractive index and thickness of the Al 2 O 3 thin film were measured by a 5-point mapping method for light of 400 to 1000 nm wavelength incident at an angle of 70° using spectroscopic ellipsometry (M2000D, Woollam) for the Al 2 O 3 thin film deposited on a silicon (Si) wafer substrate. The obtained deposition rates of the reactive sputtering method and the target sputtering method were 0.0094 nm/s and 0, respectively. 00098 nm/s.
상부 산화물 층의 종류 및 두께가 부식 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해, Cu 층의 두께를 20 nm로 고정한 채, 상부에 ZnO 및 Al2O3 층을 0 내지 20 nm 로 증착 후, 85℃/85%의 항온, 항습 분위기에서 유지 실험(85/85 테스트)을 실시하였고 노출 시간에 따른 면저항의 증가를 통하여 부식 정도를 판단하였다.In order to confirm the effect of the type and thickness of the upper oxide layer on the corrosion properties, while the thickness of the Cu layer was fixed at 20 nm, ZnO and Al 2 O 3 layers were deposited at 0 to 20 nm on top, and then a constant temperature of 85 ° C. / 85%, A maintenance experiment (85/85 test) was conducted in a constant humidity atmosphere, and the degree of corrosion was judged through the increase in sheet resistance according to the exposure time.
또한, ZnO/Cu/ZnO 투명 면상 발열체 구조의 상부 ZnO와 최상단에 증착되는 Al2O3 박막층을 두께를 변화시키며 가시광선 투과도의 변화를 측정하였다. ZnO 및 Al2O3 산화물의 표면 형상을 확인하기 위해 UHR FE-SEM (Ultra High Resolution Field-Emission Scanning Electron Microscopy, S-5500, Hitachi High-Technologies Co.)을 이용하였다. 시편의 면저항은 4점 측정기 (4 Point measurement system, CMT-100S, AIT)를 이용하여 측정하였고, 광투과도 자외- 가시광선 분광계 (UV-Visible spectrophotometer, Agilent)를 이용하여 측정하였으며 유리기판 자체의 광 흡수도는 제외하고 나타내었다. 투명 히터의 성능 평가를 위해 20 mm × 20 mm 크기의 면상 발열체를 제작하였으며 직류 (direct current) 전력 공급장치 (EPS-3305, EZT)로 전압을 인가하였으며 비접촉식 적외선 카메라 (PTI120, Fluke)를 이용하여 투명히터의 온도를 측정하였다.In addition, the change in visible light transmittance was measured while changing the thickness of the Al 2 O 3 thin film layer deposited on the uppermost ZnO and the top of the ZnO/Cu/ZnO transparent planar heating element structure. UHR FE-SEM (Ultra High Resolution Field-Emission Scanning Electron Microscopy, S-5500, Hitachi High-Technologies Co.) was used to confirm the surface morphology of ZnO and Al 2 O 3 oxides. The sheet resistance of the specimen was measured using a 4-point measurement system (CMT-100S, AIT), and the light transmittance was measured using a UV-Visible spectrophotometer (Agilent), and the light absorbance of the glass substrate itself was excluded. To evaluate the performance of the transparent heater, a planar heating element with a size of 20 mm × 20 mm was manufactured, voltage was applied with a direct current power supply (EPS-3305, EZT), and the temperature of the transparent heater was measured using a non-contact infrared camera (PTI120, Fluke).
실험 결과Experiment result
도 1(a)는 상기 Al2O3 박막층의 내식 특성을 평가하기 위해 제작된 시편의 모식도이다. Glass 기판 위에 Cu 층의 두께를 20 nm 로 고정시킨 채 상부 ZnO 및 Al2O3 층의 두께를 0 내지 20 nm로 변화시키며 제작하였다.1(a) is a schematic view of a specimen manufactured to evaluate the corrosion resistance of the Al 2 O 3 thin film layer. The thickness of the upper ZnO and Al 2 O 3 layers was changed from 0 to 20 nm while the thickness of the Cu layer was fixed at 20 nm on the glass substrate.
한편, 도 1(b) 및 (c)는 7.5 nm의 두께를 가진 ZnO 및 Al2O3 의 FE-SEM 표면 형상 사진을 각각 나타낸 것이다. 이를 참조할 때, 모두 기공 없이 연속 박막을 형성한 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, FIGS. 1(b) and (c) show FE-SEM surface morphology images of ZnO and Al 2 O 3 having a thickness of 7.5 nm, respectively. Referring to this, it can be confirmed that all of them formed continuous thin films without pores.
