KR20010040487A - Ｘ-ｙ 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 어레이 및이를 사용한 센서 매트릭스 - Google Patents

Ｘ-ｙ 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 어레이 및이를 사용한 센서 매트릭스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로, 반도체 박막을 포함하는 이-터미날 전기 마이크로스위치를 제조하고, 이러한 마이크로스위치를 사용하여 행렬(x-y) 번지지정 가능한 마이크로스위치 매트릭스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 마이크로스위치는 외부 바이어스의 양 또는 배향에 의해 전류 및 전기 포텐셜(또는 그 미적분)을 스위칭 온 및 오프시킬 수 있는 이-터미널 소자이다. 마이크로스위치는 전극/반도체/전극의 박막 구조로 된 반도체 박막으로 만들어진다. 행렬 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치는 높은 픽셀 밀도를 갖고 넓은 영역에 걸쳐 제조된다. 이러한 매트릭스를 외부 물리적 조건(예를 들면 광자 방사, 온도, 압력, 자기장 등)에 반응하여 변하는 전자적 성질을 갖는 센서 층과 집적시켜 다양한 검출기 매트릭스를 형성할 수 있다.

Description

Ｘ-Ｙ 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 어레이 및 이를 사용한 센서 매트릭스{X-Y Addressable Electric Microswitch Arrays and Sensor Matrices Employing Them}
전형적인 전기 스위치는 고 전류 고 전력 장치를 위한 계전기(relay)와 같은 전자기계학적 디바이스이다. 다른 한편으로는, 다양한 센서에 사용하기 위한 고 픽셀 밀도의 행렬 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치에 높은 관심이 쏠려있다. 개별적인 기계적 계전기로 만들어진 스위치는 이러한 용도에 사용하기에는 부피가 너무 크고 크기가 너무 크고 스위칭 속도가 너무 느리다. 자동 제어 산업에서 단일 제어 보드(board)에서는 전형적으로 102보다 적은 수의 채널이 사용된다.
반도체 웨이퍼상의 대규모 집적 회로(LSIC: large scale integrated circuits)에서 스위칭 회로를 제조하는데에는, 상보형 금속-산화막-반도체(CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor) 기술 및 전계 효과 트랜지스터(field effect transister)가 사용되어 왔다. 전형적인 스위칭 회로는 일련의 전계 효과 트랜지스터로 구성되어 있고 활성 매트릭스 어레이로서 알려져 있다. 이러한 마이크로스위치는 고 픽셀 밀도 2D 이미지 센서 및 메모리 디바이스의 제조에 사용되어 왔다. 그러나 그 재료와 공정의 비용이 많이 들어서 크기가 큰 센서 용도에서의 활성 매트릭스 어레이의 사용이 제한되었다.
원래 액정 디스플레이(LCD: liquid crystal display)용으로 개발된, 유리 또는 석영 기재를 사용하는 박막 트랜지스터(TFT: thin film transistor) 기술은 활성-모드(AM: active-mode) 마이크로스위치 기재의 또다른 예를 제공한다. AM-LCD에서의 용도외에도, 근래에는 무정형 실리콘(a-Si) TFT 패널상의 무정형 실리콘 p-i-n 광전지(photocell)로 만들어진 크기가 큰 전색 이미지 센서가 제시되었다(제이 욕스톤(J. Yorkston) 등의 문헌[Mat.Res.Soc.Sym.Proc. 116, 258(1992)]; 알 에이 스트리트(R.A.Street)의 문헌[Bulletin of Materials Research Society 11(17), 20(1992)]; 엘 이 안토누크(L.E.Antonuk) 및 알 에이 스트리트의 미국 특허 제 5,262,649 호(1993); 알 에이 스트리트의 미국 특허 제 5,164,809 호(1992)를 참조).
FET는 삼(3)-터미날 활성 소자이다. 이러한 스위치 장치로 이루어진 마이크로스위치 패널을 종종 활성 매트릭스라고 한다. 각 FET의 드레인(drain) 전류는 그의 게이트 전압에 의해 스위칭 온/오프될 수 있다. 온/오프 비는 전형적으로 104내지 108이다.
본원에서 기술된 바와 같이, 고체 상태 마이크로스위치는 금속/반도체 쇼트키(Schottky) 다이오드, 금속/반도체/금속(MSM) 디바이스, p형 반도체/n형 반도체(p-n) 접합 디바이스 또는 p형 반도체/절연체 또는 도핑되지 않은 반도체/n형 반도체(p-i-n) 접합 디바이스와 같은 이-터미날 수동 디바이스로부터 제조될 수도 있다. 전류는 외부 바이어스의 양 또는 배향에 의해 스위칭 온/오프될 수 있다.
본 발명은 MSM 구조를 갖거나 그 변형 구조를 갖는 수동 디바이스를 포함하는, 크기가 큰 고 픽셀 밀도 마이크로스위치 매트릭스를 개시한다. 본 발명은 또한 이러한 크기가 큰 고 픽셀 밀도 마이크로스위치 매트릭스의 제조 방법을 개시한다. 유기 또는 무기 반도체는 박막 구조로 되어 있다. 무기 재료로 만들어진 박막 디바이스(예를 들면 셀렌, 게르마늄, 실리콘, Ge-Si 합금, ZuS, CdS 또는 CdSe)가 수십년간 개발되어 왔고 광기전성(photovoltaic) 에너지 변환을 포함한 많은 용도에 사용되어 왔다. 금속-유기물-금속 MSM 박막 구조에서의 유기 다이오드가 또한 연구되어 왔다(유기 분자 및 콘쥬게이티드 폴리머로 만들어진 MSM 디바이스를 재고하려면 다음 문헌들을 참조할 것: 제임스 씨 더블유 치엔(James C.W.Chien)의 문헌[Polyacetylene: Chemistry, Physics and Material Science, Chapter 12(Academic, Orlando, 1978]; 지 에이 챔벌린(G.A.Chamberlain)의 문헌[Solar Cells 8, 47(1983)]; 제이 카닉키(J.Kanicki)의 문헌[Handbook of Conductiong Polymers]; 티 에이 스코테임(T.A.Skotheim)의 문헌[Ed.Dekker, New York, 1986]). 그러나, 이러한 초기 개발된 디바이스의 성능은(그의 I-V 특성에 의해 입증된 바에 따르면) 전기 스위치로서 사용하기에 불충분하다.
재료의 품질 및 디바이스 제조 공정 둘다를 개선하기 위해서, 근래에는 정류(rectification)비가 105내지 106인 유기 MSM 디바이스가 제시되었다(디 브라운(D.Braun) 및 에이 제이 히거(A.J.Heeger)의 문헌[Appl. Phys. Letters 58, 1982(1991)]; 지 유(G.Yu), 씨 장(C.Zhang) 및 에이 제이 히거의 문헌[Appl. Phys. Lett, 64, 1540(1994)]을 참조).
적당한 블렌딩 공정을 도입하고 디바이스의 구조를 다양하게 함으로써, 예를 들면 이층 반도체 막을 사용하거나 접촉물(contact)로서 상이한 금속을 선택하여 캐리어(carrier) 주입을 개선시킴으로써 정류비를 더욱 개선시킬 수 있다(아이 파커(I.Parker)의 문헌[J.Appl.Phys. 75, 1656(1994)]을 참조). 이러한 유기 MSM 디바이스는 전류 밀도 10mA/㎠에서 104시간이 넘는 시간동안 연속적으로 작동할 수 있다(지 유, 씨 창, 와이 양(Y.Yang) 및 에이 제이 히거의 문헌[Annual Conference of Materials Research Society, San Francisco, April 1995]을 참조).
본원에서 개시된 바와 같이, 이러한 높은 정류비를 갖는 박막 MSM 디바이스를 사용하여 고 픽셀 밀도를 갖는 크기가 큰 고체 상태 마이크로스위치 보드(패널)를 만들 수 있다.
〈발명의 요약〉
본 발명은 반도체 박막을 포함하는 전기 마이크로스위치 디바이스 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 마이크로스위치를 개개의 픽셀 요소로서 사용하는 행렬(X-Y) 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 어레이(매트릭스 패널)을 제조하는 방법을 개시한다. 이러한 마이크로스위치는 전류, 전기 포텐셜(또는 그의 미분 또는 적분값)이 외부 바이어스의 크기 또는 배향에 의해 스위칭 온/오프될 수 있는 이-터미날 디바이스이다. 이들은 전극/반도체/전극 박막 구조를 갖는 반도체 박막으로 이루어져 있다. 행렬 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 매트릭스는 넓은 영역에 걸쳐 높은 픽셀 밀도를 갖도록 제조될 수 있다. 이러한 매트릭스를 외부 물리적 조건(예를 들면 광자 방사, 고 에너지 입자 방사, 온도, 표면 압력, 자기장 등)에 반응하여 다양하게 변하는 전자적 성질을 갖는 센서 층과 집적시킴으로써 다양한 검출기 매트릭스를 형성할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 반도체 박막을 사용하여 전기 마이크로스위치(microswitch)를 제조하고 이러한 마이크로스위치를 사용하여 행렬(X-Y) 번지지정 가능한(addressable) 전기 스위치 매트릭스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 마이크로스위치는 전류, 전기 포텐셜 또는 그의 미분 또는 적분값이 외부 바이어스(bias)의 크기 또는 배향에 의해 스위칭 온/오프되는(switched on and off) 두개의 터미날로 된(이(2)-터미날) 디바이스이다. 이들은 금속/반도체/금속 박막 구조를 갖는 반도체 박막으로 이루어져 있다. 행렬 번지지정 가능한 전기 마이크로스위치 매트릭스는 넓은 영역에 걸쳐 높은 픽셀 밀도를 갖도록 제조될 수 있다. 이러한 매트릭스를 외부 물리적 조건(예를 들면 광자 방사, 온도, 압력, x-레이, 자기장 등)에 반응하여 전자적 성질이 변하는 하나(또는 여러개)의 또다른 층(들)과 집적시킴으로써 다양한 검출기 매트릭스를 형성할 수 있다.
본 발명을 다음의 도면을 참조로 하여 더욱더 자세히 설명할 것이다:
도 1은 서로 상이하거나 유사한 일함수를 갖는 두개의 전도체 전극(11, 13) 사이에 반도체 막(12)이 끼워져 있는 고체 상태 마이크로스위치(10)의 횡단면도이다.
도 2A는 외부 환경 조건에 반응하여 변화하는 전기적 성질(예를 들면 전도성, 포텐셜 차)을 갖는 센싱(sensing) 디바이스 및 마이크로스위치를 포함하는 스위칭 가능한 이-터미날 센싱 요소(20)의 횡단면도이다.
도 2B는 센서 층(24)이 기재(26)에 보다 가깝게 위치된, 도 2A의 변형된 구조의 횡단면도이다.
도 2C는 도 2A와 도 2B에 해당하는 회로의 도면이다.
도 3A는 행 전극(35)의 어레이와 열 전극(31)의 어레이에 의해 구성된 행렬 번지지정 가능한 센서 매트릭스(30)의 구조를 나타낸다. 열 전극과 행 전극간의 각 접합부에는 도 2에 나타낸 것과 유사한 스위칭 가능한 센싱 요소가 있다.
도 3B는 도 3A의 구조가 뒤집어진 구조를 보여준다.
도 4는 8×14 센서 매트릭스에 해당하는 회로를 보여준다.
