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이석 진
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일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 Research Trends on Organic Photovoltaic Modules 정수현 1 ㆍ홍순일 1,2 ㆍ이진호 1 ㆍ백형철 1 ㆍ장수영 2 ㆍ김근진 1 ㆍ강홍규 1,3

ㆍKwanghee Lee 1,2,3 1 Heeger Center for Advanced Materials, Gwangju Institute of Science and Technology, 123

and Technology, 123 Cheomdangwagi-ro, Buk-gu, Gwangju 61005, Korea 3 Research Institute for Solar and Sustainable Energies,

서론 산업혁명부터현대까지화석연료는주요에너지원으로써인류의역사와함께하여왔다. 하지만최근화석연료의무분별한사용은전세계적으로자원고갈및기후변화와같은문제를야기하게되었고, 이에따라인류는친환경적이면서도재생가능한에너지원에대해관심을갖게되었다.

태양전지에대한기원은인류가광기전효과 (photovoltaic) 현상을처음관측한 1800 년대까지거슬러올라간다.

2세대무기박막태양전지가개발되었으며현재차세대태양전지라불리는 3세대박막태양전지인페로브스카이트, 양자점, 염료감응, 유기태양전지에이르기까지태양전지는지속적인발전을거듭 정수현 2009 성균관대학교화학공학과 ( 학사 ) 2017

2016-현재 GIST 히거신소재연구센터 선임연구원 강홍규 2008 부산대학교화학공학과 ( 학사 ) 2010 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 2015 GIST 차세대에너지연구소

석사 ) 2012-현재 GIST 신소재공학부 ( 박사과정 ) 장수영 2008 부산대학교고분자공학과 ( 학사 ) 2010 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 2015-2016 GIST

나노바이오재료전자공학과 ( 박사 ) 2017-현재 GIST 히거신소재연구센터선임연구원 김근진 2005 경북대학교물리학과 ( 학사 ) 2008 한국과학기술원물리학과 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 )

1 일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 Research Trends on Organic Photovoltaic Modules 정수현 1 ㆍ홍순일 1,2 ㆍ이진호 1 ㆍ백형철 1 ㆍ장수영 2 ㆍ김근진 1 ㆍ강홍규 1,3 ㆍ이광희 1,2,3 Suhyun Jung 1 ㆍSoonil Hong 1,2 ㆍJinho Lee 1 ㆍHyungcheol Back 1 Soo-Young Jang 2 ㆍGeunjin Kim 1 ㆍHongkyu Kang 1,3 ㆍKwanghee Lee 1,2,3 1 Heeger Center for Advanced Materials, Gwangju Institute of Science and Technology, 123 Cheomdangwagi-ro, Buk-gu, Gwangju 61005, Korea 2 School of Materials Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology, 123 Cheomdangwagi-ro, Buk-gu, Gwangju 61005, Korea 3 Research Institute for Solar and Sustainable Energies, Gwangju Institute of Science and Technology, 123 Cheomdangwagi-ro, Buk-gu, Gwangju 61005, Korea gemk@gist.ac.kr 1. 