KR20200030880A - 암전류를 감소시키기 위한 버퍼층을 구비한 유기 광전 소자 및 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 빛을 흡수하는 유기 활성층을 포함하는 유기 광전 소자(OPD)에 버퍼층(buffer layer)을 도입하여 암전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 것으로서 이러한 버퍼층으로 티민, 우라실 등과 같은 DNA 관련 물질을 사용한다.
Description
본 발명은 암전류를 감소시키기 위한 버퍼층을 구비한 유기 광전 소자 및 이를 이용한 전자 장치에 관한 것이다.
광전 소자는 광전 효과를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서, 태양 전지 등에 적용될 수 있다. 광 다이오드를 포함하는 이미지 센서는 날이 갈수록 해상도가 높아지고 있으며, 이에 따라 화소 크기가 작아지고 있다. 현재 주로 사용하는 실리콘 광 다이오드의 경우 화소의 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 유기 물질이 연구되고 있다. 유기 물질은 흡광 계수가 크고 분자 구조에 따라 특정 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있으므로, 광 다이오드와 색 필터를 동시에 대체할 수 있어서 감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
유기 광전 소자(OPD)는 광선들(또는 광자들)을 수집하여 이들을 전기적 전류로 변환한다. 활성층으로 불리는 유기층 상으로 도착한 광자는, 전자/홀 쌍으로 분해될 것이다. 이 전자/홀 쌍은 외부 전기장의 인가를 통해 분리될 것이고 상기 전자들은 양전극에 의해 수집되며 상기 홀들은 음전극에 의해 수집될 것이다. 최적의 성능을 달성하기 위해, 최대한의 광자들이 흡수되고 전자/홀 쌍들로 변환되어야 하며, 최대한의 전자들 및 홀들이 전극들에서 수집되어야 한다.
도 1에는 가장 일반적으로 사용되는 유기 광전 소자(OPD)의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유리 기판(2)상에, ITO(Indium Tin Oxide)의 투명층(4)이 놓이며, 제1 전극의 역할, 예를 들어 애노드로서의 역할을 수행한다. 이는 예를 들어 퇴적 프레임(deposition frame) 내에서 분사(spraying)에 의해 제조되며, 하부 전극으로서 사용된다. 이후, (예를들어, PEDOT:PSS와 같은) 전자 주입 층(electron injecting layer, EIL)이 예를 들어 진공 퇴적(vacuum deposition)에 의해 퇴적(deposited)된다, (예를 들어, PBCM:P3HT와 같은) n 및 p-타입 폴리머의 혼합물은 활성층(6)(또는 볼륨 헤테로정션(volume heterojunction)으로 지칭된다. 이것은 예를 들어 스핀-코팅, 스프레이-코팅과 같은 퇴적 기술들을 통해 퇴적된다. (예를 들어, ZnO와 같은) 홀 주입 층(hole injection layer, HIL); 이는 예를 들어 소위 "스핀-코팅" 기술에 의해 퇴적된다, 마지막으로, 금속층(10)이 상부 전극(또는 캐소드)로서 사용된다; 이는 예를 들어 진공 퇴적 기술 또는 심지어 프린팅 기술에 의해 퇴적된다. 이 타입의 구성에서, 양 전극들 중 적어도 하나는 빛이 감지될 수 있도록 (애노드 또는 캐소드) 투명하다.
일반적으로, 포토다이오드는 광학 분야의 방사를 감지하는 반-도전성 구성요소(n + p)이고 이를 전기적 신호로 바꾸며, 역으로, 전기적 전압하에서, 광자들을 생성한다. 예를 들어 포토다이오드는 헤테로정션 pn 또는 심지어 더블 핀 헤테로정션(double pin heterojunction)을 포함할 수 있다.
소위 암전류는 포토다이오드를 통해 흐르는 전류로서, 그 입력에서 빛이 존재하지 않는 경우에도, 0이 아닌 신호를 발생시킨다. 암전류는 감지된 광자들의 흡수가 아닌 다른 물리적 과정들에 의해 생성된다. 포토다이오드의 성능은, 조명 하에서의, 가능한 한 높은 전류(I)와 가능한 한 낮은 암전류(Idark)에 의해 특정된다. 상기 암전류와 상기 조명 하의 전류간의 차이는 빛이 검출되는 것을 가능케 한다. 이 검출의 정밀도를 최적화하기 위해, (조명 없는 경우의) 암전류를 최소화하는 것이 시도된다.
