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FT-IR 분석은 Cross-linking이 진행될 경우 C=C stretching peak(약 1630~1640 cm-1)가 다른 peak(reference peak)에 비해 상대적으로 감소한다는 원리에 기반하였다. 이에 따라 동일한 1730 cm-1 부근 C=O peak를 기준으로 C=C peak의 상대적 강도 비율을 비교하여 Cross-linking 진행 여부를 정성적으로 판단하였다. | FT-IR 분석은 Cross-linking이 진행될 경우 C=C stretching peak(약 1630~1640 cm-1)가 다른 peak(reference peak)에 비해 상대적으로 감소한다는 원리에 기반하였다. 이에 따라 동일한 1730 cm-1 부근 C=O peak를 기준으로 C=C peak의 상대적 강도 비율을 비교하여 Cross-linking 진행 여부를 정성적으로 판단하였다. | ||
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| + | MC의 경우 1) AIBN 개시제 처리를 한 후, UV를 조사하고, 2) AIBN 개시제 처리를 한 후, Glove box(N2)에서 실험을 진행했을 때 Cross-linking이 진행되는 것을 확인하였다. | ||
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| + | Fig 2. MC / control vs AIBN vs AIBN + UV | ||
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| + | Fig 2에서 1730 cm-1의 C=O stretching peak 강도를 기준으로, 1648 cm-1의 C=C stretching peak를 비교했다. AIBN 개시제가 없는 control (검은색 그래프)와 AIBN만 넣어줄 때 (초록색 그래프)에 비해 AIBN + UV (빨간색 그래프) 조건에서 C=C 비율이 상대적으로 감소하였다. C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 5.6 : 1, AIBN 조건에서 5.0 : 1, AIBN + UV 조건 34.1 : 1이다. 즉, AIBN + UV 조건에서 C=C 결합이 분해되어 peak의 크기가 감소했고, Cross-linking이 일어났음을 알 수 있다. | ||
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| + | [[파일:페로브 fig3.png]] | ||
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| + | Fig 3. MC / control vs AIBN + N2 | ||
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| + | Fig 3의 FT-IR 결과를 보면, AIBN이 없는 control 조건보다 AIBN + N2 조건에서 C=C peak 비율이 감소하였다. 실제로 C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 5.6 : 1, AIBN + N2 조건에서 13.5 : 1로 나타났다. 이는 N2의 진공 환경에서도 C=C 결합이 분해되어 cross-linking이 진행되었음을 의미한다. | ||
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| + | AIBN + UV 조건에서는 C=O : C=C 비율이 34.1 : 1로 AIBN + N2 조건의 13.5 : 1보다 큰 값을 보였다. 이는 UV 조사 시 C=C 결합의 감소가 더욱 뚜렷하게 나타났다는 것을 의미한다. | ||
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| + | :마찬가지로 PEA 역시 AIBN 개시제만 도입했을 경우 C=C peak 비율 변화를 확인할 수 없었다. 그러나 AIBN을 첨가한 후, UV 처리를 하거나 N2 조건에서 진행했을 때, C=C peak 비율 변화를 통해 cross-linking이 진행되는 것을 확인하였다. | ||
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| + | [[파일:페로브 fig4.png]] | ||
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| + | Fig 4. PEA / control vs AIBN vs AIBN + UV | ||
