KR20140083081A - 박막 형성 방법, 전자 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 전사막을 형성하는 단계, 그리고 기재 위에 상기 전사막을 전사하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법, 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
Description
박막 형성 방법, 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지, 유기 발광 소자와 같은 전자 소자는 도전성 박막, 절연성 박막 또는 반도체성 박막과 같은 복수의 박막을 포함한다. 상기 박막은 형성 방법에 따라 박막 특성에 영향을 미칠 수 있다.
일 예로, 태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하는 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
이 때 태양 전지는 광 활성층과 전극 사이에 전자와 정공의 이동성을 높이기 위한 박막을 추가적으로 형성할 수 있다. 상기 박막은 형성 방법에 따라 전기적 특성이 달라질 수 있으며 상기 박막의 전기적 특성에 따라 태양 전지의 효율 및 수명에 영향을 미칠 수 있다.
일 구현예는 박막의 특성을 개선할 수 있는 박막 형성 방법을 제공한다.
다른 구현예는 상기 박막 형성 방법을 적용한 전자 소자의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 방법으로 제조된 전자 소자를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 전사막을 형성하는 단계, 그리고 기재 위에 상기 전사막을 전사하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법을 제공한다.
상기 친수성 고분자 막은 경화성 수지, 그리고 에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함하는 친수성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 친수성 화합물은 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(poly(ethylene glycol)diacrylate) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methyl propiophenone) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴레이트(poly urethane acrylate)를 포함할 수 있다.
상기 전사용 스탬프는 상기 친수성 고분자 막을 지지하는 지지체를 포함할 수 있고, 상기 지지체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자 막은 약 80도보다 작은 접촉각을 가질 수 있다.
상기 친수성 고분자 막은 0도보다 크고 약 60도 이하의 접촉각을 가질 수 있다.
상기 전사막을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 슬릿 코팅 또는 잉크젯 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
상기 기재 위에 전사막을 전사하는 단계는 약 20 내지 200℃의 온도에서 가압하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 친수성 용액은 pH 1 내지 6의 산성 용액일 수 있다.
상기 친수성 용액은 PEDOT:PSS, PEDOT:PSS:PFS:Nafion 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 기재는 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 지지체 및 상기 지지체의 일면에 위치하는 친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프를 제공한다.
상기 지지체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자 막은 경화성 수지, 그리고 에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함하는 친수성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 친수성 화합물은 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴레이트를 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자 막은 약 80도보다 작은 접촉각을 가질 수 있다.
상기 친수성 고분자 막은 0도보다 크고 약 60도 이하의 접촉각을 가질 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 보조층을 형성하는 단계, 상기 보조층 위에 활성층을 형성하는 단계, 그리고 상기 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 보조층을 형성하는 단계는 친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 전사막을 형성하는 단계, 그리고 상기 제1 전극 위에 상기 전사막을 전사하는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 방법으로 형성된 전자 소자를 제공한다.
상기 전자 소자는 태양 전지, 유기 발광 장치를 포함할 수 있다.
박막 특성이 열화되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 일 구현예에 따른 박막 형성 방법을 차례로 도시한 단면도이고,
도 6은 일 구현예에 따른 태양 전지의 단면도이고,
도 7 내지 도 12는 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이고,
도 13은 제조예 1과 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층에 존재하는 인듐 원자(In)의 함량을 보여주는 XPS 그래프이고,
도 14는 실시예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 15는 비교예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 18은 비교예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 19는 실시예 2와 비교예 2에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이고,
도 20은 실시예 1과 비교예 3에 따른 태양 전지의 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 일 구현예에 따른 태양 전지의 단면도이고,
도 7 내지 도 12는 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이고,
도 13은 제조예 1과 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층에 존재하는 인듐 원자(In)의 함량을 보여주는 XPS 그래프이고,
도 14는 실시예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 15는 비교예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 18은 비교예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 19는 실시예 2와 비교예 2에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이고,
도 20은 실시예 1과 비교예 3에 따른 태양 전지의 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 박막 형성 방법에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 1 내지 도 5는 일 구현예에 따른 박막 형성 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
먼저, 일 구현예에 따른 박막 형성 방법에 사용하는 전사용 스탬프를 준비한다. 도 1을 참고하면, 전사용 스탬프(10)는 지지체(11), 그리고 지지체(11)의 일면에 위치하는 친수성 고분자 막(12)을 포함한다.
