KR20110002694A - Near infrared photo-detector and the fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 근적외선을 감지하는 신규한 구조의 근적외선 감지 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 단순코팅에 의해 제조되고, 대면적화, 유연성기판 집적이 가능하며, 단시간에 고품질의 근적외선 감지소자를 대량 생산할 수 있는 제조방법을 제공하며, 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리시키고, 생성된 전자-정공쌍의 재결합이 효과적으로 억제되며, 근적외선을 흡수하여 전자 및 정공 쌍을 생성하는 광감응 물질의 순도, 결함등에 의한 영향을 최소화하며 온도를 포함하는 근적외선 감지 환경에 민감하지 않은 구조의 근적외선 감지 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a near-infrared sensing element having a novel structure for detecting near-infrared rays, and a method for manufacturing the same, which is manufactured by simple coating, and can be manufactured with a large area and a flexible substrate, and can mass-produce high-quality near-infrared sensing elements in a short time. Purity of the photosensitive material which effectively separates the electron-hole pairs generated by light, effectively inhibits recombination of the generated electron-hole pairs, and absorbs near infrared rays to produce electron and hole pairs. The present invention relates to a near-infrared sensing device having a structure that is insensitive to a near-infrared sensing environment including temperature and minimizes the influence of defects.
근적외선(Near Infrared 또는 shortwave Infrared, 이하 NIR)은 약 700 ~ 2000nm 파장 영역의 빛을 의미하며, 고감도(high sensitivity), 높은 분해능(high resolution), 어두운 밤에도 형상을 관찰할 수 있으며, 안개 낀 낮에도 투과성이 좋으며(Day-to-night imaging), 소자 구동을 위한 냉각이 필요 없고(no cryogenic cooling), 시스템 구성을 위하여 저가격의 일반 가시광에서 사용하는 렌즈를 그대로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. Near Infrared (Near Infrared or shortwave Infrared, or NIR) refers to light in the wavelength range of about 700 to 2000 nm, and can be observed at high sensitivity, high resolution, and even in dark nights. Although it has good permeability (day-to-night imaging), no cryogenic cooling for device operation, and low-cost general visible light for system configuration, it can be used as it is.
700 ~ 2000 nm 영역의 광을 감지하는 NIR 감지소자는 보안 장치, 의료 장치, 비파괴 검사 장치를 비롯한 다양한 분야에 활용되고 있으며, 종래의 실리콘 기반 가시광 감지소자와 함께 구비되어 보다 높은 감도 및 보다 넓은 감지 범위를 갖는 새로운 융합형 이미지 센서의 개발이 기대되고 있다. NIR sensing devices that detect light in the 700 to 2000 nm range are used in a variety of applications, including security devices, medical devices, and non-destructive testing devices, and are equipped with conventional silicon-based visible light sensing devices for higher sensitivity and wider sensing Development of new fusion image sensors with a range is expected.
NIR 감지소자는 우선 외부 인가 전압의 유무에 따라, 광전지형(photovoltaic type)과 광전도형(photoconductive type)의 소자로 나눌 수 있으며, NIR을 포함한 적외선 감지소자로 단결정 박막형 반도체를 기반한 소자가 일반적으로 사용되고 있다. 양자우물이나 양자점과 같은 양자구조를 이용한 형태(일본 공개특허 2008-187022, 일본 공개특허 2008-187003, 일본 공개특허 2008-147521, 대한민국 공개특허 2001-0054216, 대한민국 공개특허 2000-0061903, 미국 공개특허 2006-0266998, 미국 공개특허 2006-0138396 ) 또는 양자구조와 헴트(HEMT; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 형태의 소자(대한민국 공개특허 2006-0093445)가 제안 된 바 있다. 이러한 단결정 박막형 반도체를 기반으로 제조되는 감지소자는 성능이 우수한 반면 제조공정이 복잡하고 까다로우며 고진공 장비의 사용등에 의해 고가인 단점이 있다. First, NIR sensing devices can be divided into photovoltaic and photoconductive devices according to the presence or absence of externally applied voltage.Infrared sensing devices including NIR are generally used as single crystal thin film semiconductor devices. have. Forms using quantum wells such as quantum wells or quantum dots (Japanese Patent Publication 2008-187022, Japanese Patent Publication 2008-187003, Japanese Patent Publication 2008-147521, Korean Patent Publication 2001-0054216, Korean Patent Publication 2000-0061903, US Patent Publication 2006-0266998, U.S. Patent Application Publication No. 2006-0138396) or a device (Korea Patent Publication No. 2006-0093445) that combines a quantum structure and a high electron mobility transistor (HEMT) has been proposed. While the sensing device manufactured based on such a single crystal thin film semiconductor has excellent performance, the manufacturing process is complicated and difficult and expensive due to the use of high vacuum equipment.
기능성 화학 소재를 이용한 NIR 감지소자의 연구는 광 감응 흡수체로 양자점 (Quantum Dot)과 전도성 고분자(Conductive Polymer)를 혼합하거나 광 흡수층과 고분자 전도성층의 두 물질층을 교대로 적층하는 방법(국제특허 2007/118815)이 주로 연구되고 있다. 이 방식의 소자는 NIR 영역에서의 광전변환 효율은 아직 낮다. 최근에는 용액상의 콜로이드형 나노 입자를 두 전극 사이에 직접 코팅한 방식의 감지소자에 대해서도 보고되고 있다. 그러나 이 방식은 외부에서 전압을 항상 인가하여야 하므로 외부 전원이 필요한 단점이 있다. Research of NIR sensing devices using functional chemical materials is a method of mixing a quantum dot and a conductive polymer as a photosensitive absorber or alternately stacking two material layers, a light absorbing layer and a polymer conductive layer (International Patent 2007) / 118815). The device of this type has low photoelectric conversion efficiency in the NIR region. Recently, a sensing device of a method in which a colloidal nanoparticle in solution is directly coated between two electrodes has been reported. However, this method has a disadvantage in that an external power source is required because a voltage must always be applied from the outside.
본 발명의 목적은 광 감지를 위해 외부 전력의 공급이 불필요하며, 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리시키고, 생성된 전자-정공쌍의 재결합이 효과적으로 억제되며, 응답 특성이 우수하고, 근적외선을 흡수하여 전자 및 정공 쌍을 생성하는 광감응 물질의 순도, 결함등에 의한 영향을 최소화하며 온도를 포함하는 근적외선 감지 환경에 민감하지 않은 근적외선 감지 소자를 제공하는 것이며, 저가의 장비로 제조가능하며, 제조시 엄격한 공정 제어가 필요치 않고, 대면적으로 제조가능하며, 유연성 기판에 집적 가능하며, 단시간에 대량생산 가능한 근적외선 감지 소자 제조방법을 제공하는 것이다. The object of the present invention is to eliminate the need for external power supply for light sensing, to effectively separate the electron-hole pairs generated by the light, to effectively recombine the generated electron-hole pairs, to suppress the response characteristics, It provides a near-infrared sensing device that is insensitive to the near-infrared sensing environment including temperature, and minimizes the effects of purity and defects of photosensitive materials that absorb near-infrared rays to generate electron and hole pairs. To provide a method for manufacturing a near-infrared sensing element that does not require strict process control during manufacturing, can be manufactured in large areas, can be integrated into a flexible substrate, and can be mass-produced in a short time.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 근적외선 감지 소자 및 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이며, 명료한 이해를 위해 과장되게 도시될 수 있으며, 핵심구성 이외의 구성은 미도시될 수 있다. 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a near infrared ray sensing element and a manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided by way of example in order to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art, may be exaggerated for clarity of understanding, configurations other than the core configuration may not be shown. The present invention is not limited to the drawings presented below, but may be embodied in other forms, and like reference numerals denote like elements throughout the specification.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the gist of the present invention in the following description and the accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명에 따른 근적외선 감지소자는 근적외선(Near Infrared 또는 shortwave Infrared)을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 광감응 나노입자, 전자 이송경로를 제공하는 반도체층, 정공 이동경로를 제공하는 정공 전도층, 반도체층과 정공 전도층 사이에 구비되어 전자-정공의 재결합을 억제하는 재결합방지층을 포함하여 구성되는 특징이 있으며, 상세하게 광감응 나노입자에서 생성된 전자가 자발적으로 상기 반도체층으로 이동되며, 광감응 나노입자에서 생성된 정공이 자발적으로 정공 전도층으로 이송되며, 정공 전도층과 반도체층이 서로 접하는 계면에 전자를 기준으로 한 에너지 배리어(energy barrier)를 형성하는 재결합방지층이 구비되어 정공과 전자의 재결합에 의한 소멸이 방지되는 특징이 있다. The near-infrared sensing device according to the present invention includes a photosensitive nanoparticle that absorbs near infrared (Near Infrared or shortwave Infrared) to generate an electron-hole pair, a semiconductor layer providing an electron transport path, a hole conducting layer for providing a hole transport path, It is characterized by including a recombination preventing layer provided between the semiconductor layer and the hole conducting layer to suppress the recombination of the electron-hole, in detail electrons generated from the photosensitive nanoparticles are spontaneously moved to the semiconductor layer, Holes generated in the sensitized nanoparticles are spontaneously transferred to the hole conducting layer, and a recombination preventing layer is formed at the interface where the hole conducting layer and the semiconductor layer contact each other to form an energy barrier based on electrons. It is characterized by the disappearance by recombination of the.