유기 광전 소자(OPD)에서의 암전류를 감소시킬 수 있는 새로운 수단을 제공하는 다양한 특허문헌들이 제시된다. 특허문헌 1(US 2010/0207112)은 유기 광전 소자(OPD)의 암전류(Idark)에 관한 것이다. 특허문헌 2(KR 10-2014-0044848)는 애노드를 형성하는 제1 전극, 활성층, 제2전극, 및 다른 전극과 함께 커패시턴스를 형성하는 적어도 하나의 제3 전극을 포함하고, 커패시턴스에 의해 암전류(Idark) 또는 누설전류(Ioff)의 적어도 일부분을 트랩시키는 구조의 포토다이오드 장치를 개시한다. 이 커패시턴스는, 활성층의 전하들을 트랩(trapping)함으로써, 유기 광전 소자(OPD)의 애노드와 캐소드 사이의, 상기 암전류의 적어도 일부분의 흐름을 차단한다. 이 커패시턴스를 위한 유전물질로서, PVP(polyvinylphenol), PMMA(polymethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 또는 실리카(silica), 알루미나(alumina)가 사용될 수 있다.
본 발명은 유기 광전 소자(OPD)에서의 암전류를 감소시킬 수 있는 새로운 수단을 제공하는 것을 제1의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 암전류를 감소시킬 수 있는 새로운 수단을 포함하는 이미지 센서 또는 촬상소자를 제공하는 것을 다른 제 2의 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 빛을 흡수하는 유기 활성층을 포함하는 유기 광전 소자(OPD)에 버퍼층(buffer layer)을 도입하여 암전류를 감소시키는 것을 특징으로 한다. 특히, 이러한 버퍼층으로 티민, 우라실 등과 같은 DNA 관련 물질을 사용한다.
이러한 특징을 반영하는 본 발명의 일 양태로서의 유기 광전 소자는, 애노드를 형성하는 제 1 전극; 유기 활성층; 캐소드를 형성하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 유기 활성층 사이에 배치되어 전자 장벽을 형성하기 위한 버퍼층을 포함하고; 상기 버퍼층은 아데닌, 구아닌, 티민 및 사이토신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 DNA 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태로서의 이미지 센서는 반도체 기판, 하부 절연층, 색 필터, 상부 절연층 및 유기 광전 소자를 포함하는데, 상기 유기 광전 소자는, 유기 광전 소자는, 애노드를 형성하는 제 1 전극; 유기 활성층; 캐소드를 형성하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 유기 활성층 사이에 배치되어 전자 장벽을 형성하기 위한 버퍼층을 포함하고; 상기 버퍼층은 아데닌, 구아닌, 티민 및 사이토신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 DNA 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태로서의 유기 광전 소자는 상기 제 1 전극과 상기 버퍼층 사이에 전자 주입층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태로서의 촬상 소자는 상술한 본 발명에 따른 이미지 센서가 적용된 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층은 티민으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 유기 활성층 사이에 하나 이상의 전하 보조층을 더 포함할 수 있는데, 이 경우 상기 전하 보조층은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 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 layer HBL)에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극은 ITO이고, 상기 제 2 전극은 Al인 것이 바람직하다.
상기 유기 활성층은 P3HTs(Poly-3-Hexyl thiophene)과 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)으로 이루어지고, 상기 전자 주입층은 PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]와 PSS(Polystyrene sulfonat)로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포토다이오드가 비-활성 모드인 경우, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재되는 버퍼층에 의해 유기 활성층에 존재하는 암전류 또는 누설전류의 이동 전하들을 차단함으로써 상기 전하들이 포토다이오드의 전기 회로에 도달하는 것을 방지한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 전형적인 유기 광전 소자(OPD)의 단면 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유기 광전 소자(OPD)의 단면 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 버퍼층이 배치된 유기 광전 소자의 암전류 차단 메카니즘을 설명하기 위한 기능 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기 광전 소자가 적용된 이미지 센서의 일 실시예의 단면 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유기 광전 소자(OPD)의 단면 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 버퍼층이 배치된 유기 광전 소자의 암전류 차단 메카니즘을 설명하기 위한 기능 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기 광전 소자가 적용된 이미지 센서의 일 실시예의 단면 구성도를 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 2를 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 광전 소자(OPD)를 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 유기 광전 소자(OPD)를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 유기 광전 소자(100)는 기판(미도시)상에 구조화되거나 또는 비구조화된 하부 전극층으로서 제1 투광 전극(110)이 배치된다. 제1 투광 전극(110)은 투명하고 예를 들면 애노드를 구성하는 예를 들면 인듐 주석 산화물인 ITO로 구성된다. 그 위에 도포되는 것은 중간층(130), 예를 들면 PEDOT/PSS의 층이다. 그 위에는 본 발명에 따른 버퍼층(135)이 배치되고, 이 버퍼층(135) 위에 벌크 헤테로 접합을 포함하는 벌크 유기 활성층(140)이 이어진다. 유기 활성층(140) 상에는 또 다른 얇은 중간층(미도시)들이 배치될 수도 있다. 그 위에는 예를 들면 반투명 및/또는 은으로 구성된 상부 전극층으로서 제2 투광 전극(120)이 이어지고, 그리고 그 위에 침착된 것은 투명, 반투명 또는 불투명할 수 있고, 예를 들면 유리, 금속 또는 중합체 또는 이들 성분의 적층체로 구성될 수 있는 보호층, 예컨대 봉지(미도시)이다.
