KR101024609B1 - 근적외선 감지 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 구조의 근적외선 감지 소자에 관한 것으로, 상세하게 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 투명전극; 상기 투명전극 상부에 구비된 반도체층; 상기 반도체층과 접하여 구비되며 근적외선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광감응 나노입자; 상기 광감응 나노입자와 접하며 상기 반도체층 상부에 구비된 정공 전도층; 및 상기 정공 전도층 상부에 구비된 대전극;을 포함하며, 근적외선을 흡수하여 상기 광감응 나노입자에서 생성된 전자는 상기 반도체층과 상기 광감응 나노입자의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level) 차에 의해 상기 반도체층의 전도대로 자발적으로 이동하여 상기 투명 전극으로 이송되며, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 정공은 상기 정공 전도층을 통해 상기 대전극으로 이송되는 근적외선 감지 소자에 관한 것이다.
근적외선, 감지 소자, 광감응 나노입자, 반도체, 밴드갭, 전도성 유기물

Description

근적외선 감지 소자{Near Infrared Photo-Detector}
본 발명은 근적외선을 감지하는 신규한 구조의 근적외선 감지 소자에 관한 것이며, 단순코팅에 의해 제조되고, 대면적화, 유연성기판 집적이 가능하며, 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리시키며, 근적외선을 흡수하여 전자 및 정공 쌍을 생성하는 광감응 물질의 순도, 결함등에 의한 영향을 최소화하며 온도를 포함하는 근적외선 감지 환경에 민감하지 않은 구조의 근적외선 감지 소자에 관한 것이다.
근적외선(Near Infrared 또는 shortwave Infrared, 이하 NIR)은 같이 약 700 ~ 2000nm 파장 영역의 빛을 의미하며, 고감도(high sensitivity), 높은 분해능(high resolution), 어두운 밤에도 형상을 관찰할 수 있으며, 안개 낀 낮에도 투과성이 좋으며(Day-to-night imaging), 소자 구동을 위한 냉각이 필요 없고(no cryogenic cooling), 시스템 구성을 위하여 저가격의 일반 가시광에서 사용하는 렌즈를 그대로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
700 ~ 2000 nm 영역의 광을 감지하는 NIR 감지소자는 보안 장치, 의료 장치, 비파괴 검사 장치를 비롯한 다양한 분야에 활용되고 있으며, 종래의 실리콘 기반 가시광 감지소자와 함께 구비되어 보다 높은 감도 및 보다 넓은 감지 범위를 갖는 새로운 융합형 이미지 센서의 개발이 기대되고 있다.
NIR 감지소자는 우선 외부 인가 전압의 유무에 따라, 광전지형(photovoltaic type)과 광전도형(photoconductive type)의 소자로 나눌 수 있으며, NIR을 포함한 적외선 감지소자로 단결정 박막형 반도체를 기반한 소자가 일반적으로 사용되고 있다. 양자우물이나 양자점과 같은 양자구조를 이용한 형태(일본 공개특허 2008-187022, 일본 공개특허 2008-187003, 일본 공개특허 2008-147521, 대한민국 공개특허 2001-0054216, 대한민국 공개특허 2000-0061903, 미국 공개특허 2006-0266998, 미국 공개특허 2006-0138396 ) 또는 양자구조와 헴트(HEMT; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 형태의 소자(대한민국 공개특허 2006-0093445)가 제안 된 바 있다. 이러한 단결정 박막형 반도체를 기반으로 제조되는 감지소자는 성능이 우수한 반면 제조공정이 복잡하고 까다로우며 고진공 장비의 사용등에 의해 고가인 단점이 있다.
기능성 화학 소재를 이용한 NIR 감지소자의 연구는 광 감응 흡수체로 양자점 (Quantum Dot)과 전도성 고분자(Conductive Polymer)를 혼합하거나 광 흡수층과 고분자 전도성층의 두 물질층을 교대로 적층하는 방법(국제특허 2007/118815)이 주로 연구되고 있다. 이 방식의 소자는 NIR 영역에서의 광전변환 효율은 아직 낮다. 최근에는 용액상의 콜로이드형 나노 입자를 두 전극 사이에 직접 코팅한 방식의 감지소자에 대해서도 보고되고 있다. 그러나 이 방식은 외부에서 전압을 항상 인가하여 야 하므로 외부 전원이 필요한 단점이 있다.
본 발명의 목적은 단순코팅에 의해 제조되는 근적외선 감지소자를 제공하는 것이며, 대량생산, 대면적화, 유연성기판 집적이 용이하며, 근적외선을 흡수하여 전자 및 정공 쌍을 생성하는 광감응 물질의 순도, 결함등에 의한 영향을 최소화하며 온도를 포함하는 근적외선 감지 환경에 민감하지 않으며, 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리시키는 근적외선 감지 소자에 관한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 근적외선 감지 소자를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 투명전극; 상기 투명전극 상부에 구비된 반도체층; 상기 반도체층과 접하여 구비되며 근적외선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광감응 나노입자; 상기 광감응 나노입자와 접하며 상기 반도체층 상부에 구비된 정공 전도층; 및 상기 정공 전도층 상부에 구비된 대전극;을 포함하며, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 전자가 자발적으로 상기 반도체층으로 이송되어 상기 투명 전극으로 이송되며, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 정공은 상기 정공 전도층을 통해 상기 대전극으로 이송되는 특징이 있다.
