전도성 고분자의 전기전도도 향상 연구 및 이를 이용한 투명전극 응용 A Study on Improving Electrical Conductivity for Conducting Polymers and their Applications to Transparent Electrodes원문보기
투명 전극의 응용분야가 확대되고 시장의 규모가 커짐에 따라 기존 투명 전극 재료인 ITO (Indium Tin Oxide)를 대체할 차세대 투명전극의 개발에 관심이 집중되고 있다. 다양한 후보군 중에서도 대표적인 전도성 고분자인 PEDOT : PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate)]는 기계적 유연성을 갖고 있으면서도 소재와 공정 상의 가격 경쟁력이 크기 때문에 미래 소자 구현을 위한 투명전극 재료로 주목을 받고 있으며, 현재 PEDOT : PSS의 전기전도도 수준을 ITO나 금속의 수준으로 향상시키기 위해 다양한 화학적/물리적 처리를 통한 기능성 향상에 많은 연구가 진행 중이다. 본 총설에서는 전도성 고분자의 전기 전도도를 향상시키기 위한 다양한 공정 기술에 대한 연구 현황을 짚어보고자 한다. 대표적으로 유기용매, 이온성 액체, 계면활성제 등과 같은 첨가제와 박막에 대한 산 처리 공정, 물리적 인장을 통한 전기전도도 향상 연구를 들 수 있다. 또한 이러한 공정을 적용하여 전도성 고분자 투명 전극을 전자 및 에너지 소자에 응용한 사례도 간략히 소개하고자 한다.
투명 전극의 응용분야가 확대되고 시장의 규모가 커짐에 따라 기존 투명 전극 재료인 ITO (Indium Tin Oxide)를 대체할 차세대 투명전극의 개발에 관심이 집중되고 있다. 다양한 후보군 중에서도 대표적인 전도성 고분자인 PEDOT : PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate)]는 기계적 유연성을 갖고 있으면서도 소재와 공정 상의 가격 경쟁력이 크기 때문에 미래 소자 구현을 위한 투명전극 재료로 주목을 받고 있으며, 현재 PEDOT : PSS의 전기전도도 수준을 ITO나 금속의 수준으로 향상시키기 위해 다양한 화학적/물리적 처리를 통한 기능성 향상에 많은 연구가 진행 중이다. 본 총설에서는 전도성 고분자의 전기 전도도를 향상시키기 위한 다양한 공정 기술에 대한 연구 현황을 짚어보고자 한다. 대표적으로 유기용매, 이온성 액체, 계면활성제 등과 같은 첨가제와 박막에 대한 산 처리 공정, 물리적 인장을 통한 전기전도도 향상 연구를 들 수 있다. 또한 이러한 공정을 적용하여 전도성 고분자 투명 전극을 전자 및 에너지 소자에 응용한 사례도 간략히 소개하고자 한다.
As the need for next-generation flexible electronics grows, novel materials and technologies that can replace conventional indium tin oxide (ITO) for transparent electrodes have been of great interest. Among them, a conducting polymer, especially poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfo...
As the need for next-generation flexible electronics grows, novel materials and technologies that can replace conventional indium tin oxide (ITO) for transparent electrodes have been of great interest. Among them, a conducting polymer, especially poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate) (PEDOT : PSS) is one of the most promising candidates because it is mechanically flexible, inexpensive, and capable of being processed in solution. Currently, there are a lot of research efforts on enhancing its electrical conductivity to the level of ITO or metal electrodes through chemical and/or physical processing. In this review article, we present various additives and pre-/post-deposition processing methods for improving the electrical conductivity of PEDOT : PSS. Some of representative reports are also introduced, which demonstrated the use of conductivity-enhanced PEDOT : PSS as transparent electrodes in electronics and energy conversion.