본 발명의 다른 변형예로서 상기 중간층(130)이 생략되는 경우, 상기 버퍼층(135)은 상기 제1 투광 전극(110)과 상기 유기 활성층(140) 사이에 직접 배치된다. 이 경우, 유기 광전 소자는 제1 투광 전극(110), 버퍼층(135), 유기 활성층(140) 및 제2 투광 전극(120)이 차례대로 적층된 구조를 갖게 될 것이다.
상기 제1 투광 전극(110) 및 제2 투광 전극(120)은 이미지 센서 제조에 사용되는 유기 광전 소자용 투광 전극이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 상기 투광 전극은, 예컨대, 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나, 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막, 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막일 수 있다.
비구조화된 층은 모든 표준 코팅 방법, 예컨대 스프레이, 스핀-코팅, 침지(dipping), 코팅 바 또는 인쇄 기술 등으로 영역 전반에서 제조될 수 있다. 구조화된 층은 바람직하게는 프린팅 방법으로 용액으로부터 도포된다.
상기 유기 활성층(140)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질이 pn 접합(pn flat junction) 또는 벌크 이종접합(bulk heterojunction)을 형성하는 층으로 단일 층 또는 다수 층으로 구성될 수 있으며, 제1 투광 전극(110)으로부터 입사된 광을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후, 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다. 상기 생성된 엑시톤은 상기 유기 활성층(140)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 캐소드 측으로 이동하여 유기 광전 소자에 전류가 흐를 수 있게 된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 유기 활성층(140)은 P3HTs : 폴리-3-헥실티오펜, Poly-3-Hexyl thiophene와 PCBM : 플러렌 유도체, Phenyl-C61-butyric acid methyl ester로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 유기 활성층(140)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수도 있다. 유기 활성층(140)은, 예컨대 진성층(intrinsic layer,I층), p형층/I층, I층/n형층, p형 층/I층/n형 층, p형층/n형층 등 다양한 조합일 수 있다. 진성층(I층)은 상기 p형 반도체 화합물과 상기 n형 반도체 화합물이 약 1:100 내지 약 100:1의 비율로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:1의 비율로 포함될 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다. p형층은 상기 p형 반도체 화합물을 포함할 수 있고, n형층은 상기 n형 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 상기 유기 활성층(140)은 약 10 nm 내지 500 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수도 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 빛을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
일 실시예에서 상기 중간층(130)은 예를 들어, PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[Polystyrene sulfonate]와 같은 전자 주입 층(electron injecting layer, EIL)인 것이 바람직하다.