보다 상세하게, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 전자는 상기 광감응 나노입자와 접하는 반도체층과 광감응 나노입자간 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level) 차에 의해 상기 반도체층의 전도대로 자발적으로 이동하며, 상기 광감응 나노입자에서 생성된 정공은 상기 광감응 나노입자와 접하는 정공 전도층과 광감응 나노입자간 가전자대(valance band) 최대 에너지 레벨(energy level) 차에 의해 상기 정공 전도층의 가전자대로 자발적으로 이동하며, 상기 반도체층과 상기 정공 전도층 사이에 구비되며, 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)이 상기 반도체층의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 반도체 물질을 포함하여 구성된 재결합방지층에 의해 상 기 반도체층의 전도대로 이동한 전자 및 상기 정공 전도층의 가전자대로 이동한 정공의 재결합이 억제되는 특징이 있다.More specifically, the electrons generated from the photosensitive nanoparticles are transferred to the semiconductor layer by the difference in the conduction band minimum energy level between the semiconductor layer and the photosensitive nanoparticles in contact with the photosensitive nanoparticles. The holes generated in the photosensitive nanoparticles are spontaneously moved, and the hole conduction is caused by a difference in the maximum energy level between the hole conduction layer and the photosensitive nanoparticles in contact with the photosensitive nanoparticles. Moving spontaneously into the valence band of the layer, provided between the semiconductor layer and the hole conducting layer, the conduction band minimum energy level being the conduction band minimum energy level of the semiconductor layer electrons and the hole conducting layer moved to the conduction band of the semiconductor layer by a recombination preventing layer comprising a semiconductor material larger than It is characterized in that inhibit the recombination of a hole moves as the former.
바람직하게, 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 투명전극 및 대전극을 더 포함하여 구성되며 상기 반도체층 하부에 투명전극이 구비되며, 상기 정공 전도층 상부에 대전극이 구비된다. 보다 바람직하게 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 투명 절연 기판을 더 포함하여 구성되며, 상기 투명전극 하부에 투명 절연 기판이 구비된다. 이때, 외부 부하(load)를 포함한 외부 전기 회로를 통해 상기 대전극과 상기 투명 전극은 전기적으로 연결될 수 있음은 물론이다.Preferably, the near-infrared sensing element according to the present invention further comprises a transparent electrode and a counter electrode, the transparent electrode is provided below the semiconductor layer, and the counter electrode is provided above the hole conductive layer. More preferably, the near-infrared sensing element according to the present invention further comprises a transparent insulating substrate, and a transparent insulating substrate is provided below the transparent electrode. At this time, the counter electrode and the transparent electrode may be electrically connected through an external electric circuit including an external load.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 일 예로, 도 1(a)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 바람직하게 투명전극(10) 상부로 전자의 이동 경로를 제공하는 반도체층(30)이 구비되며, 상기 반도체층(30)과 접하여 광감응 나노입자(40)가 구비되고, 상기 반도체층(30) 상부로 상기 광감응 나노입자(40)와 접하여 정공의 이동 경로를 제공하는 정공 전도층(60)이 구비되며, 상기 반도체층(30)과 상기 정공 전도층(60) 사이에 상기 반도체층(30)의 전도대 전자를 기준으로 한 에너지 배리어(energy barrier)를 형성하는 재결합방지층(50)이 구비된다. 1 is a cross-sectional view of the near infrared sensing element according to the present invention. As shown in FIG. The
근적외선을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광전자-광정공중, 광전자는 상기 반도체층(30)과 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨 차를 구동력으로 상기 광감응 나노입자(40)에서 상기 반도체층(30)으로 자발적으로 이동되며, 광정공은 정공 전도층(60)과 상기 광감응 나노입자(40)의 가전자대 최대 에너지 레벨 차를 구동력으로 상기 광감응 나노입자(40)에서 정공 전도층(60)으로 자발적으로 이동된다. 상기 반도체층(30)으로 자발적으로 이송된 광전자는 상기 재결합방지층(50)에 의한 에너지 배리어에 의해 정공 전도층(60)의 계면으로의 이동이 방지되며, 이에 따라 분리된 광정공과 광전자의 재결합에 의한 소멸이 억제되게 된다. In the photoelectron-light hole generated by the
특징적으로 상기 재결합방지층(50)은 상기 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 가지며, 상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨과 상기 재결합방지층(50)의 전도대 최소 에너지 레벨의 차이에 의해 에너지 배리어가 형성된다. In particular, the
보다 특징적으로, 상기 재결합방지층(50)은 상기 반도체층(30)과 동일한 반도체 물질로 구성되며, 양자구속효과(quantum confinement effect) 또는 상(phase)에 의해 상기 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 갖는다. More specifically, the
이때, 상기 상(phase)은 에너지 밴드갭, 전도대 최소 에너지 레벨 및 가전자대 최대 에너지 레벨을 포함하는 물질의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)에 영향을 미치는 고체의 결정구조를 의미하며, 상기 고체의 결정구조는 비결정질(short range order를 갖는 amorphous)을 포함하며, 열역학적으로 안정(stable)하거나 불안정한(metastable) 결정질(long range order를 갖는 crystalline)의 결정상을 포함한다.In this case, the phase refers to a crystal structure of a solid that affects an energy band diagram of a material including an energy band gap, a conduction band minimum energy level, and a valence band maximum energy level. The crystal structure includes amorphous with short range order, and includes thermodynamically stable or unstable crystalline phase with long range order.
이때, 상기 재결합방지층(50)이 양자구속효과에 의해 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 가진다는 의미는 상기 재결합방지층(50)을 구성하는 반도체 물질이 적어도 한-축(서로 직교하는 3-축 중 적어도 한-축)에서의 크기에 의해 에너지 밴드 다이어그램이 달라지는 것을 의미한다.In this case, the
발명에 따른 근적외선 감지소자에 있어, 양자구속효과에 의해 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 가지는 경우, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 상기 재결합방지층(50)은 보어 반지름보다 작은 반경의 반도체 나노입자(51)를 포함하는 것이 바람직하다.In the near-infrared sensing device according to the present invention, in the case of having a conduction band minimum energy level larger than the conduction band minimum energy level of the
발명에 따른 근적외선 감지소자에 있어, 상(phase)에 의해 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)보다 큰 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 가지는 경우, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 재결합방지층(50)은 비정질상(amorphous phase)의 상기 반도체층(30)과 동일한 반도체인 특징이 있다.In the near-infrared sensing device according to the present invention, in the case of having a conduction band minimum energy level larger than the conduction band minimum energy level of the
본 발명을 상술함에 있어 도 1(b)를 제외한 도면에서 재결합방지층(50)이 반도체 나노입자(51)로 구성된 경우를 도시하였으나, 본 발명에 따라 이하 제시된 모든 도면 및 설명에서 상기 반도체 나노입자(51)로 구성된 재결합방지층(50)은 비정질상의 반도체로 구성된 재결합방지층(50)으로 대체될 수 있음은 자명하다.Although the
도 1(b) 및 도 1(c)는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 다른 예이다.1 (b) and 1 (c) are other examples showing cross-sectional views of the near infrared ray sensing element according to the present invention.