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| + | Fig 4에서 1730 cm-1의 C=O stretching peak 강도를 기준으로 보았을 때 1635 cm-1의 C=C stretching peak를 비교했다. AIBN 개시제가 없는 control (검은색 그래프)와 AIBN만 넣어줄 때 (초록색 그래프)에 비해 AIBN + UV (빨간색 그래프) 조건에서 peak가 상대적으로 감소하였다. C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 15.2 : 1, AIBN 조건에서 15.1 : 1, AIBN + UV 조건 58.4 : 1이다. 즉, AIBN + UV 조건에서 Cross-linking이 더 많이 일어났음을 알 수 있다. | ||
=이선재= | =이선재= | ||
2025년 12월 1일 (월) 05:37 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : PEG 계열 고분자의 Cross-linking 구조를 적용한 flexible 페로브스카이트 태양전지
영문 : Flexible Perovskite Solar Cells Utilizing Cross-linking PEG Polymers
과제 팀명
PerovSkrr
지도교수
김민 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 정*연(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 김*훈
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 이*경
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 이*재
서울시립대학교 화학공학과 20223400** 김*림
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ Flexible 페로브스카이트 태양전지(f-PSC)는 반복적인 구부림과 기계적 스트레스에 의해 필름 균열과 성능 저하가 발생하여, 유연성과 안정성 향상이 필요하다. ◇ Poly(ethylene glycol) 계열 고분자(PEGMC, PEGPEA)는 cross-linking을 형성하고 결함을 효과적으로 passivation하여 필름 안정성과 유연성을 높일 수 있으며, 본 과제에서는 PEG의 농도 조건을 최적화하고 polymer가 태양전지 소자에 미치는 영향을 비교·분석한다. ◇ 세 가지 PEG 계열 polymer를 f-PSC에 적용하여 페로브스카이트 필름 및 소자를 제작하고, PL, XRD, SEM, J-V curve 분석을 통해 cross-linking 유무와 bending test 전·후 차이, 소자의 전기적 성능을 비교한다.
개발 과제의 배경
◇ 태양 에너지는 지구 에너지의 99.99 % 이상으로 매우 풍부하고 안전한 에너지원으로 지속 가능한 발전의 활용 대상으로 주목받고 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 준하는 우수한 광전 성능을 보이며, 용액 공정을 통한 thin-film 구조로 가볍고 유연한 소자 제작에 적용할 수 있다. 이러한 장점은 flexible 페로브스카이트 태양전지(F-PSC)가 웨어러블 및 휴대용 기기 등 일상에서 사용하는 device부터 부품 경량화가 핵심인 항공/우주선 전원 공급 장치로 확대되는 데 기여할 수 있다. ◇ 그러나 소자에 변형을 일으키면 F-PSC의 성능이 쉽게 저하되는 문제점이 있다. 기판 굽힘으로 페로브스카이트 thin-film에 stress를 가하면 grain boundary에서 fracture가 쉽게 발생한다. 이 경로로 공기 및 수분이 쉽게 침투하여 페로브스카이트가 분해되면 F-PSC가 제 기능을 할 수 없게 된다. ◇ f-PSC의 안정성을 향상시키기 위한 접근법으로는 첨가제, 표면 passivation 등 다양한 방법이 있으며 이는 일반적으로 예방적 방법으로 분류된다. 이러한 예방적 방법 외에도, 페로브스카이트 결정을 이어주는 Cross-linking 방법은 유연성을 향상시키기 위한 또 다른 해결책이다. 이중결합을 가진 PEG(poly(ethylene glycol)) 계열 고분자는 AIBN 열 개시제의 도움으로 가교 결합을 형성할 수 있다. 본 연구에서는 PEG 계열의 고분자(PEGMA, PEGPEA) 2가지를 변수로 설정하고 cross-linking을 형성시켜 f-PSC의 성능을 비교 분석한다. ◇ PEG 계열 고분자를 EtOAc 용매에 용해시켜 페로브스카이트의 antisolvet로 도입했을 경우 어닐링 조건에서 가교결합을 형성하며 f-PSC에서 계면 응력을 완화할 것으로 기대된다. 또한 작용기 구조가 다른 PEG 계열 고분자를 도입함으로써 각 작용기의 상호작용을 규명하고 페로브스카이트 결정립의 사이즈와 크랙을 분석하고자 한다. 결론적으로, 본 연구의 성과는 PEG 계열 고분자의 작용기 구조와 f-PSC의 안정성 간 상관관계를 규명하고, cross-linking을 통한 f-PSC의 안정화 효과를 제시한다.
개발 과제의 목표 및 내용
최종 목표
◇ Poly(ethylene glycol) 계열 고분자(PEG-MC, PEG-PEA)의 Cross-linking 형성을 확인하고, 이를 첨가한 F-PSC의 성능을 비교 및 분석한다.
