KR20220055889A - 감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기 - Google Patents

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Abstract

감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기가 제공된다. 본 발명에 따르면, 광검출기는 제1 입사 조건에서 10-6 A/cm-2 이하의 광전류 밀도를 갖고, 제2 입사 조건에서 10-4 A/cm-2 이상의 광전류 밀도를 갖는 광활성층을 포함할 수 있다. 상기 제2 입사 조건의 빛의 파장은 상기 제1 입사 조건의 빛의 파장과 동일하고, 상기 제2 입사 조건의 빛의 세기는 상기 제1 입사 조건의 빛의 세기보다 더 클 수 있다.

Description

감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기 {Photosensitive material and Photodetector including it}
본 발명은 감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기에 관한 것으로, 구체적으로 광다이오드 특성 및 광전도체 특성을 갖는 광검출기에 관한 것이다.
광검출기는 광학적 신호를 전기적 신호로 변환시키는 소자이다. 광검출기는 광활성층을 포함할 수 있다. 상기 광활성층은 실리콘 기반의 광활성층 및 유기물 기반의 광활성층을 포함할 수 있다. 유기물 기반의 광활성층은 p형 반도체 물질 및 n형 반도체 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 이 경우, 광검출기는 높은 암전류 특성을 나타내는 문제가 제기되었다. 광검출기의 광활성층이 p형 반도체 물질 및 n형 반도체 물질 중에서 어느 하나를 포함하는 경우, 광검출기의 외부 양자 효율이 낮은 문제가 제기되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광다이오드 특성 및 광전도체 특성을 갖는 광검출기 및 이에 사용되는 감광성 물질을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 광검출기는 제1 입사 조건에서 10-6 A/cm-2 이하의 광전류 밀도를 갖고, 제2 입사 조건에서 10-4 A/cm-2 이상의 광전류 밀도를 갖는 광활성층을 포함할 수 있다. 상기 제2 입사 조건의 빛의 파장은 상기 제1 입사 조건의 빛의 파장과 동일하고, 상기 제2 입사 조건의 빛의 세기는 상기 제1 입사 조건의 빛의 세기보다 더 클 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 입사 조건의 빛의 세기는 10-3 W/cm2 이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 광활성층은 유기 반도체 물질 및 감광성 물질을 포함할 수 있다. 상기 감광성 물질은: 화학식 1로 표시되는 제1 상태; 및 상기 화학식 1에서 R3가 결합된 탄소 및 R4가 결합된 탄소가 서로 연결되어 고리 구조를 이루는 제2 상태를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물을 포함하고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 상태에서 상기 감광성 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨은 상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질의 LUMO 에너지 레벨과 다를 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질의 상기 LUMO 에너지 레벨은 -3eV이상이고, 상기 제2 상태에서 상기 감광성 물질의 상기 LUMO 에너지 레벨은 -3eV미만이고, 상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질은 300nm 이상의 흡수 피크를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 광활성층의 제1 면 상에 배치된 제1 전극; 및 상기 광활성층의 제2 면 상에 배치된 제2 전극을 더 포함하고, 상기 광활성층의 상기 제2 면은 상기 제1 면과 대향될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 입사 조건에서 상기 광활성층 및 상기 제1 전극은 쇼트키 접합을 이루고, 상기 제2 입사 조건에서 상기 광활성층 및 상기 제1 전극은 오믹 접합을 이룰 수 있다.
실시예들에 따르면, 화학식 1로 표시되는 제1 상태; 및 상기 화학식 1에서 R3가 결합된 탄소 및 R4가 결합된 탄소가 서로 연결되어 고리 구조를 이루는 제2 상태를 가지되, 상기 제1 상태에서 -3eV이상의 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨 및 300nm 이상의 흡수 피크를 갖고, 상기 제2 상태에서 -3eV미만의 LUMO에너지 레벨을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00002
화학식 1에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물을 포함하고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 상태는 아래의 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00003
화학식 2에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20 사이의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물이고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
실시예들에 따르면, 상기 화학식 1에서 R1 및 R2 는 각각 독립적으로 시아노(cyano, -CN) 치환된 탄소수 5 내지 탄소수 20의 방향족 고리 화합물 또는 할로겐 치환된 탄소수 5 내지 탄소수 20의 방향족 고리 화합물일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 물질은 화학식 1A, 화학식 1B, 및 화학식 1D 중에서 어느 하나로 표시될 수 있다.
[화학식 1A]
Figure pat00004
[화학식 1B]
Figure pat00005
[화학식 1D]
Figure pat00006
실시예들에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 물질은 화학식 1C로 표시될 수 있다
[화학식 1C]
Figure pat00007
본 발명에 따르면, 광검출기는 제1 입사 조건에서 광다이오드로 기능하고, 제2 입사 조건에서 광전도체로 기능할 수 있다. 제2 입사 조건의 빛은 제1 입사 조건의 빛과 동일한 파장을 가지되, 더 큰 세기를 가질 수 있다. 이에 따라, 광검출기는 낮은 암전류(dark-current) 특성 및 높은 외부 양자 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 광검출기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 광활성층의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도 및 유효(effective) 도펀트 몰비(molar ratio)를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 제1 입사 조건에서의 유기 반도체 물질 및 감광성 물질의 에너지 레벨과 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 제1 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대 도시했다.
도 4a는 제2 입사 조건에서의 유기 반도체 물질 및 감광성 물질의 에너지 레벨과 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 제2 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대한 도면에 대응된다.
도 5는 제3 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대 도시한 도면에 대응된다.
