KR101202106B1

KR101202106B1 - 섬유 구조체를 갖는 유기 장치

Info

Publication number: KR101202106B1
Application number: KR1020077003483A
Authority: KR
Inventors: 맥스 슈테인; 스티븐 알 포레스트
Original assignee: 더 트러스티즈 오브 프린스턴 유니버시티
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2012-11-15
Also published as: EP1782486A1; CA2573498A1; MX2007000603A; KR20070042179A; CN102088061B; JP2008507133A; US20060013549A1; TWI352221B; BRPI0513125A; CN101019248B; US7194173B2; US20080025681A1; TW200617451A; WO2006019576A1; US7561772B2; AU2005275399A1; CN101019248A; JP2012124511A; AR049992A1; CN102088061A

Abstract

광활성(光活性) 섬유(fiber)뿐만 아니라 그러한 섬유를 제조하는 방법이 제공된다. 섬유는 제1전극을 포함하는 도전성 코어(core)를 갖는다. 유기층은 제1전극을 둘러싸고 그것에 전기적으로 접속된다. 투명한 제2전극은 유기층(organic layer)을 둘러싸고 그것에 전기적으로 접속된다. 블로킹층(blocking layer) 또는 평활층(smoothing layer)과 같은 다른 층이 그러한 섬유에 합체될 수 있다. 섬유는 천(cloth)으로 직조(織造)될 수 있다.

광활성 섬유, 도전성 코어, 유기층, 감광 장치, 발광 장치, 유기 EL

Description

섬유 구조체를 갖는 유기 장치{ORGANIC DEVICES HAVING A FIBER STRUCTURE}

본 발명은 일반적으로 유기 광전자(光電子) 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 섬유 구조체를 갖는 유기 광전자 장치에 관한 것이다.

유기 재료를 이용하는 광전자 장치가 여러 이유로 인하여 점점 소망되고 있다. 그러한 장치를 제조하는데 사용되는 여러 재료는 비교적 저렴하여, 광전자 장치는 무기(inorganic) 장치에 비하여 비용 이점에 대한 잠재성을 갖는다. 또한, 가요성과 같은 유기 재료의 고유 특성으로 인하여, 유기 재료는 가요성 기판상에서의 제조와 같은 특정 응용에 매우 적합하다. 유기 광전자 장치의 예는 유기 발광 장치(OLED), 유기 광(光)트랜지스터, 유기 광전지, 및 유기 광검출기를 포함한다. 유기 재료는 종래의 재료보다 성능 이점을 갖는다. 예컨대, 유기 방출층이 광을 방출하는 파장은(OLED의 경우) 적절한 도펀트(dopant)에 의해서 용이하게 조정될 수 있다.

광전자 장치는 전자기(電磁氣) 복사(radiation)를 전자적으로 생성하거나 검출하는데, 또는 주변의 전자기 복사로부터 전기를 생성하는데 재료의 광 및 전자 특성에 의존한다.

감광성 광전자 장치는 전자기 복사를 전기로 변환한다. PV(photovoltaic) 장치라고도 칭하는 태양 전지는 전력을 생성하는데 구체적으로 사용되는 감광성 광전자 장치의 일 유형이다. 태양광 이외의 광원으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있는 PV 장치는, 예컨대, 조명, 가열을 제공하기 위해서 전력 소모 부하(load)를 구동하기 위해, 또는 계산기, 라디오, 컴퓨터 또는 원격 감시 또는 통신 장비와 같은 전자 회로 또는 장치에 파워(power)를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 태양 또는 다른 광원으로부터의 직접적인 조명을 이용할 수 없는 경우 구동이 연속될 수 있도록 하기 위해서, 또는 PV 장치의 파워 출력을 특정 적용의 요건에 맞추기 위해서, 파워 생성 적용은 배터리나 다른 에너지 저장 장치의 충전을 또한 종종 포함한다. 여기에 사용되는 바와 같은 용어 "저항성 부하"는 임의의 파워 소모 또는 저장 회로, 장치, 장비 또는 시스템을 칭한다.

감광성 광전자 장치의 다른 유형은 광전도체 셀(photoconductor cell)이다. 이러한 기능에서, 신호 검출 회로는 광의 흡수로 인한 변화를 검출하기 위하여 장치의 저항을 감시한다.

감광성 광전자 장치의 다른 유형은 광검출기이다. 구동시, 광검출기는, 인가된 바이어스 전압을 가질 수 있으며 광검출기가 전자기 복사에 노출될 때 생성되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 연계하여 사용된다. 여기에 기술된 바와 같은 검출 회로는 바이어스 전압을 광검출기에 제공할 수 있고, 전자기 복사에 대한 광검출기의 전자 응답(electronic response)을 측정할 수 있다.

감광성 광전자 장치의 그러한 세 가지 부류는 아래에 규정하는 바와 같은 정류 접합(rectifying junction)이 존재하는지에 따라서 그리고 장치가 바이어스 또 는 바이어스 전압이라고 알려진 외부 인가 전압에 의해서 구동되는 지에 따라서 특정된다. 광전도체 셀은 정류 접합을 갖지 않고, 통상적으로 바이어스에 의해서 구동된다. PV 장치는 적어도 하나의 정류 접합을 갖고 바이어스 없이 구동된다. 광검출기는 적어도 하나의 정류 접합을 갖고, 통상적으로는 바이어스에 의해 구동되지만 항상 그런 것은 아니다. 일반적인 규칙으로서, 광전지는 회로, 장치 또는 장비에 파워를 제공하지만, 검출 회로를 제어하기 위한 신호나 전류, 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지는 않는다. 대조적으로, 광검출기 또는 광전도체는 검출 회로를 제어하기 위한 신호나 전류, 또는 검출 회로로부터의 정보의 출력을 제공하지만, 회로, 장치 또는 장비에 파워를 제공하지는 않는다.

통상적으로, 감광성 광전자 장치는 복수의 무기 반도체, 예컨대, 결정질, 다결정질 및 비정질 실리콘, 갈륨 비화물, 카드뮴 텔루르화물 및 기타로 구성된다. 여기서, 용어 "반도체"는 전하 캐리어가 열 또는 전자기 여기에 의해서 유도되는 경우 전기를 전도할 수 있는 재료를 나타낸다. 용어 "광전도성"은 전자기 복사 에너지가 흡수되고, 캐리어가 재료 내에서 전기 전하를 전도 즉, 이송하도록 전기 전하 캐리어의 여기 에너지로 변환되는 프로세스에 일반적으로 관련된다. 용어 "광전도체" 및 "광전도 재료"는 전기 전하 캐리어를 생성하기 위해 전자기 복사를 흡수하는 특성을 위해 선택되는 반도체 재료를 칭한다.

PV 장치는 입사하는 솔라 파워(solar power)를 전력으로 변환할 수 있는 효율에 의해 특징 지어질 수 있다. 결정질 또는 비정질 실리콘을 활용하는 장치가 상업적 적용에서 지배적이며, 일부는 23% 이상의 효율을 달성한다. 하지만, 유효 한 결정질계 장치는 특히 대(大) 표면적이 어렵고, 현저한 효율-열화 결함이 없이 큰 결정을 제조하는데 고유한 문제점으로 인하여 제조 비용이 비싸다. 다른 한편으로, 고효율 비정질 실리콘 장치는 여전히 안정도의 문제점이 있다. 현재 상업적으로 입수가능한 비정질 실리콘 전지는 4% 내지 8%의 안정화된 효율을 갖는다. 보다 최근의 노력은 경제적인 제조 비용으로 허용가능한 광전 변환 효율을 달성하기 위하여 유기 광전지의 사용에 집중되고 있다.

PV 장치는 광전류와 광전압의 최대 곱을 위해, 표준 조명 조건(즉, 1000W/m², AM1.5 분광 조명인 표준 테스트 조건)하에서 최대 전력 생성을 위해 최적화될 수 있다. 표준 조명 조건하에서의 그러한 셀의 파워 변환 효율은 다음의 세 가지 파라미터에 의존한다: (1) 제로 바이어스 하의 전류, 즉, 단락 전류 I_SC, (2) 오픈 회로 조건하에서의 광전압, 즉, 오픈 회로 전압 V_OC, 및 (3) 충전비(fill factor)인

.

PV 장치는 부하에 걸쳐 접속되고 광이 조사되는 경우 광-생성 전류를 생성한다. 무한대 부하하에서 조사될 때, PV 장치는 그것의 최대 가능 전압인, V_{오픈-회로} 또는 V_OC를 생성한다. 전기 접속이 단락된 채로 조사되면, PV 장치는 그것의 최대 가능 전류인 I_{단락-회로} 또는 I_SC를 생성한다. 파워를 생성하기 위해 실제로 사용될 때, PV 장치는 유한 저항성 부하에 접속되고, 파워 출력은 전류와 전압의 곱인 I×V에 의해 주어진다. PV 장치에 의해 생성된 최대 전체 파워는 고유적으로 I_SC×V_OC 를 초과할 수 없다. 부하 값이 최대 파워 추출을 위해서 최적화되면, 전류 및 전압은 I_max 및 V_max 값을 각각 갖는다.

PV 장치에 대한 장점의 상징은 이하와 같이 규정된

이다:

여기서, I_SC 및 V_OC는 실제 사용시 절대 동시에 얻어지지 않기 때문에,

는 항상 1보다 작다. 그럼에도 불구하고,

가 1에 근접하면, 장치는 작은 직렬 또는 내부 저항을 가져서, 최적 조건하에서 부하에 큰 비율의 I_SC와 V_OC의 곱을 전달한다. P_inc가 장치에 입사하는 파워인 경우, 장치의 파워 효율인 η_P는 이하의 식에 의해 산출될 수 있다:

적절한 에너지의 전자기 복사가 반도체 유기 재료, 예컨대, 유기 분자 결정(OMC) 재료 또는 폴리머에 입사하는 경우, 광자가 흡수되어 여기 분자 상태를 생성한다. 이는 기호로서

로 나타낸다. 여기서, S₀ 및 S₀ ^* 는 바닥 및 여기 분자 상태를 각각 나타낸다. 에너지 흡수는 π-결합일 수 있는 HOMO 에너지 레벨에 있는 바닥 상태로부터, π^*-결합일 수 있는 LUMO 에너지 레벨로의 전자의 프로모션, 또는 동등하게는, LUMO 에너지 레벨로부터 HOMO 에너지 레벨로의 홀의 프로모션과 관련이 있다. 유기 박막 광도전체에서, 생성된 분자 상태는 일반적으로 여기자(exciton)가 되는 것으로, 즉, 준입자(quasi-particle)로서 이송되는 속박 상태의 전자-홀 쌍이 되는 것으로 간주된다. 여기자는 다른 쌍으로부터의 홀 또는 전자와의 재결합과 달리, 원래의 전자 및 홀이 재결합하는 프로세스를 칭하는 제짝 재결합 이전에 적절한 수명을 가질 수 있다. 광전류를 생성하기 위해서, 전자-홀 쌍은 통상적으로 두 개의 상이한 접촉 유기 박막 사이의 도너-어셉터 계면에서 분리된다. 전하가 분리하지 않으면, 칭(quenching)이라고도 알려진 제짝 재결합 프로세스에서 입사광보다 낮은 에너지의 발광에 의해 복사적으로 또는 열의 생성에 의해 비-복사적으로 재결합할 수 있다. 그러한 결과의 어느 것도 감광성 광전자 장치에서는 바람직하지 않다.

컨택(contact)에서의 불균등성이나 전계는 여기자가 도너-어셉터 계면에서 해리하기보다 켄칭(Quenching)하도록 야기할 수 있어서, 전류에 대한 네트(net) 기여가 초래되지 않는다. 따라서, 광생성된 여기자를 컨택으로부터 멀리하여 유지하는 것이 바람직하다. 이는 접합 근처 영역으로의 여기자의 확산을 제한하는 효과를 가져서, 관련 전계는 접합 근처의 연기자의 해리에 의해 자유롭게 된 전하 캐리어를 분리하는 기회가 증가한다.

