KR20180002272A - 유기 광전 소자 및 이미지 센서 - Google Patents

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윤성영
이계황
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Abstract

서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 포함하는 흡광층을 포함하고, 상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 가시광의 일부를 선택적으로 흡수하며, 상기 흡광층은 상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질을 포함하는 광전변환영역, 그리고 상기 p형 흡광 물질 및 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나와 엑시톤 활성 감소제(exciton quencher)를 포함하는 도핑영역을 포함하는 유기 광전 소자 및 이를 포함하는 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, 유기발광소자 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 유리하다.
일 구현예는 파장 선택성을 높일 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 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 포함하는 흡광층을 포함하고, 상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 가시광의 일부를 선택적으로 흡수하며, 상기 흡광층은 상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질을 포함하는 광전변환영역, 그리고 상기 p형 흡광 물질 및 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나와 엑시톤 활성 감소제(exciton quencher)를 포함하는 도핑영역을 포함하는 유기 광전 소자를 제공한다.
상기 광전변환영역은 상기 제1 전극에 가까운 제1 광전변환영역과 상기 제2 전극에 가까운 제2 광전변환영역을 포함할 수 있고, 상기 도핑영역은 상기 제1 광전변환영역과 상기 제2 광전변환영역 사이에 위치할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 빛을 받는 측에 가까울 수 있고, 상기 제2 광전변환영역의 두께는 상기 제1 광전변환영역과 같거나 그보다 두꺼울 수 있다.
상기 엑시톤 활성 감소제는 금속, 반금속, 금속 산화물, 반금속 산화물, 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 엑시톤 활성 감소제는 정공 수송성 금속, 정공 수송성 반금속, 정공 수송성 금속 산화물, 정공 수송성 반금속 산화물, 정공 수송성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 엑시톤 활성 감소제는 구리, 은, 금, 알루미늄, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 엑시톤 활성 감소제는 상기 도핑영역에 대하여 약 50부피% 이하로 포함될 수 있다.
상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역, 500nm 내지 600nm의 파장 영역 및 600nm 초과 700nm 이하의 파장 영역 중 어느 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다.
상기 흡광층은 서로 다른 파장 영역인 제1 가시광 및 제2 가시광을 흡수할 수 있고, 상기 제1 가시광은 광전변환영역에서 최대로 흡수될 수 있고, 상기 제2 가시광은 상기 도핑영역에서 최대로 흡수될 수 있다.
상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 하나는 상기 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있고, 상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광을 흡수할 수 있다.
상기 제1 가시광은 500nm 내지 600nm의 파장 영역일 수 있고, 상기 제2 가시광은 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역일 수 있다.
상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광에 대한 상기 유기 광전 소자의 외부양자효율은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
EQEmax/EQE450nm ≥ 3.80
상기 관계식 1에서,
EQEmax는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 상기 제1 가시광의 최대흡수파장에서의 외부양자효율이고,
EQE450nm는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 450nm에서의 외부양자효율이다.
상기 p형 흡광 물질은 상기 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있고, 상기 n형 흡광 물질은 상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광을 흡수할 수 있다.
상기 n형 흡광 물질은 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
상기 p형 흡광 물질은 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기물일 수 있다.
상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
EDG는 전자 공여기(electron donating group)이고,
EAG는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
R1, R2, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1A 또는 1B로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1A] [화학식 1B]
Figure pat00002
Figure pat00003
상기 화학식 1A 또는 1B에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Ar은 치환 또는 비치환된 5원 고리, 치환 또는 비치환된 6원 고리 또는 이들 중 둘 이상의 축합 고리이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G1은 단일 결합, -(CRgRh)n2-, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나이고, 여기서 n2는 1 또는 2이고,
R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1A-1 내지 1B-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1A-1]
Figure pat00004
[화학식 1A-2]
Figure pat00005
[화학식 1A-3]
Figure pat00006
[화학식 1A-4]
Figure pat00007
[화학식 1B-1]
Figure pat00008
[화학식 1B-2]
Figure pat00009
[화학식 1B-3]
Figure pat00010
[화학식 1B-4]
Figure pat00011
상기 화학식 1A-1 내지 1B-4에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Z1은 O 또는 CRcRd 이고,
Y1은 N 또는 CRe이고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rf)(CN)에서 선택된 하나이고,
Y3는 O, S, Se 또는 Te이고,
Y4는 N 또는 NR18a이고,
Y5는 CR19a 또는 C=CR20a(CN)이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
R1a 내지 R3a, R11a, R12a, R15a 내지 R20a, R24a, R25a, Ra 내지 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이고,
n1은 0 또는 1이고,
m1은 0 또는 1이고,
m2는 0 내지 4의 정수이다.
다른 구현예에 따르면, 상기 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
높은 파장 선택성을 가지는 유기 광전 소자 및 이를 적용한 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 유기 광전 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 5는 도 4의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 6은 도 4의 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 7은 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 8은 도 7의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
이하, 구현예들에 대하여 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 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.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 유기 광전 소자의 일 예를 보여주는 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 흡광층(30)을 포함한다.
