KR20240024645A - 투명 면상 발열체, 라이다 장치 및 투명 면상 발열체 제조방법 - Google Patents
투명 면상 발열체, 라이다 장치 및 투명 면상 발열체 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 투명 면상 발열체, 라이다 장치 및 투명 면상 발열체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투과도가 우수하며 이 낮은 면 저항을 갖는 투명 면상 발열체 및 이를 포함하는 라이다 장치, 투명 면상 발열체 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 인듐 산화물로 이루어진 모재,와 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트를 포함하는 투명 전도성 산화물층; 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부;를 포함할 수 있고, 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 인듐 산화물로 이루어진 모재,와 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트를 포함하는 투명 전도성 산화물층; 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부;를 포함할 수 있고, 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성일 수 있다.
Description
본 발명은 투명 면상 발열체, 라이다 장치 및 투명 면상 발열체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투과도가 우수하며 이 낮은 면 저항을 갖는 투명 면상 발열체 및 이를 포함하는 라이다 장치, 투명 면상 발열체 제조방법에 관한 것이다.
투명 면상 발열체는 전원을 인가하였을 때 열이 발생하는 물질으로서, 전기 에너지를 열로 방출하는 물질이다. 자동차의 창문 등에 이슬이나 성에와 같은 환경 문제가 발생하게 되면 이로 인해, 운전자의 시야 확보에 문제가 생길 수 있기 때 문에 창문을 발열시키면서 이런 문제를 해결할 수 있게 된다. 이를 위해 가시광에 대해 투과도가 높은 인듐주석산화물(이하 ITO라 함) 소재의 투명 면상 발열체가 가장 광범위하게 사용되고 있다.
한편, 최근 자동차 분야에서는 근적외선 파장 대역의 광(NIR 광)을 사용하는 센서를 이용한 각종 장치들(라이다 장치, 크루징 컨트롤 등)의 기술이 접목되고 있는 가운데, 이러한 센서들에도 외부환경으로 부터 보호하기 위한 커버 윈도우를 사용하고 있으나, 이슬이나 성에와 같은 환경문제가 발생하면, 센서의 인식에 왜곡이 생길 수 있어, 이를 발열 시킬 수 있는 투명 면상 발열체 또한 필요로 하고 있다.
하지만, 일반적으로 많이 사용되고 있는 투명 전도성 산화물(TCO)인 ITO 소재의 투명 면상 발열체는 근적외선 파장 대역의 광에 대한 투광성이 낮다는 문제점이 있기 때문에 근적외선 파장 대역의 광을 사용하는 장치들에서 적용하기 힘든 문제점이 있다. 이에 따라, 최근에는 ITO를 대체할 여러 투명 면상 발열체의 소재가 연구되고 있다.
ITO를 대체할 소재 중에서 탄소계 소재 중 하나인 탄소나노튜브(이하 CNT라 함)를 포함하는 투명 면상 발열체는 근적외선 파장 대역의 광에 대해 우수한 투광성을 가지고 있고 높은 전기 전도도를 갖고 있다는 장점이 있지만, 저항이 높아 고온에서 장시간 발열을 견디지 못하여 CNT 소재의 발열체가 쉽게 파손되는 단점과 생산 단가가 높은 문제점이 존재하기 때문에, 투명 면상 발열체와 같이 실용적으로 활용되기에는 부적절하다는 문제가 있다.
본 발명은 ITO 소재의 투명 면상 발열체에 비해 근적외선 파장 대역의 광에 우수한 투과도를 지니면서도 낮은 면 저항을 갖는 투명 면상 발열체와 이를 포함하는 라이다 장치 및 상기 투명 면상 발열체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 인듐 산화물로 이루어진 모재,와 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트를 포함하는 투명 전도성 산화물층; 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부;를 포함하고 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성을 가질 수 있다.
상기 금속 원소는, 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 금속 원소의 원자 분율은 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 일 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층 상에 제공되며, 상기 투명 전도성 산화물층보다 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층을 더 포함할 수 있다.
상기 표면 개질층은 상기 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층을 포함할 수 있다.
상기 산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)일 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층 상에 제공되며, 상기 투명 전도성 산화물층을 보호하는 발수성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층은, 900nm 내지 1600nm 파장 대역의 광에 광투과도가 90% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치는 근적외선 파장 대역의 레이저광을 송출하는 광송신부;상기 레이저광이 외부 개체에 반사된 근적외선 파장 대역의 반사광을 수신하는 광수신부;상기 광송신부와 광수신부를 보호하는 커버 윈도우;및 상기 커버 윈도우 상에 제공되는 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체 제조방법은 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표 상의 4B 내지 6B 족에 속하는 원소군에서 선택되어진 적어도 하나의 금속 원소를 도펀트로 첨가하여 투명 전도성 산화물층을 형성하는 과정; 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부를 형성하는 과정;을 포함할 수 있으며, 상기 투명 면상 발열체는 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성을 가질 수 있다.
상기 금속 원소는 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 금속 원소의 원자 분율은 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 일 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층 상에 상기 투명 전도성 산화물층보다 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 표면 개질층이 형성되는 과정은, 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 상기 투명 전도성 산화물층을 플라즈마 처리하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 표면 개질층이 형성하는 과정은, 상기 투명 전도성 산화물층 상에 실리콘 고분자층을 형성하는 과정; 및 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 상기 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 고분자층의 두께는 10nm 이하 일 수 있다.
상기 플라즈마 처리하는 과정은, 상기 실리콘 고분자층이 상기 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층으로 변화하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)일 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층 상에 상기 투명 전도성 산화물층을 보호하는 발수성 코팅층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 실시예에 따른 투명 면상 발열체 및 제조방법에 의하면, 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표 상에서 4B 내지 6B 족에 속하는 금속 원소를 첨가함으로써 제작된 투명 전도성 산화물층을 포함하며, 인듐 산화물의 근적외선 파장 대역의 광에 대한 투광성을 유지함과 동시에 높은 면 저항을 개선함으로써 낮은 전력으로도 빠른 승온을 할 수 있다.
