KR20180023030A - 적외선 전자기 방사선을 검출 및 변환하기 위한 방법 - Google Patents
적외선 전자기 방사선을 검출 및 변환하기 위한 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 적외선 전자기 방사선을 검출하기 위한 방법 또는 적외선 전자기 방사선을 전기적 신호로 변환하기 위한 방법, 그리고 광전자 컴포넌트, 특히 (근) 적외선 검출을 위한 유기 적외선 검출기, 그리고 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위 내의 전자기 신호를 검출하기 위한 광전자 컴포넌트의 사용에 관한 것이다.
Description
본 발명은 적외선 전자기 방사선(infrared electromagnetic radiation)을 검출하기 위한 방법, 그리고 적외선 전자기 방사선을 전기적 신호(electrical signal)로 변환하기 위한 방법, 그리고 광전자 컴포넌트(optoelectronic component), 특히 (근) 적외선 검출을 위한 유기 적외선 검출기(organic infrared detector), 그리고 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위(wavelength range) 내의 전자기 신호(electromagnetic signal)를 검출하기 위한 광전자 컴포넌트의 사용에 관한 것이다.
감광성 광전자 컴포넌트(photosensitive, optoelectronic component)는 전자기 주변 방사선(electromagnetic ambient radiation)을 전기(electricity)로 변환한다. 컴포넌트 클래스(component class)는 솔라 셀(solar cell)들 및 검출기(detector)들을 포함한다. 솔라 셀들은 태양광(sunlight) 중 가장 큰 가능한 비율을 전기적 파워(electrical power)로 변환하기 위해 최적화된다. 반면, 검출기들은 검출 범위 내에서 가장 높은 외부 양자 효율(external quantum efficiencies) 및 더 빠른 응답 시간(response times)을 획득하기 위해 외부에서 인가되는 전압으로 종종 동작된다(이에 따라 에너지를 자급자족하지 못한다). 더욱이, 이들의 검출 범위는 가시광(visible light)을 넘어 존재할 수 있다. 이들은 광전자 컴포넌트에 의해 발생되는 전류 강도(current strength)를 판독(reading out)하고 후속 처리(further processing)하기 위한 디바이스(device)에 종종 연결된다.
적외선 검출기(InfRared detector)(IR 검출기)들을 위한 광범위한 솔루션 접근법(solution approach)들이 종래 기술로부터 알려져 있고, 그리고 이들은 이들의 동작 원리에 따라 다섯 개의 카테고리(category)들로 나누어진다. 여기서, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람은 다음과 같은 것들을 구분한다:
1. 반도체(semiconductor)의 싱글릿 흡수(singlet absorption)에 기반을 둔 검출기들이 알려져 있는데, 이러한 반도체의 싱글릿 흡수에서, 전자들은 완전 점유 상태(fully occupied state)(원자가 밴드 에너지(valence band energy) 혹은 HOMO 에너지 혹은 더 낮은 에너지(lower energy))를 비점유 레벨(unoccupied level)(전도 밴드 에너지(conduction band energy) 혹은 LUMO 에너지 혹은 더 높은 에너지(higher energy))로 끌어올려(lift)진다. 사용된 활성 매체(active medium)에 근거하여, 다음과 같은 네 개의 그룹(group)들로 더 세분화될 수 있다:
(a) 무기물-기반의 IR 검출기(inorganic-based IR detector)들은 희토류(rare earth)들(예를 들어, 인듐(indium) 혹은 갈륨(gallium))의 사용에 대부분 기반을 두고 있는데, 이들의 생산은 기술적으로 요구하는 것이 많고 따라서 에너지-집약적이며 특히 비용-집약적인데, 이것은 단점이다. 이와 동시에, 무기물-기반의 IR 검출기들은 유기물-기반의 솔류션 접근법들(organic-based solution approache)(Downs und Vandervelde, Sensors 2013, 13, doi:10.3390/s130405054)과 비교해 기계적으로 가요성이 없고(mechanically inflexible), 더 큰 부피를 갖거나 더 무거운 컴포넌트들로 이어진다.
(b) 추가 무기물-기반 실시예에서는, 납(II) 설파이드(lead (II) sulphide)와 같은 납-함유 염(lead-containing salt)들이 사용되지만, 이들은 1(a)보다 훨씬 더 느린 응답 시간을 갖고 납 함유로 인해 특히 독성이 있는 것으로서 분류된다(Humphrey, Appl. Opt. 1965 4, 665-675).
(c) 유기 화합물(organic compound)들의 진공 처리(vacuum processing)에 의해 생산되는 유기물-기반 IR 검출기들의 경우, 이러한 IR 검출기들 중 단지 일부만이 1000 nm보다 큰 파장에서 흡수를 갖는 것은 특히 단점이다(Baeg et al., Advanced Materials 2013, 25(31), 4267-4295). 이것은 승화(sublimation)에 대한 높은 열안정성 요건(thermostable requirement)들에 기반을 두고 있는데, 이는 더 낮은 에너지 밴드 갭(lower-energy band gap)(즉, 근 적외선 파장 범위(near infrared wavelength range)에서의 흡수)을 갖는 유기 반도체(organic semiconductor)들과는 상충된다.
(d) 유기물-기반 IR 검출기들은 대안적으로 또한 용매 처리(solvent processing)에 의해 생성될 수 있는데, 이 경우 페닐-C61-부티릭 산 메틸 에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)(짧게 줄여서, PCBM) 및 4,4'-비피리딜(4,4'-bipyridil)(짧게 줄여서, 비피(Bipy)) 첨가물(additive)과의 아연 포르피린 다이머(zinc porphyrin dimer)의 조합물(combination)과 같은 1000nm보다 큰 파장에서 싱글릿 흡수(singlet absorption)를 갖는 광활성 층들에 대해 단지 몇 가지 성분(composition)들만이 문헌에 설명되어 있다. 그럼에도 불구하고, 단락-회로 조건(short-circuit conditions) 하에서 이러한 IR 검출기들의 최대 외부 양자 효율이 (1400nm에서) 13.5%로 한정되는 것이 단점이다.
(e) 특히 탄소 나노튜브(carbon nanotube)들 혹은 그라핀 모노레이어(graphene monolayer)들이 사용되는 탄소-기반 IR 검출기(carbon-based IR detector)들은 단락-회로 조건 하에서 2.3% 혹은 2%의 훨씬 더 낮은 최대 외부 양자 효율을 갖고, 이와 동시에 단지 400 nm 내지 1600 nm의 넓은(wide) 주파수 밴드(frequency band)에 걸쳐서만 흡수를 허용하는데, 이에 따라 광전자 컴포넌트는 IR 방사선(IR radiation)에 대해 선택적으로 민감하지 않다(Gong et al., ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 150330161533004. doi:10.1021/acsami.5b01536 and Furchi et al., Nano Letters 2012, 12(6), 2773-2777).
2. 직접적인 발색단간 전하 이동 상태(direct interchromophoric charge transfer state)의 흡수에 기반을 둔 IR 검출기들이 또한 알려져 있고, 이러한 IR 검출기들은 사용된 활성 매체에 따라 세분화된다:
(a) 베드노르즈(Bednorz) 등(Organic Electronics: Physics, Materials, Applications 2013, 14(5), 1344-1350)은, 하이브리드 IR 검출기(hybrid IR detector)들의 경우에, 유기물 층(예를 들어, 페릴렌 유도체(perylene derivative)들)으로부터 무기물 층(예를 들어, 실리콘(silicon))으로의 전이(transition)에서 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수를 이용하는 것을 개시한다. 저자(author)들은 1550 nm의 파장에서 1%보다 훨씬 적은 낮은 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)을 보고(report)한다. 더욱 불리한 것은, 이러한 종류의 IR 검출기들은 기계적으로 가요성이 없고, 이들의 생산은 인듐 혹은 갈륨과 같은 희토류들을 요구하는데, 이것은 생산 비용을 상당히 증가시킨다.
(b) 특히, 페닐-C61-부티릭 산 메틸 에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)(짧게 줄여서, PCBM)과의 혼합된 층 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene))(짧게 줄여서, P3HT)으로부터, 유기물 반도체와 플러렌(fullerene)들 간의 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수가 우(Wu) 등에 의한 공개(publication)(Energy & Environmental Science 2011, 4(9), 3374. doi:10.1039/c1ee01723c)로부터 알려져 있다. 매우 약한 흡수 계수(absorption coefficient)로 인해, 125 nm의 광활성 층은 단지 0.05%의 EQE에만 이르게 되고, 이 경우 전자기 조사(electromagnetic irradiation)는 980 nm의 파장에서 이루어진다. 빈켄(Beenken) 등(Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 16494. doi: 10.1039/c3cp42236d)은 또한, 동일한 혼합된 층(P3HT:PCBM)의 흡수 스펙트럼들(absorption spectra)의 고려로부터 직접적인 발색단간 전하 이동(분자간 전하-이동 전이(intermolecular charge-transfer transition))의 낮은 오실레이터 강도(oscillator strength)를 이끌어낸다. 결과적인 전하 이동 엑시톤(charge transfer exciton)들은 열적으로 안정적인 것으로 고려되는데, 이것은 고려되는 전하 이동 상태에 의한 단지 극단적으로 낮은 광전류 발생(photocurrent generation)만을 시사(imply)하거나 혹은 광전류 발생이 없음을 시사한다.
문서 US 2009/0289247 A1은 더 효율적인 IR 검출기들을 개시하는데, 이러한 IR 검출기들은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수를 증가시키기 위해 10 ㎛보다 더 두꺼운 광활성 층들을 제안한다. 하지만, 이러한 종류의 IR 검출기들의 효과적인 동작을 위해서는, 광활성 층의 높은 전기적 저항(electrical resistance)을 극복하기 위해 100 V이상의 높은 동작 전압들이 필요하며, 여기서 광활성 층의 층 두께는 솔라 셀들에서 종래에 사용되는 두께보다 두 자리 수(orders of magnitude) 또는 세 자리 수 더 크다. 불리한 것으로 이것은 더 큰 암전류(dark current)들, 그리고 5보다 작은 광전류(photocurrent) 대 암전류(dark current)의 매우 낮은 온-오프 비율(on-off ratio)을 수반한다. 비효과적인 전하 운반자 전달(charge carrier transport)은 또한, 검출될 방사선의 시간 경과에 따른 변화들에 대한 광전류의 느린 응답 시간을 수반한다.
예를 들어, 자이라우베코브(Jailaubekov) 등(Nature Materials 2013, 12, 66)에 의한 전문적 문헌(specialist literature)에서, 전하 이동 상태는 광으로 유발된 전하 운반자들에 대한 트랩(trap)으로서 동작했고 따라서 광전류에 기여하지 않았음이 이전에 믿어졌다.
3. IR 방사선을 검출하기 위한 다른 가능한 것으로서, 리우(Liu) 등(Nano Letters 2014, 14(7), 3702-3708)은 광 흡수에 의한 전도도(conductivity)의 변조(modulation)를 설명한다. 여기서 특히 불리한 것은 단지 5%인 전기적 전도도의 낮은 온-오프 비율이다.
4. 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람은 또한 표면 플라즈몬(surface plasmon)들에 의한 흡수에 기반을 둔 IR 검출기들을 알고 있다. 이러한 검출기들은 무기물-기반의 흡수체 물질(inorganic-based absorber material)들에 기반을 두고 있기 때문에, 이러한 종류의 IR 검출기들은 무기물 물질들의 사용과 관련되어 있는 앞서-언급된 단점들을 가지고 있다. 추가적으로, 최대 검출가능한 파장은 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 높이에 의해 제한을 받는다.
5. 마지막으로, 양자 웰 구조(quantum well structure)들 내에서의 서브밴드간 흡수(intersubband absorption) 또는 양자 도트(quantum dot)들로의 전이들과 같은 양자화된 전이(quantized transition)들이 또한 알려져 있는데, 불리한 것으로서 이것은 마찬가지로 무기물-기반의 흡수체 물질들에 기반을 두고 있다. 이러한 검출기들은 또한 대부분 인듐 혹은 갈륨과 같은 희토류들의 사용에 기반을 두고 있으며, 이들의 생산은 기술적으로 요구하는 것이 많고 따라서 에너지-집약적이며 특히 비용-집약적인데, 이것은 단점이다. 추가적으로, 무기물-기반의 IR 검출기들은 유기물-기반의 솔류션 접근법들과 비교해 기계적으로 가요성이 없고, 더 큰 부피를 갖거나 더 무거운 컴포넌트들로 이어진다.
IR 센서(IR sensor)로서 또한 사용될 수 있는 디바이스가 US 2004/0016923 A1으로부터 알려져 있다. 개시되는 매트릭스 정렬(matrix arrangement)들은 두 개의 전극(electrode)들로 구성된 유기물 복수-층 구조(organic multi-layer structure)를 가질 수 있고, 이것은 마이크로 캐비티(micro cavity) 내에 배치된다. 광으로 유발된 전하 이동은 광전류를 발생시키기 위한 메커니즘(mechanism)으로서 특정된다. IUPAC 골드 북(IUPAC Gold Book)(doi: 10.1351/goldbook)의 정의에 따르면, 광으로 유발된 전자 이동(photoinduced electron transfer)은 물질(matter)과의 전자기 방사선의 공진 상호작용(resonant interaction)으로 인해 생성된 전자적 상태(electronic state)로부터 일어나는 전자 이동이다. 이것은 복수-부분 프로세스(multi-part process)인데, 이것은 실제 전하 이동 전에, 먼저 여기된 상태(excited state)(예를 들어, 도너 엑시톤(donor exciton))의 형성을 전제(presuppose)로 한다. 개개의 얇은 층들에 대해서, 높은 소광도(extinction)를 갖는 물질들(예를 들어, MEH-PPV 혹은 섹시티오펜(sexithiophene))이 고려되는데, 이들은 충분히 넓은 파장 범위에서의 (민감한) 분광(spectroscopy)에 대해 적합하지 않다.
감광성 유기물 컴포넌트들 내에 전달 층들을 사용하되, 컴포넌트로부터의 분리된 전하 운반자들을 광전류로서 효과적으로 제거하기 위해 사용하는 것이 예를 들어, 조우(Zhou) 등(Polymer 2013, 54, 6501)으로부터 알려져 있다. 여기서 개시되는 컴포넌트들의 경우, 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에서 공진 파장(resonance wavelength)에 대한 층 두께의 최적화(optimisation)는 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술로부터의 앞서 언급된 단점들을 극복하는 전자기 방사선을 검출하기 위한 방법을 특정하는 것이고, 결과적으로 경제적이고 무게가 가볍고 기계적으로 가요성이 있는 적외선 검출기들을 제공하는 것이며, 아울러 높은 외부 양자 효율을 갖는 적외선 검출기들을 제공하는 것인바, 이들은 검출 파장의 선택에 관해서 높은 자유도(degree of freedom)를 갖는 특징이 있고, 특히, 780 nm 내지 10 ㎛의 스펙트럼 파장 범위(spectral wavelength range)에서의 사용을 위한 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 따른 방법, 그리고 후속하는 청구항들에 따른 전자기 신호를 검출하기 위한 디바이스에 의해 달성된다. 유리한 실시예들이 종속 청구항들에서 특정된다.