도 1(b)는 상기 반도체층(30)이 규칙적 또는 불규칙적 표면 요철에 의해 넓은 비표면적을 가지며 비정질상의 반도체(52)로 재결합방지층(50)이 구성된 경우의 일 예를 도시한 것이며, 도 1(c)는 상기 반도체층(30)이 다공성 반도체층(30)으로 열린 기공에 의해 넓은 비표면적을 가지며, 양자구속효과에 의해 반도체층(30)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 반도체 나노입자(51)로 재결합방지층(50)이 구성된 경우의 일 예를 도시한 것이다. FIG. 1B illustrates an example in which the
도 1(b)와 같이 표면 요철이 형성된 경우, 상기 광감응 나노입자(40)는 반도체층(30)의 요철 표면에 접하여 구비되며, 재결합방지층(50)은 상기 광감응 나노입자(40)에 의해 스크린(screen)되지 않은 반도체층(30) 표면에 접하여 구비된다. When surface irregularities are formed as shown in FIG. 1B, the
도 1(c)와 같이 열린 기공을 갖는 경우, 상기 광감응 나노입자(40)는 다공성 반도체층(30)의 열린 기공 내부 및 상부 표면에 반도체층(30)과 접하여 구비되며, 상기 재결합방지층(50)은 도 1(c)의 하부에 단독으로 도시한 재결합방지층(50, 도 1(c)의 semiconductor nano particle layer)과 유사하게 상기 광감응 나노입자(40)에 의해 스크린되지 않은 열린 기공에 의한 표면 및 상부 표면에 반도체층(30)과 접하여 구비된다.In the case of having open pores as shown in FIG. 1C, the
도 1(c)에 도시한 바와 같이 상기 반도체층(30)이 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층인 경우, 상기 정공 전도층(60)은 정공 전도성 유기물인 것이 바람직하며, 상기 반도체층(30)에 존재하는 기공을 채우며(filling) 상기 반도체층(30)의 상부 표면을 덮는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 1C, when the
본 발명에 따른 재결합방지층(50)과 함께, 도 1(b)와 유사한 표면 요철을 갖는 반도체층(30) 또는 도 1(c)와 유사한 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층(30)의 구조에 의해 반도체층은 매우 큰 비표면적을 가지게 되어 광감응 나노입자(40)의 함량을 증가 시킬 수 있으며, 감광특성이 우수하며 소자의 소형화가 가능한 특징이 있다.With the
도 1은 본 발명의 핵심 사상에 따른 일 구현예를 도시한 것이며, 도 2를 기반으로 본 발명의 기술적 사상을 보다 상세히 상술한다. 1 illustrates an embodiment according to the core idea of the present invention, and the technical idea of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 에너지 밴드 반도체층(30), 광감응 나노입자(40), 재결합방지층(50) 및 정공 전도층(60)의 진공 상 전자의 에너지를 기준(0)으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)이다.2 is based on the energy of the vacuum phase electrons of the energy
도 2(a)는 본 발명에 따른 근적외선 감지소자에 있어, 반도체층(30)-광감응 나노입자(40)-정공 전도층(60)간의 에너지 밴드 다이어그램이며, 도 2(b)는 용이한 이해를 위해 도시한 것으로 본 발명에 따른 재결합방지층(50)이 존재하지 않는 경우 반도체층(30)과 정공 전도층(60)간의 에너지 밴드 다이어그램이며, 도 2(c)는 본 발명에 따라 재결합방지층(50)이 반도체층(30)과 정공 전도층(60) 사이에 존재하는 경우 반도체층(30)-재결합방지층(50)-정공 전도층(60)간의 에너지 밴드 다이어그램이다. 2 (a) is an energy band diagram between the
도 2(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 근적외선 감지소자에 있어, 상 기 반도체층(30)은 상기 반도체층(30)의 밴드갭 에너지(band gap energy, Eg(SC), eV)가 상기 광감응 나노입자(40)의 밴드갭 에너지(band gap energy, Eg(PS), eV)보다 크며, 상기 반도체층(30)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(SC), eV)이 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(PS), eV)보다 낮은 반도체층(30)이다.As shown in FIG. 2 (a), in the near-infrared sensing device according to the present invention, the
이에 따라, 근적외선(700 내지 2000nm)을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광 전자-광 정공 쌍 중 광전자는 상기 광감응 나노입자(40에서 상기 반도체층(30)의 전도대역으로 자발적(spontaneous)으로 이동하여 상기 투명전극(10)을 통해 소자 외부로 이동하게 되며, 광 정공은 상기 광감응 나노입자(40과 접하는 정공 전도층(60)에 의해 대전극(70)으로 이동하여 외부로 이동하게 된다. Accordingly, photoelectrons in the photoelectron-light hole pairs generated by the
보다 특징적으로, 상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))은 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 낮으며, 상기 반도체 입자(31)는 하기의 관계식 1을 만족한다.More specifically, the conduction band minimum energy level Ec (SC) of the
(관계식 1)(Relationship 1)
0 < |Ec(SC) - Ec(PS)| ≤ Eg(PS)0 <| Ec (SC) -Ec (PS) | ≤ Eg (PS)
(상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이며, 상기 Ec(SC)는 상기 반도체층의 전도대 최소 에너지 레벨이며, 상기 Ec(PS)는 상기 광감응 나노입자의 전도대 최소 에너지 레벨이다.)(Eg (PS) is the bandgap energy (eV) of the photosensitive nanoparticles, Ec (SC) is the conduction band minimum energy level of the semiconductor layer, and Ec (PS) is the conduction band of the photosensitive nanoparticles). Is the minimum energy level.)
상기 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))이 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 낮으며, 상기 반도체층(30)의 전 도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))이 상기 관계식 1을 만족함에 따라, 광감응 나노입자의 순도, 결함등에 의해 생성된 금지대(밴드갭 사이의 에너지 대) 에너지 레벨을 갖는 트랩 준위(state)의 영향을 배제할 수 있으며, 열 잡음(thermal noise)을 최소화할 수 있다.The conduction band minimum energy level Ec (SC) of the
도 2(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 근적외선 감지소자에 있어, 상기 정공 전도층(60)은 상기 정공 전도층(60)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(H), eV)이 상기 광감응 나노입자(40)의 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(Ec(PS))보다 높으며, 상기 정공 전도층(60)의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨(Ev(H), eV)은 상기 광감응 나노입자(40)의 가전자대(valence band) 최대 에너지 레벨(Ev(PS), eV)보다 높은 정공 전도층(60)이다. As shown in FIG. 2 (a), in the near-infrared sensing device according to the present invention, the
이때, 상술한 바와 같이 상기 광감응 나노입자(40)를 기준한 정공 전도층(60)의 에너지 레벨은 진공 상 전자의 에너지를 기준(0)으로 서술된 것이며, 이에 따라, 근적외선(700 내지 2000nm)을 흡수하여 상기 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광 전자-광 정공 쌍 중 광 정공은 상기 광감응 나노입자(40)에서 상기 정공 전도층(60)으로 자발적(spontaneous)으로 이동하여 정공 전도층(60) 상부에 구비된 대전극(70)을 통해 외부로 이동하게 된다. At this time, as described above, the energy level of the
상기 광감응 나노입자(40)는 근적외선을 흡수하여 광전자-광정공을 생성 할 수 있는 물질로 상기 광감응 나노입자(40)의 밴드갭 에너지(Eg(PS), eV)는 하기의 관계식 2를 만족하는 것이 바람직하다.The
(관계식 2)(Relationship 2)
0.6(eV) ≤ Eg(PS) ≤ 1.7(eV)0.6 (eV) ≤ Eg (PS) ≤ 1.7 (eV)
(상기 Eg(PS)는 상기 광감응 나노입자의 밴드갭 에너지(eV)이다.)(The Eg (PS) is the bandgap energy (eV) of the photosensitive nanoparticles.)
본 발명에 따른 재결합방지층(50)이 존재하지 않는 경우, 광감응 나노입자(40)에서 생성된 전자-정공쌍중 전자의 이동경로를 제공하는 반도체층(30)과 정공의 이동경로를 제공하는 정공전도층(60)은 광감응 나노입자(40)가 형성되지 않은 영역에서 서로 접하여 계면을 형성하게 된다. When the
도 2(b)에 도시한 바와 같이 광감응 나노입자(40)에서 반도체층(30)과 정공 전도층(60) 각각으로 자발적으로 서로 분리된 전자와 정공은 이러한 반도체층(30)과 정공 전도층(60)이 접하는 계면에서 서로 재결합하여 소멸된다. As shown in FIG. 2B, electrons and holes spontaneously separated from each other by the
도 2(c)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따라 재결합방지층(50)이 반도체층(30)과 정공 전도층(60) 사이에 존재하는 경우, 광감응 나노입자(40)에서 생성된 전자와 정공이 각각 반도체층(30)과 정공 전도층(60)으로 자발적으로 서로 분리된 후, 전자와 정공의 재결합에 의한 소멸이 일어나는데 에너지 장벽이 존재하게 된다.As shown in FIG. 2 (c), when the
상세하게, 재결합방지층(50)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(RC))이 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지 레벨(Ec(SC))보다 높음에 따라 반도체층(30)에서 재결합방지층(50)으로 전자가 이동하기 위해서는 재결합방지층(50)과 반도체층(30)간의 전도대 최소 에너지 레벨 차인 에너지 장벽(도 2(c)의 E barrier)을 극복해야 하며, 재결합방지층(50)으로 전자의 이동이 어려워짐에 따라 전자와 정공의 재결합에 의한 소멸 또한 효과적으로 억제되게 된다. In detail, as the conduction band minimum energy level Ec (RC) of the
광감응 물질에서 생성된 전자와 정공 각각의 이동경로를 제공하는 전자전도층과 정공전도층 계면에 존재하는 재결합 방지층은 광을 흡수하여 광전자와 광정공을 생성하는 광감응 나노입자와도 접촉하므로, 응집 등에 광감응 나노입자에 부착되면서 전자전도층과는 직접 접촉하고 있지 않은 광감응나노입자를 전자전도층과 접촉시키는 매개로서의 역할도 동시에 할 수 있도록 상기 재결합방지층(50)은 상기 반도체층(30)과 동일한 반도체물질을 포함하여 구성되며, 재결합방지층(50)의 상(phase) 또는 양자구속효과에 의해 상기 에너지 장벽의 크기를 제어하는 것이 바람직하다. Since the recombination prevention layer present at the interface between the electron conduction layer and the hole conduction layer, which provides the movement paths of the electrons and holes generated in the photosensitive material, is also in contact with the photosensitive nanoparticles that absorb the light and generate photoelectrons and holes, The