상세하게, 근적외선을 흡수하여 상기 광감응 나노입자에서 생성된 전자는 상기 반도체층과 상기 광감응 나노입자의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level) 차에 의해 상기 반도체층의 전도대로 자발적으로 이동하여 상기 투명 전극으로 이송되는 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 일 구성도로, 도 1(a)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 투명전극(10) 상부로 전자의 이동 경로를 제공하는 반도체층(30)이 구비되며, 상기 반도체층(30)과 접하여 광감응 나노입자(40)가 구비되고, 상기 반도체층(30) 상부로 상기 광감응 나노입자(40)와 접하여 정공의 이동 경로를 제공하는 정공 전도층(50)이 구비된다.
특징적으로, 근적외선을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광전자-광정공중, 광전자는 상기 반도체층(30)과 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨 차를 구동력으로 상기 광감응 나노입자(40)에서 상기 반도체층(30)으 로 자발적으로 이동되며, 광정공은 정공 전도층(50)과 상기 광감응 나노입자(40)의 가전자대 최대 에너지 레벨 차를 구동력으로 상기 광감응 나노입자(40)에서 정공 전도층(50)으로 자발적으로 이동된다.
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 반도체층(30), 광감응 나노입자(40), 및 정공 전도층(50)의 진공 상 전자의 에너지를 기준(0)으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)이며, 도 2를 기반으로 본 발명의 광감응 나노입자(40), 반도체층(30), 및 정공 전도층(50)을 상술한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 특징적으로 상기 반도체층(30)은 상기 반도체층(30)의 밴드갭 에너지(band gap energy, Eg(SC), eV)가 상기 광감응 나노입자(40)의 밴드갭 에너지(band gap energy, Eg(PS), eV)보다 크며, 상기 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(SC), eV)이 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(PS), eV)보다 낮은 반도체층(30)인 특징이 있다.
이에 따라, 근적외선(700 내지 2000nm)을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광 전자-광 정공 쌍 중 광전자는 상기 광감응 나노입자(40에서 상기 반도체층(30)의 전도대역으로 자발적(spontaneous)으로 이동하여 상기 투명전극(10)을 통해 소자 외부로 이동하게 되며, 광 정공은 상기 광감응 나노입자(40과 접하는 정공 전도층(50)에 의해 대전극(60)으로 이동하여 외부로 이동하게 된다. 이때, 이때, 상기 정공 전도층(50) 상부에 형성된 대전극(60)은 상기 투명 전극(10)과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성할 수 있음은 물론이다.
보다 특징적으로, 상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))은 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 낮으며, 상기 반도체 입자(31)는 하기의 관계식 1을 만족한다.
(관계식 1)
0 ＜ |Ec(NP) - Ec(PS)| ＜ Eg(PS)
(상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이며, 상기 Ec(SC)는 상기 반도체층의 전도대 최소 에너지 레벨이며, 상기 Ec(PS)는 상기 광감응 나노입자의 전도대 최소 에너지 레벨이다.)
상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))이 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 낮으며, 상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))이 상기 관계식 1을 만족함에 따라, 광감응 나노입자의 순도, 결함등에 의해 생성된 금지대(밴드갭 사이의 에너지 대) 에너지 레벨을 갖는 트랩 준위(state)의 영향을 배제할 수 있으며, 열 잡음(thermal noise)을 최소화할 수 있는 특징이 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 정공 전도층(50)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(H), eV)은 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 높은 위치 즉 낮은 에너지 위치에 존재하며, 상기 정공 전도층(50)의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨(Ev(H), eV)은 상기 광감응 나노입자(40)의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨(Ev(PS), eV)보다 높은 위치 즉 낮은 에너지 위치에 존재하는 특징이 있다.
이에 따라, 근적외선(700 내지 2000nm)을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광 전자-광 정공 쌍 중 광 정공은 상기 광감응 나노입자(40)에서 상기 정공 전도층(50)로 자발적(spontaneous)으로 이동하여 정공 전도층(50) 상부에 구비된 대전극(60)을 통해 외부로 이동하게 된다.
상기 광감응 나노입자(40)는 근적외선을 흡수하여 광전자-광정공을 생성 할 수 있는 물질로 상기 광감응 나노입자(40)의 밴드갭 에너지(Eg(PS), eV)는 하기의 관계식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
(관계식 2)
0.6(eV) ≤ Eg(PS) ≤ 1.7(eV)
(상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이다.)
특징적으로, 광감응 나노입자(40)는 광감응 나노입자(40)의 크기에 의해 상기 광감응 나노입자(40)의 밴드갭 에너지(Eg(PS))가 제어되는 양자점(quantum dot)이다. 상기 광감응 나노입자가 양자점 특성을 가짐에 따라, 광감응 나노입자(40)의 입경이 줄어들수록 광감응 나노입자 밴드갭 에너지가 증가하므로, 상기 광감응 나노입자의 입도분포를 조절하여 넓은 근적외선 파장 대역에서 고르게 우수한 광전효율을 가질 수 있다.
상세하게, 상기 광감응 나노입자(40)의 평균 반경은 보어 반지름(광감응 나노입자로 사용하는 광감응 물질의 보어 반지름)보다 작으며, 상기 광감응 나노입자(40)의 입도분포는 유니모달(uni-modal), 바이모달(bi-modal) 또는 트라이모달(tri-modal)인 것이 바람직하다. 상기 광감응 나노입자(40)의 평균 입경은 1 내 지 100nm이다.