서론 산업혁명부터현대까지화석연료는주요에너지원으로써인류의역사와함께하여왔다. 하지만최근화석연료의무분별한사용은전세계적으로자원고갈및기후변화와같은문제를야기하게되었고, 이에따라인류는친환경적이면서도재생가능한에너지원에대해관심을갖게되었다. 이중태양전지는태양에너지를전기에너지로바꾸어주는장치로친환경적이고무한한에너지원인태양광을이용한다는점에서차세대에너지원으로써크게각광받고있다. 태양전지에대한기원은인류가광기전효과 (photovoltaic) 현상을처음관측한 1800 년대까지거슬러올라간다. 그후 1954년벨연구소에서최초의현대적인태양전지가발명되었고, 태양전지 1세대라할수있는결정질실리콘을시작으로비정질실리콘, 카드뮴텔루라이드 (CdTe), 사원계화합물반도체인 CIGS 등으로대표되는 2세대무기박막태양전지가개발되었으며현재차세대태양전지라불리는 3세대박막태양전지인페로브스카이트, 양자점, 염료감응, 유기태양전지에이르기까지태양전지는지속적인발전을거듭 정수현 2009 성균관대학교화학공학과 ( 학사 ) 2017 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 현재 GIST 히거신소재연구센터선임연구원 백형철 2008 충북대학교공업화학과 ( 학사 ) 2010 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2016 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 2016-현재 GIST 히거신소재연구센터 선임연구원 강홍규 2008 부산대학교화학공학과 ( 학사 ) 2010 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 2015 GIST 차세대에너지연구소 ( 박사후연구원 ) Imperial College London 방문연구원 2015-현재 GIST 차세대에너지연구소연구교수 홍순일 2010 한양대학교신소재공학부 ( 학사 ) 2012 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2012-현재 GIST 신소재공학부 ( 박사과정 ) 장수영 2008 부산대학교고분자공학과 ( 학사 ) 2010 GIST 신소재공학부 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) GIST 차세대에너지연구소선임연구원 Imperial College London 방문연구원 2016-현재 GIST 신소재공학부 ( 박사후연구원 ) 이진호 2010 광운대학교전자재료공학과 ( 학사 ) 2017 GIST 나노바이오재료전자공학과 ( 박사 ) 2017-현재 GIST 히거신소재연구센터선임연구원 김근진 2005 경북대학교물리학과 ( 학사 ) 2008 한국과학기술원물리학과 ( 석사 ) 2015 GIST 신소재공학부 ( 박사 ) 2015-현재 GIST 히거신소재연구센터 ( 박사후연구원 ) 이광희 1983 서울대학교원자핵공학과 ( 학사 ) 1985 한국과학기술원물리학과 ( 석사 ) 1995 미국산타바바라캘리포니아주립대학교물리학과 ( 박사 ) 한국원자력연구소선임연구원 미국산타바바라캘리포니아주립대학교 ( 박사후연구원 ) 부산대학교물리학과조교수 / 부교수 2007-현재 GIST 신소재공학부교수 2015-현재 GIST 특훈교수 고분자과학과기술제 28 권 5 호 2017 년 10 월 395

