KR101983596B1 - 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법 및 유기 소자 - Google Patents

상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법 및 유기 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법은, 기판의 일면에 유기물층을 형성하는 제1 단계와, 기판의 타면에 상변이 물질을 부착시키는 제2 단계와, 형성된 유기물층 위에 전극을 열 증착시키는 제3 단계;를 포함하며, 상변이 물질은 형성된 유기물층 위에 전극을 열 증착시킬 때 유기물층의 분해 온도에서 상변이를 일으킴으로써 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수할 수 있다.

Description

상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법 및 유기 소자{METHOD OF THERMAL EVAPORATING ELECTRODE USING TEMPERATURE PHASE TRANSFORMATION MATERIAL AND ORGANIC DEVICE}
본 출원은, 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법에 관한 것이다.
유기 소자는 페로브스카이트 태양 전지와 같은 유기 태양 전지, OLED(Organic Light Emitting Diode), 플렉시블 소자 등과 같이 전하 수송성 유기 화합물을 사용하며, 일반적으로 다층 박막 구조를 갖는 장치이다. 유기 화합물은 다양하게 합성하는 것이 가능하기 때문에, 이를 이용한 유기 소자는 무한한 발전의 가능성을 가진다.
이러한 유기 소자의 대표적인 예로, 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell, PSC)가 있다. 페로브스카이트 태양전지는 통상 glass/FTO/meso-TiO2/500nm-perovskite/100nm hole transport layer(HTL)/10nm Au electrode의 적층 구조로 되어 있다. 특히, 나노 두께의 고분자로 구성된 HTL 위에 직접 전극이 증착되기 때문에, 전극과 고분자 계면 사이의 손상을 최소화하여 전극을 증착시키는 것이 매우 중요하다.
전극 증착은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 방법이 가장 많이 이용된다. 이러한 물리적 기상 증착 방법은 크게 3가지로 구분되는데, 열 증착법(thermal evaporation), 전자적 증착법(E-beam evaporation), 스퍼터링법(sputtering)이 있다. 열 증착 방법은 진공 챔버 내부에 존재하는 시료를 전기 에너지에 의해 증발시키고, 증발된 시료를 기판 위에 증착시키는 방식이다. 전자빔 증착은 전자빔을 시료에 충돌시켜 시료를 증발시키고, 증발된 시료가 기판 위에 증착시키는 방식이다. 스퍼터링 방법은 플라즈마를 이용하여 시료를 증착시킨다.
이중 무기물보다 상대적으로 약한 유기물 위에 전극을 증착하는 광 소자의 경우 유기물층의 손상 없이 전극을 증착시켜야 하기 때문에 스퍼터링 보다는 비교적 공정 에너지가 낮은 열 증착법이 가장 활발하게 이용되고 있다.
그러나, 열 증착을 일정 시간 이상 진행할 경우 열 증착기 내부에 축적된 열 에너지에 의해 페로브스카이트 유기물층이 손상되어 유기 소자의 효율이 급감하는 문제가 있다.
도 1은 실제 페로브스카이트 태양 전지의 제조시 증착기(evaporator)를 이용하여 70nm 두께의 금(Au) 전극층을 100W-7분의 증착 에너지로 증착한 경우의 전계 방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 이미지를 도시한 것이다. (a)는 표면 이미지이며 (b)는 단면 이미지이다.
도 1의 (a)에서, 도면부호 11은 금의 높은 증착 속도로 인해 발생한 열 손상에 의해 생성된 핀 홀이며, 도 1의 (b)에서 도면 부호 12는 증착에 따른 HTL의 손상으로 생성된 빈 공간(void)이다. 이는 증착시의 열 에너지로 인하여 spiro-MeOTAD 박막이 국부적으로 심각하게 손상되어 하부층이 드러나는 것으로 판단된다.
따라서, 장시간의 열 증착 공정 진행시 발생되는 열 에너지로부터 유기 소자에 가해지는 열을 방지하는 것이 요구된다.
