KR101795964B1 - 하이브리드 유기 전자소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 유기 전자소자에 관한 것으로서, 전자주게형 고분자 물질과 전자받게형 플러렌유도체로 이루어진 이종 접합층에 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 첨가된 하이브리드 유무기 복합층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자의 높은 전도도 및 전자 이동도로 인해 하이브리드 유기 전자소자의 효율이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 알코올 용매 뿐 아니라 유기 용매에서도 분산이 잘 이루어져 용매의 종류에 제한을 받지 않으므로 용액 공정을 통해 용이한 제작이 가능함에 따라 생산효율이 크게 향상된다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자의 높은 전도도 및 전자 이동도로 인해 하이브리드 유기 전자소자의 효율이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 알코올 용매 뿐 아니라 유기 용매에서도 분산이 잘 이루어져 용매의 종류에 제한을 받지 않으므로 용액 공정을 통해 용이한 제작이 가능함에 따라 생산효율이 크게 향상된다.
Description
본 발명은 하이브리드 유기 전자소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 전도도 및 전자 이동도를 가지면서 알코올 용매 뿐 아니라 유기용매에서도 분산이 잘 이루어지는 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자를 포함하는 하이브리드 유무기 복합층이 구비된 하이브리드 유기 전자소자에 관한 것이다.
일반적으로 유기 전자소자란 정공 및/또는 전자를 이용한 전극과 유기물 사이에서의 전하 교류를 필요로 하는 전자소자를 의미한다. 이러한 유기 전자소자는 동작 원리에 따라 하기와 같이 크게 두가지로 나눌 수 있다.
첫째는 외부의 광원으로부터 소자로 유입된 광자에 의하여 유기물층에서 엑시톤(exiton)이 형성되고 이 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되며, 이 전자와 정공이 각각 다른 전극으로 전달되어 전류원(전압원)으로 사용되는 형태의 전기소자이다.
둘째는 2개 이상의 전극에 전압 또는 전류를 가하여 전극과 계면을 이루는 유기물 반도체에 정공 및/또는 전자를 주입하고, 주입된 전자와 정공에 의하여 동작하는 형태의 전자소자이다.
이러한 유기 전자소자의 예로는 유기 태양전지, 유기 광 다이오드 및 유기 광 트랜지스터 등이 있으며, 이들은 모두 소자의 구동을 위한 정공 수송 물질, 전자 수송 물질을 필요로 하며, 이러한 물질로 이루어진 층이 유기 전자소자의 반도체층이다.
한편, 유기 전자소자의 반도체층으로 사용되는 반도체물질로 종래에는 정공 수송을 이용하는 전자주게형 반도체물질을 사용하거나, 전자 수송을 이용하는 전자받게형 반도체물질이 각각 사용되었다.
그러나, 1900년대 후반에 전자주게형 반도체물질과 전자받게형 반도체물질을 혼합한 벌크 이종접합층(벌트헤테로정션, BHJ)의 개념이 도입되었고, 전자받게 반도체물질로서, 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지로 인해 높은 전자 이동도를 가지는 플러렌(Fullerene)유도체가 도입됨에 따라 유기 전자소자의 효율면에서의 획기적인 발전이 있었다.
그러나, 플러렌유도체는 고가인데다 합성이 어려울 뿐 아니라 용해도가 좋지않아 용액공정으로 제조하는 경우 낮은 전자이동도를 갖는다는 문제점이 있었다..
위와 같은 문제점으로 인해 최근에는 벌크 이종 접합층에 높은 전자 이동도를 가지는 전자받게형 금속 산화물 나노입자의 도입이 시도되었으나, 이러한 금속 산화물 나노입자는 메탄올과 같은 알코올 용매에서는 분산이 잘 일어나나, 클로로벤젠과 같은 유기용매에서는 분산이 잘 이루어지지지 않아 유기용매를 사용하는 복합박막구조에는 적용이 어려워 먼저 금속 산화물 나노입자를 알코올 용매를 통해 골고루 분산시킨 후 유기용매를 적용해야 하는 번거로운 문제점이 있었다.