도 5A 및 도 5B는 ITO/MEH-PPV/Ca의 형태로 제조된 마이크로스위치의 I-V 특성(a)과 정류비 Rr(b)를 보여주는 그래프 세트이다.
도 6A 및 도 6B는 Au/MEH-PPV/Al의 형태로 제조된 마이크로스위치의 I-V 특성(a)과 정류비 Rr(b)를 보여주는 그래프 세트이다.
도 7A 및 도 7B는 ITO/MEH-PPV:PCBM/Al의 형태로 제조된 마이크로스위치의 I-V 특성(a)과 정류비 Rr(b)를 보여주는 그래프 세트이다.
도 8A 및 도 8B는 Ag/PANI-PAAMPSA/MEH-PPV/Ca의 형태로 제조된 마이크로스위치의 I-V 특성(a)과 정류비 Rr(b)를 보여주는 그래프 세트이다.
도 9A 및 도 9B는 반도체가 무정형 실리콘 막인, ITO/p-i-n/Al의 형태로 제조된 마이크로스위치의 I-V 특성(a)과 정류비 Rr(b)를 보여주는 그래프 세트이다.
도 10A 내지 10C는 ITO/MEH-PPV/Ca의 형태로 제조된 마이크로스위치의 dI/dV-V(a), G-V(b) 및 전류 적분 int IdV-V(c)의 특성을 보여주는 그래프 세트이다.
도 11은 -73℃ 내지 127℃(200K 내지 400K)의 온도 범위에서 ITO/MEH-PPV/Ca 디바이스의 전류 대 온도 특성을 보여준다.
도 12A 및 12B는 10×10 온도 센서 매트릭스상에서의 전류 이미지(픽셀 전류 분배)(a) ; 및 그와 동일한 매트릭스로부터 얻은 상응하는 온도 이미지(b)를 보여준다.
〈바람직한 실시양태의 설명〉
바람직한 실시양태의 설명 및 청구의 범위에 있어서, 정의되어야 할 몇가지 용어들을 언급하고자 한다. 그중 일군에 속하는 용어들은 마이크로스위치의 구조와 이들이 제어할 수 있는 센서 요소와 관련되어 있다. 마이크로스위치의 두가지 실시양태의 횡단면도가 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 이 스위치들은 전극-반도체-전극 박막 디바이스 구조로 구성되어 있다. 특히, 스위치는 반도체 층(12) 및 두개의 "접촉 전극(contact electrode)(층(11) 및 층(13))"을 포함한다.
반도체 층(12)은 유기 또는 무기 반도체 재료로 이루어져 있다. 유기 반도체의 예에는 콘쥬게이티드 폴리머, 폴리머 블렌드, 폴리머/분자 폴리블렌드, 유기 분자의 층, 유기금속 분자, 또는 분자 블렌드(합금) 또는 이들 재료가 합해진 다층 구조물이 포함된다. 무기 반도체의 예에는 Si, Se, Ge, Si-Ge 합금, CdS, CdSe, TiO2, CuO 등이 포함된다. 유기 반도체의 예에는 폴리아세틸렌(PA) 및 그의 유도체, 폴리티오펜(PT) 및 그의 유도체, MEH-PPV와 같은 폴리(p-페닐 비닐렌)(PPV) 및 그의 유도체, C60과 같은 풀레렌(fullerene) 분자 및 그의 유도체, 버키 튜브(bucky tube), 안트라센, 테트라센, 펜타센, Alq3및 기타 금속 킬레이트(M-L3)형 유기금속 분자 등이 포함된다. 층(12)은 유기 및 무기 재료를 포함하는 복합재를 포함하거나 이러한 재료로 된 이층 또는 다층 형태일 수도 있다.
층(12)은 하나 이상의 도판트(dopant)로 도핑된 반도체일 수 있다. 여분의 전하들은 모두 상이한 원자가 전자를 갖는 도판트로부터 나온다. 주요 전하 캐리어로서 전자를 갖는 도핑된 반도체를 n형 반도체라고 하고 주요 캐리어로서 구멍을 갖는 도핑된 반도체를 p형 반도체라고 한다. 층(12)내의 도핑 수준은 불균일하게 분배될 수 있고, p형으로부터 n형으로 신호가 변하거나(p-n 접합 내부(12)를 형성), p형으로부터 도핑되지 않은 영역으로, 이어서 n-도핑된 영역으로 신호가 변할 수 있다(p-i-n 접합 내부(12)를 형성).
두개의 "접촉 전극"(층(11) 및 층(13))은 반도체 층으로부터 각각 전자 및 구멍을 추출해내는, 스위치의 양극 및 음극의 역할을 해낸다. 어떤 실시양태에서는, 전극(예를 들면 도 1의 층(11))중 하나 이상이 투명하거나 반투명하게 제조된다. 이러한 전극을 다음에 보다 상세히 기술하고자 한다.
양극 전극은 음극 재료보다 일함수(work function)가 높은 도체 재료로 만들어진다.
디바이스는 도 2A에 도시된 선택적 기재 또는 지지체(26)를 포함할 수도 있다. 이것은 스위치 및/또는 스위치의 매트릭스 어레이를 보다 견고하게 하는, 고형의 딱딱하거나 유연한 층이다. 어떤 실시양태에서는, 이 기재는 작업 파장에 대해 투명하거나 반투명하다. 유리, 석영, 폴리머 시이트 또는 유연성 플라스틱 막이 통상적으로 사용되는 기재들이다. 광대역 반도체 웨이퍼(예를 들면 SiC, SiN)을 몇몇 용도에 사용할 수도 있다. 이 경우, 얇고 도핑된 영역이 접촉 전극(21)으로서의 역할을 할 수도 있다.
도 2B에 나타내어진 "뒤집어진(inverted)" 구조를 갖는 디바이스도 이 구조를 갖고서 유용하게 사용되며, 빛은 자유 표면과 접촉된 전극(21)을 통해 입사하므로 광학적으로 불투명한 재료를 기재로서 사용할 수도 있다. 예를 들면, 기재(26)로서 무기 반도체 웨이퍼(예를 들면 실리콘)를 사용하거나, 반도체를 "전도성" 수준(이후에 정의됨)으로 도핑시킴으로써, 웨이퍼가 무기 반도체 기재(집적 회로 기술을 사용)상으로의 직접적인 회로 설계시 기재(26) 및 접촉 전극(25) 둘다로서 작용할 수 있게 된다.
입사광은 일반적으로 가시광 파장(400 내지 700nm), 자외선 파장(200 내지 400nm), 진공 자외선 파장(200nm 미만) 및 근적외선 파장(700 내지 2500nm)를 포함하는 것으로 정의된다.
몇몇 층은 투명(transparent)하거나 반투명(semitransparent)하게 되어 있다. 이 용어들은 재료상에 입사되는 입사광을 상당량으로 투과하는 재료의 특성을 나타내는데 사용된다. "투명한"이라는 용어는 종종 투과율이 20%를 넘는 기재를 기술하는데 사용되고, "반투명"이라는 용어는 종종 투과율이 20% 내지 1%인 기재 또는 층을 기술하는데 사용된다.
"전도성"층 또는 재료는 전형적으로 0.1S/cm보다 큰 전도도를 갖는다. 반도체 재료는 10-14내지 10-1S/cm의 전도도를 갖는다.
재료층이 "유전성(dielectric)" 또는 "절연성"이라는 것은 전도도가 전형적으로 10-10S/cm 미만이라는 것이다.
"양성"(또는 "음성") 바이어스란 보다 높은 포텐셜이 양극 전극(또는 음극 전극)에 걸린 상태를 말한다. 음성 전압에 대해서 말하자면, 감광도(photosensitivity)를 향상시키기 위해서 역방향 바이어스 전압을 가한 경우와 같이, 상대 전압은 절대 전압과 같다. 다시 말해, 예를 들면 -10V (역방향) 바이어스는 -5V (역방향) 바이어스보다 높다.
광학 이미지 센싱 요소(이들중 어떤 것은 종종 스위치와 짝을 이룬다)의 스펙트럼 응답은, 본원의 실시예에서 예시할 바와 같이, 센싱 재료의 광학 띠 갭(gap) 및 전자적 성질(예를 들면 캐리어 이동도), 센싱 요소의 구조, 및 광학 필터,기재 또는 광학 경로내의 기타 피복층의 투과 특성에 의해 결정된다.
단일 띠 가시광 이미지 검출(종종 흑/백 또는 단색 이미지 센서라고도 함)외에도, 전색 검출 가능한 이미지 센서에 대한 요구가 높다. 전색 검출은 종종 가시광 스펙트럼을 3개의 개별적인 영역, 즉 적색(600 내지 700nm), 녹색(500 내지 600nm) 및 청색(400 내지 500nm)의 기본 색 영역으로 분할시킴으로써 달성한다. 전색 신호를 상기 세가지 띠에서의 입사광의 세기로 나타낼 수 있다. 따라서 전색 이미지 요소란 상기 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼 범위(때로는 그의 보색인 남색, 자홍색 및 황색을 선택할 수도 있음)에서 3가지 스펙트럼 채널을 갖는 이미지 디바이스를 말하는 것이며, 이것은 색 및 빛의 세기에 대한 정확한 정보를 입사광에 제공할 수 있다.
각 센싱 픽셀 사이의 영역내에 "흑색" 재료로 된 피복물(관심 스펙트럼 범위에서 불투명함)이 광검출기 평면 앞에 위치하여 "흑색 매트릭스"가 형성 될 수 있다. 이 피복물은 패턴화되지 않은 광학활성 유기층을 갖는 디바이스내의 이웃한 픽셀들간의 누화(cross-talk)를 더욱 감소시켜야 하는 상황에서는 도움이 된다. 흑색 매트릭스는 디스플레이 콘트라스트를 증가시키기 위해 CRT 모니터 및 기타 평면 디스플레이에 사용되어 왔고, 디스플레이 산업에서는 널리 알려져 있다. "흑색 매트릭스"의 패턴화를 표준 포토리쏘그래피(photolithography), 스탬프, 잉크-젯 또는 스크린 프린팅 기법에 의해 달성할 수 있다.
〈전극〉
도 1에 나타낸 구조에서, 투명 기재 및 투명 전극은 하나의 접촉 전극으로서 사용된다. 인듐-주석-산화물("ITO")은 전극으로서 사용될 수 있다. 또다른 투명 전극 재료에는 알루미늄 도핑된 아연-산화물("AZO"), 알루미늄 도핑된 주석-산화물("ATO"), 주석-산화물 등이 포함된다. 이들 전도체 피복물은 근자외선으로부터 중적외선까지 투과되는 도핑된 금속-산화물 화합물로 만들어져 있다.
전극은 기타 도핑된 무기 화합물 또는 합금으로 만들어 질 수도 있다. 이들 화합물은 원소의 조성, 원자가 또는 막의 형태에 따라 금속(또는 거의 금속) 형태로 도핑될 수 있다. 반도체 화합물 또는 금속성 화합물은 해당 기술 분야에 잘 공지되어 있고 기록도 잘 되어 있다(예를 들면 엔 에프 모트(N.F.Mott)의 문헌[Metal-Insulating Transitions, 2nd edition(Taylor ＆ Francis, London, 1990)]; 엔 에프 모트 및 이 에이 데이비스(E.A.Davis)의 문헌[Electronic Processes in Non-Crystalline Materials(Claredon, Oxford, 1979)]을 참조). 이러한 화합물의 예에는 저온에서 초전도성을 갖는(소위 고온 초전도체) 구리산염 물질이 포함된다.
