Научная статья на тему 'Инфракрасные обогреватели на стекле с тонкопленочным нагревательным слоем и повышение их еффективности'

Инфракрасные обогреватели на стекле с тонкопленочным нагревательным слоем и повышение их еффективности Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
163
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Sciences of Europe
Область наук
Ключевые слова
ИНФРАКРАСНЫЙ / ОКСИД ИНДИЯ / ОКСИД ОЛОВА / ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ПРОВОДЯЩИЙ СЛОЙ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Родионов Е.В., Шмидко И.Н.

В данной работе рассматриваются инфракрасные тепловые панели на стекле и, в частности, основной элемент данной панели нагревательный слой. Для повышения надежности и стабильности нагревательного слоя предлагается использовать тонкопленочный слой оксидного полупроводника. Анализируются характеристики оксидных пленочных полупроводниковых материалов и выбираются пленки оксидов олова цинка для дальнейших исследований. Рассматриваются различные технологии получения данных пленок. В результате анализа выбраны два способа получения: основной магнетронное распыление и дополнительный для нанесения нагревательного слоя на неплоскую поверхность метод пульверизации. Приводятся результаты проведенных экспериментов и характеристики полученных пленок в зависимости от технологических факторов. Рассмотрены параметры инфракрасных излучающих тепловых стеклянных панелей с тонкопленочным нагревательным слоем. Установлены предельно допустимые электрические параметры ИК излучающих панелей с тонкопленочным нагревательным слоем, а также возможность повышения эффективности ИК панелей и экономии электроэнергии при их использовании.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Родионов Е.В., Шмидко И.Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFRARED HEATERS ON THE GLASS WITH THIN-FILM HEATING LAYER AND IMPROVEMENT OF THEIR EFFECTIVENESS

This paper examines the infrared heating panels on the glass and the basic element of this panels, namely heating layer. An oxide semiconductor thin film layer is proposed for improvements of the heating layer’s reliability and stability. Characteristics of the oxide semiconductor thin film’s materials are analyzed and zinc tin oxide film are selected for further research. Various technologies of these films are described. Two ways have been selected as a result of this analysis namely magnetron sputtering (basic) and spraying (additional) methods for the depositions of the heating layer on a non-flat surface. The results of the experiments and the characteristics of the films depending on technological factors had been given. Considered parameters of infrared radiant heating glass panels with a thin film heating layer. Established maximum allowable electrical parameters of the IR radiating panels with a thin film heating layer, as well as the possibility of increasing the efficiency of IR panels and power savings.

Текст научной работы на тему «Инфракрасные обогреватели на стекле с тонкопленочным нагревательным слоем и повышение их еффективности»

ФПЗПКО-МАТЕМАТПЧЕСКПЕ НАУКИ

ИНФРАКРАСНЫЕ ОБОГРЕВАТЕЛИ НА СТЕКЛЕ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ СЛОЕМ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ ЕФФЕКТИВНОСТИ

Родионов Е.В.

Национальный университет пищевых технологий,

Киев, Украина, аспирант Шмидко И.Н.

Институт физики полупроводников им.В.Е.Лашкарева Национальной Академии наук Украины,

Киев, Украина, научный сотрудник, соискатель

INFRARED HEATERS ON THE GLASS WITH THIN-FILM HEATING LAYER AND IMPROVEMENT OF THEIR EFFECTIVENESS

Rodionov E. V., National University of Food Technologies, Kiev, Ukraine, Postgraduate student

Shmidko I.N., V.E Lashkarev Institute of Semiconductor Physics National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, Ukraine, Postgraduate student

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются инфракрасные тепловые панели на стекле и, в частности, основной элемент данной панели - нагревательный слой.

Для повышения надежности и стабильности нагревательного слоя предлагается использовать тонкопленочный слой оксидного полупроводника. Анализируются характеристики оксидных пленочных полупроводниковых материалов и выбираются пленки оксидов олова цинка для дальнейших исследований. Рассматриваются различные технологии получения данных пленок.

В результате анализа выбраны два способа получения: основной - магнетронное распыление и дополнительный для нанесения нагревательного слоя на неплоскую поверхность - метод пульверизации. Приводятся результаты проведенных экспериментов и характеристики полученных пленок в зависимости от технологических факторов.