70nm 두께의 금 전극을 하부의 HTL/PVK 층에 손상없이 증착시키기 위해서는 맞춤형 열 증착기를 이용하여 저 전력-긴 시간(low power-long time)의 조건으로 증착하여야 한다. 맞춤형 열 증착기는 공정 시간에 따른 축적된 열 에너지로 인한 유기 소자의 손상을 방지하기 위해 냉각 장치가 삽입되어 있거나 소스와 기판 사이의 거리가 60cm 이상의 대형 챔버가 필요하다. 특히, 소스와 기판 사이의 거리가 60cm 이상의 대형 챔버를 사용할 경우 금의 평균자유행로(mean free path)를 고려하여 10- 8torr 이하의 초고진공 상태가 필수적이다. 이러한 맞춤형 장비는 매우 고가의 장비이며, 유지 관리가 힘들고, 공정을 진행하기 위한 조건을 잡기 위한 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2007-0105451호(“유기발광소자의 금속전극 형성방법”, 공개일: 2007년10월31일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전극의 열 증착시 유기물층의 열적 손상을 방지할 수 있는 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법 및 유기 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 기판의 일면에 유기물층을 형성하는 제1 단계; 상기 기판의 타면에 상변이 물질을 부착시키는 제2 단계; 및 형성된 상기 유기물층 위에 전극을 열 증착시키는 제3 단계;를 포함하며, 상기 상변이 물질은 형성된 상기 유기물층 위에 전극을 열 증착시킬 때 상기 유기물층의 분해 온도에서 상변이를 일으킴으로써 상기 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수하는 저온 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 상술한 방법에 따라 증착된 전극을 포함하는 유기 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이 물질에 의한 잠열의 형태로 흡수하도록 함으로써, 전극의 열 증착시 유기물층의 열적 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 페로브스카이트 태양 전지의 제조시 열 증착기를 이용하여 70nm 두께의 금(Au) 전극층을 100W-7분의 증착 에너지로 증착한 경우의 FE-SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 제작된 시편의 비교 실험을 위한 모식도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 매크로 이미지이다.
도 5는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 유기 소자 시편(S)의 표면을 FE-SEM을 이용하여 5k 비율로 확대한 이미지이다.
도 6은 도 5는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 열처리 시간에 따른 효율(Energy Conversion Efficiency, ECE)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 제작된 시편의 비교 실험을 위한 모식도를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 매크로 이미지이다.
도 9는 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 유기 소자 시편(S)의 표면을 FE-SEM을 이용하여 5k 비율로 확대한 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 형태에 따른 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법은, 기판의 일면에 유기물층을 형성하는 제1 단계(S201)와, 기판의 타면에 상변이 물질을 부착시키는 제2 단계(S202)와, 형성된 유기물층 위에 전극을 열 증착시키는 제3 단계(S203)를 포함할 수 있으며, 상술한 상변이 물질은, 유기물층의 분해 온도에서 상변이를 일으킴으로써 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수할 수 있다.
상기 유기물층은, 페로브스카이트 층, HTL(Hole Transport Layer), PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester) 층, PEDOT: PSS(Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene) PolyStyrene Sulfonate) 층, PCBM((Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester))+P3HT(Poly(3-HexylThiophene)) 층 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 상변이 물질은, 상기 유기물층의 분해 온도에서 고상에서 액상으로 상변이를 일으키는 물질로, 주석(Sn), 인듐(In), 카드늄(Cd), 비스무트(Bi), 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함하는 금속이거나, 또는 비 금속계 단백질, 지방 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 비금속의 복합물일 수 있다.
또한, 상술한 상변이 물질은, 액상에서 나노 다이아몬드, 나노 그래파이트, 그래핀 및 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 하나를 혼합시켜 고체화한 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상술한 유기물층의 분해 온도는, 120도 이상일 수 있다.
또한, 상술한 상변이 물질은, 적어도 2 이상의 층이 적층되어 구성될 수 있다.
이하 비교 실시예를 통해 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법 및 유기 소자를 상세하게 설명한다.
페로브스카이트(유기 소자 시편)의 제작
2.5×2.5cm의 FTO 기판을 D.I water, 아세톤, 에탄올 순서대로 10분씩 초음파 세척하였다. 세척된 FTO 기판을 20분간 UV-Ozone 처리 후 2800 rpm-20초 조건의 스핀 코팅 방법을 이용하여 블록킹 층(blocking layer)을 코팅하였다. 이후 125도 핫플레이트에서 5분간 열처리하였다. 블록킹 층이 코팅된 기판 위에 4000rpm-30초 조건의 스핀 코팅 방법으로 TiO2 코팅 후 500도-30분 조건으로 소결하였다.
소결된 TiO2 기판 위에 MAPbI3 용액(PbI2 461㎎, MAI 159㎎, DMSO 7㎕, DMF 0.5㎖)을 떨어뜨려 평탄화한 다음 100rpm-10초/3500rpm-5초/3500rpm-10초 조건으로 스핀 코팅한 후 70도-1분, 100도-5분의 조건으로 열처리하여 페로브스카이트층을 형성시켰다. 스핀 코팅이 시작된 지 15초 후 0.5㎖의 diethyl ether를 투입하였다.
형성된 페로브스카이트 층 위에 HTL 용액(spiro:MeOTAD 72.3㎎, TNP 28.8㎕, Li-TFSI 17.5㎕, 클로로벤젠 1㎖)을 떨어뜨려 평탄화한 다음 4000rpm-30초 조건으로 스핀 코팅하였다.
