KR20150004606A - 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광전소자를 이루는 박막들의 평탄성을 보장함과 아울러, 광전소자의 특성 향상을 위해 형성되는 기능성 박막의 구조적인 안정성을 확보하여 그 기능을 유지시킬 수 있는 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 표면이 요철 구조를 이루는 요철 구조물; 및 상기 요철 구조물 상에 형성되고, 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어지는 평탄화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자를 제공한다.

Description

광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자{SUBSTRATE FOR OPTOELECTRONICS AND OPTOELECTRONICS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광전소자를 이루는 박막들의 평탄성을 보장함과 아울러, 광전소자의 특성 향상을 위해 형성되는 기능성 박막의 구조적인 안정성을 확보하여 그 기능을 유지시킬 수 있는 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것이다.
현재 각광받고 있는 차세대 기술 및 제품에는 유기물(organic material)을 기반으로 한 광전소자(optoelectronics)들이 있다. 예를 들어, 대표적인 광전소자로는 모바일 디스플레이 및 SSL(solid state lighting)에 적용되고 있는 유기발광소자(organic light emitting diode)와 유기물을 광 흡수층으로 적용한 유기태양전지(organic solar cell)를 들 수 있다. 이들 광전소자는 유기물 자체의 집중적인 연구 결과, 상당한 성능을 가지는 유기물질들이 개발되고 있다.
여기서, 이들 광전소자는 유기물과 무기소재가 결합된 유, 무기 복합층으로 이루어진다. 이때, 광전소자에 사용되는 대표적인 무기소재로는 투명 전극, 금속 반사 전극, 유리 기판 등이 있다. 하지만, 무기소재의 경우 굴절률의 차이 등으로 인해, 광 손실이 상당하며, 이에 따른 광 효율 향상에 많은 제약이 생기게 된다.
이를 해결하기 위해, 종래에는 광전소자의 전방에 요철 형태를 이루는 나노패턴을 형성하였다. 하지만, 광전소자의 유, 무기 복합층 상에 나노패턴을 형성하게 되면, 나노패턴의 요철로 인해, 유, 무기 복합층을 이루는 박막들의 평탄성을 보장할 수 없게 된다. 즉, 유, 무기 복합층 상에 나노패턴을 형성하면, 나노패턴과 접합되는 유, 무기 복합층 상에 국부적으로 뾰족한 부분이 발생할 가능성이 높아진다. 예를 들어, 유기발광소자는 매우 얇은 유, 무기 박막들의 적층 구조로 이루어져 있는데, 나노패턴과 접합되는 애노드에 나노패턴이 전사되어 뾰족하게 돌출된 부분이 형성되면, 그 부분에 전류가 집중하게 되고, 이는, 큰 누설전류의 원인이 되거나 전력 효율의 저하를 가져온다.
따라서, 이러한 전기적 특성의 저하를 방지하기 위해서는 평탄막을 반드시 함께 사용한다.
그러나 올록볼록한 나노패턴을 수백 ㎚의 얇은 평탄막으로 완벽하게 평탄화하는 것은 공정적으로 매우 어렵다. 즉, 종래에는 평탄화막을 나노패턴 상에 증착하였는데, 이 경우, 나노패턴의 요(凹)부에도 평탄화막을 이루는 물질이 채워지면서 평탄화막이 나노패턴의 형상을 따라가며 형성되기 때문에 평탄막의 평탄도는 상당히 낮을 수 밖에 없다.
대한민국 등록특허공보 제10-1176885호(2012.08.20.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광전소자를 이루는 박막들의 평탄성을 보장함과 아울러, 광전소자의 특성 향상을 위해 형성되는 기능성 박막의 구조적인 안정성을 확보하여 그 기능을 유지시킬 수 있는 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 표면이 요철 구조를 이루는 요철 구조물; 및 상기 요철 구조물 상에 형성되고, 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어지는 평탄화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은, 일면에 요철 구조가 형성되어 있는 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판의 일면 상에 형성되고, 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어지는 평탄화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판을 제공한다.
여기서, 상기 평탄화층은 그래핀(graphene), MoS2, MoSe2, hBN 및 WSe2 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 평탄화층은 시트 형태로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 평탄화층은 단층 또는 n 개의 상기 단층이 적층된 다층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 n은 자연수임.
