KR101173281B1 - 플렉서블 태양전지용 투명전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플렉서블 태양전지용 투명전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가시광 영역의 투과특성을 향상시켜 플렉서블 디스플레이에 적용가능하고 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시킬 수 있으며, 더불어 수분에 취약한 플렉서블 기판의 투습특성을 증가시키고, 플렉서블 기판에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, 높은 이동도를 확보할 수 있고, 플렉서블 기판과 투명전극사이의 표면에너지를 변화시켜 부착력을 증가시킬 수 있으며 열팽창 계수 차이에 의한 박리 현상을 감소시킬 수 있는 플렉서블 태양전지용 투명전극에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지용 투명전극은 플렉서블 기판과 상기 플라스틱 기판 상에 형성된 무기산화물 버퍼층과 상기 무기산화물 버퍼층 상에 형성된 투명 전도성 막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 플렉서블 태양전지용 투명전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가시광 영역의 투과특성을 향상시켜 플렉서블 디스플레이에 적용가능하고 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시킬 수 있으며, 더불어 수분에 취약한 플렉서블 기판의 투습특성을 증가시키고, 플렉서블 기판에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, 높은 이동도를 확보할 수 있고, 플렉서블 기판과 투명전극사이의 표면에너지를 변화시켜 부착력을 증가시킬 수 있으며 열팽창 계수 차이에 의한 박리 현상을 감소시킬 수 있는 플렉서블 태양전지용 투명전극에 관한 것이다.
일반적으로, 플렉서블 디스플레이와 염료감응형 태양전지 장치에 사용되어지는 트랜지스터의 고응답 속도와 태양전지의 변환효율의 향상에 필요한 전극의 낮은 저항화에 부응하기 위해서는 결정화된 저저항의 고품위 투명 전도성 막(TCO)이 필요하다.
그러나 낮은 저항을 가지고 결정화가 된 투명 전도성 막을 제작하기 위해서는 수 백도 이상의 온도에서 결정화하지만 플렉서블 디스플레이와 염료감응형 태양전지에 사용되어지는 플라스틱 기판의 열적 특성으로 인해 고온공정이 불가능한 문제점이 있다.
또한 기판 온도가 상승함에 따라 폴리머 재료와 투명 전도성 막과의 높은 열팽창계수의 차이에 의하여 박막의 격리가 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 가시광 영역의 투과특성을 향상시켜 플렉서블 디스플레이에 적용가능하고 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시킬 수 있으며, 더불어 수분에 취약한 플렉서블 기판의 투습특성을 증가시키고, 플렉서블 기판에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, 높은 이동도를 확보할 수 있고, 플렉서블 기판과 투명전극사이의 표면에너지를 변화시켜 부착력을 증가시킬 수 있으며 열팽창 계수 차이에 의한 박리 현상을 감소시킬 수 있는 플렉서블 태양전지용 투명전극을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 플렉서블 기판과 상기 플라스틱 기판 상에 형성된 무기산화물 버퍼층과 상기 버퍼층 상에 형성된 투명 전도성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 태양전지용 투명전극에 의해 달성된다.