Рассмотрены параметры инфракрасных излучающих тепловых стеклянных панелей с тонкопленочным нагревательным слоем. Установлены предельно допустимые электрические параметры ИК излучающих панелей с тонкопленочным нагревательным слоем, а также возможность повышения эффективности ИК панелей и экономии электроэнергии при их использовании.

ABSTRACT

This paper examines the infrared heating panels on the glass and the basic element of this panels, namely heating layer.

An oxide semiconductor thin film layer is proposed for improvements of the heating layer's reliability and stability. Characteristics of the oxide semiconductor thin film's materials are analyzed and zinc tin oxide film are selected for further research. Various technologies of these films are described.

Two ways have been selected as a result of this analysis namely magnetron sputtering (basic) and spraying (additional) methods for the depositions of the heating layer on a non-flat surface. The results of the experiments and the characteristics of the films depending on technological factors had been given.

Considered parameters of infrared radiant heating glass panels with a thin film heating layer. Established maximum allowable electrical parameters of the IR radiating panels with a thin film heating layer, as well as the possibility of increasing the efficiency of IR panels and power savings.

Ключевые слова: инфракрасный, оксид индия, оксид олова, тонкопленочный проводящий слой. (RUS)

Keywords: infrared, indium oxide, tin oxide, conductive thin film layer.

Введение

Инфракрасные нагревательные приборы широко используются в разных сферах жизнедеятельности человека. Они условно разделяются на «светлые» и «темные» в зависимости от рабочей температуры и, следовательно, от длины волны излучения: «светлые» - коротковолновые и «темные»

- длинноволновые. Существует множество конструкций ИК нагревательных приборов обоих типов.

Наши исследования в данной работе ограничивались одним из «темных» нагревательных приборов, а именно, нагревательными панелями на стекле. Эти ИК панели находят само широкое применение при отоплении различных помещений: производственных, служебных, складских, жилых.

Производятся таки панели в ряде стран: Германии, Бельгии, Голландии, Англии, Швеции, Китае, и имеют незначительные конструктивны и технические отличия.

Все они имеют тепловую мощность от 0,5 до 2,0 кВт/м2 и температуру излучающей поверхности стекла 60^135 0С. Эти ограничения определены качеством и возможностями толстопленочного нагревательного слоя на основе графитсодержащих паст, которые используются в этих панелях.

Получаемый после спекания пасты толстопленочный слой отличается существенной неоднородностью по сопротивлению, что приводит к ограниченному сроку службы (исследовался образец ИК нагревателя фирмы «Энерджи Продакт» (Бельгия).

В данной работе приводятся результаты работ по исследованию и созданию ИК нагревательных приборов на стекле с тонкопленочными нагревательными элементами.

Рассматриваются основные созданные типы инфракрасных обогревателей, их основные параметры, граничные условия их использования.

Для возможного применения данных обогревателей в технологическом оборудовании, требующем значительно больших температур, предложены варианты повышения их излучательной способности.

Материалы и методы

Выбор материала тонкопленочного нагревательного элемента.

Основными требования к тонкопленочному нагревательному слою является возможность работать при стандартном напряжении питания 220В и при этом, потребляемая им электрическая мощность должна составлять 0,5^2,0 кВт/м2. Данное требование обуславливает необходимость токовой нагрузки от 2 до 12 Ампер на прибор, следовательно, сопротивление тонкопленочного нагревательного слоя ИК обогревателя должно находиться в пределах примерно 20^110 Ом.

Если взять за основу размеры зарубежных аналогов ИК панелей (Бельгия, Голландия, Германия) 60х120 см2, то сопротивление тонкопленочного нагревателя составляет 20^40 Ом/и. Следовательно, в качестве тонкопленочного нагревателя нельзя использовать металлы (малое сопротивление), керметы (большое сопротивление) и полупроводники (сильная зависимость проводимости от температуры).

Таким образом остается вариант использования тонких пленок вырожденных широкозонных полупроводников с количеством легирующих примесей 5^15% от основного материала (Рис. 1) [1].

Ж Nd » Nn/P

\ Nd<Nn/P

-►

1/Ti 1/Ts 1/Т

Рисунок 1 - Влияние концентрации донорных атомов Nd на температурную зависимость концентрации

носителей заряда в электронном полупроводнике. N^^ - критическая концентрация доноровсоответ-ственно в начале вырождения, Ts - температура полной ионизации примесей в слабо легированном полупроводнике.

