전도성 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS)는 우수한 전기 전도도와 광투과도, 유연성을 가지고 있기 때문에 유기태양전지와 유기발광소자의 투명전극으로서 많은 각광을 받고 있다. PEDOT : PSS의 전기 전도도는 솔벤트를 도핑함에 따라 큰 폭으로 증가한다는 사실은 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 다양한 솔벤트의 도핑과 솔벤트 후처리 공정에 따른 PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도와 구조적 특성 변화를 연구하였다. 솔벤트 도핑으로 PEDOT : PSS의 전도도는 884 S/cm까지 증가하였고, 후처리 공정을 통해서 1131 S/cm의 전도도 값을 얻을 수 있었다. 이러한 전도도의 증가는 PSS 물질이 빠져나가거나 구조적인 재배열에 따른 전도성 PEDOT 입자의 접촉 면적이 증가함에 따른 것으로 사료되고, 광학적인 방법으로 PSS의 추출을 관찰하였다. 솔벤트 후처리 공정은 PEDOT : PSS 박막의 전도도를 향상하는 매우 효과적인 방법으로 확인되었고, 저가형 플렉서블 유기전자소자의 투명전극으로써의 사용이 적합할 것으로 예상된다.
전도성 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS)는 우수한 전기 전도도와 광투과도, 유연성을 가지고 있기 때문에 유기태양전지와 유기발광소자의 투명전극으로서 많은 각광을 받고 있다. PEDOT : PSS의 전기 전도도는 솔벤트를 도핑함에 따라 큰 폭으로 증가한다는 사실은 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 다양한 솔벤트의 도핑과 솔벤트 후처리 공정에 따른 PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도와 구조적 특성 변화를 연구하였다. 솔벤트 도핑으로 PEDOT : PSS의 전도도는 884 S/cm까지 증가하였고, 후처리 공정을 통해서 1131 S/cm의 전도도 값을 얻을 수 있었다. 이러한 전도도의 증가는 PSS 물질이 빠져나가거나 구조적인 재배열에 따른 전도성 PEDOT 입자의 접촉 면적이 증가함에 따른 것으로 사료되고, 광학적인 방법으로 PSS의 추출을 관찰하였다. 솔벤트 후처리 공정은 PEDOT : PSS 박막의 전도도를 향상하는 매우 효과적인 방법으로 확인되었고, 저가형 플렉서블 유기전자소자의 투명전극으로써의 사용이 적합할 것으로 예상된다.
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS) has attracted a great deal of attention as a transparent conductive material for organic solar cells or organic light-emitting diodes due to its high electrical conductivity, optical transparency, and excellent mechanical flexib...
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS) has attracted a great deal of attention as a transparent conductive material for organic solar cells or organic light-emitting diodes due to its high electrical conductivity, optical transparency, and excellent mechanical flexibility. It is well known that a solvent doping for PEDOT : PSS thin-films significantly increases the conductivity of films. In this paper, the effect of various kinds of solvent doping and post-treatment on the electrical and structural properties of PEDOT : PSS thin-films is investigated. The solvent doping greatly increases the conductivity of PEDOT : PSS thin-films up to 884 S/cm. A further enhancement of the conductivity of PEDOT : PSS thin-films is achieved by the solvent post-treatment which raises the conductivity up to 1131 S/cm. The enhancement is mainly caused by the depletion of insulating PSS and forming conducting PEDOT-rich granular networks. Strong optical absorption peaks at the wavelength of 225 nm of PEDOT : PSS thin-films indicate the depletion of insulating PSS by post-treatment. We believe that the solvent post-treatment is a promising method to achieve highly conductive transparent PEDOT : PSS thin-films for applications in efficient, low-cost and flexible organic devices.