상기 투명전극(10)은 상기 반도체층(30)과 오믹 접합되는 전기전도성 투명 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 대전극(60)은 상기 정공 전도층(50)과 오믹 접합되는 금속 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
도 1(b) 및 도 1(c)는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 다른 예로, 도 1(b)는 상기 반도체층(30)이 규칙적 또는 불규칙적 표면 요철에 의해 넓은 비표면적을 가지는 경우의 일 예를 도시한 것이며, 도 1(c)는 상기 반도체층(30)이 다공성 반도체층(30)으로 열린 기공에 의해 넓은 비표면적을 가지는 경우의 일 예를 도시한 것이다. 이때, 상기 광감응 나노입자(40)는 상기 표면 요철을 갖는 반도체층(30) 표면에 접하여 구비되거나, 다공성 반도체층(30)의 열린 기공 내부 및 다공성 반도체층(30)의 표면에 접하여 구비된다.
도 1(c)에 도시한 바와 같이 상기 반도체층(30)이 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층인 경우, 상기 정공 전도층(50) 정공 전도성 유기물인 것이 바람직하며, 상기 반도체층(30)에 존재하는 기공을 채우며(filling) 상기 반도체층(30)의 상부 표면을 덮는 특징이 있다.
도 1(b)와 유사한 표면 요철을 갖는 반도체층(30) 또는 도 1(c)와 유사한 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층(30)의 구성에 의해 반도체층은 매우 큰 비표면적을 가지게 되어 광감응 나노입자(40)의 함량을 증가 시킬 수 있으며, 감도가 우수하면서 소자의 소형화가 가능한 특징이 있다.
상기 반도체층(30)의 표면 요철 및 열린 기공은 패턴을 갖는 감광물질(현상 된 PR) 또는 나노스피어(Nano sphere)를 식각 마스크(mask)로 이용한 물리/화학적 식각에 의해 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 또 다른 예로, 반도체층(30)이 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층(30)이며, 특징적으로 상기 다공성 반도체층(30)은 다수개의 반도체 입자(31)로 구성된다. 이때, 상기 반도체 입자(31)는 상기 도 2를 기반으로 상술한 반도체층(30)의 에너지 밴드 조건을 만족함은 물론이다.
상기 다공성 반도체층(30)을 구성하는 상기 반도체 입자(31)는 광감응 나노입자(40)에서 생성된 전자가 투명 전극(10)으로 잘 전달 되도록 서로 연속적으로 연결된 구조를 가지는 것이 바람직하다.
도 3(a)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 전자의 이동 경로를 제공하는 반도체 입자(31)로 구성된 다공성 반도체층(30)의 공극에 광감응입자(40)가 구비되고 정공 전도층(50)에 의해 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극이 채워진 복합감광층의 구성을 가짐에 따라 근적외선에 의한 광전자-광정공의 생성, 광전자-광정공의 분리 및 광전자-광정공의 이동이 단일한 복합감광층 내에서 수행되는 특징이 있으며, 매우 큰 비표면적의 감광 영역을 가짐과 동시에 소자의 소형화가 가능한 특징이 있다.
반도체 입자(31)사이 빈 공극에 반도체 입자(31)와 접하여 광감응 나노입자(40)가 구비되며 반도체 입자(31)의 입경이 커질수록 비표면적이 감소함에 따라, 상기 반도체 입자(31)의 평균직경은 10 내지 500nm인 것이 바람직하다.
또한 상기 반도체 입자(31)로 구성된 상기 다공성 반도체층(30)의 두께는 높은 광전효율, 원활한 광전류의 흐름 측면에서, 0.2 내지 10 ㎛가 바람직하다. 상기 다공성 반도체층(30)의 두께가 0.2㎛ 미만일때는 다공성 반도체층(30)에 형성되는 광감응 나노입자(40)의 양이 감소하여 소자의 효율이 감소하고 두께가 10㎛ 초과일때는 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광전류의 이동 거리가 길어지므로 소자의 효율이 감소할 위험이 있다.
도 3(b)는 반도체층(30)이 열린 기공구조를 갖는 다공성 반도체층인 경우, 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 또 다른예로, 상기 다공성 반도체층(30)과 상기 투명전극(10) 사이에 반도체박막(20)이 더 구비되는 일 예이다.
상기 반도체박막(20)은 상기 다공성 반도체층(30)을 구성하는 반도체 물질과 동일한 물질이며, 도 3(b)의 일 예에서는 상기 반도체 입자(31)와 동일한 반도체 물질인 특징이 있으며, 상기 반도체 박막(20)은 투명 전극(10)과 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극을 채우고 있는(filling) 정공 전도층(50)을 분리시켜 상기 정공 전도층(50)이 투명 전극(10)과 접하지 않도록 한다.
상기 정공 전도층(50)은 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극을 채움과 동시에 상기 다공성 반도체층(30) 상부를 덮도록 형성되어 도 3(a) 또는 도3(b)에 도시한 바와 같이 상기 정공 전도층(50)에 의해 상기 다공성 반도체층(30)을 구성하는 반도체 입자(31)와 대전극(60)이 서로 접하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 또 다른 일 예를 도시한 단면도로, 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 적외선 감지 소자는 절연성 투명기판(70)을 더 포함하며, 상기 투명전극(10) 하부에 절연성 투명기판(70)이 구비된다.