일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 하고있다. 1 특히, 유기태양전지는제작단가가저렴할뿐아니라가볍고, 유연하여유비쿼터스시대에가장주목받고있는태양전지이다. 유기태양전지는지난 20년간의꾸준한연구개발로광전변환효율이 10% 에도달하였으며, 최근 1-2년사이비풀러렌계열물질등의신규소재가개발되면서 13% 이상의높은효율을달성함에따라상용화에대한기대가커지고있다.

2 일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 하고있다. 1 특히, 유기태양전지는제작단가가저렴할뿐아니라가볍고, 유연하여유비쿼터스시대에가장주목받고있는태양전지이다. 유기태양전지는지난 20년간의꾸준한연구개발로광전변환효율이 10% 에도달하였으며, 최근 1-2년사이비풀러렌계열물질등의신규소재가개발되면서 13% 이상의높은효율을달성함에따라상용화에대한기대가커지고있다. 2 그러나이러한유기태양전지의상용화를위해서는실험실수준의작은면적 ( 광활성층면적 20 mm 2 ) 에해당하는광전변환효율을상용화수준의대면적소자에서달성해야한다. 그러나유기태양전지의면적이커지게되면광활성층으로부터수집된전하의전극내이동거리가길어지면서투명전극의낮은전도도로인한저항손실 (ohmic loss) 이일어나광전변환효율이저하되는문제가발생한다. 이러한문제점을해결하기위해한번에대면적의태양전지를만드는것이아니라투명전극과유기태양전지를구성하는각층의패턴을통해여러개의단위소자를제작하고이들을연결하여저항손실을줄이는방식인모듈구조에대한연구가진행되고있다. 현재가장높은유기태양전지모듈효율은 7.5% 로, 단위소자에서최대 10% 의효율을보이는물질을사용했다는점에서단위소자대비 75% 수준이나상용화를위해서아직은대면적화가더필요한실정이다. 3 본고에서는유기태양전지상용화에초점을맞추어고효율의대면적모듈제작을위한핵심기술요소인모듈구조및다양한인쇄공정기술에대해소개하고더나아가유기태양전지의향후연구와전망에대해논의하려한다. 2. 본론 2.1 유기태양전지모듈유기태양전지의상용화를위한핵심기술중하나인모듈화는 2007년덴마크공대의 F. C. Krebs 교수그룹에서 %( 면적 0.1 m 2 ) 4 효율의모듈제작을시작으로 Konarka 사 ( 미국 ) 에서 2009년세계최초로약 3% 의효율을가지는모듈제작에성공하였으며이를가방에부착한형태의제품이나충전기등에응용하여상품화를시도하기에이르렀다. 하지만당시유기태양전지제작에주로사용되던 P3HT:PC 61 BM 광활성층의낮은효율과안정성및제작비용문제로인해상용화에한계를보인사례로기억되고있다. 현재 Toshiba ( 일본 ), Imec( 벨기에 ), Solarmer Energy( 미국 ) 등의기업및연구소에서도유기태양전지의상용화를위한연구개발을진행하고있지만아직까지뚜렷하게제품화에성공한사례는나오지않고있다. 2016년에는 GIST의이광희교수그룹에서기능층패턴을제거한모듈구조를인쇄공정으로제작하여 7.5%( 면적 4.15 cm 2 ) 의모듈효율을달성하였고, 한국화학연구원에서도 7.45%( 광활성영역면적 77.8 cm 2 ) 의효율을보고하였다. 3,5 하지만이러한결과는현재까지보고된단위소자의최고광전변환효율 (13.8%) 2 에비해현저히낮은수준이기때문에상용화단계에도달하기위해서는유기태양전지모듈에관한많은연구가필요할것으로보인다 유기태양전지모듈구조일반적으로태양전지모듈은인접한단위소자들의상 하부전극이연결되도록박막을패턴하고, 이들을직렬로연결하여제작한다. 그러나패턴과정을통해소실되는광활성층의면적이모듈의비활성영역 ( 전기를생산할수없는영역 ) 이되기때문에모듈효율저하의원인이되기도한다. 초기대면적유기태양전지모듈의연구는후처리공정을통해패턴을하는방식과인쇄공정을이용하여소자제작시패턴을동시에하는두가지방식으로나누어진행되었다. 첫번째방식은기존의 a-si, CIGS와같은박막태양전지모듈의제작에사용되는패턴공정을유기태양전지모듈제작에도입하는것이다. 유기태양전지모듈을구성하는모든 그림 1. (a) 레이저스크라이빙을통한패턴을통해제작한모듈의구조개념도, 8 (b) 인쇄형모듈제작시필요한패턴공정개념도 Polymer Science and Technology Vol. 28, No. 5, October 2017

정수현ㆍ홍순일ㆍ이진호ㆍ백형철ㆍ장수영ㆍ김근진ㆍ강홍규ㆍ이광희 박막을패턴없이형성한후에레이저스크라이빙과같은후처리패턴공정을이용하여여러개의단위소자를형성하는데, 미국 Plextronics 의 Ritesh Tipnis 그룹은스핀코팅과레이저스크라이빙방식을이용하여효율 1.1%( 면적 233 cm 2 ) 의유기태양전지모듈을제작하였다.