As the need for next-generation flexible electronics grows, novel materials and technologies that can replace conventional indium tin oxide (ITO) for transparent electrodes have been of great interest. Among them, a conducting polymer, especially poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate) (PEDOT : PSS) is one of the most promising candidates because it is mechanically flexible, inexpensive, and capable of being processed in solution. Currently, there are a lot of research efforts on enhancing its electrical conductivity to the level of ITO or metal electrodes through chemical and/or physical processing. In this review article, we present various additives and pre-/post-deposition processing methods for improving the electrical conductivity of PEDOT : PSS. Some of representative reports are also introduced, which demonstrated the use of conductivity-enhanced PEDOT : PSS as transparent electrodes in electronics and energy conversion.
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문제 정의
이러한 연구에 사용된 음이온의 대표적인 예로써 tosylate (TOS)를 들 수 있다[5]. 본 총 설에서는 PSS로 안정화된 PEDOT : PSS의 첨가제 및 후처리 공정에 대한 내용을 주로 다루고자 한다.
특히 전도성 고분자 기반의 투명전극은 일함수의 조절이 용이하다는 장점으로 소자 적용 가능성이 매우 크다[20-22]. 본 총설에서는 다양한 응용 가능 분야 중에서 유기 태양 전지와 유기발광소자, 유기 트랜지스터, 터치 스크린 패널 등의 전극에 PEDOT : PSS를 이용한 대표적인 사례를 간략히 다루고자 한다.
38 cd/A를 보였다[27]. 이러한 연구는 PEDOT : PSS 전극이 ITO 전극을 대체할 수 있으며, 유연한 디스플레이의 제작이 가능함을 보여주는 결과이다.
최근 들어 PEDOT : PSS의 전기 전도도를 다양한 방법으로 높이고, 이를 유기 전자 소자에 적용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 본 총설에서는 향후 플렉서블 투명전극으로 응용 가능한 PEDOT : PSS의 전기적 물성 향상 연구 및 응용에 대해 보다 자세히 살펴보고자 한다.
이러한 유기 태양전지에 이미 PEDOT : PSS가 정공수송층으로 사용되어 효율 향상에 큰 기여를 하고 있다. 이와 더불어 PEDOT : PSS의 전기적 특성을 제어하여 유기 태양전지에서 투명전극으로 흔히 사용되는 ITO를 대체하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 본 총설에서는 특히 투명전극에 적용한 예를 살펴보고자 한다.
제안 방법
Karl Leo 교수팀의 연구진들은 앞서 이야기한 전기 전도도 향상 연구를 통해 높은 전기 전도도를 갖는 투명한 PEDOT : PSS 박막을 얻었으며, 이를 전극으로 이용하여 ITO를 대체한 유기 태양전지를 제작 하였다. EG 용매를 이용하여 낮은 면저항과 높은 투과도를 갖는 PEDOT : PSS 전극을 개발했으며, 최대 1418 S cm-1 전기 전도도를 갖는 PEDOT : PSS 박막을 유리나 PET 기판 위에 제조하여 벌크 이종 접합(bulk-heterojunction)구조의 유기 태양 전지를 제작하였다. 그 결과, 2.
대표적인 연구 결과로써, 홍용택 교수 연구진이 PEDOT : PSS 필름을 ITO 전극 대신에 유기발광 소자의 전극 층으로 사용하여 유기 발광소자를 제작한 연구가 있다. 이 연구에서 연구진은 n-methyl-2-pyrrolidone (NMP)와 n-methylformamide (NMF)를 사용하여 PEDOT : PSS의 전기 전도도를 향상시킨 후에, 잉크젯 프린팅 방법으로 PEDOT : PSS 투명전극을 제작하였다. 이들이 제작한 PEDOT : PSS 전극은 높은 투과도와 일함수를 보였다.
이온성 액체인 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMIM TCB)를 PEDOT : PSS 수용액(Clevios™ PH 1000)에 소량 첨가함으로써 아무것도 첨가하지 않은 상태의 낮은 전도도(0.68 S cm-1)에서 2084 S cm-1로 전도도가 급격히 상승함을 확인했다[8].
