KR101479028B1 - 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층 및 이를 이용한 유기전자 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극성용매를 이용한 계면처리에 의해 높은 전하 전송 및 주입 효율 및 선택성을 가지는 전하선택적 계면전송층 및 이를 이용한 유기전자 소자에 관한 것으로서, 자세하게는 (i) 무기 반도체 층과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층의 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층으로서, 상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매로서, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 처리된 것을 특징으로 하며, 이를 이용하여 고 효율의 역 고분자 태양전지(iPSCs), 유기발광다이오드(OLEDs), 유기 메모리, 유기 트랜지스터(organic TFTs), 유기 센서 등 유기 반도체를 이용한 다양한 유기전자 소자에 적용하는 기술에 대한 것이다.
Description
본 발명은 극성용매로 무기 반도체 층과 유기 활성층 간의 접촉 계면을 계면처리하여 형성된 높은 전하 전송 효율 및 선택성을 가지는 전하선택적 계면전송층 및 이를 이용한 유기전자 소자에 관한 것으로서, 자세하게는, (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극(spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로서 극성용매가 처리된 전하선택적 계면전송층을 이용하여 고분자 태양전지(polymer solar cells), 유기발광다이오드(OLEDs), 유기 트랜지스터(organic TFTs), 유기 메모리, 유기 센서 등 유기 반도체를 이용한 다양한 유기전자 소자에 적용하는 기술에 대한 것이다.
최대화된 전자-정공의 주입과 최적화된 전자-정공의 재결합은 유기 반도체를 이용한 다양한 유기전자 소자에서 높은 효율을 얻기 위한 두 가지 중요한 요소이다.
이러한 점에서, 무기 전극(inorganic electrodes)와 유기 반도체(organic semiconductor) 사이의 접촉면에서의 밴드갭 기술분야(bandgap engineering)는 유기전자 소자 분야에 있어 주 연구 관심사이다. 현재까지, 자기조립단분자막(self-assembled monolayer), 이온성 액체분자(ionic liquid molecules), 공액 고분자 전해질(conjugated polyelctrolyte) 등이 상기 밴드갭에 따른 접촉 저항(contact barrier)를 줄이고, 캐리어의 전송과 주입을 향상시키기 위하여 개발되어 왔으나, 여전히 성능 향상을 위한 상당한 여지를 보여주고 있다.
낮은 접촉 저항을 가져 효율적으로 캐리어를 주입하게 되는 옴 접촉(ohmic contact)에서, 무기 전극과 유기 반도체의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 또는 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)사이의 일함수(work functions)들이 적절히 배치되어야 하는데, 유기 반도체의 캐리어 이동도(mobility)가 일반적으로 낮은 것을 감안할 때 접촉 장벽(contact barrier)을 낮추는 것이 유기전자 소자에 있어서 높은 성능을 얻기 위하여 매우 중요한 요소이다.
최근, 상업적으로 널리 사용되고 있는 금 애노드가 증착된 p-타입의 MoO3는 녹색 발광 폴리머인 F8BT(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)의 HOMO레벨에서 전례없는 옴 접촉을 보여주고 있으며, 이러한 결합은 애노드에서의 풍부한 정공 주입을 가능하게 한다.
한편, n-타입 금속산화물이 포함된 투명 캐소드와 활성층인 유기반도체의 LUMO 레벨간에서는 여전히 적지 않은 전자주입장벽을 보이고 있어, 비효율적인 전자 전송 및 주입을 야기시킨다.
본 발명에서는 금속 산화물의 계면을 극성용매로 처리한 전하선택적 계면전송층을 도입하여 무기 캐소드와 유기 활성층간의 에너지 장벽을 획기적으로 낮춤으로써 전자의 전송 및 주입을 향상시킬 수 있는 이상적인 계면처리 기술과 그에 따른 유기전자 소자를 제시한다.
