KR102522298B1 - 양자점을 포함하는 광센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 포함하는 광센서에 관한 것으로써, 본 발명의 광센서는 특정 성분을 갖는 코어 쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하고 있는 양자점층을 포함하고 있고, 상기 양자점층이 제1 반도체층과 제2 반도체층이 직접결합되어 있는 PN 접합구조가 아닌 그 사이에 포함하고 있는 PN 복합접합구조를 갖는 특징이 있으므로, 양자점층을 효과적으로 보호하여 광전류를 감소시킬 뿐만 아니라, 높은 광 발광, 및 우수한 에너지 흡수율을 가져 역광전류를 효과적으로 생성시킬 수 있어, 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 포함하는 광센서에 관한 것이다.
광센서 및 이미지 센서에서 통상적으로 사용하고 있는 실리콘 반도체는 적외선 대역에 대한 양자 효율(quantum efficiency)이 가시광 대역에 대한 양자 효율에 비하여 현저하게 낮은 문제가 있었다.
또한, 종래 광센서의 경우 서로 다른 타입의 두 층을 이용하여 PN접합을 만들어 광원을 조사할 시 전류가 증가하는 방식을 사용하였으나, 이런 타입의 광센서의 경우 광원에 의해 전류가 증가하면 소비전력이 증가되는 문제가 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 광검출층 내 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함시켜 역광전류가 생성 가능한 광센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따른 광센서는 제1 전극; 상기 제1 전극의 일면에 배치된 광검출층; 및 상기 광검출층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고, 상기 광검출층은 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 양자점의 코어는 CdSe, CdTe, CdS, InP, ZnCdSe, PbS, PbSe, CGS, CIGS 및 CIS으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양자점의 쉘은 ZnS, CdS 및 ZnSe으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 광검출층은 상기 양자점층과 제1 전극 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 양자점층과 제2 전극 사이에 배치된 제2 반도체층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체층 또는 제2 반도체층은 각각 독립적으로, 밴드갭을 가지
며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 반도체 물질, 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 및 유기물 반도체 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 2차원 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드를 포함할 수 있다.
상기 전이금속은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고; 및상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체층은 제1 도전형으로 도핑되고, 제2 반도체층은 제1 도전형과 전기적으로 반대인 제2 도전형으로 도핑될 수 있다.
상기 제1 반도체층 또는 제2 반도체층의 두께는 각각 독립적으로 5nm 내지 30nm의 범위를 갖을 수 있다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 각각 독립적으로, 금속, 그래핀, 투명 전도성 산화물, 및 투명 전도성 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극일 수 있다.
상기 제1 전극의 타면에 배치된 기재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광센서는 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함시킴으로써, 양자점층을 효과적으로 보호할 뿐만 아니라, 역광전류가 생성 가능하므로 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광센서 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 양자점의 파장에 대한 발광강도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 비교예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 4a; 500nm, 도 4b; 600nm, 도 4c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 5a; 500nm, 도 5b; 600nm, 도 5c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 광센서 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 양자점의 파장에 대한 발광강도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 비교예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 4a; 500nm, 도 4b; 600nm, 도 4c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 5a; 500nm, 도 5b; 600nm, 도 5c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
종래 광센서는 다른 타입의 두 층을 이용하여 PN접합을 만들어 광원을 조사할 시 전류가 증가하는 방식을 사용하여 광원에 의해 전류가 증가하면 소비전력이 증가되는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자는 상기 문제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 광검출층 내 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점층을 포함시켜 역광전류가 생성 가능한 광센서를 제조할 경우, 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감시킨다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명에 따른 광센서의 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 광센서(1)는 제1 전극(10); 상기 제1 전극의 일면에 배치된 광검출층(20); 상기 광검출층 상에 배치된 제2 전극(30);을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 전극의 타면에 배치된 기재(40)를 더 포함할 수 있으며, 상기 광검출층(20)은, 구체적으로, 양자점층(21); 상기 양자점층과 제1 전극 사이에 배치된 제1 반도체층(22); 및 상기 양자점층과 제2 전극 사이에 배치된 제2 반도체층(23);을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(10)과 제2 전극(30)은 소자에 전류를 흘려주는 역할을 수행하기 위한 것으로써, 상기 제 1 전극(10)은 금속, 그래핀, 투명 전도성 산화물, 및 투명 전도성 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 Au, Ag, Al, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO를 포함할 수 있다. 반면에 상기 제 2 전극(20)은 투명 전극으로 이루어 져야 하며 구체적으로 금속, 그래핀, 투명 전도성 산화물, 및 투명 전도성 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 Au, Ag, Al, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 전극은 2차원 물질이면서 높은 전도도를 가지는 그래핀을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극은 빛이 입사하는 방향에 배치되므로, 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극인 단층 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 광검출층(20)은 외부 광원을 흡수하여 광전류를 발생할 수 있는 층으로써, 바람직하게는 다수의 양자점을 포함하는 양자점층(21)을 통해 외부 광원을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 양자점층 내 복수로 포함되어 있는 양자점은 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치되어 역광전류 현상을 일으키는 코어-쉘 구조를 갖는 것이라면 특별하게 제한되지 않는다.