Как видно из Рисунка 1 при создании определенного количества примесных центров проводимость материала перестает зависть от температуры, а следовательно, сопротивление пленки остается стабильным. К таким материалам относятся оксидные вырожденные полупроводники 1П2О3, 8п02, 2п0, СёО и другие. Тонкие пленки таких материалов широко используются в качестве прозрачных электродов: оксиды индия и олова в устройствах отображения информации, оксид цинка в фотоэлектрических преобразователях.

Для выбора оксидного проводящего материала нами рассмотрены наиболее известные из них, а именно, оксид олова, оксид индия и оксид цинка. Основные интересующие нас свойства этих материалов приведены ниже.

Оксид олова (8п0А Легирующие добавки, обеспечивающие проводимость пленок оксида олова - фтор (Б) и сурьма (8Ь). Концентрация носителей 1018^1021 см-3, удельное сопротивление 0,1-

4*10-4 Ом*см, подвижность 10-50 см2/(В*с). Средняя прозрачность пленок в видимом диапазоне составляет 86-87%.

Проводимость пленок оксида олова, легированных фтором, выше, чем проводимость пленок, легированных сурьмой, однако, их стабильность существенно выше. Пленки оксида олова обладают высокой стабильностью, сильной адгезией (при осаждении на стекло, кварц, ситалл и подложки из других материалов), устойчивы к воздействию влаги и кислот [2-4].

Оксид индия (1п203). Основной легирующей добавкой, обеспечивающей проводимость пленок, является олово (8п). Другими примесями, обеспечивающими высокую проводимость пленок оксида индия являются титан (подвижность носителей 120 см2/(В*с), концентрация носителей 1020 см-3) и цирконий (подвижность носителей 170 см2/(В*с), концентрация носителей 8*1019 см-3)[4].

Удельное сопротивление пленок оксида индия 2*10-4-10-2 Ом*см, концентрация носителей 1019-2*1021 см-3, подвижность носителей 15-70 см2/(В*с). Средняя прозрачность пленок в видимом диапазоне 92-94%.

Проводимость и прозрачность пленок оксида олова, легированного оловом выше, чем пленок оксида олова. Пленки оксида индия отличаются сильной адгезией к различным подложкам, в том числе,

Значительный разброс значений параметров пленок оксидных полупроводников (1п203, 8п02, 2пО) обусловлен разными методами получения этих пленок, различным количеством и типом примесей, а так же особенностями технологий получения (скорости осаждения, температурой, составом газов и др.).

Мы для исследований выбрали оксид олова и оксид индия как достаточно хорошо проводящий материал с высокой адгезионной способностью, термостойкостью и устойчивостью к химическому воздействию.

Выбор методов получения пленок оксидов олова и индия.

Если обобщить все известные методы получения оксидных полупроводниковых проводящих пленок, то вакуумные способы получения, химическое осаждения из газовой фазы и пульверизация растворов на нагретую поверхность.

Пленки проводящих оксидов можно получить практически всеми вакуумными методами: термическим испарением, испарением электронным лучом, лазерным импульсом, катодным и магнетрон-ным напылением на постоянном и высокочастотном токах и их производных.

к стеклу, кварцу и ситаллу, устойчивы к влаге, однако имеют слабую стабильность при повышенной температуре и легко травятся кислотами.

Оксид цинка (2п0). Основным легирующим материалом является алюминий (А1). Удельное сопротивление ~ 8*10-4 Ом*см, высокая концентрация носителей ~ 5*10-20 Ом*см-3 и подвижность ~ 15 см2/(В*с). Средняя прозрачность пленок оксида цинка на уровне 90-92 % с несколько большей температурой стабильности, чем пленки оксида индия. Адгезия пленок оксида цинка к стеклу высокая.

Оксид кадмия (СДО). Легированный 8п, т.е. станнат кадмия (Cd2Sn04) наименее распространенный пленочный проводящий материал с концентрацией носителей 1017-1021 см-3, подвижностью 8-70 см2/(В*с), удельное сопротивление достаточно низкое ~ 5*10-4 Ом*см. Прозрачность пленок станната кадмия относительно низкая ~ 76-82%, это связано по всей видимости с многофазностью системы.

Приведенные данные получены из литературных источников [5-10] и собственных примесей на пленках 1п203, 8п02, 2пО.

Измерения электрофизических характеристик оксидных пленок нами проводились по стандартной методике [11] на приборе ЦИУС-4 для измерения поверхностного сопротивления.

