KR20120079803A - 투명 전극 기판, 그 제조 방법, 이 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
[과제] 광선 투과율이 높게 유지되는 동시에, 표면 저항율이 낮고, 도전성이 뛰어난 투명 전극 기판, 그 제조 방법, 이 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지를 제공하는 것.
[해결 수단] 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어지는 투명 전극 기판, 투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층을 형성하고, 상기 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성하며, 상기 도전성 금속층을 포토레지스트 패터닝 처리함으로써 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 상기 금속 메쉬층의 면에 제 2 투명 도전층을 형성하여 상기 도전성 금속 메쉬층을 상기 투명 도전층에 의해 피복하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 기판의 제조 방법, 상기 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지이다.
[해결 수단] 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어지는 투명 전극 기판, 투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층을 형성하고, 상기 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성하며, 상기 도전성 금속층을 포토레지스트 패터닝 처리함으로써 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 상기 금속 메쉬층의 면에 제 2 투명 도전층을 형성하여 상기 도전성 금속 메쉬층을 상기 투명 도전층에 의해 피복하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 기판의 제조 방법, 상기 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지이다.
Description
본 발명은 투명 전극 기판, 그 제조 방법 및 이 투명 전극 기판을 가지는 태양 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 광선 투과율이 높은 투명 전극 기판, 그 제조 방법, 이 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지에 관한 것이다.
최근 유기 전계 발광(유기 EL), 유기 태양 전지를 포함한 각종 태양 전지, 터치 패널이나 휴대 전화, 전자 페이퍼 등에 있어서, 투명 도전층을 가지는 투명 전극 기판이 활발히 검토되고 있다.
유리 기판 등의 기판 상에 투명 도전층이 형성된 투명 전극 기판은 태양 전지, 유기 EL 소자 등의 전자 디바이스의 전극으로서 일반적으로 사용되고 있다. 그렇지만, 통상의 주석 도프 산화인듐(이하, ITO라고 함) 등의 금속 산화물층을 투명 도전층으로서 이용한 투명 전극 기판은 표면 저항율이 낮지 않은데다 ITO 자체의 체적 저항율도 높다. 유기 EL, 각종 태양 전지, 터치 패널, 휴대 전화, 전자 페이퍼 등의 투명 도전 기판으로는, 예를 들어, 5Ω／□ 정도 이하의 표면 저항율을 가지는 투명 도전 기판이 요구된다.
이와 같은 요구에 대하여, 투명 도전층보다도 체적 저항율이 극히 낮은 금속 재료층을 보조 전극으로서 이용하는 투명 전극 기판이 검토되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 기판 상에 투명 산화물층, 금속층, 투명 산화물층이 이 순서로 적층되어서 이루어지는 투명 도전막 부착 기체가 개시되어 있다. 그렇지만, 이와 같은 구성에서는 광선 투과율이 낮아 박막 디바이스의 투명 전극 기판으로는 실용적이지 않다. 또, 금속층이 투명 산화물층의 전면에 적층되어 있기 때문에, 금속층의 열화에 의해 상기 투명 도전막 부착 기체를 이용한 박막 디바이스의 내구성이 문제가 되는 경우가 있다.
또, 특허문헌 2에는 기판 상에 형성된 ITO로 이루어진 제 1 전극 상에 금속으로 이루어진 스트라이프 모양 또는 메쉬 형상의 보조 전극층이 형성되고, 그 위에 발광 영역을 확정하는 발광층과, 그 위에 형성된 제 2 전극을 포함하는 전계 발광 패널이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는 투명 기판과 상기 투명 기판 상에 순서없이 적층된 금속 박막으로 이루어진 메쉬 전극 및 투명 전극과, 상기 메쉬 전극 및 투명 전극 상에 형성된 광전 변환층과, 상기 광전 변환층 상에 형성된 대향 전극을 가지는 유기 박막 태양 전지가 개시되어 있다.
그렇지만, 이와 같은 구조에서는 금속의 부식에 의한 열화 등의 문제가 일어날 가능성이 있다.
특허문헌 4에는 투명한 기재 시트의 적어도 한쪽 면에 비(卑)금속 또는 비금속으로 이루어진 합금제의 도전성 금속 메쉬층과 도전성 고분자층으로 이루어진 투명 도전성층을 가지는 투명 도전성 필름이, 특허문헌 5에는 투명 지지체 상에 적어도 1종의 금속에 의해 형성된 메쉬 형상의 도전층을 가지는 투명 도전막으로서, 이 도전층 상에 이동(migration) 방지제를 함유하는 투명 도전층이 마련되어 있는 투명 도전막이, 특허문헌 6에는 기판 상에 투명 도전막이 형성되어서 이루어지는 색소 증감형 태양 전지용 전극에 있어서, 이 기판과 투명 도전막 사이에 이 투명 도전막보다도 저항값이 낮은 도전체를 마련한 색소 증감형 태양 전지용 전극이 개시되어 있다.
