KR20160027883A - Pedot:pss based electrode and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20160027883A
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광주과학기술원
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    • H01B5/14Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form comprising conductive layers or films on insulating-supports

Abstract

Provided in the present invention are a method for manufacturing a PEDOT:PSS based electrode, a PEDOT:PSS based electrode manufactured by the method and an organic electronic device which adopts the electrode. The method comprises the steps of: preparing a PEDOT:PSS film formed in a base material; processing the film with a solution which contains sulfuric acid or a sulfuric acid derivative at 75 to 100 volumetric %; washing the film by separating the film from the solution; and drying the washed film at 60 to 160°C. According to the present invention, a method for manufacturing a PEDOT:PSS based electrode, a method of the same and an organic electronic device which adopts the electrode can be provided, thus having advantages of conductive polymers such as excellent workability, reduced weight, flexibility, simple coating process, low production costs, etc. and materializing electric properties capable of substituting ITO.

Description

PEDOT:PSS 기반 전극 및 그의 제조방법{PEDOT:PSS BASED ELECTRODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}PEDOT: PSS BASED ELECTRODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME

본 발명은 PEDOT:PSS 기반 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전기전도도가 향상된 PEDOT:PSS 기반의 전극 및 그의 제조방법, 그리고 이를 채용한 유기전자소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a PEDOT: PSS based electrode and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a PEDOT: PSS-based electrode having improved electrical conductivity, a method of manufacturing the electrode, and an organic electronic device employing the same.

휘어지는 플라스틱 전자소자는 가볍고 유연하여 미래의 유비쿼터스 시대에 유용하게 이용될 수 있는 과학기술의 집합체이다. 이러한 전자 소자의 개발에 있어서 가장 중요한 요소 중의 하나는 플라스틱 투명전극의 개발이다. 투명전극은 LCD, PDP, OLED 등의 평판 디스플레이, 터치스크린, 박막 태양전지에 다양하게 활용되고 있다.
Flexible plastic electronic devices are a collection of science and technology that can be used in the future ubiquitous era. One of the most important factors in the development of such electronic devices is the development of plastic transparent electrodes. Transparent electrodes are widely used in flat panel displays such as LCD, PDP, and OLED, touch screens, and thin film solar cells.

현재 사용되고 있는 가장 대표적인 투명전극은 우수한 광학적, 전기적 성능을 나타내는 인듐 주석 산화물 (ITO)이다. 하지만 ITO는 깨지기 쉬운 특성 때문에 차세대 휘어지는 소자 분야에서 사용되기 어려울 뿐만 아니라 고온의 증착 공정을 사용하기 때문에 인쇄 공정을 활용하여 고성능의 투명전극을 제작하는데 한계가 있어왔다. 또한 ITO의 주원료인 인듐의 매장량 한계와 이에 따른 가격 상승으로 새로운 투명전극의 개발이 절실한 상황이다.
The most representative transparent electrode currently in use is indium tin oxide (ITO), which exhibits excellent optical and electrical performance. However, due to its fragile nature, ITO is not only difficult to use in next-generation bending devices, but also uses a high-temperature deposition process, making it difficult to fabricate high-performance transparent electrodes using a printing process. In addition, the development of a new transparent electrode is urgently required due to the limitation of indium deposits, which are the main raw material of ITO, and thus the price increase.

ITO를 대체하기 위한 투명전극으로 카본나노튜브, 그래핀, 은나노 와이어, 금속산화물 등에 대한 많은 연구가 진행되었지만 지금까지 개발된 플라스틱 투명전극은 현저하게 전도도가 낮기 때문에 이에 대한 극복이 시급한 실정이다.Many studies have been made on transparent electrodes for replacing ITO with carbon nanotubes, graphenes, silver nano wires, metal oxides, etc. However, since plastic transparent electrodes developed so far have remarkably low conductivity, it is urgent to overcome them.

ITO를 대체하기 위한 또 다른 투명전극으로서 전도성 고분자는 유기물로 이루어져 일반적인 플라스틱의 장점인 가공성, 경량성, 유연성, 단순한 코팅 공정, 낮은 생산가 등을 갖는 동시에 금속처럼 전기가 통하는 물질이며 가시광 영역에서 투과도가 높기 때문에 ITO 대체 물질로 각광을 받고 있다. 또한, 유기물로 구성된 기존의 대체물질 역시 ITO에 버금가는 전기전도도를 얻기 위해서는 반드시 고가(高價)의 복잡한 증착공정이 필요하지만, 전도성 고분자는 저온 용액 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.As another transparent electrode for replacing ITO, conductive polymer is made of organic material and has workability, lightness, flexibility, simple coating process and low production cost, which are advantages of general plastic. It is widely recognized as a substitute for ITO. In addition, existing alternative materials composed of organic materials also require a complicated and expensive deposition process in order to obtain electric conductivity equivalent to that of ITO. However, the conductive polymer has an advantage that a low-temperature solution process is possible.

그러나, ITO를 전도성 고분자로 대체하는데 있어 전도성 고분자의 상대적으로 낮은 전기전도도가 문제되었다.
However, the relatively low electrical conductivity of conductive polymers has been a problem in replacing ITO with conductive polymers.

대표적인 전도성 고분자의 일종으로 피닷:피에스에스 (PEDOT:PSS, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)는 전도성 플라스틱 물질 중에서 전도도가 높고, 가시광 영역에서 투과도가 좋으며, 물에 녹아 있어 친환경적으로 용액 공정이 가능하고 게다가 안정성이 우수하여 가장 널리 사용되고 있는 물질 중의 하나이다(도 1). 그러나 투명전극으로 사용하기에는 전도도가 1 S/cm으로 매우 낮으며, 이는 ITO (>5,000 S/cm)와 비교하여 터무니없는 수치이다.
Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): Poly (styrenesulfonate) is a conductive plastic material that has high conductivity, good transparency in the visible region, and is environmentally friendly because it is dissolved in water. However, the conductivity is very low as 1 S / cm for use as a transparent electrode, which is comparable to that of ITO (> 5,000 S / cm), and it is one of the most widely used materials It is an absurd number.

지난 수십여 년 간 PEDOT:PSS의 광학적, 전기적 특성에 대한 많은 연구가 진행되어 왔고, 여러 유기용매나 계면활성제, 산 처리를 통해 전도도를 개선하려는 시도가 있었다. 최근 발표된 비특허문헌 1에 의하면, 1.0 M의 황산(H2SO4) 용액을 PEDOT:PSS 박막에 떨어뜨려 전기전도도 3,065 S/cm 를 얻었다는 보고가 있다. 하지만 전도도 향상에 대한 구체적인 메커니즘 및 최적의 제조방법을 제시하지 못하고 있을 뿐만 아니라 ITO를 대체할 만한 전기적 특성을 실현하지 못하여 실질적인 상용화에 한계가 있다.
There have been many studies on the optical and electrical properties of PEDOT: PSS over the past several decades and attempts have been made to improve the conductivity through the use of various organic solvents, surfactants and acids. According to the recently published Non-Patent Document 1, it is reported that 1.0 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution is dropped on the PEDOT: PSS thin film to obtain an electric conductivity of 3,065 S / cm. However, it does not provide concrete mechanism and optimal manufacturing method for improvement of conductivity, and does not realize electric characteristics that can replace ITO, and thus, practical commercialization is limited.

따라서, 전도성 고분자의 전도도 향상을 위한 최적의 제조방법을 제시함으로써 ITO를 대체할 만한 전기적 특성을 실현하는 투명전극 개발이 필요하다.
Therefore, it is necessary to develop a transparent electrode that realizes an electrical characteristic that can replace ITO by suggesting an optimal manufacturing method for improving the conductivity of the conductive polymer.

Yijie Xia, Kuan Sun, and Jianyong Ouyang, Solution-Processed Metallic Conducting Polymer Films as Transparent Electrode of Optoelectronic Devices, Advanced Materials 2012, 24, 2436-2440 Yijie Xia, Kuan Sun, and Jianyong Ouyang, Solution-Processed Metallic Conducting Polymer Films as Transparent Electrode of Optoelectronic Devices, Advanced Materials 2012, 24, 2436-2440

본 발명의 일 측면은 가공성, 경량성, 유연성, 단순한 코팅 공정, 낮은 생산가 등의 장점을 가짐과 동시에 ITO를 대체할 만한 전기적 특성을 실현할 수 있는 PEDOT:PSS 기반 전극, 그의 제조방법, 및 상기 전극을 채용한 유기전자소자를 제시하고자 한다.
One aspect of the present invention relates to a PEDOT: PSS-based electrode capable of realizing electrical properties that can be substituted for ITO while having merits such as processability, light weight, flexibility, simple coating process and low production cost, Organic electroluminescent device.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 기재 상에 형성된 PEDOT:PSS 박막을 준비하는 단계; 황산 또는 황산유도체를 75 내지 100 부피%로 함유하는 용액으로 상기 박막을 처리하는 단계; 상기 용액으로부터 상기 박막을 분리하여 세척하는 단계; 및 상기 세척된 박막을 60 내지 160℃의 온도에서 건조하는 단계를 포함하는, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a PEDOT: PSS thin film, comprising: preparing a PEDOT: PSS thin film formed on a substrate; Treating the thin film with a solution containing 75 to 100% by volume of sulfuric acid or a sulfuric acid derivative; Separating and washing the thin film from the solution; And drying the washed thin film at a temperature of 60 to 160 캜.

본 발명의 다른 측면은, 기재; 및 상기 기재 상에 형성된 PEDOT:PSS 박막 형태의 전극을 포함하며, 상기 PEDOT:PSS 박막은 PSS에 대한 PEDOT의 몰비율이 1.6 내지 2.0이고, 결정도가 40% 이상인 것인, PEDOT:PSS 기반 전극을 제공한다.
Another aspect of the invention relates to a substrate, comprising: a substrate; And a PEDOT: PSS thin film electrode formed on the substrate, wherein the PEDOT: PSS thin film has a molar ratio of PEDOT to PSS of 1.6 to 2.0 and a crystallinity of at least 40% to provide.

본 발명의 또 다른 측면은, 기재; 상기 기재 상에 형성된 PEDOT:PSS 박막 형태의 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 위치하는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 PEDOT:PSS 박막은 PSS에 대한 PEDOT의 몰비율이 1.6 내지 2.0이고, 결정도가 40% 이상인, PEDOT:PSS 기반 전극을 채용한 유기전자소자를 제공한다.
Another aspect of the present invention is a substrate, comprising: a substrate; A first electrode in the form of a PEDOT: PSS thin film formed on the substrate; A photoactive layer disposed on the first electrode; And a second electrode disposed on the photoactive layer, wherein the PEDOT: PSS thin film has a PEDOT: PEDOT molar ratio of 1.6 to 2.0 and a crystallinity of at least 40% Device.

