KR20110007271A - 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층(10)의 일측을 산화시켜 형성한 산화니켈로 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층(10)을 준비하는 재료준비단계(S100)와, 상기 전도성박막층(10)을 산소분위기에서 열처리하여 산화층을 형성하는 산화층형성단계로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 생산성이 향상되며, 산화층 형성시에 조건을 선택적으로 변경하여 발광소자 또는 태양전지 각각에 적합한 정공수송층을 제조할 수 있는 이점이 있다.
발광소자, 태양전지, 산화층, 열처리, 증착
Description
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 발광소자 및 태양전지의 구성을 나타낸 개략도.
도 2 는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법을 나타낸 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 전도성박막층을 열처리시에 열처리 온도 변화에 따른 표면 변화를 나타낸 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 전도성박막층을 열처리시에 열처리 온도 변화에 따른 비저항 및 표면조도 변화를 나타낸 표.
도 5 는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 산소함량 변화에 따른 저항 및 표면조도 변화를 나타낸 표.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10. 전도성박막층 20. 정공수송층
S100. 재료준비단계 S200. 산화층형성단계
본 발명은 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속기판의 일면을 산화하거나 증착하여 정공수송층이 형성되도록 한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 반도체 나노입자를 이용하는 발광소재는 자체 발광 및 저전력 소비 등의 이점과 더불어 수㎚ 크기에서 오는 양자제한 효과로 고순도, 고휘도, 고효율 색구현이 가능하여 차세대 발광소재로 인식되고 있다.
이러한 발광소재는 태양전지와 유사한 구조로서, 크게 기판, 전도성박막층, 정공 수송층, 발광층, 전자수송층, 완충층 및 전극으로 구성되며, 태양전지는 기판, 투명전극, 정공수송층, 광흡수층, 전자수송층 및 전극으로 구성된다.
여기서 상기 발광소자의 전도성박막층은 전극 역할과 더불어 빛을 투과하는 기능을 가지며, 태양전지의 투명전극은 전극으로 사용되면서 낮은 비저항을 갖도록 구성된다.
따라서, 상기 전도성박막층과 투명전극은 ITO(Indium tin oxide)가 가장 널리 사용되고 있다.
그러나, ITO가 상기 투명전극으로 적용될 수 있도록 낮은 비저항을 갖게 하 기 위해서는 두께를 두껍게 함으로써 가능하나, 반대로 두꺼울수록 광투과율은 낮아지게 되므로 발광소자의 전도성박막층으로 사용하는 데에는 문제점이 있다.
그리고, ITO의 원료물질인 In(Indium)은 희유금속으로서 매장량이 한정되어 있어서 발광소자 및 태양전지의 가격을 점차적으로 상승시키게 되는 문제점이 있다.
한편 정공수송층은 발광층으로의 효과적인 정공 수송을 위해 반드시 필요하며 발광층의 특성에 적절한 정공 농도 및 전기전도도 등이 요구된다. 따라서, 적절한 정공 농도와 전기전도도를 가지면서 많은 양의 빛을 투과하기 위해서는 결국 얇은 두께를 가지도록 구성되어야 한다.
그러나, 정공 농도 및 전기전도도와 빛의 투과량은 정공수송층의 두께만으로는 조절하는데 한계가 있으므로, 결국 발광층 각각의 특성에 맞는 다른 물질을 사용해야만 하며, 정공수송층의 재질 선택에 한계가 존재한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발광소자나 태양전지의 필수구성인 기판과 전극을 유연성 금속기판으로 대체하고, 금속기판의 일면을 산화하거나 증착하여 정공수송층이 형성되도록 한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층의 일측을 산화시켜 형성한 산화니켈로 이루 어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층의 일측에 산화니켈을 증착하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 전도성박막층은, 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 산화니켈은, 산소분위기에서 전도성박막층을 열처리하여 형성된 것임을 특징으로 한다.
상기 산화니켈은, 물리적 증착법과 화학적 증착법 중 어느 하나의 방법으로 증착된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층을 준비하는 재료준비단계와, 상기 전도성박막층을 산소분위기에서 열처리하여 산화층을 형성하는 산화층형성단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법에 있어서, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층을 준비하는 재료준비단계와, 반응가스분위기에서 상기 전도성박막층의 일면에 산화층을 증착하는 산화층형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 재료준비단계에서, 상기 전도성박막층은 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 합금인 것을 특징으로 한다.