이러한 전극은 미국 특허 제 5,232,631 호 및 문헌[Appl.Phys.Lett. 60, 2711(1992)]에 개시된 카운터이온-유도된 처리능 기술(counterion-induced processability technology)을 사용하거나 기타 적합한 기술을 사용하여 제조한 에머랄딘(emeraldine) 염내에서 폴리아닐린과 같은 전도체 폴리머로서 제조될 수 있다. 전극의 역할을 하는 폴리아닐린 막은 실온에서 매우 균일하게 용액으로부터 주조될 수 있다. 폴리머 기재 및 유기 활성 층을 갖는 유기 전도체 전극은 포토센서(photosensor)를 완전히 유연한 형태로 제조될 수 있게 한다. 투명 또는 반투명 전극(도 1의 11 또는 도 2A의 21)을 만드는데 사용할 수 있는 기타 전도체 폴리머에는 폴리에틸렌 디옥시티오펜 폴리스티렌 설포네이트("PEDT/PSS")(와이 카오(Y. Cao), 지 유, 씨 장, 알 메논(R.Menon) 및 에이 제이 히거의 문헌[Synth.Metals, 87, 171(1997)]을 참조), 폴리(피롤), 또는 도데실벤젠 설폰산("DBSA") 또는 기타 산으로 도핑된 그의 작용성 유도체(제이 가오(J.Gao), 에이 제이 히거, 제이 와이 리(J.Y.Lee) 및 씨 와이 김(C.Y.Kim)의 문헌[Synth. Metals 82, 221(1996)]을 참조) 등이 포함된다.
금속(예를 들면 Au, Ag, Al, In 등)으로 된 반투명 박층도 전극으로서 사용할 수 있다. 이러한 반투명 금속 전극의 전형적인 두께는 50 내지 1000Å이고 광학적 투과율은 80 내지 1%이다. 적당한 유전체 피복물(종종 다층 유전체 스택의 형태임)은 관심 스펙트럼 범위에서의 투명도를 향상시킬 수 있다(예를 들면 에스 엠 쓰제(S.M.Sze)의 문헌[Physics of Semiconductor Devices(John Wiley ＆ Sons, New York, 1981) Chapter 13]을 참조).
투명한 전극을 금속/전도체 폴리머, 전도체 폴리머/금속/전도체 폴리머 또는 유전체 층/금속/전도체 폴리머 구조로 만들 수 있다. 이러한 복합 전극의 투과 성질은 동일한 두께를 갖는 단일 금속층의 투과 성질에 비해 개선된다.
낮은 광학 투과율을 갖는 금속 층을 특정 파장에서의 스펙트럼 응답이 중요한 어떤 용도에서는 전극으로서도 사용할 수 있다. 감광도를, 두개의 금속 전극(11 및 13)이 광학적 거울로서 작용하기도 하는 미소 공동 구조를 이루게 디바이스를 제조함으로써 향상시킬 수 있다. 두개의 전극 사이의 광 공진(resonance)으로 인해 특정 파장에서의 감광도가 향상되어, 광학적 미소 공동(광학적 에탈론(optical etalon))디바이스에서 볼 수 있는 것과 같이, 선택적 스펙트럼 응답이 가능해진다.
도 1에서 "백(back)" 전극(13)은 전형적으로 Ca, Sm, Y, Mg, Al, In, Cu, Ag, Au 등과 같은 금속으로 만들어진다. 금속 합금도 전극 재료로 사용될 수 있다. 이러한 금속 전극은 예를 들면 열 증착, 전자 빔 증착, 스퍼터링(sputtering), 화학적 기상 증착, 용융 공정 또는 기타 기법에 의해 제조될 수 있다. 도 1의 전극(13)(및 도 2의 전극(11))의 두께는 중요하지 않으며 수백 Å 내지 수백 마이크론 또는 그 이상일 수 있다. 두께는 목적하는 표면 전도도를 달성하도록 조절될 수 있다.
경우에 따라서는, 예를 들면 앞면 및 뒷면, 양면에서 검출도를 갖는 포토다이오드(photodiode)의 경우, 전술된 투명 및 반투명 재료도 "백" 전극으로서 사용될 수 있다.
본원 실시예에서 입증된 바와 같이, 비교적 높은 저항률(resistivity)을 갖는 접촉 층을 사용하여 유용한 I-V 특성을 갖는 마이크로스위치를 제조할 수 있다. 예를 들면, 벌크 저항이 105Ωcm인 PANI-PAAMPSA를 우수한 스위칭 I-V 특성을 갖는 마이크로스위치의 양극 재료로서 사용할 수 있다. 예를 들면, Mg/MEH-PPV/PANI-PAAMPSA/Ag의 구조로 제조된 마이크로스위치에서, I-V 특성은 PANI-PAAMPSA와 Mg의 일함수에 의해서 결정된다. Ag는 시험 회로에서 전도체로서의 역할만 한다. 높은 벌크 저항률을 갖는 접촉 전극을 사용할때의 장점은, 측방향(lateral) 저항이 충분히 높을 경우 (벌크 저항률, 고 저항 양극 재료의 두께 및 픽셀의 치수를 적절히 선택함으로써) 픽셀들간의 누화가 매우 작아져서 고 벌크 저항률 재료를 패턴화시킬 필요가 없다는 것이다.
두개의 "접촉 전극"(11 및 13)은 각각 전자 및 구멍을 반도체 층(12)내로 주입시키는 다이오드의 양극 및 음극으로서의 역할을 한다. 층(12)이 도핑되지 않은 반도체로 된 디바이스의 경우, 양극 전극은 상대적으로 더 높은 일함수를 갖는 전극으로서 정의된다. 층(12)내에 p-n 또는 p-i-n 접합이 있는 디바이스의 경우, 양극 전극은 p-도핑된 영역과 접촉하는 전극으로서 정의된다. 모든 경우, 디바이스가 전도성 모드일때, 양극은 보다 높은 포텐셜을 갖는 전극으로서 정의된다. 전형적인 금속 및 합금외에도, 도핑된 반도체(유기 및 무기 둘다를 포함)를 접촉 전극(11 및 13)의 재료로서 사용할 수도 있다. 유기 발광성 디바이스의 양극으로서 도핑된 실리콘을 사용하는 예는 아이 디 파커(I.D.Parker) 및 에이치 김(H.Kim)의 문헌[Appl.Phys.Letters 64, 1774(1994)]에 나와 있다. 전계발광 디바이스에서 전극으로서 폴리아닐린-(캄포 설폰산), PANI-CSA, PEDT-PSS, 폴리피롤, PPy과 같은 전도체 폴리머를 사용하는 예는 다음과 같이 많은 특허 및 공개공보에 개시되어 있다: 와이 카오 등의 미국 특허 제 5,232,631 호; 지 구스타프손(G.Gustafsson), 와이 카오, 지 엠 트레이시(G.M.Treacy), 에프 클라베터(F.Klavetter), 엔 콜라네리 (N.Colaneri)및 에이 제이 히거의 문헌[Science 357, 477(1992)]; 와이 양(Y.Yang)의 미국 특허 제 5,723,873 호; 지 헤이왕(G.Heywang) 및 에프 조나스(F.Jonas) 등의 문헌[Adv.Materials 4,116]; 와이 카오, 지 유, 씨 장, 알 메논 및 에이 제이 히거의 문헌[Synth.Metal(1997)]; 제이 가오, 에이 제이 히거, 제이 와이 리 및 씨 와이 김의 문헌[Synth.Metals 82 , 221(1996)].
〈반도체 층〉
반도체 층은 무기 또는 유기 반도체 재료로 된 얇은 시이트로 만들어진다. 무기 재료에는 Si, Se, Ge, CdS, CdSe, TaO, CuO 등이 포함된다. 반도체 층은 하나 이상의 반도체 콘쥬게이티드 폴리머를 단독으로 또는 비-콘쥬게이티드 재료, 하나 이상의 유기 분자 또는 올리고머와 함께 포함할 수 있다. 반도체 재료는 센서 디바이스내에서 스위치가 연결될 수 있는 활성 층으로서의 역할도 한다. 활성 유기 층은 서로 유사하거나 상이한 전자 친화도 및 상이한 전자 에너지 갭을 갖는 둘이상의 콘쥬게이티드 폴리머의 블렌드일 수 있다. 활성 층은 서로 유사하거나 상이한 전자 친화도 및 상이한 전자 에너지 갭을 갖는 둘이상의 유기 분자의 블렌드일 수 있다. 활성 층은 서로 유사하거나 상이한 전자 친화도 및 상이한 에너지 갭을 갖는 콘쥬게이티드 폴리머와 유기 분자의 블렌드일 수 있다. 후자의 경우, 성분들의 상이한 전자 친화도로 인해 광-유도된 전하 운반 및 전하 분리가 일어나서, 감광도가 향상될 수 있다는 특별한 장점이 있다(엔 에스 사리시프치(N.S.Sariciftci) 및 에이 제이 히거의 미국 특허 제 5,333,183 호(1994년 7월 19일); 엔 에스 사리시프치 및 에이 제이 히거의 미국 특허 제 5,454,880 호(1995년 10월 3일); 엔 에스 사리시프치, 엘 스밀로위츠(L.Smilowitz), 에이 제이 히거 및 에프 우들(F.Wudl)의 문헌[Science 258, 1474(1992)]; 엘 스밀로위츠, 엔 에스 사리시프치, 알 위(R. Wu), 씨 게팅거(C.Gettinger), 에이 제이 히거 및 에프 우들의 문헌[Phys.Rev.B 47, 13835(1993)]; 엔 에스 사리시프치 및 에이 제이 히거의 문헌[Intern.J.Mod.Phys.B 8, 237(1994)]를 참조). 활성 층은 전술된 바와 같은 유기 재료 또는 블렌드로 된 층을 이용하는 일련의 헤테로접합(heterojunction)일 수도 있다.
유기 분자, 올리고머 및 분자 블렌드의 박막을 열 증착 및 화학적 기상 증착(CVD) 등으로 제조할 수 있다. 콘쥬게이티드 폴리머, 폴리머/폴리머 블렌드, 폴리머/올리고머 및 폴리머/분자 블렌드의 박막을 종종 통상의 용매에 용해시켜 만든 용액으로부터 직접 주조하거나 유사한 유체 상 가공법을 사용하여 제조할 수 있다. 활성층으로서 폴리머 또는 폴리블렌드를 사용하는 경우, 디바이스를 유연성 기재상에서 제조하면 독특하고 기계적으로 유연한 포토센서를 얻을 수 있다.
전형적인 반도체 콘쥬게이티드 폴리머의 예에는 폴리아세틸렌("PA") 및 그의 유도체; 폴리이소티아나펜 및 그의 유도체; 폴리티오펜("PT") 및 그의 유도체; 폴리피롤("PPr") 및 그의 유도체; 폴리(2,5-티에닐렌비닐렌)("PTV") 및 그의 유도체; 폴리(p-페닐렌)("PPP") 및 그의 유도체; 폴리플루오렌("PF") 및 그의 유도체; 폴리(페닐렌 비닐렌)("PPV") 및 그의 유도체; 폴리카바졸 및 그의 유도체; 폴리(1,6-헵타디인); 폴리이소티아나펜 및 그의 유도체; 폴리퀴놀렌 및 반도체 폴리아닐린(즉 루코에머랄딘 및/또는 에머랄딘 염기 형태)이 포함되나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 대표적인 폴리아닐린 재료는 본원에서 참고문헌으로서 인용되는 미국 특허 제 5,196,144 호에 기술되어 있다. 이들 재료중에서도 유기 용매에 가용성을 나타내는 재료들이 처리상에서의 장점 때문에 바람직하다.
