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태윤 요
5 years ago
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유기박막태양전지기술 문상진 최근들어정보전자산업의급속한발전과함께차세대디스플레이로서유연성 (flexible) 디스플레이에대한관심이증대하고있다. 이차세대디스플레이는마음대로휘거나접을수있고가벼우며곡면으로제작이가능하여, 개인이휴대하거나차량으로손쉽게이동이가능하며주어진환경에서의설치나철거가용이하여디스플레이로서의영역을크게확장할것으로기대되고있다.

이런재료들은앞서의유연성디스플레이를위한유기발광소자와유기전계트랜지스터를위시하여, 유기반도체레이저, 유기박막태양전지등으로그활용성을크게확대해나가고있다. 유기발광소자가이미 PDP, LCD를이을차세대디스플레이로서실용화의길에접어들었다면, 유기박막태양전지는이제야그기술적가능성을확인하고실험실적으로한창연구가진행중에있다.

1 유기박막태양전지기술 문상진 최근들어정보전자산업의급속한발전과함께차세대디스플레이로서유연성 (flexible) 디스플레이에대한관심이증대하고있다. 이차세대디스플레이는마음대로휘거나접을수있고가벼우며곡면으로제작이가능하여, 개인이휴대하거나차량으로손쉽게이동이가능하며주어진환경에서의설치나철거가용이하여디스플레이로서의영역을크게확장할것으로기대되고있다. 그러나이러한편리한디스플레이를만들기위해서는가볍고깨지지않으며값이싼재료들이사용되어야하는데이런목적에가장적합한재료가플라스틱과같은유기물재료이다. 유기물이면서도전기를잘통하는전도성고분자나반도체소자를구현할수있는유기반도체재료들이최근들어큰관심을끌고있는것도이런이유에서이다. 이런재료들은앞서의유연성디스플레이를위한유기발광소자와유기전계트랜지스터를위시하여, 유기반도체레이저, 유기박막태양전지등으로그활용성을크게확대해나가고있다. 유기발광소자가이미 PDP, LCD를이을차세대디스플레이로서실용화의길에접어들었다면, 유기박막태양전지는이제야그기술적가능성을확인하고실험실적으로한창연구가진행중에있다. 사실미래의구부러지는디스플레이도그에걸맞는전기에너지원이없다면그편이성이반으로경감될것이다. 기존의무기재료를활용하는태양전지가본격적인대체에너지원으로서화력발전을대체할태양광발전소에서그주된용도를찾는다면, 유기태양전지는건물의창이나벽, 발코니등에설치하여수려한외관을창출하며동시에전기를생산해내는소위 BIPV 용도에서크게쓰여질것이다. 물론장래에는유연성디스플레이에도가장궁합이맞는파트너가될것이며입는옷이나들고다니는가방을장식하면서사람의건강과일상을책임지는핵심에너지원역할을톡톡히할것이다 [ 그림 1]. 이같은유기박막태양전지는실험실적으로새롭게합성할 수있는다양한유기반도체재료를소량으로사용하므로기존무기계태양전지에비해소재비용의대폭적인절감이가능하다. 또한소자제작공정에있어서도유기물자체의손쉬운가공성으로인해스핀코팅, 스크린프린팅, 잉크젯, 미세접촉프린팅법등저가의박막및대면적소자제작방법을응용할수있고, 롤투롤공정에의한유연성소자의제작이가능하여값싼공정단가를실현할수있다. 이런의미에서그동안무기계실리콘재료에거의전적으로의지해와현재원료수급문제와경제성문제에봉착해있으며저가박막소자에대한필요성이커지고있는태양전지분야에서도장기적으로는값싸고다양한응용성을갖는유기박막태양전지의도입이하나의큰대안이될수있다. 사실유기박막태양전지는 1970년대부터그가능성이제시되어왔지만효율이너무낮아세인들의관심을끌지못하다 저자약력 문상진박사는 KAIST 화학공학과에서원유탈황에관한촉매연구로박사학위를취득하였다 (1988). 이후한국화학연구원에서 Si 태양전지소재, 염료감응형및유기박막태양전지, 물분해수소광촉매등광기술관련에너지소재연구를수행해오고있다. (moonsj@krict.re.kr) 그림 1. 유기박막태양전지의용도 ( 30