본 발명에 의하면, 가공성, 경량성, 유연성, 단순한 코팅 공정, 낮은 생산가 등의 전도성 고분자의 장점을 가짐과 동시에 ITO를 대체할 만한 전기적 특성을 실현할 수 있는 PEDOT:PSS 기반 전극, 그의 제조방법, 및 상기 전극을 채용한 유기전자소자를 제공할 수 있다.
According to the present invention, there is provided a PEDOT: PSS-based electrode capable of realizing an electrical property which is advantageous to a conductive polymer such as processability, light weight, flexibility, simple coating process and low production cost, An organic electronic device employing the electrode can be provided.

도 1은 PEDOT:PSS의 화학구조를 도시한 그림이다.
도 2a는 고농도의 황산처리를 통한 PEDOT:PSS 구조의 재정렬과 그에 따른 전도도 향상 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 박막에 황산으로 후처리하는 방법을 나타낸 그림이다.
도 3은 황산의 농도를 달리한 경우(a) 및 건조 온도를 달리한 경우(b)에 대한 PEDOT:PSS의 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 황산의 농도를 달리한 경우의 X-선 구조 분석 결과(a) 및 결정성 PEDOT:PSS의 분자 패킹 구조(b)를 나타내는 그림이다.
도 5는 다양한 농도의 황산을 처리한 PEDOT:PSS 박막의 BF(Bright Field)-TEM 이미지 및 HAADF-STEM 이미지이다.
도 6은 PEDOT:PSS 처리를 위한 다양한 용매의 구조식(a), 다양한 온도에서 이들 용매 각각으로 처리한 PEDOT:PSS의 면저항값(b), 및 이들 용매 각각으로 처리한 PEDOT:PSS의 전도도값(b)을 나타낸 결과이다.
도 7은 다양한 농도의 황산을 처리한 PEDOT:PSS 박막의 흡수 스펙트럼(a), 몰비율(molar ratio)(b), 전하밀도(c), 결정도(d) 및 전하이동도(e)의 변화를 나타낸 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 기반 전극의 광투과도 대비 면저항(a), 및 광투과도 대비 파장(b)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 기반 전극 및 ITO를 전극으로 채용한 태양전지의 성능비교(a) 및 전류밀도 대비 전압의 관계를 나타낸 그래프(b)이다.
도 10(a)은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 기반 전극 및 ITO를 전극으로 채용한 발광소자의 구조이다.
도 10(b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 기반 전극 및 ITO를 전극으로 채용한 발광소자의 성능비교 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전자소자를 나타낸 개략도이다.
1 shows a chemical structure of PEDOT: PSS.
FIG. 2A is a schematic diagram illustrating a rearrangement of a PEDOT: PSS structure through a high concentration of sulfuric acid treatment and a corresponding conductivity enhancement mechanism. FIG.
FIG. 2B illustrates a method of post-treating a PEDOT: PSS thin film according to an embodiment of the present invention with sulfuric acid.
FIG. 3 is a graph showing changes in the electrical conductivity of PEDOT: PSS for (a) when the concentration of sulfuric acid is different and (b) when the drying temperature is different.
FIG. 4 is a graph showing the X-ray structure analysis results (a) and the molecular packing structure (b) of the crystalline PEDOT: PSS when the concentration of sulfuric acid is different.
5 is a BF (Bright Field) -TEM image and a HAADF-STEM image of a PEDOT: PSS thin film treated with various concentrations of sulfuric acid.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the sheet resistance (a) of various solvents for PEDOT: PSS treatment, the sheet resistance value (b) of PEDOT: PSS treated with each of these solvents at various temperatures, and the conductivity value of PEDOT: PSS b).
7 shows the absorption spectrum (a), the molar ratio (b), the charge density (c), the crystallinity (d) and the charge mobility (e) of the PEDOT: PSS thin film treated with various concentrations of sulfuric acid This is the result of the change.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the light transmittance versus the sheet resistance (a) and the light transmittance versus wavelength (b) of a PEDOT: PSS based electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph (b) showing a comparison of performance between a PEDOT: PSS-based electrode and a solar cell employing ITO as an electrode according to an embodiment of the present invention (a) and a voltage versus current density.
10 (a) is a structure of a light emitting device employing a PEDOT: PSS based electrode and ITO as electrodes according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 (b) shows a comparison result of performance of a light emitting device employing a PEDOT: PSS based electrode and ITO as an electrode according to an embodiment of the present invention.
11 is a schematic view showing an organic electronic device according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, portions not related to the description are omitted.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로", "대략" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms " about, "" substantially, "and" roughly ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are used in their numerical values or in close proximity to their numerical values when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated & Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unscrupulous infringers of the disclosures referred to in order to facilitate understanding of the present disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the expression of the machine form means one or more combinations or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the machine form, And the like.

본 명세서에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
The use of terms such as " comprising "or" comprising "in this specification should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, including some or all of the steps Or may further include additional components or steps.

본 명세서에서 황산 또는 황산유도체의 농도를 나타내는 "%"는 특별한 언급이 없는 한 "vol%" 또는 "부피%"로 이해할 수 있다.
In the present specification, "%" indicating the concentration of sulfuric acid or sulfuric acid derivative can be understood as "vol%" or "vol%" unless otherwise specified.

본 발명은 전도성 고분자의 일종인 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)를 황산 또는 황산유도체로 후처리함으로써 종래 전도성 고분자의 단점으로 지적되어왔던 낮은 전기전도도 등의 전기적 특성을 획기적으로 향상시켜 ITO를 대체할 수 있는 전극으로 활용하는 기술에 관한 것이다. 황산 또는 황산유도체로 후처리하는 과정은 도 2b에 간략히 도시하였다.
The present invention relates to a method of post-treating PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) as a conductive polymer with sulfuric acid or a sulfuric acid derivative, thereby lowering electric characteristics such as low electrical conductivity The present invention relates to a technique for dramatically improving the performance of an ITO electrode as a substitute for ITO. The process of post-treatment with a sulfuric acid or a sulfuric acid derivative is schematically shown in FIG.

먼저, 기재 상에 형성된 PEDOT:PSS 박막을 준비한다.First, a PEDOT: PSS thin film formed on a substrate is prepared.

폴리티오펜계 전도성 고분자인 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT, poly(3,4-ethylenedioxythiophene))은 103 ~ 106 S/cm의 우수한 전기전도도를 갖으나, 물에 녹지 않아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다. 이에 도펀트로 음이온성을 지닌 폴리스티렌술포네이트(PSS, poly(styrenesulfonate))를 도입하여, PEDOT/PSS의 복합체로서 물에서 안정된 분산체로 존재할 수 있고, 열적 안전성이 매우 우수하도록 하였다. 또한, PEDOT이 물에 최적 분산성을 유지하기 위하여 PEDOT 및 PSS 고형분 농도가 1.0중량% ~ 1.5중량% 범위로 조정되어 있다. 상기 PEDOT은 추가로 물, 알콜 또는 유전상수가 큰 용매와 잘 혼합되므로 상기 용매와 희석하여 쉽게 코팅할 수 있으며, 코팅막을 형성하였을 때도 기타 전도성 고분자인 폴리아닐린계, 폴리피롤계 등과 비교해 우수한 투명도를 나타낸다.Poly (3,4-ethylenedioxythiophene), a polythiophene conductive polymer, has an excellent electrical conductivity of 10 3 to 10 6 S / cm, but is insoluble in water, resulting in poor processability . PEDOT / PSS complex can be present as a stable dispersion in water by introducing anionic polystyrene sulfonate (PSS, poly (styrenesulfonate)) as a dopant, and has excellent thermal stability. In order to maintain the optimum dispersibility of PEDOT in water, the solid concentration of PEDOT and PSS is adjusted in the range of 1.0 wt% to 1.5 wt%. Since PEDOT is further mixed with water, alcohol or a solvent having a large dielectric constant, the PEDOT can be easily coated by diluting with the solvent. When the coating film is formed, the PEDOT exhibits excellent transparency as compared with other conductive polymers such as polyaniline and polypyrrole.

한편, PEDOT:PSS를 기재 상에 형성함에 있어, 건식공정 또는 습식공정을 이용할 수 있다. 건식공정으로는 스퍼터링(Sputtering), 증착(Evaporation) 등이 있으며, 습식공정으로는 딥 코팅(Dip coating), 스핀 코팅(Spin coating), 롤 코팅(Roll coating), 스프레이 코팅(Spray coating) 등이 있다. 다만, 물, 알코올류, 아세토니트릴 등의 용매에 혼합된 PEDOT:PSS를 기재 상에 코팅하는 습식공정에 의하는 것이 인쇄성, 제조 단가 및 저온 공정 가능성 측면에서 바람직하다. On the other hand, in forming PEDOT: PSS on a substrate, a dry process or a wet process can be used. Sputtering and evaporation are examples of the dry process. Dip coating, spin coating, roll coating, and spray coating are used as the wet process. have. However, it is preferable from the viewpoints of printability, manufacturing cost, and low-temperature processability that the PEDOT: PSS mixed in a solvent such as water, alcohols, acetonitrile or the like is coated on a substrate by a wet process.

상기 PEDOT:PSS 박막의 두께는 30nm(광투과도 94% 및 면저항 80 Ω/sq) 내지 105nm(광투과도 83% 및 면저항 26 Ω/sq)인 것이 면저항을 줄일 수 있다는 측면에서 유리하다.
The thickness of the PEDOT: PSS thin film is advantageously 30 nm (light transmittance 94% and sheet resistance 80 Ω / sq) to 105 nm (light transmittance 83% and sheet resistance 26 Ω / sq)

상기 기재는 유리, 석영, Al2O3 및 SiC로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 후술하는 고농도의 산성 조건에서도 부식의 염려가 없는 유리 등이 좋다.
The substrate may be selected from the group consisting of glass, quartz, Al 2 O 3, and SiC, but is not limited thereto. Preferably, glass or the like which does not cause corrosion even in a high-concentration acidic condition described later is preferable.

앞서 준비된 PEDOT:PSS 박막을 황산 또는 황산유도체를 75 내지 100 부피%로 함유하는 용액으로 처리한다. 상기 용액에서 황산 또는 황산유도체 이외의 성분은 물, 알코올류, 아세토니트릴 또는 이들의 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 박막을 상기 용액으로 처리하는 방법은 상기 박막을 상기 용액에 노출시키기 위한 것으로서, 분사, 도포, 침지 등의 방법을 사용할 수 있으나, 침지하는 방법이 공정의 간편성 및 반응의 효율 극대화 측면에서 바람직하다. (이하에서는 처리 방법으로 '침지'에 국한하여 발명을 기술하고자 한다.)
The PEDOT: PSS thin film prepared above is treated with a solution containing 75 to 100% by volume of sulfuric acid or a sulfuric acid derivative. The components other than sulfuric acid or sulfuric acid derivatives in the solution may be water, alcohols, acetonitrile, or a mixture of two or more thereof, but are not limited thereto. The method of treating the thin film with the solution is to expose the thin film to the solution, and it is possible to use a method such as spraying, coating or immersion, but the method of immersion is preferable in terms of simplicity of the process and maximization of reaction efficiency . (Hereinafter, the present invention will be described in the context of 'immersion' as a treatment method.)

