KR101309924B1 - 광소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탠덤구조로 광활성층을형성하는 경우에도 균일한 박막형성이 가능하며 중간전도층 및 하부광활성층을 손상시키기 않는 광소자 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법은 전술한 과제를 달성하기 위해, 분리 기판을 형성하는 단계(s110); 상기 분리 기판 상에 박리층을 형성하는 단계(s120); 상기 박리층상에 상부 광활성층을 형성하는 단계(s130);상기 상부 광활성층 위에 상부 전극을 형성하는 단계(s140); 및 상기 상부 전극 위에 지지기판을 형성하는 단계(s150); 를 포함하여 이루어지는 상부체 형성단계(s100): 상기 상부체에서 상기 박리층을 습식 식각하여 상기 지지기판, 상부전극 및 상부 광활성층으로 이루어지는 상부 전극체를 분리하는 단계(s200): 광투과성 하부 기판을 형성하는 단계(s310);상기 하부 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계(s320); 상기 하부 전극 위에 하부 광활성층을 형성하는 단계(s330); 를 포함하여 이루어지는 하부 전극체 형성단계(s300): 상기 상부 전극체의 상부 광활성층 및 상기 하부 전극체의 하부 광활성층의 어느 일방이나 양방에 중간전도층을 형성하는 단계(s400): 및 상기 상부 전극체를 중간전도층에서 상기 하부 전극체에 합착하는 단계(s500)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법은 전술한 과제를 달성하기 위해, 분리 기판을 형성하는 단계(s110); 상기 분리 기판 상에 박리층을 형성하는 단계(s120); 상기 박리층상에 상부 광활성층을 형성하는 단계(s130);상기 상부 광활성층 위에 상부 전극을 형성하는 단계(s140); 및 상기 상부 전극 위에 지지기판을 형성하는 단계(s150); 를 포함하여 이루어지는 상부체 형성단계(s100): 상기 상부체에서 상기 박리층을 습식 식각하여 상기 지지기판, 상부전극 및 상부 광활성층으로 이루어지는 상부 전극체를 분리하는 단계(s200): 광투과성 하부 기판을 형성하는 단계(s310);상기 하부 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계(s320); 상기 하부 전극 위에 하부 광활성층을 형성하는 단계(s330); 를 포함하여 이루어지는 하부 전극체 형성단계(s300): 상기 상부 전극체의 상부 광활성층 및 상기 하부 전극체의 하부 광활성층의 어느 일방이나 양방에 중간전도층을 형성하는 단계(s400): 및 상기 상부 전극체를 중간전도층에서 상기 하부 전극체에 합착하는 단계(s500)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광소자 제조방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 제조비용을 절감할 수 있으면서 탠덤구조의 광활성층을 효율적으로 형성할 수 있는 광소자 제조방법에 대한 것이다.
태양전지 반도체 소자는 석유와 같은 화석연료가 고갈되어 감에 따라서 청정에너지원으로 각광받고 있는 기술이다. 태양전지는 빛을 소자에 조사해주면 구동하는 소자로서, 구동하기 위한 추가적인 에너지를 필요로 하지 않으며, 구동 중에 불필요하게 발생하는 환경오염 물질이 없다는 장점이 있고, 환경 지리적인 제한이 상대적으로 적기 때문에 가까운 미래에 그린에너지의 대표적인 사례가 될 것으로 기대되고 있다.
특히, 차세대 태양전지로 각광받고 있는 고분자 태양전지는 낮은 가격, 가벼운 무게, 뛰어난 유연성을 갖고 있기 때문에, 미래에 플렉서블 에너지원으로 주목 받고 있다. 독일의 Heliatek, 미국의 Solarmer, Konarka와 같은 해외기업들이 고분자 태양전지 산업화에 전력을 집중하고 있으며, 태양전지 산업의 가능성을 높게 평가하여, 적극적으로 투자하고 있다.
