KR102246585B1

KR102246585B1 - 광전 디바이스, 및 상기 광전 디바이스의 제조 방법

Info

Publication number: KR102246585B1
Application number: KR1020190177913A
Authority: KR
Inventors: 조윌렴; 김연수
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-04-30
Also published as: WO2021137407A1

Abstract

본원은, 서로 다른 표면 에너지를 갖는, 소수성 층과 포토 리소그래피를 이용하여 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광전 디바이스, 이를 포함하는 광 검출기 및 상기 광전 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

광전 디바이스, 및 상기 광전 디바이스의 제조 방법 {OPTOELECTRONIC DEVICE, AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

페로브스카이트 물질은 태양전지를 비롯한 다양한 응용분야에서 우수한 특성을 보인다. 상기 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지는 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 가지면서도, 소재 가격이 매우 낮고, 저온 공정이나 저가의 용액 공정이 가능하여 상업성이 우수하다. 그러나, 종래 페로브스카이트 물질은 현상액을 포함하는 다양한 용액에 용해되는 특성이 있어 포토 리소그래피 공정을 이용하지 못하기 때문에 태양전지, 광 검출기, 레이저, 트랜지스터, 및 LED 등의 응용분야에서 제한되고 있다. 또한, 전자빔 (e-beam) 리소그래피를 이용한 종래 기술은 포토 리소그래피 기술을 이용한 기술에 비해 더 작은 선폭 공정이 가능하지만, 대면적의 미세 패턴을 구현할 수는 없다. 일반적 대학교 연구실에서 상기 포토 리소그래피 공정은 대면적의 웨이퍼 스케일의 약 10 μm 선폭의 공정이 가능하지만, 대기업 반도체 회사에서 상기 포토 리소그래피 공정에서는 최소 약 10 nm의 공정이 가능하다. 따라서 페로브스카이트 태양전지의 실 상업화를 위해서는, 태양전지, 광 검출기, 레이저, 트랜지스터, 및 LED 등의 응용분야에서의 안정성 및 수명을 향상시킬 수 있는 포토 리소그래피 공정을 이용한 기술 개발, 및 대면적의 미세 패턴을 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

광전 디바이스들은 디바이스의 활성성분의 여기(excited)에 반응하여 광자들을 방출할 수 있다. 방출은 상기 디바이스의 활성성분(예를 들면, 전장발광 성분)에 전압을 인가함으로써 자극이 가해질 수 있다. 전장발광 성분은 공액 유기 중합체 혹은 전자발광성 모이티(moiety)를 함유한 중합체와 같은 중합체, 혹은 유기 분자들의 층들일 수 있다. 통상적으로, 방출은 여기된 전하가 디바이스의 층들 사이에서 방광성 재결합에 의해 일어날 수 있다. 방출된 광은 최대 방출파장, 및 휘도(칸델라/제곱미터(cd/m²) 혹은 파워 플럭스(W/m²))로 측정되는 방출 세기를 포함하는 방출 프로파일을 갖는다. 디바이스의 방출 프로파일, 및 그 외 물리적 특성은 물질의 전자적 구조(예를 들면, 에너지 갭들)에 의해 영향을 받을 수 있다. 광전 디바이스들의 밝기, 방출되는 색들의 범위, 효율성, 동작전압, 및 동작 반감기는 디바이스의 구조에 따라 달라질 수 있다.

대한민국 특허 공개공보 제10-2019-0033494 호

본원은, 서로 다른 표면 에너지를 갖는, 소수성 층과 포토 리소그래피를 이용하여 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광전 디바이스, 이를 포함하는 광 검출기 및 상기 광전 디바이스의 제조 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 소수성 층; 상기 소수성 층 상에 형성된 패턴화된 친수성 층; 상기 패턴화된 친수성 층 상에 형성된 페로브스카이트 층을 포함하는, 광전 디바이스를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 광전 디바이스를 포함하고, 상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 전극을 추가 포함하는, 광 검출기를 제공한다.

본원의 제 3 측면은, 기판 상에 소수성 물질을 증착하여 소수성 층을 형성하고; 상기 소수성 층 상에 친수성 물질 층을 증착하고; 상기 친수성 물질 층을 포토 리소그래피하여 패턴화하고; 상기 패턴화된 친수성 층 상에 페로브스카이트 물질을 증착하여 페로브스카이트 층을 형성하는 것을 포함하는, 광전 디바이스의 제조 방법을 제공한다.

본원의 구현예들에 따르면, 소수성 층과 친수성 층의 복합 층을 이용하고 상기 친수성 층 상에 페로브스카이트 층을 증착함으로써, 포토 리소그래피를 이용하여 패턴화된 유무기 혼합 페로브스카이트 물질을 제조할 수 있다.

본원의 구현예들에 따르면, 포토 리소그래피를 수행하여 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광전 디바이스는 상기 포토 리소그래피를 이용하지 않은 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체에 비해 대면적으로 이루어진 보다 세밀하고 촘촘한 패턴을 나타낼 수 있고, 보다 더 작은 선폭을 구현할 수 있다.

