KR20210027102A - 소자, 센서 및 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 복수의 보조층을 포함하고, 상기 복수의 보조층은 상기 활성층에 가장 가깝게 위치하는 제1 보조층, 그리고 상기 제1 전극에 가장 가깝게 위치하는 제2 보조층을 포함하며, 상기 활성층의 에너지 준위, 상기 제1 보조층의 에너지 준위, 상기 제2 보조층의 에너지 준위 및 상기 제1 전극의 일 함수는 차례로 깊어지거나 차례로 얕아지고, 상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1을 만족하는 소자, 이를 포함하는 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 1에서, ΔΦ1 및 ΔΦ2는 명세서에서 정의한 바와 같다.
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 1에서, ΔΦ1 및 ΔΦ2는 명세서에서 정의한 바와 같다.
Description
소자, 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
광전 변환 소자는 빛을 받아 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 센서 또는 광 검출기에 적용될 수 있다.
센서는 날이 갈수록 높은 해상도가 요구되고 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 고집적에 유리하다.
그러나 유기 물질은 높은 결합 에너지(binding energy)와 재결합(recombination) 거동으로 인해 실리콘과 다른 특성을 나타낼 수 있고 유기 물질의 특성을 정확하게 예측하기 어려워서, 광전 변환 소자에서 요구되는 물성을 용이하게 제어하기 어렵다.
일 구현예는 잔류 전하를 줄여 전하 추출 특성을 개선할 수 있는 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 소자를 포함하는 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 소자 또는 상기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 복수의 보조층을 포함하고, 상기 복수의 보조층은 상기 활성층에 가장 가깝게 위치하는 제1 보조층, 그리고 상기 제1 전극에 가장 가깝게 위치하는 제2 보조층을 포함하며, 상기 활성층의 에너지 준위, 상기 제1 보조층의 에너지 준위, 상기 제2 보조층의 에너지 준위 및 상기 제1 전극의 일 함수는 차례로 깊어지거나 차례로 얕아지고, 상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1을 만족하는 소자를 제공한다.
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 1에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이다.
상기 제1 보조층은 상기 활성층에 맞닿아 있을 수 있고 상기 제2 보조층은 상기 제1 전극에 맞닿아 있을 수 있다.
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 2 및 3을 만족할 수 있다.
[관계식 2]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
[관계식 3]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 2 및 3에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ3은 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이다.
ΔΦ1, ΔΦ2 및 ΔΦ3은 각각 약 0.5eV 이하일 수 있다.
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1E, 2E 및 3E를 만족할 수 있다.
[관계식 1E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3E]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 관계식 1E 내지 3E에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ3는 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이다.
상기 복수의 보조층은 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이에 위치하는 제3 보조층을 더 포함할 수 있고, 상기 활성층의 에너지 준위, 상기 제1 보조층의 에너지 준위, 상기 제3 보조층의 에너지 준위, 상기 제2 보조층의 에너지 준위 및 상기 제1 전극의 일 함수는 차례로 깊어지거나 차례로 얕아질 수 있고, 상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제3 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4 및 5를 만족할 수 있다.
[관계식 4]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
[관계식 5]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 4 및 5에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ4는 상기 제3 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ5는 상기 제1 보조층과 상기 제3 보조층 사이의 에너지 배리어이다.
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제3 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 준위는 하기 관계식 6을 만족할 수 있다.
[관계식 6]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 6에서,
ΔΦ4는 상기 제3 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ5는 상기 제1 보조층과 상기 제3 보조층 사이의 에너지 배리어이다.
ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4 및 ΔΦ5는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 애노드일 수 있고 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있고, 상기 에너지 배리어는 HOMO 에너지 준위의 차이일 수 있다.
상기 소자는 상기 제2 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 전자 버퍼층은 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
상기 전자 버퍼층은 상기 활성층에 가장 가깝게 위치하는 제1 전자 버퍼층, 그리고 상기 제2 전극에 가장 가깝게 위치하는 제2 전자 버퍼층을 포함할 수 있고, 상기 활성층의 LUMO 에너지 준위, 상기 제1 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 준위, 상기 제2 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 준위 및 상기 제2 전극의 일 함수는 차례로 깊어질 수 있고, 상기 활성층, 상기 제1 전자 버퍼층, 상기 제2 전자 버퍼층 및 상기 제2 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 7을 만족할 수 있다.
[관계식 7]
|ΔΦ6-ΔΦ7 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 7에서,
ΔΦ6은 상기 활성층과 상기 제1 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ7은 상기 제2 전자 버퍼층과 상기 제2 전극 사이의 에너지 배리어이고,
여기서 ΔΦ6 및 ΔΦ7의 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이이다.
상기 활성층, 상기 제1 전자 버퍼층, 상기 제2 전자 버퍼층 및 상기 제2 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 8 및 9를 만족할 수 있다:
[관계식 8]
|ΔΦ6-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
[관계식 9]
|ΔΦ7-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 8 및 9에서,
ΔΦ6은 상기 활성층과 상기 제1 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ7은 상기 제2 전자 버퍼층과 상기 제2 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ8은 상기 제1 전자 버퍼층과 상기 제2 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
여기서 ΔΦ6, ΔΦ7 및 ΔΦ8의 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이이다.
ΔΦ6, ΔΦ7 및 ΔΦ8은 각각 약 0.5eV 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 캐소드일 수 있고 상기 제2 전극은 애노드일 수 있고, 상기 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이일 수 있다.
상기 소자는 상기 제2 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 정공 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층은 각각 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성층은 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 소자를 포함하는 센서를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 소자 또는 상기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
잔류 전하를 줄여 전하 추출 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 2는 도 1의 소자에서 애노드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 4는 도 3의 소자에서 애노드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 6은 도 5의 소자의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 7은 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 8은 도 7의 소자에서 캐소드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 9는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 10은 도 9의 소자에서 캐소드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 11은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 13은 도 12의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 14는 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 15는 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 16은 도 15의 이미지 센서의 단면도이고,
도 17은 실시예 1, 2에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 18은 비교예 1에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 19는 비교예 2, 6에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 20은 비교예 3에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 21은 비교예 4, 7에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 22는 비교예 5에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 23은 비교예 8에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 24는 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이고,
도 25는 실시예 2와 비교예 1, 6, 7에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이고,
도 26은 일 구현예에 따른 전자 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 소자에서 애노드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 4는 도 3의 소자에서 애노드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 6은 도 5의 소자의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 7은 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 8은 도 7의 소자에서 캐소드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 9는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이고,
도 10은 도 9의 소자에서 캐소드, 보조층 및 활성층의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 11은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 13은 도 12의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 14는 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 15는 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 16은 도 15의 이미지 센서의 단면도이고,
도 17은 실시예 1, 2에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고,
도 18은 비교예 1에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 19는 비교예 2, 6에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 20은 비교예 3에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 21은 비교예 4, 7에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 22는 비교예 5에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 23은 비교예 8에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고,
도 24는 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이고,
도 25는 실시예 2와 비교예 1, 6, 7에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이고,
도 26은 일 구현예에 따른 전자 장치를 도시한 개략도이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 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 경우뿐만 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.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 실릴기, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S, Se, Te, Si 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1개 내지 4개 함유한 것을 의미한다.
이하에서 ‘조합’이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하에서, 에너지 준위(energy level)는 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지 준위 또는 최저비점유분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 에너지 준위이다.
이하에서, 일 함수(workfunction) 또는 에너지 준위는 진공 레벨(vacuum level)로부터의 절대값으로 표시된다. 또한 일 함수 또는 에너지 준위가 깊다, 높다 또는 크다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 큰 것을 의미하고 일 함수 또는 에너지 준위가 얕다, 낮다 또는 작다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 작은 것을 의미한다.
이하, 일 함수 또는 에너지 준위는 자외선 광전자 분광기(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 또는 AC-3 장비(Riken Keiki Co. Ltd.)와 같은 광전자 분광기를 사용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로 AC-3 장비를 사용하여 약 20nm 내지 30nm 두께의 박막의 광전 일함수(photoelectric workfunction)를 측정하고 7.0~4 eV 범위에서 다음 관계식에 의해 조사된 에너지에 대하여 광전 효과(photoelectron effect)에 기인한 방출 에너지를 계산하여 얻을 수 있다.
[관계식]
E=h·c/λ
(h: plank’s constant, c: light velocity, λ: wavelength)
이하 일 구현예에 따른 소자를 설명한다.
