KR102176740B1 - 스트레처블 전자 소자 및 스트레처블 전자 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들은 스트레처블 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레처블 전자 소자는 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이, 상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하는 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층, 상기 기둥 어레이의 상부면에 형성된 가요성을 갖는 상부 전극 및 상기 기둥 어레이의 하부면에 형성된 가요성을 갖는 하부 전극을 포함할 수 있고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 나노 와이어 네트워크 구조를 포함할 수 있다. 상기 3차원 마이크로 기둥은 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층 및 상기 제 1 반도체층의 표면 상에 형성되는 유기 물질의 제 2 반도체층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스트레처블 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 플렉서블(flexible) 전자장치와 더불어 스트레처블 전자장치(stretchable electronic device)에 대한 필요성이 대두되고 있다. 플렉서블 전자 장치는 전체 길이는 그대로 유지하면서 휘어지는 장치이고, 스트레처블 전자장치는 휘어질 뿐 아니라 길이가 늘어나는 장치이다. 스트레처블 일렉트로닉스(stretchable electronics)는 전자기기의 새로운 적용분야를 가능하게 하는 기술로 기대되고 있다. 잠재적인 적용분야로는 움직이는 로보틱(robotic) 장치를 위한 전자 스킨(electronic skins) 및 스킨 센서(skin sensors), 입을 수 있는(즉, wearable) 전자장치, 생체융합(bio-integrated) 소자 등이 있다. 또한, 디스플레이나 센서 어레이 등을 포함한 다양한 분야에서 스트레처블 소자는 유용하게 활용될 수 있다.
스트레처블 전자 소자를 구현하기 위해서는, 탄성체와의 랜덤 복합재(random composite)를 구성할 수 있으나, 이러한 방법에서는 활물질의 성능이 매우 저하된다. 다른 방법으로서, 고성능 활물질을 얇게 준비한 다음 역학적 버클링을 이용하는 방법이 있다. 그러나, 역학적 버클링을 이용하는 방법에서는 소자의 성능은 우수하지만, 구현가능한 신축성(stretchability)이 제한된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소자의 성능을 저하시키지 않으면서, 신축성이 향상된 전자 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이; 및 상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하는 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층을 포함하는 전자 소자가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 외부로부터 스트레인이 인가되는 경우에, 인가된 스트레인은 상기 페시베이션 층에 흡수되어, 상기 기둥 어레이에 기계적 결함이 발생하는 것이 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3차원 마이크로 기둥간 간격에 따라 상기 전자 소자의 신축성이 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기둥 어레이의 상부면에 형성된 가요성을 갖는 상부 전극; 및 상기 기둥 어레이의 하부면에 형성된 가요성을 갖는 하부 전극을 더 포함하고, 상기 3차원 마이크로 기둥은, 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층; 및 상기 제 1 반도체층의 표면 상에 형성되는 유기 물질의 제 2 반도체층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상부 전극 및 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상부 전극 및 하부 전극은 나노 와이어를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 소자는 100% 이상 스트레칭 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기둥 어레이의 하부면과 상기 하부 전극 사이에 형성된 Ti 및 Ag를 포함하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 반도체층은 Si, GaAs, ZnO 및 TiO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 반도체층은 PEDOT:PSS, P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN, PCBM, 및 ICBA 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 소자는 태양 전지, 트랜지스터, 에너지 하베스팅 소자 및 센서 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 페시베이션 층은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(Ecoflex), 하이드로겔(hydrogel), PEBA(polyether block amides) 및 EVA(ethylene-vinyl acetate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이를 형성하는 기둥 어레이 형성 단계; 및 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층에 의해 상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하는 매립 단계를 포함하는 전자 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기둥 어레이의 상부면에 가요성을 갖는 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 단계; 및 상기 기둥 어레이의 하부면에 가요성을 갖는 하부 전극을 형성하는 하부 전극 형성 단계를 더 포함하고, 상기 기둥 어레이 형성 단계는, 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 반도체층의 표면 상에 유기 물질의 제 2 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상부 전극 형성 단계는, 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 재료를 상기 기둥 어레이의 상부면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하부 전극 형성 단계는, 상기 기둥 어레이의 하부면에 Ti 및 Ag를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 재료를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기둥 어레이는 촉매 금속 에칭(metal-assisted chemical etching)에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 매립 단계는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(Ecoflex), 하이드로겔(hydrogel), PEBA(polyether block amides) 및 EVA(ethylene-vinyl acetate) 중 적어도 하나에 의해 상기 기둥 어레이를 매립할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이를 형성하고, 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층에 의해 상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하여 전자 소자를 제조함으로써, 소자의 성능을 저하시키지 않으면서, 신축성이 향상된 전자 소자 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법에 의해 전자 소자를 제조하는 프로세스를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자의 이미지를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자의 신축가능한 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 기계적 거동을 나타내는 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자를 제조하기 위한 프로세스를 도시하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 반사율, 투과율 및 J-V 플롯을 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법에 의해 전자 소자를 제조하는 프로세스를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자의 이미지를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자의 신축가능한 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 기계적 거동을 나타내는 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자를 제조하기 위한 프로세스를 도시하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 반사율, 투과율 및 J-V 플롯을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자(100)의 사시도이다.
