KR101495088B1 - 광전소자용 필름 제조방법 - Google Patents

광전소자용 필름 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전소자용 필름 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광전소자의 광학적 특성 향상은 물론, 연성(flexible) 광전소자에도 적용할 수 있는 광전소자용 필름 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 폴리머 수지를 스터링(stirring)하여 상기 폴리머 수지 내부에 다량의 기포를 생성시키는 기포 생성단계; 상기 기포가 생성된 상기 폴리머 수지를 진공에 노출시켜 상기 폴리머 수지 내 기포의 밀도를 제어하는 기포 밀도 제어단계; 및 상기 폴리머 수지를 기판 상에 코팅 및 건조하여 내부에 다수의 기공이 분산되어 있는 코팅막을 형성하는 코팅막 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법을 제공한다.

Description

광전소자용 필름 제조방법{METHOD OF FABRICATING FILM FOR OPTOELECTRONICS}
본 발명은 광전소자용 필름 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광전소자의 광학적 특성 향상은 물론, 연성(flexible) 광전소자에도 적용할 수 있는 광전소자용 필름 제조방법에 관한 것이다.
현재 각광받고 있는 차세대 기술 및 제품에는 유기물(organic material)을 기반으로 한 광전소자(optoelectronics)들이 있다. 예를 들어, 대표적인 광전소자로는 모바일 디스플레이 및 SSL(solid state lighting)에 적용되고 있는 유기발광소자(organic light emitting diode)와 유기물을 광 흡수층으로 적용한 유기태양전지(organic solar cell)를 들 수 있다. 이들 광전소자는 유기물 자체의 집중적인 연구 결과, 상당한 성능을 가지는 유기물질들이 개발되고 있다.
여기서, 이들 광전소자는 유기물과 무기소재가 결합된 유, 무기 복합층으로 이루어진다. 이때, 광전소자에 사용되는 대표적인 무기소재로는 투명 전극, 금속 반사 전극, 유리 기판 등이 있다. 하지만, 무기소재의 경우 굴절률의 차이 등으로 인해, 광 손실이 상당하며, 이에 따른 광 효율 향상에 많은 제약이 생기게 된다.
이를 해결하기 위해, 종래에는 광전소자의 전방에 요철 형태를 이루는 나노패턴을 형성하였다. 하지만, 광전소자의 유, 무기 복합층 상에 나노패턴을 형성하게 되면, 나노패턴의 요철로 인해, 유, 무기 복합층을 이루는 박막들의 평탄성을 보장할 수 없게 된다. 즉, 유, 무기 복합층 상에 나노패턴을 형성하면, 나노패턴과 접합되는 유, 무기 복합층 상에 국부적으로 뾰족한 부분이 발생할 가능성이 높아진다. 예를 들어, 유기발광소자는 매우 얇은 유, 무기 박막들의 적층 구조로 이루어져 있는데, 나노패턴과 접합되는 애노드에 나노패턴이 전사되어 뾰족하게 돌출된 부분이 형성되면, 그 부분에 전류가 집중하게 되고, 이는, 큰 누설전류의 원인이 되거나 전력 효율의 저하를 가져온다.
따라서, 이러한 전기적 특성의 저하를 방지하기 위해서는 평탄막을 반드시 함께 사용한다.
그러나 올록볼록한 나노패턴을 수백 ㎚의 얇은 평탄막으로 완벽하게 평탄화하는 것은 공정적으로 매우 어렵다. 즉, 종래에는 평탄화막을 나노패턴 상에 증착하였는데, 이 경우, 나노패턴의 요(凹)부에도 평탄화막을 이루는 물질이 채워지면서 평탄화막이 나노패턴의 형상을 따라가며 형성되기 때문에 평탄막의 평탄도는 상당히 낮을 수 밖에 없다.
한편, 최근 들어, 광전소자와 관련된 산업의 주된 화두는 "플렉서블(flexible)"이다. 이에 따라, 이러한 물리적인 사항에 적용 가능한 기능성 필름이 요구되고 있다.
