KR20170029363A - 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
방사선 검출용 유기소자의 취득효율을 높일 수 있는 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법이 개시된다. 이는 유기재료를 기반으로 하는 검출소자에 섬광체층이 포함된 간접변환방식을 이용하고, 양자점이 혼합된 활성층을 형성함으로써 활성층에 추가적인 전하를 생성할 수 있다. 이에 따라 총 전하량이 증가됨으로써 검출신호의 취득효율을 높여 검출감도 및 신호대잡음비(SNR)를 향상시키고, 암전류를 감소시킬 수 있는 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬광체층(scintillator)이 포함된 간접변환방식을 이용하고, 양자점(Quantum Dot)이 혼합된 활성층을 형성하여 방사선 검출기의 신호 취득효율을 상승시킬 수 있는 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 사용빈도가 높은 디지털 방사선 영상장치는 크게 광도전체 (photoconductor)의 전기적 신호를 직접 받아 영상을 만들어내는 직접변환방식과 유도된 섬광체(scintillator)의 빛을 집광 소자를 이용하여 전기신호로 변환시켜 영상을 만들어내는 간접변환방식이 있다.
종래에는 반도체 무기재료 기반의 방사선 검출기가 일반적으로 사용되고 있으며 대체할 기술로써 유기태양전지 기술과 방사선 기술을 접목시킨 유기재료 기반의 검출소자의 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래의 방사선 검출용 유기소자를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 방사선 검출용 유기소자(100)는 기판(110), 기판(110) 상부에 형성되는 제1 전극층(120), 제1 전극층(120) 상부에 형성되고 정공의 수송을 향상시키는 정공수송층(130), 정공수송층(130) 상부에 형성되고 인가되는 방사선으로부터 전자-정공쌍을 형성하는 활성층(140) 및 활성층(140) 상부에 형성되는 제2 전극층(150)을 포함한다.
이러한 종래의 방사선 검출용 유기소자(100)의 경우 1V 이하의 구동전압에서 동작하며, 방사선이 인가되었을 때 변환효율은 반도체기반 검출기의 100분의 1정도의 검출 성능을 갖는다. 이러한 유기재료를 기반으로 방사선 검출소자를 제작함으로써 종래의 반도체기반의 검출소자보다 대면적, 경제성 및 제조적인 부분등의 측면에서 장점을 갖는다.
하지만, 이러한 종래의 유기재료 기반의 검출소자의 경우 낮은 검출 성능으로 인해 제품화하기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 종래 유기재료를 기반으로 하는 검출소자에 섬광체층이 포함된 간접변환방식을 이용하고, 활성층에 양자점을 혼합함으로써 추가적인 전하를 생성하여 총 전하량을 증가시키거나 생성된 전하들의 이동성을 향상시켜 검출신호의 취득효율을 향상시킬 수 있는 방사선 검출용 유기소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방사선 검출용 유기소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 제1 전극층(120); 상기 제1 전극층 상부에 형성되고, 정공의 수송을 향상시키는 정공수송층; 상기 정공수송층 상부에 형성되고, 상기 기판을 투과한 방사선이 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하는 활성층; 상기 활성층 상부에 형성되는 제2 전극층; 및 상기 기판 하부에 형성되며, 상기 방사선을 가시광선으로 변환하는 섬광체층(scintillator);을 포함하고, 상기 활성층은 양자점(Quantum Dot)을 포함한다.
상기 양자점은 상기 활성층의 구성물질인 도너와 억셉터 교반시 추가 혼합하여 형성될 수 있다.
상기 활성층의 물질은 P3HT:PCBM이고, 상기 양자점의 물질은 CdSe일 수 있다.
상기 양자점이 포함된 상기 활성층은 스핀-코팅(spin-coating) 기법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 섬광체층의 물질은 Csl:TI일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방사선 검출용 유기소자의 제조방법은 기판 상부에 제1 전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 전극층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계; 상기 정공수송층 상부에 양자점이 포함된 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 기판 하부에 섬광체층(scintillator)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 양자점은 상기 활성층의 구성물질인 도너와 억셉터 교반시 추가 혼합하여 형성될 수 있다.