도 6은 실시예들에 다른 제1 상태의 감광성 물질 및 제2 상태의 감광성 물질의 변환 반응에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 화학식 1A로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7b는 화학식 1B로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7c는 화학식 1C로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7d는 화학식 1D로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 8a는 화학식 1A로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 8b는 화학식 1B로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 8c는 화학식 1C로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 8d는 화학식 1D로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 광다이오드, 광전도체, 및 실시예들에 따른 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 블루 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10b는 그린 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10c는 레드 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10d는 근적외선 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 1H 핵자기 공명 스펙스럼(1H NMR) 결과를 나타낸다.
도 12b는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 19F 핵자기 공명 스펙스럼(19F NMR) 결과를 나타낸다.
도 12c는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 13C 핵자기 공명 스펙스럼(13C NMR) 결과를 나타낸다.
도 13a는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 1H 핵자기 공명 스펙스럼(1H NMR) 결과를 나타낸다.
도 13b는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 19F 핵자기 공명 스펙스럼(19F NMR) 결과를 나타낸다.
도 13c는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 13C 핵자기 공명 스펙스럼(13C NMR) 결과를 나타낸다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 물질, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 물질, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서, 알킬기는 선형 알킬기, 가지 달린 알킬기, 또는 고리형 알킬기일 수 있다. 알킬기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 3의 알킬기일 수 있다. 알킬기의 예로는 메틸기, 에틸기, 및 프로필기 등을 들 수 있으나, 이들에 한정되지 않는다. 방향족 고리 화합물은 단환 또는 다환일 수 있다. 방향족 고리 화합물의 탄소수는 5이상 20이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 방향족 고리 화합물의 예로, 페닐기, 바이페닐기, 나프틸기, 및/또는 플루오레닐기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서, 할로겐 원소의 예로 플루오린(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 및 아이오딘(I) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서, “치환 또는 비치환된”은 수소원자, 중수소 원자, 할로겐 원소, 에테르기, 할로겐화 알킬기, 할로겐화 알콕시기, 할로겐화 에테르기, 알킬기, 시아노(cyano)기, 시아노 치환된 알킬기, 시아노 치환된 아릴기, 시아노 치환된 방향족 고리기, 및 탄화수소 고리기로 이루어진 군에서 선택되는 1개 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 예시된 치환기 각각은 치환 또는 비치환된 것일 수 있다. 예를 들어, 바이페닐기는 아릴기로 해석될 수도 있고, 페닐기로 치환된 페닐기로 해석될 수도 있다.
본 명세서의 화학식에서 별도의 정의가 없는 한, 화학결합이 그려져야 하는 위치에 화학결합이 그려져 있지 않은 경우는 상기 위치에 수소 원자가 결합되어 있음을 의미할 수 있다.
본 명세서에서, 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 개념에 따른 감광성 물질 및 이를 포함하는 광검출기를 설명한다.
도 1은 실시예들에 따른 광검출기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 광활성층의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도 및 유효(effective) 도펀트 몰비(molar ratio)를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광검출기(1)는 기판(100), 제1 전극(210), 광활성층(300), 및 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 기판(100)은 일 예로, 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판), 유기 기판, 또는 무기 기판(예를 들어, 유리 기판)을 포함할 수 있다. 그러나, 기판(100)의 물질은 이에 제약되지 않는다. 제1 전극(210)이 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제1 전극(210)은 금속, 도핑된 폴리실리콘, 또는 전도성 폴리머를 포함할 수 있다. 제2 전극(220)은 제1 전극(210) 상에 배치되고, 제1 전극(210)과 이격될 수 있다. 제2 전극(220)에 인가되는 전압은 제1 전극(210)에 인가되는 전압과 다를 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 중에서 어느 하나는 애노드이고, 다른 하나는 캐쏘드일 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 중에서 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 예를 들어, 빛이 제1 기판(100)을 통해 입사되는 경우, 기판(100) 및 제1 전극(210)은 투명할 수 있다. 빛이 제2 전극(220)을 통해 입사되는 경우, 제2 전극(220)은 투명 전극일 수 있다.
광활성층(300)이 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 광활성층(300)은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 가질 수 있다. 제1 전극(210)은 광활성층(300)의 제1 면 상에 배치되고, 제2 전극(220)은 광활성층(300)의 제2 면 상에 배치될 수 있다. 광활성층(300)은 유기 반도체 물질 및 감광성 물질을 포함할 수 있다. 유기 반도체 물질은 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 유기 반도체 물질은 p형 유기 반도체 물질일 수 있다. 유기 반도체 물질은 폴리머일 수 있다. 예를 들어, 유기 반도체 물질은 폴리티오펜(Polythiophene) 및/또는 그 유도체, 폴리플로렌(polyfluorene) 및/또는 그 유도체, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 감광성 물질은 입사 조건에 따라 감광성 도펀트로 기능할 수 있다. 광활성층(300) 내의 감광성 물질의 함량은 유기 반도체 물질의 함량보다 작을 수 있다. 감광성 물질은 Diarylethene 및/또는 Diarylethene 유도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감광성 물질은 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있다. 제1 입사 조건에서 감광성 물질은 제1 상태일 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질은 열린 형태(open form)의 구조를 가질 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질은 아래의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00008
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물이고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 화학식 1에서 X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 불소 원소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 화학식 1에서 X1, X2, X3, 및 X4 각각은 불소 원소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, R1 및 R2 는 각각 독립적으로 시아노(cyano, -CN) 치환된 방향족 고리 화합물 또는 할로겐 치환된 방향족 고리 화합물이다.
일 실시예에 따르면, R1 및 R2 는 각각 불소 치환된 방향족 고리 화합물이다.
화학식 1로 표시되는 물질은 아래 화학식 1-1로 표시되는 물질을 포함할 수 있다.
