KR20170060488A - 유기 광전 소자용 화합물 및 이를 포함하는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치 - Google Patents

유기 광전 소자용 화합물 및 이를 포함하는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 1의 유기 광전 소자용 화합물 및 이를 포함하는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자장치를 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00022

상기 화학식 1에서, 각 치환기의 정의는 명세서에 기재된 바와 같다.

Description

유기 광전 소자용 화합물 및 이를 포함하는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치{COMPOUND FOR ORGANIC PHOTOELECTRIC DEVICE AND ORGANIC PHOTOELECTRIC DEVICE, IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
유기 광전 소자용 화합물 및 이를 포함하는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
광전 소자는 광전 효과를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서 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 있어서감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
일 구현예는 녹색 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 유기 광전 소자용 화합물을 제공한다.
다른 구현예는 녹색 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수하고 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, 하기 화학식 1로 표현되는 유기 광전 소자용 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X1는 각각 독립적으로 Se, Te, S(=O), S(=O)2 및 SiRaRb에서 선택되고(여기서 Ra 및 Rb는 수소 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨),
X2는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 및 C(Rc)(CN)(여기에서 Rc는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택되고,
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기(-CN), 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택된다.
상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
상기 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
상기 유기 광전 소자용화합물은 박막 상태에서 약 500 nm 내지 약 600 nm, 예를 들어 약 525 nm 내지 약 560 nm 에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다. 상기 유기 광전 소자용 화합물은 박막 상태에서 약 50 nm 내지 약 120 nm의 반치폭을 가지는 흡광 곡선을 나타낼 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물의 융점과 증착온도의 차이가 약 5 ℃ 이상, 예를 들어 약 30 ℃ 이상 또는 약 50 ℃ 이상일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 활성층을 포함하는 유기 광전 소자를 제공한다.
상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
상기 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
상기 활성층은 약 500 nm 내지 약 600 nm, 예를 들어 약 525 nm 내지 약 560 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다. 상기 활성층은 약 50 nm 내지 약 120 nm의 반치폭을 가지는 흡광 곡선을 나타낼 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물의 융점과 증착온도의 차이가 약 5 ℃ 이상, 예를 들어 약 30 ℃ 이상 또는 약 50 ℃ 이상일수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 이미지 센서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제1 광 감지 소자 및 적색 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제2 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 상기 유기 광전 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 반도체 기판에서 수직 방향으로 적층되어 있을 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 유기 광전 소자의사이에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하는 청색 필터와 적색 파장 영역의광을 선택적으로 투과하는 적색 필터를 포함하는 색 필터 층을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 유기 광전 소자인녹색 광전 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자가 적층되어 있을 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
녹색 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 화합물을 제공하고 상기 화합물에 의해 녹색 파장 영역의 파장 선택성을 높여 효율을 개선할 수 있는 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치를 제공한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7는 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
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 아니라그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "치환된"이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl 또는 I), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산기나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C20 알콕시기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "헤테로"란, N, O, S, P 및Si에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
본 명세서에서 알킬기는 예를 들어 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등일 수 있다.
본 명세서에서 "아릴(aryl)기"는 환형인 치환기의 모든 원소가 p-오비탈을 가지고 있으며, 이들 p-오비탈이 공액(conjugation)을 형성하고 있는 치환기를 의미하고, 모노시클릭, 폴리시클릭 또는 융합 고리 폴리시클릭(즉, 탄소원자들의 인접한 쌍들을 나눠 가지는 고리) 작용기를 포함한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "시아노 함유기"는 C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알케닐기 또는 C2 내지 C30 알키닐기의 적어도 하나의 수소가 시아노기로 치환된 것을 의미한다. 상기 시아노 함유기의 구체적인 예로는 디시아노메틸기(dicyanomethyl group) 등이 있다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "조합"이란 하나의 치환기가 다른 치환기에 치환되거나, 서로 융합하여 존재하거나, 단일결합이나 C1 내지 C10 알킬렌기에 의해 서로 연결된 치환기들을 의미한다.
이하, 일 구현예에 따른 유기 광전 소자용 화합물을 설명한다.
일 구현예에 따른 유기 광전 소자용 화합물은 하기 화학식 1로 표현된다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서,
X1는 각각 독립적으로 Se, Te, S(=O), S(=O)2 및 SiRaRb에서 선택되고(여기서 Ra 및 Rb는 수소 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨),
X2는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 및 C(Rc)(CN) (여기에서 Rc는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택되고,
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기(-CN), 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택된다.
일 구현예에서 R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소일 수 있다. 이 경우 유기 광전 소자용 화합물의 내열성을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 화학식1의 Ar1 및 Ar2 및 R1 내지 R5에서 "치환된"이란 할로겐(-F, -Cl, -Br 또는 -I), 시아노기(-CN), C1 내지 C6 알킬기 또는 C1 내지 C6 알콕시기로 치환된 것일 수 있다. 일 구현예에서 상기 할로겐은 클로로기(-Cl) 또는 플루오로기(-F)일 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물은 분자 내에 전자주게(electron donor) 모이어티(moiety)와 전자받게(electron acceptor) 모이어티를 한 분자에 포함하여 바이폴러 특성을 가진다.
