KR101815072B1 - 적외선 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 적외선을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 유기박막필름을 소수 적층하여 야간투시경이 제작될 수 있다. 본 자치의 실시예는 10 내지 15볼트의 저전압에서 작동 가능하며, 종래의 야간투시경과 비교하여 저비용 생산이 가능하다. 본 장치의 실시예는 일렬로 적층된 유기 포토트랜지스터를 유기발광장치와 병합하여 제작될 수 있다. 특정 실시예에서, 모든 전극은 적외선 투과 특성을 갖는다. 적외선 검출층은 유기발광장치(OLED)와 결합하여 적외선/가시광 색상 업-컨버전이 가능하다. 적외선 검출층의 일부로 푸어 홀 수송층 소재를 이용함으로써 개선된 암전류 특성을 확보할 수 있다.

Description

적외선 검출 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SENSING INFRARED RADIATION}
본 출원은 2009년 11월 24일자로 출원된 가출원번호 제61/264071호의 우선권을 주장하고, 이는 숫자, 표 또는 도면을 포함하여 전체로서 참조로 여기에 통합되었다.
본 발명은 적외선 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 야간투시경(Night Vision Goggles)을 이용하기 위해서는 고압의 작동전압 및 많은 비용이 요구된다. 일반적인 야간투시경은 고유의 광원을 사용하는 것이 아니라 자연광을 증폭하여 사용하는 형태의 복잡한 전기-광학(electro-optical) 장치이다. 야간투시경은 가시광선부터 적외선까지를 포함하는 광범위한 광 스펙트럼에 민감하게 작동한다.
일반적인 구성에 의하면, 대물렌즈라고 불리우는 전통적인 렌즈는 주변광(ambient light) 및 근적외선 일부를 포획(capture)한다. 그리고 나서, 집속된 광은 영상 증폭관(image-intensifier tube)로 보내진다.
증폭관은 일반적으로 대략 5000 볼트의 고전압 출력하여 튜브 부품으로 보낸다. 영상 증폭관은 광에너지의 광자를 전자로 변환하기 위하여 광캐소드(photo cathode)를 이용한다. 전자가 튜브를 통과함에 따라서, 튜브 내의 원자로부터 더 많은 수의 전자가 방출되며, 이는 최초 전자 수 대비 천 단위의 숫자로 증폭된 수에 해당한다. 마이크로 채널 플레이트(MCP:Micro Channel Plate)를 이용하여 이러한 증폭을 구현할 수 있다. 광캐소드로부터 방출된 전자가 마이크로 채널 플레이트의 제1전극에 충돌하고, 그들이 가속되어 고전압 버스트(bursts)로 유리 마이크로 채널 내로 가속되어 전극쌍의 사이에 주입될 수 있도록 마이크로 채널 플레이트이 튜브내에 위치하게 된다. 전자가 마이크로 채널을 통과하면, 이러한 전자들은 축차적 이차방사(cascaded secondary emission)라 불리는 방식으로 각 채널 내의 다른 전자가 방출될 수 있도록 유도한다. 이러한 방식으로 새롭게 방출되는 전자들 역시 다른 원자와 충돌함으로써, 채널 내 소수의 전자 주입만으로 많은 수의 전자를 생성할 수 있는 연쇄반응을 일으킨다.
튜브의 단부에서, 생성된 전자들이 인광체(phosphors)로 코팅된 스크린과 충돌할 수 있도록 영상 증폭관이 마련된다. 이러한 전자들은 통과하는 채널에서부터의 위치를 유지하게 된다. 전자 에너지는 인광체가 여기상태(excited state)에 도달하여 광자를 방출하도록 유도한다. 이러한 인광체는 스크린 상에 야간 투시경의 특징이 되는 녹색의 영상을 생성한다. 전자들이 최초 광자와 동일한 위치에 정렬되므로, 신뢰가능한 영상이 만들어질 수 있다. 녹색 인광 영상은 영상을 확대하여 초점을 맞추는 접안렌즈(ocular lens)라 불리는 다른 렌즈를 통하여도 볼 수 있다. 야간 투시 장치는 모니터와 같은 전자 디스플레이 장치에 연결되거나, 접안렌즈를 통하여 영상을 직접적으로 볼 수도 있다.