[화학식 1-1]
Figure pat00009
화학식 1-1에서 R1, R2, R3, R4, X1, X2, X3, 및 X4 는 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
화학식 1로 표시되는 물질은 아래의 화학식 1A, 화학식 1B, 화학식 1C, 및 화학식 1D 중에서 어느 하나로 표시될 수 있다. 즉, 제1 상태의 감광성 물질은 화학식 1A, 화학식 1B, 화학식 1C, 또는 화학식 1D로 표시될 수 있다.
[화학식 1A]
Figure pat00010
[화학식 1B]
Figure pat00011
[화학식 1C]
Figure pat00012
[화학식 1D]
Figure pat00013
빛이 광검출기(1)에 입사될 수 있다. 상기 빛은 자외선, 가시광선, 및 근적외선을 포함할 수 있다. 상기 빛은 태양 복사로부터 유래될 수 있다. 본 명세서에서 별도의 한정이 없는 한, 빛은 백색광 또는 자연광을 의미할 수 있다.
제1 입사 조건은 광활성층(300)에 비교적 약한 세기의 빛이 입사되는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이 제1 입사 조건에서 광활성층(300)에 대략 10-3 W/cm2 이하의 태양 복사(solar radiation)가 가해질 수 있다. 태양 복사가 가해진다는 것은 백색광 또는 자연광이 가해지는 것을 의미할 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질은 -3eV 이상의 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨을 가질 수 있다. 이에 따라, 광활성층(300)은 광다이오드(photodiode)로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제1 입사 조건에서 광활성층(300)은 10-6 A/cm2 이하의 광전류 밀도를 가질 수 있다. 제1 입사 조건에서 광활성층(300)은 낮은 암전류(dark current) 특성을 나타낼 수 있다.
제1 상태의 감광성 물질은 300nm 이상의 흡수 피크를 가질 수 있다. 예를 들어, 화학식 1로 표시되는 물질은 제1 상태에서 300nm 이상의 흡수 피크를 가질 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질은 자외선 뿐만 아니라 가시광선의 빛을 흡수할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 상태의 감광성 물질은 350nm 이상의 흡수 피크를 가질 수 있다. 예를 들어, 화학식 1C로 표시되는 물질 및 화학식 1D로 표시되는 물질은 350nm 이상의 흡수 피크를 가질 수 있다.
빛의 세기가 증가하면, 제1 상태의 감광성 물질은 제2 상태의 감광성 물질로 변환될 수 있다. 이 때, 상기 빛은 앞서 설명한 바와 같이 백색광 또는 자연광일 수 있다.
제2 입사 조건에서 감광성 물질은 제2 상태일 수 있다. 제2 입사 조건의 빛의 파장은 제1 입사 조건의 빛의 파장과 동일할 수 있다. 제2 입사 조건의 빛의 세기는 제1 입사 조건의 빛의 세기보다 클 수 있다. 즉, 제2 입사 조건은 직사광선 조건과 같은 밝은 조건일 수 있다. 제2 입사 조건에서 광활성층(300)에 101 W/cm2 이상의 태양 복사(solar radiation)가 가해질 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질은 제1 상태의 감광성 물질과 이성질체 관계일 수 있다. 제2 상태는 닫힌 형태(closed form) 또는 고리(ring) 구조일 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질은 화학식 1에서 R3가 결합된 탄소 및 R4가 결합된 탄소가 서로 연결되어 고리 구조를 이룰 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질은 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00014
화학식 2에서, R1, R2, R3, R4, X1, X2, X3, 및 X4 는 화학식 1에서 정의한 바와 같다. 예를 들어, 화학식 2에서, R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20 사이의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물이고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
제2 상태의 감광성 물질의 컨쥬게이션(conjugation)의 길이는 제1 상태의 감광성 물질의 컨쥬게이션의 길이보다 클 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질의 LUMO 에너지 레벨은 제1 상태의 감광성 물질의 LUMO 에너지 레벨보다 더 작을 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질은 -3eV미만의 LUMO 에너지 레벨을 가질 수 있다. 광활성층(300)은 광전도체(photoconductor)로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제2 입사 조건에서 광활성층(300)은 10-4 A/cm2 이상의 광전류 밀도를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 감광성 물질은 알킬 싸이엔일(alkyl thienyl) 그룹을 포함하여, 제2 상태의 감광성 물질이 낮은 LUMO에너지 레벨(예를 들어, -3eV미만의 LUMO에너지 레벨)를 가질 수 있다. 또한, 감광성 물질이 알킬 싸이엔일(alkyl thienyl) 그룹을 포함하여, 자외선 및 자외선 근처의 빛에 대해 흡광도를 가질 수 있다.
일반적인 감광성 도펀트의 경우, 빛의 세기가 101 W/cm2 이상 증가하더라도, 광전류밀도는 10-3 A/cm2 보다 크기 어려울 수 있다. 즉, 빛의 세기가 특정 범위보다 커지면, 광전류밀도가 포화(saturation)되어, 일정한 값을 나타낼 수 있다. 이 경우, 광활성층(300)은 광전도체로 기능하기 어려울 수 있다.
도 2와 같이 빛의 세기가 증가하면, 유효(effective) 도펀트 몰비(molar ratio)가 증가될 수 있다. 유효 도펀트 몰비는 광활성층(300) 내의 총 감광성 물질의 몰수에 대한 제2 상태의 감광성 물질의 몰수를 의미할 수 있다. 101 W/cm2 이상의 세기를 갖는 빛이 광활성층(300)에 가해지면(제2 입사 조건), 유효 도펀트 몰비가 증가되고, 광활성층(300)은 10-4 A/cm2 이상의 광전류 밀도를 가질 수 있다. 광활성층(300)은 광전도체로 기능할 수 있다.