2 가, 1986년미국코닥사의 Tang 박사그룹이 CuPc와 perylene 이라는유기재료를이용하여 1% 에육박하는효율을발표하면서주목을받기시작하였다. [1] 그후에도다양한종류의유기반도체재료가추구되었지만뚜렷한성과를내지못하다가 2000년대에들면서, 80년대중반에개발되어노벨상까지가능케하며전자재료로의응용이연구되고있던풀러렌 (C 60) 을본태양전지에도입하면서괄목할만한발전을이루게되었다. C 60 나 C 60 의유도체에 CuPc와같은단분자, PPV, P3HT와같은고분자물질들을도입한다양한유기박막태양전지에서지속적인효율증가를보이면서현재단층구조에서 ~5%, 2층탠덤구조에서 6.5% 대의최고효율을보일정도로발전하였다. [2] 또한유기반도체의에너지준위와광전기적물성을잘조절하면단층구조기준 10% 이상의에너지전환효율도가능하다는최근의이론적인예측은유기박막태양전지에대한실용화가능성을밝게하고있다. [3] 실제로미국의 Konarka나 Plextronics 등의회사들이본유기박막태양전지의발전및실용화가능성에주목하여본격적인개발및실용화프로젝트를이미진행시키고있음은특히유의할만하다. 이하에서는이러한차세대신형태양전지로서의유기박막태양전지의기술적원리와종류, 현재의개발동향과문제점, 그리고발전방향에대해간략히살펴보고자한다. (a) Transparent substrate (b) + - IT Me Acceptor layer Donor layer + - IT Me 유기박막태양전지의기술적특성 D/A bulk jnct. 먼저유기박막태양전지의기본구조를살펴보면그림 2와같이금속 / 유기반도체 ( 광활성층 )/ 금속 ( MIM ) 구조로간단히표시할수있는데, 높은일함수를가진전도성투명전극 (IT) 을양극으로, 낮은일함수를가진 Al이나 Ca 등을음극물질로사용한다. 그리고광활성층은 100 nm 정도의두께를가진, 도너 ( 전자주게, D) 물질과억셉터 ( 전자받게, A) 물질의두층구조 (D/A bi-layer) 혹은복합박막 ((D+A) blend) 구조를이용하는데 ( 각각그림 2의 (a) 및 (b)), 경우에따라서는전자의두 D-A 층사이에후자의복합박막이끼어있는혼합구조 (D/(D+A)/A) 를이용하기도한다. 또한버퍼층으로양극과광활성층사이에정공이송층을, 음극과광활성층사이에는전자이송층을끼워넣기도한다. 한편, 광활성층으로사용되는유기반도체에는유기단분자와고분자가있는데, 유기단분자의경우는진공에서가열하여도너층과억셉터층을연속으로형성시키는방법을사용하고, 유기고분자의경우는도너와억셉터물질이함께녹아있는용액을스핀코팅법이나, 잉크젯법, 또는스크린프린팅법과같은용액공정을이용하여박막을형성시킨다. 이렇게만들어진유기박막태양전지에빛을쬐어주면, 주로 그림 2. 유기박막태양전지의기본구조 ; (a) bi-layer 구조, (b) blend 구조. 도너물질에서빛을흡수하여여기상태의에너지덩어리인전자- 정공쌍 ( 엑시톤 ) 을형성한다. 이엑시톤은임의방향으로확산하다가억셉터물질과의계면을만나면전자와정공으로분리된다. 즉, 전자친화도가큰억셉터물질은전자를급속히잡아당겨전하분리를유도하며, 도너층에남아있는정공은양쪽전극의일함수차이로형성된내부전기장과쌓여진전하의농도차에의해양극으로이동하고전자는역시억셉터층내부를따라음극으로이동하여수집된다. 수집된전하는최종적으로외부회로를통해전류의형태로흐르게된다. 이런일련의현상을광기전력효과 (photovoltaic effect) [1] C. W. Tang, C.W., Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986). [2] J. Y. Kim, S. H. Kim, H. -H. Lee, K. Lee, W. Ma, X. Gong, A. J. Heeger, Adv. Mater. 18, 572 (2006). [3] M. C. Scharber, D. Mühlbacher, M. Koppe, P. Denk, C. Wadauf, A. J. Heeger, C. J. Brabec, Adv. Mater. 18, 789 (2006). 31