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS) has attracted a great deal of attention as a transparent conductive material for organic solar cells or organic light-emitting diodes due to its high electrical conductivity, optical transparency, and excellent mechanical flexibility. It is well known that a solvent doping for PEDOT : PSS thin-films significantly increases the conductivity of films. In this paper, the effect of various kinds of solvent doping and post-treatment on the electrical and structural properties of PEDOT : PSS thin-films is investigated. The solvent doping greatly increases the conductivity of PEDOT : PSS thin-films up to 884 S/cm. A further enhancement of the conductivity of PEDOT : PSS thin-films is achieved by the solvent post-treatment which raises the conductivity up to 1131 S/cm. The enhancement is mainly caused by the depletion of insulating PSS and forming conducting PEDOT-rich granular networks. Strong optical absorption peaks at the wavelength of 225 nm of PEDOT : PSS thin-films indicate the depletion of insulating PSS by post-treatment. We believe that the solvent post-treatment is a promising method to achieve highly conductive transparent PEDOT : PSS thin-films for applications in efficient, low-cost and flexible organic devices.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 polyhydroxy, sulfoxide 또는 amide 계열의 다양한 솔벤트를 PEDOT : PSS에 도핑했을 시 전기 전도도에 미치는 영향과 솔벤트를 이용한 PEDOT : PSS의 후처리 공정이 PEDOT : PSS의 전기 전도도 및 구조적 변화에 끼치는 영향에 대해서 연구하였다. 솔벤트 도핑과 후처리 공정은 PEDOT : PSS 박막 내에서 부도체인 PSS 물질의 추출을 이끌어 내고, 전도성 PEDOT 입자의 우수한 접촉 특성이 이뤄져서 전기 전도도가 증가한다는 것을 관찰할 수 있었다.
본 연구에서는 전도성 고분자 PEDOT : PSS의 전기 전도도를 높이기 위해 다양한 솔벤트 도핑 공정과 후처리 공정을 실시하였고 그에 따른 전기적, 구조적 특성 변화를 관찰하였다. PEDOT : PSS의 전기전도도는 솔벤트 도핑을 함에 따라 1 S/cm에서 884 S/cm까지 증가하였다.
솔벤트 후처리 공정이 PEDOT : PSS의 전기 전도도에 미치는 영향에 대해서 관찰해보자. Figure 3 (a)는 전기 전도도가 약 1 S/cm인 순수 PEDOT : PSS 박막에 다양한 솔벤트를 이용해서 후처리 공정을 했을 때의 전기 전도도를 나타내고 있다.
제안 방법
솔벤트 후처리 공정은 Figure 1 (c)에 보여진다. PEDOT : PSS의 면저항은 four point probe로 측정하였으며, 광 투과도는 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis Spectrophotometer, Perkin Ellmer, Lambda 35)를 통해 측정하였다. 박막의 두께는 surface profiler를 통해 측정하였으며, 박막의 표면 형상 및 거칠기 정보는 atomic force microscopy (AFM, AIST-NT Combiscope)을 이용해 측정하였다.
PEDOT : PSS의 면저항은 four point probe로 측정하였으며, 광 투과도는 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis Spectrophotometer, Perkin Ellmer, Lambda 35)를 통해 측정하였다. 박막의 두께는 surface profiler를 통해 측정하였으며, 박막의 표면 형상 및 거칠기 정보는 atomic force microscopy (AFM, AIST-NT Combiscope)을 이용해 측정하였다. PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도는 최소 5개 이상의 샘플을 측정한 결과를 나타내었다.
대상 데이터
Figure 2는 도핑용 솔벤트의 종류 및 농도가 PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도에 미치는 영향을 보여준다. DMF, NMP, glycerol, EG, DMSO, DMSO/EG 솔벤트들이 PEDOT : PSS의 도핑 솔벤트로 사용되었다. 솔벤트를 도핑하지 않은 순수 PEDOT : PSS의 전기 전도도는1 S/cm 정도로 매우 낮다.
Dimethylformamide (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), glycerol, ethylene glycol (EG), dimethyl sulfoxide (DMSO), DMSO와 EG가1 : 1 부피 비율로 혼합(DMSO/EG)된 솔벤트들이 PEDOT : PSS (PH1000, Heraeus)의 도핑 솔벤트로 사용되었다. Figure 1 (a)는 PEDOT : PSS의 분자 구조를 보여 주고 있다.
이론/모형
PEDOT : PSS의 솔벤트 도핑 공정은 Figure 1 (b)에 나타나 있다. 솔벤트 후처리 공정은 건조된 PEDOT : PSS 박막을 솔벤트 용액에 담근 후 빼내는 Dipping 방법으로 진행되었으며, 5 min의 Dipping 과정 후 대기에서 120 ℃의 온도로 15 min의 열처리 과정을 거쳤다. 솔벤트 후처리 공정은 Figure 1 (c)에 보여진다.
성능/효과
낮은 전기 전도도를 가진 순수 PEDOT : PSS 박막도 후처리 공정을 거치게 되면 전도도의 급격한 증가가 일어남을 볼 수 있으며, PEDOT : PSS 솔루션에 솔벤트를 도핑했을 때보다 더 높은 전도도가 관찰되었다. Glycerol, EG, DMSO, DMSO/ EG 솔벤트들을 이용하여 후처리 공정을 행한 PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도의 평균값은 각각 997, 989, 999, 1075 S/cm로 관찰되었다. 반면에, NMP와 DMF 솔벤트로 후처리 공정을 한 PEDOT : PSS 박막의경우 다른 솔벤트들에 비해서 각각 371, 625 S/cm의 낮은 전도도를 보여준다.