일본 공개특허공보 제2011-214046호(2011.10.27.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광전소자의 광학적 특성 향상은 물론, 연성(flexible) 광전소자에도 적용할 수 있는 광전소자용 필름 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 폴리머 수지를 스터링(stirring)하여 상기 폴리머 수지 내부에 다량의 기포를 생성시키는 기포 생성단계; 상기 기포가 생성된 상기 폴리머 수지를 진공에 노출시켜 상기 폴리머 수지 내 기포의 밀도를 제어하는 기포 밀도 제어단계; 및 상기 폴리머 수지를 기판 상에 코팅 및 건조하여 내부에 다수의 기공이 분산되어 있는 코팅막을 형성하는 코팅막 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 기포 생성단계에서는 상기 폴리머 수지를 10분 이상 스터링할 수 있다.
이때, 상기 폴리머 수지의 점도는 100~100,000cP일 수 있다.
또한, 상기 폴리머 수지는 UV 경화 수지일 수 있다.
그리고 상기 기포 밀도 제어단계에서는 상기 폴리머 수지가 담긴 베스(bath)를 데시게이터(desiccator)에 넣은 후 상기 데시게이터에 연결되어 있는 진공펌프를 가동시켜, 데시게이터 내부를 진공 상태로 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 진공펌프의 가동 시간과 상기 기포의 밀도는 반비례할 수 있다.
게다가, 상기 코팅막 형성단계에서는 스핀 코팅, 바 코팅 및 스프레이 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 상기 폴리머 수지를 상기 기판 상에 코팅할 수 있다.
이때, 상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
본 발명에 따르면, 점도가 큰 폴리머 수지를 스터링(stirring)한 후 진공에 노출하는 일련의 공정을 통해, 폴리머 수지 내부에 기공 형성 및 그 형성 밀도를 제어할 수 있고, 이러한 폴리머 수지를 광전소자의 기능성 필름으로 적용 시 광전소자의 광학적 특성을 향상시킬 수 있음은 물론, 예컨대, 연성(flexible) 유기발광소자의 내부 광추출층으로 적용할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 필름 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 필름 및 이를 포함하는 광전소자를 개략적으로 나타낸 단면 모식도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 필름 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 필름 제조방법은 예컨대, 유기발광소자(OLED)나 광전지(photovoltaic cell)와 같은 광전소자(도 2의 100)의 광학적 특성을 향상시키는 역할을 하는 필름을 제조하는 방법이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 필름 제조방법은 기포 생성단계(S1), 기포 밀도 제어단계(S2) 및 코팅막 형성단계(S3)를 포함한다.
먼저, 기포 생성단계(S1)는 후속 공정을 통해 제조될 광전소자용 필름의 코팅막(도 2의 120)을 이루는 물질의 내부에 다량의 기포를 생성시키는 단계이다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광전소자용 필름은 예컨대, 플렉서블 유기발광소자용 필름으로 적용될 수 있다. 이를 위해, 기포 생성단계(S1)에서는 코팅막(도 2의 120)을 이루는 물질로 폴리머 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
기포 생성단계(S1)에서는 폴리머 수지 내부에 다량의 기포를 생성시키기 위해, 베스(bath)에 액상의 폴리머 수지를 넣은 후 이를 스터링(stirring)한다. 기포는 스터링 시간 및 스터링 속도에 의해 그 생성량이 제어될 수 있다. 즉, 스터링 시간 및 속도가 증가할수록 폴리머 수지 내부에 생성되는 기포의 수도 증가하게 된다. 본 발명의 실시 예에 따른 기포 생성단계(S1)에서는 다량의 기포 생성을 목표로 하는 바, 폴리머 수지를 10분 이상 스터링하는 것이 바람직하다. 이때, 스터링 속도는 가능한 한 빠를수록 기포 생성에 보다 도움이 되므로, 본 발명의 실시 예에서는 스터링 속도를 특정 속도로 특별히 한정하지 않는다.