전자 소자(100)는 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이(10)와, 기둥 어레이(10)를 전체적으로 매립하는 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층(20)을 포함할 수 있다. 외부로부터 스트레인이 인가되는 경우에, 인가된 스트레인은 페시베이션 층(20)에 흡수되어, 기둥 어레이(10)에 기계적 결함이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 3차원 마이크로 기둥간 간격에 따라 전자 소자(100)의 신축성이 제어되고, 전자 소자(100)는 100% 이상 스트레칭될 수 있다.
기둥 어레이(10)는 Si, SiC, AlP, InP, AiAs, InAs, AlSb, InSb, GaP, GaAs, GaSb, ZnS, PbS, AnSe, ZnTe, CdS, CdSe 또는 CdTe 중 하나 이상의 반도체 재료를 포함할 수 있다. 페시베이션 층(20)은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(Ecoflex), 하이드로겔(hydrogel), PEBA(polyether block amides) 및 EVA(ethylene-vinyl acetate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 소자(200)의 사시도이다.
전자 소자(200)는 반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이(10)와, 기둥 어레이(10)를 전체적으로 매립하는 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층(20)과, 기둥 어레이(10)의 하부면에 형성된 가요성을 갖는 하부 전극(30)과, 기둥 어레이(10)의 상부면에 형성된 가요성을 갖는 상부 전극(50)과, 기둥 어레이(10)의 상부면과 상부 전극(50) 사이에 형성된 Ti 및 Ag를 포함하는 버퍼층(40)을 포함할 수 있다. 기둥 어레이(10) 및 페시베이션 층(20)에 대하여는 도 1에 도시된 기둥 어레이(10) 및 페시베이션 층(20)에 대한 설명이 참조될 수 있다.
상부 전극(50) 및 하부 전극(30)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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있고, 또한 나노 와이어를 포함할 수 있다. 전자 소자(100)를 디스플레이 또는 태양 전지 등으로 사용하는 경우에는, 상부 전극(50) 및/또는 하부 전극(30)을 투명한 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
기둥 어레이(10)의 3차원 마이크로 기둥은, 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층과, 제 1 반도체층의 표면 상에 형성되는 유기 물질의 제 2 반도체층을 포함할 수 있다. 제 1 반도체층은 Si, GaAs, ZnO 및 TiO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 실시예에서는 제 1 반도체층으로서 Si를 사용하고 있으나, 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 제 2 반도체층은 PEDOT:PSS, P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN, PCBM, 및 ICBA 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 실시예에서는 제 2 반도체층으로서 PEDOT:PSS를 사용하고 있으나, 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 전자 소자(200)는 태양 전지, 트랜지스터, 에너지 하베스팅 소자 또는 센서로 동작하는 소자일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법에 의해 전자 소자(100)를 제조하는 프로세스를 도시한다.