그렇지만, 태양 전지, 유기 EL 소자 등의 전자 디바이스의 전극으로서 투명 전극 기판에는 투명성이나 도전성 및 내구성의 추가적인 향상이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결한, 광선 투과율이 높고, 도전성 뛰어난 투명 전극 기판, 그 제조 방법 및 이 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 열심히 검토한 결과, 하기와 같은 층 구성으로 함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다는 것을 알아내어 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명은 하기
(1) 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어진 투명 전극 기판,
(2) 상기 투명 도전층이 금속 산화물로 이루어진 층인 상기 (1)에 기재된 투명 전극 기판,
(3) 상기 도전성 금속 메쉬층의 두께가 1~100㎚인 상기 (1)에 기재된 투명 전극 기판,
(4) 상기 도전성 금속 메쉬층의 개구부의 개구율이 75% 이상인 상기 (1)에 기재된 투명 전극 기판,
(5) 상기 투명 도전층이 산화인듐을 주성분으로 하는 층인 상기 (1)에 기재된 투명 전극 기판,
(6) 상기 도전성 금속 메쉬층이 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄, 니켈 및 크롬으로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어진 층인 상기 (1)에 기재된 투명 전극 기판,
(7) 투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층을 형성하고, 상기 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성하며, 상기 도전성 금속층을 포토레지스트 패터닝 처리함으로써 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 상기 금속 메쉬층의 면에 제 2 투명 도전층을 형성하여 상기 도전성 금속 메쉬층을 상기 투명 도전층에 의해 피복하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 기판의 제조 방법,
(8) 상기 투명 기재의 한쪽 면에 형성되는 제 1 투명 도전층의 두께가 10~1000㎚인 상기 (7)에 기재된 투명 전극 기판의 제조 방법,
(9) 상기 금속 메쉬층의 면에 형성되는 제 2 투명 도전층의 두께가 1~200㎚인 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 투명 전극 기판의 제조 방법,
(10) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스, 및
(11) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
본 발명의 투명 전극 기판은 광선 투과율이 높게 유지되는 동시에, 표면 저항율이 낮고, 도전성이 뛰어나다. 또, 본 발명의 투명 전극 기판을 사용한 태양 전지에서는 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 투명 전극 기판을 사용한 태양 전지의 일례인 유기 박막 태양 전지의 단면을 나타내는 모식도이다.
도 2는 도전성 금속 메쉬층 형상의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도전성 금속 메쉬층 형상의 일례를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
＜투명 전극 기판＞
본 발명의 투명 전극 기판은 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어지는 것이다.
이하, 본 발명의 투명 전극 기판의 구성 재료에 대하여 설명한다.
[투명 기재]
투명 기재로는 투명성의 관점으로부터 전광선 투과율이 85％ 이상인 것이 바람직하고, 이와 같은 투명 기재로는 일반적으로는, 유리(판) 또는 플라스틱 필름 등이 사용된다.
플라스틱 필름의 종류로는, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 트리아세틸 셀룰로오스, 신디오택틱(syndiotactic) 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카보네이트, 폴리알릴레이트, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리에테르이미드, 환상 폴리올레핀 등으로 이루어진 플라스틱 필름을 들 수 있다. 그 중에서도 기계적 강도, 내구성, 투명성, 범용성 등이 뛰어난 것으로서 유리(판)이나 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리알릴레이트 등으로 이루어진 플라스틱 필름이 바람직하다. 투명 기재의 두께는 기계 강도, 내구성 및 투명성의 밸런스의 관점으로부터 3㎛~5㎜가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5㎛~3㎜이며, 특히 바람직하게는 10㎛~1㎜이다.
[투명
도전층
]
투명 도전층의 재료로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도전성 금속 산화물, 예를 들면 인듐, 주석, 아연, 갈륨 등의 산화물 및 이들 원소의 복합 산화물 등을 들 수 있다.
보다 구체적으로는, 주석 도프 산화인듐(ITO), 산화이리듐(IrO2), 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2), 불소 도프 산화주석(FTO), 산화인듐-산화아연(IZO), 산화아연(ZnO), 갈륨 도프 산화아연(GZO), 알루미늄 도프 산화아연(AZO), 산화몰리브덴(MoO3), 산화티탄(TiO2) 등을 들 수 있다.
투명 도전층의 두께는 20~1200㎚인 것이 바람직하고, 30~1000㎚인 것이 더욱 바람직하며, 35~700㎚인 것이 특히 바람직하다.
투명 기재 상에 투명 도전층을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 이들 투명 도전층의 재료를 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 PVD(물리 기상 증착), 혹은 열 CVD, 원자층 퇴적(ALD) 등의 CVD(화학 기상 증착) 등의 드라이 프로세스, 또는 웨트 프로세스인 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등의 공지의 방법에 의해 형성할 수 있고, 투명 기재나 투명 도전층의 재료에 따라 적절히 선택된다.