불활성 또는 환원성 분위기에서 투명 전도성 산화물층의 표면을 플라즈마 처리 하여 표면 개질층을 형성하면, 플라즈마 에너지에 의해서 투명 전도성 산화물층 표면의 일부 산소가 빠져나감에 따라 단위 부피당 산소 공공 밀도를 높이게 하며, 산소 공공 밀도 증가로 인해 하전입자를 추가적으로 생성함으로써 투명 전도성 산화물층은 더욱 낮은 면 저항을 가질수 있게 된다.
산소 차단층을 포함하는 표면 개질층이 투명 전도성 산화물층 상에 형성되는 경우에는, 산소 차단층이 형성되는 동안 산소 차단층과 투명 전도성 산화물층 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역이 형성할 뿐만 아니라, 산소 차단층의 치밀한 구조에 의해 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하여 높은 단위 부피당 산소 공공 밀도를 유지 할 수 있게 하여 투명 전도성 산화물층이 더욱 낮은 면 저항을 가질 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 표면에 발수성 코팅층을 형성 할 수 있으며, 이는 투면 면상 발열체 외부에 생긴 이슬, 성에가 부착되지 않게하여 빠르게 제거 할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치는 이슬, 성에와 같은 외부 환경 요인으로 부터 보호하기 위한 커버 윈도우를 사용하는데, 이 커버 윈도우 일면에 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체를 배치시킴으로써 근적외선 파장 대역의 광을 사용하는 센서의 커버 윈도우에 이슬 또는 성에가 생겨 굴절이나 오류가 발생할 때에도 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체를 빠르게 발열하여 이슬, 성에를 제거해 줌으로써 근적외선 파장 대역의 광을 사용하는 센서의 왜곡 또는 오류를 효과적으로 감소시킬 수 있어서 주변환경에 영향을 받지 않고 센서의 정확성을 가질 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 단면을 나타낸 그림.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층에 첨가하는 금속 원소의 원자 분율에 따른 면 저항과 광투과도를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층에 참가하는 금속 원소의 원자 분율과 광 파장 대역에 따른 광투과도를 나타내는 그래프.
도 4는 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 발열특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 단면을 나타낸 그림.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층에 첨가하는 금속 원소의 원자 분율에 따른 면 저항과 광투과도를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층에 참가하는 금속 원소의 원자 분율과 광 파장 대역에 따른 광투과도를 나타내는 그래프.
도 4는 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 발열특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 단면을 나타낸 그림.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 제조 방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)는 인듐 산화물로 이루어진 모재,와 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트를 포함하는 투명 전도성 산화물층(110); 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부(120);를 포함할 수 있으며 근적외선 파장 대역의 광이 투과될 수 있다.
추가로, 투명 전도성 산화물층(110)은 투명 베이스부(10) 상에 배치될 수 있다. 투명 베이스부(10)는 투명한 재질의 유리 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 이에 따라, 광은 투명 베이스(10)를 투과할 수 있다. 투명 베이스(10)는 평판형 또는 곡률을 갖는 곡면형일 수 있다. 이때, 투명 베이스부(10)는 투명 전도성 산화물층(110)을 지지하거나 투명 면상 발열체(100)를 지지하는 역할을 수행 할 수 있다.
투명 전도성 산화물층(110)은 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트 첨가하여 형성된 것이다.
모재로 사용되는 순수한 인듐 산화물은 산소 공공에 의해 하전 입자를 형성함에 따라 반도체의 하전입자 농도를 지니고 있으며, 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투과도가 높은소재이다. 이에 따라, 순수한 인듐 산화물의 활용을 고려할 수 있지만 충분한 양의 하전 입자를 가지지 못해서 면 저항이 높다는 점으로 인해 어떤 응용을 고려하든 투명 면상 발열체 소재로의 활용에 문제점이 있다.
이러한 인듐 산화물 소재의 전기 전도도를 증가시키키 위해 p오비탈에 해당하는 주석을 첨가하여 급격한 하전 입자의 증가시킴으로써 전기적 특성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 주석을 첨가한 인듐주석산화물(ITO)은 다양한 분야에서 투명전극으로 사용된다.
그러나 ITO는 높은 전기 전도도를 갖는 반면에 높은 하전 입자로 인하여 근적외선 파장 대역의 광에 대한 투과도가 낮아지기 때문에 근적외선 파장 대역의 레이저광을 사용하는 장비의 커버 윈도우에 이슬, 성에와 같은 외부환경 오염에 대응되기 위한 투명 면상 발열체로 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 인듐 산화물 모재에 도펀트로서 4B 내지 6B족 금속원소(d오비탈을 가지고 있는 원소)를 첨가하는 방법을 도출하였다.
도펀트로서 사용되는 금속 원소는 d오비탈을 가지고 있으면서 인듐의 산화수 3 보다 큰 4 내지 6 산화수를 가지고 있는 금속 원소 (4B 내지 6B 족 금속 원소)이다. 이 금속 원소를 인듐 산화물 모재에 첨가함으로써 인듐 산화물의 이동도 (mobility)를 증가 시키기 때문에 전기전도도(전기 전도도 = 하전입자 전하량 * 하전입자농도 * 이동도)를 높일 수 있게 되어 인듐 산화물의 면 저항을 낮출 수 있으면서, 근적외선 파장 대역의 광에 투광성을 유지할 수 있게 된다. 4B 내지 6B 족 금속 원소는 텅스텐(W), 하프뮴(Hf), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
전극부(120)는 투명 전도성 산화물층(110)에 전원을 인가시키는 역할을 할 수 있다. 전극부(120)는 두 개의 전극으로 이격 배치 될 수 있으며, 금속 소재로 구성 될 수 있다. 전극부(120)에 전원이 전기적으로 연결되면 투명 전도성 산화물층(110)이 발열할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층에 첨가 금속 원소의 원자 분율에 따른 면 저항과 광투과도를 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예의 금속 원소의 원자 분율에 따른 광 파장 대역에 대한 투명 전도성 산화물층의 광의 투과도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 실시예에 따른 투명 전도성 산화물층의 발열특성을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 인듐 산화물 모재에 도펀트로서 첨가하는 금속 원소는, 텅스텐(W), 하프뮴(Hf), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 원소의 원자 분율은 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 일 수 있다.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 50 nm 두께의 투명 전도성 산화물층(110)의 상기 금속원소 원자 분율에 따른 면 저항을 나타낸 그래프이고, 도 2(b)는 금속원소 원자 분율에 따른 905nm(흰색),1550nm(검은색) 파장 대역의 광에 대한 투과율를 나타낸 그래프이다. 도 3(a)는 텅스텐을 금속 원소로 사용했을 때, 도 3(b)는 하프뮴을 금속 원소로 사용했을 때의 광 투과도를 나타내는 그래프이다.