소자는 예컨대 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 활성층을 포함할 수 있고, 활성층은 예컨대 광 전기 물질(opto-electronic material)을 포함할 수 있다. 광 전기 물질은 예컨대 빛을 받아 전기적 특성을 나타내는 물질 및/또는 전계를 받아 빛을 내는 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 소자는 예컨대 광전변환소자, 발광 소자, 태양전지 또는 광 센서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
소자는 예컨대 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 소자일 수 있으며, 예컨대 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 다이오드(organic diode)일 수 있다. 유기 소자는 예컨대 유기 광전변환소자, 유기 발광소자, 유기 태양전지 또는 유기 광센서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서는 소자의 일 예로서 광전 변환 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 소자(100)는 애노드(10), 캐소드(20), 활성층(30), 보조층(40) 및 전자 버퍼층(50)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 애노드(10) 측에 배치될 수도 있고 캐소드(20) 측에 배치될 수도 있다. 기판은 예컨대 유리와 같은 무기 물질, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있다. 기판은 생략될 수 있다.
애노드(10)와 캐소드(20)는 서로 마주하고 있다.
애노드(10)와 캐소드(20) 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 투명 전극은 약 80% 이상의 높은 광 투과도를 가질 수 있다. 투명 전극은 예컨대 산화물 도전체, 탄소 도전체 및 금속 박막 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 산화물 도전체는 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide, ZTO), 알루미늄 주석 산화물(Aluminum tin oxide, AlTO) 및 알루미늄 아연 산화물(Aluminum zinc oxide, AZO)에서 선택된 하나 이상일 수 있고 탄소 도전체는 그래핀 및 탄소나노체에서 선택된 하나 이상일 수 있고 금속 박막은 알루미늄, 마그네슘, 은, 금, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함한 매우 얇은 박막일 수 있다.
애노드(10)와 캐소드(20) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있다. 여기서 반사 전극은 예컨대 약 10% 미만의 광 투과도 또는 약 5% 이상의 높은 반사율을 가질 수 있다. 반사 전극은 금속과 같은 반사 도전체를 포함할 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 예로, 애노드(10)와 캐소드(20)는 각각 투명 전극일 수 있다.
일 예로, 애노드(10)는 투명 전극이고 캐소드(20)는 반사 전극일 수 있다.
일 예로, 애노드(10)는 반사 전극이고 캐소드(20)는 투명 전극일 수 있다.
활성층(30)은 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치할 수 있다.
활성층(30)은 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층일 수 있으며, 광전변환층은 예컨대 녹색 파장 영역의 광(이하 ‘녹색 광’이라 한다), 청색 파장 영역의 광(이하 ‘청색 광’이라 한다), 적색 파장 영역의 광(이하 ‘적색 광’이라 한다) 및 적외선 파장 영역의 광(이하 ‘적외 광’이라 한다) 중 일부를 전기적 신호로 변환시킬 수 있다.
일 예로, 활성층(30)은 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다. 여기서 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수한다는 것은 흡광 스펙트럼의 피크 흡수 파장(λmax)이 약 380nm 이상 500nm 미만, 약 500nm 내지 600nm, 약 600nm 초과 700nm 이하 및 약 700nm 초과 내지 3000nm 이하의 파장 영역 중 어느 하나에 존재하고 해당 파장 영역 내의 흡광 스펙트럼이 그 외 파장 영역의 흡광 스펙트럼보다 현저히 높은 것을 의미한다.
활성층(30)은 적어도 하나의 p형 반도체와 적어도 하나의 n형 반도체가 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있으며, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체는 각각 흡광 물질일 수 있으며 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 파장 선택성 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 파장 선택성 유기 흡광 물질일 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체는 서로 같거나 다른 파장 영역에서 피크 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기 물질일 수 있다.
p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1]
EDG - HA - EAG
상기 화학식 1에서,
HA는 O, S, Se, Te 및 Si 중 적어도 하나를 가지는 C2 내지 C30 헤테로고리기일 수 있고,
EDG는 전자 공여기일 수 있고,
EAG는 전자 수용기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1로 표현되는 p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1A로 표현될 수 있다.
[화학식 1A]
상기 화학식 1A에서,
X는 O, S, Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 일 수 있고,
Ar은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 결합하여 융합 고리를 형성할 수 있고,
R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 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 시아노기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1A에서, Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
일 예로, 화학식 1A의 Ar1a 및 Ar2a는 서로 융합되어 고리를 형성할 수 있고, Ar1a 및 Ar2a는 예컨대 단일 결합, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. 여기서 Rg 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 시아노기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1로 표현되는 p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1B 또는 1C로 표현될 수 있다.
[화학식 1B]
[화학식 1C]
상기 화학식 1B 또는 1C에서,
X1은 Se, Te, O, S, SO 또는 SO2일 수 있고,
Ar3는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택될 수 있고,
G는 단일 결합, -O-, -S-, -Se-, -N=, -(CRfRg)k-, -NRh-, -SiRiRj-, -GeRkRl-, -(C(Rm)=C(Rn))- 및 SnRoRp에서 선택되고, 여기서 Rf, Rg, Rh, Ri, Rj, Rk, Rl, Rm, Rn, Ro 및 Rp은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기에서 선택될 수 있고, Rf와 Rg, Ri와 Rj, Rk와 Rl, Rm와 Rn 및 Ro와 Rp는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고, k는 1 또는 2일 수 있고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rq)(CN)(여기에서 Rq는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택될 수 있고,
R6a 내지 R6d, R7a 내지 R7d, R16 및 R17은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택될 수 있고,
R6a 내지 R6d 는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 인접하는 2개가 서로 연결되어 융합고리를 형성할 수 있고,
R7a 내지 R7d는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 인접하는 2개가 서로 연결되어 융합고리를 형성할 수 있다.
일 예로, 화학식 1B의 Ar3는 벤젠, 나프틸렌, 안트라센, 티오펜, 셀레노펜, 텔루로펜, 피리딘, 피리미딘 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있다.
n형 반도체는 예컨대 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체가 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 혼합된 진성층(intrinsic layer, I층)일 수 있다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3:7 내지 7:3의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 4:6 내지 6:4의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
활성층(30)은 전술한 p형 반도체를 포함하는 p형 층과 전술한 n형 반도체를 포함하는 n형 층을 포함하는 이중 층을 포함할 수 있다. 이때 p형 층과 n형 층의 두께비는 약 1:9 내지 9:1일 수 있으며 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 약 3:7 내지 7:3, 약 4:6 내지 6:4 또는 약 5:5일 수 있다.
활성층(30)은 진성층 외에 p형 층 및/또는 n형 층을 더 포함할 수 있다. p형 층은 전술한 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 전술한 n형 반도체를 포함할 수 있다. 예컨대 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다.
보조층(40)은 애노드(10)와 활성층(30) 사이에 위치하는 정공 보조층일 수 있고, 정공 보조층은 예컨대 정공수송층, 정공주입층 및/또는 전자차단층을 포함할 수 있다. 보조층(40)은 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 정공)를 애노드(10) 측으로 이동시키는 통로 역할을 할 수 있다. 이때 전하(예컨대 정공)의 이동 방향은 활성층(30), 보조층(40) 및 애노드(10)일 수 있다.
보조층(40)은 복수의 층을 포함하고, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)을 포함한다. 제1 보조층(40a)은 활성층(30)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있다. 제2 보조층(40b)은 애노드(10)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 애노드(10)에 맞닿아 있을 수 있다.
도 2는 도 1의 소자에서 애노드(10), 보조층(40) 및 활성층(30)의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이다.
도 2를 참고하면, 활성층(30)에서 분리된 정공은 HOMO 에너지 준위를 따라 애노드(10)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)를 따라 이동할 수 있다.
이때 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 진공 준위(vacuum level)로부터 차례로 얕아질 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)가 가장 깊을 수 있고 애노드(10)의 일 함수(WF10)가 가장 얕을 수 있고 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a)와 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)는 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)와 애노드(10)의 일 함수(WF10) 사이일 수 있다. 즉, 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 캐스케이드 에너지 준위(cascading energy level)를 가질 수 있다.
일 예로, 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 계단형일 수 있다.
인접한 층들 사이에는 소정의 에너지 배리어(energy barrier)가 존재할 수 있으며, 에너지 배리어는 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 그리고 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)를 포함할 수 있다. 에너지 배리어(ΔΦ1)는 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)와 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ2)는 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)와 애노드(10)의 일 함수(WF10) 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ3)는 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a)와 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)의 차이일 수 있다.