В таблице 1 приведены средние значения электрических характеристик получаемых наиболее распространенных оксидных пленок [12].

В то же время наиболее производительными методами, позволяющими получать пленки большей площади являются катодное и магнетронное распыление. Именно на основе этих методов разработаны линии непрерывного осаждения на стеклянные подложки различных пленочных материалов. При этом магнетронные системы имеют существенное преимущество по экономичности и расходу исходных материалов.

Нами проводились эксперименты по получению пленок 8п02 и 1п203 на двух типах вакуумных установок. Эксперименты по выбору легирующей примеси и ее концентрации проводились на установке непрерывного действия «Плазма», а получение проводящих покрытий на стеклах большой площади на линии непрерывного действия производства НТЦ «Технолуч» Института электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины.

Установка «Плазма» представляет собой вакуумную линию непрерывного действия с модулем высокочастотного (ВЧ) магнетронного напыления и позволяет наносить слои на подложки размером 400х400 мм2. В святи с относительно небольшим расходом материалов мишени, на данной установке отрабатывалось получение пленок проводящих оксидов в зависимости от концентрации легирующей

Материал Ширина запрещенной зоны эВ Проводимость см/Ом Концентрация электронов см-3 Подвижность см2/В*с

In2O3 3,75 10 000 > 10 21 35

ZnO 3,35 8 000 > 10 20 20

SnO2 3,6 5 000 > 10 20 15

примеси, мощности магнетрона, давления паров в камере, количества кислорода в плазме разряда.

Измерение зависимости характеристик пленок не только от состава мишени важно в связи с возможностью получения пленок проводящих оксидов с разными характеристиками, что позволяет создавать ИК излучатели разных площадей и мощностей без замены мишеней с другой концентрацией примеси.

Вакуумная линия непрерывного действия НТЦ «Технолуч» Института электросварки им.Е.О.Па-тона НАН Украины с системой ВЧ магнетронного напыления, используя данные по концентрации примесей и режимам напыления осуществляет нанесение пленочных покрытий на стекла размером 1600х2400 мм2.

Рисунок 2 - Внешний вид линия непрерывного действия НТЦ «Технолуч» Института электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины. Размер стекол для напыления 3,2х2,4 м2. Производительность 300.000

кв.м. в год.

В данной технологической линии использу- магнетроны (Рисунок 3) с подачей реактивного газа ются современные методы и способы магнетрон- в реактивную зону. ного нанесения покрытий, в том числе, дуальные

Рисунок 3 - Внешний вид дуального магнетрона Регулировка процесса осаждения осуществляется оптическим контролем (Рисунок 4).

На рисунках 5 и 6 приводятся данные зависимости основных характеристик пленок SnO2 от уровня их легирования сурьмой при одинаковых режимах магнетронного распыления: мощность 3

20

Вт/см2, количество кислорода в плазме 4%, давление паров воздушной смеси аргон + кислород - 1 Па.

£ 15

* а

10

n

1

р

о

* с

5

5

0 2 4 6 8 10

Относительная доля атомов БЬ, %

Рисунок 5 - Зависимость удельного сопротивления 1 концентрации п носителей от содержания примесей в пленках SnO2, легированных Sb.

20

о •я 15

5

10

5

4 S* \

/ \

/ \

1 \ Р

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

\

\

N Ч,

0 2 4 6 8 10

Относительная доля атомов БЬ, %

Рисунок 6 - Зависимость подвижности Г от содержания примесей в пленках 8п02, легированных 8Ь.

Как видно из рис. 5, 6. при изменении количества примесей характеристики пленок изменяются весьма существенно вплоть до 1-2 порядков.

Однако необходимое изменение параметров можно получать и при фиксированном значении

примеси. В качестве примера на рис. 7-9. приведены данные по изменению удельного сопротивления получаемых пленок SnO2, легированных 8Ъ при фиксированной концентрации примеси - 3%.

20

10

о

•х-

1,0

0,1 -—--------

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Рисунок 7 - Зависимость удельного сопротивления пленок SnO2, легированных Sb (3%) от удельной

мощности магнетрона при (Ро2=4%, PAг+02=1Pa). 0,12-—--------

0,1

о

•х-

о 0,08

с£

0,04

0,02

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

1 А+02?