이에 기존의 물질을 대체하기 위해 높은 전도도 및 전자 이동도를 가지면서 알코올 용매 뿐 아니라 유기용매에서도 분산이 잘 이루어지는 새로운 전자받게형 반도체 물질들의 지속적인 연구개발이 필요한 실정이다
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996))
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 전도도 및 전자 이동도를 가지면서 알코올 용매 뿐 아니라 유기용매에서도 분산이 잘 이루어지는 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자를 포함하는 하이브리드 유무기 복합층이 구비된 하이브리드 유기 전자소자를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 전자주게형 고분자 물질과 전자받게형 플러렌유도체로 이루어진 이종 접합층에 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 첨가된 하이브리드 유무기 복합층을 포함하는 하이브리드 유기 전자소자를 제공함에 있다.
여기서, 상기 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자의 함량은 1wt% ~ 2wt% 범위인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전자주게형 고분자 물질은 PTB7-Th, PTB7, PCDTBT, PBDTT-DPP, PffBT4T-2OD, P3HT 중 선택된 어느 하나인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 전자받게형 플러렌유도체는 PC71BM, PC61BM,ICBA, Bis-PC71BM, Bis-PC61BM 중 선택된 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
아울러, 상기 전자받게형 금속산화물은 ZnO, TiO2, Al2O3, SnO2, SiO2 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
한편, 상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 태양전지로서, 광 흡수층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 다이오드로서, 광 흡수층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 트랜지스터로서, 채널층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자의 높은 전도도 및 전자 이동도로 인해 하이브리드 유기 전자소자의 효율이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 알코올 용매 뿐 아니라 유기 용매에서도 분산이 잘 이루어져 용매의 종류에 제한을 받지 않으므로 용액 공정을 통해 용이한 제작이 가능함에 따라 생산효율이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 전자주게형 고분자와 전자받게형 플러렌유도체로 이루어진 이종 접합층에 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 첨가된 하이브리드 유무기 복합층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 하이브리드 유무기 복합층은 금속산화물 나노입자의 높은 전도도 및 전자 이동도로 인해 하이브리드 유기 전자소자의 효율을 향상시키는 역할을 한다.
한편, 금속산화물 나노입자의 경우, 메탄올과 같은 알코올 용매에서는 분산이 잘 일어나나, 클로로벤젠과 같은 유기용매에서는 분산이 잘 이루어지지 않아 클로로벤젠과 같은 유기용매를 사용하는 복합 박막 구조에서는 적용이 어려우나, 본 발명은 금속산화물 나노입자에 알킬기를 합성하여 알코올 용매 뿐 아니라 유기용매에서도 분산이 잘 이루어지도록 하여 하이브리드 유무기 복합층을 용액공정을 통해 용이하게 제작함에 따라 이에 따른 대량생산이 가능한 이점이 있다.
여기서, 하이브리드 유무기 복합층을 구성하는 전자주게형 고분자 물질로는 PTB7-Th(Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzol[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)], PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]] PCDTBT(Poly N-9-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole), PBDTT-DPP(Poly{2,6'-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,4-b]dithiophene-alt-5-dibutyloctyl-3,6-bis(5-bromothiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione}, PffBT4T-2OD(Poly[(5,6-difluoro-2,1,3-benzothiadiazol-4,7-diyl)-alt-(3,3'''-di(2-octyldodecyl)-2,2';5',2'';5'',2'''-quaterthiophen-5,5'''-diyl)], P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 PTB7-Th이 사용되었다.
전자받게형 플러렌 유도체는 PC71BM([6,6]-phenylC71-butyric acid methyl ester), PC61BM([6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester),ICBA(Indene-C60 bisadduct), Bis-PC71BM(Bis-[6,6]-phenylC71-butyric acid methyl ester), Bis-PC61BM(Bis-[6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester) 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 PC71BM이 사용되었다.
알킬기를 가지는 금속산화물 나노입자의 합성에 사용되는 금속산화물로는 ZnO, TiO2, Al2O3, SnO2, SiO2 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 ZnO을 사용하여 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)를 합성하였다.
여기서, ZnO을 사용하여 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자를 합성하는 방법을 간단하게 살펴보면, 60℃의 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine)과 N,N-디스클로헥실카르보디이미드(N,N-demethylformamide)의 촉매 환경에서 용제로서 N,N-디메틸포름아미드(N,N-demethylformamide)를 사용하여 산화아연 나노입자(ZnONP)와 옥탄산(Octanoic acid)을 질소분위기에서 12시간 반응시켜 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)를 합성하였다.