투명 도전층은 표면 저항율이 50Ω／□ 이하인 것이 바람직하고, 10Ω／□ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
표면 저항율이 50Ω／□을 넘으면, 예를 들어 투명 전극 기판을 박막 태양 전지에 적용했을 경우, 내부 저항이 크기 때문에 광전 변환 효율이 저하되는 일이 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명의 투명 전극 기판에 있어서, 투명 도전층은 내부에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 형태로 투명 기재의 한쪽 면에 적층되어 있다.
도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층은 투명 기재의 한쪽 면에 형성되어 있고, 도전성 금속 메쉬층은 투명 도전층의 투명 기재측과 반대측 표면에 가까운 쪽에 매설되어 있는 것이 바람직하다.
즉, 도전성 금속 메쉬층은 투명 도전층 전체의 두께를 100％로 했을 경우, 투명 도전층 전체 두께의 투명 기재측으로부터 50~99％의 거리의 범위의 위치에 매설되어 있는 것이 바람직하다.
도전성 금속 메쉬층이 매설되는 위치가 이 범위이면, 도전성이 양호하다. 이것은 도전성이 뛰어난 도전성 금속 메쉬층이 투명 도전층의 투명 기재와 반대측 면에 가까운 쪽에 매설되어 있음으로써 투명 도전층의 표면 저항율을 저하시켜 도전성을 향상시킬 수 있기 때문이라고 생각된다.
[도전성 금속
메쉬층
]
본 발명의 투명 전극 기판에 있어서, 도전성 금속 메쉬층은 금속 또는 합금으로 이루어지고, 투명 기재의 한쪽 면에 형성된 투명 도전층에 매설되어 있다. 도전성 금속 메쉬층으로는 금속 그리드 패턴에 의한 미세 메쉬 구조의 층을 들 수 있다.
도전성 금속 메쉬층은 두께 방향으로 관통한 개구부를 가진다.
개구부의 개구율로는 투명성의 관점으로부터 75％ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80％ 이상이며, 더욱 바람직하게는 90％ 이상이다. 개구율은 이하와 같이 구해진다.
개구율(％)
= [개구부의 면적／(도전성 금속 메쉬층의 면적＋개구부의 면적)]×100％
도전성 금속 메쉬층의 형상은 개구부를 가지고 있으면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 것 같은 정방형, 장방형, 육각형 등의 주기성이 있는 메쉬 형상 등을 들 수 있다.
개구부의 피치는 0.1~10㎜가 바람직하고, 보다 바람직하고 0.5~5㎜이다. 개구부의 피치가 0.1㎜ 미만인 경우 투명성이 저하되는 경우가 있고, 10㎜를 넘으면 도전성이 향상되는 효과를 얻기 어렵다.
도전성 금속 메쉬층의 선폭은 10㎚~1000㎛가 바람직하고, 20㎚~500㎛가 보다 바람직하다. 선폭이 1000㎛를 넘으면 개구율이 낮아지기 때문에 투명성이 저하되는 경우가 있고, 10㎚ 미만이면 도전성이 향상되는 효과를 얻기 어렵다.
도전성 금속 메쉬층의 두께는 1~100㎚가 바람직하고, 보다 바람직하게는 2~50㎚ 정도이다. 1㎚ 이상으로 함으로써 도전성을 유지할 수 있고, 100㎚ 이하로 함으로써 전체의 두께를 얇게 유지하는 것이 가능하며, 또한 재료의 쓸데없음을 생략할 수 있다.
도전성 금속 메쉬층을 형성하기 위한 재료로는 금속이나 합금을 들 수 있다. 예를 들면, 금, 은, 구리, 알루미늄, 티탄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 아연, 주석, 이리듐, 인듐, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 이리듐, 하프늄, 니오브, 탄탈, 텅스텐, 마그네슘 등의 단체 금속, 혹은 이들의 군으로 이루어진 금속 중 적어도 1종을 주체로 하는 합금 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 내부식성이 있고, 도전성이 높다는 관점으로부터, 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄, 티탄, 니켈 및 크롬의 금속이 바람직하고, 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄, 니켈 및 크롬이 보다 바람직하다.
합금으로는 스테인리스, 니켈-크롬, 인코넬(상품명), 청동, 인 청동, 황동, 듀랄루민, 백동, 인발, 모넬, 니켈 인 합금 등의 금속 인 화합물, 니켈 붕소 등의 금속 붕소 화합물, 질화티탄 등의 금속 질화물 등 적절히 선택 가능하다. 특히, 구리를 주체로 하는 합금이나, 니켈을 주체로 하는 합금, 코발트를 주체로 하는 합금, 크롬을 주체로 하는 합금, 알루미늄을 주체로 하는 합금은 도전성이 뛰어나고 가공성도 양호해서 바람직하게 이용된다.