실시예들에 따르면, 광활성층(300)은 선형 동적 범위 (Linear Dynamic Range; LDR)를 가질 수 있다. 이에 따라, 광검출기(1)는 어두운 조건 뿐만 아니라 직사광선 조건에서 물체를 검출할 수 있다.
제3 입사 조건에서 광활성층(300)은 공존(co-existing) 상태일 수 있다. 제3 입사 조건의 빛의 파장은 제1 입사 조건의 빛의 파장 및 제2 입사 조건의 빛의 파장과 실질적으로 동일할 수 있다. 제3 입사 조건의 빛의 세기는 제1 입사 조건의 빛의 세기보다 크고, 제2 입사조건의 빛의 세기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제3 입사 조건에서 10-3 W/cm2 초과 및 101 W/cm2 미만의 태양 복사가 광활성층(300)에 가해질 수 있다. 제3 입사 조건의 광활성층(300)은 제1 상태의 감광성 물질 및 제2 상태의 감광성 물질을 포함할 수 있다.
광활성층(300) 내에서 감광성 물질은 고체일 수 있다.
실시예들에 따른 광검출기(1)는 이미지 센서일 수 있다.
도 3a는 제1 입사 조건에서의 유기 반도체 물질 및 감광성 물질의 에너지 레벨과 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 제1 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대 도시했다. 도 3a 및 도 3b의 설명에 있어서, 도 1 및 도 2를 함께 참조한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1 입사 조건에서 광활성층(300)은 유기 반도체 물질(310) 및 감광성 물질(320)을 포함할 수 있다. 상기 감광성 물질(320)은 제1 상태의 감광성 물질(321)일 수 있다. 광활성층(300)에 빛이 입사될 수 있다. 상기 빛에 의해 유기 반도체 물질(310)의 엑시톤 해리(exciton dissociation)가 발생할 수 있다. 이에 따라, 전자(e-) 및 정공(h+)을 형성할 수 있다. 유기 반도체 물질(310)은 전자(e-)의 이동에 참여할 수 있다. 광활성층(300) 내의 전자(e-)는 제1 전극(210)으로 이동하고, 광활성층(300) 내의 정공(h+)은 제2 전극(220)으로 이동할 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질(321)은 비교적 짧은 컨쥬게이션 길이를 가질 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질(321)의 에너지 레벨로 인해, 제1 상태의 감광성 물질(321)은 상기 전자의 이동에 영향을 미치지 않을 수 있다. 즉, 광검출기의 동작 과정에서, 광활성층(300)은 한 종(p형)의 유기 반도체 물질(310)을 사용할 수 있다. 제1 전극(210) 및 광활성층(300)은 쇼트키 접합(Schottky junction)을 형성할 수 있다. 제1 전극(210) 내의 정공(h+)은 광활성층(300) 내로 전달되기 어려울 수 있다. 상기 광검출기는 광다이오드로 기능할 수 있다.
제1 상태의 감광성 물질(321)은 0보다 크고 1보다 작은 이득(gain)을 가질 수 있다. 이득(gain)은 아래의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00015
수학식 1에서, χ는 엑시톤 해리의 비(exciton dissociation ration)로 1 미만이다. V는 가해준 바이어스(단위: V)이고, τ는 캐리어 수명(carrier life time)(단위: s)이고, μ는 이동도(mobility)(단위 cm2/Vs)이고, L은 필름 두께이다.
도 4a는 제2 입사 조건에서의 유기 반도체 물질 및 감광성 물질의 에너지 레벨과 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4b는 제2 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대 도시한 도면에 대응된다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제2 입사 조건에서 광활성층(300)은 유기 반도체 물질(310) 및 감광성 물질(320)을 포함할 수 있다. 상기 감광성 물질(320)은 제2 상태의 감광성 물질(322)을 포함할 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)은 비교적 긴 컨쥬게이션 길이를 가질 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)의 에너지 레벨은 도 3a에서 설명한 제1 상태의 감광성 물질(321)의 에너지 레벨과 다를 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)은 유기 반도체 물질(310)과 헤테로 접합(Heterojunction)을 형성할 수 있다. 상기 헤테로 접합은 스태거형(staggered, type Ⅱ) 헤테로 접합일 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)은 도펀트로 기능할 수 있다. 광활성층(300)은 p형 반도체 물질 및 n형 도펀트를 사용하여 동작할 수 있다. p형의 반도체 물질은 유기 반도체 물질(310)일 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)은 n형 도펀트로 기능할 수 있다.
빛에 의해 유기 반도체 물질(310)의 엑시톤 해리(exciton dissociation)가 발생할 수 있다. 상기 엑시톤 해리에 의해 정공(h+) 및 전자(e-)가 형성되고, 상기 전자(e-)는 제2 상태의 감광성 물질(322)에 의해 트랩될 수 있다. 즉, 제2 상태의 감광성 물질(322)은 상기 전자(e-)의 이동에 참여할 수 있다. 광활성층(300) 내의 정공(h+)은 제2 전극(220)으로 이동할 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)의 에너지 레벨로 인해 제1 전극(210) 내의 정공(h+)은 광활성층(300)으로 이동할 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)은 제1 전극(210) 내의 정공(h+)의 이동에 참여할 수 있다.
제1 전극(210) 및 광활성층(300)은 오믹 접합(ohmic junction)을 형성할 수 있다. 상기 광검출기는 광전도체로 기능할 수 있다.
제2 상태의 감광성 물질(322)은 1 이상 1000이하의 이득(gain)을 가질 수 있다. 이득(gain)은 상기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다. 제2 상태의 감광성 물질(322)이 1이상의 이득을 가지므로, 광활성층(300)이 10-4 A/cm-2 이상의 전류 밀도를 갖고, 광검출기가 광전도체로 기능할 수 있다.