지지체(11)는 친수성 고분자 막(12)을 지지하며, 예컨대 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
친수성 고분자 막(12)은 지지체(11)의 일면에 코팅되어 있으며, 경화성 수지 및 친수성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 경화성 수지는 열 경화성 수지 및 광 경화성 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 예컨대 폴리우레탄 아크릴레이트(poly urethane acrylate)를 포함할 수 있다.
상기 친수성 화합물은 예컨대 에틸렌글리콜 기(ethylene glycol group) 및 히드록시 기(hydroxyl group) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 친수성 화합물은 예컨대 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(poly(ethylene glycol)diacrylate) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methyl propiophenone) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
친수성 고분자 막(12)은 친수성 특성을 가질 수 있으며, 약 80도보다 작은 접촉각(contact angle)을 가질 수 있다. 여기서 접촉각은 친수성 고분자 막(12)의 표면에 물방울을 떨어뜨리고 친수성 고분자 막(12)과 물방울 사이의 각도를 측정함으로써 얻을 수 있다. 상기 범위에서 0도보다 크고 약 60도 이하의 접촉각을 가질 수 있다.
다음 도 2를 참고하면, 전사용 스탬프(10)의 일면에 전사막(30)을 형성한다. 전사막(30)은 전사하고자 하는 물질을 포함하는 친수성 용액을 코팅하여 형성할 수 있으며, 상기 코팅은 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄와 같은 다양한 방법으로 수행할 수 있다. 예컨대 스핀 코팅으로 수행하는 경우, 상기 스핀 코팅은 예컨대 약 500 내지 5000rpm 으로 약 1초 내지 60초 동안 수행할 수 있다.
상기 친수성 용액은 전사하고자 하는 물질을 용매에 녹여 제조할 수 있으며, 예컨대 pH 1 내지 6의 산성 용액일 수 있다. 상기 친수성 용액은 예컨대 PEDOT:PSS 또는 PEDOT:PSS:PFS:Nafion를 포함할 수 있다.
다음 도 3 및 도 4를 참고하면, 기재(40) 위에 전사막(30)이 코팅된 전사용 스탬프(10)를 배치하고 소정 압력으로 가압하여 기재(40) 위에 전사막(30)을 전사한다. 기재(40)는 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)를 포함할 수 있다.
전사막(30)은 예컨대 약 20 내지 200℃의 온도에서 약 1.5x105 내지 2.5x106 N/㎡의 압력으로 가압될 수 있다.
다음 도 5를 참고하면, 전사막(30)의 전사가 완료되고 기재(40)로부터 전사용 스탬프(10)를 분리한다. 이어서 전사막(30)을 열처리하여 기재(40) 위에 전사막(30)이 형성될 수 있다. 상기 열처리는 약 100 내지 200℃에서 수행될 수 있으나, 경우에 따라 생략될 수도 있다.
상술한 박막 형성 방법은 기재 위에 친수성 박막을 형성하는데 적용될 수 있으며, 그 중에서도 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO) 위에 친수성 박막을 형성하는데 효과적으로 적용될 수 있으며, 그 중에서도 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO) 위에 산성의 친수성 박막을 형성하는데 더욱 효과적으로 적용될 수 있다.
상술한 방법으로 형성시, 스핀 코팅 방법으로 형성한 경우와 비교하여, 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)가 산성 용액에 직접적으로 노출되는 것을 막음으로써 전사막으로 침투 또는 확산되는 인듐(In)의 함량을 줄일 수 있고, 이에 따라 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지하는 동시에 전사막의 물리적 전기적 특성이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 박막 형성 방법은 특히 태양 전지, 유기 발광 장치와 같은 전자 소자에 적용될 수 있다.
이하 전자 소자의 일 예로 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 6은 일 구현예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지(100)는 기판(110), 하부 전극(120), 보조층(130), 광 활성층(140), 보조층(150) 및 상부 전극(160)을 포함한다.
