Метод золь-гель литографии для получения гибких прозрачных ИК-нагревателей

Прозрачные гибкие ИК- нагреватели находят своё применение в авиации и судоходстве в качестве антиобледенительных покрытий, также в строительстве для создания электрообо-греваемых стекол. ИК-нагреватели излучают тепло, эффективно воздействующее на человека с момента включения, что позволяет исключить конвективный обогрев помещения и как следствие существенно снизить потери на отопление [1, 2].

Актуальным решением создания ИК-нагревателей является использование в качестве токонесущей системы пленок микро- и нанопроводников. Такая модификация позволяет придать ИК-нагревателю высокую оптическую прозрачность, что выглядит перспективно в контексте создания электрообогреваемых окон. Показана возможность формирования микро- и наносет-чатых прозрачных проводящих покрытий методами литографии [3-6]. Однако предложенные методы достаточно дорогие, что препятствует появлению промышленных гибких прозрачных ИК-нагревателей на основе литографических микро- и нанопокрытий.

В данной статье предложена методика формирования прозрачных микросетчатых покрытий за счет напыления металла на самоорганизованный шаблон, получаемый в процессе высыхания толстых пленок коллоидного раствора кремнезема. Ранее [7, 8] было показано, что в процессе высыхания коллоидного раствора формируется квазиупорядоченная система трещин. Причиной растрескивания пленки коллоидного раствора является развитие механических деформаций в результате его сжатия при высыхании, с одной стороны, и прочной адгезии к подложке - с другой. Морфология самоорганизованного шаблона зависит от толщины слоя геля.

Технологический процесс (рис. 1) формирования микросетчатого покрытия состоит из пяти этапов. На первом этапе идет подготовка подложки – адгезия служит ключевым параметром, позволяющим получать систему с контролируемым рисунком растрескивания. На втором – производится нанесение золя на подложку. Третий этап – переход золя в гель с последующим образованием самоорганизованного шаблона. Четвертый этап – вакуумное напыление тонкого слоя металла. Пятый этап – селективное удаление шаблона.

Разработанный технологический процесс реализован следующим образом. В качестве материала шаблона использован золь кремнезема, полученный посредством золь-гель превращений тетраэток-сисилана в кислой среде (pH = 2). Раствор наносился на полимерную подложку (ПЭТ) методом раскатки (толщина слоя 50,29 мкм). После нанесения пленка сушилась на воздухе в течение 15 мин. В процессе сушки происходит испарение растворителя и формируется перколированная сетка трещин. На полученный шаблон магнетронным методом напылялось серебро толщиной 200 нм.

На рис. 2 б показан внешний вид шаблона.

На рис. 2 a видно, что шаблон имеет однородное растрескивание на площади ~ 100см². Толщина шаблона (рис. 2 в ) составляет (5,1 ± 0,7) мкм, в то время как толщина жидкого слоя прекурсора в момент нанесения составляла 50,29 мкм, из чего можно сделать вывод о том, что в процессе золь-гель перехода пленка прекурсора усыхает на порядок. Статистической обработкой микрофотографии шаблона (рис. 2 г ) получена гистограмма распределения кластеров по эффективному размеру и среднее значение ширины трещин. На основе анализа гистограммы можно сделать вывод о процессе трещинообразования в шаблоне. Шаблон состоит из двух «вложенных» друг в друга типов трещин: первый – основная сетка, формируемая при первичном растрескивании прекурсора, она дает максимум в правой области гистограммы; второй – второстепенная сетка, образуемая вторичным растрескиванием крупных кластеров, это подтверждается «хвостом» в левой части гистограммы. Средняя ширина трещин (4,5 ± 1,2) мкм, средний размер кластера (55,2 ± 23,8) мкм.

Микросетчатые прозрачные покрытия обладают однородным пропусканием в диапазоне 400-1600 нм (рис. 3 а ), что позволяет использовать покрытия как прозрачные электроды, рабо-

Рис. 1. Схема формирования микросетчатого покрытия

TM30OC.1900        291J-I1JS 15% HL XI» 100un

Рис. 2. a - макроизображение шаблона; б - микроизображение шаблона; в - скол шаблона; г - гистограмма распределения кластеров по размеру

тающие 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) при поверхностном сопротивлении 5,7 Ом/кв.

Для исследования влияния деформаций на поверхностное сопротивление образец после -довательно изгибался с различным радиусом кривизны (от 100 до 1 мм). При изгибе с радиусом кривизны от 100 до 10 мм серебряная микросетка остается стабильной, в то время как тонкая пленка широко используемого покрытия на основе оксида индия олова (ИТО) на ПЭТ увеличивает свое сопротивление более чем в 500 раз при радиусе кривизны 10 мм. При дальнейшем изгибе сопротивление микросетки начинает плавно расти и при радиусе кривизны 1 мм поверхностное сопротивление увеличивается с 5,7 до 22 Ом/кв, в то время как пленка ИТО на ПЭТ полностью теряет проводимость. Также стоит отметить высокую однородность поверхностного сопротивления по подложке (рис. 3 в ), отклонение не превышает 10 %.

Для изучения характеристик прозрачного нагревателя через образец пропускался ток, нагревающий образец. Термограммы измерялись при помощи тепловизора марки Testo 875-2. На рис. 4 показаны термограмма и термические характеристики миросетчатого покрытия.

Термограмма демонстрирует однородный нагрев по всей площади исследуемого покрытия. В некоторых областях имеется незначительный разброс в 34 °С, что, видимо, связано с незначительными флуктуациями поверхностного сопротивления покрытий. Скорость нагрева покрытия обусловлена тепловыми параметрами подложки, выход на постоянный режим проис- – 864 –

дима волны. IHMI

РмщсимШМмя)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

точка

Рис. 3. a – спектральная зависимость оптического пропускания микросетчатого покрытия; б – зависимость деградации проводимости микросетчатого покрытия от величины радиуса изгиба; в – однородность покрытия по сопротивлению

О        50       100      150      200      250

время, (сек.)

Рис. 4. a – термограмма изогнутого покрытия при токе 0,52А; б – температурные профили при различном токе, пропускаемом через покрытие

ходит через 50–60 с. Стоит отметить высокую термическую стабильность серебряных микросеток, даже при нагреве до 100 °С микросетка не подвержена деградации и сохраняет своё поверхностное сопротивление.

В заключение отметим, что разработанная технология может быть масштабирована до реального производства. В работе показана возможность формирования однородного шаблона большой площади на рулонированных полимерных подложках. Рулонирование микросет-чатых покрытий позволяет снизить стоимость квадратного метра прозрачного проводящего покрытия относительно наиболее популярного коммерческого прозрачного проводящего покрытия ИТО на порядок.