한편, 점도(viscosity)가 큰 물질일수록 스터링에 의해 쉽게 다량, 즉, 다밀도의 기포가 내부에 생성되므로, 본 발명의 실시 예에서는 폴리머 수지 중 점도가 큰 물질, 예컨대, 점도가 100~100,000cP인 물질을 코팅막(도 2의 120)을 이루는 물질로 선택할 수 있다. 예를 들어, 기포 생성단계(S1)에서는 점도가 100~100,000cP인 UV 경화 수지를 코팅막(도 2의 120)을 이루는 물질로 선택할 수 있다. UV 경화 수지는 제조 및 경화 조건의 조절을 통해 그 굴절률을 조절할 수 있는데, 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광전소자용 필름이 유기발광소자의 내부 광추출층으로 적용되는 경우, 그 굴절률을 1.3~1.7로 조절할 수 있다.
다음으로, 기포 밀도 제어단계(S2)는 기포 생성단계(S1)를 통해 폴리머 수지 내부에 생성된 다량의 기포 밀도를 제어하는 단계이다. 이를 위해, 기포 밀도 제어단계(S2)에서는 내부에 다량의 기포가 생성되어 있는 폴리머 수지를 진공에 노출시킨다. 이를 구체적으로 설명하면, 기포 밀도 제어단계(S2)에서는 폴리머 수지가 담긴 베스를 데시게이터(desiccator)에 넣은 후 이 데시게이터에 연결되어 있는 진공펌프를 가동시켜, 데시게이터 내부를 진공 상태로 유지시킨다. 여기서, 진공펌프의 가동 시간, 즉, 폴리머 수지가 진공에 노출되는 시간과 기포의 밀도는 반비례한다. 즉, 폴리머 수지가 진공에 노출되는 시간이 길수록 폴리머 수지 내부에 생성된 기포의 수는 줄어들게 된다. 만약, 폴리머 수지가 계속해서 장시간 진공에 노출되면, 어느 시점에서는 폴리머 수지 내부에 생성된 기포가 모두 사라지게 된다.
본 발명의 실시 예에서는 폴리머 수지 내부에 생성된 기포를 후속 코팅막 형성단계(S3)에서 기공(도 2의 121)으로 변환시키고, 이 기공(도 2의 121)을 광전소자(도 2의 100)의 광학적 특성 향상을 위한 광 산란입자로 적용하므로, 기포 밀도 제어단계(S2)에서는 목표로 하는 기포의 밀도에 맞춰, 폴리머 수지가 진공에 노출되는 시간을 제어할 수 있다.
마지막으로, 도 2를 참조하면, 코팅막 형성단계(S3)는 폴리머 수지를 기판(110) 상에 코팅 및 건조하여 내부에 다수의 기공(121)이 분산되어 있는 코팅막(120)을 형성하는 단계이다. 코팅막 형성단계(S3)에서는 스핀 코팅, 바 코팅 및 스프레이 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 폴리머 수지를 기판(110) 상에 코팅할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광전소자용 필름이 플렉서블 유기발광소자에 적용되는 경우, 코팅막 형성단계(S3)에서는 플렉서블 기판을 기판(110)으로 사용할 수 있다. 또한, 코팅막 형성단계(S3)에서는 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광전소자용 필름이 유기발광소자의 내부 광추출층으로 적용되는 경우, 경화 조건을 조절하여, UV 경화 수지로 이루어지는 코팅막(120)의 굴절률이 1.3~1.7이 되도록 조절할 수 있다.