이때, 상기 단층은 0.3~0.9㎚ 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 다층은 5㎚ 이하의 두께를 가질 수 있다.
아울러, 상기 평탄화층은 90% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 광전소자용 기판; 및 상기 광전소자용 기판의 평탄화층에 접하는 유, 무기 복합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자를 제공한다.
여기서, 상기 광전소자는 유기발광소자일 수 있다.
또한, 상기 광전소자는 광전지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 광전소자의 광학적 특성 향상을 위해 요철 구조를 이루는 기능성 박막과 광전소자를 이루는 유, 무기 복합층 사이에 이차원 물질로 이루어진 평탄화층을 형성함으로써, 유, 무기 복합층의 평탄성을 보장할 수 있고, 이를 통해, 광전소자의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있으며, 기능성 박막의 구조적인 안정성을 확보할 수 있어, 그 광학적 기능을 계속적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초박막으로 이루어진 평탄화층을 구비함으로써, 광전소자 디자인 설계의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자를 개략적으로 나타낸 단면 모식도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자를 개략적으로 나타낸 단면 모식도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전소자용 기판(100)은, 예컨대, 유기발광소자(OLED)나 광전지(photovoltaic cell)과 같은 광전소자(10)의 광학적 특성을 향상시키기 위한 기판으로, 광전소자(10)를 이루는 유, 무기 복합층(11)의 일면에 배치된다.
여기서, 광전소자(10)가 광전지인 경우, 유, 무기 복합층(11)은 투명 전도성 산화물 전극, 광 흡수층, 이면 전극층 및 절연막을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 광 흡수층은 그 재료에 따라 단결정 또는 다결정 실리콘, CIGS(copper indium gallium selenide) 또는 텔루르화카드뮴(CdTe)을 이용하는 반도체 화합물, 다공질막의 나노입자 표면에 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응체, 비정질 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 광전소자(10)가 유기발광소자인 경우, 유, 무기 복합층(11)은 애노드, 유기 발광층 및 캐소드의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 애노드는 전공 주입이 잘 일어나도록 일함수(work function)가 큰 금속 Au, In, Sn 또는 ITO와 같은 금속 또는 산화물로 이루어질 수 있고, 캐소드는 전자 주입이 잘 일어나도록 일함수가 작은 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막으로 이루어질 수 있으며, 전면 발광(top emission) 구조인 경우 유기 발광층에서 발광된 빛이 잘 투과될 수 있도록 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막의 반투명 전극(semitransparent electrode)과 인듐 주석산화물(indium tin oxide; ITO)과 같은 산화물 투명 전극(transparent electrode) 박막의 다층구조로 이루어질 수 있다. 그리고 유기 발광층은 애노드 상에 차례로 적층되는 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하여 형성된다. 이러한 구조에 따라, 애노드와 캐소드 사이에 순방향 전압이 인가되면, 캐소드로부터 전자가 전자 주입층 및 전자 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 되고, 애노드로부터 정공이 정공 주입층 및 정공 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 된다. 그리고 발광층 내로 주입된 전자와 정공은 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고, 이러한 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 전이하면서 빛을 방출하게 되는데, 이때, 방출되는 빛의 밝기는 애노드와 캐소드 사이에 흐르는 전류량에 비례하게 된다.
이러한 광전소자용 기판(100)은 베이스 기판(110), 요철 구조물(120) 및 평탄화층(130)을 포함하여 형성된다.
베이스 기판(110)은 광전소자(10)가 광전지인 경우 외부광을 내부로 투과시키는 역할을 하고, 광전소자(10)가 유기발광소자인 경우 내부광을 외부로 투과시키는 역할을 한다. 또한, 베이스 기판(110)은 유, 무기 복합층(11), 요철 구조물(120) 및 평탄화층(130)과 같은 광전소자(10)의 내부 구성물을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다.