도 5는 도 3 또는 도4의 구조를 기반한 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 제조방법을 도시한 일 예로, 투명전극(10)이 형성된 절연성 투명기판(70) 상부로 치밀한 반도체 박막(20)을 형성하는 단계, 상기 반도체 박막(20) 상부에 반도체 입자(31)를 코팅하여 다공성 반도체층(30)을 형성하는 단계, 상기 다공성 반도체층(30)의 내부 공극에 광감응 나노입자(quantum dot, 40)를 형성하는 단계, 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극을 채우고 다공성 반도체층(30) 상부를 덮도록 정공 전도층(50)을 코팅하는 단계, 상기 정공 전도층(50) 상부에 대전극(60)을 증착하는 단계를 포함하여 제조된다.
상기 반도체 박막의 증착은 코팅 또는 물리적/화학적 증착(physical/chemical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있으며, 분무열분해(SPD, Spray Pyrolysis Deposition), 스핀코팅 (Spin coating), 바-코팅(Bar coating), 그라비아-코팅(Gravure coating), 블레이드 코팅(Blade coating), 롤-코팅(Roll coating)으로 수행되는 것이 바람직하며, 상기 반도체 입자(31)의 코팅은 반도체 입자 슬러리를 이용한 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅 (Spin coating), 바-코팅(Bar coating), 그라비아-코팅(Gravure coating), 블레이드 코팅(Blade coating), 롤-코팅(Roll coating)으로 수행되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 다공성 반도체층(30)의 다공성은 상기 반도체 입자 슬러리의 농도를 조절하여 용이하게 제어될 수 있으며, 상기 다공성 반도체층(30)의 두께는 상기 코팅의 반복 수행에 의해 용이하게 제어될 수 있다.
상기 다공성 반도체층(30)의 내부 공극에 광감응 나노입자(quantum dot, 40)를 형성하는 단계는 콜로이드형 광감응 나노입자를 상기 다공성 반도체층(30)에 도포하여 수행되거나(도 5의 colloid QD), 연속적인 화학적 반응법(도 5의 SILAR; Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, 이하 SILAR) 방법을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 반도체층(30)내에 구비되는 상기 광감응 나노입자(40)의 수는 콜로이드 형태의 광감응 나노입자의 반복 도포 또는 SILAR 방법의 반복 수행을 통해 용이하게 제어될 수 있다.
상기 정공 전도층(50)은 정공 전도성 유기물인 것이 바람직하며, 상기 정공 전도층(50)은 정공 전도성 유기물이 용해된 용액을 스핀코팅한 후 건조하여 제조되는 것이 바람직하며, 상기 대전극(60)은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있으며, 열증착(thermal evaporation)에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 근적외선 소자는 상기의 관계식 2를 만족하는 밴드갭 에너지(Eg(PS))를 갖는 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨 및 가전자대 최대 에너지 레벨을 기준으로 도 2를 기반으로 상술한 에너지 레벨 조건을 만족하는 반도체층 및 정공 전도층이 구비된다.
일 예로, 상기 광감응 나노입자(40)는 PbS, PbSe, PbTe, Cu2S, HgTe, CoS, CoSe, NiS, MoS, MoSe 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.
상기 반도체층(30)은 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.
상기 정공 전도층(50)은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPV (poly(p-phenylene vinylene)), TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine),POT( poly(octyl thiophene)), PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), CuSCN (Copper(I) thiocyanate), CuI, CuPC(Copper Phthalocyanine) 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.
상기 투명 전극(10)은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인디움 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브), 그래핀(Graphene) 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.
상기 대전극(60)은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.
특징적으로, 상기 광감응 나노입자(40)는 PbS 양자점이며, 상기 반도체 층(30)은 TiO2이며, 상기 정공 전도층(40)은 폴리(3-헥실티오펜) 또는 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌이며, 상기 투명전극(10)은 불소 함유 산화주석이며, 상기 대전극(60)은 금이다.
본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 근적외선에 의한 광전자-광정공의 생성, 광전자-광정공의 효과적인 분리 및 광전자-광정공의 이동이 단일한 층내에서 수행되는 특징이 있으며, 매우 큰 비표면적의 감광 영역을 가짐과 동시에 소자의 소형화가 가능한 특징이 있으며, 광감응 나노입자의 순도, 결함, 열등에 의한 잡음을 최소화할 수 있으며, 저온 증착 및 코팅의 매우 간단한 공정에 의해 제조 가능한 장점이 있으며, 대량생산, 대면적화, 유연성기판 집적이 용이한 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 밴드갭 에너지, 전도대, 가전도대의 에너지 레벨을 만족하는 근적외선 감광소자의 일 예로, 도 4와 유사한 구조를 가지며, PbS 양자점을 광감응 나노입자로 가지며, TiO2를 반도체박막 및 다공성 반도체층으로 가지며, 폴리(3-헥실티오펜) 또는 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌을 정공 전도층으로 가지며, 불소 함유 산화주석을 투명 전극으로 가지며, 금을 대전극으로 갖는 경우의 구체적인 제조예 및 제조된 감광 소자의 광 특 성을 상술한다.
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/sq, Pilkington, 이하 FTO 기판)을 25 x 25 mm 크기로 자른 후 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다.
부분적으로 에칭된 FTO 기판 위에 에탄올에 용해된 20 mM 디이소프로폭시티타늄비스아세틸아세토네이트(di-isopropoxy titanium bis-acetylacetonate)를 분무 열분해(spray pyrolysis deposition; SPD)하여 약 100 nm 두께의 치밀한 구조의 TiO2 박막을 제조하였다.