또한, 일 실시예에서, 상기 버퍼층(135)은 상기 중간층(130)과 상기 유기 활성층(140) 사이(또는 상기 제1 투광 전극과 상기 유기 활성층 사이)에 배치되어 전자 주입층(또는 제1 투광 전극)의 전하가 유기 활성층(140)으로 쉽게 넘어가지 못하도록 차단하는 전자 장벽(electron barrier)으로서의 역할을 하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL)이다. 이를 위해, 본 발명에서는 도 3과 같이 중간층(130)에 비해 에너지 준위가 적어도 1.0eV 이상 높은 유기 물질을 버퍼층(135)으로 사용한다. 일 실시예에서, 이러한 전자 차단층 기능을 수행하는 유기 물질로서 아데닌, 구아닌, 티민 및 사이토신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 DNA 물질을 사용한다. 특히, DNA 염기인 티민의 경우 단가가 저렴하며, 25nm의 굉장히 얇은 박막만으로도 소자 구동에 충분한 성능을 보여, 현저한 비용 절감 효과가 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예로서, 상기 설명한 유기 광전 소자(100)는 상기 투광 전극(110, 120)과 상기 유기 활성층(140) 사이에 하나 이상의 전하 보조층을 더 포함할 수 있다. 상기 전하 보조층은 유기 활성층에서 분리된 정공과 전자의 이동을 더욱 용이하게 하여 효율을 높일 수 있으며, 예컨대 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer HBL)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
포토다이오드는 여러 광(光) 기반 측정을 위한 가장 일반적인 센서 유형 중 하나이다. 흡수 및 방출 분광법, 색채 측정, 탁도, 가스 검출 등의 애플리케이션은 모두 정밀 광 측정용 포토다이오드에 따라 좌우된다. 포토다이오드는 활성화된 영역에 도달하는 빛에 비례해 전류를 생성한다. 포토다이오드가 빛이 없는 상태에서도 포토다이오드 양단에서 역전압(reverse voltage)에 따라 흐르게 되는 적은 양의 전류를‘암전류(dark current)’라고 한다. 대부분 10 mV의 역전압에서 포토다이오드 암전류를 규정한다.
본 발명의 다른 일 실시예로서, 상기 구현예에 따른 유기 광전 소자(100)를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 4는 인접한 청색 화소, 녹색 화소, 및 적색 화소를 예시적으로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서 도면부호에 'B'가 포함되어 있는 구성요소는 청색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이고 도면부호에 'G'가 포함되어 있는 구성요소는 녹색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이며 도면부호에 'R'이 포함되어 있는 구성요소는 적색 화소에 포함되어 있는 구성 요소를 가리킨다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(510), 하부 절연층(60), 색 필터(70), 상부 절연층(80), 및 유기 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(510)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50)는 광 다이오드이거나 유기 광전 소자(100)에서 생성된 전하들의 저장소일 수 있다. 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(50)는 청색 화소의 광 감지 소자(50B), 녹색 화소의 광 감지 소자(50G), 및 적색 화소의 광 감지 소자(50R)를 포함한다. 광 감지 소자(50)는 빛을 센싱하고 광 감지 소자(50)에 의해 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달된다.
반도체 기판(510) 위에는 금속 배선(90) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선(90) 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(g) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
금속 배선(90) 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 각 화소의 광 감지 소자(50B, 50G, 50R)를 각각 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터(70)가 형성되어 있다. 색 필터(70)는 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(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터(50)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 녹색 화소의 광 감지 소자(50G)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 본 발명에 따른 유기 광전 소자(100)가 형성되어 있다. 유기 광전 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 투광 전극(110), 중간층(130), 버퍼층(135), 유기 활성층(140), 제2 투광 전극(120)을 포함하거나 제1 투광 전극(110), 버퍼층(135), 유기 활성층(140), 제2 투광 전극(120)을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 버퍼층을 구비한 유기 광전 소자와 그 비교예에 따른 유기 광전 소자의 암전류와 검출감도(detectivity)를 비교 실험한다.
<실시예>
유리 기판 위에 ITO (Indium Tin Oxide)를 스퍼터링으로 적층하여 약 150 nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서, Zinc acetate(1g), ethanolamine(0.28g), 그리고 2-Methoxyethanol(10ml)를 섞은 용액을 준비한 후 실온에서 12시간동안 교반시킨 용액을 ITO 위에 스핀 코팅하여 30nm 두께의 ZnO를 형성시킨다. 형성된 ZnO 위에 티민(thymine)을 진공증착하여 5nm 두께의 박막을 형성시킨다. 티민(thymine) 박막 위에 P3HT(24mg)과 PC61BM(20mg)을 1ml의 1,2-chlorobenzene에 용해시킨 용액을 스핀 코팅하여 200nm 두께의 활성층을 형성하였다. 활성층 위에 MoO3를 5nm 두께로 진공증착하여 정공 수송층을 형성시키고 그 위에 Ag를 증착하여 상부 전극을 형성한 유기 광전 소자의 실시예 샘플을 제작한다.