여기서, 상기 플렉서블 기판은 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 무기산화물 버퍼층은 SiO2, SiO2/Nb2O5 또는 SiO2/Nb2O5/SiO2/Nb2O5 또는 그 이상의 SiO2/Nb2O5 반복구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 투명 전도성 막은 대향 타겟식 스퍼터링으로 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 무기산화물 버퍼층은 전자 빔 증착(Electron Beam Deposition)에 의해 상기 플렉서블 기판에 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 투명 전도성 막은 In2O3와 ZnO로 이루어진 IZO(Indium-Zinc-Oxide) 또는 In2O3, ZnO 및 SnO2로 이루어진 IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide)으로 이루어진 막인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 IZO(Indium-Zinc-Oxide)는 90wt%의 In2O3와 10wt%의 ZnO로 이루어지고, 상기 IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide)는 90wt%의 In2O3와 7wt%의 ZnO와 3wt%의 SnO2로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플렉서블 태양전지용 투명전극은 상온에서 제작된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 투명전극의 증착 시 플라즈마 충격에 의한 영향을 둔감시키는 장치인 대향성 타겟 스퍼터링 시스템을 통하여 전기적 특성이 우수한 투명전극 박막을 성장하여 플렉서블 디스플레이 및 염료감응형 태양전지를 제작할 수 있으며, 투명전극과 플렉시블 기판사이에 버퍼층을 형성함으로써 가시광 영역의 투과특성을 향상시켜 플렉서블 디스플레이에 적용가능하고 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시켜주는 효과가 있으며, 더불어 수분에 취약한 플렉서블 기판의 투습특성도 증가시켜 주는 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 모든 공정과정에서 기판에 가열 없이 상온에서 제작이 이루어졌으므로 플렉서블 기판에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, ZnO 보다 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 다성분계이기 때문에 비정질 구조로 제작 가능한 IZO(90wt%의 In2O3와 10wt%의 ZnO) 등을 대향성 타겟 스퍼터링 시스템으로 증착하여 높은 이동도를 확보할 수 있는 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 플렉서블 기판에 투과율과 투습율 향상을 위한 버퍼층을 형성하고, 이 버퍼층은 플렉서블 기판과 투명전극사이의 표면에너지를 변화시켜 부착력을 증가시킬 수 있는 등의 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 따르면 SiO2막을 플렉서블 기판에 전자 빔 증착(Electron Beam Deposition)을 하고, 저온 공정이 가능한 대향성 타겟 스퍼터링 시스템에서 투명 전도성막을 형성함으로써, 열팽창 계수 차이에 의한 박리 현상을 감소시킬 수 있는 등의 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지용 투명전극의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 투명 전도성 막을 형성하는 대향 타겟식 스퍼터 장치의 개략도.
도 3a 내지 3b는 일반적인 스퍼터 장치와 본 발명에 따른 대향성 타겟 스퍼터 장치에서 형성한 투명전극박막의 표면 특성을 보이는 그래프.
도 4a 내지 4b는 본 발명에 따라 증착 시 입력 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 광투과 특성을 보이는 그래프.
도 5는 본 발명에 따라 증착 시 입력 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 두께 및 전기적 특성을 보이는 그래프.
도 6a 내지 6b는 본 발명에 따라 형성된 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 투습 특성을 보이는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 투명 전도성 막을 형성하는 대향 타겟식 스퍼터 장치의 개략도.
도 3a 내지 3b는 일반적인 스퍼터 장치와 본 발명에 따른 대향성 타겟 스퍼터 장치에서 형성한 투명전극박막의 표면 특성을 보이는 그래프.
도 4a 내지 4b는 본 발명에 따라 증착 시 입력 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 광투과 특성을 보이는 그래프.
도 5는 본 발명에 따라 증착 시 입력 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 두께 및 전기적 특성을 보이는 그래프.