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(10)과 제2 전극(20)은 모두 투광 전극일 수 있다.
흡광층(30)은 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 포함하여 소정 파장 영역의 광을 흡수하고 흡수된 빛에 의해 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 가시광의 일부를 선택적으로 흡수할 수 있으며, 예컨대 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역, 500nm 내지 600nm의 파장 영역 및 600nm 초과 700nm 이하의 파장 영역 중 어느 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 녹색 광, 청색 광 및 적색 광 중 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 어느 하나는 녹색 광, 청색 광 및 적색 광 중 하나를 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 녹색 광, 청색 광 및 적색 광 중 둘 이상을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 어느 하나는 녹색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 녹색 광과 함께 청색 광 및/또는 적색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 어느 하나는 적색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 적색 광과 함께 청색 광 및/또는 녹색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 어느 하나는 청색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 청색 광과 함께 적색 광 및/또는 녹색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질은 녹색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, n형 흡광물질은 녹색 광과 함께 청색 광 및/또는 적색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, n형 흡광 물질은 녹색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광물질은 녹색 광과 함께 청색 광 및/또는 적색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질은 적색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, n형 흡광물질은 적색 광과 함께 청색 광 및/또는 녹색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, n형 흡광 물질은 적색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광물질은 적색 광과 함께 청색 광 및/또는 녹색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 흡광 물질은 청색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, n형 흡광물질은 청색 광과 함께 녹색 광 및/또는 적색 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, n형 흡광 물질은 청색 광을 선택적으로 흡수할 수 있고, p형 흡광물질은 청색 광과 함께 녹색 광 및/또는 적색 광을 흡수할 수 있다.
흡광층(30)은 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질에 의해 흡수된 소정 파장 영역의 빛에 의해 엑시톤(exciton)을 생성하고 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전변환하는 광전변환영역(photoelectric conversion region)을 포함한다.
흡광층(30)은 또한 광전변환을 줄이거나 억제하기 위한 엑시톤 활성 감소제(exciton quencher)를 포함하는 도핑영역(doped region)을 포함한다. 도핑영역은 흡광층(30)의 내부에 위치될 수 있으며, 예컨대 광전변환영역들 사이에 위치될 수 있다.
흡광층(30)의 도핑영역은 p형 흡광 물질 및 n형 흡광 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 여기에 엑시톤 활성 감소제가 도핑되어 있을 수 있다. 예컨대 흡광층(30)의 도핑영역은 p형 흡광 물질과 엑시톤 활성 감소제를 포함할 수 있다. 예컨대 흡광층(30)의 도핑영역은 n형 흡광 물질과 엑시톤 활성 감소제를 포함할 수 있다. 예컨대 흡광층(30)의 도핑영역은 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 엑시톤 소광제를 포함할 수 있다. 엑시톤 활성 감소제는 도핑영역에 대하여 약 50부피% 이하로 될 수 있으며, 예컨대 약 0.1 내지 50부피%로 포함될 수 있다. 엑시톤 활성 감소제는 상기 범위 내에서 예컨대 1 내지 40부피%로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 5 내지 40부피%로 포함될 수 있다.
엑시톤 활성 감소제는 엑시톤의 생성을 감소 및/또는 억제하거나 엑시톤으로부터 에너지를 상실시켜 엑시톤의 활성을 감소 및/또는 억제할 수 있는 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 금속, 반금속, 금속 산화물, 반금속 산화물, 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
엑시톤 활성 감소제는 예컨대 정공 수송성 엑시톤 활성 감소제일 수 있으며, 예컨대 정공 수송성 금속, 정공 수송성 반금속, 정공 수송성 금속 산화물, 정공 수송성 반금속 산화물, 정공 수송성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서 정공 수송성이란 빛을 받아 전자를 공여하여 정공을 형성하거나 수송할 수 있는 특성을 말하는 것으로 HOMO 에너지 준위를 따라 전도 특성을 가져 정공의 이동을 용이하게 하는 특성을 의미한다. 정공 수송성 엑시톤 활성 감소제는 예컨대 약 4.5eV 이상의 일함수(workfunction)를 가지거나 약 5.0 eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가지는 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
엑시톤 활성 감소제는 예컨대 구리, 은, 금, 알루미늄, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
엑시톤 활성 감소제는 예컨대 전자 수송성 엑시톤 활성 감소제일 수 있으며, 예컨대 전자 수송성 금속, 전자 수송성 반금속, 전자 수송성 금속 산화물, 전자 수송성 반금속 산화물, 전자 수송성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서 전자 수송성이란 빛을 받아 전자를 받을 수 있는 특성을 말하는 것으로 LUMO 에너지 준위를 따라 전도 특성을 가져 전자의 이동을 용이하게 하는 특성을 의미한다. 전자 수송성 엑시톤 활성 감소제는 예컨대 약 4.5 eV 미만의 일함수를 가지거나 약 4.5 eV 이하의 LUMO 에너지 준위를 가지는 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
엑시톤 활성 감소제는 예컨대 망간 산화물, 티타늄 산화물, 아연산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 2를 참고하면, 흡광층(30)은 제1 전극(10)에 가까운 제1 광전변환영역(30a), 제2 전극(20)에 가까운 제2 광전변환영역(30b), 그리고 제1 광전변환영역(30a)과 제2 광전변환영역(30b) 사이에 위치하는 도핑영역(30c)을 포함할 수 있다. 즉, 흡광층(30)의 두께 방향을 따라 제1 광전변환영역(30a), 도핑영역(30c) 및 제2 광전변환영역(30b)이 차례로 위치될 수 있다.