본원의 구현예들에 따르면, 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광 검출기는 종래 기술의 광 검출기에 비해 더 미세한 대면적의 웨이퍼 스케일의 패턴을 가질 수 있다.

본원의 구현예들에 따르면, 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광 검출기는 높은 광 흡수율을 갖는 상기 포토 리소그래피를 이용함으로써 종래 기술의 광 검출기에 비해 광 검출 효과가 우수한 이점이 있다.

도 1a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 소수성 층의 컨택 앵글을 나타낸 사진이다.
도 1b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 층의 컨택 앵글을 나타낸 사진이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 패턴화된 다양한 모양을 나타낸 사진이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광 검출기의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 크로스바 어레이 구조 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 소수성 층과 친수성 층의 복합층을 이용한 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 패턴 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 6a는 본원의 일 실시예에 있어서, 소수성 층 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이다.
도 6b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 친수성 층 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이다.
도 6c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 포토 리소그래피 및 메탈 마스크로 친수성 층이 패턴화된 기판 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기판은 FTO 기판, ITO 기판, 글라스 기판, 실리콘 기판, 실리콘 산화물 기판, Pt 기판, 또는 마그네슘 산화물 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 층 및 상기 패턴화된 친수성 층은 무기 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 무기 산화물은 실리카(SiO₂) 이산화티타늄(TiO₂), 이산화주석(SnO₂), 지르코니아(ZrO₂), 및 산화아연(ZnO) 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 층 및 상기 패턴화된 친수성 층은 상기 무기 산화물의 온도 제어에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 층의 컨택 앵글 각도는 약 100 °이상이고, 상기 패턴화된 친수성 층의 컨택 앵글 각도는 약 10°이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 상기 컨택 앵글은 소수성과 친수성을 판단할 수 있는 기준으로서, 상기 소수성의 컨택 앵글은 90°이상이어야 하고, 상기 친수성의 컨택 앵글은 90° 미만이어야 한다. 상기 컨택 앵글이 작을수록 표면은 액체의 의해 젖어(wetting) 친수성 특성을 보이며, 상기 컨택 앵글이 클수록 표면에 젖지 않고 흘러내려 소수성 특성을 보인다.

도 1을 참조하면, 도 1a을 통해, 90°이상인 컨택 앵글을 통해 상기 소수성 층이 형성됨을 확인할 수 있으며, 도 1b을 통해, 90° 미만인 컨택 앵글을 통해 상기 친수성 층이 형성됨을 확인할 수 있다.

상기 컨택 앵글을 측정하는 방법으로는 세씰 드롭 방법 (Sessile Drop Method), 윌헬미 플레이트 방법 (Wilhelmy Plate Method), 싱글파이버 컨택 앵글 방법 (SingleFiber Contact Angle Method), 워시번 흡착 방법 (Washburn Adsorption Method) 등이 있다. 상기 컨택 앵글은 고체의 젖음성, 세정 정도, 표면 처리 후의 효과 분석 등 여러가지 유용한 정보들을 쉽게 얻을 수 있는 방법이다, 상기 컨택 앵글에 영향을 주는 요소는 증발, 흡착, 및 흡수 등이 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴화된 친수성 층의 두께는 약 0.5 nm 내지 약 5 nm 이며, 상기 소수성 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴화된 친수성 층의 두께는 약 0.5 nm 내지 약 5 nm, 약 0.7 nm 내지 약 5 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.5 nm 내지 약 4 nm, 약 0.7 nm 내지 약 4 nm, 약 1 nm 내지 약 4 nm, 약 0.5 nm내지 약 3 nm, 약 0.7 nm 내지 약 3 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 0.7 nm 내지 약 2 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 2 nm일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 소수성 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 40 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 20 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 20 nm 내지 약 30 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 친수성 층의 두께가 약 0.5 nm 미만이면 좋지 않은 윤활성의 문제가 발생하고, 상기 친수성의 두께가 약 5 nm 이상이면 불필요한 공정 시간 증가 및 의도하지 않은 수직 방향의 직렬 저항의 증가 같은 문제점이 발생한다.

본원의 일 구현예에 있어서, 소수성 층과 친수성 층의 복합 층을 이용하여 상기 친수성 층 상에 페로브스카이트 층을 증착함으로써, 패턴화된 유무기 혼합 페로브스카이트 물질을 제조할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유무기 복합 페로브스카이트를 형성하는 둘 이상의 유기-금속할로겐화물 중 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 1으로 표시되는 것이고, 다른 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다. 또 다른 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다:

[화학식 1]

ABX₃

상기 화학식 1에서 상기 A는 CH₃NH₃ ⁺, NH₂CHNH₂ ⁺, 또는 Cs⁺이며, 상기 B는 Cu, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Eu²⁺ 또는 Yb²⁺과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X는 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이다.

[화학식 2]

A'B'(X_1(1-m)X_2(m))₃

상기 화학식 2에서 상기 A'는 CH₃NH₃ ⁺, NH₂CHNH₂ ⁺, 또는 Cs⁺이며, 상기 B'는 Cu, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Eu²⁺ 또는 Yb²⁺과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X₁은 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이며, 상기 X₂는 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이며, 상기 m은 0.0001 내지 1인 실수이다.