도 6a 내지 6b는 본 발명에 따라 형성된 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 투습 특성을 보이는 그래프.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
본 발명은 플렉서블 디스플레이 및 염료감응형 태양전지용 투명전극에 관한 것으로써, 플라스틱 기판(플렉서블 기판)의 열적 특성상 투명전극 제조에 있어서 모든 공정을 저온(상온)에서 실시한 것을 특징으로 하는데, 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지용 투명전극은 도 1에 도시된 바와 같이 플렉서블 기판과, 상기 플라스틱 기판 상에 형성된 무기산화물 버퍼층과, 상기 무기산화물 버퍼층 상에 형성된 투명 전도성 막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 플렉서블 디스플레이와 염료감응형 태양전지 장치에 사용되어지는 트랜지스터의 고응답 속도와 태양전지의 변환효율의 향상에 필요한 전극의 낮은 저항화에 부응하기 위해서는 결정화된 저저항의 고품위 투명 전도성 막(TCO)이 필요하다. 그러나 저저항을 가지며 결정화가 된 투명 전도성 막을 제작하기 위해서는 수 백도 이상의 온도에서 결정화하지만 플렉서블 디스플레이와 염료감응형 태양전지에 사용되어지는 플라스틱 기판의 열적 특성으로 인해 고온공정이 불가능하고 또한 기판 온도가 상승함에 따라 폴리머 재료와 투명 전도성 막과의 높은 열팽창계수의 차이에 의하여 박막의 격리가 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지용 투명전극은 투명 전도성 막을 증착하는 단계부터 저온공정이 가능하고 플라즈마 충격에 대한 영향도 적은 대향 타겟식 스퍼터링을 사용하여 투명 전도성 막을 형성하였다. 도 2는 본 발명에 따른 투명 전도성 막을 형성하는 대향 타겟식 스퍼터 장치의 개략도이다. 비결정질에서도 우수한 전기적 특성을 가지는 상기 투명 전도성 막은 상기 투명 전도성 막은 In2O3와 ZnO로 이루어진 IZO(Indium-Zinc-Oxide) 또는 In2O3, ZnO 및 SnO2로 이루어진 IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide)으로 이루어진 막이 있다. 그 외 ATO(Antimony-Tin-Oxide) 등도 있다. 바람직하게는 상기 투명 전도성 막은 90wt%의 In2O3와 10wt%의 ZnO로 이루어진 IZO인 것이 바람직한데, 이는 ZnO보다 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 다성분계이기 때문에 대향성 타겟 스퍼터링 시스템으로 증착하여 높은 이동도를 확보할 수 있기 때문이다. 또한 바람직하게는 상기 투명 전도성 막은 90wt%의 In2O3와 7wt%의 ZnO와 3wt%의 SnO2로 이루어진 IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide)인 것이 바람직하다.
또한, 플렉서블 디스플레이 장치에서 백플레인(Blackplane)용 TFT의 재료와 가시광 영역대의 빛을 받아서 에너지 변환을 하는 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 투과특성을 향상시킬 기술의 확보가 필요하다.
그리고, 플라스틱 기판의 특성상 수분의 침투에 취약하기 때문에 투습율을 높이기 위한 투습 방지막 기술의 역할을 하는 기술개발이 동시에 이루어져야 한다. 따라서 상기 투명 전도성 막을 증착하기 전에 플렉서블 기판 상에 다양한 증착장비를 사용하여 무기산화물 버퍼층(Buffer layer)을 증착, 투과율 향상과 투습방지를 하였다. 이러한 무기산화물 버퍼층은 SiO2, Nb2O5, TiO2, TiN, ZrO2, CeO2, MgO 등을 사용할 수도 있다. 이 중 SiO2는 굴절율이 1.5정도인 저굴절율 물질이며 Nb2O5를 비롯한 나머지 무기물들은 SiO2보다 높은 굴절율을 가지는 고굴절율 물질로서 저굴절/고굴절/저굴절/고굴절의 구조로 박막을 형성하게 되면 굴절율이 서로 상쇄되어 반사되는 양이 적어지고 투과되는 빛이 많아지게 되어 기판까지 도달하는 빛의 양이 많아지게 되는 효과를 나타낸다. 