TiO2박막이 형성된 FTO 기판 상부에 평균 입자크기 25 nm의 TiO2 분말(데구사, P25)을 사용하여 다공성이 0.3인 페이스트를 제조한 후, 스크린 프린팅법으로 다공성 TiO2층을 제조하였다. 스크린 프린팅의 반복 횟수를 조절하여 다공성 TiO2층의 두께를 제어하였다. 도 6은 스크린 프린팅에 의해 TiO2 박막 상부에 제조된 다공성 TiO2층의 주사전자현미경 사진이다.
다공성 TiO2층에 근적외선 감응 입자인 PbS 양자점을 형성시키기 위해, PbS 양자점 콜로이드를 이용한 방법 또는 Pb 전구체와 S 전구체를 이용한 SILAR 방법을 이용하였다.
Pb 전구체와 S 전구체를 이용한 SILAR 방법을 이용한 경우, 다공성 TiO2층 내에 PbS 양자점을 형성하였다. Pb 와 S 전구체로 메탄올에 용해된 20 mM Pb(NO3)2와 20 mM Na2S를 사용하였으며, 다공성 TiO2층을 20 mM Pb(NO3)2와 20 mM Na2S 용액에 1분간 교대로 담그고, 메탄올로 세척하는 단계를 단위공정으로 하여, 단위공정의 반복 횟수를 조절하여 다공성 TiO2층 내에 형성된 PbS 양자점의 양을 제어하였다. 단위공정의 반복 횟수가 증가함에 따라 밝은 갈색에서 어두운 갈색 및 검은 색으로 색깔이 짙어졌다.
PbS 양자점 콜로이드(이하, PbS CQD)를 이용한 경우, PbO(4 mmol)과 올레익 산(oleic acid)을 페닐 에테르(phenyl ether)에 혼합하여 150 ℃에서 반응하여 제조한 Pb-올레이트(Pb-oleate)와 트리옥틸포스핀(TOP; Trioctylphosphine)에 S 분말을 첨가하여 반응시킨 TOP-S를 혼합하여 미리 고온으로 유지된 페닐 에테르 용액에 빠르게 주입하는 고온 주입법으로 열분해하여 얻은 PbS 나노입자를 분리하는 방법으로 헥산에 안정하게 분산되어 있는 PbS 양자점 콜로이드(CQD, 0.3g/50mL)를 사용하였다. 이때, PbS 양자점의 평균 크기는 약 3 nm이었다.
이 방법으로 제조된 PbS CQD 용액에 다공성 TiO2막을 함침하여 다공성 TiO2층에 PbS를 형성시켰으며, 함침 횟수를 조절하여 다공성 TiO2층 내에 형성된 PbS 양자점의 양을 제어하였다.
정공 전도성 유기물(HTM; Hole Transport Materials)로 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌(spiro-OMeTAD; 2,2',7,7'- tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine)-9,9'-spirofluorene, 이하, spiro-OMeTAD) 또는 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT; poly(3-hexylthiophene), 이하 P3HT)을 사용하였다.
Spiro-OMeTAD를 사용하는 경우, Spiro-OMeTAD가 클로로벤젠(chlorobenzene)에 180 mg/mL로 용해된 용액을 1500-2500 rpm에서 30 초 유지하는 방법으로 스핀코팅하여 PbS가 도입된 다공성 TiO2층 내부 기공을 정공 전도성 유기물로 채우고, 다공성 TiO2층 상부가 정공 전도성 유기물로 덮이도록 하였다.
P3HT를 사용하는 경우, 디클로로벤젠에 P3HT가 15mg/mL로 용해된 용액을 dichlorobenzene)를 사용하여 1500-2500 rpm에서 30 초 유지하는 방법으로 스핀코팅하여 PbS가 도입된 다공성 TiO2층 내부 기공을 정공 전도성 유기물로 채우고, 다공성 TiO2층 상부가 정공 전도성 유기물로 덮이도록 하였다.
이후, 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공증착하여 두께가 약 70 nm의 Au 전극을 제조하였다.
이하, 제조된 근적외선 감광소자는 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD, 감광소자CQD/P3HT 와 같이 PbS 양자점의 형성 방법(SILAR 방법 또는 PbS CQD)/정공 전도성 유기물의 종류(Spiro-OMeTAD 또는 P3HT)로 기재한다.
제조된 근적외선 감광소자의 광특성을 측정하고자, 근적외선 영역에서의 광원의 세기를 확보하기 위하여 1000 W의 할로겐 램프(QHE)를 사용하였으며, 분광 기(monochromator)를 이용하여 파장 별 광원을 생성하였다. 제조된 소자에 입사된 광에 의해 생성된 광전류는 DC와 AC방식으로 측정/해석되었다. 즉 멀티-미터(multi-meter, Kethley model 2001)와 듀얼 채널 고성능 옵티컬 미터(dual channel high-performance optical meter, Newport, model 2935-C)로 측정되거나, 초퍼(chopper)와 록-인 증폭기(Lock-in-Amplifier)에 의하여 측정되었다. 가시광영역과 근적외선영역 대에서 레퍼런스 감광기(reference photodetector)로 각각 Si과 InGaAs을 사용하였다.