그리고, 97:3 부피비의 클로로벤젠(chlorobenzene, CB)용제와 DIO(1,8iiodoctane)를 첨가하여 전자주게형 고분자 물질인 PTB7-Th와 전자받게형 플러렌유도체인 PC71BM을 1:1.5의 중량비로 혼합한 (PTB7-Th:PC71BM)혼합용액을 준비하고, (PTB7-Th:PC71BM)혼합용액에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)를 15wt%까지 변화시키면서 추가한 후, 실온에서 24시간 동안 강하게 스터링하여 하이브리드 유무기 복합층을 형성하기 위한 (PTB7-Th:PC71BM:8R-ZnONP)혼합용액을 제작하였다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 하이브리드 유무기 복합층을 이용하여 제조되는 하이브리드 유기 전자소자의 다양한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 유기 태양전지로서, 기판(10), 음극전극(11), 전자 수집층(12), 광 흡수층(13), 정공 수집층(14) 및 양극전극(15)이 순차적으로 적층되는 일반적인 유기 태양전지의 구조이나, 전자 수집층(12)과 정공 수집층(14) 사이에 개재되는 광 흡수층(13)이 전술한 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 광 흡수층(13) 내부에는 도시된 바와 같이, 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)(13a)가 균일하게 분산되어 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지의 제조방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 유리기판(10) 상에 인듐 주석 산화물을 코팅한 후, 투명한 음극전극(11)을 형성하기 위해 포토리소그래피/에칭 공정을 적용하여 인듐 주석 산화물(ITO)이 코팅된 유리기판(10)을 패터닝하였다.
그리고, 포토레지스트 잔여물을 제거하기 위해 패터닝된 ITO coated 유리기판을 아세톤(acetone)과 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 조에서 세척한 후, 유기 잔여물을 제거하기 위해 자외선-오존 시스템을 사용하여 10분간 드라이 클리닝하였다.
다음으로, 세척이 완료된 ITO coated 유리기판 표면에 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dihydrate)을 94:6 vol% 비율의 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)과 에탄올아민(Ethanolamine)으로 녹여서 만든 용액을 스핀 코팅 한 후, 200℃에서 1시간 동안 baking 처리하여 30nm 두께의 산화아연으로 이루어진 전자 수집층(12)을 형성하였다.
이후, 질소가 채워진 글로브 박스 내에서 전자 수집층(12) 상부에 (PTB7-Th:PC71BM:8R-ZnONP)혼합용액을 스핀 코팅한 후, 동일한 글로브 박스 내에서 실온 건조하여 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 80nm 두께의 광 흡수층(13)을 형성하였다.
마지막으로, 1*10-6까지 감압된 챔버 내에서 산화몰리브덴(MoO3)과 은(Ag)의 순차적인 증착에 의해 광 흡수층(13) 상부에 10nm의 정공 수집층(14)과 60nm의 양극전극(15)을 순차적으로 형성하여 0.055cm2의 활성면적을 가지는 유기 태양전지를 제작하였다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
태양광 시뮬레이터의 유사 태양광을 상기와 같이 제작된 유기 태양전지에 조사하여 유기 태양전지의 흡수 스펙트럼을 측정하였다.
여기서, 유사 태양광의 조건은 일반적으로 사용되는 태양전지의 표준 시험조건인 일조 강도 100mW/cm2, 대기 질량정수(air mas, AM) 1.5G, 표면온도 25℃의 상태이다.
그리고, 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 각각 0wt%, 1wt%, 3wt%, 15wt% 첨가된 표본과 비교를 위해 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 0.1wt% 첨가된 표본에 대해 실험을 실시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지는 400nm이하의 파장에서는 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 0.1wt% 첨가된 표본과 0wt%, 1wt%, 3wt%, 15wt% 첨가된 표본들이 흡광도에서 현저한 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으나, 파장의 증가와 함께 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)의 함량이 증가함에 따라 흡광도에서 현저한 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다.
이는 유기 태양전지의 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 첨가된 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)의 전자 수집 기능이 플러렌 유도체인 PC71BM의 전자 수집 기능에 부가되어 저항 요소가 감소됨에 따라 유기 태양전지의 효율이 향상됨을 나타낸다.