이러한 베이스 기판(110)은 투명 기판으로, 광 투과율이 우수하고 기계적인 물성이 우수한 것이면 어느 것이든 제한되지 않는다. 예를 들어, 베이스 기판(110)으로는 열경화 또는 UV 경화가 가능한 유기필름인 고분자 계열의 물질이나 화학강화유리인 소다라임 유리(SiO2-CaO-Na2O) 또는 알루미노실리케이트계 유리(SiO2-Al2O3-Na2O)가 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 광전소자용 기판(100)을 채용한 유기발광소자가 조명용인 경우 베이스 기판(110)으로는 소다라임 유리가 사용될 수 있고, 유기발광소자가 디스플레이용인 경우에는 알루미노실리케이트계 유리가 베이스 기판(110)으로 사용될 수 있다. 또한, 베이스 기판(110)으로는 금속산화물이나 금속질화물로 이루어진 기판이 사용될 수도 있다. 그리고 본 발명의 일 실시 예에서는 베이스 기판(110)으로 두께 1.5㎜ 이하의 박판 유리가 사용될 수 있는데, 이러한 박판 유리는 퓨전(fusion) 공법 또는 플로팅(floating) 공법을 통해 제조될 수 있다.
요철 구조물(120)은 베이스 기판(110) 상에 형성된다. 이러한 요철 구조물(120)은 광전소자(10) 내에서 외부 또는 내부로 투과되는 광을 산란시키는 광 산란층으로서의 역할을 한다. 즉, 광전지의 투명 전극 또는 유기발광소자의 애노드 상부에 광 산란 기능을 갖는 요철 구조물(120)이 형성되어 있으면, 다시 말해, 베이스 기판(110)과 유, 무기 복합층(11) 사이에 요철 구조물(120)이 형성되어 있으면, 서로 다른 굴절률을 가지는 매질 계면에서 광이 투과할 때에 많은 광이 빠져나갈 수 있어, 광전지의 광 포획 효율이나 유기발광소자의 광 추출 효율 모두 향상시킬 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 요철 구조물(120)은 랜덤한 분포를 가지는 요철 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 요철 구조물(120)이 랜덤한 분포를 가지는 요철 구조로 형성되면, 서로 다른 굴절률을 가지는 매질 계면에서 광이 투과할 때 더 많은 광이 빠져나갈 수 있어, 광효율은 더욱 향상될 수 있다.
이러한 요철 구조물(120)은 평면을 기준으로 그리드(grid) 형태를 이룰 수 있다.
평탄화층(130)은 요철 구조물(120) 상에 형성된다. 구체적으로, 평탄화층(130)은 유, 무기 복합층(11)과 요철 구조물(120) 사이에 형성된다. 이러한 평탄화층(130)은 유, 무기 복합층(11)의 표면에 요철 구조물(120)에 의해 요철이 형성되고 이러한 요철 부분에 전류가 집중되는 현상을 방지하기 위해 형성된다. 즉, 평탄화층(130)은 요철 구조물(120)의 표면을 평탄화시키기 위해, 요철 구조물(120)과 유, 무기 복합층(11) 사이에 형성되는 버퍼층(buffer layer)으로 작용하게 된다.
여기서, 이와 같이 버퍼층으로서의 역할을 하는 평탄화층(130)으로 인해 광전소자(10)의 광학적 특성이 저하되는 것을 방지하기 위해, 평탄화층(130)은 90% 이상의 투과율을 갖는 물질로 이루어져야 한다.
또한, 평탄화층(130)의 두께가 너무 두꺼우면, 요철 구조물(120)과 유, 무기 복합층(11)의 거리가 너무 멀어 광 산란 효과가 감소될 수 있다. 따라서, 평탄화층(130)은 고평탄도를 갖는 초박막으로 이루어져야 한다. 이에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평탄화층(130)은 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어진다. 예를 들어, 평탄화층(130)은 그래핀(graphene), MoS2, MoSe2, hBN 및 WSe2 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 되어 있어, 세상에서 가장 얇은 물질이면서도 열적, 전기적, 기계적 특성이 우수한 물질이다. 따라서, 이차원 물질인 그래핀으로 평탄화층(130)을 형성하면, 고평탄도를 갖는 초박막으로 평탄화층(130)을 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 그래핀으로 평탄화층(130)을 형성하면, 시트(sheet) 형태로 평탄화층(130)을 형성하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 요철 구조물(120) 상에 시트 형태의 평탄화층(130)이 형성되면, 요철 구조물(120)의 요(凹)부는 기공으로 남게 되어, 요철 구조물(120)의 광 산란 효과를 극대화시킬 수 있게 된다. 아울러, 종래에는 평탄막을 형성하기 위해 평탄막을 이루는 물질을 증착시키거나 용액으로 준비하여 코팅하였으나, 본 발명의 일 실시 예와 같이, 시트 형태로 평탄화층(130)을 형성하면, 종래보다 제조 공정을 간소화시킬 수 있고, 평탄화층(130)의 두께 조절도 보다 용이하게 할 수 있다. 즉, 시트 형태의 그래핀으로 평탄화층(130)을 형성하면, 평탄화층(130)이 초박막으로 형성되도록 그 두께를 조절할 수 있다.