구체적으로, 양자점의 코어는 CdSe, CdTe, CdS, InP, ZnCdSe, PbS, PbSe, CGS, CIGS 및 CIS으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 가시광 영역대를 흡수하는 CdSe를 포함할 수 있다.
또한, 양자점의 쉘은 ZnS, CdS 및 ZnSe으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 CdSe의 흡수파장 영역의 조절을 위해 사용되는 ZnS를 포함할 수 있다.
상기 양자점의 쉘의 두께는 0.2 nm 내지 1 nm 인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나, 쉘의 두께가 너무 얇으면 쉘의 역할을 잃어버리는 단점이 있고, 쉘의 두께가 너무 두꺼우면 코어로 전자가 들어가지 않는 단점이 있다.
바람직하게는, 상기 양자점층 내 복수로 포함되어 있는 양자점은, 높은 광 발광, 및 우수한 에너지 흡수율을 가져 우수한 역광전류 현상을 일으킬 수 있도록, 코어에 CdSe를 포함하고 쉘에 ZnS을 포함할 수 있다.
상기 양자점층 내 복수로 포함되어 있는 양자점은 상기 성분을 갖는 코어 쉘 구조를 갖음으로써, 흡수파장 영역 조절이 가능한 장점이 있다. 이에 더하여, 상기 특성을 갖는 양자점층 양면에 다른 도전형으로 도핑되는 제1 반도체층 및 제2 반도체층이 배치됨으로써 양자점층을 효과적으로 보호할 뿐만 아니라, 역광전류가 생성 가능하므로 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 반도체층(22)과 제2 반도체층(23)은 각각 제1 전극 또는 제2 전극과 양자점층 사이의 계면에 위치하여 전류의 흐름을 제어하는 역할을 한다.
상기 제1 반도체층(22)과 제2 반도체층(23)에 사용되는 재료로는 상기 역할을 수행할 수 있는 어떠한 반도체 재료라도 사용할 수 있다. 예를 들어, 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 반도체 물질, 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 및 유기물 반도체 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 양자점층이 2차원 구조의 양자점들을 갖기 때문에, 2차원 반도체 물질을 사용하면 양자점층의 다수의 코어-쉘 구조를 갖는 양자점들의 정렬에 유리할 수 있다. 예를 들어, 2차원 반도체 물질로서 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD), h-BN(hexagonal BN), 포스포린(phosphorene), TiOx, NbOx, MnOx, VaOx, MnO3, TaO3, WO3, MoCl2, CrCl3, RuCl3, BiI3, PbCl4, GeS, GaS, GeSe, GaSe, PtSe2, In2Se3, GaTe, InS, InSe, InTe 등을 포함할 수 있다. 이때, h-BN은 붕소(B)와 질소(N)이 결합하여 육방 결정 구조로 형성된 것이다. 포스포린은 흑린(black phosphorus)의 이차원 동소체이다. 바람직하게는 밴드갭을 가지는 2차원 반도체 물질인 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD)를 포함할 수 있다. 상기 전이금속은, 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 칼코겐 원소는, 예를 들어, 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2를 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체층은 제1 도전형으로 도핑되고, 제2 반도체층은 제1 더전형과 전기적으로 반대인 제2 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극이 음극이고 제2 전극이 양극인 경우, 제1 반도체층은 n-형으로 도핑되어 바람직하게는 MoS2로 도핑될 수 있고, 제2 반도체층은 p-형으로 도핑되어 바람직하게는 WSe2로 도핑될 수 있다. 반대로, 제1 전극이 양극이고 제2 전극이 음극인 경우에는, 제1 반도체층은 p-형으로 도핑되어 바람직하게는 WSe2로 도핑될 수 있고, 제2 반도체층은 n-형으로 도핑될 수 있어 바람직하게는 WSe2로 도핑될 수 있다.