상기 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 양자점이 포함된 상기 활성층은 스핀-코팅(spin-coating) 기법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층을 형성하는 단계 이후에, 상기 제2 전극층 상부에 봉지(Encapsulation)공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유기재료를 기반으로 하는 검출소자에 양자점이 혼합된 활성층을 형성함으로써 활성층에 추가적인 전하를 생성할 수 있고, 이에 따라 총 전하량이 증가됨으로써 검출신호의 취득효율을 높여 검출감도 및 신호대잡음비(SNR)를 향상시키고, 암전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 방사선 검출용 유기소자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 방사선 검출용 유기소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 양자점이 혼합된 활성층과 종래의 활성층의 흡광도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬광체층의 발광 스팩트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 양자점을 혼합한 활성층의 흡광도와 섬광체층의 발광도를 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 방사선 검출용 유기소자의 제작방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 12는 종래 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 검출 감도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 암전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 방사선 검출용 유기소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 양자점이 혼합된 활성층과 종래의 활성층의 흡광도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬광체층의 발광 스팩트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 양자점을 혼합한 활성층의 흡광도와 섬광체층의 발광도를 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 방사선 검출용 유기소자의 제작방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 12는 종래 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 검출 감도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 암전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 방사선 검출용 유기소자를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방사선 검출용 유기소자(200)는 기판(110), 제1 전극층(120), 정공수송층(130), 양자점(Quantum Dot)(210)이 혼합된 활성층(140), 제2 전극층(150) 및 섬광체층(scintillator)(220)을 포함하며, 하부로부터 섬광체층(220), 기판(110), 제1 전극층(120), 정공수송층(130), 활성층(140) 및 제2 전극층(150)의 순서로 형성된다.
기판(110)은 유리 또는 유연성이 있는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 기판(110)이 유연성이 있는 플라스틱일 경우, PET(polyethylene terephthalate), PES (polyester), PT(polythiophene), PI(polyimide)중에서 어느 하나인 플라스틱으로 형성되거나, 알루미늄 포일(aluminum foil), 또는 스테인리스 스틸 포일(stainless steel foil)인 유연한 재료로 형성되어 유연성을 가진다.
제1 전극층(120)은 기판(110) 상부에 형성될 수 있으며, 제1 전극층(120)은 투명하거나 전도성 물질일 수 있다. 제1 전극층(120)을 이루는 물질은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al-doped Zinc Oxide: AZO) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 사용하여 제1 전극층(120)을 형성할 수 있다.
정공수송층(130)은 제1 전극층(120) 상부에 형성될 수 있으며, 활성층(140)과 제1 전극층(120) 사이에 계면 특성을 개선하여 전하 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 정공수송층(130)의 재료로는 정공을 수송하는 능력을 갖고, 전자를 차단하는 특성 뿐 아니라 박막 형성 능력이 우수한 화합물일 수 있다. 예를 들어, 정공수송층(130)의 재료는 TPD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, NPB, 아릴아민기(arylamine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자 등일 수 있으나, 이제 한정하지는 않는다. 정공수송층(130)의 형성방법으로는 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등이 적용될 수 있다.
