KR101843364B1 - 발수성을 가지는 투명 전극 및 이를 포함하는 면상 발열 히터 - Google Patents
발수성을 가지는 투명 전극 및 이를 포함하는 면상 발열 히터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초발수성 투명 전극 및 이를 포함하는 면상 발열 히터에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 현저하게 낮은 작동전압으로도 우수한 면상 발열 히터 기능을 발현하여 표면의 수분을 효과적으로 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 발수성 및 내환경성이 우수하고, 낮은 면저항을 갖는 투명 전극 및 이를 포함하는 면상 발열 히터에 관한 것이다.
도전성 박막을 다양한 형태의 면상 전극과 면상 발열 히터 등 여러 용도에 적용하는 기술이 급격히 발전하고 있다. 일예로, 도전성 투명 박막은 전기발광 표시장치(electroluminescence diplay), 액정 표시장치, 터치 패널, 평판 히터 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 도전성 투명 박막을 제조하기 위한 재료로는, 예컨데 산화인듐-산화주석, 산화주석-산화안티모니, 산화아연 등과 같은 금속 산화물과, 금, 백금, 은과 같은 금속, 칼코제나이드(chalcogenides), 붕소화란탄, 질소화티타늄과 같은 비산화물 등이 사용되고 있다.
이중에서 특히 발열체를 제조하기 위해서는 산화주석 또는 산화주석과 다른 금속과의 혼합물을 원료로 하여, 고진공에서 스퍼터링(sputtering)함으로써 박막을 형성시키는 방법이 이용되고 있다. 그러나 이렇게 제조된 도전성 투명 박막은 내열성이 약하여 300 ℃ 이상의 온도에서는 안정성이 크게 떨어지며, 특히 박막이 발열할 때 기판에 열이 전도되기 때문에 사용상 불편하고 열손실이 크다는 단점을 가진다. 또한, 기판에 증착된 도전성 투명 박막은 원자 또는 분자적으로 견고히 결합하기 때문에, 발열부 이외의 부분에 증착된 도전성 물질을 에칭하여 제거하기 어렵다는 단점을 가진다.
이의 문제점을 해결하기 위한 발열체를 제조하려는 시도는 다음과 같다. 특허문헌 1에는 인듐 산화물 및 주석 산화물을 원료로 하여 발열 박막의 형상을 몰딩하고, 소결하여 도전성 투명 박막을 제조하는 방법을 개시한다. 허나, 이 방법에 의하면 별도의 몰딩과 소결 과정을 거쳐야 하기 때문에 공정이 번거롭고 비용이 많이 들고, 안정성이 떨어지는 등의 단점이 따른다.
또한 특허문헌 2에는 도판트(dopant)의 함유량이 다른 복수 종류의 박막재료를 동시에 증발시키거나, 스퍼터링으로 복수 종류의 박막재료의 증기 또는 스퍼터링 원자를 발생시킨 후 이를 기판의 표면에 부착시켜 박막을 형성하는 방법을 개시한다. 하나, 이는 도판트의 함유량이 부분적으로 달라, 이 방법에 의해 얻어진 투명 도전성 박막은 부분적으로 전기저항이 상이하여 발열속도와 발열량이 부분적으로 다르기 때문에, 활용성에 제한을 받는다. 따라서, 자동차의 뒷창의 유리에 적용하여 부분적으로 물방울이나 성에를 제거하여 시야를 확보하는 데에 한정되어 이용되고 있을 뿐이다.
이와 같은 종래기술에 있어서 도전성 투명 박막을 이용하여 발열체를 제조하려는 시도가 있었으나, 발열체의 발열 효율이 낮고, 이의 안정성이 취약하거나 기판에 열이 전도되어 뜨거워지는 현상 등으로 아직까지 실용성 있는 면상 발열 히터를 제공하는데 성공하지 못하였다.
