이송이
(Song Yi Lee)
1
채주영
(Juyoung Chae)
2
이열호
(Yeol Ho Lee)
3
윤창훈
(Changhun Yun)
3
강문희
(Moon Hee Kang)
†iD
-
(Dept. of Electrical Energy Engineering, Keimyung Univerity, Korea)
-
(School of Chemical Engineering, Chonnam National University, Kore)
-
(Center for Nano-Photonics Convergence Technology, Korea Institute of Industrial Technology,
Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Organic Solar Cell, Laminated Electrode, Silver Nanowire, Semitransparent
1. 서 론
투명 OLED, 헤드업 디스플레이, TFT 같은 투명소자들의 핵심은 투명전극의 개발에 있다. 투명전극으로 가장 많이 쓰이고 있는 물질인 indium
tin oxide (ITO)는 높은 전도성 (> 2500 S/cm)과 투과도(>90%)로 인해 가장 널리 쓰이고 있다 [1,2]. 하지만, 높은 공정비용으로 인해, 이를 대체하고자 하는 저비용의 투명전극 소재들에 대한 연구가 활발하다. 대체 소재들로는 그라핀 [3,4], 나노 와이어 [5-7], 전도성 고분자 [8] 물질 등이 있다. 투명전극의 핵심은 투과도와 더불어 전도성을 개선하는데 있다. 더불어, 개발한 투명전극이 유연한 속성을 지닌다면 폴더블, 곡면 디스플레이
등 다양한 소자로의 활용이 가능해질 것이다.
본 연구는 실버 나노와이어(AgNW)와 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 스택으로 이루어진 얇은 필름 형태의 저비용 유연 투명전극 개발에 있다.
나노와이어와 전도성고분자 물질은 간단한 용액공정 만으로도 필름의 형성이 가능할 뿐만 아니라 유연한 성질도 함께 지니고 있기 때문이다. 개발된 전극은
간단한 기계적인 힘만으로 부착(lamination)이나 제거(delamination)가 가능하도록 되어 있다. 이를 위해, AgNW 필름 양쪽에 전도성과
접착성 증가를 목적으로 PH 1000, AI 4083 PEDOT:PSS을 샌드위치 형태로 형성 하였다. 비용적인 면에서도, 전 공정을 대기중에서 용액공정만으로
진행하였기 때문에, 고가의 설비와 운영비가 필요치 않아 공정비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 개발된 라미네이션 전극은 다양한 유기광전소자에
적용이 가능한데, 본 연구에서는 유기태양광전지에 개발한 라미네이션 전극을 적용하여 최종소자의 특성을 파악하였다. 라미네이션 전극이 적용된 유기태양광전지는,
기존 고가의 진공증착 금속전극이 적용된 유기태양광전지에 비해서 성능이 부족하지만 (저항손실에 따른 fill factor 저하) [9], 반투명한 속성, 유연 소자로의 적용이 가능하다는 점에서 건물, 자동차의 창호로의 적용 등 활용도가 넓다.
2. 본 론
2.1 실험방법
투명한 AgNW 기반의 라미네이션 전극의 제작 방법은 다음과 같다. 먼저 기판재료인 glass를 초음파분산기에 넣고 acetone, isopropyl
alcohol을 각각 이용해서 세척한다. 세척된 glass에 친수성(hydrophilic)한 표면을 위해 oxygen plasma treatment를
5분간 시행한다. 세척과 plasma treatment를 마친 glass 기판위에는 PEDOT:PSS (AI 4083, Heraeus CLEVIOSTM
P VP)을 30초 동안 2000 rpm에서 스핀코팅 시킨 후, hot plate에서 3분간 120℃에서 열처리 함으로써 얇은 PEDOT:PSS 필름을
형성한다. AI 4083 PEDOT:PSS의 목적은, 향후 부착할 유기물층과의 일함수 (work function) 매칭과 접착성 증가에 있다 [8]. 이후 PEDOT:PSS 필름위에 AgNW 잉크 (Nanopyxis)를 30초동안 1000rpm에서 스핀코팅 시킨 다음, hot plate에서 30분
동안 100℃에서 열처리 함으로써, 얇은 AgNW 박막을 형성한다. 이후 전기전도도 향상을 위해 AgNW 박막위에 PEDOT:PSS (PH 1000,
Heraeus CLEVIOSTM)과 ethylene glycol (EG)의 합성물을 30초 동안 2000rpm에서 스핀코팅 한다. 이후, 열처리 조건은
120℃에서 30분이다.