활성층(140)은 정공수송층(130) 상부에 형성될 수 있으며, 활성층(140)에서는 인가된 방사선으로부터의 전자와 정공이 각각의 전극으로 분리되어 수송 및 주입된다. 활성층(140)은 다양한 형태로 구현이 가능한데, 도너(donor)물질과 억셉터(acceptor)물질의 혼합박막층의 1층구조를 취할 수도 있으며, 도너물질과 억셉터 물질이 각각 적층된 형태의 2층구조를 취할 수도 있다. 도너물질로는 CuPc(copper phthalocyanine)과 같은 프탈로 시아닌계 안료, 인디고, 티오인디고계 안료, 멜로시아닌 화합물, 시아닌 화합물 등의 저분자 화합물과 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-ρ-phenylenevinylene; PPV)등과 같은 페닐렌비닐렌계 고분자 유도체, 폴리티오펜(polythiophene), PCPDTBT, P3HT등과 같은 thiophene계 고분자 유도체 등을 포함하는 전도성 고분자를 이용할 수 있다. 억셉터 물질로는 풀러렌(fullerene; C60), PCBM, PC70BM과 같은 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene), PTCBI와 같은 페릴렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자가 사용 수 있다. 바람직하게는 본 발명에 따른 활성층(140)의 물질로는 P3HT:PCBM이 사용될 수 있으나, 도너물질과 억셉터물질이 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 방사선 검출용 유기소자(200)의 활성층(140)에는 도너와 억셉터 외에 검출신호의 취득효율을 향상시키기 위한 양자점(Quantum Dot)(210)이 혼합되어 있다. 양자점(210)이란 수 나노미터의 크기를 가진 반도체 물질로서, 양자점(210)의 크기를 조절함에 따라 전기적/광학적 성질이 변화하는 특징을 가지며, 구현하고자 하는 소자 특성에 맞는 다양한 성분의 양자점(210)과 그 크기를 조절하여 적용된 소자의 특성을 개선할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 방사선 검출용 유기소자(200)의 활성층(140)에 양자점(210)을 추가함으로써 외부 방사선을 흡수해 추가적인 전하를 생성하여 총 전하량을 증가시키거나 생성된 전하들의 이동성을 향상시켜 검출신호의 취득효율을 높일 수 있다.
활성층(140)에 양자점(210)을 추가하기 위해 활성층(140)의 구성물질인 도너와 억셉터의 교반과정에서 양자점(210)을 혼합한다. 도너, 억셉터 및 양자점(210)이 혼합되어 있는 활성용액이 형성되면 정공수송층(130) 상부에 예를 들어, 스핀-코팅, 스프레이 코팅 및 스크린 인쇄 공정등을 이용하여 활성층(140)이 형성될 수 있다. 활성층(140)에 혼합되는 양자점(210)의 물질로는 바람직하게는 CdSe가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 양자점이 혼합된 활성층과 종래의 활성층의 흡광도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 실시예로써, 활성층(140)으로 P3HT:PCBM을 사용하고, 활성층(140)에 양자점(210)으로 CdSe를 혼합하였을 때 흡광도를 측정할 경우, 도 3에서와 같이 종래 활성층(140)으로 P3HT:PCBM만을 사용하는 흡광도보다 활성층(140)에 양자점(210)으로 CdSe를 혼합하였을 때 흡광도가 상승 된 것을 확인할 수 있다. 즉, 활성층(140)에 양자점(210)을 혼합함으로써 활성층(140)에 광자(Photon)가 도달할 때 흡수율 증가에 따른 전하의 생성이 증가 되는 효과를 가져올 수 있다.
제2 전극층(150)은 활성층(140) 상부에 형성될 수 있으며, 전자를 수집하는 역할 즉, 활성층(140)에서 분리된 전자를 받아들이는 역할을 수행한다. 이러한 제2 전극층(150)의 재료는 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 구체적으로 제2 전극층(150)의 재료는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 타타늄(Ti), 인듐(In), 알칼리 금속, 나트륨-칼륨(Na:K)합금, 마그네슘-은(Mg:Ag)합금, 리튬-알루미늄(Li/Al)이층전극, 리튬플루오라이드-알루미늄(LiF/Al)이층전극 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 제2 전극층(150)은 DC스퍼터링방식, 열증착 또는 이와 달리 화학적 증착법(CVD), 원자층증착(ALD), 전기도금 및 각종 프린팅기술과 같은 습식방식 등에 의해 형성될 수 있다. 또한, 도 2에서는 생략되었으나 활성층(140)과 제2 전극층(150) 사이에는 생성된 전하의 취득효율을 높이기 위해 Alq3과 같은 전자수송층(미도시)이 더 포함될 수도 있다.