780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위(wavelength range) 내의 전자기 신호(electromagnetic signal)를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법은:
(a) 기판(substrate) 상에 정렬되는 광전자 컴포넌트(optoelectronic component)를 제공하는 단계와, 여기서,
광전자 컴포넌트는, 두 개의 미러 표면(mirror surface)들과 광활성 층(photoactive layer)을 갖고,
i. 두 개의 미러 표면들은 서로 대향하여 이격되어 있으며 광학 마이크로 캐비티(optical micro cavity)를 형성하고,
ii. 광활성 층은 미러 표면들 사이에 정렬되며 적어도, 하나의 화합물 1(compound 1) 및 하나의 화합물 2(compound 2)를 포함하고,
화합물 1의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital, 최고준위 점유 분자 오비탈) 에너지와 화합물 2의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, 최저준위 비점유 분자 오비탈) 에너지 간의 에너지 차이는 1.6 eV보다 작고,
미러 표면들 사이의 광학 경로 길이(optical path length)는 검출될 전자기 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응하고,
검출될 전자기 신호의 파장 범위의 등가 에너지는,
- 화합물 1의 HOMO 에너지와 화합물 2의 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이와
- 화합물 1의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이의 범위 내에 있고,
광활성 층은 미러 표면들 사이에서, 검출될 전자기 신호의 파장의 공간 강도 최대치(spatial intensity maximum)가 일어나는 광학 마이크로 캐비티 내에, 정렬되며;
(b) 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위 내의 전자기 신호로 광전자 컴포넌트를 조사(irradiating)하는 단계와;
(c) 광학 마이크로 캐비티 내에서 검출될 전자기 신호를 증폭(amplifying)하는 단계와, 여기서, 검출될 신호의 파장에 의해 유발(induce)되는 화합물 1로부터 화합물 2로의 직접적인 발색단간 전하 이동(direct interchromophoric charge transfer)이 일어나고; 그리고
(d) 전자기 신호를 전기적 신호(electrical signal)로 변환(converting)하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency)(짧게 줄여서, EQE)의 전체 최대치(global maximum)는, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에 있고, 그리고 싱글릿 흡수의 파 범위(wave range)로부터의 가장 높은 EQE와 비교해, 적어도 동일한 레벨(level)에 있으며, 특히 적어도 102만큼 더 높고, 더욱 특정적으로 105만큼 더 높다. 본 발명은, 화합물 1과 화합물 2의 계면(interface)에서의 상태의 약한 흡수, 또는 직접적인 발색단간 전하 이동으로서 알려진 것이, 본 발명에 따라 선택된 미러 표면들의 정렬에 의해 효율적으로 증폭될 수 있다는 놀라운 발견에 기반을 두고 있다.
종래의 유기물 솔라 셀들과는 대조적으로, 싱글릿 흡수에 의해 발생된 엑시톤들이 도너-어셉터 계면(donor-acceptor interface)으로 확산(diffusion)되는 것이 본 발명의 개념(sense)에서는 빠져있고, 대신, 도너와 어셉터 사이의 계면에서의 이동은 흡수에 의해 직접적으로 여기된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 특히 근적외선 범위(near infrared range) 혹은 중간 적외선 범위(middle infrared range)에서 전자기 방사선을 검출하기 위한 광전자 컴포넌트가 제공되며, 이러한 광전자 컴포넌트는 입사하는 전자기 방사선 전체로부터의 전자기 신호를 전기적 신호로 선택적으로 변환한다. 직접적인 발색단간 전하 이동에 기반을 둔 본 발명에 따른 방법은 특히 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에 대해 기대(expect)된 것이 아닌데, 왜냐하면 전문적인 과학 문헌에서, 전하 이동 상태는 광으로 유발된 전하 운반자들에 대한 트랩으로서 동작했고 따라서 광전류에 기여하지 않았음이 이전에 믿어졌기 때문이다.
싱글릿 흡수는 순수한 유기물 반도체 층(즉, 단지 유기 화합물(organic compound)로부터만 구성된 반도체 층) 내에서의 유일한 흡수 메커니즘(sole absorption mechanism)을 설명한다. 싱글릿 흡수는 HOMO 에너지 레벨(혹은 더 낮은 에너지 레벨)로부터 LUMO 에너지 레벨(혹은 더 높은 에너지 레벨)로 전자를 끌어올리게 되는 광자의 흡수이다. 이렇게 함으로써, 전자는 HOMO에서 결손(defect)(정공(hole)으로서 알려진 것)을 남기고, 이러한 결손은 쿨롱 상호작용(Coulomb interaction)에 의해, 여기된 전자(excited electron)와 정전기적으로 결합(electrostatically bond)된다. 결합된 2-입자 상태는 엑시톤으로서 요약(summarize)된다. 엑시톤 결합 에너지(exciton binding energy)로 인해, LUMO 에너지와 HOMO 에너지 간의 에너지 거리(energy distance)보다 100 meV 더 낮은 여기 에너지들이 또한 싱글릿 흡수를 일으킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람은 원리에 있어 분자간(intermolecular) 및 분자내(intramolecular) 전하 이동들 혹은 결과적인 여기된 전하 이동 상태(Charge Transfer state)들(짧게 줄여서, CT 상태들) 간을 구분한다.
전하 이동은 도너 화합물로부터 어셉터 화합물로의 전하의 완전한 혹은 실제적으로 완전한 이동이다. 양쪽 화합물들이 동일한 분자(molecule) 내에 정착(anchor)되어 있다면, 이것은 분자내 전하 이동(intramolecular charge transfer)이다. 만약 통합된 상호작용(coordinated interaction)에 의해 또한 느슨하게 결합(couple)될 수 있는 상이한(별개의) 분자들 혹은 이온(ion)들이 도너 화합물 및 어셉터 화합물로서 동작한다면, 이것은 분자간 전하 이동(intermolecular charge transfer)으로 지칭된다. IUPAC 골드 북(doi: 10.1351/goldbook)의 정의에 따르면, 전하 이동은, 전기적 전하의 많은 부분이, 전자 도너(electron donor)로서 지칭되는 분자 유닛(molecular unit)의 하나의 영역으로부터 전자 어셉터(electron acceptor)로서 지칭되는 분자 유닛의 또 하나의 다른 영역으로 이동되는 전자 이동(분자내 전하 이동)이거나, 또는 하나의 분자 유닛으로부터 또 하나의 다른 분자 유닛으로 이동되는 전자 이동(분자간 전하 이동)이다. 전하 이동은 도너-어셉터 복합체(donor-acceptor complex)들 혹은 다중발색단 분자 유닛(multichromophoric molecular unit)들에 대해 전형적이다.
분자간 전하 이동 상태는 LUMO(혹은 더 높은 에너지 레벨에서의 상태)에서의 여기된 전자와 HOMO(혹은 더 낮은 에너지 레벨)에서의 정공 간의 약하게 결합된 상태이고, 이 경우 앞서 언급된 정공과 전자는 물리적으로 별개의 분자들 상에 배치된다. 전하 이동 상태는 바람직하게는 화합물 1과 화합물 2 사이의 계면에서 형성된다.
분자내 전하 이동 상태는 개개의 분자 내에서의 전자-도너 구조 유닛 및 전자-어셉터 구조 유닛에 기반을 두고 있다.
도 1(좌측 예시)을 참조하면, 두 개의 유기 화합물들이 이들의 밴드 갭(band gap)의 에너지(각각의 화합물들의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지 간의 에너지 차이)에 대응하거나 초과하는 에너지 E1 및 에너지 E2를 갖는 광자들만을 결과적으로 흡수한다. 그 다음 단계에서, 전자기 방사선의 흡수의 결과로서 여기된 화합물은 이제, 재결합(recombination)에 의해 기본 상태(basic state)로 전이할 수 있거나, 또는 LUMO로부터의 음의 전하(negative charge)를 발색단간 전하 이동을 통해 어셉터로서의 역할을 하는 두 번째 화합물의 HOMO로 이동시킬 수 있다.
이와는 대조적으로, 본 발명의 개념에서는, 화합물 1과 화합물 2의 계면에서의 에너지 E3을 갖는 광자의 흡수가 화합물 1의 HOMO(혹은 더 낮은 에너지 레벨)로부터의 전자를 화합물 2의 LUMO(혹은 더 높은 에너지 레벨)로 직접적으로 이동시키는 것을 수반할 때 "직접적인 발색단간 전하 이동"이 존재하고, 그리고 이러한 것의 결과로서, 공통 전하 이동 상태(common charge transfer state)가 화합물 1과 화합물 2 사이에서 직접적으로 여기된다(도 1의 우측 예시 참조). 결과적으로, 직접적인 발색단간 전하 이동을 위해 요구되는 에너지 E3은, 특히, 솔라 셀 물질들의 경우에는, 각각의 밴드 갭들의 에너지 E1 및 E2보다 더 작다.
본 발명에 따르면, 검출될 전자기 신호의 파장 범위의 등가 에너지는, (i) 화합물 1의 HOMO 에너지와 화합물 2의 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이와 (ii) 화합물 1의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이의 범위 내에 있다(즉, 화합물 1과 화합물 2 간의 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에 있음).
여기서, 파장의 등가 에너지는 전자기 방사선의 광자 에너지 E로서 정의되는데, 이것은 다음과 같은 방정식: E = h*c / λ에 따라 파장 λ에 할당되고, 여기서 h는 플랑크의 작용 양자(Planck's quantum of action)에 대응하고 c는 광속(light speed)에 대응한다.
용어 HOMO는, 정의에 따르면, 최고준위 점유 분자 오비탈(Highest Occupied Molecular Orbital)을 지칭한다. 용어 LUMO는, 정의에 따르면, 최저준위 비점유 분자 오비탈(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)을 지칭한다.
마이크로미터 범위(micrometre range)에서 정밀하게 정의되는 거리를 갖는 두 개의 기능적으로 상반되는 미러 표면들이 "광학 마이크로 캐비티(optical micro cavity)"를 형성한다.
본 발명의 개념 내에서, 플라즈몬 반사(plasmonic reflection) 혹은 유전체 반사(dielectric reflection)를 이용하는 평평한 계면(planar interface)들이 미러 표면들로서 특히 적합하다. (분산형 피드백(Distributed FeedBack)(짧게 줄여서, DFB)의 개념에서) 1-차원 간섭 그리드(one-dimensional interference grid)에 의해 높이가 구조화되는 계면들, 아울러 전반사(total reflection)를 이용하는 계면들이 더욱 유리하게 적합하다.
본 발명에 따르면, 미러 표면들 사이의 거리는 미러 정렬(mirror arrangement) 내에서 형성되는 공진 파장(resonance wavelength)이 직접적인 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에 있도록 선택돼야 한다. 미러 정렬 내에 광활성 층을 유리하게 배치함으로써, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수는 미러 표면들이 없는 층 시퀀스(layer sequence)들에서의 흡수와 비교해 10배 내지 10,000배만큼 증가된다.
검출될 입사하는 전자기 신호의 강도는 광활성 층에 걸쳐 평균화되고, 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에 의해 10배 내지 10,000배만큼 증가된다.
직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위에서 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장을 획득하기 위해, 미러 표면들 사이의 (마이크로 캐비티에 의해 둘러싸이는(enclose) 모든 층들을 포함하는) 광학 경로 길이(optical path length)는 바람직하게는 원하는 직접적인 발색단간 전하 이동 흡수의 파장의 절반에 대응한다. 여기서, 마이크로 캐비티의 광학 경로 길이는, 미러 표면들 사이에 배치되는 개개의 모든 층들에 걸쳐 합산된 매체의 굴절률(refractive index)과 기하학적 경로 길이(geometrical path length)의 곱(product)이다. 더욱이, 원하는 광학 경로 길이에 대한 값은 예를 들어, 플라즈몬 효과들로 인해, ±50%의 범위 내에서의 허용오차(tolerance)를 갖는다. (분산형 피드백(Distributed FeedBack)(혹은 짧게 줄여서, DFB)을 갖는 미러 표면에 따른 간섭 그리드의 개념에서) 구조화된 미러 표면의 특별한 경우에, 공진 조건(resonance condition)은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 알려진 2-차원 혹은 3-차원 규칙성(regularity)에 따라 조정돼야만 한다.
만약 공진 파장의 전자기 방사선(광학 마이크로 캐비티 내의 보강 간섭 조건(constructive interference condition)을 충족시키는 가장 긴 파장을 갖는 전자기 방사선)이 캐비티에 도달한다면, 입사하는 전자기 신호는 두 개의 미러 표면들 사이에서 유리하게 여러 번 반사되고, 이에 따라 이러한 공진 파장의 광학 필드(optical field)는 유리하게 증폭된다. 이와 동시에, 공진 파장에 대응하지 않는 광(light)은 광학 마이크로 캐비티에 진입하기 전에 이미 반사된다.
본 발명의 개념에서, 용어 "공진 파장(resonance wavelength)"은, 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이에 25% 내지 75%의 범위에서 대응함과 아울러 가장 높은 필드 증폭(field amplification)을 갖는, 검출될 전자기 신호의 파장을 의미하는 것으로 이해돼야 한다.
정의에 따르면, 미러 표면들은 광학 마이크로 캐비티의 형성을 담당하고 있는 두 개의 계면들인데, 즉, 상이한 굴절률을 갖는 두 개의 인접하는 매체들의 경계설정 계면(delimiting interface)들이다.
미러 표면과 접촉하는 매체 아울러 광학 마이크로 캐비티로부터 멀어지는 방향을 향하고 있는 매체는 이하에서 본 발명에 따른 미러 매체(mirror medium)로서 지칭된다. 만약 이러한 매체가 또한 고체(solid body)(예를 들어, 유기물-기반(organo-based) 혹은 산화물(oxidic) 미러 매체)라면, 이하에서 본 발명에 따라 용어 "미러 층(mirror layer)"이 사용된다.
미러 표면들 사이의 기하학적 거리에 근거하는, 그리고 적용가능한 경우 미러 층 안으로의 광학 필드의 침투(infiltration)에 근거하는, 공진 파장은 보강 간섭 조건에 따라 10 nm 내지 10 ㎛의 영역 내에 배치된다.
보강 간섭(즉, 검출될 전자기 신호가 광학 마이크로 캐비티 내에서의 반사에 의해 증폭되는 것)은 정의된 파장에서 광학 필드의 유리한 중첩(overlaying)에 의해 생성된다. 보강 간섭을 위한 전제조건은 두 개의 인접하는 매체들의 인접성(adjoining)인데, 여기서 매체들은 이러한 매체들 사이에 미러 표면이 형성되도록 상이한 굴절률을 갖는다. 1-차원의 경우에, 보강 간섭 조건은 만약 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이가, 검출될 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응한다면 일어나고, 매우 특정적으로 바람직하게는 검출될 신호의 파장의 절반에 대응한다면 일어난다. 하지만, 예를 들어, 플라즈몬 효과들은 ±50%의 영역에서 앞서 언급된 제공(provision)의 편차(deviation)들을 일으킨다.
본 발명의 개념에서, 필드 증폭은, 보강 간섭을 이용하지 않는 광학 필드에 대한 보강 간섭을 이용하는 광학 필드의 비율(스펙트럼에 따른 비율(spectrally dependent ratio))로서 정의된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 대향하는 두 개의 미러 표면들은 서로 평행한 평면으로 정렬된다.
대향하는 두 개의 미러 표면들은 서로로부터 바람직하게는 100 내지 5000 nm의 범위에서의 미리정의된 기하학적 거리를 갖고, 특히 바람직하게는 200 내지 1000 nm의 범위에서의 미리정의된 기하학적 거리를 갖는다.