기판(110)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 유리와 같은 무기 물질, 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다.
하부 전극(120)은 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)로 만들어진 투명 도전체로 만들어질 수 있다. 하부 전극(120)은 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode)일 수 있다.
보조층(130)은 하부 전극(120)과 광 활성층(140) 사이의 전하 이동성을 높이는 역할을 할 수 있으며, 예컨대 정공 주입층, 정공 전달층, 전자 차단층, 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층(130)은 예컨대 PEDOT:PSS, PEDOT:PSS:PFS:Nafion 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광 활성층(130)은 n형 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체와 p형 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체를 포함하는 광 활성물질로 만들어질 수 있다.
상기 전자 수용체와 상기 전자 공여체는 예컨대 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룰 수 있다. 상기 벌크 이종접합 구조인 경우, 광 활성층(140)에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드로 이동하여 광 전류(photocurrent)를 발생시킨다.
상기 광 활성물질은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene, P3HT); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체, 이들의 공중합체 또는 이들의 조합에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서 에너지 레벨이 상이한 2종 이상의 광 활성물질이 벌크 이종접합을 형성할 때, LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 전자 수용체로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 전자 공여체로 사용될 수 있다.
보조층(150)은 광 활성층(140)과 상부 전극(160) 사이의 전하 이동성을 높이는 역할을 할 수 있으며, 예컨대 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 차단층, 정공 주입층, 정공 전달층 또는 전자 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층(150)은 예컨대 TiOx (0<x≤2)와 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상부 전극(160)은 인듐 주석 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO), 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO) 따위의 투명 도전체 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다. 상부 전극(160)은 캐소드(cathode) 또는 애노드(anode)일 수 있다.
이하 상기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 7 내지 도 12을 도 6과 함께 참고하여 설명한다.
도 7 내지 도 12는 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
먼저, 지지체(11)와 친수성 고분자 막(12)을 포함하는 전사용 스탬프(10)를 준비한다.
지지체(11)는 친수성 고분자 막(12)을 지지하며, 예컨대 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
친수성 고분자 막(12)은 지지체(11)의 일면에 코팅되어 있으며, 경화성 수지 및 친수성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 경화성 수지는 열 경화성 수지 및 광 경화성 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 예컨대 폴리우레탄 아크릴레이트를 포함할 수 있다.
상기 친수성 화합물은 예컨대 에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 친수성 화합물은 예컨대 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
친수성 고분자 막(12)은 친수성 특성을 가질 수 있으며, 약 80도보다 작은 접촉각을 가질 수 있다. 상기 범위에서 0도보다 크고 약 60도 이하의 접촉각을 가질 수 있다.
도 7을 참고하면, 전사용 스탬프(10)의 일면에 보조층용 전사막(130a)을 형성한다. 보조층용 전사막(130a)은 전사하고자 하는 물질을 포함하는 친수성 용액을 코팅하여 형성할 수 있으며, 상기 코팅은 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄와 같은 다양한 방법으로 수행할 수 있다. 예컨대 스핀 코팅으로 수행하는 경우, 상기 스핀 코팅은 예컨대 약 500 내지 5000rpm 으로 약 1초 내지 60초 동안 수행할 수 있다.
상기 친수성 용액은 전사하고자 하는 물질을 용매에 녹여 제조할 수 있으며, 예컨대 pH 1 내지 6의 산성 용액일 수 있다. 상기 친수성 용액은 예컨대 PEDOT:PSS 또는 PEDOT:PSS:PFS:Nafion를 포함할 수 있다.
다음 도 8 및 도 9를 참고하면, 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)로 만들어진 하부 전극(120)이 형성된 기판(110)을 준비하고, 코팅된 보조층용 전사막(130a)이 코팅된 전사 스탬프(10)를 배치한다. 이 때 하부 전극(120)과 보조층용 전사막(130a)이 마주하도록 배치한다.