최근 들어, 광 업-컨버젼(light up-conversion) 장치가 야간 투시분야, 거리 측정분야, 보안분야 뿐만 아니라 반도체 웨이퍼 검사장비에 이용될 수 있다는 잠재성으로 인하여 연구 대상으로 크게 각광받고 있다. 종래의 근적외선(NIR) 업-컨버젼 장치들은 대부분 무기 반도체의 헤테로 접합(heterojunction) 구조에 기반을 두고 있었다. 이러한 장치들은 순서대로 두 개의 부분으로 구성된다: 첫번째는 광검출을 위한 부분이고, 두번째는 광발생을 위한 부분이다. 이러한 업-컨버젼 장치들은 광검출 하는 방식에 있어서 크게 차이를 보인다. 단, 이러한 최근 장치들의 업-컨버젼 효율이 낮은 상태로 유지되고 있다. 예를 들면, 반도체 기반의 광검출기를 구비한 발광다이오드(LED) 적층식 구조의 근적외선/가시광 업-컨버젼 장치들의 최대 외부 변환 효율(external conversion efficiency)이 0.048(4.8%)W/W에 불과하다. 유기발광다이오드와 무기 InGaAs/InP 광검출기가 조합된 유기/무기 하이브리드형 업-컨버젼 장치의 경우에도 최대 외부 변환 효율은 0.7% W/W에 불과하다. 또한, 현재 무기 및 하이브리드 업-컨버젼 장치들은 제작하는데 많은 비용이 소요되고, 이러한 장치를 제작하는 공정으로는 대면적의 제품에 적용되는 장치를 제작할 수 없다.
본 발명의 실시예에 의하면 적외선을 검출하는 장치 및 방법에 지공된다.
본 발명의 실시예는 적외선(IR) 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 적외선 검출을 위한 특정 실시예에 의하면 개선된 전류 특성을 제공한다. 일실시예는 전-유기 장치를 포함한다. 일실시예에서, 전-유기 업-컨버젼 장치는 유기발광장치(OLED) 및 유기 광검출기를 단일 장치로 통합하여 제작함으로써 마련될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 유기발광장치의 적외선 검출층은 푸어 홀 수송층을 형성할 수 있다. 특정 실시예에서, 적외선/가시광 업-컨버젼을 제공하기 위하여 적외선 검출층과 유기발광장치가 병합될 수도 있다.
특정 실시예에서, 야간투시 장치는 유기박막 필름 층을 적층하여 제작될 수 있다. 이러한 장치의 실시예들은 10-15 V의 범위의 전압에서 작동가능하며 종래의 야간투시 장치를 생산하는 경우보다 생산비용이 절감될 수 있다. 본 장치의 실시예들은 유기발광장치에 유기 포토트랜지스터(phototransistor)를 병합할 수 있다. 특정 실시예에서, 모든 전극들은 적외선광에 투명하다.
본 발명에 의하면, 저비용으로 제작하여 생산단가를 절감하고 우수한 변환효율을 갖는 적외선 검출장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 검출 업-컨버젼 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이고,
도 2는 단일의 전자가 복수개의 광자를 생성하도록 하는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 업-컨버전 장치의 작동을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다른 적외선 검출 업-컨버젼 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이고,
도 5는 도 4의 장치의 구조 다이어그램을 나타낸 것이고,
도 6a 및 도 6b는 도4의 장치의 광-전류-전압 특성을 나타낸 것으로서, 도 6a는 암전 상태에서 장치의 특성을 나타낸 것이고, 도 6b는 적외선에 노출된 경우 장치의 특성을 나타낸 것이다.
도 7a 및 도 7b는 컨트롤 유기 발광 장치(도 7a) 및 도 4(도 7b)의 장치의 전류효율을 나타낸 것이고,
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 100nm 두께의 순수 SnPc 필름과 100nm 두께의 SnPc:C60 혼합필름의 흡광도 스펙트럼을 나타내는 것이고,
도 8b는 컨트롤 유기발광장치(OLED)(도 7a에 삽입된 그림)의 암전시 전류-전압(I-V) 특성 및 하나의 장치는 100nm 두께의 순수 SnPc 필름이고 나머지 장치는 100nm 두께의 SnPc:C60 혼합필름인 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 업-컨버젼 장치들의 암전시 전류-전압(I-V) 특성을 각각 나타낸 것이고,
도 9a는 암전 및 광(적외선)방사 상태에서의 본 발명의 일실시예에 따른 적외선-녹색광 업-컨버전 장치의 광-전류-전압특성을 나타낸 것이고,
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선/녹색광 업-컨버젼의 온/오프(on/off) 비율을 전류밀도의 함수로 나타낸 것이고,
도 10a는 및 도 10b는 도 5 장치의 광자 대 광자 변환 효율(도 11a) 및 본 발명의 다른 실시예의 광자효율(도 11b)을 나타낸 것이다.