상기 투명전극(10)은 상기 반도체층(30)과 오믹 접합되는 전기전도성 투명 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 대전극(70)은 상기 정공 전도층(60)과 오믹 접합되는 금속 물질로 구성되는 것이 바람직하다.Preferably, the
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 또 다른 예로, 반도체층(30)이 열린 기공을 갖는 다공성 반도체층(30)이며, 특징적으로 상기 다공성 반도체층(30)은 다수개의 반도체 입자(31)로 구성되며, 광감응 나노입자(40)는 상기 반도체 입자(31)와 접하여 구비되고, 정공 전도층(60)은 반도체 입자(31)사이의 빈 공간을 채움과 동시에 다공성 반도체층(30)의 상부를 덮고, 반도체 나노입자(51)로 구성된 재결합방지층(50)은 반도체 입자(31)와 다공성 반도체층(30)의 열린 기공 내부를 채우는 정공 전도층(60) 사이에 구비된다. 3 is a cross-sectional view of a near-infrared sensing device according to the present invention. The
이때, 상기 반도체 입자(31), 재결합방지층(50) 및 정공 전도층(60)은 상기 도 2를 기반으로 상술한 에너지 밴드 조건을 만족함은 물론이며, 상기 다공성 반도 체층(30)을 구성하는 상기 반도체 입자(31)는 광감응 나노입자(40)에서 생성된 전자가 투명 전극(10)으로 잘 전달 되도록 서로 연속적으로 연결된 구조를 가지는 것이 바람직하다. In this case, the
도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 전자의 이동 경로를 제공하는 반도체 입자(31)로 구성된 다공성 반도체층(30)의 공극에 광감응입자(40)가 구비되고 정공 전도층(60)에 의해 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극이 채워진 복합감광층의 구성을 가짐에 따라 근적외선에 의한 광전자-광정공의 생성, 광전자-광정공의 분리 및 광전자-광정공의 이동이 단일한 복합감광층 내에서 수행되는 특징이 있으며, 반도체 입자(31)와 정공 전도층(60) 사이에 전자의 이동을 제약하는 에너지 장벽을 갖는 재결합방지층(50)이 구비되며 반도체 입자(31)가 정공 전도층(60)과 직접적으로 접하지 않음에 따라 전자-정공의 재결합이 방지되고 빠른 광 응답 특성을 갖는 특징이 있다.As shown in FIG. 3, the near-infrared sensing device according to the present invention is provided with
바람직하게, 상기 재결합방지층(50)은 반도체 입자(31)의 반도체 물질과 동일한 반도체 물질로 구성되고, 상(phase) 또는 양자구속효과에 의해 전자 이동에 대한 에너지 장벽을 형성한다. 이때, 상기 상(phase)에 의해 에너지 장벽을 형성하는 경우, 상기 재결합방지층(50)은 반도체 입자(31)의 반도체 물질과 동일한 물질의 비정질상으로 구성되며, 상기 양자구속효과에 의해 에너지 장벽을 형성하는 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 재결합방지층(50)은 상기 반도체 입자(31)의 평균 입경보다 작은 크기의 반도체 나노입자(51)로 구성된다. Preferably, the
비록, 도 3에서 반도체 나노입자(51)로 구성된 재결합방지층(50)을 도시하였 으나, 상술한 바와 같이 재결합방지층(50)이 비정질상의 반도체 물질일 수 있으며, 비정질상의 반도체 물질 및 양자구속효과를 갖는 반도체 나노입자가 혼합된 혼합물을 포함함은 물론이다. Although the
도 3의 하부에 독립적으로 도시한 바와 같이 상기 재결합방지층(50)은 부분적으로 열린 막이며, 상세하게, 광감응 나노입자(40)에서 생성된 전자가 반도체 입자(31)로 이동하는 통로(A), 반도체 입자(31)간에 전자가 이동하는 통로(B), 및 반도체 입자(31)의 전자가 투명 전극(10)으로 이동하는 통로(C)를 갖는 열린 막이다. As shown independently in the lower part of FIG. 3, the
반도체 입자(31) 사이 빈 공극에 반도체 입자(31)와 접하여 광감응 나노입자(40)가 구비되며 반도체 입자(31)의 입경이 커질수록 비표면적이 감소함에 따라, 상기 반도체 입자(31)의 평균직경은 10 내지 500nm인 것이 바람직하며, 상기 광감응 나노입자(40)의 평균직경이 상기 반도체 입자(31) 보다 작음과 동시에 보어 반지름 이하의 크기를 갖는다. 실질적으로, 상기 반도체 나노입자(51)의 평균직경은 1 내지 30 nm이다. The
또한 상기 반도체 입자(31)로 구성된 상기 다공성 반도체층(30)의 두께는 높은 광전효율, 원활한 광전류의 흐름 측면에서, 0.2 내지 10 ㎛가 바람직하다. 상기 다공성 반도체층(30)의 두께가 0.2㎛ 미만일 때는 다공성 반도체층(30)에 형성되는 광감응 나노입자(40)의 양이 감소하여 소자의 효율이 감소하고 두께가 10 ㎛ 초과일때는 광감응 나노입자(40)에서 생성된 광전류의 이동 거리가 길어지므로 소자의 효율이 감소할 위험이 있다. In addition, the thickness of the
도 4는 반도체층(30)이 열린 기공구조를 갖는 다공성 반도체층인 경우, 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 또 다른 예로, 상기 다공성 반도체층(30)과 상기 투명전극(10) 사이에 반도체박막(20)이 더 구비되는 일 예이다.4 is a cross-sectional view of the near-infrared sensing device according to the present invention when the
상기 반도체박막(20)은 상기 다공성 반도체층(30)을 구성하는 반도체 물질과 동일한 물질이며, 상기 반도체 입자(31)와 동일한 반도체 물질인 특징이 있으며, 상기 반도체 박막(20)은 투명 전극(10)과 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극을 채우고 있는(filling) 정공 전도층(60)을 분리시켜 상기 정공 전도층(60)이 투명 전극(10)과 접하지 않도록 한다. 이때, 도 4에 도시한 바와 같이 반도체박막(20)과 상기 정공전도층(60)사이에도 재결합방지층이 형성되는 것이 바람직하다. The semiconductor
상기 정공 전도층(60)은 상기 다공성 반도체층(30)에 존재하는 공극을 채움과 동시에 상기 다공성 반도체층(30) 상부를 덮도록 형성되어 도 3 또는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 정공 전도층(60)에 의해 상기 다공성 반도체층(30)을 구성하는 반도체 입자(31)와 대전극(70)이 서로 접하지 않도록 하는 것이 바람직하다. The hole
도 5는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 또 다른 일 예를 도시한 단면도로, 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 적외선 감지 소자는 절연성 투명기판(80)을 더 포함하며, 상기 투명전극(10) 하부에 절연성 투명기판(80)이 구비된다.5 is a cross-sectional view showing another example of the infrared sensing element according to the present invention. As shown in FIG. 5, the infrared sensing element according to the present invention further includes an insulating
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 근적외선 소자는 도 2를 기반으로 상술한 에너지 레벨 조건을 만족하는 반도체층, 재결합방지층, 광감응 나노입자 및 정공 전도층을 포함한다. As described above, the near-infrared device according to the present invention includes a semiconductor layer, a recombination preventing layer, a photosensitive nanoparticle, and a hole conducting layer satisfying the above-described energy level conditions based on FIG. 2.
일 예로, 상기 광감응 나노입자(40)는 PbS, PbSe, PbTe, Cu2S, HgTe, CoS, CoSe, NiS, MoS, MoSe 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.For example, the
상기 반도체층(30)은 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The
상기 재결합방지층(50)은 비정질상의 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The
상기 재결합방지층(50)은 평균 반경이 보어 반지름보다 작은 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 나노입자이다. The
상기 정공 전도층(60)은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPV (poly(p-phenylene vinylene)), TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine),POT( poly(octyl thiophene)), PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), CuSCN (Copper(I) thiocyanate), CuI, CuPC(Copper Phthalocyanine) 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The
상기 투명 전극(10)은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인디움 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브), 그래핀(Graphene) 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The
상기 대전극(70)은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The
특징적으로, 상기 광감응 나노입자(40)는 PbS 양자점이며, 상기 반도체층(30)은 TiO2이며, 상기 재결합방지층(50)은 비정질 TiO2, TiO2 나노입자, 또는 이들의 혼합물이며, 상기 정공 전도층(60)은 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌이며, 상기 투명전극(10)은 불소 함유 산화주석이며, 상기 대전극(70)은 금이다. In particular, the
이때, 상기 광감응 나노입자(40)는 친수성 단말기 및 티올기를 갖는 링커(linker)에 의해 상기 반도체층(30)에 부착된 것이 바람직하며, 상세하게, 상기 링커(linker)는 말단기가 카르복시기 또는 수산화기와 머캅토기가 동시에 존재하는 머캅토프로피오닉산(mercapto propionic acid), 머캅토벤조산(mercapto benzoic acid), 머캅토석신산(mercapto succinic acid), 또는 머캅토알콕시실란(mercaptoalkoxysilane)이다. In this case, the
이하, 본 발명에 따른 고품질의 근적외선 감지소자를 단순 코팅, 함침등 매우 간단하고 용이한 공정을 통해 제조가능하고, 저가의 장비로 제조가능하며, 제조 시 엄격한 공정 제어가 필요치 않고, 대면적으로 제조가능하며, 유연성 기판에 집적 가능하며, 단시간에 대량생산 가능한 방법을 상술한다. 본 발명의 제조방법을 상술함에 있어, 도 2를 기반으로 상술한 본 발명의 사상이 유지되는 바, 하기의 제조방법에서는 이에 대한 기재를 생략한다.Hereinafter, the high quality NIR sensor according to the present invention can be manufactured through a very simple and easy process such as simple coating and impregnation, can be manufactured with low cost equipment, and does not require strict process control during manufacturing and is manufactured in large areas. The method is possible, can be integrated into a flexible substrate, and can be mass-produced in a short time. In the above-described manufacturing method of the present invention, the spirit of the present invention described above is maintained based on FIG. 2, and description thereof is omitted in the following manufacturing method.