본 발명의 목적은 무기 전극과 유기 활성층 사이의 접촉면에서의 전하의 주입 장벽을 낮출 뿐만 아니라 전하를 선택적으로 전송할 수 있는 전하선택적 계면전송층 및 이를 이용한 유기전자 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 무기 산화 금속층의 전도대(conduction band)와 유기 활성층의 LUMO간의 에너지 장벽을 감소시켜 전체적인 장치의 효율을 비롯한 성능을 최대화할 수 있는 전하선택적 계면전송층 및 이를 이용한 유기전자 소자를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극(spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층으로서, 상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매(polar solvent)이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리된 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리(interfacial treatment)된 전하선택적 계면전송층을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 전자 전송층, 활성층, 정공 전송층으로 구성된 고분자 태양전지의 유기층 구조에 있어서, 상기 전자 전송층이 (i) 무기 반도체 층과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층의 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 고분자 태양전지로서, 상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리된 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지를 제공한다.
또한, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 전자 전송층, 활성층, 정공 전송층으로 구성된 유기발광다이오드(OLED)의 유기층 구조에 있어서, 상기 전자 전송층이 (i) 무기 반도체 층과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층의 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 유기발광다이오드로서, 상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리된 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드를 제공한다.
이때, 상기 무기 반도체 층은 금속 산화물일 수 있으며, 상기 금속 산화물은 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2 또는 Al, Ga이 도핑된 ZnO 등이 사용될 수 있으며, 상기 무기 반도체 층은 물결모양의 리플(ripple)구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 극성용매는 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)과 에탄올아민(ethanolamine)의 공용매(co-solvent) 등이 사용될 수 있으며, 상기 공용매에 포함된 에탄올아민의 부피는 전체 공용매를 기준으로 0.1~3% 가 되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 극성용매의 코팅처리는 무기 반도체 층 위에 극성용매를 스핀코팅한 후, 100 내지 120℃에서 8 내지 12분 동안 어닐링하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 계면전송층은 유기전자 소자(organic electronic device)에 적용되어 전하를 선택적으로 전달할 수 있으며, 상기 유기전자 소자의 구조는 역 구조(inverted structure)를 취할 수 있다. 그리고, 상기 고분자 태양전지 또는 유기발광다이오드의 유기층 구조는 역 구조로 형성될 수 있다.
본 발명은 무기금속 산화물층과 활성층 사이의 계면을 극성용매로 처리함으로써 자발적 쌍극자 분극현상을 통해 옴 접촉을 형성하여 전하의 전송 및 주입을 향상시키고, 전자이동도 증가, 전자-정공의 재결합 최적화, 접촉저항(contact resistance)과 직렬저항(series resistance, RS)의 감소를 통해 궁극적으로 전체 장치의 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)을 향상시킬 수 있다.
또한, 적절한 극성 용매를 선택하여 최적화된 장치성능을 구현할 수 있으며, 공기 안정성(air stability)을 향상시켜 역 구조(inverted structure)의 유기전자 소자에 적용가능하다.
한편, 상기 금속 산화물층을 물결모양의 리플(ripple) 구조로 형성함으로써 평탄한 구조의 경우보다 향상된 표면적 및 밀도를 갖는 막을 형성하여, 적은 전류 누전(leakage current), 높은 분로 저항(shunt resistance), 높은 충전률(fill factor, FF) 등의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 전하선택적 계면전송층은 유기발광다이오드, 고분자 태양전지, 유기 트랜지스터, 유기 메모리, 유기 센서 등 유기 반도체에 기초한 다양한 유기전자 소자에 적용 가능하며, 계면처리를 통한 밴드갭 엔지니어링 분야에 새로운 틀을 제공함으로써, 기존에 보고되었던 어떠한 결과보다도 높은 성능을 얻을 수 있다.