실질적인 용적을 점유하는 내부 생성 전계를 생성하기 위해서, 통상적인 방법은 특히 분자 양자 에너지 상태의 분포에 대하여 적절히 선택된 전도 특성을 갖는 재료의 두 층을 병치(竝置)하는 것이다. 두 재료의 계면은 광전 이형 접합이라 칭한다. 통상적인 반도체 이론에서, PV 이형 접합을 형성하기 위한 재료는 일반적 으로 n형 또는 p형으로 이루어진 것으로 나타내져 왔다. 여기에서, n형은 주요 캐리어 유형이 전자인 것을 나타낸다. 이는 비교적으로 자유 에너지 상태에 있는 여러 전자를 갖는 재료로 볼 수 있다. p형은 주요 캐리어 유형이 홀인 것을 나타낸다. 그러한 재료는 비교적 자유 에너지 상태에 있는 여러 홀을 갖는다. 백그라운드의 유형, 즉, 광-생성되지 않은 주요 캐리어 농도는 우선적으로 결함 또는 불순물에 의한 비의도적인 도핑에 의존한다. 불순물의 유형 및 농도는 HOMO-LUMO 갭이라 칭하는, 최고 점유 분자 궤도(HOMO) 에너지 레벨과 최저 비-점유 분자 궤도(LUMO) 에너지 레벨 사이의 겝 내에서 페르미 에너지의 값, 또는 레벨을 결정한다. 페르미 에너지는 점유 가능성이 1/2과 같은 에너지의 값에 의해 나타낸 분자 양자 에너지 상태의 통계적 점유를 특정한다. LUMO 에너지 레벨 근처의 페르미 에너지는 전자가 지배적인 캐리어임을 지시한다. HOMO 에너지 레벨 근처의 페르미 에너지는 홀이 지배적인 캐리어임을 지시한다. 따라서, 페르미 에너지는 통상적인 반도체의 주요 특징적 특성이며, 원형 PV 이형 접합은 통상적으로 p-n계면이었다.

용어 "정류하는"은 특히 계면이 비대칭적 전도 특성, 즉, 계면이 일 방향으로의 전기 전하 이송을 지지한다는 것을 나타낸다. 정류는 적절하게 선택된 재료 사이에서 발생하는 빌트-인 전계와 통상적으로 관련된다.

여기에 사용되는 바와 같이, 그리고 당업자에 의해 일반적으로 이해될 수 있는 바와 같이, "최고 점유 분자 궤도"(HOMO) 또는 "최저 비-점유 분자 궤도"(LUMO) 에너지 레벨은, 제 1 에너지 레벨이 진공 에너지 레벨에 근접한 경우에, 제 2 HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨보다 크거나 높다. 이온화 전위(IP)가 진공 에너지 레벨에 대한 네거티브 에너지로서 측정되기 때문에, 높은 HOMO 에너지 레벨은 작은 절대 값을 갖는 IP(덜 네거티브한 IP)에 대응한다. 유사하게, 높은 LUMO 에너지 레벨은 작은 절대 값을 갖는 전자 친화도(EA)(덜 네커티브한 EA)에 대응한다. 상부에 진공 레벨을 갖는 통상적인 에너지 레벨 다이어그램에서, 재료의 LUMO 에너지 레벨은 동일한 재료의 HOMO 에너지 레벨보다 높다. "높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨은 "낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 레벨보다 그러한 다이어그램의 상부에 더 근접해보인다.

유기 재료의 컨텍스트(context)에서, "도너" 및 "어셉터"는 두 가지의 접촉하지만 상이한 유기 재료의 HOMO 및 LUMO 에너지 레벨의 상대적인 위치를 칭한다. 이는 무기 컨텍스트에서의 이들 용어의 사용과는 대조적이며, "도너" 및 "어셉터"는 무기 n형 또는 p형 층을 생성하는데 각각 사용될 수 있는 도펀트의 유형을 칭할 수 있다. 유기 컨텍스트에서, 다른 재료와 접촉하고 있는 일 재료의 LUMO 에너지 레벨이 낮으면, 그 재료는 어셉터이다. 그렇지 않은 경우 도너이다. 외부 바이어스의 부재에서, 도너-어셉터 접합에서의 전자는 어셉터 재료 내로 이동하고, 홀은 도너 재료 내로 이동하는 것이 에너지적으로 바람직하다.

유기 반도체에서의 현저한 특성은 캐리어 이동도이다. 이동도는 전하 캐리어가 전계에 응하여 도전 재료를 통하여 이동할 수 있는 용이성을 측정한다. 유기 감광 장치의 컨텍스트에서, 높은 전자 이동도에 기인하여 전자에 의해 우선적으로 전도하는 재료를 포함하는 층은 전자 이송층 또는 ETL이라 칭할 수 있다. 높은 홀 이동도에 기인하여 홀에 의해 우선적으로 전도하는 재료를 포함하는 층은 홀 이송 층 또는 HTL이라 칭할 수 있다. 필수적이지는 않으나 바람직하게는, 어셉터 재료는 ETL이며, 도너 재료는 HTL이다.

종래의 무기 반도체 PV 셀은 내부 필드를 확립하기 위해 p-n 접합을 채용한다. 문헌[Tang et al., Appl . Phys Lett . 48, 183(1986)]에 보고된 것과 같은 초기의 유기 박막 셀은 종래의 무기 PV 셀에서 채용된 것과 유사한 이형접합을 포함한다. 하지만, p-n 타입 접합의 확립에 추가하여 이형접합의 에너지 레벨 오프셋 또한 중요 역할을 한다는 것이 현재 인식된다.

유기 D-A 이형접합에서의 에너지 레벨 오프셋은 유기 재료에서의 광생성 프로세스의 기본적인 특성으로 인하여 유기 PV 장치의 구동에 중요한 것으로 간주된다. 유기 재료의 광 여기시, 국부적인 프렌켈(Frenkel) 또는 전하-이송 여기자가 생성된다. 전기 검출 또는 발생할 전류 생성을 위해서, 속박 여기자는 그것을 구성하는 전자 및 홀로 해리해야 한다. 그러한 프로세스는 빌트-인 전계에 의해서 유도될 수 있지만, 통상적으로 유기 장치에서 발견되는 전계에서의 효율은 낮다(F～10⁶ V/cm). 유기 재료 내에서의 대부분의 효율적인 여기자 해리는 도너-어셉터(D-A) 계면에서 일어난다. 그러한 계면에서, 낮은 이온화 전위를 갖는 도너 재료는 높은 전자 친화도를 갖는 어셉터 재료와 이형접합을 형성한다. 도너 및 어셉터 재료의 에너지 레벨의 정렬에 따라서, 여기자의 해리는 그러한 계면에서 에너지적으로 바람직하게 되어서, 어셉터 재료에서의 자유 전자 폴라론(polaron)과 도너 재료에서의 자유 홀 폴라론을 유도할 것이다.

유기 PV 셀은 통상적인 실리콘계 장치와 비교하여 여러 잠재적인 이점을 갖는다. 유기 PV 셀은 가볍고, 재료 이용이 경제적이며, 가요성 플라스틱 호일과 같은 저비용 기판에 적층될 수 있다. 하지만, 일부 유기 PV 장치는 통상적으로 약 1% 이하인 비교적 낮은 외부 양자 효율을 갖는다. 부분적으로, 이는 진성 광전도 프로세스의 2차 특성에 기인된 것으로 생각된다. 즉, 캐리어 생성은 여기자 생성, 확산 및 이온화 또는 수집을 필요로 한다. 이들 프로세스의 각각과 관련된 효율 η이 존재한다. 약어가 다음과 같이 사용될 수 있다: 파워 효율에는 P, 외부 양자 효율에는 EXT, 확산에는 ED, 수집에는 CC, 내부 양자 효율에는 INT. 이하의 표현을 사용한다:

여기자의 확산 길이(L_D)는 통상적으로 광 흡수 길이(～500Å)보다 훨씬 작아서(L_D～50Å), 두꺼운, 그리하여 복수의 또는 높게 폴딩된 계면을 갖는 셀의 이용과, 낮은 광학적 흡수 효율을 갖는 얇은 셀 사이의 트레이드 오프(trade off)를 필요로 한다.

통상적으로, 광이 흡수되어 유기 박막에 여기자를 형성하는 경우, 싱글릿(singlet) 여기자가 형성된다. 시스템간 교차의 메커니즘에 의해서, 싱글릿 여기자는 트리플릿(triplet) 여기자로 붕괴한다. 이러한 프로세스에서, 에너지는 손실되고, 이는 장치에서의 저 효율을 이끈다. 시스템간 교차로부터의 에너지 손실 이 없다면, 트리플릿 여기자가 싱글릿 여기자보다 수명이 길며 그리하여, 긴 확산 길이를 갖기 때문에 트리플릿 여기자를 생성하는 재료를 사용하는 것이 소망된다.

발명의 개요

광활성(光活性) 섬유(fiber)뿐만 아니라 그러한 섬유를 제조하는 방법이 제공된다. 섬유는 제1전극을 포함하는 도전성 코어(core)를 갖는다. 유기층은 제1전극을 둘러싸고 그것에 전기적으로 접속된다. 투명한 제2전극은 유기층(organic layer)을 둘러싸고 그것에 전기적으로 접속된다. 블로킹층(blocking layer) 또는 평활층(smoothing layer)과 같은 다른 층이 그러한 섬유에 합체될 수 있다. 섬유는 직물(cloth)로 직조(織造)될 수 있다.

도 1은 애노드(anode), 애노드 평활층, 도너층(donor layer), 어셉터층(acceptor layer), 블로킹층 및 캐소드(cathode)를 포함하는 유기 PV 장치를 도시하는 도면.

도 2는 광활성 섬유를 도시하는 도면.

도 3은 블로킹층을 포함하는 광활성 섬유를 도시하는 도면.

도 4는 유기 발광 장치를 도시하는 도면.

섬유 구조체를 갖는 유기 광전자(光電子) 장치가 제공된다. 유기 감광 장치와 유기 발광 장치를 포함하는 각종 유형의 유기 광전자 장치가 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예는 애노드, 캐소드, 및 그러한 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 그것들에 전기적으로 접속되는 유기층을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예의 유기 감광 장치는 예컨대, 입사 전자기 복사(electromagnetic radiation)로부터 가용 전류를 생성하기 위해 사용되거나(예컨대, PV 장치), 입사 전자기 복사를 검출하는데 사용될 수 있다. "광활성 영역"은 전류를 생성하기 위해 해리(解離)할 수 있는 여기자(exciton)를 생성하기 위해서 전자기 복사를 흡수하는 감광(感光) 장치의 부위이다. 유기 감광성 광전자 장치는 입사 복사가 장치에 의해서 흡수되게 허용하는 적어도 하나의 투명 전극을 포함할 수 있다. 몇몇 PV 장치 재료 및 구성은 미국 특허 제6,657,378호, 제6,580,027호 및 제6,352,777호에 개시되며, 그 전체가 여기에 참고자료로 포함된다.

도 1은 유기 감광성 광전자 장치(100)를 도시한다. 도면은 축척(scale)에 따라 도시될 필요는 없다. 장치(100)는 기판(110), 애노드(115), 애노드 평활층(120), 도너층(125), 어셉터층(130), 블로킹층(135), 및 캐소드(140)를 포함한다. 캐소드(140)는 제 1 도전층과 제 2 도전층을 갖는 복합 캐소드일 수 있다. 장치(100)는 상기 층들을 순서대로 적층하여 제조될 수 있다. 전하 분리(charge separation)는 도너층(125)과 어셉터층(130) 사이의 유기 이형 접합(heterojunction)에서 주로 발생할 수 있다. 이형 접합에서의 빌트-인 전위는 이형 접합을 형성하도록 접촉하는 두 재료 사이의 HOMO-LUMO 에너지 레벨에 의해서 결정된다. 도너 재료와 어셉터 재료 사이의 HOMO-LUMO 갭 오프셋(gap offset)은 도너/어셉터 계면에서 전계(電界)를 생성하고, 이는 계면(界面)의 여기자 확산 길이 내에서 생성되는 여기자에 대한 전하 분리를 촉진한다.

OLED는 장치에 걸쳐 전압이 인가될 때 광을 방출하는 유기 박막을 이용한다. OLED는 플랫 패널 디스플레이(flat panel display), 조명(illumination) 및 백라이팅(backlighting)과 같은 적용에 사용하기 이한 기술로서 점차 관심을 끌고 있다. 몇몇 OLED 재료 및 구성은 미국 특허 제5,844,363호, 제6,303,238호 및 제5,707,745호에 개시되며, 그 전체가 여기에 참고자료로 포함된다.

일반적으로, OLED는 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 그것들에 전기적으로 접속되는 적어도 하나의 유기층을 포함한다. 전류가 인가되면, 유기층에 애노드는 홀(hole)을 그리고 캐소드는 전자를 주입한다. 주입된 홀 및 전자는 반대로 대전된 전극을 향하여 각각 이동한다. 전자 및 홀이 동일한 분자에 모이면, 여기 에너지 상태를 갖는 국부적인 전자-홀 쌍인 "여기자"가 형성된다. 여기자가 발광 메커니즘을 통하여 이완(弛緩)될 때, 광이 방출된다. 일부 경우에, 여기자는 엑시머(eximer) 또는 엑시플렉스(exciplex)에 모일 수도 있다. 열적 이완과 같은 비-복사(non-radiative) 메커니즘이 일어날 수도 있지만, 일반적으로는 바람직하지 않은 것으로 간주된다.

도 4는 유기 발광 장치(400)를 도시한다. 도면은 축척에 따라 도시될 필요는 없다. 장치(400)는 기판(410), 애노드(415), 홀 주입층(420), 홀 이송층(425), 전자 블로킹층(430), 방출층(435), 홀 블로킹층(440), 전자 이송층(445), 전자 주입층(450), 보호층(455), 및 캐소드(460)를 포함할 수 있다. 캐소드(460)는 제 1 도전층(462)과 제 2 도전층(464)을 갖는 복합 캐소드이다. 장치(400)는 상기 층들을 순서대로 적층하여 제조될 수 있다.