3 정수현ㆍ홍순일ㆍ이진호ㆍ백형철ㆍ장수영ㆍ김근진ㆍ강홍규ㆍ이광희 박막을패턴없이형성한후에레이저스크라이빙과같은후처리패턴공정을이용하여여러개의단위소자를형성하는데, 미국 Plextronics 의 Ritesh Tipnis 그룹은스핀코팅과레이저스크라이빙방식을이용하여효율 1.1%( 면적 233 cm 2 ) 의유기태양전지모듈을제작하였다. 후처리패턴공정을통해유기태양전지모듈을제작하는경우에는후처리공정기술의패턴해상도가모듈의성능을결정하는데, 초기에이패턴해상도는 mm 단위였기때문에모듈제작시비활성영역이커져낮은모듈효율의원인이되었다. 6 최근에는독일의 C. J. Brabec 교수그룹에서레이저스크라이빙공정기술의패턴해상도를 μm 단위까지향상시켜효율 5.3%( 면적 3,500 mm 2 ) 를가지며비활성영역이 2% 이하인모듈을제작하였다 ( 그림 1a). 7,8 두번째는용액공정이가능한유기태양전지의특징을이용하여슬롯다이등 1차원패턴이가능한인쇄공정을대면적소자모듈에적용하는방식이다. F. C. Krebs 교수그룹에서는인쇄공정을이용하여최고효율 1.69%( 면적 360 cm 2 ) 를갖는유기태양전지모듈을제작하였다. 이경우박막을형성하는공정과형성된박막에패턴을주는공정이동시에이루어지게되어패턴을위한후처리공정이필요없다는장점이있다 ( 그림 1b). 9 그러나인쇄공정기술의낮은해상도때문에패턴공정시발생하게되는비활성영역이총모듈면적의약 30% 이상이되는문제점이있다 신규모듈구조최근에는유기태양전지모듈제작시공정상의비용을줄이기위해후처리패턴공정보다는인쇄공정을이용하여 모듈을제작하는연구가집중적으로이루어지고있다. 특히유기태양전지를구성하는각박막의패턴시발생하게되는비활성영역의면적을줄이기위해인쇄공정에적합한새로운유기태양전지모듈구조의개발이활발히진행되고있다. 최근 GIST의이광희교수그룹에서는유기태양전지를구성하는모든층을패턴하여모듈을제작하는기존방식과달리박막을부분적으로패턴하여비활성영역이 10% 이하인다양한모듈구조를개발하였으며, 본문에서는세가지방식의새로운모듈구조에대해설명할것이다. 3,10,11 먼저유기태양전지광활성층의극성이기능층의배치에따라조절되는특징을이용하여광활성층을패턴하지않는모듈구조를개발하였다. 10 기존의모듈에서단위소자를연결할때인접한단위소자의하부전극과상부전극을직렬연결하는방식과는달리이러한모듈구조에서는패턴하지않은광활성층에정구조와역구조의유기태양전지단위소자를동시에구현하여인접한소자간상 하부전극을공유함으로써직렬연결하여모듈을구성하는특징을가진다 ( 그림 2a). 10 다음으로, 유기태양전지의기능층은통상수 nm에서수십 nm의얇은두께로구현되는점에착안하여기능층의패턴없이광활성층만을패턴하는새로운모듈구조를개발하였다. 즉모듈의단위소자간연결시상 하부전극사이에중간층이존재하더라도전기적특성이크게변하지않는다는것을이용한것이다. 인쇄공정을통해제작된본구조의유기태양전지모듈은당시최고효율인 7.5% 의공인효율을기록하였다 ( 그림 2b). 3 마지막으로인쇄공정시에패턴없이유기태양전지의모든박막을형성한후새로운후처리방법을이용하여모듈을제작하는방법을개발하였다 ( 그림 2c). 이연구의핵심은은나노입자를첨가한광활성층을이용하여패턴없이대면적소자를제작후인접한단위소자들사이에국부적인전기장을인가해금속필라멘트나노전극을형성시키는기술로, 패턴형성과정이필요없을뿐아니라후처리방법이매우간단하여아직까지낮은기술수준을보이는인쇄공정용유기태양전지의개발에널리활용될수있을것으로예상된다. 11 그림 2. (a) 광활성층을패턴하지않는유기태양전지모듈구조개념도. 10 (b) 광활성층만을패턴하는유기태양전지모듈구조개념도. 3 (c) 은나노입자를함유한광활성층과새로운후처리공정을통해제작한유기태양전지모듈의개념도 인쇄공정고효율의인쇄형유기태양전지모듈의상용화를위해서는인쇄공정기술에대한연구가필수적이다. 최근단위소자에서 10% 이상의효율이보고되면서유기태양전지의상용화에대한가능성과관심이높아짐에따라인쇄공정에대한연구도점점활발해지는추세이다. 인쇄공정의종류로는연구실단위에서가장많이사용되고있는닥터블레이드코팅을비롯하여슬롯다이코팅, 나이프오버에지코팅, 스프레이코팅, 잉크젯프린팅, 그라비어프린팅, 플랙소그라픽프린팅, 스크린프린팅, 오프셋프린팅등이있다. 또한최근에는 고분자과학과기술제 28 권 5 호 2017 년 10 월 397