일반적으로, 방사선 검출용 유기소자는 크게 광도전체 (photoconductor)의 전기적 신호를 직접 받아 영상을 만들어내는 직접변환방식과 유도된 섬광체층(scintillator)의 빛을 집광 소자를 이용하여 전기신호로 변환시켜 영상을 만들어내는 간접변환방식이 있다. 보다 구체적으로, 직접검출방식의 경우 입사되는 방사선에 의해 유기소자의 활성층(140)에서 생성되는 전하를 측정하는 방식이며, 간접검출방식의 경우 검출 소자에 섬광체층을 부착하여 섬광체층에 의해 변환된 가시광에 의하여 유기소자의 활성층(140)에서 생성되는 전하를 측정하는 방식이다.
본 발명에 따른 방사선 검출용 유기소자(200)는 상기한 간접변환방식을 적용하기 위해 유기소자의 기판(110) 하부에 섬광체층(220)이 형성된다. 따라서 형성된 섬광체층(220)에 의해 입사되는 방사선이 가시광으로 변화하게 되고, 변화된 가시광이 본 발명에 따른 양자점(210)이 혼합된 활성층(140)에 도달하여 활성층(140)에서 생성되는 전하를 측정하게 된다.
섬광체층(220)에 사용될 수 있는 물질로는, 예를 들어, 활성층(140)의 물질로 P3HT:PCBM을 사용하고, 활성층(140)에 혼합된 양자점(210)의 물질로 CdSe를 사용하였을 때 Nal:TI, Csl:TI, Y3Al5O12:Ce, CdWO4, LuAG:Ce, Gd2O2S:Tb등이 사용될 수 있다. 표 1은 활성층(140)과 양자점(210) 물질을 P3HT:PCBM:CdSe로 사용하였을 때 섬광체층(220) 물질에 따른 발광피크파장(emission peak wavelength)과 빛 수율(light yield)을 나타낸다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는 표 1에서와 같이 발광피크파장이 500~550nm 사이의 값을 가지며, 빛 수율(light yield)이 상대적으로 높은 Csl:TI이 사용될 수 있다. 하지만, 섬광체층(220)의 물질은 활성층(140) 물질이나 활성층(140)에 혼합된 양자점(210)의 물질에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
| Materials | Emission Peak Wavelength[nm] | Light Yield[photons/MeV] |
| NaI:Tl | 415 | 38000 |
| CsI:Tl | 540 | 65000 |
| Y3Al5O12:Ce | 550 | 35000 |
| CdWO4 | 470~540 | 12000~15000 |
| LuAG:Ce | 535 | 20000 |
| Gd2O2S:Tb | 545 | ~60000 |
도 4는 본 발명에 따른 섬광체층의 발광 스팩트럼을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 양자점을 혼합한 활성층의 흡광도와 섬광체층의 발광도를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4에서와 같이 섬광체층(220) 물질로 Csl:TI을 사용하였을 때 550nm 파장에서 발광 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 일반적으로, 섬광체층(220)의 발광도 그래프와 활성층(140)의 흡광도 그래프의 일치도가 높을수록 전하의 생성효율이 증가한다. 도 5에서는 Csl:TI로 된 섬광체층(220)의 발광도 그래프와 CdSe로 된 양자점(210)이 혼합된 P3HT:PCBM의 흡광도를 나타내며, 도 5의 그래프에서와 같이 두 개의 그래프가 500~550nm 영역에서 겹치는 것을 확인할 수 있다.