마지막으로, 형성된 AI 4083/AgNW/PH1000 전도성 스택필름을 함께 떼어내기 위해, 스택필름위에 UV curing epoxy (NOA 63,
Norland Optical Adhesive 63)를 30초 동안 1000rpm에서 스핀코팅한 후, UV lamp를 조사해서 epoxy를 경화시킨다.
경화된 epoxy film을 glass기판으로부터 떼어 내면, 아래의 AI 4083/AgNW/PH1000 층이 epoxy에 붙어 함께 제거되어, 원하는
유기층 위에 다시 부착(lamination) 하여 전극으로 쓰일 수 있다. 공정에 대한 개념도는 그림 1을 참조하면 된다. 그림 2는 그림 1번 제조공정 순서에 의해 제작된 최종 라미네이션 전극의 주사전자현미경 사진이다. 실버 나노와이어들이 네트워크를 형성하며 연결되어 있고, 그 사이를
전도성 고분자인 PEDOT:PSS가 채워주고 있다.
그림. 1. 실버 나노와이어 라미네이션 전극 제조 공정 순서
Fig. 1. Process flow of the AgNW lamination electrode
그림. 2. 실버 나노와이어 라미네이션 전극 주사전자현미경 사진
Fig. 2. SEM picture of AgNW lamination electrode
2.2 Silver nanowire (AgNW) 기반의 라미네이션 전극의 광학적 전기적 특성
그림 1의 실험방법에 의해서 제작된 라미네이션 전극을 제조하기 위해 사용한 PEDOT:PSS, AgNW는 모두 투명한 전도성 물질로 이 물질들을 통해 제작된
최종 라미네이션 전극역시 투명한 속성을 보인다 (그림 3). 측정에 의하면, 가시광 (450 ~ 750 nm)에서의 평균 투과도는 75% 이고, 550 nm(녹색광)에서의 투과도는 77.4% 로써, 사물에
비추어 보았을 때, 아래의 형상과 색이 또렷이 보인다. 라미네이션 전극의 투명한 속성을 활용하면 투명 OLED, 반투명 태양광전지의 제작이 가능해
진다. 비교를 위해서, AgNW를 500rpm에서 스핀코팅한 라미네이션 전극의 투과도도 그림 2에 함께 추가 하였다. AgNW를 500rpm에서 스핀코팅한 경우는 두께 증가로 인해, 투과도가 3% 정도 감소하는 결과를 보여 주었다.
그림. 3. 제작된 실버 나노와이어 라미네이션 전극과 투과도 측정
Fig. 3. Transmittance of the fabricated AgNW lamination electrode
라미네이션 전극의 전극의로써의 성능은 면저항 값을 측정함으로써 평가하였다. 표 1은 AgNW 스핀코팅 속도에 따른, 최종 라미네이션 전극의 면저항 측정 값이다. 면저항 측정은 Van der Pauw 방법에 의해서 측정되었다. 참고를
위해 각 스핀속도에 따른 최종 라미네이션 전극의 평균 투과도도 표 1에 함께 추가 하였다. AgNW 도포 스핀속도가 500에서 2000 rpm으로 증가함에 따라 (AgNW 필름두께 감소), 평균 면저항 값은 26.5에서
74.5 Ω/sq로 증가 하였다. 이는, 진공증착 금속전극 보다는 높지만 투명전극으로 많이 활용되는 ITO (면저항: 10~30 Ω/sq)와 동등한
수준의 면저항 값이다. AgNW 두께가 감소하면 면저항은 증가하지만 투과도는 증가하는, 면저항과 평균 투과도 사이에는 트레이드오프 관계가 존재하기
때문에, 본 연구에서는 면저항과 투과도 값의 적절한 균형을 이룬 1000 rpm에서 AgNW를 스핀코팅한 조건으로 라미네이션 전극을 제작하여 유기태양광전지에
적용하였다.