<비교예>
유리 기판 위에 ITO (Indium Tin Oxide)를 스퍼터링으로 적층하여 약 150 nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서, Zinc acetate(1g), ethanolamine(0.28g), 그리고 2-Methoxyethanol(10ml)를 섞은 용액을 준비한 후 실온에서 12시간동안 교반시킨 용액을 ITO 위에 스핀 코팅하여 30nm두께의 ZnO를 형성시킨다. 형성된 ZnO 위에 P3HT(24mg)과 PC61BM(20mg)을 1ml의 1,2-chlorobenzene에 용해시킨 용액을 스핀 코팅하여 200nm 두께의 활성층을 형성하였다. 활성층 위에 MoO3를 5nm 두께로 진공증착하여 정공 수송층을 형성시키고 그위에 Ag를 증착하여 상부 전극을 형성한 유기 광전 소자의 비교예 샘플을 제작한다.
<성능 테스트>
상기 실시예 샘플과 상기 비교예 샘플의 하부 전극과 상부 전극에 각각 -2V, 1V를 인가한 상태에서 암전류를 측정하고, 이 암전류와 광전류를 이용하여 검출감도를 계산하여 아래 [표 1]에 나타내었다. 암전류는 monochrometer를 통과시킨 1.97E-4W/cm2의 세기를 가진 500nm의 광을 조사하여 발생한 전류를 Keithley 2400을 이용하여 측정한 것이고, 검출감도는 광전류(photocurrrent)와 암전류(dark current)를 이용하여 계산한 것이다.
| -2V | 1V | |||
| Jd [A/㎠] |
검출감도 [Jones] |
Jd [A/㎠] |
검출감도 [Jones] |
|
| 실시예 | 3.31E-08 | 1.52E+12 | 2.61E-08 | 1.65E+12 |
| 비교예 | 2.10E-07 | 5.02E+11 | 5.08E-08 | 9.48E+11 |
상기 [표 1]로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 유기 광전 소자가 비교예의 유기 광전 소자에 비해 암전류(Jd[A/㎠])가 감소하면서 검출감도가 우수한 것을 알 수 있다.
100 : 유기 광전 소자, 110 : 제1 투광전극, 130 : 중간층(전자 주입층), 135 : 버퍼층(전자 차단층), 140 : 유기 활성층, 120 : 제2 투광전극
Claims (17)
- 애노드를 형성하는 제 1 전극;
유기 활성층;
캐소드를 형성하는 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 유기 활성층 사이에 배치되어 전자 장벽을 형성하기 위한 버퍼층을 포함하고;
상기 버퍼층은 아데닌, 구아닌, 티민 및 사이토신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 DNA 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 버퍼층 사이에 전자 주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 버퍼층이 티민으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 유기 활성층 사이에 하나 이상의 전하 보조층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 전하 보조층은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 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 layer HBL)에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 ITO이고, 상기 제 2 전극은 Al인 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 유기 활성층은 P3HTs(Poly-3-Hexyl thiophene)과 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 전자 주입층은 PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]와 PSS(Polystyrene sulfonat)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 광전 소자. - 반도체 기판, 하부 절연층, 색 필터, 상부 절연층 및 유기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
상기 유기 광전 소자는, 애노드를 형성하는 제 1 전극; 유기 활성층; 캐소드를 형성하는 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 유기 활성층 사이에 배치되어 전자 장벽을 형성하기 위한 버퍼층을 포함하고;
상기 버퍼층은 아데닌, 구아닌, 티민 및 사이토신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 DNA 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 버퍼층 사이에 전자 주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 버퍼층이 티민으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 9 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 유기 활성층 사이에 하나 이상의 전하 보조층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 전하 보조층은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 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 layer HBL)에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 ITO이고, 상기 제 2 전극은 Al인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 유기 활성층은 P3HTs(Poly-3-Hexyl thiophene)과 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 전자 주입층은 PEDOT[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]와 PSS(Polystyrene sulfonat)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 청구항 9에 따른 이미지 센서를 포함하는 촬상 소자.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100207112A1 (en) | 2007-09-28 | 2010-08-19 | Fuerst Jens | Organic photodetector having a reduced dark current |
| KR20140044848A (ko) | 2011-07-04 | 2014-04-15 | 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스 | 암전류 또는 누설전류를 제어하는 커패시터를 구비하는 포토다이오드 장치 |
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2018
- 2018-09-13 KR KR1020180109673A patent/KR20200030880A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100207112A1 (en) | 2007-09-28 | 2010-08-19 | Fuerst Jens | Organic photodetector having a reduced dark current |
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