섬광체층(220)의 두께는 전형적으로 0.1mm 내지 1mm에 이른다. 일예로, 섬광체층(220)의 두께가 1mm 이상인 2mm 내지 4mm의 두께를 갖는 섬광체층(220)은 방사선 흡수율은 증가하는 경향을 보이나 섬광체층(220) 후면으로 방출되는 광의 세기는 오히려 1mm 두께의 섬광체층(220)이 2mm 내지 4mm의 두께를 갖는 섬광체층(220)에 비해 상대적으로 높은 값을 갖는다. 이는 섬광체층(220) 내부에서 생성된 가시광 Photon이 섬광체층(220) 내에서 재흡수가 일어나거나, 후면이 아닌 다른 방향으로 이동되는 이유에 기인하기 때문이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 방사선 검출용 유기소자의 제작방법을 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 방사선 검출용 유기소자(200)의 제작방법은 기판(110) 상부에 제1 전극층(120)을 형성하는 단계, 제1 전극층(120) 상부에 정공수송층(130)을 형성하는 단계, 정공수송층(130) 상부에 양자점(210)이 포함된 활성층(140)을 형성하는 단계, 활성층(140) 상부에 제2 전극층(150)을 형성하는 단계 및 기판(110) 하부에 섬광체층(220)을 형성하는 단계를 포함한다.
기판(110) 상부에 제1 전극층(120)을 형성하는 단계에서는 도 6에 도시한 바와 같이, 투명 유리나 유연성을 갖는 폴리머 기판(110) 상에 DC 스퍼터링 방식 또는 이와 달리 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 졸겔 코팅(sol-gel coating), 전기도금 등에 의해 투명전극인 제1 전극층(120)이 형성될 수 있다. 기판(110)은 사용 직전에 세정공정을 거치며, 아세톤, 알콜, 물 혹은 이들의 혼합 용액에 담근 후 초음파 세정을 실시할 수도 있다. 이러한 투명전극의 두께는 100~1,000nm일 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.
제1 전극층(120) 상부에 정공수송층(130)을 형성하는 단계는 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 전극층(120) 상부에 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등을 이용하여 정공수송층(130)을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 정공수송층(130)의 두께는 5~300nm일 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 정공수송층(130) 물질로는 TPD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, NPB, 아릴아민기(arylamine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자 등일 수 있으나, 이제 한정하지는 않는다.
정공수송층(130) 상부에 양자점(210)이 포함된 활성층(140)을 형성하는 단계에서는 도 8에 도시한 바와 같이, 정공수송층(130) 상부에 활성층(140)을 형성하기 전에 본 발명에 따른 양자점(210)이 포함된 활성층(140)을 형성하기 위해 도너와 억셉터의 교반과정에서 양자점(210)을 혼합한다. 도너, 억셉터 및 양자점(210)이 혼합되어 있는 활성용액이 형성되면, 혼합된 활성용액을 정공수송층(130) 상부에 스핀-코팅, 스프레이 코팅 및 스크린 인쇄 공정등을 이용하여 활성층(140)을 형성한다. 이렇듯, 활성층(140)에 양자점(210)을 추가함으로써 외부 방사선을 흡수해 추가적인 전하를 생성하여 총 전하량을 증가시키거나 생성된 전하들의 이동성을 향상시켜 검출신호의 취득효율을 높일 수 있다.
활성층(140) 상부에 제2 전극층(150)을 형성하는 단계에서는 도 9에 도시한 바와 같이, 양자점(210)이 포함된 활성층(140) 상부에 활성층(140)에서 분리된 전자를 받아들이는 역할을 수행하는 제2 전극층(150)이 형성된다. 제2 전극층(150)은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 타타늄(Ti), 인듐(In), 알칼리 금속, 나트륨-칼륨(Na:K)합금, 마그네슘-은(Mg:Ag)합금, 리튬-알루미늄(Li/Al)이층전극, 리튬플루오라이드-알루미늄(LiF/Al)이층전극과 같이 금속전극일 수 있으며, 활성층(140) 상부에 DC스퍼터링방식, 열증착 또는 이와 달리 화학적 증착법(CVD), 원자층증착(ALD), 전기도금 및 각종 프린팅기술과 같은 습식방식 등에 의해 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만 활성층(140)과 제2 전극층(150) 사이에는 생성된 전하의 취득효율을 높이기 위해 Alq3과 같은 전자수송층이 활성층(140) 상부에 잉크젯방식, 오프셋 인쇄방식, 그라비아 인쇄방식 등으로 더 형성될 수 있다.