이와 같이 고분자 태양전지가 미래의 대체에너지로 자리 잡기 위해서는 공정기술의 다변화와 다양성을 가져야 한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 태양전지의 경우, 표면 거칠기가 작은 기판을 사용하기 때문에 거칠기를 제어하기 위한 기판 비용이 높으며, 한번 사용한 기판을 다시 재활용 할 수 없다는 문제점을 갖고 있다. 이와 같은 기판의 제약은 장기적인 측면에서 발전 비용이 더 높다.
따라서 태양전지가 산업화 되기위해서 저렴한 공정 비용을 갖는 기판 제작 및 공정개발이 필요하다. 이러한 기판의 제약을 극복하고 광변환 효율을 증가시키기 위해서, 최근 유기 광소자의 기판에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중, 유기태양전지의 기판으로는 광투과도가 우수하고 공정 편의성이 높은 유리기판을 사용하고 있다. 하지만 최근에 들어 구부림 특성을 가지는 태양전지의 개발 필요성이 대두되고 있는 가운데 기존의 유리기판을 대신하여 플라스틱 및 스틸 기판을 이용하여 구부림 특성이 우수한 유기태양전지의 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
먼저, 플라스틱 기판상에 광소자를 직접 제조하는 방안과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2009-0114195호에는 유리 기판상에 고분자 물질로 이루어진 가요성 기판을 접착한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2006-0134934호에는 유리 기판상에 스핀 온 방법으로 플라스틱을 코팅한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하여 플렉서블 광소자 제작하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 플라스틱 기판의 경우는 투과도도 높고 유연한 장점이 있는데 반하여 수분과 산소의 투과도 쉽게 이루어지기 때문에, 유기태양전지의 특성 저하를 일으키기 쉽다. 이에 따라, 수분과 산소의 침투에 의한 특성 저하를 해결하기 위해서 스틸 기판과 같은 금속 기판을 유기태양전지에 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
또한, 금속기판을 사용하는 공정과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2008-0024037호에는, 금속 기판상에 유리 성분을 포함하는 버퍼막을 통해 표면 거칠를 낮추어 생산수율이 높은 플렉서블 전자 소자를 제공하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2009-0123164호에는 금속 기판상의 양각형 패턴을 연마를 통해 제거하여 수율을 향상시키는 방법이 개시되어 있으며, 대한민국 공개 특허공보 제2008-0065210호에는 유리 기판상에 박리층 및 금속막을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 플렉서블 유기태양전지에 사용되는 15 ~ 150㎛ 두께의 후막 금속기판은 그 제조 방법상 수백nm 이상의 표면 거칠기를 갖게 된다. 예를 들어, 압연을 통해 제작된 금속 후막의 경우 압연흔이 존재하며, 유리 기판상에 증착을 통해 형성된 금속 후막의 경우 두께가 두꺼워짐에 따라 표면 거칠기가 비례하여 증가하기 때문에, 증착방법 및 조건에 따라 변하므로 낮은 표면 거칠기를 갖도록 플렉서블 금속 기판을 제작하는데 문제점이 있다.
이에 따라, 종래 금속 기판을 사용할 때는 금속 기판상의 표면 거칠기를 낮추기 위해 고분자 계열을 평탄화 층을 금속 기판상에 도포하거나 연마 공정을 행하는 것이 필수적이었다. 그런데 고분자 계열을 사용하여 표면 거칠기를 낮추는 경우는 유기태양전지 하부전극 형성에 필요한 고온 공정을 사용할 수 없는 문제점이 발생하게 되고, 연마 공정의 경우 단결정 Si 기판을 사용하는 고가의 마이크로프로세서나 RAM을 제작하는 경우에는 적합하나, 상대적으로 저가, 대면적이 요구되는 플렉서블 유기태양전지에 적용함에 있어서는 경제성이 크게 떨어지는 문제가 있다.