상기 산화층형성단계에서, 상기 산화층은 NiO 인 것을 특징으로 한다.
상기 산화층형성단계는 50 내지 1400℃ 온도에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 산화층형성단계에서, 상기 산화니켈은 물리적 증착법과 화학적 증착법 중 어느 하나의 방법으로 증착된 것을 특징으로 한다.
상기 산화층형성단계 실시 중, 상기 반응가스에 포함된 산소의 함량은 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 생산성이 향상되며, 산화층 형성시에 조건을 선택적으로 변경하여 발광소자 또는 태양전지 각각에 적합한 정공수송층을 제조할 수 있는 이점이 있다.
이하 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광소자 및 태양전지의 구성을 살펴본다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 발광소자 및 태양전지의 구성을 나타낸 개략도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 발광소자와 태양전지는 그 구성이 서로 유사하다. 즉, 상기 발광소자 및 태양전지는, 전극, 전도성박막층(10), 전도성박막층(10)의 일면에 구비된 정공수송층(20), 상기 전극 일면에 구비된 전자수송층, 상기 전자수송층과 정공수송층(20) 사이에 위치하는 발광층 및 광흡수층을 포함하여 구성된다.
즉, 실시예가 발광소자로 적용되는 경우 상기 전자수송층과 정공수송층(20) 사이에는 발광층이 구비되며, 실시예가 태양전지로 적용되는 경우 상기 전자수송층과 정공수송층(20) 사이에는 광흡수층이 구비된다.
상기 전극, 전자수송층, 발광층 및 광흡수층은 일반적인 구성이며, 일반적인 제조 방법으로 형성 가능하므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하 상기 전도성박막층(10) 및 정공수송층(20)의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 전도성박막층(10)은 전하를 공급하는 전극역할과 지지대 역할을 동시에 수행하는 것으로, 전도성을 가지는 재질의 금속으로 적용 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 니켈(Ni)이 포함된 합금이 적용되었다.
그리고, 상기 전도성박막층(10)의 상측에는 정공수송층(20)이 구비된다. 상기 정공수송층(20)은 본 발명의 요부 구성으로서, 상기 전도성박막층(10)의 일부를 열처리하거나, 전도성박막층(10) 외면에 증착하여 형성된다.
즉, 상기 정공수송층(20)은 전도성박막층(10)의 외면을 산소분위기에서 열처리하여 형성된 산화층과 대응될 수 있으며, 상기 전도성박막층(10)의 외면에 반응가스분위기에서 산화층을 증착하여 형성된 산화층과 대응될 수 있다.
따라서, 상기 정공수송층(20)은 산화니켈(NiO)로 구성되어 상기 전도성박막층(10)과 동일한 니켈(Ni)이 포함될 수 있게 된다.
이하 첨부된 도 2를 참조하여 상기 정공수송층(20)을 형성하는 방법을 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 상기 정공수송층을 제조하는 방법은, 유연성금속으로 이루어진 전도성박막층(10)을 준비하는 재료준비단계(S100)와, 상기 전도성박막층(10) 일측 에 정공수송층(20)과 대응되는 산화층을 형성하는 산화층형성단계(S200)로 이루어진다.
상기 재료준비단계(S100)에서 상기 전도성박막층(10)은 전도성 금속, 보다 바람직하게는 니켈 또는 니켈을 포함하는 합금으로 준비된다.
이후 상기 산화층형성단계(S200)에서 정공수송층(20)이 될 산화층을 형성하게 되는데, 이때 상기 산화층형성단계(S200)에서는 두 가지 실시예로서 산화층의 형성이 가능하게 된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는 전도성박막층(10)을 산소분위기에서 50 내지 1400℃의 온도로 열처리함으로써 산화층의 형성이 가능하며, 다른 실시예에서는 전도성박막층(10)의 표면에 반응가스 분위기에서 물리적 또는 화학적 증착방법으로 증착함으로써 산화층의 형성이 가능하다.