본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 제조방법은 a) 투명 전극 상부(10)로 반도체 입자(31)를 함유한 슬러리를 도포하여 다공성 반도체층(30)을 형성하는 단계; b) 상기 다공성 반도체층(30)과 접하도록 광감응 나노입자(40)를 형성하는 단계; c) 금속전구체를 함유한 전구체용액을 상기 광감응 나노입자(40)가 구비된 다공성 반도체층(30)에 도포한 후, 열처리하여 재결합방지층(50)을 형성하는 단계; d) 상기 재결합방지층(50)이 구비된 다공성 반도체층(40)에 정공전도성 유기물이 용해된 유기물용액을 도포하여 정공 전도층(60)을 형성하는 단계; 및 e) 상기 정공전도층(60) 상부로 대전극(70)을 형성하는 단계;를 포함한다.Method for manufacturing a near-infrared sensing element according to the present invention comprises the steps of: a) forming a
도 6의 일 공정도 예에 도시한 바와 같이, 상기 a) 단계는 a1) 절연성 투명기판(80) 상에 형성된 투명전극(10)상부로 반도체 박막(20)을 형성하는 단계 및 a2) 상기 반도체 박막(20) 상부에 반도체 입자(31)를 함유한 슬러리를 도포하여 다공성 반도체층(30)을 형성하는 단계;를 포함하여 수행되는 것이 바람직하다.As shown in the process diagram of FIG. 6, the step a) includes: a1) forming the semiconductor
a) 단계의 상기 다공성 반도체층(30)의 상기 반도체 입자(31)는 금속산화물 또는 금속황화물이며, 바람직하게 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질이며, 더욱 바 람직하게 TiO2, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질이다. 상기 투명전극(10)상부로 반도체 박막(20),상기 다공성 반도체층(30) 및 상기 재결합방지층(50)이 동일한 반도체 물질인 것이 바람직하다.The
a) 단계의 상기 슬러리는 상기 반도체 입자(31), 기공도 제어를 위한 유기결합제(일 예로, ethyl cellulose) 및 액의 혼합에 의해 제조가능하며, 상기 액은 상기 반도체 입자(31)와 화학적으로 반응하지 않고 휘발에 의해 제거 가능하며, 슬러리내 반도체 입자(31)가 균질하게 분포되도록 유동성 및 분산성을 제공하는 액이면 모두 사용 가능하며, 일 예로 물 또는 알코올이 사용될 수 있다. 이때, 상기 슬러리의 반도체 입자(31) 함유량과 유기결합제의 함유량을 적절히 제어하여 상기 다공성 반도체층(50)의 기공도를 제어할 수 있음은 물론이다.The slurry of step a) may be prepared by mixing the
a) 단계에서 상기 슬러리의 도포는 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅 (Spin coating), 바-코팅(Bar coating), 그라비아-코팅(Gravure coating), 블레이드 코팅(Blade coating) 또는 롤-코팅(Roll coating)으로 수행되며, 상기 다공성 반도체층(30)의 두께는 상기 슬러리의 도포를 반복 수행하여 용이하게 제어될 수 있다. The application of the slurry in step a) is carried out by screen printing, spin coating, bar coating, gravure coating, blade coating or roll coating. Roll coating), the thickness of the
a) 단계에서 상기 슬러리를 도포하고, 슬러리 제조를 위해 첨가된 액을 제거한 후, 다공성 반도체층(30)의 물리적 강도를 향상시키고 보다 안정적으로 전자이동 경로를 형성하기 위해, 상기 반도체 입자(31)간 넥(neck)을 형성하는 열처리가 추가로 수행될 수 있으며, 다공성 반도체층(30)을 구성하는 반도체 입자(31)의 크기를 고려하여 수행 여부 및 온도가 적절히 결정되어야 한다.After applying the slurry in step a) and removing the added liquid for slurry production, in order to improve the physical strength of the
b) 단계는 광감응 나노입자(40)가 분산된 분산액(콜로이드형 분산액을 포함함)의 도포 또는 연속적인 화학적 반응법에 의해 수행된다. Step b) is performed by application of a dispersion (including a colloidal dispersion) in which the
상기 광감응 나노입자(40)는 둘 이상의 원소가 이온 결합한 물질이며, 바람직하게, PbS, PbSe, PbTe, Cu2S, HgTe, CoS, CoSe, NiS, MoS, MoSe 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질이다.The
상세하게, b) 단계는 콜로이드 상태의 광감응 나노입자 분산액을 상기 다공성 반도체층(30)에 도포(도 6의 colloid QD)하여 다공성 반도체층(30)의 내부 공극에 광감응 나노입자를 형성한다. 상기 광감응 나노입자 분산액의 도포는 함침, 스핀코팅 또는 분무로 수행된다. 광감응 나노입자 분산액의 반복 도포에 의해 다공성 반도체층(30)에 형성된 광감응 나노입자(40)의 양을 용이하게 제어할 수 있다. Specifically, in step b), the photosensitive nanoparticle dispersion in the colloidal state is applied to the porous semiconductor layer 30 (colloid QD of FIG. 6) to form the photosensitive nanoparticles in the internal pores of the
상세하게, b) 단계는 연속적인 화학적 반응법(도 6의 SILAR; Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, 이하 SILAR)으로 수행된다. 보다 상세하게, 상기 다공성 반도체층(30)에 광감응 나노입자(40)를 구성하는 양이온의 전구체 용액과 광감응 나노입자(40)를 구성하는 음이온의 전구체 용액을 교번 도포하여 광감응 나노입자를 형성한다. 상기 양이온의 전구체 용액 도포 및 음이온의 전구체 용액 도포를 단위공정으로 하여, 상기 단위공정의 반복에 의해 다공성 반도체층(30)에 형성된 광감응 나노입자(40)의 양을 용이하게 제어할 수 있다. In detail, step b) is performed by a continuous chemical reaction method (SILAR of FIG. 6; Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, hereinafter SILAR). More specifically, the photosensitive nanoparticles are applied to the
상기 b) 단계 후, 재결합방지층(50)을 형성하는 c) 단계가 수행된다. After step b), step c) to form the
상술한 바와 같이 c) 단계의 상기 재결합방지층(50)은 상기 다공성 반도체층(30)과 동일한 반도체 물질인 특징이 있으며, 금속산화물 또는 금속황화물이며, 바람직하게 상기 금속산화물 또는 금속황화물은 TiO2, ZnS, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, ZrS2 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질이며, 더욱 바람직하게 상기 재결합방지층(50)은 TiO2, SnO2, WO3, BaTiO3, FeTiO3, Ta2O5, Nb2O5, CdO, YFeO3, 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 금속산화물이다. As described above, the
상기 다공성 반도체층(30)이 금속황화물인 경우, 금속전구체가 용해된 용액 및 황전구체가 용해된 용액을 상기 다공성 반도체층(30)에 순차적으로 도포하거나 금속전구체 및 황전구체를 함유한 용액을 상기 다공성 반도체층(30)에 도포한 후 열처리하여 상기 반도체 입자와 동일한 물질의 금속황화물로 구성된 재결합방지층(50)을 형성하며, 상기 다공성 반도체층(30)이 금속산화물인 경우, 금속전구체가 용해된 용액을 상기 다공성 반도체층(30)에 도포한 후 열처리하여 상기 반도체 입자와 동일한 물질의 금속산화물로 구성된 재결합방지층(50)을 형성한다.When the
c) 단계의 상기 전구체 용액의 도포는 스핀 코팅, 분무 또는 함침에 의해 수행되며, 균질한 도포를 위해 광감응 나노입자(40)가 구비된 다공성 반도체층(30)을 전구체 용액에 함침하여 수행되는 것이 바람직하다.The coating of the precursor solution in step c) is performed by spin coating, spraying, or impregnation, and is performed by impregnating the precursor solution with the
바람직하게, 상기 다공성 반도체층(30)은 금속산화물이며, 금속전구체를 함 유하는 전구체 용액을 상기 다공성 반도체층(30)에 도포한 후 열처리가 수행되어, 상기 반도체 입자(31)와 동일한 물질의 금속산화물이 형성되며, 상기 열처리에 의해 비정질상의 금속산화물, 보어 반지름 이하의 크기를 갖는 금속산화물 나노입자 또는 이들의 혼합물이 형성되는 특징이 있다.Preferably, the
이때, 상기 전구체 용액은 금속전구체의 용액 상태뿐만 아니라, 금속전구체의 졸(sol) 상태를 포함한다. 상기 졸(sol) 상태는 가수분해 및 축중합 반응(hydrolysis and condensation)에 의한 졸 상태를 포함한다. In this case, the precursor solution includes not only the solution state of the metal precursor, but also the sol state of the metal precursor. The sol state includes a sol state by hydrolysis and condensation.
상기 열처리는 산소가 존재하는 분위기에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 열처리의 온도를 제어하여 비정질상 또는 결정상의 금속산화물이 선택적으로 제조가능하다. Preferably, the heat treatment is performed in an atmosphere in which oxygen is present, and an amorphous or crystalline metal oxide may be selectively prepared by controlling the temperature of the heat treatment.