세부 목표
◇ AIBN 개시제를 첨가한 Poly(ethylene glycol) 계열 고분자의 Cross-linking 조건을 확립한다. ◇ PEG 계열 고분자를 antisolvent로 첨가하여 페로브스카이트 태양전지를 제작하고, 최적의 조건을 확립한다. ◇ 제작한 페로브스카이트 태양전지 소자의 전기적 성능을 측정하고 분석한다. ◇ 필름 및 소자에서 bending test 전·후의 필름 표면과 소자 성능을 비교하여 cross-linking의 효과를 확인한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ AIBN 개시제를 이용한 Cross-linking 유도
AIBN의 10시간 반감기(t1/2) 온도는 toluene 용액에서 64~65 ℃로, 열에 의해 Isobutyronitrile 라디칼과 질소 기체로 분해된다. 생성된 라디칼은 acrylate기의 C=C 결합을 공격해 새로운 라디칼을 형성하고, 이는 근처의 다른 acrylate기를 공격하여 결합하여 cross-link를 형성한다. 이 과정이 반복되면 수많은 사슬이 서로 얽힌 네트워크를 형성하여 강도 및 회복력을 지니게 된다. 또한, AIBN에 UV 조사 시 라디칼 형성을 더욱 활성화하는 사례가 보고되었다. 따라서 AIBN을 포함한 PEG 계열 고분자 첨가 후 어닐링 과정에서 UV를 조사하면 라디칼 형성 및 cross-linking 반응을 촉진할 수 있다고 판단하였다.
◇ PEG 계열 고분자를 이용한 Pb2+ 결함 passivation
페로브스카이트 태양전지의 광전압(Voc) 손실은 필름 표면의 Pb2+ 결함에 의해 형성되는 트랩 준위(Trap States)와 비방사성 재결합 때문이다. 이러한 결함을 불활성화하기 위해 적절한 작용기를 가진 polymer를 사용한다. PEG 계열 고분자는 분자 사슬 내 산소 원자에 풍부한 비공유 전자쌍을 가진다. 이 산소 원자가 전자 부족 상태인 Pb2+이온에 전자를 제공하여 배위 결합(Coordination Bond)을 형성하게 된다. 결함이 불활성화되면, 전하의 비방사성 재결합(Non-radiative Recombination) 경로가 억제된다. 이로 인해 전하가 빛을 방출하는 방사성 재결합(Radiative Recombination) 경로를 더 많이 따르게 되어 PL intensity (광발광 강도)가 획기적으로 증가한다. 이는 PEG 계열 고분자가 필름의 내부 양자 효율을 성공적으로 개선했음을 의미한다.
◇ 페로브스카이트 태양전지에 PEG 계열 고분자를 적용한 선행 연구 1. Interlayer로 삽입
PEGMA 초박막(5~20nm) 계면처리를 통해 반경 7mm, 1500회 굽힘 외에도 PCE 유지율 90 %대를 확보한 사례가 보고되었다. PEG의 에테르 산소(-C-O-C-)가 페르보스카이트 표면/Grain boundary의 Pb2+ halide vacancy와 배위해 trap passivation한다. 동시에 Methacrylate 기반 가교 네트워크가 형성되어 수분 침투와 할라이드 이온 이동을 억제하고, 굽힘 응력을 계면에서 분산시켜 flexible perovskite의 장기 신뢰성을 높인다.
2. 페로브스카이트 전구체에 저함량 첨가
MAPBI3 전구체 용액에 PEG를 저함량 첨가(<1 wt%)하여 박막의 핵생성/성장 균형을 조절한 사례가 보고되었다. PEG가 용액의 점도와 젖음성을 완화하여 결정화 속도를 균일하게 만들고, 이로 인해 Grain 크기가 평균 200-300nm에서 500nm 이상으로 커지면서 표면 피복률이 개선되었다. PL 및 TRPL 분석 결과 비방사 재결합 중심이 감소하고 히스테리시스 인덱스가 완화되었다. 이와 같은 변화는 트랩보조 재결합 억제와 계면 결합 감소로 이어져, 소자의 개방전압과 충전율이 동반 상승하고, 결과적으로 PCE가 향상되었다. PEG 함량이 1 wt%를 초과하면 점도 증가로 전하수송 저항이 증가해 효율이 다시 감소하므로 0.3~0.8 wt% 범위의 저함량이 최적 조건으로 제시되었다.