[화학식 3]

A"B"(X_1(1-m)X_2(m))_3-yX_3y

상기 화학식 3에서 상기 A"는 CH₃NH₃ ⁺, NH₂CHNH₂ ⁺, 또는 Cs⁺이며, 상기 B"는 Cu, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Eu²⁺ 또는 Yb²⁺과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X₁은 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이며, 상기 X₂는 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이며, X₃은 F^-, Cl^-, Br^- 또는 I^-이며, 상기 m은 0.0001 내지 1인 실수이고, 상기 y는 0.0001 내지 1인 실수이다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유무기 복합 페로브스카이트는 CH₃NH₃PbCl₃, CH₃NH₃PbBr₃, CH₃NH₃PbI₃, HC(NH₂)₂PbCl₃, HC(NH₂)₂PbBr₃, HC(NH₂)₂PbI₃, CsPbCl₃, CsPbBr₃, CsPbI₃, CH₃NH₃SnCl₃ 및 CH₃NH₃BaCl₃ 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 층의 패턴 선폭은 약 10 μm 내지 약 200 μm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 층의 패턴 선폭은 약 10 μm 내지 약 200 μm, 약 12 μm 내지 약 200 μm, 약 14 μm 내지 약 200 μm, 약 16 μm 내지 약 200 μm, 약 18 μm 내지 약 200 μm, 약 20 μm 내지 약 200 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 12 μm 내지 약 100 μm, 약 14 μm 내지 약 100 μm, 약 16 μm 내지 약 100 μm, 약 18 μm 내지 약 100 μm, 또는 약 20 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 종래 기술의 페로브스카이트 물질은 대면적으로 이루어진 약 10 μm 내지 약 200 μm의 선폭을 달성하기 어려우나, 본원에 따른 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴화된 친수성 층을 포함하는 페로브스카이트 물질은 대면적으로 이루어진 약 10 μm 내지 약 200 μm의 작은 선폭을 가질 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 층은 스핀 코팅, 블레이드 코팅, 슬롯 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 로드 코팅, 리버스 롤 코팅, 포워드 롤 코팅, 에어 나이프 코팅, 나이프 오버 롤 코팅, 그라비어, 마이크로그라비어, 압출 코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법에 의하여 증착될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴화된 친수성 층을 형성하는 패턴의 기본 단위 구조체는, 원형, 삼각형, 사각형, 서로 맞물린 형태 (interdigitated), 또는 말굽형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴의 기본 단위 구조체는 가로 약 10 nm 내지 약 100 μm, 세로 약 10 nm 내지 약 100 μm의 사각형을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴의 기본 단위 구조체의 가로 길이는 약 10 nm 내지 약 100 μm, 약 30 nm 내지 약 100 μm, 약 50 nm 내지 약 100 μm, 약 70 nm 내지 약 100 μm, 약 90 nm 내지 약 100 μm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 70 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 약 50 nm 내지 약 60 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴의 기본 단위 구조체 세로 길이는 10 nm 내지 약 100 μm, 약 30 nm 내지 약 100μm, 약 50 nm 내지 약 100 μm, 약 70 nm 내지 약 100 μm, 약 90 nm 내지 약 100 μm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 70 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 약 50 nm 내지 약 60 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴의 기본 단위 구조체 간의 간격은 약 10 μm 내지 약 30 cm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기본 단위 구조체 간의 간격은 약 10 μm 내지 약 30 cm, 약 50 μm 내지 약 30 cm, 약 1 cm 내지 약 30 cm, 약 10 cm 내지 약 30 cm, 약 20 cm 내지 약 30 cm, 약 1 μm 내지 약 10 cm, 약 50 μm 내지 약 10 cm, 약 1 cm 내지 약 10 cm, 약 1 μm 내지 약 1 cm, 약 50 μm 내지 약 1 cm, 또는 약 1 μm 내지 약 50μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체보다 더 작은 선폭, 대면적으로 이루어진 보다 촘촘한 간격을 나타내는 패턴을 나타냄을 알 수 있다. 도 2의 (a)는 사각형 모양으로 패턴화된 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 사진이며, 도 2의 (b)는 상기 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 세밀하고 촘촘한 패턴의 모양을 확대하여 나타낸 사진이며, 도 2의 (c)는 말굽형 모양으로 패턴화된 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 사진이다.

본원의 일 구현예에 있어서, 포토 리소그래피를 수행하여 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광전 디바이스는 상기 포토 리소그래피를 이용하지 않은 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체보다 대면적으로 이루어진 보다 세밀하고 촘촘한 패턴을 나타낼 수 있으며, 상기 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴은 더 작은 선폭을 가질 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전 디바이스는 태양전지, 광 검출기, 레이저, 트랜지스터, 또는 LED 등으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이에, 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용은 그 기재가 생략되었더라도 본원 제 2 측면에 모두 적용된다.