태양전지 소자제작에서 높은 효율을 얻기 위해 단일 광활성층을 이용한 소자 구조에서 두 개의 광활성층을 갖는 텐덤구조로 연구 흐름의 변화가 있다. 텐덤 구조는 두 개의 서로 다른 광활성층 물질을 사용할 수 있기 때문에, 태양전지의 경우 두 가지의 서로 다른 흡수 파장대를 갖는 물질을 사용할 수 있고, 넓은 파장의 빛을 흡수하여 높은 소자 효율을 구현할 수 있다. 발광다이오드의 경우 서로 다른 파장대의 발광 물질을 사용할 경우 백색 발광소자를 구현할 수 있다. 하지만 하나의 기판에서 박막층을 적층해서 구성한 탠덤구조에서 발생하는 문제점들이 있다.
가장 큰 문제점으로 거론되는 중간 전도층 위에 형성되는 상부 광활성층의 분균일한 코팅이 있다. 스핀코팅 또는 진공증착 방식으로 형성되는 상부 광활성층은 중간 전도층과의 표면 에너지 차이 때문에 균일한 박막 형성이 어렵다.
또한, 반복된 용액 공정으로 하부 층이 손상되는 문제가 있다. 용액공정으로 텐덤구조를 갖는 태양전지를 제작할 경우, 경화된 폴리머 층 또는 전극 층 위에 용매가 포함된 액상 폴리머를 반복 코팅 및 가열이 필요하다.
이때, 용매가 하부에 있는 경화된 폴리머를 손상시키거나, 하부에 있는 전극을 산화시키는 문제가 있다. 단일 광활성층을 갖는 태양전지에서는 용매 물질의 선택에 의해 이러한 문제를 피할 수 있으나, 여러 층의 액상 폴리머 코팅이 필수적인 텐덤구조에서는 다층을 용액 공정으로 하면 소자의 효율이 크게 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탠덤구조로 광활성층을형성하는 경우에도 균일한 박막형성이 가능하며 중간전도층 및 하부광활성층을 손상시키기 않는 광소자 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법은 전술한 과제를 해결하기 위해,
분리 기판을 형성하는 단계(s110);
상기 분리 기판 상에 박리층을 형성하는 단계(s120);
상기 박리층상에 상부 광활성층을 형성하는 단계(s130);
상기 상부 광활성층 위에 상부 전극을 형성하는 단계(s140); 및
상기 상부 전극 위에 지지기판을 형성하는 단계(s150); 를 포함하여 이루어지는 상부체 형성단계(s100):
상기 상부체에서 상기 박리층을 습식 식각하여 상기 지지기판, 상부전극 및 상부 광활성층으로 이루어지는 상부 전극체를 분리하는 단계(s200):
광투과성 하부 기판을 형성하는 단계(s310);
상기 하부 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계(s320); 및
상기 하부 전극 위에 하부 광활성층을 형성하는 단계(s330); 를 포함하여 이루어지는 하부 전극체 형성단계(s300):
상기 상부 전극체의 상부 광활성층 및 상기 하부 전극체의 하부 광활성층의 어느 일방이나 양방에 중간전도층을 형성하는 단계(s400): 및
상기 상부 전극체를 중간전도층에서 상기 하부 전극체에 합착하는 단계(s500)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 글래스, PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 박리층의 두께는 10 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 광활성층은, P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종의 혼합물과, PA, PDA, PPP, PPV, RO-PPV, PT, P3AT, PTV, PPy, PAni, F8BT 로 이루어진 군에서 선택된 1종의 것 중, 어느 일방으로 이루어지고, 상기 하부 광활성층은, 나머지 다른 일방으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 중간 전도층은, PEDOT:PSS, 몰리브데넘 산화물, 바나듐 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물, 이리듐 산화물, 로듐 산화물, 루테늄 산화물, 레늄 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 세슘 산화물, 그래핀, 그래핀 산화물 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 전극은, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 박리층 식각을 위한 박리층 용해물질은 산성용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 하부 전극은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 전극체와 하부 전극체의 합착은 1bar이상 10bar 이하의 압력을 가해주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 전극체와 하부 전극체의 합착은 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도를 가해주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 분리 기판, 지지기판, 및 하부기판 중 적어도 하나는 모기판 위에 형성된 막을 물리적으로 떼어내어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 