KR20160009953A - 유기 광전 소자 및 이미지 센서 - Google Patents

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KR20160009953A
KR20160009953A KR1020140090542A KR20140090542A KR20160009953A KR 20160009953 A KR20160009953 A KR 20160009953A KR 1020140090542 A KR1020140090542 A KR 1020140090542A KR 20140090542 A KR20140090542 A KR 20140090542A KR 20160009953 A KR20160009953 A KR 20160009953A
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Abstract

서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 적어도 일부 파장의 광을 흡수하는 활성층을 포함하고, 상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가지는 유기 광전 소자 및 이미지 센서에 관한 것이다.

Description

유기 광전 소자 및 이미지 센서{ORGANIC PHOTOELECTRONIC DEVICE AND IMAGE SENSOR}
유기 광전 소자 및 이미지 센서에 관한 것이다.
광전 소자는 빛과 전기 신호를 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서, 태양 전지 등에 적용될 수 있다.
광 다이오드를 포함하는 이미지 센서는 날이 갈수록 해상도가 높아지고 있으며, 이에 따라 화소 크기가 작아지고 있다. 현재 주로 사용하는 실리콘 광 다이오드의 경우 화소의 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 유기 물질이 연구되고 있다.
유기 물질은 흡광 계수가 크고 분자 구조에 따라 특정 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있으므로, 광 다이오드와 색 필터를 동시에 대체할 수 있어서 감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
일 구현예는 유기 물질을 포함하는 활성층의 광 흡수도를 높여 효율을 개선할 수 있는 유기 광전 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 적어도 일부 파장의 광을 흡수하는 활성층을 포함하고, 상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가지는 유기 광전 소자를 제공한다.
상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 구멍(hole)을 가지거나 규칙적으로 배열되어 있는 요철을 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 활성층과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가질 수 있고, 상기 요철은 상기 제2 면에 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 활성층에서 흡수하는 파장 영역의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사할 수 있다.
상기 제1 전극은 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사할 수 있다.
상기 청색 파장 영역은 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > D
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
D는 나노 패턴의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격이다.
다른 구현예에 따르면, 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광전 소자와 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광전 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제3 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전 소자를 포함하고, 상기 유기 광전 소자는 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 활성층을 포함하고, 상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 구멍(hole)을 가지거나 규칙적으로 배열되어 있는 요철을 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 활성층과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가질 수 있고, 상기 요철은 상기 제2 면에 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제3 파장 영역의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사할 수 있다.
상기 제1 전극은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > D
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 제3 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
D는 나노 패턴의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격이다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 유기 광전 소자 사이에 위치하고 상기 제1 전극과 접해있는 절연층을 더 포함할 수 있고, 상기 절연층의 굴절률은 상기 제1 전극의 굴절률보다 작을 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 절연층은 약 0.05 이상의 굴절률 차이를 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 상기 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 색 필터와 상기 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 색 필터를 포함하는 색 필터 층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 파장 영역은 청색 파장 영역이고 상기 제2 파장 영역은 적색 파장 영역이고 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
활성층의 두께를 증가시키지 않으면서도 활성층의 광 흡수도를 높임으로써 유기 광전 소자의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 2의 (A)는 일 구현예에 따른 유기 광전 소자에서 제1 전극의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 2의 (B)는 도 2의 (A)의 II-II 선을 따라 자른 단면도이고,
도 3의 (A)는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자에서 제1 전극의 일 예를 보여주는 평면도이고,
도 3의 (B)는 도 3의 (A)의 III-III 선을 따라 자른 단면도이고,
도 4는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 6은 일 예에 따른 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 7은 다른 예에 따른 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 8은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 9는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 10은 일 예에 따른 도 9의 'B' 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 11은 다른 예에 따른 도 9의 'B' 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 12는 구멍의 직경 및 인접한 구멍 사이의 간격에 따른 활성층의 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역의 광 흡수도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 13은 인접한 구멍 사이의 간격을 400nm로 고정하고 구멍의 직경을 각각 150nm, 200nm, 250nm 및 300nm로 바꾸면서 파장에 따른 광 흡수도의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 광전 소자(100)는 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30)을 포함한다.
활성층(30)은 가시광선 영역의 적어도 일부 파장의 광을 흡수하는 층으로 예컨대 적색 파장 영역, 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 적어도 하나의 광을 흡수하는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로 활성층(30)은 적색 파장 영역, 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 유기 물질을 포함할 수 있다. 활성층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체가 포함되어 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있고, 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나가 불투광 전극인 경우 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
일 예로, 제1 전극(20)은 투광 전극일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투광 전극일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투광 전극일 수 있고 제2 전극(20)은 광이 입사되는 입사 전극일 수 있다.
