[논문]고분자 PEDOT:PSS 기반 투명전극 소재 기술

나석인; 여준석; 윤진문; 김준경; 김동유

고분자 PEDOT:PSS 기반 투명전극 소재 기술 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.11 no.5, 2010년, pp.57 - 63

나석인 (한국과학기술연구원) , 여준석 (한국과학기술연구원) , 윤진문 (한국과학기술연구원) , 김준경 (한국과학기술연구원) , 김동유 (광주과학기술원)

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문제 정의

이 대체 전극에 대한 연구가 최근 들어 국가와 기업들 사이에 경쟁적으로 진행되고 있으며, 진공 공정이 불필요하고 저가 인쇄 공정이 가능한 전도성 고분자나 탄소 기반 재료들이 각광받고 있다. 이에 본 서지에서는 특히 투명전극으로서 가능성을 보이고 있는 전도성 고분자, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) 재료의 기술 개발 동향과 응용 현황에 대해 보다 자세히 살펴보고자 한다.

제안 방법

또한 최근 투명전극부터 광활성층까지 롤투롤 공정이 가능한 스프레이 기법으로 제작한 유기 태양 전지가 보고되었다 [그림 7]. 스프레이 코팅의 시간을 조절함으로써, 투과도와 면저항을 조절하였으며 최종적으로 2.17%의 효율을 갖는 유기 태양 전지를 구현하였다^[16]. 이 같은 결과는 고온 공정과 고가의 진공 공정 없이 플렉시블 투명전극을 제작할 수 있다는 가능성을 보여주었다.
지금까지 용액공정 가능한 PEDOT:PSS 기반 투명전극의 특성 및 연구동향, 그리고 최근 각광받고 있는 전극소재인 그래핀에 대해서 간략하게 알아보았다. 이러한 연구 동향에 비추어 볼 때 현재까지 보고된 PEDOT:PSS와 그래핀 기반 투명전극은 ITO에 비해 낮은 전기 전도도를 갖는 문제점이 있으며 가볍고 견고하며 굽힘 가능한 특성 및 화학적 내구성, 그리고 구매 용이성과 같은 여러 가지 장점을 지니고 있어 앞으로 ITO를 대체할 수 있는 유망한 투명전극 소재로서 많은 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.

성능/효과

즉 용매 첨가에 의해서 PEDOT:PSS 입자가 커지면 전기적 절연체 부분인 PSS가 얇아지고 주 전도성 물질인 PEDOT끼리의 전하 이동이 용이해져 전도도가 향상된다. 또한 X-ray photoemission spectroscopy (XPS)를 이용한 표면 화학 구조분석을 통하여 표면에서 상대적으로 높았던 PSS의 비율이 DMSO의 함량에 따라 줄어들면서 균일한 내면구조를 형성함을 확인하였다. 원래는 이방적인 PEDOT:PSS 박막의 구조로 인하여 PEDOT:PSS의 전도도 역시 수평 방향이 수직방향에 비해 상당히 다른 수치를 가진다.
17%의 효율을 갖는 유기 태양 전지를 구현하였다^[16]. 이 같은 결과는 고온 공정과 고가의 진공 공정 없이 플렉시블 투명전극을 제작할 수 있다는 가능성을 보여주었다.
이러한 이방적인 전도도가 DMSO의 첨가로 인해, 수평방향과 수직방향의 전도도의 차이가 줄어들면서 등방적 구조로 변화되는 것을 확인할 수 있었다[그림 5]. 이러한 결과들로부터 DMSO 첨가로 인해 PEDOT:PSS bulk 필름 전체 내에서 모폴로지 변화가 일어나며 절연체인 PSS층을 얇게 하고 균일한 PEDOT 모폴로지를 형성하여 모든 방향으로 전도도가 향상됨을 밝혀내었다.
대표적인 연구사례로 최근 광주과학기술원에서는 PEDOT:PSS의 전도도를 향상시키는 핵심 기술을 기반으로 ITO 전극 대신 PEDOT: PSS를 전극으로 사용하여 구부릴 수 있는 유기태양전지를 가능케 하였으며 효율 측면에서 ITO 전극을 사용한 유기태양전지와 견줄 수 있는 소자 성능을 보였다^[12]. 이러한 유기태양전지는 [그림 6]에서 보는 바와 같이 300회 이상의 구부림 테스트 후에도 효율(2.73%)의 변화가 없음을 보여주었고 반면 PET 기판위에 ITO 전극을 사용한 유기태양전지는 75회의 구부림 후에 ITO의 갈라짐 때문에 0%의 효율을 보였다. 이러한 결과는 모든 제작 공정을 용액공정으로 사용하여 저가 및 구부릴 수 있는 집적형 유기태양전지의 가능성을 제시했다는데 그 의미가 크다 할 수 있다.