3. ETL층에 도입
ZnO 전자수송층(ETL)은 낮은 온도에서 제조 가능하고 높은 전자 이동도를 지니지만, 표면에 산화아연 결함이 많아 페로브스카이트와의 계면에서 재결합이 빈번하게 일어난다. PEG를 ZnO 전구체에 0~0.3 wt% 혼입하여 결합 밀도 저감 및 전기적 특성 개선을 시도하였다. PEG 사슬이 ZnO 입자 간의 응집을 억제해 균일한 콜로이드 분산을 유도하였다. 그 결과 ETL 층의 전기전도도가 4.5배 향상되었고, 전하이동 저항이 감소하고 재결합저항이 증가하여 계면 재결합이 억제가 정량적으로 확인되었다. 이러한 효과는 PEG 사슬이 ZnO 입자 사이를 브릿징하며 입자간 결합을 완화한다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ Flexible 박막형 태양전지 및 그 제조방법 (출원번호: 1020120142026)
본 발명은 flexible 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 flexible 기판 상부에 전극층을 증착하며, 전극층의 상부에 CIS, CGS, CIGS 단일 타켓을 상온-200℃ 사이의 저온에서 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착하여 CIS, CGS, CIGS 박막을 제조하되, flexible 기판 상의 성막 온도를 조절하여 구조적·광학적으로 우수한 특성의 flexible 박막형 태양전지를 제조하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 단일 스퍼터링 타겟을 이용한 1회 증착 공정으로 간단한 제작이 가능하고, flexible 기판의 변형을 유발하지 않는 저온 공정에서 우수한 흡수층 박막을 얻을 수 있어 높은 효율의 태양전지의 생산이 가능하다.
◇ 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법 (출원번호: 1020220028853)
본 발명은 전자전달층과 소스전극 사이에 파이-오비탈 전자를 가지는 반도체성 유기물질(semiconducting organic material), 비공유 전자쌍(unshared electron pair)을 가지는 원소를 포함하는 유기물질 및 이온성 작용기(ionic functional group)를 가지는 유기물질 중에서 1종 이상을 포함하는 투명 전도성 산화물층이 도입된 페로브스카이트 태양전지 및 이를 제조방법에 관한 것이다.
◇ 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 (출원번호: 1020180099091)
본 발명은 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 박막의 형성방법은, 소정의 기판 상에 전자 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 용액의 가교반응을 통해 박막을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 용액은, 유기 반도체 물질과 함께, 아지드계(azid group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성된 반도체형 가교제(crosslinker)가 포함되되, 상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것을 알 수 있다.
◇ 탄력적 페로브스카이트 광전소자 패키지 구조물과 그 제작 방법 (출원번호: 24909215.6)
본 발명은 태양광 전지 캡슐화에 기술 분야 속하고, 특히 탄력적 페로브스카이트 광 기전력 모듈의 캡슐화 구조체와 탄력적 페로브스카이트 광 기전력 모듈의 캡슐화 구조체에 제조 방법 관한 것이다. 글라스재 기판 위의 PI 층을 배열함으로써, 과정에 있는 정전기의 소산에 의해 유발되는 기판 분리의 기술적 위험은 해결된다. 장벽층은 페로브스카이트의 수분과 산소 차단 안정성의 문제점을 해결하기 위해 PI 층과 제 1 전극 층 사이에 배열된다. 광 기전력 모듈을 제조하기 위한 기판으로서의 글라스 기판의 사용으로, 광 기전력 모듈의 프리시젼을 제조하는 것은 개량한다. 패키징 층이 제조될 때, 후속 전극 프린팅 또는 부착이 가능하게 하도록, 전극 부착을 위한 포지션은 전진에서 보장된다. 제작 방법의 프로세스 경로는 성숙한 지지재와 장치를 가지고, 대량 생산은 가능하게 한다.