바람직하게, 비정질상의 금속산화물을 제조하는 경우, 상기 금속전구체가 가수분해 및 축중합반응(hydrolysis and condensation)된 상태의 졸 용액을 도포하고, 결정의 핵생성이 어려운 저온 열처리를 수행하여 비정질상의 금속산화물을 제조하는 것이 바람직하다.Preferably, when preparing an amorphous metal oxide, the sol solution in which the metal precursor is hydrolyzed and condensation is applied, and a low-temperature heat treatment that is difficult to nucleate crystals is performed to perform amorphous metal. It is preferable to prepare oxides.
상세하게, 상기 비정질상의 금속산화물을 제조하고자 하는 경우, 열 활성화(thermal activation)에 의해 물질 이동이 가능한 온도 내지 결정의 핵생성이 억제되는 온도 범위에서 열처리가 수행되며, 특징적으로 100 내지 150 ℃의 온도로 열처리가 수행되며, 더욱 특징적으로 100 내지 130℃의 온도로 열처리가 수행된다.In detail, when the amorphous metal oxide is to be prepared, heat treatment is performed at a temperature range in which material transfer is possible through thermal activation to nucleation of crystals is suppressed. Heat treatment is carried out at a temperature, and more particularly heat treatment is carried out at a temperature of 100 to 130 ℃.
바람직하게, 결정상의 금속산화물을 제조하는 경우, 상기 금속전구체가 용해된 전구체 용액을 도포하고, 결정의 핵생성이 발생하는 온도로 열처리를 수행하여 다결정 나노 입자로 구성된 결정상의 금속산화물을 제조하는 것이 바람직하다. 알려진 바와 같이 금속산화물의 핵생성 구동력이 생성된 핵의 성장 구동력보다 크므로, 핵생성이 발생하며 성장이 활발히 일어나지 않는 낮은 온도를 선택하여 열처리가 수행되며, 이를 통해 보어 반경보다 작은 평균 크기를 갖는 다결정 입자들로 재결합방지층(50)을 형성할 수 있다.Preferably, when preparing a crystalline metal oxide, it is preferable to apply a precursor solution in which the metal precursor is dissolved, and to perform a heat treatment at a temperature at which nucleation of the crystal occurs to produce a crystalline metal oxide composed of polycrystalline nanoparticles. desirable. As is known, since the nucleation driving force of the metal oxide is larger than the growth driving force of the generated nucleus, heat treatment is performed by selecting a low temperature at which nucleation occurs and growth does not occur actively, thereby having an average size smaller than the bore radius. The
상세하게, 상기 보어 반지름보다 작은 평균 입자크기를 갖는 다결정상의 금속산화물을 제조하고자 하는 경우, 결정의 핵생성이 발생하는 온도 내지 입자성장이 억제되는 온도 범위에서 열처리가 수행되며, 특징적으로 200 내지 300 ℃의 온도로 열처리가 수행되며, 더욱 특징적으로 230 내지 280℃의 온도로 열처리가 수행된다.Specifically, in the case of preparing a polycrystalline metal oxide having an average particle size smaller than the bore radius, heat treatment is performed at a temperature in which crystal nucleation occurs to a temperature range in which grain growth is suppressed. The heat treatment is carried out at a temperature of ℃, more specifically, the heat treatment is carried out at a temperature of 230 to 280 ℃.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 재결합방지층(50)은 비정질상과 결정질 입자의 혼합상을 포함하며, 150 내지 200℃의 영역에서 이러한 혼합상이 형성될 수 있으며, 이러한 혼합상으로 구성된 재결합방지층(50)의 전도대 최소에너지 레벨이 상기 다공성 반도체층(30)의 전도대 최소 에너지레벨보다 크므로 본 발명의 사상을 벗어나지 않음은 물론이다. As described above, the
상기 정공 전도층(60)은 다공성 반도체층(30)의 열린 기공에 구비된 광감응 나노입자(40)와의 우수한 결합(접촉)을 위해 정공 전도성 유기물인 것이 바람직하며, 상기 정공 전도층(50)은 정공 전도성 유기물이 용해된 유기물 용액을 스핀코팅한 후 건조하여 제조되는 것이 바람직하다.The hole
상기 정공 전도성 유기물은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPV (poly(p-phenylene vinylene)), TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine),POT( poly(octyl thiophene)), PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), CuSCN (Copper(I) thiocyanate), CuI, CuPC(Copper Phthalocyanine) 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된다.The hole conductive organic material is P3HT (poly (3-hexylthiophene)), spiro-OMeTAD (2,2 ', 7,7'-tetrakis- (N, N-di-pmethoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene) , MDMO-PPV (poly [2-methoxy-5- (3 ', 7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2''-ethylhexyloxy ) -p -phenylene vinylene]), P3OT (poly (3-octyl thiophene)), PPV (poly ( p -phenylene vinylene)), TFB (poly (9,9'-dioctylfluorene-co-N- (4-butylphenyl) ) diphenylamine), POT (poly (octyl thiophene)), PEDOT (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)), CuSCN (Copper (I) thiocyanate), CuI, CuPC (Copper Phthalocyanine) and combinations thereof .
상기 대전극(70)은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있으며, 열증착(thermal evaporation)에 의해 제조되는 것이 바람직하다. The
상술한 바와 같이 상기 a) 단계는 a1) 절연성 투명기판 상에 형성된 투명전극(10)상부로 반도체 박막(20)을 형성하는 단계 및 a2) 상기 반도체 박막(20) 상부에 반도체 입자(31)를 함유한 슬러리를 도포하여 다공성 반도체층(30)을 형성하는 단계;를 포함하여 수행되는 것이 바람직하며, 상기 a1) 단계의 반도체 박막(20)은 코팅 또는 물리적/화학적 증착(physical/chemical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있으며, 분무열분해(SPD, Spray Pyrolysis Deposition), 스핀코팅 (Spin coating), 바-코팅(Bar coating), 그라비아-코팅(Gravure coating), 블레이드 코팅(Blade coating), 롤-코팅(Roll coating)으로 수행될 수 있다.As described above, step a) includes a1) forming the semiconductor
특징적으로, 상기 광감응 나노입자(40)는 PbS 양자점이며, 상기 반도체층(30)은 TiO2이며, 상기 재결합방지층(50)은 비정질 TiO2, TiO2 나노입자, 또는 이들의 혼합물이며, 상기 전구체 용액은 Ti-전구체 용액이며, 상기 정공 전도층(60)은 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌이며, 상기 투명전극(10)은 불소 함유 산화주석이며, 상기 대전극(70)은 금이다. In particular, the
특징적으로, 비정질 TiO2 재결합방지층(50)을 제조하고자 하는 경우, 상기 전구체 용액은 가수분해 및 축중합반응(hydrolysis and condensation)된 Ti-전구체를 함유하며, 더욱 특징적으로 상기 Ti-전구체는 물에 의해 가수분해 축중합 반응된 티타늄 알콕사이드이다. 상기 티타늄 알콕사이드는 티타늄 이소-프로폭사이드(titanium(IV) iso-propoxide), 티타늄 에콕사이드(Ti-ethoxide), 티타늄 부토사이드(Ti-butoxide), 또는 이들의 혼합물을 포함한다.In particular, when preparing the amorphous TiO 2
이때, 본 발명에 따른 제조방법은 a) 단계 이후 상기 다공성 반도체층(30)에 친수성 단말기 및 티올기를 갖는 링커(linker)를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 링커를 함유한 용액에 상기 다공성 반도체층(30)을 함침하여 형성한다. 상기 링커의 친수성 단말기는 상기 반도체층(30)의 TiO2와 결합하고, 상기 티올기는 PbS 양자점과 결합하여 상기 광감응 나노입자(40)가 효과적으로 상기 반도체층(30)과 접하여 형성되도록 한다. 상세하게, 상기 링커(linker)는 말단기가 카르복시기 또는 수산화기와 머캅토기가 동시에 존재하는 머캅토프로피오닉산(mercapto propionic acid), 머캅토벤조산(mercapto benzoic acid), 머캅토석신산(mercapto succinic acid), 또는 머캅토알콕시실란(mercaptoalkoxysilane)이다. In this case, the manufacturing method according to the present invention further includes the step of forming a linker having a hydrophilic terminal and a thiol group in the
본 발명에 따른 근적외선 감지 소자는 근적외선을 흡수하여 생성된 광전자-광정공이 효과적으로 분리되고, 재결합에 의한 소멸이 억제되어 높은 감광효율을 가지며, 근적외선의 감광을 위해 외부 전압의 인가가 불필요하며, 매우 큰 비표면적의 감광 영역을 가짐과 동시에 소자의 소형화가 가능한 특징이 있으며, 광감응 나노입자의 순도, 결함, 열등에 의한 잡음을 최소화할 수 있다.The near-infrared sensing element according to the present invention has a high photosensitivity efficiency by effectively separating photoelectron-light holes generated by absorbing near-infrared rays and suppressing annihilation by recombination, and does not require the application of an external voltage for photoreduction of near-infrared rays. In addition to having a large specific surface area photosensitive area, the device can be miniaturized, and noise of photosensitive nanoparticles due to purity, defects, and inferiority can be minimized.