제1 광전변환영역(30a) 및 제2 광전변환영역(30b)은 각각 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 포함할 수 있으며, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질은 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 혼합되어 있을 수 있다. 제1 광전변환영역(30a) 및 제2 광전변환영역(30b)은 각각 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 예컨대 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3:7 내지 7:3의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 4:6 내지 6:4의 부피비로 포함할 수 있다.
도핑영역(30c)은 p형 흡광 물질 및 n형 흡광 물질 중 적어도 하나와 엑시톤 활성 감소제를 포함할 수 있다. 일 예로, 도핑영역(30c)은 p형 흡광 물질과 엑시톤 활성 감소제가 혼합되어 있을 수 있다. 일 예로, 도핑영역(30c)은 n형 흡광 물질과 엑시톤 활성 감소제가 혼합되어 있을 수 있다. 일 예로, 도핑영역(30c)은 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 엑시톤 활성 감소제가 혼합되어 있을 수 있다. 일 예로, 도핑영역(30c)이 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 엑시톤 활성 감소제를 포함하는 경우, 도핑영역(30c)에서 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질의 조성비는 제1 광전변환영역(30a) 및 제2 광전변환영역(30b)과 같을 수 있다. 엑시톤 활성 감소제는 도핑영역(30c)에 대하여 약 50부피% 이하로 될 수 있으며, 예컨대 약 0.1 내지 50부피%로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 1 내지 40부피%로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 5 내지 40부피%로 포함될 수 있다.
도핑영역(30c)은 약 1nm 내지 50nm 두께일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5nm 내지 40nm일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 10nm 내지 30nm일 수 있다.
제1 광전변환영역(30a) 및 제2 광전변환영역(30b)의 두께 합은 도핑영역(30c)의 두께보다 클 수 있다. 제1 광전변환영역(30a)과 제2 광전변환영역(30b)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 빛을 받는 측에 가깝게 위치한 광전변환영역은 충분한 두께로 형성될 수 있다. 일 예로, 제2 전극(20)이 제1 전극(10)보다 빛을 받는 측에 가까운 경우, 제2 광전변환영역(30b)의 두께는 제1 광전변환영역(30a)와 같거나 그보다 두꺼울 수 있다.
도핑영역(30c)은 엑시톤 활성 감소제를 포함함으로써 도핑영역(30c) 내의 p형 흡광 물질 및/또는 n형 흡광 물질에 의해 생성된 엑시톤의 활성을 감소 및/또는 억제시켜 도핑영역(30c)에서 흡수된 광의 광전변환효율을 감소시킬 수 있다.
흡광층(30)은 위치에 따라 주로 흡수하는 파장 영역이 상이할 수 있으며, 예컨대 흡광층(30)의 두께 방향을 따라 주로 흡수하는 파장 영역이 상이할 수 있다. 일 예로, 녹색 광은 흡광층(30) 중 빛이 입사되는 측에 가까운 영역에서 주로 흡수될 수 있으며 청색 광은 흡광층(30)의 중간 영역에서 주로 흡수될 수 있다.
본 구현예에서는 가시광선 파장 영역에 따라 흡광층(30)의 흡수 위치가 상이한 점을 고려하여 원하지 않는 파장 영역이 주로 흡수되는 영역에 엑시톤 활성 감소제를 포함한 도핑영역(30c)을 둠으로써 원하지 않는 파장 영역에 대한 광전변환효율을 낮출 수 있고 이에 따라 유기 광전 소자의 파장 선택성을 높일 수 있다.
예컨대 흡광층(30)이 약 500nm 내지 600nm 파장 영역을 주로 흡수하는 녹색 흡광층일 때, 원하는 파장 영역인 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 광은 제1 및 제2 광전변환영역(30a, 30b)에서 최대로 흡수되고 그 외의 파장 영역의 광은 도핑영역(30c)에서 최대로 흡수될 수 있다.
구체적으로, 유기 광전 소자(100)의 외부양자효율(EQE)은 흡광층(30)의 흡광도(absorptance) 및 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)에 비례할 수 있으며, 내부양자효율(IQE)은 전하 분리 효율(charge separation efficiency, CS)과 전하 수집 효율(charge collection efficiency, CC)로 나눌 수 있다.