◇ Anti-solvent를 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 및 제조방법 (출원번호: 1020200168610)
높은 효율 및 안정성을 갖는 고성능 페로브스카이트 태양전지를 제공한다. 상기 고성능 페로브스카이트 태양전지는, 제 1 전극, 상기 제 1 전극의 상부면에 형성되는 정공 수송층, 상기 정공 수송층의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 광활성층, 상기 광 활성층의 상부면에 형성되는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층의 상부면에 형성되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 광활성층은 상기 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 페로브스카이트 전구체 용액 및 첨가제가 혼합되는 anti-solvent를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
- 특허 전략
1. 조성물 특허
FAPbI3 페로브스카이트 및 PEG-MA, PEG-PEA 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하며, 자가 치유 및 passivation 기능이 부여된 페로브스카이트 복합 활성층
2. 제조방법 특허
① 상기 3종의 고분자 중 1종을 전구체에 첨가하는 단계 ② 이를 PEN 기판에 코팅하는 단계 ③ 어닐링을 통해 결정화 및 고분자 기능(cross-linking 등)을 발현시키는 방법
◇ 필수 증거 자료 1. FT-IR 분석 : PEGMA, PEGPEA의 C=C 이중 결합 peak 감소 확인 (cross-linking 증명), Pb2+ 와의 결합을 통한 passivation 증거 확보 2. SEM 분석 (결정립 크기/균열) : PEG 고분자를 첨가했을 때 페로브스카이트 결정 크기 및 벤딩 후 균열(crack) 발생 정도를 비교한다. 3. PL과 XRD 분석 : PEG 고분자 농도에 따른 페로브스카이트에 가하는 영향을 분석한다. 4. Bending Test(유연성) : 2가지 물질을 적용한 소자의 벤딩 테스트 전, 후 SEM과 J-V curve 데이터를 비교하여 소자가 유연성을 확인한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ PEG 계열 고분자의 cross-linking 효과 기존에는 PEGDA를 활용하여 perovskite 내에서 cross-linking을 일으켰다. 이번 실험을 통해 PEG-MC, PEGPEA에서 cross-linking 효과를 확인하고자 한다. ◇ Flexible 페로브스카이트 태양전지 Cross-linking을 통해 페로브스카이트 결정립을 연결시켜 페로브스카이트의 내구도를 향상시킨다. 이를 이용하여 소자를 만들고, 내구도 테스트를 통해 유연성을 갖는 태양전지를 만들 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 태양전지 시장 발전
유연하고 성능 좋은 flexible 태양전지를 연구하여 태양전지 시장을 다양화시킨다. ◇ 새로운 물질 발견 기존에 사용하던 cross-linking 물질이 아닌 새로운 물질을 연구하여 효율과 성능을 비교, 분석할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 김도훈: 페로브스카이트 합성 실험, SEM 분석 실험, 결과 데이터 분석
◇ 김유림: 페로브스카이트 합성 실험, SEM 분석 실험, 결과 데이터 분석
◇ 이도경: 태양전지 소자 제작 실험, J-V curve 측정 실험, 결과 데이터 분석
◇ 이선재: 태양전지 소자 제작 실험, J-V curve 측정 실험, 결과 데이터 분석
◇ 정호연: Bending Test 실험, J-V curve 측정 실험, 결과 데이터 분석
설계
목표 달성을 위한 설계(실험) 방법
실험 방법
◇ PEG Cross-linking 조건 확립 실험
PEG 고분자 물질 2가지 MC(methacrylate), PEA(phenyl ether acrylate)의 UV 광 유무, AIBN 개시제 유무, N2 글러브박스 유무에 따라 최적의 조건을 확립한다.
1. 기판 세척
① Bare glass 기판을 준비한다.
② 기판용 세제 1 v% - 증류수 – 아세톤 – IPA –아세톤 – IPA 순으로 10분씩 sonication을 통해 세척한다.
③ sonication 단계마다 증류수를 뿌려 세척한다. (마지막 단계인 IPA 과정에서는 생략)
④ 기판을 에어건으로 말려 정리한다.
