[논문]ZnO 나노 분말 코팅 기반 건식전사 그래핀 전극 제작 및 유기태양전지 응용

조영수; 우채영; 홍순규; 이형우

doi:10.4150/kpmi.2020.27.4.305

ZnO 나노 분말 코팅 기반 건식전사 그래핀 전극 제작 및 유기태양전지 응용
Partially Dry-Transferred Graphene Electrode with Zinc Oxide Nanopowder and Its Application on Organic Solar Cells 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.4, 2020년, pp.305 - 310

조영수 (부산대학교 나노융합기술학과) , 우채영 (부산대학교 나노융합기술학과) , 홍순규 (부산대학교 나노융합기술학과) , 이형우 (부산대학교 나노융합기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, partially dry transfer is investigated to solve the problem of fully dry transfer. Partially dry transfer is a method in which multiple layers of graphene are dry-transferred over a wet-transferred graphene layer. At a wavelength of 550 nm, the transmittance of the partially dry-transferred graphene is seen to be about 3% higher for each layer than that of the fully dry-transferred graphene. Furthermore, the sheet resistance of the partially dry-transferred graphene is relatively lower than that of the fully dry-transferred graphene, with the minimum sheet resistance being 179 Ω/sq. In addition, the fully dry-transferred graphene is easily damaged during the solution process, so that the performance of the organic photovoltaics (OPV) does not occur. In contrast, the best efficiency achievable for OPV using the partially dry-transferred graphene is 2.37% for 4 layers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 대면적으로 그래핀을 전사하기 쉽고, 공정이 간단하여 대량생산에 가능하다. 따라서 본 논문에서는 습식전사와 건식전사를 결합한 부분 건식전사공정(Partially Dry Transfer)을 제시하여 완전 건식전사의(Fully Dry Transfer) 한계를 해결하고자 한다. 부분 건식전사 공정은 한 층의 습식 전사된 그래핀 위에 다층의 그래핀을 건식 전사하는 방법이다.
습식 전사된 한 층의 그래핀 위에 다층의 그래핀을 건식 전사하여 산화아연(Zinc Oxide) 나노 분말의 균질한 코팅을 이루고자 한다. 또한, 이 전극을 이용한 역구조 유기태양전지 소자를 제작하여 성능을 평가하고 기존 건식방사만 사용한 경우와 비교하고자 한다.
본 논문에서는 건식 전사된 그래핀을 유기태양전지소자에 응용하여 성능을 확인하고자 한다. 습식 전사된 한 층의 그래핀 위에 다층의 그래핀을 건식 전사하여 산화아연(Zinc Oxide) 나노 분말의 균질한 코팅을 이루고자 한다.
본 논문에서는 그래핀의 부분 건식 전사 공정에 대해 연구하였으며, 이를 응용한 유기태양전지를 제작하여 그 성능을 평가하였다.
한편, 유기태양전지는 유기물을 광활성층으로 사용하는 태양전지로 전자와 정공의 이동방향에 따라 정구조(Conventional structure)와 역구조(Inverted structure)로 구분되며, 본 논문에서는 역구조 유기태양전지를 사용하고자 한다. 역구조 소자의 구조는 투명전극/ETL(Electron Transport Layer)/광활성층/HTL(Hole Transport Layer)/금속전극으로 구성되며, 투명전극으로서 건식 전사된 그래핀을 사용한다.

제안 방법

Solar Simulator는 Xeon lamp(San-ei Electric)과 멀티미터(Keithley, 3706A)로 구성되어 있으며, 각 소자의 개방전압(V_OC, open circuit voltage), 단락전류(J_SC, short circuit current), Fill Factor, 효율(PCE, Power conversion efficiency), 직렬저항(Rs, series resistance)를 측정한다.
그래핀 존재 여부를 확인하기 위해 라만 스펙트럼을 측정하였으며, 라만분광기(Raman spectroscopy, Uninano tech)로 532 nm의 파장에서 SiO₂(300 nm) 기판에 전사된 그래핀을 측정한다.
그래핀의 면저항을 측정하기 위해, 4 point probe(AiT, CMT-ST2000N) 기기를 사용하며, 유리기판에 1 mm 간격으로 9개의 포인트의 평균을 구하여 면저항을 계산한다.
본 논문에서는 건식 전사된 그래핀을 유기태양전지소자에 응용하여 성능을 확인하고자 한다. 습식 전사된 한 층의 그래핀 위에 다층의 그래핀을 건식 전사하여 산화아연(Zinc Oxide) 나노 분말의 균질한 코팅을 이루고자 한다. 또한, 이 전극을 이용한 역구조 유기태양전지 소자를 제작하여 성능을 평가하고 기존 건식방사만 사용한 경우와 비교하고자 한다.
촉매 금속으로 구리 호일(Copper foil, JX Nippon Mining & Metals Corporation)을 사용하였으며, 석영 챔버의 온도를 20℃/ min의 승온 속도로 1030℃까지 퍼니스(Furnace, ISAC research)로 가열하였고, 수소(H2) 30 sccm으로 30분간 전처리 과정을 거쳤다.