이어서 전사 스탬프(10)의 일면을 가압하여 하부 전극(120) 위에 보조층용 전사막(130a)을 전사한다. 전사는 예컨대 약 20 내지 200℃의 온도에서 약 1.5x105 내지 2.5x106 N/㎡의 압력으로 수행될 수 있다.
다음 도 10을 참고하면, 보조층용 전사막(130a)의 전사가 완료되고 하부 전극(120)으로부터 전사용 스탬프(10)를 분리한다. 이어서 보조층용 전사막(130a)을 열처리하여 하부 전극(120) 위에 보조층(130)이 형성될 수 있다. 상기 열처리는 약 100 내지 200℃에서 수행될 수 있으나, 경우에 따라 생략될 수도 있다.
이에 따라 하부 전극(120) 위에 보조층(130)이 형성될 수 있다.
다음 도 11을 참고하면, 보조층(130) 위에 광 활성층(140)을 형성한다. 광 활성층(140)은 예컨대 스핀 코팅, 잉크젯 인쇄 등과 같은 용액 공정 또는 화학기상증착 방법으로 형성할 수 있다.
다음 도 12를 참고하면, 광 활성층(140) 위에 보조층(150)을 형성한다. 보조층(150)은 스핀 코팅, 잉크젯 인쇄 등과 같은 용액 공정 또는 화학기상증착 방법으로 형성할 수 있다.
다음 도 6을 참고하면, 보조층(150) 위에 상부 전극(160)을 형성한다. 상부 전극(160)은 도전체를 예컨대 스퍼터링 또는 증착 방법으로 형성할 수 있다.
이와 같이 상술한 방법으로 보조층(130) 형성시, 스핀 코팅 방법으로 형성한 경우와 비교하여, 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)로 만들어진 하부 전극(120)이 산성 용액에 직접적으로 노출되는 것을 막음으로써 보조층(130)으로 침투 또는 확산되는 인듐(In)의 함량을 줄일 수 있고, 이에 따라 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지하는 동시에 보조층(130)의 물리적 전기적 특성이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
이하 본 기재의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 기재의 일 실시예일뿐이며, 본 기재가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
친수성 박막의 형성
제조예
1
트리클로로-(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(trichloro-(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, FOTS)으로 표면처리된 실리콘웨이퍼를 준비하고, 상온에서 상기 실리콘웨이퍼 위에 폴리우레탄아크릴레이트(Norland Optical Adhesive, Edmund 사 제조), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(중량평균분자량 575) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논을 포함한 친수성 고분자 용액을 뿌린다. 이어서 상기 친수성 고분자 용액이 뿌려져 있는 실리콘웨이퍼를 폴리카보네이트 몰드(polycarbonate rigiflex mold)로 덮은 후 365nm 파장의 UV를 조사하여 상기 친수성 고분자 용액을 경화한다. 이어서 상기 폴리카보네이트 몰드를 상기 실리콘웨이퍼로부터 분리하여 상기 친수성 고분자 용액이 코팅된 전사용 스탬프를 제작한다.
상기에서 제작된 전사용 스탬프 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 전사막을 형성한다. 이어서 인듐 주석 옥사이드(ITO)가 형성되어 있는 유리 기판(ITO glass)을 준비하고, 인듐 주석 옥사이드(ITO) 위에 PEDOT:PSS 전사막이 코팅된 전사용 스탬프를 배치한다. 이어서 전사용 스탬프의 일면을 가압하여 인듐 주석 옥사이드(ITO) 위에 PEDOT:PSS 전사막을 전사한다. 이어서 전사용 스탬프를 분리하고 열처리하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다.
비교제조예
1
인듐 주석 옥사이드(ITO)가 형성되어 있는 유리 기판(ITO glass)을 준비한다. 이어서 인듐 주석 옥사이드(ITO) 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다.
비교제조예
2
폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane, PDMS)(Sylgard 184, Dow Corning 사 제조) 전사용 스탬프 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 전사막을 형성한다. 이어서 인듐 주석 옥사이드(ITO)가 형성되어 있는 유리 기판(ITO glass)을 준비하고, 인듐 주석 옥사이드(ITO) 위에 PEDOT:PSS 전사막이 코팅된 PDMS 전사용 스탬프를 배치한다. 이어서 PDMS 전사용 스탬프의 일면을 가압하여 인듐 주석 옥사이드(ITO) 위에 PEDOT:PSS 전사막을 전사한다. 이어서 PDMS 전사용 스탬프를 분리하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다.