도 1 및 도 4에 도시된 층의 특정 구성 및 배열은 예시적인 것이며, 한정되도록 의도된 것은 아니다. 예컨대, 일부 층(예컨대, 블로킹층)은 생략될 수도 있다. 다른 층(예컨대, 반사층 및/또는 비-반사층)이 부가될 수도 있다. 감광 장치의 경우, 부가적인 어셉터층 및 도너층이 사용될 수 있거나(즉, 텐덤 셀(tandem cell)), 별도의 유기 어셉터층 및 도너층을 갖지 않는 다른 유형의 유기 감광 장치가 사용될 수 있다. 전자 및/또는 홀 이송층이 없는 OLED와 같은 다른 유형의 OLED가 사용될 수 있다. 층의 순서는 변경될 수 있다. 여기에 구체적으로 기술한 것 이외의 배열이 사용될 수 있다. 당업자는, 본 개시 내용의 이점에 의해, 각종 유기 장치 구성을 섬유 구조체에 적용할 수 있을 것이다.

여기에 기술된 특정 재료 및 구조는 예시적이며, 다른 재료 및 구조가 사용될 수 있다. 기능 장치는 다른 방식으로 기술되는 각종 층을 조합하여 달성될 수 있거나, 층은 디자인, 성능 및 비용 인자에 기초하여 전체적으로 생략될 수 있다. 여기에 구체적으로 기술하지 않은 다른 층들이 포함될 수 있다. 여기에 구체적으로 기술한 것 이외의 재료가 사용될 수 있다. 여기에 제공된 여러 예들이 단일 재료를 포함하는 각종 층을 기술할지라도, 호스트(host) 및 도펀트(dopant)의 혼합과 같은 재료의 조합 또는 더욱 일반적인 혼합물이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 층은 각종 서브층(sublayer)을 가질 수 있다. 여기에서 각종 층에 주어진 명칭은 엄격히 한정적이도록 의도된 것은 아니다. 예컨대, OLED에서, 전자 블로킹층은 홀 이송층으로서 기능할 수 있다. 일 실시예에서, OLED 또는 감광 장치는 캐소드와 애노드 사이에 배치된 "유기층"을 갖는 것으로서 기술될 수 있다. 이러한 유기층은 단일 층을 포함하거나, 예컨대, 도 1 및 2와 관련하여 기술한 것과 같이 상이한 유기 재료의 복수의 층을 더 포함할 수 있다.

미국 특허 제5,247,190호(Friend et al.)에 개시된 것과 같은 폴리머 재료로 이루어진 OLED(PLED)와 같이 구체적으로 기술하지 않은 구조 및 재료가 사용될 수 있으며, 상기 특허는 그 전체가 참고자료로 여기에 포함된다. 추가의 예로서, 단일 유기층을 갖는 OLED가 사용될 수 있다. OLED는 예컨대, 미국 특허 제5,707,745호(Forrest et al.)에 기술된 것과 같이 적층될 수 있으며, 그 전체가 참고자료로 여기에 포함된다. 장치 구조는 도 1 및 4에 도시된 단순한 층 구조로부터 변경될 수 있다. 예컨대, 기판은 미국 특허 제6,091,195호(Forrest et al.)에 기술된 것과 같은 메사(mesa) 구조 및/또는 미국 특허 제5,834,893호(Bulovic et al.)에 개시된 것과 같은 피트(pit) 구조와 같이 아웃-커플링(out-coupling)을 향상시키기 위하여 각진 반사면(angled reflective surface)을 포함할 수 있으며, 상기 특허는 그 전체가 참고자료로 여기에 포함된다.

기판은 희망하는 구조적 특성을 제공하는 임의의 적합한 기판일 수 있다. 기판은 가요적이거나 강성적일 수 있다. 기판은 투명하거나, 반투명하거나, 불투명할 수 있다. 플라스틱 및 글라스는 바람직한 강성 기판 재료의 예이다. 플라스틱 및 금속 호일은 바람직한 가요성 기판 재료의 예이다. 기판의 재료 및 두께는 희망하는 구조 및 광학 특성을 얻기 위하여 선택될 수 있다.

여기에 참고자료로 포함되는 미국 특허 제6,352,777호는 광전자 장치에 사용될 수 있는 전극 또는 콘택(contact)의 예를 제공한다. 여기에 사용되는 용어인 "전극" 및 "콘택"은 광-생성 전류(photo-generated current)를 외부 회로에 전달하거나 장치에 바이어스 전압(bias voltage)을 제공하기 위한 매체(medium)를 제공하는 층을 칭한다. 전극 또는 콘택은 유기 감광성 광전자 장치의 광활성 영역과, 외부 회로에/외부 회로로부터 전하 캐리어를 이송하기 위한 와이어, 리드, 트레이스 또는 다른 수단 사이의 계면을 제공한다. 감광성 광전자 장치에서, 장치 외부로부터의 최대량의 주위 전자기 복사가 광전도적으로 활성인 내부 영역으로 들어가도록 허용할 수 있는 것이 소망된다. 광전도층에 도달한 전자기 복사는 광전도 흡수에 의해서 전기로 변환될 수 있다. 이는 적어도 하나의 전기 콘택이 입사하는 전자기 복사를 최소로 흡수하고 최소로 반사해야 하는 것을 종종 의미한다. 바람직하게는, 그러한 콘택은 실질적으로 투명하다. 대향 전극은 흡수되지 않고 셀을 통과한 광이 셀을 통하여 다시 반사되도록 반사 재료로 이루어질 수 있다. 여기에 사용되는 바와 같이, 재료의 하나의 층 또는 순서적인 상이한 재료의 몇몇 층은 상응 파장의 주위 전자기 복사의 적어도 50%가 그러한 층 또는 층들을 통하여 투과되게 허용할 때, "투명하다"고 말한다. 유사하게, 상응 파장의 주위 전자기 복사의 일부인 50% 미만의 투과를 허용하는 층은 "반-투명하다"고 말한다.

여기에 사용되는 바와 같이, "탑(top)"은 기판으로부터 가장 떨어진 것을 의미하며, "바텀(bottom)"은 기판에 가장 근접한 것을 의미한다. 예컨대, 두 전극을 갖는 장치의 경우, 바텀 전극은 기판에 가장 근접한 전극이며, 일반적으로 제조된 제1전극이다. 바텀 전극은 두 면을 갖고, 바텀면(bottom surface)이 기판에 가장 근접하고, 탑면(top surface)이 기판으로부터 더 멀리 있다. 제 1 층이 제 2 층 "위에 배치된다"고 기술될 때, 제 1 층은 기판으로부터 더 멀리 배치된다. 제 1 층이 제 2 층과 "물리적으로 접촉된다"고 특정하지 않는 한, 제1전극과 제2전극 사이에 다른 층들이 존재할 수 있다. 예컨대, 각종 유기층이 사이에 존재할 수 있을지라도, 캐소드는 애노드 "위에 배치된다"고 기술될 수 있다. 동축(coaxial) 장치 또는 다른 비-평면 구성의 컨텍스트에서, "위에 배치된다"는 코어 또는 기판으로 역할하는 구조체의 일부 즉, 구조체의 나머지가 위에 형성되는 구조체의 일부로부터 더 배치되는 것을 의미한다.

전극은 바람직하게는 금속 또는 "금속 대체물"로 이루어진다. 여기에 사용된 "금속"은 원소적으로 순수한 금속 예컨대, Mg로 이루어진 재료와, 2 이상의 원소적으로 순수한 금속 예컨대, Mg 및 Ag로 함께 이루어지고, Mg:Ag로 나타내는 재료인 금속 합금을 모두 포함하도록 사용된다. 용어 "금속 대체물"은 통상의 정의 내에 있는 금속이 아니지만, 특정의 적절한 적용에서 소망되는 금속과 같은 특성을 갖는 재료를 칭한다. 전극 및 전하 이송층을 위하여 공통적으로 사용된 금속 대체물은 도프드 광폭-밴드갭 반도체(doped wide-bandgap semiconductor), 예컨대, 인듐 주석 산화물(ITO), 갈륨 인듐 주석 산화물(GITO), 및 아연 인듐 주석 산화물(ZITO)과 같은 투명 도전 산화물을 포함할 수 있다. 특히, ITO는 약 3900Å보다 큰 파장에 투명성을 부여하는 약 3.2eV의 광밴드갭(optical bandgap)을 갖는 고(高) 도프드 디제너레이트(degenerate) n+ 반도체이다. 다른 적합한 금속 대체물은 투명한 도전성 폴리머 폴리아날린(polyanaline)(PANI)과 그것의 화학적 관련물이다. 금속 대체물은 광범위의 비(非)-금속 재료로부터 추가로 선택될 수 있으며, 여기서 용어 "비-금속"은 만일 재료에 화학적으로 비-결합된 형태로 있는 금속이 없다면, 광범위의 재료를 포함하는 것을 의미한다. 금속이 화학적으로 비-결합된 형태로, 단독으로 또는 1 이상의 다른 금속과 합금으로서 조합하여 존재한다면, 금속은 금속 형태로 존재하거나 "자유 금속(free metal)"으로서 존재하는 것으로서 다르게 칭할 수 있다. 그리하여, 본 발명의 금속 대체 전극은 "금속-프리(metal-free)"인 것으로서 때때로 칭할 수 있으며, 여기서, 용어 "금속-프리"는 화학적으로 비-결합된 형태의 금속이 없는 재료를 포함하는 것을 표현적으로 의미한다. 자유 금속은 통상적으로 금속 격자를 통하여 전자 전도 밴드를 자유롭게 이동하는 다량의 원자가 전자(valence electron)로부터 기인하는 금속 결합의 형태를 갖는다. 금속 대체물이 금속 성분들을 포함할 수 있을지라도, 그것들은 몇몇 베이스에서 "비-금속"이다. 그것들은 순수한 자유-금속 또는 자유-금속의 합금이 아니다. 금속이 금속 형태로 존재할 때, 전자 전도 밴드는 다른 금속 특성 중에서 광학적 복사를 위한 고(高) 반사율뿐만 아니라 고(高) 전도성을 제공하는 경향이 있다.

본 발명의 실시예는, 광전자 장치의 1 이상의 투명한 전극으로서, 미국 특허 제 6,420,031호(Parthasarathy et al.,"Parathasarathy '031")에 개시된 것과 같은 고 투명적이며, 비-금속성이며, 저 저항성의 캐소드, 또는 미국 특허 제5,703,436호(Forerest et al., "Forerest '436")에 개시된 것과 같은 저 저항성 금속/비-금속 화합물 전극을 포함할 수 있으며, 상기 특허들은 그 전체가 참고자료로서 여기에 포함된다. 각 유형의 캐소드는 고 투명성, 비-금속성, 저 저항성 캐소드를 형성하기 위하여, ITO층을 구리 파탈로시아닌(pathalocyanine)(CuPc)과 같은 유기 재료에, 또는 고 효율적인, 저 저항성 금속/비-금속 화합물 캐소드를 형성하기 위하여 얇은 Mg:Ag층에 스퍼터 증착하는 단계를 포함하는 제조 공정에서 바람직하게 준비된다.

여기에서, 용어 "캐소드"는 이하의 방식으로 사용된다. 비-적층 PV 장치, 또는 주위 복사하에 있으며 저항 부하와 접속되고 외부에서 전압이 인가되지 않는 적층 PV 장치의 단일 유닛, 예컨대 하나의 PV 장치에서, 전자는 광전도 재료로부터 캐소드로 이동한다. OLED에서, 전자는 캐소드로부터 장치 내로 주입된다. 유사하게, 용어 "애노드"는 조명하의 PV 장치에서 광도전 재료로부터 애노드로 홀이 이동하도록 사용되며, 이는 반대 방식으로 전자가 이동하는 것과 등가적이다. 여기에 사용되는 용어와 같이 애노드 및 캐소드는 전극 또는 전하 이송층임을 유념해야 한다.

유기 감광 장치는 광이 흡수되어 여기 상태, 또는 전자와 홀로 해리될 수 있는 "여기자"를 형성하는 적어도 하나의 광활성 영역을 포함할 것이다. 여기자의 해리는 어셉터층과 도너층의 병치(竝置)에 의해 형성되는 이형접합에서 통상적으로 발생한다. 예컨대, 도 1의 장치에서, "광활성 영역"은 도너층(125) 및 어셉터층(130)을 포함할 수 있다.