본 구현예에서는 원하는 파장 영역의 광이 흡수되는 위치에 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 최적의 효율을 낼 수 있는 조성비로 포함하여 원하는 파장 영역의 광의 흡광도 및 전하 분리 효율을 확보하는 동시에, 원하지 않는 파장 영역의 광이 흡수되는 위치에 엑시톤 활성 감소제가 도핑된 도핑영역(30c)을 둠으로써 원하지 않는 파장 영역의 광의 전하 분리 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이에 따라 원하는 파장 영역의 광의 외부양자효율(EQE)은 확보하는 동시에 원하지 않는 파장 영역의 광의 외부양자효율을 낮춤으로써 파장 선택성을 높일 수 있다.
한편 엑시톤 활성 감소제는 전술한 바와 같이 정공 수송성 엑시톤 활성 감소제 또는 전자 수송성 엑시톤 활성 감소제와 같이 전하 수송 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 제1 및 제2 광전변환영역(30a, 30b)에서 분리된 정공은 도핑영역(30c)을 통과하는 동안 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로의 이동성을 높일 수 있고 제1 및 제2 광전변환영역(30a, 30b)에서 분리된 전자는 도핑영역(30c)을 통과하는 동안 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 캐소드 측으로의 이동성을 높일 수 있다. 특히 엑시톤 활성 감소제가 정공 수송성 엑시톤 활성 감소제인 경우, 일반적으로 전자보다 이동도가 낮은 정공의 이동도를 높여 흡광층(30) 내에서 전자와 정공의 이동도의 균형을 맞출 수 있다.
따라서 본 구현예에 따른 유기 광전 소자는 파장 선택성을 높이면서 전하의 이동성을 높여 고순도 고효율 유기 광전 소자를 구현할 수 있다.
일 예로, 파장 선택성은 예컨대 원하는 파장 영역의 광의 외부양자효율(EQE)과 원하지 않는 파장 영역의 광의 외부양자효율(EQE)의 비율로 계산될 수 있다. 예컨대 흡광층(30)이 약 500nm 내지 600nm 파장 영역을 주로 흡수하는 녹색 흡광층이고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 하나는 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 제1 가시광과 약 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역의 제2 가시광을 함께 흡수할 때, 제1 가시광과 제2 가시광에 대한 유기 광전 소자의 외부양자효율은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
EQEmax/EQE450nm ≥ 3.80
상기 관계식 1에서,
EQEmax는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 상기 제1 가시광의 최대흡수파장에서의 외부양자효율이고,
EQE450nm는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 450nm에서의 외부양자효율이다.
일 예로, 상기 범위 내에서, 예컨대 하기 관계식 1a를 만족할 수 있다.
[관계식 1a]
EQEmax/EQE450nm ≥ 3.85
일 예로, 상기 범위 내에서, 예컨대 하기 관계식 1b를 만족할 수 있다.
[관계식 1b]
EQEmax/EQE450nm ≥ 4.00
일 예로, 파장 선택성은 반치폭(full width at half maximum, FWHM)으로 표현될 수 있다. 반치폭은 파장에 따른 흡광 곡선에서 최대 흡광 지점의 반(half)에 대응하는 파장의 폭(width)으로, 예컨대 자외-가시광 분광 광도계(UV-Vis spectroscopy)로 측정되는 흡광도(absorbance)를 기준으로 정의될 수 있다. 흡광층(30)은 예컨대 110nm 미만의 반치폭을 가질 수 있으며, 예컨대 약 105nm 이하의 반치폭을 가질 수 있으며, 예컨대 약 100nm 이하의 반치폭을 가질 수 있다.
일 예로, 흡광층(30)의 p형 흡광 물질은 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있고 n형 흡광 물질은 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 제1 가시광과 약 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역의 제2 가시광을 함께 흡수할 수 있다.
일 예로, 흡광층(30)의 p형 흡광 물질은 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체, 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체일 수 있고 n형 흡광 물질은 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, 흡광층(30)의 p형 흡광 물질은 예컨대 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기물일 수 있고, n형 흡광 물질은 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, 흡광층(30)의 p형 흡광 물질은 예컨대 하기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00012
상기 화학식 1에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
EDG는 전자 공여기이고,
EAG는 전자 수용기이고,
R1, R2, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
상기 p형 흡광 물질은 예컨대 하기 화학식 1A 또는 1B로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1A] [화학식 1B]
Figure pat00013
Figure pat00014
상기 화학식 1A 또는 1B에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Ar은 치환 또는 비치환된 5원 고리, 치환 또는 비치환된 6원 고리 또는 이들 중 둘 이상의 축합 고리이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G1은 단일 결합, -(CRgRh)n2-, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나이고, 여기서 n2는 1 또는 2이고,
R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
상기 p형 흡광 물질은 예컨대 하기 화학식 1A-1 내지 1A-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1A-1]
Figure pat00015
[화학식 1A-2]
Figure pat00016
[화학식 1A-3]
Figure pat00017
[화학식 1A-4]
Figure pat00018
상기 화학식 1A-1 내지 1A-4에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Z1은 O 또는 CRcRd 이고,
Y1은 N 또는 CRe이고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rf)(CN)에서 선택된 하나이고,
Y3는 O, S, Se 또는 Te이고,
Y4는 N 또는 NR18a이고,
Y5는 CR19a 또는 C=CR20a(CN)이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
R1a 내지 R3a, R11a, R12a, R15a 내지 R20a, R24a, R25a, Ra 내지 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이고,
n1은 0 또는 1이고, m1은 0 또는 1이고, m2는 0 내지 4의 정수이다.