상기 화학식 1에서, Ar1 및 Ar2는 방향족 링이 서로 융합되어 있는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기이고, 좋게는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C8 내지 C20 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C4 내지 C20 헤테로아릴기이다. 즉 방향족링 사이에 단일결합이나 다른 연결기로 연결된 방향족기는 공액 구조가 끊어져서 바람직한 공액 길이를 제공할 수 없다.
상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
일 구현예에서, 치환된 페닐기, 치환된 나프틸기, 치환된 안트라세닐기, 치환된 페난트레닐기, 치환된 피리디닐기, 치환된 피리다지닐기, 치환된 피리미디닐기, 치환된 피라지닐기, 치환된 퀴놀리닐기, 치환된 이소퀴놀리닐기, 치환된 나프티리디닐기, 치환된 시놀리닐기, 치환된 퀴나졸리닐기, 치환된 프탈라지닐기, 치환된 벤조트리아지닐기, 치환된 피리도피라지닐기, 치환된 피리도피리미디닐기 및 치환된 피리도피리다지닐기는 시아노기 또는 할로겐으로 치환될 수 있다. 이 경우 유기 광전 소자용 화합물의 내열성 특성이 좋아져 소자 제작 공정에서의 후속 공정의열처리 공정에 유리할 수 있다.
상기 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다. 이와 같이 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나가 2개 이상이 방향족 링이 융합된 치환기인 경우 분자간 상호작용(intermolecular interaction)을 감소시켜 필름 상태에서 분자간 응집(aggregation)이 억제될수 있다. 이 경우 녹색 파장의 흡수 선택성을 향상시킬 수 있다.
또한 Ar1 및 Ar2가 방향족기가 아닌 알킬기이거나 서로 융합하여 N-함유 사이클로 알킬기를 형성할 경우 화합물 구조가 평면성을 가져 흡광 곡선의 반치폭이 너무 넓어진다.
또한 유기 광전 소자용 화합물의 흡수 계수가높아져 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 유기 광전 소자용화합물은 박막 상태에서 약 500 nm 내지 약 600 nm, 예를 들어 약 525 nm 내지 약 560 nm, 약 528 nm 내지 약 560 nm 또는 약 528 nm 내지 약 550 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물은 박막 상태에서 약 50 nm 내지 약 120 nm의 반치폭을 가지는 흡광 곡선을 나타낼 수 있다. 여기서 반치폭은 최대 흡광 지점의 반(half)에 대응하는 파장의 폭(width)으로, 반치폭이 작으면 좁은 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수하여 파장 선택성이 높다는 것을 의미한다. 상기 범위의 반치폭을 가짐으로써 녹색 파장 영역에 대한 선택성을 높일 수 있다. 상기 박막은 진공 조건에서 증착된 박막일 수 있다.
증착법은 균일한 박막 형성이 가능하고 불순물 혼입 가능성이 적어 유리한 점이 있으나 화합물의 융점이 증착온도보다 낮은 경우 화합물의 분해물이 증착될 수 있어 소자의 성능을 저해할 수 있다. 따라서 증착온도보다 화합물의 융점이 더 높은 것이 바람직하다.
상기 유기 광전 소자용 화합물의 융점과 증착온도의 차이가 약 5 ℃ 이상, 예를 들어 약 30 ℃ 이상 또는 약 50 ℃ 이상일수 있다. 따라서 상기 유기 광전 소자용 화합물은 증착온도보다 높은 융점을 가지므로 증착 온도보다 낮은 온도에서 분해되지 않아 증착 공정에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 범위의 융점을 가지는 경우 막을 안정하게 증착할 수 있고 분해물이 감소되어 광전 변환 성능이 우수한 유기 광전 소자를 제공할 수 있다. 또한 양산 증착 공정시에도 증착 공정으로 형성된 필름의 물성 저하가 발생되지 않아 신뢰성과 양산성을 향상시킬 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물은 p 형 반도체 화합물일 수 있다. 상기 유기 광전 소자용 화합물은 p형 반도체 화합물로 작용하므로 혼합 사용하는 n형 반도체 화합물에 비해 LUMO 레벨의 위치가 높으면 적절하게 사용할 수 있다. 예를 들어 풀러렌과 같은 n형 반도체 화합물과 혼합 사용하는 경우, 풀러렌의 LUMO 레벨이 4.2　eV이므로, 4.2 eV보다 높은 LUMO 레벨을 가지면 된다. 그리고 적절한 HOMO-LUMO 레벨의 경우, 상기 유기 광전 소자용 화합물은 HOMO 레벨이 약 5.0 내지 약 5.8 eV이고, 약 1.9 내지 약 2.3 eV의 에너지 밴드갭을 가지게 되면, LUMO 레벨이 약 3.9 내지 약 2.7 eV의 범위에 위치하게 된다. 상기 범위의 HOMO 레벨과 LUMO 레벨　및 에너지 밴드갭을 가짐으로써 녹색 파장 영역에서 광을 효과적으로 흡수하는 p형 반도체 화합물로 적용될 수 있고 그에 따라 높은 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)을 가질 수 있어 광전 변환 효율을 개선할 수 있다.