통상의 유기 용매에 가용성인 PPV 유도체의 예에는 폴리(2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌)("MEH-PPV")(에프 우들, 피 엠 알레만드(P.M.Allemand), 지 스다노브(G.Srdanov), 제트 니(Z.Ni) 및 디 맥브랜치(D.McBranch)의 문헌[Materials for Nonlinear Optics; Chemical Perspectives, edited by S.R.Marder, J.E.Sohn and G.D.Stucky(The American Chemical Society, Washington DC, 1991), p 683]을 참조), 폴리(2-부틸-5-(2-에틸-헥실)-1,4-페닐렌비닐렌)("BuEH-PPV")(엠 에이 앤더슨(M.A.Andersson), 지 유, 에이 제이 히거의 문헌[Synth.Metals 85, 1275(1997)]을 참조), 폴리(2,5-비스(콜레스타녹시)-1,4-페닐렌비닐렌)("BCHA-PPV")(본원에서 참고문헌으로 인용되는 미국 특허원 제 07/800,555 호를 참조)이 포함된다. 가용성 PT의 예에는 알킬 측쇄가 4개보다 많은 탄소, 예를 들면 5 내지 30개의 탄소를 함유하는 폴리(3-알킬티오펜)("P3AT")이 포함된다.
유기 이미지 센서를 광활성 층으로서 도너/억셉터(donor/acceptor) 폴리블렌드를 사용하여 제조할 수 있다. 이들 폴리블렌드는 반도체 폴리머/폴리머의 블렌드이거나 반도체 폴리머와 적합한 유기 분자 및/또는 유기금속 분자의 블렌드일 수 있다. 도너/억셉터 폴리블렌드에서의 도너의 예에는 위에서 언급한 콘쥬게이티드 폴리머, 즉 PPV, PT, PTV 및 폴리(페닐렌) 및 그의 가용성 유도체가 포함되지만 여기에만 국한되는 것은 아니다. 도너/억셉터 폴리블렌드에서의 억셉터의 예에는 폴리(시아나오페닐렌비닐렌)("CN-PPV"), C60및 그의 작용성 유도체와 같은 풀레렌 분자, 및 포토리셉터(photoreceptor) 또는 전자 운반층과 관련된 해당 기술 분야에서 현재까지 사용되어 온 유기 분자 및 유기금속 분자가 포함되지만 여기에만 국한되는 것은 아니다.
또한 도너/억셉터 헤테로접합(즉 이층) 구조 또는 교대되는 층 구조를 갖는 두개의 반도체 유기 층을 사용하여 광활성 층을 제조할 수도 있다. 이러한 구조에서는, 도너 층은 전형적으로 콘쥬게이티드 폴리머 층이고 억셉터 층은 폴리(시아나오페닐렌비닐렌)("CN-PPV"), C60및 그의 작용성 유도체와 같은 풀레렌 분자(예를 들면 PCBM 및 PCBCR) 또는 포토리셉터 또는 전자 운반층과 관련된 해당 기술 분야에서 현재까지 사용되어 온 유기 분자로 만들어진다. 광활성 층을 위한 헤테로접합 층 구조의 예에는 PPV/C60, MEH-PPV/C60, PT/C60, P3AT/C60, PTV/C60등이 포함되나 여기에만 국한되는 것은 아니다.
광활성 층은 가시광 스펙트럼 범위에서의 감광도를 향상시키기 위해서 넓은 띠 폴리머, 예를 들면 염료 분자로 도핑된 폴리-N-비닐카바졸("PVK")로 만들어질 수도 있다. 이 경우, 넓은 띠 유기 분자는 호스트 바인더(host binder) 뿐만 아니라 구멍(또는 전자) 운반 물질로서도 작용한다. 예를 들면 PVK/o-클로라닐(chloranil), PVK/로다민(rhodamine) B 및 PVK/코로넨(coronene) 등이지만 여기에만 국한되는 것은 아니다.
광활성 층에는 유기 분자, 올리고머 또는 분자 블렌드가 도입될 수 있다. 이 실시양태에서, 감광성 재료를 화학적 기상 증착, 분자 에피택시(epitaxy) 또는 기타 공지된 막-침착 기법을 사용하여 박막내에 넣을 수 있다. 적합한 재료의 예에는 안트라센, 프탈로시아닌, 6-티오펜("6T"), 6-페닐("6P"), 알루미늄 킬레이트(Alq3) 및 기타 금속-킬레이트 분자(m-q3), PBD, 스피로(spiro)-PBD, 옥사디아졸 및 그의 유도체 또는 분자 블렌드, 예를 들면 6T/C60, 6T/피나시아놀, 프탈로시아닌/o-클로라닐, 6P/Alq3, 6P/PBD 등이 포함되지만 여기에만 국한되는 것은 아니다.
활성 층으로서 사용될 수 있는 유기 분자, 올리고머 및 분자 블렌드의 예에는 안트라센 및 그의 유도체, 테트라센 및 그의 유도체, 프탈로시아닌 및 그의 유도체, 피나시아놀 및 그의 유도체, 풀레렌("C60") 및 그의 유도체, 티오펜 올리고머(예를 들면 식스티오펜("6T") 및 옥티티오펜("8T")) 및 그의 유도체 등, 페닐 올리고머(예를 들면 식스페닐("6P") 또는 옥티페닐("8P")) 및 그의 유도체 등, 6T/C60, 6P/C60, 6P/Alq3, 6T/피나시아놀, 프탈로시아닌/o-클로라닐, 안트라센/C60, 안트라센/o-클로라닐 등이 포함된다. 2가지 형태 이상의 분자를 함유하는 광활성 층의 경우, 유기층은 블렌드 형태이거나, 이층 형태이거나, 다중 교대층 형태일 수 있다.
어떤 실시양태에서는, 디바이스 성능을 개량 및 개선시키기 위해서 활성 층(12)은 하나 이상의 유기 첨가제(광학적으로 불활성임)를 포함한다. 이러한 첨가제 분자의 예에는 화학식이 R(OCH2CH2)nOSO3 -M+(여기서 R은 알킬 또는 알킬아릴이고, M+은 양성자, 금속 또는 암모늄 카운터이온이고, n은 에틸렌 옥사이드의 몰수이고, 전형적으로 2 내지 40이다)인, 에테르 설페이트와 같은 음이온성 계면활성제가 포함된다.
이러한 음이온성 계면활성제를 폴리머 발광 다이오드의 성능을 개선시키기 위한 첨가제로서 사용하는 것에 관한 내용은 본원에서 참고문헌으로 인용되는 와이 카오의 미국 특허원 제 08/888,316 호에 기재되어 있다.
다른 유형의 첨가제에는 고체 상태 전해질 또는 유기 염이 포함된다. 그 예에는 폴리(에틸렌 옥사이드), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트 또는 그의 블렌드, 테트라부틸암모늄 도데실벤젠설포네이트 등이 포함된다. 이러한 전해질을 발광 폴리머에 사용하는 용도 및 새로운 유형의 발광 디바이스의 발견에 관한 내용이 미국 특허 제 5,682,043 호 및 제 5,677,546 호에 기재되어 있다.
활성 층이 서로 상이한 전자 친화도 및 광학 에너지 갭을 갖는 둘이상의 상을 갖는 유기 블렌드로 이루어진 경우, 통상적으로 나노스케일(nanoscale)의 상분리가 일어나고 계면 영역에서 헤테로접합이 형성된다. 보다 높은 전자 친화도를 갖는 상은 전자 억셉터로서 작용하는 반면, 보다 낮은 전자 친화도(또는 보다 낮은 이온화 에너지)를 갖는 상은 전자 도너로서 작용한다. 이러한 유기 블렌드는 일군의 전하-운반 물질을 형성하고 광-개시된 전하 분리 과정이 아래에 나타낸 단계로 일어날 수 있게 된다(엔 에스 사리시프치 및 에이 제이 히거의 문헌[Intern.J.Mod.Phys.B 8, 237(1994)]을 참조);
단계 1: D+A"1.3D*+A, (D에서 들뜸);
단계 2:1.3D*+A"1.3(D--A)*,(D-A 착체에서의 편중된 들뜸);
단계 3:1.3(D--A)*"1.3(Dd---Ad-)*, (전하 운반이 개시됨);
단계 4:1.3(Dd---Ad-)*"1.3(D+z--A-o), (이온 라디칼 쌍이 형성됨);
단계 5:1.3(D+o--A-o)"D+z+A-z, (전하 분리).
위에서, D는 유기 도너이고 A는 유기 억셉터이고, 1.3은 각각 단일 들뜬 상태와 삼중 들뜬 상태를 나타낸다.
활성 층의 두께는 전형적으로 수백 Å 내지 수천 Å, 즉 100 내지 5000Å(1Å=10-8㎝)이다. 활성 막 두께는 중요하지는 않지만 관심 스펙트럼 영역에서 2 미만의 광학 밀도를 갖는 보다 얇은 막을 사용함으로써 디바이스 성능을 개선시킬 수는 있다.
마이크로스위치(10)는 도 1에 도시된 것과 같은 선택적 기재 또는 지지체(14)를 포함할 수도 있다. 이것은 다이오드 및/또는 다이오드의 매트릭스 어레이에 견고함을 제공하는 고형의 딱딱하거나 유연한 층이다. 유리, 석영, 폴리머 시이트 또는 유연성 플라스틱 막이 통상적으로 사용되는 기재들이다. 반도체 웨이퍼(예를 들면 Si, GaAs, SiC, SiN)도 기재(14)로서 사용될 수 있다. 이 경우, 기재의 도핑된 얇은 영역은 접촉 전극(11)의 역할도 할 수 있다.
도 1에 도시된 디바이스의 전류-전압(I-V) 특성은 전형적으로 비대칭적이다. 실시예에서 입증된 바와 같이, 정류비(일정량의 바이어스가 걸렸을 때 순방향(forward) 전류 대 역방향(reverse) 전류의 비)는 106내지 107정도로 높다. 다시 말해 순방향 바이어스에서는 전도성이고 바이어스가 0이거나 역방향 바이어스일 때는 절연성이다. 도 1에 도시된 바와 같이 두개의 터미널을 갖고 강한 비대칭적 I-V 특성을 갖는 디바이스는 전형적으로 다이오드(수동 디바이스)라고 불리며 라는 기호로 표시되며, 이 때 화살표는 전류의 흐름 방향을 나타낸다. 스위칭 특성은 정류비 I(V)/I(-V) 또는 스위칭 비(두가지의 일정 전압에서의 전류의 비) I(V1)/I(V2)(이때 I(V1)은 I(V2)보다 크다)에 의해 특성지워진다. 특별한 상황에서 V2는 0이다. 본원의 실시예에서 입증된 바와 같이, V2가 0V에 가까울 때 스위칭 비 I(V1)/I(V2)는 1010보다 클 수 있다.