도 1a - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 역 고분자 태양전지(inverted polymer solar cells, iPSCs)의 장치구조와 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 화학구조
도 1b - 활성층을 이루는 유기 반도체 물질인 PTB7과 PC71BM의 화학구조
도 1c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 도식적 에너지 레벨 다이어그램
도 2a - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 2b - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 스펙트라
도 2c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 흡수(absorption) 스펙트라
도 2d - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE) 스펙트라
도 3a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, ZnO-R층과 활성층간의 계면에의 공용매처리 유무에 따른 도식적 에너지 레벨 다이어그램
도 3b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, ZnO-R층과 활성층간의 계면에의 공용매처리 유무에 따라 표면에서 측정된 ultraviolet photoelectron spectroscopy(UPS) 스펙트라와, ZnO-R층의 전도대 에너지 레벨의 변화
도 4a - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 ZnO-R 표면에서 측정된 scanning Kelvin probe microscopy(SKPM) 스펙트라
도 4b - 본 발명의 역 고분자 태양전지 ITO/ZnO-R/공용매 구조의 접촉 포텐셜 차이(contact potential difference, VCPD)를 SKPM을 이용하여 측정하는 장치의 도식적인 구조
도 4c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 측정된 VCPD 스펙트라
도 5 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 계면처리에 사용되는 극성 공용매의 2-ME의 부피함량비에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 6a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 흡수 스펙트라를 얻기 위한 측정 방법의 모식도
도 6b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 흡수 스펙트라
도 7a,7b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 8a - Si/ZnO-R 표면에서의 메탄올과 에탄올의 접촉각(contact angle)
도 8b - Si/ZnO-R 표면에서 공용매 중 EA의 농도증가에 따른 접촉각의 변화
도 8c - Si/ZnO-R 표면에서 공용매 중 EDA의 농도증가에 따른 접촉각의 변화
도 9 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리 유무에 따른 ZnO-R 표면의 x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 스펙트라
도 10 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리 유무에 따른 ZnO-R 표면의 electrical impedance spectroscopy(EIS) 스펙트라
도 11 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 12a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 JSC-시간 커브
도 12b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 VOC-시간 커브
도 12c - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 FF-시간 커브
도 12d - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 PCE-시간 커브
도 13a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 장치의 성능인자(JSC, VOC, FF, PCE)값의 비교표
도 13b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 계면처리에 사용되는 극성용매의 EA함량에 따른 장치의 성능인자(JSC, VOC, FF, PCE, RS)값의 비교표
도 14a - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 14b - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 밝기-인가전압(L-V) 커브
도 14c - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 밝기효율-인가전압(LE-V) 커브
도 14d - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전력효율-인가전압(PE-V) 커브
도 14e - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 외부양자효율-인가전압(EQE-V) 커브
도 14f - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전계(EL) 스펙트라
도 15 - 본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 장치의 성능인자(LMAX, LEMAX, PEMAX, EQEMAX, Turn-on voltage)값의 비교표
도 16 - 전자이동도를 계산하기 위한 Mott-Gumey space-charge-limited current(SCLC) 방정식. 여기서 (i) J는 전류밀도를, (ii) μeff는 유효 전하 캐리어 이동도(effective charge carrier mobility)를, (iii) ε0는 자유공간의 유전율(permittivity of free space)을, (iv) εr은 매개체의 상대유전율(relative permittivity of the medium)을, (v) V는 인가전압을, (vi) d는 활성층의 두께를 각각 의미함
도 1b - 활성층을 이루는 유기 반도체 물질인 PTB7과 PC71BM의 화학구조
도 1c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 도식적 에너지 레벨 다이어그램
도 2a - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 2b - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 스펙트라
도 2c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 흡수(absorption) 스펙트라
도 2d - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE) 스펙트라
도 3a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, ZnO-R층과 활성층간의 계면에의 공용매처리 유무에 따른 도식적 에너지 레벨 다이어그램