텅스텐(W), 하프뮴(Hf), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr)을 인듐 산화물 모재에 첨가한 경우, 인듐 산화물 모재에 상기 금속 원소중에서 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀의 원소를 첨가했을 때 면 저항이 기존의 인듐 산화물의 면 저항인 약 10000kΩ/sq 보다 낮은 200kΩ/sq 이하로 감소됨을 확인할 수 있으며, 그 외 나머지 금속원소(탄탈럼, 바나듐, 크롬)를 첨가한 경우 순수한 인듐 산화물과 동일하거나 그 이상의 면 저항(약 10000kΩ/sq 내지 약 20000kΩ/sq)을 가지게 됨을 확인 할 수 있다. 특히, 텅스텐과 하프뮴을 첨가한 금속 산화물층(110)의 면 저항이 최소값(약 20kΩ/sq)을 가지고 있음을 확인 할 수 있다. 따라서, 인듐 산화물 모재에 첨가하는 금속 원소로 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중에 하나 이상을 사용할 수 있다.
도펀트 금속 원소의 원자 분율이 0.1 내지 4 at% 일 경우에는 투명 전도성 산화물층(110)은 200kΩ/sq 이하의 낮은 면 저항과 근적외선 파장 대역의 광에 대해 90% 이상의 투과도를 가질 수 있다.
도펀트 금속 원소의 원자 분율이 0.1at% 미만일 경우 투명 전도성 산화물층(110)의 하전 입자 생성이 충분하지 않을 수 있어, 면 저항의 개선이 이뤄지지 않을 수 있다. 그리고 도펀트 금속 원소의 원자 분율이 4 at% 를 초과할 경우 투명 전도성 산화물층(110)이 제 2차상을 형상하지 않고, 균질한 고용체를 형성하지 못할 수 있다.
특히, 텅스텐의 원자 분율은 0.5 ~ 1.5 at% 일 수 있고, 하프뮴의 원자 분율은 1.75 ~ 2.25 at% 일 수 있고, 티타늄의 원자 분율은 2.75 ~ 3.25at% 일 수 있고, 나이오븀의 원자 분율은 0.5 ~ 1.5at% 일 수 있다. 위와 같은 조건으로 금속 원소를 첨가한 투명 전도성 산화물층(110)은 50kΩ/sq 이하의 더 낮은 면 저항과 근적외선 파장 대역의 광에 대해 더 높은 투광성을 지닐 수 있게 된다.
4B 내지 6B 족 금속 원소의 비율에 따라 투명 전도성 산화물층(110)은 높은 전기 전도도를 가지면서도 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성을 보여주는데 투명 전도성 산화물층(110)은 가시광 파장 대역의 광에 대해 85%의 높은 투과도를 보이면서도, 근적외선(900 nm 내지 1600nm)파장 대역의 광에 대해 90%이상의 투과율을 가지고 있는 것을 확인 할 수 있다.
도 4(a)는 실시예에 따라 87nm 두께로 1at% 원자 분율의 텅스텐을 첨가한 투명 전도성 산화물층을 포함하는 투명 면상 발열체의 전력밀도와 온도 그래프로서, 투명 면상 발열체(100)에 인가되는 전력밀도와 온도의 관계가 일정한 비율로 유지하는 것을 보여준다. 도 4(b)는 본 발명의 실시예에 따라 87nm 두께로 1at% 원자 분율의 텅스텐을 첨가한 투명 전도성 산화물층으로 구성된 투명 면상 발열체(100)가 10V(DC)의 전력인가시 발열하는 온도를 나타내주는 그래프와 열화상 사진이며 이를 통해, 투명 면상 발열체(100)가 일정 전력으로 발열 온도가 일정하게 유지(38℃)되는 것과 열화상 사진으로 균일한 온도 분포를 지님을 보인다.
자동차에 적용되는 히터 작동 온도는 사용자 화상에 대한 안전을 고려하여 40℃ 이하로 관리될 수 있으며, 인체 감전 전압 120V(DC)를 넘지 않는 선에서 빠른 발열을 필수로 하고 있다. 주어진 열용량의 히터기판을 빠르게 승온시키기 위하여 입력 전력을 올리게 되는데 발열체로서 사용하기 위한 면 저항의 조건이 발열체의 구동 전압을 결정하게 되는데, 위의 그래프에서 투명 면상 발열체(100)는 인체 감전 전압 이하인 일정한 10V에서 일정하게 38℃를 유지하는 것을 보여주고 있다. 상기 투명 면상 발열체(100)는 전력 인가 후 0.2 초 이내로 빠른 발열이 가능하다는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 상기 투명 면상 발열체(100)의 빠른 온도 제어 속도를 확인 할 수 있다. 또한, 투명 면상 발열체(100)에 인가하는 전력에 따라 온도를 제어시킬 수 있음을 확인 할 수 있다. 투명 면상 발열체(100)에 전력 인가를 멈추면 0.2초 이내로 빠르게 원래 온도로 돌아옴을 확인 할 수 있다. 이에 따라, 투명 면상 발열체(100)은 온도 제어의 용이성을 가질수 있음을 확인 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)는 투명 전도성 산화물층(110) 상에 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층(130)을 형성할 수 있다.
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기(예를 들어, 수소, 아르곤 분위기)에서 투명 전도성 산화물층(110)을 플라즈마 처리하면, 플라즈마 에너지에 의해 투명 전도성 산화물층(110) 내부의 산소 결합이 끊어질 수 있다. 이로 인하여, 투명 전도성 산화물층(110) 상에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층(130)을 형성 할 수 있게 된다. 따라서 표면 개질층(130)을 형성한 투명 전도성 산화물층(110)은 단위 부피당 산소 공공 밀도가 증가됨에 따라 하전입자가 증가되며, 전기 전도도가 높아지고, 낮은 면 저항을 가질 수 있다.