도 1에 도시된 MSM 디바이스(10)를 스위치와 직렬 배치된 센서 디바이스를 스위칭 온/오프시키는 전기 스위치로서 사용함으로써 전압 스위칭가능한(switchable) 센서 장치를 구성할 수 있다. 센서 장치(20)의 두 개의 구조가 도 2A 및 2B에 도시되어 있다. 이 장치(20)는 기재(26), 및 전극(23 및 25)과 센싱 요소(24)로 이루어진 센서를 포함한다. 스위칭 기능은 전극(21 및 23) 및 반도체 층(22)에 의해 제공된다. 도 2C는 그에 해당하는 회로를 보여준다. 센서 층의 전도도 또는 전기 포텐셜(또는 시간 미적분값)은 외부 물리적 조건(예를 들면 온도 또는 자기장)에 대하여 변하도록 되어 있기 때문에, 이 센싱 회로는 순방향 바이어스에서는 스위칭 온되고 바이어스가 0일때와 역방향 바이어스일때는 스위칭 오프될 수 있는 센싱 요소로서도 사용될 수 있다.
센싱 층을 어떤 것으로 선택하느냐에 따라 많은 물리적 효과를 검출해낼 수 있다. 예를 들면, 센싱 층의 저항률은 온도, 자기장(자기저항 또는 홀(Hall) 효과), 입사광 세기, 극초단파 방사 강도, x-레이 또는 기타 고 에너지 플럭스(광전도 효과) 등의 변화에 응답해 직접 변할 수 있다. 한편으로, 외부 환경 변화 때문에 센싱 층내의 전기 포텐셜이 고정되어 도 2C에 도시된 회로 장치내에서 순방향 전류 변화가 일어나게 된다. 그 예로서 압전 효과(압력 변화에 대한 전압의 변화), 열전 효과(온도 변화에 대한 전압의 변화) 및 광기전 효과(입사광 세기에 대한 전압의 변화)등을 들 수 있다. 도 2에 도시된 센싱 요소(24)를 또다른 유형의 센싱 용도에 사용할 수도 있는데, 이때 전류의 미적분값은 외부 환경의 변화에 따라 변한다. 실시예 7에서 입증된 바와 같이, 도 1에 도시된 MSM 마이크로스위치도 dI/dV, I(V)의 적분값 및 디바이스 전류의 시간 미적분값에서 스위칭 특성을 나타낸다.
광 파장 또는 라디오 파장 검출에 센서(20)가 사용되는 경우, 전극들(21 및 25)중 하나는 입사되는 전자기 파장에 대해 투명하거나 반투명할 수 있다. 이 파장이 기재면으로부터 입사될 때, 기재는 입사 파장에 대해 투명하거나 반투명할 필요가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 전압-스위칭가능한 센서 요소를 사용하여 행렬 번지지정 가능한 이차원(2D) 수동 센서 매트릭스를 만들 수 있다. 두 개의 매트릭스 구조가 도 3에 도시되어 있다. 그에 해당하는 회로(8행 14열)가 도 4에 도시되어 있다. 이러한 센서 매트릭스에서, 전극(31 및 35)은 전형적으로 서로에 대해 수직으로 행 및 열을 짓도록 패턴화된다. 도 3A의 경우, 우선 행 전극의 어레이(31)가 기재(36)상에 침착되고 패턴화된다. 이어서, 센서 층(32)이 침착되거나 주조된다. 픽셀간의 센서 층의 측방향 전도가 충분히 낮을 경우, 이 층은 패턴화될 필요가 없다. 이어서 금속 층 또는 도핑된 반도체 층(33)이 침착(경우에 따라서는 패턴화)되는데, 이 층(33)은 각 센서의 제 2 전극의 역할을 하고, 스위칭 다이오드에 대해 접촉 전극의 역할을 한다. 특히, 적당한 일함수를 갖는 전도체 폴리머 및 기타 도핑된 반도체가 층(33)의 재료로서 사용될 수 있다. 층(33)을 포함하는 재료의 측방향 저항이 충분히 높을 경우, 이웃하는 픽셀간의 누화는 무시할만한 정도이다. 이러한 경우 층(33)은 패턴화될 필요가 없고, 이러한 단순함은 제조 비용 및 신뢰도라는 측면에서 상당한 장점이 된다. 이어서 스위칭 층(34)이 침착된다. 마지막으로, 센싱 층 위에 열 전극의 어레이(35)가 제조되어 행렬 번지지정 가능한 센서 어레이가 완성된다.
반도체 층(32 및 34)을 포함하는 재료의 측방향 저항이 충분히 높을 경우에는 이러한 층들을 패턴화시킬 필요가 없다. 따라서, 센서 매트릭스에 연속 시이트를 사용할 수 있다. 행렬 전극의 각 교차점은 도 1 또는 도 2에 도시된 것과 유사한 디바이스 구조를 갖는 센싱 요소(픽셀)를 나타낸다. 행 전극과 열 전극은 마이크로스위치 및 센싱 디바이스를 위한 접촉 전극의 역할도 한다. 전극(33)은 스위칭 층(32) 및 센싱 층(34) 둘다에 접촉되도록 단층이거나 이층일 수 있다. 전극(33) 재료로서 매우 전도성 높은 금속이 사용되는 경우, 이러한 층은 도 3에 도시된 것과 같은 단리된 픽셀로 패턴화될 필요가 있다. 그러나, 전극(33) 재료로서 여과 역치보다 낮은 밀도를 갖는 과립 형태의 금속 박층이 사용되는 경우, 측방향 저항은 전극(33)의 패턴화가 필요없을 정도로 충분히 크다. 실시예 11에서 입증된 바와 같이, 이러한 얇고 불연속적인 금속 막은 스위칭 디바이스에 필요한 일함수를 여전히 제공한다.
전극(33) 재료로서 비교적 높은 측방향 저항을 갖는 도핑된 반도체 층이 사용되는 경우, 어떤 용도에서는 전극(33)의 패턴화를 수행하지 않고 얇고 연속적인 피복물을 사용할 수도 있다. 각 픽셀의 활성 영역은 행 전극(31)과 열 전극(35)의 너비에 의해 결정되거나 전극(33)의 패턴화된 크기에 의해 결정된다(어떤 것이 더 작은지에 상관없이).
도 3B에 도시된 바와 같이, 디바이스 구조는 스위칭 층이 기재에 보다 가깝게 위치되도록 뒤집어질 수 있다. 이것이 바람직한지는 공정의 단순성 또는 제조된 센서의 형태에 따라 다르다. 예를 들면 디바이스 픽셀 근처의 기계적 압력을 감지하는 압력 센서의 경우, 센서 층이 자유 표면에 보다 가까우므로 도 3B의 구조가 더 좋다. IR 감지를 위해 무기 반도체 층(예를 들면 Ge)이 사용되는 IR 센서의 경우, 금속 층(33)이 IR 센서(Ge) 층 위에 통상적인 포토리쏘그래피 기법에 의해 패턴화될 수 있기 때문에 도 3A의 구조가 유리하다.
공통 전극(33)은 스위칭 다이오드에 필요한 일함수를 제공한다. 고 저항률 폴리머(예를 들면 PANI) 및 도핑된 무기 반도체는 이러한 기능을 제공할 수 있기 때문에, 이러한 재료를 센싱 층과 스위칭 층의 공통 전극으로서 사용할 수 있다. 어떤 용도에서는, 공통 전극 층의 패턴화 과정이 없을 수도 있다.
이들 마이크로스위치를 기본으로 한 수동 센서 매트릭스를, 발광 다이오드 매트릭스에 대해 개발된 것과 유사한 방법을 사용하여 조작하고 번지지정 할 수 있다. 그중 실용적인 구동 방법중 하나는 특정 행 전극과 열 전극을 가로질러(예를 들면 도 4에서 행 전극(2)과 열 전극(B)사이) 양성 바이어스를 걸고 나머지는 부동(float) 상태로 두는 것이다. 이를 종종 행 전극과 열 전극에 연결된 아날로그 멀티플렉서(analog multiplexer)를 사용하여 달성한다. 이어서 턴-온(turn-on) 전압보다 큰 순방향 바이어스를 가함으로써 상기 두 전극의 교차점에 있는 픽셀을 스위칭 온시킨다. 전극(2)에서 전극(B)에 이르는 평행 경로에서(교차점에서의 경로를 제외) 역방향 바이어스가 걸린 다이오드가 항상 존재하기 때문에, 평행 경로로부터의 누전은 무시할만한 정도이다. 따라서 픽셀(2B)을 선택한다. 2B와 연결된 외부 시험 루프에서 시험된 전류 또는 그의 적분값(전하) 또는 미분값은 픽셀(2B) 부근의 물리적 조건에 민감하다. 시간 흐름에 따라 어레이의 각 픽셀을 선택함으로써 전체 센서의 이미지를 전자적으로 기록할 수 있다.
또다른 구동 방법은 "고(high)" 및 "저(low)"의 두 가지의 가능한 전압 상태만을 제공하는 디지털 게이트에 행 전극과 열 전극을 접속시킴으로써 수행하는 것이다. 이를 종종 디지털 디코더(decoder) 회로 또는 디지털 쉬프트(shift) 레지스터를 통해 수행한다. 이러한 구동 방법에서, 각 센싱 픽셀에는 V+, 0V, V-의 세가지의 바이어스 상태가 존재한다. 예를 들면 개시 시점에서, 행(2)은 "저"로 선택되고 열(B)는 "고"로 선택되고 픽셀(2B)은 순방향 바이어스 상태에 있고 선택된다. B열을 제외한 모든 열에 2행과 동일한 포텐셜을 걸어줌으로써 2행에 있는 나머지 픽셀들을 능동적으로 턴-오프시킬 수 있다. 따라서 이러한 픽셀은 0 바이어스 상태에 있다. 2행을 제외한 모든 행에 B열과 동일한 포텐셜을 걸어줌으로써 B열에 있는 나머지 픽셀들을 능동적으로 턴-오프시킬 수 있다. 이러한 방법으로 2B를 제외한 모든 픽셀을 0 바이어스 또는 역방향 바이어스 상태로 만들면 이들은 외부 회로내의 전류에 기여하지 못할 것이다. 0 바이어스 상태에 있는 픽셀의 경우, 스위칭 비 I(Von)/I(0V)는 정류비 I(Von)/I(-Von)보다 훨씬 더 크다.
또다른 구동 방법은 모든 행(또는 열) 전극을 데이터 판독(read out)을 위해 일정 포텐셜(예를 들면 0V)로 고정시켜(예를 들면 전류-전압 컨버터(converter) 또는 전류 인테그레이터(integrator)에 접속) 수행하는 것이다. 열(또는 행) 전극은, 행(열) 전극에 가해진 것과 동일한 포텐셜과 VON에 해당하는 포텐셜 사이에서 하나씩 스캐닝된다. 이러한 작업은 디지털 쉬프트 레지스터 또는 디지털 디코더에 의해 실현될 수 있다. 이러한 구동 방법에서는, 일정 시간에서 한 열(행)이 스위칭 온되고 나머지 열(행)은 0 바이어스 상태에 놓이게 된다. 따라서 이 오프 열(행)에 접속된 마이크로스위치는 오프 상태에 있게 된다. 실시예에서 입증된 바와 같이, 전류 스위칭 비 I(Von)/I(0V)는 정류비 I(Von)/I(-Von)보다 109배 클 수 있는데, 그 이유는 데이터를 열(행)마다 판독하므로 전체 매트릭스를 판독하는데 소요되는 시간이 포인트(point) 스캔 방법보다 훨씬 빠르기 때문이다.