일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 브러쉬를이용한코팅이나 3-D 프린팅기술까지인쇄형유기태양전지개발을위해연구되고있다. 프린팅과코팅의차이점은기판에잉크층을형성시킬때상대적으로복잡한패턴이잉크를전사하는매개체에들어가면프린팅이라부르고그렇지않으면코팅이라고부르고있다. 하지만통상적으로코팅방법또한큰범주에서프린팅으로포함되고있어서, 모두아울러프린팅또는인쇄공정으로볼수있다.

3% 효율의적층형태양전지를개발하였으며, 이는현재까지인쇄공정으로제작된유기태양전지소자중가장높은효율로기록되고있다. 12 하지만닥터블레이드코팅은연속적인용액주입이어렵고패턴공정에부적합하기때문에롤투롤형태의대면적연속인쇄공정시에는사용하기어렵다. 2.2.2 슬롯다이코팅 1-D 패턴이가능한코팅방법이기때문에대면적소자및모듈제작에서광활성층영역을코팅할때많이사용된다 ( 그림 4).

4 일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 브러쉬를이용한코팅이나 3-D 프린팅기술까지인쇄형유기태양전지개발을위해연구되고있다. 프린팅과코팅의차이점은기판에잉크층을형성시킬때상대적으로복잡한패턴이잉크를전사하는매개체에들어가면프린팅이라부르고그렇지않으면코팅이라고부르고있다. 하지만통상적으로코팅방법또한큰범주에서프린팅으로포함되고있어서, 모두아울러프린팅또는인쇄공정으로볼수있다. 지금부터는최근관심이집중되고있는다양한종류의인쇄공정에대해소개하고자한다 닥터블레이드코팅블레이드와접지면사이에매니스커스를형성하여평면코팅에사용되는장비이며주로패턴이필요없는연구실단위의작은단위소자제작시사용한다 ( 그림 3). 최근연구동향을살펴보면 C. J. Brabec 교수그룹에서닥터블레이드코팅을이용해서 10.3% 효율의적층형태양전지를개발하였으며, 이는현재까지인쇄공정으로제작된유기태양전지소자중가장높은효율로기록되고있다. 12 하지만닥터블레이드코팅은연속적인용액주입이어렵고패턴공정에부적합하기때문에롤투롤형태의대면적연속인쇄공정시에는사용하기어렵다 슬롯다이코팅 1-D 패턴이가능한코팅방법이기때문에대면적소자및모듈제작에서광활성층영역을코팅할때많이사용된다 ( 그림 4). F. C. Krebs 교수그룹에서 ZnO/P3HT:PC 61BM/ PEDOT:PSS 층을모두롤투롤슬롯다이코팅방법을이용해서적층하여대면적유기태양전지효율 1.61%( 면적 360 cm 2 ) 를달성한바가있으며, 최근에는 Thomas. P. Russell 교수그룹에서미니슬롯다이장비를이용하여단위소자효율 5.5% 를기록하였다. 9,13 또한, GIST의이광희교수그룹에서적층형태양전지를미니슬롯다이로제작하여 8.2% 의효율 ( 면적 1 cm 2 ) 을달성하였으며 0.5 μm 정밀패턴을슬롯다이로구현하여유효면적 90%, 전체모듈효율 7.5%( 면적 4.15 cm 2 ) 를달성하였다. 3,14 이프가고정되어있고기판이움직이면서코팅이된다는점이다. 또한잉크저장고가나이프앞에있기때문에잉크의지속적인공급이가능하여롤투롤공정에적합하다 ( 그림 5). 다만모듈구성에있어서필수적인 1-D 패턴에부적합하므로여타패턴이가능한인쇄장비에비하여상대적으로활용성이떨어진다고볼수있다. 하지만최근의연구동향에서레이저패터닝기술이개발되고있는추세이므로추후패턴이필요없는대면적인쇄에사용될수있을것이다 스프레이코팅, 잉크젯프린팅스프레이코팅방법은초창기인쇄공정을이용한유기태양전지제작시많이연구되던방법이다 ( 그림 6a). 하지만노즐을통한방사시스템의경우균일한필름표면형성이어렵다는단점이있다. 16 그럼에도불구하고 2007년 GIST 김동유교수그룹에서는스프레이코팅으로제작한단위소자에서 2.8% 의효율을보고하였으며, 17 이후 W. Zhang 그룹은 PEDOT:PSS층과 PBDTTT-EFT:PC 71BM층을스프레이코팅기법을통해형성하여정구조유기태양전지단위소자효율 8.06% 를달성하였다. 18 잉크젯프린팅은다른인쇄기법과달리디지털방식의높은해상도 (~1,000 dpi) 를가지는코팅이가능하기때문에많은연구자들이사용하고있는장비이다 ( 그림 6b). 하지만공정이상당히복잡하고, 한번에코팅되는면적이작기때문에속도가느리다는단점이있다. 따라서유기태양전지보다는집적화가필요한트랜지스터등의소자에응용되는경우가많다 그라비어, 플랙소그라픽, 스크린, 오프셋프린팅이프린팅장비들은모두롤투롤공정에적합하여대량생산이가능하기때문에인쇄전자산업에서유망한기술로여겨지고있다 ( 그림 7). 그라비어프린팅기술은패턴이되어있는롤러에잉크를묻혀기판에전사하는방식으로, 잉크절감이나정밀한패턴구현이가능한장점이있다. 플랙소그라픽프린팅도이와유사하지만롤러와기판사이에유연성수지판이있어서롤러의잉크가이유연성수지판에전사된후 나이프오버에지코팅닥터블레이드와유사한코팅법으로, 차이점은이경우나 그림 3. (a) 닥터블레이트코팅장비, (b) 블레이드와기판사이의메니스커스형성. 3 그림 4. ZnO nanoparticles( 왼쪽 ), P3HT:PCBM( 가운데 ) 와 PEDOT:PSS( 오른쪽 ) 의롤투롤슬롯다이코팅과정 Polymer Science and Technology Vol. 28, No. 5, October 2017