도 3b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, ZnO-R층과 활성층간의 계면에의 공용매처리 유무에 따라 표면에서 측정된 ultraviolet photoelectron spectroscopy(UPS) 스펙트라와, ZnO-R층의 전도대 에너지 레벨의 변화
도 4a - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 ZnO-R 표면에서 측정된 scanning Kelvin probe microscopy(SKPM) 스펙트라
도 4b - 본 발명의 역 고분자 태양전지 ITO/ZnO-R/공용매 구조의 접촉 포텐셜 차이(contact potential difference, VCPD)를 SKPM을 이용하여 측정하는 장치의 도식적인 구조
도 4c - 본 발명의 역 고분자 태양전지의 측정된 VCPD 스펙트라
도 5 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 계면처리에 사용되는 극성 공용매의 2-ME의 부피함량비에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 6a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 흡수 스펙트라를 얻기 위한 측정 방법의 모식도
도 6b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 흡수 스펙트라
도 7a,7b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 8a - Si/ZnO-R 표면에서의 메탄올과 에탄올의 접촉각(contact angle)
도 8b - Si/ZnO-R 표면에서 공용매 중 EA의 농도증가에 따른 접촉각의 변화
도 8c - Si/ZnO-R 표면에서 공용매 중 EDA의 농도증가에 따른 접촉각의 변화
도 9 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리 유무에 따른 ZnO-R 표면의 x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 스펙트라
도 10 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리 유무에 따른 ZnO-R 표면의 electrical impedance spectroscopy(EIS) 스펙트라
도 11 - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 12a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 JSC-시간 커브
도 12b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 VOC-시간 커브
도 12c - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 FF-시간 커브
도 12d - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 공기 안정도(air stability)를 측정하기 위한 PCE-시간 커브
도 13a - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 장치의 성능인자(JSC, VOC, FF, PCE)값의 비교표
도 13b - 본 발명의 역 고분자 태양전지에 있어서, 계면처리에 사용되는 극성용매의 EA함량에 따른 장치의 성능인자(JSC, VOC, FF, PCE, RS)값의 비교표
도 14a - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전류밀도-인가전압(J-V) 커브
도 14b - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 밝기-인가전압(L-V) 커브
도 14c - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 밝기효율-인가전압(LE-V) 커브
도 14d - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전력효율-인가전압(PE-V) 커브
도 14e - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 외부양자효율-인가전압(EQE-V) 커브
도 14f - ZnO-R(ripple)/극성용매 전송층을 가진 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 전계(EL) 스펙트라
도 15 - 본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 극성용매 계면처리의 유무에 따른 장치의 성능인자(LMAX, LEMAX, PEMAX, EQEMAX, Turn-on voltage)값의 비교표
도 16 - 전자이동도를 계산하기 위한 Mott-Gumey space-charge-limited current(SCLC) 방정식. 여기서 (i) J는 전류밀도를, (ii) μeff는 유효 전하 캐리어 이동도(effective charge carrier mobility)를, (iii) ε0는 자유공간의 유전율(permittivity of free space)을, (iv) εr은 매개체의 상대유전율(relative permittivity of the medium)을, (v) V는 인가전압을, (vi) d는 활성층의 두께를 각각 의미함
본 발명에 따른 전하선택적 계면전송층은, (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극(spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성되며, 상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 전하선택적 계면전송층은 n-타입 금속 산화물이 포함된 투명 캐소드와 유기 활성층의 LUMO 레벨 사이의 접촉 장벽(contact barrier)을 상기 자발분극을 통해 간단하고 효과적으로 낮추어 전자 전송과 주입의 향상, 전자 이동도의 향상, 전자-정공 재결합의 최적화, 접촉 저항(contact resistance)과 직렬 저항(series resistance) 감소를 비롯하여 궁극적으로 전체 장치의 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)를 향상시키는 효과를 얻는다.
이때, 상기 무기 반도체 층은 다양한 금속 산화물이 사용될 수 있으며, 바람직한 실시예로 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2 또는 Al, Ga이 도핑된 ZnO 등이 사용될 수 있다. 또한, 향상된 표면적 및 밀도를 갖는 막을 형성하여, 전류 누전(leakage current)을 줄이고 분로 저항(shunt resistance)과 충전률(fill factor, FF)을 높이기 위하여, 상기 무기 반도체 층은 물결모양의 리플(ripple)구조로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 극성용매는 다양한 종류의 극성용매가 사용될 수 있으나, 바람직한 실시예로서 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)과 에탄올아민(ethanolamine)의 공용매(co-solvent) 등이 사용될 수 있다.
이때, 상기 공용매에 포함된 에탄올아민의 부피는 전체 공용매를 기준으로 0.1~3%인 것이 바람직하며, 상기 극성용매의 코팅처리는 무기 반도체 층 위에 극성용매를 약 3000rpm으로 스핀코팅한 후, 100 내지 120℃에서 8 내지 12분 동안 어닐링하여 이루어질 수 있다.
상기 계면전송층은 유기발광다이오드, 고분자 태양전지, 유기 트랜지스터, 유기 메모리, 유기 센서 등 유기 반도체에 기초한 다양한 유기전자 소자에 적용 가능하며, 상기 유기전자 소자의 구조는 일반 구조(conventional structure) 또는 역 구조(inverted structure)일 수 있다.