도 3을 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 광 검출기는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 소수성 층; 상기 소수성 층 상에 형성된 패턴화된 친수성 층; 상기 패턴화된 친수성 층 상에 형성된 페로브스카이트 층 순으로 적층하고, 상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 전극을 추가 포함하도록 하여 제조할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광 검출기는 종래 기술의 광 검출기에 비해 더 미세한 대면적의 웨이퍼 스케일의 패턴을 가질 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 포토 리소그래피를 이용하여 제조된 패턴화된 친수성 층을 포함하는 광 검출기는 높은 광 흡수율을 갖는 상기 포토 리소그래피를 이용함으로써 종래 기술의 광 검출기에 비해 광 검출 효과가 우수한 이점이 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 층의 컨택 앵글 각도는 약 100 °이상이고, 상기 패턴화된 친수성 층의 컨택 앵글 각도는 약 10 °이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 하부 전극; 및 페로브스카이트 층 상에 상부 전극을 포함하고, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 크로스 형태로 배열된 크로스바 어레이 구조를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4를 참조하면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 소수성 층; 상기 소수성 층 상에 형성된 패턴화된 친수성 층; 상기 패턴화된 친수성 층 상에 형성된 페로브스카이트 층, 상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 하부 전극; 및 페로브스카이트 층 상에 상부 전극을 포함하는 크로스바 어레이 구조 제조 방법을 알 수 있으며, 상기 크로스바 어레이는 고밀도이다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 스퍼터링 또는 증발법을 통해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide), ZnO(zinc oxide), Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 MgO, Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Cr, 또는 Pd로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 층은 스핀 코팅, 블레이드 코팅, 슬롯 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 로드 코팅, 리버스 롤 코팅, 포워드 롤 코팅, 에어 나이프 코팅, 나이프 오버 롤 코팅, 그라비어, 마이크로그라비어, 압출 코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅, 또는 이들의 조합을 포함하여 증착될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴화된 친수성 층을 형성하는 패턴의 기본 단위 구조체는, 원형, 삼각형, 사각형, 서로 맞물린 (interdigitated), 또는 말굽형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴의 기본 단위 구조체는 가로 약 10 nm 내지 약 100 μm, 세로 약 10 nm 내지 약 100 μm의 사각형을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴의 기본 단위 구조체는 가로 약 10 nm 내지 약 100 μm, 약 30 nm 내지 약 100 μm, 약 50 nm 내지 약 100 μm, 약 70 nm 내지 약 100 μm, 약 90 nm 내지 약 100 μm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 70 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 약 50 nm 내지 약 60 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴의 기본 단위 구조체 세로 길이는 10 nm 내지 약 100 μm, 약 30 nm 내지 약 100μm, 약 50 nm 내지 약 100 μm, 약 70 nm 내지 약 100 μm, 약 90 nm 내지 약 100 μm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 70 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 약 50 nm 내지 약 60 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 패턴의 기본 단위 구조체 간의 간격은 약 10μm 내지 약 30 cm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기본 단위 구조체 간의 간격은 약 10 μm 내지 약 30 cm, 약 50 μm 내지 약 30 cm, 약 1 cm 내지 약 30 cm, 약 10 cm 내지 약 30 cm, 약 20 cm 내지 약 30 cm, 약 1 μm 내지 약 10 cm, 약 50 μm 내지 약 10 cm, 약 1 cm 내지 약 10 cm, 약 1 μm 내지 약 1 cm, 약 50 μm 내지 약 1 cm, 또는 약 1 μm 내지 약 50μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전 디바이스는 태양전지, 광 검출기, 레이저, 트랜지스터, 또는 LED일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 5를 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 패턴은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 소수성 층; 상기 소수성 층 상에 형성된 패턴화된 친수성 층; 및 상기 패턴화된 친수성 층 상에 형성된 페로브스카이트 층 순으로 적층하여 제조할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 물질의 증착은 약 150℃ 내지 약 350℃에서 수행되고, 상기 친수성 물질의 증착은 약 0℃ 내지 약 40℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 소수성 물질의 증착은 약 150℃ 내지 약 350℃, 약 170℃ 내지 약 350℃, 약 190℃ 내지 약 350℃, 약 210℃ 내지 약 350℃, 약 230℃ 내지 약 350℃, 약 250℃ 내지 약 350℃, 약 270℃ 내지 약 350℃, 약 290℃ 내지 약 350℃, 약 150℃ 내지 약 300℃, 약 170℃ 내지 약 300℃, 약 190℃ 내지 약 300℃, 약 210℃ 내지 약 300℃, 약 230℃ 내지 약 300℃, 약 250℃ 내지 약 300℃, 약 270℃ 내지 약 300℃, 약 290℃ 내지 약 300℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 친수성 물질의 증착은 약 0℃ 내지 약 40℃, 약 5℃ 내지 약 40℃, 약 10℃ 내지 약 40℃, 약 15℃ 내지 약 40℃, 약 20℃ 내지 약 40℃, 약 25℃ 내지 약 40℃, 약 0℃ 내지 약 30℃, 약 5℃ 내지 약 30℃, 약 10℃ 내지 약 30℃, 약 15℃ 내지 약 30℃, 약 20℃ 내지 약 30℃, 또는 약 25℃ 내지 약 30℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 소수성 물질은 약 150℃ 미만, 및 약 350℃ 초과의 온도에서 증착되지 않을 수 있으며, 상기 친수성 물질은 약 0℃ 미만, 및 약 40℃ 초과의 온도에서 증착되지 않을 수 있다. 소수성 물질의 증착 온도가 350℃를 초과할때, 글라스와 같은 일부 기판의 형태에 영향을 줘서 공정이 실패할 우려가 있다. 또한 소수성 물질과 친수성 물질의 증착 온도가 각각 150℃ 미만, 40℃ 초과일때는 페로브스카이트 물질의 선택적 코팅이 잘 형성되지 않을 수 있다. 또한 친수성 물질의 증착 온도가 0℃ 미만일 경우, 챔버 내부의 얼어붙은 수분이 기판 표면에 흡착되어 친수성 물질이 기판에 증착되는 것을 방해해서 공정이 실패할 우려가 있다.