인접한 층들 사이의 각 에너지 배리어들(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다.
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(40a) 및 제2 보조층(40b)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)와 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.
[관계식 3]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 그리고 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 상술한 관계식 1, 2 및 3을 동시에 만족할 수 있다.
이와 같이, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)가 상술한 관계식을 만족함으로써 정공이 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 정공의 이동 지연을 방지하여 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한 인접한 층들 사이의 계면에 원치 않게 머무는 잔류 전하들(remaining charge carriers)을 줄이거나 방지하여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 소자의 전기적 성능을 개선할 수 있다.
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1A, 2A 및/또는 3A를 만족할 수 있다.
[관계식 1A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
[관계식 2A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
[관계식 3A]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1B, 2B 및/또는 3B를 만족할 수 있다.
[관계식 1B]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
[관계식 2B]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.07 eV
[관계식 3B]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1C, 2C 및/또는 3C를 만족할 수 있다.
[관계식 1C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
[관계식 2C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.07 eV
[관계식 3C]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1D, 2D 및/또는 3D를 만족할 수 있다.
[관계식 1D]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2D]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3D]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1E, 2E 및/또는 3E를 만족할 수 있다.
[관계식 1E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3E]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1F, 2F 및/또는 3F를 만족할 수 있다.
[관계식 1F]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
[관계식 2F]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.03 eV
[관계식 3F]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1G, 2G 및/또는 3G를 만족할 수 있다.
[관계식 1G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
[관계식 2G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.03 eV
[관계식 3G]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1H, 2H 및/또는 3H를 만족할 수 있다.
[관계식 1H]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
[관계식 2H]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.01 eV
[관계식 3H]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1I, 2I 및/또는 3I를 만족할 수 있다.
[관계식 1I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
[관계식 2I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.01 eV
[관계식 3I]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
일 예로, 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.4eV 이하, 약 0.3eV 이하 또는 약 0.25eV 이하일 수 있다. 예컨대 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)는 각각 독립적으로 약 0.10eV 내지 0.25eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 0.15eV 내지 0.25eV, 약 0.18eV 내지 0.25eV 또는 약 0.20eV 내지 0.25eV일 수 있다.
제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)은 각각 독립적으로 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 각각 독립적으로 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하 또는 약 3nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)은 각각 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 중 적어도 하나는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)는, 상기 에너지 다이아그램을 만족하는 범위 내에서, 치환 또는 비치환된 아릴아민계 화합물; 치환 또는 비치환된 올리고티오펜 또는 치환 또는 비치환된 폴리티오펜과 같은 치환 또는 비치환된 티오펜계 화합물; 치환 또는 비치환된 올리고페닐렌비닐렌 또는 치환 또는 비치환된 폴리페닐렌비닐렌과 같은 치환 또는 비치환된 페닐렌비닐렌 화합물; 치환 또는 비치환된 퀴나크리돈 화합물; 치환 또는 비치환된 아센계 또는 치환 또는 비치환된 칼코겐계 축합 화합물; 치환 또는 비치환된 스쿠아레인계 화합물; 금속 산화물 또는 준금속 산화물과 같은 산화물; 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)은 3,3'-bi[1,4]benzoxazino[2,3,4-kl]phenoxazine, Mes2B(p-4,4'-biphenyl-NPh(1-naphthyl), poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine], 4,4',4"-tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine, N1,N1'-(biphenyl-4,4'-diyl)bis(N1-phenyl-N4,N4 -di-m-tolylbenzene-1,4-diamine, 4,4',4"-tris[2-naphthyl(phenyl)amino] triphenylamine, N,N'-diphenyl-N,N'-di-[4-(N,N-diphenyl-amino)phenyl]benzidine, 2,2',7,7'-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene, 2,5-bis(4-biphenylyl)thiophene, 2,5-bis(4-biphenylyl)terthiophene, α-Sexithiophene, ω,ω'-dihexylterthiophene, ω,ω'-diocthylterthiophene, poly[[4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)-2-thienyl]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl]-2,5-thiophenediyl[5,7-bis(2-ethylhexyl)-4,8-dioxo-4H,8H-benzo[1,2-c:4,5-c']dithiophene-1,3-diyl]], poly[(5,6-difluoro-2,1,3-benzothiadiazol-4,7-diyl)-alt-(3,3"'-di(2-octyldodecyl)-2,2',5',2",5",2"'-quaterthiophen-5,5"'-diyl)], poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], 4,4'-bis[4-(di-p-tolylamino)styryl]biphenyl, N,N'-dimethylquinacridone, 2,8-dimethylanthra[2,3-b:6,7-b']dithiophene, benz[b]anthracene, tetracene, pentacene, poly[[4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)-2-thienyl]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][2-(2-ethyl-1-oxohexyl)thieno[3,4-b]thiophenediyl]], poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}), 2,4-bis[4-(N,N-diisobutylamino)-2,6-dihydroxyphenyl] squaraine, 2,4-bis[4-(N,N-diphenylamino)-2,6-dihydroxyphenyl]squaraine, molybdenum trioxide, copper(I) oxide 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 버퍼층(50)은 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하고 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 전자)를 캐소드(20) 측으로 이동시킬 수 있다. 이때 전하(예컨대 전자)의 이동 방향은 활성층(30), 전자 버퍼층(50) 및 캐소드(20)일 수 있다. 일 예로, 전자 버퍼층(50)은 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 전자 버퍼층(50)의 일면은 활성층(30)에 맞닿아 있고 전자 버퍼층(50)의 다른 일면은 캐소드(20)에 맞닿아 있을 수 있다.
전자 버퍼층(50)은 예컨대 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 전자 버퍼층(50)은 수 나노미터 두께의 매우 얇은 박막일 수 있으며, 예컨대 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하, 예컨대 약 3nm 이하, 예컨대 약 2nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 전자 버퍼층(50)은 예컨대 약 1nm 내지 8nm, 약 1nm 내지 7nm, 약 1nm 내지 5nm, 약 1nm 내지 3nm, 약 1nm 내지 2nm 두께를 가질 수 있다.
일 예로, 전자 버퍼층(50)은 무기 물질을 포함할 수 있고, 캐소드(20)보다 낮은 일 함수를 가진 무기 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 캐소드(20)의 일 함수보다 약 0.5eV 이상 작을 수 있다. 예컨대 캐소드(20)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 약 4.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 캐소드(20)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 약 3.5eV 이하일 수 있다. 예컨대 캐소드(20)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 약 3.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 캐소드(20)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 약 2.8eV 이하일 수 있다. 예컨대 캐소드(20)의 일 함수는 약 4.5eV 내지 5.0eV일 수 있고, 전자 버퍼층(50)의 일 함수는 약 1.5eV 내지 4.0eV, 약 1.5eV 내지 3.5eV, 약 1.5eV 내지 3.0eV, 약 1.5eV 내지 2.8eV일 수 있다.
전자 버퍼층(50)은 상술한 일 함수를 만족하는 동시에 열증착(thermal evaporation)에 의해 형성될 수 있는 물질로 만들어질 수 있다. 이와 같이 전자 버퍼층(50)이 열증착에 의해 형성됨으로써 전자 버퍼층(50)의 형성 단계 및/또는 후속 공정에서 활성층(30)이 열적 물리적 손상을 받는 것을 방지함으로써 활성층(30)의 열화에 의한 소자의 성능 저하를 방지할 수 있다.
이러한 특성을 만족할 수 있는 무기 물질로, 예컨대 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 란탄족 원소는 예컨대 이테르븀(Yb)을 포함할 수 있다.
전자 버퍼층(50)은 생략될 수 있다.
소자(100)는 애노드(10) 또는 캐소드(20)의 일면에 위치하는 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 반사방지층은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다. 예컨대 애노드(10) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 애노드(10)의 일면에 위치할 수 있고 캐소드(20) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 캐소드(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.
소자(100)는 애노드(10) 또는 캐소드(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 활성층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 제1 보조층(40a) 및 제2 보조층(40b)을 통과하여 애노드(10)로 이동하고 분리된 전자는 전자 버퍼층(50)을 통과하여 캐소드(20)로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
이하 다른 구현예에 따른 소자를 설명한다.