이하에서는, 기둥 어레이(10)로서 실리콘(Si)을 사용하고, 페시베이션 층(20)으로서 엘라스토머인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)을 사용하여 전자 소자(100)를 제조하는 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 일반적인 세정 단계를 거친 c-Si 기판을 형성하고, 포토 리소그래피, 금속 증착 및 리프트 오프 공정에 의해 Si 기판 표면 상에 금속 도트 막을 형성한다. 금속 도트막은 Au(5 nm)/Ag(3 nm)로 구성되고, 습식 화학 에칭을 위한 촉매로 사용된다. HF, H2O2, 에탄올 및 탈이온수의 수용액 내에서 습식 화학 에칭에 의해 Si 기둥의 수직 어레이가 형성된다. 형성된 Si 기둥의 기하학적 치수(직경, 간격 및 길이)는 포토마스크의 패턴 치수(직경 및 간격) 및 에칭 지속 시간(기둥 길이)을 변경하여 용이하게 제어할 수 있다. 전형적인 기둥 치수는 직경이 5 ~ 25μm이고, 직경과 동일한 기둥간 간격을 갖고, 길이가 30 ~ 40μm이다. 이에 따라 형성된 Si 기둥을 SiμP로 약칭한다(Si micro pillar). 형성된 SiμP 어레이는 전구체 용액을 그 위에 붓고 경화시켜 엘라스토머 매트릭스에 매립된다. 마지막으로, SiμP/PDMS 복합 층을 면도날로 조심스럽게 긁어내어 기판에서 벗길 수 있다(이 방법은 길이가 10μm를 초과하는 기둥 배열에 매우 적합하다). 형성된 SiμP/PDMS 복합체 필름의 두께는 사용된 기둥의 초기 길이와 거의 같다. 따라서, 기둥 길이가 30 ~ 40μm 인 경우에 형성되는 복합 필름은 매우 유연하고 신축성을 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자(100)의 이미지를 도시한다.
도 4의 (a)는 촉매 금속 에칭(metal-assisted chemical etching : MaCE)에 의해 제작된 SiμP 어레이의 SEM 이미지를 도시한다. 기둥의 직경과 길이는 각각 5μm와 90μm이다. 도 4의 (b)는 PMDS에 매립된 기둥 어레이(직경 5μm, 길이 30μm)를 도시한다. 도 4의 (b)의 삽도로부터 알 수 있는 바와 같이, PDMS는 마이크로 기둥을 그 길이만큼 정확히 매립하고 있고, 상부는 대략 반원 모양을 갖는다. 실험실용 면도날을 사용하여 SiμP/PDMS 복합체 층을 긁어 내면 도 4의 (c)에 도시된 프리스탠딩 필름이 된다.
형성된 복합체 필름은 검은색으로 나타나며, 이것은 필름의 반사율과 투과율이 매우 낮다는 것을 나타낸다. 낮은 반사율 및 투과율은 광 전지의 응용에 매우 유용하다. 최종 복합 필름의 두께는 사용된 SiμP의 길이와 동일하게, 약 30 μm이다.
도 4의 (d) 내지 (e)를 참조하면, 복합 필름은 매우 유연하고, 접을 수 있으며, 맨손의 손가락 및 라텍스 장갑에 용이하게 밀착된다. 따라서, 이러한 특성은 전자 피부 또는 피부에 부착 가능한 바이오메디컬 센서와 같은 웨어러블 장치의 응용에 매우 유용하다.
도 4의 (f)를 참조하면, 매우 얇은 성질 때문에, 복합체 필름은 매우 작은 곡률 반경(약 100μm)으로 구부러질 수 있고, 매립된 Si 기둥에는 기계적 결함이 생기지 않는다. 매립된 기둥은 굽힘 원에 수직하게 배열되고, 변형은 기둥 사이의 엘라스토머에서 지배적으로 발생한다. 또한, 도 4의 (g)를 참조하면, 복합체 필름은 치명적인 기계적 결함없이 복수회 트위스트될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 소자(100)의 신축가능한 특성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 가요성에 추가하여, 복합체 필름은 기둥의 디자인(기둥 사이의 간격)에 따라 100% 이상까지 스트레칭될 수 있다. 도 5의 (a)는 스트레칭 상태의 복합체 필름의 광학 현미경(OM) 이미지를 도시한다. x 방향으로 스트레칭하면, x 방향의 기둥 사이의 거리가 늘어나고, y 방향의 기둥 사이의 거리가 감소한다. x 방향으로 스트레칭할 때의 기둥 사이의 간격 변화는 OM 이미지에 기초하여 측정되었고, 도 5b에 도시되어 있다. 복합체 샘플은 실시예의 모든 SiμP 어레이(기둥 직경/간격이 5μm에서 25μm까지 다르지만, 기둥 길이가 약 30μm로 동일함)에서 기계적 결함 없이 복수회 가역적으로 스트레칭될 수 있었다.