이에, 본 발명자들은 균일하고 고르게 면상 발열을 즉각적으로 구현할 수 있는 투명 전극에 대한 연구를 심화한 결과, 추가적인 소결 공정 없이도 낮은 구동전압을 갖는 투명 전극을 고안하였다. 이는, 상술된 종래기술의 문제점을 해결함과 동시에 종래의 도전성 투명 박막 대비 현저하게 낮은 구동전압으로도 고속 히팅이 가능함을 발견하였다. 또한, 가시광선 투과율이 높아 가시도가 우수하여 건물의 창 또는 차량의 유리 등에 광범위하게 적용되어 실내의 온도 차이에 의해 발생하는 서리 및 결로 현상을 효과적으로 방지하고, 냉·온방시 에너지 절감을 실현할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 가시광선에 대한 투명성이 우수한 초발수성의 투명 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 저전압에서도 우수한 발열속도와 발열량으로, 면 전체에 균일한 열전달이 이루어질 수 있는 고성능의 면상 발열 히터를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 투명 전극은 제1 광학층, 상기 제1 광학층의 일면에 형성된 금속층 및 상기 금속층의 일면에 형성되는 제2 광학층을 포함하는 것일 수 있다. 특히 상기 제2 광학층은 스퍼터링으로 형성된 탄화불소 박막을 포함하여, 초발수 특성, 안정적인 대전방지 특성 등의 우수한 내환경성을 부여한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 내부반사효과를 극대화시켜 놀랍게도 향상된 가시광선에 대한 투과도를 제공한다. 더욱이, 본 발명에 따른 투명 전극은 종래 ITO 필름을 비롯한 투명 금속산화물 박막 대비 현저하게 낮은 작동전압에서도 고속 히팅 및 높은 발열량을 구현해 낼 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 현저하게 낮은 면저항 값을 가져, 보다 낮은 전압의 인가시에도 향상된 발열특성을 구현할 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면 전압의 인가 후 발열되는데 소모되는 시간을 단축하고, 균일한 열전달을 가능케 하여, 전력 소모량을 획기적으로 줄일 수 있다.
뿐만 아니라, 시간이 경과함에 따른 열화에 의한 전극의 손상, 일예로 면저항이 높아지거나 균열에 의해 전기적으로 단선이 생기는 문제점 등을 효과적으로 개선시킬 수 있어 좋다.
또한, 본 발명은 상기 투명 전극을 발열부로 사용하거나 발열부에 포함시켜 제조되는 면상 발열 히터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 우수한 내열성, 내화학성 및 내오염성을 가짐과 동시에 우수한 전기 전도도와 보다 낮은 면저항으로 발열 및/또는 단열 특성에 있어 탁월한 면상 발열 히터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내열성, 내화학성 및 내오염성이 우수하고, 가시광선에 대한 높은 투과도를 갖는 투명 전극 및 이를 채용한 면상 발열 히터를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 투명 전극 및 이를 채용한 면상 발열 히터는 초발수 특성을 나타내는 효과를 갖는다.
또한 본 발명에 따르면, 현저하게 낮은 작동전압으로도 우수한 발열특성을 나타내며, 단열효과 또한 탁월하여 투명 전극의 전 영역에 걸쳐 균일한 온도를 장시간 동안 유지할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 별도의 개조 비용 없이 MF나 DC 전원방식을 이용하는 기존 롤투롤 방식으로 대면적의 투명 전극의 제조가 가능하여 매우 경제적인 양상이 가능하다. 뿐만 아니라, 탄화불소 박막 증착을 위한 종래 RF(Radio Frequency) 전원방식에서의 문제점인 낮은 증착율과 절연파괴를 방지하여 보다 안정적으로 탄화불소 박막을 포함하는 투명 전극을 제공할 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예 2 내지 4의 방법으로 제조된 투명 전극을 이용한 면상 발열 히터의 온도 분포를 나타낸 이미지이다.
도 2은 본 발명의 실시예 1 및 2의 방법으로 제조된 투명 전극의 가시광선 투과율 측정 결과이다.
도 3는 본 발명의 실시예 3 및 4의 방법으로 제조된 투명 전극의 가시광선 투과율 측정 결과이다.
도 2은 본 발명의 실시예 1 및 2의 방법으로 제조된 투명 전극의 가시광선 투과율 측정 결과이다.
도 3는 본 발명의 실시예 3 및 4의 방법으로 제조된 투명 전극의 가시광선 투과율 측정 결과이다.
