Прозрачные ИК-нагреватели на основе серебряной микросетки, полученной методом золь-гель литографии

• ¹    Прозрачные гибкие ИК-нагреватели являются перспективным направлением исследований с целью создания систем распределенного нагрева [1; 2]. При помощи

ИК-нагревателей появляется возможность местного обогрева только тех площадей в помещении, в которых это необходимо без обогрева всего объёма помещения; тепловой эффект от инфракрасных нагревателей ощущается сразу после включения, что позволяет избежать предварительного нагрева

ИССЛЕДОВАНИЯ 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 само-организованный 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-

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 токосъемных 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 флуктуациями 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

Рис. 1. Кремнеземный шаблон на стекле ( a ); готовое микросетчатое покрытие ( б ); внешний вид прозрачного нагревателя на основе серебряной микросетки ( в ); спектральное оптическое пропускание серебряного микросетчатого покрытия на стекле ( г )

Рис. 2. Термограмма покрытия при токе 0,96 А ( a ); температурные профили при различном токе, пропускаемом через покрытие ( б )

Рис. 3. Термограмма покрытия при токе 1,44 А ( a ); поверхностное сопротивление покрытия после актов омического нагрева ( б )

ИССЛЕДОВАНИЯ

В ходе последнего эксперимента через покрытие на стекле «прокачивалась» мощность, равная 7,5 кВт/м2, при минимальных требованиях от 100 Вт/м2, данный факт подтверждает перспективность разрабатываемых покрытий.

В заключение стоит отметить тот факт, что разработанная технология может быть масштабирована до реального производства. Показана возможность формирования однородного шаблона на образцах большой площади ³⁸ и на рулонированных полимерных подложках. Возможность рулонированного формирования микросетчатых покрытий позволит снизить стоимость квадратного метра прозрачного проводящего покрытия до 2-4$, тогда как стоимость наиболее популярного коммерческого прозрачного проводящего покрытия (ИТО) составляет порядка 30$ за квадратный метр.