상기 유기 광전 소자용 화합물은 약 300 내지 약 1,500, 보다 구체적으로 약 350 내지 약 1,200, 보다 더 구체적으로 약 400 내지 약 900의 분자량을 가질 수 있다. 상기 범위의 분자량을 가짐으로써 상기 화합물의 결정성을 방지하면서도 증착에 의한 박막 형성시 화합물의 열분해를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 화학식 1의 유기 광전 소자용 화합물의 구체적인 예로는 하기 화학식 2의 화합물을 들 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
상기 유기 광전 소자용 화합물은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 화합물로, 약 525 nm 내지 약 560 nm, 약 528 nm 내지 약 560 nm 또는 약 528 nm 내지 약 550 nm 에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
이하 상기 화합물을 포함하는 일 구현예에 따른 유기 광전 소자에대하여 도면을 참고하여 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.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는캐소드(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.
상기 활성층(30)은 p형 반도체 화합물과 n형 반도체화합물이 포함되어 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
상기 활성층(30)은 상기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함한다. 상기 유기 광전 소자용 화합물은 활성층(30)에서 p형 반도체 화합물로 적용될 수 있다.
상기 유기 광전 소자용화합물은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 화합물로, 상기 화합물을 포함하는 활성층(30)은 약 500 nm 내지 약 600 nm, 예를 들어 약 525 nm 내지 약 560 nm, 약 528 nm 내지 약 560 nm 또는 약 528 nm 내지 약 550 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 녹색 파장의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
상기 활성층(30)은 약 50 nm 내지 약 120 nm의 비교적 작은 반치폭(FWHM)을 가지는 흡광 곡선을나타낼 수 있다. 이에 따라 활성층(30)은 녹색 파장 영역의 광에 대하여 높은 선택성을 가질 수 있다.
상기 활성층(30)은 pn접합을 형성하기 위한 n형 반도체 화합물을 더 포함할 수 있다.
상기 n형 반도체 화합물은 서브프탈로시아닌, 서브프탈로시아닌 유도체, 풀러렌 또는 풀러렌 유도체, 티오펜 또는 티오펜 유도체 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 풀러렌의 예로는 C50, C60, C70, C76, C78, C80, C82, C84, C90, C96, C240, C540, 이들의 혼합물, 풀러렌 나노튜브 등이 있다. 상기 풀러렌 유도체는 상기 풀러렌에 치환기를 가지는 화합물을 의미한다. 상기 풀러렌 유도체는 알킬기, 아릴기, 헤테로고리기 등의 치환기를 포함할 수 있다. 상기 아릴기와 헤테로고리기의 예로는 벤젠고리, 나프탈렌 고리, 안트라센 고리, 페난트렌 고리, 플루오렌 고리, 트리페닐렌 고리, 나프타센 고리, 바이페닐 고리, 피롤 고리, 퓨란(furan) 고리, 티오펜 고리, 이미다졸 고리, 옥사졸 고리, 티아졸 고리, 피리딘 고리, 피라진 고리, 피리미딘 고리, 피리다진 고리, 인돌진(indolizine) 고리, 인돌 고리, 벤조퓨란 고리, 벤조티오펜 고리, 이소벤조퓨란(isobenzofuran) 고리, 벤즈이미다졸 고리, 이미다조피리딘(imidazopyridine) 고리, 퀴놀리진(quinolizidine) 고리, 퀴놀린 고리, 프탈진(phthalazine) 고리, 나프티리진(naphthyridine) 고리, 퀴녹살린(quinoxaline)고리, 퀴녹사졸린(quinoxazoline) 고리, 이소퀴놀린(isoquinoline) 고리, 카바졸(carbazole) 고리, 페나트리딘(phenanthridine) 고리, 아크리딘(acridine) 고리, 페난트롤린(phenanthroline) 고리, 티아트렌(thianthrene) 고리, 크로멘(chromene) 고리, 잔텐(xanthene) 고리, 페녹사틴(phenoxathin) 고리, 페노티아진(phenothiazine) 고리 또는 페나진(phenazine) 고리가 있다.
상기 서브프탈로시아닌 또는 서브프탈로시아닌 유도체는 하기 화학식 3으로 표현될수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00006
상기 화학식 3에서,
R31 내지 R33은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 할로겐 함유기 및 이들의조합에서 선택되고,
a, b 및 c는 1 내지 3의 정수이고,
Z는 할로겐이며, 예를 들어 F 또는 Cl이다.
상기 할로겐은 F, Cl, Br 또는 I를 의미하며 할로겐 함유기는 알킬기의 수소중 적어도 하나가 F, Cl, Br 또는 I로 치환된 것을 의미한다.
상기 티오펜 유도체는 예컨대 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4]
Figure pat00007
[화학식 5]
Figure pat00008
상기 화학식 4와 화학식 5에서,
T1, T2 및 T3는 치환 또는 비치환된 티오펜부를 가지는 방향족 고리이고,
T1, T2 및 T3는 각각 독립적으로 존재하거나 융합되어 있을 수 있고,
X3 내지 X8은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기, 시아노기 또는 이들의 조합이고,
EWG1 및 EWG2는 각각 독립적으로 전자흡인기(electron withdrawing group)일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 4에서, X3 내지 X8 중 적어도 하나는 전자 흡인기, 예를 들어 시아노기일 수 있다.