평가
평가 1
제조예 1과 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층을 X선 광전자 분광기(x-ray photoelectron spectroscopy, XPS)로 분석하여 PEDOT:PSS 층에 존재하는 인듐 원자(In)의 함량을 비교하였다.
그 결과는 도 13과 같다.
도 13은 제조예 1과 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층에 존재하는 인듐 원자(In)의 함량을 보여주는 XPS 그래프이다.
도 13을 참고하면, 제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층이 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층에 비해 인듐 원자(In)의 함량이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층이 비교제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층과 비교하여 인듐 주석 옥사이드(ITO)로부터 인듐 원자(In)의 확산이 낮은 것을 확인할 수 있다.
평가 2
제조예 1과 비교제조예 1, 2에서 형성된 PEDOT:PSS 층과 PEDOT:PSS 층이 형성되지 않은 인듐 주석 옥사이드(ITO)의 평균 표면 거칠기(RMS roughness)를 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM)을 사용하여 측정하였다.
그 결과는 표 1과 같다.
| 평균 표면 거칠기 (RMS roughness, nm) |
|
| 제조예 1 | 2.27 |
| 비교제조예 1 | 2.63 |
| 비교제조예 2 | 3.37 |
| ITO | 3.81 |
표 1을 참고하면, 제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층이 비교제조예 1, 2에서 형성된 PEDOT:PSS 층과 PEDOT:PSS 층이 형성되지 않은 ITO층보다 평균 표면 거칠기가 낮은 것을 알 수 있다. 이로부터 제조예 1에서 형성된 PEDOT:PSS 층의 표면 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
태양전지의 제작
실시예
1
1mm 두께의 투명 유리기판 위에 스퍼터링 방법으로 150nm 두께의 ITO 애노드를 형성한다. 이어서 제조예 1에서 제작된 전사용 스탬프 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 전사막을 형성한 후, 상기 ITO 애노드 위에 PEDOT:PSS 전사막이 코팅된 전사용 스탬프를 배치한다. 이어서 전사용 스탬프의 일면을 가압하여 ITO 애노드 위에 PEDOT:PSS 전사막을 전사한다. 이어서 전사용 스탬프를 분리하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다. 이어서 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)와 C61-PCBM을 클로로벤젠에서 용해한 용액을 준비한 후, 상기 PEDOT:PSS 층 위에 스핀코팅으로 도포하여 광 활성층을 형성한다. 이어서 상기 광 활성층 위에 80nm 두께의 알루미늄(Al) 캐소드를 형성하여 태양 전지를 제조한다.
실시예
2
폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)와 C61-PCBM 대신 하기 화학식 A로 표현되는 화합물(중량평균분자량: 115,000)과 C71-PCBM을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.
[화학식 A]
비교예
1
1mm 두께의 투명 유리기판 위에 스퍼터링 방법으로 150nm 두께의 ITO 애노드를 형성한다. 이어서 ITO 애노드 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다. 이어서 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)와 C61-PCBM을 클로로벤젠에서 용해한 용액을 준비한 후, 상기 PEDOT:PSS 층 위에 스핀코팅으로 도포하여 광 활성층을 형성한다. 이어서 상기 광 활성층 위에 80nm 두께의 알루미늄(Al) 캐소드를 형성하여 태양 전지를 제조한다.
비교예
2
폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)와 C61-PCBM 대신 상기 화학식 A로 표현되는 화합물과 C71-PCBM을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.
