뜨거운 유기 전자소자 방열 복합소재로 식힌다-산화알루미늄 나노입자로 열 방출경로 확보, 소자수명 향상 실마리

뜨거운 유기 전자소자 방열 복합소재로 식힌다-산화알루미늄 나노입자로 열 방출경로 확보, 소자수명 향상 실마리

 

등록일 2020.12.14.

 

뜨거운 유기 전자소자, 방열 복합소재로 식힌다
산화알루미늄 나노입자로 열 방출 경로 확보, 소자수명 향상 실마리

□ 전자소자 성능 저하의 주범인 열을 잡아 소자의 수명을 늘려줄 냉각시스템이 소개됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박태호 교수(포스텍 화학공학과) 연구팀이 소자 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 있는 산화알루미늄·전도성 고분자 복합소재를 이용한 냉각시스템을 개발했다고 밝혔다.

□ 무기물 소재와 달리 유연하고 가공성이 뛰어난 유기물 소재를 이용한 유기 전자소자에 대한 수요가 증가하고 있다.
○ 하지만 유기물 소재는 열전도도가 낮아 소자 구동과정 중 내부에서 발생하는 열이 방출되지 않고 축적된다는 것이 문제였다.

□ 연구팀은 열을 잘 전도할 수 있는 산화알루미늄 나노입자로 열이 빠져나갈 수 있는 구조체를 만들고, 전도성 고분자를 침투시켜 산화알루미늄의 절연성이 전하이동을 방해하지 않도록 설계했다.
○ 열 방출경로를 확보하는 한편 소자의 작동에 미치는 영향을 최소화 한 것이다.

□ 실제 이렇게 만들어진 방열 복합소재를 페로브스카이트 태양전지*에 적용시 고온·고습 환경에서 소자의 성능이 3배 이상 향상되었다.
* 페로브스카이트 태양전지 : 페로브스카이트(ABX3) 소재를 광활성층으로 사용하는 태양전지. 우수한 광전기적 특성으로 인해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

□ 한편 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 이외 유기발광다이오드나 유기트랜지스터 같은 차세대 전자소자에도 접목할 수 있도록 후속연구를 지속할 계획이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 10월 27일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 포스텍 박태호 교수>

논문명
Heat dissipation effects on the stability of planar perovskite solar cells
저널명
Energy & Environmental Science
키워드
Heat dissipation(방열), hybrid material(하이브리드 재료), organic electronic device(유기 전자소자), device stability(소자 안정성)
DOI
https://doi.org/10.1039/D0EE02859B
저 자
박태호 교수(대표 교신저자/포스텍), 김홍일 박사(공동 교신저자/포스텍), 최경원(제1저자/포스텍), 이준우 박사(공동 1저자/포스텍), 최현태(포스텍), 김관우(포스텍)

1. 연구의 필요성
○ 소자의 대면적화와 유연화 등이 요구됨에 따라 유기발광다이오드, 유기 트랜지스터, 유기태양전지 등을 비롯한 유기물을 기반으로 하는 차세대 전자소자들이 많은 관심을 받았다.
○ 현재 유기 전자소자들은 엄청난 성능발전을 이루었지만 상용화에 필수적인 장기 안정성에 관한 연구는 미비한 실정이다. 특히, 전자소자 구동 중 발생하는 발열 문제는 가장 큰 걸림돌로 작용한다.
○ 하지만 유기물 소재는 낮은 열전도도를 가지는 물리적 한계 때문에 소자 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 없고 축적된 열로 인해 소재가 쉽게 변형된다. 결국 성능저하가 발생하며 소자의 수명이 단축된다.
○ 따라서 유기 전자소자의 상용화를 앞당기기 위해 낮은 구동 안정성을 근본적으로 해결할 필요가 있으며, 소자 내부의 열을 효과적으로 방출하는 시스템을 통해 이를 위한 발판을 마련할 수 있다.

2. 연구내용
○ 연구팀은 유기물 소재의 한계를 극복하고자 효과적인 방열 특성 부여를 위해 상대적으로 높은 열전도도(20~30 W m−1 K−1)를 가지는 산화알루미늄 나노입자를 유기 소재에 도입하여 복합소재를 제작했다. 복합소재의 향상된 열전도도 및 방열 특성은 열화상 카메라와 시간영역열반사법(time-domain thermoreflectance method) *을 통하여 확인하였다.
* 시간영역 열반사법 : 레이저 조사 후 온도변화에 따른 반사율을 측정하여 나노박막에서의 열물성을 분석하는 방법
○ 가열/냉각 실험의 설계 및 분석을 통해 복합소재와 기존 유기물 소재의 방열 효과에 대한 비교실험을 진행하였다. 초기에 샘플을 85 ℃로 가열하고 냉각 시 주위 온도를 20~50℃ 범위로 제어하여 다양한 온도 기울기에 따른 각 소재의 온도변화를 비교함으로써 복합소재의 빠른 냉각 속도를 확인하였다.
○ 특히, 절연체인 산화알루미늄 나노입자를 사용할지라도 구조체의 두께 및 밀도 제어를 통해 유기 소재의 전하이동도를 확보할 수 있음을 실험을 통해 입증하였고, 복합소재의 최적화를 진행하여 방열 특성은 극대화하면서 전기적 특성의 저하는 최소화했다.
○ 실제 소자에서 방열 효과를 확인하기 위해 개발된 소재를 페로브 스카이트 태양전지에 적용하였다. 구동 중 페로브스카이트 층은 가장 빠르게 온도가 상승하며, 해당 층은 고온에 취약하므로 방열 차이에 기인한 성능 비교가 가능하다. 복합소재를 도입할 경우 고온에서 페로브스카이트의 분해가 현저하게 줄어들었으며 소자의 수명이 3배 이상 향상됐다.