도 3은 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 서로 마주하는 애노드(10)와 캐소드(20); 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치하는 활성층(30); 애노드(10)와 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(40); 및 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하는 전자 버퍼층(50)을 포함한다. 각 구성요소는 전술한 바와 같다.
그러나 전술한 구현예와 달리, 보조층(40)은 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 외에, 제3 보조층(40c)을 더 포함한다. 제3 보조층(40c)은 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b) 사이에 위치할 수 있으며, 예컨대 제3 보조층(40c)의 일면은 제1 보조층(40a)에 맞닿아 있을 수 있고 제3 보조층(40c)의 다른 일면은 제2 보조층(40b)에 맞닿아 있을 수 있다.
제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c) 및 제2 보조층(40b)은 차례로 적층된 구조를 가질 수 있으며, 이에 따라 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 정공)의 이동 방향은 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)일 수 있다.
도 4는 도 3의 소자에서 애노드(10), 보조층(40) 및 활성층(30)의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이다.
도 4를 참고하면, 활성층(30)에서 분리된 정공은 HOMO 에너지 준위를 따라 애노드(10)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)를 따라 이동할 수 있다.
이때 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 진공 준위로부터 차례로 얕아질 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)가 가장 깊을 수 있고 애노드(10)의 일 함수(WF10)가 가장 얕을 수 있고 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c) 및 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)는 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)와 애노드(10)의 일 함수(WF10) 사이일 수 있다. 즉, 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 캐스케이드 에너지 준위를 가질 수 있다.
일 예로, 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)는 계단형일 수 있다.
일 예로, 인접한 층들 사이에는 소정의 에너지 배리어가 존재할 수 있으며, 에너지 배리어는 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 제3 보조층(40c)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4), 그리고 제1 보조층(40a)과 제3 보조층(40c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)를 포함할 수 있다. 에너지 배리어(ΔΦ1)는 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30)와 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ2)는 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)와 애노드(10)의 일 함수(WF10)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ4)는 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c)와 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ5)는 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a)와 제3 보조층(40c)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40c)의 차이일 수 있다.
인접한 층들 사이의 각 에너지 배리어들(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다.
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 1을 만족할 수 있다.
일 예로, 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)와 제3 보조층(40c)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 4를 만족할 수 있다.
[관계식 4]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제1 보조층(40a)과 제3 보조층(40c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(40a) 및 제3 보조층(40c)의 에너지 다이아그램은 관계식 5를 만족할 수 있다.
[관계식 5]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 제2 보조층(40b)과 제3 보조층(40c) 사이의 에너지 배리어 (ΔΦ4)와 제1 보조층(40a)과 제3 보조층(40c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c) 및 제2 보조층(40b)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 6을 만족할 수 있다.
[관계식 6]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(40a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(40b)과 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 제3 보조층(40c)과 제2 보조층(40b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4), 그리고 제1 보조층(40a)과 제3 보조층(40c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 4, 5 및 6을 동시에 만족할 수 있다.
이와 같이, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)가 상술한 관계식을 만족함으로써 정공이 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 정공의 이동 지연을 방지하여 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한 인접한 층들 사이의 계면에 원치 않게 머무는 잔류 전하들을 줄이거나 방지하여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 소자의 전기적 성능을 개선할 수 있다.
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4A, 5A 및/또는 6A를 만족할 수 있다.
[관계식 4A]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
[관계식 5A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
[관계식 6A]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4B, 5B 및/또는 6B를 만족할 수 있다.
[관계식 4B]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.07 eV
[관계식 5B]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
[관계식 6B]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4C, 5C 및/또는 6C를 만족할 수 있다.
[관계식 4C]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.07 eV
[관계식 5C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
[관계식 6C]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4D, 5D 및/또는 6D를 만족할 수 있다.
[관계식 4D]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.05 eV
[관계식 5D]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
[관계식 6D]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4E, 5E 및/또는 6E를 만족할 수 있다.
[관계식 4E]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.05 eV
[관계식 5E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
[관계식 6E]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4F, 5F 및/또는 6F를 만족할 수 있다.
[관계식 4F]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.03 eV
[관계식 5F]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
[관계식 6F]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4G, 5G 및/또는 6G를 만족할 수 있다.
[관계식 4G]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.03 eV
[관계식 5G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
[관계식 6G]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4H, 5H 및/또는 6H를 만족할 수 있다.
[관계식 4H]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.01 eV
[관계식 5H]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
[관계식 6H]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(40a), 제3 보조층(40c), 제2 보조층(40b) 및 애노드(10)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4I, 5I 및/또는 6I를 만족할 수 있다.
[관계식 4I]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.01 eV
[관계식 5I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
[관계식 6I]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
일 예로, 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.4eV 이하, 약 0.3eV 이하 또는 약 0.25eV 이하일 수 있다. 예컨대 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)는 각각 독립적으로 약 0.10eV 내지 0.25eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 0.15eV 내지 0.25eV, 약 0.18eV 내지 0.25eV 또는 약 0.20eV 내지 0.25eV일 수 있다.
제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 제3 보조층(40c)은 각각 독립적으로 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 각각 독립적으로 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하 또는 약 3nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 제3 보조층(40c)은 각각 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 제3 보조층(40c) 중 적어도 하나는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(40a), 제2 보조층(40b) 및 제3 보조층(40c)은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 소자를 설명한다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참고하면, 소자(100)는 도 1에 도시된 구현예와 마찬가지로, 서로 마주하는 애노드(10)와 캐소드(20); 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치하는 활성층(30); 애노드(10)와 활성층(30) 사이에 위치하고 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)을 포함하는 보조층(40); 및 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하는 전자 버퍼층(50)을 포함한다. 각 구성요소는 전술한 바와 같다.
그러나 도 1에 도시된 구현예와 달리, 전자 버퍼층(50)은 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b)을 포함한다. 제1 전자 버퍼층(50a)은 활성층(30)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있다. 제2 전자 버퍼층(50b)은 캐소드(20)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 캐소드(20)에 맞닿아 있을 수 있다.
도 6은 도 5의 소자의 에너지 다이아그램이다.
활성층(30)에서 분리된 정공은 HOMO 에너지 준위를 따라 애노드(10)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위(HOMO30), 제1 보조층(40a)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40a), 제2 보조층(40b)의 HOMO 에너지 준위(HOMO40b) 및 애노드(10)의 일 함수(WF10)를 따라 이동할 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
활성층(30)에서 분리된 전자는 LUMO 에너지 준위를 따라 캐소드(20)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 전자 버퍼층(50a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50a), 제2 전자 버퍼층(50b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)를 따라 이동할 수 있다. 일 예로, 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 전자 버퍼층(50a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50a), 제2 전자 버퍼층(50b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 계단형일 수 있다.
인접한 층들 사이에는 소정의 에너지 배리어가 존재할 수 있으며, 에너지 배리어는 활성층(30)과 제1 전자 버퍼층(50a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ6), 제2 전자 버퍼층(50b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ7), 그리고 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ8)를 포함할 수 있다. 에너지 배리어(ΔΦ6)는 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)와 제1 전자 버퍼층(50a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50a)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ7)는 제2 전자 버퍼층(50b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50b)와 캐소드(20)의 일 함수(WF20)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ8)는 제1 전자 버퍼층(50a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50a)와 제2 전자 버퍼층(50b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO50b)의 차이일 수 있다.
인접한 층들 사이의 각 에너지 배리어들(ΔΦ6, ΔΦ7, ΔΦ8)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다.
일 예로, 활성층(30)과 제1 전자 버퍼층(50a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ6)와 제2 전자 버퍼층(50b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ7)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 전자 버퍼층(50a), 제2 전자 버퍼층(50b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 7을 만족할 수 있다.
[관계식 7]
|ΔΦ6-ΔΦ7 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 전자 버퍼층(50a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ6)와 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ8)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 전자 버퍼층(50a) 및 제2 전자 버퍼층(50b)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 8을 만족할 수 있다.
[관계식 8]
|ΔΦ6-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ8)와 제2 전자 버퍼층(50b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ7)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제1 전자 버퍼층(50a), 제2 전자 버퍼층(50b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 9를 만족할 수 있다.
[관계식 9]
|ΔΦ7-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 전자 버퍼층(50a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ6), 제2 전자 버퍼층(50b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ7), 그리고 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ8)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 전자 버퍼층(50a), 제2 전자 버퍼층(50b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 관계식 7, 8 및 9를 동시에 만족할 수 있다.