도 6을 참조하면, 도 6a는, 소수성 층 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이며, 상기 소수성 층 상에 상기 페로브스카이트가 증착되지 않음을 알 수 있다. 도 6b는, 친수성 층 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이며, 상기 친수성 층 상에 상기 페로브스카이트가 증착됨을 알 수 있다. 도 6c는, 포토 리소그래피 및 메탈 마스크로 친수성 층이 패턴화된 기판 상에 페로브스카이트를 도포 및 스핀 코팅한 결과를 나타낸 사진이며, 상기 패턴화된 친수성 층 상에만 상기 페로브스카이트가 증착됨을 알 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소수성 물질 및 상기 친수성 물질의 증착은 rf-스퍼터링을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

스퍼터링이란 이온화된 원자가 가속화되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌에너지가 더 클 경우 표면으로부터 원자가 튀어나오는 현상을 말한다. 스퍼터링 증착은 이 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화된 입자를 금속원에 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판에 증착하는 방법이다. 상기 스퍼터링 증착은 ZnO₂, TiO₂와 같은 산화 금속의 증착에 사용되며 반도체, CD 또는 DVD에 사용된다. 스퍼터링의 종류에는 DC 스퍼터링, rf-스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, 바이어스 스퍼터링, 및 반응성 스퍼터링이 있다.

상기 DC 스퍼터링은 직류 전원을 이용한 스퍼터링이며, 상기 rf-스퍼터링은 금속 이외에도 비금속, 절연체, 산화물, 유전체 등의 스퍼터링이 가능하며 주로 13.56 MHz의 고주파 저원을 사용한다. 상기 rf-스퍼터링은 타겟이 산화물이나 절연체일 경우 스퍼터링이 되지 않는 DC 스퍼터링의 단점을 해결할 수 있다. 상기 마그네트론 스퍼터링은 타겟 뒷면에 영구자석이나 전자석을 배열하여 전기장에 의해 케소드로 부터 방출되는 전자를 타켓 바깥으로 형성되는 자기장 내에 국부적으로 집중시켜 가스원자와의 충돌을 촉진시킴으로써 스퍼터율을 높이는 방식이며, 상기 바이어스 스퍼터링은 산화되기 쉬운 원소 (Ta, Mo, Nb, Cr, Rare earth 원소) 에서 많이 쓰이는 스퍼터링이다. 또한 상기 반응성 스퍼터링은 Ar 기체 외에 미량의 산소 또는 질소를 함께 공급함으로써 원하는 화합물 박막을 형성하는 방식이다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 친수성 물질 층은 메탈 마스크를 통해 패턴화가 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

메탈 마스크의 두께는, RGB의 3 색을 발광시키는 타입에서는 주로 0.02 ㎜ 내지 0.08 ㎜의 박이 사용되고, EL (Electro-Luminescence) 층을 백색 발광시키는 타입에서는 주로 0.08 ㎜ 내지 0.25 ㎜의 판이 사용된다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메탈 마스크의 두께는 약 0.1 ㎜ 내지 약 1 ㎜일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 메탈 마스크의 두께는 0.1 ㎜ 내지 약 1 ㎜, 약 0.3 ㎜ 내지 약 1 ㎜, 약 0.5 ㎜ 내지 약 1 ㎜, 약 0.7 ㎜ 내지 약 1 ㎜, 약 0.9 ㎜ 내지 약 1 ㎜, 약 0.1 ㎜ 내지 약 0.8 ㎜, 약 0.3 ㎜ 내지 약 0.8 ㎜, 약 0.5 ㎜ 내지 약 0.8 ㎜, 약 0.7 ㎜ 내지 약 0.8 ㎜, 약 0.1 ㎜ 내지 약 0.6 ㎜, 약 0.3 ㎜ 내지 약 0.6 ㎜, 약 0.5 ㎜ 내지 약 0.6 ㎜, 약 0.1 ㎜ 내지 약 0.4 ㎜, 약 0.3 ㎜ 내지 약 0.4 ㎜, 또는 약 0.1 ㎜ 내지 약 0.3 ㎜일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

포토 리소그래피(Photolithography)는 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속패턴으로 만들어 놓은 마스크(mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술이다. 상기 포토 리소그래피에서 많이 사용되는 포토 레지스트(PR)는 현상액을 이용하여 빛에 의하여 선택적으로 변화된 부분을 제거하게 되는데, 빛을 받은 부위가 현상액에 의해 잘 녹는 경우를 양성 레지스트, 그 반대를 음성 레지스트라고 한다. 상기 포토 리소그래피는 박막이나 기판의 선택된 부분을 패턴화하는데 사용되며, 더 작은 패턴의 제조가 가능하게 한다.