열 및 행 선택에 있어서는 두가지의 통상적인 방법이 있다. 하나는 쉬프트-저항이라고 하는 것으로, 여기서는 픽셀은 시간 흐름에 따라 선 단위로 스캐닝된다. 이러한 번지지정 방법은 종종 수동 발광 다이오드로 이루어진 발광 디스플레이 및 CCD 카메라에서 사용된다. 또다른 번지지정 방법은 "랜덤(random) 번지지정"이라고 하는 것으로, 여기서는 행 전극과 열 전극이 인코딩되고 2진(binary) 디코딩 회로에 의해 선택된다. 이 번지지정 방법은 컴퓨터 산업에서 메모리 칩에 빈번히 사용되어 왔다. 이 스캔 방법은 보다 빠른 프레임(frame) 시간을 갖는 센싱 영역의 선택가능성(selectability)이 높다는 점에서 관심을 끈다. 이 두 번지지정 방법을 모두 사용하여 도 3 및 4에 도시된 마이크로스위치 보드와 집적 센서 매트릭스를 번지지정할 수 있다.
본원에서 개시된 스위치 매트릭스를 센서 용도(각 위치의 픽셀에서 신호를 뽑음) 뿐만 아니라 전기적 신호(전류, 전하, 전압 및 이것들이 변형된 것)를 모든 위치의 픽셀에 전달하는데에도 사용할 수 있다. 이러한 마이크로스위치에 전기적 기억이 가능한 유전성 층을 도입시킴으로써 판독 및 기록이 가능한 메모리 디바이스를 구성할 수 있다. 이러한 스위치에 전-광학적 성질을 갖는 박막을 도입시킴으로써 전-광학적 변환이 가능한 디바이스를 만들 수 있다.
본 발명의 상세한 설명은 도면의 간단한 설명과 바람직한 실시양태의 설명으로 이루어져 있다.
본 발명을 첨부된 실시예를 참고하여 보다 상세히 기술하려고 한다. 이 실시예는 본 발명을 실행하는 방법을 예시할 목적으로 제시한 것이며 청구의 범위에 제한을 가하려는 것은 아니다.
〈실시예 1〉
MSM 디바이스를 도 1에 도시된 구조로 제조하였다. 이 실시예에서 사용된 양극 전극(11)은 일함수가 4.8eV이고 표면 저항이 20Ω/제곱 이하인 인듐 도핑된 산화 주석(ITO)층이었다. 이 디바이스를 위한 기재(14)로서는 7밀(mil) 마일라(Mylar) 막을 사용하였다. MEH-PPV의 박층(1500Å 이하)을 실온에서 ITO 전극상에 스핀(spin) 주조시켰다. MEH-PPV의 합성 및 공정에 대한 상세한 사항을 다음과 같은 문헌에서 찾을 수 있다: 에프 우들, 피 엠 알레만드, 지 스다노브, 제트 니 및 디 맥브렌치의 문헌[Materials for Nonlinear Optics: Chemical Perspectives, Ed.S.R.Marder, J.E.Sohn and G.D.Stucky(American Chemical Society, Washington, DC, 1991) p.683]. 이어서 음극 전극으로서 Ca의 박층(500 내지 5000Å)을 열 증착시켰다(Ca는 전형적으로 Al 보호층에 의해 과 피복된다(over-covered)). 각 디바이스의 활성 영역은 0.1㎠이었다.
도 5A는 바이어스 전압의 함수로서의 디바이스의 전류를 보여준다. 순방향 바이어스는 ITO 접촉에 가해진 양성 전압이라고 정의된다. 순방향 바이어스에서의 I-V 특성을 3가지 영역으로 분류할 수 있다. 1.3V 아래에서 매우 작은 전류(예를 들면 1V에서 0.4㎁/㎠이하)가 검출되었다. 1.3 내지 2V의 범위에서, 순방향 전류는 바이어스 전압에 대략 5 정도로 지수함수적으로 증가하였다. 2V 이상에서는 순방향 전류의 증가 속도가 감소되고 높은 바이어스 영역에서의 순방향 전류는 터널링(tunneling) 및 공간 전하 제한 운반(space charge limited transport)에 의해 조절되었다(디 브라운 및 에이 제이 히거의 문헌[Appl.Phys.Lett.58, 1982(1991)]; 아이 디 파커의 문헌[J.Appl.Phys 75, 1656(1994)]을 참조).
역방향 바이어스에서, 전류는 수 볼트 동안 10-11A/㎠으로 거의 일정하였다. 이러한 디바이스의 정류비(Rr)는 도 5B에 도시되어 있다. Rr은 3V에서 4×106이하이다.
MSM 디바이스를, 반도체 층으로서 P3HT, Alq3, PPV 및 C60을 사용해서도 제조할 수 있다. 유사한 디바이스 성능이 관찰되었다.
도 1에 도시된 것과 유사한 MSM 디바이스를 4.0㎝×6.4㎝ 크기로 제조할 수도 있다. 유사한 디바이스 성능이 관찰되었다.
본 실시예는 전기 마이크로스위치를 박막 MSM 구조로 구성할 수 있음을 보여준다. 이러한 이-터미널 수동 디바이스를, 순방향 바이어스를 걸어줌으로써 전도 상태("온(ON)" 상태)로 스위칭시키고, 역방향 바이어스 또는 0 바이어스를 걸어줌으로써 비-전도 상태("오프(OFF)" 상태)로 스위칭시킬 수 있다. 3V에서 정류비가 106보다 컸다. I(5V)/I(0V)에서 온/오프 스위칭 비는 훨씬 더 크고 대략 109에 가깝다(도 5A를 참조).
본 실시예는 넓은 영역에 걸친 어레이의 제조에 적용할 수 있는 저가 공정(예를 들면 주조, 잉크-젯 프린팅, 스크린 프린팅 또는 열 증착)을 사용하여, 실온에서 마이크로스위치를 제조하는데 있어 유기 반도체를 사용할 수도 있음을 보여준다.
더욱이, 본 실시예에서 예시된 마이크로스위치를 유연성 마일라 기재상에서 및 유연한 형태로 제조하였다. 이 기계적인 유연성은 TFT로 만들어진 시판되는 활성 스위칭 패널(고온 제조 공정을 사용해야 하므로 유연성 기재를 사용할 수 없다)에는 없는 독특한 점이다.
〈실시예 2〉
양극으로서 Au를 사용하고 음극으로서 Al을 사용하여 실시예 1의 실험을 반복하였다. 디바이스 크기는 이미지 센서용 마이크로스위치 매트릭스의 픽셀에 비교해 볼 때 0.0004㎠이하로 감소되었다. I-V 특성과 정류비는 도 6A 및 도 6B에 나타나 있다. 5V 및 0V에서의 정류비 및 온/오프 비는 각각 5×105이하 및 107초과이다.
Sm, Y, Pr, MgAg, MgAl, Li, Ba, Ag, Cu, In, Hf 등을 포함하는 서로 상이한 금속 음극을 사용하여 유사한 디바이스들을 제조하였다. 각 경우에서 유사한 스위칭 효과가 관찰되었다.
반도체 층과 음극 층 사이에 얇은 완충재(buffer)를 삽입시킴으로써 유사한 디바이스들을 제조하였다. 완충재 층의 예에는 LiF, BaO, BaF2, Li2O와 같은 무기 화합물이 포함된다. 완충재로서 유기 분자를 사용할 수도 있다. 그 예에는 OCA 및 그의 유도체가 포함된다. 각 경우에서 유사한 스위칭 효과가 관찰되었다.
완충재로서 유기 분자를 사용할 수도 있다. 그 예에는 화학식 R(OCH2CH2)nOSO3 -M+(여기서 R은 알킬 또는 알킬아릴이고, M+은 양성자, 금속 또는 암모늄 카운터이온이고, n은 에틸렌 옥사이드의 몰수이고 전형적으로 2 내지 40이다)으로 나타내어지는 에테르 설페이트와 같은 음이온성 계면활성제가 포함된다. 이러한 유기 분자를 포함하는 완충재 층이 Al 음극과 반도체 MEH-PPV 사이에 위치할 때, 디바이스 성능이 개선됨을 알 수 있었다.
Au, Cr, Ag, Pt 등을 포함하는 서로 상이한 금속 양극을 사용하여 유사한 디바이스들을 제조하였다. 전도체 폴리머(예를 들면 PANI-CSA, PEDOT-PSS)도 양극 재료로 사용되었다. 각 경우에서 유사한 스위칭 성능이 관찰되었다. Au/MEH-PPV/Ca/Al 구조를 갖도록 제조된 마이크로스위치에서, 펄스를 가한 작업에서는 200A/㎠의 순방향 전류가 달성되었다. 이 값을 0 이하의 바이어스에서 10-9mA/㎠인 디바이스 전류와 비교해 볼 때, 스위칭 비는 1011을 초과함이 관찰되었다.
본 실시예는 넓은 범위를 망라하는 일함수를 갖는 금속을 양극 및 음극 재료로서 사용할 수 있음을 보여준다. 본 실시예는 안정한 금속(예를 들면 Au, Ag, Al) 및 전도체 폴리머를 마이크로스위치용 전극 재료로 사용할 수 있음도 보여준다. 본 실시예는 반도체 층과 음극 층 사이에 완충재 층을 삽입할 수도 있음을 보여준다.
〈실시예 3〉
양극으로서 ITO를 사용하고 음극으로서 Al을 사용하여 실시예 1의 실험을 반복하였다. 반도체 층(12)으로서 MEH-PPV:PCBM 블렌드 막(1:1 중량비)을 사용하였는데, 이것은 크실렌 용액(농도 약 0.5 중량%)으로부터 스핀 주조시켜 얻은 것이다. PCBM은 C60(버키볼(buckyball) 모양의 C 분자 형태)과 유사한 분자 구조 및 화학적 성질을 갖는 풀레렌 분자이다. 그의 합성 및 특성에 대한 자세한 내용은 제이 씨 휴멜렌(J.C.Hummelen), 비 더블유 나이트(B.W.Knight), 에프 레펙(F.Lepec) 및 에프 우들(F.Wudl)의 문헌[J.Org.Chem. 60, 532(1995)]에 기록되어 있다. I-V 특성 및 정류비가 도 7A 및 7B에 도시되어 있다. 정류비는 1.5V를 초과하는 바이어스의 경우 4×105보다 크고 2V 및 0V에서의 온/오프 비는 3×107보다 컸다.
ITO/MEH-PPV/C60/Al로부터도 유사한 결과를 얻었다. 반도체 층이 이층 구조인 ITO/TPB/Alq3/Al 디바이스는 무기 디바이스의 소위 헤테로접합을 연상시키는 구조였다.
본 실시예는 마이크로스위치내의 반도체 층(12)이 블렌드, 복합재, 이층 또는 다층 구조일 수 있음을 보여준다. 또한 본 실시예는 MEH-PPV와 PCBM 사이의 전하 운반 효과로 인해 순방향 전류 턴-온 전압이 현저히 감소하여 비교적 낮은 바이어스에서 높은 정류비가 달성됨을 보여준다.