이하, 본 발명의 전하선택적 계면전송층을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 자세히 살펴본다.
본 발명의 전하선택적 계면전송층을 역 고분자 태양전지(inverted polymer solar cells, iPSCs)에 적용한 일 실시예를 살펴보면, 장치 구조는 도 1a에서 보이는 바와 같이 투명 캐소드로서 ITO, 전자 주입층으로서 ZnO-R(R은 물결모양 즉, ripple을 의미한다.)층, 계면 조절제로 극성용매, 유기 활성층으로 donor 물질인 PTB7과 acceptor 물질인 PC71BM, 정공 주입층으로서 MoO3, 어노드로서 은(Ag)으로 구성할 수 있다. 상기 유기 활성층과 공용매의 구체적인 화학구조는 도 1b에서 확인할 수 있다.
상기 iPSCs의 제조과정을 자세히 살펴보면, 먼저 0nm 두께의 n-타입 ZnO-R층을 ITO 투명 캐소드 위에 느린 가열공정에 의하여 증착시켜 ripple 타입의 적층구조를 형성시킨 후, UV-오존 처리를 하여 전자 트래핑을 방지한다.
이후, ZnO-R층의 계면처리를 위하여 극성용매를 3000rpm으로 스핀코팅(spin-coated)시키고, 100 내지 120°C로 약 8 내지 12분간, 바람직하게는 110°C로 약 10분간 잔여 용매를 제거하기 위하여 어닐링(annealing)한다.
상기 계면처리가 완료되면, PTB7 10 mg과 PC71BM 15mg 을 혼합한 용액을 클로로벤젠(chlorobenzene)/1,8-diiodoctane(97:3) 혼합용매에 용해시키고, 이렇게 만들어진 용액을 800rpm에서 80nm의 두께로 스핀캐스트한다. 그 후, 5 nm 두께의 MoO3 층과 100 nm 두께의 은(Ag)층을 열 증발법(thermal evaporation)으로 상기 활성층 위에 0.3 ÅS- 1의 느린 속도로 증착시킨다.
상기 ZnO층은 물결모양으로 이루어진 경우 평탄한 경우와 비교하여 높은 표면적 및 밀도를 갖게 되므로, 낮은 전류 누전(leakage current), 큰 분로 저항(shunt resistance), 높은 충전률(fill factor, FF)를 얻을 수 있다.
그 결과, 상기 전하선택적 계면전송층이 적용된 역 고분자 태양전지의 경우, 도 1c의 도식적 에너지 다이어그램에서 보는 바와 같이, ZnO-R층의 전도대(conduction band, CB)와 활성층의 PC71BM의 LUMO간의 일함수의 적합한 매칭과 전자-정공 재결합의 효율적인 억제의 효과를 얻을 수 있다.
상기 전하선택적 계면전송층이 적용된 역 고분자 태양전지의 경우, 다양한 극성용매 계면처리의 유무에 따른 장치 특성을 1000 Wm-2 및 AM 1.5G 조건하에서의 도 2a의 전류밀도-인가전압(J-V)커브(도 2a)로 나타내었다.
또한, 각 극성용매 계면처리에 따른 단락전류밀도(short circuit current density, JSC), 개로전압(open circuit voltage, VOC), FF, PCE 및 RS 값의 비교표를 도 13a에서, 계면처리에 사용되는 극성용매의 EA함량에 따른 JSC, VOC, FF 및 PCE 값의 비교표를 도 13b에서 볼 수 있는데, 극성용매 계면처리로 인해 눈에 띄는 장치 성능의 향상을 확인할 수 있으며, 특히 2-ME + EA(부피비 1%)로 계면처리된 경우 장치 성능이 최고로 향상되는 것을 확인할 수 있다.(도 5)
그리고, 각 극성용매 계면처리에 따른 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 스펙트라를 볼 때, (i) 극성용매 계면처리된 iPSCs가 상대적으로 350 내지 700 nm에서 더 높은 값을 나타내고 있으며, (ii) 특히, 최적화된 2-ME + EA 공용매처리의 경우에는 630nm에서 75%라는 최대값을 나타내는 것을 볼 수 있다. (도 2b)
내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE) 스펙트라의 경우에도, 2-ME + EA 공용매 계면처리된 장치의 최대값이 더 큰 값을 나타내고, 400 내지 700 nm에서 계면처리된 장치의 경우 대략 80% 정도의 값을 나타내고 있다. (도 2d)
그러나, 흡수 스펙트라(도 2c)와 반사 스펙트라(도 6b)에 따른 총 흡수 스펙트라에 있어, 극성용매 계면처리 유무에 따른 결과값이 차이가 거의 없음을 볼 수 있는데, 이는 계면처리 유무가 iPSCs의 흡수에는 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 극성용매 계면처리에 따른 장치 성능의 향상은 자발 쌍극자 분극현상으로 부터 기인된다. 이로 인한 ZnO-R과 활성층 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램의 변화를 도 3a에서 볼 수 있다.