상기 포토 리소그래피는 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트(PR)을 코팅하고, 상기 포토 레지스트에 남아있는 유기 용매를 제거하기 위하여 낮은 온도에서 소프트 베이크 (soft bake = Pre bake)를 실시한 후, 웨이퍼와 마스크를 정밀하게 정렬(align)하여 노광 공정을 진행한다. 상기 노광 과정 후 또 한번 베이크, 및 현상 과정을 거치는 과정을 갖는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 포토 리소그래피는 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트를 코팅하고, 노광 후, 현상 과정을 거쳐 상기 친수성 층을 패턴화 한다. 상기 포토 레지스트의 잔여물을 제거하기 위해 산소 플라즈마 처리 등의 방법을 적용할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 포토 리소그래피를 이용하여 형성된 광전 디바이스는 상기 포토 리소그래피를 이용하지 않은 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체보다 대면적으로 이루어진 보다 세밀하고 촘촘한 패턴을 나타낼 수 있다. 종래 페로브스카이트 물질은 현상액을 포함한 다양한 용액에 용해되는 특성이 있어 포토 리소그래피가 불가능하다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 포토 리소그래피를 이용하여 형성된 상기 포토레시스트 패턴은 상기 노광 시 조사되는 광의 광량(dose) 및 현상 시간 중 적어도 하나 이상 선택되는 인자에 의해 조절될 수 있다. 상기 노광 시 조사되는 광의 광량(dose)은 최소 90 mJ/cm² 이상, 구체적으로는 95% 이상일 수 있다. 상기 현상 과정 시간은 상기 포토 레지스트의 종류, 상기 현상에 사용되는 현상액의 종류 등을 고려하여, 적절히 변경 가능하다.

종래 페로브스카이트 물질을 포함하는 광전 디바이스는 현상액을 포함하는 다양한 용액에 용해되는 특성이 있어 포토 리소그래피를 이용하지 못하기 때문에 용해되는 특성이 있어 태양전지, 광 검출기, 레이저, 트랜지스터, 및 LED 등의 응용분야에서 제한되고 있다. 본원의 포토 리소그래피를 이용하는 광전 디바이스는 상기 포토 리소그래피를 이용하지 않은 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체보다 대면적으로 이루어진 보다 세밀하고 촘촘한 패턴을 나타낼 수 있으며, 더 작은 선폭을 가질 수 있는 장점이 있다.

이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

<유무기 혼합 페로브스카이트 물질 패턴의 제조>

FTO/glass 기판 상에 300℃ 이상의 고온에서 rf-스퍼터링을 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 소수성 TiO₂ 박막을 성장(HT-TiO₂)시켜 증착시켰다. 포토 리소그래피 방법, 전자빔(e-beam) 리소그래피 방법 및 메탈 마스크를 이용하여 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트의 패턴화를 수행하였다.

그 후, 패턴화된 상기 포토 레지스트 상에 25℃에서 rf-스퍼터링 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 친수성 TiO₂ 박막(RT-TiO₂)을 10 초간 성장시켜 증착시켰다. 상기 증착된 친수성 TiO₂의 두께는 1 nm이며, 수직 방향의 전하 수송 특성에는 거의 영향을 주지 않는다. 상기 HT-TiO₂ 층은 컨택 앵글이 크며, 상기 컨택 앵글이 클수록 표면에 젖지 않고 흘러내려 소수성 특성을 나타내며, 상기 RT-TiO₂ 층은 얇은 두께에도 불구하고 컨택 앵글이 작은 특성을 나타내며, 상기 컨택 앵글이 작을수록 표면은 액체의 의해 젖는 친수성 특성을 나타낸다.

상기 컨택 앵글은 Young’s equation을 따른다:

.

컨택 앵글은 기판 상에 소수성 물질을 증착하여 소수성 층을 형성하고 상기 소수성 층 상에 친수성 물질 층을 증착하여 측정하였다. 상기 친수성 층의 표면 자유 에너지가 커짐을 확인할 수 있었다 (도 1).

상기 메탈마스크를 이용하여 상기 패턴화된 층 상에 친수성 TiO₂ 층이 패턴되고, 상기 패턴화된 친수성 층 상에 Rb:Cs:(FAPbI₃)_0.83(MAPbBr₃)_0.17의 페로브스카이트 물질을 스핀 코팅 방법을 이용하여 증착하여 페로브스카이트 층을 형성하였다 (도 6). 이때, 용매는 DMF:DMSO (부피 비 4:1)을 사용하였다.