(Ра)

Рисунок 8 - Зависимость удельного сопротивления пленок SnO2, легированных Sb (3%) от общего давления газов аг+02 при (Ро2=4%, P=3W/см2).

1,0

о

•х-

0,1

0 1 2 3 4 5 Парциальное давление кислорода, %

Рисунок 9 - Зависимость удельного сопротивления пленок SnO2, легированных Sb (3%) от парциального

давления кислорода при (РАг+02=1Ра, P=3W/см2).

Аналогичные результаты для пленок 1п203:8п получены при ВЧ магнетронном распылении. Некоторые из этих данных приведены в табл. 3.

Таблица 3

Некоторые данные по изменению удельного сопротивления пленок 1п203^п_

Парциальное давление Концентрация но- Подвижность носителей Удельное сопротивле-

кислорода, % " -з сителей, см3 заряда, см2/В*с ние, Ом*см

0,1 5,3*1020 17,8 6,5*10-4

0,2 4,9*1020 28,8 4,4*10-4

0,5 1,8*1020 20,4 9,0*10-3

1 9,2*1019 0,40 1,7*10-2

Как видно из данной таблицы, изменение только парциального давления кислорода в вакуумной камере существенно изменяет параметры получаемых пленок оксида индия. Подробные данные и анализ полученных результатов технологических исследований будет опубликован в отдельной работе.

Одной из основных характеристик тонких проводящих пленок оксидов, используемых в качестве нагревательных резистивных элементов ИК излучателей, является стабильность их параметров при

10

повышенных температурах и, в первую очередь, стабильность сопротивления. При сравнении температурной стабильности пленок оксидов индия и олова, была установлена существенно лучшая стабильность пленок оксида олова в более широком диапазоне температур. На рис. 10 показаны результаты измерений пленок оксидов индия и олова. Время измерения температурной стабильности не более 10 минут. Пленки наносились на тестовые подложки из кварца.

о

*

* а

1,0

1 s t

<

3

<

2

•—а

0,1

0 100 200 300 400 500

Т, 0С

Рисунок 10 - Зависимость удельного сопротивления пленок оксидов индия и олова толщиной 0,3 мкм при повышенной температуре: 1 - исходные пленки SnO2:Sb, 2 - пленки SnO2:Sb после термообработки 500 0С в течение 2-х часов, 3 - исходные пленки 1п203^Ь.

Как видно из рисунка 10, пленка оксида олова является стабильной во времени при температуре до 500 0С. В то же время, пленки оксида индия существенно изменяют свое сопротивление в сторону увеличения.

В связи с этим, на линию вакуумного напыления «Технолуч» были выбраны пленки оксида олова, а их сопротивление подобрано таким образом, чтобы ИК панели размером 600х1200 мм2 (ана-

логичные выпускаемым в Европе) за счет изменения технологических режимов могли иметь сопротивление от 50 до 25 Ом, что при напряжении 220 В соответствует мощности ИК нагревательных панелей от 1000 до 2000 Вт, и температуре излучающей поверхности от 100 до 160 0С.

В таблице 3 приведены основные электрические характеристики, а на Рисунке 2 приведен внешний вид данных инфракрасных излучателей.

Таблица 3

Основные электрические характеристики инфракрасных излучателей при размещении на потолке и тем_пературе помещения 20 0С._

Тип Технико-экономические показатели

Напряжение, В Мощность, Вт Размеры, мм Излучающая способность Эффективность по ИК излучению

ПИКО-1,5С ~ 220 2000 1200х600х30 94% 75-80%

= 110 1500

пико-1,ос ~ 220 1000 600х600х30 94% 75-80%

= 110 750

ПИКО-0,5С ~ 220 500 600х300х30 94% 75-80%

= 110 400

пико-о,зс = 36 300 300х300х20 94% 70-75%

= 12 600х200х20

ПИКО-1,5К ~ 220 2000 1200х600х30 92-95% 75-80%

= 110 1500

пико-1,ок ~ 220 1000 600х600х30 92-95% 75-80%

= 110 750

ПИКО-0,5К ~ 220 500 600х300х30 92-95% 75-80%

= 110 400

ПИКОС-0,5С ~ 220 500 600х300х30 94% 65-70%

Рисунок 11 - Внешний вид данных инфракрасных излучателей Структура инфракрасных обогревателей представлена на Рисунке 12.