제1 전극(10)은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가질 수 있다. 상기 나노 패턴은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가지는 구멍(hole), 오목부, 돌출부, 요철 또는 이들의 조합일 수 있으며, 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.
제1 전극(10)은 활성층(30)과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가질 수 있다. 상기 나노 패턴이 구멍(hole)인 경우, 상기 구멍은 상기 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 나노 패턴이 요철 또는 이들의 조합인 경우, 상기 요철은 상기 제2 면에 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 패턴은 소정 간격 및 소정 크기로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 따라서 선택적으로 반사된 광은 활성층(30)에서 다시 흡수되어 활성층(30)의 흡광량을 높일 수 있다.
상기 선택적으로 반사되는 광은 예컨대 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나일 수 있으며, 여기서 청색 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 예컨대 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
이하 도 2를 참고하여 제1 전극(10)의 일 예를 설명한다.
도 2의 (A)는 일 구현예에 따른 유기 광전 소자에서 제1 전극의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 2의 (B)는 도 2의 (A)의 II-II 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2의 (A) 및 (B)를 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 구멍(hole)(11)을 가진다. 각 구멍(11)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 구멍(11)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가지고 규칙적으로 배열될 수 있다.
구멍(11)은 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 여기서 반사하고자 하는 파장 영역은 활성층(30)에서 주로 흡수하는 파장 영역과 동일한 파장 영역일 수 있으며, 예컨대 활성층(30)이 청색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 청색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고, 활성층(30)이 적색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 적색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고, 활성층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 구멍(11)의 크기(d) 및 인접한 구멍(11) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 구멍의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 구멍 사이의 간격이다.
이하 도 3을 참고하여 제1 전극(10)의 다른 예를 설명한다.
도 3의 (A)는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자에서 제1 전극의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 3의 (B)는 도 3의 (A)의 III-III 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3의 (A) 및 (B)를 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면에 형성된 복수의 요철(12)을 가진다. 각 요철(12)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 요철(12)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가지고 규칙적으로 배열될 수 있다.
요철(12)은 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 여기서 반사하고자 하는 파장 영역은 활성층(30)에서 주로 흡수하는 파장 영역과 동일한 파장 영역일 수 있으며, 예컨대 활성층(30)이 청색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 청색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고, 활성층(30)이 적색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 적색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고, 활성층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 요철(12)의 크기(d) 및 인접한 요철(12) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 요철의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 요철 사이의 간격이다.
상기와 같이 유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10)에 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가짐으로써 활성층(30)으로 특정 파장의 광을 반사시킬 수 있고 이에 따라 활성층(30)의 광 흡수도를 높일 수 있다. 따라서 활성층(30)의 두께를 증가시키지 않으면서도 광 흡수도를 높일 수 있고 이에 따라 활성층(30)의 두께 증가에 따른 광변환 효율의 저하를 방지하면서도 광 흡수도를 높여 궁극적으로 유기 광전 소자의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하 도 4를 참고하여 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 설명한다.
도 4는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자(200)는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30)을 포함한다.
제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 활성층(30)은 전술한 바와 같다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 광전 소자(200)는 전술한 구현예와 달리 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 전하 보조층(40, 50)을 더 포함한다. 전하 보조층(40, 50) 중 어느 하나는 생략될 수 있다.
전하 보조층(40, 50)은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL) 및 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layerm HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전하 보조층(40, 50)은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기 화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4′,4″-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전자 차단층(EBL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4′,4″-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송층(ETL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(HBL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 상기 유기 광전 소자를 적용한 이미지 센서를 설명한다.
도 5는 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 이미지 센서는 인접한 제1 화소, 제2 화소 및 제3 화소를 포함한다. 제1 화소, 제2 화소 및 제3 화소는 예컨대 약 400 내지 700nm의 가시광선 영역 내에서 주로 흡수하는 파장 영역이 다르며, 예컨대 제1 화소는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 화소일 수 있고 제2 화소는 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 화소일 수 있고 제3 화소는 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 녹색 화소일 수 있다.
상기 청색 파장 영역은 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다.
청색 화소, 적색 화소 및 녹색 화소는 하나의 군(group)을 이루어 행 및/또는 열을 따라 반복될 수 있다. 그러나 화소의 배치는 다양하게 변형될 수 있다.