상기 페로브스카이트 물질은 유무기 혼합 ABX₃ 형태의 구조를 가지며, A 자리에는 methylammonium (MA, CH₃NH₃), formamidinium (FA, CH₅IN₂) 등의 유기물, B 자리에는 Pb, Sn 등, X 자리에는 I, Br, Cl 등의 무기물로 구성된다. 이때 소자의 안정성 및 성능을 향상시키기 위해 Cs, Rb 등의 유기물이 불순물의 형태로 들어갈 수 있다. 상기 페로브스카이트 물질은 DMF 또는 DMSO와 같은 용매에 의해 용해되며 스핀코팅 방법을 이용하여 증착되었다. 증착 조건은 1,000 rpm에서 10 초, 그 후 6,000 rpm에서 20 초였다. 또한 증착이 완료되기 5 초 전에 반용매로 클로로벤젠을 도포할 수 있다. 상기 증착 후 열처리를 거치면 용매가 휘발되어 날아가고 결정화된 페로브스카이트 층이 형성된다. 상기 열처리는 100℃에서 40 분 내지 60 분간의 과정을 거친다. 이때 상기 친수성 층 상에만 선택적으로 상기 페로브스카이트 층이 형성되어, 유무기 혼합 페로브스카이트 물질의 패턴을 제조하였다 (도 2 및 도 5).

<포토 리소그래피 방법>

포토 리소그래피는 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트(PR)을 코팅하고, 상기 포토 레지스트에 남아있는 유기 용매를 제거하기 위하여 낮은 온도에서 soft bake를 실시한 후, 웨이퍼와 마스크를 정밀하게 정렬(align)하고 노광 공정을 진행한다. 상기 노광 과정 후 또 한번 bake, 및 현상 과정을 거친다. 상기 포토 레지스트의 잔여물을 제거하기 위해 산소(O2) 플라즈마 처리 등의 방법을 적용할 수 있다.

상기 포토 리소그래피 방법을 이용하면 상기 포토 리소그래피를 이용하지 않은 종래 광전 디바이스의 패턴 구조체보다 대면적으로 이루어진 보다 세밀하고 촘촘한 패턴을 나타낼 수 있으며, 수백 μm 크기의 페로브스카이트 층의 배열 및 20 μm의 선폭을 갖는 패턴의 제조가 가능하다.

<광 검출기의 제조 방법>

실리콘 산화물 기판, FTO/glass 기판 또는 ITO/glass 상에 300℃ 이상의 고온에서 rf-스퍼터링을 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 소수성 TiO₂ 박막을 성장(HT-TiO₂)시켜 증착시켰다. 포토 리소그래피 방법, 전자빔(e-beam) 리소그래피 방법 및 메탈 마스크를 이용하여 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트의 패턴화를 수행하였다. 그 후, 패턴화된 상기 포토 레지스트 상에 포토 리소그래피 방법을 이용하여 스퍼터링 방법, 또는 증발법을 통해 전극을 증착하였다 (도 3).

포토 리소그래피 현상 방법을 통해 상기 전극의 양쪽을 잇는 미세 패턴 제조 후, 25℃에서 rf-스퍼터링 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 친수성 TiO₂ 박막(RT-TiO₂)을 10 초간 성장시켜 상기 소수성 층 상에 친수성 층을 형성하였다. 그 후, Rb:Cs:(FAPbI₃)_0.83(MAPbBr₃)_0.17의 페로브스카이트 물질을 스핀 코팅하여 상기 친수성 층 상에만 선택적으로 상기 페로브스카이트 층을 형성하였다. 이때, 용매는 DMF:DMSO (부피 비 4:1)을 사용하였다.

상기 페로브스카이트 물질은 유무기 혼합 ABX₃ 형태의 구조를 가지며, A 자리에는 methylammonium (MA, CH₃NH₃), formamidinium (FA, CH₅IN₂) 등의 유기물, B 자리에는 Pb, Sn 등, X 자리에는 I, Br, Cl 등의 무기물로 구성된다. 이때 소자의 안정성 및 성능을 향상시키기 위해 Cs, Rb 등의 유기물이 불순물의 형태로 들어갈 수 있다. 상기 상기 페로브스카이트 물질은 DMF 또는 DMSO와 같은 용매에 의해 용해되며 스핀코팅 방법을 이용하여 증착하였다. 증착 조건은 1,000 rpm에서 10 초, 그 후 6,000 rpm에서 20 초였다. 또한 증착이 완료되기 5 초 전에 반용매로 클로로벤젠을 도포할 수 있다.

상기 광 검출기는 상기 페로브스카이트 물질의 높은 광 흡수율을 이용하는 상기 포토 리소그래피 공정을 활용하여 대면적의 웨이퍼 스케일의 미세 패턴의 제조가 가능하다.