어셉터 재료는 예컨대, 페릴렌(perylene), 나프탈렌, 풀러렌(fullerene) 또는 나노튜브(nanotubule)로 이루어질 수 있다. 어셉터 재료의 예는 3,4,9,10-페리렌테트라카르복실 비스-벤지미다졸(PTCBI)이 있다. 다르게는, 어셉터층은 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허 제6,580,027호에 개시된 풀러렌 재료로 이루어질 수 있다. 어셉터층에 인접하여, 유기 도너 타입 재료의 층이 위치한다. 어셉터층과 도너층의 경계는 내부적으로 생성되는 전계를 생성하는 이형접합을 형성한다. 도너층의 재료는 프탈로시아닌 또는 포르피린, 또는 구리 프탈로시아닌(CuPc)과 같은 그것의 유도체 또는 전이 금속 복합체일 수 있다. 다른 적합한 어셉터 및 도너 재료가 사용될 수 있다.

광활성 영역에의 유기금속 재료의 이용을 통하여, 그러한 재료를 포함하는 감광 장치가 트리플릿(triplet) 여기자를 효율적으로 이용할 수 있다. 싱글릿(singlet)-트리플릿(triplet) 혼합은 유기금속 화합물에서 더욱 강할 수 있으며, 흡수는 싱글릿 바닥 상태로부터 트리플릿 여기 상태로의 직접적인 여기를 수반하는 것으로 여겨지며, 싱글릿 여기 상태로부터 트리플릿 여기 상태로의 변환과 관련된 손실을 없앤다. 트리플릿 여기자가 더욱 긴 간격을 확산하여 장치 효율의 희생 없이 도너-어셉터 이형접합에 도달하는 바와 같이, 싱글릿 여기자에 비하여 트리플릿 여기자의 더 긴 수명 및 확산 길이는 두꺼운 광활성 영역의 이용을 허용할 수 있다. 유기금속 이외의 재료가 또한 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 미국특허 제6,097,147호(Peumans et al.), Applied Physics Letters 2000, 76, 2650-52, 및 1999년 11월 26일 출원되어 계류중인 출원 일련번호 09/449,801호에 개시된 바와 같이, 감광 장치의 적층 유기층은 1 이상의 여기자 블로킹층(EBL)을 포함하며, 상기 문헌은 여기에 그 전체가 참조자료로 포함된다. PV 장치에서, 높은 내부 및 외부 양자 효율은 광생성 여기자를 해리 계면 근방에 한정하고, 감광성 유기/전극 계면에서의 기생 여기자 켄칭(quenching)을 방지하기 위하여 EBL의 포함함으로써 달성된다. 여기자가 확산할 수 있는 체적을 제한하는 것에 추가하여, EBL은 전극의 증착 동안에 도입되는 물질에 대한 확산 장벽으로서 또한 작용할 수 있다. 일부 환경에서, EBL은 유기 PV 장치가 비-기능화되게 할 수 있는 쇼트 결함(short defect) 또는 핀홀(pinhole)을 충전하는데 충분히 두껍게 만들어질 수 있다. 그리하여, EBL은 전극이 유기 재료 위에 증착될 때 생성되는 손상으로부터 취성 유기층을 보호하는 것을 도울 수 있다.

EBL은 여기자가 블로킹되는 인접 유기 반도체의 에너지 갭보다 실질적으로 큰 LUMO-HOMO 에너지 갭을 가짐으로써 자신의 여기자 블로킹 특성을 유도하는 것으로 간주된다. 그리하여, 한정된 여기자가 에너지 고려로 인하여 EBL에 존재하는 것이 방지된다. EBL이 여기자를 블로킹하는 것이 바람직하지만, EBL이 모든 전하를 블로킹하는 것은 바람직하지 않다. 하지만, 인접 에너지 레벨의 특성으로 인하여, EBL은 일 부호의 전하 캐리어를 블로킹할 수 있다. 디자인에 의해, EBL은 두 개의 다른 층 사이, 통상적으로는 유기 감광 반도체층과 전극 또는 전하 이송층 사이에 존재할 수 있다. 인접하는 전극 또는 전하 이송층은 컨택스트상 캐소트 또는 애노드일 수 있다. 따라서, 장치 내의 해당 위치에 있는 EBL의 재료는 소망하는 부호의 캐리어가 전극 또는 전하 이송층으로의 그것의 이송에서 방해되지 않도록 선택될 것이다. 적절한 에너지 레벨 정렬은 전하 이송에 대한 장벽이 존재하지 않는 것을 보장하여, 직렬 저항의 증가를 방지한다. 예컨대, 캐소드측 EBL로서 사용되는 재료는, 전자에 대한 임의의 바라지 않는 장벽이 최소화되도록, 인접 ETL 재료의 LUMO 에너지 레벨에 근접하게 매치하는 LUMO 에너지 레벨을 갖는 것이 바람직하다.

재료의 여기자 블로킹 특성은 HOMO-LUMO 에너지 갭의 고유 특성이 아님을 이해해야 한다. 주어진 재료가 여기자 블로커(blocker)로서 작용할지는 인접하는 유기 감광성 재료의 상대적인 HOMO 및 LUMO 에너지 레벨에 의존한다. 따라서, 장치 컨텍스트에 관계없이 사용될 수 있는 여기자 블로커로서 절연에서의 화합물의 클래스를 식별할 수 없다. 하지만, 여기에서의 교시에 의해, 당업자는 주어진 재료가 유기 PV 장치를 구축하기 위해서 재료의 선택된 세트로 사용될 때 여기자 블로킹층로서 기능할지의 여부를 식별할 수 있다.

발명의 바람직한 실시예에서, EBL은 감광 장치의 어셉터층과 캐소드 사이에 위치된다. EBL의 바람직한 재료는 약 3.5eV의 LUMO-HOMO 에너지 레벨 분리를 갖는 것으로 여겨지는 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(바소큐프로인(bathocuproine) 또는 BCP라고도 함), 또는 비스(2-메틸-8-히드록시퀴놀리노에이토(hydroxyquinolinoato))-알루미늄(III)페놀레이트(Alq₂OPH)이다. BCP는 어셉터층으로부터 캐소드로 전자를 용이하게 이송할 수 있는 효과적인 여기자 블로커이다.

EBL층은 3,4,9,10-페릴렌트라카르복실 2무수물(PTCDA), 3,4,9,10-페릴렌트라카르복실 디이미드(PTCDI), 3,4,9,10-페릴렌트라카르복실-비스-벤지미다졸(PTCBI), 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실 2무수물(NTCDA), 및 그 유도체를 포함하는 적절한 도펀트(dopant)로 도프될 수 있으나, 그것들에 한정되는 것은 아니다. 본 장치에 적층될 때의 BCP는 비정질이라고 간주된다. 현재 명백하게 비정질인 BCP 여기자 블로킹층은 막 재결정화를 나타낼 수 있으며, 이는 높은 광 강도하에서 특히 빠르다. 결정질 재료로의 결과적인 형태 변경은 쇼트, 보이드(void) 또는 전극 재료의 침입과 같은 발생 가능한 결함을 갖는 저 품질의 막을 이끈다. 따라서, 안정적이고, 비교적 크고 안정한 분자에 의한 효과를 나타내는 BCP와 같은 일부 EBL 재료의 도핑(doping)은 성능 열화 형태 변경을 방지하도록 EBL 구조를 안정화시킬 수 있다. 주어진 장치 내에서 전자를 이송하는 EBL을 EBL과 유사한 LUMO 에너지 레벨을 갖는 재료로 도핑하는 것은, 공간 전하 빌드-업을 생성하고 성능을 저하할 수 있는 전자 트랩(trap)이 발견되지 않는 것을 보장하는데 도움이 될 것이라는 것을 추가로 이해해야 한다. 또한, 비교적 낮은 도핑 밀도는 고립된 도펀트 사이트에서의 여기자 생성을 최소화시킬 것이라는 것을 이해해야 한다. 그러한 여기자가 확산하는 것은 EBL 재료를 둘러싸서 효율적으로 방지되며, 그러한 흡수는 장치 광변환(photoconversion) 효율을 낮춘다.

광활성 장치의 대표적인 실시예는 투명한 전하 이송층 또는 전하 재결합층(recombination layer)을 또한 포함할 수 있다. 여기에 기술하는 바와 같이, 전하 이송층은 어셉터 및 도너층과는 이하의 사실에 의해 구별된다. 전하 이송층은 빈번하지만, 필수적이지 않은 무기물(종종 금속)이며, 그것은 광전도적으로 활성이 되도록 선택되지 않는다는 것이다. 용어 "전하 이송층"은 전극과 유사하지만 광전자 장치의 하나의 서브섹션(subsectin)으로부터 인접한 서브섹션으로 전하를 단지 전달한다는 점에서 전극과는 상이한 층을 칭하기 위해서 여기에 사용된다. 용어 "재결합층"은 전극과 유사하지만 전하결합층은 텐덤 감광 장치 사이에서 전자와 홀의 재결합을 허용하며, 또한 1 이상의 광활성층 근처의 광 필드 강도(optical field strength)를 강화시킬 수 있다는 점에서 전극과는 상이한 층을 칭하기 위해서 여기에 사용된다. 전하 재결합층은 여기에 그 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허 제6,657,378호에 개시되는 것과 같은 반(semi)-투명한 금속 나노 클러스터(cluster), 나노 입자(particle) 또는 나노 로드(rod)로 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 애노드-평활층은 애노드와 도너층 사이에 배치된다. 그러한 층의 바람직한 재료는 3,4-폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌술폰산염(PEDOT:PSS)의 막을 포함한다. 애노드(ITO)와 도너층(CuPc) 사이로의 PEDOT:PSS층의 도입은 매우 향상된 제조 수율을 이끌 수 있다. 이는 ITO를 평탄화시키는 스핀-코팅된 PEDOT:PSS막의 능력에 기여하며, 그렇지 않은 경우 ITO의 거친 표면은 얇은 분자층을 통한 쇼트가 생길 수 있다.

본 발명의 추가의 실시예에서, 1 이상의 층은 다음 층의 적층 이전에 플라즈마 처리될 수 있다. 예컨대, 층은 마일드(mild) 아르곤 또는 산소 플라즈마에 의해 처리될 수 있다. 이러한 처리는 직렬 저항을 줄일 때 효과적이다. 다음 층의 적층 이전에 PEDOT:PSS층에 마일드 플라즈마 처리가 이루어지는 것이 특히 이롭다.

도 1에 도시된 단순한 층 구조는 비-제한예로서 주어진 것이며, 본 발명의 실시예는 각종 다른 구조와 연계하여 사용될 수 있는 것을 이해해야 한다. 기술된 특정 재료 및 구조는 사실상 예시적인 것이며, 다른 재료 및 구조가 사용될 수 있다. 기능 장치가 상이한 방식으로 기술된 각종 층을 조합하여 달성될 수 있거나, 층은 디자인, 성능 및 비용 인자에 기초하여 전체적으로 생략될 수 있다. 구체적으로 기술하지 않은 다른 층이 포함될 수도 있다. 여기에 구체적으로 기술한 것 이외의 재료가 사용될 수 있다. 여기에 제공된 여려 예가 단일 재료를 포함하는 각종 층을 기술할지라도, 호스트와 도펀트의 혼합과 같은 재료의 조합, 더욱 일반적으로는 혼합물이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 층은 각종 서브층을 가질 수 있다. 여기에서 각종 층에 주어진 명칭은 엄격히 제한적이도록 의도된 것은 아니다. 광활성 영역의 일부가 아닌 유기층, 즉, 광(光)전류에 현저한 기여를 하는 광자(photon)를 일반적으로 흡수하지 않는 유기층은 "비-광활성층"이라 칭할 수 있다. 비-광활성층의 예는 EBL 및 애노드-평활층을 포함한다. 다른 유형의 비-광활성층이 또한 사용될 수 있다.

감광 장치의 광활성층에 사용하는데 바람직한 유기 재료는 시클로메탈레이티드(cyclometallated) 유기금속 화합물을 포함한다. 여기에 사용된 용어 "유기금속"은 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것이며, 예컨대, 문헌 [Inorganic Chemistry(2nd Edition), Gray L. Miessler and Donald A. Tarr, Prentice Hall (1998)]에 주어진 바와 같다. 그리하여, 용어 "유기금속"은 탄소-금속 결합을 통하여 금속에 결합된 유기기(organic group)를 갖는 화합물을 칭한다. 그러한 부류는 아민, 할로겐화물, 유사(類似) 할로겐화물(CN 등) 등의 금속 착물과 같은, 헤테로원자(heteroatom)로부터 도너 결합만을 갖는 물질인 본질적인 배위(配位) 화합물을 포함하지 않는다. 실제, 유기금속 화합물은 일반적으로, 유기종(organic species)에의 1 이상의 탄소-금속 결합에 추가하여 헤테로원자로부터의 1 이상의 도너 결합을 포함한다. 유기종에의 탄소-금속 결합은 페닐, 알킬, 알케닐 등과 같은 유기 기의 탄소와 금속 사이의 직접 결합을 칭하지만, CN 또는 CO의 탄소와 같은 "무기 탄소"에의 금속 결합을 칭하지는 않는다. 용어 "시클로메탈레이티드"는 금속에의 결합시 링 부재의 하나로서 금속을 포함하는 링 구조가 형성되도록 두자리(bidentate) 유기금속 리간드를 포함하는 화합물을 칭한다.