표 1. 실버 나노와이어 스핀속도에 따른 라미네이션 전극의 면저항 및 평균투과도
Table 1. Sheet resistance and average transmittance values depending on the AgNW spin-coating
conditions
|
AgNW 스핀코팅 속도
|
면저항 ± Std. (Ω/sq)
|
평균 투과도 (%)
|
|
500 rpm
|
26.5 ± 5
|
72
|
|
1000 rpm
|
39.0 ± 2
|
75
|
|
1500 rpm
|
50.2 ± 3
|
78
|
|
2000 rpm
|
74.5 ± 5
|
80
|
라미네이션 전극의 장점은 간단한 기계적인 힘만으로도 lamination(부착), delamination(제거)이 가능하며 반복 사용이 가능하다는 것이다.
2.5 kgf/cm2 정도의 기계적인 압력으로 유기층 위에 접착이 가능하며, 접착된 전극은 다시 손쉽게 제거가 가능하다 (그림 4). 또한, 제조공정이 간단하고, 제작된 라미네이션 전극은 유연하여 향후 곡면, 폴더블 디스플레이등 유연 전자소자의 전극으로써 다양한 활용이 가능하다.
그림. 4. 유기태양광 전지에 접착된 실버 나노와이어 라미네이션 전극의 제거
Fig. 4. Delamination of the AgNW lamination electrode
2.3 반투명 유기태양광전지 제작 및 I-V 특성
개발된 라미네이션 전극의 유기소자 전극 의로써의 적합성을 검증하기 위해, 유기태양광전지를 제작하여 anode 전극으로 라미네이션 전극을 적용하였다.
유기태양광전지는 개발한 라미네이션 전극을 상부전극으로 적용하기 위해 역구조(inverted)를 채택했다 (그림 5) [10,11]. 유기태양광전지는, 모두 용액공정으로 glove box가 아닌 대기 환경 아래에서 제작이 되었다. 흥미로운 점은, 라미네이션 전극이 투명하다 보니,
제작된 최종 유기태양광전지 역시 반투명한 속성을 보였다.
그림. 5. 실버 나노와이어 라미네이션 전극이 적용된 유기태양광전지 구조 및 사진
Fig. 5. Organic solar cell with the AgNW lamination electrode
라미네이션 전극이 적용된 태양광전지의 I-V 특성을 평가하기 위해, 암부(dark)와 유사태양광원 (AM1.5G 스펙트럼, 100mW/cm2) 아래에서
전압에 따른 전류특성을 측정하였다 (그림 6). 그림 6에서 보듯, 라미네이션 전극이 적용된 유기태양광전지는 암부 I-V 측정에서 다이오드의 I-V 곡선 모양을 잘 나타내 주고 있다. 바이어스 전압 2V에서,
35mA 정도의 전류밀도를 보여 주었다. 유사태양광아래에서 측정한 I-V 곡선으로부터, 특성 변수를 추출한 결과 개방전압 (Voc) 575mV, 단락전류
(Jsc) 12.8mA/cm2와 최종 광전변환효율 1.9%를 보여주어, 라미네이션전극을 적용하지 않은 일반 유기태양광전지와 동등한 수준을 보여 주었다.
하지만 fill factor (FF) 값 26%를 통해 라미네이션 전극의 접촉 저항이 다소 큼을 알 수 있다. 왜냐하면 라미네이션 전극의 면저항 39
Ω/sq 값이 FF 값을 떨어트릴 만큼 큰 값이 아니기 때문이다. 이와 관련해서는 향후 라미네이션 전극의 유기물로의 접착 공정 최적화를 통해 개선의
여지가 충분히 있다.