도 5는 제3 입사 조건에서 광검출기의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 1의 Ⅰ영역을 확대 도시한 도면에 대응된다. 도 5의 설명에 있어서, 도 1 및 도 2를 함께 참조한다.
도 5를 참조하면, 제3 입사 조건에서 광활성층(300)은 유기 반도체 물질(310) 및 감광성 물질(320)을 포함할 수 있다. 제3 입사 조건의 광활성층(300)은 공존(co-existing) 상태일 수 있다. 예를 들어, 감광성 물질(320)은 제1 상태의 감광성 물질(321) 및 제2 상태의 감광성 물질(322)을 포함할 수 있다.
엑시톤 해리(exciton dissociation)에 의해 복수의 정공들(h+) 및 복수의 전자들(e-)이 형성될 수 있다. 복수의 전자들(e-) 중 어느 하나는 제2 상태의 감광성 물질(322)에 트랩되어, 제1 전극(210)으로 전달되지 않을 수 있다. 복수의 전자들(e-) 중 다른 하나는 제1 전극(210)으로 전달될 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질(321)은 상기 다른 하나의 전자(e-)의 이동에 관여하지 않을 수 있다. 제1 전극(210) 내의 복수의 정공들(h+) 중에서 어느 하나는 광활성층(300) 내로 이동하지 않을 수 있다. 제1 전극(210) 내의 복수의 정공들(h+) 중에서 다른 하나는 광활성층(300) 내로 이동할 수 있다.
도 6은 실시예들에 다른 제1 상태의 감광성 물질 및 제2 상태의 감광성 물질의 변환 반응에 대해 설명하기 위한 도면으로, 감광성 물질의 반응 경로에 대한 에너지 레벨을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 상태의 감광성 물질(321) 및 제2 상태의 감광성 물질(322) 사이의 변환 반응은 빛의 세기에 따라 조절될 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질(321) 및 제2 상태의 감광성 물질(322) 사이의 변환 반응은 아래의 반응식 1과 같이 표시될 수 있다. 큰 세기의 빛이 제1 상태의 감광성 물질(321)에 조사되면, 제1 상태의 감광성 물질(321)이 제2 상태의 감광성 물질(322)로 변환될 수 있다. 예를 들어, 상기 큰 세기의 빛의 조사에 의해 제1 상태의 감광성 물질(321)로부터 여기된 제1 상태의 감광성 물질(321*)을 거쳐 여기된 제2 상태의 감광성 물질(322*)이 형성될 수 있다. 여기된 제2 상태의 감광성 물질(322*)로부터 제2 상태의 감광성 물질(322)이 형성될 수 있다.
빛의 세기 감소에 의해, 작은 세기의 빛이 제2 상태의 감광성 물질(322)에 조사되면, 제2 상태의 감광성 물질(322)은 제1 상태의 감광성 물질(321)로 변화될 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00016
반응식 1에서 R1, R2, R3, R4, X1, X2, X3, 및 X4 는 화학식 1에서 정의한 바와 같다. 321은 제1 상태의 감광성 물질을 의미하고, 322sms 제2 상태의 감광성 물질을 의미한다.
감광성 물질이 사이클로펜테인(cylcopentene) 그룹을 포함하고, 사이클로펜테인(cylcopentene) 그룹이 두 개의 알킬 싸이엔일(alkyl thienyl) 그룹들에 연결되는 경우, 제2 상태의 감광성 물질(322)에서 제1 상태의 감광성 물질(321)로 변환 속도가 충분히 빠르지 않을 수 있다.
실시예들에 따르면, 감광성 물질은 할로겐 치환된 벤젠 고리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 화학식 1, 화학식 2, 및 반응식 1에 표시된 바와 같이 감광성 물질은 벤젠 고리를 포함하고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함할 수 있다. 상기 벤젠 고리는 두 개의 알킬 싸이엔일(alkyl thienyl) 그룹들에 결합될 수 있다. 이에 따라, 제2 상태의 감광성 물질(322)이 제1 상태의 감광성 물질(321)로 빠르게 변환될 수 있다. 제1 상태의 감광성 물질(321) 및 제2 상태의 감광성 물질(322) 사이의 변환은 고리 변환(cycloreversion)일 수 있다.
도 7a는 화학식 1A로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7a를 참조하면, 제1 상태의 화학식 1A로 표시되는 물질은 -3eV 이상의 LUMO 에너지를 갖는다. 제2 상태의 화학식 1A로 표시되는 물질은 -3eV 미만의 LUMO 에너지를 갖는다.
도 7b는 화학식 1B로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7b를 참조하면, 제1 상태의 화학식 1B로 표시되는 물질은 -3eV 이상의 LUMO 에너지를 갖는다. 제2 상태의 화학식 1B로 표시되는 물질은 -3eV 미만의 LUMO 에너지를 갖는다.
도 7c는 화학식 1C로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7c를 참조하면, 제1 상태의 화학식 1C로 표시되는 물질은 -3eV 이상의 LUMO 에너지를 갖는다. 제2 상태의 화학식 1C로 표시되는 물질은 -3eV 미만의 LUMO 에너지를 갖는다.
도 7d는 화학식 1D로 표시되는 물질의 제1 상태 및 제2 상태에서 LUMO 에너지 레벨을 분석한 결과이다.
도 7d를 참조하면, 제1 상태의 화학식 1D로 표시되는 물질은 -3eV 이상의 LUMO 에너지를 갖는다. 제2 상태의 화학식 1D로 표시되는 물질은 -3eV 미만의 LUMO 에너지를 갖는다.