UPS로 측정한 결과, 2-ME +EA 극성용매 계면처리로 인해 ZnO-R층의 CB가 4.4 eV에서 3.9 eV로 감소하여 장치 효율의 향상을 위한 ZnO-R층의 전도대(conduction band, CB)와 활성층의 PC71BM의 LUMO 레벨 간 에너지 레벨상의 적절한 매칭을 이루어 냈다. (도 3b)
극성용매 계면처리에 따른 표면의 모습 변화는 크지 않은 것으로 보이지만(도 4a) SKPM로 측정했을 때, 극성 공용매 계면처리로 인한 표면 포텐셜의 변화 및 접촉 포텐셜 차이(contact potential difference, VCPD)를 볼 수 있다. (도 4b 및 도 4c) 이러한 SKPM에 의한 측정으로, 활성층에서의 표면 포텐셜이 증가한다는 것을 알 수 있다.
UPS에서 SKPM까지의 결과를 볼 때, 극성용매층이 장치 성능의 향상에 있어서 매우 중요한 역할을 수행한다는 것을 알 수 있다. 이러한 계면처리과정으로 인하여 계면간 에너지 장벽이 변화되어 이상적인 옴 접촉(ohm contact)이 형성됨으로써, 전자의 전송 및 주입의 효율이 향상됨을 알 수 있다. (도 7a 및 도 7b)
한편, 계면에서의 쌍극자 분극현상(interfacial dipolar polarization)은 EA의 말단 그룹, 예컨대 아민(amine) 그룹 또는 OH 그룹이 Zn-O층에 흡수됨으로써 발생되는 것으로서, XPS 및 접촉각 측정방법을 통하여 확인할 수 있다.
이를 확인하기 위하여, Zn금속과 질소원자가 동등한 공유결합을 이룰 수 있도록 잘 알려진 두자리 리간드(bidentate ligand)인 에틸렌디아민(ethylene diamine, EDA)을 2-ME와 함께 ZnO-R층에 코팅한다.
이 때, EDA층은 ZnO-R 표면에 고르게 형성되며, 높은 전기음성도를 갖는 질소원자가 ZnO-R 표면에 위치하게 되는 반면, 낮은 전기음성도를 가지는 지방족 화합물 그룹은 단층막 위쪽으로 위치하게 된다.
이로 인해, 2-ME에 포함된 EDA의 농도증가에 따라, ZnO-R 표면의 금속원자를 모두 덮기까지 접촉각이 증가되고(EDA의 농도가 3.33 부피%의 경우, 최대 접촉각인 65.0°가 형성됨.), 그 후 EDA의 농도가 증가될수록 EDA의 말단 그룹의 흡수에 있어서, 과량의 EDA 및 기존에 단층막의 위쪽에 위치하고 있는 지방족 화합물 그룹과의 경쟁때문에 접촉각이 감소하게 된다. (도 8a, 도 8b 및 도 8c)
극성용매인 2-ME + EA 공용매의 경우 EA의 거동은 EDA와 같은 경향을 보여준다. 특히, 2-ME에 포함된 EA의 부피가 1%일 경우 최대 접촉각인 37.9°를 형성하고, iPSCs의 효율 역시 이 때 가장 높은 값인 8.69 %를 보인다. (도 5)
이러한 결과들은, EA의 분자의 적절한 농도하에서 음전하의 쌍극자를 형성시키고, 이로써 계면간의 접촉 장벽이 감소한다는 것을 보여준다.