현재 플렉서블 유기전자소자의 투명전극으로 가장 널리 쓰이는 재료는 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)이다. ITO 투명전극은 매우 우수한 광투과도와 전기 전도도를 가지고 있고, 성숙된 생산기술을 바탕으로 상용 투명전극으로서 큰 성공을 거두었다. 하지만, ITO의 높은 가격은 전자소자의 제품 가격을 크게 상승시켜서 저가의 플렉서블한 유기전자소자의 구현을 어렵게 만든다.
Figure 3 (a)는 전기 전도도가 약 1 S/cm인 순수 PEDOT : PSS 박막에 다양한 솔벤트를 이용해서 후처리 공정을 했을 때의 전기 전도도를 나타내고 있다. 낮은 전기 전도도를 가진 순수 PEDOT : PSS 박막도 후처리 공정을 거치게 되면 전도도의 급격한 증가가 일어남을 볼 수 있으며, PEDOT : PSS 솔루션에 솔벤트를 도핑했을 때보다 더 높은 전도도가 관찰되었다. Glycerol, EG, DMSO, DMSO/ EG 솔벤트들을 이용하여 후처리 공정을 행한 PEDOT : PSS 박막의 전기 전도도의 평균값은 각각 997, 989, 999, 1075 S/cm로 관찰되었다.
후처리 공정을 함에 따라 부도체인 PSS 물질이 PEDOT : PSS 박막 밖으로 빠져나가게 되고, 전도성 PEDOT 입자의 접촉 면적이 증가해서 전기 전도도가 크게 증가하는 것을 알 수가 있었다. 또한, 후처리 공정을 한 PEDOT : PSS 박막들은 단파장영역에서 낮은 광흡수도를 가지며, 이는 PSS 물질의 추출이 잘 이뤄졌다는 것을 나타낸다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때, 최적화된 솔벤트 도핑과 후처리 공정은 PEDOT : PSS의 전기 전도도를 크게 증가시키는 방법으로써 효과적으로 사용될 것으로 예상된다.
본 연구에서는 polyhydroxy, sulfoxide 또는 amide 계열의 다양한 솔벤트를 PEDOT : PSS에 도핑했을 시 전기 전도도에 미치는 영향과 솔벤트를 이용한 PEDOT : PSS의 후처리 공정이 PEDOT : PSS의 전기 전도도 및 구조적 변화에 끼치는 영향에 대해서 연구하였다. 솔벤트 도핑과 후처리 공정은 PEDOT : PSS 박막 내에서 부도체인 PSS 물질의 추출을 이끌어 내고, 전도성 PEDOT 입자의 우수한 접촉 특성이 이뤄져서 전기 전도도가 증가한다는 것을 관찰할 수 있었다.
최고 전기 전도도는 EG 솔벤트로 후처리 공정을 한 샘플에서 관찰되었으며, 1131 S/cm의 값을 보여준다. 즉, 후처리 공정을 통한 전기 전도도 향상 방법은 솔벤트 도핑 방법보다 더 효과적인 것을 알 수가 있다.
PEDOT : PSS의 후처리 공정은 전기 전도도를 더욱 증가시켜서, 1131 S/cm의 최고값을 기록하였다. 후처리 공정을 함에 따라 부도체인 PSS 물질이 PEDOT : PSS 박막 밖으로 빠져나가게 되고, 전도성 PEDOT 입자의 접촉 면적이 증가해서 전기 전도도가 크게 증가하는 것을 알 수가 있었다. 또한, 후처리 공정을 한 PEDOT : PSS 박막들은 단파장영역에서 낮은 광흡수도를 가지며, 이는 PSS 물질의 추출이 잘 이뤄졌다는 것을 나타낸다.
순수 PEDOT : PSS 박막의 경우 225 nm 파장에서 가장 큰 광흡수도를 보여주고 있고, 후처리 공정을 행한 PEDOT : PSS 박막들은 순수 PEDOT : PSS 박막에 비해서 낮은 광흡수도를 가진다. 후처리 공정을 함에 따라서 PSS 물질의 추출이 이뤄졌다는 것을 잘 뒷받침 해주는 결과이며, 후처리 공정은 PSS를 효과적으로 추출해서 PEDOT : PSS 박막의 전기전도도를 크게 향상하는 매우 효율적인 방법임을 알 수 있다.