따라서 투명전극 아래에 위치한 SiO2 자체만으로도 투명전극물질과 굴절율 상쇄로 인해 투과율이 증가하며, 무기산화물 버퍼층을 다층으로 제작하는 경우도 마찬가지 경우로 투명전극과 굴절율을 상쇄시키는 역할을 하게 되므로 투과하는 빛의 양이 많아지게 되어 투과율은 상승하게 된다. 바람직하게는 상기 무기산화물 버퍼층은 SiO2, SiO2/Nb2O5 또는 SiO2/Nb2O5/SiO2/Nb2O5 또는 그 이상의 SiO2/Nb2O5 반복구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. 일반적으로 투명 전도성 막이 저저항을 가지며 결정화가 된 막을 제작하기 위해서는 수 백도 이상의 온도에서 결정화하지만 플렉서블 디스플레이와 염료감응형 태양전지에 사용되어지는 플라스틱 기판의 열적 특성으로 인해 고온공정이 불가능하고 또한 기판 온도가 상승함에 따라 폴리머 재료와 투명 전도성 막과의 높은 열팽창계수의 차이에 의하여 박막의 격리가 발생하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 상기 투명 전도성 막을 증착하는 단계부터 저온공정이 가능하고 플라즈마 충격에 대한 영향도 적은 대향 타겟식 스퍼터링을 사용하여 상기 투명 전도성 막을 형성한 것에 본 발명의 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 플렉서블 기판은 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무기산화물 버퍼층은 전자 빔 증착(Electron Beam Deposition)에 의해 상기 플렉서블 기판에 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1과 비교예 1]
일반적인 종래의 스퍼터 장치와 본 발명에 따른 대향성 타겟 스퍼터 장치에서 형성한 투명전극박막의 표면 특성을 조사하였다. 그 결과를 도 3a과 도 3b에 나타내었는데, 도 3a(비교예 1)는 일반적인 스퍼터링 장치에서 증착된 투명전극 박막의 표면 분석을 통한 박막을 이루고 있는 원소를 나타낸 그래프이고 도 3b(실시예 1)는 대향성 타겟 스퍼터링 장치에서 증착된 투명전극 박막의 표면 분석을 통한 박막을 이루고 있는 원소를 나타낸 그래프이다.
도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 결과인 도 3a에서는 본 발명에 따른 실시예 1의 결과인 도 3b에서와는 달리 탄소(C)가 검출된 것을 알 수 있다. 탄소는 증착하는 과정에서 플라즈마 충격을 받아 투명전극 재료가 탄화되어 나타나는 현상이다. 따라서, 탄소로 인해 박막의 전기적 특성이 감소하고 나아가 플렉시블 디스플레이 장치와 플렉서블 염료감응형 태양전지 장치에 좋지 않은 영향을 미치게 되는 것이다.
[실시예 2와 비교예 2]
다음으로 본 발명에 따라 증착 시 입력 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 광투과 특성을 조사하였다. 그 결과를 도 4a(실시예 2)와 도 4b(비교예 2)에 나타내었는데, 본 발명에 따른 실시예 2의 결과인 무기산화물 버퍼층이 있는 도 4a에서는 비교예 2의 결과인 도 4b에 비해 투명전극 기판의 평균 투과율이 10~20%정도 향상되었으며, 이는 고굴절율 재료인 투명전극과 저굴절률 재료인 무기산화물 버퍼층 물질이 스넬의 법칙에 의하여 서로의 굴절율을 상쇄시키는 역할을 하기 때문에 많은 양의 빛이 기판까지 입사되어 투과율이 향상되는 효과를 보이게 된 것이다.
[실시예 3과 비교예 3]
다음으로 증착 전력을 변수로 하고 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따른 전기적 특성과 두께에 대한 특성을 조사하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었는데, 무기산화물 버퍼층이 있는 경우를 실시예 3으로 하고 없는 경우를 비교예 3으로 하였다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 무기산화물 버퍼층이 있는 투명전극 기판은 그렇지 않은 기판보다 표면에너지가 높아지게 되어 더 많은 양의 투명전극 입자들이 기판에 부착을 하게 되고, 부착력 또한 향상되어진다. 그에 따라 박막의 두께가 증가하게 되며, 비저항은 감소하게 되어 전자들이 전도성이 좋아지게 된다.