과도 응답(Transient response) 측정을 위해, 980nm 레이저 다이오드(laser diode)를 사용하였으며, 레이저 파워 드라이버(laser power driver), 주파수 모듈레이터(frequency modulator)와 펑션 제너레이터(general function generator), 저잡음 적외선 포토다이오드(low noise IR photodiode)가 사용되었다. 오실로스코프(Oscilloscope)로부터 레이저 파워 컨트롤(laser power control), 주파수 컨트롤(frequency control)등에 대한 입력 시그널(iSCut signal)에 대한 제조된 감광소자의 출력 시그널(output signal)을 측정하였으며, 광전류의 딜레이 타임(delay time)을 측정하였다.
근적외선에 의한 전류-전압 특성을 측정하기 위해, 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)로 구성된 장비에 715 nm 컷-온(cut-on) 필터를 삽입하였다. 이 때 광원은 450W 제논 램프(Xenon lamp)를 사용하였으며 디지털 노출 제어기(digital exposure control, Newport #68945)에 의해 플럭스(flux)가 조절되었 다. 광원의 세기는 레퍼런스 Si 솔라셀(reference Si solar cell, Newport #91150)로 조정하였다.
도 7은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 흡광도를 측정한 것으로, PbS_4, PbS_5, PbS_6, PbS_7은 다공성 TiO2층을 20 mM Pb(NO3)2와 20 mM Na2S 용액에 1분간 교대로 담그고 메탄올로 세척하는 단계를 단위공정을 각각 4회, 5회, 6회 및 7회 반복하여 제조된 감광소자를 의미한다. SC-TiO2(1L)/PbS_5는 다공성 TiO2층을 형성하기 위해 1회의 스크린 프린팅이 수행되어 다공성 TiO2층이 0.77 um 두께를 가지며, 상기 단위공정이 5회 반복된 감광소자를 의미하며, SC-TiO2(3L)/PbS_5는 3회의 스크린 프린팅이 수행되어 다공성 TiO2층이 2.1 um 두께를 가지며, 상기 단위공정이 5회 반복된 감광소자를 의미한다.
도 7에서 알 수 있듯이 SILAR 방법에 의한 코팅 횟수와 다공성 TiO2층 두께가 증가함에 따라 전체적인 흡광도가 증가하였으며, 또한 830 nm 및 1200 nm에서 PbS 양자점에 의한 특징적인 피이크(peak)를 관찰할 수 있다.
도 8은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 외부 광자 효율(EQE; External quantum efficiency)을 측정한 것으로, SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수를 5번으로 고정하고, 다공성 TiO2의 두께를 0.52 ㎛(도 8의 SC-TiO2(0.5L)), 0.77 ㎛(도 8의 SC-TiO2(1L)), 1.2 ㎛(도 8의 SC-TiO2(2L)), 2.1 ㎛(도 8의 SC-TiO2(3L))로 조절한 경우이다.
PbS 양자점의 수가 일정한 상태에서 다공성 TiO2층의 두께에 관계없이 PbS에 의하여 생성된 광전 변환 효율의 절대 값은 낮지만, PbS 나노입자에 의한 흡수 파장대역과 유사하게 1000 ~ 1100 nm에서 광전 변환 효율의 급격한 증가가 있음을 알 수 있다. 따라서, 다공성 TiO2층에 도입되는 PbS의 양자점의 크기 조절에 의해 원하는 파장대역의 광전 변환 효율값을 증가 시킬 수 있음을 알 수 있으며, 다양한 크기를 갖는 PbS 양자점을 다공성 TiO2층에 도입함으로써 근적외선 영역 전반에 걸쳐 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 다공성 TiO2층 두께별 응답 시간을 측정한 것으로, SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수는 5회로 동일하며, TiO2-1L은 0.77 ㎛ 두께의 다공성 TiO2층, TiO2-2L은 1.2 ㎛ 두께의 다공성 TiO2층, TiO2-3L은 2.1 ㎛ 두께의 다공성 TiO2층을 갖는 감광소자를 의미한다.
도 9의 결과는 980 nm 레이저 다이오드를 이용하여 과도 다이나믹(transient dynamic)을 측정한 것으로, 전압(voltage) 값을 측정하였지만, 전압이 높을수록 측정된 광전자의 값이 크다는 것을 의미한다. 도 9의 결과로부터 다공성 TiO2층 두께가 1.2 ㎛에서 가장 큰 전압값, 즉 가장 큰 광전자 값을 보이고 있음을 알 수 있다. 이것은 다공성 TiO2층 두께가 1.2 ㎛로 제조한 소자의 효율이 가장 좋다는 것을 의미한다. 또한, 다공성 TiO2층의 두께가 1.2㎛인 경우, 광에 의한 응답 시 간(response time)은 약 50 ms 정도로 두께가 2.1 ㎛에서의 150 ms보다 빠름을 알 수 있다.
도 10은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 다공성 TiO2층의 두께를 2.1 ㎛(3L)로 고정하고 SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수(단위 공정 반복 횟수)에 따른 외부 광자 효율(EQE)의 변화를 측정한 것이다. PbS_3은 SILAR 방법에 의한 단위 공정이 3회 반복된 소자, PbS_4는 SILAR 방법에 의한 단위 공정이 4회 반복된 소자, PbS_5는 SILAR 방법에 의한 단위 공정이 5회 반복된 소자, PbS_6은 SILAR 방법에 의한 단위 공정이 6회 반복된 소자, PbS_7은 SILAR 방법에 의한 단위 공정이 7회 반복된 소자를 의미한다. 도 10에서 알 수 있듯이 PbS 코팅 횟수가 증가 할수록 광전 변환 효율이 증가함을 알 수 있다.