이와 같이, 애노드(10), 제1 및 제2 보조층(40a, 40b) 및 활성층(30) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)와 활성층(30), 제1 및 제2 전자 버퍼층(50a, 50b) 및 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ6, ΔΦ7, ΔΦ8)가 상술한 관계식을 만족함으로써 정공이 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 정공의 이동 지연을 방지하고 전자가 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 전자의 이동 지연을 동시에 방지하여 더욱 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한 인접한 층들 사이의 계면에 원치 않게 머무는 잔류 전하들을 줄이거나 방지하여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 더욱 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 소자의 전기적 성능을 더욱 개선할 수 있다.
일 예로, 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3, ΔΦ6, ΔΦ7, ΔΦ8)는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.4eV 이하, 약 0.3eV 이하 또는 약 0.25eV 이하일 수 있다. 예컨대 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3, ΔΦ6, ΔΦ7, ΔΦ8)는 각각 독립적으로 약 0.10eV 내지 0.25eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 0.15eV 내지 0.25eV, 약 0.18eV 내지 0.25eV 또는 약 0.20eV 내지 0.25eV일 수 있다.
제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b)은 각각 독립적으로 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 각각 독립적으로 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하 또는 약 3nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b)은 각각 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b) 중 적어도 하나는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 전자 버퍼층(50a)과 제2 전자 버퍼층(50b)은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 소자를 설명한다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참고하면, 소자(100)는 애노드(10), 캐소드(20), 활성층(30), 보조층(60) 및 정공 버퍼층(70)을 포함한다.
애노드(10), 캐소드(20) 및 활성층(30)은 전술한 바와 같다.
보조층(60)은 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하는 전자 보조층일 수 있고, 전자 보조층은 예컨대 전자수송층, 전자주입층 및/또는 정공차단층을 포함할 수 있다. 보조층(60)은 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 전자)를 캐소드(20) 측으로 이동시키는 통로 역할을 할 수 있다. 이때 전하(예컨대 전자)의 이동 방향은 활성층(30), 보조층(60) 및 캐소드(20)일 수 있다.
보조층(60)은 복수의 층을 포함하고, 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b)을 포함한다. 제1 보조층(60a)은 활성층(30)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있다. 제2 보조층(60b)은 캐소드(20)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 캐소드(20)에 맞닿아 있을 수 있다.
도 8은 도 7의 소자에서 캐소드(20), 보조층(60) 및 활성층(30)의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이다.
도 8을 참고하면, 활성층(30)에서 분리된 전자는 LUMO 에너지 준위를 따라 캐소드(20)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)를 따라 이동할 수 있다.
이때 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 진공 준위로부터 차례로 깊어질 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)가 가장 얕을 수 있고 캐소드(20)의 일 함수(WF20)가 가장 깊을 수 있고 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a)와 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)는 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)와 캐소드(20)의 일 함수(WF20) 사이일 수 있다. 즉, 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 캐스케이드 에너지 준위를 가질 수 있다.
일 예로, 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 계단형일 수 있다.
인접한 층들 사이에는 소정의 에너지 배리어가 존재할 수 있으며, 에너지 배리어는 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 그리고 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)를 포함할 수 있다. 에너지 배리어(ΔΦ1)는 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)와 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ2)는 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)와 캐소드(20)의 일 함수(WF20)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ3)는 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a)와 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)의 차이일 수 있다.
인접한 층들 사이의 각 에너지 배리어들(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다.
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(60a) 및 제2 보조층(60b)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)와 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.
[관계식 3]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 그리고 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ3)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 관계식 1, 2 및 3을 동시에 만족할 수 있다.
이와 같이, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)가 상술한 관계식을 만족함으로써 전자가 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 전자의 이동 지연을 방지하여 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한 인접한 층들 사이의 계면에 원치 않게 머무는 잔류 전하들을 줄이거나 방지하여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 소자의 전기적 성능을 개선할 수 있다.
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1A, 2A 및/또는 3A를 만족할 수 있다.
[관계식 1A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
[관계식 2A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
[관계식 3A]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1B, 2B 및/또는 3B를 만족할 수 있다.
[관계식 1B]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
[관계식 2B]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.07 eV
[관계식 3B]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1C, 2C 및/또는 3C를 만족할 수 있다.
[관계식 1C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
[관계식 2C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.07 eV
[관계식 3C]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1D, 2D 및/또는 3D를 만족할 수 있다.
[관계식 1D]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2D]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3D]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1E, 2E 및/또는 3E를 만족할 수 있다.
[관계식 1E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3E]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1F, 2F 및/또는 3F를 만족할 수 있다.
[관계식 1F]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
[관계식 2F]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.03 eV
[관계식 3F]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1G, 2G 및/또는 3G를 만족할 수 있다.
[관계식 1G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
[관계식 2G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.03 eV
[관계식 3G]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1H, 2H 및/또는 3H를 만족할 수 있다.
[관계식 1H]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
[관계식 2H]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.01 eV
[관계식 3H]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1I, 2I 및/또는 3I를 만족할 수 있다.
[관계식 1I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
[관계식 2I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.01 eV
[관계식 3I]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.01 eV
일 예로, 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.4eV 이하, 약 0.3eV 이하 또는 약 0.25eV 이하일 수 있다. 예컨대 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ3)는 각각 독립적으로 약 0.105eV 내지 0.25eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 0.15eV 내지 0.25eV, 약 0.18eV 내지 0.25eV 또는 약 0.20eV 내지 0.25eV일 수 있다.
제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b)은 각각 독립적으로 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 각각 독립적으로 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하 또는 약 3nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b)은 각각 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 중 적어도 하나는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b)은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
정공 버퍼층(70)은 애노드(10)와 활성층(30) 사이에 위치하고 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 정공)를 애노드(10) 측으로 이동시킬 수 있다. 이때 전하(예컨대 정공)의 이동 방향은 활성층(30), 정공 버퍼층(70) 및 애노드(10)일 수 있다. 일 예로, 정공 버퍼층(70)은 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 정공 버퍼층(70)의 일면은 활성층(30)에 맞닿아 있고 정공 버퍼층(70)의 다른 일면은 애노드(10)에 맞닿아 있을 수 있다.
정공 버퍼층(70)은 수 나노미터 두께의 매우 얇은 박막일 수 있으며, 예컨대 약 8nm 이하, 약 7nm 이하 또는 약 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 정공 버퍼층(70)은 예컨대 약 1nm 내지 8nm, 약 1nm 내지 7nm 또는 약 1nm 내지 5nm의 두께를 가질 수 있다.
정공 버퍼층(70)은 예컨대 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 정공 버퍼층(70)은 유기 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 정공 버퍼층(70)은 예컨대 하기 화학식 4A 또는 4B로 표현되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A]
[화학식 4B]
상기 화학식 4A 또는 4B에서,
M1 및 M2는 각각 독립적으로 CRnRo, SiRpRq, NRr, O, S, Se 또는 Te 이고,
Ar1b, Ar2b, Ar3b 및 Ar4b는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G2 및 G3는 각각 독립적으로 단일 결합, -(CRsRt)n3 -, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRu-, -SiRvRw- 또는 -GeRxRy- 이고, 여기서 n3는 1 또는 2이고,
R30 내지 R37 및 Rn 내지 Ry는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
일 예로, 정공 버퍼층(70)은 하기 화학식 4A-1 또는 4B-1로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A-1]
[화학식 4B-1]
상기 화학식 4A-1 또는 4B-1에서,
M1, M2, G2, G3, R30 내지 R37는 전술한 바와 같고,
R38 내지 R45는 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 시아노기일 수 있다.
일 예로, 정공 버퍼층(70)은 하기 화학식 4A-1a 또는 4B-1a로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A-1a]
[화학식 4B-1a]
상기 화학식 4A-1a 또는 4B-1a에서, R38 내지 R45 및 Ro 및 Rn은 전술한 바와 같다.
도 7에서는 정공 버퍼층(70)이 단일 층으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고 정공 버퍼층(70)은 2층 이상의 복수 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 정공 버퍼층(70)은 제1 정공 버퍼층(도시하지 않음)과 제2 정공 버퍼층(도시하지 않음)을 포함할 수 있으며, 예컨대 제1 정공 버퍼층은 활성층(30)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 활성층(30)에 맞닿아 있을 수 있고, 제2 정공 버퍼층은 애노드(10)에 가장 가깝게 위치할 수 있고 예컨대 애노드(10)에 맞닿아 있을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 정공 버퍼층, 제2 정공 버퍼층 및 애노드 사이의 에너지 준위의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 정공 버퍼층, 제2 정공 버퍼층 및 애노드(10) 사이의 HOMO 에너지 준위의 차이는 도 5 및 6에 도시된 활성층(30), 제1 전자 버퍼층(50a), 제2 전자 버퍼층(50b) 및 캐소드(20) 사이의 LUMO 에너지 준위의 차이와 마찬가지로 상기 관계식 7, 8 및/또는 9를 만족할 수 있다.