2. FT-IR 측정
① 준비한 기판을 20분 동안 UV-Ozone 처리한다.
② PEG-MC, PEG-PEA 용액에 1 wt% AIBN을 첨가한다.
③ 기판 위에 PEG 용액을 dropcast 방식으로 떨어뜨린다.
④ 150℃에서 15분 어닐링 한다.
⑤ AIBN 유무, UV 유무, glove box 유무를 조작 변인으로 하여 실험을 진행한다.
⑥ FT-IR을 분석을 통해 cross-linking 형성 여부를 확인한다.
◇ 페로브스카이트 Anrisolvent에서 PEG 농도 최적화 실험
Antisolvent 용매로 사용하는 EtOAc 부피 대비 PEG 고분자 질량 농도(mg/mL)를 최적화하기 위한 실험을 진행하였다. AIBN은 PEG의 질량 대비 3 wt% 만큼 첨가하였다. 설정한 PEG 농도는 다음과 같다.
PEG-MC (methacrylate) : 0.05 mg/mL, 0.1 mg/mL, 0.2 mg/mL PEG-PEA (phenyl ether acrylate) : 0.1 mg/mL, 0.5 mg/mL, 1.0 mg/mL, 2.0 mg/mL
여러 농도의 PEG/EtOAc 용액을 제작하고 페로브스카이트 spin-coating 과정에서 첨가하여 flexible 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. 소자의 J-V curve를 측정하고 효율(PCE) 및 전기적 특성을 비교하여 최적의 농도를 결정하였다.
◇Flexible 페로브스카이트 태양전지 소자 제작 방법
1. 페로브스카이트 전구체 용액 및 Spiro 용액 준비
① N2 분위기 글로브 박스에서, 페로브스카이트 전구체 용액을 제작한다. (DMF 1.6 mL, DMSO 0.2 mL, FAI 450.4 mg, MACl 61.2 mg, MABr 9.1 mg, PbI2 1316.0 mg, PbBr2 29.7 mg)
② 전구체 용액을 60C에서 하루 동안 교반한다.
③ N2 분위기 글로브 박스에서, Spiro 용액을 제작한다. (CB 1.6 mL, spiro 115.7 mg)
④ 열을 가하지 않고 하루 동안 교반시켜준다.
⑤ spiro 용액 사용 전, tBP 28.8 µL, Li-TFSI 28 µL를 첨가한다.
2. PET/ITO 기판 세척 및 세팅
① PET/ITO 기판을 1.8 × 1.8 cm2로 규격에 맞춰 자른다.
② Zn powder와 HCl을 이용하여 기판의 모서리 부분의 ITO를 etching한다.
③ PET/ITO 기판을 IPA 용액에 넣어 sonication을 통해 세척한다. (위의 기판세척과 같은 방법)
④ 카본 테이프를 이용하여 bare glass 위에 PET 기판을 붙인다.
⑤ 20분 동안 UV-Ozone 처리를 한다.
3. SnO2 spin-coating
① SnO2 용액 3방울을 3000 rpm, 30초 spin-coating한다.
② Hot plate에서 100°C, 1시간 동안 어닐링한다.
③ 15분 동안 UV-Ozone 처리를 한다.
4. 페로브스카이트 spin-coating
① 페로브스카이트 전구체 용액을 100 µL를 4000 rpm, 30초 spin-coating한다.
② spin-coating 중간 과정에서 (15초 이후) PEG/EtOAc 용액을 400 µL 드랍한다. (anti-solvent 역할)
③ Hot plate에서 150°C, 15분 동안 어닐링한다.
④ 어닐링하는 과정에서 cross-linking을 위해 UV lamp를 쬐어 준다.
5. Spiro spin-coating
① Spiro 용액을 0.45 µm syringe 필터에 걸러, 90 µL를 4000 rpm, 30초 spin-coating한다.
② 만들어진 소자를 상온에 보관하며 Spiro를 산화시킨다.
6. Etching
① spin-coating이 끝난 소자를 2-Methoxyethanol을 이용해 면봉으로 wet etching한다.