3 라고하는데, 그림 3에기본적인두가지구조의유기박막태양전지에대한광활성층내부에서의빛흡수와전하분리현상을도식적으로표시하였다. 그림에서특히 (b) 의 blend 구조는 bulk-heterojunction (BHJ) 구조라고도부르는데, 도너물질과억셉터물질의영역크기를 ~10 nm 이내수준에서섞어놓아 bi-layer 구조에비해도너 / 억셉터계면의면적이수백배이상커지는효과를나타내게된다. 이는그만큼전하분리의가능성을더크게증진시키며또한미세광산란에의한광흡수효율을높이는역할을하기도한다. 이구조는기존무기계태양전지의 p-n접합구조와는뚜렷이구별되는유기박막태양전지만의독특한구조이다. [4] 앞에서도언급한대로유기박막태양전지의광활성층의두께는 ~100 nm 수준으로현재의모든태양전지중가장얇은구조인데이는본전지를 나노태양전지 라고도부르는이유가되고있다. 광활성층의두께가얇으면모든태양빛을다흡수할수가없어효율저하가예상되는데이를상쇄하기위해서는사용되는광활성물질의광흡수계수가그만큼커야한다. 다행히도여기에서사용되는일반적인유기재료들의광흡수계수는무기재료들에비해상당히커서 (~10 5 cm -1 ), 100 nm 정도의두께이면큰문제가없는것으로알려지고있다. 그러나이두께또한일반적인유기계도너물질내에서의엑시톤의확산거리 ~10 nm에비하면매우커유기박막태양전지의효율을제한하는근본적인요인이되고있는바, BHJ 구조는역시이한계를극복하는하나의좋은수단이되고있다. 태양전지의성능을결정하는세가지인자, 즉, 개방전압 (V oc), 단락전류 (I sc), 충실도 (FF) 중에서개방전압의형성은본유기박막태양전지에서아직가장큰논란의대상이되고있다. 특히무기계태양전지와는차별화되면서본유기박막태양전지의가장대표적인구조가되고있는 BHJ 구조에서는도너영역과억셉터영역이임의로섞여있어, 접합계면의구조와형태가불분명하며양쪽전극과의접촉도잘정의되어있지않기때문에개방전압으로대표되는광기전력의크기와형성메카니즘을이론적으로밝히는데어려움을겪고있다. 이에대해먼저, 앞서의 MIM 구조 의이론을바탕으로유기반도체층이진성반도체로서공핍층을형성하고있어 V oc 는두전극의비대칭적인일함수차이에의해결정이된다는사실이알려져있다. [5] 이사실은양극물질의버퍼층으로흔히사용하는 PEDT의도핑농도를조절하여일함수값을변화시킬때 V oc 가비례적으로변화하는예에서볼수있다. [6] 하지만가장전형적인전극물질인 IT와 Al의일함수차이가 0.5 ev 정도에불과해도실제유기태양전지의 V oc 는물질에따라 0.6 ~ 1 V의큰값을보여주고있기때문에, 요즘에는보다보완적인차원에서 V oc 가도너의 HM 준위와억셉터 (a) bi-layer 구조 (b) blend (bulk heterojunction) 구조 그림 3. 각기본구조에서의광흡수및전하분리현상. 의 LUM 준위차이에일차적으로영향을받으며, 전극물질의일함수차이와전자, 정공의준페르미준위등다양한요소들에의해결정이되는것으로이해되고있다. [7] 다음으로, 단락전류 (I sc) 값은다음과같은구체적인요소들에의해결정이된다. I sc ℇ A * ℇ ED * ℇ CT * ℇ CC 여기서ℇ A 는광흡수효율, ℇ ED 는엑시톤확산효율, ℇ CT 는전하이동효율, ℇ CC 는전하수집효율인바, 반도체재료자체와소자의광흡수능이우선적인요소가되며, 생성된엑시톤의수명과전하의이동성이, 그리고전극에서의전하수집효율이전체전류값을결정한다. 