대안적으로, 바람직하게는, 대향하는 두 개의 미러 표면들은 1 내지 500 nm의 범위(바람직하게는, 10 내지 100 nm의 범위)에서 기하학적 거리의 변화를 갖도록 기울어져(tilted) 정렬되고, 두 개의 미러 표면들 사이의 평균 기하학적 거리는 서로로부터 100 내지 5000 nm의 범위 내에 있고, 특히 바람직하게는 200 내지 1000 nm의 범위 내에 있다. 미러 표면들 사이의 거리의 변화는 입사하는 전자기 방사선의 분광 검사(spectroscopic examination)를 특히 유리하게 가능하도록 하는데, 여기서 전극들은 다수의 단편(piece)들로 형성되고(즉, 어레이(array)로서 형성되고), 그리고 전극들 각각은 개별 판독 유닛(read-out unit)에 연결된다.
본 발명의 개념에서, 각각의 매체는 바람직하게는 개별 층으로서 형성되거나 층 시퀀스로서 형성된다.
미러 표면은, 미러 매체가 보강 간섭과 관련하여 플라즈몬(plasmon)들에 의한 금속 반사(metallic reflection) 또는 유전체 반사를 이용할 때, 바람직하게는 평평하다(예를 들어, 유전체 미러 층(분산형 브레그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR))).
플라즈몬들에 의한 금속 반사와 관련하여, 특히 적외선 파장 범위에서의 사용에 있어서, 다음과 같은 것들이 미러 층으로서 특히 적절하다: 실버(silver)(Ag)(특히, 조사(irradiation) 파장 350 nm 이상에서 적합함), 골드(gold)(Au)(특히, 700 nm 이상에서 적합함), 및 알루미늄(aluminium)(Al)(특히, 1500 nm 이상에서 적합함).
유전체 반사 및 보강 간섭(즉, DBR 미러 층)과 관련하여, 미러 매체는 높은 굴절률과 낮은 굴절률을 번갈아 갖고 있는 층 시퀀스로서 형성된다. 낮은 굴절률을 갖는 잠재적 물질들은, 특히, 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)(SiO2, 250 nm 내지 5000 nm의 파장 범위에서 적합함), 또는 금속 플로라이드들(metal fluorides), 특히, 알칼리 금속(alkali metal), 알칼리 토금속(alkaline earth metal) 혹은 희토류 금속(rare earth metal) 플로라이드들, 예를 들어, 리튬 플로라이드(lithium fluoride)(LiF) 또는 란타늄 플로라이드(lanthanum fluoride)(LaF3)이다. 높은 굴절률을 갖는 잠재적 물질들은, 특히, 티타늄 다이옥사이드(titanium dioxide)(TiO2)(450 nm 내지 2500 nm의 파장 범위에서 적합함), 알루미늄 옥사이드(aluminium oxide)(Al2O3)(최대 1600 nm까지 적합함), 지르코늄 (IV) 옥사이드(zirconium (IV) oxide)(ZrO2)(400 nm 이상에서 적합함)로부터 선택되는 저렴한 금속 옥사이드(metal oxide)들, 그리고 아연 설파이드(zinc sulphide)(ZnS)(800 nm 이상에서 적합함)와 같은 설파이드(sulphide)들이다. 더욱이, 금속 옥사이드들인 탄탈륨 (V) 옥사이드(tantalum (V) oxide)(Ta2O5)(300 nm 내지 1750 nm의 파장 범위에서 적합함), 하프늄 다이옥사이드(hafnium dioxide)(HfO2)(350 nm 내지 800 nm의 파장 범위에서 적합함), 그리고 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride)(AlN)(500 nm 내지 5000 nm의 파장 범위에서 적합함)와 같은 나이트라이드nitride)들, 그리고 아연 셀레나이드(zinc selenide)(짧게 줄여서, ZnSe)와 같은 II-VI족 화합물 반도체들이 적합하다. 여기서, DBR 구조의 개개의 층들은 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장의 사분의일(quarter)에 대응하는 광학 층 두께를 갖는다.
본 발명의 대안적 실시예에 따르면, 미러 표면은 전반사에 기반을 둔 DFB 미러 층에 의해 제공되는데, 다시 말해, 측면 높이 구조(lateral height structuring)에 의해(예를 들어, 포토레지스트 층(photoresist layer)에 의해) 제공되며, 여기서 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm의 그리드 진폭(grid amplitude)을 갖는 100 nm 내지 10 ㎛의 측면 주기성(lateral periodicity)이 선택된다. 이러한 실시예에서, 기판-원격(substrate-remote)(즉, 기판으로부터 더 멀리 떨어져 있는) 미러 표면은 광전자 컴포넌트의 가장 위쪽 계면(uppermost interface)에 대응한다. 여기서, 미러 매체의 굴절률은 광학 마이크로 캐비티 내에 배치되는 모든 층들 아래에 있다.
특히, 예를 들어, 글래스(glass) 혹은 플라스틱(plastic)으로 만들어지며 포토레지스트 층(예를 들어, 마이크로 레지스트 텍크놀로지 게엠베하(micro resist technology GmbH)로부터의 ma-P1210)으로 구조화된 기판이 기판-근접(substrate-near)(즉, 기판에 가장 가까이 정렬되는) 미러 매체로서 적합하다. 특히, 알루미늄 옥사이드(aluminium oxide)(Al2O3)와 같은 장벽 층(barrier layer) 혹은 질소(nitrogen)와 같은 비활성 가스(inert gas)가 기판-원격 미러 매체로서 적합하다.
흡수된 전자기 방사선의 좁은-밴드 증폭(narrow-band amplification)(즉, 공진 파장에 의한 파장 구간(wavelength interval)에 대한 증폭)이 광전자 컴포넌트의 광학 마이크로 캐비티에 의해 유리하게 제공된다. 이러한 증폭은 50 nm보다 작은, 특히 바람직하게는 10 nm보다 작은 스펙트럼 응답(spectral response) 혹은 외부 양자 효율(EQE)의 절반-높이(half-height)에서의 피크 폭(peak width)에 의해 특징지어진다. 공진 파장의 동시 튜닝가능성(simultaneous tunability)(즉, 선택적 변화(selective variation))으로 인해, 예를 들어, 광학 스페이서 층(optical spacer layer)들의 층 두께 변화(layer thickness variation)에 의해, 분광 애플리케이션들(spectroscopic applications) 혹은 멀티플렉싱(multiplexing)(즉, 다수의 파장들의 동시 데이터 획득/처리)이 본 발명에 따른 방법에 의해 특히 유리하게 가능하다.
동시에, 본 발명에 따른 방법은, 화합물의 밴드 갭을 통한 화합물의 종래의 싱글릿 여기(singlet excitation)와 비교하여, 단지 매우 낮은 에너지들, 바람직하게는 780 nm 내지 1 ㎛의 파장 범위에 있는 매우 낮은 에너지들만이 공통의 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 여기를 위해 필요하다는 특징이 있고, 그럼으로써 유기 화합물들의 부분에 대해 큰 밴드 갭들을 갖는 유기 화합물들이 유리하게 사용될 수 있는 특징이 있다. 가시 범위(visible range)에서 흡수하고 있는 화합물들(즉, 밴드 갭이 큰 화합물들)이 본 발명에 따른 방법에 대해서는 필요하지 않기 때문에, 적외선 신호를 검출하기 위해 본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트의 개개의 화합물들은 가시 파장 범위(visible wavelength range)와 관련하여 유리한 것으로 민감하지 않을 수 있다(즉, 여기(excitation)가 없을 수 있음, 그리고 전기적 신호(electrical signal)가 없을 수 있음).
화합물 1 및 화합물 2는 바람직하게는 가시 파장 범위로부터의 전자기 방사선에 민감하지 않다.
가시 파장 범위에서의 전자기 방사선에 대해 본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트(예를 들어, 검출기)는 바람직하게는 부분적으로 혹은 전체적으로 투명하다. 동시에, 광활성 층의 기능적 사용 수명(functional service life)은 이에 따라 유리하게 연장된다.
본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트는 바람직하게는 대략 10 nA/cm2의 낮은 암전류 특성 곡선(currents of the dark characteristic curve)을 갖는 특징이 있다.
본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트는 또한 바람직하게는 780 nm 내지 1000 nm의 파장들에 대해 단락-회로 조건(short-circuit condition)들 하에서 바람직하게는 10% 내지 80%의 EQE를 갖고, 또는 적외선 범위에서 더 높은 파장들에 대해 0.5%보다 큰 EQE를 갖는다.
스펙트럼 응답, 바람직하게는 780 nm 내지 1000 nm 파장 범위에서 단락-회로 조건들 하에서 대략 0.01 내지 0.1 A/W의 스펙트럼 응답, 또는 적외선 범위에서 더 높은 파장들에 대해 0.001 내지 0.1 A/W의 스펙트럼 응답이 본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트에 대해 주어지고 앞서 언급된 EQE로부터 도출된다.
본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트는 바람직하게는 단락-회로 조건들 하에서 대략 1011 내지 1012 존스(Jones)에서의 780 nm 내지 1000 nm 파장 범위 내의 비검출률(specific detectivity)을 갖고, 또는 적외선 범위에서 더 높은 파장들에 대해 적어도 대략 109 존스에서의 비검출률을 갖는다.
본 발명에 따라 사용되는 광전자 컴포넌트에 대해 또한 특징적인 것은, 대략 1 mW/cm2에서의 근적외선에 의한 대응하는 조사를 이용해 단락-회로 조건들 하에서 대략 104 내지 105에서의 780 nm 내지 1000 nm 파장 범위 내의 암전류(dark current)에 대한 광전류(photocurrent)의 온-오프 비율(on-off ratio)이다.
원리에 있어 자외선(ultraviolet) 내지 적외선 범위에 있는 전자기 방사선은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 검출될 수 있음이 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게는 알려져 있다. 본 발명에 따른 방법은 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위(스펙트럼 범위) 내의 전자기 방사선을 검출하는데 특히 유리하게 적합하다. 본 발명에 따른 방법은 780 내지 50,000 nm의 근적외선 범위 및/또는 중간 적외선 범위 내의 전자기 방사선을 검출하는데 특히 바람직하게 적합하고, DIN 5031에 따른 780 내지 3000 nm의 근적외선 범위(Near Infrared Range)(NIR 범위)에서 특히 매우 바람직하다.
본 발명의 개념 내에서, 검출될 전자기 신호는 모든 입사하는 전자기 방사선의 스펙트럼 부분을 구성한다. 특히, 검출기는 검출될 공진 파장 주변의 좁은 구간에 대해 민감하게 감응(react)한다. 여기서, 본 발명에 따른 검출기의 외부 양자 효율은 50 nm보다 작은, 바람직하게는 10 nm보다 작은 절반-높이에서의 피크 폭을 갖는다.
광활성 층 내의 두 개의 화합물 1 및 화합물 2는 저-분자(low-molecular)의 (바람직하게는 진공-처리가능한(vacuum-processable)) 유기 화합물들의 그룹으로부터 또는 폴리머(polymer)들(바람직하게는 용액(solution)으로부터 처리가능한 것) 혹은 플러렌(fullerene)들의 그룹으로부터 특히 바람직하게 선택된다.
본 발명의 개념에서, 광활성 층은 광학 마이크로 캐비티 내에서 3-차원 층으로서 형성되고, 여기서 전자기 방사선의 검출 파장은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에 있고, 이 경우 그 에너지는 약하게 결합된 혹은 자유 전하 운반자들로 이동된다.
만약 광활성 층이 진공 처리(vacuum processing)에 의해 도포된다면, 화합물 1(전자 도너)은 바람직하게는 프탈로시아닌(phthalocyanine)들(예컨대, 아연 프탈로시아닌(zinc phthalocyanine) 혹은 철 프탈로시아닌(iron phthalocyanine)), 피란(pyran)들, 예를 들어, 비스피라닐리덴(bispyranilidene)(또한, 짧게 줄여서, TPDP), 풀바렌(fulvalene)들, 예를 들어, 테트라티오풀바렌(tetrathiofulvalene)(또한, 짧게 줄여서, OMTTF) 그리고 방향족 아민(aromatic amine)들(예를 들어, N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine)들(또한, 짧게 줄여서, MeO-TPD), 2,7-비스[N,N-비스(4-메톡시-페닐)아미노]9,9-스피로-비풀루오렌(2,7-bis[N,N-bis(4-methoxy-phenyl)amino]9,9-spiro-bifluorene)들(또한, 짧게 줄여서, 스피로-MeO-TPD(Spiro-MeO-TPD)) 또는 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐-페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(3-methylphenyl-phenylamino)triphenylamine)들(또한, 짧게 줄여서, m-MTDATA)), 비스티오피라닐리덴(bisthiopyranilidene)들, 비피리디닐리덴(bipyridinylidene)들 또는 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole)들의 물질 그룹으로부터 선택된다.
만약 광활성 층이 액체 처리(liquid processing)에 의해 도포된다면, 화합물 1은 바람직하게는 폴리티오펜(polythiophene)들(예를 들어, 폴리(2,5-비스(3-알킬티오펜-2-yl)티에노[3,2-b]티오펜(poly(2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)(또한, 짧게 줄여서, pBTTT))의 물질 그룹으로부터 선택된다.
폴리머의 경우에, 화합물 1은 바람직하게는 사이드 체인(side chain)들의 공간 거리(spatial distance)가 화합물 2(전자 어셉터)의 공간 범위(spatial extent)에 대응하는 방식으로 특징지어지며, 이에 따라 화합물 1의 사이드 체인들의 갭들 내에서 화합물 2의 체계적 편입(systematic incorporation)으로 인해 (N. C. Miller et al., Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1208, DOI: 10.1002/aenm.201200392에서 설명되는 바와 같이) 바이크리스탈(bicrystal)들이 형성되게 된다. 여기서 결과적인 커다랗게 된 도너-어셉터 표면은 발색단간 전하 이동 상태의 증가된 흡수로 유리하게 이어진다.
화합물 2(전자 어셉터)는, 진공 처리에 의한 광활성 층의 도포의 범위 내에서, 바람직하게는 풀러렌들, 예를 들어, C60의 물질 그룹으로부터 선택된다.
만약 광활성 층이 액체 처리에 의해 도포된다면, 화합물 2는 바람직하게는 페닐-C61-부티릭 산 메틸 에스테르(짧게 줄여서, PCBM) 혹은 폴리(2,5-비스(3-테트라데실티오펜-2-yl)티에노[3,2-b]티오펜(poly(2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)(또한, 짧게 줄여서, PBTTT-C14)이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 화합물 1과 화합물 2는 예를 들어, 링커(linker)(가요성 스페이서(flexible spacer))를 통해 서로 공유 원자가로(covalently) 결합(bond)될 수 있다. 이러한 종류의 링커들은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 알려져 있으며, 특히 C1-C12 알킬 그룹(alkyl group)들, C1-C12 알케닐 그룹(alkenyl group)들, C1-C12 알콕시 그룹(alkoxy group)들, C1-C12 폴리알콕시 그룹(polyalkoxy group)들, 알리패틱(aliphatic) 혹은 시클릭(cyclic) 디아민(diamine)들 및 시클릭 혹은 폴리시클릭(polycyclic) 아릴 그룹(aryl group)들의 물질 그룹으로부터 선택된다. 링커들은 바람직하게는 반응성 결합 그룹(reactive coupling group)(기능성 그룹(functional group))을 통해 화합물 1 혹은 화합물 2에 결합(bond)된다. 반응성 결합 그룹은 바람직하게는 아미노 그룹(amino group)(-NH2), 티올 그룹(thiol group)(-SH), 알콜 그룹(alcohol group)(-OH), 아미드 그룹(amide group)(-C(=O)NH2)), 트리클로로실릴 그룹(trichlorosilyl group)(-SiCl3) 또는 카르복실 그룹(carboxyl group)들(-C(=O)OH))이다.
