1. 서 론
2. 실험 방법 및 샘플 제작
2.1 OMO 구조 설계를 위한 시뮬레이션
2.2 IDE 전극 Masking 및 샘플 제작
3. 결과 및 토의
3.1 ITO 및 OMO 히터의 광학적 특성
3.2 ITO 및 OMO 히터들의 면저항 비교
3.3 ITO 및 OMO 히터의 발열 특성
4. 결 론
기호 및 약어 설명
AVT : 가시광 영역에서의 평균 투과율(Average Visible Transmittance)의 약어
IDE : 교차 전극(Interdigitated electrode)의 약어
OMO :Oxide/metal/Oxide의 약어
℃ :온도의 단위[0℃ = 273 K]
nm : 길이의 단위[10-9 m]
1. 서 론
인간의 주거, 건축, 문화와 생활에 밀접하며, 도시 디자인 및 심미적인 요소와 채광을 위해서 유리에 대한 관심과 활용이 증대하고 있다. 특히 건축분야에서는 건물의 미적 향상과 거주자의 가시성 제공하면서도 목적성 활용에 대한 요구가 대두되고 있다1,2,3,4,5,6). 유리를 건축과 디자인에 활용하는 것 상당한 미적인 효과와 함께 인간 생활에 밀접한 관계를 가지게 되지만, 유리를 통한 환경 영향에는 고려되거나, 개선되어야 하는 점이 있다. 에너지 관리 측면에서는 유리를 통한 복사열의 영향 및 에너지 손실이 가장 큰 이슈이며, 자외선에 의한 실내외 구조물의 변색 및 인체에 노출되어 발생하는 유해 요소(눈병, 피부질환, 눈부심 등)에 대한 관리의 필요성이 부각되고 있다7,8,9,10,11,12). 이러한 우려 가운데 실내의 열 유입을 차단하도록 설계된 필름은 실내 냉난방에 필요한 에너지 소비를 줄이는 데 기여한다는 점에서 큰 주목을 받고 있다13,14). 인간 거주 실내에서의 정온성을 유지하기 위하여 적외선의 출입을 효과적으로 차단하는 것은 에너지의 효율적인 활용의 근간이 된다.
현재 투명한 유리에 적용하여 에너지의 출입을 제어하는 기술과 함께 적극적인 방식으로 유리에서의 발열 특성을 활용하는 분야에 대한 기술개발이 크게 전개되고 있다. 많은 연구자들이 투명 히터의 구조물로 산화물 반도체, 나노와이어, 유기재료 등을 적극적으로 연구하고 있다15,16,17,18,19,20). 투명 히터를 제작할 때, 고려해야할 사안들이 있다. 첫째, 건축물과 자동차 등 인간 밀접 구조물에 활용될 수 있는 투명성이 확보되어야 한다. 둘째, 공정이 간단하면서도, 대규모 제작이 가능해야 한다. 마지막 고려사항은 단일소재를 사용할 때의 문제점인 발열특성의 제한성 개선에 관한 것이다. 본 연구에서는 히터 성능과 자외선 및 적외선 차단 기능을 갖춘 필름을 개발했다. 많은 재료 중에서 널리 사용되는 산화물 반도체인 ITO (Indium Thin Oxide)와 금속 전도체인 은(Ag)을 사용하여 Oxide/Metal/Oxide (OMO) 구조를 구현하였다. ITO는 높은 투명성과 높은 전자 이동도와 같은 특성으로 인해 반도체 장치에 광범위하게 사용된다21,22,23,24). 마찬가지로 Ag의 경우 저항이 낮아 줄 효과(Joule effect)를 통해 가열 특성이 향상되므로 발열체인 히터 제작에 근간 물질로 여겨진다25,26,27,28,29).