상기 화학식 1A-1 내지 1A-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 그룹 1에 나열된 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 1]
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
상기 p형 흡광 물질은 예컨대 하기 화학식 1B-1 내지 1B-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1B-1]
Figure pat00027
[화학식 1B-2]
Figure pat00028
[화학식 1B-3]
Figure pat00029
[화학식 1B-4]
Figure pat00030
상기 화학식 1B-1 내지 1B-4에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Z1은 O 또는 CRcRd 이고,
Y1은 N 또는 CRe이고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rf)(CN)에서 선택된 하나이고,
Y3는 O, S, Se 또는 Te이고,
Y4는 N 또는 NR18a이고,
Y5는 CR19a 또는 C=CR20a(CN)이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G1은 단일 결합, -(CRgRh)n2-, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나이고, 여기서 n2는 1 또는 2이고,
R1a 내지 R3a, R11a, R12a, R15a 내지 R20a, R24a, R25a, Ra 내지 Rm은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이고,
n1은 0 또는 1이고, n2는 0, 1 또는 2이고, m1은 0 또는 1이고, m2는 0 내지 4의 정수이다.
상기 화학식 1B-1 내지 1B-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 그룹 2에 나열된 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 2]
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
Figure pat00038
상기 그룹 2에서,
각각의 방향족 링에 존재하는 수소는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택되는 치환기로 치환될 수 있고,
R16, R17, R18, R20 및 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 또는 이들의 조합일 수 있다.
흡광층(30)은 진성층(intrinsic layer, I층)일 수 있으며, 흡광층(30)의 일면 또는 양면에 p형 층 및/또는 n형 층을 더 포함할 수 있다. 예컨대 유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다. p형 층은 p형 흡광 물질을 포함할 수 있고, n형 층은 n형 흡광 물질을 포함할 수 있다.
흡광층(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.
유기 광전 소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)의 일면에 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
반사방지층은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다. 예컨대 제1 전극(10) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제1 전극(10)의 일면에 위치할 수 있고 제2 전극(20) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제2 전극(20)의 일면에 위치할 수 있다.
반사방지층은 예컨대 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 범위의 굴절률을 가지는 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반사방지층은 예컨대 알루미늄 함유 산화물, 몰리브덴 함유 산화물, 텅스텐 함유 산화물, 바나듐 함유 산화물, 레늄 함유 산화물, 니오븀 함유 산화물, 탄탈륨 함유 산화물, 티타늄 함유 산화물, 니켈 함유 산화물, 구리 함유 산화물, 코발트 함유 산화물, 망간 함유 산화물, 크롬 함유 산화물, 텔러륨 함유 산화물 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물; 아연설파이드와 같은 금속 황화물; 또는 아민 유도체와 같은 유기물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 다른 구현예에 따른 유기 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 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 흡광층(30)을 포함한다. 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 흡광층(30)은 전술한 바와 같다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 광전 소자(200)는 전술한 구현예와 달리 제1 전극(10)과 흡광층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 흡광층(30) 사이에 각각 전하 보조층(40, 50)을 더 포함한다. 전하 보조층(40, 50)은 흡광층(30)에서 분리된 정공과 전자의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 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.
전하 보조층(40, 50) 중 어느 하나는 생략될 수 있다.
상기 유기 광전 소자는 이미지 센서, 광 검출기, 광 센서 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 광전 소자는 예컨대 이미지 센서에 적용될 수 있다.
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 4는 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 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(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)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 다이오드(photodiode)일 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 각각 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.
반도체 기판(110) 위에는 또한 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) 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 화소에 형성되어 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) 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 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 흡광층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투명 전극일 수 있으며, 흡광층(30)은 전술한 바와 같다. 흡광층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며 녹색 화소의 색 필터를 대체할 수 있다.
제2 전극(20) 측으로부터 입사된 광은 흡광층(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 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 유기 광전 소자(100)의 흡광층(30)에서 녹색 파장 선택성을 높임으로써 녹색 이외의 파장 영역의 광에 의해 발생하는 크로스토크를 줄이고 이미지 센서의 감도를 높일 수 있다.
도 5에서는 도 1의 유기 광전 소자(100)를 포함하는 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 도 3의 유기 광전 소자(200)를 포함하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 4 및 도 5에서는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 예시적으로 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 적색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있고, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있다.