도 11은 감광소자SILAR/P3HT의 외부 광자 효율을 측정한 것으로, SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수를 5번으로 고정하고, 다공성 TiO2의 두께를 0.52 ㎛로 하여 정공 전도층으로 P3HT를 사용한 감광소자이다. 동일한 두께의 TiO2와 PbS 코팅횟수를 사용하면서 Spiro-OMeTAD로 사용한 소자의 광전 변환 효율값과 비교하면 정공 전도층으로 P3HT를 사용함으로써 약 5배 이상의 광전 변환 효율이 증가됨을 알 수 있다.
도 12는 감광소자SILAR/P3HT의 다공성 TiO2층 두께별 응답 시간을 측정한 것으로, SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수는 5회로 동일하며, TiO2(1L)-P3HT는 0.77 ㎛ 두께의 다공성 TiO2층, TiO2(2L)-P3HT는 1.2 ㎛ 두께의 다공성 TiO2층을 갖는 소 자를 의미한다. 980 nm 레이저 다이오드를 이용하여 측정된 결과이며, 정공 전도층으로 Spiro-OMeTAD 대신에 P3HT을 사용한 경우, 응답 시간(response time)이 약 4 ~ 6 ms 로서 Spiro-OMeTAD을 사용한 소자에 비해 약 5 ~ 10배 정도로 동작 속도가 빨라짐을 알 수 있다.
도 13은 감광소자SILAR/P3HT의 입력 광 세기별 출력 시그널의 크기를 도시한 것으로, 다공성 TiO2층 두께가 0.77㎛ 이며, SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수가 5회인 소자의 결과이다. 980 nm 레이저 다이오드 광원의 세기를 조절하였을 때 출력 시그널이 직선적으로 증가함을 알 수 있다. 즉 레이저 다이오드의 파워를 156, 123, 99, 70, 37, 12(mW/cm2)로 줄임에 따라 출력 시그널도 감소하며, 그 관계가 우수한 직선성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
도 14는 도 13과 동일한 감광소자를 이용하여 715 nm 컷-온 필터(cut-on filter)를 사용하여 근적외선 영역에서의 전류-전압 특성을 나타낸 것으로, 광전류 값이 uA 오더(order)임을 알 수 있다.
도 15는 PbS 콜로이드를 이용한 감광소자의 UV-가시광-NIR 흡수 스펙트럼을 도시한 것으로, MPA1, MPA3, MPA5는 각각 PbS-CQD에 1회, 3회, 5회 함침하여 제조된 소자를 의미한다.
도 15의 결과로부터 함침 횟수가 증가함에 따라 UV-가시광-NIR 흡수도가 커지는 것을 알 수 있으며, 다공성 TiO2층 TiO2 입자 표면에 부착되는 PbS의 양이 증가함을 알 수 있다. PbS CQD의 PbS 양자점 직경이 약 3 nm 정도로 매우 작아 양자 효과에 의한 흡수 파장대의 이동으로 약 1100 nm 부근에서 흡수 피이크(peak)를 가짐을 알 수 있으며, PbS가 응집되지 않고 붙어 있다는 것을 간접적으로 알 수 있다.
도 16은 도 15와 동일한 감광소자의 PbS CQD 함침 횟수별 응답 시간 특성을 측정한 것으로, 도 15와 유사하게 MPA1, MPA3, MPA5는 각각 PbS-CQD에 1회, 3회, 5회 함침하여 제조된 소자를 의미한다. 도 16에 도시한 바와 같이 PbS CQD에의 함침 횟수가 1, 3, 5회로 증가함에 따라 과도 지연 시간(transient delay time)은 약 200 ms, 약 150 ms, 약 100 ms로 조금씩 감소하였으며, 과도 라이징 시간(transient rising time)도 동일한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 과도 지연 시간은 외부 광원이 차단되었을 때 소자 내부에 생성된 전자와 전공이 재결합(recombination)과정과 외부로 이동(transport)되어 소멸되는 시간을 포함한다.
도 17은 116mW의 980 nm 레이저 다이오드 조사시 도 15와 동일한 감광소자의 전압 변화를 측정한 것으로, 도 15와 유사하게 MPA1, MPA3, MPA5는 각각 PbS-CQD에 1회, 3회, 5회 함침하여 제조된 소자를 의미한다. 함침 횟수가 1, 3, 5회로 증가함에 따라 전압이 0.1 V, 2.7 V, 4.1 V로 증가함을 알 수 있다. 이로부터 PbS CQD 함침 횟수가 증가함에 따라 다공성 TiO2층 내에 부착되는 PbS 양자점의 양이 증가하여 생성되는 광전류도 증가함을 알 수 있다.
도 18은 도 15와 동일한 감광소자의 외부 광자 효율(EQE)의 변화를 측정한 것이다. 도 15와 유사하게 MPA1, MPA3, MPA5는 각각 PbS-CQD에 1회, 3회, 5회 함침 하여 제조된 소자를 의미한다.