3. 연구성과/기대효과
○ 유기 전자소자의 안정성 연구에 대한 새로운 방향을 제시했다는 데에 학술적 의의가 높고, 향후 추가적인 연구개발(신규 방열 봉지막)을 통해 기술의 경제성을 높이는데 이바지할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 복합소재를 태양전지에 적용하였지만, 해당 재료는 발광 소자, 트랜지스터 등 다양한 유기 전자소자에도 응용할 수 있으므로 이를 바탕으로 다른 분야의 발전도 기대해 볼 수 있다.

그림 설명

 

(그림1) 유기 전자소자 내 방열 효과의 중요성 및 신규 냉각 시스템의 모식도
유기 전자소자를 구동할 때 시간이 흐른 후 소자를 구성하는 소재들의 온도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 이러한 온도 상승은 습도 및 빛보다 더 치명적으로 소재를 변형시키며, 소자의 성능저하를 일으킨다. 새롭게 개발된 복합소재는 전하이동 특성을 유지하면서 효과적으로 열 방출 경로를 형성할 수 있다.
그림 및 그림설명 제공 : 포스텍 박태호 교수

 

 

(그림2) 신규 복합소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지의 성능변화 곡선
본 연구에서 개발한 복합소재를 페로브스카이트 태양전지에 적용하였을 때, 고온 및 고습 조건에서 31일 후에도 초기성능의 90% 이상을 유지하였으며 기존 소재 대비 소자의 수명을 3배 이상 증가시켰다. 특히, 페로브스카이트 층의 분해(노란색의 PbI2로 분해)가 기존 소재 대비 현저하게 지연됨을 확인했다.
그림 및 그림설명 제공 : 포스텍 박태호 교수

 

연구 이야기

<작성 : 포스텍 박태호 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구진은 유기 전자소자의 낮은 안정성이 상용화의 가장 큰 걸림돌이라고 생각하였으며 이를 해결하는 연구에 집중하게 되었다. 특히, 선행 연구를 통해 신규 소재합성 및 소자제작을 진행하였고 안정성을 획기적으로 증가시킨 바가 있지만 적용하고자 하는 전자소자에 따라 새로운 소재를 설계해야 한다는 어려움이 있었다. 이에 본 연구팀은 다양한 유기 전자소자에 적용할 수 있는 새로운 시스템을 개발하고자 했고, 구동 중에 높아지는 소자의 온도에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 유기 전자소자의 열 안정성을 확보하고자 많은 연구가 진행됐지만, 열에 대한 내성을 증가시키거나 소재의 변형 및 분해를 최소화하는 전략이 주를 이루었다. 이러한 방법을 통해 단편적으로 열 안정성을 개선할 수는 있지만, 소자의 구동 중에 발생하는 열에 지속해서 노출될 경우 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 본 연구에서 개발된 냉각 시스템은 소자의 구동 안정성을 감소시키는 근본적인 문제를 해결할 수 있으며, 최초로 유기 전자소자 개발에 있어 방열의 중요성을 제시하고 있는 것에 의의가 있다. 특히, 방열 효과를 극대화한 신규 복합소재를 페로브스카이트 태양전지에 도입함으로써 소자의 안정성을 획기적으로 증가시킬 수 있었다. 이는 본 연구의 냉각 시스템을 실제 소자에 효과적으로 적용할 수 있다는 사실을 입증한 결과이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구에서는 개발된 복합소재를 기반으로 유기 전자소자의 짧은 동작 수명이 소자 내부에 축적되는 열과 관련 있음을 밝혔고, 이러한 열을 방출함으로써 우수한 안정성의 페로브스카이트 태양전지를 최초로 시연했다. 비록 방열 효과를 태양전지에서 관찰하였지만, 해당 결과는 모든 유기 전자소자에 적용이 가능한 핵심 기술을 보고하고 있기 때문에 열 안정성이 요구되는 분야에 다양하게 적용할 수 있다. 앞으로 이 기술의 실용화를 위해서는 방열 봉지막 소재의 개발이 추가로 필요할 것으로 예상한다. 수분 및 산소에 대한 안정성 확보를 위해서는 소자의 봉지화가 요구되지만, 기존의 소재를 이용하여 봉지를 진행할 경우 소자의 열이 오히려 축적되고 만다. 따라서 최종적으로 방열 특성을 확보할 수 있는 봉지화 기술이 유기 전자소자의 실용화를 위해서는 필수적이다.