본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 제조방법은 함침, 도포, 저온 열처리, 코팅과 같은 매우 간단한 공정에 의해 제조 가능한 장점이 있으며, 제조 공정이 엄격하지 않으며, 대량생산, 대면적화, 유연성기판 집적이 용이한 장점이 있다. The method for manufacturing a near-infrared sensing element according to the present invention has advantages in that it can be manufactured by a very simple process such as impregnation, coating, low temperature heat treatment, and coating. The manufacturing process is not strict, and mass production, large area, and flexible substrate integration are easy. There is one advantage.
도 5와 유사한 구조를 가지며, 도 2를 기반으로 상술한 본 발명의 사상을 만족하는 감광응 나노입자, 다공성 반도체층, 재결합방지층, 정공전도층으로 PbS 양자점, TiO2 다공성 반도체층, TiO2 재결합방지층, 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌을 선택하여, 구체적인 제조예 및 제조된 감광 소자의 광 특성을 상술한다. A photosensitive nanoparticle, a porous semiconductor layer, a recombination prevention layer, a PbS quantum dot, a TiO 2 porous semiconductor layer, and a TiO 2 recombination having a structure similar to that of FIG. 5 and satisfying the spirit of the present invention described above with reference to FIG. Protective layer, 2,2 ', 7,7'-tetrakis- (N, N-di- p methoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene, the specific manufacturing example and the photosensitive device manufactured The optical characteristic of this is explained in full detail.
(다공성 반도체층)(Porous semiconductor layer)
오믹 접촉을 위한 투명 전극으로 유리 기판에 형성된 불소 함유 산화주석을 사용하였으며, 금을 대전극으로 사용하였다.Fluorine-containing tin oxide formed on a glass substrate was used as a transparent electrode for ohmic contact, and gold was used as a counter electrode.
불소 함유 산화주석((FTO; F-doped SnO2, 이하 FTO)이 코팅된 유리 기판(8 ohms/sq, Pilkington, 이하 FTO 기판)을 25 x 25 mm 크기로 자른 후 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다. A glass substrate (8 ohms / sq, Pilkington, hereinafter FTO substrate) coated with fluorine-containing tin oxide ((FTO; F-doped SnO 2 , hereinafter FTO)) was cut to a size of 25 x 25 mm and then partially etched by etching the end portion. FTO was removed.
부분적으로 에칭된 FTO 기판 위에 에탄올에 용해된 20 mM 디이소프로폭시티타늄비스아세틸아세토네이트(di-isopropoxy titanium bis-acetylacetonate)를 분무 열분해(spray pyrolysis deposition; SPD)하여 약 100 nm 두께의 치밀한 구조의 TiO2 박막(20)을 제조하였다. Sprayed pyrolysis deposition (SPD) of 20 mM diisopropoxy titanium bis-acetylacetonate dissolved in ethanol on a partially etched FTO substrate with a dense structure of about 100 nm thick TiO 2
TiO2박막(20)이 형성된 FTO 기판(10 및 80) 상부에 평균 입자크기 25 nm의 TiO2 분말(데구사, P25)에 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)를 일정 양 첨가하여 페이스트를 제조한 후, 스크린 프린팅법으로 다공성 TiO2층을 제조하였다. 스크린 프린팅의 반복 횟수를 조절하여 약 800nm 두께의 다공성 TiO2층(30)을 제조하였다. 도 7은 스크린 프린팅에 의해 TiO2 박막(20) 상부에 제조된 다공성 TiO2층(30)의 주사전자현미경 사진이다. After the paste was prepared by adding a predetermined amount of ethyl cellulose to TiO 2 powder (Degussa, P25) having an average particle size of 25 nm on the
(광감응 나노입자)(Photosensitive Nanoparticles)
다공성 TiO2층(30)에 근적외선 감응 입자인 PbS 양자점(40)을 형성시키기 위해, PbS 양자점 콜로이드 또는 Pb 전구체와 S 전구체를 이용한 연속적인 화학적 반응법(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, 이하 SILAR)을 이용하였다. In order to form
Pb 전구체와 S 전구체를 이용한 SILAR 방법을 이용한 경우, Pb와 S 전구체로 메탄올에 용해된 20 mM Pb(NO3)2와 20 mM Na2S를 사용하였으며, 다공성 TiO2층을 20 mM Pb(NO3)2와 20 mM Na2S 용액에 1분간 교대로 담그고 메탄올로 세척하는 단계를 단위공정으로 하여, 상기 단위공정을 3번 반복하여 다공성 TiO2층(30) 내에 PbS 양자점(40)을 형성하였다. When using SILAR method using a Pb precursor and S precursor, Pb and the 20 mM dissolved in methanol to a S precursor Pb (NO 3) was used as the 2 and 20 mM Na 2 S, the porous TiO 2 layer 20 mM Pb (NO 3 ) Repeating the unit process three times to form a
PbS 양자점 콜로이드(이하, PbS CQD)를 이용한 경우, PbO(4 mmol)과 올레익 산(oleic acid)을 페닐 에테르(phenyl ether)에 혼합하여 150 ℃에서 반응하여 제조한 Pb-올레이트(Pb-oleate)와 트리옥틸포스핀(TOP; Trioctylphosphine, 이하 TOP)에 S 분말을 첨가하여 반응시킨 TOP-S를 혼합하여 미리 고온으로 유지된 페닐 에테르 용액에 빠르게 주입하는 고온 주입법으로 열분해하여 얻은 PbS를 분리하는 방법으로 PbS 양자점을 제조하였으며, 헥산에 안정하게 분산되어 있는 PbS 양자점 콜로이드(CQD, 0.3g/50mL)를 사용하였다. 이때, PbS 양자점의 평균 크기는 약 3 nm이었다. 상술한 고온 주입법으로 제조된 PbS 양자점 콜로이드에 다공성 TiO2층을 딥코팅(deep coating)하여 다공성 TiO2층에 감광응 나노 입자를 형성 하였다.In the case of using PbS quantum dot colloid (hereinafter, PbS CQD), PbO (4 mmol) and oleic acid were mixed with phenyl ether and reacted at 150 ° C. to produce Pb-oleate (Pb- PbS obtained by pyrolysis by high temperature injection method in which oleate) and trioctylphosphine (TOP) are added to S-powder and reacted with TOP powder, which is then rapidly injected into phenyl ether solution maintained at high temperature. PbS quantum dot was prepared by the method, and PbS quantum dot colloid (CQD, 0.3g / 50mL) stably dispersed in hexane was used. At this time, the average size of the PbS quantum dots was about 3 nm. A porous TiO 2 layer to the PbS QDs colloid prepared by the above-described high temperature implantation method to form a photosensitive Yes nanoparticles on a porous TiO 2 layer by dip coating (coating deep).
(재결합방지층)(Recombination Prevention Layer)
PbS 양자점 콜로이드 또는 SILAR 방법으로 다공성 TiO2층(30)에 PbS 광감응 입자(40)를 형성한 후, 결정질 또는 비정질의 TiO2 재결합방지층(50)을 형성하였다.After forming PbS
결정질 재결합방지층(50)을 제조하기 위해, PbS 광감응 입자(40)가 형성된 다공성 TiO2층(30)을 30 mM TiCl4 수용액에 30분 동안 침적하고, 공기 분위기에서 250℃, 30 분 동안 열처리를 수행하여 결정질의 TiO2 재결합방지층(50)을 형성하였다. In order to prepare the crystalline
비정질의 재결합방지층(50)을 제조하기 위해, 티타늄(IV) 이소-프로폭사이드(titanium(IV) iso-propoxide) 용액에 소량의 물을 첨가하여 가수분해 축합반응(hydrolysis condensation)된 졸 상태의 TiOx를 전구체 용액으로 사용하였으며, 100mM의 가수분해 축합반응된 티타늄(IV) 이소-프로폭사이드용액에 PbS 광감응 입자(40)가 형성된 다공성 TiO2층(30)을 1 분간 침적 한 후 110 oC에서 1분간 열처리하여 비정질의 TiO2 재결합방지층(50)을 형성하였다. In order to prepare an
(정공 전도층)(Hole conducting layer)
재결합방지층(50)을 형성한 후, 정공 전도성 유기물(HTM; Hole Transport Materials)이 용해된 용액을 도포하여 정공 전도층(60)을 제조하였다.After the
정공 전도성 유기물로 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌(spiro-OMeTAD; 2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-pmethoxyphenyl-amine)-9,9'-spirofluorene, 이하, spiro-OMeTAD)을 사용하였다. Spiro-OMeTAD가 클로로벤젠(chlorobenzene)에 180 mg/mL로 용해된 용액을 1500-2500 rpm에서 30 초 유지하는 방법으로 스핀코팅하여, PbS 광감응 나노입자(40) 및 재결합 방지층(50)이 형성된 다공성 TiO2층 내부 기공을 정공 전도성 유기물로 채우고, 다공성 TiO2층 상부가 정공 전도성 유기물로 덮이도록 하였다. 2,2 ', 7,7'-tetrakis- (N, N-di- p methoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene (spiro-OMeTAD; 2,2', the 7,7'-tetrakis- (N, N- di- p methoxyphenyl-amine) -9,9'-spirofluorene, below, spiro-OMeTAD) was used. Spiro-OMeTAD was spin-coated in a solution of 180 mg / mL in chlorobenzene at 1500-2500 rpm for 30 seconds to form a PbS
(대전극)(Electrode)
정공 전도층(60)을 형성한 후, 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 정공 전도층(60) 상부로 Au를 진공증착하여 두께가 약 70 nm의 Au 대전극을 제조하였다. After forming the
제조된 근적외선 감광소자의 광특성을 측정하고자, 116mW, 980 nm 레이저를 조사하였으며, 멀티미터(Kethley model 2001)를 이용하여 레이저 조사에 의한 광전류를 측정하였다. 과도 응답(Transient response) 측정을 위해, 980nm 레이저 다이오드(laser diode)를 사용하였으며, 레이저 파워 드라이버(laser power driver), 주파수 모듈레이터(frequency modulator)와 펑션 제너레이터(general function generator), 저잡음 적외선 포토다이오드(low noise IR photodiode)가 사용되었다. 오실로스코프(Oscilloscope)로부터 레이저 파워 컨트롤(laser power control), 주파수 컨트롤(frequency control)등에 대한 입력 시그널(input signal)에 대한 제조된 감광소자의 출력 시그널(output signal)을 측정하였으며, 광전류의 딜레이 타임(delay time)을 측정하였다. In order to measure the optical characteristics of the manufactured near-infrared photosensitive device, 116mW, 980 nm laser was irradiated, and the photocurrent by laser irradiation was measured using a multimeter (Kethley model 2001). For transient response measurements, a 980nm laser diode was used, a laser power driver, a frequency modulator and function generator, and a low noise infrared photodiode. low noise IR photodiode was used. The output signal of the manufactured photosensitive device was measured from an oscilloscope to an input signal for laser power control, frequency control, and the like. delay time) was measured.