도 8a는 화학식 1A로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다. 흡광도는 제1 상태 및 제2 상태 각각에 대해 분석했다.
도 8a를 참조하면, 화학식 1A로 표시되는 물질은 제1 상태에서 300nm 이상의 빛에 대해 흡수 피크를 가진다. 화학식 1A로 표시되는 물질의 제1 상태에서 파장에 따른 흡광도는 제2 상태에서 파장에 따른 흡광도와 다를 수 있다.
도 8b는 화학식 1B로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다. 흡광도는 제1 상태 및 제2 상태 각각에 대해 분석했다.
도 8b를 참조하면, 화학식 1B로 표시되는 물질은 제1 상태에서 300nm 이상의 빛에 대해 흡수 피크를 가진다.
도 8c는 화학식 1C로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다. 흡광도는 제1 상태 및 제2 상태 각각에 대해 분석했다.
도 8c를 참조하면, 화학식 1C로 표시되는 물질은 제1 상태에서 300nm 이상, 상세하게, 350nm 이상의 빛에 대해 흡수 피크를 가진다.
도 8d는 화학식 1D로 표시되는 물질의 빛의 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다. 흡광도는 제1 상태 및 제2 상태 각각에 대해 분석했다.
도 8d를 참조하면, 화학식 1D로 표시되는 물질은 제1 상태에서 300nm 이상, 상세하게, 350nm 이상의 빛에 대해 흡수 피크를 가진다.
도 9는 광다이오드, 광전도체, 및 실시예들에 따른 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다. a는 실시예들에 따른 광검출기의 결과, b는 광다이오드의 결과, c는 광전도체의 결과를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 입사광 세기가 작을 때(예를 들어, 10-3 W/cm2 이하의 입사광 세기), 광다이오드의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도 값은 선형 함수를 나타낼 수 있다. 입사광 세기가 10-3 W/cm2 이상, 예를 들어, 10-2 W/cm2 이상이면, 광다이오드의 광전류 밀도는 포화(saturation)되어, 일정한 값을 나타낼 수 있다.
입사광 세기가 10-3 W/cm2 이상 및 10-1 W/cm2 이하일 때, 광전도체의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도의 함수의 그래프는 선형일 수 있다. 입사광 세기가 10-8 W/cm2 이하의 경우, 광전도체의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도는 일정할 수 있다.
입사광 범위가 10-12 W/cm2 내지 101 W/cm2 의 조건에서, 실시예들에 따른 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도의 함수의 그래프는 선형일 수 있다. 입사광 세기가 작을 때(예를 들어, 10-3 W/cm2 이하의 입사광 세기), 광검출기의 광전류 밀도는 입사광 세기에 비례할 수 있다. 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도 값은 선형 함수를 나타낼 수 있다. 빛의 세기가 10-3 W/cm2 이하인 경우, 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도의 함수의 그래프는 광다이오드의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도의 함수의 그래프와 동일 또는 유사할 수 있다. 입사광 세기가 10-3 W/cm2 이상이더라도, 실시예들에 따른 광검출기의 입사광 세기에 따른 광전류 밀도의 함수의 그래프는 선형일 수 있다.
도 10a는 블루 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 10b는 그린 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 10c는 레드 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 10d는 근적외선 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기의 태양 복사의 세기에 따른 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 이 때, 블루 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 블루 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 그린 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 그린 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 레드 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 레드 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 근적외선 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 근적외선 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다.
도 10a를 참조하면, 블루 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기는 태양 복사의 세기에 대한 광전류 밀도 값이 선형 함수를 나타낼 수 있다. 이 때, 태양 복사의 세기는 10-13 W/cm2 내지 10-1 W/cm2 일 수 있다.
도 10b를 참조하면 그린 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기는 태양 복사의 세기에 대한 광전류 밀도 값이 선형 함수를 나타낼 수 있다. 이 때, 태양 복사의 세기는 10-13 W/cm2 내지 10-1 W/cm2 일 수 있다.
도 10c를 참조하면, 레드 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기는 태양 복사의 세기에 대한 광전류 밀도 값이 선형 함수를 나타낼 수 있다. 이 때, 태양 복사의 세기는 10-13 W/cm2 내지 10-1 W/cm2 일 수 있다.
도 10d를 참조하면 근적외선 선택성 광활성층을 포함하는 광검출기는 태양 복사의 세기에 대한 광전류 밀도 값이 선형 함수를 나타낼 수 있다. 이 때, 태양 복사의 세기는 10-13 W/cm2 내지 10-1 W/cm2 일 수 있다.
도 11은 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 이미지 센서는 반도체 기판(101), 배선층(600), 제1 전극들(211), 컬러 선택성 광활성층들(CL1, CL2, CL3), 제2 전극들(222), 보호층(800), 및 마이크로렌즈층(900)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(101)은 예를 들어, 실리콘 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 반도체 기판(101)은 평면적 관점에서 제1 픽셀 영역(PX1), 제2 픽셀 영역(PX2), 및 제3 픽셀 영역(PX3)을 가질 수 있다. 반도체 기판(101) 내에 별도의 포토 다이오드가 제공되지 않을 수 있다.
배선층(600)이 반도체 기판(101) 상에 배치될 수 있다. 배선층(600)은 절연층(610), 배선 패턴들(640), 및 차광 패턴(630)을 포함할 수 있다. 절연층(610)은 단일층 또는 다중층일 수 있다. 배선 패턴들(640)은 절연층(610) 내에 제공될 수 있다. 배선 패턴들(640)은 금속과 같은 도전 물질을 포함할 수 있다. 차광 패턴(630)은 절연층(610) 내에 제공될 수 있다. 차광 패턴(630)은 금속을 포함할 수 있다. 차광 패턴(630)은 수평 방향으로 연장된 장축을 가질 수 있다.