달성 가능한 최대 신축성은 기둥 치수에 의존하는 것으로 파악되었다. 구체적으로, 기둥간 간격이 커지면, 5μm, 10μm 및 25μm 기둥 직경/간격에 대하여 약 50 %, 약 70 % 및 약 100 %의 신축성을 갖는 것으로 나타났다. 과도한 스트레칭 하에서 복합체의 주된 결함 메커니즘은 SiμP와 PDMS 사이의 접착 파괴(또는 결합 해제)에 기인한 것이다.
x 방향과 y 방향에서의 기둥간 간격의 측정된 변화는 스트레인으로 변환되며, 도 5의 (c)에는 외부로부터 인가된 스트레인의 함수로서 도시되어 있다. 샘플의 변형률을 나타내는 샘플 스트레인(εs)은 인가된 스트레인 방향에서는 외부로부터 인가된 스트레인(εapp)의 2배이고, 직교하는 방향에서의 스트레인은 인가된 방향의 약 절반이다. 예를 들어, 25μm 기둥 직경/간격 샘플의 경우에, 외부로부터 인가된 스트레인(εapp)이 100 %일 때, x 방향 (인가된 스트레인과 동일한 방향)의 샘플 스트레인(εs)은 약 200 %이고, y 방향은 약 50 %이다. 이것은 엘라스토머 매트릭스에 매립된 SiμP의 비변형성(non-deformability)에 기인하는 것이다. 외부로부터 스트레인이 인가될 때, 인가된 스트레인에 반응하는 샘플의 부분은 엘라스토머이며, Si와 PDMS 사이의 탄성 계수의 차이에 따라 매립된 SiμP는 확장될 수 있다.
도 5의 (d)는 샘플의 스트레칭 전과 후의 치수 변화를 나타내는 모식도이다. 2개의 상이한 스트레인이 정의될 수 있는데, 하나는 인가된 스트레인으로서 εapp=(L-L0)/L0 로 정의된다(L0는 초기 샘플 길이, L은 최종 샘플 길이를 나타냄). 한편, 샘플의 변형률을 나타내는 샘플 스트레인(εs)이 기둥간 간격에 의해서 측정될 수 있고, εs=(S-S0)/S0로서 정의된다(S0은 샘플 스트레칭 전의 기둥간 간격, S는 샘플 스트레칭 후의 기둥간 간격을 나타냄). 즉, 외부로부터 가해진 스트레칭 변형은 기둥 사이 공간에서 엘라스토머에 의해 흡수되는 반면, 매립된 Si 기둥은 무시할 수 있는 양의 스트레인을 받는다.
복합체에서 S0의 간격을 동일하게 갖는 n 개의 기둥이 있는 경우(도 5d 참조)에, 초기 샘플 길이(L0)는 L0 = n(D + S0)로 표현할 수 있다. 1축 스트레칭시에 샘플 길이(L)는 변형 방향으로 늘어나고, L = n (D + S)로 계산될 수 있다. L0와 L에 대한 식을 인가된 스트레인(εapp)의 정의에 대입하면, 기둥간 간격(S)는 S = (1 + 2εapp)S0로 구할 수 있다. 여기서, 기둥 직경이 기둥간 간격과 동일하다(즉, D=S0)고 가정하였다. 이것을 샘플 스트레인 (εs)의 정의에 대입하면, 샘플 스트레인은 인가된 스트레인과 εs = 2εapp의 관계를 갖는다. 이것은 도 5의 (c)에 도시된 측정 데이터와 일치한다.
일반적으로 εs와 εapp 사이의 관계는 εs = ((k + 1)/k)εapp로 표현될 수 있다. 여기서 k(= S/D)는 기둥간 간격과 기둥 직경의 비율이다. 이러한 관계 (εs = 2εapp)는 k가 1 인 경우, 즉 기둥 직경이 기둥간 간격과 동일할 때 얻어진다. 따라서, 복합체 층의 수직 어레이의 신축성은 기둥간 간격에 크게 의존한다. 기둥 직경을 고정하고, 기둥간 간격을 증가시킴으로써, 달성가능한 최대 신축성을 원하는 정도로 조정할 수 있다.
여기에서 유의할 점은, x 방향의 외부 스트레칭시에 y 방향에서의 기둥 간 간격의 변화와 샘플 스트레인은 잘 알려진 포와송 효과(Poisson effect)로 설명할 수 없다는 점이다. 포와송 효과는 등방성의 균일한 재료에 적합하기 때문이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자(100)의 기계적 거동을 나타내는 도면이다.