투명한 OMO 필름은 기능적으로 크게 두 가지 역할을 동시에 수행할 수 있다. 첫째, 광학적 쉴딩 역할을 한다. 유해한 UV를 차단하고 IR에 의한 열의 입, 출입을 효과적으로 제어하면서도 높은 가시광선 투과율이 높은 선택적 광학 투과 필터링 효과를 발현한다. 둘째, 광학적으로 투명하면서도, 발열체의 특성을 제공하여 투명한 히터 역할을 한다. 본 연구에서의 OMO 구조는 전기 저항이 매우 낮아 동일한 전압에서 높은 전류가 흘러 높은 발열이 발생한다28,29,30,31,32). 또한 대면적 공정이 가능한 고체 방식 스퍼터링(Physical Vapor Deposition, PVD)을 활용하여, 물질의 안정성을 확보하였다. 본 연구의 전기적 구조 측면의 특징인 교차 전극(Interdigitated electrode, IDE)을 적용하여, OMO 구조와의 면저항을 효과적으로 저감하는 기술을 활용하였다. 교차 전극은 전극을 교차하여 위치하는 것으로, 전극과 전극 사이의 거리를 짧게 하여 전기장을 기존의 평면 전극(Bar electrode)보다 더 강하게 인가할 수 있다33,34,35,36). 전기장의 세기가 강해짐에 따라 전자의 이동을 촉진하며 흐르는 전류가 상승하여 단일 ITO 필름보다 높은 발열량을 가질 수 있도록 설계하였다. 또한 최적의 투과율을 찾기 위해 Macleod 시뮬레이션 프로그램을 사용하였다. Macleod 시뮬레이션 프로그램은 물질과 두께를 입력하면 광학적 특성을 예측해주는 프로그램이다.
실험 결과를 바탕으로 제작된 교차 기반 OMO 구조의 투명 히터는 사람의 시인성이 가장 높은 550 nm 파장(λ)에서 높은 투과율(>76%)을 보였으며, 적외선 영역(λ = 1400 nm)에서는 높은 반사 성능(>86%)을 나타냈다. 또한, 투명 히터에서의 우수한 발열 특성을 확인하였으며, 저전압(3 V) 구동에서도 고온발열(>116℃) 이 가능한 것을 확인하였다. 기판의 안정성이 확보된다면 금속 산화물 기반 투명 OMO 히터는 더 높은 전압을 적용하여 더욱 우수한 발열 성능을 확보할 것으로 판단된다. 높은 가시광 영역의 투과성과 열의 출입을 효과적으로 제어할 수 있는 산화물 기반 OMO 구조와 교차 전극 기술은 인간의 건축물과 구조물에 활용되어, 보이지 않는 에너지의 관리 및 적용이 가능할 것으로 예상된다.
2. 실험 방법 및 샘플 제작
2.1 OMO 구조 설계를 위한 시뮬레이션
OMO 구조를 실제로 제작하기 전, Macleod 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 OMO 구조의 최적 두께를 결정하였다. 이때 시뮬레이션에 입력된 ITO의 굴절률(Refractive index, n) 값은 1.94이며, 소광률(Extinction coefficient, k) 값은 0.01이다. Fig. 1(a)은 Macleod 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 각 층의 두께 변화에 따른 투과율을 보여준다. 전기적 특성을 유지하기 위해 Ag 층의 두께는 15 nm로 고정하였고, 기판은 유리로 설정하였다. OMO 구조는 유리기판 상의 하부 ITO 층, 그 위의 Ag 박막 및 상부 ITO 층으로 구성하였으며, Fig. 1(a)는 하부 ITO 층을 35 nm로 고정한 후, 상부 ITO 층을 각 25, 30, 35, 40, 45 nm로 가변한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 상부 ITO 층의 두께가 증가할수록 투과도의 최대가 되는 파장대가 증가하는 경향을 보인다. 상부 ITO 층의 가변 결과, 35 nm일 때, 550 nm의 가시광 투과율이 높은 모습을 나타냈다. Fig. 1(b)는 상부 ITO 층을 35 nm로 고정한 후, 하부 ITO 층을 25, 30, 35, 40, 45로 가변한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 하부 ITO 층의 가변 결과 모든 층에서 유사한 경향을 보이지만, 하부 ITO 층이 30 nm일 때, 가장 뛰어난 가시광 투과율을 가지고 있다. 시뮬레이션 결과, 사람의 시인성이 가장 높은 550 nm 파장대에서 광학적 특성이 뛰어난 OMO 구조의 두께는 glass/30/15/35 nm인 것으로 예측된다. Fig. 1(c)는 해당 구조에 대한 투과율과 반사율 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 해당 구조는 시뮬레이션 결과 550 nm에서 87% 이상의 투과율을 가지며, 1400 nm에서 87% 이상의 반사율을 가질 것으로 예측된다. Fig. 1(d)는 OMO 구조의 투명 히터에 대한 개략도를 나타낸다.
2.2 IDE 전극 Masking 및 샘플 제작
교차 전극을 제작하기 위해 레이저 커팅기와 점착 필름을 사용하여 마스킹을 진행했다. PVD 방식의 스퍼터링을 진행하기에 사용하는 유리 기판보다 크게 제작하였으며, 점착 필름을 통해 유리 기판에 고정시켰다.