PbS CQD 함침 횟수가 증가함에 따라 근적외선영역에서 광전 변환 효율값이 증가함을 알 수 있다. 이는 도 17과 일치하는 결과이다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 일 구성도이며,
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 반도체 입자, 광감응 나노입자, 및 정공 전도층의 진공 상 전자의 에너지를 기준(0)으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램(energy diagram)이며
도 3은 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 다른 일 예를 도시한 단면도이며,
도 4는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 또 다른 일 예를 도시한 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,
도 6은 스크린 프린팅에 의해 TiO2 박막 상부에 제조된 다공성 TiO2층의 주사전자현미경 사진이며,
도 7은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 흡광도를 측정한 결과이며,
도 8은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 외부 광자 효율(EQE; External quantum efficiency)을 측정한 결과이며,
도 9는 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 다공성 TiO2층 두께별 응답 시간을 측정한 결과이며,
도 10은 감광소자SILAR/Spiro-OMeTAD의 SILAR 방법에 의한 PbS 코팅 횟수에 따른 외부 광자 효율(EQE)의 변화를 측정한 결과이며,
도 11은 감광소자SILAR/P3HT의 외부 광자 효율을 측정한 결과이며,
도 12는 감광소자SILAR/P3HT의 다공성 TiO2층 두께별 응답 시간을 측정한 결과이며,
도 13은 감광소자SILAR/P3HT의 입력 광 세기별 출력 시그널의 크기를 측정한 결과이며,
도 14는 도 13과 동일한 감광소자를 이용하여 715 nm 컷-온 필터(cut-on filter)를 사용하여 전류-전압 특성을 측정한 결과이며,
도 15는 감광소자CQD/P3HT의 UV-가시광-NIR 흡수 스펙트럼을 측정한 결과이며,
도 16은 감광소자CQD/P3HT의 PbS CQD 함침 횟수별 응답 시간 특성을 측정한 결과이며,
도 17은 116mW의 980 nm 레이저 다이오드 조사시 감광소자CQD/P3HT의 PbS CQD 함침 횟수별 전압 변화를 측정한 결과이며,
도 18은 감광소자CQD/P3HT의 PbS CQD 함침 횟수에 따른 외부 광자 효율(EQE)의 변화를 측정한 결과이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 투명 전극 20 : 반도체 박막
31 : 반도체 입자 30 : 다공성 반도체층
40 : 광감응 나노입자 50 : 정공 전도층
60 : 전극 70 : 투명 기판

Claims (14)

  1. 투명전극;
    상기 투명전극 상부에 구비된 반도체층;
    상기 반도체층과 접하여 구비되며 근적외선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광감응 나노입자;
    상기 광감응 나노입자와 접하며 상기 반도체층 상부에 구비된 정공 전도층; 및
    상기 정공 전도층 상부에 구비된 대전극;
    을 포함하며,
    근적외선을 흡수하여 상기 광감응 나노입자에서 생성된 전자는 상기 반도체층과 상기 광감응 나노입자의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level) 차에 의해 상기 반도체층의 전도대로 자발적으로 이동하여 상기 투명 전극으로 이송되며, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 정공은 상기 정공 전도층을 통해 상기 대전극으로 이송되는 근적외선 감지 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체층의 밴드갭 에너지(Eg)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(Eg)보다 크며, 상기 반도체층의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨은 상기 광감응 나노입자의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨보다 작은 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체층은 하기의 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
    (관계식 1)
    0 ＜ |Ec(SC) - Ec(PS)| ＜ Eg(PS)
    (상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이며, 상기 Ec(SC)는 상기 반도체층의 전도대 최소 에너지 레벨이며, 상기 Ec(PS)는 상기 광감응 나노입자의 전도대 최소 에너지 레벨이다.)
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 정공 전도층의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨은 상기 광감응 나노입자의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨보다 크며, 상기 정공 전도층의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨은 상기 광감응 나노입자의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨보다 큰 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 광감응 나노입자는 하기의 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 근 적외선 감지 소자.
    (관계식 2)
    0.6(eV) ≤ Eg(PS) ≤ 1.7(eV)
    (상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이다.)
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체층은 열린 기공구조를 갖는 다공성 반도체층이며, 상기 광감응 나노입자는 상기 기공에 구비되는 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 다공성 반도체층은 서로 접하는 다수개의 반도체 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 반도체 입자의 평균 입경은 10 내지 500nm이며, 상기 다공성 반도체층의 두께는 0.2 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 근적외선 감지 소자는 반도체박막을 더 포함하고, 상기 반도체박막은 상기 반도체 입자와 동일한 반도체 물질로 구성되며, 상기 투명전극과 상기 다공성 반도체층 사이에 상기 반도체박막이 구비된 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 정공 전도층은 정공 전도성 유기물이며, 상기 정공 전도성 유기물은 상기 다공성 반도체층에 존재하는 공극을 채우고 상기 다공성 반도체층 상부를 덮는 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 광감응 나노입자의 반경은 보어 반지름보다 작으며, 상기 광감응 나노입자의 입도분포는 유니모달(uni-modal), 바이모달(bi-modal) 및 트라이모달(tri-modal)에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 광감응 나노입자는 PbS인 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 반도체층은 TiO2이며, 상기 정공 전도층은 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT; poly(3-hexylthiophene)) 또는 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민) -9,9'-스피로플루오렌 (spiro-OMeTAD; 2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene)인 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 근적외선 감지 소자는 절연성 투명기판을 더 포함하며, 상기 투명전극 하부에 절연성 투명기판이 구비되며, 상기 투명 전극은 상기 반도체층과 오믹 접합(ohmic contact)하고, 상기 대전극은 상기 정공 전도층과 오믹 접합(ohmic contact)하는 것을 특징으로 하는 근적외선 감지 소자.
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