상기 활성층(30)은 녹색광을 선택적으로 흡수하는 제2의 p형 반도체 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 p형 반도체 화합물로는 하기 화학식 6의 화합물을 들 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00009
상기 화학식 6에서,
R41 내지 R43는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 지방족 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴옥시기, 티올기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬티오기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴티오기, 시아노기, 시아노 함유기, 할로겐기, 할로겐 함유기, 치환 또는 비치환된 설포닐기(예를 들어, 치환 또는 비치환된 C0 내지 C30아미노설포닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬설포닐기 또는 치환 또는 비치환된 아릴설포닐기) 또는 이들의 조합이고, 또는 R41 내지 R43는 각각 독립적으로 존재하거나 인접한 두 개가 융합되어 고리를 형성하고,
L1 내지 L3은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 2가의 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들의 조합이고,
R51 내지 R53는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 아민기(예를 들어, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬아민기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴아민기), 치환 또는 비치환된 실릴기 또는 이들의조합이고,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.
상기 녹색광을 선택적으로 흡수하는 제2의 p형 반도체 화합물은 상기 화학식 1의 화합물 100 중량부에 대하여 약 50 내지 약 300 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 활성층(30)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수도 있다. 활성층(30)은 예컨대 진성층(instrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
상기 진성층(I층)은 상기 화학식 1의 화합물과 상기 n형 반도체 화합물이 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 내에서약 1:10 내지 10:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:1의 두께 비로 포함될 수 있다. 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에유리하다.
상기 p형 층은 상기 화학식 1의 반도체 화합물을 포함할 수 있고, 상기 n형 층은 상기 n형 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
상기 활성층(30)은 약 1nm 내지 약 500 nm의 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. 최적의 막 두께는 예컨대 활성층(30)의 흡수 계수를 고려하여 결정할 수 있으며, 예컨대 적어도 약 70% 이상, 예컨대 약 80% 이상, 예컨대 약 90%의 빛을 흡수할 수 있는 두께를 가질 수 있다.
유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10) 및/또는 제2 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 소정 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 유기 광전 소자에 전류가 흐를 수 있게 된다.
이하 도 2를 참고하여 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자에 대하여 설명한다.
도 2는 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 구현예에 따른 유기 광전 소자(100)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.
그러나 본 구현예에 따른 유기 광전 소자(100)는 전술한 구현예와 달리 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 각각 전하 보조층(40, 45)을 더 포함한다. 전하 보조층(40, 45)은 활성층(30)에서 분리된 정공과 전자의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 수 있다.
전하 보조층(40, 45)은 정공의주입을 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 정공의이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer, HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전하 보조층(40, 45)은 예컨대유기물, 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), 4,4′-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4,4′-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), 4,4′-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4,4′-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.
상기 전하 보조층(40, 45) 중 하나는생략될 수 있다.
상기 유기 광전 소자는 태양 전지, 이미지 센서, 광 검출기, 광 센서 및 유기발광다이오드 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 상기 유기 광전 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 3은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(300)는 광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(310), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(310)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50R, 50B)는 광 다이오드일 수 있다.
광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(50B, 50R)는 청색 화소 및 적색 화소에 포함될 수 있고 전하 저장소(55)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광 감지 소자(50B, 50R)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 유기 광전 소자(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
도면에서는 광 감지 소자(50B, 50R)가 나란히 배열된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직으로 적층되어 있을 수도 있다.
반도체 기판(310) 위에는 또한 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(g) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50B, 50R)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 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 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연막(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에형성되어 있는 청색 필터(70B)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70R)를 포함한다. 본 구현예에서는 녹색 필터를 구비하지 않은 예를 설명하지만, 경우에 따라 녹색 필터를 구비할 수도 있다.
색 필터 층(70)은 경우에 따라 생략될 수 있으며, 일 예로 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직으로 적층되어 있는 구조에서는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 적층 깊이에따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으므로 색 필터 층(70)을 구비하지 않을 수도 있다.
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 전술한 유기 광전 소자(100)가 형성되어 있다. 유기 광전 소자(100)는 전술한바와 같이 제1 전극(10), 활성층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투명 전극일수 있으며, 활성층(30)은 전술한 바와 같다. 활성층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며 녹색 화소의 색 필터를 대체할 수 있다.
제2 전극(20) 측으로부터 입사된 광은 활성층(30)에서 녹색 파장 영역의 빛이 주로 흡수되어 광전 변환될 수 있고 나머지 파장 영역의 빛은 제1 전극(10)을 통과하여 광 감지 소자(50B, 50R)에 센싱될 수 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 줄여 소형화이미지 센서를 구현할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 상기 화학식 1로 표현되는 화합물을 p형 또는 n형 반도체 화합물로서 포함함으로써 박막 상태에서도 화합물들 사이의 응집이 발생하는 것을 방지하여 파장에 따른 흡광 특성을 유지할 수 있다. 이에 따라 녹색 파장 선택성을 그대로 유지할 수 있고 그에 따라 녹색 이외의 파장 영역의광을 불필요하게 흡수하여 발생하는 크로스토크를 줄이고 감도를 높일 수 있다.
도 4에서는 도 1의 유기 광전 소자(100)를 포함하는 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 도 2의 유기 광전 소자(200)를 포함하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다. 도 5는 도 2의 유기 광전 소자(200)을 적용한유기 CMOS 이미지 센서(400)를 도시한 단면도이다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참고하면, 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(310), 절연층(80) 및 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 달리, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략될 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 가지고 적색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 유기 광전 소자(100)는 녹색 파장 선택성을 높임으로써 녹색 이외의 파장 영역의 광을 불필요하게 흡수하여 발생하는 크로스토크를 줄이고 감도를 높일 수 있다.