모기판은 Ra < 100nm 이하의 표면 조도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 주조법 또는 전자선 증착법 또는 열 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 화학기상 증착법 또는 전기 도금법으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 5㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 광활성층 및 하부 광활성층은 PPV (poly(1,4-phenylene vinylene)), R-PPV(Polyphenylenevinylene), MEH-PPV (poly[2-(2’-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4-phenylene vinylene]), CN-PPV (Cyano-Polyphenylene vinylene), PF (Polyfluorenes), Spiro bifluorenes, PVK Poly(N-vinyl carbazole), PFO Poly(9,9’-dioctylfluorene), PPP (para-phenylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광소자 제조방법에서, 상기 상부 광활성층과 하부 광활성층은 서로 다른 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광소자 제조방법에서는 사용한 분리기판은 재활용이 가능하여 기판의 제조공정을 낮출 수 있으며, 극평탄화된 분리기판을 사용할 경우, 전자소자에서 발생하는 누설전류를 감소시켜 소자효율이 증가하는 특징을 갖고 있기 때문에, 기존에 발생했던 기판의 공정비용 문제점을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법을 사용하면 기존의 텐덤구조에서 중간 전도층 위에 광활성층을 형성시 불균일한 박막 형성의 문제점과, 중간 전도층 및 하부 광활성층을 손상시키는 문제점이 해결되는 장점을 가진다.
본 발명은 현재 널리 사용되고 있는 반도체 전자소자의 제조 공정에 즉시 적용 가능하여, 소자효율 향상을 도모할 수 있다는 장점도 구비한다.
도 1 은 본 발명에 따른 광소자 제조방법을 도시하는 도면이다.
도 2 은 본 발명에서의 물리적 박리법을 이용하여 분리기판을 제조하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 광활성층과 박리층 분리한 사진이다.
도 4 는 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 분리된 광활성층을 포함하는 지지기판의 사진이다.
도 2 은 본 발명에서의 물리적 박리법을 이용하여 분리기판을 제조하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 광활성층과 박리층 분리한 사진이다.
도 4 는 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 분리된 광활성층을 포함하는 지지기판의 사진이다.
본 발명의 광소자 제조방법을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1 은 본 발명에 따른 광소자 제조방법을 도시하는 도면이다.
먼저, 상부체를 만드는 단계(s100)를 수행한다.
첫번째로, 도 1a 에서와 같이 분리 기판(10)을 제작하는 단계(s110)를 수행한다.
분리 기판(10)은 글라스, PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 형성된다.
또는, 분리기판은 청구항 1 에 있어서, 상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 가요성 금속으로 이루어질 수 있다.
분리기판을 제조하는 방법을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2 은 본 발명에서의 물리적 박리법을 이용하여 분리기판을 제조하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 2a 에 도시된 바와 같이 표면 거칠기가 100nm 이하의 모기판(B) 위에 주조법 또는 전자선 증착법 또는 열 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 화학기상 증착법 또는 전기 도금법을 이용하여 분리기판(10)을 형성하는 단계(s111)를 수행한다.
다음으로, 도 2b 에 도시된 바와 같이 물리적인 힘을 가하여 모기판(B)과 분리기판(10)을 분리하는 단계(s112)한다.
이와 같이 하면 도 2c 에 도시된 바와 같이 분리기판(10)이 형성(s113)되는 데, 분리기판(10)은 5㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 형성된 분리기판(10)은 모기판(B)이 가지는 극평탄화조도를 가지게 됨으로써 광소자에서 거칠기 때문에 발생하는 누설전류를 줄일 수 있게 되어 고효율 광활성층 형성을 가능하게 하며 높은 효율의 광소자를 형성할 수 있게 된다
다음으로 분리 기판(10)상에 박리층(20)을 형성하는 단계(s120)를 수행한다.