도 5를 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광전 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광전 소자(50R)가 집적되어 있는 반도체 기판(310), 그리고 반도체 기판(310)의 일면에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(310)은 실리콘 기판일 수 있으며, 청색 광전 소자(50B), 적색 광전 소자(50R), 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광전 소자(50B) 및 적색 광전 소자(50R)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다. 전하 저장소(55)는 유기 광전 소자(100)와 전기적으로 연결될 수 있다.
청색 광전 소자(50B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 적색 광전 소자(50R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 전하 저장소(50G) 및 전송 트랜지스터는 녹색 화소마다 집적되어 있을 수 있다.
반도체 기판(310) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R) 및 전하 저장소(55)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60)은 각 화소의 광전 소자(50B, 50R) 및 전하 저장소(55)를 각각 드러내는 트렌치(도시하지 않음)를 가질 수 있다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소의 색 필터(70B)와 적색 화소의 색 필터(70R)를 포함한다. 청색 화소의 색 필터(70B)는 청색 파장 영역의 광을 흡수하여 청색 광전 소자(50B)로 전달하고 적색 화소의 색 필터(70R)는 적색 파장 영역의 광을 흡수하여 적색 광전 소자(50R)로 전달한다. 녹색 화소는 색 필터를 포함하지 않는다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 녹색 화소의 전하 저장소(55)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 유기 광전 소자(100)가 형성되어 있다.
유기 광전 소자(100)는 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30)을 포함한다.
활성층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역이 아닌 파장 영역, 즉 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
활성층(30)은 가시광선 영역의 광을 흡수하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있고, 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다. 활성층(30)은 녹색 화소의 색 필터를 대체할 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 각각 예컨대 약 2.0 내지 2.5eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 예컨대 약 0.2 내지 0.7eV의 LUMO 차이를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 시아노비닐기를 가지는 티오펜 유도체(cyanovinyl group containing thiophene derivative), 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(30)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 활성층(30)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
진성층(I층)은 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체가 약 1:100 내지 약 100:1의 두께 비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 두께 비로 포함될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다.
p형 층은 상기 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체를 포함할 수 있다.
활성층(30)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 빛을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(120) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 단일 층 또는 복수 층의 금속 박막일 수 있다.
제1 전극(10)은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가질 수 있다. 상기 나노 패턴은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가지는 구멍(hole), 오목부, 돌출부, 요철 또는 이들의 조합일 수 있으며, 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.
제1 전극(10)은 활성층(30)과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가질 수 있다. 상기 제2 면은 상부 절연층(80)과 접해있을 수 있다. 상기 나노 패턴이 구멍(hole)인 경우, 상기 구멍은 상기 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 나노 패턴이 요철인 경우, 상기 요철은 상기 제2 면에 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 패턴은 소정 간격 및 소정 크기로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 따라서 선택적으로 반사된 광은 활성층(30)에서 다시 흡수되어 활성층(30)의 흡광량을 높일 수 있다.
상기 선택적으로 반사되는 광은 예컨대 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나일 수 있으며, 여기서 청색 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 예컨대 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
도 6은 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 6을 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 구멍(11)을 가진다. 각 구멍(11)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 구멍(11)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가질 수 있다.
구멍(11)은 전술한 바와 같이 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 여기서 반사하고자 하는 파장 영역은 활성층(30)에서 주로 흡수하는 파장 영역과 동일한 파장 영역일 수 있으며, 활성층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 구멍(11)의 크기(d) 및 인접한 구멍(11) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 구멍의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 구멍 사이의 간격이다.
한편, 제1 전극(10)과 접해있는 상부 절연층(80)은 제1 전극(10)의 굴절률보다 작을 수 있으며, 이 경우 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율을 실질적으로 감소시키지 않으면서 녹색 파장 영역의 광을 더욱 효과적으로 반사시킬 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 상부 절연층(80)은 약 0.05 이상의 굴절률 차이를 가질 수 있으며, 상기 범위의 굴절률 차이를 가짐으로써 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율의 감소율을 약 2% 이하로 낮추는 동시에 녹색 파장 영역의 광을 효과적으로 반사시켜 활성층(30)의 녹색 파장 영역의 광의 흡수율을 약 10% 이상 높일 수 있다.
도 7은 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 7을 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면에 형성된 복수의 요철(12)을 가진다. 요철(12)은 활성층(30)과 접하지 않는 면, 즉 상부 절연층(80)과 접해있는 면에 형성될 수 있다. 각 요철(12)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 요철(12)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가질 수 있다.