도전성 금속 메쉬층은 금속이나 합금으로 이루어진 단층이어도 되고, 적어도 2종류 이상의 금속이나 합금으로 이루어진 층을 적층한 다층 구조여도 된다.
다음에, 투명 기재 상에 마련된 투명 도전층의 내부에 도전성 금속 메쉬층을 매설하는 방법에 대하여 설명한다.
도전성 금속 메쉬층을 매설하는 방법으로는, 특별히 한정되지 않으며 도전성 금속 메쉬층의 재료, 메쉬의 형상에 따라 공지의 방법을 적절히 선택 이용할 수 있다. 예를 들면, 투명 기재 상에 마련된 투명 도전층 상에 미리 제작한 도전성 금속 메쉬층을 접착제나 도전성의 페이스트 등을 이용해 붙이고, 추가로 그 위에 투명 도전층을 형성하는 방법이나, 투명 기재 상에 마련된 투명 도전층 상에 잉크젯법, 스크린 인쇄법 등에 의해 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 추가로 그 위에 투명 도전층을 형성하는 방법, 또는 투명 기재 상에 마련된 투명 도전층 상에 메쉬 가공되어 있지 않은 도전성 금속층(이하, 단순히 도전성 금속층이라고 하는 경우가 있음)을 형성하고, 이 도전성 금속층을 메쉬 형상으로 가공해 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 추가로 그 위에 투명 도전층을 형성하는 방법 등을 들 수 있다.
이하, 도전성 금속 메쉬층을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
우선, 상술한 방법에 의해 투명 기재 상에 마련된 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성한다. 상기 방법은 도전성 금속층의 재료에 따라 적절히 선택된다.
다음에, 형성된 도전성 금속층에 대하여 포토리소그래피법을 이용하여 에칭해 메쉬 패턴을 형성하는 방법 등 각종 공지의 기계적 처리 또는 화학적 처리 등을 실시함으로써 메쉬 형상으로 가공해 도전성 금속 메쉬층이 형성된다.
상기와 같이, 형성된 도전성 금속 메쉬층 상에 추가로 상술한 방법에 의해 투명 도전층을 형성함으로써, 도전성 금속 메쉬층이 투명 도전층의 내부에 매설된 형태의 본 발명의 투명 전극 기판을 얻을 수 있다.
본 발명에서는 투명 도전층 중에 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있으므로, 종래와 같은 메쉬 가공되어 있지 않은 도전성 금속층이 투명 도전층의 사이에 마련되어 있는 구조의 것과 비교해서 투명 전극 기판의 투명성이 향상된다. 또, 나아가 종래와 같은 투명 기재 상에 투명 도전층만이 직접 마련되어 있는 구조의 투명 전극 기판이나, 도전성 금속 메쉬층이 투명 기재 상에 직접 마련되고, 그 위에 투명 도전층이 마련되어 있는 투명 전극 기판(즉, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 투명 도전층이 마련되어 있는 투명 전극 기판)과 비교해서 표면 저항율이 낮고, 도전성이 우수하다.
[투명 전극 기판의 제조 방법]
다음에, 본 발명의 투명 전극 기판을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 투명 전극 기판의 제조 방법은 하기와 같다.
우선, 투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층을 형성하고, 상기 제 1 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성하고, 상기 도전성 금속층을 포토레지스트 패터닝 처리 등에 의해 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 상기 금속 메쉬층의 면에 제 2 투명 도전층을 형성하여 상기 도전성 금속 메쉬층을 상기 제 2 투명 도전층에 의해 피복하고 도전성 금속 메쉬층을 투명 도전층 중에 매설하는 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서, 포토레지스트 패터닝 처리란 포토리소그래피법을 이용해 도전성 금속층을 에칭해 도전성 금속층에 메쉬 패턴을 형성하는 것이다.
이 방법에 따르면, 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어지는 본 발명의 투명 전극 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
도전성 금속층을 형성하기 위한 재료로는 상술한 도전성 금속 메쉬층을 형성하는 재료와 동일한 것을 들 수 있고, 도전성 금속층을 형성하는 방법으로는 상술한 투명 도전층을 형성하는 방법과 동일한 것을 들 수 있으며, 도전성 금속층의 재료에 따라 적절히 선택된다. 구체적으로는, 예를 들면 은이나 구리와 같은 재료를 이용하여 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 PVD(물리 기상 증착), 혹은 열 CVD, 원자층 퇴적(ALD) 등의 CVD(화학 기상 증착) 등의 드라이 프로세스, 또는 웨트 프로세스인 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등의 공지의 방법에 의해 도전성 금속층을 형성할 수 있다.