본 발명은 적외선(IR)을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 유기발광다이오드(OLED)와 유기 광검출기를 적층하여 하나의 장치로 통합함으로써 전유기(all-organic) 업-컨버젼(up-conversion) 장치가 제공된다. 경량으로서, 울퉁불퉁하거나 또는 유연한 특성의 플라스틱 기판을 구비하여 우수한 호환성을 가짐으로써, 본 발명의 실시예들에 따른 전유기 업-컨버젼 장치는, 제한되지는 않으나, 야시경 분야, 거리측정분야, 보안분야 및 반도체 웨이퍼 검사분야 등의 다양한 목적으로 이용될 수 있다.
특정 실시예에서, 야시경장치가 다수개 층의 유기 박막 필름이 적층되어 제작될 수 있다. 이러한 장치는 10-15 볼트 범위에서 작동하며 종래의 야시경에 비하여 저렴하게 제작될 수 있다. 특정 실시예에서, 모든 전극이 적외선을 투과할 수 있도록 제작될 수 있다.
열영상 촬영장치의 파장은 소재 선택에 의하여 설계될 수 있다. 특정 실시예에서, 촬영장치는 3층으로 적층되어 적외선에 민감한 적외선 흡수층을 포함한다. 일실시예는 단일 스택(stack)에 복수개로 적층된 발광장치(LED)를 포함하는 탠덤(tandem) 발광장치를 구비할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나의 광자는 촬영장치에 주입되고 적층된 5개의 발광장치를 통과함으로써, 5개의 광자를 생성, 출력한다. 서로 적층된 5개의 발광장치는 단일 발광장치보다 고전압을 요구하나, 저전압에서도 여전히 작동 가능하다. 5개의 적층된 발광장치는 단일 발광장치로 구성된 장치보다 촬영장치를 두껍게 만들며, 그에 따라, 잡음에 더욱 둔감한 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에서 적용될 수 있는 적외선 검출 업-컨버젼 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.
도 1에 도시된 본 발명의 적외선 검출 장치의 실시예는 적외선 증감기(sensitizer) 또는 적외선 검출층 및 발광장치로 구성되는 총 2개의 부분으로 나눌 수 있다. 일실시예에서, 도 1에 도시된 장치의 최대 양자 효율는 100%이다. 본 발명의 일실시예에서 성능 향상을 위하여 본 장치는 텐덤 구조로 제작된다.
본 발명의 일실시예에 따라서, 도 2에서는 적외선 검출층 및 발광장치를 포함하는 상술한 텐덤 구조를 도시하고 있다. 이러한 구조에 의하여, 단일의 전자가 복수개의 광자를 생성할 수 있다. 이러한 장치의 설계를 통하여, 장치는 이득을 확보할 수 있도록 개선될 수 있다. 장치의 두께 증가에 따라, 암전류(dark current)는 감소되고 장치의 성능은 대체로 증가될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 업-컨버젼 장치의 작동을 도시한다. 도시된 바와 같이, 적외선 파장을 가지는 광은 유리 또는 그 밖의 적절한 투명 또는 반-투명 소재로 구성되는 투명 또는 반-투명의 기판을 투과하여 장치에 입사된다. 그리고 나서 광자는 첫번째 투명전극을 통과한 후에 적외선 검출층과 충돌할 수 있다. 특정 실시예에서 적외선 검출층은 0.8μm 내지 2μm 범위에 민감하다. 다른 실시예에서는, 적외선 검출층은 700nm 내지 14 μm 범위, 1μm 내지 4μm, 1μm 내지 3μm의 파장대에 민감할 수 있다. 그리고 나서, 적외선 검출층은 발광장치들(LEDs)의 적층구조(stacks)를 통과하는 전자(electron)와 홀(hole)과 같은 캐리어(carrier)를 생산할 수 있다. 도 3에서는 유기발광장치들(OLDEs)로 도시되었으나 본 발명에서는 다른 종류의 발광장치가 이용될 수도 있다. 특정 실시예에서, 발광장치는 투명 또는 반-투명이다. 적외선 검출층에서 생성되는 전자와 같은 캐리어가 제1발광장치(도 3에서는 OLED)에 도달하여 홀과 같이 이에 대응되는 캐리어에 결합하며, 광자가 생성되어 본 장치를 통과한다. 제1발광장치와 제2발광장치(도 3에서 OLED 1과 OLED 2)사이의 전하분리층(charge separation layer)에서 전자와 홀이 생성되고, 홀은 제1발광장치 내에 주입되고, 적외선 검출층으로부터 생성되어 제1발광장치 내에 주입된 전자와 결합하여 광자를 생성한다. 여기서, 5 개의 발광장치들(LEDs)이 연속 배치되므로, 각 장치들을 통과하는 5개의 광자가 생성될 수 있다. 발광장치 들은 모두 동일한 형태이거나 서로 다른 구성일 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 발광장치는 박막필름 형태로 제작될 수 있다. 따라서, 복수개의 발광장치들은은 용이한 조작만으로 적층될 수 있다. 특정 실시예에서, 3개 내지 8개의 발광장치 들이 연속적으로 적층될 수 있다. 다른 실시예에서는 더 많은 발광다장치 들이 적층될 수 있다. 추가적인 발광장치의 적층으로 인하여, 성능은 향상되고 잡음(noise)은 줄어들 수 있다.