Htftutt

Рисунок 12 - Инфракрасный излучатель с тонкопленочным нагревательным слоем. 1 - стекло; 2 - тонкопленочный полупроводниковый нагреватель; 3 - тонкопленочный отражающий слой; 4 - зеркальный металлический пленочный отражатель; 5 - теплоизоляционный слой; 6 - металлический

корпус.

Проведенные нами исследования показали высокую однородность излучателя в рабочих режимах. Рост температур по поверхности излучателя при расчетном режиме 130 0С составила ± 5 0С. На

Рисунке 13 представлена картинка, полученная с помощью тепловой видеокамеры, при этом температура задней поверхности излучателя не превышала комнатную более чем на 5 0С.

Рисунок 13 - Распределение температуры по площади поверхности с определением наиболее «холодной» и «горячей» зон (без учета граничных зон)

Рисунок 14 - Распределение температуры по площади поверхности на образце инфракрасного излучателя фирмы Energy Products (Бельгия)

Для сравнения на Рисунке 14 приведены данные по измерению однородности температуры поверхности на образце инфракрасного излучателя фирмы Energy Products (Бельгия). Как видно из рисунков 13 и 14 однородность стеклянной ИК-излучающей панели с тонкопленочным электродом существенно выше.

Такие ИК панели на стекле могут найти широкое применение для обогрева различных помещений. Однако для использования их в технологическом оборудовании, например в печах для выпечки хлебобулочных изделий, данной температуры недостаточно.

Поэтому отдельной задачей было определение граничных электрических параметров для использования ИК нагревательных панелей на стекле в технологическом оборудовании.

Для определения максимально допустимой мощности данной ИК панели примем, что сопротивление нагреваемой пленки (в простейшем случае) не изменяется в зависимости от ее температуры. Следовательно, повышая напряжение питания, мы увеличиваем токовую нагрузку. Определение максимальной токовой нагрузки и будет являться граничным условием использования пленочного нагревательного элемента.

Если предположить, что плотность тока одинакова по всей поверхности нагревающего слоя, то на один линейный дециметр контакта приходится около 1,5 Ампера, при этом потребляемая мощность составляет 1,5 кВт и температура поверхности 135 0С. В табл. 4. приведены данные по увеличению напряжения питания и соответствующие изменения токовой нагрузки, потребляемой мощности и температуры поверхности ИК излучающей панели на стекле.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 4

Сравнительные данные характеристик ИК излучающей панели на стекле в зависимости от напряжения

питания.

№ Напряжение питания, В Сопротивление пленки, Ом Активный ток, А Мощность потребления, В*А Температура поверхности, 0С

1 100 32* 3,125 312 60**

2 150 32 4,7 700 90

3 220 (номинал) 32 6,9 1500 135

4 250 32 7,8 1950 175

5 300 32 9,4 2812 240

6 350 32 10,9 3800 320

7 400 32 12,5 5000 400

8 450 32 14,0 6300 480

9 500 32 16 8000 580***

10 1000 32 30 **** -

* Условно допущено независимость сопротивления пленки от температуры ** В стационарном режиме при горизонтальном размещении ИК излучателя *** Размягчение стеклянной подложки

**** При искусственном отборе тепла (охлаждении) от ИК излучателя

Основываясь на результатах измерений можно сделать вывод о возможности использования исследуемого ИК излучателя при токовой нагрузке до 22,5 А на 1 дм контакта, что соответствует потребляемой и отдаваемой мощности до 6 кВт. В то же время тонкая оксидная пленка нагревателя показала свою работоспособность при токовой нагрузке до 5 А/дм.

Проведенные нами исследования инфракрасных излучающих панелей на стекле показали, что при повышении температуры стекла, существенно изменяется го излучающая способность. Так, при температуре 20 °С, Пет (излучающая способность) = 94-96%, при Т = 100 °С Пет = 92%, при Т = 250 °С Гст = 87%, а при Т = 500 °С Пст = 76%. Это приводит к значительному снижению эффективности стеклянной излучающей панели при возможном использовании ее в технологическом оборудовании. Для увеличения излучающей способности мы использовали дополнительное покрытие внешней стороны стеклянной панели.

Для этого использовали покрытие стекла тонкой пленкой оксикарбида хрома (черный хром). Излучающая способность данной пленки при повышении температуры от 20 до 400 0С изменялась незначительно - с 96% до 94%.