도 2(a)는 반응성 스퍼터링법과 Al2O3 타겟 스퍼터링 방법으로 증착한 Al2O3 박막의 증착률 결과를 나타낸 것으로, 반응성 스퍼터링법에 의한 증착률이 타겟 스퍼터링법의 증착률 대비 약 10배 정도 높은 것을 확인할 수 있다.2(a) shows the results of the deposition rate of the Al 2 O 3 thin film deposited by the reactive sputtering method and the Al 2 O 3 target sputtering method. It can be seen that the deposition rate by the reactive sputtering method is about 10 times higher than the deposition rate of the target sputtering method.
일반적으로, 스퍼터법에 의한 증착률은 인가되는 전력에 비례하여 증가하는데, 금속인 Al target을 사용하는 반응성 스퍼터링법은 높은 전력의 인가에도 타겟 손상이 없어 150W의 높은 전력을 인가한 반면, 산화물인 Al2O3 타겟 스퍼터링법의 경우 70W 이상의 전력을 인가할 시 타겟에 균열 (crack)이 발생하기 때문에 전력증가에 한계가 있지만, 2배의 인가 전력값 차이에도 불구하고 10 배의 증착률 차이가 나타난 것을 볼 때, 기본적으로 타겟 스퍼터링법에 비해 반응성 스퍼터링법에 의한 증착 속도가 현저히 빠르다는 것을 알 수 있다.In general, the deposition rate by the sputtering method increases in proportion to the power applied. The reactive sputtering method using a metal Al target applied a high power of 150W without damaging the target even when high power was applied, whereas in the case of the oxide Al 2 O 3 target sputtering method, cracks occur in the target when power of 70W or more is applied. In view of the difference in deposition rate of the ship, it can be seen that the deposition rate by the reactive sputtering method is basically significantly faster than that of the target sputtering method.
도 2(b)는 반응성 스퍼터링법과 타겟 스퍼터링법으로 제조된 20 nm 두께의 Al2O3 박막에 대한 굴절률 결과를 나타낸 것이다.2(b) shows the refractive index results for the 20 nm thick Al 2 O 3 thin film prepared by the reactive sputtering method and the target sputtering method.
반응성 스퍼터링법으로 제조된 Al2O3 박막층은 문헌 상 보고된 굴절률과 매우 유사한 값을 가지는 반면, 타겟 스퍼터링법으로 제조된 Al2O3 박막의 경우는 상당한 차이를 보이는 것을 확인하였다.It was confirmed that the Al 2 O 3 thin film layer prepared by the reactive sputtering method had a refractive index very similar to the refractive index reported in the literature, whereas the Al 2 O 3 thin film prepared by the target sputtering method showed a significant difference.
이에, 본 발명에서는 높은 증착률과 더불어 문헌 상 보고된 굴절률과 유사한 값을 가지는 반응성 스퍼터링법을 이용하여 제조된 Al2O3 박막에 대해 부식 방지막으로서의 기능을 검증하고, ZnO/Cu/ZnO 구조의 투명 면상 발열체 및 이를 포함하는 투명히터의 투과도에 미치는 영향에 대해 조사하였다.Therefore, in the present invention, the function as an anti-corrosion film was verified for an Al 2 O 3 thin film prepared using a reactive sputtering method having a high deposition rate and a value similar to the refractive index reported in the literature, and ZnO / Cu / ZnO The effect on the transmittance of a structured transparent planar heating element and a transparent heater including the same was investigated.
도 3(a)는 Cu 층의 두께를 20 nm로 고정시킨 채 상부에 ZnO층과 Al2O3 층의 두께를 각각 0 내지 20 nm로 변화시키며, 증착한 시편에 대해 85/85 테스트를 실시하여, 10,000 분까지 유지시킬 때의 면저항 변화를 나타낸 것이다.Figure 3 (a) shows the change in sheet resistance when the thickness of the Cu layer is fixed at 20 nm, the thickness of the ZnO layer and the Al 2 O 3 layer on the top is varied from 0 to 20 nm, respectively, and an 85/85 test is performed on the deposited specimen, and maintained for up to 10,000 minutes.
제2 금속 산화물층이 없는 Cu층은 50분이 경과한 후, 가파른 면저항의 증가를 보이며, 부식이 급속하게 진행된 것을 확인할 수 있으며, Cu 상면에 5, 10, 20 nm 두께의 ZnO(제2 금속 산화물층)를 증착한 시편 또한, 실험과정에서 급격한 면저항의 상승을 확인하였다. The Cu layer without the second metal oxide layer shows a steep increase in sheet resistance after 50 minutes, and it can be seen that corrosion proceeds rapidly, and ZnO (second metal oxide layer) having a thickness of 5, 10, and 20 nm on the upper surface of Cu. The specimen deposited also confirmed a rapid increase in sheet resistance during the experiment.