박리층(20) 물질은 유기물, 금속, 세라믹 등 어떠한 종류라도 무방하며 필요한 경우 여러 가지 물질로 다층으로 적층한 복합층으로 이루어질 수 있다.
박리층(20)의 두께는 10㎛ 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 박리층(20) 형성시간, 박리층(20) 물질 사용에 따른 비용, 박리층(20)을 화학적 분해시키기 위한 시간, 박리층(20)에 의한 응력 발생 등의 문제를 전체적으로 고려하여 결정된 것이다.
다음으로, 도 1a 에서와 같이 박리층(20)상에 반도체로 이루어진 상부 광활성층(30)층을 스핀코팅/진공증착 방식을 이용하여 형성하는 단계(s130)를 수행한다.
유기태양전지의 상부 광활성층(30)은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 1종의 혼합된 것으로 이루어진다.
또는, 상부 광활성층(30)은 PA, PDA, PPP, PPV, RO-PPV, PT, P3AT, PTV, PPy, PAni, F8BT 로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 이루어질 수 있다.
상부 광활성층(30)은 상기 2 그룹 중 어느 일방으로 형성되며 하부 광활성층(80)은 나머지 다른 일방으로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에서는 OLED 에도 본 발명의 제조방법이 적용가능한데, 이때에는 상부 광활성층(30) 및 하부 광활성층(80)은 PPV (poly(1,4-phenylene vinylene)), R-PPV(Polyphenylenevinylene), MEH-PPV (poly[2-(2’-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4-phenylene vinylene]), CN-PPV (Cyano-Polyphenylene vinylene), PF (Polyfluorenes), Spiro bifluorenes, PVK Poly(N-vinyl carbazole), PFO Poly(9,9’-dioctylfluorene), PPP (para-phenylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것으로 동일하게 이루어진다.
또는, 상부 광활성층(30) 및 하부 광활성층(80)이 상기 군에서 서로 다른 소재로 이루어지는 것도 가능하다.
그런 다음, 도 1a 에서와 같이 상부 광활성층(30) 상에 상부 전극(40)을 형성하는 단계(s140)를 수행하게 된다.
상부전극(40)은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 형성된다.
다음으로, 도 1b 에서와 같이 상부 전극(40)에 박리시 박막들을 지지하는 역할을 하는 지지 기판(50)을 형성하는 단계(s150)를 수행한다.
지지기판(50)도 분리기판(10)을 형성하는 방법도 동일한 방법으로 형성된 다음 상부전극(40)에 접합될 수 있다. 또는, 스핀코팅방식에 의해 상부전극(40)에 바로 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이 상부체를 형성하는 단계(s100)가 완료되면, 상부체를 분리하여 상부 전극체를 형성하는 단계(s200)를 수행하게 된다.
도 1c 에서와 같이 상부체에서 박리층(20)을 화학적 식각을 수행한 다음, 도 1d 에서와 같이 상부 광활성층(30)과 박리층(20)을 공간적으로 분리 시킨 뒤, 상부 광활성층(30)과 상부전극(40)을 포함하는 지지기판(50)을 떼어내는 단계(s200)를 수행한다.
이로써 상부 광활성층(30)과 상부전극(40)을 포함하는 지지기판(50)으로 이루어지는 상부 전극체(100)가 형성된다.
화학적 식각에 사용되는 박리층 분해 물질로는 박리층(20) 물질을 화학적으로 분해하며 분리기판(10)에는 큰 손상을 주지 않도록 산성 용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것이 바람직하다.
도 3 은 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 광활성층과 박리층 분리한 사진이다.