도 3을 참조하면, 특정 실시예에서, 홀차단층(hole blocking layer)(미도시)이 적외선이 통과하는 투명전극과 적외선 검출층 사이에 추가적으로 배치될 수도 있다. 이러한 층은 홀이 투명전극을 통과하여 적외선 검출층에 도달하거나 적외선 검출층을 통과하여 투명전극에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 홀차단층을 포함하는 특정 실시예에서는 산화아연(ZnO) 나노파티클, 이산화티타늄(TiO2) 나노파티클, 또는 기술분야에서 알려진 다른 적절한 소재가 이용될 수 있다. 산화아연 나노파티클 또는 이산화티타늄 파티클, 및/또는 산화아연층 또는 이산화티타늄층이 적외선 검출층을 적층하기 전에 투명전극 상에 적층될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서 두번째 투명(또는 반-투명)전극, 또는 캐소드(cathode)가 발광장치 적층구조의 반대측에 적층될 수 있다. 본 실시예에서, 전극 쌍 사이의 포텐셜(potential)에 의하여 전자와 같은 캐리어가 적외선 검출층으로부터 제1발광장치로 주입되고, 전자와 홀을 생성하는 각각의 전하분리층으로부터 생성되는 홀이 캐소드 전극 측의 발광장치 내로 주입된다. 이와 동일하게, 캐소드로부터 방출되는 전자들은 제5발광장치 내로 주입되고, 전하분리(생성)층들 내에서 생성되는 전자들은 애노드(anode) 측의 발광장치 내로 주입된다.
투명 전극들은 반사특성의 전극 소재(알루미늄과 같은)를 투명특성의 소재(산화 인듐-주석과 같은)로 변경하여 제작될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 층상구조의 CsCO3(1nm)/Ag(10nm)/ITO(100nm) 전극이 상측 전극으로 이용될 수 있다. CsCO3 간층(interlayer)은 유기발광장치를 구성하는 소재로 이용될 수 있는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl-Ester)의 전도(LUMO) 에너지에 대응되는 캐소드 일함수(work-function)를 낮춘다. 박막의 Ag 층은 전도성을 제공하고 ITO 층은 봉지화(encapsulation) 시킨다. 이러한 박막 필름층 구조의 실시예는 90%의 광투과성을 가지고, 일반적인 ITO의 70% 미만인 5 ohm/q 미만의 시트 저항(sheet resistance)을 갖는다. 특정 실시예에서는, MgAg 또는 ITO 박막 필름이 투명전극으로 이용될 수 있으며, 예를 들면, 최종단의 발광장치와 접촉하는 투명전극으로 이용될 수 있다. 특정 실시예에서 박막필름은 20nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
가시광선의 파장을 발생시키는 유기발광장치가 제작될 수 있다. 일실시예에서, 유기 방출층(organic emissive layer)은 각각 파란색 광, 녹색광, 붉은색 광을 방출하는 서로 다른 세개의 염료분자들을 포함한다.
각 장치에서 세 개의 염료분자의 상대량을 제어함으로써, 90이 넘는 높은 연색지수(color rendering index)의 백색광을 구현할 수 있다. 다른 실시예에서, 세개의 염료분자의 상대량을 조절하거나 각 분자에 전달되는 전력을 조절함으로써 서로 다른 색을 구현할 수 있다.
투명 유기발광장치들(OLEDs)에서, 캐소드로서 투명소재(산화 인듐-주석과 같은)가 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 광자는 적층 구조의 유기발광장치를 통과할 수 있다. 이러한 장치에 이용되는 유기소재는 이러한 소재들의 높은 밴드갭(band gap)(일반적으로 > 3eV) 특성에 따라 대부분 가시광선 범위 내에서 투과성을 가진다. 이러한 변형례들은 원하는 광을 방출하는 염료분자를 포함할 수 있다. 다만, 염료분자들은 일반적으로 10 - 30 nm 범위의 두께를 가지는 방출층 내에서 도펀트(dopants)(일반적으로 1-10 wt%의 농도로 투입)로 포함될 수 있다. 따라서, 전체적인 유기발광장치는 90% 이상의 매우 높은 광투과성을 가질 수 있다.