또한, EA의 아민 그룹의 Zn금속으로의 흡수 및 표면에서의 존재는 XPS를 통하여 얻어진 데이터에서 N1s 피크의 위치 및 모양을 추적하여 파악할 수 있다. (도 9)
한편, 본 발명에 따른 유기 반도체 적층구조에서의 극성용매 계면처리 유무에 따른 전자이동도는 Mott-Gumey space-charge-limited current(SCLC) 방정식으로 부터 구할 수 있다.(도 16)
비유전율(relative dielectric constant)과 측정된 활성층 두께 80 nm를 적용해본 결과, 유효 전자이동도(μeff)는 극성용매 계면처리 유무에 따라 각각 5.75 × 10-4 cm2 V-1 S-1 및 5.44 × 10-6 cm2 V-1 S- 1으로 계산되는데, 극성용매 계면처리로 인해 대략 100배의 효과상승이 있는 것을 볼 수 있다.
이러한, UPS 및 SKPM으로 측정된 결과들을 볼 때, 극성 공용매의 ZnO-R 계면처리가 전자의 수송 및 주입을 효과적으로 향상시킨다는 것을 다시한번 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 극성용매 계면처리에 의해 ZnO-R 표면의 거칠기가 감소되는 것을 atomic force microscopy(AFM)을 통하여 확인할 수 있다. ZnO-R 층 표면의 평균평방근 거칠기(root-mean-square roughness)는 극성 공용매 계면처리의 유무에 따라 각각 3.94 및 4.47 nm임을 알 수 있다.
또한, 2-ME + EA 극성용매처리로 인해 계면간의 호환성이 향상되어 ZnO-R층과 활성층간의 접촉 저항이 최소화됨을 EIS를 통해 확인할 수 있다. (도 10) 그리고, 장치의 직렬 저항(RS) 또한 극성용매 계면처리로 인해 1.08 Ωcm2 에서 0.69 Ωcm2 로 감소하는 것을 볼 수 있다.
이러한 일련의 결과들, 예컨대 향상된 JSC, FF, PCE 및 전자 이동도와 감소된 저항값은 본 발명에 따른 극성용매 계면처리된 전하선택적 계면전송층으로 인한 장치 성능의 전례없는 향상을 입증해준다.
또한, 본 발명의 극성용매 계면처리된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 iPSCs에 있어서, 상기 계면전송층에 의한 전자-정공 재결합 억제를 확인하기 위하여, 극성용매 계면처리 유무에 따른 iPSCs의 J-V특성을 암전류(dark current)하에서 측정할 수 있다. 극성용매 계면처리된 iPSCs의 암전류 밀도는 역방향 바이어스(reverse bias)에서 계면처리되지 않은 iPSCs의 암전류 밀도에 비하여 훨씬 더 작은 값을 갖는다. (도 11)
이러한 작은 암전류 밀도는 EA 계면층에서의 전자-정공 재결합이 억제된다는 것을 시사하고, 이를 통하여 전자의 주입이 더욱 향상된다.
본 발명의 극성용매 계면처리된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 iPSCs에 있어서, iPSCs의 공기안정도(air stability)는 아무런 캡슐화(encapsulation)과정 없이 주변공기조건(ambient air condition)에서의 저장시간(storage time)의 함수로써 측정될 수 있다. (도 12a 내지 도 12d)
이때, 720 시간이 경과되면 극성용매 계면처리 유무와 관계없이 초기 PCE값의 60%에 해당하는 값으로 감소하며, 각 장치성능을 나타내는 지표들의 시간경과에 따른 감소폭 또한 상호 거의 동일한 것을 볼 수 있다. 이로부터 ZnO-R 표면과 EA간의 상호작용이 장시간 지속된다는 것을 확인할 수 있다.
앞서 살펴본 본 발명의 전하선택적 계면전송층은 전자 전송층, 활성층, 정공 전송층으로 구성된 고분자 태양전지, 유기발광다이오드 등 다양한 유기전자 소자의 전자 전송층에 적용될 수 있으며, 본 발명의 계면전송층을 적용한 유기발광다이오드의 장치 성능의 향상에 대한 데이터를 도 14a 내지 14f 및 도 15에 표시하였다.