상기 제1 반도체층 또는 제2 반도체층의 두께는 각각 독립적으로 5nm 내지 30nm의 범위를 갖을 수 있고, 바람직하게는, 10nm 내지 20nm의 범위를 갖을 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 제1 반도체층 또는 제2 반도체층의 두께가 너무 얇으면 결함에 취약한 단점이 있고, 너무 두꺼우면 저항성분의 과도한 증가 및 2차원 소재로서의 기능을 상실하는 단점이 있으므로, 상기 수치범위를 만족하는 두께 범위를 갖는 제1 반도체층 또는 제2 반도체층을 사용함으로써 광검출층 상의 전하가 재결합(recombination)하여 광전류를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명에 따른 광센서에 포함되어 있는 광검출층은 제1 반도체층과 제2 반도체층이 직접결합되어 있는 PN 접합구조가 아닌 그 사이에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함하고 있는 PN 복합접합구조를 갖는 특징이 있으므로, 양자점층을 효과적으로 보호하여 광전류를 감소시킬 뿐만 아니라, 높은 광 발광, 및 우수한 에너지 흡수율을 가져 역광전류를 효과적으로 생성시킬 수 있어, 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1 전극의 타면에 배치된 기재를 더 포함할 수 있다. 상기 기재는 전기적 소자에 통상적을 사용될 수 있는 것으로써 광센서에 사용할 수 있는 통상의 기재, 예를 들어, 실리콘, 실리콘 옥사이드, 유리, 및 PET 필름으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분만을 포함하는 것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 특징을 만족하는 광센서에 입사한 광원은 상기 반도체층에서 흡수되어 전자-정공 쌍을 형성하며, 이러한 전자-정공 쌍에 의하여 발생하는 전류 신호는 독출회로에 의하여 전압 신호로 출력될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광센서는 광을 전기신호로 변환하는 광전 변환소자로서, p-i-n형 다이오드로 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 광센서 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다. 이를 참고하면, 기재에 제1 전극을 형성하는 단계(S10), 상기 제1 전극 상에 광검출층을 형성시키는 단계(S20), 상기 광검출층 상에 제2 전극을 형성시키는 단계(S30)을 포함한다.
상기 광센서 제조방법을 설명하기 위해 종전 내용과 중복되는 내용은 생략될 수 있다.
제1 전극을 형성하는 단계(S10)는 미리 준비한 기재 상에 미리 CVD 방식으로 만들어진 제1 전극을 전사하여 형성시킬 수 있다.
상기 광검출층을 형성시키는 단계(S20)는 구체적으로, 상기 제1 전극에 제1 반도체층을 전사하는 단계(S21), 상기 제1 반도체층 상에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 형성시키는 단계(S22), 및 상기 양자점층 상에 제2 반도체층을 전사시키는 단계(S23)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체층을 전사하는 단계(S21)는, 구체적으로, 금속층을 준비하는 단계, 상기 금속층 상에 반도체 물질을 도포하여 제1 반도체층을 형성시키는 단계, 상기 제1 반도체층 상에 고분자층을 형성시켜 적층체를 제조하는 단계, 상기 적층체에서 금속층을 제거하는 단계, 상기 금속층이 제거된 적층체를 제1 전극에 전사시키는 단계, 및 고분자층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속층은 상기 반도체 물질을 도포할 수 있는 금속층으로써 추후 식각될 수 있는 물질이면 특별하게 제한되지 않는다. 예를 들어, 구리 판 또는 철 판을 사용할 수 있고, 구리 또는 철을 포함하는 금속 호일(Metal foil) 일 수도 있으며, 또한, NaCl와 같은 물에서도 용해도가 뛰어난 기판도 사용가능하다.
상기 준비한 금속층 상에 반도체 물질을 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)으로 도포시켜 제1 반도체층을 형성시킬 수 있다. 종래의 물리적으로 이차원 구조의 반도체층을 제조하는 스카치 테이프법의 경우, 하나의 층마다 스카치 테이프를 이용하여 직접 박리하는 방법으로 대량생산이 불가능한 단점이 있었다. 반면에, 화학기상증착법(CVD)는 전구체 물질이 기재에 기체상태로 증착하여 이차원 구조의 물질층을 형성하는 방법으로, 대량생산이 가능하고 대면적으로 합성 하여 선택적으로 제단할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 본 발명에 따른 반도체 물질을 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)으로 도포시킬 수 있고, 바람직하게는, 950~1030℃의 온도, 10-3mtorr~760torr 의 압력, 5 min~1hr의 시간의 조건의 CVD를 통해 반도체 물질을 도포시킬 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 압력이 너무 낮은 분위기면 균일한 그래핀 성장이 어렵고 압력이 너무 높은 분위기에서는 두껍게 성장되는 경향이 있다. 또한, 온도가 너무 낮으면 결정성이 떨어지는 단점이 있고, 온도가 너무 높으면 성장된 그래핀이 높은 온도에서 불안정하여 에칭되는 단점이 있다.