후속연구

이러한 문제점을 해결하기 위하여 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 초음파에 의한 흑연박리법, 그리고 화학적 방법에 의한 그래핀 제조연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 CVD 방법을 통하여 30인치 크기의 대면적 그래핀을 제조하여 터치패널에 적용한 결과를 최근 보고하였으나, 낮은 생산비용으로 그래핀 대량 생산을 이루기 위해서는 앞으로 생산규모 확대가 필요하며, 용액공정에 적용하기 위해서는 새로운 용액 가공법 개발이 보다 연구되어져야 할 것이다[17].
이러한 연구 동향에 비추어 볼 때 현재까지 보고된 PEDOT:PSS와 그래핀 기반 투명전극은 ITO에 비해 낮은 전기 전도도를 갖는 문제점이 있으며 가볍고 견고하며 굽힘 가능한 특성 및 화학적 내구성, 그리고 구매 용이성과 같은 여러 가지 장점을 지니고 있어 앞으로 ITO를 대체할 수 있는 유망한 투명전극 소재로서 많은 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다. 또한 metal grid나 nanowire를 PEDOT:PSS 전 극에 면저항 감소제로서 사용하거나 결함을 최소화할 수 있는 용액 공정 가능한 그래핀 제조법 개발을 통한 전도도 향상 기술이 개발된다면 위와 같은 소재는 용액공정용 플라스틱 전자공학 분야의 차세대 투명전극으로 널리 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
지금까지 용액공정 가능한 PEDOT:PSS 기반 투명전극의 특성 및 연구동향, 그리고 최근 각광받고 있는 전극소재인 그래핀에 대해서 간략하게 알아보았다. 이러한 연구 동향에 비추어 볼 때 현재까지 보고된 PEDOT:PSS와 그래핀 기반 투명전극은 ITO에 비해 낮은 전기 전도도를 갖는 문제점이 있으며 가볍고 견고하며 굽힘 가능한 특성 및 화학적 내구성, 그리고 구매 용이성과 같은 여러 가지 장점을 지니고 있어 앞으로 ITO를 대체할 수 있는 유망한 투명전극 소재로서 많은 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다. 또한 metal grid나 nanowire를 PEDOT:PSS 전 극에 면저항 감소제로서 사용하거나 결함을 최소화할 수 있는 용액 공정 가능한 그래핀 제조법 개발을 통한 전도도 향상 기술이 개발된다면 위와 같은 소재는 용액공정용 플라스틱 전자공학 분야의 차세대 투명전극으로 널리 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
이를 해결하기 위한 연구가 최근 들어 집중적으로 진행되고 있으며 metal grid, metal nanowire 같은 높은 전도도를 가진 재료와 복합체를 형성하여 개선된 연구결과들이 발표되고 있다. 이러한 지속적인 전기적 특성개선으로부터 PEDOT:PSS가 향후 ITO를 대체하고, 특히 flexible/printable 전자소자의 투명전극으로 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명전극의 응용분야는 무엇인가?	투명전극은 100 Ω/□ 미만의 면저항과 85%이상의 광투과도를 가진 전도막을 의미하며 [표 1]에서와 같이 면 저항의 크기에 따라 정전기 방지막, 터치 스크린, 발광다이오드, 태양전지 등 여러 응용분야에 적용되고 있다[1].
	인듐 주석 산화물은 어떠한 형태로 만들어지는가?	현재까지는 투명전극으로 인듐 주석 산화물(ITO)이 주로 사용되어 왔는데, 이는 In2O3의 결정구조에 In을 Sn으로 치환된 형태이며, 비교적 높은 전기적 특성(> 10000 S/cm)와 투과도(> 90%)를 가지고 있다. 그러나 ITO 박막은 고진공의 스퍼터(sputter) 공정이 필요하며 치환된 Sn을 활성화 시키고 결정도를 유도하기 위해 300℃ 이상의 고온이 필요하기 때문에 플렉시블 소자에 적용되기에는 한계가 있어 보인다.
	PEDOT:PSS의 우수한 전극특성의 원인을 화학적 관점에서 살펴보면 어떠한 것들이 있는가?	이와 같이 PEDOT:PSS의 우수한 전극특성의 원인을 화학적 관점에서 살펴보면 다음과 같다. 3,4-dialkoxythiophene에서 3,4-dialkoxy 그룹이 6-membered 링 이외의 구조에서는 불안정한 산화상태를 갖기 때문에 낮은 전도도를 갖게 되므로 전도성 소재 합성 재료로서 가장 적합한 분자는 3,4-ethylenedioxythiophene(EDOT)이다[4]. 또한 일반적으로 EDOT의 중합된 형태인 poly ethylenedioxythiophene(PEDOT)은 전하균형을 유지시켜줄 수 있는 반대전하(counterion)를 갖는 단량체 혹은 고분자의 존재 하에 산화중합이 가능하며 중합방법 또는 반대전하에 따라서 PEDOT의 분자량, 결정도, 모폴로지, 도핑수준 및 전도도에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 결과에 근거하여 PEDOT 기반 전도성 물질 합성법의 대표적인 결과로서 다음과 같은 두 가지를 예로 들 수 있다.

참고문헌 (17)

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