특허 개요
본 특허는 실내 조명을 전력으로 변환하는 유기 실내 광전지에 2PACz 자가 조립 단일막을 적용한 소자 및 제조 방법입니다. 투명 ITO 하부전극 위에 3 nm 이하의 2PACz 초박막 계면층을 형성하고, PM6 또는 PM7 도너와 Y6 또는 PC71BM 억셉터로 구성된 유기물 반도체층에도 2PACz를 혼합합니다. 2PACz는 전극의 일함수와 에너지 레벨을 조절하고 자발적 수직 상분리를 유도해 정공 수송은 돕고 전자 이동 및 트랩 보조 재결합에 따른 손실은 줄이는 방식으로 동작합니다.
- 핵심 기능
투명 하부전극에 형성된 2PACz층이 계면 쌍극자를 통해 일함수와 에너지 레벨 정렬을 조절하고, 유기물 반도체층에서는 2PACz의 수직 상분리가 전하 이동 경로를 형성합니다. 실내 광으로 생성된 여기자를 양전하와 음전하로 분리한 뒤, 상부전극에서 음전하를 수집하도록 구성해 재결합 및 전하수송 손실을 낮춥니다.
- 차별 강점
기존 PEDOT:PSS 정공수송층은 산소·수분에 취약하고 약 40 nm 두께로 인해 광활성층 투과도와 계면 제어에 한계가 있었습니다. 본 특허는 초박막 2PACz를 전극 계면과 PM6:Y6 광활성 혼합층에 함께 적용해 일함수 조절, 에너지 레벨 정렬, 수직 상분리를 동시에 구현하는 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 실내광 에너지 하베스팅, 저조도 유기 광전지, 유기 반도체 계면 제어, 전하수송·재결합 저감 연구에 활용 가능하며, 실내 조도 조건별 소자 설계로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 무전원 IoT 센서, 스마트홈 센서·제어기, 전자 태그, 무선 센서 노드 및 저조도 광전지 모듈에 적용할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PEDOT:PSS 기반 소자와 2PACz 적용 위치가 다른 소자를 대상으로 J-V, EQE, UPS, TOF-SIMS, GIWAXS, AFM 및 안정성 평가를 수행했습니다. LED·형광등·고압등 1000lx 조건과 무캡슐화 LED 조명 하 1000시간 안정성은 확인됐으나, 실제 제품의 조도 변동 환경, 대면적 모듈 재현성, 봉지 및 IoT 부하 통합은 추가 검증이 필요합니다.
- 평가 소자: PEDOT:PSS/PM6:Y6 및 2PACz 적용 위치별 PM6:Y6 기반 실내 광전지
- 비교 구성: PEDOT:PSS 기반 소자와 2PACz 계면층·광활성층 적용 소자
- 조명·안정성 조건: AM 1.5 G 100mW/cm², LED·FL·HL 1000lx 및 무캡슐화 LED 조명 하 1000시간
현재 성과
LED 1000lx, 0.23mW/cm² 조건에서 2PACz를 하부전극 계면층과 PM6:Y6 광활성층에 적용한 소자가 최대 변환효율을 보였습니다. 2PACz의 에너지 레벨 정렬과 수직 상분리가 전하 추출을 돕고 재결합 손실을 낮추는 구조입니다.
J-V, EQE, UPS, TOF-SIMS, GIWAXS, AFM 분석과 함께 LED·형광등·고압등 1000lx 조건에서 소자 성능을 평가했습니다. 무캡슐화 LED 조명 하 1000시간 안정성 평가에서 개방전압, 단락전류, 충전율의 손실도 함께 확인했습니다.
기존 PEDOT:PSS 기반 구조는 두꺼운 정공수송층과 산소·수분 취약성으로 인해 계면 및 광투과 제어에 한계가 있었습니다. 본 특허는 2PACz를 초박막 전극 계면층으로 사용하면서 광활성 혼합층에도 적용해 일함수 조절과 수직 상분리를 함께 구현하는 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 실내 조도 변동 및 다양한 광원 스펙트럼 환경에서의 장기 수명 검증
대면적 소자·모듈 제조 시 성능 재현성 및 공정 균일성 확보
봉지 구조 적용과 실제 IoT 부하 연동 조건에서의 전원 통합 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
자가 조립형 단일막을 활용한 고성능 실내 광전지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 실내 광전지
10-2022-0141987 (2022.10.31)
1020240060915 (2024.05.08)
1027666310000 (2025.02.06)
심재원, 김태혁
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단