〈실시예 4〉
양극으로서 Ag를 사용하고 음극으로서 Ca를 사용하여 실시예 1의 실험을 반복하였다. 디바이스 크기는 0.0014㎠ 이하였고 마이크로스위치 매트릭스의 픽셀은 0.35㎜×0.4㎜였다. 완충재 층으로서 Ag와 MEH-PPV 층 사이에 PANI-PAAMPSA 층(300Å)을 삽입하였다. I-V특성과 정류비가 도 8A와 도 8B에 도시되어 있다. 정류비는 6V에서 106보다 높았다. 6V 및 0V에서 온/오프 비는 2×108보다 컸다. PANI 층은 전기적 단락(short)의 발생률을 감소시켜 제조 수율 및 디바이스 작동 수명을 상당히 개선시킨다.
본 실험을 두께가 100 내지 3000Å의 범위에서 변하는 완충재 층들을 사용하여 반복하였다. 유사한 디바이스 성능이 관찰되었다.
서로 상이한 저항률(102내지 10-6S/㎝)을 갖는, PANI로 만들어진 완충재 층들을 사용하여 본 실험을 반복하였다. 상이한 카운터이온(예를 들면 CSA, PAAMPSA)을 선택하거나 전도체 PANI를 전기적으로 불활성인 호스트(host) 폴리머(예를 들면 PMMA)와 블렌딩시킴으로써 저항률을 변화시켰다. 유사한 디바이스 성능이 관찰되었다.
본 실시예는 S-M 계면에 완충재 층을 삽입시킴으로써 디바이스 성능을 개선시킬 수 있음(예를 들면 디바이스 단락의 감소, 디바이스 안정성의 향상)을 보여준다. 또한 완충재 층을 사용하여 M-S 계면을 개질시켜 디바이스의 I-V 특성을 개선시킬 수 있다. 본 실시예에서 턴-온 전류는 Ag 금속 층의 일함수(4.3eV 이하)보다는 PANI의 일함수(5eV 이하)에 의해 결정되었다. 본 실시예는 완충재 층의 저항률은 광범위하게 변할 수 있음도 보여준다.
〈실시예 5〉
디바이스를 ITO/PANI-PAAMPSA/Au의 형태로 제조하였다. 두 바이어스 방향 모두에서 선형 I-V 특성이 관찰되었다. ITO/PANI-PAAMPSA와 금속/PANI-PAAMPSA 계면에서의 옴 접촉(ohmic contacts)을 조사하였다.
본 실시예는 실시예 4와 더불어 고 저항 PANI 층을, 마이크로스위치용 양극으로서의 역할과 센서(24 및 34)에 대한 옴 접촉 전극으로서의 역할 둘다를 수행하는 공통 전극(23 및 33)(도 2 및 도 3을 참조)으로 사용할 수 있음을 보여준다.
〈실시예 6〉
양극으로서 ITO를 사용하고 음극으로서 Al을 사용하여 실시예 1의 실험을 반복하였다. 반도체 층으로서는 무정형 Si 막을 사용하였다. 이 무정형 Si 막을 화학적 기상 증착에 의해 p형/도핑되지 않은 반도체/n형 층 구조를 이루도록 제조하였다. 도핑을 이온 이식법에 의해 달성하였다. I-V 특성과 정류비가 도 9A와 도 9B에 도시되어 있다. 정류비는 2V에서 3×105이하였고, 2V 및 0V 이하에서 온/오프 비는 5×106보다 컸다.
본 실시예는 본 발명의 마이크로스위치에서 반도체 층(12, 22, 32)으로서 무기 반도체 막을 사용할 수도 있음을 보여준다.
〈실시예 7〉
실시예 1에 도시된 것과 유사한 마이크로스위치를 제조하였다. 디바이스 미분 전류 dI/dV를 바이어스 전압의 함수로서 측정하였고, 그 결과를 도 10A에 나타내었다. 바이어스 전압의 함수로서의 디바이스 전도도 G(=I/V)를 측정하였고, 그 결과를 도 10B에 나타내었다. 바이어스 전압의 함수로서의 적분 전류 Int-IdV를 측정하였고, 그 결과를 도 10C에 나타내었다. 모든 경우에, I-V 특성과 유사한 스위칭 특성이 관찰되었다(도 5A를 참조).
디바이스 전류 I의 시간 미적분도 시험하였다. 디바이스 전류 I와 동일한 스위칭 특성이 관찰되었다(도 5A를 참조).
본 실시예는 마이크로스위치(10)를, 디바이스 전류 I를 스위칭하는데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 전류와 관련된 기타 물리적 척도(예를 들면 전류의 다양한 미적분)들을 스위칭하는데 사용할 수도 있음을 보여준다.
〈실시예 8〉
ITO/MEH-PPV/Ca 마이크로스위치를 도 1에 도시된 구조로 제조하였다. MEH-PPV의 두께는 2000Å 이하였다. 3V에서의 디바이스 전류를 대기 온도의 함수로서 측정하였고 그 결과를 도 11에 도시하였는데, 도 11을 보면 전류는 exp(-T0/I) 관계식(T0은 0.34eV 미만임)을 따른다는 것을 알 수 있다.
동일한 구조를 갖는 마이크로스위치들을 도 3에 도시된 것과 유사하되 층(33 및 34)을 갖지 않는 10×10 행렬 번지지정 가능한 매트릭스로서 제조하였다. 픽셀 면적은 0.35㎜×0.4㎜였고, 피치 크기는 0.625×0.625㎟였다. '바람직한 실시양태의 설명'에서 첫 번째로 기술된 구동 방법을 사용하여 0V 내지 3.0V의 전기 펄스를 사용하여 매트릭스를 스캐닝하였다. 포인트(point) 열 공급원을 픽셀(5,5) 위에 놓으면 10×10 온도 센서 위에 온도 분배가 일어난다. 디바이스 전류 분배 및 이에 상응하는 표면 온도 분배가 도 12에 도시되어 있다.
본 실시예는 적당한 두께를 갖는 반도체 막으로 만들어진 마이크로스위치(10)를 온도 센서로서 사용할 수 있음을 보여준다. 마이크로스위치의 순방향 전류는 온도에 따라 변한다. 이러한 마이크로스위치로 만들어진 행렬 번지지정 가능한 매트릭스를 디바이스 표면상의 대한 온도 분배를 이미징하기 위한 온도 센서로서 사용할 수 있다.
〈실시예 9〉
전압 스위칭가능한 적외선 센서 요소를 도 2A에 도시된 구조로 제조하였다. 유리 기재상에 ITO/MEH-PPV/Ca/Au/InSb/Au 순서로 된 막을 사용하여 디바이스를 제조하였다. 반투명 Au(200Å)를 전극(25)으로서 사용하는데, 이 전극은 적외선 IR 방사선이 IR 센서층을 통과하여 도달할 수 있게 한다. 이층 금속(Ca/Au)을 공통 전극(23)으로서 사용하였다.
ITO/MEH-PPV/Ca 디바이스는 우수한 정류 I-V 특성을 가질 뿐만 아니라, 적색-오렌지색을 갖는 우수한 발광 디바이스이기도 하다. 디바이스의 발광 세기는 넓은 전류 범위에 걸쳐 디바이스를 통과하는 순방향 전류에 비례하기 때문에, 본 실시예에서 이 집적된 디바이스는 적외선 인디케이터(indicator)로서의 역할을 한다. 출력 오렌지색 광의 세기는 적외선 방사선의 세기를 반영한다.
본 실시예는 마이크로스위치와 박막 IR 센서를 집적시킴으로써 전압 스위칭가능한 IR 센서를 제조할 수 있음을 보여준다. 집적된 센서가 순방향으로 바이어스 걸리는 경우, 디바이스는 높은 감광도를 갖고 스위칭-온 된다. 바이어스가 0일때와 역방향일 때 동일한 디바이스는 IR 방사에 반응하지 않는다. 이러한 스위칭 특성때문에 디바이스는 x-y 번지지정 가능한 수동 IR 센서 매트릭스의 제조에 있어 이상적인 요소가 된다. 가시광 발광 다이오드를 마이크로스위치로 사용하는 경우, 집적된 디바이스(매트릭스)는 IR 인디케이터로서의 기능을 한다.
본 실시예는 또한 센서 층을 또다른 재료로 대체함으로써 전자기장 스펙트럼의 또다른 파장(예를 들면 UV, x-레이, 원적외선, 극초단파 및 라디오파)에서의 방사에 대해 민감한 센서 및 센서 매트릭스를 제조할 수 있음을 보여준다. 이러한 일반 원리를 이용하여 자기장에 민감한 센서, 기계적 압력에 민감한 센서 및 음파에 민감한 센서도 제조할 수 있다.
〈실시예 10〉
전압 스위칭가능한 x-레이 센서 요소를 도 2A에 도시된 구조로 제조하였다. 유리 기재상에 ITO/MEH-PPV/Al/Se/Al 순서로 된 막을 사용하여 디바이스를 제조하였다. x-레이 센싱 층으로서 셀렌을 사용하였는데, x-레이가 방사될 때의 그의 전기적 특성은 문헌[Physics Today, Nov. 1997]에 기재되어 있다. 전극(25)으로서 Al 박층(500Å)을 사용하였고 이는 x-레이 방사에 투명하다. 공통 전극(23)으로서는 알루미늄(2㎛)을 사용하였다.
x-레이 방사로 인해 셀렌으로 만들어진 센싱 층(24)에서 전류 증가(선형 증가)가 초래된다. 따라서 Al/Se/Al 디바이스의 픽셀 저항은 103내지 108Ω/㎠의 범위로 떨어지며(방사 세기에 따라서 다름), 이는 ITO/MEH-PPV/Al로 만들어진 마이크로스위치의 전형적인 순방향 저항인 1kΩ/㎠ 미만보다는 훨씬 크지만, 0 또는 역방향 바이어스에서의 스위치 저항보다는 훨씬 작은 것이다. 따라서 집적된 x-레이 센서 요소(ITO/MEH-PPV/Al/Se/Al)의 순방향 전류는 x-레이 세기를 반영하는 것이며, 집적된 디바이스가 이러한 스위칭 특성을 갖기 때문에 본 발명에서 기술된 것과 같은 x-y 번지지정 가능한 x-레이 센싱 매트릭스의 제조에 사용될 수 있게 된다.
본 실시예는 마이크로스위치와 박막 x-레이 센서를 집적시킴으로써 전압 스위칭가능한 x-레이 센서를 제조할 수 있음을 보여준다. 집적 센서 요소(픽셀)에 순방향으로 바이어스가 걸리는 경우, 픽셀은 스위칭-온되고, 전류 강도는 x-레이 방사에 비례한다. 바이어스가 0일때와 역방향일 때 동일한 디바이스는 x-레이 방사에 반응하지 않는다. 이러한 스위칭 특성때문에 집적 디바이스는 x-y 번지지정 가능한 수동 x-레이 센서 매트릭스의 제조에 있어 이상적인 픽셀 요소가 된다. 가시광 발광 다이오드를 마이크로스위치로 사용하는 경우(예를 들면 Al 전극(23)을 Ca/Al 이층 전극, 본 실시예에서 제시된 집적 디바이스 또는 이러한 집적 디바이스의 매트릭스로 대체하는 경우), x-레이 세기는 마이크로스위치의 가시 전압 발광 세기에 반영되어 x-레이 인디케이터를 형성한다.