다만, Cu 상면에 Al2O3 박막층을 증착한 시편은 5 nm의 두께에서도 초기 면저항 대비 5%의 미미한 증가만을 확인하였으며, 20 nm 두께의 경우에는 오히려 면저항이 소폭(6.1%) 감소한 것을 확인하였다.However, in the specimen deposited with the Al 2 O 3 thin film layer on the upper surface of Cu, only a slight increase of 5% compared to the initial sheet resistance was confirmed even at a thickness of 5 nm, and in the case of a thickness of 20 nm, the sheet resistance decreased slightly (6.1%). It was confirmed.
이는 제2 금속층(Cu)의 상면에 형성된 Al2O3층이 효율적인 수분 침투 방지막으로서의 역할을 수행한다는 것을 의미하며, 면저항의 감소는 Cu의 박막의 결정립 성장에 의해 수반된 막질 개선과 결정립계 전자산란이 저감된 결과라고 판단된다.This means that the Al 2 O 3 layer formed on the upper surface of the second metal layer (Cu) serves as an effective moisture penetration prevention film, and the decrease in sheet resistance is accompanied by the crystal grain growth of the Cu thin film. It is judged to be the result of improving film quality and reducing grain boundary electron scattering.
도 3(b)는 Cu(20 nm)/ZnO(20 nm) 샘플의 85/85 테스트 전과 10,000 분 후의 시편 사진을 나타낸 것이다.Fig. 3(b) shows specimen photographs of the Cu (20 nm)/ZnO (20 nm) sample before and after 10,000 minutes of 85/85 testing.
Cu 상부에 20 nm 두께의 ZnO층에도 불구하고, 고온 다습한 환경에서 10,000분이 경과함에 따라 Cu 층의 심각한 부식으로 인하여, 극심한 면저항의 증가와 함께 시편이 변색된 것을 확인하였다.Despite the 20 nm thick ZnO layer on top of Cu, it was confirmed that the specimen was discolored with an extreme increase in sheet resistance due to severe corrosion of the Cu layer as 10,000 minutes elapsed in a high temperature and high humidity environment.
한편, 도 4(a)는 투과도 측정에 사용된 glass/ZnO/Cu/ZnO/Al2O3 투명 면상 발열체 샘플 구조를 나타낸 것이다. 모든 구조에서 제1 금속 산화물층(ZnO)의 두께와 금속층(Cu)의 두께는 각각 30 nm 및 10 nm로 고정하였다. On the other hand, Figure 4 (a) shows the glass / ZnO / Cu / ZnO / Al 2 O 3 transparent planar heating element sample structure used for transmittance measurement. In all structures, the thickness of the first metal oxide layer (ZnO) and the thickness of the metal layer (Cu) were fixed to 30 nm and 10 nm, respectively.
도 4(b)는 제2 금속 산화물층의 두께를 10 nm로 고정한 채, Al2O3 박막의 두께를 10 내지 60 nm로 변화시키며 측정한 투과도 결과이다.FIG. 4(b) shows transmittance results measured while the thickness of the Al 2 O 3 thin film was varied from 10 to 60 nm while the thickness of the second metal oxide layer was fixed at 10 nm.
한편, 도 4(c)는 제2 금속 산화물층의 두께를 20 nm로 고정한 채, Al2O3 박막의 두께를 10 내지 50 nm 까지 변화시키며 측정한 투과도 결과이다.Meanwhile, FIG. 4(c) shows transmittance results measured while changing the thickness of the Al 2 O 3 thin film from 10 to 50 nm while fixing the thickness of the second metal oxide layer to 20 nm.
보다 구체적으로, 하기 표 1은 발명의 일 실시예에 따른 ZnO/Cu/ZnO/Al2O3 구조의 투명 면상 발열체의 구조에서 제2 금속 산화물층 및 Al2O3 의 두께 변화에 따른 최고 투과율과 해당파장 및 가시광선 영역의 평균 투과율을 정리한 것이다.More specifically, Table 1 below summarizes the maximum transmittance and the average transmittance of the corresponding wavelength and visible ray region according to the change in the thickness of the second metal oxide layer and Al 2 O 3 in the structure of the transparent planar heating element having the ZnO / Cu / ZnO / Al 2 O 3 structure according to an embodiment of the present invention.