최종적으로 glass/FTO/blosking layer/TiO2/Perovskite/HTL을 가진 시편을 제작하였다. 제작된 시편은, 후술하는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(310)과, 기판(310) 위에 적어도 2 이상이 적층된 유기물 층(320)으로 구성된다.
1. 비교 실시예 1 - 상변이 물질로 저융점의 합금 부착
도 3은 제작된 시편의 비교 실험을 위한 모식도를 도시한 도면으로, (a)는 제작된 유기 소자 시편(310, 320)의 유기물층(320)을 150도의 핫 플레이트(열원부)(30)에 접촉시킨 상태를, (b)는 제작된 유기 소자 시편(310, 320)의 기판(310)에 저융점의 합금(330)을 부착한 후 유기물층(320)을 150도의 핫 플레이트(열원부)(30)에 접촉한 상태를 도시하고 있다. 저 융점의 합금(330)은 약 70도에서 용융되는 Bi:Pb:Sn:Cd=4:2:1:1의 조성을 가지며, 통상 우드 메탈(wood metal)로 사용되는 재료를 채용하였다. 상술한 저 융점의 합금(330)은 주석(Sn), 인듐(In), 카드늄(Cd), 비스무트(Bi), 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함하는 금속일 수 있다.
가. 유기 소자의 육안 분석 결과
도 4는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 매크로 이미지이다. (a)의 경우 매크로 이미지 확인 결과, 열처리 시간에 따라 유기 소자 시편(S)의 변화는 육안으로 확인하지 못하였으며, (b)의 경우 유기 소자 시편(S)의 경우 고상의 저융점 합금(도 3의 330 참조)이 열처리 시간이 길어짐에 따라 고상에서 액상으로 상변이됨을 확인할 수 있다. 이는 유기 소자 시편(S)이 받는 열에너지를 고상의 저융점 합금(330)이 흡수하여 액상으로 상변이를 일으킨 것으로 판단된다.
나. 미세 구조 분석 결과
도 5는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 유기 소자 시편(S)의 표면을 FE-SEM을 이용하여 5k 비율로 확대한 이미지이다.
(a)의 경우 0분에서 5분까지는 균일한 HTL을 확인하여 열에 의한 손상이 확인되지 않았다. 10분이 경과한 이후에는 미세 핀 홀(500)을 확인할 수 있으며, 60분의 경우 HTL의 극심한 손상으로 하부 페로브스카이트층이 노출된 것을 확인하였다. 이는 열 에너지에 의해 HTL이 손상되어 나타난 현상으로 판단된다.
(b)의 경우 0분의 경우 (a)와 마찬가지로 균일한 HTL을 확인하여 열에 의한 손상이 확인되지 않았으며, 이후 60분이 될 때까지 열처리에 의한 손상 없이 균일한 표면층을 확인하였다. 이는 유기 소자 시편(S)에 부착된 저융점 합금(도 3의 330 참조)이 유기 소자 시편(S)에 가해지는 열에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수한 것으로 판단된다.
다. 유기 소자의 광전 효율의 측정
도 6은 도 5는 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 열처리 시간에 따른 효율(Energy Conversion Efficiency, ECE)을 나타낸 그래프로, 도면부호 601은 도 3의 (a)의 효율을, 도면부호 602는 도 3의 (b)의 효율을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 도 3의 (a)의 경우, 도면부호 601에 도시된 바와 같이, 최초의 효율 5.3% 이후 열처리 시간이 증가함에 따라 PSC의 효율이 감소되는 것을 확인하였다. 특히, 열처리 시간이 10분이 경과한 후에는 효율이 급격하게 감소하였으며, 60분 열처리 후에는 PSC의 기능을 상실한 것을 확인할 수 있었다.
반면, 도 3의 (b)의 경우, 도면부호 602에 도시된 바와 같이, 10분 열처리 후에도 처음과 유사한 효율을 확인할 수 있다. 이는 부착된 저융점의 합금(도 3의 330 참조)이 유기 소자 시편(S)에 가해지는 열에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수한 것으로 판단된다. 이는 앞선 미세 구조 분석 결과와도 일치한다. 따라서, 본 발명의 실시 형태와 같이, 유기 소자의 시편에 저융점의 합금을 부착하면, 열처리 과정에서 광전기적 특성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
2. 비교 실시예 2 - 상변이 물질로 치즈를 부착
도 7은 제작된 시편의 비교 실험을 위한 모식도를 도시한 도면으로, (a)는 제작된 유기 소자 시편(310, 320)의 유기물층(320)을 150도의 핫 플레이트(열원부)(30)에 접촉시킨 상태를, (b)는 제작된 유기 소자 시편(310, 320)의 기판(310)에 치즈(730)를 부착한 후 유기물층(320)을 150도의 핫 플레이트(열원부)(30)에 접촉한 상태를 도시하고 있다. 치즈(730)의 주성분은 C85H139N27O35S와 같은 화학식을 가진 카제인 및 수분으로 이루어진 것으로, 저온 영역에서 용융되며, 실시예 1의 저융점의 합금(도 3의 330)과 동일한 기능을 할 것으로 판단된다.