세 개의 염료를 포함하는 유기 방출층을 구비한 투명 유기발광장치 들의 제작시, 산화 인듐-주석 투명 캐소드를 스퍼터 증착(sputter deposition)하는 동안 하면의 유기층에 가해지는 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 투명전극용으로서 낮은 시트저항과 높은 투과성을 구현할 수 있으며, 전극/유기 경계면 상에서 효율적인 전하 방출이 가능하다. 상술한 바와 같이, CsCO3/Ag/ITO 합성전극은 유기발광장치의 투명전극으로 이용될 수도 있다. 또한, 그 방향으로 광추출이 용이하도록 기판 표면 상에 마이크로 렌즈 어레이를 형성할 수도 있다. 또한, 유기발광장치들은 90보다 큰 연색지수를 가지는 고품질의 광을 제공하도록 제작될 수 있다.
다른 실시예에서, 사용되는 전극과 발광장치들은 특정 파장의 광에 투과성을 가지고 다른 파장의 광은 흡수한다.
특정 실시예에 따르면, 광검출층은 PbSe와 Pbs 양자점(quantum dots)과 같은 양자점을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 대상 업-컨버젼 장치는 야간투시경 또는 다른 광증폭 장치에 적용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 녹색의 유기발광장치 들은 녹색 증폭 영상을 생산하기 위하여 종래의 야간 투시경과 함께 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 적외선 추출 업-컨버젼 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다. 일실시예에 따르면, 암전류 특성들이 향상되도록 적외선 검출 업-컨버젼 장치 내에 푸어 홀(poor hole) 주입(injection) 및 수송(transport)층이 포함될 수 있다. 특정 실시예에서는, 암전류를 감소시킴으로써 신호대 잡음비(SNR)를 증가시키기 위하여, 홀 주입 및 수송층은 1 mA/cm2 미만의 전류밀도(current intensity)를 가질 수 있는 소재로 선택될 수 있다. 덜 바람직하게는, 홀 주입 및 수송층으로서 1 mA/cm2 이상의 전류밀도(current intensity)를 가지는 소재가 이용될 수도 있으며, 암전류가 증가하고 신호대 잡음비가 감소되도록 전압을 인가하는 경우에는 전극으로부터의 홀 주입수가 증가될 수 있다. 일실시예에서, SnPc:C60 혼합층은 장치가 적외선 방출없이 낮은 암전류를 가지도록 한다. 이러한 실시예에서, 유기발광장치는 기본적으로 적외선에 노출되지 않는 경우에는 꺼질 수 있다.
도 5는 도 4의 장치의 구조 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 주석 프탈로시아닌(SnPc):C60 벌크 헤테로구조층을 근적외선(NIR) 증감기(sensitizer)로 사용하고 fac-tris(2phenylpyridinato) iridium(III)(lrppy3)층을 인광 에미터(phosphorescent emitter)로 사용하여 유기 근적외선(NIR) 및 가시광선 업-컨버젼 장치가 제공될 수 있다. 인광 에미터를 사용함으로써, 낮은 에너지 공급으로 광을 발생시키는 에너지 효율이 우수한 유기발광장치가 제공된다. 종래의 유기발광장치 구조와 한가지 차이점으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 업-컨버젼 장치에 의하면 적외선이 없는 경우에 장치가 오프상태를 유지하도록 푸어 홀 수송 적외선-증감층을 포함한다. 광-여기(photo-excitation)시에, 광발생 홀이 유기발광다이오 내로 주입되고 캐소드로부터 주입된 전자와 재결합하여 가시광을 발생시킨다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 장치의 광-전류-전압(L-I-V) 특성을 보여준다. CuPc:μh=7 x 10-4 cm2/Vs. SnPc:μh=2 x 10-10 cm2/Vs 이다. 도 6a는 장치가 어떠한 적외선에라도 노출되지 않은 경우의 특성을 보여준다. 속이 빈 원은 전류밀도(current density)를 나타내는 것이고 속이 꽉찬원은 휘도(luminescence)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 적외선 발생이 없는 경우에, 13V 까지는 발광하지 않는다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에서의 고전압 작동은 SnPc:C60 층으로부터의 푸어 홀 주입에 의한 것이다.
도 6B는 장치가 적외선에 노출되는 경우의 특성을 보여준다. 본 장치를 발광시키기 위하여 14 mW/cm2 의 830nm 레이저가 사용된다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 유기발광장치는 레이저로부터 발생하는 적외선에 의하여 2.7 V에서 작동한다. 12.7V 에서의 최대 온/오프 비율(on/off ratio)은 1400을 초과한다.