상기 황산 또는 황산유도체로는 -SO3 - 또는 -SO3H를 포함하는 화합물을 들 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. PEDOT:PSS 내에 존재하는 PSS 부분에는 -SO3 - 또는 -SO3H가 포함되어 있는데, 비슷한 관능기를 가진 황산 또는 황산유도체가 포함된 용매를 사용하면 PEDOT:PSS와의 상호작용이 좋을 것으로 사료된다. 구체적으로 상기 황산 또는 황산유도체는, 메탄술폰산(Methansulfonic acid), 트리플루오르메탄술폰산(Trifluoromethansulfonic acid), 황산(술폰산; Sulfuric acid), 과염소산(Perchloric acid), 벤젠술폰산(Benzenesulfonic acid), 파라톨루엔술폰산(p-Toluenesulfonic acid), 4-에틸벤젠술폰산(4-Ethylbenzenesulfonic acid), 4-술폰프탈산(4-Sulfophthalic acid), 파라크실렌-2-술폰산수화물(p-Xylene-2-sulfonic acid hydrate), 5-아미노-1-나프탈렌술폰산(5-Amino-1-naphthalenesulfonic acid), 8-아미노-2-나프탈렌술폰산(8-Amino-2-naphthalenesulfonic acid), 4-아미노-2-나프탈렌술폰산(4-amino-2-naphthalenesulfonic acid), 타우린(Taurine), 1,4-부탄디술폰산(1,4-Butanedisulfonic acid), 아황산(Sulfurous acid), 비스트리플루오르메탄술폰이미드(Bis(trifluoromethane)sulfonamide) 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서는 대표적으로 황산을 사용하여 반응 메커니즘을 설명하고자 한다.
Examples of the sulfuric acid or sulfuric acid derivative include, but are not limited to, compounds containing -SO 3 - or -SO 3 H. The PSS present in PEDOT: PSS contains -SO 3 - or -SO 3 H. If a solvent containing sulfuric acid or sulfuric acid derivative with similar functional groups is used, interaction with PEDOT: PSS is considered to be good. Specifically, the sulfuric acid or the sulfuric acid derivative may be at least one selected from the group consisting of methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, sulfuric acid, perchloric acid, benzenesulfonic acid, paratoluenesulfonic acid p-toluenesulfonic acid, 4-ethylbenzenesulfonic acid, 4-sulfophthalic acid, p-xylene-2-sulfonic acid hydrate, 5- Amino-1-naphthalenesulfonic acid, 8-amino-2-naphthalenesulfonic acid, 4-amino-2-naphthalenesulfonic acid, -naphthalenesulfonic acid, taurine, 1,4-butanedisulfonic acid, sulfurous acid, bis (trifluoromethane) sulfonamide, and 2-thiophene- A mixture of two or more species, and mixtures thereof. It is not. However, for convenience of explanation, the reaction mechanism will be exemplified herein using sulfuric acid.

도 2a를 참조하면, 고농도의 황산(H2SO4)은 자동 양성자 교환(autoprotolysis) 작용을 수행함으로써 두 개의 황산(H2SO4) 분자는 다음과 같이 두 개의 이온을 생성한다. Referring to FIG. 2A, a high concentration of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) performs an autoprotolysis action whereby two sulfuric acid (H 2 SO 4 ) molecules produce two ions as follows.

2H2SO4 ↔ H3SO4 + + HSO4 -
2H 2 SO 4 ↔ H 3 SO 4 + + HSO 4 -

PEDOT:PSS의 경우, 분자간 인력에 의해 전기전도도를 띄는 PEDOT 고분자 주변에 음이온성 PSS가 존재하게 된다. 이러한 PSS는 PEDOT의 스태킹(stacking)을 방지하여 용매에 대한 분산성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나 낮은 전기전도도의 PSS가 PEDOT 주변에 비전도 분자 사슬을 형성함으로써, 전극의 전기전도도가 전체적으로 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 본 발명에서 초고농도의 황산 또는 황산유도체를 포함한 용액으로 후처리하는 경우, 음이온성 HSO4 -가 PEDOT 주변에 둘러싸게 되고 양이온성 H3SO4 +가 PSS 주변에 둘러싸게 되어, PEDOT과 PSS간의 분자간의 인력(intermolecular force)이 약화되어 "전하가 분리된 전이상태 (charge separated transition state)"를 유도한다.
In the case of PEDOT: PSS, anionic PSS is present around the PEDOT polymer with electrical conductivity due to intermolecular attraction. These PSS prevent the stacking of PEDOT and improve the dispersibility to the solvent. However, PSS with a low electrical conductivity may form a nonconductive molecule chain around the PEDOT, which may cause the overall electrical conductivity of the electrode to deteriorate. In the present invention, when the solution is treated with a solution containing an ultra-high concentration of sulfuric acid or sulfuric acid derivative, the anionic HSO 4 - is surrounded by the PEDOT and the cationic H 3 SO 4 + is surrounded by the PSS, The intermolecular force is weakened to lead to a "charge separated transition state ".

즉, 초고농도의 H2SO4으로 PEDOT:PSS를 처리하면 상기 두 이온은 양으로 하전된 PEDOT과 음으로 하전된 PSS의 분리된 상태를 안정화시킨다. 이렇게 되면 PEDOT의 강한 π-π 적층형 결합과 백본(backbone)의 강성(rigidity)으로 인하여 치밀한 PEDOT 네트워크가 만들어지게 되고, 무정형의 PEDOT:PSS 알갱이들이 결정성의 나노섬유(nanofibril) 구조로 형성되면서 결정 및 형태 구조에 있어서 상당한 변화가 뒤따른다. 결국 결정성의 PEDOT:PSS 나노섬유(nanofibril)로 구조적 재정렬이 발생한다.
That is, when PEDOT: PSS is treated with ultra-high concentration of H 2 SO 4 , the two ions stabilize the separated states of positively charged PEDOT and negatively charged PSS. This results in a dense PEDOT network due to the strong π-π stacking of the PEDOT and rigidity of the backbone. As the amorphous PEDOT: PSS grains are formed into a crystalline nanofibril structure, Significant changes in morphology follow. As a result, structural reordering occurs with crystalline PEDOT: PSS nanofibers.

상기 PEDOT:PSS 박막을 침지하는 시간은 황산 또는 황산유도체의 종류 및 농도에 따라 달라질 수 있으나, 후술하는 표 1을 참조하면, 100 부피%의 황산의 경우는 1 분 ~ 1000분으로 침지시간을 달리하여도 제조된 PEDOT:PSS 박막의 성능에 있어서 큰 변화가 없이 양호한 전도도를 보여주었다. 따라서, 1 분 이상이면 반응에 충분할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구자들이 확인한 바에 의하면, 1 주일 동안 침지하여도 PEDOT의 구조 변형이 발생하지 않았고, 전기전도도에도 아무런 영향이 없었으므로, 상한은 정하지 않는 것으로 한다.The time for immersing the PEDOT: PSS thin film may be varied depending on the type and concentration of the sulfuric acid or the sulfuric acid derivative. However, referring to Table 1 described later, in the case of 100 vol% sulfuric acid, Showed good conductivity without significant change in the performance of the prepared PEDOT: PSS thin film. Therefore, if the reaction time is longer than 1 minute, the reaction will be sufficient. Also, according to the results of the present inventors, the upper limit of the PEDOT was not determined because the PEDOT structure did not deform even after immersion for 1 week, and the electrical conductivity had no effect.

그 외의 황산유도체 용액이나, 농도를 달리한 경우에 있어서도, 적정한 침지 시간이 달라질 수도 있으나, 침지 시간이 너무 짧으면 PSS가 탈리되기에 시간이 부족하고 재현성도 떨어질 우려가 있다.
Even in the case of other sulfuric acid derivative solutions or in different concentrations, the proper immersion time may vary. However, if the immersion time is too short, there is a fear that the PSS is desorbed and the reproducibility is lowered.

또한, 황산 또는 황산유도체의 농도는 비교적 초고농도로 사용하는 것이 바람직하다. 75 내지 100 부피%로 함유하는 황산 또는 황산유도체의 수용액을 사용하여 제조한 전극의 전기적 특성이 비교적 양호하게 나타났다. 보다 바람직하게는 80 내지 100 부피%로 황산 또는 황산유도체를 함유하는 용액을 사용하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 100 부피%의 황산, 즉, 물 등의 용매가 함유되지 않은 순수한 황산을 사용하여 제조한 전극의 전기적 특성이 가장 우수하게 나타났다. 참고로, 상기 농도를 몰(M)로 계산하면 황산 70 부피%일 때 13.1M, 황산 75부피%일 때 14.1M, 황산 80 부피%일 때 15.0 M 그리고 황산 100 부피%일때 18.8 M 이다.
The concentration of sulfuric acid or sulfuric acid derivative is preferably used at a relatively high concentration. The electrical characteristics of the electrode prepared using an aqueous solution of sulfuric acid or a sulfuric acid derivative containing 75 to 100% by volume were relatively good. More preferably, a solution containing sulfuric acid or a sulfuric acid derivative in an amount of 80 to 100% by volume is preferably used. Most preferably 100% by volume of sulfuric acid, that is, pure sulfuric acid containing no solvent such as water. For reference, when the concentration is calculated as mol (M), it is 13.1 M at 70 vol% sulfuric acid, 14.1 M at 75 vol% sulfuric acid, 15.0 M at 80 vol% sulfuric acid, and 18.8 M at 100 vol% sulfuric acid.

상기 침지 과정에서, PEDOT:PSS로부터 탈리된 과량의 분리된(uncoupled) PSS와 H2SO4 또는 그의 유도체는 기재 및 PEDOT:PSS 박막의 표면에 부착되어 있을 수 있는데, 충분한 양의 세척제로 세척하여 제거할 수 있다. 상기 세척제는 물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 그 중에서도 탈이온수를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, PEDOT:PSS 구조 유지에 필요한 최소량의 PSS는 PEDOT에 재편성되어 상대이온으로 작용한다.
In the immersion process, excess uncoupled PSS and H 2 SO 4 or derivatives thereof, which have desorbed from the PEDOT: PSS, may be attached to the surface of the substrate and the PEDOT: PSS thin film, washed with a sufficient amount of detergent Can be removed. The cleaning agent may be water, but is not limited thereto, and it is preferable to use deionized water. On the other hand, the minimum amount of PSS necessary for PEDOT: PSS structure retention is reformed into PEDOT and acts as a counter ion.

PEDOT는 전도성의 물질이나, PSS는 비전도성의 물질이므로 PEDOT:PSS의 구조 유지에 필요한 최소한의 PSS만을 남김으로써 전기전도도의 향상을 꾀할 수 있는 것으로 사료된다. Since PEDOT is a conductive material and PSS is a nonconductive material, it is believed that the electrical conductivity can be improved by leaving only the minimum PSS necessary for maintaining the structure of PEDOT: PSS.