기판은 바람직하게는 강성(rigid), 부분적으로 강성, 혹은 가요성 기판이다. 기판이 투명한 경우 특히 합당하다. 이러한 종류의 기판들은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 알려져 있고, 예를 들어, 투명한 기판들, 예컨대, 글래스, 플라스틱(폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate)(짧게 줄여서, PET), 등), 금속 스트립(metal strip) 혹은 금속 혼합 옥사이드(metal mixed oxide)(예를 들어, 인듐 주석 옥사이드(indium tin oxide)) 혹은 이들의 혼합된 층들로부터 선택된다. 기판은 평평한 형태 혹은 휘어진 형태일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광학 마이크로 캐비티 내에 두 개의 광학 스페이서 층(optical spacer layer)들이 정렬된다.
본 발명에 따른 광전자 컴포넌트 내의 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장은 광학 스페이서 층들의 두께에 의해 가시 광의 범위에서, 근자외선(near UltraViolet(UV))의 범위에서, 또는 IR 범위에서 특히 유리하게 설정될 수 있다.
광학 마이크로 캐비티 내의 두 개의 광학 스페이서 층들은, (a) 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장을 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에 위치시키기 위해, 그리고 (b) 광활성 층을 광학 마이크로 캐비티 내에서 공진 파장의 공간 강도 최대치가 일어나는 방향으로 배향시키기 위해, 사용된다.
공간 강도 최대치는 광학 필드의 공간 강도 분포(spatial intensity distribution)의 스펙트럼적으로 분해된 최대치로서 정의된다.
미리정의된 공진 파장에 선택적으로 대처하기 위해서, 광학 스페이서 층들의 두께는, 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이가, 검출될 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응하도록, 매우 특정적으로 바람직하게는 검출될 신호의 파장의 절반에 대응하도록, 선택되며, 하지만, 예를 들어, 플라즈몬 효과들은 ±50%의 영역에서 앞서 언급된 제공의 편차들을 일으킨다.
서로 평행한 평면으로 정렬된 미러 표면들에서, 100 nm 내지 5000 nm의 미러 표면들의 기하학적 거리, 바람직하게는 200 내지 1000 nm의 미러 표면들의 기하학적 거리를 발생시키는 광학 스페이서 층들이 본 발명의 개념에서 합당한 것으로 판명되었다.
대향하는 두 개의 미러 표면들이 기울어져 있는 구성에서, 광학 스페이서들은 1 내지 500 nm의 범위에서, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 범위에서 양쪽 미러 표면들의 기하학적 거리의 변화를 발생시킨다. 광학 스페이서 층들에 의해 생성되는 두 개의 미러 표면들의 평균 기하학적 거리는 100 내지 5000 nm의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 200 내지 1000 nm의 범위에 있다. 미러 표면들의 거리의 변화는 입사하는 전자기 방사선의 분광 검사를 특히 유리하게 가능하도록 하는데, 여기서 전극들은 다수의 단편들로 형성되고(즉, 어레이로서 형성되고), 그리고 전극들 각각은 개별 판독 유닛에 연결된다.
광학 스페이서 층들에 대한 물질들로서 적합한 물질들은 매끄럽게(smooth) 성장하는 물질들(바람직하게는 전체적인 두께 변화가 5 nm보다 작은 층, 바람직하게는 2 nm보다 작은 층)이고, 최대 굴절률이, 미러 표면들 사이에 배치되는 다른 모든 층들의 굴절률들의 최대치들만큼 큰 물질들이다. 광학 스페이서 층들은 또한, 검출될 파장에 관해, 0.1%보다 작은 흡수를 가지며, 바람직하게는 0.01%보다 작은 흡수를 갖는다. 유기물 반도체들, 예를 들어, 양쪽 모두가 진공 처리 혹은 액체 처리에 의해 도포되는 소분자(small molecule)들인 경우, 예를 들어, 방향족 아민들(예컨대, N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘)들(또한, 짧게 줄여서, MeO-TPD), 2,7-비스[N,N-비스(4-메톡시-페닐)아미노]9,9-스피로-비풀루오렌들(또한, 짧게 줄여서, 스피로-MeO-TPD) 또는 N4,N4'-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-yl)-N4,N4'-디페닐비페닐-4,4'-디아민(N4,N4'-bis(9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-N4,N4'-diphenylbiphenyl-4,4'-diamine)들(또한, 짧게 줄여서, BF-DPB) 또는 9,9-비스[4-(N,N-비스-비페닐-4-yl-아미노)페닐]-9H-플루오렌(9,9-bis[4-(N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene)들(또한, 짧게 줄여서, BPAPF)), 그리고 또한 액체 처리에 의해 도포되는 폴리머들인 경우, 예컨대, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene poly(styrenesulfonate))(짧게 줄여서, PEDOT:PSS), 혹은 실리콘 옥사이드(silicon oxide)(짧게 줄여서, SiO2)와 같은 옥사이드들이 이러한 목적을 위해 적합하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광학 스페이서 층들은 전자-전도성 전달 층(electron-conducting transport layer) 혹은 정공-전도성 전달 층(hole-conducting transport layer)으로서 형성된다.
본 발명의 추가 바람직한 실시예에 따르면, 광학 스페이서 층들은 가시 파장 범위(visible wavelength range)로부터의 전자기 방사선에 대한 광학 필터(optical filter)들로서 형성된다. 광활성 층 내에서가 아니라, 이러한 범위로부터의 파장들이 광학 스페이서 층 내에서 흡수되고, 여기서 파장들은 (적외선 검출기들에 대해 종종 요구되는 바와 같은) 광전자 컴포넌트의 광전류에 기여하지 않는다. 이와 관련하여, 광학 스페이서 층은 예를 들어, (적어도 80 질량 퍼센트(mass percent)의 층 비율(mass percent)을 갖는) 화합물 1 또는 화합물 2로 구성된다.
전자-전도성 전달 층 혹은 정공-전도성 전달 층은 1 내지 50의 질량 퍼센트(짧게 줄여서, Ma.-%)의 범위에서 n-도핑(n-doping) 혹은 p-도핑(p-doping)을 갖는 것이 합당할 수 있다. 전달 층들은 바람직하게는 1 내지 25 Ma.-%의 범위에서, 특히 바람직하게는 1 내지 10 Ma.-%의 범위에서 n-도핑 혹은 p-도핑을 갖는다. Ma.-%는 정의에 따르면, 전달 층의 전체 성분과 관련된다.
여기서, "n-도핑" 및 "p-도핑"은 자유롭게 움직일 수 있는 음의 전하(negative charge)들 및 양의 전하(positive charge)들이 전자-전도성 전달 층 혹은 정공-전도성 전달 층으로 각각 도입되는 것을 지칭하고, 이것은 결과적으로 이에 부합하여 도핑된 전달 층의 자유 전자 밀도 혹은 정공 밀도를 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium)의 상태에서 증가시키게 된다.
본 발명의 일 실시예는, 헤테로시클릭 라디칼(heterocyclic radical) 혹은 디라디칼(diradical), 이들의 다이머(dimer)들, 올리고머(oligomer)들, 폴리머(polymer)들, 메탈로센(metallocene)들(예를 들어, 코발토센(cobaltocene)), 세슘(caesium)과 같은 알칼리 금속(alkali metal)들, (예를 들어, 텅스텐(tungsten), 몰리브데넘(molybdenum) 혹은 크롬(chromium)의) 패들휠 복합체(paddlewheel complexe)들, 디스피로 화합물(dispiro compound)들 그리고 염료(dye)들의 폴리시클(polycycle)들 혹은 류코베이스(leukobase)들이 n-도펀트 전구체(n-dopant precursor) 또는 n-도핑 매개체(n-doping agent)로서 사용되는 특징이 있다. 예를 들어, 테트라시아노퀴노디메탄(tetracyanoquinodimethane)들, 루이스 산(Lewis acid)들, 라디알렌(radialene)들, 디티올레이트 전이 금속 복합체(dithiolate transition metal complexe)들 혹은 플루오린-치환 플러렌(fluorine-substituted fullerene)들이p-도펀트들로서 적합하다. 이런 종류의 도펀트 전구체들 혹은 도핑 매개체들은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 가장 잘 알려져 있다.
광활성 층과 전달 층 간의 전달 레벨의 에너지 조정을 갖는 물질들이 매트릭스 분자(matrix molecule)들로서 적합하다. 따라서, 화합물 2는 다시 자기 자신을 전자-전도성 광학 스페이서 층(달리 말해서 플러렌들)의 매트릭스로서 제공하고, 또는 화합물 1은 또한 그 자체를 정공-전도성 전달 층의 매트릭스로서 제공한다. 더욱이, 방향족 아민들(예를 들어, N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘)들(또한, 짧게 줄여서, MeO-TPD), 2,7-비스[N,N-비스(4-메톡시-페닐)아미노]9,9-스피로-비풀루오렌들(또한, 짧게 줄여서, 스피로-MeO-TPD) 또는 N4,N4'-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-yl)-N4,N4'-디페닐비페닐-4,4'-디아미노들(또한, 짧게 줄여서, BF-DPB) 또는 9,9-비스[4-(N,N-비스-비페닐-4-yl-아미노)페닐]-9H-플루오렌들(또한, 짧게 줄여서, BPAPF))의 클래스(class)가 정공-전도성 전달 층의 매트릭스로서 적합하다.
더욱이, 퀴놀린(quinoline)들(예컨대, 트리스(8-히드록시-퀴놀리나토)알루미늄(tris(8-hydroxy-quinolinato)aluminium)(또한, 짧게 줄여서,Alq3)), 페난트롤린(phenanthroline)들(예컨대, 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)들(또한, 짧게 줄여서, Bphen)), 트리나프틸렌(trinaphthylene)들(예컨대, 2,3,8,9,14,15-헥사플루오로-5,6,11,12,17,18-헥사아자-트리나프틸렌(2,3,8,9,14,15-hexafluoro-5,6,11,12,17,18-hexaaza-trinaphthylene)(또한, 짧게 줄여서, HATNA-F6)), 또는 나프탈렌 디이미드(naphthalene diimide)들(예컨대, N,N-비스(플루오렌-2-yl)-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(N,N-bis(fluoren-2-yl)-naphthalenetetracarboxylic diimide)들(또한, 짧게 줄여서, Bis-Hfl-NTCDI))의 클래스가 전자-전도성 전달 층의 매트릭스로서 적합하다.
전자기 신호를 이용해 광전자 컴포넌트의 조사(irradiation)에 기인할 수 있는 광전자 컴포넌트에 의해 출력되는 전기적 신호의 비율은 다음과 같은 수식: Iphoto = IES - Idark로서 제공되는데, 여기서 변수 Iphoto는 광전류에 대응하고, IES는 전기적 신호(즉, 조명(illumination) 하의 전류)에 대응하고, 그리고 Idark는 조명이 없는 경우의 전류에 대응한다. 이러한 세 개의 변수들은 모두 선택에 따라 인가되는 외부 전압에 의존한다.
전자기 신호의 변환으로부터 획득되는 전기적 신호는 바람직하게는 전극들 및 판독 유닛에 의해 측정된다. 유리한 것으로, 전기적 신호의 판독은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 알려진 다운스트림 전자기기 유닛(downstream electronics unit)을 이용한 후속 처리를 가증하게 한다.
적용가능한 경우, 광전자 컴포넌트로부터의 전류의 판독은 전형적으로 0 내지 -100 V의 범위 내에 있는 외부 전압의 인가에 의해 지원(support)을 받는다. 검출 범위에서의 광전자 컴포넌트의 외부 양자 효율은 외부 전압의 인가에 의해 특히 유리하게 증가되고, 그리고 응답 시간(검출 파장이 검출기 내에 도달할 때의 광전류의 상승 시간)은 짧아진다.
유리한 것으로 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는 종래 기술로부터 알려진 컴포넌트와 비교해 1000 nm보다 큰 파장들을 검출하는 특징이 있고, 공진 파장의 튜닝가능성 및 EQE(혹은 스펙트럼 응답)의 절반-높이에서의 낮은 피크 폭은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트를 분광계(spectrometer)로서 사용할 수 있게 한다.
특히 유리한 것으로, 활성 층 내의 화합물 1 및 화합물 2의 적절한 선택은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 넓은 흡수 범위를 가능하게 하고, 아울러 검출될 신호의 파장을 이러한 범위 내에서 자유롭게 선택할 수 있게 한다.
본 발명은 또한, 기판 상의 광전자 컴포넌트에 관한 것으로, 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서의 사용을 위한 광전자 컴포넌트에 관한 것이며, 여기서 광전자 컴포넌트는 적어도, 두 개의 미러 표면들과 광활성 층을 갖고, 여기서
i. 두 개의 미러 표면들은 서로 대향하여 이격되어 있으며 광학 마이크로 캐비티를 형성하고,
ii. 광활성 층은 미러 표면들 사이에 정렬되며 적어도, 하나의 화합물 1 및 하나의 화합물 2를 포함하고,
화합물 1의 HOMO 에너지와 화합물 2의 LUMO 에너지 간의 에너지 차이는 1.6 eV보다 작고,
미러 표면들 사이의 광학 경로 길이는 검출될 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응하고,
검출될 전자기 신호의 파장 범위의 등가 에너지는,
- 화합물 1의 HOMO 에너지와 화합물 2의 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이와
- 화합물 1의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이의 범위 내에 있고,
광활성 층은 미러 표면들 사이에서, 검출될 전자기 신호의 파장의 공간 강도 최대치가 일어나는 광학 마이크로 캐비티 내에, 정렬된다.
본 발명의 개념에서, 광전자 컴포넌트는 적외선 검출기, 솔라 셀, 혹은 이들의 컴포넌트로서 형성된다. 본 발명의 개념에서, 검출기는 검출될 전자기 주변 방사선(electromagnetic ambient radiation)을 최소의 암전류의 제약 하에서 변환함으로써 가장 큰 가능한 광전류를 제공하기 위한 광감지 광전자 컴포넌트(photosensitive, optoelectronic component)로서 최적화된다.
본 발명의 개념에서, 솔라 셀은 태양광을 변환함으로써 가장 큰 가능한 전기적 파워를 제공하도록 최적화되어 있음과 아울러 에너지에 있어 자급자족이 가능한 광감지 광전자 컴포넌트이다. 여기서, 싱글릿 흡수의 범위에서 최대 여기를 갖는 파장에 관해 광활성 층들을 배향하기 위해서 바람직하게는 보강 간섭 조건이 사용된다.
본 발명의 개념에서는, 가시 파장 범위에서 흡수하고 있는 화합물들에 대한 필요성이 존재하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는 바람직하게는 가시 파장 범위에서 투명하거나 적어도 부분적으로 투명하며, 특히 적외선 검출기로서 사용되는 경우 그러하다. 본 발명의 개념에서는, 가시 파장 범위에서 방사선의 적어도 30%가 투과(transmit)될 때 물질은 부분적으로 투명하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 컴포넌트는 전기적 신호를 판독하기 위한 판독 유닛을 갖는다.
판독 유닛은 또한 바람직하게는 전기적 신호를 판독하기 위한 후속 처리를 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광전자 컴포넌트는 서로로부터 이격되어 있는 적어도 두 개의 전극들을 갖는데, 이러한 전극들은 전극 쌍(electrode pair)(즉, 애노드(anode) 및 캐소드(cathode))으로서 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전극을 만드는 물질은 높은 전도도를 갖는다. 만약 금속에 기반을 둔 미러 층이 동시에 전극으로서 동작한다면, 바람직한 것으로 미러 층은 80% 내지 100%의 반사율(reflectivity)을 갖고, 바람직하게는 95% 내지 100%의 반사율을 가지며, 특히 바람직하게는 99% 내지 100%의 반사율을 갖는바, 예를 들어 이러한 물질은 실버, 알루미늄, 및 골드로부터 선택된다.