제 1 투명 도전층 및 제 2 투명 도전층을 형성하기 위한 재료로는 상술한 투명 도전층을 형성하는 재료와 동일한 것을 들 수 있다.
투명 기재의 한쪽 면에 형성되는 제 1 투명 도전층 및 도전성 금속 메쉬층 상에 형성되는 제 2 투명 도전층의 재료는 동일한 것이어도 되고, 상이한 것이어도 되지만 동일한 재료인 것이 바람직하다.
제 1 투명 도전층 및 제 2 투명 도전층을 형성하는 방법으로는 상술한 투명 도전층을 형성하는 방법과 동일한 것을 들 수 있고, 투명 도전층의 재료에 따라 적절히 선택된다.
또, 통상 도전성 금속 메쉬층 상에 형성되는 제 2 투명 도전층의 두께는 투명 기재의 한쪽 면에 형성되는 제 1 투명 도전층의 두께보다 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
투명 기재의 한쪽 면에 형성되는 제 1 투명 도전층의 두께는 투명성과 도전성의 관점으로부터, 통상 10~1000㎚, 바람직하게는 10~500㎚, 특히 30~300㎚인 것이 바람직하다.
도전성 금속 메쉬층 상에 형성되는 제 2 투명 도전층의 두께는 통상 1~200㎚, 바람직하게는 10~200㎚, 더욱 바람직하게는 20~100㎚, 특히 바람직하게는 25~50㎚이다. 상기 본 발명의 투명 전극 기판은 투명성 및 도전성이 뛰어나기 때문에 각종 전자 디바이스에 전극으로서 적용할 수 있다.
＜전자
디바이스
＞
본 발명의 전자 디바이스는 상기 본 발명의 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 투명 전극 기판을 적용할 수 있는 전자 디바이스로는 트랜지스터, 메모리, 유기 EL, 유기 태양 전지 등의 유기 디바이스；액정 디스플레이；전자 페이퍼；박막 트랜지스터；일렉트로크로믹；전기 화학 발광 디바이스；터치 패널；디스플레이；광전 변환 디바이스；열전 변환 디바이스；압전 변환 디바이스；축전 디바이스 등을 들 수 있다.
＜태양 전지＞
본 발명의 태양 전지는 상기 본 발명의 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 투명 전극 기판을 적용할 수 있는 태양 전지로는 유기 박막 태양 전지, 박막 실리콘형 태양 전지, 하이브리드형 태양 전지, 다접합형 태양 전지, 구상 실리콘형 태양 전지, 전계 효과형 태양 전지, 색소 증감 태양 전지 등 여러 가지의 것을 들 수 있다. 그 중에서도 본 발명의 태양 전지는 상기 본 발명의 투명 전극 기판을 가지는 유기 박막 태양 전지인 것이 바람직하다.
여기에서는 유기 박막 태양 전지를 예로 들어 설명한다.
도 1은 본 발명의 태양 전지의 일례인 유기 박막 태양 전지를 구성하는 층의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1에 있어서, 1은 투명 기재, 2는 제 1 투명 도전층, 3은 도전성 금속 메쉬층, 4는 제 2 투명 도전층, 5는 광전 변환층, 6은 전극, 7은 기재층, 8은 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층, 9는 본 발명의 투명 전극 기판, 10이 유기 박막 태양 전지다.
[
광전
변환층
]
광전 변환층(도 1에서의 5)은 광전 변환을 실시하는 층으로, 원료의 저비용화, 유연성, 형성의 용이성, 흡광 계수의 높이, 경량화, 내충격성 등의 관점으로부터 유기 반도체인 것이 바람직하다.
광전 변환층은 단층으로 이루어져도 되고, 복수층으로 이루어져도 된다. 단층인 경우에는 광전 변환층은 통상 진성 반도체(i형 반도체)로부터 형성된다.
또, 복수층인 경우 (p형 반도체층／n형 반도체층)의 적층 또는 (p형 반도체층／진성 반도체층／n형 반도체층) 등이다.
광전 변환층의 두께는 단층 또는 복수층인 경우에서 상이하지만, 도전성, 여기자 확산 거리라는 관점으로부터, 일반적으로는 30㎚~2㎛인 것이 바람직하고, 특히 40㎚~300㎚인 것이 바람직하다.
이하, 광전 변환층에 이용되는 유기 반도체에 대하여 설명한다.
(1) 진성 반도체
진성 반도체의 재료로는, 예를 들면 풀러렌, 풀러렌 유도체, 반도체성을 가지는 카본 나노 튜브(CNT) 및 CNT 화합물 중 적어도 1종류로 이루어진 제 1 재료와 폴리페닐렌비닐렌(PPV)의 유도체 또는 폴리티오펜계 고분자 재료로 이루어진 제 2 재료를, 얻어지는 반도체가 진성 반도체가 되도록 혼합한 혼합물을 사용할 수 있다.