요철(12)은 전술한 바와 같이 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 여기서 반사하고자 하는 파장 영역은 활성층(30)에서 주로 흡수하는 파장 영역과 동일한 파장 영역일 수 있으며, 활성층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 요철(12)의 크기(d) 및 인접한 요철(12) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 요철의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 요철 사이의 간격이다.
한편, 제1 전극(10)과 접해있는 상부 절연층(80)은 제1 전극(10)의 굴절률보다 작을 수 있으며, 이 경우 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율을 실질적으로 감소시키지 않으면서 녹색 파장 영역의 광을 더욱 효과적으로 반사시킬 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 상부 절연층(80)은 약 0.05 이상의 굴절률 차이를 가질 수 있으며, 상기 범위의 굴절률 차이를 가짐으로써 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율의 감소율을 약 2% 이하로 낮추는 동시에 녹색 파장 영역의 광을 효과적으로 반사시켜 활성층(30)의 녹색 파장 영역의 광의 흡수율을 약 10% 이상 높일 수 있다.
상기와 같이 유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10)에 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가짐으로써 활성층(30)으로 특정 파장의 광을 반사시킬 수 있고 이에 따라 활성층(30)의 광 흡수도를 높일 수 있다. 따라서 활성층(30)의 두께를 증가시키지 않으면서도 광 흡수도를 높일 수 있고 이에 따라 활성층(30)의 두께 증가에 따른 광변환 효율의 저하를 방지하면서도 광 흡수도를 높여 궁극적으로 효율을 증가시킬 수 있다.
유기 광전 소자(100)는 제2 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 활성층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(55)에 모아질 수 있다. 녹색 파장 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 빛은 제1 전극(10) 및 색 필터(70B, 70G)를 통과하여 청색 광전 소자(50B) 또는 적색 광전 소자(50R)에 의해 센싱될 수 있다.
활성층(30)은 이미지 센서(300)의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서(300)의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
유기 광전 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 예만 설명하였지만 이에 한정되지 않고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하거나 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수도 있다.
도 8은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예와 마찬가지로, 청색 광전 소자(50B), 적색 광전 소자(50R), 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(310), 하부 절연층(60), 색 필터층(70), 상부 절연층(80) 및 유기 광전 소자(100)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예와 달리, 유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 전하 보조층(40, 50)을 더 포함한다. 전하 보조층(40, 50) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 전하 보조층(40, 50)은 전술한 바와 같다.
도 9는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 9를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 제1 전극(10), 활성층(30) 및 제2 전극(20)을 포함하는 유기 광전 소자(100), 유기 광전 소자(100)의 일면에 위치하는 절연층(80), 절연층(80)의 일면에 위치하는 색 필터 층(70) 및 색 필터 층(70)의 일면에 위치하는 평탄화 층(60)을 포함한다.
활성층(30)은 약 400nm 내지 700nm의 가시광선 전 영역의 광을 흡수하는 유기 물질을 포함할 수 있다. 활성층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 가시광선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
활성층(30)은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)은 투광 전극일 수 있고 제2 전극(20)은 불투광 전극일 수 있다. 제1 전극(10)은 광이 입사되는 입사 전극일 수 있다. 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)와 같은 투명 도전체, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있고, 상기 불투광 전극은 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투광 도전체로 만들어질 수 있다.
제1 전극(10)은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가질 수 있다. 상기 나노 패턴은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가지는 구멍(hole), 오목부, 돌출부, 요철 또는 이들의 조합일 수 있으며, 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.
제1 전극(10)은 활성층(30)과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가질 수 있다. 상기 제2 면은 절연층(80)과 접해있을 수 있다. 상기 나노 패턴이 구멍(hole)인 경우, 상기 구멍은 상기 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 나노 패턴이 요철 또는 이들의 조합인 경우, 상기 요철은 상기 제2 면에 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 패턴은 소정 간격 및 소정 크기로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다. 따라서 선택적으로 반사된 광은 활성층(30)에서 다시 흡수되어 활성층(30)의 흡광량을 높일 수 있다.
상기 선택적으로 반사되는 광은 예컨대 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나일 수 있으며, 여기서 청색 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 예컨대 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
상기 선택적으로 반사되는 광은 색 필터 층(70)의 색 필터에서 흡수하는 파장 영역과 동일할 수 있으며, 예컨대 적색 화소의 적색 필터(70R)의 하부에 위치한 제1 전극(10)은 적색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고 청색 화소의 청색 필터(70B)의 하부에 위치한 제1 전극(10)은 청색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있고 녹색 화소의 녹색 필터(70G)의 하부에 위치한 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사할 수 있다.
