유기 전자소자의 효율 및 안정성 향상을 위한 소자구조 연구 = A Study on Device Structure for the Improvement of Efficiency and Stability of Organic Electronic Devices

국문 초록 (Abstract)

유기태양전지 (organics photovoltaic cells, OPVs), 고분자 발광다이오드 (polymer light emitting diode, PLEDs), 유기박막 트랜지스터 (organic thin film transistor, OTFTs)와 같은 유기 전자소자는 가볍고, 공정 비용이 저렴하며, 좋은 가공성으로 인한 유연 소자로의 적용 가능성으로 큰 관심을 얻고 있다. 하지만 유기물을 이용하기에 산소와 수분에 취약하고, 에너지 변환효율이 낮은 단점을 갖고 있다.
따라서 본 연구에서는 유기 전자소자 중 유기태양전지와 고분자 유기발광다이오드의 에너지 변환효율 및 안정성 향상을 위해 높은 전자친화도 및 전자이동도를 갖는 ZnO를 새로운 층으로 도입하였다. ZnO layer에 NaOH, gold nanoparticles (Au NPs), Na2CO3 등의 금속화합물을 도입하여 표면 특성변화와 에너지 준위의 조절을 통해 효과적인 전하수집 및 이동특성을 향상시킬 수 있는 소자구조를 설계하였다.
첫 번째 연구에서는, ZnO layer에 NaOH를 첨가하여 inverted OPV를 제작하였다. NaOH 첨가에 따라 ZnO의 표면 조도가 낮아져 fill factor가 향상됨을 확인할 수 있었다. NaOH를 0.3 wt% 첨가하였을 때, fill factor는 약 8.2 % 증가된 63.1 %로 나타났고, PCE는 약 9.8 % 증가된 6.7 %를 나타내었다. 제작한 OPV의 수명측정 결과 기존의 OPV에 비해 45% 향상된 결과를 얻을 수 있었다.
두 번째 연구에서는 Na2CO3를 도입한 ZnO를 electron transport layer로 사용한 PLED를 제작하였다. 고분자 층과 전극 사이의 ohmic contact을 위해 ZnO에 Na2CO3를 첨가하여 일함수를 조절하였다. 그 결과, 고분자 발광층으로 전자주입이 효율적으로 일어나 최대 발광 휘도가 증가하였다. Na2CO3 를 0.3 wt% 첨가하였을 때, 최대 효율과 최대 휘도는 각각 약 4.5 %, 20.8 % 증가하여 4.47 cd/A, 35,846 cd/m2로 나타났다. 제작한 PLED의 수명측정 결과 기존 PLED에 비해 약 80 % 향상된 결과를 얻을 수 있었다.
마지막 연구에서는 Au NPs을 첨가한 ZnO layer를 도입하여 inverted 구조의 OPV를 제작하였다. metal nanoparticle에 의한 localized surface plasmon resonance 효과로 인해 photon harvesting property가 향상되었고, photo current가 증가하여 JSC가 향상되었다. 약 50 nm의 크기를 가진 Au NPs를 첨가하였을 때, JSC는 12.1 % 증가하여 15.7 mA/cm2로 측정 되었으며, PCE는 약 15 % 증가하여 7.0 %를 나타내었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1. 유기 전자소자의 종류 6
• 2.1.1. 유기태양전지(OPVs) 6
• 2.1.2. 고분자 유기발광다이오드(PLEDs) 15
• 2.2. 유기 전자소자의 효율향상 방법 21
• 2.2.1. OPVs의 효율 향상방법 21
• 2.2.1.1. Energy level controlling 21
• 2.2.1.2. photon harvesting 특성향상 24
• 2.2.1.3. interfacial layer의 도입 28
• 2.2.2. PLEDs의 효율 향상방법 32
• 2.2.2.1. Thermal annealing 32
• 2.2.2.2. interfacial layer의 도입 34
• 2.3. 유기 전자소자의 안정성 37
• 2.3.1. 유기 전자소자의 degradation 원인 37
• 2.3.2. 새로운 구조의 유기 전자소자 개발 39
• 3. 실험 42
• 3.1. 특성평가 및 물질의 합성 42
• 3.1.1. 특성평가 42
• 3.1.2. 물질의 합성 44
• 3.2. 유기 전자소자의 제작 48
• 3.2.1. ITO pattering 48
• 3.2.2. OPVs의 제작 52
• 3.2.2.1. NaOH가 첨가된 ZnO를 도입한 inverted OPV의 제작 52
• 3.2.2.2. Au NPs가 첨가된 ZnO를 도입한 inverted OPV의 제작 54
• 3.2.3. PLEDs의 제작 55
• 3.2.3.1. ZnO를 electron transport layer로 도입한 PLED의 제작 55
• 4. 결과 및 토의 57
• 4.1. Doping을 통한 ZnO의 energy level 변화 57
• 4.1 1. NaOH가 첨가된 inverted 구조의 OPVs 57
• 4.1.2. Na2CO3가 첨가된 ZnO를 도입한 PLEDs 68
• 4.2. LSPR 효과에 의한 photon harvesting 특성 향상 78
• 4.2.1. Au NPs가 첨가된 inverted 구조의 OPVs 78
• 5. 결론 88
• 참고문헌 90
• 국문초록 101