상기 고분자층을 형성하는 적층체를 제조하는 단계는 상기 형성된 제1 반도체층 상에 고분자층을 형성시켜 적층체를 제조하는 단계이다. 상기 고분자층은 추후 적층체 내 제1 반도체층이 그 형태를 유지시키면서 제1 전극에 전사되게 하는 역할을 한다. 상기 고분자층은 예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(Poly (methyl methacrylate), PMMA)을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 식각 등의 방법으로 제거할 수 있고, 상기 금속층 제거된 적층체는 제1 반도체층이 제1 전극과 맞닿도록 전사시킬 수 있다. 그 다음, 상기 적층체 상부에 위치한 고분자층은 유기용매인 아세톤을 이용하여 세척하는 방법으로 제거시켜 제1 반도체층 상에 양자점층이 바로 형성될 수 있도록 할 수 있다.
상기 제1 반도체층 상에 양자점층을 형성시키는 단계(S22)는 제1 반도체층 상에 상기 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 형성시키는 단계이다.
상기 양자점층은 바람직하게 복수의 양자점을 제1 반도체층 상에 스핀코팅(spin coating) 방법으로 적층시켜 형성시킬 수 있다.
상기 제2 반도체층을 전사시키는 단계(S23)는 상기 양자점층 상에 제2 반도체층을 전사시키는 단계로써, 구체적인 단계는 제1 반도체층을 전사시키는 단계(S21)와 동일할 수 있다.
상기 단계들을 거쳐, 최종적으로 제1 전극 상에 광검출층을 형성시킬 수 있다.
상기 광검출층 상에 제2 전극을 형성시키는 단계(S30)는 상기 광검출층 상의 제2 반도체층 상에 제2 전극을 형성시키는 단계로써, 상기 형성시키는 방법은 제1 전극을 형성시키는 단계와 동일할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 광센서 제조
(S10) 기재에 제1 전극을 형성하는 단계는 다음과 같다.
구체적으로, 먼저 구리 포일(Cu foil)을 아세톤(Acetone), 이소프로필 알코올(Isopropylalcohol, IPA), 에탄올(Ethanol)의 순서로 세척하여 금속층을 준비하였다. 상기 기재를 2인치 석영관에 로딩(loading)한 후, 촉매는 Cu 35nm, 전구체로는 메탄(CH4)을 사용하여, H2 기체를 100sccm으로 공급하고 90분 동안 어닐링(annealing)을 진행하였다. 그 다음, H2 기체 100sccm 과 CH4 기체 5sccm 을 1분간 1차로 공급한 뒤, H2 기체 100sccm과 CH4 기체 13sccm을 8분간 2차로 공급하여 그래핀을 포함하는 기능층을 성장시킨다. 8분 후 석영관을 열고 기재의 온도가 200
이하로 내려갈 때까지 H2 기체 15sccm을 3차로 공급하며 냉각시켰다. 그 다음, 상기 제1 반도체층 상에 PMMA를 포함하는 고분자층을 스핀코팅방법으로 형성시켜 적층체를 제조하였다. 그 다음, 상기 적층체에서 구리 포일(Cu foil)인 금속층을 식각방법으로 제거하였다. 그 다음, 상기 구리 포일(Cu foil)인 금속층이 제거된 적층체를 SiO2/Si 기판의 SiO2에 그래핀이 맞닿게 전사시킬 수 있다. 그 다음, PMMA를 포함하는 고분자층을 아세톤을 이용하여 제거할 수 있다. 이에, 최종적으로, SiO2/Si 기판인 기재 상에 그래핀이 형성되어 있는 제1 전극을 제조하였다.
(S20) 광검출층을 형성시키는 단계는 다음과 같다.