제2 전극(20)에서 반사된 광 중 제1 전극(10)의 나노 패턴에 의해 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 반사시킴으로써 활성층(30)의 광 흡수도를 높일 수 있다.
도 10은 도 9의 'B' 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 10을 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 구멍(11)을 가진다. 각 구멍(11)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 구멍(11)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가질 수 있다.
구멍(11)은 전술한 바와 같이 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 구멍(11)의 크기(d) 및 인접한 구멍(11) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 구멍의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 구멍 사이의 간격이다.
한편, 제1 전극(10)과 접해있는 절연층(80)은 제1 전극(10)의 굴절률보다 작을 수 있으며, 이 경우 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율을 실질적으로 감소시키지 않으면서 녹색 파장 영역의 광을 더욱 효과적으로 반사시킬 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 절연층(80)은 약 0.05 이상의 굴절률 차이를 가질 수 있으며, 상기 범위의 굴절률 차이를 가짐으로써 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율의 감소율을 약 2% 이하로 낮추는 동시에 녹색 파장 영역의 광을 효과적으로 반사시켜 활성층(30)의 녹색 파장 영역의 광의 흡수율을 약 10% 이상 높일 수 있다.
도 11은 도 9의 'B' 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 11을 참고하면, 제1 전극(10)은 제1 전극(10)의 일면에 형성된 복수의 요철(12)을 가진다. 요철(12)은 활성층(30)과 접하지 않는 면, 즉 절연층(80)과 접해있는 면에 형성될 수 있다. 각 요철(12)은 일정한 크기를 가지며 원, 사각형, 육각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 요철(12)은 행, 열 및/또는 대각 방향으로 일정한 간격을 가질 수 있다.
요철(12)은 전술한 바와 같이 소정 간격(P) 및 소정 크기(d)로 규칙적으로 배열됨으로써 입사 광 중 특정 파장 영역의 광을 활성층(30)으로 선택적으로 반사할 수 있으며 나머지 파장 영역의 광을 투과할 수 있다.
상기 반사하고자 하는 파장 영역은 요철(12)의 크기(d) 및 인접한 요철(12) 사이의 간격(P)에 따라 조절될 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족할 수 있다.
[관계식 1]
λmax > d
[관계식 2]
λmax > P
상기 관계식 1 및 2에서,
λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
d는 나노 패턴, 즉 요철의 직경이고,
P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격, 즉 인접한 요철 사이의 간격이다.
한편, 제1 전극(10)과 접해있는 절연층(80)은 제1 전극(10)의 굴절률보다 작을 수 있으며, 이 경우 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율을 실질적으로 감소시키지 않으면서 녹색 파장 영역의 광을 더욱 효과적으로 반사시킬 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 절연층(80)은 약 0.05 이상의 굴절률 차이를 가질 수 있으며, 상기 범위의 굴절률 차이를 가짐으로써 제1 전극(10)을 투과하는 광의 투과율의 감소율을 약 2% 이하로 낮추는 동시에 녹색 파장 영역의 광을 효과적으로 반사시켜 활성층(30)의 녹색 파장 영역의 광의 흡수율을 약 10% 이상 높일 수 있다.
활성층(30)은 이미지 센서(300)의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서(300)의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
유기 광전 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라, 생체인식 센서 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
광 흡수도 평가
나노 패턴을 가지는 투광 전극을 적용한 유기 광전 소자의 광 흡수도의 개선 정도를 확인하기 위하여 광학 시뮬레이션을 사용하여 평가한다.
광학 시뮬레이션은 Lumerical FDTD solution 프로그램을 사용한다. Lumerical FDTD solution 프로그램은 나노 패턴과 전자기장의 상호 작용을 비교적 정확히 예측할 수 있는 방법으로 나노 패턴에 따른 활성층의 광 흡수도 및 광 흡수 파장의 변화를 보여준다.
상기 유기 광전 소자는 약 1.45의 굴절률을 가지는 산화규소(SiO2), 약 1.9의 굴절률을 가지는 한 쌍의 인듐 틴 옥사이드(ITO) 층, 그리고 하기 화학식 A로 표현되는 화합물(p형 반도체)과 플러렌(C60, n형 반도체)을 포함하는 활성층을 가정하고, 상기 인듐 틴 옥사이드(ITO) 층 중 하나가 복수의 구멍(hole)을 가지며 상기 구멍의 직경 및/또는 인접한 구멍 사이의 간격을 변화시키며 활성층의 광흡수 파장의 변화를 확인한다.