정수현ㆍ홍순일ㆍ이진호ㆍ백형철ㆍ장수영ㆍ김근진ㆍ강홍규ㆍ이광희 양각패턴으로기판에인쇄된다는차이점이있다. 따라서플랙소그라픽방식이그라비어프린팅보다좀더균일한박막형성이가능하다고알려져있다. 스크린프린팅은 20세기초부터사용된오래된인쇄기술로연구실단위에서도많이사용하고있다.

이와같은방식은빠르게인쇄할수있다는장점이있지만저점도용액의인쇄에있어서는정밀도가떨어지고전체적으로균일한표면형성에어려움이있어, 유기태양전지소자제작시 100 nm 두께의얇은광활성층박막보다는 µm 단위의고점도 PEDOT:PSS나 Silver Paste 등의인쇄에많이사용된다.

이인쇄장비들은이미다양한제품을생산하기위해널리사용되고있는기술들이지만아직까지유기태양전지분야에서는많은연구가진행되고있지는않다. 서보다높은효율을달성하였다.

21 이러한방법은기존의인쇄공정에디지털방식을추가해서보다정밀하게코팅할수있다는장점이있다. 이외에도딥코팅이나바코팅같은프린팅기술도있으나아직까지유기태양전지연구에는많이적용되고있지않다. 3.