본 발명에 따른 투명 전극 및 이를 포함하는 면상 발열 히터에 대하여 이하 상술하나, 이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 투명 전극은 전기 전도도가 우수하여 열전도가 빠르고, 면저항이 낮아 보다 높은 터치감도의 확보와 동시에 높은 정전 용량값을 가진다. 더불어, 본 발명에 따르면 발열시 균일하고 안정적인 발열 및/또는 단열 특성의 구현이 가능하고, 각 층간 접합력이 우수하여, 열화에 의한 투명 전극의 손상을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 제1 광학층, 상기 제1 광학층의 일면에 형성된 금속층 및 상기 금속층의 일면에 형성되는 제2 광학층을 포함하고, 특히 상기 제2 광학층은 스퍼터링으로 형성된 탄화불소 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 각 층과의 우수한 접합력 뿐 아니라 다층구조에서의 내부반사효과를 극대화시켜 가시광선에 대한 투과율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 투명 전극은 각 층의 성분 및 이의 함량을 적절하게 조절하여 목적하는 면저항을 구현할 수 있을 뿐 아니라 면저항을 현저하게 낮추어 보다 낮은 작동전압에서도 고속 히팅을 가능케 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 보다 낮은 작동전압으로도 전극의 발열속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이러한 빠른 발열속도는 승온 및/또는 냉각 속도에 대한 응답성과 관계된다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항은 50 Ω/sq 이하인 것일 수 있다. 이때, 면저항의 하한은 제한되지는 않으나 실내의 온도 차이에 의해 발생되는 서리, 결로 현상 등을 효과적으로 방지하기 위한 온도로 상승하여, 투명 전극의 전 영역에 걸쳐 균일한 온도를 유지할 수 있는 측면에서 바람직하게는 0.1 Ω/sq 내지 50 Ω/sq, 보다 바람직하게는 1 Ω/sq 내지 40 Ω/sq의 범위인 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 상기 금속층이 6nm에서 14nm 범위, 보다 바람직하게는 8nm에서 12 nm 범위의 두께로 성막될 경우, 향상된 면저항 특성을 발현한다. 더불어, 본 발명에 따른 투명 전극은 절연특성을 보이는 탄화불소 박막을 포함하는 제2 광학층을 금속층 상부에 도입한 경우에도 현저하게 향상된 도전 특성을 보인다. 특히, 제2 광학층이 상당한 두께를 가지는 경우(일예, 60 nm)에도 상술된 효과에 있어 탁월함을 보인다.
상술된 효과, 즉 낮은 면저항 및 높은 도전성은 본 발명에 따른 전극의 각 층간 터널링 장벽이 감소함에 따른 것으로, 본 발명에 따르면 세라믹 대비 비교적 포러스(porous)한 박막 밀도를 제공하여 각 층간 터널링 장벽을 효과적으로 억제할 수 있음에 따른 것으로 추정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 제1 광학층은 투명성을 가지는 것이라면 제한되지 않으나, 예를 들면 유연성을 가지는 투명 광학층을 구현하기 위한 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물 등에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물 박막을 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 광학층의 바람직한 일예로는 실리콘; 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 환형올레핀공중합체(cyclic olefic copolymer, COC), 환형올레핀고분자(cyclic olefin polymer, COC), 트리아세틸 셀룰로오스 (triacetyl cellulose, TAC), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylene naphthalene, PEN), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리아크릴레이트 (polyacrylate), 폴리에스터(polyester), 폴리메틸펜텐 (polymethylene pentene, PMP), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리메타크릴레이트 (polymethacrylate, PMA), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 (styrene-acrylonitrile copolymer, SAN), 아크릴로니트릴-부틸렌-스티렌 공중합체 (acrylonitrile-butylene-styrene copolymer, ABS), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride, PVC), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 에틸렌비닐알콜 (ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH), 폴리비닐알콜 (polyvinyl alcohol, PVA), 폴리알릴레이트 (polyarylate, PAR), 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 (acrylic-styrene-acrylonitrile copolymer), 에틸렌-부텐 공중합체 (ethylene-butylene copolymer), 에틸렌-옥텐 공중합체 (ethylene-octene copolymer), 에틸렌-프로필렌 공중합체 (ethylene-propylene copolymer), 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체 (ethylene-propylene-diene monomer copolymer, EPDM), 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐렌옥사이드 (polyphenylene oxide, PPO), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybuthylene terephthalate, PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(polytrimethylene terephthalate, PTT), 폴리옥시메틸렌 (polyoxy methylene, POM), 폴리프탈아미드 (polyphthalamide, PPA), 폴리술폰 (polysulfone, PSf), 폴리에테르술폰 (polyether sulfone, PES), 폴리페닐렌설피드 (polyphenylene sulfide, PPS), 액정고분자 (liquid crystalline polymer, LCP), 폴리에테르이미드 (polyether imide, PEI), 폴리아미드이미드(polyamide