제2 전극층(150)을 형성하는 단계 이후에는, 유기소자를 공기 중의 수분과 산소로부터 보호하기 위해 봉지층(310)을 형성하는 봉지(Encapsulation) 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
기판(110) 하부에 섬광체층(220)을 형성하는 단계는 도 10에 도시한 바와 같이, 상술한 봉지 공정에 의해 봉지층(310)을 형성한 이후에, 제작된 유기소자와 섬광체층(220) 사이의 광학적 손실을 최소화하기 위한 광학적 접착제(Optical Glue)등을 이용하여 섬광체층(220)을 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이고, 도 12는 종래 유기소자의 방사선 노출시 검출된 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 간접변환방식의 양자점(210)이 포함된 활성층(140)을 갖는 유기소자(200)와 종래의 양자점(210)이 포함되지 않은 활성층(140)을 갖는 유기소자(100)의 비교 실험을 위해 각각의 유기소자에 직류전압을 인가하고 음극에서 전하량을 측정한다. 본 실험을 위해 의료용으로 주로 이용되는 관전압 80kVp, 63mAs의 인가 조건에서 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래의 유기소자(100)에 0.2~1.0V의 전압을 각각 인가하여 X선이 조사되었을 때 생성된 전하량을 측정하였다.
측정결과 도 11 및 도 12에서와 같이 인가전압이 증가할수록 종래의 양자점(210)이 포함되지 않은 활성층(140)을 갖는 유기소자(100)에 비해 본 발명에 따른 간접변환방식의 양자점(210)이 포함된 활성층(140)을 갖는 유기소자(200)에서 측정되는 전하량이 높게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 검출 감도를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 측정된 전하량을 통해 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래 유기소자(100)의 검출 감도(Sensitivity)를 계산하기 위한 수식을 수학식 1에 나타내었다.
여기서, Sensitivity는 검출감도, Exposed Dose는 피복 선량, Exposed Detection Area는 X선 검출 영역을 의미하고, Charges during X-ray는 X선이 조사될 때의 측정된 전하량을 의미한다.
수학식 1을 이용하여 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래 유기소자(100)의 검출 감도를 계산 후 도 13에서와 같이 그래프로 나타내면 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래의 유기소자(100) 모두 인가전압이 높아질수록 검출감도가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유기소자(200)가 종래의 유기소자(100)에 비해 같은 전압 조건에서 2배 이상의 높은 검출 성능을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 유기소자와 종래 유기소자의 암전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 측정된 전하량을 통해 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래 유기소자(100)의 암전류 밀도(Dark Current Density)를 계산하기 위한 수식을 수학식 2에 나타내었다.
검출기의 성능에 영향을 미치는 암전류 밀도는 그 크기가 작을수록 신호대잡음비(SNR)의 성능 향상에 유리한 것으로써, 수학식 2를 이용하여 본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래 유기소자(100)의 암전류 밀도를 계산할 수 있다. 그 후, 도 11에서와 같이 그래프로 나타내면 본 발명에 따른 유기소자(200)가 종래 유기소자(100)에 비해 상대적으로 적은 암전류 밀도를 가짐을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 유기소자(200)와 종래 유기소자(100)의 검출감도와 암전류 밀도에 대해 인가전압 0.6V 기준으로 측정된 측정값을 표 2에 나타내었다.