도 6에서는 도 1의 유기 광전 소자(100)를 포함하는 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 도 2의 유기 광전 소자(200)를 포함하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 소자(G), 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자(B) 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자(R)가 적층되어 있는 구조이다.
도면에서는 적색 광전 소자(R), 청색 광전 소자(B) 및 녹색 광전 소자(G)가 차례로 적층된 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
상기 녹색 광전 소자는 전술한 유기 광전 소자(100)일 수 있고, 상기 청색 광전 소자는서로 마주하는 전극들과 그 사이에 개재되어 있는 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 물질을 포함하는 활성층을 포함할 수 있으며, 상기 적색 광전 소자는서로 마주하는 전극들과 그 사이에 개재되어 있는 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 물질을 포함하는 활성층을 포함할 수 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자, 적색 파장 영역의광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있는 동시에 감도를 높이고 크로스토크를 줄일 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털카메라 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.
합성예 1: 하기 화학식 1-1로 표현되는 화합물(1,3-dimethyl-5-((5-(naphthalen-1-yl(phenyl)amino)selenophen-2-yl)methylene)-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-1]
Figure pat00010
[반응식 1-1]
Figure pat00011
(i) 화합물 (1)의 합성
2-요오도셀레노펜(2-iodoselenophene)은Efficient Synthesis of 2-Iodo and 2-Dicyanomethyl Derivatives of Thiophene, Selenophene, Tellurophene, and Thieno[3,2-b]thiophene,　Takahashi, K.; Tarutani, S. Heterocycles 1996, 43, 1927-1935에 기재된 방법으로 합성한다.
(ii) 화합물 (2)의 합성
2-요오도셀레노펜 1ｇ(3.89mmmol) 및 N-phenylnaphthalen-1-amine 0.77ｇ(3.54mmol)을 무수 톨루엔 6 ml중에서 5 mol%의 Pd(dba)2, 5 mol%의 P(tBu)3 및 0.37ｇ(3.89mmol)의 NaOtBu 존재하에서, 2시간 가열 환류한다. 얻어진 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피에 의해 분리 정제(톨루엔 : 헥산=1:4 부피비)하여 N-(naphthalen-1-yl)-N-phenylselenophen-2-amine 0.55g (수율44％)을 얻는다.
(iii) 화합물 (3)의 합성
0.5ml의 N,N-다이메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)에 0.16ml의 염화포스포릴(phosphoryl chloride)를 -15 ℃에서 적하한 후 상온(24 ℃)에서 2시간 동안 교반한다. 이를 10ml의 디클로로메탄(dichloromethane)와 0.4g의 화합물 (2)를 섞은 것에 -15℃에서 천천히 적하한 후 상온에서 30분간 교반하고 감압 농축한다. 여기에 5ml의 물을 추가하고 pH 값이 14가 될 때까지 수산화나트륨 수용액(aqueous sodium hydroxide)를 추가한 후 상온(24 ℃)에서 2시간 교반한다. 아세트산에틸(ethyl acetate)로 추출한 유기층을 염화나트륨 수용액(aqueous sodium chloride)로 세정(wash)한 후 무수 황산마그네슘(magnesium sulfate anhydrous)를 넣어 건조시킨다. 얻어진 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피에 의해 분리정제(헥산 : 다이클로로메탄=3:2)하여 5-(naphthalen-1-yl(phenyl)amino)
selenophene-2-carbaldehyde 0.24g (수율 56%)을 얻는다.
(iv) 화학식 1-1로 표현되는 화합물의 합성
얻어진 화합물 (3) 0.07g (0.2mmol)를 에탄올에 현탁시키고, J. Pharmacol., 1944, 82, 292.의 4417page에 기재된 방법에 따라 합성된 1,3-디메틸-2-티오바비투릭 에시드(1,3-dimethyl-2-thiobarbituric acid) 0.04g (0.24mmol)을 첨가하여, 50 ℃에서 2시간 반응시켜 화학식 1-1로 표현되는 화합물 0.1g (수율 95％)을 얻는다. 얻어진 화합물을 승화 정제하여 순도 99.5％까지 정제한다.