그렇지 않으며, 전극은 높은 투명도(transparency)를 가져야 하는데, 즉 0 내지 10-2의 소광 계수(extinction coefficient), 바람직하게는 0 내지 10-3의 소광 계수, 및 특히 바람직하게는 0 내지 10-4의 소광 계수를 가져야 한다. 이와 관련하여, 도핑된 금속 옥사이드들, 예를 들어, 인듐 주석 옥사이드(Indium Tin Oxide)(짧게 줄여서, ITO) 혹은 알루미늄 아연 옥사이드(Aluminium Zinc Oxide)(짧게 줄여서, AZO)와 같은 것, 높은 전도성을 갖고 매끄럽게 성장하는 소분자들(예를 들어, 테트라키스(1,3,4,6,7,8-헥사히드로-2H-피리미도[1,2-a]피리미디나토)-디텅스텐 (II)(tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)-ditungsten (II))(짧게 줄여서, Wpd)로 도핑(16 질량 퍼센트 도핑)된 C60과 같은 도핑에 의한 것), 또는 높은 전도성을 갖고 매끄럽게 성장하는 폴리머들(예컨대, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리(스티렌술포네이트)(짧게 줄여서, PEDOT:PSS)), 또는 그라핀이 적합하다.
적어도 하나의 전극이 다수의 단편들로 형성되는 것(즉, 어레이로서 정렬되는 것)이 제공될 수 있다. 어레이와 같은 방식으로 정렬되는 전극 단편부분(segment)들로 인해, 유리한 것으로, 광전자 컴포넌트 내에 복수의 측정 범위들이 존재하게 되는데, 이러한 복수의 측정 범위들은 각각 판독 유닛에 의해 개별적으로 판독된다. 한편으로, 이것은 조사(irradiating)되는 검출될 전자기 신호의 공간적 분해(spatial resolution)(예를 들어, IR 검출기를 갖는 카메라에서의 사용을 위한 공간적 분해)를 가능하게 하는데, 이러한 실시예에서 두 개의 미러 표면들은 서로 평행한 평면으로 정렬된다. 다른 한편으로, 어레이와 같은 방식으로 정렬되는 전극 단편부분들은 미러 표면들이 서로에 대해 기울어져 정렬됨으로써 분광계와 관련하여 스펙트럼 분해(spectral resolution)를 가능하게 하며, 이에 따라 상이한 공진 파장이 각각의 전극 단편부분과 관련되게 되어, 유리한 것으로 검출될 전자기 신호는 전극 단편부분마다 다르게 된다.
광전자 컴포넌트는 선택에 따라서는, 예를 들어, 엑시톤 흡수(excitonic absorption)로부터의 결과들로서, 바람직하지 않은 광전류를 감소시키기 위한 광학 필터 층들을 갖는다. 따라서, 가시 파장 범위에서의 입사하는 전자기 방사선은, 특히 공진 파장의 두 배의 차수(double order) 혹은 그 이상의 차수를 갖는 경우에는, 광전류에 대한 기여(contribution)에 관해서 유리하게 억제될 수 있다. 광학 필터 층들은 바람직하게는 광학 마이크로 캐비티 안쪽에서 혹은 바깥쪽에서 사용된다. 적절한 광학 필터 층들은 75 nm 내지 600 nm의 파장 구간(wavelength interval)에 대해 0.2 내지 3.0의 소광 계수를 갖는 유기 물질들을 포함하는데, 예컨대, 페릴렌(perylene)들(예를 들어, P4-2,3,10,11-테트라프로필-1,4,9,12-테트라페닐-디인데노[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]페릴렌(P4-2,3,10,11-tetrapropyl-1,4,9,12-tetraphenyl-diindeno[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]perylene)(P4-Ph4-DIP)), 프탈로시이아닌(phthalocyanine)들(예를 들어, ZnPc), 그리고/또는 올리고티오펜(oligothiophene)들(예를 들어, 2,2'-((3",4"-디메틸-[2,2':5',2":5",2'":5'",2""-퀸퀴티오펜]-5,5""-diyl)비스(메타닐리리덴))-디말로노니트릴(2,2'-((3",4"-dimethyl-[2,2':5',2":5",2'":5'",2""-quinquethiophene]-5,5""-diyl)bis(methanylylidene))-dimalononitrile)(짧게 줄여서, DCV5T-Me(3,3)))을 각각의 경우에 순수한 혼합되지 않은 층(pure, unmixed layer)으로서 포함한다.
광전자 컴포넌트가, 자유 전하 운반자를 불리한 전극(disadvantageous electrode)으로 전달하는 것을 유리하게 억제하는 전하 운반자 차단 층(charge carrier blocking layer)들을 갖는 것이 또한 제공될 수 있다. 이것은 커다란 밴드 갭을 갖는 물질들에 의해 유리하게 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전하 운반자 차단 층의 기능을 담당하고 있는 것은 전달 층들의 매트릭스 물질들이다.
광전자 컴포넌트는 선택에 따라서는 광전자 컴포넌트의 성능과 관련하여 유해한 환경적 영향들(예컨대, 산소(oxygen) 혹은 물(water))의 침투를 억제하는 장벽 층들 혹은 캡슐부(encapsulation)를 갖는다. 본 발명에 따르면, 장벽 층들은 강성(예를 들어, 글래스)이거나, 부분적으로 강성이거나, 또는 가요성(예를 들어, 원자 층 증착(Atomic Layer Deposition)(짧게 줄여서, ALD)에 의한 박막 캡슐부(thin-film encapsulation), 바람직하게는 옥사이드들(예컨대, 몰리브데넘 옥사이드(molybdenum oxide))로 되어 있는 것, 혹은 금속들(예컨대, 알루미늄)에 의한 것, 또는 유기 물질(organic matter)(예컨대, 트리스(8-히드록시-퀴놀리나토)-알루미늄(tris(8-hydroxy-quinolinato)-aluminium)(Alq3))에 의한 것)이며, 기판과 함께 사용된다.
광전자 컴포넌트는 더욱이 선택에 따라서는 골드 혹은 티타늄과 같은 높은 표면 에너지를 갖는 물질들에 의해서 후속 층들을 매끄럽게 성장시키기 위한 중간 층들(생식 층(germ layer)들로서 알려진 것)을 가지고, 또는 확산 장벽(diffusion barrier)들을 갖는데, 예를 들어, 몰리브데넘 옥사이드와 같은 옥사이드들 혹은 알루미늄과 같은 귀금속성이 더 적은 금속(less noble metal)들의 중간 층들을 가지며, 이들은 그 위에 정렬되는 귀금성이 더 많은 금속(more noble metal)들을 위한 것이다.
대향하는 두 개의 미러 표면들을 서로 평행한 평면으로 정렬시킴으로써 개개의 파장을 검출하는 것 이외에도, 제시되는 파장 범위 내에서 분광 응용(spectroscopic application)들이 또한 바람직하다. 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 목적은 분광계를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 대향하는 두 개의 미러 표면들 사이의 기하학적 거리가 적어도 하나의 측면 방향(lateral direction)에서 변한다는 점에서, 즉, 광전자 컴포넌트가 정렬되는 기판의 표면에 대해 평행한 방향에서 변한다는 점에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출될 전자기 신호의 스펙트럼 분해가 달성된다. 두 개의 미러 표면들 사이의 기하학적 거리를 변경시킴으로써, 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이가 변하고, 이에 따라 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장이 변한다.
이 경우, 두 개의 미러 표면들이 서로에 대해 기울어지는 방식으로 정렬되어 분광계와 관련하여 측면 변위(lateral displacement)를 통한 검출 파장의 분해를 위해서 광학 캐비티 층 두께가 변한다는 점에서 미러 표면들 사이의 기하학적 거리는 한편으로는 연속적으로 변할 수 있다.
만약 미러 표면들이 서로에 대해 기울어져 있다면, 이에 따라 본 발명에 따르면, 기판의 평면 내에 공진 파장의 그래디언트(gradient)가 존재하게 되고, 이 경우 광학 마이크로 캐비티 내에 존재하는 모든 공진 파장들은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에 있고 그 에너지 등가치(energy equivalent)들은 화합물 1(전자 도너)의 싱글릿 흡수 아래에 있다.
만약 미러 표면들이 서로에 대해 기울어져 있다면, 전극은 다수의 단편들로 형성되고(즉, 어레이로서 형성되고), 여기서 광전류를 판독하기 위한 동일한 개수의 전기적으로 분리된 판독 유닛들이 연결된다.
다른 한편으로, 미러 표면들 사이의 기하학적 거리는 불연속적으로 변할 수 있는바, 즉 별개의 단계적 변화(discrete gradation)들에서 계단식으로 변할 수 있다. 미러 표면들 사이의 기하학적 거리의 불연속 변화는, 광전자 컴포넌트가 단편부분들을 갖되, 여기서 단편부분들은 서로로부터 전기적으로 절연되어 있고, 단편부분들 내에서 대향하는 두 개의 미러 표면들은 서로 평행한 평면으로 정렬된다는 사실의 결과로서 제공된다. 인접하는 단편부분들은 대향하는 두 개의 미러 표면들 사이의 서로 다른 기하학적 거리들을 갖는다. 따라서, 미러 표면들 사이의 기하학적 거리는 단편부분들 내에서 변한다. 따라서, 광전자 컴포넌트는 측면 구조(lateral structuring)를 갖는데, 즉, 광전자 컴포넌트가 정렬되는 기판의 표면에 대해 평행한 적어도 하나의 방향에서 구조를 갖는다. 이러한 구조는 또한 픽셀(pixel)들의 형태로 두 개의 측면 방향들에서 제공될 수 있다. 이 경우, 특정 공진 파장을 갖는 광학 마이크로 캐비티가 각각의 픽셀 내에 형성되고, 이에 따라 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에서의 특정 검출 파장이 각각의 픽셀과 관련될 수 있게 된다.
광학 캐비티 층 두께의 앞서-언급된 연속적 변화 혹은 불연속적 변화는 바람직하게는 광학 스페이서 층들의 층 두께 변화를 통해 제공된다.
광활성 층 및/또는 다른 층들의 두께를 통해 층 두께 변화를 조정하는 것이 또한 가능한데, 예컨대, 전극 두께를 통해, 혹은 유기물 층들을 통해, 추가적으로 혹은 그 대신에 층 두께 변화를 조정하는 것이 가능하다.
이미 나열된 가능한 예들 외에도, 검출될 조사되는 전자기 신호에 관해 0 내지 90도 범위 내의 경사각(angle of inclination)만큼 광전자 컴포넌트의 기울어짐은 마찬가지로 공진 파장의 변화를 전체적으로 일으킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는 광학 도파관(optical waveguide)들을 통한 원격통신(the telecommunication)의 시간-분해된 판독(time-resolved readout)을 위해 사용된다. 본 발명에 따른 방법, 그리고 광전자 컴포넌트의 본 발명에 따른 구조는 특히 유리한 것으로 복수의 파장들의 동시 판독(simultaneous readout)(멀티플렉싱(multiplexing))을 가능하게 한다. 여기서, 관련된 파장들은 예를 들어, 850 nm, 1310 nm, 및 1550 nm이다.
본 발명의 대안적 실시예에서, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는 특히, 모바일 전화기(mobile telephone)들과 같은 모바일 디바이스(mobile device)들 또는 원격 제어부의 수신기들 혹은 컴퓨터의 수신기들과 같은 고정된 디바이스(stationary device)들의 짧은-범위 무선 통신(short-range wireless communication)의 시간-분해된 판독을 위해 사용된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는, 움직임을 검출하는데 사용되거나(예를 들어, 보안 기술(security technology), 혹은 컴퓨터 게임들과 관련하여 움직임 센서(motion sensor)들), 또는 거리를 검출하는데 사용되거나(예를 들어, 가상 현실(virtual reality)과 관련하여 거리 센서(distance sensor)들), 또는 위치를 검출하는데 사용된다(예를 들어, 복수의 수신기들에 의한 삼각측량(triangulation) 혹은 광 장벽(light barrier)들).
더욱이, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는, 예를 들어, 적외선 사진(infrared photography)과 관련하여 적외선 방사선의 공간적 분해를 위해 사용되거나, 또는 예를 들어, 여권(passport)들의 경우에 근-적외선-민감 보안 특징(near-infrared-sensitive security feature)들의 검출을 위해 사용되거나, 또는 예를 들어, 예술품(art object)들(예컨대, 역사적 그림(historical painting)들)을 그 아래에 놓이는 층들에 관해 비-파괴적으로 분석하기 위해 사용된다.
본 발명의 대안적 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 솔라 셀과 관련하여 혹은 그 일부로서 태양 스펙트럼(solar spectrum)의 적외선 성분(infrared component)을 변환함으로써 에너지 면에서 자급자족하는 방식으로 전기적 파워를 제공하기 위해 사용된다.
더욱이, 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트는 앞서-언급된 속성들(properties)을 갖는 근적외선 범위에서의 분광계를 생산하기 위해 사용된다. 이러한 종류의 분광계의 응용들은, 특히, 다음과 같은 것이 있다:
ⅰ) 근적외선 범위에서 스펙트럼을 판독하는 것;
ⅱ) 특정 분자 결합에 대해 특징을 나타내는 흡수 밴드들에 근거하여 피분석물-함유 샘플(analyte-containing sample)의 샘플 성분(sample composition)을 결정하는 것;
ⅲ) 광학 도파관들을 이용하는 원격통신의 범위 내에서 다양한 파장들을 동시에 판독하기 위한 멀티플렉싱;
ⅳ) 의료 진단(medical diagnostic)들, 예를 들어, 혈당 레벨(blood sugar level)들의 측정 혹은 혈액 내의 산소 함유량(oxygen content)의 측정(맥박산소측정법(pulsoxymetry), 두 개의 파장들의 투과(transmission)의 비교), 또는 예를 들어, 신경 과학(neuroscience)들에서, 뇌(brain) 혹은 조직(tissue)들의 비-파괴적 검사를 위한 이미지화 방법(imaging method)으로서의 응용, 또는 방광(bladder)의 비뇨기학적 검사(urological examination)들을 위한 응용;
ⅴ) 농산물(agricultural product)들 및/또는 부패성 제품(perishable product)들의 품질 제어(quality control), 예를 들어, 수분, 단백질, 지방, 혹은 플라스틱 물질들의 함유량을 결정하기 위한 것;
ⅵ) 화학 제품(chemical product)들 및 제약품(pharmaceutical product)들 그리고 석유화학(petrochemistry)의 품질 제어;
ⅶ) 적외선 천문학(infrared astronomy);
ⅷ) 뇌-컴퓨터 인터페이스(brain-computer interface)로서의 응용물, 예를 들어, 감금 증후군(locked-in syndrome)을 갖는 환자들에 대한 뇌-컴퓨터 인터페이스.