유기층은 진공 증착, 스핀 코팅, 유기 기상 증착, 잉크젯 프린팅 및 당업계에 알려진 다른 방법을 사용하여 제조될 수 있다.

본 발명의 실시예의 유기 감광성 광전자 장치는 PV, 광검출기 또는 광전도체로서 기능할 수 있다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치가 PV 장치로서 기능 할 때마다, 광전도 유기층에 사용된 재료 및 그 두께는 예컨대, 장치의 외부 양자 효율을 최대화시키도록 선택될 수 있다. 본 발명의 유기 감광성 광전자 장치가 광검출기 또는 광전도체로서 기능 할 때마다, 광전도 유기층에 사용된 재료 및 그 두께는 예컨대, 장치의 감도를 소망하는 스펙트럼 영역으로 최대화시키도록 선택될 수 있다.

이러한 결과는 층 두께의 선택에 사용될 수 있는 몇몇 가이드라인을 고려하여 달성될 수 있다. 여러 여기자의 해리는 계면에서 발생하는 것으로 여겨지므로, 여기자 확산 길이인 L_D는 층 두께인 L보다 크거나 그것과 유사한 것이 바람직하다. L_D가 L보다 작으면, 여러 여기자가 해리 이전에 재결합할 것이다. 전체 광전도층 두께는 PV 장치에 입사하는 거의 모든 복사가 흡수되어 여기자를 생성하도록, 대략 광전자 복사 흡수 길이인 1/α(여기서, α는 흡수 계수)인 것이 바람직하다. 또한, 광전도층 두께는 유기 반도체의 높은 벌크 저항으로 인한 과도한 직렬 저항을 피하기 위해 가능한 한 얇아야 한다.

따라서, 그러한 경합적인 가이드라인은 감광성 광전지의 광전도 유기층의 두께를 선택시 트레이드오프(tradeoff)가 이루어질 것을 근본적으로 요구한다. 그리하여, 한편으로, 입사 복사의 최대량을 흡수하기 위해서 흡수 길이보다 크거나 유사한 두께가 바람직하다(단일 셀 장치의 경우). 다른 한편으로, 광전도층 두께가 증가함에 따라, 두 가지의 바람직하지 않은 효과가 증가한다. 하나는 유기 반도체의 높은 직렬 저항에 기인한 것으로, 증가한 유기층 두께가 장치 저항을 증가시키고 효율을 저감시킨다는 것이다. 다른 바람직하지 않은 효과는, 광전도층 두께의 증가는 여기자가 전하 분리 계면에서 유효 필드로부터 멀리에서 생성될 가능성을 증가시킴으로써, 제짝 재결합의 가능성이 커지고, 효율이 감소된다는 것이다. 따라서, 전체 장치에 대하여 높은 외부 양자 효율을 생성하는 방식으로 그러한 경합적인 효과 사이에서 균형을 잡는 것이 바람직하다.

유기 감광성 광전자 장치는 광검출기로서 기능할 수 있다. 본 실시예에서, 장치는 예컨대, 여기에 전체가 참고자료로 포함되는, 2003년 11월 26일자로 출원된 미국 출원 일련 번호 10/723,953호에 개시된 바와 같은 다층 유기 장치일 수 있다. 이 경우에, 외부 전계는 분리된 전하의 추출을 촉진하도록 일반적으로 인가될 수 있다.

집중 장치(concentrator) 또는 트래핑(trapping) 구성이 유기 감광성 광전자 장치의 효율을 증가시키기 위해 채용될 수 있으며, 여기서 광자는 얇은 흡수 영역을 통하여 복수 회 통과된다. 여기에 전체가 참고자료로 포함되는, 미국 특허 제6,333,458호 및 제6,440,769호는 수집 효율을 증가시키는 광 집중 장치와의 사용을 위해 그리고 고 흡수를 위해서 광학적 구조를 최적화함으로써 감광성 광전자 장치의 광변환 효율을 향상시키는 구조적 디자인을 사용하여 그러한 논점에 대하여 기술한다. 감광 장치의 그러한 구조는 입사 복사를 반사 캐비티(cavity) 또는 도파(道波) 구조 내에 트래핑하고, 그리하여 광 반응성 재료를 통한 복수의 반사에 의해 광을 재순환시킴으로서 재료를 통한 광 경로를 실질적으로 증가시킨다. 따라서, 미국 특허 제6,333,458호 및 제6,440,769호에 개시된 구조는 벌크 저항의 실질적인 증가 없이 장치의 외부 양자 효율을 향상시킨다. 그러한 장치의 구조에 포함되는 것은 제 1 반사층; 광 마이크로캐비티 간섭 효과를 방지하기 위해서 모든 치수에서 입사광의 광 코히어런시(coherence)보다 커야하는 투명 절연층; 투명 절연층에 인접하는 투명한 제1전극층; 투명 전극에 인접하는 감광성 헤테로 구조; 역시 반사성인 제2전극이 있다.

장치의 소망 영역에 광 에너지를 포커스하기 위해 코팅이 사용될 수 있다. 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허 출원 제10/857,747호는 그러한 코팅의 예를 개시한다.

유기 태양 전지는 통상적으로 금속과 ITO 전극 사이에 개재된 분자 또는 중합 유기 화합물의 박층(약 100nm)을 포함한다. IT는 글라스 또는 플라스틱 시트에 스퍼터링될 수 있으며, 유기 재료는 진공 열 증발(VIE), 기상 증착(OVPD), 스핀-코딩 또는 딥-코팅에 의해 적층될 수 있다. 금속 캐소드는 진공에서 열적으로 증발될 수 있다. 장치는 ITO측으로부터 조명될 수 있다. 실리콘 광전지와는 달리, 광자 흡수는 전하 쌍을 즉각적으로 생성하지 않을 수 있다. 그러한 구조에서의 광전류 생성은 연속적인 네 단계로 발생한다: 1) 프렌켈(Frenkel) 여기자로서 알려진 속박 전하 쌍을 생성하기 위한 광자 흡수, 2) 도너-어셉터 경계로의 여기자 확산, 3) 전자-홀 쌍으로의 여기자 해리, 및 4) 전극에서의 전자 및 홀의 수집. 일반적으로, 도너 재료는 낮은 이온화 전위(IP)를 갖도록 선택되는 반면, 어셉터 재료는 높은 전자 친화도(EA)를 가져서, 계면에서 여기자의 발열 해리를 유도한다.

여기자의 특성 확산 길이 내에서, 개별층은 바람직하게는 광의 효율적인 흡수을 위해 충분히 두꺼울 수 있다. 이하의 표 1은 일부 바람직한 유기 PV 셀 재료를 위한 통상적인 여기자 확산 길이의 목록을 제공한다.

위의 표에서, PPEI는 페릴렌 비스(페네틸이미드)이며, alq₃은 트리스(8-히드록시퀴놀린)알루미늄이며, CuPc는 구리 프탈로시아닌이며, ZnPc는 아연 프탈로시아닌이다. PPEI에 대한 결과는 SnO₂ 켄칭면에 대한 결과를 이용하고, 무한 면 재결합 속도를 상정하여 산출된다. PPEI에 대한 L_D에 대한 2.5±0.5㎛에 이르는 결과는 솔벤트 증기 지원(assisted) 어닐링 동안의 형태 변경 및 켄처(quencher) 확산에 의해 영향을 받을 것 같다. PPV에 대한 결과인 120±30은 광 간섭 효과를 고려하지 않았다. 확산 길이 측정은 하기하는 소스로부터 얻어진다: (1) Peumans, P.; Yakimov, A.; Forrest, S.R., J. Appl. Phys. 2003, 93, 3693; (2) L.A.A. Pattersson et al., J. Appl. Phys., 86, 487(1999); (3) V. Bulovic and S.R. Forrest, Chem. Phys. 210, 13(1996); (4) J. J. M. Halls et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3120(1996); (5) B.A. Gregg et al., J. Phys. Chem. B 101, 5362(1997); (6) T. Stuebinger and W. Bruetting, J. Appl. Phys. 90, 3632(2001); (7) H. R. Kerp and E.E. van Faassen, Nord. Hydrol. 1, 1761(1999); (8) A. L. Burin and M. A. Ratner, J. Phys. Chem. A 104, 4704(2000); (9) V. E. Choong et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1838(1998); (10) M Theander et al., Phys. Rev. B61, 12957(2000).

여러 유기 화합물(예컨대, 구리 프탈로시아닌)에서의 높은 흡수 계수로 인하여, 이는 결국 실리콘-계 또는 그라첼(Graetzel) 광전지에서의 활성층보다 훨씬 얇은 100 내지 1000Å의 소망하는 층 두께에 이르게 한다. 유기 분자 및 폴리머 체인은 반데르바알스 힘에 의해서 서로 유지될 수 있고, 주변 환경에서 저밀도(1.1g/cm³)의 고형막을 유지할 수 있다. 막은 낮은 기판 온도에서 적층될 수 있어서, 활성층을 기판에 격자 정합시킬 필요 없이 그리고 적절한 열 비용으로, 유기 광전지가 각종 기판 위에 형성되게 허용한다.

Tang 및 Van Slyke는 1%의 양자 효율을 갖는 유기 이형접합 광전지를 1986년에 입증하였다. 하지만, 이러한 최초의 이형접합 광전지는, 대부분의 여기자가 계면에 도달하기 전에 포논(phonon)으로 붕괴되어 기인되는 여기자의 짧은 확산 길이로 인하여 한계가 있었다. 플랫(flat) 이형접합 유기 광전지에서의 진전은, 최근에 긴 여기자 확산 길이를 갖는 C₆₀과 같은 재료뿐만 아니라, 벌크 이형접합과 같은 새로운 장치 구조가 도입되기까지는 느렸다.

벌크 이형접합은 도너 및 어셉터 재료의 상호 침입 네트워크(interpenetrating network)일 수 있다. 플랫 이형접합과 달리, 광자의 흡수는 도너-어셉터 계면 근처에서 일어날 수 있으며, 이는 전하 해리의 가능성을 증가시킨다. 벌크 이형접합을 형성하기 위해서, 혼합된 도너-어셉터 분자막이 기판 위에 적층되고 어닐링되어 상-분리를 유도한다. 유사하게, 두 폴리머가 스핀-코팅되어 상-분리가 허용될 수 있고, 이는 상호 침입 구조를 생성한다. 3.5%와 같이 높은 효율이 폴리머계 및 저분자계에서 달성되었다.

C₆₀ 및 효율에 관한 일반적인 정보는 예컨대, Peumans, P. and S. R. Forrest, Very-High-Efficiency Double - Heterostructure Copper Phthalocyanine / C60 Photovltaic Cells, Applied Physics Letters, 2001, 79(1): p.126에서 입수가능하다. 벌크 이형접합 구조에 관한 일반적인 정보는 Peumans, P., S. Uchida, and S. R. Forrest, Efficient Bulk Heterojunction Photovoltaic cells Using Small - Molecular - Weight Organic Thin Film, Nature, 2003, 425(6954): p. 158 및/또는 Shaheen, S. E. et al., 2.5% Efficient Organic Plastic Solar Cells, Applied Physics Letters, 2001, 78(6):p. 841에서 찾을 수 있다.

더 낳은 유기 재료, 텐덤 광전지, 및 금속 나노클러스터를 사용함으로써 큰 이득이 기대될 수 있다. 전술한 목록은 예시적인 것이며 전적으로 포함되도록 의도되지는 않는다. 금속 나노클러스터에 대한 일반적인 정보는 Yakimov, A. and S. R. Forrest, High Photovoltage Multiple - Heterojunction Organic Solar Cells Incorporating Interfacial Metallic Nanoclusters , Applied Physics Letters, 2002, 80(9)p. 1667-1669에서 찾을 수 있다.