황산을 처리하기 전의 PEDOT:PSS 복합체의 PEDOT:PSS의 몰비율이 약 1:2.0 정도이었다면, 75 내지 100 부피%의 황산 처리 및 세척 후의 PEDOT:PSS의 몰비율은 약 1.6 내지 2.0:1 정도로 변하여, PSS의 비율이 극히 낮아졌음을 확인하였다. 이러한 PEDOT:PSS의 몰비율의 상승은 전하밀도 상승으로 연결됨을 예상할 수 있다. 본 연구 결과에 따르면, 가장 최적으로 전기적 특성을 보여주는 경우의 PEDOT:PSS의 몰비율은 대략 2.0:1로 확인되었다.
If the molar ratio of PEDOT: PSS in the PEDOT: PSS complex before the sulfuric acid treatment was about 1: 2.0, the molar ratio of PEDOT: PSS after 75 to 100 vol% sulfuric acid treatment and washing changed to about 1.6 to 2.0: 1 , And the ratio of PSS was extremely low. It can be expected that the increase of the molar ratio of PEDOT: PSS leads to the increase of the charge density. According to the results of the present study, the molar ratio of PEDOT: PSS was found to be about 2.0: 1 when the most optimal electrical properties were shown.

또한, 황산을 처리하기 전의 PEDOT:PSS 복합체의 PEDOT:PSS의 결정도가 약 15% 정도이었다면, 75 내지 100 부피%의 황산 처리 및 세척 후의 PEDOT:PSS의 결정도는 40% 이상으로 변하여, PSS의 비율이 극히 낮아짐에 따라 결정도의 상승이 이루어졌음을 확인하였다. 이러한 PEDOT:PSS의 결정도의 상승은 전하의 운동성 상승으로 연결됨을 예상할 수 있다. (도 7) When the crystallinity of PEDOT: PSS in the PEDOT: PSS complex before the sulfuric acid treatment was about 15%, the crystallinity of the PEDOT: PSS after 75 to 100 volume% sulfuric acid treatment and washing changed to more than 40% It was confirmed that the increase of the crystallinity was achieved. It can be expected that the increase in the crystallinity of PEDOT: PSS leads to an increase in the mobility of the charge. (Fig. 7)

전기전도도 관점에서 상기 결정도는 40% 이상이 좋으며, 바람직하게는 46% 이상, 보다 바람직하게는 48% 이상, 가장 바람직하게는 50% 이상이 선호된다. 다만, 상기 결정도는 높을수록 좋으므로 특별히 상한은 정하지 않는다.
From the viewpoint of electric conductivity, the crystallinity is preferably 40% or more, preferably 46% or more, more preferably 48% or more, and most preferably 50% or more. However, the higher the degree of crystallinity is, the better.

상기 세척된 박막을 60 내지 160℃의 온도에서 건조한다. The washed thin film is dried at a temperature of 60 to 160 ° C.

상기 PEDOT:PSS 조성물이 코팅된 기재를 열풍건조, 진공건조 또는 자외선(IR)건조함으로써, 기재에 고정된 형상의 전극이 형성된다.The substrate coated with the PEDOT: PSS composition is subjected to hot-air drying, vacuum drying or ultraviolet (IR) drying to form an electrode having a shape fixed to the substrate.

PEDOT:PSS로부터 PSS가 탈리된 자리에 황산 또는 황산유도체, 물이 존재할 수 있는데, 지나치게 고온에서 건조시키면 PEDOT이 결정으로 형성되기 전에 이러한 액상의 물질이 증발해버린다는 문제가 있고, 지나치게 낮은 온도에서 건조시키면 액상의 물질이 PEDOT 사이에 존재하여 π-π 상호작용을 저해하는 것으로 사료되나, 낮은 온도에서도 건조 시간을 10분 이상으로 충분히 길게 하면 이러한 문제를 줄일 수 있을 것이다.
Sulfuric acid or sulfuric acid derivatives and water may be present at the site where PSS is removed from PSS: PSS. However, when the PSS is dried at an excessively high temperature, there is a problem that such a liquid material evaporates before PEDOT is formed into crystals. It is believed that when dried, the liquid material exists between the PEDOTs and interferes with the π-π interaction. However, if the drying time is longer than 10 minutes at low temperature, this problem can be alleviated.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전자소자(100)를 나타낸 개략도이다.11 is a schematic diagram showing an organic electronic device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 전극(120), 정공수송층(130), 광활성층(140), 전자수송층(150) 및 제2 전극(160)을 차례로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 정공수송층(130) 및 전자수송층(150)은 생략될 수 있다. 더구나, 본 발명의 PEDOT:PSS를 애노드로 사용하는 경우에는 기존의 ITO 전극에서 정공수송층으로 기능하던 PEDOT:PSS를 별도로 구비할 필요가 없다는 장점이 있다.
Referring to FIG. 11, a first electrode 120, a hole transport layer 130, a photoactive layer 140, an electron transport layer 150, and a second electrode 160 may be sequentially formed on a substrate 110. Here, the hole transport layer 130 and the electron transport layer 150 may be omitted. In addition, when the PEDOT: PSS of the present invention is used as an anode, it is not necessary to separately provide PEDOT: PSS which functions as a hole transport layer in the conventional ITO electrode.

상기 기판(110)은 유기전자소자를 지지하기 위해 사용되는 것으로 유리, 석영, Al2O3 및 SiC 등에서 선택된 광투과성 무기물 기판일 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 본 발명에서 고농도의 강산을 사용한다는 점에서 부식의 염려가 없는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
The substrate 110 may be a light-transmissive inorganic substrate selected from the group consisting of glass, quartz, Al 2 O 3 , SiC, and the like, but is not limited thereto. In the present invention, It is preferable to use a material which does not cause corrosion in the point.

상기 제1 전극(120)은 본 발명에서 제조된 PEDOT:PSS 박막 형태의 광투과 전극일 수 있다. 이는 통상의 ITO(Indium Tin Oxide)막을 대체하는 구성요소이다.
The first electrode 120 may be a PEDOT: PSS thin film type light transmitting electrode manufactured according to the present invention. This is a substitute for a conventional ITO (Indium Tin Oxide) film.

상기 정공수송층(130)은 외부 회로를 통해 공급받은 정공을 상기 제1 전극(120)으로부터 상기 광활성층(140)으로 용이하게 수송하거나(유기발광소자인 경우), 상기 광활성층(140)에서 발생한 정공을 상기 제1 전극(120)으로 용이하게 수송하는(유기태양전지인 경우) 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어, 상기 정공수송층(130)은 상기 제1 전극(120)의 표면 거칠기를 완화시키는 완충층의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 정공수송층(130)의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위는 광활성층(140)의 LUMO 준위보다 높아 전자가 광활성층(140)으로부터 제1 전극(120)으로 유입되는 것을 막는 전자저지층으로서의 역할을 수행할 수도 있다. The hole transport layer 130 can easily transport the holes supplied through the external circuit from the first electrode 120 to the photoactive layer 140 (in the case of an organic light emitting device) (In the case of an organic solar cell) to easily transport holes to the first electrode 120. [ In addition, the hole transport layer 130 may serve as a buffer layer for reducing the surface roughness of the first electrode 120. The LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level of the hole transport layer 130 is higher than the LUMO level of the photoactive layer 140 to prevent electrons from entering the first electrode 120 from the photoactive layer 140. [ As well.

이러한 정공수송층(130)은 유기 태양전지의 경우 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate, 이하, PSS) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene, 이하, PEDOT)의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The hole transport layer 130 may be formed of poly (styrenesulfonate) (PSS) and poly (3,4-ethylenedioxy-thiophene) (Hereinafter, referred to as PEDOT) may be used, but the present invention is not limited thereto.

유기발광소자의 정공수송층(130)은 트리페닐린, 페릴린, 피렌, 테트라센, 안트라센 계열, NPD 계열, TPD 계열 및 광전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The hole transport layer 130 of the organic light emitting device may include at least one selected from triphenylene, perylene, pyrene, tetracene, anthracene, NPD, TPD, and photoconductive polymers.

상기 광활성층(140)은 발광층(light emitting layer) 또는 광전변환층(photoelectric conversion layer)일 수 있다. 여기서, 발광층이란 외부에서 공급받은 전자와 정공의 결합에 의해 빛을 생성하는 층을 말하며, 광전변환층이란 외부에서 공급받은 빛에 의해 전자-정공쌍(exciton, 여기자)의 생성 및 각각의 전하로의 분리가 일어나는 층을 말한다. 상기 광활성층(140)을 발광층 또는 광전변환층으로 구성하는 경우, 상기 유기전자소자(100)는 각각 유기발광소자(organic light emitting device) 또는 유기태양전지(organic solar cell)로 제조할 수 있다.The photoactive layer 140 may be a light emitting layer or a photoelectric conversion layer. Here, the light emitting layer refers to a layer that generates light by the combination of electrons and holes supplied from the outside. The photoelectric conversion layer is a layer in which electrons and holes (excitons) Is a layer in which separation occurs. When the photoactive layer 140 is formed of a light emitting layer or a photoelectric conversion layer, the organic electronic device 100 may be an organic light emitting device or an organic solar cell.

상기 발광층 및 상기 광전변환층의 재료는 특별히 제한되지 않으며, 다양한 고분자 또는 저분자계 유기물을 사용할 수 있다.The materials of the light emitting layer and the photoelectric conversion layer are not particularly limited, and various polymers or low molecular weight organic materials can be used.

예를 들어, 상기 발광층의 재료는 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리피롤(polypyrrole)계, 폴리아세틸렌(polyacetylene)계, 폴리에틸렌다이옥실티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)계, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene, PPV)계, 폴리플루오렌(polyfluorene)계, 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPP)계, 폴리알킬티오펜(polyalkylthiophene)계, 폴리피리딘(polypyridine, PPy)계, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole)계 또는 이들의 공중합체 중에서 선택되거나, 적절한 호스트/도판트계 물질로부터 선택될 수 있다.For example, the material of the light emitting layer may be one selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, Polyphenylenevinylene (PPV), polyfluorene, polyparaphenylene (PPP), polyalkylthiophene, polypyridine (PPy), polyvinyl carbazole polyvinylcarbazole, copolymers thereof, or may be selected from suitable host / dopant materials.

예를 들어, 상기 광전변환층의 전자 주개 물질의 재료로는 폴리티오펜(polythiophene)계, 폴리플루오렌(polyfluorene)계, 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리카바졸(polycarbazole)계, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole)계, 폴리페닐렌(polyphenylene)계, 폴리페닐비닐렌(polyphenylvinylene)계, 폴리실란(polysilane)계, 폴리이소티아나프타넨(polyisothianaphthanene)계, 폴리티아졸(polythiazole)계, 폴리벤조티아졸(polybenzothiazole)계, 폴리티오펜옥사이드(polythiopheneoxide)계, 또는 이들의 공중합체일 수 있다. 일예로서, 상기 전자 주개 물질은 상기 폴리티오펜계의 한 종류인 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT)이거나, 상기 고분자들의 공중합체인 PCPDTBT(poly [2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)], PCDTBT(poly[N-9″-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]) 또는 PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)))일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 광전변환층의 전자 받개 물질은 C60 내지 C84의 플러렌(fullerene) 또는 그 유도체, 페릴렌(perylene), 고분자 또는 양자점(quantum dot)일 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 PCBM, 일 예로서, PCBM(C60)([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PCBM(C70)([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)일 수 있다.
For example, the material of the electron donor of the photoelectric conversion layer may be a polythiophene series, a polyfluorene series, a polyaniline series, a polycarbazole series, a polyvinyl carbazole series, polyvinylcarbazole type, polyphenylene type, polyphenylvinylene type, polysilane type, polyisothianaphthanene type, polythiazole type, polybenzothiazole type, A polybenzothiazole type, a polythiopheneoxide type, or a copolymer thereof. For example, the electron donor material may be poly (3-hexylthiophene) (P3HT), which is a kind of the polythiophene type, or PCPDTBT (poly [2,6- (2,1-b, 3,4-b '] dithiophene) -tallow-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)], PCDTBT (poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)] or PFDTBT 5 '- (4', 7'-di-2-thienyl-2 ', 1 ', 3 ' For example, the electron acceptor material of the photoelectric conversion layer may be a fullerene or a derivative thereof of C 60 to C 84 , a perylene, a polymer, or a quantum dot ) may be a fullerene derivative PCBM as, an example, PCBM (C 60) ([ 6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester) or PCBM (C 70) ([6,6 ]. - phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester).