<크로스바 어레이 구조의 제조 방법>

실리콘 산화물 기판, FTO/glass 기판 또는 ITO/glass 상에 300℃ 이상의 고온에서 rf-스퍼터링을 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 소수성 TiO₂ 박막을 성장(HT-TiO₂)시켜 증착시켰다. 포토 리소그래피 방법, 전자빔(e-beam) 리소그래피 방법 및 메탈 마스크를 이용하여 상기 소수성 층 상에 포토 레지스트의 패턴화를 수행하였다. 그 후, 패턴화된 상기 포토 레지스트 상에 포토 리소그래피 방법 및 메탈 마스크를 이용하여 스퍼터링 방법, 또는 증발법을 통해 하부 전극을 증착하였다. 그 후, 다른 메탈 마스크를 이용하여, 25℃에서 rf-스퍼터링 방법을 이용하여 20 mTorr의 아르곤 분압에서 100 W의 rf 파워의 조건을 이용하여 친수성 TiO₂ 박막(RT-TiO₂)을 10 초간 성장시켜 상기 소수성 층 상에 친수성 층을 형성하였다. 그 후, Rb:Cs:(FAPbI₃)_0.83(MAPbBr₃)_0.17의 페로브스카이트 물질을 스핀 코팅하여 상기 친수성 층 상에만 선택적으로 상기 페로브스카이트 층을 형성하였다.. 마지막으로, 다른 메탈 마스크를 이용하여 상기 페로브스카이트 층 상에 상부 전극을 증착하였다. 여기에서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극은 크로스 형태로 배열되었다. 이때, 용매는 DMF:DMSO (부피 비 4:1)을 사용하였다.

상기 페로브스카이트 물질은 유무기 혼합 ABX₃ 형태의 구조를 가지며, A 자리에는 methylammonium (MA, CH₃NH₃), formamidinium (FA, CH₅IN₂) 등의 유기물, B 자리에는 Pb, Sn 등, X 자리에는 I, Br, Cl 등의 무기물로 구성된다. 이때 소자의 안정성 및 성능을 향상시키기 위해 Cs, Rb 등의 유기물이 불순물의 형태로 들어갈 수 있다. 상기 상기 페로브스카이트 물질은 DMF 또는 DMSO와 같은 용매에 의해 용해되며 스핀코팅 방법을 이용하여 증착하였다. 증착 조건은 1,000 rpm에서 10 초, 그 후 6,000 rpm에서 20 초였다. 또한 증착이 완료되기 5 초 전에 반용매로 클로로벤젠을 도포할 수 있다 (도 4).

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

기판;
상기 기판 상에 형성된 소수성 층;
상기 소수성 층 상에 형성된 패턴화된 친수성 층;
상기 패턴화된 친수성 층 상에 형성된 페로브스카이트 층을 포함하고,
상기의 기판, 소수성 층, 패턴화된 친수성 층, 및 페로브스카이트 층 순으로 적층된,
광전 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 소수성 층 및 상기 패턴화된 친수성 층은 무기 산화물을 포함하는 것인, 광전 디바이스.
제 2 항에 있어서,
상기 무기 산화물은 실리카(SiO₂), 이산화티타늄(TiO₂), 이산화주석(SnO₂), 지르코니아(ZrO₂), 및 산화아연(ZnO) 중에서 선택되는 하나 이상인 것인, 광전 디바이스.
제 2 항에 있어서,
상기 소수성 층 및 상기 패턴화된 친수성 층은 상기 무기 산화물의 온도 제어에 의해 형성되는 것인, 광전 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 소수성 층의 컨택 앵글 각도는 100 °이상이고,
상기 패턴화된 친수성 층의 컨택 앵글 각도는 10 °이하인 것인, 광전 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴화된 친수성 층의 두께는 0.5 nm 내지 5 nm이며, 상기 소수성 층의 두께는 10 nm 내지 50 nm인 것인, 광전 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층의 패턴 선폭은 10 μm 내지 200 μm인 것인, 광전 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴화된 친수성 층을 형성하는 패턴의 기본 단위 구조체는, 원형, 삼각형, 사각형, 서로 맞물린 형태(interdigitated), 또는 말굽형인 것인, 광전 디바이스.
제 8 항에 있어서,
상기 패턴의 기본 단위 구조체는 가로 10 nm 내지 100 μm, 세로 10 nm 내지 100 μm 의 사각형을 포함하는 것인, 광전 디바이스.
제 8 항에 있어서,
상기 패턴의 기본 단위 구조체 간의 간격은 10μm 내지 30 cm인 것인, 광전 디바이스.
제 1 항에 따른 광전 디바이스를 포함하고,
상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 전극을 추가 포함하는,
광 검출기.
제 11 항에 있어서,
상기 소수성 층과 상기 패턴화된 친수성 층 사이에 하부 전극; 및
페로브스카이트 층 상에 상부 전극을 포함하고,
상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 크로스 형태로 배열된 크로스바 어레이 구조를 포함하는, 광 검출기.
기판 상에 소수성 물질을 증착하여 소수성 층을 형성하고;
상기 소수성 층 상에 친수성 물질 층을 증착하고;
상기 친수성 물질 층을 포토 리소그래피하여 패턴화하고;
상기 패턴화된 친수성 층 상에 페로브스카이트 물질을 증착하여 페로브스카이트 층을 형성하는 것
을 포함하는, 제 1 항에 따른 광전 디바이스의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 소수성 물질의 증착은 150℃ 내지 350℃에서 수행되고,
상기 친수성 물질의 증착은 0℃ 내지 40℃에서 수행되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 소수성 물질 및 상기 친수성 물질의 증착은 rf-스퍼터링을 통해 수행되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 친수성 물질 층은 메탈 마스크를 통해 패턴화가 수행되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.