이하, 제조된 근적외선 감광소자는 PbS 양자점의 형성 방법(SILAR 방법 또는 PbS CQD) 및 재결합방지층의 결정성(결정질 또는 비정질)에 따라, 소자/광감성 나노입자 제조방법/재결합방지층의 결정특성으로 지칭된다. 일 예로, SILAR 방법 및 결정질 TiO2 재결합방지층인 경우, "소자/SILAR/결정"으로 지칭되며, 양자점 콜로이드 및 비정질 TiO2 재결합방지층인 경우, "소자CQD/비정질"로 지칭된다.Hereinafter, the manufactured near-infrared photosensitive device is referred to as the crystal properties of the device / photosensitive nanoparticles manufacturing method / anti-recombination layer, depending on the method of forming PbS quantum dots (SILAR method or PbS CQD) and the crystallinity (crystalline or amorphous) of the recombination prevention layer. do. For example, in the SILAR method and the crystalline TiO 2 anti-recombination layer, it is referred to as “device / SILAR / crystal”, and in the case of quantum dot colloid and amorphous TiO 2 anti-recombination layer, it is referred to as “device CQD / amorphous”.
비교예로 재결합방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고 본 발명에 따른 상기 제조예와 동일한 방법으로 근적외선 감광소자를 제조하였으며, 이때, 비교예에서는 SILAR 방법으로 PbS 양자점을 형성하였다. 재결합방지층이 존재하지 않는 비교예의 감광소자는 "소자/SILAR"로 지칭된다. A near-infrared photosensitive device was manufactured in the same manner as in Preparation Example according to the present invention except that the recombination preventing layer was not formed as a comparative example. In this case, PbS quantum dots were formed by the SILAR method. A photosensitive device of Comparative Example in which no recombination preventing layer is present is referred to as "device / SILAR".
본 발명에 따른 소자/SILAR/결정질, 소자/CQD/비정질, 비교예인 소자/SILAR 각각의 감광특성 및 과도 응답특성을 하기의 표 1로 정리하였다.The photosensitive characteristics and transient response characteristics of each device / SILAR / crystalline, device / CQD / amorphous, and comparative device / SILAR according to the present invention are summarized in Table 1 below.
(표1)(Table 1)
과도 응답은 재결합방지층을 도입하지 않은 소자/SILAR의 경우 100~200 ms로 가장 느리게 나타났으며, 재결합방지층을 도입한 경우 소자/SILAR/결정질인 경우 1.5 ms, 소자/CQD/비정질인 경우 50 ms 로 개선됨을 알 수 있다.The transient response was the slowest at 100-200 ms for devices / SILAR without recombination layer, 1.5 ms for device / SILAR / crystalline and 50 ms for device / CQD / amorphous It can be seen that improved.
또한 감광응 나노입자에서 생성되는 광전류 및 광정공의 재결합이 효과적으로 억제되어 광전류가 증가됨을 알 수 있다. 이때, 감광소자의 활용 목적에 따라, 과도 응답특성이 보다 중요한 분야에서는 결정질의 재결합방지층이, 민감도가 보다 중요한 분야에서는 비정질의 재결합방지층이 사용되는 것이 바람직함을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the recombination of the photocurrent and the light holes generated in the photosensitive nanoparticles is effectively suppressed, thereby increasing the photocurrent. In this case, it can be seen that it is preferable that a crystalline recombination prevention layer is used in a field where transient response characteristics are more important and an amorphous recombination prevention layer is used in a field where sensitivity is more important, depending on the purpose of utilizing the photosensitive device.
소자/CQD/비정질의 감광응소자에서, 친수성기인 카르보닐기와 티올기를 단말기로 갖는 3-메르캅토프로피오닉산을 링커(linker)로 하여 상기 다공성 반도체층(30)에 PbS 양자점을 형성하였다. 상세하게, 다공성 TiO2층을 25% 3-머캅토프로피오닉산 용액에 2 시간 침적한 후 알코올로 세척하여 다공성 TiO2층 표면에 링커를 부착하고, 이후, 상기 제조예와 동일한 방법으로 PbS 양자점 콜로이드를 이용하여 PbS 양자점을 형성하고, 가수분해 축합반응된 티타늄(IV) 이소-프로폭사이드용액을 이용하여 비정질의 재결합방지층을 형성하였다. 링커가 도입된 소자는 소자/(L)CQD/비정질로 지칭되며, 감광특성 및 과도 응답특성을 하기의 표 2로 정리하였다.In the device / CQD / amorphous photosensitive device, PbS quantum dots were formed on the
(표 2)(Table 2)
도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 각각 소자/SILAR/결정질, 소자/CQD/비정질, 소자/(L)CQD/비정질 및 비교예인 소자/SILAR의 과도 응답 특성 측정 결과를 도시한 도면이다.8, 9, 10, and 11 are diagrams showing the results of measuring transient response characteristics of device / SILAR / crystalline, device / CQD / amorphous, device / (L) CQD / amorphous, and device / SILAR as a comparative example, respectively. .
이상과 같이 본 발명에서는 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. In the present invention as described above has been described by the embodiments and the limited embodiments and drawings, which is provided only to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments, the present invention belongs to Many modifications and variations are possible in the art to those skilled in the art.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims as well as the claims to be described later will belong to the scope of the present invention. .
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 단면도를 도시한 일 구성도이며,1 is a configuration diagram showing a cross-sectional view of a near infrared ray sensing element according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 감지 소자의 반도체 입자, 광감응 나노입자 , 재결합방지층 및 정공 전도층의 진공 상 전자의 에너지를 기준(0)으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램(energy diagram)이며FIG. 2 is an energy band diagram of energy of vacuum phase electrons of semiconductor particles, photosensitive nanoparticles, recombination prevention layer, and hole conduction layer of a near infrared ray sensing device according to the present invention as reference (0).
도 3은 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 다른 일 예를 도시한 단면도이며,3 is a cross-sectional view showing another example of an infrared sensing element according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 또 다른 일 예를 도시한 단면도이며,4 is a cross-sectional view showing another example of an infrared sensing element according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 또 다른 일 예를 도시한 단면도이며,5 is a cross-sectional view showing another example of an infrared sensing element according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 적외선 감지 소자의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,6 is a process diagram illustrating a method of manufacturing an infrared sensing element according to the present invention,
도 7은 스크린 프린팅에 의해 TiO2 박막 상부에 제조된 다공성 TiO2층의 주사전자현미경 사진이며,7 is a scanning electron micrograph of the porous TiO 2 layer prepared on the TiO 2 thin film by screen printing,
도 8은 소자/SILAR/결정질의 과도 응답 특성 결과를 도시한 도면이며, 8 is a diagram showing the results of transient response characteristics of the device / SILAR / crystalline,
도 9는 소자/CQD/비정질의 과도 응답 특성 결과를 도시한 도면이며, 9 is a diagram showing the results of transient response characteristics of the device / CQD / amorphous,
도 10은 소자/(L)CQD/비정질의 과도 응답 특성 결과를 도시한 도면이며, FIG. 10 shows the results of transient response characteristics of device / (L) CQD / amorphous.
도 11은 비교예인 소자/SILAR의 과도 응답 특성 결과를 도시한 도면이다.11 is a diagram showing the results of transient response characteristics of the device / SILAR as a comparative example.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 투명 전극 20 : 반도체 박막10
31 : 반도체 입자 30 : 반도체층31
40 : 광감응 나노입자 50 : 재결합방지층40: photosensitive nanoparticles 50: recombination prevention layer
51 : 반도체 나노입자 60 : 정공 전도층51: semiconductor nanoparticle 60: hole conductive layer
70 : 대전극 80 : 투명 기판70
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