상기 전자수송층(150)은 외부 회로를 통해 공급받은 전자를 상기 제2 전극(160)으로부터 상기 광활성층(140)으로 용이하게 수송하거나(유기발광소자인 경우), 상기 광활성층(140)에서 발생한 전자를 상기 제2 전극(160)으로 용이하게 수송하는(유기태양전지인 경우) 역할을 할 수 있다. 이와 더불어, 상기 전자수송층(150)은 상기 광활성층(140)에서 발생한 정공이 상기 제2 전극(150)으로 유입되는 것을 막는 정공저지층으로서의 역할을 수행할 수도 있다. 이러한 전자수송층(150)은 일 예로, 티타늄 산화물층일 수 있다. 상기 티타늄 산화물층은 산소나 수증기 등이 상기 광활성층(140)에 침투함으로 인한 소자의 열화(degradation)를 방지할 수 있고, 상기 광활성층(140)에 도입되는 광량을 증대시키기 위한 광학 스페이서(optical spacer)로서의 역할과 함께 유기전자소자의 수명을 증대시켜 주는 수명증대층의 역할도 수행할 수 있다. 상기 티타늄 산화물층은 졸-겔법을 사용하여 형성될 수 있다.
The electron transport layer 150 can easily transport electrons supplied through an external circuit from the second electrode 160 to the photoactive layer 140 (in the case of an organic light emitting device) And can easily transfer electrons to the second electrode 160 (in the case of an organic solar cell). In addition, the electron transport layer 150 may serve as a hole blocking layer to prevent holes generated in the photoactive layer 140 from flowing into the second electrode 150. The electron transport layer 150 may be, for example, a titanium oxide layer. The titanium oxide layer may prevent deterioration of the device due to penetration of oxygen or water vapor into the photoactive layer 140 and may prevent optical degradation of the photoactive layer 140 due to penetration of an optical spacer spacer), and can also serve as a lifetime enhancement layer that increases the lifetime of the organic electronic device. The titanium oxide layer may be formed using a sol-gel method.

상기 제2 전극(160)은 상기 제1 전극(120)에 비해 일함수가 작은 전극으로서, 금속 또는 전도성 고분자 전극일 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 전극(160)은 Li, Mg, Ca, Ba, Al, Cu, Ag, Au, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd, Cs 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 전극일 수 있다. 상기 제2 전극(160)이 금속 전극인 경우 열기상증착, 전자빔증착, 스퍼터링 또는 화학적 증착에 의해 형성하거나, 금속을 포함한 전극 형성용 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
The second electrode 160 may have a smaller work function than the first electrode 120, and may be a metal or a conductive polymer electrode. In one embodiment, the second electrode 160 is formed of a material selected from the group consisting of Li, Mg, Ca, Ba, Al, Cu, Ag, Au, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd, And may be any one selected from metal electrodes. When the second electrode 160 is a metal electrode, the second electrode 160 may be formed by thermal vapor deposition, electron beam deposition, sputtering, or chemical vapor deposition, or may be formed by applying an electrode forming paste containing a metal, followed by heat treatment. However, the present invention is not limited thereto.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in more detail and do not limit the scope of the present invention.

[실시예][Example]

제조예1: PEDOT:PSS 박막의 제조Preparation Example 1: Preparation of PEDOT: PSS thin film

PEDOT:PSS (Clevios PH1000)을 친수성 실린지 필터(0.45㎛)로 여과하여 큰 사이즈의 입자를 제거하였다. 여액을 2×2㎠의 유리 또는 구멍난 질화규소 지지 TEM 기재에 스핀-캐스트하고 120℃에서 15 분간 건조하여 PEDOT:PSS 박막을 다수 개 형성하였다. PEDOT: PSS (Clevios PH1000) was filtered with a hydrophilic syringe filter (0.45 mu m) to remove large size particles. The filtrate was spin-cast on a 2 x 2 cm 2 glass or perforated silicon nitride supported TEM substrate and dried at 120 ° C for 15 minutes to form a plurality of PEDOT: PSS thin films.

후처리를 위하여, 상온 하에서, 상기 PEDOT:PSS 박막(<100 nm)을 황산(H2SO4)(Duksan Pure Chemicals, >95%)의 농도(10~100 vol%)를 달리한 황산용액에 대하여 침지 시간(1~1000분)을 달리하면서 각각 침지하였다.The PEDOT: PSS thin film (<100 nm) was dissolved in a sulfuric acid solution (10 to 100 vol%) of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) (Duksan Pure Chemicals,> 95% (1 to 1000 minutes).

그리고 나서, 상기 박막을 탈이온수로 충분히 세척한 후 잔류하는 물기를 제거하기 위하여 다양한 온도(60~120)℃에서 10 분 이상 건조하였다. Then, the thin film was thoroughly washed with deionized water and then dried at various temperatures (60-120) ° C for 10 minutes or more to remove residual water.

선명한 XRD 패턴을 얻기 위하여, 상술한 바와 동일한 프로세스에 따라 실리콘 기재 위에 여과된 PEDOT:PSS 용액을 드롭 캐스팅(drop casting)하여 PEDOT:PSS 박막(>10㎛)을 제조하였다. 그러나, 상세한 공정 조건은 다음과 같이 조정하였다: 침지 시간은 3 시간으로 증가시켰고, 건조 조건은 60~80℃에서 1 시간 동안 건조 후, 120℃에서 30 분 동안 건조하여 본 발명의 PEDOT:PSS 박막을 얻었다.
In order to obtain a clear XRD pattern, a PEDOT: PSS thin film (> 10 mu m) was prepared by drop casting a filtered PEDOT: PSS solution onto a silicon substrate according to the same process as described above. However, the detailed process conditions were adjusted as follows: the immersion time was increased to 3 hours, the drying conditions were drying at 60 to 80 ° C for 1 hour, and then drying at 120 ° C for 30 minutes to obtain the PEDOT: PSS thin film &Lt; / RTI &gt;

또한, 후처리 용액으로서 황산 이외의 황산유도체 용액, 즉, 트리플루오르메탄술폰산(CF3SO3H) (Sigma-Aldrich Chemical Co., 98%), 파라톨루엔술폰산, 비스트리플루오르메탄술폰이미드, 벤젠술폰산, 4-술폰프탈산 용액에 대해서도 PEDOT:PSS 박막을 각각 10 분 이상 침지하고, 나머지는 조건은 동일하게 하여 PEDOT:PSS 박막을 얻었다.
Further, as a post-treatment solution, a sulfuric acid derivative solution other than sulfuric acid, that is, trifluoromethanesulfonic acid (CF 3 SO 3 H) (Sigma-Aldrich Chemical Co., 98%), paratoluenesulfonic acid, bistrifluoromethanesulfonimide, PEDOT: PSS thin films were also prepared for benzenesulfonic acid and 4-sulfophthalic acid solutions for 10 min or more, respectively.

분석예1: PEDOT:PSS 박막의 특성 분석Analysis Example 1: Characterization of PEDOT: PSS thin film

제조예1에서 제조한 PEDOT:PSS 박막의 특성 분석은 다음과 같은 방법을 사용하였다.The characteristics of the PEDOT: PSS thin film prepared in Preparation Example 1 were analyzed in the following manner.

면저항은 4분 탐침법(four-point probe method)에 의하여 측정하였다. Keithley 2400 Source Meter unit을 사용하여 전류를 인가하였고, HP 34401A multimeter을 사용하여 전압 강하를 측정하였다. 박막 두께는 Surfcorder ET-3000 profilometer (Kosaka Laboratory Ltd.)를 사용하여 측정하였다. XRD 패턴은 Rigaku D/max-2500 diffractometer를 사용하여 얻었고, TEM 이미지는 Tecnai G2 F30 S-Twin microscope를 사용하여 얻었으며, 흡수 스펙트럼은 Perkin-Elmer Labmda 750 UV/Vis/NIR spectrophotometer를 사용하여 얻었다. 이러한 데이터를 토대로 하여, 각 제조조건 별로 얻어진 PEDOT:PSS 박막의 PSS에 대한 PEDOT의 몰비, 결정도, 전도도를 하기 표 1에 정리하였다. 다만 하나의 샘플 No.에 기재된 데이터는 동일한 조건에서 제조된 샘플들에 대한 측정치의 평균값을 의미할 수 있으므로, 실제 측정 데이터는 하기 표 1의 데이터에서 오차 범위 ±5% 내에 존재할 수 있다. 가령 PSS에 대한 PEDOT의 몰비 1.9는 약 2.0를 의미할 수도 있다.
The sheet resistance was measured by a four-point probe method. Current was applied using a Keithley 2400 Source Meter unit and voltage drop was measured using an HP 34401A multimeter. The film thickness was measured using a Surfcorder ET-3000 profilometer (Kosaka Laboratory Ltd.). XRD patterns were obtained using a Rigaku D / max-2500 diffractometer. TEM images were obtained using a Tecnai G 2 F30 S-Twin microscope and the absorption spectra were obtained using a Perkin-Elmer Labmda 750 UV / Vis / NIR spectrophotometer . Based on these data, the molar ratio, crystallinity, and conductivity of PEDOT to PSS of the PEDOT: PSS thin film obtained for each manufacturing condition are summarized in Table 1 below. Actual measurement data may be within ± 5% of the error range in the data of Table 1 below, since the data described in one sample No. may mean the average value of the measurements for samples manufactured under the same conditions. For example, the molar ratio of PEDOT to PSS, 1.9, may mean about 2.0.