유기반도체의경우매우높은광흡수계수를가지고있으며전하분리효율역시 100% 에가까우므로, 광전류및효율을높이는데관건이되는것은엑시톤의확산과전하수송효율을높이는데있음을알수 [4] G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelene, F. Wudl, A. J. Heeger, Science 270, 1789 (1995). [5] I. D. Parker, J. Appl. Phys. 75, 1656 (1994). [6] H. Frohne, S. E. Shaheen, C. J. Brabec, D. Muller, N. S. Sariciftci, and K. Meerholz, ChemPhysChem 3, 795 (2002). [7] H. Kim, S. -H. Jin, H. Suh, K. Lee, Proc. of SPIE 5215, 111 (2004). 32

4 (a) (b) Me N N C 60 PCBM perylene PTCBI 그림 4. 전형적인도너 (a) 및억셉터 (b) 물질. 있다. 현재본태양전지에서얻어지는최대 I sc 는 10 ma/ cm 2 을약간상회하는정도로서상용화된실리콘전지의 1/3 정도임을감안할때유기반도체재료의광전기적물성변화에의한개선의여지가크다고하겠다. 충실도 (FF) 는대체로광전류값의변화와유사한경향을나타내는데유기재료자체의높은저항값으로인해아직무기계보다낮은 0.5 ~ 0.6 정도의최대값을나타내고있으며소자의제작조건에많은의존성을가지고있어개선해야할점이많다. 이들값의종합적인결과로얻어지는총괄효율은단층구조에서최고 5.5% 수준에도달해있다. 그러나최근의이론적인계산에따르면도너의 HM/LUM 에너지준위를잘조절하여도너와억셉터사이에전하분리가일어날수있는최소한의에너지차이를유지하되도너의 band gap을 1.5 ev 정도이하로조절하여태양광의흡수를극대화시키면 10% 이상의효율도가능할것으로예측되고있다. [3] 도너및억셉터물질의종류현재유기박막태양전지의도너및억셉터로사용되고있는대표적인물질들을그림 4에나타내었다. 도너물질로는반도체고분자의경우, poly(para-phenylene vinylene) (PPV) 계열의물질과 polythiophene (PT) 의유도체들이주로연구되어왔는데, 최근에는 polyflourene (PF) 계물질및이들의공중합체들도저밴드갭도너물질로사용되고있다. 유기단분자물질의경우에는 CuPc, ZnPc 등프탈로시아닌계물질 이많이이용되고있다. 도너물질들은일차적으로광흡수파장범위가태양광스펙트럼과잘맞고매우강한광흡수도를가지고있어야하며, 전하의이동도등전기적물성이우수하여야한다. 억셉터물질로는, 그림 4(b) 의풀러렌 (C 60) 자체혹은 C 60 이유기용매에잘녹도록설계된 C 60 유도체 (PCBM) 등이사용되고있으며, 그외단분자로 perylene, PTCBI 등도사용되고있다. 이중에서 C 60 의유도체들은대체로반도체고분자와복합하여 BHJ 구조재로많이사용되고있으나, C 60 의경우진공증착법을이용하여 bi-layer 구조의소자에도자주쓰이고있다. 억셉터물질은광흡수기능보다는도너와비교하여전자친화도와전하이동도가특별히클것이주문되고있다. 해외기술개발동향유기박막태양전지를크게분류하면광활성층재료의종류에따라, 유기단분자를주로증착법에의해형성하는 bi-layer 구조와고분자재료를스핀코팅, 닥터블레이드, 잉크젯과같은다양한용액공정을통하여도입하는 BHJ 구조로대별할수있다. BHJ 구조는다시사용되는억셉터의종류에따라고분자 / 고분자, 고분자 /C 60 유도체, 고분자 / 무기물등으로나눌수있다. 최근에는기존에도너물질로주로사용하고있는 PPV계와 PT계고분자이외에신규의저밴드갭고분자를개발하려는노력들이활발히진행되고있는데, 이들분류된재료를바탕으로정리하면다음그림 5와같은경향성을볼수 33