풀러렌 유도체로는, 예를 들면 [6,6]-페닐-C61-부티르산메틸(PCBM) 등을 이용할 수 있고, 또 풀러렌의 2량체, 또는 알칼리 금속 혹은 알칼리 토류 금속 등을 도입한 풀러렌 화합물 등도 이용할 수 있다. 또, CNT로는 풀러렌 또는 금속 내포 풀러렌을 내포한 카본 나노 튜브 등을 이용할 수 있다. 나아가, CNT의 측벽이나 선단에 여러 가지 분자를 부가한 CNT 화합물 등도 이용할 수 있다.
폴리페닐렌비닐렌의 유도체로는 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌-비닐렌](MEH-PPV) 등을 이용할 수 있고, 폴리티오펜계 고분자 재료로는 폴리-3-헥실티오펜(P3HT) 등의 폴리(3-알킬티오펜), 디옥틸플루오렌 염화티오펜 공중합체(F8T2) 등을 이용할 수 있다.
특히 바람직한 진성 반도체로는 PCBM와 P3HT를 질량비로 1：0.3~1：4로 혼합한 혼합물을 들 수 있다.
(2) p형 반도체
p형 반도체의 재료로는, 예를 들면 폴리알킬티오펜 및 그 유도체, 폴리페닐렌 및 그 유도체, 폴리페닐렌비닐렌 및 그 유도체, 폴리실란 및 그 유도체, 포르피린 유도체, 프탈로시아닌 유도체, 유기 금속 폴리머 등을 들 수 있다. 그 중에서도 폴리알킬티오펜 및 그 유도체가 바람직하다. 또, 이들 유기 재료의 혼합물이어도 된다. 도전성 고분자 화합물로는 폴리(3,4)-에틸렌디옥시티오펜／폴리스티렌설포네이트(PEDOT：PSS)를 바람직하게 사용할 수 있다.
(3) n형 반도체
n형 반도체의 재료로는, 특히 풀러렌 유도체가 바람직하다. 풀러렌 유도체로는, 예를 들면 [6,6]-페닐-C61-부티르산메틸(PCBM) 등을 이용할 수 있다.
광전 변환층(5)을 형성하는 방법으로는 진공 증착법, 스퍼터링법 등의 드라이 프로세스, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 바 코팅 등의 각종 코팅 프로세스 등이 적절히 선택된다.
[전극]
전극(도 1에서의 6)의 재료로는 대향 전극이 되는 투명 도전층의 재질(예를 들면, ITO 전극)에 비해 일 함수의 차가 큰 것이 바람직하다. 예를 들면, 은, 알루미늄, 백금, 금, 이리듐, 크롬, 산화아연 등의 금속, 금속 산화물 혹은 합금 외, 상기 금속, 금속 산화물 혹은 합금과의 복합체를 들 수 있다.
전극의 두께는 20㎚~1㎛인 것이 바람직하고, 특히 30~100㎚인 것이 바람직하다.
광전 변환층(5) 상에 전극(6)을 형성하는 방법으로는, 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 PVD(물리 기상 증착)를 들 수 있고, 대향 전극의 재료(일 함수 등)에 따라 적절히 선택된다.
[
기재층
]
기재층(도 1에서의 7)으로는 일반적으로 유리(판) 또는 플라스틱 필름을 들 수 있고, 전자 디바이스의 용도에 따라 적절히 선택된다. 플라스틱 필름으로는, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 테트라아세틸 셀룰로오스, 신디오택틱 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카보네이트, 폴리알릴레이트, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리에테르이미드, 환상 폴리올레핀 등의 필름을 들 수 있고, 기계적 강도, 내구성 등이 뛰어난 것이 바람직하다.
실시예
이하, 참고예, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것들에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
＜
실시예
1＞
[투명 전극 기판의 제작]
투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층이 적층된 기판으로서, 지오마텍(주)제, 제품명 「플랫 ITO」(기재로서 두께 0.7㎜의 유리의 한쪽 면에 ITO막을 250㎚ 가지는 기판)을 준비했다.
다음에, 이 기판의 ITO막 상에 1×10-4Pa 이하의 감압 하, 은(Ag)을 진공 증착법에 의해 두께를 5㎚가 되도록 제막해 도전성 금속층을 형성했다.
다음에, 도전성 금속층에 포토레지스트로 패터닝 처리를 실시하고, 그 후 에칭 처리(포토레지스트 패터닝 처리)를 실시해 도전성 금속 메쉬층으로서 정방형의 주기성이 있는 메쉬 형상(개구부의 피치 1㎜, 도전성 금속 메쉬층의 선폭 30㎛, 개구율 94.1％, 두께 5㎚)을 형성했다.