상기 도면들에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 전하선택적 계면전송층을 유기전자 소자에 적용함으로써 높은 장치성능의 구현이 가능하며, 계면처리를 통한 밴드갭 엔지니어링 분야에 새로운 틀을 제공함으로써, 기존에 보고되었던 어떠한 결과보다도 높은 성능을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
Claims (25)
- (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극 (spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층으로서,
상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매(polar solvent)이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리되고,
상기 극성용매는 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)과 에탄올아민(ethanolamine)의 공용매(co-solvent) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 공용매에 포함된 에탄올아민의 부피는 전체 공용매를 기준으로 0.1~3%인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 제1항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 제2항에 있어서,
상기 금속 산화물이 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2, Al 또는 Ga이 도핑된 ZnO 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 제1항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 물결모양의 리플(ripple) 구조인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 극성용매의 코팅처리는 무기 반도체 층 위에 극성용매를 스핀코팅(spin coating)한 후, 100 내지 120℃에서 8 내지 12분 동안 어닐링(annealing)하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 제1항에 있어서,
유기전자 소자(organic electronic device)에 적용되어 전하를 선택적으로 전달하는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 제8항에 있어서,
상기 유기전자 소자의 구조는 역 구조(inverted structure)로 되어있는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층. - 전자 전송층, 활성층, 정공 전송층으로 구성된 고분자 태양전지(polymer solar cells, PSCs)의 유기층 구조에 있어서, 상기 전자 전송층이 (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극(spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 고분자 태양전지로서,
상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매(polar solvent)이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리되고,
상기 극성용매는 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)과 에탄올아민(ethanolamine)의 공용매(co-solvent) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 공용매에 포함된 에탄올아민의 부피는 전체 공용매를 기준으로 0.1~3%인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 금속산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 제11항에 있어서,
상기 금속 산화물이 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2, Al 또는 Ga이 도핑된 ZnO 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 물결모양의 리플(ripple)구조인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 극성용매의 코팅처리는 무기 반도체 층 위에 극성요매를 스핀코팅(spin coating)한 후, 100 내지 120℃에서 8 내지 12분 동안 어닐링(annealing)하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 고분자 태양전지의 유기층 구조가 역 구조(inverted structure)로 되어있는 것을 특징으로 하는 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 고분자 태양전지. - 전자 전송층, 활성층, 정공 전송층으로 구성된 유기발광다이오드(OLEDs)의 유기층 구조에 있어서, 상기 전자 전송층이 (i) 무기 반도체 층(inorganic semiconductor layer)과 (ii) 상기 무기 반도체 층과 유기 활성층(organic active layer)의 접촉 계면에서 자발분극(spontaneous dipolar polarization)을 통해 다이폴(dipole)을 유도할 수 있는 물질로 구성된 전하선택적 계면전송층을 포함하는 유기발광다이오드로서,
상기 접촉 계면에서 자발분극을 통해 다이폴을 유도할 수 있는 물질은 극성용매(polar solvent)이며, 상기 극성용매가 상기 무기 반도체 층의 접촉 계면에 코팅처리되고,
상기 극성용매는 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)과 에탄올아민(ethanolamine)의 공용매(co-solvent) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 공용매에 포함된 에탄올아민의 부피가 전체 공용매를 기준으로 0.1~3%인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드. - 제18항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 금속산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드. - 제19항에 있어서,
상기 금속 산화물이 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2, Al 또는 Ga이 도핑된 ZnO 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드. - 제18항에 있어서,
상기 무기 반도체 층은 물결모양의 리플(ripple)구조인 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드. - 삭제
- 삭제
- 제18항에 있어서,
상기 극성용매의 코팅처리는 무기 반도체 층 위에 극성용매를 스핀코팅(spin coating)한 후, 100 내지 120℃에서 8 내지 12분 동안 어닐링(annealing)하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극성용매로 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드. - 제18항에 있어서,
상기 유기발광다이오드의 유기층 구조가 역 구조(inverted structure)로 되어있는 것을 특징으로 하는 계면처리된 전하선택적 계면전송층이 포함된 유기발광다이오드.
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