구체적으로, 제1 전극에 제1 반도체층을 전사하는 단계(S21)는 먼저 구리 포일(Cu foil)을 아세톤(Acetone), 이소프로필 알코올(Isopropylalcohol, IPA), 에탄올(Ethanol)의 순서로 세척하여 금속층을 준비하였다. 그 다음, 반도체 물질을 하기와 같은 단계를 거쳐 준비하였다. 구체적으로, 고순도의 MoO3 (99.5%)와 황분말(Sulfur powder)(99.5%)을 quartz boat에 넣고 챔버 내에 위치시킨 다음, 상압에서 650℃로 30분간 아르곤(Ar) 150sccm의 양으로 주입한 뒤, 상온까지 냉각하여 반도체 물질인 MoS2을 제조하였다. 그 다음, 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)으로 상기 반도체 물질인 MoS2을 구리 포일(Cu foil)인 금속층에 도포시켜 제1 반도체층을 형성시켰다. 그 다음, 상기 제1 반도체층 상에 PMMA를 포함하는 고분자층을 스핀코팅방법으로 형성시켜 적층체를 제조하였다. 그 다음, 상기 적층체에서 구리 포일(Cu foil)인 금속층을 식각방법으로 제거하였다. 그 다음, 상기 구리 포일(Cu foil)인 금속층이 제거된 적층체를 S10 단계에서 형성된 제1 전극 상에 제1 반도체층이 제1 전극과 맞닿게 전사시킬 수 있다. 그 다음, PMMA를 포함하는 고분자층을 아세톤을 이용하여 제거할 수 있다.
상기 제1 반도체층 상에 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 형성시키는 단계(S22)는 다음과 같다. 먼저, Trioctylamine(TOA), Oleic acid(OA), 및 Cadmium oxide를 환류 콘덴서가 설치된 125ml 플라스크에 넣고, 300
에서 700rpm으로 교반하여 혼합물을 제조하였다. 이와 별개로, Se 분말을 순도97%의 Trioctylphosphine(TOP)에 녹여 Se-TOP 착화물 용액을 제조한다. 상기 교반한 300
의 혼합물에 Se-TOP 착화물 용액을 빠른 속도로 주입하여 반응시킨다. 반응 중에서는 질소 분위기에서 일정한 교반속도를 유지하였다. 상기의 방법으로 CdSe 코어를 제조하였다. 그 다음, 추가적으로 ZnMe2와(TMS)2S를 주입하여 CdSe 코어와 ZnS 쉘을 갖는 양자점을 제조한다. 그 다음, 상기 양자점 나노 입자를 헥산(hexane) 15mL에 녹여 정제한다. CHCl3와 CH3OH를 1:1의 부피비로 혼합한 용액 15mL를 나노 입자가 녹아 있는 헥산(hexane) 용액에 첨가 하여 양자점을 추출하였다. 혼합 용액의 상층에는 순수한 양자점 나노 입자가 녹아 있기 때문에 상층만 분리하였다. 분리된 상층 용액에 아세톤(acetone)을 사용하여 원심분리 시킨다. 형성되는 양자점을 240
에서 30분간 반응시켜 최종적으로 양자점 나노 입자를 얻었다. 상기 얻은 양자점 나노 입자는 스핀코팅 방법을 통해 제1 반도체층 상에 형성시켰다.
상기 양자점층 상에 제2 반도체층을 전사시키는 단계(S23)는 반도체 물질로 MoS2이 아닌 WSe2을 제조하여 제1 전극층이 아닌 양자점층 상에 제2 반도체층을 전사시키는 것을 제외하고 상기 S21과 동일한 방법으로 전사시킬 수 있다. 구체적으로, 반도체 물질로 WSe2을 제조하는 방법은 하기와 같다. 구리 포일(Cu foil)인 금속층을 챔버 내에 위치시키고 WO3 0.3g과 Se파우더를 두 칸으로 나뉘어진 세라믹 보트에 각각 위치시키고, 270
에서 반응시켰다. 그 후, Carrier gas인 아르곤 80sccm, 수소 20sccm를 압력은 1Torr로 유지시키면서 투입 시키면서, 925
에서 15분간 반응시킨 뒤 상온으로 냉각하여 최종적으로 반도체 물질인 WSe2 기능층을 형성한다.
(S30) 상기 광검출층 상에 제2 전극을 형성시키는 단계는 다음과 같다.
구체적으로, 제2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극으로써, 제1 전극과 마찬가지로 미리 제조된 투명전극인 단층 그래핀을 전사시키는 방법으로 형성하였다.
비교예 : 광센서 제조
실시예와 비교했을 때,
광검출층에, 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함시키지 않고 제조한 것을 제외하고, 실시예와 동일하게 광센서를 제조하였다.