1HNMR ppm (CDCl3) 8.5(s)-1H, 8.0(m)-3H, 7.9(d)-1H, 7.6(m)-7H, 7.4(t)-2H, 6.4(d)-1H, 3.8(d)-6H
합성예 2: 하기 화학식 1-2로 표현되는 화합물(5-((5-(diphenylamino)selenophen-2-yl)methylene)-1,3-dimethyl-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-2]
Figure pat00012
합성예 1에서 1-나프틸페닐아민(1-naphtylphenylamine)을 디페닐아민(dipheylamine)으로 변경한 것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-2로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 98％)
1HNMR ppm (CDCl3) 8.5(s)-1H, 7.9(d)-1H, 7.5-7.3(m)-10H, 6.6(d)-1H, 3.8(d)-6H
합성예 3: 하기 화학식 1-3으로 표현되는 화합물(5-((5-(naphthalen-1-yl(phenyl)amino)selenophen-2-yl)methylene)-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-3]
Figure pat00013
합성예 1에서 1,3-디메틸-2-티오바비투릭 에시드 대신 2-티오바비투릭 에시드(2-thiobarbituric acid)을 사용한 것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-3으로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 99％)
1HNMR ppm (CDCl3) 8.3(s)-1H, 8.0(m)-3H, 7.9(d)-1H, 7.6(m)-7H, 7.5(t)-2H, 6.4(d)-1H, 3.8(m)-2H
합성예 4: 하기 화학식 1-4로 표현되는 화합물(5-((5-(di-p-tolylamino)selenophen-2-yl)methylene)-1,3-dimethyl-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-4]
Figure pat00014
합성예 1에서 1-나프틸페닐아민 대신 디-p-톨일아민(di-p-tolylamine)을 사용한것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-4로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 97％)
1HNMR ppm (CDCl3) 8.5(s)-1H, 7.9(d)-1H, 7.3(m)-8H, 6.6(d)-1H, 3.8(d)-6H
합성예 5: 하기 화학식 1-5로 표현되는 화합물(5-((5-(diphenylamino)selenophen-2-yl)methylene)-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-5]
Figure pat00015
합성예 1에서 1-나프틸페닐아민을 디페닐아민으로 변경하고 1,3-디메틸-2-티오바비투릭 에시드 대신 2-티오바비투릭 에시드를 사용한 것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-5로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 98％)
1HNMR ppm (CDCl3) 8.5(s)-1H, 7.9(d)-1H, 7.5-7.3(m)-10H, 6.6(d)-1H, 3.8(d)-2H
합성예 6: 하기 화학식 1-6으로 표현되는 화합물(5-((5-(bis(4-chlorophenyl)amino)selenophen-2-yl)methylene)-1,3-dimethyl-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-6]
Figure pat00016
합성예 1에서 1-나프틸페닐아민 대신 비스(4-클로로페닐)아민(bis(4-chlorophenyl)amine)으로 변경한 것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-6으로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 97％)
1HNMR ppm (DMSO-d6) 8.5(s)-1H, 8.4(d)-1H, 7.7(m)-8H, 6.6(d)-1H, 3.8(d)-6H
합성예 7: 하기 화학식 1-7으로 표현되는 화합물(1,3-dimethyl-5-((5-(naphthalen-1-yl(phenyl)amino)selenophen-2-yl)methylene)-2-selenoxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-7]
Figure pat00017
[반응식 1-7]
Figure pat00018
(i) 화합물 (3)의 합성
합성예 1에서와 동일한 방법으로 화합물(3)을 합성한다.
(ii) 화합물 (6)의 합성
이와 별도로 Selenocarbonyl synthesis using Woollins reagent, Pravat Bhattacharyya; J.Derek Woollins, Tetrahedron 2001, 42,5949-5951에 기재된 방법에으로 1,3-디메틸우레아(1,3-dimethylurea) 200mg (2.27mmol)와 woollins reagent 400mg (0.75mmol)을 이용하여 화합물 (5)(1,3-dimethylselenourea) 1.31g (수율 76%)을 합성한다.
상기 화합물 (5) 1.31g (8.67mmol), 말론산(malonic acid) 0.45g (4.33mmol) 및 아세틱 언하이드라이드(acetic anhydride) 20ml을 90℃에서 3시간 반응시켜 화합물 (6) (1,3-dimethyl-2-selenoxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione) 5.2g (수율 60%)을 얻는다(J. Pharmacol., 1944, 82, 292.의 4417page 참조).
(iii) 화학식 1-7로 표현되는 화합물의 합성
상기 화합물 (3) 1g (2.65mmol)를 에탄올에 현탁시키고, 화합물 (6) 0.63g (2.92mmol)을 첨가하여, 50 ℃에서 2시간 반응시켜 화학식 1-7로 표현되는 화합물 1.2g (수율 95％)을 얻는다.
비교합성예 1: 하기 화학식 1-8로 표현되는 화합물(1,3-dimethyl-5-((5-(naphthalen-1-yl(phenyl)amino)thiophen-2-yl)methylene)-2-thioxodihydropyrimidine-4,6(1H,5H)-dione)의 합성
[화학식 1-8]
Figure pat00019
합성예 1의 (i)에서 2-요오도셀레노펜(2-iodoselenophene) 대신 2-아이오도셀레노펜(2-iodothiophene)을 사용한 것 이외에는 합성예 1과 동일한 방법으로 화학식 1-8로 표현되는 화합물을 얻었다. (수율 97％)
1HNMR ppm (CDCl3) 8.5(s)-1H, 8.0(m)-3H, 7.9(d)-1H, 7.6(m)-7H, 7.4(t)-2H, 6.4(d)-1H, 3.8(d)-6H
합성예 1 내지 7 및 비교합성예 1에 따른 화합물의 흡광 특성
상기 합성예 1 내지 7 및 비교합성예 1의 화합물의 파장에 따른 흡광 특성(흡수 파장, 흡수 강도 및 반치폭)을 평가한다. 흡광 특성은 용액 상태와 박막 상태에서 수행한다.
용액 상태의 흡광 특성은 합성예 1, 합성예 2 및 합성예 4에 따른 화합물은 톨루엔에 1.0 x 10-5 mol/L로 녹여 준비한 후 평가하고 합성예 3와 합성예 5는 테트라하이드로퓨란에 1.0 x 10-5 mol/L로 녹여 준비한 후 평가한다.