5 있다. 2000년이전까진대부분단분자구조에서연구가이루어졌으나 1% 미만의낮은수준에머물러있다가, 2000년이후부터 C 60 및이의유도체 (PCBM 등 ) 도입과함께급속한성능향상을이루고있으며, 현재까지소자구조의최적화와더불어다양한신물질에대한연구가가속화되고있음을알수있다. 전체적으론 2000년초부터가장먼저단분자유기박막태양전지의효율혁신이이루어졌고, 뒤이어 PPV계와 PT계도너고분자에 PCBM을억셉터로적용한태양전지가, 가장최근에는신규저밴드갭고분자를적용한태양전지의개발로효율이급속히올라가고있는추세이다. 본절에서는이들사용재료별로현재진행되고있는기술동향을간략히살펴보고자한다. 단분자유기반도체재료를이용하는 bi-layer 구조는 1986년미국 Kodak사의 Tang 그룹에의한발표이후가장많이시도된구조이다. 2001년미국 Princeton대의 Forrest 교수팀이 CuPc와 C 60 의 bi-layer 구조에서 3.6% 의에너지전환효율을발표한것을기점으로현재까지도꾸준히성능증가가보고되고있다. [8] 특징적인점으로는고분자 BHJ 구조에서처럼도너와억셉터를동시에증착시킨혼합층을도너층과억셉터층사이에끼워넣어큰효과를보고있는것인데, 얇은혼합층 (~10 nm) 을통해전하분리가일어나고도너와억셉터층이각각전자와정공의수송층역할을하여 4.5% 이상의고효율을얻을수있었다. [9] 또한본 bi-layer 구조를 2층으로포개놓은탠덤구조도고성능소자구현의한방법이되고있는데, 역시상기의 Forrest 교수팀은 IT/ CuPc/PTCBI/Ag/CuPc/PTCBI/Ag 형태의탠덤구조에서개방전압을 1.03 V까지증대시킴으로써 AM 1.5 조건에서 5.7% 라는기록적인에너지전환효율을달성하였다. [10] 한편고분자유기박막태양전지는도너와억셉터의최소한한쪽 ( 주로도너쪽 ) 을고분자로사용하고용액공정을통하여광활성층을도입할수있으므로대면적화와비용적인측면에서장점을가진다. 이때광활성층은도너와억셉터가섞여있는 BHJ 구조가되는것이일반적이다. 억셉터층에도고분자물질을사용하는소위고분자 / 고분자 BHJ 구조는영국 Cambridge대 Friend 교수팀을중심으로활발히연구가되었다. 본태양전지는고분자재료의특성상대체로낮은광전류를보이고있지만, 1 V 이상의높은개방전압구현이가능하고저렴한재료값과손쉬운제작공정으로인해경제성이큰태양전지제작의가능성을제시하였다는평을받고있다. 2003년영국의 CDT사는이기술로 P3HT와 Red-PF의고분자 / 고분자구조에서 1 V의개방전압과 2% 대의효율을달성하였다. [11] 단분자태양전지에비해상대적으로낮은효율을보이던 그림 5. 유기박막태양전지의재료에따른효율변화추이. 고분자태양전지는 2000년대초 C 60 의유도체인 PCBM을억셉터물질로사용하면서기술혁신을이룩하였다. PCBM에도너고분자로 PPV계를적용한유기박막태양전지의경우 2~3% 의에너지전환효율을쉽게얻을수있었는데, 이후 PPV계보다저밴드갭을가지면서결정성고분자인 P3HT를이용하여 5% 대의높은효율을달성하였다. [12] P3HT/PCBM 의조합은현재시장에서구입할수있는재료들을이용하여실험실단계에서검증할수있는유기박막태양전지중가장고효율을낼수있는최상의고분자태양전지조성이라할수있다. 현재이분야에는미국캘리포니아대 (S.B.) Heeger 교수팀을비롯하여오스트리아 Lintz대의 Sariciftci 교수팀, Konarka사의 Brabec 박사팀등이좋은결과들을내고있다. 기존에억셉터로사용하던유기반도체물질을새로운무기계나노물질로대체하려는시도도최근에진행되고있다. 이는유기반도체들이대체로낮은전하이동도를가지고있어이를이동도가큰무기계물질로대체함으로써극복하려는것이다. 