도 7a 및 도 7b는 컨트롤 유기발광장치의 전류효율(도 7a) 및 도 4의 장치의 전류효율(도 7b)를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 적외선 노출시 전류효율(current efficiency)은 100 cd/A보다 크다. 높은 전류효율은 컨트롤 유기발광장치가 전하 불균형 상태로서 다소 전자 지배적 상태에 있음을 의미한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 우수한 적외선 흡수력을 가지며, 도 8b에 도시된 바와 같이 푸어 홀 수송 특성을 가지는 SnPc:C60 벌크 헤테로구조층이 푸어 홀 수송 적외선 증감층으로 사용될 수 있다. 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤 유기발광장치(도 7a에 삽입된 그림 참조) 및 적외선 증감층을 구비한 업-컨버젼 장치의 암전류-전압(I-V) 특성을 도시한 것이다. 순수 SnPc 층을 추가하는 경우 턴-온(turn-on) 전압이 3V 내지 5V로 증가하고, SnPc의 푸어 홀 수송특성을 나타내는 작동전압의 범위가 2V 정도 증가한다. SnPc:C60 혼합 필름을 추가하는 경우에는 작동전압이 2V 더 증가한다. 컨트롤 유기발광장치와 비교하면, SnPc:C60 혼합층을 구비하는 업-컨버젼 장치는 홀 전류는 급격히 감소한다.
도 9a는 SnPc:C60 혼합필름이 푸어 홀 수송 근적외선 증감층으로 구비된 본 발명의 일실시예에 따른 근적외선-녹색광 업-컨버젼 장치의 휘도-전류-전압(L-I-V) 특성을 보여준다. 적외선에 노출되지 않는 경우에, 전압이 13V에 도달할 때까지 발광하지 않고, 15V 에서 최대 휘도(1cd/m2)을 나타낸다. 높은 턴-온 전압값은 SnPc:C60 혼합층으로부터 푸어 홀 수송이 발생함을 의미한다. 전류값은 접촉하고 있는 캐소드로부터 주입되는 전자에 의하여 조절된다. 근적외선광이 조사되면, 본 장치는 녹색광을 발하며 2.7V에 작동하고, 15V 에서 853 cd/m2 의 휘도를 갖는다. 따라서, 서로 다른 전압에서의 온/오프 비율(on/off ratio)을 보여주는 도 9b에 도시된 바와 같이 적외선 광에 의한 스위칭 효과(switching effect)는 중요하다. 도시된 것처럼, 광밀도(luminescence intensity)의 최대 온/오프 비율은 12.7V에서 대략 1400이다.
도 10a 및 도 10b는 도 4의 장치의 광자 대 광자 변환효율(photon-to-photon conversion efficiency)(ηcon)(도 10a) 및 본 발명의 다른 실시예에서의 광자효율(QE)(도 10b)을 도시한 것이다.
입사 적외선 광자로부터 방출되는 녹색광자의 광자 대 광자 변환효율(ηcon)은 하기의 [수학식 1]에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112012050413886-pct00001
h 는 플랑크 상수, c 는 빛의 속도, λ는 광자의 파장, Iphoto는 광전류(photocurrent), f는 증감층에 도달하는 광자의 비율(fraction), R(λ)는 광검출기의 반응도(responsivity), λIR 은 입사 적외선 파장, PIR 은 입사 적외선의 출력(power)을 나타낸다.
다시, 본 장치를 발광시키기 위하여 14mW/cm2 의 830nm 레이저를 사용한다. 도시된 바와 같이, 도 4의 본 장치에서는 공급되는 전압이 증가할수록 광자 대 광자 변환 효율은 증가하며, 15V 전압에서 광자 대 광자 변환 효율은 2.7% 였다. 이러한 업-컨버젼 효율은 형광 유기발광장치를 사용하는 전 유기 업-컨버젼 장치보다 더욱 크게 나타난다.
도 10B에 삽입된 그림에서와 같이, 업-컨버젼 장치 구조에서 측정을 위해서 전체 광검출기 구조가 이용되지 않는다. 오히려, 적외선 흡수층이 홀 주입층으로 이용된다. 따라서, 정확한 외부 양자 효율(external quantum efficiency)은 입사되는 적외선광으로부터 추출되는 전하 캐리어를 측정하여 구하지 않는다. 다만, 외부 양자 효율은 광검출기 구조를 제작하여 간접적으로 측정할 수 있다. 도 10B에 삽입 도시된 업-컨버젼 장치에서, 20nm 두께의 SnPc:C60 혼합층이 단독으로 이용되고, 14mW/cm2 의 830nm 적외선 레이저가 적외선 광원으로 이용된다. 동일한 적외선 및 적외선 흡수층의 두께에 의하여, 5~20%의 외부 양자 효율이 획득된다.