그리고, 태양광 시뮬레이터의 유사태양광을 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지에 조사하면서 전압에 따른 전류밀도를 측정해 보았다.
이 때, 유기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 각각 0wt%, 1wt%, 3wt%, 15wt% 첨가된 표본에 대해 실험을 실시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 0wt% 첨가된 표본에 비해 1wt% 첨가된 표본에서 전류밀도가 증가됨을 알 수 있다.
그에 반해, 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 3wt%, 15wt%로 증가됨에 따라 전류밀도는 감소되는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 3의 내부그래프를 살펴보면, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 0wt% 첨가된 표본에 비해 1wt% 첨가된 표본에서 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)이 증가되나, 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)가 3wt%, 15wt%로 증가됨에 따라 외부양자효율(EQE)이 감소되는 것을 볼수 있다.
이를 볼 때, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)의 함량을 1wt%~2wt% 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 하이브리드 유무기 복합층에 금속산화물 나노입자가 첨가됨에 따라 유기 태양전지의 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 소자는 유기 광 다이오드로서, 기판(20), 음극전극(21), 전자 수집층(22), 광 흡수층(23), 정공 수집층(24) 및 양극전극(25)이 순차적으로 적층되는 일반적인 유기 광 검출기의 구조이나, 전자 수집층(22)과 정공 수집층(24) 사이에 개재되는 광 흡수층(23)이 전술한 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 광 흡수층(23) 내부에는 도시된 바와 같이, 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)(23a)가 균일하게 분산되어 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 소자인 유기 광 다이오드의 제조방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 유리기판(20) 상에 인듐 주석 산화물을 코팅한 후, 투명한 음극전극(21)을 형성하기 위해 포토리소그래피/에칭 공정을 적용하여 인듐 주석 산화물(ITO)이 코팅된 유리기판(20)을 패터닝 하였다.
그리고, 포토레지스트 잔여물을 제거하기 위해 패터닝된 ITO coated 유리기판을 아세톤(acetone)과 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 조에서 세척한 후, 유기 잔여물을 제거하기 위해 자외선-오존 시스템을 사용하여 10분간 드라이 클리닝하였다.
다음으로, 세척이 완료된 ITO coated 유리기판 표면에 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dihydrate)을 94:6 vol% 비율의 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)과 에탄올아민(Ethanolamine)으로 녹여서 만든 용액을 스핀 코팅 한 후, 200℃에서 1시간 동안 baking 처리하여 30nm 두께의 산화아연으로 이루어진 전자 수집층(22)을 형성하였다.
이후, 질소가 채워진 글로브 박스 내에서 전자 수집층(22) 상부에 (PTB7-Th:PC71BM:8R-ZnONP)혼합용액을 스핀 코팅한 후, 동일한 글로브 박스 내에서 실온 건조하여 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 80nm 두께의 광 흡수층(23)을 형성하였다.
마지막으로, 1*10-6까지 감압된 챔버 내에서 산화몰리브덴(MoO3)과 은(Ag)의 순차적인 증착에 의해 광 흡수층(23) 상부에 10nm의 정공 수집층(24)과 60nm의 양극전극(25)을 순차적으로 형성하여 0.09cm2의 활성면적을 가지는 유기 광 다이오드를 제작하였다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 측정한 그래프이다.
상기와 같이 제작된 유기 광 다이오드에 입사광의 파장을 증가시키면서 전압에 따른 전류밀도를 측정하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 광 다이오드는 빛이 조사되지 않은 상태에서는 전류밀도가 0으로 나타났으며, 빛을 조사된 상태에서는 빛의 파장이 증가함에 따라 전류밀도가 증가하는 것으로 나타났다.
이를 볼 때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 안정된 광 검출 특성을 가지는 것이 확인되어 유기 광 다이오드로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 개략도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 트랜지스터로서, 기판(30), 게이트 전극(31), 게이트 절연층(32), 채널층(33), 소스 전극(34) 및 드레인 전극(35)으로 이루어진 일반적인 트랜지스터 구조이나, 채널층(33)이 전술한 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 채널층(33) 내부에는 도시된 바와 같이, 알킬기를 가지는 산화아연 나노입자(8R-ZnONP)(33a)가 균일하게 분산되어 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 광 트랜지스터의 제조방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 유리기판(30) 상에 인듐 주석 산화물을 코팅한 후, 투명한 게이트 전극(31)을 형성하기 위해 포토리소그래피/에칭 공정을 적용하여 인듐 주석 산화물(ITO)이 코팅된 유리기판(30)을 패터닝하였다.