[실시예 4와 비교예 4]
다음으로 본 발명에 따라 형성된 무기산화물 버퍼층의 유/무에 따라 형성한 투명전극박막의 투습 특성을 조사하였다. 그 결과를 도 6a(비교예 4)와 도 6b(실시예 4)에 나타내었다. 본 발명에서 사용한 플라스틱 기판인 PEN의 투습율은 2 g/m2day로 알려져 있다. 비교예 4인 플라스틱 기판위에 투명전극을 증착한 시료는 1.27 g/m2day로 측정이 되었으며, 본 발명에 따른 실시예 4인 무기산화물 버퍼층 위에 투명전극을 증착한 시료는 0.22 g/m2day로 측정이 되었다. 이는 무기산화물 버퍼층을 추가함으로 인해서 수분에 취약한 플렉서블 디스플레이 장치와 플렉서블 염료감응형 태양전지 장치에 수분침투를 억제하는 효과가 있을 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지용 투명전극은 투명전극의 증착 시 플라즈마 충격에 의한 영향을 둔감시키는 장치인 대향성 타겟 스퍼터링 시스템을 통하여 전기적 특성이 우수한 투명전극 박막을 성장하여 플렉서블 디스플레이 및 염료감응형 태양전지를 제작할 수 있으며, 투명전극과 플렉시블 기판 사이에 무기산화물 버퍼층을 형성함으로써 가시광 영역의 투과특성을 향상시켜 플렉서블 디스플레이에 적용가능하고 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시켜주는 효과가 있으며, 더불어 수분에 취약한 플렉서블 기판의 투습특성도 증가시켜 주는 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 모든 공정과정에서 기판에 가열 없이 상온에서 제작이 이루어졌으므로 플렉서블 기판에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, ZnO 보다 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 다성분계이기 때문에 비정질 구조로 제작 가능한 IZO(90wt%의 In2O3와 10wt%의 ZnO)를 대향성 타겟 스퍼터링 시스템으로 증착하여 높은 이동도를 확보할 수 있는 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 플렉서블 기판에 투과율과 투습율 향상을 위한 무기산화물 버퍼층을 형성하고, 이 무기산화물 버퍼층은 플렉서블 기판과 투명전극사이의 표면에너지를 변화시켜 부착력을 증가시킬 수 있는 등의 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 따르면 SiO2막을 플렉서블 기판에 전자 빔 증착(Electron Beam Deposition)을 하고, 저온 공정이 가능한 대향성 타겟 스퍼터링 시스템에서 투명 전도성막을 형성함으로써, 열팽창 계수 차이에 의한 박리 현상을 감소시킬 수 있는 등의 효과를 가진다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
1 : 투명 전도성 막 2 : 무기산화물 버퍼층
3 : 플렉서블 기판
3 : 플렉서블 기판
Claims (8)
- 플렉서블 태양전지용 투명전극에 있어서,
플렉서블 기판과, 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 무기산화물 버퍼층과, 상기 무기산화물 버퍼층 상에 형성된 투명 전도성 막을 포함하고,
상기 투명 전도성 막은 90wt%의 In2O3와 10wt%의 ZnO로 이루어진 IZO(Indium-Zinc-Oxide) 또는 90wt%의 In2O3와 7wt%의 ZnO와 3wt%의 SnO2로 이루어진 IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide)로 이루어지고,
상기 투명 전도성 막은 대향 타켓식 스퍼터링으로 형성되며, 상기 투명 전도성 막의 두께는 125 내지 200nm이고,
상기 플렉서블 태양전지용 투명전극은 투습율은 0.19 내지 0.23 g/m2day이고, 상온에서 제작되는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 태양전지용 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름인 것을 특징으로 하는, 플렉서블 태양전지용 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 무기산화물 버퍼층은 SiO2/Nb2O5 또는 2 이상의 SiO2/Nb2O5의 반복구조로 이루어진 것을 특징으로 하는, 플렉서블 태양전지용 투명전극.
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