대상 데이터

도너 물질인 PTB7(99.5%, EM index) 5 mg과 억셉터 물질인 PC71BM(99.5%, OSM) 15 mg을 혼합하며, 용제인 클로로벤젠(Chlorobenzene, Sigma Aldrich) 970 μl와 첨가제인 DIO(Diiodoctane, Sigma Aldrich) 30 μl로 60℃에서 하루 동안 용해시킨다.

이론/모형

그래핀 위층에 형성된 산화아연 박막의 형상을 분석하기 위해 SEM(Hitach, S4800)을 사용한다.
그래핀은 화학기상증착법으로 합성하였다. 촉매 금속으로 구리 호일(Copper foil, JX Nippon Mining & Metals Corporation)을 사용하였으며, 석영 챔버의 온도를 20℃/ min의 승온 속도로 1030℃까지 퍼니스(Furnace, ISAC research)로 가열하였고, 수소(H₂) 30 sccm으로 30분간 전처리 과정을 거쳤다.

성능/효과

5 값을 나타내며 3층 이상의 그래핀에서는 1 이상의 값을 가지며[17], 이는 그래핀의 적층 됨에 따라 G피크가 증가하기 때문이고 다층의 그래핀이 기판에 온전히 전사되었음을 확인할 수 있다. 결론적으로, 부분 건식 전사된 그래핀의 존재 여부를 확인할 수 있었다.
그래핀의 전기전도도를 향상시키기 위하여 TFMS 도핑을 하였고, 표 1에서 1층의 그래핀의 면저항은 928 Ω/sq에서 497 Ω/sq로 46%이상 감소하였다.
따라서 용액 공정 후 그래핀이 손상없이 유지되는지 확인하기 위해 표 2와 같이 IPA 용액 스핀코팅을 처리하였으며, 완전 건식 전사한 그래핀은 면저항이 320 Ω/sq에서 614 Ω/sq로 91% 증가하였으며, 이에 비해 부분 건식전사한 그래핀의 경우 289 Ω/sq에서 389 Ω/sq로 34% 증가하였다.
또한, 기존의 완전 건식 전사된 그래핀은 기판과의 반데르발스 결합이 약해 용액 공정 시 쉽게 전극이 떨어져 나가는 문제가 있었으며, 완전 건식 전사 그래핀 기반 유기 태양전지의 소자성능 평가가 불가능하였다. 부분 건사 그래핀은 용액공정시 그래핀 전극이 기판에 흡착되어 있으며, 소자 제작 시 최대 2.
또한, 기존의 완전 건식 전사된 그래핀은 기판과의 반데르발스 결합이 약해 용액 공정 시 쉽게 전극이 떨어져 나가는 문제가 있었으며, 완전 건식 전사 그래핀 기반 유기 태양전지의 소자성능 평가가 불가능하였다. 부분 건사 그래핀은 용액공정시 그래핀 전극이 기판에 흡착되어 있으며, 소자 제작 시 최대 2.37%의 효율을 얻을 수 있었다.따라서 건식 전사를 사용한 그래핀 전극은 유기태양전지 투명전극 소자로서 응용될 수 있으며, 열 박리테이프 잔여물 등 추가적인 문제를 해결한다면 ITO에 준하는 소자 성능을 얻을 수 있을 것이다.
그래핀 적층 수에 따른 투과도를 그림 3 (b)에서 확인할 수 있으며, 완전 건식 전사한 그래핀의 경우 550 nm의 파장에서 1층의 그래핀의 투과도는 93%로 나타났으며, 1층씩 적층 됨에 따라 약 3%씩 감소하여 5층의 그래핀의 투과도는 82%로 확인된다. 부분 전사된 그래핀은 완전 전사된 그래핀에 비해 투과도가 높게 나타났으며, 1층의 그래핀의 경우 3%의 차이가 있었으며, 4층의 그래핀의 경우 최대 5%의 투과도 차이가 나타났다. 이는 완전 전사 그래핀의 경우 그래핀의 결함으로 인해 투과도가 감소한 것으로 예상된다.
그래핀의 상업화 및 대량생산을 위한 건식 전사공정이 연구되고 있지만, 습식 전사에 비해 투명전극으로서의 그래핀의 성능이 떨어져 그 응용에 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 부분 건식 전사를 이용하였고, 그래핀은 기존의 완전 건식 전사 그래핀에 비해 전기전도도와 투과도가 상대적으로 높게 나타났으며, 이에 따라 소자 응용의 가능 성을 확인하였다.