샘플Sample
No.No.
황산비율Sulfuric acid ratio
(vol%)(vol%)
처리온도Treatment temperature
(℃)(° C)
처리시간Processing time
(분)(minute)
PSS에 대한 PEDOT의 몰비The molar ratio of PEDOT to PSS 결정도Crystallinity
(%)(%)
전도도conductivity
(S/cm)(S / cm)
(평균값)(medium)
1One pristinepristine 120120 1010 0.530.53 1515 1.131.13 22 1010 120120 1010 0.590.59 1616 7070 33 2020 120120 1010 0.650.65 1818 117117 44 3030 120120 1010 0.620.62 2020 320320 55 4040 120120 1010 0.590.59 2222 730730 66 5050 120120 1010 0.560.56 2424 11501150 77 6060 120120 1010 0.780.78 2929 14201420 88 7070 120120 1010 1.31.3 3636 18901890 99 72.572.5 120120 1010 1.41.4 3838 20302030 1010 7575 120120 1010 1.61.6 4040 24002400 1111 77.577.5 120120 1010 1.71.7 4444 25002500 1212 8080 120120 1010 1.81.8 4646 37003700 1313 9090 120120 1010 1.91.9 4848 40004000 1414 100100 120120 1010 1.91.9 5151 42004200 1515 100100 6060 1010 1.91.9 4949 40104010 1616 100100 8080 1010 1.91.9 4747 38003800 1717 100100 100100 1010 1.91.9 4848 40504050 1818 100100 140140 1010 1.91.9 4747 38003800 1919 100100 160160 1010 1.91.9 4545 34003400 2020 100100 120120 1One 1.91.9 5151 42004200 2121 100100 120120 22 1.91.9 5151 42004200 2222 100100 120120 33 1.91.9 5151 42004200 2323 100100 120120 55 1.91.9 5151 42004200 2424 100100 120120 88 1.91.9 5151 42004200 2525 100100 120120 1010 1.91.9 5151 42004200 2626 100100 120120 1212 1.91.9 5151 42004200 2727 100100 120120 2020 1.91.9 5151 42004200 2828 100100 120120 3030 1.91.9 5151 42004200 2929 100100 120120 100100 1.91.9 5151 42004200 3030 100100 120120 10001000 1.91.9 5151 42004200

PEDOT:PSS 박막을 다양한 농도의 황산 및 황산 유도체로 처리하여 나타나는 전기적 성질의 변화와 구조적 변화를 관찰하였다(도 3 및 도 4). The electrical properties and structural changes of PEDOT: PSS thin films treated with various concentrations of sulfuric acid and sulfuric acid derivatives were observed (FIGS. 3 and 4).

전도도는 처리 용매의 농도가 증가함에 따라 증가하였는데(표 1의 샘플 No. 1~14), 황산의 농도가 60% 이하에서는 1,500 S/cm 미만의 전기전도도를 보여주다가 75%에서는 2400 S/cm, 80%에서는 3,700 S/cm, 100%에서는 4,380 S/cm (측정치 최대값)의 전기전도도를 보여주었다(표 1 및 도 3(a)). 황산 농도 75~80% 구간대에서 전도도가 급격히 증가하였는데, 이러한 전기전도도의 급격한 증가는 황산의 농도 80% 이상에서는 현저한 구조적 변화가 일어났음을 의미한다.
Conductivity increased as the concentration of the treatment solvent increased (Sample Nos. 1 to 14 in Table 1). Electrical conductivity of less than 1,500 S / cm at a sulfuric acid concentration of less than 60% and 2400 S / cm at 75% , 3,700 S / cm at 80% and 4,380 S / cm at 100% (maximum measured value) (Table 1 and Fig. 3 (a)). Concentration of sulfuric acid in the 75 ~ 80% area rapidly increased. The rapid increase of the conductivity indicates that a significant structural change occurred when the concentration of sulfuric acid was over 80%.

처리 용매를 달리하여 전도도를 관찰한 결과, 농도를 100%으로 처리하였을 때 최고 전도도 (황산(1): 4,380 S/cm (측정치 최대값); 트리플루오르메탄술폰산(2): 3,600 S/cm; 파라톨루엔술폰산(3): 2,160 S/cm; 비스트리플루오르메탄술폰이미드(4): 2,300 S/cm; 벤젠술폰산(5): 1,980 S/cm; 4-술폰프탈산(6): 2,420 S/cm)를 나타내었다(도 6(c)).As a result of observing the conductivity with different treatment solvent, the highest conductivity (sulfuric acid (1): 4,380 S / cm (maximum value of measurement), trifluoromethanesulfonic acid (2): 3,600 S / cm when the concentration was 100% (3): 2,160 S / cm; bistrifluoromethanesulfonimide (4): 2,300 S / cm; benzenesulfonic acid (5): 1,980 S / cm; 4-sulfophthalic acid (6): 2,420 S / cm) (Fig. 6 (c)).

황산 뿐만 아니라 술폰산 작용기를 가지는 황산유도체 역시 PEDOT:PSS의 면저항을 낮추고 전기 전도도를 향상시킴을 확인하였다(도 6(b)).
Sulfuric acid derivatives having sulfonic acid functional groups in addition to sulfuric acid also confirmed that the sheet resistance of PEDOT: PSS was lowered and the electric conductivity was improved (FIG. 6 (b)).

전기전도도는 건조 온도에 따라서도 달라지는데(표 1의 샘플 No. 14~19), 처리온도가 60~160℃의 구간에서 전도도 3,800 S/cm 이상의 양호한 결과를 보여주었다. 또한, 도 3(b)를 참조하면, 110℃ 및 120℃에서 건조한 경우 4,000 S/cm 이상의 전기전도도를 보여주었다. 120℃에서 건조한 경우 가장 좋은 전기전도도를 보여주었으나, 그보다 낮거나 높은 온도에서 건조한 경우는 전기전도도가 떨어졌다. 이는 PEDOT:PSS로부터 PSS가 탈리된 자리에 황산 또는 황산유도체, 물이 존재할 수 있는데, 지나치게 고온에서 건조시키면 PEDOT이 결정으로 형성되기 전에 이러한 액상의 물질이 증발해버린다는 문제가 있고, 지나치게 낮은 온도에서 건조시키면 액상의 물질이 PEDOT 사이에 존재하여 π-π 상호작용을 저해하는 것으로 사료된다.
The electrical conductivity also varied with the drying temperature (Sample Nos. 14 to 19 in Table 1) and showed good results with conductivities above 3,800 S / cm at the treatment temperature range of 60-160 ° C. Also, referring to FIG. 3 (b), when dried at 110 ° C. and 120 ° C., electrical conductivity of 4,000 S / cm or more was shown. When dried at 120 ° C, it showed the best electrical conductivity. However, when dried at lower or higher temperature, the electrical conductivity decreased. This may be due to the presence of sulfuric acid or sulfuric acid derivatives or water in the place where PSS is desorbed from PEDOT: PSS. However, when it is dried at an excessively high temperature, there is a problem that the liquid material evaporates before PEDOT forms crystals. It is believed that the liquid material exists between the PEDOTs to inhibit the π-π interaction.

처리 용매(ex. 황산)의 처리시간에 따른 전기전도도의 변화를 관찰하였으나(표 1의 샘플 No. 20~30), 100% 황산을 용매로 사용한 경우 전도도의 변화는 관찰되지 않았으며, 재현성 또한 큰 변화가 없었다. 따라서, 용매의 처리 시간이 전도도 증가에 결정적인 역할을 하지는 않는 것으로 판단된다.
Although the change in the electrical conductivity with the treatment time of the treating solvent (ex. Sulfuric acid) was observed (Sample Nos. 20 to 30 in Table 1), no change in conductivity was observed when 100% sulfuric acid was used as a solvent, There was no big change. Therefore, it is considered that the treatment time of the solvent does not play a decisive role in increasing the conductivity.

도 4(a)는 다양한 농도의 황산으로 처리한 PEDOT:PSS 박막의 XRD 패턴을 나타낸다. 황산을 처리하지 않은(Pristine) 경우, 상기 XRD 패턴은 4개의 특징적 피크들을 나타내었다: 2θ=3.8˚(d=23Å), 6.6˚(d=13.4Å), 17.7˚(d=5.0Å), 25.6˚(d=3.5Å)4 (a) shows an XRD pattern of PEDOT: PSS thin films treated with various concentrations of sulfuric acid. When the sulfuric acid was not treated (Pristine), the XRD pattern showed four characteristic peaks: 2? = 3.8 占 d? 23 ?, 6.6 占 d? 13.4 ?, 17.7 占 d = 25.6 DEG (d = 3.5 ANGSTROM)

2θ=3.8˚ 및 6.6˚은 각각 PEDOT과 PSS의 두 개의 분리된 라멜라 적층 거리 d(100)에 해당하고, 2θ=17.7˚ 및 25.6˚은 각각 PSS의 amorphous halo와 PEDOT 간의 거리를 d(010)에 해당한다(도 4(b)).2θ = 3.8 ° and 6.6 ° correspond to the two separated lamellar lamination distances d (100) of PEDOT and PSS, respectively, and 2θ = 17.7 ° and 25.6 ° are the distance between the amorphous halo of PSS and PEDOT, d (010) (Fig. 4 (b)).

처리한 황산의 농도가 증가함에 따라 XRD 패턴의 모양도 점차적으로 변화하였다. 20% 및 50%의 황산으로 처리한 경우 2θ=3.8˚ 및 6.6˚의 피크는 약 0.4˚ 낮은 쪽으로 이동하였고 XRD 데이터 상의 강도는 증가하였다. 이는 라멜라 적층 간격이 증가하였고 결정도도 향상되었음을 의미한다.As the concentration of treated sulfuric acid increased, the shape of the XRD pattern gradually changed. When treated with 20% and 50% sulfuric acid, the peak at 2θ = 3.8˚ and 6.6˚ shifted to about 0.4˚ lower and the intensity of XRD data was increased. This means that the lamellar lamination interval is increased and the crystallinity is improved.

그러나, 전기전도도의 데이터와 일관되게, 80%의 황산을 처리한 경우 현저한 변화가 관찰되었는데, 2θ=4.4˚ 및 6.2˚(d(100))와 2θ=9.2˚ 및 13.3˚(d(200))에서 강한 피크가 관찰되었다. 그리고, 100%의 황산으로 처리한 경우, 2θ=6.2˚와 2θ=13.3˚에서 강한 피크를 보여주었다. PEDOT 간의 거리를 나타내는 (010) 흡수 피크는 처리 황산의 농도가 증가할수록 감소하여 PEDOT 간의 적층 결합이 증가한 것으로 이해되며, (100) 면의 흡수 피크가 증가한 것으로 보아 결정성이 크게 향상된 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 PEDOT:PSS는 황산의 농도가 증가함에 따라 결정성이 증가하고, PEDOT과 PSS의 두 개의 구별된 라멜라 적층 결합을 선호한다는 것을 알 수 있다.
Consistent with the electrical conductivity data, however, significant changes were observed with 80% sulfuric acid treatment, with 2θ = 4.4˚ and 6.2˚ (d (100) ), 2θ = 9.2˚ and 13.3˚ (d (200) ), A strong peak was observed. When treated with 100% sulfuric acid, strong peaks were observed at 2θ = 6.2˚ and 2θ = 13.3˚. (010) absorption peaks indicating the distance between the PEDOTs decreased as the concentration of the treated sulfuric acid increased, and it was understood that the lamination bond between the PEDOTs increased, and the absorption peak of the (100) plane was increased, . These results show that PEDOT: PSS increases crystallinity with increasing sulfuric acid concentration and favored two distinct lamellar lamination bonds, PEDOT and PSS.