imide, PAI), 폴리케톤 (polyketone, PK), 폴리에테르에테르케톤 (poly ether ether ketone, PEEK), 폴리에테르케톤 (poly ether ketone, PEK), 폴리에테르케톤케톤 (polyether ketone ketone, PEKK), 폴리에테르케톤에테르케톤케톤 (polyether ketone ether ketone ketone, PEKEKK), 폴리아릴에테르케톤 (polyaryl ether ketone, PAEK), 폴리벤조이미다졸(polybenzimidazole, PBI), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral, PVB), 폴리프로필렌카보네이트 (polypropylene carbonate, PPC), 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 폴리히드록시알카노에이트 (polyhydroxy alkanoates, PHAs), 알키드 수지 (alkyd resin), 페놀 수지 (phenol resin), 에폭시 수지 (epoxy resin), 리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE, polychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, polyvinylidenedifluoride), 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체 (FEP, fluorinated ethylene propylene copolymer), 폴리 에틸렌-테트라플루오로 에틸렌 (ETFE, poly ethylene-co-tetra fluoro ethylene), 폴리 에틸렌-클로로 트리플루오로 에틸렌 (ECTFE, poly ethylene-co-chloro trifluoro ethylene), 폴리 테트라 플루오로 에틸렌-플로오로 알킬 비닐 에테르 (PFA, poly tetra fluoro ethylene-co-fluoro alkyl vinyl ether) 등의 고분자 필름; 세라믹; 이산화 지르코늄(zirconium oxide: ZrO2), 이산화 티타늄(titanium oxide: TiO2), 황화 아연(Zinc sulfide: ZnS), 삼산화 이안티몬(Sb2O3), 이산화 아연(Zinc oxide: ZnO2), 인듐-주석 복합산화물(Indium oxide doped Tin: ITO), 안티몬-주석 복합산화물(Antimon doped Tin: ATO), 티타늄-안티몬-주석 복합 산화물(TiO2, Sb doped SnO2), 산화 세륨(CeO), 이산화 셀레늄(SeO2), 삼산화 이알루미늄(Al2O3), 삼산화 이이트륨(Y2O3), 안티몬-아연 복합산화물(AZO) 등의 금속산화물; 질화 실리콘(SiN) 등의 금속질화물; 등에서 선택되는 하나 이상의 박막일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 제1 광학층의 두께는 시인성을 해치지 않는 범위에서 제한되지 않으나, 바람직하게는 5nm 내지 1,000 nm, 보다 바람직하게는 5nm 내지 200nm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 금속층은 발열 효율 및 이의 발열된 열을 전달하는 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이때, 상기 금속층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 특히, 크랙에 취약한 ITO를 비롯한 금속산화물을 제1 광학층으로 이용하는 경우, 이에 우수한 결학력을 부여하여 상술된 문제점을 효과적으로 개선할 수 있어 더욱 좋다. 이에, 막 균열 및 이에 따른 전기적으로 단선이 생기는 등의 문제점을 획기적으로 개선하여 내구성이 유지되는 효과를 구현할 수 있고, 180°의 굴곡시에도 저항변화가 생기지 않는다는 점에서 유리하다. 이때, 상술한 효과에 있어 시너지를 나타낼 수 있는 측면에서 연성이 뛰어난 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 금속층의 두께는 제한되지 않으나, 바람직하게는 4nm 내지 25nm 보다 바람직하게는 6nm 내지 14nm 일 수 있다. 특히, 상기 금속층의 두께가 상기 범위에 있어 8nm에서 12nm의 범위로 성막되는 경우, 본 발명에 따른 투명 전극은 현저하게 높은 투과율과 낮은 작동전압을 동시에 나타내어 본 발명에서 우선되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 제2 광학층은 탄화불소 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 최외각층에 탄화불소 박막을 도입하여, 각 층간 접합력이 우수하여, 핀홀이나 벗겨짐에 의해 상기 제1 광학층 및/또는 금속층이 손상되거나 크랙(Crack)이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 뿐만 아니라 내부반사효과를 극대화시켜 가시광선에 대한 투과율을 획기적으로 향상시키고, 우수한 단열성으로 전력 소모량을 획기적으로 줄일 수 있다. 이때, 상기 제2 광학층의 두께는 제한되지 않으나, 바람직하게는 1nm 내지 1,000nm 보다 바람직하게는 5nm 내지 200nm일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학층에 포함되는 탄화불소 박막은 MF 또는 DC 전원방식의 스퍼터링으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이는 종래 RF 등과 같이 고 에너지를 반드시 필요로 하였던 기존 탄화불소 박막의 제조방법과 차별될 뿐 아니라 연속적인 스퍼터링 공정으로 투명 전극을 제조할 수 있다는 측면에서 공정상 이점을 제공한다. 게다가, 상술된 제조방법을 채택함에 따라 투명 전극의 발열 특성, 특히 면저항 값을 최소화할 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 투명 유연 전극으로 터치스크린 패널, 태양전지, OLED 디스플레이 패널 등에 적용 가능하게 함으로써, 광범위한 상용화를 달성할 수 있다. 이때, 건축물 및 차량 등의 용도에 따라 상기 가시광선 투과율(T550nm)이 50 내지 95% 범위인 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 수접촉각은 90 내지 150 °인 것일 수 있으며, 100 °이상의 초발수성을 가짐에 따라 투명 전극의 표면에 수분이 흡착되는 것을 해결하고, 일부의 수분이 묻더라도 일정 전압을 인가함에 따라 면상 발열 기능을 발현하여 표면의 수분을 즉각적으로 제거할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 투명 전극의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 제1 광학층, 금속층 및 탄화불소 박막을 포함하는 제2 광학층을 순차적으로 스퍼터링하여 제조될 수 있다.