투명 전도성 산화물층(110)의 전하 케리어 농도는 산소 공공의 생성과 직접적인 연광성을 가지고 있다. 주어진 온도에서의 투명 전도성 산화물층(110)의 단위 부피당 산소 공공 밀도는 볼츠만 팩터(EXP(-공공형성활성화에너지 / (볼츠만상수 * 온도)) )에 비례하게 된다. 따라서 플라즈마 처리에 의해 투명 전도성 산화물층(110)의 온도가 올라가면 단위 부피당 산소 공공 밀도는 증가할 수 있다.
표면 개질층(130)은 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층을 포함할 수 있다.
투명 전도성 산화물층 상에 실리콘 고분자층을 형성한 후 불활성 분위기 또는 환원성 분위기에서 플라즈마 처리를 하게 되면, 플라즈마 에너지에 의해 실리콘 고분자층의 결합이 끊어지게 된다. 실리콘 고분자층은 실리콘 댕글링 결합(Si-dangling band) 구조로 변화될 수 있다. 투명 전도성 산화물층(110) 표면의 일부 산소가 실리콘 댕글링 결합 구조에 포획되면서 산소 차단층이 형성될 수 있다. 이로 인해 투명 전도성 산화물층(110)의 표면의 일부 산소가 빠져나가면서 산소 차단층과 투명 전도성 산화물 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역이 형성될 수 있다. 따라서 표면 개질층(130)은 산소 차단층과 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역을 포함할 수 있다.
특히, 산소 차단층을 포함하는 표면 개질층(130)은 산소 차단층의 치밀한 구조에 의해 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하여 높은 단위 부피당 산소 공공 밀도를 유지할 수 있게 하여 투명 전도성 산화물층이 더욱 낮은 면 저항을 가질 수 있게 한다.
산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)일 수 있다.
산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)으로 형성될 수 있다. 실리콘 산화물은 치밀한 구조로 형성되어 있을 수 있다. 실리콘 산화물(SiOx ,0 < x ≤ 2)의 치밀한 구조에 의해 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 차단하여 높은 단위 부피당 산소 공공 밀도를 유지 할 수 있게 하여, 투명 전도성 산화물층(110)이 더욱 낮은 면 저항을 가질 수 있게 한다.
한편, 산소차단층의 실리콘 산화물(SiOx)이 비화학양론적 실리콘 산화물(SiOx, 0 < x < 2)인 경우에는, 비화학양론적 산화물은 치밀한 구조에 의해서 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 물리적으로 막아주는 것 뿐만 아니라 유입되는 산소와 반응하여 화학양론적 산화물(SiO2)로 변화되면서 유입되는 산소를 화학적으로 차단할 수 있어서 더욱 효과적이다.
표 1은 표면 개질층(130) 형성 전 후에 따른 1 at% 텅스텐이 첨가된 투명 전도성 산화물층의 두께별 면 저항과 근적외선 파장대역의 광투과도를 나타낸다.
(여기서, T905는 905nm 대역의 광투과도, T1550은 1550nm 대역의 광투과도를 나타낸다.)
표 1을 참조하면, 위에 언급된 플라즈마 처리로 인하여 산소 차단층과 표면 개질층을 가진 투명 전도성 산화물층(110)의 면 저항은 10배 정도로 감소할 수 있으며, 근적외선 파장 대역에 대한 광투과도 또한 1% 내지 5% 정도 더 올라갈 수 있다.
인체 감전 전압을 넘지 않는 선에서 빠른 발열이 가능한 면 저항은 예를 들어, 약 1kΩ/sq 이하로 할 수 있고 이를 통해 투명 전도성 산화물층의 최적화된 두께가 30nm 내지 87nm라고 할 수 있으나 이는 제한되는 것이 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상발열체(100)는 상기 투명 전도성 산화물층 상에 제공되며, 상기 투명 전도성 산화물층을 보호하는 발수성 코팅층(140)을 더 형성할 수 있다.
이를 통해, 투명 면상 발열체(100)의 표면 특성이 친수성에서 발수성으로 변형될 뿐만 아니라 투명 전도성 산화물층(110)의 산소 유입을 물리적으로 방지하는 산소 장벽 역할을 할 수 있다. 이를 통해서 이슬, 성에와 같은 오염물 제거 쉬워질 수 있으며, 유막이 생기지 않게 될 수 있고, 성에나 습기 제거가 더 빠르게 가능해질 수 있다. 이러한 표면 특성은 추가적으로 먼지와 같은 외부의 오염 또한 물과 함께 빠르게 제거 할 수 있는 기능을 할 수 있게 한다. 이렇게 형성된 투명 전도성 발열체(100)를 냉장고에 30분 방치한 후 상온에 꺼낼 때 생성되는 이슬을 1분 이내에 제거하는 성능이 확인되었다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)와 투명 전도성 산화물층(110)은 900nm 내지 1600nm 파장 대역의 광에 대해 투과도가 90% 이상 일 수 있다. (도 3 참조)
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 높은 전기 전도도와 0.2초이내의 빠른 승온이 가능하기 때문에 905nm 내지 1550nm 파장 대역에 높은 광투과도를 요구하는 장치의 커버 윈도우에 적용되어 커버 윈도우의 이슬, 성에와 같은 외부 환경요인으로부터 장치를 보호하는 것이 기대될 수 있으며, 외부 환경요인으로 인한 광의 굴절이나 왜곡 또한 감소 시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치는 근적외선 파장 대역의 레이저광(L)을 송출하는 광송신부(200);상기 레이저광이 외부 개체에 반사된 근적외선 파장 대역의 반사광(L)을 수신하는 광수신부(300);상기 광송신부와 광수신부를 보호하는 커버 윈도우(400);및 상기 커버 윈도우(400) 상에 제공되는 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100);를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 설명함에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
광송신부(200)는 근적외선 파장 대역의 레이저광(L)을 송출하는 장치이며, 광송신부(200)는 외부 개체(O)에 레이저광(L)을 보내기 위한 장치이다.