후속연구
또한, 후처리 공정을 한 PEDOT : PSS 박막들은 단파장영역에서 낮은 광흡수도를 가지며, 이는 PSS 물질의 추출이 잘 이뤄졌다는 것을 나타낸다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때, 최적화된 솔벤트 도핑과 후처리 공정은 PEDOT : PSS의 전기 전도도를 크게 증가시키는 방법으로써 효과적으로 사용될 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인듐주석산화물의 단점은?
ITO 투명전극은 매우 우수한 광투과도와 전기 전도도를 가지고 있고, 성숙된 생산기술을 바탕으로 상용 투명전극으로서 큰 성공을 거두었다. 하지만, ITO의 높은 가격은 전자소자의 제품 가격을 크게 상승시켜서 저가의 플렉서블한 유기전자소자의 구현을 어렵게 만든다. 또한, ITO 투명전극은 유연성이 크게 떨어져서 기판의 굽힘 상태에서 크랙이 형성되어 전기 전도도가 크게 저하되는 단점을 가지고 있기 때문에 플렉서블 소자에 적합하지 않다.
플렉서블 유기전자소자의 투명전극으로 가장 널리 쓰이는 재료는?
현재 플렉서블 유기전자소자의 투명전극으로 가장 널리 쓰이는 재료는 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)이다. ITO 투명전극은 매우 우수한 광투과도와 전기 전도도를 가지고 있고, 성숙된 생산기술을 바탕으로 상용 투명전극으로서 큰 성공을 거두었다.
유기전자소자의 특징은?
차세대 전자 소자로 각광받고 있는 유기전자소자는 플렉서블하고가벼우며, 저가의 고속 생산이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 차세대 디스플레이, 조명으로 각광받고 있는 유기 발광 다이오드(OLED)와 차세대 신재생 에너지소스로 연구되고 있는 유기태양전지는 가볍고 휴대가 용이하고 유연할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
참고문헌 (11)
C. J. M. Emmott, A. Urbina, and J. Nelson, Environmental and economic assessment of ITO-free electrodes for organic solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 97, 14-21 (2012).
S. Kirchmeyer and K. Reuter, Scientific importance, properties and growing applications of poly (3, 4-ethylenedioxythiophene), J. Mater. Chem., 15, 2077-2088 (2005).
L. Groenendaal, F. Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik, and J. R. Reynolds, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and Its Derivatives: Past, Present, and Future, Adv. Mater., 12, 481-494 (2000).
Y. H. Kim, J. Lee, S. Hofmann, M. C. Gather, L. Muller-Meskamp, and K. Leo, Achieving high efficiency and improved stability in ITO-free transparent organic light-emitting diodes with conductive polymer electrodes, Adv. Funct. Mater., 23, 3763-3769 (2013).
Y. H. Kim, C. Sachse, M. Hermenau, K. Fehse, M. Riede, L. Muller-Meskamp, and K. Leo, Improved efficiency and lifetime in small molecule organic solar cells with optimized conductive polymer electrodes, Appl. Phys. Lett., 99, 113305 (2011).
Y. H. Kim, C. Sachse, M. L. Machala, C. May, L. Muller-Meskamp, and K. Leo, Highly Cconductive PEDOT : PSS electrode with optimized solvent and thermal post-treatment for ITO-free organic solar cells, Adv. Funct. Mater., 21, 1076-1081 (2011).
X. Crispin, F. Jakobsson, A. Crispin, P. Grim, P. Andersson, A. Volodin, C. Van Haesendonck, M. Van der Auweraer, W. Salaneck, and M. Berggren, The origin of the high conductivity of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-Poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) plastic electrodes, Chem. Mater., 18, 4354-4360 (2006).
D. Alemu, H.-Y. Wei, K.-C. Ho, and C.-W. Chu, Highly conductive PEDOT : PSS electrode by simple film treatment with methanol for ITO-free polymer solar cells, Energy Environ. Sci., 5, 9662-9671 (2012).
Y. Xia, K. Sun, and J. Ouyang, Solution-processed metallic conducting polymer films as transparent electrode of optoelectronic devices, Adv. Mater., 24, 2436-2440(2012).
N. Kim, S. Kee, S. H. Lee, B. H. Lee, Y. H. Kahng, Y.-R. Jo, B.-J. Kim, and K. Lee, Highly conductive PEDOT : PSS nanofibrils induced by solution-processed crystallization, Adv. Mater., 26, 2268-2272 (2014).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.