먼저, 본 발명에서 피착체 상에 제1 광학층을 스퍼터링하는 단계에 대하여 설명한다.
상기 제1 광학층은 금속유기물 타겟, 금속산화물 타겟, 금속탄소체 타겟, 금속수산화물 타겟, 금속카보네이트 타겟, 금속바이카보네이트 타겟, 금속질화물 타겟 및 금속불화물 타겟 등을 이용하여 스퍼터링되거나 금속 타겟을 이용하여 반응 가스에 의해 산화, 질화, 불화 또는 황화 되어 형성될 수 있음은 물론이며, 이외의 다양한 타겟을 사용하는 방법으로도 형성될 수 있다.
이때, 상기 반응 가스는 금속 타겟을 이용하여 산화, 질화, 불화 또는 황화 시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 일예로 아산화질소(N20), 이산화질소(N02), 일산화질소(NO), 황화수소(H2S), 사불화탄소 (CF4), 육불화황(SF6) 및 산소(O2) 등에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 이산화질소(N02), 산소(O2) 또는 이들의 혼합 반응 가스인 것이 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 제1 광학층은 산화 지르코늄(zirconium oxide: ZrO2), 산화 티타늄(titanium oxide: TiO2), 황화 아연(Zinc sulfide: ZnS), 산화 안티몬(Sb2O3), 산화 아연(Zinc oxide: ZnO2), 인듐-주석 복합산화물(Indum oxide doped Tin: ITO), 안티몬-주석 복합산화물(Antimonu doped Tin: ATO), 티타늄-안티모니-주석 복합산화물(TiO2, Sb doped SnO2), 산화 세륨(CeO) 산화 셀레늄(SeO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 나이오븀(Nb2O5) 및 안티몬-아연 복합산화물(AZO), 질화 실리콘(SiN) 등의 형태일 수 있으며, 고분자 필름 등의 투명 광학 필름 또한 본 발명의 일 양태임은 물론이다. 이러한 재료는 상기에서 설명하고 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 제1 광학층의 일면에 금속층을 스퍼터링하는 단계에 대하여 설명한다. 상기 금속층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속 타겟을 이용하여 스퍼터링될 수 있다. 이때, 상기 ITO 등과 같은 금속산화물 형태의 투명 광학층을 사용하는 경우의 단점을 보완하기 위한 측면에서 연성이 뛰어난 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 규소(Si), 금(Au) 등에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 금속층의 일면에 탄화불소 박막을 포함하는 제2 광학층을 스퍼터링하는 단계에 대하여 설명한다. 이때, 본 발명에 따른 탄화불소 박막을 포함하는 제2 광학층은 출력 전압에 상관없이 구현될 수 있다는 측면에서, 종래 탄화불소 박막의 제조방법과 차별화되며, RF(Radio Frequency)에 비해, 비교적 낮은 수십 KHz의 주파수 또는 그 이하의 주파수를 가지는 MF 또는 DC 전원방식으로도 높은 증착율로 균일하게 증착이 가능하여 기존 롤투롤 장비에서 별도의 개조 비용 없이 타겟의 교환만으로 바로 적용이 가능할 뿐 아니라 매우 단시간 내에 대면적의 투명 전극의 제조가 가능하여, 절감된 제조원가로 대량생산에 기여할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 광학층은 도전성을 가지는 기능화제를 포함하는 불소계고분자 복합 타겟을 이용하여 스퍼터링 공정으로 제조된다. 이때, 상기 기능화제는 도전성을 가지는 물질이라면 한정되지 않으나 바람직할 일예로는 전도성입자, 전도성 고분자, 금속성분 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명에서 상기 도전성 기능화제를 포함하는 불소계고분자 복합 타겟을 사용하여 MF 및/ 또는 DC 전원방식으로 스퍼터링함으로써, 제2 광학층이 보다 균일한 두께로 고르게 또 단시간에 증착될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 투명 전극의 제조시, RF 전원방식으로 스퍼터링하는 것보다 우수한 표면 특성 및 접합성을 부여할 수 있다는 점에서 본 발명의 제2 광학층을 가지는 투명 전극 및 이를 채용한 면상 발열 히터의 내구성(장기 사용에 따른 면저항 향상 및 크랙 발생 억제)을 향상시키고, 발열·단열 특성에 현저성을 부여할 수 있다.