광수신부(300)는 광송신부(200)가 송출한 레이저광(L)이 외부 개체에 반사된 근적외선 파장 대역의 반사광(L)을 수신하는 장치이며, 광수신부(300)는 반사된 레이저광(L)으로 수신하여 외부 개체(O)와의 거리 데이터를 수신 받기 위한 장치이다.
정리하자면, 라이다 장치는 근적외선 파장대역의 레이저광(L)을 송신부(200)에서 레이저광(L)을 송신하고 외부 개체(O)에 반사되어 되돌아오는 근적외선 파장대역의 레이저광(L)을 수신하여 외부 개체(O) 까지의 거리를 측정하는 장치이다.
라이다 장치에서 사용되는 레이저광(L)은 905nm 대역대와 1550nm 대역대를 사용하는 것이 일반적이다. 이는 라이다 장치의 공간 분해능을 향상 시킬 수 있는 요소로 사용될 수 있다. 상세하게는, 레이저 광(L)은 근적외선 파장 대역의 광을 사용함으로써, 타 대역대의 광에 비해 직진성이기 때문에 레이저 광(L)은 외부개체(O)에 대해 높은 조준율을 가질수 있다. 그리고 905 내지 1550nm의 근적외선 파장 대역으로 인하여 라이다의 공간 분해능은 0.1°단위까지 나눌 수 있다. 이로 인해 라이다 장치의 외부 개체 식별 오차가 줄어 들 수 있다.
라이다 장치의 커버 윈도우(400)는 레이저 광(L)의 송신 경로 및 수신 경로를 커버하며, 배치될 수 있다. 커버 윈도우(400)는 광송신부(200) 및 광수신부(300) 등을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 하우징의 일측을 커버하며 배치될 수 있으며, 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)는 커버 윈도우(400)의 일면을 커버하며 배치된다. 커버 윈도우(400)가 라이다 장치의 송신부(200)와 수신부(300)을 보호하기 위한 하우징과 결합될 때, 투명 면상 발열체(100)는 커버 윈도우(400)의 양면 중 하우징의 내측에 위치하는 면에 배치될 수 있다. 상기 투명 면상 발열체(100)는 커버 윈도우(400)를 가열할 수 있다.
한편, 라이다 레이저광(L)은 광 조건에 영향을 받기 쉽기 때문에 습기, 성에 등 과 같은 외부 환경 요인에 의한 커버 윈도우에 오염이 발생하게 되면 라이다 레이저 이동 경로에 굴절이 일어나게 되어 오류가 발생 할 수 있다. 따라서, 투명 면상 발열체(100)에 의해 제공되는 열은 커버 윈도우(400)에 발생한 습기, 성에 등을 제거하거나 습기, 성에 등의 생성을 미연에 방지하여 준다. 상기 투명 면상 발열체(100)의 발열 온도는 전력에 의해 제어될 수 있다. 특히 이러한 외부 환경 요인을 최대한 빠르게 제거 하기 위해 0.2초 이내의 반응 속도로 목표 온도로 발열을 할 수 있다. (도 4 참조)
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)의 제조 방법의 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100) 제조방법은 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표 상의 4B 내지 6B 족에 속하는 원소군에서 선택되어진 적어도 하나의 금속 원소를 도펀트로 첨가하여 투명 전도성 산화물층(110)을 형성하는 과정(S100); 및 상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부(130)를 형성하는 과정(S200);을 수행할 수 있으며, 이때 투명 면상 발열체(100)는 근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체의 제조 방법을 설명함에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 면상 발열체와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100) 제조방법의 각 과정들은 반드시 시계열적으로 순서에 따라 수행될 필요는 없고, 필요에 따라서 각 과정들은 반대 순서로 수행될 수도 있고 혹은 동시에 수행될 수도 있다.
먼저, 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표 상의 4B 내지 6B 족에 속하는 원소군에서 선택되어진 적어도 하나의 금속 원소를 도펀트로 첨가하여 투명 전도성 산화물층(110)을 형성한다(S100).
예를 들어서, 투명 전도성 산화물층(110)을 형성하는 과정(S100)은 용액 공정(solution process) 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 질산 인듐 수화물(In(NO3)3 xH2O)은 인듐 산화물 모재의 전구체로서 사용 할 수 있다.
도펀트로서 4B 내지 6B 족 금속 원소는 텅스텐(W), 하프뮴(Hf), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 금속 원소 텅스텐은 전구체로서 육염화 텅스텐(WCl6)을 사용할 수 있다. 금속 원소 하프뮴은 전구체로서 사염화 하프뮴(HfCl4)을 사용할 수 있다. 금속 원소 나이오븀은 전구체로서 오염화 나이오븀(NbCl5)을 사용할 수 있다. 금속 원소 티타늄은 전구체로서 티타늄 테트라 이소프로폭사이드(Ti[OCH(CH3)2]4)를 사용할 수 있다. 전구체 용액은 아세틸 아세톤(CH3COCH2COCH3)에 질산 인듐 수화물 및 금속 원소 전구체를 혼합하여 별도로 제조할 수 있다.
예를 들어, 0.25M 농도의 인듐 산화물 전구체 용액은 2일 동안 교반 하면서 60℃에서 아세틸 아세톤에 질산 인듐 수화물을 용해하여 형성할 수 있다.
이와 유사하게, 육염화 텅스텐, 오염화 나이오븀, 사염화 하프늄, 티타늄 테트라 이소프로폭사이드와 같은 도펀트 금속 원소 전구체를 아세틸 아세톤에 용해시켜 0.25M 도핑 용액을 얻을 수 있다. 원하는 첨가 비율을 얻기 위해 도핑 용액을 인듐 산화물 전구체 용액에 한 방울씩 첨가할 수 있으며, 도펀트 Mn+의 원자 분율은 [Mn+/In3 +] = nM/(nIn + nM)으로 계산될 수 있다.