본 신실시예에서 분리기판(10)으로는 글래스를 사용하였고, 박리층(20)으로는 인듐-주석 산화물을 이용하였고, 상부 광활성층(30)으로는 P3HT:PCBM의 고분자 반도체 혼합물을 사용하였고, 지지 기판(50)으로는 PDMS를 사용하였으며, 식각 용액으로는 염산을 사용하였다.
화학적 식각을 하는 시간에 따라서 박리층이 식각되는 속도가 결정되며, 따라서 광활성층과 박리층 사이가 완전히 분리되는데 5분의 식각 시간이 필요하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
도 4는 본 발명의 제조방법에서 화학적 식각법을 통하여 분리된 광활성층을 포함하는 지지기판의 사진이다.
분리기판(10)에서 떼어낸 광활성층(30)은 유연 지지기판(50)인 PDMS(polydimethylsiloxane)에 완전히 전사될 수 있으며, 광활성층(30)을 포함하는 지지기판(10)은 플렉서블한 특성을 특징으로 갖는다.
이러한 분리방법으로 인해 분리 기판(10)의 표면 조도가 상부 광활성층(30)에 그대로 전사할 수 있으며, 플렉서블한 소자 제작이 가능하기 때문에 롤투롤(roll to roll) 공정이 가능하다는 장점을 가진다.
또한 평탄도가 좋지만, 불투명하여 사용하지 못했던 기판들을 분리 기판에 적용 하여 극평탄화된 조도를 갖는 광활성층을 얻을 수 있기 때문에, 높은 소자 특성 구현이 가능해 지고, 공정 방법의 다양성 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 1e 에서와 같이 하부 전극체를 형성하는 단계(s300)를 수행한다.
먼저, 광투과성 하부 기판(60)을 형성하는 단계(s310)를 수행하게 되는 데, 형성방법은 전술한 바와 같이 분리기판(10)을 형성하는 방법과 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 하부 기판(60)을 광투과성으로 기재하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 지지 기판(50)을 광투과성으로 형성하는 것도 가능하다.
하부 기판(60)은 전술한 분리기판(10)과 동일한 소재를 사용할 수 있다.
다음으로, 하부 기판(60) 위에 하부 전극(70)을 형성하는 단계(s320)를 수행하게 된다.
하부 전극(70)은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이루어진다.
다음으로, 하부 전극(70) 위에 하부 광활성층(80)을 형성하는 단계(s330)를 수행한다.
본 발명의 일 실시예에서 하부 광활성층(80)은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 1종의 혼합된 것으로 이루어진다.
또는, 하부 광활성층(80)은 PA, PDA, PPP, PPV, RO-PPV, PT, P3AT, PTV, PPy, PAni, F8BT 로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 이루어진다.
하부 광활성층(80)은 상기 2 그룹 중 어느 일방으로 형성되며 상부 광활성층(30)은 나머지 다른 일방으로 형성된다.
이로써, 하부 기판(60), 하부 전극(70) 및 하부 광활성층(80)으로 이루어지는 하부 전극체(200)가 완성된다.
그런 다음, 도 1e, 1e-1, 1e-2 에서와 같이 상부 전극체(100) 및 하부 전극체(200)의 어느 일방이나 양방에 중간전도층(90)을 형성하는 단계(s400)를 수행한다.
중간 전도층(90)은 PEDOT:PSS, 몰리브데넘 산화물, 바나듐 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물, 이리듐 산화물, 로듐 산화물, 루테늄 산화물, 레늄 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 세슘 산화물, 그래핀, 그래핀 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이루어진다.
마지막으로, 상부 전극체(100)와 하부 전극체(200)를 합착하는 단계(s500)를 수행한다.
중간전도층(90)이 형성된 상부 전극체(100)와 하부 전극체(200)를 열과 압력을 이용하여 합착하면 중간전도층(90)을 매개로 하여 상부 활성층(30) 및 하부 활성층(80)이 서로 접착된다.