본 발명에 따른 앞서-언급된 실시예들은 본 발명의 목적을 달성하는데 적합하다. 본 명세서에서 개시되는 실시예들의 조합들이 또한 본 발명의 목적을 달성하는데 적합하다. 본 발명의 바람직한 개발들이 청구항들 혹은 이들의 개개의 특징들의 조합들로부터 출현할 것이다. 본 발명이 이하에서 일부 실제 예들 및 관련된 도면들에 근거하여 더 상세히 설명될 것이다. 이러한 실제 예들은 본 발명을 설명하도록 의도된 것이고, 하지만 본 발명이 이러한 실제 예들로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 유기물 반도체들의 범위 내에서의 다양한 흡수 메커니즘들 그리고 전하 운반자들의 후속적인 추출(extraction)을 예시하는 것을 보여준다. 좌측-편에 있는 예시는 (a) 개개의 물질들의 종래의 싱글릿 흡수를 보여준다. 우측-편에 있는 예시는 (b) 본 발명에 따라 사용되는 바와 같은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수를 보여준다.
도 2는 광활성 층으로서, ZnPc-C60 혼합 층(ZnPc-C60 mixed layer)(o o o)과 비교된 순수한 ZnPc 층(pure ZnPc layer)(|||)의 흡수 행태의 비교를 보여주며, 여기서, 점선으로 된 특성 곡선(|||)은 고-분해 흡수 측정(high-resolution absorption measurement)과 관련하여 순수한 혼합되지 않은 ZnPc 층에 관한 퓨리에-변환 광전류 분광(Fourier-transform photocurrent spectroscopy)을 나타내고, 둥근 원들을 갖는 특성 곡선(o o o)은 ZnPc-C60 혼합 층(혼합 비율은 1:1의 부피 분율(volume fraction)을 가짐)을 갖는 솔라 셀(즉, 가시 파장 범위에서 공진 파장에 대해 최적화된 기준 셀(reference cell))의 외부 양자 효율 측정을 나타낸다.
도 3은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태를 갖는 에너지 레벨을 도식적으로 보여주는데, 좌측에서는 ZnPc의 에너지 레벨을 도식적으로 보여주고, 우측에서의 C60의 에너지 레벨을 도식적으로 보여주며, 중간에서는 전이(transition)의 에너지 레벨을 도식적으로 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 광학 필드의 시뮬레이션된 진폭 분포를 보여주며, 도 4는 검출기 내의 위치, 그리고 입사하는 전자기 방사선의 조사되는 파장에 관해 그래프이다. 층 시퀀스가 중간에서 보여지고 있으며 보조선(auxiliary line)들을 포함하고 있다.
도 5는 ZnPc-C60 혼합 층들의 직접적인 발색단간 전하 이동의 흡수에 근거하는 근적외선 검출기들의 개요를 보여준다. 층 두께 변화의 범위 내에서, 광학 스페이서 층들의 두께(X1 및 X2), 투명한 실버 미러 층의 두께(Y), 그리고 광학 필터 층의 두께(Z)는 동시에 변한다.
도 6은 도 5에서 보여지는 샘플 세트를 이용해 다양한 파장들의 전자기 방사선의 검출을 보여주고 있으며, 외부 양자 효율(EQE)로 표현되어 있다.
도 7은 도 5에서 보여지는 샘플 세트를 이용해 다양한 파장들의 전자기 방사선의 검출을 보여주고 있으며, 스펙트럼 응답(Spectral Response, SR)으로 표현되어 있다.
도 8은 도 5에서 보여지는 샘플 세트로부터의 선택된 샘플들에 대한 다양한 광전자 감광성 컴포넌트의 외부 양자 효율을 보여준다.
도 9는 광학적 및 전기적 파라미터들에 관한 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 각도 의존성(angle dependence)을 보여준다. 좌측으로부터 우측으로, 실험적으로 측정된 외부 양자 효율의 의존성, 시뮬레이션된 반사율의 의존성, 그리고 실험적으로 측정된 반사율의 의존성을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 시퀀스를 보여주며, 여기서 미러 층들 혹은 광학 스페이서 층들은 전기적으로 전도성이고, 이에 따라 이들은 동시에 전극 혹은 전달 층들로서 기능하게 된다. 미러 표면들은 서로 평행한 평면으로 정렬된다.
도 11은 도 10에서와 같은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 전극(19)이 단편부분들로 분할되어 있고 전극(19)에는 개별 판독 유닛들이 제공되어 있으며, 이에 따라 입사하는 전자기 신호는 공간적으로 분해되게 된다. 이러한 실시예에서 미러 층은 전기적으로 전도성이 아니다.
도 12는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 미러 층들 혹은 광학 스페이서 층들 그 어느 것도 전기적으로 전도성이 아니다. 대신, 물리적으로 분리된 전극들 혹은 전달 층들이 앞서 언급된 층들에 의해 제공된다.
도 13은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 전류 흐름이 기판에 대해 평행하며, 따라서 입사하는 광에 대해 수직이다.
도 14는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과는 대조적으로, 기판-근접 미러 층(substrate-near mirror layer)이 분산형 피드백(DFB)과 관련하여 주기적인 간섭 그리드(periodic interference grid)로서 형성된다.
도 15는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 미러 표면들이 서로에 대해 기울어져 있고, 기판-근접 전극은 단편부분들로 형성되어 이러한 컴포넌트들은 분광 검사(spectroscopic examination)들을 가능하게 한다.
도 16은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 15와 비교해, 미러 표면들의 거리 변화가 단계적으로 이루어져 있고, 이러한 컴포넌트도 또한 분광 검사들에 대해 적합하다.
도 2는 광활성 층으로서, ZnPc-C60 혼합 층(ZnPc-C60 mixed layer)(o o o)과 비교된 순수한 ZnPc 층(pure ZnPc layer)(|||)의 흡수 행태의 비교를 보여주며, 여기서, 점선으로 된 특성 곡선(|||)은 고-분해 흡수 측정(high-resolution absorption measurement)과 관련하여 순수한 혼합되지 않은 ZnPc 층에 관한 퓨리에-변환 광전류 분광(Fourier-transform photocurrent spectroscopy)을 나타내고, 둥근 원들을 갖는 특성 곡선(o o o)은 ZnPc-C60 혼합 층(혼합 비율은 1:1의 부피 분율(volume fraction)을 가짐)을 갖는 솔라 셀(즉, 가시 파장 범위에서 공진 파장에 대해 최적화된 기준 셀(reference cell))의 외부 양자 효율 측정을 나타낸다.
도 3은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태를 갖는 에너지 레벨을 도식적으로 보여주는데, 좌측에서는 ZnPc의 에너지 레벨을 도식적으로 보여주고, 우측에서의 C60의 에너지 레벨을 도식적으로 보여주며, 중간에서는 전이(transition)의 에너지 레벨을 도식적으로 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 광학 필드의 시뮬레이션된 진폭 분포를 보여주며, 도 4는 검출기 내의 위치, 그리고 입사하는 전자기 방사선의 조사되는 파장에 관해 그래프이다. 층 시퀀스가 중간에서 보여지고 있으며 보조선(auxiliary line)들을 포함하고 있다.
도 5는 ZnPc-C60 혼합 층들의 직접적인 발색단간 전하 이동의 흡수에 근거하는 근적외선 검출기들의 개요를 보여준다. 층 두께 변화의 범위 내에서, 광학 스페이서 층들의 두께(X1 및 X2), 투명한 실버 미러 층의 두께(Y), 그리고 광학 필터 층의 두께(Z)는 동시에 변한다.
도 6은 도 5에서 보여지는 샘플 세트를 이용해 다양한 파장들의 전자기 방사선의 검출을 보여주고 있으며, 외부 양자 효율(EQE)로 표현되어 있다.
도 7은 도 5에서 보여지는 샘플 세트를 이용해 다양한 파장들의 전자기 방사선의 검출을 보여주고 있으며, 스펙트럼 응답(Spectral Response, SR)으로 표현되어 있다.
도 8은 도 5에서 보여지는 샘플 세트로부터의 선택된 샘플들에 대한 다양한 광전자 감광성 컴포넌트의 외부 양자 효율을 보여준다.
도 9는 광학적 및 전기적 파라미터들에 관한 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 각도 의존성(angle dependence)을 보여준다. 좌측으로부터 우측으로, 실험적으로 측정된 외부 양자 효율의 의존성, 시뮬레이션된 반사율의 의존성, 그리고 실험적으로 측정된 반사율의 의존성을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 시퀀스를 보여주며, 여기서 미러 층들 혹은 광학 스페이서 층들은 전기적으로 전도성이고, 이에 따라 이들은 동시에 전극 혹은 전달 층들로서 기능하게 된다. 미러 표면들은 서로 평행한 평면으로 정렬된다.
도 11은 도 10에서와 같은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 전극(19)이 단편부분들로 분할되어 있고 전극(19)에는 개별 판독 유닛들이 제공되어 있으며, 이에 따라 입사하는 전자기 신호는 공간적으로 분해되게 된다. 이러한 실시예에서 미러 층은 전기적으로 전도성이 아니다.
도 12는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 미러 층들 혹은 광학 스페이서 층들 그 어느 것도 전기적으로 전도성이 아니다. 대신, 물리적으로 분리된 전극들 혹은 전달 층들이 앞서 언급된 층들에 의해 제공된다.
도 13은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 전류 흐름이 기판에 대해 평행하며, 따라서 입사하는 광에 대해 수직이다.
도 14는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과는 대조적으로, 기판-근접 미러 층(substrate-near mirror layer)이 분산형 피드백(DFB)과 관련하여 주기적인 간섭 그리드(periodic interference grid)로서 형성된다.
도 15는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 10과 비교해, 미러 표면들이 서로에 대해 기울어져 있고, 기판-근접 전극은 단편부분들로 형성되어 이러한 컴포넌트들은 분광 검사(spectroscopic examination)들을 가능하게 한다.
도 16은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트의 도식적 층 구조를 보여주는데, 여기서는 도 15와 비교해, 미러 표면들의 거리 변화가 단계적으로 이루어져 있고, 이러한 컴포넌트도 또한 분광 검사들에 대해 적합하다.
도 1은 유기물 반도체들의 범위 내에서의 다양한 흡수 메커니즘들 그리고 전하 운반자들의 후속적인 추출을 예시하는 것을 보여준다. 좌측-편에 있는 예시는 (a) 개개의 물질들의 종래의 싱글릿 흡수를 보여준다. 이들은 에너지 E1 및 에너지 E2, 혹은 그 이상의 에너지를 갖는 광자들을 흡수한다. 전하 운반자들이 분리되어 후속적으로 광전류에 기여하기 위해서는, 쿨롱-결합 전하 운반자 쌍(Coulomb-bonded charge carrier pair)(엑시톤으로서 알려진 것)이 양쪽 화합물들의 계면으로 초기에 확산될 필요가 있다. 우측-편에 있는 예시인 도 1의 (b)는 본 발명에 따라 사용되는 바와 같은 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수를 보여준다. 양쪽 유기물 반도체들의 계면에서, 화합물 1(더 높은 HOMO 에너지를 갖는 물질)의 HOMO로부터의 전자는 화합물 2(더 낮은 LUMO 에너지를 갖는 물질)의 LUMO 레벨까지 끌어올려진다. 좌측-편에 있는 예시와는 대조적으로, 엑시톤이 공통 계면으로 확산하는 중간 단계가 없다. 직접적인 발색단간 전하 이동 상태는 에너지 E3(혹은 더 높은 에너지)의 광자들을 흡수하는데, 여기서 물질들의 적절한 선택에 의해, E3은 E1 및 E2보다 더 작도록 선택될 수 있으며, 이것은 적외선 범위에서의 흡수를 위해 선호되는 것이다.
광활성 층으로서 도 2에서 사용되는 ZnPc:C60 혼합 층은 750 nm보다 더 큰 파장들에 대해 순수한 ZnPc 층보다 더 높은 흡수를 갖는데, 여기서 혼합 층의 흡수는 900 nm보다 큰 파장에서 순수한 층의 흡수를 한 자리 수 이상 초과한다. 이러한 추가적인 흡수(도 2에서의 영역 g 참조)는 양쪽 염료들 사이의 계면에 의해 활성화된 발색단간 전하 이동 상태의 직접적인 흡수로부터 일어난 것이다. C60의 더 높은 광학 밴드 갭으로 인해, 700 nm보다 큰 파장에서 C60의 흡수는 무시될 수 있고, 따라서 C60의 흡수는 본 도면에서 생략될 수 있다. 반면 850 nm 아래의 파장들에서의 흡수 신호는 주로 ZnPc 싱글릿 상태의 흡수로 인한 것일 수 있으며, 이보다 큰 파장에서는 주로 ZnPc:C60 혼합 층의 직접적인 전하 이동 상태의 흡수가 일어난다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 순수한 C60 혹은 ZnPc 층은 단지 광학 밴드 갭과 같거나 큰 에너지를 갖는 광자들만을 흡수한다. 순수한 C60 층에 대해서, 이러한 파장들은 700 nm와 같거나 작고, 순수한 ZnPc 층에 대해서는 815 nm와 같거나 작다. 두 개의 유기물 반도체들의 전이가 일어날 때, 개개의 물질들의 싱글릿 상태에 추가하여 직접적인 발색단간 전하 이동 상태가 또한 존재한다. 이러한 직접적인 발색단간 전하 이동 상태는 ZnPc의 HOMO 에너지와 C60의 LUMO 에너지 간의 에너지 차이보다 큰 에너지들을 흡수하고, 따라서 850 nm보다 큰 파장들의 흡수를 가능하게 한다.
도 4에서 예시되는 산출(calculation)의 기반이 되는 것은 다음과 같은 것으로 이루어진 광전자 컴포넌트이다: 글래스(glass) (1 mm, 기판) | 골드(gold) (2 nm) | 실버(silver) (28 nm, 미러 층, 이것은 동시에 전극으로서의 기능을 함) | N,N-비스(플루오렌-2-yl)-나프탈렌테트라카르복실릭 디이미드(N,N-bis(fluoren-2-yl)-naphthalenetetracarboxylic diimide)(짧게 줄여서, Bis-Hfl-NTCDI)가 테트라키스(1,3,4,6,7,8-헥사히드로-2H-피리미도[1,2-a]피리미디나토)디텅스텐 (II)(tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)ditungsten (II))(짧게 줄여서, W2(hpp)4)로 도핑된 것 (79 nm, 7 Ma.-%, 광학 스페이서 층, 이것은 동시에 전자-전도성 전달 층으로서의 기능을 함) | 아연 프탈로시아닌(zinc phthalocyanine)(짧게 줄여서, ZnPc):C60 (50 nm,1:1, 광활성 층) | N,N'-((디페닐-N,N'-bis)9,9,-디메틸-플루오렌-2-yl)-벤지딘(N,N'-((diphenyl-N,N'-bis)9,9,-dimethyl-fluoren-2-yl)-benzidine)(짧게 줄여서, BF-DPB)이 노발레드 도펀트 P-사이드 No. 9(Novaled Dopant P-Side No. 9)(짧게 줄여서, NDP9)로 도핑된 것 (71 nm, 10 Ma.-%, 광학 스페이서 층, 이것은 동시에 정공-전도성 전달 층으로서 동작함) | 알루미늄(aluminium) (1 nm) | 골드(gold) (2 nm) | 실버(silver) (100 nm, 미러 층, 이것은 동시에 전극으로서 동작함) | 질소(nitrogen) (0,1 mm) | 캡슐화된 글래스(encapsulated glass) (1 mm), 여기서는 시뮬레이션의 범위 내에서 n-도펀드의 광학적 영향은 무시되었다. 3 nm보다 작은 두께를 갖는 층들은 광학적 시뮬레이션에서 고려되었고, 그럼에도 불구하고 이들은 도면으로부터 빠져있다. 도 4에 따른 광전자 컴포넌트 내에서 두 개의 미러 표면들을 특징짓는 것은 BF-DPB와 실버 사이의 계면(컴포넌트 위치 100 nm에 있음) 그리고 Bis-HfI-NTCDI와 실버 사이의 계면(컴포넌트 위치 303 nm에 있음)이다. 203 nm의 기하학적 두께는 900 nm의 파장에 대해 대략 350 nm의 광학 층 두께에 대응한다. 실버 미러 층 안으로 광학 필드가 부분적으로 침투하기 때문에, 필드는 이제 대략 450 nm로 확장된다. 따라서, 900 nm(광학 경로 길이는 공진 파장 절반에 대응함)에 대한 보강 간섭 조건이 충족된다. 정상파(stationary wave)가 결과적으로 광활성 층 내에서(즉, ZnPc:C60 혼합 층 내에서) 최대 필드 강도(maximum field intensity)로 일어나게 된다. 공진 파장의 절반(대략 455 nm)에서의 특정 컴포넌트는 또한 광활성 층 내에서 광학 필드의 강도 최소치(intensity minimum)를 갖는다.