문헌상 Irppy3 기초의 유기발광장치의 외부 양자 효율(EQE)은 20% 정도이다. 따라서, 산출된 변환 효율은 대략 1~4% 정도이고, 이는 실험 변환 효율 값과 일치한다. 변환 효율은 대략 붉은색/녹색 업-컨버젼 장치보다 10배 이상이다.
본 명세서에서 "일실시예", "어느 실시예", "실시예" 등의 기재는 실시예와 연관되어 개시된 특정 특징, 구조, 또는 특성은 본 발명의 어느 하나의 실시예에 포함되는 것임을 의미한다. 명세서의 다양한 위치에서 이러한 문구들의 존재는 모두 동일한 실시예를 의미하는 것은 아니다. 또한, 임의의 실시예와 관련되어 특정 특징, 구조, 또는 특성들이 개시되는 경우, 다른 실시예와 관련되어 이러한 특징, 구조 또는 특성 들이 본 기술분야의 당업자의 이해범위 내에서 사용 및 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예의 도면 및 설명은 명확한 기재를 위하여 잘 알려진 다른 구성요소들은 삭제한 상태로 본 발명을 명확하게 이해하기 위해 필요한 구성요소를 단순화하여 개시한 것임이 이해되어야 할 것이다. 기술분야에의 당업자라면 본 발명을 이용하기 위해서는 다른 구성요소가 필요할 수도 있음에 대해 인식할 것이다. 다만, 기술분야에서 이러한 구성요소가 널리 알려져 있고, 본 발명을 명확하게 이해하기 위하여 필요한 것은 아니므로, 본 명세서에서 이러한 구성요소에 대한 설명은 제공되지 않는다.
본 발명 및 이로 인한 다양한 효과는 도시된 도면을 참고로하여 상술한 예시로서 더욱 잘 이해될 수 있다. 상술한 예는 본 발명의 방법, 출원, 실시예 및 변형례의 예시에 해당한다. 물론, 그것들이 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안될 것이다. 본 발명에 의하여 다양한 변형 및 수정이 가능할 것이다.
여기서 언급된 모든 등록특허, 특허출원, 가출원 및 공개문헌 들은 본 명세서의 명시적 가르침과 일치하지 않는 부분이 없는 정도까지 전체로서 참조로 통합되고, 모든 그림과 표를 포함한다.
여기서 설명된 예들과 실시예는 단지 예시목적의 것으로서, 본 실시예의 당업자에게 다양한 수정과 변형을 제안할 수 있으며, 이는 본 출원의 이해범위 내에서 포함될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (31)

  1. 제1전극;
    일단부가 상기 제1전극과 접촉하며, 양자점(quantum dots)을 포함하는 적외선 검출층;
    일단부가 상기 적외선 검출층의 타단부에 접촉하는 제1발광장치(LED);
    일단부가 상기 제1발광장치의 타단부와 접촉하는 제1전하분리층;
    일단부가 상기 제1전하분리층의 타단부와 접촉하는 제2발광장치(LED);
    상기 제2발광장치(LED)의 타단부와 접촉하는 제2전극;을 포함하고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극사이에 포텐셜(potential)이 발생하여 적외선 검출층이 적외선에 노출되면 상기 적외선 검출층으로부터 검출전자 및 검출 홀(hole)이 생성되고 제1전하분리층 내에서 제1홀 및 제1전자가 생성되며, 상기 제1홀 또는 상기 제1전자 중 어느 하나가 상기 제1발광장치에 주입되며, 상기 적외선 검출층으로부터 생성되는 상기 검출전자 또는 상기 검출홀 중 어느 하나는 상기 제1발광장치에 주입되어 상기 제1발광장치 내에서 상기 제1홀 또는 상기 제1전자 중 어느 하나와 각각 결합하여 제1방출광자를 생성하며, 상기 제1전하분리층으로부터 생성되는 상기 제1홀 또는 상기 제1전자 중 다른 하나는 상기 제2발광장치에 주입되되 상기 제2발광장치 내로 주입된 대응(corresponding) 전자 또는 홀과 결합하여 제2방출광자를 생성하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출전자는 상기 제1발광장치에 주입되어 상기 제1홀과 결합하되,
    상기 제1전자는 상기 제2발광장치에 주입되며 상기 제2발광장치에 주입되는 대응 홀과 결합하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출홀은 상기 제1발광장치에 주입되어 상기 제1전자와 결합하되,
    상기 제1홀은 상기 제2발광장치에 주입되며 상기 제2발광장치에 주입되는 대응 전자와 결합하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2발광장치에 주입된 대응 전자 또는 홀은 상기 제2전극으로부터 상기 제2발광장치에 주입되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 적어도 일부가 투명한 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 투명한 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극은 적어도 일부가 투명한 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극은 투명한 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2전극은 MgAg 필름인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 MgAg 필름은 두께가 20μm 이하인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 발광장치 및 이에 대응되는 적어도 하나의 추가 전하분리층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 발광장치 각각의 일단은 이에 대응되는 추가 전하분리층의 타단과 접촉하고,