비교예
3
1mm 두께의 투명 유리기판 위에 스퍼터링 방법으로 150nm 두께의 ITO 애노드를 형성한다. 이어서 비교제조예 2에서 사용한 PDMS 전사용 스탬프 위에 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 건조하여 PEDOT:PSS 전사막을 형성한 후, 상기 ITO 애노드 위에 PEDOT:PSS 전사막이 코팅된 PDMS 전사용 스탬프를 배치한다. 이어서 PDMS 전사용 스탬프의 일면을 가압하여 ITO 애노드 위에 PEDOT:PSS 전사막을 전사한다. 이어서 PDMS 전사용 스탬프를 분리하여 PEDOT:PSS 층을 형성한다. 이어서 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)와 C61-PCBM을 클로로벤젠에서 용해한 용액을 준비한 후, 상기 PEDOT:PSS 층 위에 스핀코팅으로 도포하여 광 활성층을 형성한다. 이어서 상기 광 활성층 위에 80nm 두께의 알루미늄(Al) 캐소드를 형성하여 태양 전지를 제조한다.
평가
평가 3-1
실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 수명 특성을 평가한다.
수명 특성은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지를 1200시간 동안 대기 중에서 보관하고 필요시에만 구동하면서 전류 밀도 및 효율의 변화를 비교하였다.
그 결과는 도 14 내지 도 16 및 표 2와 같다.
도 14는 실시예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 15는 비교예 1에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이다.
| 초기 효율(η0h) | 1200시간 후 효율(η1200h) | 효율유지율(%) | |
| 실시예 1 | 2.8 | 2.0 | 71 |
| 비교예 1 | 3.0 | 1.2 | 40 |
도 14 및 도 15를 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 시간 경과에 따른 전류 밀도의 변화 폭이 작은 것을 알 수 있다. 또한 도 16 및 표 2를 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 장시간 보관 후에 효율 유지율이 높은 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 수명 특성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
평가 3-2
실시예 2와 비교예 2에 따른 태양 전지의 수명 특성을 평가한다.
수명 특성은 실시예 2와 비교예 2에 따른 태양 전지를 14일 동안 질소 분위기의 글로브 박스에서 보관하고 필요시에만 구동하면서 효율 변화를 비교하였다.
그 결과는 도 17 내지 도 19 및 표 3과 같다.
도 17은 실시예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 18은 비교예 2에 따른 태양 전지의 전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 19는 실시예 2와 비교예 2에 따른 태양 전지의 시간 경과에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이다.
| 초기 효율(η0h) | 14일 후 효율(η14d) | 효율유지율(%) | |
| 실시예 2 | 6.1 | 4.0 | 66 |
| 비교예 2 | 6.2 | 2.9 | 47 |
도 17 및 도 18을 참고하면, 실시예 2에 따른 태양 전지는 비교예 2에 따른 태양 전지와 비교하여 시간 경과에 따른 전류 밀도의 변화 폭이 작은 것을 알 수 있다. 또한 도 19 및 표 3을 참고하면, 실시예 2에 따른 태양 전지는 비교예 2에 따른 태양 전지와 비교하여 장시간 보관 후에 효율 유지율이 높은 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 2에 따른 태양 전지는 비교예 2에 따른 태양 전지와 비교하여 수명 특성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
평가 4
실시예 1과 비교예 3에 따른 태양 전지의 전류 특성을 평가한다.
전류 특성은 실시예 1과 비교예 3에 따른 태양 전지에 AM 1.5G filter를 장착한 Oriel xenon lamp를 사용하여 100 mW/㎠의 빛을 공급하면서 평가하였다.
그 결과는 도 20과 같다.
도 20은 실시예 1과 비교예 3에 따른 태양 전지의 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 20을 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 3에 따른 태양 전지와 비교하여 전류 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 전사용 스탬프 11: 지지체
12: 친수성 고분자 막,
30: 전사막 40: 기재
100: 태양전지 110: 기판
120: 전극 130, 150: 보조층
130a: 보조층용 전사막 140: 광 활성층
160: 상부 전극
12: 친수성 고분자 막,
30: 전사막 40: 기재
100: 태양전지 110: 기판
120: 전극 130, 150: 보조층
130a: 보조층용 전사막 140: 광 활성층
160: 상부 전극
Claims (33)
- 친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 전사막을 형성하는 단계, 그리고
기재 위에 상기 전사막을 전사하는 단계
를 포함하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 친수성 고분자 막은
경화성 수지, 그리고
에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함하는 친수성 화합물
을 포함하는 박막 형성 방법.
