유기전자소자 분야의 융합적인 해결책 제시, 유기전자 및 나노광학 실험실

 유기전자 및 나노광학 실험실(OENL, organic electronics and nano-photonics laboratory)은 서울대학교 나노융합전공 김창순 교수님 지도하에 다양한 전공(물리, 화학공학, 전자공학, 기계공학, 재료공학)의 학생들이 유기발광다이오드(organic light emitting diode)와 유기태양전지(organic solar cell)와 직, 간접적으로 관련된 주제에 대해서 연구하고 있다. 유기태양전지, 유기발광다이오드와 같은 유기전자소자는 기존의 무기물(inorganic) 기반의 반도체 소자와 달리 유연하고(flexible), 투명하게(transparent) 만들 수 있기 때문에 심미적이고 다양한 형태의 어플리케이션에 적용이 가능하다.



▲ 유기전자소자는 반도체 소자물리, 광학, 나노광학, 분자 물리, 박막 형성 기술 등 다양한 분야의 융합적인 연구를 필요로 한다

 

  유기전자소자의 특성을 이해하고 효율적인 소자를 제작하기 위해서는 다양한 분야의 융합적인 연구가 필요하다. 유기전자소자의 주요한 재료인 유기 분자 자체에 대한 이해가 필요하며 반데르발스 힘으로 결합한 유기분자사이에서 전자와 엑시톤의 다이나믹스(생성, 이동, 소멸 등)를 연구하는 것이 소자 특성을 이해하기 위하여 중요하다. 또한 매우 얇은 (수 십 ~ 수 백 나노미터) 두께로 제작되는 유기발광다이오드와 유기태양전지에서는 다양한 광학현상(예, 간섭, 산란, 도파관현상)이 발생하기 때문에 최적화된 소자설계를 위하여 소자의 광학 및 나노광학 특성을 이해하는 것이 중요하다. 또한 유기물질은 높은 열과 유기용매에 노출되면 손상될 수 있기 때문에 유기전자소자를 제작할 때 기존의 반도체 공정에서 사용되던 대부분의 공정을 이용하는 것이 어렵다. 따라서 박막의 생성 및 패터닝을 위하여 저온, 건식 공정을 개발하는 것은 다양한 구조의 유기전자소자를 제작하는데 필수적인 요소라 할 수 있다.

 

OENL에는 유기전자소자와 관련된 연구를 효과적으로 수행할 수 있도록 여러 실험실을 실험의 성격에 맞게 구분하여 운용하고 있다.

습식 실험실에는 유기박막을 제작하기 위한 진공 증착기와 질소 환경에서

실험을 수행 할 수 있는 글로브 박스가 설치되어 있으며 시편들은 로봇 팔에 의하여 증착기와 글로브 박스 사이를 이동할 수 있기 때문에 유기전자소자를 대기에 노출 시키지 않고 제작할 수 있다. 광학실험실에는 양자효율, 전류-전압 특성, 투과 및 반사 특성 등 유기전자소자의 기본적인 특성평가를 수행할 수 있는 셋업이 구축되어 있다. 대부분 실험 셋업은 개별 컴포넌트로 구매된 부품을 직접 어셈블하여 사용 중이며 광학 실험과 관련된 또 다른 아이디어가 있을 때 새로운 셋업을 바로 제작해서 연구를 수행할 수 있도록 다양한 컴포넌트들이 구비되어 있다. 클린룸(학과공동)에는 포토리쏘그래피(photo-lithography)와 그래핀 증착을 위한 화학기상증착장비(CVD)가 구비되어 있으며 청정 환경을 요구하는 실험을 이곳에서 수행할 수 있다. 제작한 유기박막의 정밀한 분석을 위하여 공동기기실(학과공동)에 설치된 원자힘현미경(AFM)과 전자주사현미경(SEM), 라만분광장비 등을 이용한 연구수행이 가능하다. 전기, 광학 시뮬레이션은 실험 설계와 결과의 해석을 돕는데 중요하며 이러한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 고성능 워크스테이션이 광학실험실에 구비되어있다.

▲ 유기전자소자를 제작하는 습식 실험실 (왼쪽), 시뮬레이션 용 고성능 워크스테이션 (오른쪽)

▲ 광학 실험실에 설치된 웨이브가이드 측정 셋업 (왼쪽 위), PL 측정 셋업 (오른쪽 위), 입체각 분해 투과도 측정 셋업 (왼쪽 아래), 태양전지 측정 셋업 (오른쪽 아래).

