유연 기판 전자소자의 효율적인 생산을 위한 고속/저온 공정 기술 연구

Abstract

연속 공정을 이용한 유연 기판 전자소자의 생산 기술에 대한 요구는 전세계적으로 점차 늘어가고 있다. 유연 기판 전자소자는 알에프아이디(RFID, radio frequency identification) 시장을 중심으로 성장해왔으며, 현재는 태양전지(solar cell), 배터리(battery), 센서(sensor) 등 다양한 분야로 확장해 나가고 있다. 이러한 유연 기판 전자소자의 생산 공정으로 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 대표되는 연속 공정 기술이 적용되고 있으며, 이를 구현하기 위한 롤투롤 공정 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 롤투롤과 관련된 공정 기술로는 대표적으로 이송 중인 기판으로의 인쇄기술과 장력 제어 기술, 건조 및 열처리 기술 등이 있으며, 이 중 본 논문에서는 건조 및 열처리 기술에 대해서 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 인쇄 전자 기술을 활용하여 제작이 가능한 태양전지 소자 중 저가의 태양전지인 유기태양전지(OPV, organic photovoltaic)와 염료감응태양전지(DSSC, dye-sensitized solar cell)의 건조 및 소결, 어닐링 공정 기술에 대하여 연구를 수행하였다. 우선 유기태양전지의 경우 투명 전극(TCO, transparent conducting oxide)이 형성되어 있는 기판 위에 버퍼층(buffer layer), 활성층(active layer), 금속 전극층(metal electrode layer) 등이 적층이 되어 소자를 구성하게 된다. 이 각 층에 대한 효율적인 건조, 소결(sintering) 및 어닐링(annealing) 기법을 도출하기 위하여 열 에너지(thermal energy), 진공(vacuum), 적외선(infrared), 유브이(UV, ultraviolet), 마이크로웨이브(microwave) 등의 에너지원을 단독 또는 복합적으로 구성하여 적용하였다. 각각의 인쇄층에 대한 후처리 특성 평가는 단일층을 대상으로 수행되었으며, 도출된 단일층 결과는 전체 유기태양전지 소자 제작 공정에 적용하여 최종적으로 검증하였다. 유기태양전지 소자에의 적용을 통한 검증 결과 최적의 기법을 적용할 경우 전체 공정을 56 %까지 단축할 수 있었다. 유기태양전지의 활성층은 유기물로 이루어져있기 때문에 습도 등의 외기의 접촉으로 인한 소자의 손상이 크게 발생하여 주로 진공이나 보호가스 분위기 하에서 소자가 제작이 되어왔다. 이러한 공정 조건은 롤투롤 공정과 같은 연속 공정에의 적용을 어렵게 하는 요인이다. 이를 해결하기 위하여 원적외선(far infrared)을 이용한 활성층의 어닐링 기술과 마이크로웨이브 기법을 활용한 포스트 어닐링(post-annealing) 공정을 통하여 외기의 접촉 환경에서도 유기태양전지의 효율을 확보할 수 있는 강건한 공정 기술을 개발하였다. 마지막으로 염료감응태양전지에 관한 연구에서는 광전극을 구성하는 이산화티타늄(TiO2) 물질을 소결하기 위하여 근적외선(near infrared)을 적용하였다. 근적외선으로TiO2 물질을 소결하여 공정 시간을 기존 열 에너지 공정에 비해 30 % 이상 단축하였고, 이의 근거를 규명하기 위하여 근적외선 소결 공정 결과를 기존의 열처리 공정과 시각적, 수치적으로 비교하여 분석하였으며, 염료감응태양전지 소자 제작 공정에 적용하여 이를 검증하였다.