처리한 황산의 농도에 따른 PEDOT:PSS의 구조적 변화 과정을 밝히기 위하여, BF(Bright Field)-TEM 이미지 및 HAADF-STEM(High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscope) 이미지를 관찰하였다(도 5).(BF (Bright Field) -TEM image and HAADF-STEM (High Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscope) images were observed in order to clarify the structural change process of PEDOT: PSS according to the concentration of the treated sulfuric acid ).

황산을 처리하지 않은(Pristine) 샘플에서는 알갱이(grains) 구조에서 하얀 PEDOT:PSS 덩어리를 관찰할 수 있고, 20% 및 50%의 황산 처리 샘플에서는 공간적으로 조밀한 상태의 다소 팽창된 알갱이들이 지배적으로 관찰되었으며, 황산의 농도가 80% 이상으로 증가함에 따라 알갱이 구조에서 나노섬유(nanofibril) 형태로 급격한 형태적 전환이 일어남을 관찰할 수 있다. 100% 황산으로 처리한 샘플은 나노섬유의 폭이 대략 10~15nm임을 보여주었다. In the non-sulfuric acid pristine sample, white PEDOT: PSS masses can be observed in the grains structure and in the 20% and 50% sulfuric acid treated samples, the slightly expanded granules in the spatially dense state predominate And the abrupt morphological conversion of the nanoparticles to the nanofibril form can be observed as the concentration of sulfuric acid increases to 80% or more. The sample treated with 100% sulfuric acid showed that the width of the nanofibers was approximately 10 to 15 nm.

이는 황산의 강산성이 PEDOT:PSS 복합체의 재구성을 유도하여 결정성의 나노섬유를 형성함으로써 우수한 PEDOT 망(network)을 형성하였음을 의미한다.
This means that the strong acidity of the sulfuric acid induces the reconstruction of the PEDOT: PSS complex to form crystalline nanofibers, forming a superior PEDOT network.

황산의 처리는 또한, PEDOT:PSS 박막의 조성 변화를 가져왔으며, 이는 흡수 스펙트럼을 관찰함으로써 확인할 수 있었다.The treatment of sulfuric acid also resulted in a change in the composition of the PEDOT: PSS thin film, which could be confirmed by observing the absorption spectrum.

도 7(a))을 참조하면, UV 영역의 강한 흡수 피크는 PSS의 페닐기의 영향에 따른 것이고, 가시광 및 IR 영역에서의 넓은 흡수 밴드는 PEDOT의 자유 전하와 관련이 있다. 80%의 황산으로 처리한 결과, UV 영역의 두 개의 강한 흡수 피크가 현저하게 감소하였으나, 더 낮은 에너지(<3.0 eV)에서는 흡수 특성에 변화가 없었다. 이러한 결과는 PEDOT:PSS에 고농도의 황산을 처리하면, PEDOT에는 영향을 주지 않고 PSS 만 선택적으로 제거하는 것을 의미한다. 이는, 황산의 농도가 증가할수록 상술한 바와 같이 "전하가 분리된 전이상태 (charge separated transition state)가 유도되어 PEDOT:PSS로부터 PSS가 분리되어 나온 것으로 짐작할 수 있다. 100%의 황산으로 처리하였을 때 70% 이상의 PSS가 제거되었다.
7 (a)), strong absorption peaks in the UV region depend on the phenyl group of PSS, and broad absorption bands in the visible region and IR region are related to the free charge of PEDOT. Treatment with 80% sulfuric acid resulted in a significant decrease in the two strong absorption peaks in the UV region, but no change in absorption characteristics at lower energy (<3.0 eV). These results indicate that treatment of PEDOT: PSS with sulfuric acid at high concentration selectively removes only PSS without affecting PEDOT. It can be assumed that as the concentration of sulfuric acid increases, "charge separated transition state" is induced and PSS is separated from PEDOT: PSS as described above. When treated with 100% sulfuric acid More than 70% PSS was removed.

이러한 PSS 함량의 변화는 PSS에 대한 PEDOT의 몰비의 증가(도 7(a))에 따른 전하 밀도(n)의 증가(도 7(c))로 이어졌다. 황산을 처리하지 않은(Pristine) 샘플의 PSS에 대한 PEDOT의 몰비(R M )는 PEDOT/PSS = 1/1.9 (약 1/2.5 중량비(w/w)에 해당함.)였으나, 100% 황산으로 처리한 샘플의 PSS에 대한 PEDOT의 몰비(R M )는 대략 PEDOT/PSS = 1/0.5 (약 1/0.7 중량비(w/w)에 해당함.)였다.This change in PSS content resulted in an increase in the charge density n (Fig. 7 (c)) with an increase in the mole ratio of PEDOT to PSS (Fig. 7 (a)). The molar ratio ( R M ) of the PEDOT to the PSS in the non-sulfuric acid-treated sample (PSS) was PEDOT / PSS = 1 / 1.9 (corresponding to about 1 / 2.5 weight ratio (w / The molar ratio ( R M ) of PEDOT to the PSS of one sample was approximately PEDOT / PSS = 1 / 0.5 (corresponding to about 1 / 0.7 weight ratio (w / w)).

표 1을 참조하면, 75%의 황산으로 처리한 경우 PSS에 대한 PEDOT의 몰비가 1.6, 80%의 황산으로 처리한 경우 PSS에 대한 PEDOT의 몰비가 1.8, 100%의 황산으로 처리한 경우 PSS에 대한 PEDOT의 몰비가 1.9(약 2.0)로 나타났다.
As shown in Table 1, when the molar ratio of PEDOT to PSS was 1.6 and 80%, when sulfuric acid was treated with 75% of sulfuric acid, the molar ratio of PEDOT to PSS was 1.8, when treated with 80% And the molar ratio of PEDOT was 1.9 (about 2.0).

PSS 함량의 변화는 또한, 결정도(X c )의 향상(표 1의 샘플 No. 1~14, 도 7(d))에 따른 전하 이동도(μ)의 증가(도 7(d))로 이어졌다. 따라서, PEDOT:PSS의 결정성 증가와 같은 구조적 변화는 전기전도도 증가에도 영향을 미친 것으로 사료된다. Changes in the PSS content is further determined by the degree (X c) enhance the increase in charge carrier mobility (μ) according to the (sample No. 1 ~ 14, 7 (d ) is also shown in Table 1) (Fig. 7 (d)) of It continued. Therefore, structural changes such as increase in crystallinity of PEDOT: PSS seem to have affected the increase of electrical conductivity.

표 1을 참조하면, 75%의 황산으로 처리한 경우 결정도가 40%, 80%의 황산으로 처리한 경우 결정도가 46%, 100%의 황산으로 처리한 경우 결정도가 51%로 나타났다.
As shown in Table 1, in the case of treatment with 75% sulfuric acid, the crystallinity was 40% and the crystallinity was 46% when treated with 80% sulfuric acid and 51% when treated with 100% sulfuric acid.

이와 같이 제조된 PEDOT:PSS 박막의 전극으로서의 성능을 평가하기 위하여 성능지수(figure of merit)을 구하여 보았다.A figure of merit was obtained to evaluate the performance of the PEDOT: PSS thin film thus produced as an electrode.

성능지수(

Figure pat00001
)는 다음의 식을 통해서 구할 수 있다.Performance Index (
Figure pat00001
) Can be obtained by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 Z0는 상수이고, 파장(λ) 550 nm를 기준으로 한 투과도(%T)와 면저항(Rs)을 대입하면 성능지수(

Figure pat00003
)를 계산할 수 있다. 도 8a를 참조하면, 황산 처리한 PEDOT:PSS의 다양한 박막두께에서 얻은 면저항 대 투과도 결과를 사각 점으로 나타내었고, 이로부터 위의 식을 피팅하여 곡선으로 나타내었으며 평균 성능지수=72.2를 얻을 수 있었다. 이 수치는 현재까지 보고된 전도성 고분자 박막의 성능지수 중 가장 높은 값에 해당한다. 참고로, %T=90%에서 면저항(Rs)은 46.1 Ω/sq이었다.
Here, Z 0 is a constant, and when the transmittance (% T) and the sheet resistance (Rs) based on the wavelength (λ) 550 nm are substituted,
Figure pat00003
) Can be calculated. Referring to FIG. 8A, the sheet resistance versus permeability obtained from various thin film thicknesses of the sulfuric acid-treated PEDOT: PSS is shown by a square point, from which the above equation can be fitted and expressed as a curve and an average figure of merit = 72.2 . This value is the highest among the performance indexes of the conductive polymer thin films reported so far. For reference, the sheet resistance (Rs) was 46.1 Ω / sq at% T = 90%.

제조예2: 폴리머 태양전지의 제조Production Example 2: Production of polymer solar cell

100% 황산(H2SO4)-처리 PEDOT:PSS 박막(샘플 No. 14)을 애노드로 사용하여 glass/anode/PEDOT:PSS(30 nm)/PTB7:PC71BM(90 nm)/Ca(20 nm)/Al(100 nm) 구조의 폴리머 태양전지를 제조하였다. 100% sulfuric acid (H 2 SO 4) - treated PEDOT: PSS thin film (Sample No. 14) for use as an anode glass / anode / PEDOT: PSS ( 30 nm) / PTB7: PC 71 BM (90 nm) / Ca ( 20 nm) / Al (100 nm) structure.

비교를 위하여 ITO를 애노드로 사용하여 동일한 구조의 폴리머 태양전지를 제조하였다.For comparison, a polymer solar cell having the same structure was manufactured using ITO as an anode.

애노드에 사용된 PEDOT:PSS와 상이한 PEDOT:PSS 수용액(Clevios P AI 4083)을 정공 수송층(HTL)로 사용하였다. 각각의 전극에 HTL을 스핀 코팅하고 140℃에서 10 분 동안 건조하였다. 그리고 나서, 3 vol%의 1,8-다이이오도옥탄(diiodooctane)이 첨가된 클로로벤젠에 PTB7 및 PC71BM(1:1.5 by wt%)의 혼합물을 함유하는 용액을 상기 PEDOT:PSS 층 상에 스핀-캐스트하고 질소-충진 글러브 박스 내에서 70℃ 온도에서 10 분동안 건조하였다. 마지막으로, 고진공 조건(4 > 10-7 Torr) 하에서 열증착에 의하여 Ca 및 Al을 증착하였다.
A PEDOT: PSS aqueous solution (Clevios P AI 4083) different from the PEDOT: PSS used for the anode was used as the hole transport layer (HTL). HTL was spin-coated on each electrode and dried at 140 ° C for 10 minutes. Then, a solution containing a mixture of PTB7 and PC 71 BM (1: 1.5 by wt%) in chlorobenzene to which 3 vol% 1,8-diiodooctane was added was added to the PEDOT: PSS layer 0.0 > 70 C &lt; / RTI &gt; for 10 minutes in a nitrogen-filled glove box. Finally, Ca and Al were deposited by thermal evaporation under high vacuum conditions (4> 10 -7 Torr).

