은 나노와이어 전극의 내열성 향상을 위한 클레딩 기술 연구

Abstract

국문 요지 금속 나노와이어의 작은 직경 구조는 낮은 허용전류를 갖기 때문에 저전류에서도 쉽게 발열하는 특성을 가져 투명히터로도 활용될 수 있으며 비저항이 낮아 저전압에서 고온 발열이 가능한 장점이 있다. 또한 온도가 올라가면 저항이 높아지고 저항이 높아지면 흐르는 전류의 크기가 줄어 온도가 발산하지 않고 일정하게 수렴하기 때문에 전압 조절을 통해서 발열체 온도를 쉽게 제어할 수 있다. 금속 나노와이어 소재 중에서도 은(Ag)은 비저항이 낮아 나노와이어 소재로 많은 연구가 이루어져왔다. 하지만 은 나노와이어 투명전극은 고온 고습 환경에 불안정하며 화학적 안정이 필요하다. 많은 연구가 은 나노와이어 위에 다양한 물질을 코팅하거나 은 나노와이어를 embedding 함으로써 이러한 단점을 극복하려고 시도해왔다. 본 연구에서는 우수한 전도성과 투명성을 갖는 은 나노와이어의 장점을 활용하면서, 은 나노와이어의 단점을 극복하기 위해 내열성 및 내후성의 향상을 위한 연구를 진행했다. 고분자 이용한 보호코팅 및 Sol-¬¬gel법을 이용한 무기물 보호코팅, Atomic Layer Deposition(ALD)와 층상자기조립(LBL)을 이용한 보호코팅 층을 제작하고 전력 공급에 따른 은 나노와이어 전극의 발열 거동과 환경 안정성 거동을 분석하였다. 실험 결과, 고분자를 이용한 보호코팅의 경우 은 나노와이어 투명전극의 고온고습(85 ℃/85 %RH), 고온(100 ℃) 환경에서 보관안정성은 많이 개선된 결과를 보였지만 200℃이상의 고온 발열할 때 안정된 발열 특성을 보이지 못했다. ALD를 이용해 Al2O3와 AZO(Aluminum이 도핑 된 ZnO)를 은 나노와이어 투명전극에 증착한 실험에서는, AZO 15 nm의 증착 시 내열성이 향상되어 250 ℃ 이상의 고온 발열 특성을 보이고, 고온(100 ℃) 환경에서의 보관안정성도 향상된 결과를 보였지만, 고온고습(85 ℃/85 %RH) 환경에서의 보관안정성은 취약한 결과를 보였다. 액상의 층상자기조립을 이용하여 zirconium을 은 나노와이어의 투명전극에 적층 코팅한 결과, 은 나노와이어 투명전극의 내열성이 향상되어 350 ℃ 이상의 고온 발열 특성을 보였다. 일반적으로 보호코팅 없는 경우 200 ℃ 수준에서 은 나노와이이어가 부분 용융되어 끊어져 전극이 훼손되는데 반해, 층상자기조립된 지르코늄 보호코팅을 갖는 전극은 350 ℃ 온도까지 나노와이어의 네트워크 구조가 유지되었다. 또 고온고습(85 ℃/85 %RH) 환경에서도 후처리 공정 적용에 따라 우수한 보관안정성을 보였다(30 일, 9 % 미만의 저항 변화). 고온(100 ℃)환경의 보관 테스트에서도 안정적인 저항 거동을(30 일, – 1.4 % 저항 변화) 보여주며 매우 우수한 환경 안정성을 보였다. 또한 고온 발열 특성과 고온고습, 고온 환경에서의 안정적인 저항 특성을 가지는 층상자기조립된 보호코팅을 갖는 은 나노와이이어 투명전극은 On/Off Cycling 평가, 휨 안정성(곡률반경 1 ㎜, 30 만회)에도 안정적인 발열 거동, 저항 거동을 보여주어 투명히터로써의 사용 가능성을 확인할 수 있었다.