본 실시예는 실시예 9와 더불어, 전기 전도도 또는 그의 변형된 기타 변수가 환경 조건에 따라 변하는 센서 층을 도입함으로써 다양한 센서 디바이스(예를 들면 UV, x-레이, 원적외선, 극초단파 및 라디오파와 같은 전자기 스펙트럼의 특정 범위에 민감한 방사 센서)를 제조할 수 있음을 보여준다. 이러한 일반 원리를 이용하여 자기장에 민감한 센서, 기계적 압력에 민감한 센서 및 음파에 민감한 센서도 제조할 수 있다.
〈실시예 11〉
유리 기재상에서 Au/MEH-PPV/Ca/Al의 형태로 마이크로스위치를 제조하였다. Ca 층의 두께는 1㎚ 내지 1000㎚로 변한다. 유리 기재상의 순수 Ca 막의 측방향 저항(기재 표면에 대해 평행하게 존재하는 저항)을 측정한 결과, Ca 막은 약 10㎚ 미만(자세한 역치는 기재의 표면 조도와 관련있다)의 두께를 갖는 불연속 입자를 형성한다는 것이 밝혀졌다. 두께가 10㎚ 미만인 Ca로 된 마이크로스위치의 I-V 특성은 두께가 10㎚ 보다 큰 Ca 막의 것과 유사하고, 이는 Al의 일함수보다는 Ca의 일함수에 의해서 결정된다.
본 실시예는 측방향-불연속 과립 형태의 금속 박층을 마이크로스위치의 I-V 특성을 결정짓는 전극의 재료로 사용할 수 있음을 제안하고 있다. 이러한 금속 층은 수직 방향으로의 높은 전도도 및 측방향으로의 절연을 달성하는 신규한 박막을 제공한다. 이들은 패턴화가 없이도 접촉 층(23 및 33)(센서와 마이크로스위치의 공통 전극)을 제조하는데 유용하다.

Claims (41)

  1. 다수의 전기 마이크로스위치를 포함하는 마이크로스위치 어레이로서, 다수의 마이크로스위치의 각 구성원들은 제 1 전극/반도체/제 2 전극 층 형태를 갖고, 반도체 층은 어레이 구성원들에 의해 공유되는 단위체인, 마이크로스위치 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 다수의 마이크로스위치가 x-y 번지지정 가능한 (addressable) 어레이 구조로 된 마이크로스위치 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서, 반도체가 무기 반도체인 마이크로스위치 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서, 반도체가 유기 반도체인 마이크로스위치 어레이.
  5. 제 2 항에 있어서, 반도체가 유기 반도체인 마이크로스위치 어레이.
  6. 제 4 항에 있어서, 유기 반도체가 콘쥬게이티드 유기 반도체 폴리머, 콘쥬게이티드 유기 반도체 폴리머 블렌드, 반도체 유기 분자, 반도체 유기금속 분자, 분자 블렌드 또는 반도체 유기 분자 및 이러한 재료로 된 다층 구조물로 이루어진 군으로부터 선택되는 마이크로스위치 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 전극이 금속성 전극인 마이크로스위치 어레이.
  8. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 전극이 전도체 유기 폴리머를 포함하는 마이크로스위치 어레이.
  9. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 전극이 반도체 층에 인접한 완충재 층을 포함하는 마이크로스위치 어레이.
  10. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 전극이 투명한 마이크로스위치 어레이.
  11. 제 1 항의 다수의 어레이의 스택(stack)을 포함하는 3차원 마이크로스위치 어레이.
  12. 제 2 항의 다수의 어레이의 스택을 포함하는 3차원 마이크로스위치 어레이.
  13. 감지된 자극에 반응해 전기적 신호를 생성하는 다수의 센서 요소의 개별적인 구성원들과, 여기에 직렬 접속된 제 1 항의 마이크로스위치 어레이의 개별적인 요소들을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이(multi-element voltage-switchable sensor array).
  14. 제 13 항에 있어서, 센서가 제 1 센서 전극/센서 반도체/제 2 센서 전극 층의 형태로 존재하는 박층 센서인 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서, 센서 반도체가 유기 반도체인 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  16. 제 15 항에 있어서, 마이크로스위치와 센서가 공통 전극(common electrode)을 공유하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  17. 감지된 자극에 반응해 전기적 신호를 생성하는 다수의 센서 요소의 개별적인 구성원들과, 여기에 직렬 접속된 제 5 항의 마이크로스위치 어레이의 개별적인 요소들을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  18. 제 17 항에 있어서, 센서가 제 1 센서 전극/센서 반도체/제 2 센서 전극 층의 형태로 존재하는 박층 센서인 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  19. 제 18 항에 있어서, 센서 반도체가 유기 반도체인 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  20. 제 19 항에 있어서, 마이크로스위치와 센서가 공통 전극을 공유하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  21. 제 15 항에 있어서, 추가로 지지(supporting) 기재를 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  22. 제 15 항에 있어서, 센서가 빛을 감지하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  23. 제 22 항에 있어서, 제 2 센서 전극이 감지되는 빛에 투명한 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  24. 제 22 항에 있어서, 빛이 가시광을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  25. 제 22 항에 있어서, 빛이 자외선광을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  26. 제 22 항에 있어서, 빛이 적외선광을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  27. 제 15 항에 있어서, 센서가 x-레이를 감지하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  28. 제 15 항에 있어서, 센서가 전자, 베타 입자 및 감마 레이 방사선으로부터 선택된 이온화된 고 에너지 입자를 감지하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  29. 제 15 항에 있어서, 센서가 표면 압력을 감지하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  30. 제 15 항에 있어서, 센서가 표면 온도를 감지하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  31. 제 13 항에 있어서, 2차원 x-y 번지지정 가능한 형태로 제조된 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이.
  32. 다수의 전기 마이크로스위치를 포함하는 마이크로스위치 어레이로서, 이 다수의 마이크로스위치의 각 구성원들이 제 1 전극/반도체/제 2 전극 층 형태를 갖고, 이때 반도체 층은 어레이 구성원들에 의해 공유되는 단위체이고, 다수의 마이크로스위치는 x-y 번지지정 가능한 어레이 구조를 이루는 제 1 전극의 행과 제 2 전극의 열에 의해 결정되고, 각 개별적인 마이크로스위치의 x-y 번지지정 가능한 위치는 x 배위를 결정하는 특정 제 1 전극과 y 배위를 결정하는 특정 제 2 전극에 의해서만 결정되는 마이크로스위치 어레이의 다수의 개별적인 요소들과 직렬 접속된, 감지되는 자극에 반응하여 전기적 신호를 생성하는 다수의 센서 요소의 개별적인 구성원들 및 바이어스 전압 공급원을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이의 개별적 구성원들을 구동시키는 방법으로서, 개개의 구성원들을 결정하는 특정 제 1 전극과 특정 제 2 전극을 가로질러 마이크로스위치의 턴-온(turn on) 전압보다 큰 양성 바이어스 전압을 걸고 나머지의 제 1 전극과 제 2 전극은 부동(floating) 상태로 두고, 특정 센서 요소에 의해 생성된 전기적 신호를 판독함을 포함하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 어레이의 여러 요소가 순차적으로 구동되는 방법.
  34. 다수의 전기 마이크로스위치를 포함하는 마이크로스위치 어레이로서, 이 다수의 마이크로스위치의 각 구성원들이 제 1 전극/반도체/제 2 전극 층 형태를 갖고, 이때 반도체 층은 어레이 구성원들에 의해 공유되는 단위체이고, 다수의 마이크로스위치는 x-y 번지지정 가능한 어레이 구조를 이루는 제 1 전극의 행과 제 2 전극의 열에 의해 결정되고, 각 개별적인 마이크로스위치의 x-y 번지지정 가능한 위치는 x 배위를 결정하는 특정 제 1 전극과 y 배위를 결정하는 특정 제 2 전극에 의해서만 결정되는 마이크로스위치 어레이의 다수의 개별적인 요소들과 직렬 접속된, 감지되는 자극에 반응하여 전기적 신호를 생성하는 다수의 센서 요소의 개별적인 구성원들 및 "고(high)" 바이어스 전압 상태, 0 바이어스 전압 상태 및 "저(low)" 바이어스 전압 상태를 제공할 수 있는 바이어스 전압 공급원을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이의 개별적 구성원들을 구동시키는 방법으로서, 개개의 구성원들을 결정하는 특정 제 1 전극에 양성 바이어스를 걸고 특정 제 2 전극에 음성 바이어스 전압을 걸어줌으로써 상기 구성원의 턴-온 전압을 초과하고, 나머지의 제 1 전극에는 음성 바이어스를 걸거나 나머지의 제 2 전극에는 양성 바이어스를 걸어서 나머지의 다수의 개별적인 요소들을 오프(off) 상태로 두고, 특정 센서 요소에 의해 생성된 전기적 신호를 판독함을 포함하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 어레이의 여러 요소가 순차적으로 구동되는 방법.
  36. 다수의 전기 마이크로스위치를 포함하는 마이크로스위치 어레이로서, 이 다수의 마이크로스위치의 각 구성원들이 제 1 전극/반도체/제 2 전극 층 형태를 갖고, 이때 반도체 층은 어레이 구성원들에 의해 공유되는 단위체이고, 이때 다수의 마이크로스위치는 x-y 번지지정 가능한 어레이 구조를 이루는 제 1 전극의 행과 제 2 전극의 열에 의해 결정되고, 각 개별적인 마이크로스위치의 x-y 번지지정 가능한 위치는 x 배위를 결정하는 특정 제 1 전극과 y 배위를 결정하는 특정 제 2 전극에 의해서만 결정되는 마이크로스위치 어레이의 다수의 개별적인 요소들과 직렬 접속된, 감지되는 자극에 반응하여 전기적 신호를 생성하는 다수의 센서 요소의 개별적 구성원들, 및 제 1 바이어스 전압과 제 2 바이어스 전압을 제공하되 이 두가지 바이어스 전압의 차이가 마이크로스위치 어레이의 요소를 위한 턴-온 전압을 초과하는 바이어스 전압 공급원을 포함하는 다-요소 전압-스위칭가능한 센서 어레이의 일련의 개별적 요소들을 구동시키는 방법으로서, 모든 제 1 전극에 제 1 바이어스 전압을 걸고 개개의 요소들의 특정 열을 결정하는 특정 제 2 전극에 제 2 바이어스 전압을 걸어줌으로써 특정 열 요소들을 턴-온시키고 나머지의 다수의 개별적 요소들을 오프 상태로 만들고, 센서 요소의 특정 열에서 생성된 전기적 신호를 판독함을 포함하는 방법.
  37. 제 33 항에 있어서, 센서 요소의 특정 열에서 생성된 전기적 신호의 판독을, 특정 열의 일련의 센서 요소들에 의해 생성된 전기적 신호에 상응하는 일련의 전기적 신호를 생성시키는 디지털 쉬프트 레지스터(digital shift register) 또는 디지털 디코더(decoder)를 사용하여 수행하는 방법.
  38. 스택킹되어 3차원 매트릭스를 형성하는 제 13 항의 다수의 센서 어레이.
  39. 스택킹되어 여러 센싱 기능을 갖는 집적된 센서 어레이를 형성하는 제 13 항의 다수의 센서 어레이.
  40. 전극-반도체-전극 전기 마이크로스위치를 센서 요소의 어레이 위에 적재함을 포함하는 제 6 항의 어레이를 제조하는 방법.
  41. 센서 요소의 어레이를 전극-반도체-전극 전기 마이크로스위치의 어레이 위에 적재함을 포함하는 제 6 항의 어레이를 제조하는 방법.
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