    상기 적어도 하나의 추가 발광장치와 이에 대응되는 적어도 하나의 추가 전하분리층은 상기 제2발광장치와 상기 제2전극 사이에 배치됨으로써 상기 적어도 하나의 추가 전하 분리층 중 첫번째 추가 전하분리층의 일단이 상기 제2발광장치의 타단에 접촉하며, 상기 제2전극이 상기 적어도 하나의 추가 발광장치 중 최종 발광장치의 타단과 접촉하며,
    상기 제1전하분리층으로부터 생성되는 상기 제1홀 또는 상기 제1전자 중 다른 하나는 상기 제2발광장치에 주입되어 상기 첫번째 추가 전하분리층으로부터 상기 제2발광장치에 주입된 대응 전자 또는 홀과 결합하며,
    상기 제2발광장치에 주입되는 대응 전자 또는 홀은 상기 첫번째 추가 전하분리층으로부터 생성되는 제2전자 또는 제2홀 중 어느 하나이며,
    상기 제2전자 또는 상기 제2홀 중 다른 하나는 상기 적어도 하나의 추가 발광장치 중 첫번째 추가 발광장치에 주입되며, 상기 제2전극 또는 상기 적어도 하나의 추가 전하분리층 중 두번째 추가 전하분리층으로부터 상기 첫번째 추가 발광장치에 주입된 대응 전자 또는 홀과 결합하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 1mA/cm2 미만의 전류밀도(current density)를 가지는 푸어 홀 수송용 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 ITO를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1발광장치와 상기 제2발광장치는 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1발광장치와 상기 제2발광장치는 유기발광장치인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1발광장치와 상기 제2발광장치는 유기발광다이오드인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 유기 적외선 검출층인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1발광장치와 상기 제2발광장치는 박막 필름 발광 장치인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 발광장치는 1 내지 6 개의 추가 발광장치를 포함하고 이에 대응되는 적어도 하나의 추가 전화 분리층은 대응되는 1 내지 6 개의 추가 전하 분리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1방출광자와 상기 제2방출광자는 가시광선 광자(visible photons)인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 0.8μm 내지 2.0μm 범위의 파장에 민감한 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1방출광자와 상기 제2방출광자는 서로 다른 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 제1발광장치와 상기 제2발광장치 중 적어도 하나는 파란색 광을 방출하는 제1염료분자, 녹색광을 방출하는 제2염료분자, 붉은색 광을 방출하는 제3염료분자를 구비하는 유기 방출층(organic emissive layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  24. 1mA/cm2 미만의 전류밀도를 가지며, 양자점(quantum dots)을 포함하는 적외선 검출층;
    상기 적외선 검출층 상에 배치되며 상기 적외선 검출층으로부터 생성되는 전자를 수용하도록 설계된 유기발광다이오드(OLED);를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출장치.
  25. 1mA/cm2 미만의 전류밀도를 가지며, 양자점(quantum dots)을 포함하는 적외선 검출층;
    상기 적외선 검출층 상에 배치되며 상기 적외선 검출층으로부터 생성되는 홀를 수용하도록 설계된 유기발광다이오드(OLED);를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 상기 유기발광다이오드에 접촉하며,
    상기 적외선 검출 장치는 제1전극 및 푸어 홀 수송층을 더 포함하고,
    상기 푸어 홀 수송층은 상기 적외선 검출층과 상기 제1전극 사이에 위치하며 1mA/cm2 미만의 전류밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 SnPc:C60을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 유기발광다이오드는 인광 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 유기 적외선 흡수소재, 억셉터 소재를 포함하고,
    상기 유기 적외선 흡수소재와 상기 억셉터(acceptor) 소재는 상기 적외선 검출층 내에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 적외선 검출층은 풀러렌(fullerene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 장치.
  31. 삭제
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