추가로, 투명 전도성 산화물층(110)을 지지하는 역할을 할 투명 베이스부(10)를 2.5 cm x 2.5 cm 면으로 절단한 다음 각 단계마다 15분 동안 아세톤, IPA의 초음파 수조에서 세척할 수 있다. 그런 다음, 투명 베이스부(10)를 질소(N2)건 하에서 건조시킨 후, 30분 동안 산소 플라즈마에 의해 표면을 활성화(surface activation)시킬 수 있다. 모든 용액은 스핀 코팅(spin coating) 전에 0.2 ㎛ 주사기 필터를 통해 여과될 수 있다. 투명 금속 산화물층(110)은 준비된 용액을 3000 rpm에서 30초 동안 한 번 스핀 코팅한 다음 480℃ 온도의 개방계(open air)에서 1시간 동안 어닐링(annealing)하여 얻을 수 있다. 보다 두꺼운 두께의 투명 전도성 산화물층(110)을 얻기 위해 질산 인듐의 농도를 0.5M, 0.75M, 1M로 증가시킬 수 있다.
이외에도, 투명 전도성 산화물층(110)을 형성하는 과정(S100)은 물리적 또는 화학적인 반응의 방법으로 수행 될 수 있다. 상기 방법은 예를 들어서, 증발 (evaporation), 스퍼터링, 화학기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), PLD(Pulsed laser deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 솔-겔(solgel), 스프레이 및 프린팅 중 어느 하나 이상의 방법을 포함 할 수 있으며, 이는 제한된 것이 아니다.
다음으로, 투명 면상 발열체(100) 제조 방법은 상기 투명 전도성 산화물층(110)에 전원을 인가하는 전극부(130)를 형성(S200)할 수 있다.
전극부(120)는 두 개의 전극으로 이격 배치 될 수 있으며, 금속 소재로 구성 될 수 있다. 전극부(120)에 전원이 전기적으로 연결되면 투명 전도성 산화물층 (110)이 발열할 수 있다.
예를 들어, 전극부(120)를 형성하는 과정(S200)은 전도성이 있는 금속 테이프를 사용하여 투명 전도성 산화물층(110) 가장자리에 전기 접점을 형성시키는 방법으로 수행될 수 있다. 이후에 증착 될 수 있는 실리콘 고분자물의 절연체와의 접촉을 피하기 위해 전극부(120)를 테이프로 덮는 과정을 더 수행 할 수 있다. 이 과정은 투명 전도성 산화물층(110) 상에 절연체가 형성되면 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하기 어려워지기 때문에 이를 미연에 방지하는 역할을 수행할 수 있게 되며, 테이프 외의 방법으로 예를 들어서, 실리콘 고분자물의 절연체를 작게 형성하는 방법으로도 할 수 있으며 이는 제한 하는 것이 아니다.
도펀트로서 첨가하는 금속 원소는 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중 적어도 하나를 사용하며, 금속 원소의 원자 분율은 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 일 수 있다.
4B 내지 6B의 금속원소 중 텅스텐, 하프뮴 티타늄, 나이오븀을 도펀트 금속 원소로 사용하고 상기 금속 원소의 원자 분율을 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 으로 하면 투명 전도성 산화물층(110)의 면 저항이 200kΩ/sq 이하의 낮은 면 저항값과 상기 투명 전도성 산화물층(110)이 근적외선 파장 대역에 대한 광투과도가 90% 이상을 가질 수 있게 된다.
도펀트 금속 원소의 원자 분율이 0.1 내지 4 at% 일 경우에는 투명 전도성 산화물층(110)은 200kΩ/sq 이하의 면 저항 면 저항과 근적외선 파장 대역의 광에 대해 90% 이상의 투과도를 가질 수 있다.
도펀트 금속 원소의 원자 분율이 0.1at% 미만일 경우 투명 전도성 산화물층 (110)의 하전 입자 생성이 충분하지 않을 수 있어, 면 저항의 개선이 이뤄지지 않을 수 있으며, 도펀트 금속 원소의 원자 분율이 4 at% 를 초과할 경우 투명 전도성 산화물층(110)이 제 2차상을 형상하지 않고, 균질한 고용체를 형성하지 못하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체 제조방법은 상기 투명 전도성 산화물층(110) 상에 상기 투명 전도성 산화물층(110)보다 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층(130)을 형성하는 과정(S300)을 더 포함할 수 있다.
표면 개질층(130)을 포함하는 투명 전도성 산화물층(110)은 투명 전도성 산화물층(110) 표면의 일부 산소가 빠져나가게 됨에 따라 투명 전도성 산화물층(110)이 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높아지고 이에 따라 면 저항이 좀 더 낮아 질 수 있다.
표면 개질층(130)을 형성되는 과정(S300)은 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 투명 전도성 산화물층(110)을 플라즈마 처리하는 과정(S310)을 더 포함 할 수 있다. 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기의 플라즈마에서 투명 전도성 산화물층(110)을 처리하여 표면 개질층(130)을 형성하게 된다.
임의의 공간에 산소 공급을 차단하고 불활성 가스 또는 환원성 가스로 채워냄으로써 산소를 결핍시킨 환경을 만들어낼 수 있다. 이러한 환경에서 투명 전도성 산화물층(110)을 플라즈마 처리 하게 되면, 플라즈마 에너지로 인하여 투명 전도성 산화물층(110) 표면의 산소 결합이 끊어져서 투명 전도성 산화물층(110) 표면의 산소는 외부로 떨어져 나가게 될 수 있다. 이로 인하여, 투명 전도성 산화물층(110) 상에 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층(130)을 형성(S300)할 수 있게 되며, 표면 개질층(130)이 형성된 투명 전도성 산화물층(110)은 면 저항이 더 낮아 질 수 있다.
투명 전도성 산화물층(110)을 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 플라즈마 처리하는 과정(S310)은 예를 들어, 수소(H) 플라즈마 처리 과정 혹은 아르곤(Ar) 플라즈마 처리 방법으로 수행 될 수 있다.
한편, 표면 개질층(130)을 형성하는 과정은(S300)은, 상기 투명 전도성 산화물층(110) 상에 실리콘 고분자층을 형성하는 과정(S320) 및 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정(S330)을 포함할 수 있다.
먼저, 투명 전도성 산화물층 상에 실리콘 고분자층을 형성 할 수 있다(S320).
예를 들어, 실리콘 고분자물층의 제조 과정(S320)은 평평한 접시에 실리콘 고분자물(질량비로, 프라이머 : 링커 = 20:1)을 주조하고 경화한 뒤 큰 실리콘 고분자물층을 면으로 자른 다음 각각의 실리콘 고분자물층을 투명 전도성 산화물층(110)에 샌드위치 형태로 부착하여 고분자층을 형성(S320)할 수 있다.