5 정수현ㆍ홍순일ㆍ이진호ㆍ백형철ㆍ장수영ㆍ김근진ㆍ강홍규ㆍ이광희 양각패턴으로기판에인쇄된다는차이점이있다. 따라서플랙소그라픽방식이그라비어프린팅보다좀더균일한박막형성이가능하다고알려져있다. 스크린프린팅은 20세기초부터사용된오래된인쇄기술로연구실단위에서도많이사용하고있다. 메쉬형태로패턴된마스크위에용액을스퀴즈로문질러마스크밑에있는기판으로전사하는방식이다. 이와같은방식은빠르게인쇄할수있다는장점이있지만저점도용액의인쇄에있어서는정밀도가떨어지고전체적으로균일한표면형성에어려움이있어, 유기태양전지소자제작시 100 nm 두께의얇은광활성층박막보다는 µm 단위의고점도 PEDOT:PSS나 Silver Paste 등의인쇄에많이사용된다. 오프셋프린팅기법또한미래의유망한인쇄방식으로여겨지고있는데, 앞서설명한프린팅기법들과의차이점은인쇄면과인쇄되지않는패턴된면이동일면에위치한다는점이다. 이면들위에블랑켓실린더가있어서보다정밀하고선명한인쇄가기능하다. 이인쇄장비들은이미다양한제품을생산하기위해널리사용되고있는기술들이지만아직까지유기태양전지분야에서는많은연구가진행되고있지는않다. 서보다높은효율을달성하였다 D 프린팅기술의경우 CSIRO의박두진박사연구진과김동유교수그룹의협업으로활발히연구되고있으며, 슬롯다이코팅장비를 3-D 프린터에장착하여 1-D 패턴을형성하였으며이를이용해유기태양전지모듈제작에성공하였다 ( 그림 8b). 21 이러한방법은기존의인쇄공정에디지털방식을추가해서보다정밀하게코팅할수있다는장점이있다. 이외에도딥코팅이나바코팅같은프린팅기술도있으나아직까지유기태양전지연구에는많이적용되고있지않다. 3. 결론유기태양전지기술은태양에너지를이용하기때문에친환경적이며용액공정이가능하여제작이쉽다는장점때문에화석연료를대체할차세대에너지원으로써크게각광받고있다. 하지만현재유기태양전지에사용되는투명전극의낮은전기전도도는상용화수준의대면적소자를제작하는 브러쉬코팅, 3-D 프린팅위의인쇄방법들외에도일상생활에서접근하기쉬운브러쉬를이용한유기태양전지의제작에관한연구가진행되고있다 ( 그림 8a). GIST의김동유교수그룹에서 2007년에보고한연구결과에의하면브러쉬를이용해광활성층을코팅하였을경우고분자를브러쉬의진행방향으로유기물을정렬할수있으며, 또한스핀코팅과비교하였을때용매의자연증발에의하여필름이형성되기때문에유기태양전지에 그림 7. (a) 그라비어프린팅, (b) 플랙소그래픽프린팅, (c) 스크린프린팅, (d) 오프셋프린팅기법의모식도. 15,19 그림 5. 나이프오버에지코팅장비의모식도 ( 왼쪽 ) 와실제모습 ( 오른쪽 ). 15 그림 6. (a) 스프레이코팅기법, (b) 잉크젯프린팅기법의모식도. 16 그림 8. (a) 브러쉬코팅의모식도, (b) 3-D 프린터를이용한코팅모습. 20,21 고분자과학과기술제 28 권 5 호 2017 년 10 월 399