도 5에서 제시되는 바와 같은, 층 두께 변화(X1 및 X2)(층 번호 3 및 7과 관련됨)는 분광계와 관련하여 검출기 파장 혹은 공진 파장을 변경시킬 수 있게 한다. 광학 스페이서 층들의 층 두께들(X1, X2)을 동시에 변경시킴으로써, 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장은, (a) 상이한 공진 파장들이 형성되도록, 그리고 (b) 이와 동시에 광활성 층이 (공진 파장에 기반을 둔) 광학 필드 분포의 강도 최대치에 있도록 유리하게 튜닝(tunning)된다. 전자 전달 층(Bis-Hfl-NTCDI)의 매트릭스와 비교해 근적외선에서 정공 전달 층(BF-DPB)의 매트릭스의 굴절률이 약간 더 크기 때문에, 공진 파장에 기반을 둔 광학 필드의 최대치에 광활성 층을 위치시키기 위해, 정공 전달 층의 두께는 체계상 더 크도록 선택된다. 기판으로부터 원격으로 떨어져 있고 부분적으로 투명한 실버 미러 층(층 번호 10)의 두께가 36 nm인 것에 기반하여, 그리고 이에 따라 두께들(X1 및 X2)의 변화에 따른 시뮬레이션은 결과적으로 다음과 같은 공진 파장들을 발생시켰다: {605 nm, 880 nm, 920 nm, 950 nm, 980 nm, 1010 nm}. 첫 번째 공진 파장인 605 nm는 통상의 솔라 셀들과의 비교를 위해 사용되며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되지 않는다. 층 두께 변화(Y)는 외부 양자 효율을 높이고 공진 파장과는 다른 모든 파장들을 억제하는 것과 관련하여 부분적으로 투명한 실버 미러 층을 최적화시키기 위해 사용된다. 층 두께 변화(Z)는 가시 파장 범위로부터의 광전류 기여를 억제하는 광학 필터 층들을 테스트(test)하기 위해 사용된다.
도 6 및 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 실험적으로 측정된 공진 파장은 시뮬레이션된 공진 파장의 단조 상승 함수(monotonously rising function)이고,이것은 검출기 파장의 튜닝가능성을 나타내고 있다. 27 nm 내지 36 nm의 투명한 실버 미러 층의 층 두께는 그 변화 내에서 EQE에 관하여 가장 강력한 검출기들을 발생시킨다. 광학 필터 층들은 또한, 공진 파장과는 다른 파장들에는 민감하지 않는 검출기들에 관하여 유리한 것으로 판명되었다.
도 8은 공진 파장의 변화와 함께 광활성 층으로서 ZnPc:C60을 갖는 도 6으로부터의 선택된 EQE 측정들을 보여준다. 도 8의 (a)는 ZnPc(화합물 1)의 효율적인 싱글릿 흡수를 위해 700 nm에서의 가시 파장 범위에서 공진 파장을 갖는 솔라 셀(기준 셀)로서 최적화된 컴포넌트의 EQE를 보여준다. 이를 위해, 다음과 같은 층 두께들이 광학 스페이서 층들에 관해 선택되었다: X1 = 36 nm 및 X2 = 31 nm. 더욱이, 미러 표면들의 존재 없이(즉, 간섭 없이) 가능한한 광학적으로 흡수하는 것에 가깝게 되도록 하기 위해서, 부분적으로 투명한 실버 미러 층에 대해 얇은 층 두께가 선택된다: Y = 9 nm. 더욱이, 광학 필터 층은 빠져 있다: Z = 0 nm. 이러한 샘플은 검출기들을 통상의 솔라 셀과 비교하기 위해 사용되며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되지 않는다. 도 8의 (b) 내지 (d)는, 분광계와 관련하여, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태들의 흡수의 범위 내에서 공진 파장의 변화를 보여준다. (b), (c) 및 (d)에 대해, 각각의 경우에 Y = 18 nm 및 Z = 200 nm이고, 더욱이, (a)에 대해서, X1 = 71 nm, X2 = 70 nm, 그리고 실험적 공진 파장은 910 nm이고, (b)에 대해서, X1 = 76 nm, X2 = 74 nm 그리고 실험적 공진 파장은 930 nm이고, (c)에 대해서, X1 = 81 nm, X2 = 79 nm 그리고 실험적 공진 파장은 950 nm이다.
도 9는 다음과 같은 샘플 구조에 기반을 두고 있다: 글래스(glass) (1 mm) | Ag (100 nm) | Bis-Hfl-NTCDI:W2 (hpp)4 (81 nm, 7 Ma.-%) | C60 (5 nm) | ZnPc:C60 (50 nm, 1:1 부피 분율) | ZnPc (5 nm) | BF-DPB:NDP9 (79 nm, 10 Ma.-%) | MoO3 (3 nm) | Au(1 nm) | Ag (18 nm) | Ag (75 nm) | MoO3 (10 nm) | Alq3 (50 nm) | ZnPc (200 nm) | P4-Ph4-DIP (200 nm) | 질소(nitrogen) (0.1 mm) | 글래스(glass) (1 mm). 광학 마이크로 캐비티의 보강 간섭 조건은 공진 파장의 입사하는 방사선의 높은 흡수 및 낮은 반사에 의해 표현된다. 시뮬레이션된 반사율에서, 공진 파장은 보강 간섭 조건으로 인해 포물선(parabola) 형상을 나타낸다. 이러한 행태는 외부 양자 효율을 기반으로 하여 보여지고 있는 실험적으로 측정된 반사율 및 전기적 컴포넌트 행태에 의해 확인된다. 850 nm보다 작은 파장들에 대해, 반사는 다시 떨어진다(광학 마이크로 캐비티 바깥쪽에 있는 광학 필터 층들은 광학 마이크로 캐비티 내에서 가시 범위에서의 광학 필드를 감소시킴). 따라서, 검출기는 가시 광에 대해 매우 둔감(insensitive)하다.
도 10은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1)는 다음과 같은 층 시퀀스를 갖는다: 글래스로 만들어진 기판(2); 실버로 만들어지는 미러 층(3)(이것은 동시에 전극으로서 동작함); n-도핑된 Bis-Hfl-NTCDI로 구성되는 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 전자들에 대한 전달 층으로서 사용됨); ZnPc:C60 혼합 층(동등한 부피 분율들을 가짐)으로 구성되는 광활성 층(5); p-도핑된 BF-DPB로 구성되는 추가 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 정공들에 대한 전달 층으로서 사용됨); 실버로 만들어지는 추가 미러 층(3)(이것은 동시에 전극으로서 동작함); 몰리브데넘 트리옥사이드(molybdenum trioxide)(MoO3) 및 트리스(8-히드록시-퀴놀라토)알루미늄(tris(8-hydroxy-quinolato) aluminium)(Alq3)의 개개의 층들로 구성되는 장벽 층(15); 그리고 접착제(adhesive)에 의해 도포되는 커버 글래스(cover glass)로 구성되는 캡슐부(14). 전극들로서 사용되는 두 개의 미러 층들(3)은 판독 유닛(7)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 만약 컴포넌트(1)의 검출 파장의 방사선(16)이 방사선 방출원(radiation source)(9)으로부터 기판-원격 미러 층(substrate-remote mirror layer)(3)으로 진행한다면, 광활성 층(5) 내에서 검출 파장에 관한 공간 강도 최대치를 갖는 정상파(10)가 광학 마이크로 캐비티 내에(달리 말하면, 미러 층들(3) 사이에) 형성된다. 보강 간섭 조건을 이용해 파장(즉, 검출 파장)이 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에 있도록 층 두께들이 조정된다. 만약 컴포넌트(1)의 검출 파장과는 다른 방사선(17)이 방사선 방출원(9)으로부터 기판-원격 미러 층으로 진행한다면, 이러한 방사선은 기판-원격 미러 층(3)에서 반사(18)된다.
도 11은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1a)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1a)는 다음과 같은 층 시퀀스를 갖는다: 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만들어지는 기판(2); 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 및 티타늄 다이옥사이드(TiO2)(DBR 미러 층)의 복수의 시퀀스로 구성되는 미러 층(3); 단편부분이 생성되는 방식(segment-like manner)으로 구조화된 전극(19)과 관련된 투명한 구조화된 실버 미러 층; n-도핑된 C60으로 구성되는 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 전자들에 대한 전달 층으로서 사용됨 그리고 가시 파장 범위로부터의 파장들을 수동적으로(즉, 광전류에 후속적으로 기여함이 없이) 흡수함); 철 프탈로시아닌(FePc):C60 혼합 층(동등한 부피 분율들을 가짐)으로 구성되는 광활성 층(5); p-도핑된 FePc로 구성되는 추가 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 정공들에 대한 전달 층으로서 사용됨 그리고 가시 파장 범위로부터의 파장들을 수동적으로 흡수함); 실버로 만들어지는 추가 미러 층(3)(이것은 동시에 전극으로서 동작함); 원자 층 증착(짧게 줄여서, ALD)에 의해 제공되는 MoO3, Alq3 및 알루미늄 옥사이드 층(Al2O3)으로 구성되는 장벽 층(15); 그리고 접착제에 의해 도포되는 PET로 만들어진 커버 필름(cover film)으로 구성되는 캡슐부(14). 각각의 하위 전극 단편부분(19)은 개별 판독 유닛(7)에 의해 기판-원격 전극(미러 층(3))에 연결된다. 이에 따라 만약 컴포넌트(1a)의 검출 파장의 방사선(16)이 방사선 방출원(9)으로부터 기판-원격 미러 층(3)으로 진행한다면, 광활성 층(5) 내에서 검출 파장에 관한 공간 강도 최대치를 갖는 정상파(10)가 광학 마이크로 캐비티 내에(즉, 미러 층들(3) 사이에) 형성된다. 보강 간섭 조건에 의해 파장(즉, 검출 파장)이 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 범위 내에 있도록 층 두께들이 조정된다. 만약 컴포넌트(1a)의 검출 파장과는 다른 방사선(17)이 방사선 방출원(9)으로부터 기판-원격 미러 층(3)으로 진행한다면, 이러한 방사선은 기판-원격 미러 층(3)에서 반사(18)된다. 도 10에서 예시되는 본 발명에 따른 컴포넌트와는 대조적으로, 검출기(1a)는 근적외선 신호에 관한 구조로 인해 공간적 분해를 수행할 수 있다. 추가적으로, 컴포넌트(1a)의 응답 시간은 더 작은 활성 영역(active area)으로 인해 가속화된다. 본 발명에 따른 이러한 광전자 컴포넌트(1a)는 또한 기계적으로 가요성을 갖는다.
도 12는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1b)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1b)는 다음과 같은 층 시퀀스를 갖는다: 글래스로 만들어지는 기판(2); 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 및 티타늄 다이옥사이드(TiO2)(DBR 미러 층)의 복수의 시퀀스로 구성되는 미러 층(3); PEDOT:PSS로 구성되는 광학 스페이서 층(4); 검출 파장에 대해 투명도가 높고 인듐 주석 옥사이드(ITO)로 구성되는 전극(11); p-도핑된 테트라페닐디피라닐리덴(tetraphenyldipyranylidene)(짧게 줄여서, TPDP)으로 구성되는 정공-전도성 전달 층(24); TPDP:C60 혼합 층(동등한 부피 분율들을 가짐)으로 구성되는 광활성 층(5); 바토페난트롤린(bathophenanthroline)(짧게 줄여서, Bphen)으로 구성되는 전자-전도성 전달 층(24); 검출 파장에 대해 투명도가 높고 인듐 주석 옥사이드(ITO)로 구성되는 전극(11); 도핑되지 않은 BF-DPB로 구성되는 추가 광학 스페이서 층(4); 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 및 티타늄 다이옥사이드(TiO2)(DBR 미러 층)의 복수의 시퀀스로 구성되는 추가 미러 층(3); MoO3 및 Alq3으로 구성되는 장벽 층(15); P4-2,3,10,11-테트라프로필-1,4,9,12-테트라페닐-디인데노[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]페릴렌(P4-Ph4-DIP)로 구성되는 가시 파장 범위에 대한 광학 필터 층들(21); 그리고 접착제에 의해 도포되는 커버 글래스로 구성되는 캡슐부(14). 두 개의 전극들(11)은 판독 유닛(7)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 만약 방사선 방출원(9)으로부터 방출되는 전자기 방사선(20)이 적외선 범위 내에 있고 컴포넌트(1b)의 검출 파장에 대응한다면, 본 발명에 따른 컴포넌트(1b)는 광전류를 발생시킨다.
양쪽 광학 스페이서 층들(4)의 광학 두께(optical thickness)들은, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에서의 파장에 관해, 광활성 층(5) 내에서 최대 강도를 갖는 정상파가 광학 마이크로 캐비티 내에 형성되도록 선택된다. 본 발명에 따른 검출기의 이러한 실시예에서, 미러 층은 전극으로서 형성되지 않는다. 더욱이, 이러한 구현예에서, 광학 스페이서 층들(4)은 전기적 전도성 기능을 담당하지 않는다. 기판-원격 미러 표면 및 기판-근접 미러 표면에 대해 모두 반사도가 높은 DBR 미러 표면들을 사용하기 때문에, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수가 특히 유리하게 증폭된다.
도 13은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1c)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1c)는 다음과 같은 층 시퀀스를 갖는다: 글래스로 만들어지는 기판(2); 알루미늄으로 만들어지는 미러 층(3); PEDOT:PSS로 구성되는 광학 스페이서 층(4); 그리고 기판(2)에 대해 평행한 층 시퀀스, 여기서 기판(2)에 대해 평행한 층 시퀀스는 또한 다음과 같은 (좌측에서 우측으로 정렬되는) 구성을 갖는다: 실버 전극(11); p-도핑된 9,9-비스[4-(N,N-비스-비페닐-4-yl-아미노)페닐]-9H-플루오렌(짧게 줄여서, BPAPF)으로 구성되는 정공-전도성 전달 층(24); 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민(짧게 줄여서, m-MTDATA)-C60 혼합 층(동등한 부피 분율들을 가짐)으로 구성되는 광활성 층(5); 세슘-도핑된 Bphen으로 구성되는 전자-전도성 전달 층(24); 그리고 실버 전극(11). 기판에 대해 평행한 층 시퀀스 위에, 다음과 같은 것들이 뒤따른다: C60으로 구성되는 추가 광학 스페이서 층(4); 실버로 만들어지는 추가 미러 층(3); MoO3 및 Alq3으로 구성되는 장벽 층(15); 그리고 접착제에 의해 도포되는 커버 글래스로 구성되는 캡슐부(14). 두 개의 전극들(11)은 판독 유닛(7)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 만약 방사선 방출원(9)으로부터 방출되는 전자기 방사선(20)이 근적외선 범위 내에 있고 컴포넌트의 검출 파장에 대응한다면, 본 발명에 따른 컴포넌트(1c)는 광전류를 발생시킨다.