도 6은 도 4의 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 상부 절연층(80) 및 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 달리, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직 방향으로 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략되어 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 영역의 광을 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)의 흡광층(30)에서 녹색 파장 선택성을 높임으로써 녹색 이외의 파장 영역의 광에 의해 발생하는 크로스토크를 줄이고 감도를 높일 수 있다.
도 6에서는 도 1의 유기 광전 소자(100)를 포함하는 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 도 3의 유기 광전 소자(200)를 포함하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 6에서는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 예시적으로 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 적색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있고, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조일 수도 있다.
도 7은 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 8은 도 7의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(70), 상부 절연층(80), 제1 유기 광전 소자(100a), 제2 유기 광전 소자(100b) 및 제3 유기 광전 소자(100c)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55a, 55b, 55c)가 집적되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다.
하부 절연층(60) 위에는 제1 유기 광전 소자(100a)가 형성되어 있다.
제1 유기 광전 소자(100a)는 서로 마주하는 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a), 그리고 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a) 사이에 위치하는 흡광층(30a)을 포함한다. 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 흡광층(30a)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제1 유기 광전 소자(100a)는 적색 광전 소자일 수 있다.
제1 유기 광전 소자(100a) 위에는 중간 절연층(70)이 형성되어 있다.
중간 절연층(70) 위에는 제2 유기 광전 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 유기 광전 소자(100b)는 서로 마주하는 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b), 그리고 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b) 사이에 위치하는 흡광층(30b)을 포함한다. 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 흡광층(30b)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 유기 광전 소자(100b)는 청색 광전 소자일 수 있다.
제2 유기 광전 소자(100b) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60), 중간 절연층(70) 및 상부 절연층(80)은 전하 저장소(55a, 55b, 55c)를 드러내는 복수의 관통구를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 유기 광전 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 유기 광전 소자(100c)는 서로 마주하는 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c), 그리고 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c) 사이에 위치하는 흡광층(30c)을 포함한다. 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 흡광층(30c)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제3 유기 광전 소자(100c)는 녹색 광전 소자일 수 있다.
제1 유기 광전 소자(100a)의 흡광층(30a), 제2 유기 광전 소자(100b)의 흡광층(30b) 및 제3 유기 광전 소자(100c)의 흡광층(30c) 중 적어도 하나는 전술한 바와 같이 광전변환영역 및 엑시톤 활성 감소제를 포함한 도핑영역을 포함할 수 있다. 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
도면에서는 제1 유기 광전 소자(100a), 제2 유기 광전 소자(100b) 및 제3 유기 광전 소자(100c)가 차례로 적층된 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 유기 광전 소자(100a), 제2 유기 광전 소자(100b) 및 제3 유기 광전 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 유기 광전 소자(100)의 흡광층(30)에서 파장 선택성을 높임으로써 원하는 파장 영역 이외의 파장 영역의 광에 의해 발생하는 크로스토크를 줄이고 감도를 높일 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예들을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리 범위를 제한하는 것은 아니다.
유기 광전 소자의 제작 I
실시예 1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 약 150nm 두께의 애노드를 형성한다. 이어서 애노드 위에 하기 화학식 A로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 하부 버퍼층을 형성한다. 이어서 하부 버퍼층 위에 p형 흡광 물질인 하기 화학식 B로 표현되는 화합물, n형 흡광 물질인 C60 및 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)를 공증착하여 110nm 두께의 흡광층을 형성한다. 이때 흡광층은 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 15nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:2의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 75nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한다. 이어서 흡광층 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 7nm 두께의 캐소드를 형성하고 그 위에 고굴절막으로 산화알루미늄 50nm를 증착하여 유기 광전 소자를 제작한다.
[화학식 A]
Figure pat00039
[화학식 B]
Figure pat00040
실시예 2
흡광층 형성시, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 30nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:2의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 60nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
실시예 3
흡광층 형성시, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 30nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:1의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 60nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
실시예 4
흡광층 형성시, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 45nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:2의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 45nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
비교예 1
p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 2:1의 단일 부피비를 가지는 110nm 두께의 흡광층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
평가 I
실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 유기 광전 소자의 파장 영역에 따른 외부양자효율을 비교한다.
광전변환효율(EQE)는 400nm 내지 720nm 파장 영역(λmax=570nm)에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가한다. 녹색 파장 영역의 기준 파장은 최대 흡수 파장(λmax)으로 약 570nm이고 청색 파장 영역의 기준 파장은 450nm 이다.
그 결과는 표 1과 같다.