[화학식 A]
Figure pat00001
도 12는 구멍의 직경 및 인접한 구멍 사이의 간격에 따른 활성층의 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역의 광 흡수도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참고하면, 구멍의 직경을 0nm 내지 350nm로 변화시키고 인접한 구멍 사이의 간격을 각각 380nm, 400nm 및 420nm로 변화시킬 때, 청색 파장 영역의 광 및 적색 파장 영역의 광은 광 흡수도가 크게 변하지 않는데 반해 녹색 파장 영역의 광은 광 흡수도가 크게 변하는 것을 확인할 수 있다. 특히 구멍 크기가 약 150nm 내지 350nm에서 녹색 파장 영역의 광 흡수도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 투광 전극의 나노 패턴에 의해 소정 파장 영역의 광 흡수도를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 인접한 구멍 사이의 간격을 400nm로 고정하고 구멍의 직경을 각각 150nm, 200nm, 250nm 및 300nm로 바꾸면서 파장에 따른 광 흡수도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13을 참고하면, 구멍의 직경을 변화시킴으로써 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광 흡수도의 변화 없이 약 520nm 내지 560nm의 녹색 파장 영역의 광 흡수도를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 투광 전극의 나노 패턴에 의해 소정 파장 영역의 광 흡수도를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 제1 전극 11: 구멍
12: 요철 20: 제2 전극
30: 활성층 40, 50: 전하 보조층
50B: 청색 광전 소자 50R: 적색 광전소자
60: 하부 절연층 80: 절연층, 상부 절연층
70: 색 필터 층 85: 관통구
100: 유기 광전 소자
300: 이미지 센서 310: 반도체 기판

Claims (17)

  1. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 적어도 일부 파장의 광을 흡수하는 활성층
    을 포함하고,
    상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가지는
    유기 광전 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 구멍(hole)을 가지거나 규칙적으로 배열되어 있는 요철을 가지는 유기 광전 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극은 상기 활성층과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가지고,
    상기 요철은 상기 제2 면에 형성되어 있는 유기 광전 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 상기 활성층에서 흡수하는 파장 영역의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사하는 유기 광전 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 전극은 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 중 어느 하나의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사하는 유기 광전 소자.
  6. 제5항에서,
    상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고, 상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고, 상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 유기 광전 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 전극은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족하는 유기 광전 소자:
    [관계식 1]
    λmax > d
    [관계식 2]
    λmax > P
    상기 관계식 1 및 2에서,
    λmax는 반사하고자 하는 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
    d는 나노 패턴의 직경이고,
    P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격이다.
  8. 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광전 소자와 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광전 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 그리고
    상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제3 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전 소자
    를 포함하고,
    상기 유기 광전 소자는
    서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 활성층
    을 포함하고,
    상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 포함하는
    이미지 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 전극은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 구멍(hole)을 가지거나 규칙적으로 배열되어 있는 요철을 가지는 이미지 센서.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 전극은 상기 활성층과 접해있는 제1 면과 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가지고,
    상기 요철은 상기 제2 면에 형성되어 있는 이미지 센서.
  11. 제8항에서,
    상기 제1 전극은 상기 제3 파장 영역의 광을 상기 활성층으로 선택적으로 반사하는 이미지 센서.
  12. 제8항에서,
    상기 제1 전극은 하기 관계식 1 및 2를 동시에 만족하는 이미지 센서:
    [관계식 1]
    λmax > D
    [관계식 2]
    λmax > P
    상기 관계식 1 및 2에서,
    λmax는 제3 파장 영역의 최대 흡수 파장이고,
    D는 나노 패턴의 직경이고,
    P는 인접한 나노 패턴들 사이의 간격이다.
  13. 제8항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 유기 광전 소자 사이에 위치하고 상기 제1 전극과 접해있는 절연층을 더 포함하고,
    상기 절연층의 굴절률은 상기 제1 전극의 굴절률보다 작은
    이미지 센서.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 전극과 상기 절연층은 0.05 이상의 굴절률 차이를 가지는 이미지 센서.
  15. 제8항에서,
    상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 상기 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 색 필터와 상기 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 색 필터를 포함하는 색 필터 층을 더 포함하는 이미지 센서.
  16. 제8항에서,
    상기 제1 파장 영역은 청색 파장 영역이고 상기 제2 파장 영역은 적색 파장 영역이고 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역인 이미지 센서.
  17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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