양쪽 광학 스페이서 층들(4)의 광학 두께들은, 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수 범위 내에서의 파장에 관해, 광활성 층(5) 내에서 최대 강도를 갖는 정상파가 광학 마이크로 캐비티 내에 형성되도록 선택된다. 본 발명에 따른 검출기(1c)의 이러한 실시예에서, 미러 층(3)은 전극으로서 동시에 형성되지 않는다. 더욱이, 이러한 구현예에서, 광학 스페이서 층(4)은 전기적 전도성 기능을 담당하지 않는다. 이러한 구현예에서는, 전극들(11)을 근적외선 방사선의 흡수를 위해 사용되는 영역 바깥쪽으로 공간적으로 이동(shifting)시켰기 때문에 기생적 흡수(parasitic absorption)(즉, 광활성 층과는 다른 광학 마이크로 캐비티 내에 배치되는 모든 층들의 흡수)가 낮아지고, 그럼으로써 공진 파장에서의 광학 필드의 강도가 상승하게 되는 특히 유리한 점이 있는 것으로 판명되었다.
도 14는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1d)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1d)는 다음과 같은 층 시퀀스를 갖는다: 포토레지스트 층(예를 들어, maP1210)을 통한 측면으로 구조화된 글래스 기판(23); 검출 파장에 대해 투명도가 높고 ITO로 구성되는 전극(11); n-도핑된 Bis-Hfl-NTCDI로 구성되는 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 전자들에 대한 전달 층으로서 사용됨); 납 프탈로시아닌(lead phthalocyanine)(짧게 줄여서, PbPc):C60 혼합 층(동등한 부피 분율들을 가짐)으로 구성되는 광활성 층(5); p-도핑된 BF-DPB로 구성되는 추가 광학 스페이서 층(4)(이것은 동시에 정공들에 대한 전달 층으로서 사용됨); 실버로 만들어지는 추가 전극(11); MoO3 및 Alq3으로 구성되는 장벽 층(15) 및 비활성 가스(22), 예를 들어, 질소; 그리고 접착제에 의해 도포되는 커버 글래스로 구성되는 캡슐부(14). 이러한 구현예에서 미러 표면들은 측면으로 구조화된 기판(23), 그리고 장벽 층(15)과 비활성 가스(22) 사이의 계면이다. 두 개의 전극들(11)은 판독 유닛(7)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 컴포넌트(1d)의 검출 파장은 기판(23)의 주기 구조(period structure) 및 두 개의 미러 표면들 사이의 광학 거리(optical distance)에 의해 조정될 수 있고, 이에 따라 파장은 보강 간섭 조건에 의해 직접적인 발색단간 전하 이동 상태의 흡수의 파장 범위 내에 있도록 조정될 수 있다. 광 파 전도(light wave conduction)는 구조화된 기판-근접 미러 표면(즉, 1-차원 간섭 그리드 DFB 구조)을 통해 이러한 컴포넌트(1d) 내에서 기판(23)에 대해 평행하게 일어난다. 만약 방사선 방출원(9)으로부터 방출되는 전자기 방사선(20)이 근적외선 범위 내에 있고 컴포넌트(1d)의 검출 파장에 대응한다면, 본 발명에 따른 컴포넌트(1d)는 광전류를 발생시킨다.
도 15는 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1e)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1e)는 도 11과 동일한 순서로 된 동일한 층들로 구성된다. 도 11과는 대조적으로, 기판과 나란히 두 개의 광학 스페이서 층들(4)에서 층 두께 변화가 존재한다. 따라서, 전극 단편부분(19)에 의해 경계가 설정되는 광학 마이크로 캐비티의 각각의 영역에 대해 상이한 공진 파장들 혹은 검출 파장들이 형성된다. 도 11로부터의 광전자 컴포넌트는 입사하는 전자기 신호를 공간적으로 분해하는 반면, 여기서 예시되는 컴포넌트(1e)는 입사하는 전자기 신호를 스펙트럼적으로 분해한다. 만약 방사선 방출원(9)으로부터 방출되는 전자기 방사선(20)이 근적외선 범위 내에 있고 컴포넌트의 검출 파장들에 대응한다면, 본 발명에 따른 컴포넌트(1e)는 광전류를 발생시킨다.
도 16은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트(1f)를 보여주며, 여기서 광전자 컴포넌트(1f)는 도 10과 동일한 순서로 된 동일한 층들로 구성된다. 도 10에서 보여지는 예시적인 실시예와는 대조적으로, 층들(3, 4, 5, 4, 3, 15)은 전기적으로 절연된 단편부분들의 형태에서 측면으로 구조화되어 있으며, 이러한 단편부분들 각각은 개별적으로 판독 유닛(7)에 연결된다. 미러 층(3)이 다시 전극으로서 동작한다. 도 15에서 이미 살펴본 바와 같이, 여기서도 또한 기판(2)과 나란히 미러 거리에 관해 층 두께 변화가 존재한다. 하지만, 도 15와는 대조적으로, 쐐기(wedge) 형상이 생성되는 방식으로 제공되는 것이 아니라, 광활성 층(5)의 층 두께 변화들이 개별적으로 그리고 점진적으로 일어나게 함으로써, 계단(step) 형상이 생성되는 방식으로 제공된다. 따라서, 개별 검출 파장이 각각의 전기적으로 절연된 단편부분과 관련된다. 도 15에서 또한 살펴본 바와 같이, 설명되는 광전자 컴포넌트(1f)는 입사하는 전자기 신호를 스펙트럼적으로 분해한다.
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f
광감지 광전자 컴포넌트(Photosensitive, optoelectronic component)
2 기판(Substrate)
3 미러 층(Mirror layer)
4 광학 스페이서 층(Optical spacer layer)
5 광활성 층(Photoactive layer)
7 판독 유닛(Read-out unit)
9 방사선 방출원(Radiation source)
10 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장에 대한 정상파(Stationary wave for resonance wavelength of the optical micro cavity)
11 전극(Electrode)
14 캡슐부(Encapsulation)
15 장벽 층(Barrier layer)
16 방사선 방출원에 의해 방출되는, 공진 파장을 갖는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source with the resonance wavelength)
17 방사선 방출원에 의해 방출되는, 공진 파장과는 다른 파장을 갖는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source different from the resonance wavelength)
18 검출기에서 반사되는, 공진 파장과는 다른 파장(Wavelength different from the resonance wavelength reflected at the detector)
19 단편부분이 생성되는 방식으로 구조화된 전극(Electrode structured in a segment-like manner)
20 방사선 방출원에 의해 방출되는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source)
21 가시 파장 범위에 대한 광학 필터 층(Optical filter layer for visible wavelength range)
22 비활성 가스(Inert gas)
23 측면으로 구조화된 기판(Laterally structured substrate)
24 전달 층(Transport layer)
2 기판(Substrate)
3 미러 층(Mirror layer)
4 광학 스페이서 층(Optical spacer layer)
5 광활성 층(Photoactive layer)
7 판독 유닛(Read-out unit)
9 방사선 방출원(Radiation source)
10 광학 마이크로 캐비티의 공진 파장에 대한 정상파(Stationary wave for resonance wavelength of the optical micro cavity)
11 전극(Electrode)
14 캡슐부(Encapsulation)
15 장벽 층(Barrier layer)
16 방사선 방출원에 의해 방출되는, 공진 파장을 갖는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source with the resonance wavelength)
17 방사선 방출원에 의해 방출되는, 공진 파장과는 다른 파장을 갖는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source different from the resonance wavelength)
18 검출기에서 반사되는, 공진 파장과는 다른 파장(Wavelength different from the resonance wavelength reflected at the detector)
19 단편부분이 생성되는 방식으로 구조화된 전극(Electrode structured in a segment-like manner)
20 방사선 방출원에 의해 방출되는 전자기 방사선(Electromagnetic radiation emitted by the radiation source)
21 가시 파장 범위에 대한 광학 필터 층(Optical filter layer for visible wavelength range)
22 비활성 가스(Inert gas)
23 측면으로 구조화된 기판(Laterally structured substrate)
24 전달 층(Transport layer)
Claims (17)
- 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위(wavelength range) 내의 전자기 신호(electromagnetic signal)를 검출하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
(a) 기판(substrate)(2) 상에 정렬되는 광전자 컴포넌트(optoelectronic component)(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)를 제공하는 단계와,
상기 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)는, 두 개의 미러 표면(mirror surface)들과 광활성 층(photoactive layer)(5)을 갖고,
i. 상기 두 개의 미러 표면들은 서로 대향하여 이격되어 있으며 광학 마이크로 캐비티(optical micro cavity)를 형성하고,
ii. 상기 광활성 층(5)은 상기 미러 표면들 사이에 정렬되며 적어도, 하나의 화합물 1(compound 1) 및 하나의 화합물 2(compound 2)를 포함하고,
상기 화합물 1의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital, 최고준위 점유 분자 오비탈) 에너지와 상기 화합물 2의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, 최저준위 비점유 분자 오비탈) 에너지 간의 에너지 차이는 1.6 eV보다 작고,
상기 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이(optical path length)는 검출될 상기 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응하고,
검출될 상기 전자기 신호의 파장 범위의 등가 에너지는,
- 상기 화합물 1의 HOMO 에너지와 상기 화합물 2의 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이와
- 상기 화합물 1의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이의 범위 내에 있고,
상기 광활성 층(5)은 상기 미러 표면들 사이에서, 검출될 상기 전자기 신호의 파장의 공간 강도 최대치(spatial intensity maximum)가 일어나는 상기 광학 마이크로 캐비티 내에, 정렬되며;
(b) 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위 내의 전자기 신호로 상기 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)를 조사(irradiating)하는 단계와;
(c) 상기 광학 마이크로 캐비티 내에서 검출될 상기 전자기 신호를 증폭(amplifying)하는 단계와, 여기서, 검출될 상기 신호의 파장에 의해 유발(induce)되는 화합물 1로부터 화합물 2로의 직접적인 발색단간 전하 이동(direct interchromophoric charge transfer)이 일어나고; 그리고
(d) 상기 전자기 신호를 전기적 신호(electrical signal)로 변환(converting)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광학 마이크로 캐비티 내에 두 개의 광학 스페이서 층(optical spacer layer)들(4)이 정렬되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 대향하는 두 개의 미러 표면들은 100 nm와 5000 nm의 범위 내의 기하학적 거리(geometric distance)를 두고 서로 평행한 평면으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 전자기 신호는 스펙트럼이 분해되는 방식(spectrally resolved manner)으로 검출되고,
상기 광전자 컴포넌트(1e, 1f)의 상기 대향하는 두 개의 미러 표면들 사이의 기하학적 거리는 적어도 하나의 측면 방향(lateral direction)에서 연속적으로(continuously) 혹은 불연속적으로(discontinuously)으로 변하는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 제4항에 있어서,
상기 대향하는 두 개의 미러 표면들은 1 nm 내지 500 nm의 범위에서 상기 기하학적 거리의 연속적인 변화를 갖도록 기울어져(tilted) 정렬되고, 상기 대향하는 두 개의 미러 표면들의 평균 기하학적 거리(average geometric distance)는 100 nm와 5000 nm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 제4항에 있어서,
상기 대향하는 두 개의 미러 표면들은 상기 기하학적 거리의 불연속적인 변화를 갖도록 정렬되고, 여기서 상기 광전자 컴포넌트(1f)는 전기적으로 서로 절연되어 있는 단편부분(segment)들을 가지며, 상기 단편부분들 내에서 상기 대향하는 두 개의 미러 표면들은 평행한 평면으로 정렬되며, 인접하는 단편부분들 내의 상기 대향하는 두 개의 미러 표면들의 상기 기하학적 거리는 서로 다른 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 앞선 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
화합물 1과 화합물 2는 혼합(mix)되어 상기 광활성 층(5) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 앞선 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 전기적 신호는 전극(electrode)들(3, 11, 19)과 적어도 하나의 판독 유닛(read-out unit)(7)을 통해 판독되고 선택적으로 후속하여 처리되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 앞선 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 전기적 신호를 판독하는 것은 상기 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)의 전극들(3, 11, 19)에 0 내지 - 100 V의 범위 내의 외부 전압을 인가함으로써 지원(support)을 받는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 앞선 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
단계 (c)에서의 상기 광학 마이크로 캐비티 내에서 검출될 상기 신호의 상기 증폭은 플라즈몬 반사(plasmonic reflection), 유전체 반사(dielectric reflection) 혹은 전반사(total reflection)의 효과들 중 적어도 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 앞선 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
검출될 상기 전자기 신호의 강도는 상기 광활성 층(5)에 걸쳐 평균화되고, 단계 (c)에서 10배 내지 10000배만큼 증폭되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호를 검출하기 위한 방법. - 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위 내의 전자기 신호를 검출하기 위한 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)로서,
기판(2) 상의 상기 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)는 적어도, 두 개의 미러 표면들과 광활성 층(5)을 갖고,
i. 상기 두 개의 미러 표면들은 서로 대향하여 이격되어 있으며 광학 마이크로 캐비티를 형성하고,
ii. 상기 광활성 층(5)은 상기 미러 표면들 사이에 정렬되며 적어도, 하나의 화합물 1 및 하나의 화합물 2를 포함하고,
상기 화합물 1의 HOMO 에너지와 상기 화합물 2의 LUMO 에너지 간의 에너지 차이는 1.6 eV보다 작고,
상기 미러 표면들 사이의 광학 경로 길이는 검출될 상기 신호의 파장에 25% 내지 75%의 범위에서 대응하고,
검출될 상기 전자기 신호의 파장 범위의 등가 에너지는,
- 상기 화합물 1의 HOMO 에너지와 상기 화합물 2의 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이와
- 상기 화합물 1의 HOMO 에너지와 LUMO 에너지에 의해 정의되는 에너지 차이의 범위 내에 있고,
상기 광활성 층(5)은 상기 미러 표면들 사이에서, 검출될 상기 전자기 신호의 파장의 공간 강도 최대치가 일어나는 상기 광학 마이크로 캐비티 내에, 정렬되는 것을 특징으로 하는 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f). - 제12항에 있어서,
상기 광전자 컴포넌트(1b)는 정공-전도성(hole-conducting) 또는 전자-전도성(electron-conducting) 전달 층(transport layer)들(24)을 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 컴포넌트(1b). - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)는 광학 필터 층(optical filter layer)들(21) 및/또는 전하 운반자 차단 층(charge carrier blocking layer)들 및/또는 생식 층(germ layer)들 및/또는 장벽 층(barrier layer)들(15) 및/또는 캡슐부(encapsulation)(14)를 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f). - 제12항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 광전자 컴포넌트(1f)의 측면 구조는 전기적으로 서로 절연되어 있는 단편부분들을 가지며, 상기 단편부분들 내에서 적어도 상기 대향하는 두 개의 미러 표면들 사이의 기하학적 거리는 단편적으로(segmentally) 변하는 것을 특징으로 하는 광전자 컴포넌트(1f). - 공간 분해(spatial resolution), 시간 분해(temporal resolution) 및/또는 스펙트럼 분해(spectral resolution)를 이용해 그리고 후속 처리를 위해 780 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위 내의 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 검출하기 위한, 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 방법 및 청구항 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)의 사용.
- 솔라 셀(solar cell)로서 혹은 솔라 셀의 컴포넌트로서 청구항 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 광전자 컴포넌트(1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)의 사용.
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