제1 전극들(211)이 배선층(600) 내에 제공되며, 배선층(600)의 상면 상에 노출될 수 있다. 제1 전극들(211)은 제1 픽셀 영역(PX1), 제2 픽셀 영역(PX2), 및 제3 픽셀 영역(PX3)에 각각 제공될 수 있다. 제1 전극들(211)은 픽셀 전극들일 수 있다.
컬러 선택성 광활성층들(CL1, CL2, CL3)이 배선층(600) 상에 배치될 수 있다. 컬러 선택성 광활성층들(CL1, CL2, CL3)은 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)은 각각 레드 선택성 광활성층, 그린 선택성 광활성층, 및 블루 선택성 광활성층일 수 있다. 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)은 반도체 기판(101)의 제1 픽셀 영역(PX1), 제2 픽셀 영역(PX2), 및 제3 픽셀 영역(PX3)에 각각 제공될 수 있다. 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)은 서로 옆으로 이격 배치될 수 있다. 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)은 대응되는 제1 전극들(211)과 각각 접속할 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1)은 감광성 물질 및 제1 컬러 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 제2 컬러 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제3 컬러 선택성 광활성층은 감광성 물질 및 제3 컬러 선택성 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 컬러는 레드이고, 제2 컬러는 블루이고, 제3 컬러는 그린일 수 있다. 제1 컬러 선택성 유기 반도체 물질은 제2 컬러 선택성 유기 반도체 물질 및 제3 컬러 선택성 유기 반도체 물질과 다를 수 있다. 제2 컬러 선택성 유기 반도체 물질은 제3 컬러 선택성 유기 반도체 물질과 다를 수 있다. 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)은 서로 동일한 감광성 물질을 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 근적외선 선택성 광활성층이 더 제공될 수 있다.
제2 전극들(222)이 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3) 상에 각각 배치될 수 있다. 제2 전극들(222)은 대응되는 제1 컬러 선택성 광활성층(CL1), 제2 컬러 선택성 광활성층(CL2), 및 제3 컬러 선택성 광활성층(CL3)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극들(222)에 인가되는 전압은 제1 전극들(211)에 인가되는 전압과 다를 수 있다. 제1 전극들(211)이 애노드인 경우, 제2 전극들(222)은 캐쏘드일 수 있다. 제1 전극들(211)이 캐쏘드인 경우, 제2 전극들(222)은 애노드일 수 있다. 제2 전극들(222)은 투명 전극들일 수 있다.
보호층(800)이 복수의 제2 전극들(222) 상에 배치될 수 있다. 보호층(800)은 절연 특성을 가질 수 있다. 보호층(800)은 예를 들어, 폴리머와 같은 유기 물질을 포함할 수 있다. 보호층(800)은 투명할 수 있다.
버퍼층(700)이 배선층(600) 및 보호층(800) 사이에 개재되어, 컬러 선택성 광활성층들(CL1, CL2, CL3)의 측벽들 및 제2 전극들(222)의 측벽들을 덮을 수 있다. 버퍼층(700)은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
마이크로렌즈층(900)이 보호층(800) 상에 배치될 수 있다. 마이크로렌즈층(900) 빛을 집광시킬 수 있다. 마이크로렌즈층(900)은 투명할 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예들을 참조하여, 감광성 물질의 제조 및 분석 결과에 관하여 설명한다. 이하의 반응식들에서 Ph는 페닐(phenyl)을 의미하고, Bu는 부틸기(butyl)를 의미하고, THF는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)을 의미한다.
1. 중간 물질의 제조
(1) 중간 물질 A의 제조
반응식 2A로 표시되는 반응을 진행하여, 중간 물질 A를 합성한다.
[반응식 2A]
Figure pat00017
(2) 중간 물질 B의 제조
반응식 2B로 표시되는 반응을 진행하여, 중간 물질 B를 합성한다.
[반응식 2B]
Figure pat00018
반응식 2A에서 반응물질 Iodopentafluorobenzene(CAS number: 827-15-6)은 시그마 알드리치로부터 입수한 상업적 제품을 사용하였다.
Iodopentafluorobenzene
2. 감광성 물질의 제조 및 분석
(1) 화학식 1A로 표시되는 물질의 제조 및 분석 ( 실험예 1A)
반응식 3A로 표시되는 반응을 진행하여, 최종 생성물을 얻었다.
[반응식 3A]
Figure pat00019
반응식 3A에서 출발물질 3,5-dibromo-2-methylthiophene(CAS number: 29421-73-6), material C (CAS number: 623-00-7, 시그마 알드리치로부터 입수), 및 Iodopentafluorobenzene(CAS number: 827-15-6, 시그마 알드리치로부터 입수)은 상업적 제품을 구입했다.
[핵자기공명(NMR) 분석]
도 12a는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 1H 핵자기 공명 스펙스럼(1H NMR) 결과를 나타낸다. 도 12b는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 19F 핵자기 공명 스펙스럼(19F NMR) 결과를 나타낸다. 도 12c는 실험예 1A에 따른 최종 생성물의 13C 핵자기 공명 스펙스럼(13C NMR) 결과를 나타낸다. 도 12a, 도 12b, 및 도 12c에서 x축은 δ(ppm)을 나타내고, y 축은 세기(단위: 임의의 값. a.u.)를 나타낸다.
도 12a, 도 12b, 및 도 12c를 참조하면, 합성된 최종 생성물이 화학식 1A로 표시되는 물질인 것을 확인할 수 있다.
(2) 화학식 1B로 표시되는 물질의 제조 및 분석
반응식 3B로 표시되는 반응을 진행하여, 최종 생성물을 얻었다.
