CC BY
60ЯДЕРНАЯ И АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 539.2
1,2,3А. С. Воронин, 2,3Ф. С. Иванченко, 34М. М. Симунин, 3Ю. В. Фадеев, 2,3А. В. Шиверский, 1,3С. В. Хартов
'Отдел молекулярной электроники КНЦ СО РАН, г. Красноярск, Россия 2Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия 3ООО «ФанНано», г. Красноярск, Россия 4Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
ПРОЗРАЧНЫЕ ИК-НАГРЕВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ СЕРЕБРЯНОЙ МИКРОСЕТКИ, ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ЛИТОГРАФИИ
Представлена перспективная низкозатратная методика формирования прозрачных проводящих покрытий на основе металлической микросетки, формируемой при помощи самоорганизованного шаблона. Разработанное покрытие исследовано в качестве прозрачного нагревательного элемента, показана высокая однородность нагрева и стабильность микросетки при высоких мощностях (7,5 кВт/м2).
Ключевые слова: золь-гель литография, микросетка, ИК-нагреватели,
прозрачные проводящие покрытия.
1A3A. S. Voronin, 2 3F. S. Ivanchenko, 3 4M. M. Simunin, 3Yu. V. Fadeev, 23A. V. Shiverskiy, 13S. V. Khartov
'Krasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, Russia 2Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia 3FunNano, Krasnoyarsk, Russia 4National Research University of Electronic Technology (MIET), Moscow, Russia
TRANSPARENTIR COLLOID NETWORK SUBSTRATE HEATERS USING SOL-GEL LITHOGRAPHY
The paper presents an advanced cost-effective method for fabrication of transparent conductive coatings on the basis of metallic micronet that is formed on a self-organized pattern. The designed coating has been tested as a transparent heating element and demonstrated ahigh thermal homogeneity and stability of micronet at high capacity (7,5 kWt/m2 ).
Key words: gel sol lithography, micronet, IR heaters, transparent conductive
coatings.
Прозрачные гибкие ИК-нагреватели ИК-нагревателей появляется возможность являются перспективным направлением ис- местного обогрева только тех площадей в следований с целью создания систем рас- помещении, в которых это необходимо без пределенного нагрева [1; 2]. При помощи обогрева всего объёма помещения; тепло-
I © Воронин А. С., Иванченко Ф. С., Симунин М. М., вой эффект от инфракрасных нагревателей Фадеев Ю. В., Шиверский А.В., Хартов С. В., ощущается сразу после включения, что по-2014 зволяет избежать предварительного нагрева
и ИССЛЕДОВАНИЯ
Нлуко_
Ж ГРАДА
помещения. Эти факторы снижают затраты энергии.
Актуальным направлением создания ИК-нагревателей является использование в качестве токонесущей системы слоёв и пленок микро- и нанопроводников. Такая модификация позволяет придать ИК-нагревателю высокую оптическую прозрачность, что выглядит перспективно в контексте создания электро-обогреваемых окон. В ряде работ показана возможность формирования микро- и нано-36 сетчатых прозрачных проводящих покрытий методами литографии [3-6]. Однако данные методы достаточно дороги, что и препятствует появлению на рынке гибких прозрачных ИК-нагревателей на основе литографических микро- и нанопокрытий.
Нашей группой предложена методика формирования прозрачных микросетчатых покрытий за счет напыления металла на самоорганизованный шаблон, получаемый в процессе высыхания толстых пленок коллоидных растворов. В ряде работ было показано, что при высыхании тонкие пленки коллоидных растворов за счет испарения растворителя квазиупорядоченно растрескиваются [7; 8]. Причиной растрескивания пленки геля является развитие механических деформаций в результате его сжатия при высыхании, с одной стороны, и прочной адгезии к подложке - с другой. Характер распространения трещин строго зависит от толщины слоя геля.
Технологический процесс формирования ППП состоит из 5 этапов. Первый этап -подготовка подложки, так как адгезия между гелем и подложкой является ключевым параметром, позволяющим получать систему с контролируемым рисунком растрескивания; второй этап - нанесение геля на подложку; третий - переход золя в гель с последующим образованием самоорганизованного шаблона (параметры шаблона контролируются толщиной слоя прекурсора); четвертый - вакуумное напыление тонких (200 нм) слоев металла (Ag), за счет разности высот между поверхностью темплата и подложкой пленка металла осаждается не сплошным слоем, в результате чего появляется возможность селективного удаления темплата с излишками напыленного металла; пятый этап - селективное удаление темплата.
В качестве материала шаблона использовался раствор поликремниевой кислоты, полученный реакцией гидролиза тетраэток-
№ 4 (10) октябрь-декабрь 2014
сисилана в кислой среде (pH 2). Раствор наносился на стеклянную подложку методом раскатки (толщина слоя 36,58 мкм). После нанесения пленку сушили на воздухе в течение 15 минут, в процессе сушки происходило испарение растворителя, за счет чего формировалась перколированная сетка трещин.
На рис. 1, а показан внешний вид шаблона. В качестве прототипа электрообогре-ваемого прозрачного покрытия была выбрана микросетка, сформированная на базе кремнеземного шаблона, в качестве подложки выступало стекло, в качестве материала микросетки было взято серебро в связи с низким значением поверхностного сопротивления и высокой термической стабильностью, толщина слоя серебра равнялась 200 нм. Удельное поверхностное сопротивление составляло 10,4 Ом/^ для образца на стекле, площади образцов 6 х 4,2 см2 (рис. 1, в).