합착단계에서는 상부 전극체(100)와 하부 전극체의 합착(200)은 1bar이상 10bar 이하의 압력을 가해주면서, 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도를 가해주면서 수행한다.
이와 같이 하면 도 1f 에서와 같이 최종적으로 광소자의 제조가 완성된다.
탈부착 방법을 이용한 광소자 제조방법은 중간 전도층 위에 증착/코팅시 발생하는 불균일한 상부 광활성층 문제점을 극복할 수 있고, 기판과 전극에 제한되지 않는 공정 기술로, 광소자 제조방법의 경제성을 향상시킬 수 있다.
100:상부 전극체 200:하부 전극체
Claims (17)
- 광소자 제조방법에 있어서,
분리 기판을 형성하는 단계(s110);
상기 분리 기판 상에 박리층을 형성하는 단계(s120);
상기 박리층상에 상부 광활성층을 형성하는 단계(s130);
상기 상부 광활성층 위에 상부 전극을 형성하는 단계(s140); 및
상기 상부 전극 위에 지지기판을 형성하는 단계(s150); 를 포함하여 이루어지는 상부체 형성단계(s100):
상기 상부체에서 상기 박리층을 습식 식각하여 상기 지지기판, 상부전극 및 상부 광활성층으로 이루어지는 상부 전극체를 분리하는 단계(s200):
광투과성 하부 기판을 형성하는 단계(s310);
상기 하부 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계(s320); 및
상기 하부 전극 위에 하부 광활성층을 형성하는 단계(s330); 를 포함하여 이루어지는 하부 전극체 형성단계(s300):
상기 상부 전극체의 상부 광활성층 및 상기 하부 전극체의 하부 광활성층의 어느 일방이나 양방에 중간전도층을 형성하는 단계(s400): 및
상기 상부 전극체를 중간전도층에서 상기 하부 전극체에 합착하는 단계(s500)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 글래스, PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 박리층의 두께는 10 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 상부 광활성층은,
P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종의 혼합물과,
PA, PDA, PPP, PPV, RO-PPV, PT, P3AT, PTV, PPy, PAni, F8BT 로 이루어진 군에서 선택된 1종의 것 중, 어느 일방으로 이루어지고,
상기 하부 광활성층은, 나머지 다른 일방으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 중간 전도층은,
PEDOT:PSS, 몰리브데넘 산화물, 바나듐 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물, 이리듐 산화물, 로듐 산화물, 루테늄 산화물, 레늄 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 세슘 산화물, 그래핀, 그래핀 산화물 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 상부 전극은,
Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 박리층 식각을 위한 박리층 용해물질은 산성용액, 염기성 용액, 박리층 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용액인 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 하부 전극은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 상부 전극체와 하부 전극체의 합착은 1bar이상 10bar 이하의 압력을 가해주는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 상부 전극체와 하부 전극체의 합착은 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도를 가해주는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 분리 기판, 지지기판, 및 하부기판 중 적어도 하나는 모기판 위에 형성된 막을 물리적으로 떼어내어 형성되는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 11 에 있어서,
상기 모기판은 Ra < 100nm 이하의 표면 조도를 갖는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 13 에 있어서,
상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 주조법 또는 전자선 증착법 또는 열 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 화학기상 증착법 또는 전기 도금법으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 13 에 있어서,
상기 분리 기판과 지지기판과 하부기판 중 적어도 하나는 5㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 상부 광활성층 및 하부 광활성층은 PPV (poly(1,4-phenylene vinylene)), R-PPV(Polyphenylenevinylene), MEH-PPV (poly[2-(2’-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4-phenylene vinylene]), CN-PPV (Cyano-Polyphenylene vinylene), PF (Polyfluorenes), Spiro bifluorenes, PVK Poly(N-vinyl carbazole), PFO Poly(9,9’-dioctylfluorene), PPP (para-phenylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
- 청구항 16 에 있어서,
상기 상부 광활성층과 하부 광활성층은 서로 다른 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광소자 제조방법.
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