한편, 이와 같은 평탄화층(130)은 유, 무기 복합층(11)과 반데르발스 힘에 의해 결합될 수 있다. 또한, 이와 같은 시트 형태의 평탄화층(130)은 단층 또는 n(자연수) 개의 단층이 적층된 다층으로 이루어질 수 있다. 이때, 평탄화층(130)이 단층으로 이루어진 경우에는 0.3~0.9㎚ 두께를 가질 수 있다. 또한, 평탄화층(130)이 단층이 적층된 다층 구조로 형성되는 경우에도 초박막을 이뤄야 하므로, 전체 두께는 5㎚ 이하가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전소자용 기판(100)은 유, 무기 복합층(11)과 요철 구조물(120) 사이에 시트 형태의 이차원 물질로 이루어진, 고평탄도를 갖는 초박막인 평탄화층(130)을 구비함으로써, 유, 무기 복합층(11)의 평탄성을 보장할 수 있고, 이를 통해, 광전소자(10)의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있으며, 요철 구조물(120)의 광학적 기능을 계속적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전소자용 기판(100)은 시트 형태로 이루어진 단층 또는 복층의 평탄화층(130)을 구비하는데, 이와 같이, 평탄화층(130)이 시트 형태로 이루어지면, 평탄화층(130)의 형성 두께가 예측 가능해지므로, 광전소자(10) 디자인 설계의 정확성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전소자용 기판에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전소자용 기판 및 이를 포함하는 광전소자를 개략적으로 나타낸 단면 모식도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전소자용 기판(200)은 베이스 기판(210) 및 평탄화층(130)을 포함하여 형성된다.
본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여 요철 구조물이 베이스 기판에 일체로 형성되는 것에만 차이가 있을 뿐, 나머지 구성요소들은 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 베이스 기판(210)의 일면에는 요철 구조(211)가 형성되어 있다. 이러한 요철 구조(211)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 요철 구조물(210)과 마찬가지로 광전소자(20) 내에서, 광전소자(20)가 유기발광소자인 경우 외부 또는 광전소자(20)가 광전지인 경우 내부로 투과되는 광을 산란시키는 광 산란층으로서의 역할을 한다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 요철 구조(211)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 요철 구조물(120)과 동일하게 랜덤한 분포를 가지며, 동일한 역할을 한다.
이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 요철 구조(211)는 베이스 기판(210)의 표면을 리소그래피 등의 공정을 통해 패터닝하여 형성된다. 이를 통해, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전소자(20)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전소자(10)보다 구조적인 안정성을 확보할 수 있고, 콤팩트화를 이룰 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 광전소자용 기판 110, 210: 베이스 기판
120: 요철 구조물 130: 평탄화층
211: 요철 구조 10, 20: 광전소자
11: 유, 무기 복합층

Claims (11)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되고, 표면이 요철 구조를 이루는 요철 구조물; 및
    상기 요철 구조물 상에 형성되고, 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어지는 평탄화층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  2. 일면에 요철 구조가 형성되어 있는 베이스 기판; 및
    상기 베이스 기판의 일면 상에 형성되고, 이차원 물질(2-dimensional material)로 이루어지는 평탄화층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평탄화층은 그래핀(graphene), MoS2, MoSe2, hBN 및 WSe2 중 어느 하나 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평탄화층은 시트 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평탄화층은 단층 또는 n 개의 상기 단층이 적층된 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
    여기서, 상기 n은 자연수임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단층은 0.3~0.9㎚ 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다층은 5㎚ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평탄화층은 90% 이상의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자용 기판.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 광전소자용 기판; 및
    상기 광전소자용 기판의 평탄화층에 접하는 유, 무기 복합층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광전소자는 유기발광소자인 것을 특징으로 하는 광전소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광전소자는 광전지인 것을 특징으로 하는 광전소자.
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