미국버클리대의 Alibisatos 교수팀은 CdSe의나노막대와나노입자를합성하여 P3HT와 BHJ 구조를구성함으로써 1.7~2.8% 의에너지변환효율을보고하였다. [13] 이러한 [8] P. Peumans, S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (2001). [9] J. Xue, B. P. Rand, S. Uchida, S. R. Forrest, Adv. Mater. 17, 66 (2005). [10] J. Xue, S. Uchida, B. P. Rand, S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 85, 5757 (2004). [11] J. J. M. Halls, Presentation in PV-NET Workshop, University of Ljubljana, Slovenia (2003). [12]J. Y. Kim, S. H. Kim, H. -H. Lee, K. Lee, W. Ma, X. Gong, A. J. Heeger, Adv. Mater. 18, 572 (2006). [13] W. U. Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisatos, Science 295, 2425 (2002). 34

6 유기- 무기하이브리드형태의새로운박막태양전지는아직그렇게높은효율을보이고있진않으나다양한유기 -무기재료의조합가능성때문에상당한주목을받고있다. 그림 5에서가장최근에위치한신규의저밴드갭도너물질개발은본유기박막태양전지가본격적으로자신의존재를세상에알리는신호탄이라할수있다. 현재의 PPV계 (~2.3 ev) 와 PT계 (~1.9 ev) 고분자에비해낮은밴드갭을확보함으로써태양광스펙트럼의보다넓은영역을이용할수있는저밴드갭고분자물질은누구도그한계를상상할수없는신규의다양한재료개발가능성을열어두고있다. 2006년미국의 Konarka사는광학적밴드갭이 1.40 ev인신규고분자 (PCTDPT) 를개발하였는데, 이고분자를이용한유기박막태양전지의제작조건을다양하게변화시킴으로써 2006~2007년사이에 3.16% 에서 5.5% 까지의지속적인효율향상을성취하였다. [14] 가장최근에는광주과기원의이광희교수팀과캘리포니아대 Heeger 교수팀이공동으로이저밴드갭신규고분자와 P3HT 고분자를함께이용하여 2층탠덤구조의전지를구성함으로써 6.5% 의기록적인효율을달성하였다. [15] 또한 2007년미국 Plextronics사에서도 Plexcore PV-F3 라는이름의새로운고분자를개발하여당시까지 NREL에서검증받은가장좋은효율인 5.4% 을보고하기도하였다. [16] 이와같이최근 2-3년사이에저밴드갭신규고분자들의지속적인개발과이를이용한태양전지성능의급속한증대를보여주는일련의연구들은본유기박막태양전지의 10% 효율목표달성가능성을크게높이고있다고보여진다. 국내기술개발동향 C 60 계를사용하여이미 90년대중반에연구를시작한외국에비해국내연구는 6~7년정도늦은 2000년대초반부터시작되었다. 비록 1% 이하의낮은효율이었지만부산대 (PPV+PCBM) 와인하대 (CuPc/C 60 ) 같은선구팀들의초기연구들을바탕으로, [17] 최근에는광주과기원, 서울대, KAIST, 포항공대, 전북대와같은대학을중심으로유기박막태양전지에대한연구가확대되고있다. 특히광주과기원은히거 (Heeger) 신소재연구센터를세워미국 UCSB와공동으로유기박막태양전지연구를수행하고있는데, 작년에는 Konarka 사의신소재를이용하여 2층 tandem 고분자태양전지에서세계최고의효율인 6.5% 를보고하였다. [15] 한편, 한국화학연구원등의출연 ( 연 ) 과삼성SDI 등의기업연구소에서도그동안의염료감응형유기전지에대한연구를바탕으로 2000년대초중반부터유기박막태양전지에대한연구를지속해오고있다. 