상술한 치즈(730)와 동일한 기능을 하는 것으로, 비 금속계 단백질, 지방 무기물 및 폴리머 중 적어도 들 수 있다.
가. 유기 소자의 육안 분석 결과
도 8은 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 매크로 이미지이다. (a)의 경우 매크로 이미지 확인 결과, 열처리 시간에 따라 유기 소자 시편(S)의 변화는 육안으로 확인하지 못하였으며, (b)의 경우 유기 소자 시편(S)의 경우 고상의 치즈(730)가 열처리 시간이 길어짐에 따라 치즈(730)는 고상에서 액상으로 상변이됨을 확인할 수 있다. 이는 유기 소자 시편(S)이 받는 열에너지를 고상의 치즈(730)가 흡수하여 액상으로 상변이를 일으킨 것으로 판단된다.
나. 미세 구조 분석 결과
도 9는 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 조건에서 0분, 5분, 10분, 60분간 열처리한 후의 유기 소자 시편(S)의 표면을 FE-SEM을 이용하여 5k 비율로 확대한 이미지이다.
(a)의 경우 0분에서 5분까지는 균일한 HTL을 확인하여 열에 의한 손상이 확인되지 않았다. 10분이 경과한 이후에는 국부적으로 손상된 부분을 확인할 수 있으며, 60분의 경우 HTL의 극심한 손상으로 하부 페로브스카이트층이 노출된 것을 확인하였다. 이는 열 에너지에 의해 HTL이 손상되어 나타난 현상으로 판단된다.
(b)의 경우 0분의 경우 (a)와 마찬가지로 균일한 HTL을 확인하여 열에 의한 손상이 확인되지 않았으며, 이후 60분이 될 때까지 열처리에 의한 손상 없이 균일한 표면층을 확인하였다. 이는 유기 소자 시편(S)에 부착된 저융점 합금(도 3의 330 참조)이 유기 소자 시편(S)에 가해지는 열에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수한 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이 물질에 의한 잠열의 형태로 흡수하도록 함으로써, 전극의 열 증착시 유기물층의 열적 손상을 방지할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
11: 핀 홀
12: 빈 공간(void)
30: 핫 플레이트
310: 기판
320: 유기물층
330: 저융점 합금
730: 치즈
S: 유기 소자의 시편

Claims (7)

  1. 기판의 일면에 유기물층을 형성하는 제1 단계;
    상기 기판의 타면에 상변이 물질을 부착시키는 제2 단계; 및
    형성된 상기 유기물층 위에 전극을 열 증착시키는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 상변이 물질은,
    형성된 상기 유기물층 위에 전극을 열 증착시킬 때 상기 유기물층의 분해 온도에서 상변이를 일으킴으로써 상기 유기물층에 가해지는 열 에너지를 상변이에 의한 잠열의 형태로 흡수하는 저온 상변이 물질의 잠열을 이용한 유기 소자의 전극 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기물층은,
    페로브스카이트 층, HTL(Hole Transport Layer), PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester) 층, PEDOT: PSS(Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene) PolyStyrene Sulfonate) 층, PCBM((Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester))+P3HT(Poly(3-HexylThiophene)) 층 중 어느 하나를 포함하는 유기 소자의 전극 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상변이 물질은,
    상기 유기물층의 분해 온도에서 고상에서 액상으로 상변이를 일으키는 물질로,
    주석(Sn), 인듐(In), 카드늄(Cd), 비스무트(Bi), 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함하는 금속이거나, 또는 비 금속계 단백질, 지방 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 비금속의 복합물인 유기 소자의 전극 증착 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상변이 물질은,
    액상에서 나노 다이아몬드, 나노 그래파이트, 그래핀 및 카본나노튜브(carbon nanotube) 중 적어도 하나를 혼합시켜 고체화한 물질을 포함하는 유기 소자의 전극 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기물층의 분해 온도는,
    120도 이상인 유기 소자의 전극 증착 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상변이 물질은,
    적어도 2 이상의 층이 적층되어 구성되는 유기 소자의 전극 증착 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 따라 증착된 전극을 포함하는 유기 소자.
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KR20070105451A (ko) 2006-04-26 2007-10-31 두산메카텍 주식회사 유기발광소자의 금속전극 형성방법
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JP2017527350A (ja) * 2014-08-06 2017-09-21 珠海漢盈科技有限公司Ｈａｎｄｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｚｈｕｈａｉ） Ｌｔｄ． 多機能を有する自己温度調節型フィルム並びにそれにより製造されたフェイスマスク及びアイシート

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