일 예로, 정공 버퍼층(70)은 생략될 수 있다.
소자(100)는 애노드(10) 또는 캐소드(20)의 일면에 위치하는 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 반사방지층은 전술한 바와 같다.
소자(100)는 애노드(10) 또는 캐소드(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 활성층(30)에서 전자와 정공으로 분리되고, 분리된 전자는 제1 보조층(60a) 및 제2 보조층(60b)을 통과하여 캐소드(20)로 이동하고 분리된 정공은 정공 버퍼층(70)을 통과하여 애노드(10)로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
이하 또 다른 구현예에 따른 소자를 설명한다.
도 9는 또 다른 구현예에 따른 소자를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참고하면, 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 서로 마주하는 애노드(10)와 캐소드(20); 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치하는 활성층(30); 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(60); 및 애노드(20)와 활성층(30) 사이에 위치하는 정공 버퍼층(70)을 포함한다. 각 구성요소는 전술한 바와 같다.
그러나 전술한 구현예와 달리, 보조층(60)은 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 외에, 제3 보조층(60c)을 더 포함한다. 제3 보조층(60c)은 제1 보조층(60a)과 제2 보조층(60b) 사이에 위치할 수 있으며, 예컨대 제3 보조층(60c)의 일면은 제1 보조층(60a)에 맞닿아 있을 수 있고 제3 보조층(60c)의 다른 일면은 제2 보조층(60b)에 맞닿아 있을 수 있다.
보조층(60)은 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c) 및 제2 보조층(60b)이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있으며, 이에 따라 활성층(30)에서 분리된 전하(예컨대 전자)의 이동 방향은 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)일 수 있다.
도 10은 도 9의 소자에서 캐소드(20), 보조층(60) 및 활성층(30)의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이다.
도 10을 참고하면, 활성층(30)에서 분리된 전자는 LUMO 에너지 준위를 따라 캐소드(20)로 전달될 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(HOMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)를 따라 이동할 수 있다.
이때 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 진공 준위로부터 차례로 깊어질 수 있으며, 예컨대 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)가 가장 얕을 수 있고 캐소드(20)의 일 함수(WF20)가 가장 깊을 수 있고 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c) 및 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)는 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)와 캐소드(20)의 일 함수(WF20) 사이일 수 있다. 즉, 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 캐스케이드 에너지 준위를 가질 수 있다.
일 예로, 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30), 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a), 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c), 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b) 및 캐소드(20)의 일 함수(WF20)는 계단형일 수 있다.
일 예로, 인접한 층들 사이에는 소정의 에너지 배리어가 존재할 수 있으며, 에너지 배리어는 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 제3 보조층(60c)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4), 그리고 제1 보조층(60a)과 제3 보조층(60c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)를 포함할 수 있다. 에너지 배리어(ΔΦ1)는 활성층(30)의 LUMO 에너지 준위(LUMO30)와 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ2)는 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)와 캐소드(20)의 일 함수(WF20)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ4)는 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c)와 제2 보조층(60b)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60b)의 차이일 수 있고, 에너지 배리어(ΔΦ5)는 제1 보조층(60a)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60a)와 제3 보조층(60c)의 LUMO 에너지 준위(LUMO60c)의 차이일 수 있다.
인접한 층들 사이의 각 에너지 배리어들(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다.
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 1을 만족할 수 있다.
일 예로, 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2)와 제3 보조층(60c)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 4를 만족할 수 있다.
[관계식 4]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1)와 제1 보조층(60a)과 제3 보조층(60c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 활성층(30), 제1 보조층(60a) 및 제3 보조층(60c)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 5를 만족할 수 있다.
[관계식 5]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 제2 보조층(60b)과 제3 보조층(60c) 사이의 에너지 배리어 (ΔΦ4)와 제1 보조층(60a)과 제3 보조층(60c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c) 및 제2 보조층(60b)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 6을 만족할 수 있다.
[관계식 6]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
일 예로, 활성층(30)과 제1 보조층(60a) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1), 제2 보조층(60b)과 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ2), 제3 보조층(60c)과 제2 보조층(60b) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ4), 그리고 제1 보조층(60a)과 제3 보조층(60c) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ5)의 차이는 매우 작을 수 있으며, 실질적으로 같을 수 있다. 예컨대, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 상기 관계식 4, 5 및 6을 동시에 만족할 수 있다.
이와 같이, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20) 사이의 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)가 상술한 관계식을 만족함으로써 전자가 이동하는 경로에 위치하는 층들의 계면에서 발생할 수 있는 정공의 이동 지연을 방지하여 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한 인접한 층들 사이의 계면에 원치 않게 머무는 잔류 전하들을 줄이거나 방지하여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 소자의 전기적 성능을 개선할 수 있다.
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4A, 5A 및/또는 6A를 만족할 수 있다.
[관계식 4A]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
[관계식 5A]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
[관계식 6A]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4B, 5B 및/또는 6B를 만족할 수 있다.
[관계식 4B]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.07 eV
[관계식 5B]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
[관계식 6B]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4C, 5C 및/또는 6C를 만족할 수 있다.
[관계식 4C]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.07 eV
[관계식 5C]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
[관계식 6C]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.07 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4D, 5D 및/또는 6D를 만족할 수 있다.
[관계식 4D]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.05 eV
[관계식 5D]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
[관계식 6D]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4E, 5E 및/또는 6E를 만족할 수 있다.
[관계식 4E]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.05 eV
[관계식 5E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
[관계식 6E]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.05 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4F, 5F 및/또는 6F를 만족할 수 있다.
[관계식 4F]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.03 eV
[관계식 5F]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
[관계식 6F]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4G, 5G 및/또는 6G를 만족할 수 있다.
[관계식 4G]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.03 eV
[관계식 5G]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
[관계식 6G]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.03 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4H, 5H 및/또는 6H를 만족할 수 있다.
[관계식 4H]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.01 eV
[관계식 5H]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
[관계식 6H]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
상기 범위 내에서, 활성층(30), 제1 보조층(60a), 제3 보조층(60c), 제2 보조층(60b) 및 캐소드(20)의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4I, 5I 및/또는 6I를 만족할 수 있다.
[관계식 4I]
0 < |ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.01 eV
[관계식 5I]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
[관계식 6I]
0 < |ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.01 eV
일 예로, 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)는 각각 약 0.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.4eV 이하, 약 0.3eV 이하 또는 약 0.25eV 이하일 수 있다. 예컨대 에너지 배리어(ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4, ΔΦ5)는 각각 독립적으로 약 0.10eV 내지 0.25eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 0.15eV 내지 0.25eV, 약 0.18eV 내지 0.25eV 또는 약 0.20eV 내지 0.25eV일 수 있다.
제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 제3 보조층(60c)은 각각 독립적으로 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 각각 독립적으로 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하 또는 약 3nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 제3 보조층(60c)은 각각 유기 물질, 무기 물질 및/또는 유무기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 제3 보조층(60c) 중 적어도 하나는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 보조층(60a), 제2 보조층(60b) 및 제3 보조층(60c)은 각각 유기 물질을 포함할 수 있다.
전술한 소자(100)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 태양 전지, 발광 장치, 센서, 광 검출기 및 광 센서 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 소자(100)는 센서에 적용될 수 있으며, 센서는 예컨대 이미지 센서일 수 있다.
이하 상술한 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 11은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 절연층(80), 소자(100) 및 색 필터 층(70)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있다. 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(155)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 전하 저장소(155)는 소자(100)와 전기적으로 연결되어 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.
금속 배선 및 패드 위에는 절연층(80)이 형성되어 있다. 절연층(80)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 절연층(80)은 전하 저장소(155)를 드러내는 트렌치(85)를 가진다. 트렌치(85)는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
절연층(80) 위에는 전술한 소자(100)가 형성되어 있다. 소자(100)는 도 1, 도 3, 도 5, 도 7 또는 도 9에 도시된 소자(100)일 수 있다. 소자(100)는 광전 변환 소자일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
소자(100) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a), 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b) 및 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70c)를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 시안 필터, 마젠타 필터 및/또는 옐로우 필터를 대신 또는 추가적으로 포함할 수 있다.