후속연구

이는 열 박리 테이프에 존재하는 기존의 잔여물 때문이며, 누설전류를 발생시키거나 균질한 박막 형성을 방해하여 소자의 성능을 떨어뜨리게 된다. 그러므로, 앞으로의 연구에서는 열 박리테이프의 잔여물을 최소화할 수 있는 그래핀 전사 방법과 그래핀 손상 없이 잔여물을 제거할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것이다.
37%의 효율을 얻을 수 있었다.따라서 건식 전사를 사용한 그래핀 전극은 유기태양전지 투명전극 소자로서 응용될 수 있으며, 열 박리테이프 잔여물 등 추가적인 문제를 해결한다면 ITO에 준하는 소자 성능을 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	습식 전사란?	그래핀은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposi-tion) 으로 합성되는데, 구리(Cu) 호일 또는 니켈(Ni) 호일 등금속 촉매로 합성되기 때문에 원하는 기판으로 옮기는 그래핀 전사 공정이 필요하다. 그래핀 전사 공정은 용액 사용 여부에 따라 습식 전사와 건식 전사로 분류되며[7], 습식 전사는 Poly(methyl-methacrylate) (PMMA)를 지지체로 사용하여 그래핀을 금속촉매에서 원하는 기판으로 전사하며, 그래핀의 결함을 최소화할 수 있는 전사 방법이다[8]. 대부분 투명전극으로서 소자에 응용하기 위해 주로 사용하는 방법이지만, 공정 과정이 복잡하고, 전사할 기판이 용액에 노출되어 전사 공정 중 용액에 반응하는 물질이나 기판을 사용 할 수 있는 제약이 생긴다.
	습식 전사의 단점은?	그래핀 전사 공정은 용액 사용 여부에 따라 습식 전사와 건식 전사로 분류되며[7], 습식 전사는 Poly(methyl-methacrylate) (PMMA)를 지지체로 사용하여 그래핀을 금속촉매에서 원하는 기판으로 전사하며, 그래핀의 결함을 최소화할 수 있는 전사 방법이다[8]. 대부분 투명전극으로서 소자에 응용하기 위해 주로 사용하는 방법이지만, 공정 과정이 복잡하고, 전사할 기판이 용액에 노출되어 전사 공정 중 용액에 반응하는 물질이나 기판을 사용 할 수 있는 제약이 생긴다.
	그래핀은 화학 기상 증착법으로 합성되는데 이때 그래핀 전사 공정이 필요한 이유는?	그래핀은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposi-tion) 으로 합성되는데, 구리(Cu) 호일 또는 니켈(Ni) 호일 등금속 촉매로 합성되기 때문에 원하는 기판으로 옮기는 그래핀 전사 공정이 필요하다. 그래핀 전사 공정은 용액 사용 여부에 따라 습식 전사와 건식 전사로 분류되며[7], 습식 전사는 Poly(methyl-methacrylate) (PMMA)를 지지체로 사용하여 그래핀을 금속촉매에서 원하는 기판으로 전사하며, 그래핀의 결함을 최소화할 수 있는 전사 방법이다[8].

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S. Yang, S. Choi, F. O. O. Ngome, K. Kim, S. Choi and C. Kim: Nano Lett., 19 (2019) 3590.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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