알려진 광전지가 실리콘 또는 그라첼 전지보다 더 효율적이지 않을 수 있지만, 잠재적으로 제조가 용이하고 저비용이다. 유기 재료 또한 기판의 폭넓은 선택을 허용한다. 현재의 기술 상태 및 재료에 의하지만, 공지된 유기 광전지와 비교하여 현저히 비용이 저감되고 더욱 다양한 형태 인자로 3.5% 이상 효율의 태양 전지가 결과로서 생기는 제조 방법의 일 실시예가 여기에 개시된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광활성 섬유 구조체(200)를 나타낸다. 설명의 명료성을 위해, 축척은 이루어지지 않았다. 광활성 섬유 구조체(200)는 지지 부재(202); 지지 부재(202)를 실질적으로 둘러싸는 제1전극(204); 제1전극층(204)을 실질적으로 둘러싸며, 광활성 영역을 포함하는 유기층(206); 유기층(206)을 실질적으로 둘러싸는 제2전극(208); 투명 전극(208)의 일부 표면과 전기적으로 접촉될 수 있는 보조 도체(210)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광활성 섬유 구조체(200)는 외부층(212)을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 지지 부재(202)는 가요성(flexible) 고형체 재료로 제조될 수 있다. 그 예는 광섬유, 전기 통신 섬유, 고형체의 나일론 스트랜드(strand)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코어는 고형 나일론 스트랜드일 수 있다. 본 발명의 범주 내에서 다른 재료가 허용되며, 각종 치수가 특정 적용의 구조적 요건에 따라 사용될 수 있다. 또한, 지지 부재(202) 및 제1전극(204)은 "도전성 코어"를 포함한다. 지지 부재(202)는 도전성 또는 비-도전성일 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 코어는 제1전극(204)과 분리되는 지지 부재(202)에 대한 필요성이 없는 단일 요소일 수 있다. 바람직하게는, 그러한 도전성 코어는 충분한 구조적 특성 및 전도율을 제공하는 재료를 포함한다. 금속 와이어는 그러한 도전성 코어의 바람직한 예이다. 별도의 지지 부재(202)가 존재하든 존재하지 않든, 제1전극(204)은 2 이상의 층(예컨대, 리튬으로 이루어진 제 2 층에 의해서 둘러싸인 알루미늄으로 이루어진 제 1 층)으로 이루어질 수 있다. 적합한 도전 재료의 예는 은, 금, 구리 및 알루미늄을 포함한다. 다른 도전 재료가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 도전성 코어는 가요적이다.

일 실시예에서, 유기층(206)은 폴리머 또는 저분자 벌크 이형접합 코팅일 수 있다. 일 실시예에서, 유기층(206)의 두께는 약 1 내지 200nm의 범위에 있을 수 있다. 폴리머 또는 저분자 벌크 이형접합 코팅은 PCBM-nMDMO-PPV 및 CuPc-C₆₀을 각각 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이,

PCBM은 6,6-페닐-C61-부틸 산-메틸에스테르이다.

MDMO-PPV는 폴리(2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌-비닐렌)이다.

PPV는 폴리(1,4-페닐렌-비닐렌)이다.

C₆₀은 벅민스터플러렌(buckminsterfullerene)이다.

PtOEP는 2,3,7,8,12,13,17,18-옥타에틸-21H,23H-포르핀 백금(II)(또한 백금 옥타에틸포르피린)이다.

PTCBI는 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실 비스-벤지미다졸이다.

평면 이형접합층 또는 혼합된 이형접합층과 같은 다른 유기층뿐만 아니라, 광생성을 제공하는 다른 재료 조합이 본 발명의 범주 내에서 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 제2전극(208)은 투명할 수 있고, PEDOD-PSS로 이루어진 폴리머를 포함할 수 있다. ITO는 다른 바람직한 재료이다. 바람직하게는, 제2전극(208)은 투명하고 가요적이다. 금속 또는 비-금속이든, 다른 투명한 전극 재료가 본 발명의 범주 내에서 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 외부층(212)은 광학적으로 투명한 나일론이다. 다른 재료가 또한 사용될 수 있다. 필요한 환경으로부터의 보호량에 따라서, 그러한 보호량이 제2전극(208)과 같은 다른 층에 의해서 제공되는 경우, 외부층(212)은 생략될 수 있다.

산업적 실시에서, 예컨대, 내부에 섬유가 직조될 수 있는 직물에서의 광활성 섬유 구조체체(도 2의 200과 유사)의 방위 배향을 제어하는 것은 곤란할 수 있다. 일부의 직물 구조체에서, 광활성 섬유 표면의 25%만이 유용하게 노출될 수 있다(종래의 플랫 광전지에서의 50%에 비하여). 예컨대, ITO 또는 PEDOT-PSS 폴리머로 이루어진 전극(208)이 사용될 수 있다. 하지만, ITO 및 PEDOT-PSS로 이루어진 것과 같은 투명 전극은 통상적으로 약 1cm 이상의 길이를 따라 전류를 전도하기에는 너무 저항적일 수 있다. 따라서, 보조 도체(210)가 부가되어 유기층(206) 및 제2전극(208)의 양쪽과 전기적으로 접속될 수 있다. 보조 도체(210)는 광활성 섬유 구조체(200)의 전장(全長)에 걸쳐 전류를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 보조 도체(210)는 예컨대, 은, 금, 구리 또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 보조 도체(210)는 제2전극(208)과 전기적으로 결합될 수 있고, 제2전극(208)의 약 5% 내지 약 50%를 덮을 수 있다. 부가적으로, 도 2에서는 견고한 와이어로 도시되었지만, 보조 도체는 적어도 금속 와이어, 금속화된 와이어, 금속 리본, 금속화된 리본 및 금속 코팅중 임의의 것으로 이루어질 수 있다. 보조 도체(210)는 광활성 섬유 구조체(200) 둘레에 권취되거나, 지지 부재(202)의 축선에 실질적으로 평행한 방향으로 맞대어질 수 있다. 권취되는 경우, 보조 도체(210)는 투명할 필요가 없고 보조 도체에 의해서 블로킹되는 광량을 최소화시키는 것이 바람직하기 때문에, 보조 도체(210)에 의해서 덮이는 표면의 양이 최소화되도록 듀티 사이클(duty cycle)은 낮은 것이 바람직하다. "듀티 사이클"은 보조 도체(210)가 완전히 회전한 섬유를 따른 축 간격이다. 활성 영역의 광을 너무 많이 블로킹하는 것을 피하기 위해, 적어도 제2전극의 원주의 듀티 사이클이 바람직하다. 제2전극(208)으로서 사용하는데 소망될 수 있는 대부분의 재료 및 대부분의 섬유 치수에서, 매우 작은 듀티 사이클에 대하여 현저한 전도율 이익이 존재하지 않도록, 축 방향에서의 전도 및 전극(208)의 원주 둘레의 비-전도는, 보조 도체(210)에 의해 제기되는 이슈가 되는 것이 기대된다. 섬유의 일부만이 광에 노출되도록 기대되는 특정 직물 내로의 직조와 같이, 보조 도체(210)의 배향이 용이하게 제어되지 않도록 솔라 섬유(solar fiber)가 제품에 합체될 수 있는 경우에, 광에 노출된 섬유 부분의 실질적인 부분을 블로킹하기 위해서 보조 도체(210)가 광원을 향하여 항상 배향되는, 섬유가 갖는 상황을 피하도록, 보조 도체(210)를 충분히 낮은 듀티 사이클로 권취하는 것이 바람직하다. 또한, 일 실시예에서, 보조 도체(210)는 제2전극(208)을 둘러싸는 전기 도체의 끈(도시 생략)일 수 있으며, 끈으로부터의 폐색(閉塞) 정도는 약 50% 이하인 것이 바람직하다. 도 3은 제2전극(208)에 의해 유기층(206)으로부터 분리되는 보조 도체(210)를 도시하지만, 그러한 분리는 필수적이지 않으며, 보조 도체(210)는 유기층(206)과 접촉할 수 있다. 예컨대, 보조 도체(210)는 제2전극(208) 이전에 제조될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 여기자 블로킹층(320)을 더 포함하며, 도 2의 광활성 섬유의 구조체와 유사한 광활성 섬유 구조체(300)를 도시한다. 여기자 블로킹층(320)은 비-광활성 여기자 블로킹층(320)이 유기층(206) 및 제2전극(208)의 각각에 전기적으로 접속되도록 유기층(206)과 제2전극(208) 사이에 배치된 비-광활성층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 여기자 블로킹층(320)은 유기물이다. 설명의 용이를 위해, 여기자 블로킹층(320)은 도 3의 확대부에서만 도시된다. 다른 비-광활성층, 바람직하게는 유기물이 제1전극(204)과 제2전극(208) 사이에서 광활성 섬유 구조체 내에 포함될 수 있다. 예컨대, 블로킹층, 평활층, 및 당업계에 알려지거나 알려질 수 있는 임의의 다른 층이 섬유 구조체에 포함될 수 있다.

본 발명에 따라 광활성 섬유 구조체(200)를 제조하는 일 방법은 전화통신 섬유를 ITO로 코팅한 후, 진공 열 증발 또는 딥-코팅을 사용하여 활성 유기층을 적층하는 것이다. 도체(도 2의 210과 유사)는 진공 증발을 사용하여 적층될 수 있으며, 그 후에 광활성 섬유는 통상의 전기 프로빙(probing) 기술을 사용하여 시험할 수 있다.

실제의 광활성 섬유의 치수들은 그것의 아키텍처(architecture)에 따르며, 동시에 그리고 다소 반복적으로 확립될 수 있다. 일반적으로, 섬유로 직조된 가요성 광활성 섬유에 사용될 수 있는 바와 같은 일반적인 실린더형 장치 구조를 고려하면, 전체 섬유 두께는 외부층(도 2의 212와 유사)을 포함하여, 약 10 내지 100㎛의 범위에 있을 수 있고, 활성 유기층(예컨대, 유기층(206))은 통상적으로 단지 약 100nm 두께일 수 있다.

활성 유기층(예컨대, 유기층(206))에 의해서 흡수되는 광 파워는 하기에 의해 주어진다:

여기서, Φ, r₂ 및 L은 광속(optical flux), 애노드에서의 섬유 반경, 및 비간섭 섬유 길이를 각각 나타낸다. 결과적인 전체 광전류는 하기에 의해 주어진다:

여기서, η_pwr, FF 및 V_oc는 광전지 파워 효율, 충전비(fill factor), 밀 오픈-회로 전압을 각각 나타낸다. (파워 효율인 η_pwr은 구조체에서의 입사 태양속(solar flux)에 대한 임의의 부가적인 흡수 손실이다). 로드 회로에서 생성된 파워는 이하와 같다:

여기서, 5% 전압 강하가 섬유의 길이를 따라 허용되며, 동작 동안에 I_PG = I_load이다. 동시에 옴의 법칙은 이하의 식을 기술한다:

여기서, ρ는 애노드(예컨대, 제2전극(208) 및/또는 보조 도체(210))의 저항률이며,

는 애노드의 단면적이다. 등식 (2)-(5)를 조합하면, 이하의 식이 얻어진다:

만일, 알루미늄(ρ = 5?10^-8Ω?m)이 내부 도체(도 2의 204와 유사)로 사용되면, η_pwr = 3%, FF = 0.5, Voc = 0.5V이며, 내부 도체(도 2의 204와 유사)의 최대 두께의 미터로 나타낸 추정치는 이하와 같은 것이다:

여기서, L 역시 미터로 나타낸다. 그리하여, 전류가 10cm마다 탭 아웃(tap out)되면, 5㎛ 두께의 Al 코팅이 사용될 수 있다. 이는 또한 도체의 직경을 설정하며, 이하와 같다:

여기서, d_au는 도 2의 보조 도체(210)와 같은 보조 도체의 직경이다. 따라서, 상기로부터, d_au = 30㎛이다.

일 실시예에서, 보조 도체(210)를 포함하는 광활성 섬유 구조체(200)가 함께 권취된 후, 예컨대 10㎛ 두께의 외부층(212)에 의해 캡슐화될 수 있어서, 주 직경에 걸쳐 약 110㎛인 다소 장방형인 단면의 광활성 섬유 구조체가 된다. 이러한 직경은 통상적인 직물 처리 장비 및 산업적 및 개인 용도의 직물로의 합체에 적합할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광활성 섬유 구조체는 저비용으로 제조될 수 있으며, 식물의 고속 제조로 합체될 수 있다. 가능한 하나의 연속 제조 시퀀스는 감광성 폴리머의 혼합물을 함유하는 용융액으로부터 금속 또는 금속화된 나일론 코어를 인발하는 것일 수 있다. 감광성 폴리머는 건조되고 상 분리될 수 있어서, 코어를 둘러싸는 벌크 이형접합 구조체가 된다. 그 후, 코어는 도전 폴리머(예컨대, PEDOT)로 코팅될 수 있다. 도체가 도입되어 광생성 코어와 함께 낮은 듀티 사이클에서 권취될 수 있거나, 광활성 섬유의 코어 축과 실질적으로 평행한 방향에서 선형적으로 인가될 수 있어서, 광활성 섬유에 충분한 광 흡수를 허용한다. 마지막으로, 전체의 광활성 섬유는 투명한 플라스틱 외장 또는 다른 보호성 외부층 내에서의 캡슐화에 의해 "마무리처리"될 수 있어서, 기계적(예컨대, 마모) 및 외부 손상으로부터 섬유를 보호하는데 도움이 된다.