상기 전도성입자의 비한정적인 일예로는 카본나노튜브(Carbon nano tube), 카본나노섬유 (carbon nano fiber), 카본블랙(Carbon black), 그래핀(Graphene), 그라파이트(Graphite), 탄소섬유(Carbon fiber) 등을 들 수 있으며, 기타 유기 전도성입자도 포함할 수 있다. 이때, 상기 전도성입자의 일예인 유기 전도성입자를 사용할 경우 탄화불소 성분을 유지하면서 도전성을 부여할 수 있어 바람직하다. 상기 전도성 고분자의 비한정적인 일예로는, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리플루렌(polyfluorene), 폴리피렌(polypyrene), 폴리아줄렌(polyazulene), 폴리나프탈렌(polynaphthalene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(poly phenylene vinylene), 폴리카르바졸(polycarbazole), 폴리인돌(polyindole), 폴리아제핀(polyazephine), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌비닐렌(polyethylene vinylene), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리셀레노펜(polyselenophene), 폴리텔루로펜(polytellurophene), 폴리설퍼 나이트라이드 (polysulfur nitride) 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속성분의 비한정적인 일예로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 등을 들 수 있으며, 금속 전극과의 우수한 결착력을 가지는 측면에서 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 또는 이들의 혼합물, 보다 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 혼합물이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자를 포함하며, 상기 불소계고분자는 불소를 함유한 수지류 라면 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 불소를 함유하는 올레핀을 중합시킨 합성수지인 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE, polychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, polyvinylidenedifluoride), 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체 (FEP, fluorinated ethylene propylene copolymer), 폴리 에틸렌-테트라플루오로 에틸렌 (ETFE, poly ethylene-co-tetra fluoro ethylene), 폴리 에틸렌-클로로 트리플루오로 에틸렌 (ECTFE, poly ethylene-co-chloro trifluoro ethylene), 폴리 테트라 플루오로 에틸렌-플로오로 알킬 비닐 에테르 (PFA, poly tetra fluoro ethylene-co-fluoro alkyl vinyl ether) 등에서 선택되는 하나 이상의 불소계고분자 또는 이들중 어느 하나 이상을 포함하는 공중합체; 비닐플루오라이드 단일중합체 고무, 비닐플루오라이드 공중합체 고무, 비닐리덴플루오라이드 단일중합체 고무 및 비닐리덴플루오라이드 공중합체 고무 등에서 선택되는 하나 이상의 불소고무; 로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)일 수 있지만 이에 한정하는 것은 아니다.
이때, 본 발명에 따른 상기 불소계고분자 복합 타겟의 조성은 제한되지는 않지만 좋게는 상기 불소계고분자 100 중량부에 대하여 상기 기능화제 0.01 내지 2000 중량부로 함유할 수 있으며, 보다 높은 증착율과 절연파괴를 방지하여 고품질의 탄화불소 박막을 증착할 수 있는 측면에서 바람직하게는 0.5 내지 1500 중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 1000 중량부로 함유되는 것이 좋으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 제조방법에 있어, 상기 스퍼터링의 파워는 제한되지 않지만, MF 또는 DC 전원방식을 이용하여 0.1 내지 25 W/㎠ 의 파워로 플라즈마를 형성하여 스퍼터링 될 수 있으며, 바람직하게는 0.3 내지 20 W/㎠, 보다 바람직하게는 0.5 내지 10 W/㎠의 파워로 플라즈마를 형성하여 스퍼터링 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 방식의 스퍼터링 증착시, 상기 피착체의 이송 속도는 제한되지는 않으나 0.1 m/min 내지 20 m/min의 속도로 이송될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 m/min 내지 5 m/min의 속도로 이송되는 것이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와같이, 본 발명에 따른 투명 전극은 기존의 롤투롤 방식의 MF 또는 DC 스퍼터링 장치를 별도의 개조 비용 없이 바로 적용이 가능하여, 공정의 자동화, 단순화 및 연속화된 투명 전극의 제조가 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 투명 전극의 제조방법은 탄화불소 박막을 포함함에도 불구하고, 출력 전압에 상관없이 구현될 수 있다는 측면에서, 기존의 제조방법과 차별화된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극은 최외각층에 도입된 제2 광학층, 즉 탄화불소 박막에 의해 초발수 특성, 안정적인 대전방지 특성 등의 우수한 내환경성을 부여할 수 있을 뿐 아니라 상술된 현저한 특성으로, 주방용 조리기구, 보일러용 온수시스템, 온풍시스템, 그리고 발열윈도우, 반도체용 발열서셉터, 실험용 핫플레이트 등 다양한 양태일 수 있으며, 특히 높은 가시도가 요구되는 건물의 유리창 또는 차량의 유리 등에 광범위하게 적용되어 실내의 온도 차이에 의해 발생되는 서리, 결로 현상 등을 방지하고, 냉·온방시 에너지를 효과적으로 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
또한 본 발명은 상기 투명 전극을 발열부에 포함하는 면상 발열 히터를 제공한다. 이때, 상기 면상 발열 히터는 상기 발열부에 전기적으로 연결되어 전압인가시 발열을 유도하는 전원부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열 히터는 전압인가시 발열부에서의 발열이 가능한 바, 선택할 수 있는 작동전압은 20V 이하, 바람직하게는 1 내지 15V, 보다 바람직하게는 1 내지 10V 범위로 인가될 수 있다. 이때, 상기 작동전압의 인가에 의한 발열에 의한 표면온도는 PET 필름을 기재로 사용할 경우 30 내지 180℃(작동 전압 1 내지 15V)일 수 있으며, 고내열 기재를 사용할 경우 더 상승할 수 있다.