| 종래의 유기소자 | 본 발명에 따른 유기소자 | |
| 검출감도 (nC/mR·2) | 39.864 | 89.229 |
| 암전류 밀도(nA/cm2) | 1298.177 | 1012.268 |
표 2에서와 같이, 본 발명에 따른 유기소자(200)가 종래의 유기소자(100)에 비해 검출감도는 높고, 암전류 밀도는 낮음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기소자(200)는 종래의 유기소자(100) 구조에서 섬광체층(220)이 포함된 간접변환방식을 이용하고, 활성층(140)에 양자점(210)을 추가한 유기소자를 적용함으로써 종래의 유기소자(100)에 비해 검출감도 향상, 암전류 밀도 감소 및 취득신호 향상에 따른 신호대잡음비가 향상될 수 있으며, X선 영상검출기 센서, 의료용 X선 영상기기 및 대형 상업용 방사선 검출 소자로 활용이 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110 : 기판
120 : 제1 전극층
130 : 정공수송층 140 : 활성층
150 : 제2 전극층 210 : 양자점
220 : 섬광체층
130 : 정공수송층 140 : 활성층
150 : 제2 전극층 210 : 양자점
220 : 섬광체층
Claims (9)
- 기판;
상기 기판 상부에 형성되는 제1 전극층(120);
상기 제1 전극층 상부에 형성되고, 정공의 수송을 향상시키는 정공수송층;
상기 정공수송층 상부에 형성되고, 상기 기판을 투과한 방사선이 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하는 활성층;
상기 활성층 상부에 형성되는 제2 전극층; 및
상기 기판 하부에 형성되며, 상기 방사선을 가시광선으로 변환하는 섬광체층(scintillator);을 포함하고,
상기 활성층은 양자점(Quantum Dot)을 포함하는 것인 방사선 검출용 유기소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자점은 상기 활성층의 구성물질인 도너와 억셉터 교반시 추가 혼합하여 형성되는 것인 방사선 검출용 유기소자. - 제1항에 있어서,
상기 활성층의 물질은 P3HT:PCBM이고, 상기 양자점의 물질은 CdSe인 방사선 검출용 유기소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자점이 포함된 상기 활성층은 스핀-코팅(spin-coating) 기법을 이용하여 형성되는 것인 방사선 검출용 유기소자. - 제1항에 있어서,
상기 섬광체층의 물질은 Csl:TI인 방사선 검출용 유기소자. - 기판 상부에 제1 전극층을 형성하는 단계;
상기 제1 전극층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계;
상기 정공수송층 상부에 양자점이 포함된 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 기판 하부에 섬광체층(scintillator)을 형성하는 단계를 포함하는 방사선 검출용 유기소자의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계에서,
상기 양자점은 상기 활성층의 구성물질인 도너와 억셉터 교반시 추가 혼합하여 형성되는 것인 방사선 검출용 유기소자의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계에서,
상기 양자점이 포함된 상기 활성층은 스핀-코팅(spin-coating) 기법을 이용하여 형성되는 것인 방사선 검출용 유기소자의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 제2 전극층을 형성하는 단계 이후에,
상기 제2 전극층 상부에 봉지(Encapsulation)공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것인 방사선 검출용 유기소자의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR20150125282 | 2015-09-04 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200088084A (ko) * | 2019-01-14 | 2020-07-22 | 경기대학교 산학협력단 | 전자기파 감응 나노 소재 및 이를 이용한 전자기파 감응 센서 |
| US10761222B2 (en) | 2018-02-23 | 2020-09-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Detection element and detector |
| KR20210055835A (ko) * | 2019-11-07 | 2021-05-18 | 단국대학교 산학협력단 | X-선 검출기 및 그 제조방법 |
| US11125895B2 (en) | 2018-03-14 | 2021-09-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Detection element and detector |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20080096733A (ko) | 2008-09-22 | 2008-11-03 | 주식회사 엘지화학 | 신규한 축합고리 화합물 및 이를 이용한 유기전자소자 |
-
2016
- 2016-01-05 KR KR1020160001016A patent/KR20170029363A/ko active Search and Examination
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