궁극적으로, 설치된 태양 전지판의 실행 가능성은 원료, 제조, 모듈 조립, 이송 및 온-사이트 설치의 비용에 의존한다. 대량 제조된 광활성 섬유의 최종 비용은 단지 대략적인 것이지만, 실리콘 광전지의 비용보다는 적은 것이 기대된다. 광활성 섬유에 사용되는 광활성 폴리머의 양은 상기에서 얻어진 치수로부터 산출될 수 있다. 1m 길이의 섬유는 건조 광활성 섬유 ～10^-5mg을 필요로 하며, 광활성 섬유로부터 직조된 직물의 1m² 너비는 ～0.1g을 사용할 것이다. C₆₀과 같은 화학 물질은 <$30/그램(99% 순도)로 다량 입수가능하고, 그것의 가격은 가까운 미래에 낮아질 것으로 기대될 수 있다. 나일론 직물은 직조, 처리, 및 강도에 따라 m²당 $1 내지 $20의 가격으로 소비자에게 입수가능하며, 다량 소비자에게는 실질적으로 낮은 가격에서 입수 가능하다. 3% 효율 1m² 광전지는 평균 30와트 전력을 생성할 수 있다. 광활성 섬유 비용이 기술적인 합성계 직물 가격의 범위에 있는 경우, 생성된 파워는 ～$0.1과 $0.8/와트 사이의 가격일 수 있다. 통상적인 실리콘계 태양 전지는 $3-4/와트의 설치 비용이 든다. 또한, 기계적으로 튼튼한 가요성 섬유의 형태로 태양 전지를 제조하는 것은 무겁고 벌크 형태인 실리콘 광전지 모듈에 비하여 설치 비용을 크게 줄일 수 있다.

광활성 섬유를 제조하는데 사용되는 폴리머의 성질은 바람직하게는 몇몇 광학적, 전기적, 기계적 및 유동학적 요건을 만족시킬 수 있다. 태양전지의 효율을 최대화시키기 위해서, 광 생성층의 흡수 스펙트럼은 태양 복사 스펙트럼과 가능한 한 중첩해야 한다. 복합 폴리머는 입사 태양 복사의 상당한 부분을 빠뜨리는 >2eV의 밴드 갭을 통상적으로 갖는다. 활성 폴리머의 구조 및 조성은 저분자형 측쇄 및 C₆₀과 같은 기능기를 사용하여 태양 스펙트럼의 저 에너지부를 포함하도록 수정될 수 있다. 일반적으로 Brabec, C.J. et al., Organic Photovoltaic Devices Produced From Conjugated Polymer/Methanofullerene Bulk Heterojunctions, Synthetic Metals, 2001, 121(1-3): p. 1517; Shaheen, S.E. et al., Low Band - Gap polymeric Photovoltaic Devices, Synthetic Metals, 2001, 121:p. 1583 참조.

하지만, 폴리머의 구조 변형은 그것의 융점, 유동학적 거동 및 결정 순서에 영향을 끼친다. 폴리머 용융액 유동은 잘 연구된 주제이며, 광전지에 사용된 폴리머의 유동을 다루는 몇몇 연구가 존재하며, 다수가 지난 5년 이내에 다루어졌다.

광활성 폴리머의 화학 구조의 변형에 추가하여, 광 흡수는 호스트 막에 저 밴드-갭 염료 분자자를 도핑하여 향상(민감화)시킬 수 있다. 하지만, 염료 분자에서 생성된 여기자는 주위의 폴리머 매트릭스에 비하여 낮은 에너지로 인하여 트랩된다. 그라첼 셀에서 채용된 것과 유사한, 나노미터 스케일의 3 상(phase) 형태의 설계는 그러한 한계점을 극복할 수 있다. 양친매성(amphiphilic) 도펀트 분자가 소수성 폴리머 및 친수성 폴리머와 혼합될 수 있어서, 어닐링 시 양친매성 도펀트는 두 폴리머상 사이에 제 3 상을 생성할 수 있다. 네트(net) 효과는 3원 계면에서 저-에너지 여기자를 흡수하고 즉시 해리할 것이다.

인접 체인 사이에서의 전자 및 여기자 호핑(hopping) 또한 광전지의 출력 전류를 제한시킨다. 베리어 코팅 설계에 대한 작용 가설은 광전지 내로의 화학종(예컨대, O₂ 및 H₂O)의 확산이, 열 및 광학적 응력에 의해서 가속화되는 광 및 전기적 활성 화합물의 분해를 야기한다는 것이다. 수분 확산 계수는 일부 중합 재료에서 낮을 수 있고, 산소 확산은 방지가 더욱 어렵다. 금속 코팅은 일부 적용(예컨대, 음식 패키징, 강섬유 코팅 등)에서 빈번히 사용되지만, 역시 태양속을 블로킹한다. 대신에, 투명 산화물(예컨대, TiO₂, SiO₂ 및 Al₂O₃) 코팅이 태양 섬유에 사용될 수 있다. 유기계 장치 스템에서의 확산 배리어로서 산화물 박막을 사용하는 데는 처리 및 적용의 관점에서 어려움이 있다. 품질이 높고 치밀한 산화물의 적층 온도는 통상적으로 높은(>500℃) 반면, 유기 재료의 적층 온도는 통상적으로 낮다(<500℃). 또한, 산화물은 폴리머와의 열팽창 계수의 상이에 의해 취성이 있어서, 취급 및 사용 중에 크렉이 쉽게 형성된다. 배리어 코팅이 개발되었으며, 교호적인 폴리머 및 스퍼터링된 금속-산화물 무기 박막이 채용된다. 예컨대, Burrows, P.E. et al., Gas Permeation and Lifetime Tests on Polymer-Based Barrier Coatings , in SPIE Annual Meeting , 2000 참조. 무기물층은 장치에 해로운 화학종의 확산을 블로킹하는 작용을 하며, 층간 폴리머는 산화물층에 쿠션을 주고 산화물층 결합을 기계적으로 줄이는 작용을 한다. 산화물의 졸-겔 합성과 같은 저-비용 합성 접근이 또한 수용가능하다.

OLED 실시예에서, 유기층(206)은 유기 발광 장치의 유기층을 포함할 수 있다. 그러한 층은 도 4에 도시되며(평면적으로), 더욱 상세하게는 전술 및 후술한다. 보조 도체는 전류를 제공하기 위해 OLED 실시예에 사용될 수 있다.

홀 이송층(425)은 홀을 이송할 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 홀 이송층(430)은 진성적이거나(도프되지 않음), 도프될 수 있다. 도핑은 전도율을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. α-NPD 및 TPD는 진성 홀 이송층의 예이다. 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 공개공보 2002-0071963 A1(Forrest et al.)에 개시된 바와 같이, p-도프드 홀 이송층은 50:1의 분자비에서 F₄-TCNQ로 도프된 m-MTDATA이다. 다른 홀 이송층이 사용될 수도 있다.

방출층(435)은 전류가 애노드(415)와 캐소드(460)를 통과할 때 광을 방출할 수 있는 유기 재료를 포함할 수 있다. 방출층(435)은 인광 방출 재료를 사용할 수도 있지만, 바람직하게는 형광 방출 재료를 포함한다. 재료와 관련된 높은 발광 효율 때문에, 인광 재료가 바람직하다. 방출층(435)은 전자 및/또는 홀을 이송할 수 있는 호스트 재료를 또한 포함할 수 있다. 방출층(435)은 발광 메커니즘을 통하여 발광 재료로부터 여기자가 이완하도록, 전자, 홀, 및/또는 여기자를 트랩할 수 있는 방출 재료로 도프된, 전자 및/또는 홀을 이송할 수 있는 호스트 재료를 또한 포함할 수 있다. 방출층(435)은 이송 및 방출 특성을 조합하는 단일 재료를 포함할 수도 있다. 방출 재료가 도펀트이든 주 구성 요소이든, 방출층(435)은 방출 재료의 방출을 조정하는 도펀트와 같은 다른 재료를 포함할 수 있다. 방출층(435)은 조합하여 광의 소망하는 스펙트럼을 방출할 수 있는 다수의 방출 재료를 포함할 수 있다. 인광 방출 재료의 예는 Ir(ppy)₃를 포함한다. 형광 발광 재료의 예는 DCM 및 DMQA를 포함한다. 호스트 재료의 예는 Alq₃, CBP 및 mCP를 포함한다. 방출 및 호스트 재료의 예는, 여기에 그 전체가 참고자료로 포함되는, 미국특허 제6,303,238호(Thompson et al.)에 개시된다. 방출 재료는 여러 방식으로 방출층(435)에 포함될 수 있다. 예컨대, 방출 저분자는 폴리머에 합체될 수 있다. 이는 몇가지 방식으로 달성될 수 있다: 소 분자를 별도 또는 상이한 종으로서 폴리머에 도핑시킴으로써; 코폴리머를 형성하도록 폴리머의 골격에 소 분자를 합체시킴으로써, 또는 소 분자를 펜던트기(pendant group)로서 폴리머에 결합시킴으로서 달성된다. 다른 방출 재료 및 구조가 사용될 수 있다. 예컨대, 소 분자 방출 재료는 덴드라이머(dendrimer)의 코어로서 존재할 수 있다.

여러 유용한 방출 재료는 금속 센터에 결합된 1 이상의 리간드를 포함한다. 리간드는 유기금속 방출 재료의 광활성 특성에 직접적으로 기여한다면 "광활성"적이다고 칭해질 수 있다. "광활성" 리간드는 금속과 관련하여, 광자가 방출될 때 전자가 그곳으로 및 그곳으로부터 이동하는 에너지 레벨을 제공할 수 있다. 다른 리간드는 "보조적"인 것이라 칭한다. 보조 리간드는 예컨대, 광활성 리간드의 에너지 레벨을 시프트시킴으로써 분자의 광활성 특성을 변형시킬 수 있지만, 보조 리간드는 광 방출을 수반하는 에너지 레벨을 직접 제공하지는 않는다. 하나의 분자에서 광활성인 리간드는 다른 분자에서는 보조적일 수 있다. 광활성 및 보조의 이러한 정의는 비-한정적인 이론으로서 의도된다. 여기에 사용되는 바와 같은 용어 "광활성"은 일반적으로 광의 흡수 또는 방출을 직접적으로 관련되는 것을 의미한다. 감광 장치와 대조적인 OLED의 컨텍스트에 제공되는 특정 의미는 일반적 정의의 컨텍스트적 적용이다.

전자 이송층(440)은 전자를 이송할 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 전자 이송층(440)은 진성적이거나(도프되지 않음). 도프될 수 있다. 도핑은 전도율을 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. Alq₃는 진성 전자 이송층의 예이다. n-도프드 전자 이송층의 예는, 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 공개공보 2002-0071963 A1(Forrest et al.)에 개시된 바와 같이, 1:1의 분자비에서 Li로 도프된 BPhen이 있다. 다른 전자 이송층이 사용될 수도 있다.

전자 이송층의 전하 운반 요소는 전자가 캐소드로부터 전자 이송층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 레벨로 효율적으로 주입될 수 있도록 선택될 수 있다. "전하 운반 요소"는 전자를 실제로 이송하는 LUMO 에너지 레벨에 책임이 있는 재료이다. 그러한 요소는 베이스 재료이거나 도펀트일 수 있다. 유기 재료의 LUMO 에너지 레벨은 그 재료의 전자 친화도에 의해 특징이 지워지고, 캐소드의 상대적 전자 주입 효율은 캐소드 재료의 일 함수의 견지에서 일반적으로 특징이 지워진다. 이는 전자 이송층 및 인접 캐소드의 바람직한 특성은 ETL의 전하 이송 요소의 전자 친화도 및 캐소드 재료의 일함수의 견지에서 특정될 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 높은 전자 주입 효율을 달성하기 위해서, 캐소드 재료의 일 함수는 전자 이송층의 전하 운반 요소의 전자 친화도보다 약 0.75eV 이상 크지 않는 것이, 더욱 바람직하게는 0.5eV 이하인 것이 바람직하다. 유사한 고려가 전자가 주입되는 임의의 층에 적용된다.

OLED에서의 블로킹층은 방출층을 떠나는 여기자 및/또는 전하 캐리어(전자 또는 홀)의 수를 줄이도록 사용될 수 있다. 전자 블로킹층(430)은 전자가 홀 이송층(425)의 방향에서 방출층(435)을 떠나는 것을 블로킹하기 위해서 방출층(435)과 홀이송층(425) 사이에 배치될 수 있다. 유사하게, 홀 블로킹층(440)은 홀이 전자 이송층(440)의 방향에서 방출층(435)을 떠나는 것을 블로킹하기 위해서 방출층(135)과 전자 이송층(445) 사이에 배치될 수 있다. 블로킹층은 전자가 방출층으로부터 확산하는 것을 블로킹하기 위해 사용될 수도 있다. 블로킹층의 이론 및 이용은, 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 공개공보 2002-0071963 A1(Forrest et al.)에 상세히 기술된다.

여기에 사용되는 바와 같이, 그리고 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 용어 "블로킹층"은 그 층이 전하 캐리어 및/또는 여기자를 완전히 차단시키는 것이 필요하다는 것을 암시하는 것이 아니고, 전하 캐리어 및/또는 여기자의 장치를 통한 이송을 현저히 억제하는 장벽을 제공하는 것을 의미한다. 장치에 그러한 층이 존재하면, 블로킹층이 없는 유사한 장치와 비교하여 효율이 실질적으로 높아질 것이다. 또한, 블로킹층은 OLED의 소망 영역에의 방출을 규정하도록 사용될 수 있다.