본한국화학연구원에서는 2002년이래가장핵심인신소재합성을중심으로소자화까지의연구를꾸준히수행해 오고있으며, [18] 현재단층구조의태양전지에서세계수준인 5% 대의에너지전환효율을구현하고있다. 최근에는 KIST, 생산기술연구원, DGIST 등출연 ( 연 ) 과 S기술원, K그룹연구소등의기업연구소에서도유기박막태양전지에대한연구를시작하고있고, 심지어는미국 Plextronics사의국내합작법인도거론되고있다. 현재국내의본분야에대한연구개발은선진국에비해연륜이나전문인력측면에서매우열세이지만, 유사분야인유기발광소자에대한연구가지난 10여년간의활발한연구를바탕으로지난해부터이미상용화되고있음을고려할때, 이러한기술을유기박막태양전지개발에응용한다면선진국과의기술격차는매우빠른시간내에줄일수있을것으로보여진다. 또한신물질이나신소재합성기술, 소자제작기술등기반이되는기술들도이미국내수준이상당히올라와있어본분야에보다적극적인연구개발투자가이루어진다면수년내에선진국수준을넘어실용화에먼저발을들여놓을가능성도배제할수없을것으로생각된다. 기술적과제 앞에서살펴본바와같이, 현재유기박막태양전지는지난 10년간의연구에의해하나의신형태양전지로완전한자리매김을완수하였다. 하지만, 현재의기대대로 2015년을목표로본태양전지를실용화의반열에올려놓기위해서는다음과같은몇가지의문제점을보다심도있게타개해야할것으로생각된다. 유기재료를사용할때첫번째로지적되는부분이유기물자체가가지는광안정성문제이다. 대부분의유기물은특히자외선에노출되었을경우광산화현상이일어나게되는데, 빛에노출되는시간에비례하여화학적인변형이일어나고색깔이변하며급기야는소자의효율이급격히떨어지는문제점이있다. 이점은물질자체의화학적구조에따라크게 [14] Z. Zhu, D. Waller, R. Gaudiana, M. Morana, D. Mühlbacher, M. Scharber, C. Brabec, Macromolecules 40, 1981 (2007). [15] J. Y. Kim, K. Lee, N. E. Coates, D. Moses, T. -Q. Nguyen, M. Dante, A. J. Heeger, Science 317, 222 (2007). [16] D. W. Laird, S. Vaidya, S. Li, M. Mathai, B. Woodworth, E. Sheina, S. Williams, T. Hammond, Proc. of SPIE, 6656, 66560X (2007). [17] Y. -J. Ahn, G. -W. Kang, C. H. Lee, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 377, 301 (2002). [18] H. Kim, S. -J. Moon, Proc. PVSEC-15 (Shanghai) (2005). 35

7 차이를보이고있는데, 현재사용되고있는고분자중대표적인예가 PPV 계열의고분자이다. 이를극복하기위해최근에는비교적안정한구조인 polyfluorene (PF) 계물질이많이연구되고있으며, PF 자체로의비교적큰밴드갭 (E g > 2 ev) 에따른광흡수제약을벗어나기위해작은밴드갭을가진물질과공중합체형태로합성을하여, PF의안정성을그대로유지하면서태양전지용물질로이용하는방안이강구되었다. 또한가지방안으로태양전지소자나모듈제조시자외선차단층을상부에적층하여유기물의안정성을유지시키는방안도고려되고있으며, 광산화현상의가속화를막기위한산소나수분과의접촉방지기술즉, encap 기술은본유기박막태양전지제조시첫번째로고려해야할기반기술로인식되고있다. 결국, 광안정성과광흡수성이동시에양호한새로운유기계재료의개발은지속적으로추구되어야할핵심과제이다. 유기박막태양전지의광전류및효율을제한하는큰문제중의하나는벌크상태에서유기물의낮은전하이동도이다. 