상기 표 1 및 도 4(b)을 참조하면, Al2O3 박막층의 두께가 증가할수록 투과도가 점점 상승하여, 50 nm의 두께에서 최고 평균 투과도(79.1%)를 나타낸 것을 확인하였으며, 60 nm의 두께에서는 오히려 투과도가 감소하는 것을 확인하였다.Referring to Table 1 and FIG. 4(b), as the thickness of the Al 2 O 3 thin film layer increased, the transmittance gradually increased, and it was confirmed that the highest average transmittance (79.1%) was exhibited at a thickness of 50 nm, and at a thickness of 60 nm, it was confirmed that the transmittance rather decreased.
다만, 제1 및 제2 금속 산화물층(ZnO) 만으로 투과도가 최적화된 구조인 ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (40 nm)의 평균 투과도 값(80.9%)보다는 낮은 값을 보인 것을 알 수 있다. However, it can be seen that the value is lower than the average transmittance value (80.9%) of ZnO (30 nm) / Cu (10 nm) / ZnO (40 nm), which is a structure in which transmittance is optimized only with the first and second metal oxide layers (ZnO).
보다 구체적으로, 최적화된 투명 면상 발열체의 구조인 ZnO(30 nm)/Cu(10 nm)/ZnO (20 nm)/Al2O3 (40 nm) 구조의 평균 투과도 값(82.1%)은 제1 및 제2 금속 산화물층(ZnO) 만으로 투과도가 최적화된 구조인 ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (40 nm) 구조보다 높은 가시광선 평균 투과도를 보이는 것을 확인하였다.More specifically, the average transmittance value (82.1%) of the ZnO (30 nm) / Cu (10 nm) / ZnO (20 nm) / Al 2 O 3 (40 nm) structure, which is the structure of the optimized transparent plane heating element, has a higher visible light average transmittance than the ZnO (30 nm) / Cu (10 nm) / ZnO (40 nm) structure, which is a structure in which transmittance is optimized only with the first and second metal oxide layers (ZnO) confirmed what was seen.
도 5(a)는 가장 높은 투과도를 보이는 ZnO (30 nm)/Cu (10 nm)/ZnO (20 nm)/Al2O3 (40 nm) 구조를 가지는 투명 히터의 줄 발열 (Joule heating) 특성을 나타낸 것이다.Figure 5 (a) shows the Joule heating characteristics of a transparent heater having a ZnO (30 nm) / Cu (10 nm) / ZnO (20 nm) / Al 2 O 3 (40 nm) structure showing the highest transmittance.
전압 인가 후 2 분 간격으로 0.5 V씩 전압을 증가시키며, 실험을 진행하였다. 투명 히터는 20 초 내에 목표 온도의 약 90 %에 도달한 것을 확인하였다. 이러한 빠른 열적 반응속도는 면상 발열체의 특성에 기인하는 것으로 판단된다.After applying the voltage, the experiment was conducted while increasing the voltage by 0.5 V at intervals of 2 minutes. It was confirmed that the transparent heater reached about 90% of the target temperature within 20 seconds. It is believed that this rapid thermal reaction rate is due to the characteristics of the planar heating element.
도 5(b)는 본 발명 일 실시예의 투명 히터의 발열 재현성을 시험하기 위해 60 초 간격으로 3.5 V 전압의 인가와 제거를 10회 반복하며 온도의 증가와 하락을 측정한 결과이다.Figure 5 (b) is a result of measuring the increase and decrease of the temperature by repeating the application and removal of the 3.5 V voltage at 60 second intervals 10 times in order to test the heat generation reproducibility of the transparent heater of one embodiment of the present invention.
최고온도인 약 100℃ 에서 최대-최저 온도 차이가 1℃ 미만으로서 매우 우수한 열적 재현성을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 반복되는 고온 발열에도 히터의 성능에 변화가 없음을 나타내는 것이다.At the maximum temperature of about 100 ° C, the maximum-minimum temperature difference was less than 1 ° C, showing very excellent thermal reproducibility, which indicates that there is no change in the performance of the heater even with repeated high-temperature heating.
도 5(c)는 전압 증가에 따른 전류와 온도 그래프, 전력 증가에 따른 온도 변화를 나타낸 것이다.5(c) shows a graph of current and temperature as voltage increases, and temperature change as power increases.