이때 상기 반응가스는 산소가 포함되어 상기 산화층의 조성은 산화니켈(NiO)이 된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
전도성박막층 : Ni-5at.%W 합금 metal tape, 4㎜(폭) × 15㎜(길이) × 0.8㎜(두께)
열처리 온도 : 0 - 800℃
분위기 가스 : 100% 산소, 2L/min 유량
상기 [실시예 1]에 따라 제조된 정공수송층(20)에 대한 실험 데이터는 도 3 및 도 4와 같다.
즉, 도 3은 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 전도성박막층(10)을 열처리시에 열처리 온도 변화에 따른 표면 변화를 나타낸 사진이고, 도 4는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 전도성박막층(10)을 열처리시에 열처리 온도 변화에 따른 비저항 및 표면조도 변화를 나타낸 표이다.
이들 도면과 같이, Ni-5 at. %W 합금이 적용된 전도성박막층(10)을 열처리시에 전도성박막층(10)의 표면에는 정공수송층(20)으로 사용될 산화니켈(NiO)이 형성되었으며, 산화니켈(NiO)의 표면조도를 살펴보면, Ni-5%W 금속기판의 표면조도는 Root Mean Square값으로 약 7.723㎚를 나타냈으나, 열처리온도를 점차 증가함에 따라 표면조도가 점차 줄어들다가 500℃에서는 2.268㎚의 표면조도를 나타내었다.
이런 결과로 볼 때, 열처리온도가 0℃에서 500℃까지 증가하는 동안에는 전도성박막층(10)의 표면에 있던 유기물 등의 불순물이 태워져 제거됨에 따라 표면조도가 가소한 것으로 판단되며, 열처리온도가 500℃ 이상으로 올라가면 갈수록 표면조도가 높아져 800℃에 이르러서는 70.221㎚의 표면조도를 나타내었다.
그리고, 상기 정공수송층(20)의 표면 색깔은 400℃까지는 순수 Ni-5 at. %W 기판과 유사한 금속빛깔을 보여주었고, 500℃에서는 어두운 노란색을 보여주었으며, 이후 600℃부터는 녹색을 띄었다.
따라서, 반도체 나노입자 즉 양자점을 이용한 발광소자나 태양전지에서는 표 면조도가 매우 중요하므로 정공수송층(NiO)에 대하여 기계적 또는 화학적 연마를 실시하여 1nm이하로 표면조도를 얻었다.
이때 상기 정공수송층의 비저항은 도 4와 같이 400℃의 열처리온도까지는 크게 변화를 보이지 않았으나, 열처리온도가 500℃인 경우에는 10-4~~10- 3값을, 열처리온도가 600℃인 경우에는 10-2~102값으로 측정되었다.
또한, 열처리 온도가 700℃이상으로 증가하게 되면 104를 초과하는 비저항을 나타내었다.
따라서, 상기와 같은 결과로 볼 때 열처리에 의한 정공수송층 형성시에는 열처리온도를 보다 정확하게 제어함으로써 정공수송층에 요구되는 비저항값을 부여할 수 있을 것이다.
[실시예 2]
전도성박막층 : Ni-5 at. %W 합금 metal tape, 4㎜(폭) × 15㎜(길이) × 0.8㎜(두께)
Base 진공 : < 5×10-6Torr
분위기 가스 : Ar, O2
증착 온도 : 상온
증착 압력 : ~6mTorr
증착 시간 : 20분
상기 [실시예 2]에 따라 제조된 정공수송층에 대한 실험 데이터는 도 5와 같다.
즉, 도 5는 본 발명에 의한 발광소자 및 태양전지용 정공수송층 제조방법에서 일 단계인 산화층형성단계 중 산소함량 변화에 따른 저항 및 표면조도 변화를 나타낸 표이며, 상기 산화층형성단계(S200)에서는 정공수송층(20)을 형성하기 위해서 스퍼터링증착법이 적용되었다.
도면과 같이, 산소와 아르곤이 혼합된 반응가스에서 산소 함량의 변화에 따라 정공수송층(20)의 저항값이 변하는 것을 알 수 있다.