Кроме того, нами были проведены измерения излучающей способности стекла, покрытого черной высокотемпературной краской (450-600 0С). Излучающая способность стекла с данным покрытием оставалось на уровне 98-96%.

Таким образом, инфракрасные излучающие панели на стекле с дополнительным черным слоем могут быть использованы в технологическом оборудовании.

Выводы

В работе рассматриваются ИК нагревательные панели на стекле, использующиеся, в основном, для обогрева помещений. Показано, что наиболее перспективными нагревательными элементами таких панелей являются проводящие пленки оксидных полупроводников SnO2, Шг^, 2п0, CdO. Анализ

свойств данных материалов позволил выделить наиболее пригодные пленки SnO2 и In2O3 для использования в качестве нагревательных элементов.

Были проанализированы методы получения данных пленок. Исследованы их характеристики в зависимости от технологии получения. Установлено, что для серийного производства наиболее пригодны линии непрерывного действия с магне-тронным нанесением пленок. Установлена зависимость характеристик пленок не только от состава мишеней (количества примесей) но и от технологических режимов их нанесения.

Показано, что необходимое изменение характеристик нагревательных пленок можно получить изменяя технологические режимы их нанесения.

Измерение температурной стабильности позволило выбрать как наиболее стабильные - пленки оксида олова. Показано, что изменяя параметры пленок можно изменить мощность ИК панели и температуру ее излучающей поверхности. С целью определения возможности использования ИК панелей в технологическом оборудовании определены их предельно допустимые электрические характеристики.

Показаны преимущества стеклянных панелей с тонкопленочным нагревательным слоем по сравнению с образцами производства Бельгии с пасто-графитовыми нагревательными слоями по максимальной температуре и однородности температуры поверхности.

Показаны пути увеличения эффективности стеклянных инфракрасных излучающих панелей.

Литература

1. Minami Tadatsugu, Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes, Semiconductor Science and Technology, Volume 20, Issue 4, pp. S35-S44 (2005).

2. Синёв И.В., Температурная зависимость сопротивления тонкопленочных резисторов на основе диоксида олова, диссертация кандидата физико-математических наук.- Саратов, 2014.- 209 с.

3. С.И. Рембеза, Т.В. Свистова, Микроструктура и физические свойства тонких пленок SnO2,

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 7., с.796-800

4. Чопра К., Дас С. 475 Тонкопленочные солнечные элементы.— М.: Мир, 1986.— 435 с.

5. Барыбин А.А., Мезонов А.В., Шаповалов В.И. Определение оптических характеристик тонких пленок оксидов. Оптический журнал, 2006, т.73 №8, с. 66-73.

6. Завьялов А.В., Шаповалов В.И. Метод определения подвижности электронов в диэлектрических пленках пленках. Вакуумная техника и технология, 2007, т.17 №3, с.199 -202.

7. Плотникова Е.Ю. Синтез и свойства метало-оксидных пленок ZnO, SnO2 и TiO2. Диссертация к.т.н., Воронеж, 2015.

8. Ma Q.B., Ye Z.Z., He H.P., Structural, electrical and optical properties of transparent conductivity ZnO, SnO prepared by DC reactive magnetron sputtering. Y.Cryst. Growth, 2007, v.304, p.64-68.

9. Li Y. Huang Q., Bi X. The change of electrical transport characterization in ZnO films. Appl. Phys.A., 2013, v.113, p.053702.

10. Максимова О.В. Влияние легирования и условий осаждения на локализацию и перенос электронов в тонких пленках оксида цинка и оксида индия. Диссертация, к.ф. - м.н., Москва 2015.

11. Рембеза С.И., Синельников Б.М., Рембеза Е.С., Каргин Н.И., Физические методы исследования твердотельной электроники. Ставрополь, Сев.КазГТУ, 2002, 432 стр.

12. H.L. Hartnagel, Semiconducting Transparent Thin Films, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1995.

13. Родионов В.Е., Шмидко И.Н., Особенности получения пленок хрома, окисихрома и оксикар-бида хрома по МОС-технологии, «Международный научно-исследовательский журнал №1, т.43. Екатеринбург, 2016. стр.63-67.

14. Козыркин Б.И., Бараненков И.В., Ко-шиенко А.В., Методы получения прозрачных проводящих покрытий на основе оксида олова, Зарубежная радиоэлектроника, т.10, М., Радио и связь, 1984, с.69-86.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.