마찬가지로 PEDOT : PSS 박막을 형성한 후에, DMSO 증기로 150 ℃에서 처리하고, 다시 박막을 DMSO에 담가 2단계에 걸쳐 처리를 할 때, PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도가 최대 1475 S cm-1까지 향상됨이 보고되었다[14]. 전도도의 향상은 증기를 처리한 시간 및 박막을 용매에 담가 놓은 시간에 비례하였다.
대상 데이터
이 연구에서 연구팀은 Clevios™ PH 1000 PEDOT : PSS 필름을 황산을 처리하여 현재까지 보고된 PEDOT : PSS의 최대 전기전도도인 4380 S cm-1을 얻었다.
성능/효과
EG 용매를 이용하여 낮은 면저항과 높은 투과도를 갖는 PEDOT : PSS 전극을 개발했으며, 최대 1418 S cm-1 전기 전도도를 갖는 PEDOT : PSS 박막을 유리나 PET 기판 위에 제조하여 벌크 이종 접합(bulk-heterojunction)구조의 유기 태양 전지를 제작하였다. 그 결과, 2.54%와 1.95%로 각각 우수한 전력전환 효율(PCE)를 얻었으며 열처리를 통한 PEDOT : PSS 박막의 잔류 수분 제거를 통해 태양전지 성능을 향상시켰다. 이 결과는 PEDOT : PSS 박막에 다양한 후처리를 도입하여 전기 전도도를 증가시키고, 이로부터 PEDOT : PSS가 ITO 를 대체하여 유기 태양전지를 제작할 수 있는 차세대 투명 전극이 될 수 있음을 보였다고 할 수 있다[26].
PEDOT : PSS는 높은 화학 안정성을 가지며 roll-to-roll과 같은 습식 코팅 공정이 적용 가능 하기 때문에 균일한 박막을 경제적으로 대량생산할 수 있다. 또한 PEDOT : PSS의 전기적 특성은 박막의 모폴로지(morphology) 또는 화학적/물리적 처리에 따라 조절 가능하다는 장점을 지닌다.
서울대 주영창, 남기태 교수와 KIST 최인석 박사 공동 연구팀은 Figure 10과 같이 PEDOT : PSS 박막을 인장 변형시켜 그에 따른면 저항 변화와 전도도 변화에 대한 연구를 발표하였다. 먼저 균열이 없고 늘어날 수 있는 PEDOT : PSS 박막을 제작하기 위해, PEDOT : PSS 박막과 기계적 물성이 비슷한 폴리이미드(PI) 기판을 이용하여 PEDOT : PSS 박막을 제조하였으며, 아무 도핑 처리를 하지 않은 PEDOT : PSS 박막의 경우, 인장 전후 90% 이상 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 면 저항 감소는 PEDOT : PSS 박막의 모폴로지 변화와 그에 따라 박막의 전기적 특성이 영향을 받은 것으로 보인다[19].
박막의 표면처리는 PEDOT : PSS 박막을 먼저 형성한 뒤, 앞서 소개된 첨가제인 극성 유기용매 또는 산 등을 이용하여 필름을 담그거나, 2차 코팅 등을 하는 방법들이 대표적이다[12]. 이 방법은 PEDOT : PSS 수용액에 첨가제를 도입하는 방식과 비교하였을 때 보다 효과적인 전도도 향상 결과를 보이며, 최종적으로 PEDOT : PSS 박막에 처리했던 도펀트를 쉽게 제거할 수 있다는 장점도 지니고 있다.
투명 전극은 투과도 및 전기적 물성에 따라 그에 대한 응용분야가 적용되며, 대개 면저항이 100~300 Ω/sq인 경우에 터치 스크린에 사용할 다이아몬드 패턴에서 반대 방향으로 멀어질수록 선 저항은 선형으로 크게 상승함을 확인할 수 있다.