즉, 100% 순수 아르곤가스 분위기에서는 ~0.6MΩ의 저항값을 나타냈으나, 산소함량이 2.5, 5, 10%로 점차 증가함에 따라 저항값은 각각 ~5KΩ, ~1KΩ, ~100Ω을 나타내어 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 정공수송층(20)의 표면 색깔에서도 산소의 함량 변화에 따른 변화를 나타내었다.
즉, 순수 아르곤가스 분위기에서는 노란색을 띄었으나, 산소 함량이 증가함에 따라 엷은 푸른색, 진한 푸른색으로 변화하다가 보라색을 나타내었다.
한편, 표면 조도는 상기 정공수송층(20)이 형성되지 않은 전도성박막층(Ni-5 at. %W metal tape)의 표면 조도가 약 5㎚ 정도임에 반하여 NiO로 구성된 정공수송층(20)의 표면조도는 1~2㎚로 감소하였다.
그리고, 한편 10%의 산소가 포함된 반응가스의 경우 상기 정공수송층(20)이 형성되지 않은 전도성박막층(Ni-5 at. %W metal tape)의 표면조도보다 조금 더 큰 값으로 나왔는데, 이것은 스퍼터링증착 중에 산소 가스가 대량 제공됨에 따른 산화니켈(NiO)의 grain 성장이 발생된 때문으로 판단된다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어 본 발명의 실시예에서는, 전도성박막층으로 니켈합금이 적용되었으나, 산화층형성단계에서 열처리에 의해 산화층(NiO)을 형성할 수 있는 범위 내에서 순수니켈이 적용될 수도 있음은 자명하다.
또한 본 발명의 실시예에서는, 전도성박막층으로 니켈이 포함된 금속이 적용되었으나, 산화층형성단계에서 증착에 의해 산화층(NiO)을 형성할 수 있는 범위 내에서 전도성을 가지는 금속이라면 다양하게 변경 적용이 가능함은 물론이다.
본 발명에서는, 발광소자나 태양전지의 필수구성인 기판과 전극을 유연성 금속기판으로 이루어진 전도성박막층으로 대체하고, 금속기판의 일면을 산화하거나 증착하여 정공수송층이 형성되도록 구성하였다.
따라서, 발광소자 및 태양전지의 다층 구조를 보다 단순화시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 대기중의 산소나 수분에 대하여 보다 안정한 정공수송층을 얻을 수 있 는 이점이 있다.
뿐만 아니라, 반응가스의 산소 함량과 열처리온도를 제어함으로써 발광층 또는 광흡수층에 요구되는 특성을 조절할 수 있게 되는 이점이 있다.
Claims (12)
- 발광소자 및 태양전지용 정공수송층에 있어서,유연성금속으로 이루어진 전도성박막층의 일측을 산화시켜 형성한 산화니켈로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층.
- 발광소자 및 태양전지용 정공수송층에 있어서,유연성금속으로 이루어진 전도성박막층의 일측에 산화니켈을 증착하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전도성박막층은,니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화니켈은,산소분위기에서 전도성박막층을 열처리하여 형성된 것임을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층.
- 제 2 항에 있어서, 상기 산화니켈은,물리적 증착법과 화학적 증착법 중 어느 하나의 방법으로 증착된 것을 특징 으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층.
- 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법에 있어서,유연성금속으로 이루어진 전도성박막층을 준비하는 재료준비단계와,상기 전도성박막층을 산소분위기에서 열처리하여 산화층을 형성함으로써 정공수송층을 형성하는 산화층형성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
- 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법에 있어서,유연성금속으로 이루어진 전도성박막층을 준비하는 재료준비단계와,반응가스분위기에서 상기 전도성박막층의 일면에 산화층을 증착하여 정공수송층을 형성하는 산화층형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 재료준비단계에서,상기 전도성박막층은 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 산화층형성단계에서,상기 산화층은 NiO 인 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송 층의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 산화층형성단계는 50 내지 1400℃ 온도에서 실시됨을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 산화층형성단계에서,상기 산화니켈은 물리적 증착법과 화학적 증착법 중 어느 하나의 방법으로 증착된 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 산화층형성단계가 실시 중,상기 반응가스에 포함된 산소의 함량은 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 발광소자 및 태양전지용 정공수송층의 제조방법.
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