일반적으로, 주입층은 전극 또는 유기층과 같은 일 층으로부터 인접 유기층으로의 전하 캐리어의 주입을 향상시킬 수 있는 재료로 이루어진다. 주입층은 전하 이송 기능을 또한 수행할 수 있다. 장치(400)에서, 홀 주입층(420)은 애노드(415)로부터 홀 이송층(425)으로의 홀의 주입을 향상시키는 임의의 층일 수 있다. CuPc는 ITO 애노드(415) 및 다른 애노드로부터의 홀 주입층으로서 사용될 수 있는 재료의 예이다. 장치(400)에서, 전자 주입층(450)은 전자 이송층(445)으로의 전자의 주입을 향상시키는 임의의 층일 수 있다. LiF/Al은 인접층으로부터 전자 이송층으로의 전자 주입층으로서 사용될 수 있는 재료의 예이다. 다른 재료 또는 재료의 조합이 주입층에 사용될 수 있다. 특정 장치의 구성에 따라, 주입층이 장치(400)에서 도시된 것과 상이한 위치에 배치될 수 있다. 주입층의 많은 예는, 전체가 참고자료로 여기에 포함되는 미국 특허출원 일련번호 09/931,948(Lu et al.)에 제공된다. 홀 주입층은 스핀-코팅된 폴리머, 예컨대, PEDOT:PSS와 같은 용액 증착 재료를 포함할 수 있거나, 증기 증착되니 소분자(small molecule) 재료, 예컨대, CuPc 또는 MTDATA일 수 있다.

홀 주입층(HIL)은 애노드로부터 홀 주입 재료로의 효율적인 홀 주입을 제공하기 위해 애노드 표면을 평탄화하거나 습윤하게 할 수 있다. 홀 주입층은, 여기에 기술한 상대 이온화 전위(IP) 에너지에 의해 규정된 바와 같이, HIL의 일측에 있는 인접 애노드층과 HIL의 타측에 있는 홀 이송층과 바람직하게 정합하는 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨을 갖는 전하 운반 요소를 또한 포함할 수 있다. "전하 운반 요소"는 홀을 실제 이송하는 HOMO 에너지 레벨에 책임이 있는 재료이다. 그러한 요소는 HIL의 베이스 재료이거나 도펀트일 수 있다. 도프트 HIL의 사용은 도펀트가 그것의 전기 특성을 위해 선택되게 허용하며, 호스트가 습윤성, 가요성, 인성 등과 같은 형태적 특성을 위해 선택되게 허용한다. HIL 재료로 바람직한 특성은 홀이 애노드에서 HIL 재료로 효과적으로 주입될 수 있는 특성이다. 특히, HIL의 전하 운반 요소는 애노드 재료의 IP 보다 큰 약 0.7eV 이하의 IP를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 전하 운반 요소는 애노드 재료보다 큰 약 0.5eV 이하의 IP를 갖는다. 유사한 고려가 홀이 주입되는 임의의 층에 적용된다. 그러한 HIL 재료는 종래의 홀 이송 재료의 홀 전도율보다 실질적으로 낮은 홀 전도율을 가질 수 있다는 점에서, OLED의 홀 이송층에 통상적으로 사용되는 종래의 홀 이송 재료와 추가로 구별된다. 본 발명의 HIL의 두께는 애노드층의 표면을 평탄화하거나 습윤화하는데 충분히 두꺼울 수 있다. 예컨대, 10nm와 같이 작은 HIL 두께가 평활한 애노드 표면을 위해 수용가능하다. 하지만, 애노드 표면은 매우 거칠어지려는 경향이 있기 때문에, 일부 경우에 50nm까지의 HIL 두께가 소망될 수 있다.

보호층은 후속 제조 공정 중에 하지층을 보호하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 금속 또는 금속 산화물 탑 전극(top electrode)을 제조하는데 사용되는 공정은 유기층을 손상시킬 수 있으며, 보호층이 그러한 손상을 줄이거나 없애기 위해 사용될 수 있다. 장치(400)에서, 보호층(455)은 캐소드(460)의 제조 동안에 하지 유기층에 대한 손상을 줄일 수 있다. 바람직하게는, 보호층은 장치(400)의 구동 전압을 현저히 증가시키지 않도록, (장치(400) 내의 전자)를 이송하는 캐리어의 유형을 위한 높은 캐리어 이동도를 갖는다. CuPc, BCP, 및 각종 금속 프탈로시아닌은 보호층에 사용될 수 있는 재료의 예이다. 다른 재료 또는 그 조합이 사용될 수도 있다. 보호층(455)의 두께는 유기 보호층(460)이 적층된 후에 일어나는 제조 공정으로 인한 하지층에 대한 손상이 없거나 적게 하도록 충분히 두껍지만, 장치(400)의 구동 전압을 현저히 증가시키도록 두껍지 않은 것이 바람직하다. 보호층(455)은 그것의 전도율을 증가시키기 위해 도프될 수 있다. 예컨대, CuPc 또는 BCP 보호층(460)이 Li로 도프될 수 있다. 보호층의 더욱 상세한 설명은, 여기에 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허출원 일련번호 09/931,948호(Lu et al.)에 기술된다.

달리 특정하지 않는 한, 각종 실시예의 임의의 층이 적법한 방법에 의해 적층될 수 있다. 유기층의 경우, 바람직한 방법은, 전체가 참고자료로 여기에 포함되는 미국 특허 제6,013,982호 및 제6,087,196호에 기재된 바와 같은 열 증발, 잉크-젯과, 전체가 참고자료로 여기에 포함되는 미국 특허 제6,337,102호(Forrest et al.)에 개시된 바와 같은 유기 기상 적층(OVPD)과, 전체가 참고자료로 여기에 포함되는 미국 특허 출원 번호 10/233,470호에 개시된 바와 같은 유기 기상 제트 인쇄(OVJP)를 포함한다. 다른 적합한 적층 방법은 스핀 코팅 및 다른 용액 기반 프로세스를 포함한다. 용액 기반 프로세스는 질소 또는 불활성 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 다른 층의 경우, 바람직한 방법은 열 증발을 포함한다. 바람직한 패터닝 방법은, 전체가 여기에 참고자료로 포함되는 미국 특허 제6,294,398호 및 제6,468,819호에 개시된 바와 같은 마스크를 통한 적층, 냉간 용접(cold welding)과, 잉크-젯 및 OVJD와 같은 일부 적층 방법과 관련된 패터닝을 포함한다. 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 적층될 재료는 특정 적층 방법과 혼화되도록 변형될 수 있다. 예컨대, 분지되거나 분지되지 않고, 바람직하게는 적어도 3개의 탄소를 함유하는 알킬 및 아릴기와 같은 치환기가 용액 처리를 견디는 능력을 향상시키기 위해서 소분자에 사용될 수 있다. 20개 이상의 탄소를 갖는 치환기가 사용될 수 있으며, 3-20개의 탄소가 바람직한 범위이다. 비대칭 재료는 재결정화 경향이 낮기 때문에, 비대칭 구조를 갖는 재료가 대칭 구조를 갖는 재료보다 용액 처리능이 더 좋다. 덴드라이머 치환기가 용액 처리를 견디는 소분자의 능력을 향상시키기 위해서 사용될 수 있다.

여기에 개시된 분자는 본 발명의 범주 내에서 다수의 상이한 방식으로 치환될 수 있다. 예컨대, 치환기가 첨가된 후, 1 이상의 두자리 리간드가 서로 결합되어 예컨대, 3자리 리간드 또는 6자리 리간드를 형성하도록 하기 위해, 치환기는 3개의 두자리 리간드를 갖는 화합물에 첨가될 수 있다. 이러한 유형의 결합은 당업계에서 "킬레이팅 효과(chelating effect)"로서 일반적으로 이해되는 것으로 인하여, 결합이 없는 유사한 화합물에 비하여 안정도를 증가시킬 수 있는 것으로 여겨진다.

본 발명의 실시예에 따라서 제조된 장치는 플랫 패널 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 광고 게시판, 내부 또는 외부 조명 및/또는 시그널링(signaling)을 위한 광원, 완전 투명한 디스플레이, 가요성 디스플레이, 레이저 프린터, 전화, 휴대 전화, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 마이크로-디스플레이, 자동차, 대면적 벽, 극장 또는 스타디움 스크린, 또는 간판을 포함하는 여러 종류의 소비재에 포함될 수 있다. 수동 매트릭스 및 능동 매트릭스를 포함하는 각종 제어 메커니즘이 본 발명에 따라 제조된 장치를 제어하는데 사용될 수 있다. 여러 장치는 18℃ 내지 30℃, 더욱 바람직하게는 실온(20℃ 내지 25℃)과 같이 인간에게 안락한 온도에서 사용되도록 의도된다.

본 발명을 특정예 및 바람직한 실시예에 대하여 기술하였지만, 본 발명은 그러한 예 및 실시예에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 그리하여, 청구한 바와 같은 본 발명은 당업자에게 자명한 바와 같이, 여기에 기술한 특정예 및 바람직한 실시예로부터의 변형예를 포함할 수 있다.

Claims

제1 전극을 포함하는 도전성 코어;

상기 코어를 둘러싸며 상기 제1 전극에 전기적으로 접속되는 유기 광활성층으로 형성된 광활성 영역; 및

상기 유기 광활성층을 둘러싸고 그 유기 광활성층에 전기적으로 접속되는 투명한 제2 전극을 포함하는 감광성 장치 구조체로서,

상기 유기 광활성층은 도너-억셉터 이형접합(heterojunction)을 형성하는 도너 타입 재료와 억셉터 타입 재료를 포함하며, 도너 타입 재료와 억셉터 타입 재료는 광자를 흡수하여 여기자를 형성하고,

상기 유기 광활성층 내에 형성된 여기자는 도너-억셉터 계면의 여기자 확산 길이(L_D) 이내에 존재하는 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 코어는 비도전성 지지 부재와, 상기 비도전성 지지 부재를 둘러싸는 도전성 제1 전극을 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제2항에 있어서, 상기 지지 부재는 나일론 섬유를 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제2항에 있어서, 상기 지지 부재는 광섬유를 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 도전성 코어는 금속 와이어를 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극에 전기적으로 결합되는 전기적으로 도전성인 보조 도체를 더 포함하는 감광성 장치 구조체.
제6항에 있어서, 상기 보조 도체는 상기 코어의 축과 실질적으로 평행한 축을 갖는 것인 감광성 장치 구조체.
제6항에 있어서, 상기 보조 도체는 적어도 상기 제2 전극의 원주의 듀티 사이클(duty cycle)로 상기 제2 전극 둘레에 권취되고, 여기서 듀티 사이클이란 보조 도체가 완전히 회전하는 제2 전극을 따른 축 간격을 의미하는 것인 감광성 장치 구조체.
제6항에 있어서, 상기 보조 도체는 금속 와이어, 금속화된 와이어, 금속 리본, 금속화된 리본, 및 금속 코팅 중 하나인 것인 감광성 장치 구조체.
제6항에 있어서, 상기 보조 도체는 상기 제2 전극을 둘러싸는 전기 도체의 끈(braid)인 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 은, 금, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 PEDOT 및 PSS로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유기 광활성층은 비-광활성 영역을 더 포함하는 것인 감광성 장치 구조체.
제14항에 있어서, 상기 비광활성 영역은 여기자 블로킹층인 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 광활성 영역은 한 쌍의 유기 광활성 재료 사이에 이형접합을 포함하며, 상기 한 쌍의 유기 광활성 재료는 PCBM/MDMO-PPV, CuPc/C₆₀, 및 CuPc/PTCBI로 이루어진 군에서 선택되는 것인 감광성 장치 구조체.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극을 둘러싸는 외부층을 더 포함하는 감광성 장치 구조체.
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복수의 섬유를 포함하는 직물로서, 각각의 섬유는

제1 전극을 포함하는 도전성 코어;

상기 코어를 둘러싸며 상기 제1 전극에 전기적으로 접속되는 유기 광활성층으로 형성된 광활성 영역; 및

상기 유기 광활성층을 둘러싸고 그 유기 광활성층에 전기적으로 접속되는 투명한 제2 전극을 포함하는 감광성 장치 구조체를 더 포함하고,

각 섬유에 대해, 상기 유기 광활성층은 도너-억셉터 이형접합을 형성하는 도너 타입 재료와 억셉터 타입 재료를 포함하며, 도너 타입 재료와 억셉터 타입 재료는 광자를 흡수하여 여기자를 형성하고,

상기 유기 광활성층 내에 형성된 여기자는 도너-억셉터 계면의 여기자 확산 길이(L_D) 이내에 존재하는 것인 직물.
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