그림. 6. 제작된 반투명 유기태양광전지의 암부와 유사태양광원 아래에서의 I-V 특성곡선
Fig. 6. Dark and light I-V of the fabricated semitransparent organic solar cell
3. 결 론
본 연구로부터 AgNW 기반의 라미네이션 전극을 제작하였다. 제작된 라미네이션 전극은 가시광에서의 평균투과율 75%와 면저항 39 Ω/sq의 특징을
보여 주어, 투명전극으로써 충분한 성능을 제공하였다. 라미네이션 전극의 제조는 고 진공이나 질소환경 아래서가 아닌 대기환경아래에서 제작이 되었고,
간단한 기계적인 힘만으로도 유기물에 접착이 가능하였다. 제작된 라미네이션 전극의 성능검증을 위해 용액공정 유기태양광전지를 제작하여 상부전극으로 라미네이션
전극을 적용하였다. 제작된 라미네이션 전극 유기태양광전지를 암부와 유사태양광원 아래에서 측정한 결과, 암부에서 다이오드 곡선의 특성을 잘 나태 주었고,
유사태양광원 아래에서 광전변환 효율 1.9% 정도의 성능을 보여 주었다. 다소 낮은 FF 26%는 향후 전기전도도 향상과, 라미네이션 필름 접착 공정
향상을 통해 개선을 기대 할 수 있다.
Acknowledgements
이 연구는 2019년 (재)동일문화장학재단 학술연구비 지원에 의해 수행되었음.
References
H. Kim, et al., May 1999, Indium tin oxide thin films for organic light-emitting
devices, Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 23, pp. 3444-3446
H. Kim, et al., Nov 1999, Electrical, optical, and structural properties of indium–tin–oxide
thin films for organic light-emitting devices, J. Appl. Phys., Vol. 86, No. 11, pp.
6451-6461
X. Wang, L. Zhi, K. Müllen, 2008, Transparent, conductive graphene electrodes for
dye-sensitized solar cells, Nano Lett., Vol. 8, No. 1, pp. 323-327
S. Pang, Y. Hernandez, X. Feng, K. Müllen, , Graphene as Transparent Electrode Material
for Organic Electronics, Adv. Mater., Vol. 23, No. 25, pp. 2779-2795
J. H. Yim, et al., 2014, Fully solution-processed semitransparent organic solar cells
with a silver nanowire cathode and a conducting polymer anode, ACS Nano, Vol. 8, No.
3, pp. 2857-2863
D.-S. Leem, A. Edwards, M. Faist, J. Nelson, D. D. C. Bradley, J. C. de Mello, 2011,
Efficient Organic Solar Cells with Solution-Processed Silver Nanowire Electrodes,
Adv. Mater., Vol. 23, No. 38, pp. 4371-4375
L. Hu, H. S. Kim, J. Lee, P. Peumans, Y. Cui, 2010, Scalable Coating and Properties
of transparent Ag nanowire, ACS Nano, Vol. 4, No. 5, pp. 2955-2963
H. Shi, C. Liu, Q. Jiang, J. Xu, 2015, Effective Approaches to Improve the Electrical
Conductivity of PEDOT:PSS: A Review, Adv. Electron. Mater., Vol. 1, No. 4, pp. 1-16
M. A. Green, 1982, Solar cells: operating principles, technology, and system applications.,
Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, NJ
H.-L. Yip, A. K.-Y. Jen, 2012, Recent advances in solution-processed interfacial materials
for efficient and stable polymer solar cells, Energy Environ. Sci., Vol. 5, No. 3,
pp. 5994
D. J. Lee, D. K. Heo, C. Yun, Y. H. Kim, M. H. Kang, 2019, Solution-Processed Semitransparent
Inverted Organic Solar Cells from a Transparent Conductive Polymer Electrode, ECS
J. Solid State Sci. Technol., Vol. 8, No. 2, pp. Q32-Q37
저자소개
Song Yi Lee is a currently undergraduate student in Department of Electrical Energy
Engineering from the Keimyung University.
Juyoung Chae is a graduate student in School of Chemical Engineering, Chonnam National
University, Korea
Yeol Ho Lee is a Researcher in Center for Nano-Photonics Convergence Technology, Korea
Institute of Industrial Technology, Korea.
Changhun Yun is a Principal Researcher in Center for Nano-Photonics Convergence Technology,
Korea Institute of Industrial Technology, Korea.
His research interests include the fabrication of OLED and transparent electrodes.
Moon Hee Kang received the Ph.D. degree in Electrical and Computer Engineering from
the Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA in 2013.
He is now a assistant professor with the School of Electronics Engineering, Chungbuk
National University, Korea.