이외에도 실리콘 고분자층의 형성 과정(S320)은 물리적이거나 화학적인 방법을 사용할 수 있다. 상기 방법은 예를 들어서, 용액 공정(solution process), 증발 (evaporation), 스퍼터링, 화학기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), PLD(Pulsed laser deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 솔-겔(solgel), 스프레이 및 프린팅 중 어느 하나 이상의 방법을 포함 할 수 있으며, 이는 제한된 것이 아니다.
실리콘 고분자층은 예를 들어, 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실록산(polycarbosiloxane), 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리실릴카르보디이미드(polysilylcarbodiimide), 폴리보로실록산(polyborosiloxane), 폴리보로실라잔(polyborosilazane), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 디메틸폴리실록산(dimethylpolysiloxane) 및 폴리보로실란(polyborosilane) 등으로 이루어질 수 있으며, 이는 제한된 것이 아니다.
다음으로, 한 공간에 산소 공급을 차단하고 불활성 가스 또는 환원성 가스로 채워냄으로써 산소를 결핍시킨 불활성 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리할 수 있다(S330).
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 실리콘 고분자층을 불활성 또는 환원성 분위기로 플라즈마 처리하는 과정(S330)은 예를 들어, 수소(H) 플라즈마 처리 과정 혹은 아르곤(Ar) 플라즈마 처리 방법으로 수행 될 수 있다.
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정(S330)을 거치면, 예를 들어, 실리콘 고분자층이 PDMS(폴리디메틸실록산)으로 구성된 경우, PDMS의 분자구조를 보면 Si-O-Si-O- 체인에 -CH3가 Si에 붙어 있는 형태이다. 불활성 또는 환원성 분위기로 PDMS 구조의 실리콘 고분자층을 플라즈마로 처리하면 플라즈마 에너지에 의해 Si-CH3결합이 끊어지면서 PDMS 구조의 실리콘 고분자층이 실리콘 댕글링 결합구조로 분해될 수 있으며 이로 인해 투명 전도성 산화물층(110) 내부의 산소를 실리콘 댕글링 결합 구조가 포획하는 화학적 반응(Si-O 결합 형성) 사이트로 작용될 수 있다. 이로 인해 투명 전도성 산화물층(110)의 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높아질 수 있다.
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정(S330)은 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층으로 변화하는 과정(S340)을 포함 할 수 있다.
산소가 결핍된 불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정(S330)에서 실리콘 고분자층이 실리콘 댕글링 결합구조로 분해되어 투명 전도성 산화물층(110) 내부의 산소를 실리콘 댕글링 결합 구조가 포획하는 화학적 반응(Si-O 결합 형성) 사이트로 작용되며 이로 인해 투명 전도성 산화물층(110) 상에 실리콘 산화물(SiOx) 구성의 산소 차단층을 형성한다(S340).
산소 차단층과 투명 전도성 산화물층(110) 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역이 형성된다. 이로 인해 투명 전도성 산화물층(110)의 표면의 일부 산소가 빠져나가면서 산소 차단층과 투명 전도성 산화물 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역이 형성될 수 있다. 따라서, 표면 개질층(130)은 산소 차단층과 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역을 포함할 수 있다.
산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)일 수 있다.
산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)으로 형성될 수 있다. 실리콘 산화물은 치밀한 구조로 형성되어 있을 수 있다. 실리콘 산화물(SiOx ,0 < x 
2)의 치밀한 구조에 의해 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 차단하여 높은 단위 부피당 산소 공공 밀도를 유지 할 수 있게 하여, 투명 전도성 산화물층(110)이 더욱 낮은 면 저항을 가질 수 있게 한다.
한편, 산소차단층의 실리콘 산화물(SiOx)이 비화학양론적 실리콘 산화물(SiOx, 0 < x < 2)인 경우에는, 비화학양론적 산화물은 치밀한 구조에 의해서 투명 전도성 산화물층(110)으로 유입되는 산소를 물리적으로 막아주는 것 뿐만 아니라 유입되는 산소와 반응하여 화학양론적 산화물(SiO2)로 변화되면서 유입되는 산소를 화학적으로 차단할 수 있어서 더욱 효과적이다.
실리콘 고분자층의 두께는 10nm 이하 일 수 있다.
투명 전도성 산화물층(110) 상에 실리콘 고분자층을 10nm 이하로 형성할 경우에는 불활성 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하면, 플라즈마 에너지로 인하여 실리콘 산화물층이 모두 분해될 수 있다. 이 분해된 실리콘 산화물층은 투명 전도성 산화물층(110) 내부의 산소를 포획하며, 이 과정 속에서 투명 전도성 산화물층(110)과 분해된 실리콘 산화물층 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역을 형성할 수 있게 된다.
하지만 투명 전도성 산화물층(110) 상에 실리콘 고분자층을 10nm 를 초과하여 형성할 경우에는 불활성 또는 환원성 분위기로 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하면, 플라즈마 에너지에 의해 실리콘 산화물층은 표면만 분해될 수 있다. 이렇게 표면만 분해된 실리콘 산화물층은 투명 전도성 산화물층(110)의 산소를 포획하기 어려워짐에 따라 투명 전도성 산화물층(110)과 산소 차단층 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역이 형성되지 않을 수 있으며, 산소 차단층 형성이 되지 않을 수 있다. 게다가 일부 분해되지 않은 실리콘 고분자층으로 인해 투명 전도성 산화물층(110)은 면 저항이 더 높아질 수 있으며 광투광성이 줄어들 수 있다.
산소 차단층의 두께는 5nm 이하 일 수 있다.
투명 전도성 산화물층(110) 상에 실리콘 고분자층을 10nm 이하로 형성할 경우에는 플라즈마 에너지로 인하여 실리콘 산화물층이 모두 분해될 수 되어 5nm이내로 형성 될 수 있으며, 투명 전도성 산화물층(110)과 분해된 실리콘 산화물층 사이에 단위 부피당 산소 공공 밀도가 높은 영역을 형성할 수 있게 된다.