OENL에서 수행하는 연구에 대해서 더 자세히 알 수 있도록 여기서 몇 가지 연구주제에 대한 소개를 하겠다. 금속 나노구조체를 이용하여 유기전자소자의 효율을 향상시키기 위한 연구는 OENL의 주요 연구 분야 중 하나이다. 예를 들어서 금속 메쉬를 전극으로 사용한 플라즈모닉 유기태양전지에서는 금속 메쉬에서 발생한 표면 플라즈몬을 이용해서 소자의 흡수 효율을 증가시킬 수 있다. 금속 메쉬의 크기와 모양에 따라서 소자의 효율이 변화하기 때문에 최적의 흡수효율을 갖는 플라즈모닉 유기태양전지의 구조를 정량화하기 위하여 금속 메쉬의 구조 변화에 대한 광학 특성을 계산 하는 것이 중요하다. 유기전자 소자 내부에서 광학 특성(투과, 산란, 흡수 등)은 맥스웰방정식을 주어진 경계조건(소자 구조로 정의)에서 계산함으로써 정량화 할 수 있으며 특히 금속 메쉬와 같이 주기성을 갖는 구조는 푸리에 변환을 이용한 방법(fourier modal method)을 이용해서 효율적으로 계산할 수 있다.

▲ 금속 메쉬를 전극으로 사용한 유기태양전지의 모식도 (왼쪽), 금속 메쉬의 주기와 입사광의 파장에 따른 흡수 효율의 정량화를 위한 광학 계산(fourier modal method를 사용) 결과(오른쪽). Optics Express, 20, S5, A740 (2012).

유기발광다이오드 내부에 금속나노입자를 사용하여 소자의 효율을 증가시키는 것도 주요한 연구 분야이다. 예를 들어서 최근에 OENL에서는 유기발광다이오드에 금 나노입자를 임베딩(embedding) 함으로써 외부양자효율을 약 40 % 향상시킨 연구결과를 발표하였다. 외부양자효율은 ‘전자-정공 밸런스 × 양자 수율 × 광 추출 효율 (singlet / triplet 엑시톤 비율 = 0.25 고정)’로 나타낼 수 있으며 여기서 ‘양자 수율 × 광 추출 효율 = PL효율 / 흡수효율’은 transient PL 측정 및 흡수 효율 계산(finite element method 사용)을 통해서 정량화 할 수 있다. 이러한 정량화 과정과 전기적 모델링을 통해서 금속나노입자 임베딩에 의한 전자-정공 밸런스의 향상이 외부양자효율 증가의 원인임을 밝혀내었다.



▲ 에어로졸 공정(왼쪽)을 사용하여 5nm 직경의 금 나노입자를 임베딩한 유기발광소자의 모식도 (가운데), 금 나노입자의 위치 변화에 따른 양자효율 변화 (오른쪽). Organic Electronics, 14, 100 (2014).

또한 OENL은 고유한 폴리머 박막 전사기술을 개발하였고 이를 이용한 고효율 탠덤 유기태양전지 개발을 수행하고 있다. 상보적인 흡수 스펙트럼을 갖는 두 종류의 폴리머 박막을 적층해서 제작하는 탠덤 유기태양전지는 고효율 유기태양전지를 제작하기 위한 좋은 방법이다. 기존의 용액공정 기반 폴리머 다층 박막형성 과정에서는 상층부의 폴리머 박막을 제작할 때 사용되는 용매가 하층부의 폴리머를 용해시키는 문제가 발생한다. OENL에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 상층부 폴리머의 용매가 건조된 상태에서 하층부 폴리머 위에 적층하는 박막전사기술을 개발 하였고 이를 이용하여 고효율 유기태양전지를 제작하는 연구를 수행하고 있다.

▲ 폴리머 박막을 target substrate (폴리머 박막을 포함) 위에 전사하는 과정 (왼쪽), 박막 전사 기술을 사용하여 제작한 탠덤 유기태양전지(붉은색 실선)는 싱글 유기태양전지(파란색 실선)에 비해서 개방 회로 전압(open circuit voltage)이 두 배 증가 (오른쪽). Solar Energy Materials & Solar Celss, 105, 1 (2012).

마지막으로 소개할 연구주제는 자체 개발한 그래핀 전사 기술을 사용하여 그래핀을 상층부 전극으로 사용하는 유기발광소자 및 유기태양전지에 관한 연구이다. 현재 투명전극으로 많이 사용하는 ITO 전극에 비해서 그래핀 전극은 투과도와 유연성이 우수한 특징이 있다. 차세대 투명전극으로써 그래핀의 사용이 각광받고 있지만 기존의 그래핀 전사기술에는 용액공정이 수반되기 때문에 유기박막 위에 그래핀 전극을 사용하기 어려운 문제가 있다. 기존의 그래핀 전사기술의 단점을 극복하고자 OENL에서는 건식환경에서 대면적 그래핀을 유기박막 위에 전사할 수 있는 기술을 개발하였으며 이 기술을 이용한 유기전자소자에 대한 연구를 수행하고 있다.

▲ 건식 그래핀 전사 기술 공정도

OENL에서는 유기전자소자와 나노광학 분야의 난제를 해결하고자 분야를 넘나드는 융합적인 해결책을 제시하고 이에 대한 엄밀한 검증을 수행하며 이로부터 습득한 이론을 정립하여 해당 분야의 발전에 기여하고자 한다. OENL에 관련된 보다 자세한 정보는 http://ckimlab.snu.ac.kr을 통해서 확인할 수 있다.

(김형채 박사과정 연구원)