실험예 1 : 코어-쉘 구조를 갖는 양자점의 특성
실시예에서 제조한 코어-쉘 구조를 갖는 양자점에 532 nm 레이저 빛을 조사하여 광발광을 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.
구체적으로, 도 3은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 양자점의 파장에 대한 발광강도(photoluminecence) 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 도 3을 참고하면, 610 nm에서 발광하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 양자점은 610 nm에서 발광 특성을 갖는 다.
실험예 2 : 광센서의 역광전류 존재 여부 확인
실시예 및 비교예에 따라 광센서를 제조한 뒤, 각각의 반응파장 당 시간에 따른 전류를 확인하고 그 결과를 도 4a 내지 도 4c, 및 도 5a 내지 도 5c에 나타내었다.
구체적으로, 도 4a 내지 도 4c는 비교예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 4a; 500nm, 도 4b; 600nm, 도 4c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다. 또한, 도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 광센서에서 각각의 반응파장(400nm, 도 5a; 500nm, 도 5b; 600nm, 도 5c) 당 시간(초)에 따른 전류(A) 그래프이다.
상기 도 4a 내지 도 4c를 참고하면 각 반응파장에 대한 광원이 조사되었을 때 일반적인 광전류가 흘러 시간이 지날수록 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 도 5a 내지 도 5c를 참고하면 각 반응파장에 대한 광원이 조사되었을 때 양자점층 내 코어-쉘 구조를 갖는 양자점이 흡수할 수 있는 반응파장에 대한 광원에서는 시간이 지남에도 역광전류가 흘러 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 광센서는 특정 성분을 갖는 코어 쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하고 있는 양자점층을 포함하고 있고, 상기 양자점층이 제1 반도체층과 제2 반도체층이 직접결합되어 있는 PN 접합구조가 아닌 그 사이에 포함하고 있는 PN 복합접합구조를 갖는 특징이 있으므로, 양자점층을 효과적으로 보호하여 광전류를 감소시킬 뿐만 아니라, 높은 광 발광, 및 우수한 에너지 흡수율을 가져 역광전류를 효과적으로 생성시킬 수 있어, 광원을 광센서에 조사할 경우 역광전류로 인해 광센서 내 전류가 감소되어 광센서 전체 전류가 증가하는 과전류 상태를 억제시킴으로써 결과적으로 전반적인 전기적 특성을 향상시켜 소비전력을 절감할 수 있는 장점이 있다.
1 : 광센서
10 : 제1 전극층, 20 : 광검출층, 30 : 제2 전극층, 40 : 기재
21 : 제1 반도체층, 22 : 양자점층 23 : 제2 반도체층
10 : 제1 전극층, 20 : 광검출층, 30 : 제2 전극층, 40 : 기재
21 : 제1 반도체층, 22 : 양자점층 23 : 제2 반도체층
Claims (12)
- 제1 전극;
상기 제1 전극의 일면에 배치된 광검출층; 및
상기 광검출층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고,
상기 광검출층은 코어-쉘 구조를 갖는 양자점을 복수로 포함하는 양자점층을 포함하며,
상기 제2 전극은 그래핀, 투명 전도성 산화물, 및 투명 전도성 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 제2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 양자점의 코어는 CdSe, CdTe, CdS, InP, ZnCdSe, PbS, PbSe, CGS, CIGS 및 CIS으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 양자점의 쉘은 ZnS, CdS 및 ZnSe으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 광검출층은
상기 양자점층과 제1 전극 사이에 배치된 제1 반도체층; 및
상기 양자점층과 제2 전극 사이에 배치된 제2 반도체층;을 더 포함하는 것인 광센서. - 제4항에 있어서,
상기 제1 반도체층 또는 제2 반도체층은 각각 독립적으로, 밴드갭을 가지
며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 반도체 물질, 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 및 유기물 반도체 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 광센서. - 제5항에 있어서,
상기 2차원 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 것인 광센서. - 제6항에 있어서,
상기 전이금속은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고; 및
상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것인 광센서. - 제5항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 제1 도전형으로 도핑되고, 제2 반도체층은 제1 도전형과 전기적으로 반대인 제2 도전형으로 도핑되는 것인 광센서. - 제4항에 있어서,
상기 제1 반도체층 또는 제2 반도체층의 두께는 각각 독립적으로 5nm 내지 30nm의 범위를 갖는 것인 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 금속, 그래핀, 투명 전도성 산화물, 및 투명 전도성 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 광센서. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극의 타면에 배치된 기재를 더 포함하는 것인 광센서.
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