통상 ITO 등과 같은 금속산화물 박막의 경우 100 내지 200 Ω/sq의 면저항을 갖는다. 면저항을 낮추기 위해, 일반적으로 300 ℃ 이상의 열처리를 수행되나 안정성에 있어 불리함이 따른다. 허나, 본 발명에 따르면 추가적인 열처리 등의 공정 없이도 20V 이하의 낮은 전압으로도 우수한 발열 및/또는 단열 특성으로 면상 발열 히터를 구동할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명에 따른 투명 전극의 물성을 확인하기 위하여, 수접촉각, 박막 두께, 면저항, 광투과율을 하기 방법으로 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한 하기 방법으로 내열성을 평가하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1. 수접촉각 측정
완성된 투명 전극의 수접촉각을 접촉각 측정기(PHOEIX 300 TOUCH, SEO 사)를 사용하여 측정하였다.
2. 박막 두께 측정
완성된 투명 전극의 각 층별 두께를 측정하기 위해 이를 절단하여 단면을 FE-SEM (Field Effect - Scanning Electron Microscope, Philips XL30S FEG) 장치를 이용하여 측정하였다.
3. 면저항 측정
완성된 투명 전극의 면저항을 측정하기 위하여, 저 저항계(CMT-SR 2000N (Advanced Instrument Teshnology;AIT사, 4-Point Probe System, 측정 범위 : 10×10-3 ~ 10×105 )를 이용하여, 10회 측정한 후 평균값을 구하였다.
4. 광투과율 측정
완성된 투명 전극의 광투과율을 측정하기 위하여, 분광 광도계(히타치 제작소 제조, U-4100형)를 사용하여 파장 300~700 ㎚ 영역의 광투과율을 측정한 후 파장 550 ㎚에 있어서의 광투과율을 측정하였다.
5. 내열성 평가
완성된 투명 전극의 광투과율과 면저항을 측정한 후 이를 150 ℃에서 1시간 동안 보관하였다. 이후 투명 전극의 광투과율과 면저항을 측정하여, 초기값과 비교하였다.
(실시예 1)
100 ㎛ 두께, 520-mm-wide PET film (V7610, SKC) 기재 필름에 Pilot-scale RTR sputtering 시스템(Ulvac SPW-060)을 이용하여 투명 전극(fluorocarbon)/Metal(silver)/Polymer(fluorocarbon)을 성막 하였다.
이때, 상기 Pilot-scale RTR sputtering 시스템은 언와인더(unwinder), 와인더(winder), 메인 스퍼터링 모듈(main sputtering module)을 포함한다. 메인 스퍼터링 모듈은 3개의 MF 듀얼 스퍼터링 캐소드(mid-range frequency dual cathodes)와 1개의 DC 스퍼터링 캐소드(direct current cathode)를 포함하며, 상기 투명 전극을 원스톱으로 성막할 수 있다.
상기 투명 전극(fluorocarbon)/Metal(silver)/Polymer(fluorocarbon)은 1번 MF 듀얼 스퍼터링 캐소드에 CNTs가 5wt% 포함된 CNTs/PTFE composite target을 장착하였고, DC 스퍼터링 캐소드에는 Silver target (Ag 99.99% Target)을 장착하여 성막되었다.
성막 전, 기재 필름의 표면 오염물 제거와 하부 박막과 PET 기판의 밀착성을 향상시키기 위해서 열처리 및 Ar/O2 이온 플라즈마 처리를 하였다. 기재 필름의 전처리 가열 온도는 200도 (필름 표면 온도는 대략 65도와 1 m/min 속도의 조건) 에서 진공 챔버의 습기를 제거하기 위해 사용하였으며, Ar/O2 이온 빔은 DC power 300 W 와 500/200 sccm 에서 전처리하였다.