유기물반도체는분자구조상으로나결정학적으로결함이많아전하이동도가무기물에비해서매우낮다. 예를들면, 반도체고분자 /C 60 의경우매우높은전자 -정공분리효율에도불구하고광전류가낮은이유가이러한전하의낮은이동도때문이라고여겨지고있다. 또한유기반도체에서는전자의이동도가정공의이동도보다일반적으로낮은데, 이러한낮은전하이동도는유기발광소자와같은유기반도체소자에서도항상문제시되어왔다. 따라서유기고분자의분자량을높이고불순물혼입을최소화해야하며결정성을향상시킴은물론, 소자제작시박막의표면형상을잘제어하여전하의이동도를향상시키는노력들이경주되고있다. 또한각전극에서전하의원활한주입을위해전극과유기박막사이에버퍼층을첨가하여전극과유기물계면사이의에너지장벽을낮춰주는방법등도시도되고있다. 다음으로지적되는부분이태양광스펙트럼과비교하여사용되는유기물의광에너지흡수대가딱히일치되지않는문제이다. 태양광스펙트럼은가시광영역인파장 400~700 nm 정도의좁은구간에서가장높은에너지세기를보여주고있으며 ( 총괄에너지기준 ~45% 정도 ), 자외광영역부터적외광영역에이르기까지아주넓은구간을포함하고있다. 따라서일차적으로는이가시광영역의광흡수계수가커이구간의빛을아주유용히이용할수있어야하며, 더바람직하기로는적외광영역까지흡수범위를넓힐수있어야한다. 다음그림 6은태양광스펙트럼의에너지분포와현재많이사용되고있는 PPV, P3HT 반도체고분자의광흡수스펙트럼을보여주고있는데, 모두다태양광스펙트럼의일부만흡수 Absorption (Normalized) P3HT-RR MDM-PPV P3HT-RRa AM 1.5 Energy Flux AM 1.5 Energy Density Wavelength (nm) 그림 6. 태양광스펙트럼과 PPV, P3HT 고분자의광흡수스펙트럼. 하며특히장파장부분의흡수가매우부족함을볼수있다. 따라서가시광영역은물론장파장영역까지도광흡수율이높은도너물질을개발하는것이고효율의유기박막태양전지를개발하는또하나의관건이되고있다. 즉, 광흡수계수가큰저밴드갭도너물질의개발은지속적으로추진해야할일차적인숙제이며상기의광안정성과높은전하이동도의세가지명제를함께만족시킬수있는신규물질의개발은본분야의최종적인타겟이라할수있다. 향후전망 지금까지유기박막태양전지의기술적원리와개발동향, 앞으로의과제등을짚어보았다. 아직실용화를위해가야할길이멀지만, 값싸고수려하며가볍고얇아손쉽게대면적으로제작이가능한유연성태양전지는더이상먼미래의기술이아님이분명하다. 장래의멋진빌딩외관을포함하여곧시장에등장할유연성디스플레이와도가장궁합이맞는파트너가될수있다. 현재 ~5% 정도에이르고있는실험실적기술수준을대규모모듈스케일에서확보할수있다면본소자는급속히실용화의바람을탈것이확실하다. 그러나이를위해서는광안전성과전하이동속도, 광흡수계수, 밴드갭등에서보다최적화된소재개발이우선적으로추진되어야하며, 내구성향상을위한 encap 기술과새로운프린팅기법등을적용한대면적화기술등소자화기술개발에도역점이주어져야할것이다. 따라서이들핵심적인신소재, 신소자화기술개발에주력하면서유기디스플레이등이미산업적기반을갖고있는국내의연구개발력을최대한활용한다면 2015년정도의멀지않은장래에세계를선도할또하나의신성장동력창출도가능할것으로생각된다. 36

유기 발광 다이오드의 전하주입 효율 향상을 통한 발광효율 향상 연구

유기 발광 다이오드의 전하주입 효율 향상을 통한 발광효율 향상 연구 - i - - ii - - iii - - iv - - v - - vi - 그림차례 - vii - - viii - - 1 - 5). - 2 - - 3 - 유기발광다이오드 ( 고분자또는저분자 ) 무기발광다이오드 (p-n junction LED) - + cathode ETL EML HTL HIL anode 발광 두께 : 100 ~ 200 nm 양극 ( 투명전극,