다음에, 도전성 금속 메쉬층 상에 1×10-4Pa 이하의 감압 하, 스퍼터링법(ULVAC제의 스퍼터 장치, 장치명 「i-sputter」)으로 두께가 30㎚인 ITO막을 제 2 투명 도전층으로서 형성함으로써, 도전성 금속 메쉬층이 투명 도전층 내에 매설된 본 발명의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
실시예
2~4＞
도전성 금속 메쉬층(Ag)의 두께를 표 1에 기재된 두께로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 본 발명의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
1~4＞
도전성 금속층(Ag)의 두께를 표 1에 기재된 두께로 변경하고, 도전성 금속에 포토레지스트 패터닝 처리를 실시하지 않았던 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 메쉬 가공되어 있지 않은 도전성 금속층이 투명 도전층 내에 매설된 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
5＞
도전성 금속층(Ag)이 형성되어 있지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 제 1 투명 도전층으로서의 두께 250㎚의 ITO막 상에 직접 제 2 투명 도전층으로서 두께 30㎚의 ITO막을 형성하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 투명 도전층만이 마련되어 있는 구조의 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
6＞
투명 기재로서 유리판(카와무라히사시산쇼오점사제, 두께 3㎜)의 한쪽 면에 직접 실시예 2와 동일한 조건으로 두께 10㎚의 도전성 금속층을 형성하고, 도전성 금속층의 포토레지스트 패터닝 처리를 실시해 개구율 94.1％의 도전성 금속 메쉬층을 형성했다. 다음에, 실시예 2와 동일한 방법으로 도전성 금속 메쉬층의 면에 두께 150㎚의 투명 도전층으로서 ITO막을 형성하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 투명 도전층이 마련되어 있는 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
7＞
비교예 6에 있어서, 도전성 금속층(Ag)의 두께를 20㎚로 변경한 것 이외에는 동일하게 하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 투명 도전층이 마련되어 있는 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
8＞
비교예 6에 있어서, 도전성 금속층(Ag)의 두께를 30㎚로 변경한 것 이외에는 동일하게 하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 투명 도전층이 마련되어 있는 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
9＞
비교예 6에 있어서, 도전성 금속층(Ag)의 두께를 50㎚로 변경한 것 이외에는 동일하게 하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 투명 도전층이 마련되어 있는 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
10＞
비교예 6에 있어서, 도전성 금속 메쉬층(Ag)을 형성하지 않고, 투명 기재에 직접 두께 150㎚의 투명 도전층으로서 ITO막을 형성하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 투명 기재에 투명 도전층만이 마련되어 있는 구조의 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
＜
비교예
11＞
투명 도전층의 두께를 250㎚의 것으로 한 것 이외에는 비교예 10과 동일하게 하여 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다. 즉, 투명 도전층만이 마련되어 있는 구조의 비교용의 투명 전극 기판을 제작했다.
실시예 1~4에서 얻어진 본 발명의 투명 전극 기판 및 비교예 1~11에서 얻어진 비교용의 투명 전극 기판의 각 특성을 표 1에 정리해 기재한다.
표 1에 기재된 재료의 물성 및 투명 전극 기판의 특성은 하기와 같이 하여 측정했다.
(1) 두께
투명 도전층, 도전성 금속 메쉬층 및 도전성 금속층의 두께는 촉침식 표면 형상 측정 장치(ULVAC사제, 제품명 「Dektak 150」) 에 의해 측정했다.
(2) 표면 저항율의 측정
얻어진 투명 전극 기판의 투명 도전층의 표면을 표면 저항 측정 장치[미츠비시 화학사제, 제품명 「로레스타 GP MCP-T600」]에 의해 4단자법으로 표면 저항율을 측정했다.
(3) 광선 투과율
광선 투과율 측정 장치[일본전색공업사제, 제품명 「NDH-5000」]을 이용해 JIS K7361-1에 준하여 투명 전극 기판의 전광선 투과율을 측정했다.
＜
실시예
5＞
[태양 전지의 제작]
실시예 3에서 제작된 본 발명의 투명 전극 기판을 이용해 태양 전지를 제작했다.
투명 전극 기판의 투명 도전층의 표면에, 우선 폴리티오펜계 도전성 폴리머인 폴리(3,4-에틸렌옥사이드티오펜)(PEDOT)와 폴리스티렌설폰산(PSS)의 혼합물(PEDOT：PSS, 에이치?시?스타크사제, 제품명 「AI4083」)을 스핀 코트법에 의해 두께 50㎚의 막을 형성했다. 계속해서 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)과 [6,6]-페닐-C61-부티르산메틸(PCBM)의 2종류의 유기 재료의 혼합 용액(몰비 1：1)을 이용해 스핀 코트법에 의해 두께가 80㎚가 되도록 성막했다. 음극은 진공 증착으로 금속 알루미늄을 두께가 100㎚가 되도록 성막했다. 마지막에 유리 캡에 의해 봉지해 본 발명의 태양 전지를 제작했다.