유한 요소 분석에 의해 복합체 샘플의 기계적 거동을 분석하였다. 스트레칭 변형을 위해 샘플은 규칙적으로 위치한 Si 기둥(직경 5μm)을 포함하는 2차원 직사각형 엘라스토머 피스로 모델링하였다. x 방향의 기둥간 간격은 스트레인에 따라 증가하는 반면, y 방향의 기둥간 간격은 감소하며, 이것은 도 5의 실험 데이터와 일치한다. 복합체 샘플의 스트레인 분포는 기둥 어레이를 포함하는 밴드(도 6의 (a)의 50% 패널에 도시된 적색 수평선)를 따라 위치한다. 적색 수평선을 따른 스트레인 값은 도 6의 (b)에 도시되어 있고, 최대 50% 까지 스트레칭하고 있다.
SiμP의 스트레인은 무시할 정도로 작고(약 0.001% 이하), Si의 파단 스트레인(약 0.5%) 보다 훨씬 작다. 한편, Si 기둥 사이의 PDMS의 스트레인은 외부로부터의 스트레인의 거의 2배이고, 이것은 도 5의 (b)에 도시된 실험 데이터와 일치한다. 즉, 외부에서 인가되는 스트레인은 주로 기둥 사이 공간에서 엘라스토머에 흡수되어 Si 기둥에 영향을 미치지 않는다. 이것이 본 발명에서 달성한 신축성의 핵심 메커니즘이다.
도 6의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 복합 재료의 굽힘 변형에도 비슷한 논의가 적용될 수 있다. 아래쪽으로 구부러지는 경우에, 샘플의 상단 표면은 x 방향으로 인장되고, 샘플의 하단 표면은 압축된다. 구부러진 샘플의 상부, 중앙, 하부 표면의 스트레인 값을 도 6의 (d)에 도시하였다. SiμP의 스트레인은 매우 작지만, 기둥 사이의 PDMS는 외부에서 가해진 스트레인의 대부분을 흡수한다. 따라서, 엘라스토머 매트릭스에 매립된 SiμP의 직교 어레이는 기능성 재료(SiμP)에 어떠한 기계적 손상을 일으키지 않고, 구부리거나 늘어날 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자(200)을 제조하기 위한 프로세스를 도시하는 모식도이다.
실시예에서는, 전자 소자(200)로서 신축성 있는 2층 구조의 Si 유기 태양전지를 구성하였다. 먼저, 포토 리소그래피, 금속 촉매 증착 및 MaCE에 의해 n-Si 기판 상에 SiμP 어레이를 제조한 후에, 기둥 표면을 전도성 중합체인 PEDOT:PSS(두께가 약 100nm)로 코팅하였다. 그리고, PEDOT:PSS로 코팅된 SiμP 어레이가 엘라스토머 PDMS에 매립되었다. 150 ℃에서 1 시간 동안 PDMS를 경화시킨 후에, Ag 나노 와이어(AgNW)를 복합체 표면에 스핀 코팅하고 100 ℃에서 1 분 동안 건조시켰다. 그리고, 부분적으로 경화된 PDMS 층의 다른 부분을 샘플 표면에 컨포멀하게 접촉시키고 80 ℃에서 15 분 동안 경화시켰다. Si 기판에서 복합체 층을 긁어낸 후, 샘플을 뒤집어 후면 전극을 형성했다. 후면 전극을 형성하기 전에, Ti(5nm)/Ag(10nm)를 표면 전체에 증착하였다. Ti/Ag의 증착에 의해 후면 전극과의 양호한 전기 접촉이 이루어질 수 있다. 상부 전극 형성과 동일한 방식(동일한 AgNW 용액 농도, 스핀 코팅 및 어닐링)에 의해 Ag 나노 와이어를 후면 전극으로 형성하였다. 또한, 후면은 상부 표면의 경우와 같이 얇은 PDMS 슬래브로 캡슐화되었다. 도 4c에 도시된 바와 같이, SiμP/PDMS의 복합체 층이 검은색으로 보이는데, 이는 반사율과 투과율이 낮다는 것을 의미한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자(200)의 반사율, 투과율 및 J-V 플롯을 도시한다.