이와 같이, 코팅막 형성단계(S3)가 완료되면, 기판(110) 및 기판(110) 상에 코팅되고 내부에 다수의 기공(121)이 분산되어 있는 코팅막(120)으로 이루어진 광전소자용 필름이 제조된다. 여기서, 코팅막(120) 내부에 분산되어 있는 기공(121)은 기포 생성단계(S1)를 통해 생성되고, 기포 밀도 제어단계(S2)를 통해 그 밀도가 제어된 기포로부터 유도된다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 광전소자용 필름은 예컨대, 유기발광소자(OLED)나 광전지(photovoltaic cell)와 같은 광전소자(100)의 광학적 특성을 향상시키기 위해, 광전소자(100)를 이루는 유, 무기 복합층(130)의 일면에 배치될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 광전소자용 필름을 채용하는 광전소자(100)가 광전지인 경우, 유, 무기 복합층(130)은 투명 전도성 산화물 전극, 광 흡수층, 이면 전극층 및 절연막을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 광 흡수층은 그 재료에 따라 단결정 또는 다결정 실리콘, CIGS(copper indium gallium selenide) 또는 텔루르화카드뮴(CdTe)을 이용하는 반도체 화합물, 다공질막의 나노입자 표면에 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응체, 비정질 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 광전소자용 필름을 채용하는 광전소자(100)가 유기발광소자인 경우, 유, 무기 복합층(130)은 애노드, 유기 발광층 및 캐소드의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 애노드는 전공 주입이 잘 일어나도록 일함수(work function)가 큰 금속 Au, In, Sn 또는 ITO와 같은 금속 또는 산화물로 이루어질 수 있고, 캐소드는 전자 주입이 잘 일어나도록 일함수가 작은 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막으로 이루어질 수 있으며, 전면 발광(top emission) 구조인 경우 유기 발광층에서 발광된 빛이 잘 투과될 수 있도록 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막의 반투명 전극(semitransparent electrode)과 인듐 주석산화물(indium tin oxide; ITO)과 같은 산화물 투명 전극(transparent electrode) 박막의 다층구조로 이루어질 수 있다. 그리고 유기 발광층은 애노드 상에 차례로 적층되는 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하여 형성된다. 이러한 구조에 따라, 애노드와 캐소드 사이에 순방향 전압이 인가되면, 캐소드로부터 전자가 전자 주입층 및 전자 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 되고, 애노드로부터 정공이 정공 주입층 및 정공 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 된다. 그리고 발광층 내로 주입된 전자와 정공은 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고, 이러한 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 전이하면서 빛을 방출하게 되는데, 방출되는 빛의 밝기는 애노드와 캐소드 사이에 흐르는 전류량에 비례하게 된다.
이때, 유기발광소자가 조명용 백색 유기발광소자로 이루어지는 경우, 예컨대, 발광층은 청색 영역의 광을 방출하는 고분자 발광층과 오렌지-적색 영역의 광을 방출하는 저분자 발광층의 적층 구조로 형성될 수 있고, 이 외에도 다양한 구조로 형성되어 백색 발광을 구현할 수 있다. 또한, 유기 발광층은 텐덤(tandem) 구조를 이룰 수 있다. 즉, 유기 발광층은 복수 개로 구비될 수 있고, 각각의 유기 발광층은 연결층(interconnecting layer)을 매개로 교번 배치될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 광전소자 110: 기판
120: 코팅막 121: 기공
130: 유, 무기 복합층

Claims (8)

  1. 폴리머 수지를 스터링(stirring)하여 상기 폴리머 수지 내부에 다량의 기포를 생성시키는 기포 생성단계;
    상기 기포가 생성된 상기 폴리머 수지를 진공에 노출시켜 상기 폴리머 수지 내 기포의 밀도를 제어하는 기포 밀도 제어단계; 및
    상기 폴리머 수지를 기판 상에 코팅 및 건조하여 내부에 다수의 기공이 분산되어 있는 코팅막을 형성하는 코팅막 형성단계;
    를 포함하되,
    상기 폴리머 수지는 UV 경화 수지인 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기포 생성단계에서는 상기 폴리머 수지를 10분 이상 스터링하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 수지의 점도는 100~100,000cP인 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기포 밀도 제어단계에서는 상기 폴리머 수지가 담긴 베스(bath)를 데시게이터(desiccator)에 넣은 후 상기 데시게이터에 연결되어 있는 진공펌프를 가동시켜, 데시게이터 내부를 진공 상태로 유지시키는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진공펌프의 가동 시간과 상기 기포의 밀도는 반비례하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅막 형성단계에서는 스핀 코팅, 바 코팅 및 스프레이 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 상기 폴리머 수지를 상기 기판 상에 코팅하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 광전소자용 필름 제조방법.
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