＜
비교예
12＞
비교예 5의 투명 전극 기판을 이용해 실시예 5와 동일하게 하여 비교용의 태양 전지를 제작했다.
[태양 전지의 평가]
실시예 5 및 비교예 12에서 제작한 태양 전지의 소자 유효 면적 12㎠에 솔라 시뮬레이터[와코무전창(주)제, WXS-50S-1.5]에 의해 의사(擬似) 태양광 스펙트럼(AM1.5(100mW／cm2))를 조사하여 광전 변환 효율을 측정했다. 태양 전지의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
표 1 및 표 2로부터 이하의 점이 확인된다.
(1) 표 1의 실시예 1~4에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 투명 전극 기판은 전광선 투과율이 높고, 투명성이 뛰어나며, 나아가 표면 저항율의 값도 낮고, 뛰어난 도전성을 가지고 있다는 것이 확인되었다.
(2) 한편, 메쉬 가공되어 있지 않은 도전성 금속층이 투명 도전층 내에 매설된 비교예 1~4의 투명 전극 기판은 전광선 투과율이 낮고, 실시예 1~4에 비해 투명성이 나빴다.
또, 투명 기재에 투명 도전층만이 마련되어 있는 구조의 비교예 5, 10 및 11의 투명 전극 기판은 실시예 1~4에 비해 표면 저항율의 값이 높고 도전성이 떨어지고 있다.
또, 비교예 6~9에서 나타내는 바와 같이, 투명 기재에 직접 도전성 금속 메쉬가 직접 마련되고, 도전성 금속 메쉬층이 매설되어 있지 않은 경우, 전광선 투과율은 실시예 1~3에 비해 낮고, 또 표면 저항율의 값도 높으며, 투명성 및 도전성이 떨어지고 있는 것을 알 수 있다.
표 2의 결과에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 투명 전극 기판을 이용한 실시예 5의 태양 전지는 비교예 12의 태양 전지와 비교하여 변환 효율이 높고, 17％ 정도의 효율 향상이 얻어졌다. 이것은 본 발명의 투명성이 높고, 표면 저항율이 낮은 투명 전극 기판을 이용함으로써, 유기 태양 전지의 내부 저항의 저하에 의해 광전 변환 효율이 향상된 결과이다.
본 발명의 투명 전극 기판은 투명성이 높고, 표면 저항율이 낮기 때문에, 투명성과 도전성의 밸런스가 뛰어나다.
본 발명의 투명 전극 기판은 유기 박막 태양 전지 등의 태양 전지；트랜지스터, 메모리, 유기 EL, 유기 태양 전지 등의 유기 디바이스；액정 디스플레이；전자 페이퍼；박막 트랜지스터；일렉트로크로믹；전기 화학 발광 디바이스；터치 패널；디스플레이；열전 변환 디바이스；압전 변환 디바이스；축전 디바이스 등의 전자 디바이스에 사용 가능하다.
1：투명 기재
2：제 1 투명 도전층
3：도전성 금속 메쉬층
4：제 2 투명 도전층
5：광전 변환층
6：전극
7：기재
8：투명 도전층
9：투명 전극 기판
10：태양 전지
2：제 1 투명 도전층
3：도전성 금속 메쉬층
4：제 2 투명 도전층
5：광전 변환층
6：전극
7：기재
8：투명 도전층
9：투명 전극 기판
10：태양 전지
Claims (11)
- 투명 기재의 한쪽 면에 도전성 금속 메쉬층이 매설된 투명 도전층이 적층되어서 이루어진 투명 전극 기판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 투명 도전층이 금속 산화물로 이루어진 층인 투명 전극 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 도전성 금속 메쉬층의 두께가 1~100㎚인 투명 전극 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 도전성 금속 메쉬층의 개구부의 개구율이 75% 이상인 투명 전극 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 투명 도전층이 산화인듐을 주성분으로 하는 층인 투명 전극 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 도전성 금속 메쉬층이 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄, 니켈 및 크롬으로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어진 층인 투명 전극 기판. - 투명 기재의 한쪽 면에 제 1 투명 도전층을 형성하고, 상기 투명 도전층 상에 도전성 금속층을 형성하며, 상기 도전성 금속층을 포토레지스트 패터닝 처리함으로써 도전성 금속 메쉬층을 형성하고, 상기 금속 메쉬층의 면에 제 2 투명 도전층을 형성하여 상기 도전성 금속 메쉬층을 상기 투명 도전층에 의해 피복하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 기판의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 투명 기재의 한쪽 면에 형성되는 제 1 투명 도전층의 두께가 10~1000㎚인 투명 전극 기판의 제조 방법. - 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 금속 메쉬층의 면에 형성되는 제 2 투명 도전층의 두께가 1~200㎚인 투명 전극 기판의 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 투명 전극 기판을 가지는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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