도 8의 (a) 및 (b)는 복합체 층에 대하여 실험적으로 측정된 반사율 및 투과율이다. 가시 스펙트럼에 대하여 폴리싱된 표면의 높은 (> 40 %) 반사율과 비교하여, 복합체 샘플은 10% ~ 20%의 낮은 광 반사율을 나타낸다. 전면 표면은 후면 표면보다 더 낮은 반사율을 나타내는데, 이것은 기둥의 상부 표면이 거칠기 때문일 수 있다. 기둥 구조를 만드는 MaCE 공정 동안에, 기둥 상부는 필연적으로 에칭 용액에 노출되어 에천트에 의한 원치 않는 거칠기가 생긴다. 한편, 기둥 저면의 표면은 매우 부드러운 절단 표면을 만드는 면도칼 스크래이핑(razor scraping)에 의해 형성된다. 또한, 기둥 직경/간격이 감소함에 따라 반사성 Si 기둥 상부의 밀도 증가로 인해 반사가 증가한다. 한편, 복합체 층을 통과하는 광 투과율은 조명 방향에 관계없이 상이한 모든 기둥의 치수에 대하여 약 10 %이다. 이것은 대부분의 입사광이 다중 산란을 통해 시료로 흡수된다는 것을 의미한다.
도 8의 (c)는 40% 까지 스트레칭한 상태의 하이브리드 태양 전지를 도시한다. Si 기둥은 직경이 5μm이고, 동일한 간격을 갖고, 이러한 구성에 의해 최상의 전지 성능이 나타났다.
도 8의 (d)는 스트레칭 스트레인의 함수로서 Si 유기 하이브리드 태양 전지에 대한 J-V 플롯을 도시한다. 도시된 바와 같이, 태양 전지는 40 %까지의 스트레칭(샘플 스트레인은 최대 80 %가 됨)에 대하여도 현저한 성능 저하를 나타내지 않는다. 전면/후면 모두 투명한 AgNW 네트워크 전극이 형성됨으로써, 셀 성능은 전면 조명 케이스보다 저하되지만, 조명이 후면으로부터 들어오더라도, 셀은 잘 작동하므로, 양면으로 동작가능한 태양 전지를 만들 수 있다. 후면 조명의 효율 저하는 부분적으로 Ti(5nm)/Ag(10nm)의 다소 두꺼운 컨택 금속으로 인한 것이다. 도 8의 (d)의 J-V 플롯에서 추출한 전면 및 후면 조명 구성에 대한 셀 파라미터가 [표 1]에 요약되어 있다.
[표 1]
전면 셀은 약 3.3 %의 변환 효율을 나타내고, 후면 셀은 약 1.7 %의 효율을 가지며, 양면 계수 (η)는 약 50 %가 된다. 전면 셀에 대한 다소 낮은 셀 효율은 주로 단락 회로 전류(Jsc) 및 충진 인자(FF:fill factor)에 기인한다. 이는 문헌에 보고된 평면 Si 기판 상에 제조된 Si 유기 하이브리드 태양 전지와 비교된다. Si의 작은 면적 범위(약 20 %)에 의해 작은 Jsc가 얻어지고, 더 양호한 전기적 컨택과 전극 시트 저항이 충진 인자(FF)를 향상시킨다. 예를 들어, 평면 Si 기판 위에 제작된 하이브리드 셀은 구조적 또는 계면적 최적화 없이 약 10 %의 셀 효율을 나타낸다. Si 기둥 표면의 면적 범위가 약 20 %인 것을 고려할 때, 전면 셀의 효율은 약 2 % 이어야 하고, 이는 실험적으로 얻은 전면 셀 효율의 약 3.3 % 보다 훨씬 낮아야 한다. 한편, 후면 셀의 기둥 표면은 다소 두꺼운 Ti(5nm)/Ag(10nm)로 인해 광 투과도가 매우 제한적이다(40 % 미만). 이 제한된 광 투과율로도 후면 셀의 셀 효율은 여전히 1 % 이상이다. 따라서, SiμP 어레이의 측벽이 기둥 표면(상단 및 하단) 뿐만 아니라 다중 광 산란으로 인해 태양 전지로 작동하는 것으로 추론된다. 필러 측벽에서의 셀 효율에 대한 기여도는 약 1.0 %로 추정된다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (18)
- 스트레처블 전자 소자(stretchable electronic device)에 있어서,
반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이;
상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하는 엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층;
상기 기둥 어레이의 상부면에 형성된 가요성을 갖는 상부 전극; 및
상기 기둥 어레이의 하부면에 형성된 가요성을 갖는 하부 전극을 포함하고,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 나노 와이어 네트워크 구조를 포함하고,
상기 3차원 마이크로 기둥은 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층; 및 상기 제 1 반도체층의 표면 상에 형성되는 유기 물질의 제 2 반도체층을 포함하는,
스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
외부로부터 스트레인이 인가되는 경우에, 인가된 스트레인은 상기 페시베이션 층에 흡수되어, 상기 기둥 어레이에 기계적 결함이 발생하는 것이 방지되는 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 3차원 마이크로 기둥간 간격에 따라 상기 스트레처블 전자 소자의 신축성이 제어되는 스트레처블 전자 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 전극 및 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상으로 형성되는 스트레처블 전자 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 스트레처블 전자 소자는 100% 이상 스트레칭 가능한 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기둥 어레이의 하부면과 상기 하부 전극 사이에 형성된 Ti 및 Ag를 포함하는 버퍼층을 더 포함하는 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반도체층은 Si, GaAs, ZnO 및 TiO2 중 