[반응식 3B]
Figure pat00020
반응식 3B에서 출발물질 3,5-dibromo-2-methylthiophene(CAS number: 29421-73-6),material D (CAS number: 2708-97-6, 시그마 알드리치로부터 입수), 및 Iodopentafluorobenzene(CAS number: 827-15-6)은 상업적 제품을 구입했다.
(3) 화학식 1C로 표시되는 물질의 제조 및 분석
반응식 3C로 표시되는 반응을 진행하여, 최종 생성물을 얻었다.
[반응식 3C]
Figure pat00021
반응식 3C에서 출발물질 3,5-dibromo-2-methylthiophene(CAS number: 29421-73-6) 및 및 Iodopentafluorobenzene(CAS number: 827-15-6)은 상업적 제품을 구입했고, material A는 앞서 합성된 중간 물질 A를 사용하였다
[핵자기공명(NMR) 분석]
도 13a는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 1H 핵자기 공명 스펙스럼(1H NMR) 결과를 나타낸다. 도 13b는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 19F 핵자기 공명 스펙스럼(19F NMR) 결과를 나타낸다. 도 13c는 실험예 1C에 따른 최종 생성물의 13C 핵자기 공명 스펙스럼(13C NMR) 결과를 나타낸다. 도 13a, 도 13b, 및 도 13c에서 x축은 δ(ppm)을 나타내고, y 축은 세기(단위: 임의의 값. a.u.)를 나타낸다.
도 13a, 도 13b, 및 도 13c를 참조하면, 합성된 최종 생성물이 화학식 1C로 표시되는 물질인 것을 확인할 수 있다.
(4) 화학식 1D로 표시되는 물질의 제조 및 분석
반응식 3D로 표시되는 반응을 진행하여, 최종 생성물을 얻었다.
[반응식 3D]
Figure pat00022
반응식 3D에서 출발물질 3,5-dibromo-2-methylthiophene(CAS number: 29421-73-6)은 상업적 제품을 구입했고, material B는 앞서 합성된 중간 물질 B를 사용하였다
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 입사 조건에서 10-6 A/cm-2 이하의 광전류 밀도를 갖고,
    제2 입사 조건에서 10-4 A/cm-2 이상의 광전류 밀도를 갖는 광활성층을 포함하되,
    상기 제2 입사 조건의 빛의 파장은 상기 제1 입사 조건의 빛의 파장과 동일하고,
    상기 제2 입사 조건의 빛의 세기는 상기 제1 입사 조건의 빛의 세기보다 더 큰 광검출기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 입사 조건의 빛의 세기는 10-3 W/cm2 이하인 광검출기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광활성층은 유기 반도체 물질 및 감광성 물질을 포함하고,
    상기 감광성 물질은:
    화학식 1로 표시되는 제1 상태; 및
    상기 화학식 1에서 R3가 결합된 탄소 및 R4가 결합된 탄소가 서로 연결되어 고리 구조를 이루는 제2 상태를 갖는 광검출기.
    [화학식 1]
    Figure pat00023

    화학식 1에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물을 포함하고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 상태에서 상기 감광성 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨은 상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질의 LUMO 에너지 레벨과 다른 광검출기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질의 상기 LUMO 에너지 레벨은 -3eV이상이고,
    상기 제2 상태에서 상기 감광성 물질의 상기 LUMO 에너지 레벨은 -3eV미만이고,
    상기 제1 상태에서 상기 감광성 물질은 300nm 이상의 흡수 피크를 갖는 광검출기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광활성층의 제1 면 상에 배치된 제1 전극; 및
    상기 광활성층의 제2 면 상에 배치된 제2 전극을 더 포함하고,
    상기 광활성층의 상기 제2 면은 상기 제1 면과 대향되는 광검출기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 입사 조건에서 상기 광활성층 및 상기 제1 전극은 쇼트키 접합을 이루고,
    상기 제2 입사 조건에서 상기 광활성층 및 상기 제1 전극은 오믹 접합을 이루는 광검출기.
  8. 화학식 1로 표시되는 제1 상태; 및
    상기 화학식 1에서 R3가 결합된 탄소 및 R4가 결합된 탄소가 서로 연결되어 고리 구조를 이루는 제2 상태를 가지되,
    상기 제1 상태에서 -3eV이상의 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨 및 300nm 이상의 흡수 피크를 갖고,
    상기 제2 상태에서 -3eV미만의 LUMO에너지 레벨을 갖는 감광성 물질.
    [화학식 1]
    Figure pat00024


    화학식 1에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물을 포함하고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2 상태는 아래의 화학식 2로 표시되는 감광성 물질.
    [화학식 2]
    Figure pat00025

    화학식 2에서 R1 및 R2 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 탄소수 20 사이의 치환 또는 비치환된 방향족 고리 화합물이고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, X1, X2, X3, 및 X4 는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐 원소이고, X1, X2, X3, 및 X4 중에서 적어도 하나는 할로겐 원소를 포함한다.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 R1 및 R2 는 각각 독립적으로 시아노(cyano, -CN) 치환된 탄소수 5 내지 탄소수 20의 방향족 고리 화합물 또는 할로겐 치환된 탄소수 5 내지 탄소수 20의 방향족 고리 화합물인 감광성 물질.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 물질은 화학식 1A, 화학식 1B, 및 화학식 1D 중에서 어느 하나로 표시되는 감광성 물질.
    [화학식 1A]
    Figure pat00026

    [화학식 1B]
    Figure pat00027

    [화학식 1D]
    Figure pat00028

  12. 제 8항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 물질은 화학식 1C로 표시되는 감광성 물질.
    [화학식 1C]
    Figure pat00029

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