소자(100)와 색 필터 층(70) 사이에는 절연막(180)이 형성되어 있다. 절연막(180)은 생략될 수 있다.
색 필터 층(70) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 12는 일 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 13은 도 12의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(400)는 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 전술한 소자(100)를 포함한다. 전술한 소자(100)는 광전변환소자일 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(155)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(150a, 150b)는 청색 화소 및 적색 화소에 각각 포함될 수 있고 전하 저장소(155)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광 감지 소자(150a, 150b)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(155)는 소자(100)에 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(155)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(50a, 50b)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(155)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(70a)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b)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 소자(100)가 형성되어 있다. 소자(100)는 도 1, 도 3, 도 5, 도 7 또는 도 9에 도시된 소자(100)일 수 있다. 소자(100)는 광전 변환 소자일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14는 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 14를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 달리, 광 감지 소자(150a, 150b)가 수직 방향으로 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략되어 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
소자(100)는 도 1, 도 3, 도 5, 도 7 또는 도 9에 도시된 소자(100)일 수 있다. 소자(100)는 광전 변환 소자일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
도 15는 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 16은 도 15의 이미지 센서의 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155a, 155b, 155c)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 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)가 차례로 형성되어 있다.
제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)는 각각 독립적으로 도 1, 도 3, 도 5, 도 7 또는 도 9에 도시된 소자(100)일 수 있다. 소자(100)는 광전 변환 소자일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 전하 저장소(155a, 155b, 155c)와 연결되어 있을 수 있다.
제1 소자(100a)의 활성층(30)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 광전변환소자일 수 있다. 예컨대 제1 소자(100a)는 적색 광전변환소자일 수 있다. 제1 소자(100a)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 제1 전하 저장소(155a)에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
제1 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 소자(100b)의 활성층(30)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 광전변환소자일 수 있다. 예컨대 제2 소자(100b)는 청색 광전변환소자일 수 있다. 제2 소자(100b)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 제2 전하 저장소(155b)에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
제2 소자(100b) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60), 중간 절연층(65) 및 상부 절연층(80)은 전하 저장소(155a, 155b, 155c)를 드러내는 복수의 관통구를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 소자(100c)의 활성층(30)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 광전변환소자일 수 있다. 예컨대 제2 소자(100b)는 녹색 광전변환소자일 수 있다. 제3 소자(100c)의 애노드(10) 또는 캐소드(20)는 제3 전하 저장소(155c)에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
제3 소자(100c) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 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 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
상술한 소자 및 이미지 센서는 각각 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 26은 일 구현예에 따른 전자 장치를 도시한 개략도이다.
도 26을 참고하면, 전자 장치(2600)는 버스(bus)(2610)를 통해 연결된 프로세서(2620), 메모리(2630) 및 장치(2640)를 포함한다. 장치(2640)는 전술한 장치(100) 및/또는 센서(300-600)일 수 있다. 메모리(2630)는 비일시적 컴퓨터 판단 매체일 수 있으며, 지시 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서(2620)는 메모리 프로그램을 수행할 수 있으며 이에 따라 장치(2640)를 제어하는 것을 포함한 적어도 하나의 기능을 수행할 수 있다. 프로세서(2620)는 저장된 지시 프로그램을 실행하여 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 프로세서(2620)는 장치(2640)에의해 생성된 전기 신호를 처리할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
소자의 제작 I
실시예 1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 150nm 두께의 애노드(WF: 4.9eV)를 형성한다. 이어서 애노드 위에 하기 화학식 A-1로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 하부 보조층(HOMO: 5.10eV)을 형성하고 그 위에 하기 화학식 A-2로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.31eV)을 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 하기 화학식 B로 표현되는 p형 반도체(λmax: 545nm)와 플러렌(C60)인 n형 반도체를 1:1 부피비로 공증착하여 100nm 두께의 광전변환층(HOMO: 5.55eV)을 형성한다. 이어서 광전변환층 위에 Yb를 열증착하여 1.5nm 두께의 전자 버퍼층(WF: 2.6eV)을 형성한다. 이어서 전자 버퍼층 위에 ITO(WF: 4.7eV)를 스퍼터링하여 7nm 두께의 캐소드를 형성한다. 이어서 캐소드 위에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 50nm 두께의 반사방지층을 형성하고 유리판으로 봉지하여 소자를 제작한다.
[화학식 A-1]
[화학식 A-2]
[화학식 B]
비교예 1
하부 보조층과 상부 보조층 대신, 하기 화학식 A-3으로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 단일 보조층(HOMO: 5.73eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
[화학식 A-3]
비교예 2
상기 화학식 A-2로 표현되는 화합물 대신 하기 화학식 A-4로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.43eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
[화학식 A-4]
비교예 3
상기 화학식 A-2로 표현되는 화합물 대신 하기 화학식 A-5로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.22eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
[화학식 A-5]
비교예 4
상기 화학식 A-2로 표현되는 화합물 대신 하기 화학식 A-6으로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.50eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
[화학식 A-6]
비교예 5
상기 화학식 A-1로 표현되는 화합물 대신 하기 화학식 A-7으로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 하부 보조층(HOMO: 5.00eV)을 형성하고 상기 화학식 A-2로 표현되는 화합물 대신 상기 화학식 A-6로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.50eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
[화학식 A-7]
소자의 제작 II
실시예 2
2.5nm 두께의 상부 보조층 대신 5nm 두께의 상부 보조층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
비교예 6
2.5nm 두께의 상부 보조층 대신 5nm 두께의 상부 보조층을 형성한 것을 제외하고 비교예 2와 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
비교예 7
2.5nm 두께의 상부 보조층 대신 5nm 두께의 상부 보조층을 형성한 것을 제외하고 비교예 4와 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
비교예 8
상기 화학식 A-1로 표현되는 화합물 대신 상기 화학식 A-3으로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 하부 보조층(HOMO: 5.73eV)을 형성하고 상기 화학식 A-2로 표현되는 화합물 대신 상기 화학식 A-1로 표현되는 화합물을 증착하여 2.5nm 두께의 상부 보조층(HOMO: 5.10eV)을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 소자를 제작한다.
평가 I
실시예와 비교예에 따른 소자의 에너지 배리어는 표 1 및 도 19 내지 25와 같다.
도 17은 실시예 1, 2에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 에너지 다이아그램이고, 도 18은 비교예 1에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고, 도 19는 비교예 2, 6에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고, 도 20은 비교예 3에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고, 도 21은 비교예 4, 7에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고, 도 22는 비교예 5에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이고, 도 23은 비교예 8에 따른 소자의 애노드로부터 활성층까지의 에너지 준위를 보여주는 다이아그램이다.
| ΔΦ1 (eV) | ΔΦ2 (eV) | ΔΦ3 (eV) | |
| 실시예 1, 2 | 0.24 | 0.20 | 0.21 |
| 비교예 1 | 0.18 | 0.83 | - |
| 비교예 2, 6 | 0.12 | 0.20 | 0.33 |
| 비교예 3 | 0.33 | 0.20 | 0.12 |
| 비교예 4, 7 | 0.05 | 0.20 | 0.40 |
| 비교예 5 | 0.05 | 0.1 | 0.5 |
| 비교예 8 | 0.45 | 0.83 | 0.63 |
*ΔΦ1: 활성층의 HOMO 에너지 준위와 상부 보조층의 HOMO 에너지 준위의 차이,
*ΔΦ2: 하부 보조층의 HOMO 에너지 준위와 애노드의 일 함수의 차이
* ΔΦ3: 상부 보조층의 HOMO 에너지 준위와 하부 보조층의 HOMO 에너지 준위의 차이
평가 II
실시예와 비교예에 따른 소자의 잔류 전자(remaining electrons) 특성을 평가한다.
잔류 전자 특성은 일 프레임(frame)에서 광전변환된 전하가 신호처리에 사용되지 않고 남아있어 다음 프레임에서 이전 프레임의 전하가 읽혀지는 전하의 양을 말하는 것으로, 실시예와 비교예에 따른 소자에 광전변환이 일어날 수 있는 녹색 파장 영역의 빛을 일정 시간 조사하고 빛을 끈 후 Keithley 2400 장비로 10-6 초 단위로 측정되는 전류량으로부터 평가한다. 잔류전자의 양은 5000 lux에서 h+/s/㎛2 단위로 측정하고, 실시예 1 및 2에 따른 소자의 잔류전자의 양을 각각 100(기준)으로 할 때 비교예에 따른 소자의 잔류전자의 상대적인 양으로 평가한다.