하나 이상을 포함하는 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반도체층은 PEDOT:PSS, P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN, PCBM, 및 ICBA 중 하나 이상을 포함하는 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 스트레처블 전자 소자는 태양 전지, 트랜지스터, 에너지 하베스팅 소자 및 센서 중 어느 하나인 스트레처블 전자 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 페시베이션 층은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(Ecoflex), 하이드로겔(hydrogel), PEBA(polyether block amides) 및 EVA(ethylene-vinyl acetate) 중 적어도 하나를 포함하는 스트레처블 전자 소자. - 스트레처블 전자 소자의 제조 방법에 있어서,
반도체 재료를 포함하는 복수의 3차원 마이크로 기둥이 배열되는 기둥 어레이를 형성하는 기둥 어레이 형성 단계;
엘라스토머를 포함하는 페시베이션 층에 의해 상기 기둥 어레이를 전체적으로 매립하는 매립 단계;
상기 기둥 어레이의 상부면에 가요성을 갖는 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 단계; 및
상기 기둥 어레이의 하부면에 가요성을 갖는 하부 전극을 형성하는 하부 전극 형성 단계를 포함하고,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 나노 와이어 네트워크 구조를 포함하도록 형성하고,
상기 기둥 어레이 형성 단계는 기둥 형상을 갖는 무기 물질의 제 1 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 반도체층의 표면 상에 유기 물질의 제 2 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는,
스트레처블 전자 소자의 제조 방법. - 삭제
- 제 13 항에 있어서,
상기 상부 전극 형성 단계는, 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 재료를 상기 기둥 어레이의 상부면에 형성하는 단계를 포함하는 스트레처블 전자 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 하부 전극 형성 단계는,
상기 기둥 어레이의 하부면에 Ti 및 Ag를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상에 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 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 재료를 형성하는 단계를 포함하는 스트레처블 전자 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 기둥 어레이는 촉매 금속 에칭(metal-assisted chemical etching)에 의해 형성되는 스트레처블 전자 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 매립 단계는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(Ecoflex), 하이드로겔(hydrogel), PEBA(polyether block amides) 및 EVA(ethylene-vinyl acetate) 중 적어도 하나에 의해 상기 기둥 어레이를 매립하는 스트레처블 전자 소자의 제조 방법.
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| KR1020190057662A KR102176740B1 (ko) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 스트레처블 전자 소자 및 스트레처블 전자 소자의 제조 방법 |
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Publications (1)
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| KR102176740B1 true KR102176740B1 (ko) | 2020-11-09 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110038027A (ko) * | 2008-06-09 | 2011-04-13 | 에스디에스유 리서치 파운데이션 | ３ｄ로 제조된 전극 어레이를 구비한 유기 광전지 및 발광 다이오드 |
| KR20140084372A (ko) * | 2012-12-24 | 2014-07-07 | 주식회사 포스코 | 나노 구조를 갖는 유/무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
| JP2016537210A (ja) * | 2013-07-25 | 2016-12-01 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ | 電子アシスト技術を用いたワイヤアレイの移行および製造 |
| KR20190003052A (ko) * | 2017-06-30 | 2019-01-09 | 울산과학기술원 | 실리콘 마이크로 와이어 폴리머 복합체, 투명태양전지 및 이의 제조방법 |
-
2019
- 2019-05-17 KR KR1020190057662A patent/KR102176740B1/ko active IP Right Grant
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