유기 전자 소자의 광전자 및 전기 특성 향상을 위한 구조적 제어 및 개선에 관한 연구

유기 태양전지 (organic photovoltaics, OPVs)와 유기 발광 다이오드 (organic light emitting diode, OLEDs)를 포함하는 유기 전자 소자 (organic electronic devices, OEDs)는 신∙재생에너지원이라는 특성과 유기 소재의 응용가능성으로 인해 많은 연구가 진행되었다. 유기 전자 소자의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 유기 광활성층 (photoactive layers, ALs) 혹은 유기 발광층 (emitting layers, ELs)으로, 이 층의 광 흡수, 방출 및 전기적 특성을 향상시키는 것이 중요하다. 따라서, 유기 전자 소자의 연구는 주로 고효율 유기 소재의 합성에 대한 연구로 진행되었다. 이에 더하여, 유기 활성층과 전극사이에 위치한 전자 수송층 (electron transport layers, ETLs)과 정공 수송층 (hole transport layers, HTLs)은 소자의 성능과 안정성을 향상시키기 위해 연구되어 왔다. 이와 같은 이유로, 본 논문에서는 광전기 및 광전자 특성을 향상시키기 위한 유기 전자 소자의 구조적 제어에 대한 연구를 진행하였다. 제 3장에서는, 광전자 특성 향상을 위해서 하이브리드 (hybrid) 정공 수송층을 도입하여 전용액 공정 (all-solution process) 유기 태양전지 소자 및 모듈에 대한 연구를 진행하였다. 하이브리드 정공 수송층의 도입을 통해 기존 소자내 전위 및 에너지 준위를 변화시켜 소자의 전압 성능을 향상시켰다. 이 전략을 이용하여 전용액 공정으로 제작된 반투명 (semi-transparent) 유기 태양전지 모듈의 최대 광전변환효율 (power conversion efficiency, PCE) 및 최대 가시광 투과율 (average visible transmittance, AVT)은 각각 7.2%와 22.30%를 달성하였다. 제 4장에서는, 소자의 전기적 특성을 향상시키기 위한 금속 나노와이어 복합층에 대한 연구를 진행하였다. 금속 나노와이어와 정공 수송층의 혼성화는 고전도성의 복합 네트워크를 형성하였고, 유기 태양전지 소자의 전기적 특성을 향상시켰다. 이 전략을 이용하여 유기 태양전지 소자의 광전변환효율이 8.4%에서 14%로 향상되었다. 제 5장에서는, 광학 특성 조절이 가능한 하향 변환 (downconversion) 양자점(quantum dots, QDs)을 전자 수송층이 도입된 역구조의 유기 태양전지 소자에 대한 연구를 진행하였다. 도입된 콜로이드 양자점은 자외선 영역의 광을 가시광선 영역으로 변환함으로써 광활성층의 흡광도를 증폭시켰다. 그 결과, 하향 변환 양자점 층을 도입한 유기 태양전지 소자의 최대 광전변환효율이 15.69%에 도달하였다. 제 6장에서는, DMD구조의 고투과율 및 고전도성의 다중 전극층을 도입하여 역구조의 반투명 유기 태양전지 소자에 대한 연구를 진행하였다. 도입된 다중 전극층은 다양한 굴절률을 갖는 금속 및 금속산화물로 구성되어 있어 입사광의 반사를 최소화하여 투과율을 최대화하였다. 그 결과, 유기 태양전지 소자의 최대 광전변환효율 10.9 %, 최대 가시광 투과율 41.7 %를 달성하였다. 제 7장에서는, 고투과성의 용액공정 전극층과 균일한 코팅 방법을 도입한 역구조의 반투명 유기 태양전지 소자에 대한 연구를 진행하였다. 도입된 고전도성의 금속 용액과 스프레이 코팅 방법을 통한 균일한 전극 박막을 통하여 투과율을 유지하면서 높은 전도성을 유지할 수 있었다. 그 결과, 유기 태양전지 소자의 최대 광전변환효율 9.0 %, 최대 가시광 투과율 51.1 %를 달성하였다. 결론으로, 이와 같은 구조적 제어와 변형에 대한 연구는 유기 전자 소자의 성능 및 광학 특성을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다. 본 연구를 통해 유기 전자 소자를 건물 일체형 태양광 발전과 같은 다양한 분야에 적용하여 신∙재생에너지원 상업화에 기여할 것으로 전망된다.