박막 상태의 흡광 특성은 합성예 1 내지 7 및 비교합성예 1에서 얻은 화합물과 C60을 1:1의 부피비로 고진공(< 10-7 Torr) 하에서 0.5-1.0 Å/s 속도로 열증착(thermal evaporation)하여 70 nm 두께의 박막으로 준비한 후 상기 박막을 Cary 5000 UV spectrometer(Varian 사 제조)를 사용하여 자외선-가시광선(UV-Vis)을 조사하여 평가한다. 이중 합성예 1 내지 4 및 비교합성예 1에 따른 화합물의 측정 결과를 하기 표 1에 기재한다.
용액 박막
λmax (nm) 흡수강도
(cm-1M-1)		 λmax (nm) 흡수강도
(cm-1)		 FWHM
(nm)
합성예 1 522 90000 529 77000 102
합성예 2 524 90000 535 62000 110
합성예 3 537 85300 560 81000 119
합성예 4 526 86700 527 75000 91
비교합성예 1 514 93700 측정불가 측정불가 측정불가
표 1을 참고하면, 합성예 1 내지 4의 화합물은 녹색 파장 영역(예를 들어 박막 상태에서 529 nm 내지 560 nm)에서 최대 흡수 파장을 보이고 반치폭도 좁아지며, 흡수 강도도 높음을 알 수 있다. 따라서 합성예 1 내지 4의 화합물의 녹색 파장 선택성이 우수함을 확인할 수 있다. 이에 비하여 비교합성예 1의 화합물은 증착이 불가하여 박막 상태에서의 흡수특성을 평가할 수 없었다.
합성예 1 내지 7 및 비교합성예 1에 따른 화합물의 열안정성
상기 합성예 1 내지 7 및 비교합성예 1에 따른 화합물의 열안정성을 융점(대기압)과 증착온도(Ts)를 측정하여 평가한다. 상기 증착온도는 10 Pa에서 화합물이 승화되어 무게가 10% 감소하는 지점의 온도를 말하며열중량 분석(thermal gravimetric analysis, TGA) 방법으로 측정한다. 상기 합성예1 내지 5 및 비교합성예 1에 따른 화합물의 측정 결과를 하기 표 2에 기재한다.
Tm (℃) 증착온도(Ts, ℃) ΔT (℃)(Tm-Ts)
합성예 1 251 244 7
합성예 2 308 232 76
합성예 3 327 277 50
합성예 4 285 236 49
합성예 5 344 278 66
비교합성예 1 200 238 -38
증착불가
표 2를 참고하면 합성예 1 내지 5의 화합물은 융점과 증착 온도의 차이가 큰 것으로 나타났으며, 이로부터 합성예 1 내지 5의 화합물이 우수한 열안정성을 가짐을 확인할 수 있다. 합성예 1 내지 5의 화합물은 열안정성이 우수하므로 유기 광전 소자의 제작 공정에서 후속되는 열처리 공정에서 안정적으로 적용될 수 있으며 이로써 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이에 비하여 비교합성예 1의 화합물은 증착온도가 너무 낮아서 증착 공정을 실시할 수 없었다.
실시예 1: 유기 광전 소자의 제작
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 약 150 nm 두께의 애노드를 형성하고 그 위에 합성예1에 따른 화학식 1-1로 표현되는 화합물(p형 반도체 화합물)과 C60(n형 반도체 화합물)을 1:1 두께비로 공증착하여 150 nm 두께의 활성층을 형성한다. 그 위에 전하 보조층으로 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3) 박막을 10 nm 두께로 적층한다. 이어서 몰리브덴 산화물 박막 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 7 nm 두께의 캐소드를 형성하여 유기 광전 소자를 제작한다.
실시예 2 내지 7: 유기 광전 소자의 제작
상기 합성예 1의 화합물 대신 합성예 2 내지 7에 따른 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2 내지 7의 유기 광전 소자를 제작한다.
비교예 1: 유기 광전 소자의 제작
상기 합성예 1의 화합물 대신 비교합성예 1에 따른 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 유기 광전 소자를 제작한다. 그러나 비교합성예 1에 따른 화합물은 증착이 불가하여 유기 광전 소자를 제작하지 못하였다.
실시예 1 내지 7의 유기 광전 소자의 외부 양자 효율(EQE)과 내부 양자 효율(IQE)
실시예 1 내지 7에 따른 유기 광전 소자의 파장 및 전압에 따른 외부 양자 효율(EQE)과 내부 양자 효율(IQE)을 측정한다.
외부 양자 효율과 내부 양자 효율은 IPCE measurement system(McScience사, 한국) 설비를 이용하여 측정한다. 먼저, Si 광 다이오드(Hamamatsu사, 일본)를 이용하여 설비를 보정(calibration)한 후 실시예 1 내지 7에 따른 유기 광전 소자를 설비에 장착하고 파장범위 약 350 내지 약 750 nm 영역에서 외부 양자 효율과 내부 양자 효율을 측정한다. 이중 실시예1과 실시예 2에 따른 유기 광전 소자의 측정 결과를 표 3에 기재한다.
색재현도(ΔＥ*ab)와 감도(YSNR10)
도 4에 도시된 구조의 이미지 센서(300)의 유기 광전 소자(100) 대신 상기 제작된 실시예 1 내지 7에 따른 유기 광전 소자를 배치하여 이미지 센서를 제작하였다.
D-65의 조명광 밑에서 Macbeth 차트의 18% gray patch를 촬영했을 때의 YSNR10과 Macbeth 차트 24색의 색차 ΔE*ab를 구하였다.