EQEmax (G) (%) EQE450nm (B) (%) EQEmax (G)/ EQE450nm (B) 반치폭(nm)
실시예 1 63.9 15.2 4.20 102
실시예 2 59.6 11.5 5.17 100
실시예 3 58.6 12.1 4.83 97
실시예 4 56.9 8.4 6.76 93
비교예 1 66.8 18.2 3.67 110
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 유기 광전 소자는 청색 광의 흡수가 크게 낮아져 녹색 광에 대한 파장 선택성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
유기 광전 소자의 제작 II
실시예 5
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 약 150nm 두께의 애노드를 형성한다. 이어서 애노드 위에 p형 흡광 물질인 하기 화학식 C로 표현되는 화합물, n형 흡광 물질인 C60 및 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)를 공증착하여 110nm 두께의 흡광층을 형성한다. 이때 흡광층은 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 30nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:2의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 60nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한다. 이어서 흡광층 위에 MoOx(0<x≤3)):Al (1:1wt/wt)을 증착하여 10nm 두께의 상부 버퍼층을 형성한다. 이어서 상부 버퍼층 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 7nm 두께의 캐소드를 형성하고 그 위에 고굴절막으로 산화알루미늄 50nm를 증착하여 유기 광전 소자를 제작한다.
[화학식 C]
Figure pat00041
비교예 2
p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 2:1의 단일 부피비를 가지는 110nm 두께의 흡광층을 형성한 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
평가 II
실시예 5와 비교예 2에 따른 유기 광전 소자의 파장 영역에 따른 외부양자효율을 비교한다. 그 결과는 표 2와 같다.
EQEmax (G) (%) EQE450nm (B) (%) EQEmax (G)/ EQE450nm (B) 반치폭(nm)
실시예 5 51.6 9.4 5.49 104
비교예 2 45.3 12.1 3.74 113
표 2를 참고하면, 실시예 5에 따른 유기 광전 소자는 청색 광의 흡수가 크게 낮아져 녹색 광에 대한 파장 선택성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
유기 광전 소자의 제작 III
실시예 6
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 약 150nm 두께의 애노드를 형성한다. 이어서 애노드 위에 상기 화학식 A로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 하부 버퍼층을 형성한다. 이어서 하부 버퍼층 위에 p형 흡광 물질인 하기 화학식 D로 표현되는 화합물, n형 흡광 물질인 C60 및 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)를 공증착하여 110nm 두께의 흡광층을 형성한다. 이때 흡광층은 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 1.5:1의 부피비를 가지는 30nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 1.5:1:1.5의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 1.5:1의 부피비를 가지는 60nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한다. 이어서 흡광층 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 7nm 두께의 캐소드를 형성하고 그 위에 고굴절막으로 산화알루미늄 50nm를 증착하여 유기 광전 소자를 제작한다.
[화학식 D]
Figure pat00042
실시예 7
흡광층 형성시, p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 20nm 두께의 하부 광전변환영역을 형성하고 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물을 3원 공증착하여 p형 흡광 물질, n형 흡광 물질 및 몰리브덴 산화물이 2:1:2의 부피비를 가지는 20nm 두께의 도핑영역을 형성하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질이 2:1의 부피비를 가지는 70nm 두께의 상부 광전변환영역을 형성한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
비교예 3
p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 1.5:1의 단일 부피비를 가지는 110nm 두께의 흡광층을 형성한 것을 제외하고 실시예 6와 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
비교예 4
p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 2원 공증착하여 2:1의 단일 부피비를 가지는 110nm 두께의 흡광층을 형성한 것을 제외하고 실시예 6와 동일한 방법으로 유기 광전 소자를 제작한다.
평가 III
실시예 6과 비교예 3에 따른 유기 광전 소자의 파장 영역에 따른 외부양자효율을 비교한다. 마찬가지로, 실시예 7과 비교예 4에 따른 유기 광전 소자의 파장 영역에 따른 외부양자효율을 비교한다.
그 결과는 표 3 및 4와 같다.
EQEmax (G) (%) EQE450nm (B) (%) EQEmax (G)/ EQE450nm (B) 반치폭(nm)
실시예 6 60.1 15.0 4.00 107
비교예 3 59.5 20.7 2.87 127
EQEmax (G) (%) EQE450nm (B) (%) EQEmax (G)/ EQE450nm (B) 반치폭(nm)
실시예 7 53.6 13.9 3.86 112
비교예 4 45.7 15.8 2.89 131
표 3 및 4를 참고하면, 실시예 6 및 7에 따른 유기 광전 소자는 청색 광의 흡수가 크게 낮아져 녹색 광에 대한 파장 선택성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 제1 전극 20: 제2 전극
30: 흡광층 30a: 제1 광전변환영역
30b: 도핑영역 30c: 제2 광전변환영역
40, 50: 전하 보조층
100, 200: 유기 광전 소자
300, 400, 500: 유기 CMOS 이미지 센서

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 p형 흡광 물질과 n형 흡광 물질을 포함하는 흡광층
    을 포함하고,
    상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 가시광의 일부를 선택적으로 흡수하며,
    상기 흡광층은
    상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질을 포함하는 광전변환영역, 그리고
    상기 p형 흡광 물질 및 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나와 엑시톤 활성 감소제(exciton quencher)를 포함하는 도핑영역
    을 포함하는 유기 광전 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 광전변환영역은 상기 제1 전극에 가까운 제1 광전변환영역과 상기 제2 전극에 가까운 제2 광전변환영역을 포함하고,
    상기 도핑영역은 상기 제1 광전변환영역과 상기 제2 광전변환영역 사이에 위치하는 유기 광전 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 빛을 받는 측에 가깝고,
    상기 제2 광전변환영역의 두께는 상기 제1 광전변환영역과 같거나 그보다 두꺼운 유기 광전 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 엑시톤 활성 감소제는 금속, 반금속, 금속 산화물, 반금속 산화물, 유기물 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 광전 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 엑시톤 활성 감소제는 정공 수송성 금속, 정공 수송성 반금속, 정공 수송성 금속 산화물, 정공 수송성 반금속 산화물, 정공 수송성 유기물 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 광전 소자.