각 전극에는 좌측과 우측에 각각 5개씩, 총 10개의 돌기 전극(Finger electrode)이 있으며, 각 돌기의 너비는 0.5 mm, 돌기와 돌기 사이의 간격은 2 mm로 설계하였다. 특성 향상에 대한 지표를 구하고자, 단일 ITO 평면 필름의 투명 히터를 비교군으로 구성하였으며, 두께는 150 nm로 설정하였다. 기준 OMO 구조의 투명 히터는 ITO/Ag/ITO 구조를 가지며 두께는 30 nm/15 nm/35 nm로 광학 시뮬레이션 결과의 값을 설정하여 구현하였다.
각 층에 대한 증착 조건은 Table 1과 같다. Fig. 2(a)는 실제 마스킹을 통해 제작된 평면 전극과 교차 전극을 가진 ITO 필름과 OMO 구조를 보여준다. OMO 구조의 각 층에 대한 현미경 관측(SEM image)은 Fig. 2(b)와 같다.
3. 결과 및 토의
3.1 ITO 및 OMO 히터의 광학적 특성
유리 기판 위에 각 ITO 필름 또는 OMO 구조를 증착한 후, 평면 전극 또는 교차 전극을 증착해 총 4개의 투명 히터를 제작했다. Fig. 3은 ITO 필름과 OMO 구조의 투과율과 반사율, 평균 가시투명도(Average Visible Transmittance, AVT) 값을 보여준다. Fig. 3(a)는 ITO 필름과 OMO 구조의 투명 히터의 투과율을, Fig. 3(b)는 ITO 필름과 OMO 구조의 투명 히터의 반사율을 보여준다. 평면 전극의 ITO 필름은 550 nm에서 79%의 가시광 투과율을 보이고 있으며, 적외선에 대한 차단이 매우 낮으며, 1400 nm에서 5%의 적외선 반사율을 가진다. 교차 전극이 사용된 ITO 필름의 경우 550 nm에서 가시광 투과도 79%, 1400 nm 적외선 영역에서 19%의 반사율을 갖는다. 이러한 적외선 영역의 반사는 교차 전극을 사용함으로써 반사율이 증가한 것으로 판단된다. 평면 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터는 76% 이상의 투과율을 가지며 1400 nm에서 83%의 적외선 반사율을 가진다. 이와 비슷하게 교차 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터는 550 nm의 가시광 투과도 76%, 1400 nm에선 86%의 적외선 반사율을 가진다. 이때 단일 ITO 필름의 투명 히터와 다르게 교차 전극으로 인한 반사율 증가는 미미한 것으로 나타나는데, 이는 기존 OMO 구조의 반사율이 높기 때문으로 판단된다.
AVT 값은 380 nm ~ 825 nm의 파장대의 투과율을 통해 계산할 수 있다. AVT 값은 식(1)을 사용하여 결정된다. T(λ)는 시료의 투과율, P(λ)는 사람 눈의 광시 반응, S(λ)는 AM1.5G 광원의 분광 특성이다. P와 S는 표준값을 사용했다.
식(1)을 통해 계산한 결과는 다음과 같다. 평면 전극 또는 교차 전극을 가진 단일 ITO 필름의 투명 히터들은 77% 이상을 기록하였으며, 평면 전극 또는 교차 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터는 73% 이상의 AVT 값을 나타냈다. 광학적 측면에서 단일 ITO 필름의 투명 히터와 OMO 구조의 투명 히터는 비슷한 가시광 투과도를 가졌다고 판단되며, 적외선 영역의 반사율은 OMO 구조가 단일 ITO 필름에 비해 매우 높은 수치를 기록하였다. 또한 교차 전극과 평면 전극을 사용하였을 때, 광학적 측면에서 둘의 차이는 미비했다.