분석예2: 폴리머 태양전지의 특성 분석Analysis Example 2: Characterization of polymer solar cell

100 vol% 황산으로 처리한 PEDOT:PSS 박막(샘플 No. 14)과 ITO를 각각 유기 박막 태양전지의 전극으로 사용했을 때의 성능 평가 결과를 하기 표 2에 정리하였다.Table 2 summarizes the performance evaluation results when PEDOT: PSS thin film treated with 100 vol% sulfuric acid (Sample No. 14) and ITO are used as the electrodes of the organic thin film solar cell, respectively.

개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 채움계수(FF), 광전변환효율(PCE)은 모두 ITO 전극을 대체할 만한 수준으로 평가된다.
Open-circuit voltage (V oc ), short-circuit current (J sc ), fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency (PCE)

AnodeAnode Voc(V)V oc (V) Jsc(mA·cm-1)J sc (mA · cm -1 ) FFFF PCE(%)PCE (%) ITOITO 0.730.73 14.514.5 0.680.68 7.27.2 H2SO4-PEDOT:PSSH 2 SO 4 -PEDOT: PSS 0.730.73 13.913.9 0.650.65 6.66.6

본 발명에서 100% 황산으로 처리한 PEDOT:PSS 박막을 애노드로 사용하였을 때 면저항 46.1 Ω/sq 그리고 90% (550 nm 흡수 영역)이상의 투과도를 나타내었다. 이러한 플라스틱 전극을 이용하여 유기태양전지를 제작한 결과 ITO를 사용하였을 때와 거의 유사한 (>95%) 에너지변환 효율을 나타냄을 확인하였으며, 이로써 ITO를 대체할 수 있는 인쇄형 플라스틱 전극으로의 높은 가능성을 나타내었다(도 9).
In the present invention, when the PEDOT: PSS thin film treated with 100% sulfuric acid was used as an anode, the sheet resistance showed a permeability of 46.1 Ω / sq and 90% (550 nm absorption region) or more. As a result of the fabrication of organic solar cell using such a plastic electrode, it was confirmed that the energy conversion efficiency is almost the same as that of using ITO (> 95%). As a result, (Fig. 9).

제조예3: 폴리머 발광소자의 제조Production Example 3: Production of polymer light emitting device

100% 황산(H2SO4)-처리 PEDOT:PSS 박막(샘플 No. 14)을 애노드로 사용하여 glass/anode/aryl-substituted poly(para-phenylene vinylene) derivative (P-PPV)(60 nm)/Ca(20 nm)/Al(100 nm)구조의 폴리머 발광소자를 제조하였다.(60 nm) glass / anode / aryl-substituted poly (para-phenylene vinylene) derivative (P-PPV) using a PEDOT: PSS thin film (Sample No. 14) treated with 100% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) / Ca (20 nm) / Al (100 nm) structure.

비교를 위하여 ITO를 애노드로 사용하고 그 위에 PEDOT:PSS(30 nm)를 정공 수송층(HTL)으로 추가 코팅하고 나머지는 동일한 구조의 폴리머 발광소자를 제조하였다. For comparison, ITO was used as an anode, and PEDOT: PSS (30 nm) was additionally coated thereon as a hole transport layer (HTL), and a polymer light emitting device having the same structure was manufactured.

HTL은 스핀 코팅하고 140℃에서 10 분 동안 건조하였다.HTL was spin-coated and dried at 140 ° C for 10 minutes.

각각의 전극 위에 톨루엔에 녹아있는 P-PPV 용액(0.5 wt%)을 스핀-캐스트하고 질소-충진 글러브 박스 내에서 80℃ 온도에서 10 분 동안 건조하였다. 마지막으로, 고진공 조건(4 × 10-7 Torr) 하에서 열증착에 의하여 Ca 및 Al을 증착하였다.
A P-PPV solution (0.5 wt%) dissolved in toluene was spun-cast on each electrode and dried in a nitrogen-filled glove box at 80 ° C for 10 minutes. Finally, Ca and Al were deposited by thermal evaporation under high vacuum conditions (4 × 10 -7 Torr).

분석예3: 폴리머 발광소자의 특성 분석Analysis Example 3: Characterization of polymer light emitting device

LED 구조는 PEDOT:PSS 정공 수송층을 코팅한 ITO 전극 위에 광활성층을 코팅하고 Ca, Al을 증착한 구조(비교예), 또는 정공 수송층의 역할을 동시에 하는 100% 황산 처리한 PEDOT:PSS 전극 위에 광활성층을 코팅하고 Ca, Al을 증착한 구조(발명예)이다. 도 10a에 각 층의 에너지 준위를 간략히 나타내었다.
The LED structure is a structure (comparative example) in which a photoactive layer is coated on an ITO electrode coated with a PEDOT: PSS hole transport layer (comparative example), or a photoactive Layer, and a structure in which Ca and Al are vapor-deposited. FIG. 10A briefly shows the energy levels of the respective layers.

황산 처리한 PEDOT:PSS 전극(PEDOT-H2SO4)은 ITO 전극에 대비하여 대등한 LED 전극 특성을 보인다(도 10b). 또한 PEDOT:PSS 전극은 ITO 전극과 달리 추가적인 정공 수송층이 필요 없다는 장점을 지니고 있다.
The sulfuric acid-treated PEDOT: PSS electrode (PEDOT-H 2 SO 4 ) shows LED electrode characteristics comparable to the ITO electrode (FIG. 10B). The PEDOT: PSS electrode has the advantage that an additional hole transport layer is unnecessary unlike the ITO electrode.

이와 같이, 본 발명에서는 황산(H2SO4) 또는 황산유도체의 농도, 처리 온도, 및 세부적인 제조 공정 조건을 조절함으로써, PEDOT:PSS 박막의 결정화를 유도하여 ITO를 대체할 만한 전기전도도를 실현하였고, 이는 "전하가 분리된 전이상태"를 통한 PSS의 탈리를 통해 이루어졌음을 밝혔다.Thus, in the present invention, by controlling the concentration of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or sulfuric acid derivative, the treatment temperature, and the detailed manufacturing process conditions, induction of crystallization of the PEDOT: PSS thin film achieves electric conductivity , And that this was accomplished through the desorption of PSS through the "isolated state of charge".

본 발명의 PEDOT:PSS 박막은 전자 소자에 포함되어 활용될 수 있으며, 예를 들어, 전계효과 트랜지스터, 박막 트랜지스터, 광학 센서, 발광소자, 광검출기, 광자기 메모리 소자, 평면 디스플레이, 플렉서블 소자, 태양전지, EL(electroluminescence) 소자, PL(photoluminescence) 소자, CL(Cathodeluminescence) 소자, 슈퍼커패시터, 전기변색 (electrochromic) 소자 등 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. 특히, 태양전지 및 발광소자와 같은 광소자에서 투명전극으로 활용성이 기대된다.
The PEDOT: PSS thin film of the present invention can be utilized in an electronic device, for example, a field effect transistor, a thin film transistor, an optical sensor, a light emitting element, a photodetector, a magneto- The present invention can be applied to various applications including batteries, EL (electroluminescence) devices, PL (photoluminescence) devices, CL (Cathodeluminescence) devices, supercapacitors, and electrochromic devices. In particular, it is expected to be used as a transparent electrode in an optical device such as a solar cell and a light emitting device.

Claims (8)

기재 상에 형성된 PEDOT:PSS 박막을 준비하는 단계;
황산 또는 황산유도체를 75 내지 100 부피%로 함유하는 용액으로 상기 박막을 처리하는 단계; 및
상기 용액으로부터 상기 박막을 분리하여 세척하는 단계를 포함하는, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
Preparing a PEDOT: PSS thin film formed on a substrate;
Treating the thin film with a solution containing 75 to 100% by volume of sulfuric acid or a sulfuric acid derivative; And
Separating the thin film from the solution and washing the PEDOT: PSS-based electrode.
제 1항에 있어서,
상기 박막을 분리하여 세척하는 단계 이후에 상기 세척된 박막을 60 내지 160℃의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함하는, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of separating and washing said thin film, followed by drying said washed thin film at a temperature of 60 to 160 ° C.
제 1항에 있어서,
상기 용액에 상기 박막을 처리하는 시간은 1 분 이상인 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the time for treating the thin film in the solution is at least 1 minute.
제 1항에 있어서,
상기 박막을 분리하여 세척하는 단계는 상기 PEDOT:PSS 박막의 표면에 부착된 황산 또는 황산유도체를 제거하거나 상기 PEDOT:PSS로부터 탈리된 PSS를 제거하기 위한 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of separating and cleaning the thin film is for removing sulfuric acid or sulfuric acid derivative adhering to the surface of the PEDOT: PSS thin film or removing PSS desorbed from the PEDOT: PSS.
제 1항에 있어서,
상기 박막을 분리하여 세척하는 단계는 물을 사용하여 수행되는 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of separating and cleaning the thin film is carried out using water.
제 1항에 있어서,
상기 용액으로 상기 박막을 처리하는 것은 상기 황산 또는 황산유도체를 75 내지 100 부피%로 함유하는 용액에 상기 박막을 침지하는 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the treatment of the thin film with the solution is performed by immersing the thin film in a solution containing 75 to 100% by volume of the sulfuric acid or the sulfuric acid derivative.
제 1항에 있어서,
상기 황산 또는 황산유도체는 메탄술폰산(Methansulfonic acid), 트리플루오르메탄술폰산(Trifluoromethansulfonic acid), 황산(술폰산; Sulfuric acid), 과염소산(Perchloric acid), 벤젠술폰산(Benzenesulfonic acid), 파라톨루엔술폰산(p-Toluenesulfonic acid), 4-에틸벤젠술폰산(4-Ethylbenzenesulfonic acid), 4-술폰프탈산(4-Sulfophthalic acid), 파라크실렌-2-술폰산수화물(p-Xylene-2-sulfonic acid hydrate), 5-아미노-1-나프탈렌술폰산(5-Amino-1-naphthalenesulfonic acid), 8-아미노-2-나프탈렌술폰산(8-Amino-2-naphthalenesulfonic acid), 4-아미노-2-나프탈렌술폰산(4-amino-2-naphthalenesulfonic acid), 타우린(Taurine), 1,4-부탄디술폰산(1,4-Butanedisulfonic acid), 아황산(Sulfurous acid), 비스트리플루오르메탄술폰이미드(Bis(trifluoromethane)sulfonamide) 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
The sulfuric acid or sulfuric acid derivative may be at least one selected from the group consisting of methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, sulfuric acid, perchloric acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, acid, 4-ethylbenzenesulfonic acid, 4-sulfophthalic acid, p-xylene-2-sulfonic acid hydrate, Amino-2-naphthalenesulfonic acid, 8-amino-2-naphthalenesulfonic acid, 4-amino-2-naphthalenesulfonic acid, ), Taurine, 1,4-butanedisulfonic acid, sulfurous acid, bis (trifluoromethane) sulfonamide, and mixtures of two or more thereof &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; PEDOT: PSS. &Lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 기재는 유리, 석영, Al2O3 및 SiC로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것인, PEDOT:PSS 기반 전극의 제조방법.

The method according to claim 1,
Wherein the substrate is selected from the group consisting of glass, quartz, Al 2 O 3 and SiC.

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