6 일반총설 유기태양전지모듈의제작기술연구동향 데있어커다란걸림돌이되고있다. 이에본글은여러개의단위소자를연결하여대면적으로제작이가능한유기태양전지모듈기술을소개하였다. 유기태양전지모듈기술은투명전극의낮은전기전도도로인한저항손실을줄여상용화가능한고효율의대면적유기태양전지를제작할수있게하는기술이다. 유기태양전지모듈에서전체모듈의면적당생산가능한전류의양, 즉모듈효율의향상은단위소자들을연결하기위한박막의패턴시발생하는비활성영역을얼마나줄이는가에달려있다. 유기태양전지의용액공정이가능한장점과다양한인쇄기술을결합하여유기태양전지모듈을제작할경우제작단가를크게낮출수있다. 또한패턴공정을줄인모듈제작기술은모듈의비활성영역을줄이고모듈효율을향상시킬수있다. 아직인쇄공정의낮은기술성숙도로인해인쇄형유기태양전지모듈의효율은스핀코팅방법을이용해제작된단위소자에비해낮지만, 본글에소개된다양한인쇄공정들을이용한유기태양전지모듈에대한연구가전세계적으로활발히진행되고있으므로머지않은미래에상용화가능한고효율의대면적유기태양전지모듈제작이가능할것이라기대한다. 또한현재연구되고있는유연투명전극을모듈에적용할경우유연한유기태양전지모듈의상용화역시가능할것이라전망한다. 참고문헌 1. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, Prog. Photovolt. Res. Appl., 20, 12 (2012). 2. W. Zhao, S. Li, H. Yao, S. Zhang, Y. Zhang, B. Yang, and J. Hou, J. Am. Chem. Soc., 139, 7148 (2017). 3. S. Hong, H. Kang, G. Kim, S. Lee, S. Kim, J.-H. Lee, J. Lee, M. Yi, J. Kim, H. Back, J.-R. Kim, and K. Lee, Nat. Commun., 7, (2016). 4. F. C. Krebs, H. Spanggard, T. Kjær, M. Biancardo, and J. Alstrup, Mater. Sci. Eng. B., 138, 106 (2007). 5. S. Badgujar, G.-Y. Lee, T. Park, C. E. Song, S. Park, S. Oh, W. S. Shin, S.-J. Moon, J.-C. Lee, and S. K. Lee, Adv. Energy Mater., 6, (2016). 6. R. Tipnis, J. Bernkopf, S. Jia, J. Krieg, S. Li, M. Storch, and D. Laird, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 93, 442 (2009). 7. G. D. Spyropoulos, P. Kubis, N. Li, D. Baran, L. Lucera, M. Salvador, T. Ameri, M. M. Voigt, F. C. Krebs, and C. J. Brabec, Energy Environ. Sci., 7, 3284 (2014). 8. L. Lucera, F. Machui, P. Kubis, H. D. Schmidt, J. Adams, S. Strohm, T. Ahmad, K. Forberich, H.-J. Egelhaaf, and C. J. Brabec, Energy Environ. Sci., 9, 89 (2016). 9. F. C. Krebs, T. Tromholt, and M. Jorgensen, Nanoscale, 2, 873 (2010). 10. J. Lee, H. Back, J. Kong, H. Kang, S. Song, H. Suh, S.-O. Kang, and K Lee, Energy Environ. Sci., 6, 1152 (2013). 11. H. Kang, S. Hong, H. Back, and K. Lee, Adv. Mater., 26, 1602 (2014). 12. N. Li and C. J. Brabec, Energy Environ. Sci., 8, 2902 (2015). 13. F. Liu, S. Ferdous, E. Schaible, A. Hexemer, M. Church, X. Ding, C. Wang, and T. P. Russell, Adv. Mater., 27, 886 (2015). 14. S. Kim, H. Kang, S. Hong, J. Lee, S. Lee, B. Park, J. Kim, and K. Lee, Adv. Funct. Mater., 26, 3563 (2016). 15. R. Søndergaard, M. Hösel, D. Angmo, T. T. Larsen-Olsen, and F. C. Krebs, Mater. Today, 15, 36 (2012). 16. H. Back, J. Kong, H. Kang, J. Kim, J.-R. Kim, and K. Lee, Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 130, 555 (2014). 17. D. Vak, S.-S. Kim, J. Jo, S.-H. Oh, S.-I. Na, J. Kim, and D.-Y. Kim, Appl. Phys. Lett., 91, (2007). 18. Y. Zhang, J. Griffin, N. W. Scarratt, T. Wang, and D. G. Lidzey, Prog. Photovolt: Res. Appl., 24, 275 (2016). 19. K. Fukuda, Y. Yoshimura, T. Okamoto, Y. Takeda, D. Kumaki, Y. Katayama, and S. Tokito, Adv. Electron. Mater., 1, (2015). 20. S.-S. Kim, S.-I. Na, J. Jo, G. Tae, and D.-Y. Kim, Adv. Mater., 19, 4410 (2007). 21. D. Vak, K. Hwang, A. Faulks, Y.-S. Jung, N. Clark, D.-Y. Kim, G. J. Wilson, and S. E. Watkins, Adv. Energy Mater., 5, (2015). 400 Polymer Science and Technology Vol. 28, No. 5, October 2017

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jaeryomading review.pdf 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1. S. Kim, H. Y. Jeong, S. K. Kim, S. Y. Choi and K. J. Lee, Nano Lett. 11, 5438 (2011). 2. E. Menard, K. J. Lee, D. Y. Khang, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84,