구체적으로, 상기 도 5(b)의 재현성 테스트에서 나타난 바와 같이 100℃ 에 도달하는데 있어 안정적인 선형의 오믹 전류-전압 거동(Ohmic I-V behavior)을 보이고 있으며, 또한 선형의 온도-전력 그래프에서 보듯이 인가되는 전력과 발열량은 선형적으로 비례하는 전형적인 줄 발열 특성을 나타내고 있는 것을 알 수 있다.Specifically, as shown in the reproducibility test of FIG. 5(b), a stable linear ohmic current-voltage behavior is shown in reaching 100 ° C., and as shown in the linear temperature-power graph, it can be seen that the applied power and calorific value are linearly proportional to typical Joule heating characteristics.
도 5(d)는 히터의 장수명 테스트 결과를 나타낸 것이다.5(d) shows the results of the long life test of the heater.
구체적으로, 히터의 온도를 약 100℃ 및 150℃로 유지한 채, 10,000분(약 7일) 동안 동작시켰을 때, 전류와 온도의 변화가 관찰되지 않는 것으로 보아, 고온 환경에서도 치밀한 Al2O3층이 효율적인 투습 방지막으로서 역할을 한다고 결론내릴 수 있다. 또한, 기존에 알려진 ZnO/Cu/ZnO 투명히터의 구조와 결합할 때, 가시광선 투과도까지 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.Specifically, when operating for 10,000 minutes (about 7 days) while maintaining the temperature of the heater at about 100 ° C. and 150 ° C., no changes in current and temperature are observed, so it can be concluded that the dense Al 2 O 3 layer serves as an efficient moisture barrier even in a high temperature environment. In addition, it can be seen that visible light transmittance can be improved when combined with the structure of a conventionally known ZnO/Cu/ZnO transparent heater.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also within the scope of the present invention.
Claims (7)
상기 베이스 기판의 일면에 형성된 제1 금속 산화물층;
상기 제1 금속 산화물층의 상면에 형성된 금속층;
상기 금속층의 상면에 형성된 제2 금속 산화물층; 및
상기 제2 금속 산화물층의 상면에 증착하여 형성되는 투습 방지층을 포함하는
투명 면상 발열체.base substrate;
a first metal oxide layer formed on one surface of the base substrate;
a metal layer formed on an upper surface of the first metal oxide layer;
a second metal oxide layer formed on an upper surface of the metal layer; and
A moisture barrier layer formed by depositing on the upper surface of the second metal oxide layer
Transparent plane heating element.
상기 제1 및 제2 금속 산화물층은 ZTO(Zinc Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO(Zinc Aluminum Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는
투명 면상 발열체.According to claim 1,
The first and second metal oxide layers are selected from the group consisting of ZTO (Zinc Tin Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide), ZAO (Zinc Aluminum Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide) and ZnO (Zinc Oxide)
Transparent plane heating element.
상기 금속층은 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는
투명 면상 발열체.According to claim 1,
The metal layer is selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W and alloys thereof
Transparent plane heating element.
상기 투습 방지층은 Al2O3 박막층이며,
상기 Al2O3 박막층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)을 이용하여 증착된 것인
투명 면상 발열체.According to claim 1,
The moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer,
The Al 2 O 3 thin film layer is deposited using a reactive sputtering method.
Transparent plane heating element.
상기 제2 금속 산화물층의 두께는 10 내지 50nm이며,
상기 투습 방지층의 두께는 20 내지 50 nm인
투명 면상 발열체.According to claim 1,
The thickness of the second metal oxide layer is 10 to 50 nm,
The thickness of the moisture barrier layer is 20 to 50 nm
Transparent plane heating element.
2) 상기 베이스 기판의 일면에 제1 금속 산화물층; 금속층; 및 제2 금속 산화물층의 순으로 적층된 발열층을 형성하는 단계;
3) 상기 제2 금속 산화물층의 상면에 투습 방지층을 형성하는 단계; 및
4) 상기 발열층의 양 측면에 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 투습 방지층은 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)에 의해 증착된 Al2O3 박막층인
투명 면상 발열체의 제조방법. 1) preparing a base substrate;
2) a first metal oxide layer on one surface of the base substrate; metal layer; and forming a heating layer stacked in the order of a second metal oxide layer;
3) forming a moisture barrier layer on the upper surface of the second metal oxide layer; and
4) forming electrodes on both sides of the heating layer;
The moisture barrier layer is an Al 2 O 3 thin film layer deposited by reactive sputtering.
Manufacturing method of transparent planar heating element.
투명 히터.
Comprising a transparent planar heating element according to claim 1 to claim 5
transparent heater.
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