산소 차단층의 두께가 5nm를 초과하면, 절연체인 실리콘 산화물로 인해 투명 전도성 산화물층(110)은 면 저항이 더 높아질 수 있으며 광투광성이 줄어들 수 있다.
그리고, 투명 전도성 산화물층(110) 상에 상기 투명 전도성 산화물층(110)을 보호하는 발수성 코팅층(140)을 형성하는 과정(S400)을 더 수행할 수 있다.
발수성 코팅층(140)은 실리콘 고분자물을 사용하여 형성(S400)시킬 수 있다. 발수성 코팅층(140)은 투명 전도성 산화물층(110)을 물리적으로 보호하는 역할을 할 수 있으며, 투명 전도성 산화물층(110)의 표면이 친수성에서 발수성으로 변화됨과 동시에 투명 전도성 산화물층(110)이 이슬, 성에 같은 외부 환경요인을 더 쉽게 제거 할 수 있는 기능을 가질수 있게 된다.
발수성 코팅층을 형성(S400)하는 방법으로는 예를 들어, 실리콘 고분자물의 전구체를 투명 전도성 산화물층(110) 상에 증착하고, 상기 증착된 전구체를 경화시켜 코팅층을 형성하는 과정(S400)을 수행할 수 있다. 발수성 코팅층(140)을 형성하는 과정(S400)은 두 개의 전극부(120)를 테이프로 덮는 과정을 더 수행할 수 있으며, 경화가 된 이후에, 덮인 테이프는 제거하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 이 과정들은 전극부(120)와 실리콘 고분자물의 절연체간의 접촉을 피하기 위해서 수행될 수 있다.
이외에도, 발수성 코팅층을 형성하는 과정(S400)은 물리적이거나 화학적인 방법을 사용할 수 있다. 상기 방법은 예를 들어서, 용액 공정(solution process), 증발 (evaporation), 스퍼터링, 화학기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), PLD(Pulsed laser deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 솔-겔(solgel), 스프레이 및 프린팅 중 어느 하나 이상의 방법을 포함 할 수 있으며, 이는 제한된 것이 아니다.
상기 설명에서 사용한 '~상에' 라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다. 이 용어는 편의를 위하여 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의해 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 투명 베이스부 100 : 투명 면상 발열체
110 : 투명 전도성 산화물층 120 : 전극부
130 : 표면 개질층 140 : 발수성 코팅층
200 : 광송신부 300 : 광송신부
400 : 윈도우 커버 O : 외부 개체
L : 레이저 광
110 : 투명 전도성 산화물층 120 : 전극부
130 : 표면 개질층 140 : 발수성 코팅층
200 : 광송신부 300 : 광송신부
400 : 윈도우 커버 O : 외부 개체
L : 레이저 광
Claims (17)
- 인듐 산화물로 이루어진 모재,와 주기율표에서 4B 내지 6B 족에 속하는 원소 군에서 선택되어진 적어도 하나 이상인 금속 원소로서 상기 모재에 첨가되는 도펀트를 포함하는 투명 전도성 산화물층; 및
상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부;를 포함하고,
근적외선 파장 대역의 광에 대해 투광성을 갖는 투명 면상 발열체. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 원소는 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 금속 원소의 원자 분율은 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 인 투명 면상 발열체. - 청구항 1에서,
상기 투명 전도성 산화물층 상에 제공되며,
상기 투명 전도성 산화물층보다 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층을 더 포함하는 투명 면상 발열체. - 청구항 3에서,
상기 표면 개질층은 상기 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층을 포함하는 투명 면상 발열체. - 청구항 4에서,
상기 산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)인 투명 면상 발열체. - 청구항 1에서,
상기 투명 전도성 산화물층 상에 제공되며,
상기 투명 전도성 산화물층을 보호하는 발수성 코팅층을 더 포함하는 투명 면상 발열체. - 청구항 1에서,
상기 투명 전도성 산화물층은 900nm 내지 1600nm 파장 대역의 광에 광투과도가 90% 이상인 투명 면상 발열체. - 근적외선 파장 대역의 레이저광을 송출하는 광송신부;
상기 레이저광이 외부 개체에 반사된 근적외선 파장 대역의 반사광을 수신하는 광수신부;
상기 광송신부와 광수신부를 보호하는 커버 윈도우; 및
상기 커버 윈도우 상에 제공되는 청구항 1항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항의 투명 면상 발열체;를 포함하는 라이다 장치. - 인듐 산화물로 이루어진 모재에 주기율표 상의 4B 내지 6B 족에 속하는 원소군에서 선택되어진 적어도 하나의 금속 원소를 도펀트로 첨가하여 투명 전도성 산화물층을 형성하는 과정; 및
상기 투명 전도성 산화물층에 전원을 인가하는 전극부를 형성하는 과정;을 포함하는 근적외선에 대해 투광성을 갖는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 9에서,
상기 금속 원소는 텅스텐, 하프뮴, 티타늄, 나이오븀 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 금속 원소의 원자 분율은 상기 모재의 인듐을 기준으로 0.1 내지 4 at% 인 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 9에서,
상기 투명 전도성 산화물층 상에 상기 투명 전도성 산화물층보다 적어도 부분적으로 단위 부피당 산소 공공 밀도가 더 높은 표면 개질층을 형성하는 과정을 더 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 11에서,
상기 표면 개질층이 형성되는 과정은,
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 상기 투명 전도성 산화물층을 플라즈마 처리하는 과정을 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 11에서,
상기 표면 개질층이 형성하는 과정은,
상기 투명 전도성 산화물층 상에 실리콘 고분자층을 형성하는 과정; 및
불활성 가스 분위기 또는 환원성 분위기에서 상기 실리콘 고분자층을 플라즈마 처리하는 과정;을 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 13에서,
상기 실리콘 고분자층의 두께는 10nm 이하인 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 13에서,
상기 플라즈마 처리하는 과정은,
상기 실리콘 고분자층이 상기 투명 전도성 산화물층으로 유입되는 산소를 차단하는 산소 차단층으로 변화하는 과정을 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 15에서,
상기 산소 차단층은 실리콘 산화물(SiOx)인 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 11에서,
상기 투명 전도성 산화물층 상에 상기 투명 전도성 산화물층을 보호하는 발수성 코팅층을 형성하는 과정을 더 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법.
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