그리고, 포토레지스트 잔여물을 제거하기 위해 패터닝된 ITO coated 유리기판을 아세톤(acetone)과 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 조에서 세척한 후, 유기 잔여물을 제거하기 위해 자외선-오존 시스템을 사용하여 10분간 드라이 클리닝하였다.
다음으로, 세척이 완료된 ITO coated 유리기판 표면에 게이트 절연체 용액을 스핀 코팅한 후, 120℃에서 1시간 동안 baking 처리하여 500nm 두께의 게이트 절연층(32)을 형성하였다.
이후, 질소가 채워진 글로브 박스 내에서 게이트 절연층(32) 상부에 (PTB7-Th:PC71BM:8R-ZnONP)혼합용액을 스핀 코팅한 후, 동일한 글로브 박스 내에서 실온 건조하여 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 50nm두께의 채널층(33)을 형성하였다.
마지막으로, 1*10-6까지 감압된 챔버 내에서 은(Ag)의 증착에 의해 채널층(33) 상부에 60nm 두께를 가지는 소스 전극(34) 및 드레인 전극(35)을 형성하여 70㎛*3mm의 활성면적을 가지는 유기 광 트랜지스터를 제작하였다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
상기와 같이 제작된 유기 광 트랜지스터의 게이트 전극에 인가되는 전압을 증가시키면서, 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류의 양을 측정하였다.
그 결과, 도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 광 트랜지스터는 게이트 전극에 인가되는 전압을 증가시킴에 따라 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류의 양이 증가되는 것을 알 수 있다.
이를 볼 때, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 트랜지스터의 특성을 나타냄을 확인하였다.
상기와 같이 제작된 유기 광 트랜지스터에 입사되는 빛의 세기를 증가시키면서 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류의 양을 측정하였다.
그 결과, 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자인 유기 광 트랜지스터는 빛이 조사되는 경우 전류값이 증가하는 것으로 나타났으며, 조사되는 빛의 세기가 증가함에 따라 전류값이 현저하게 증가되는 것으로 나타났다.
이를 볼 때, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 트랜지스터로서 사용할 수 있음을 확인하였다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10, 20 : 기판 11, 21 : 음극전극
12, 22 : 전자 수집층 13, 23 : 광 흡수층
14, 24 : 정공 수집층 15, 25 : 양극전극
30 : 기판 31 : 게이트 전극
32 : 게이트 절연층 33 : 채널층
34 : 소스전극 35 : 드레인전극
12, 22 : 전자 수집층 13, 23 : 광 흡수층
14, 24 : 정공 수집층 15, 25 : 양극전극
30 : 기판 31 : 게이트 전극
32 : 게이트 절연층 33 : 채널층
34 : 소스전극 35 : 드레인전극
Claims (8)
- 전자주게형 고분자 물질과 전자받게형 플러렌유도체로 이루어진 이종 접합층에 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자가 첨가된 하이브리드 유무기 복합층을 포함하며, 상기 알킬기를 가지는 전자받게형 금속산화물 나노입자의 함량은 1wt% ~ 2wt% 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전자주게형 고분자 물질은 PTB7-Th, PTB7, PCDTBT, PBDTT-DPP, PffBT4T-2OD, P3HT 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자받게형 플러렌유도체는 PC71BM, PC61BM,ICBA, Bis-PC71BM, Bis-PC61BM 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자받게형 금속산화물은 ZnO, TiO2, Al2O3, SnO2, SiO2 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 태양전지로서,
광 흡수층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 다이오드로서,
광 흡수층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 유기 전자소자는 유기 광 트랜지스터로서,
채널층이 상기 하이브리드 유무기 복합층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기 전자소자.
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP5690115B2 (ja) | 2009-10-29 | 2015-03-25 | 住友化学株式会社 | 有機光電変換素子 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5690115B2 (ja) | 2009-10-29 | 2015-03-25 | 住友化学株式会社 | 有機光電変換素子 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| GRNT | Written decision to grant |