후속연구
현재 세계 여러 연구자들이 PEDOT : PSS의 화학적, 물리적 처리에 의해 전기 전도도 향상시키기 위한 활발한 연구를 진행하고 있다. 미래 산업의 주축을 이룰 소재/부품 분야를 주도하기 위해서는 우리나라에서도 더 많은 연구 개발을 통해 PEDOT : PSS을 비롯한 전도성 고분자의 투명도와 전기 전도도 향상에 대한 원천기술을 확보해야 하며, 동시에 이를 이용한 응용 연구를 확대해야 할 것이다. 현재보다 더 높은 전기 전도도를 달성할 소재 및 공정 기술을 확보한다면, PEDOT : PSS 박막이 기존 투명전극의 한계를 넘어 플렉서블 전자소자의 투명전극으로써의 충분히 자리 매김할 것으로 예상한다.
지금까지 소개한 연구는 PEDOT : PSS 수용액에 화합물을 첨가하는 방식이었다면, 앞으로 소개하는 연구는 표면처리와 같은 후처리 공정으로 PEDOT : PSS 박막을 형성한 후에 도입한다. 박막의 표면처리는 PEDOT : PSS 박막을 먼저 형성한 뒤, 앞서 소개된 첨가제인 극성 유기용매 또는 산 등을 이용하여 필름을 담그거나, 2차 코팅 등을 하는 방법들이 대표적이다[12].
미래 산업의 주축을 이룰 소재/부품 분야를 주도하기 위해서는 우리나라에서도 더 많은 연구 개발을 통해 PEDOT : PSS을 비롯한 전도성 고분자의 투명도와 전기 전도도 향상에 대한 원천기술을 확보해야 하며, 동시에 이를 이용한 응용 연구를 확대해야 할 것이다. 현재보다 더 높은 전기 전도도를 달성할 소재 및 공정 기술을 확보한다면, PEDOT : PSS 박막이 기존 투명전극의 한계를 넘어 플렉서블 전자소자의 투명전극으로써의 충분히 자리 매김할 것으로 예상한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ITO 투명전극을 대체하기 위한 차세대 소재로 개발 필요성이 대두되고 있는 것은?
현재 대부분의 투명전극 소재는 ITO (Indium Tin Oxide, 산화인듐주석)을 사용하고 있으나, ITO 투명전극의 경우 인듐이라는 고가의 희귀 원소가 사용되기 때문에 가격 경쟁력이 낮고 물리적 변형에 의해 생기는 결함에 의해 전극의 특성이 떨어지는 단점을 가지고 있어 미래 플렉서블 (flexible) 소자에 적용하기에는 한계가 있다. 이를 대체하기 위한 차세대 소재로서 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer) 등의 새로운 소재 및 공정 기술에 대한 개발의 필요성이 대두되고 있다[2-4]. 이 중, 특히 전도성 고분자는 가공이 쉽고 값이 저렴하며 높은 유연성을 가지기 때문에 미래형 소자의 개발을 위한 차세대 플렉서블 투명전극 소재로 각광받고 있다.
전도성 고분자란?
전도성 고분자란 전기 전도성을 갖는 고분자를 말하며, 고분자를 구성하는 원자들 간에 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 반복되는 사슬 구조를 갖고 있어서 파이(π)-전자밀도의 비편재화가 일어날 수 있다. 이러한 고분자는 도핑(doping)을 통해 전하량을 제어할 수 있으며, 전하량의 증가에 의해 전기 전도도 역시 증가하게 된다.
ITO 투명전극의 단점은?
투명전극을 구현하기 위해서는 가시광선에 대해 투명한 동시에 전기 전도성을 띠는 소재를 이용해야 한다. 현재 대부분의 투명전극 소재는 ITO (Indium Tin Oxide, 산화인듐주석)을 사용하고 있으나, ITO 투명전극의 경우 인듐이라는 고가의 희귀 원소가 사용되기 때문에 가격 경쟁력이 낮고 물리적 변형에 의해 생기는 결함에 의해 전극의 특성이 떨어지는 단점을 가지고 있어 미래 플렉서블 (flexible) 소자에 적용하기에는 한계가 있다. 이를 대체하기 위한 차세대 소재로서 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer) 등의 새로운 소재 및 공정 기술에 대한 개발의 필요성이 대두되고 있다[2-4].
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