3.2 ITO 및 OMO 히터들의 면저항 비교
Fig. 4(a)는 평면 전극과 교차 전극의 자기장에 대한 개략적인 이미지를 보여준다. 본 논문에서는 교차 전극을 사용함으로써 전류가 통하는 통로(Path)가 증가되어 더 높은 전류를 흘러 발열량을 증가시켰다. 광학적 측면과 전기적 성능을 유지하였으며, 기존 구조보다 면저항을 감소시켰다. 전기장의 경우, 인가 전압에 비례하며, 각 전극의 거리에 반비례한다. 교차 전극은 평면 전극보다 전극 간의 거리가 짧아 더 강한 전기장을 인가할 수 있고, 전자의 흐름이 활발해지며 이는 흐르는 전류의 증가로 이어진다. 투명 히터의 경우 줄 법칙에 의해 발열량이 결정되는데, 이때 가장 중요하게 작용하는 요소는 면저항과 전류이다. 면저항이 낮을수록 같은 전압 대비 전류가 상승하여 발열량이 상승한다. 면저항은 전기적 성능을 명확하게 나타낼 수 있는 매개변수를 결정한다. 따라서 낮은 면저항은 높은 전기 전도도를 가져 뛰어난 발열 성능을 나타낼 것으로 기대된다. 4point-probe를 사용하여 각 구조에 대한 면저항을 측정했으며 비교 결과는 Fig. 4(b)에 나타냈다. 평면 전극을 가진 단일 ITO 필름의 투명 히터는 30 Ω/□, OMO 구조의 투명 히터는 2.7 Ω/□의 면저항을 가진다. 교차 전극을 가진 단일 ITO 필름의 투명 히터는 18 Ω/□, OMO 구조의 투명 히터는 2.2 Ω/□를 기록했다. 이는 평면 전극을 사용한 구조의 투명 히터에 비해 면저항이 대략 16.7% 낮아지는 것으로 확인된다.
이를 통해 OMO 구조가 단일 ITO 필름에 비해 면저항이 낮아 전기적 성능이 뛰어나며, 교차 전극을 사용함으로써 더 높은 발열 성능을 기대할 수 있다.
3.3 ITO 및 OMO 히터의 발열 특성
Arduino UNO board와 Thermo-couple K-type를 사용하여 발열 특성을 측정했다. 해당 회로의 모습은 Fig. 5(a)에 나타냈다. 각 구조는 2분간 실온에서 기록한 후, 1-3 V를 10분간 인가하였으며, 10분간 실온에서 냉각시켰다. 단일 ITO 필름의 투명 히터들의 발열특성은 Fig. 5(b)와 Fig. 5(c)에 나타냈다. 모든 구조에서 정상 상태 온도에 도달하는 시간은 대략 3분으로 비슷한 양상을 가진 것을 확인했다. 하지만 정상 상태 온도에선 큰 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 첫번째로 평면 전극을 가진 단일 ITO 필름의 투명 히터에서 최대 온도는 1 V에선 23℃, 2 V에선 30℃, 3 V에선 37℃를 기록했다. 교차 전극을 가진 단일 ITO 필름의 투명 히터는 각 인가전압에서 최대 온도는 26℃, 42℃, 64℃를 기록했다. Fig. 5(c)는 OMO 구조의 투명 히터들의 발열 특성을 나타냈다. 평면 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터의 최대 온도는 1 V에서 32℃, 2 V에서 72℃, 3 V에서 104℃를 기록했고, 교차 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터는 각 온도에서 35℃, 79℃, 116℃를 기록했다. 각 히터들의 발열 특성은 Fig. 5(d)에 나타냈다.
이는 교차 전극을 사용함으로써 같은 구조에서 면저항이 감소하여 동일한 인가전압 대비 더 높은 전류를 흘려 발열 특성이 향상된 것이다. 아래의 Table 2에 모든 구조의 광학적, 전기적, 발열 특성들을 정리하였다.
Table 2
Summary the all characteristic of transparent heaters
4. 결 론
본 논문에서는 면저항을 감소시키기 위해 oxide와 metal을 사용한 복합구조를 사용했고, 전기장을 강하게 인가하기 위해 교차 전극을 사용했다. 교차 전극을 가진 OMO 구조의 투명 히터는 550 nm에서 가시광 투과율은 단일 ITO 필름의 투명 히터와 유사한 76%였으며, 1400 nm에서 적외선 반사율은 86% 이상을 기록했으며, AVT 값은 73%를 기록했다. 이는 적외선으로 인한 복사열을 차단해주며, 시인성을 확보하여 편안한 실내 환경을 제공할 수 있다. 또한 교차 전극을 이용해서 평면 전극보다 전기장을 강하게 인가시켜 해당 구조에서 전자의 흐름을 촉진하여 면저항을 최소화하였고, 줄 효과를 극대화시켰다. 교차 전극을 이용한 OMO 구조의 투명 히터는 2.2 Ω/□이라는 매우 낮은 면저항을 가져 높은 발열 특성을 기대할 수 있었으며, 3 V를 투명 히터에 인가하였을 때, 3분 만에 최대 온도인 116℃에 도달하였다.
본 논문은 광학적 특성과 가열 성능을 바탕으로 저전압 대비 효율이 뛰어난 투명 히터의 설계를 제시하였다. 스마트 윈도우 히터로 발전할 수 있는 높은 잠재력을 가지고 있어 효율적인 에너지 사용에 기여할 것으로 판단된다.