보조층의 총 두께(T)가 5nm인 실시예와 비교예의 잔류 전자 특성은 표 2와 같고 보조층의 총 두께(T)가 7.5nm인 실시예와 비교예의 잔류 전자 특성은 표 3과 같다.
| T: 5nm | 잔류전자 상대값 |
| 실시예 1 | 100 (ref.) |
| 비교예 1 | 447 |
| 비교예 2 | 143 |
| 비교예 3 | 188 |
| 비교예 4 | 234 |
| 비교예 5 | 514 |
| T: 7.5nm | 잔류전자 상대값 |
| 실시예 2 | 100 (ref.) |
| 비교예 6 | 184 |
| 비교예 7 | 192 |
| 비교예 8 | 304 |
표 2 및 3을 참고하면, 실시예에 따른 소자는 비교예에 따른 소자와 비교하여 잔류 전자 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 III
실시예와 비교예에 따른 광전변환소자의 광전변환효율을 평가한다.
광전변환효율(EQE)는 400nm 내지 720nm 파장 영역에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가한다.
도 24는 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이고, 도 25는 실시예 2와 비교예 1, 6, 7에 따른 소자의 광전변환효율을 보여주는 그래프이다.
도 24와 도 25를 참고하면, 실시예에 따른 소자는 비교예에 따른 소자와 비교하여 동등하거나 개선된 광전변환효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 보조층의 두께에 따른 광전변환효율의 저하가 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 애노드
20: 캐소드
30: 활성층
40, 60: 보조층
40a, 60a: 제1 보조층
40b, 60b: 제2 보조층
50: 전자 버퍼층
70: 정공 버퍼층
150a, 150b, 150c: 광 감지 소자
60: 하부 절연막 70: 색 필터
80: 상부 절연막 85: 관통구
100: 소자
300, 400, 500, 600: 이미지 센서
20: 캐소드
30: 활성층
40, 60: 보조층
40a, 60a: 제1 보조층
40b, 60b: 제2 보조층
50: 전자 버퍼층
70: 정공 버퍼층
150a, 150b, 150c: 광 감지 소자
60: 하부 절연막 70: 색 필터
80: 상부 절연막 85: 관통구
100: 소자
300, 400, 500, 600: 이미지 센서
Claims (22)
- 제1 전극과 제2 전극,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고
상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 복수의 보조층
을 포함하고,
상기 복수의 보조층은
상기 활성층에 가장 가깝게 위치하는 제1 보조층, 그리고
상기 제1 전극에 가장 가깝게 위치하는 제2 보조층
을 포함하며,
상기 활성층의 에너지 준위, 상기 제1 보조층의 에너지 준위, 상기 제2 보조층의 에너지 준위 및 상기 제1 전극의 일 함수는 차례로 깊어지거나 차례로 얕아지고,
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1을 만족하는 소자:
[관계식 1]
|ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 1에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이다. - 제1항에서,
상기 제1 보조층은 상기 활성층에 맞닿아 있고,
상기 제2 보조층은 상기 제1 전극에 맞닿아 있는
소자. - 제1항에서,
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 2 및 3을 만족하는 소자:
[관계식 2]
|ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.1 eV
[관계식 3]
|ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 2 및 3에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ3은 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이다. - 제3항에서,
ΔΦ1, ΔΦ2 및 ΔΦ3은 각각 0.5eV 이하인 소자. - 제3항에서,
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 1E, 2E 및 3E를 만족하는 소자:
[관계식 1E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
[관계식 2E]
0 < |ΔΦ1-ΔΦ3 | ≤ 0.05 eV
[관계식 3E]
0 < |ΔΦ3-ΔΦ2 | ≤ 0.05 eV
상기 관계식 1E 내지 3E에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ3는 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이다. - 제1항에서,
상기 복수의 보조층은 상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층 사이에 위치하는 제3 보조층을 더 포함하고,
상기 활성층의 에너지 준위, 상기 제1 보조층의 에너지 준위, 상기 제3 보조층의 에너지 준위, 상기 제2 보조층의 에너지 준위 및 상기 제1 전극의 일 함수는 차례로 깊어지거나 차례로 얕아지고,
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제3 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 4 및 5를 만족하는 소자:
[관계식 4]
|ΔΦ2-ΔΦ4 | ≤ 0.1 eV
[관계식 5]
|ΔΦ1-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 4 및 5에서,
ΔΦ1은 상기 활성층과 상기 제1 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ2는 상기 제2 보조층과 상기 제1 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ4는 상기 제3 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ5는 상기 제1 보조층과 상기 제3 보조층 사이의 에너지 배리어이다. - 제6항에서,
상기 활성층, 상기 제1 보조층, 상기 제3 보조층, 상기 제2 보조층 및 상기 제1 전극의 에너지 준위는 하기 관계식 6을 만족하는 소자:
[관계식 6]
|ΔΦ4-ΔΦ5 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 6에서,
ΔΦ4는 상기 제3 보조층과 상기 제2 보조층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ5는 상기 제1 보조층과 상기 제3 보조층 사이의 에너지 배리어이다. - 제6항에서,
ΔΦ1, ΔΦ2, ΔΦ4 및 ΔΦ5는 각각 0.5eV 이하인 소자. - 제1항에서,
상기 제1 전극은 애노드이고 상기 제2 전극은 캐소드이고,
상기 에너지 배리어는 HOMO 에너지 준위의 차이인
소자. - 제9항에서,
상기 제2 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 버퍼층을 더 포함하는 소자. - 제10항에서,
상기 전자 버퍼층은 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함하는 소자. - 제10항에서,
상기 전자 버퍼층은
상기 활성층에 가장 가깝게 위치하는 제1 전자 버퍼층, 그리고
상기 제2 전극에 가장 가깝게 위치하는 제2 전자 버퍼층
을 포함하며,
상기 활성층의 LUMO 에너지 준위, 상기 제1 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 준위, 상기 제2 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 준위 및 상기 제2 전극의 일 함수는 차례로 깊어지고,
상기 활성층, 상기 제1 전자 버퍼층, 상기 제2 전자 버퍼층 및 상기 제2 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 7을 만족하는 소자:
[관계식 7]
|ΔΦ6-ΔΦ7 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 7에서,
ΔΦ6은 상기 활성층과 상기 제1 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ7은 상기 제2 전자 버퍼층과 상기 제2 전극 사이의 에너지 배리어이고,
여기서 ΔΦ6 및 ΔΦ7의 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이이다. - 제12항에서,
상기 활성층, 상기 제1 전자 버퍼층, 상기 제2 전자 버퍼층 및 상기 제2 전극의 에너지 다이아그램은 하기 관계식 8 및 9를 만족하는 소자:
[관계식 8]
|ΔΦ6-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
[관계식 9]
|ΔΦ7-ΔΦ8 | ≤ 0.1 eV
상기 관계식 8 및 9에서,
ΔΦ6은 상기 활성층과 상기 제1 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ7은 상기 제2 전자 버퍼층과 상기 제2 전극 사이의 에너지 배리어이고,
ΔΦ8은 상기 제1 전자 버퍼층과 상기 제2 전자 버퍼층 사이의 에너지 배리어이고,
여기서 ΔΦ6, ΔΦ7 및 ΔΦ8의 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이이다. - 제13항에서,
ΔΦ6, ΔΦ7 및 ΔΦ8은 각각 0.5eV 이하인 소자. - 제1항에서,
상기 제1 전극은 캐소드이고 상기 제2 전극은 애노드이고,
상기 에너지 배리어는 LUMO 에너지 준위의 차이인
소자. - 제15항에서,
상기 제2 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 정공 버퍼층을 더 포함하는 소자. - 제1항에서,
상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층은 각각 10nm 이하의 두께를 가진 소자. - 제1항에서,
상기 제1 보조층과 상기 제2 보조층은 각각 유기 물질을 포함하는 소자. - 제1항에서,
상기 활성층은 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층인 소자. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 소자를 포함하는 센서.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 소자를 포함하는 전자 장치.
- 제20항에 따른 센서를 포함하는 전자 장치.
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