이어서, 메인 스퍼터링 모듈에서 하부 탄화불소 박막(제1 광학층)을 1번 MF 듀얼 스퍼터링 캐소드를 이용하여 20nm, 40nm, 60nm로 각각 성막하였다. 이어서 DC 스퍼터링 캐소드를 이용하여 reverse 방향으로 Ag 금속을 두께 8nm로 하여 성막하였다(금속층, Ar 400sccm, 1.0m/min의 속도). 상기 금속층의 상부에 상기 1번 MF 듀얼 스퍼터링 캐소드를 이용하여 다시 forward 방향으로 이동하면서 20nm, 40nm, 60nm로 탄화불소 박막(제2 광학층)을 성막하여, 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 제1 광학층과 제2 광학층을 60nm로 고정하고 금속층의 은(Ag) 함량을 하기 조절(하기 표 1 참조)하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서 제1 광학층인 탄화불소 박막 대신 2번 MF cathode를 이용하여 ITO 박막으로 20, 40, 60nm 증착하고, 금속층의 은(Ag)은 10nm, 제2 광학층인 탄화불소 박막은 60nm로 조절하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서 제1 광학층을 3번 MF cathode를 이용하여 SiNx 박막으로 20, 40, 60nm 증착하고, 금속층의 은(Ag)은 10nm, 제2 광학층인 탄화불소 박막은 60nm로 조절하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(실시예 5)
상기 실시예 2에서 제1 광학층(60nm)과 제2 광학층(60nm)을 RF 스퍼터링하여 제조하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(비교예 1)
상기 실시예 2에서 제2 광학층을 형성하지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(비교예 2)
상기 실시예 2과 동일한 방법으로 수행하되, 상기 제2 광학층을 스퍼터링하는 것이 아닌 용매 기반의 고형분 함량이 1 중량%인 불소계 고분자 용액 즉, PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 에탄올 용액에 함침한 후 이를 80 ℃에서 건조시켜 투명 전극을 제조하였다(습식코팅 불소박막 1500 nm / Ag 10nm / ITO 40nm).
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(비교예 3)
상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 금속층에 불소도핑을 하여 투명 전극을 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 투명 전극의 물성을 확인하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전극은 우수한 광투과율과 낮은 면저항으로 광학적으로 투명성을 요구하는 다양한 양태로 적용 가능할 뿐 아니라 이를 채용한 면상 발열 히터의 경우, 비교예 대비 현저하게 향상된 발열 특성의 구현이 가능하며, 최대 180 ℃까지의 표면온도를 나타낼 수 있다(도 1 내지 도 3 참조).
또한, 본 발명에 따른 투명 전극과 유사한 구성을 가지는 비교예 2의 경우(습식코팅 불소 박막을 제2 광학층으로 가짐), 발열특성을 전혀 보이지 않음을 알 수 있었으며, 불소 도핑된 금속층(F doped A)을 포함하는 비교예 3의 경우 역시 본 발명에 따른 투명 전극 대비 56% 수준으로 현저하게 낮은 발열특성을 보임을 확인하였다(실시예 2의 FC 60nm /Ag 10nm / FC 60nm 대비).
특히, 본 발명에 따른 투명 전극은 RF 보다 낮은 전원방식인 MF 및/또는 DC 전원방식으로 성막될 경우, 보다 우수한 표면 특성 및 접합성으로 높은 광투과율을 가지며, 이를 채용한 면상 발열 히터의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전극은 5V 이하의 낮은 전압으로도 50 ℃의 표면온도를 구현할 수 있으며, 초발수 특성으로 표면에 수분이 흡착되지 않고 전압인가시 빠르게 발열되어 즉각적으로 표면의 수분을 제거할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예, 시험예, 비교예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예, 시험예 및 비교예자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예, 시험예 및 비교예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (10)
- 금속화합물 박막 또는 탄화불소 박막인 제1 광학층, 상기 제1 광학층의 상부면에 형성된 금속층 및 상기 금속층의 상부면에 스퍼터링으로 형성된 탄화불소 박막인 제2 광학층으로 구성되는 투명 전극을 발열부로 포함하고, 상기 투명 전극에 3 내지 14V의 전압 인가시, 발열온도가 30 내지 180℃인, 면상 발열 히터.
- 제 1항에 있어서,
상기 투명 전극의 면저항은 50 Ω/sq 이하인, 면상 발열 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 광학층의 금속화합물 박막은 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 면상 발열 히터. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 투명 전극의 가시광선 투과율(T550nm)은 50 내지 95%인, 면상 발열 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 투명 전극의 수 접촉각은 90 내지 150 °이고, 상기 수 접촉각은 SEO Phoenix 300 접촉각 측정기로 측정한 값인, 면상 발열 히터. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 발열부에 전기적으로 연결되어 전압인가시 발열을 유도하는 전원부를 더 포함하는, 면상 발열 히터. - 삭제
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