7. 금 전극 증착
① metal evaporator를 이용하여 금 전극을 60 nm로 증착한다.
결과 및 평가
개발 과제 핵심 결과
◇ FT-IR 분석을 통한 Cross-linking 증명
본 실험에 앞서 Poly(ethylene glycol) methacrylate (MC), Poly(ethylene glycol) phenyl ether acrylate (PEA)가 교차결합(Cross-linking)이 형성되는지를 확인하기 위해 FT-IR 분석을 진행하였다. AIBN 개시제 유무, UV 조사, Glove box(N2)라는 세 조건에서 분석을 진행하였다.
Fig 1. 왼쪽부터 순서대로 PEGMC, PEGPEA
FT-IR 분석은 Cross-linking이 진행될 경우 C=C stretching peak(약 1630~1640 cm-1)가 다른 peak(reference peak)에 비해 상대적으로 감소한다는 원리에 기반하였다. 이에 따라 동일한 1730 cm-1 부근 C=O peak를 기준으로 C=C peak의 상대적 강도 비율을 비교하여 Cross-linking 진행 여부를 정성적으로 판단하였다.
1. PEGMC
MC의 경우 1) AIBN 개시제 처리를 한 후, UV를 조사하고, 2) AIBN 개시제 처리를 한 후, Glove box(N2)에서 실험을 진행했을 때 Cross-linking이 진행되는 것을 확인하였다.
Fig 2. MC / control vs AIBN vs AIBN + UV
Fig 2에서 1730 cm-1의 C=O stretching peak 강도를 기준으로, 1648 cm-1의 C=C stretching peak를 비교했다. AIBN 개시제가 없는 control (검은색 그래프)와 AIBN만 넣어줄 때 (초록색 그래프)에 비해 AIBN + UV (빨간색 그래프) 조건에서 C=C 비율이 상대적으로 감소하였다. C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 5.6 : 1, AIBN 조건에서 5.0 : 1, AIBN + UV 조건 34.1 : 1이다. 즉, AIBN + UV 조건에서 C=C 결합이 분해되어 peak의 크기가 감소했고, Cross-linking이 일어났음을 알 수 있다.
Fig 3. MC / control vs AIBN + N2
Fig 3의 FT-IR 결과를 보면, AIBN이 없는 control 조건보다 AIBN + N2 조건에서 C=C peak 비율이 감소하였다. 실제로 C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 5.6 : 1, AIBN + N2 조건에서 13.5 : 1로 나타났다. 이는 N2의 진공 환경에서도 C=C 결합이 분해되어 cross-linking이 진행되었음을 의미한다.
AIBN + UV 조건에서는 C=O : C=C 비율이 34.1 : 1로 AIBN + N2 조건의 13.5 : 1보다 큰 값을 보였다. 이는 UV 조사 시 C=C 결합의 감소가 더욱 뚜렷하게 나타났다는 것을 의미한다.
2. PEGPEA
- 마찬가지로 PEA 역시 AIBN 개시제만 도입했을 경우 C=C peak 비율 변화를 확인할 수 없었다. 그러나 AIBN을 첨가한 후, UV 처리를 하거나 N2 조건에서 진행했을 때, C=C peak 비율 변화를 통해 cross-linking이 진행되는 것을 확인하였다.
Fig 4. PEA / control vs AIBN vs AIBN + UV
Fig 4에서 1730 cm-1의 C=O stretching peak 강도를 기준으로 보았을 때 1635 cm-1의 C=C stretching peak를 비교했다. AIBN 개시제가 없는 control (검은색 그래프)와 AIBN만 넣어줄 때 (초록색 그래프)에 비해 AIBN + UV (빨간색 그래프) 조건에서 peak가 상대적으로 감소하였다. C=O peak 강도 : C=C peak 강도는 control 조건에서 15.2 : 1, AIBN 조건에서 15.1 : 1, AIBN + UV 조건 58.4 : 1이다. 즉, AIBN + UV 조건에서 Cross-linking이 더 많이 일어났음을 알 수 있다.
이선재
특징
성격
가끔 형한테 대듦