촬영렌즈로는 F값 2.8, 투과율 80%인 것을 사용하였고 적외선 컷트 필터로는 일반적인 간섭형 렌즈를 사용하였다. 이미지 센서의 화소 사이즈는 1.4 ㎛로 하였고 프레임 레이트는 15fps로 하였다.
YSNR10을 구하는 방법의 상세한 내용은 2007년 International Image Sensor Workshop(Ogunquit Maine, USA)의 개요집에 기재된 Juha Alakarhu의 "Image Sensors and Image Quality in Mobile Phones"의 방법을 따랐다. CCM(Color Correction Matrix)으로 색보정하여 ΔE*ab=3으로 했을 때 YSNR10값(휘도)을 구한다. 이중 실시예1과 실시예 2의 측정결과를 하기 표 3에 기재한다.
유기 광전 소자 EQE (%)
(at -3V)		 IQE (%)
(at -3V)		 ΔＥ*ab YSNR10
(lux)
실시예 1 62 74 3.0 90
실시예 2 74 86 3.0 80
표 3에서 보는 바와 같이 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기 광전 소자는 외부 양자 효율과 내부 양자 효율이 우수함을 알 수 있다.
또한 실시예 1와 실시예 2에 따른 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서는 CCM(Color Correction Matrix)으로 색보정하여 ΔE*ab=3으로 했을 때 90 이하의 YSNR10 값이 얻어졌으며 이로부터 1.4 ㎛의 상당히 고화질의 화소에서도 고감도의 이미지 센서로의 적용이가능함을 알 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 20: 제2 전극
30: 광전 변환 층 40, 45: 전하 보조층
100, 200: 유기 광전 소자 300, 400, 500: 유기 CMOS 이미지 센서
310: 반도체 기판 70B: 청색 필터 70R: 적색 필터
70: 색 필터 층 85: 관통구
60: 하부 절연층 80: 상부 절연층
50B, 50R: 광 감지 소자 55: 전하 저장소

Claims (22)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 유기 광전 소자용 화합물:
    [화학식 1]
    Figure pat00020

    상기 화학식 1에서,
    X1는 각각 독립적으로 Se, Te, S(=O), S(=O)2 및 SiRaRb에서 선택되고(여기서 Ra 및 Rb는 수소 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨),
    X2는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 및 C(Rc)(CN) (여기에서 Rc는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택되고,
    Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기(-CN), 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택된다.
  2. 제1항에서,
    상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택되는 유기 광전 소자용 화합물.
  3. 제1항에서,
    상기 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택되는 유기 광전 소자용 화합물.
  4. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용화합물은 박막 상태에서 500 nm 내지 600 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내는 유기 광전 소자용 화합물.
  5. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용화합물은 박막 상태에서 525 nm 내지 560 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내는 유기 광전 소자용화합물.
  6. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용화합물은 박막 상태에서 50 nm 내지 120 nm의 반치폭을 가지는 흡광 곡선을 나타내는 유기 광전 소자용 화합물.
  7. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용 화합물은 융점과 증착온도의 차이가 5 ℃ 이상인유기 광전 소자용 화합물.
  8. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용 화합물은 융점과 증착온도의 차이가 30 ℃ 이상인유기 광전 소자용 화합물.
  9. 제1항에서,
    상기 유기 광전 소자용 화합물은 융점과 증착온도의 차이가 50 ℃ 이상인유기 광전 소자용화합물.
  10. 서로 마주하는 제1 전극과제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층
    을 포함하고,
    상기 활성층은 하기 화학식 1로 표현되는 유기 광전 소자용 화합물을 포함하는 유기 광전 소자:
    [화학식 1]
    Figure pat00021

    상기 화학식 1에서,
    X1는 각각 독립적으로 Se, Te, S(=O), S(=O)2 및 SiRaRb에서 선택되고(여기서 Ra 및 Rb는 수소 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨),
    X2는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 및 C(Rc)(CN)(여기에서 Rc는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택되고,
    Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기(-CN) 및 이들의 조합에서 선택된다.
  11. 제10항에서,
    상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택되는 유기 광전 소자.
  12. 제10항에서,
    상기 Ar1 및 Ar2중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택되는 유기 광전 소자.
  13. 제10항에서,
    상기 활성층은 500 nm 내지 600 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내는유기 광전 소자.
  14. 제10항에서,
    상기 활성층은 525 nm 내지 560 nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내는 유기 광전 소자.
  15. 제10항에서,
    상기 활성층은 50 nm 내지 120 nm의 반치폭을 가지는 흡광 곡선을 나타내는 유기 광전 소자.
  16. 제10항에서,
    상기 유기 광전 소자용 화합물은 융점과 증착온도의 차이가 5 ℃ 이상인유기 광전 소자.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서.
  18. 제17항에서,
    청색 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제1 광 감지 소자 및 적색 파장 영역의광을 감지하는 복수의 제2 광 감지 소자가집적되어 있는 반도체 기판, 그리고
    상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 상기 유기 광전 소자
    를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 반도체 기판에서 수직 방향으로 적층되어 있는 이미지 센서.
  20. 제18항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 유기 광전 소자의사이에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하는 청색 필터와 적색 파장 영역의광을 선택적으로 투과하는 적색 필터를포함하는 색 필터 층을 더 포함하는 이미지 센서.
  21. 제17항에서,
    상기 유기 광전 소자인 녹색 광전 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자가 적층되어 있는 이미지센서.
  22. 제17항에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치.
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