- 제2항에서,
상기 친수성 화합물은 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(poly(ethylene glycol)diacrylate) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methyl propiophenone) 중 적어도 하나를 포함하는 박막 형성 방법.
- 제2항에서,
상기 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴레이트(poly urethane acrylate)를 포함하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 전사용 스탬프는 상기 친수성 고분자 막을 지지하는 지지체를 포함하고,
상기 지지체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 친수성 고분자 막은 80도보다 작은 접촉각을 가지는 박막 형성 방법.
- 제6항에서,
상기 친수성 고분자 막은 0도보다 크고 60도 이하의 접촉각을 가지는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 전사막을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 슬릿 코팅 또는 잉크젯 인쇄 방법으로 형성하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 기재 위에 전사막을 전사하는 단계는 20 내지 200℃의 온도에서 가압하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 친수성 용액은 pH 1 내지 6의 산성 용액인 박막 형성 방법.
- 제10항에서,
상기 친수성 용액은 PEDOT:PSS, PEDOT:PSS:PFS:Nafion 또는 이들의 조합을 포함하는 박막 형성 방법.
- 제1항에서,
상기 기재는 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)를 포함하는 박막 형성 방법.
- 지지체, 그리고
상기 지지체의 일면에 위치하는 친수성 고분자 막
을 포함하는 전사용 스탬프.
- 제13항에서,
상기 지지체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 전사용 스탬프.
- 제13항에서,
상기 친수성 고분자 막은
경화성 수지, 그리고
에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함하는 친수성 화합물
을 포함하는 전사용 스탬프.
- 제15항에서,
상기 친수성 화합물은 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-히드록시 2-메틸프로피오페논 중 적어도 하나를 포함하는 전사용 스탬프.
- 제15항에서,
상기 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴레이트를 포함하는 전사용 스탬프.
- 제13항에서,
상기 친수성 고분자 막은 80도보다 작은 접촉각을 가지는 전사용 스탬프.
- 제18항에서,
상기 친수성 고분자 막은 0도보다 크고 60도 이하의 접촉각을 가지는 전사용 스탬프.
- 제1 전극을 형성하는 단계,
상기 제1 전극 위에 보조층을 형성하는 단계,
상기 보조층 위에 활성층을 형성하는 단계, 그리고
상기 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 보조층을 형성하는 단계는
친수성 고분자 막을 포함하는 전사용 스탬프의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 전사막을 형성하는 단계, 그리고
상기 제1 전극 위에 상기 전사막을 전사하는 단계
를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 친수성 고분자 막은
경화성 수지, 그리고
에틸렌글리콜 기 및 히드록시 기 중 적어도 하나를 포함하는 친수성 화합물
을 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제21항에서,
상기 친수성 화합물은 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-히드록시 2-메틸프로피오페논 중 적어도 하나를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제21항에서,
상기 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴레이트를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 전사용 스탬프는 상기 친수성 고분자 막을 지지하는 지지체를 포함하고,
상기 지지체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 친수성 고분자 막은 80도보다 낮은 접촉각을 가지는 전자 소자의 제조 방법.
- 제25항에서,
상기 친수성 고분자 막은 0도보다 크고 60도 이하의 접촉각을 가지는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 전사막을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 슬릿 코팅 또는 잉크젯 인쇄 방법으로 형성하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 제1 전극 위에 전사막을 전사하는 단계는 20 내지 200℃의 온도에서 가압하는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 친수성 용액은 pH 1 내지 6의 산성 용액인 전자 소자의 제조 방법.
- 제29항에서,
상기 친수성 용액은 PEDOT:PSS, PEDOT:PSS:PFS:Nafion 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 제1 전극은 인듐 주석 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
- 제20항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 형성된 전자 소자.
- 제32항에서,
상기 전자 소자는 태양 전지, 유기 발광 장치를 포함하는 전자 소자.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101889920B1 (ko) | 2018-08-21 |
| US20140179052A1 (en) | 2014-06-26 |
| US9548466B2 (en) | 2017-01-17 |
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