  6. 제4항에서,
    상기 엑시톤 활성 감소제는 구리, 은, 금, 알루미늄, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 광전 소자.
  7. 제1항에서,
    상기 엑시톤 활성 감소제는 상기 도핑영역에 대하여 50부피% 이하로 포함되는 유기 광전 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 적어도 하나는 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역, 500nm 내지 600nm의 파장 영역 및 600nm 초과 700nm 이하의 파장 영역 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자.
  9. 제1항에서,
    상기 흡광층은 서로 다른 파장 영역인 제1 가시광 및 제2 가시광을 흡수하고,
    상기 제1 가시광은 광전변환영역에서 최대로 흡수되고,
    상기 제2 가시광은 상기 도핑영역에서 최대로 흡수되는
    유기 광전 소자.
  10. 제9항에서,
    상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 하나는 상기 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고,
    상기 p형 흡광 물질과 상기 n형 흡광 물질 중 다른 하나는 상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광을 흡수하는
    유기 광전 소자.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 가시광은 500nm 내지 600nm의 파장 영역이고,
    상기 제2 가시광은 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역인
    유기 광전 소자.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광에 대한 상기 유기 광전 소자의 외부양자효율은 하기 관계식 1을 만족하는 유기 광전 소자:
    [관계식 1]
    EQEmax/EQE450nm ≥ 3.80
    상기 관계식 1에서,
    EQEmax는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 상기 제1 가시광의 최대흡수파장에서의 외부양자효율이고,
    EQE450nm는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 측정된 450nm에서의 외부양자효율이다.
  13. 제10항에서,
    상기 p형 흡광 물질은 상기 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고,
    상기 n형 흡광 물질은 상기 제1 가시광과 상기 제2 가시광을 흡수하는
    유기 광전 소자.
  14. 제13항에서,
    상기 n형 흡광 물질은 플러렌 또는 플러렌 유도체인 유기 광전 소자.
  15. 제13항에서,
    상기 p형 흡광 물질은 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기물인 유기 광전 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물인 유기 광전 소자:
    [화학식 1]
    Figure pat00043

    상기 화학식 1에서,
    X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
    EDG는 전자 공여기(electron donating group)이고,
    EAG는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
    R1, R2, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
  17. 제16항에서,
    상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1A 또는 1B로 표현되는 화합물인 유기 광전 소자:
    [화학식 1A] [화학식 1B]
    Figure pat00044
    Figure pat00045

    상기 화학식 1A 또는 1B에서,
    X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
    Ar은 치환 또는 비치환된 5원 고리, 치환 또는 비치환된 6원 고리 또는 이들 중 둘 이상의 축합 고리이고,
    Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
    G1은 단일 결합, -(CRgRh)n2-, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나이고, 여기서 n2는 1 또는 2이고,
    R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
  18. 제17항에서,
    상기 p형 흡광 물질은 하기 화학식 1A-1 내지 1B-4 중 어느 하나로 표현되는 화합물인 유기 광전 소자:
    [화학식 1A-1]
    Figure pat00046

    [화학식 1A-2]
    Figure pat00047

    [화학식 1A-3]
    Figure pat00048

    [화학식 1A-4]
    Figure pat00049

    [화학식 1B-1]
    Figure pat00050

    [화학식 1B-2]
    Figure pat00051

    [화학식 1B-3]
    Figure pat00052

    [화학식 1B-4]
    Figure pat00053

    상기 화학식 1A-1 내지 1B-4에서,
    X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
    Z1은 O 또는 CRcRd 이고,
    Y1은 N 또는 CRe이고,
    Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rf)(CN)에서 선택된 하나이고,
    Y3는 O, S, Se 또는 Te이고,
    Y4는 N 또는 NR18a이고,
    Y5는 CR19a 또는 C=CR20a(CN)이고,
    Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
    R1a 내지 R3a, R11a, R12a, R15a 내지 R20a, R24a, R25a, Ra 내지 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이고,
    n1은 0 또는 1이고,
    m1은 0 또는 1이고,
    m2는 0 내지 4의 정수이다.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서.
  20. 제19항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.

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