Микросетчатые прозрачные покрытия обладают плоским спектром пропускания в диапазоне 400-1600 нм, что позволяет использовать разработанные покрытия как прозрачные электроды в качестве токосъем-ных также в системах, работающих в ИК-диапазоне. Серебряная микросетка на стекле толщиной 200 нм имеет оптическое пропускание на длине волны 550 нм, равное 92,5 % (за вычетом френелевского отражения от границ подложки).
Для изучения параметров прозрачного нагревателя через образец пропускался электрический ток, омически нагревая образец. Термограммы измерялись при помощи тепловизора марки Testo 875-2. Термограмма и термические характеристики покрытий показаны на рис. 2.
Термограмма демонстрирует однородный нагрев по всей площади исследуемого покрытия, в некоторых областях имеется незначительный разброс 1,5-3,0 °С, что, вероятнее всего, связано с небольшими флуктуация-ми поверхностного сопротивления покрытий. Скорость нагрева покрытия обусловлена тепловыми параметрами подложки, из-за этого выход на плато у покрытия происходит за 150-170 сек. В том случае, когда подложкой выступает ПЭТ, нагрев происходит за 50-60 сек. Стоит отметить высокую стабильность серебряных микросеток, даже при нагреве до 100 °С (рис. 3, б) микросетка не подвержена деградации и сохраняет неизменным своё поверхностное сопротивление.
А. С. Воронин, Ф. С. Иванченко, М. М. Симунин, Ю. В. Фадеев, А. В. Шиверский, С. В. Хартов
Прозрачные ИК-нагреватели на основе серебряной микросетки
"ТМ3000 7188
2014-08-12 12:04 NL D5.1 х200 500 um
ТМ3000 6947
2014-07-28 11:49 NL D5.1 хЮО 1mm
37
s-=
н е О
— Стекло Ag-микросетка на стекле
400 500 600 700 S00 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Длина волны, нм
Рис. 1. Кремнеземный шаблон на стекле (а); готовое микросетчатое покрытие (б); внешний вид прозрачного нагревателя на основе серебряной микросетки (в); спектральное оптическое пропускание серебряного микросетчатого покрытия на стекле (г)
г
время, сек.
Рис. 2. Термограмма покрытия при токе 0,96 А (а); температурные профили при различном токе,
пропускаемом через покрытие (б)
Рис. 3. Термограмма покрытия при токе 1,44 А (а); поверхностное сопротивление покрытия
после актов омического нагрева (б)
■ ■ ИССЛЕДОВАНИЯ
Havko
Ж ГРАДА
№ 4 (lo) октябрь-декабрь 2014
В ходе последнего эксперимента через покрытие на стекле «прокачивалась» мощность, равная 7,5 кВт/м2, при минимальных 3 требованиях от 100 Вт/м2, данный факт подтверждает перспективность разрабатываемых покрытий.
В заключение стоит отметить тот факт, 4 что разработанная технология может быть масштабирована до реального производства. Показана возможность формирования однород- 5 ного шаблона на образцах большой площади 38 и на рулонированных полимерных подложках. Возможность рулонированного формирования микросетчатых покрытий позволит снизить стоимость квадратного метра прозрачного про- 6 водящего покрытия до 2-4$, тогда как стоимость наиболее популярного коммерческого прозрачного проводящего покрытия (ИТО) составляет порядка 30$ за квадратный метр. 7
Библиографические ссылки
1. J. Kang, H. Kim, K. S. Kim, S.-K. Lee, S. Bae, J.-H. Ahn, 8 Y.-J. Kim, J.-B. Choi, and B. H. Hong / HighPerformance Graphene-Based Transparent Flexible Heaters. Nano Lett., 11 (12), pp. 5154-5158, 2011.
2. T.Y. Kim, Y. W. Kim, H. S. Lee, H. Kim, W.S.Yang and K. S. Suh / Uniformly Interconnected Silver-Nanowire
Networks for Transparent Film Heaters. Adv. Funct. Mater., 23, 1250-1255, 2013.
M. K. Kwak, J. G. Ok, J. Y. Lee, L. J. Guo / Continuous phase-shift lithography with a roll-type mask and application to transparent conductor fabrication, Nanotechnology 23, 344008 (2012). S. H. Ahn, L. J. Guo / High-Speed Roll-to-Roll Nanoimprint Lithography on Flexible Plastic Substrates Adv. Mater. 20, 2044 (2008).
K.-H. Lee, S.-M. Kim, H. Jeong, Y. Pak, H. Song, J. Park, K.-H. Lim, J.-H. Kim, Y. S. Kim, H. C. Ko, I. K. Kwon and G.-Y. Jung / All-Solution-Processed Transparent Thin Film Transistor and Its Application to Liquid Crystals Driving, Adv. Mater. 25, 3209 (2013). J. Zhu, X. Zhu, R. Hoekstra, L. Li, F. Xiu, M. Xue, B. Zeng, and K. L. Wang / Metallic nanomesh electrodes with controllable optical properties for organic solar cells, Appl. Phys. Lett. 100, 143109 (2012). L. Pauchard / Patterns caused by buckle-driven delamination in desiccated colloidal gels, Europhys. Lett. 74, 188 (2006).
Z. Neda, K.-T. Leung, L. Jozsa, M. Ravasz / Spiral Cracks in Drying Precipitates, Phys. Rev. Lett. 88, 095502 (2002).
Статья поступила в редакцию 27.10.2014 г.
