유기 매트릭스에 임베딩된 터널링 장벽을 갖는 양자점을가진 중간대 감광성 장치 document_id A220623065362

전자기 방사를 전자적으로 생성 또는 검출하기 위하여, 또는 주변 전자기 방사로부터 전기를 발생시키기 위하여, 광전자 장치는 물질의 광학적 특성 및 전자 적 특성에 의존한다. 감광성 광전자 장치는 전자기 방사를 전기 신호 또는 전기로 변환한다. 광전지(PV; photovoltaic) 장치라고도 불리는 태양 전지는, 특히 전기 전력을 발생시키기 위해 사용되는 감광성 광전자 장치의 일종이다. 광전도체(photoconductor) 셀은, 흡수된 광에 기인하는 변화를 검출하기 위하여 장치의 저항을 모니터링하는 신호 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 장치의 일종이다. 인가된 바이어스 전압을 받을 수 있는 광검출기는, 광검출기가 전자기 방사에 노출될 때 발생되는 전류를 측정하는 전류 검출 회로와 함께 사용되는 감광성 광전자 장치의 일종이다. 이러한 세 종류의 감광성 광전자 장치는 아래에 정의되는 바와 같은 정류 접합(rectifying junction)이 존재하는지 여부에 따라, 그리고 바이어스 또는 바이어스 전압으로도 알려진 외부의 인가 전압으로 장치가 동작하는지 여부에 따라 구분될 수 있다. 광전도체 셀은 정류 접합을 갖지 않고 통상 바이어스로 동작된다. PV 장치는 적어도 하나의 정류 접합을 갖고 바이어스 없이 동작한다. 광검출기는 적어도 하나의 정류 접합을 갖고, 항상 그런 것은 아니지만 통상 바이어스로 동작한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "정류"는, 특히 경계면이 비대칭 전도 특성을 갖는다는 것, 즉, 경계면이 전하 운송을 바람직하게 한 방향으로 지원한다는 것을 나타낸다. 용어 "광전도성"은, 일반적으로 캐리어가 물질 내의 전하들을 전도(즉, 운송)할 수 있도록 전자기 방사 에너지가 흡수되어 전하 캐리어의 여기 에너지로 변환되는 프로세스에 관한 것이다. 용어 "광전도성 물질"은 전하 캐리어를 발생시키기 위해 전자기 방사를 흡수하는 물질의 특성이 이용되는 반도체 물질을 말한다. 제1 층이 제 2층과 "물리적 접촉" 또는 "직접적으로 접촉"하고 있다고 지정하지 않는다면, 개재(intervening) 층들이 존재할 수 있다. 적당한 에너지의 전자기 방사가 유기 반도체 물질 상에 입사될 때, 광자가 흡수되어 여기된 상태를 생성할 수 있다. 유기 광전도성 물질에서, 발생된 여기된 상태의 분자는 일반적으로 "엑시톤" 즉, 준입자(quasi-particle)로서 이동되는 결합상태(bound state)의 전자-정공 쌍으로 여겨진다. 엑시톤은, (다른 쌍으로부터의 정공 또는 전자와의 재결합과는 반대로) 서로 재결합하는 원래의 전자와 정공을 일컫는 쌍 재결합[퀸칭(quenching)] 전에 소정의 수명을 가질 수 있다. 광전류를 발생시키기 위하여, 엑시톤을 형성하는 전자와 정공은 전형적으로 정류 접합에서 분리된다. 엑시톤은 또한 무기 반도체를 형성한다. 그러나, 무기 물질 내의 전자와 정공 간의 쿨롱 상호작용은 유기 물질 내에서보다 약하기 때문에, 전자와 정공은 정류 접합에 도달하기 전 무기 물질 내에서 분리될 수 있다. 감광성 장치의 경우, 정류 접합을 광전지 헤테로 접합이라 부른다. 상당한 부피를 차지하는 광전지 헤테로 접합에서 내부적으로 발생된 전기장을 생성하기 위한 일반적인 방법은, 적당히 선택된 반-전도성 특성을 갖는 2개의 물질의 층을, 특히 그들의 에너지 상태 분포에 대해 병치하는 것이다. 유기 광전지 헤테로 접합의 유형들은 도너 물질과 억셉터 물질의 경계면에서 형성된 도너-억셉터 헤테로 접합, 및 유기 광전도성 물질과 금속의 경계면에서 형성된 쇼트기-장벽 헤테로 접합을 포함한다. 무기 광전지 헤테로 접합의 유형들은 p-타입 도핑된 물질과 n-타입 도핑된 물질의 경계면에서 형성된 p-n 헤테로 접합, 및 무기 광전도성 물질과 금속의 경계면에서 형성된 쇼트키-장벽 헤테로 접합을 포함한다. 광전지 헤테로 접합은 또한 무기 물질과 유기 물질 간의 경계면에서 형성될 수 있다. 유기 광전지 헤테로 접합에서, 헤테로 접합을 형성하는 물질은 도너 또는 억셉터로서 표시되었다. 유기 물질의 경우, 용어 "도너" 및 "억셉터"는 접촉하고 있지만 상이한 2개의 유기 물질의 최고 점유 분자 궤도(HOMO; Highest Occupied Molecular Orbital)와 최저 미점유 분자 궤도(LUMO; Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 레벨의 상대적 위치를 말한다. 서로 접촉하고 있는 2개의 물질 중 한 물질의 LUMO 에너지 레벨이 더 낮다면, 그 물질이 억셉터이다. 그렇지 않고 더 높다면, 그 물질이 도너이다. 외부 바이어스가 없는 경우, 도너-억셉터 접합에서의 전자들이 억셉터 물질 내로 이동하는 것이 효과적이다. 유기 반도체 및 절연체는, 통상 HOMO-1, HOMO-2, LUMO+1, LUMO+2 등으로 표시되는 HOMO 아래에 있고 LUMO 위에 있는 추가의 분리된 분자 궤도를 가질 수 있다. 유기 물질의 "도너" 및 "억셉터"의 사용은 무기 물질의 "도너" 및 "억셉터"의 사용과는 상이한 의미를 갖는다. 유기 물질의 경우, 용어 "도너" 및 "억셉터"는, 접촉하고 있지만 상이한 2개 물질의 HOMO 및 LUMO 에너지 레벨의 상대적 위치를 말한다. 이는 "도너" 및 "억셉터"가 무기 n-타입 및 p-타입 층을 각각 생성하기 위해 사용될 수 있는 도펀트 원자의 타입을 일컫는 무기 물질의 경우에서 사용되는 용어와 대조적이다. 반도체와 절연체의 한 가지 공통된 특징은 "밴드 갭"이다. 밴드 갭은 전자로 채워진 가장 높은 에너지 레벨과 보통 비어있는 가장 낮은 에너지 레벨 간의 에너지 차이다. 무기 반도체 또는 무기 절연체에서, 이러한 에너지 차는 가전자대(valence band) 에지 EV (가전자대의 상층)와 전도대 에지 EC(전도대의 하층) 간의 차이다. 유기 반도체 또는 유기 절연체에서, 이 에너지 차는 HOMO와 LUMO 간의 차이다. 순수 물질의 밴드 갭에는 전자와 정공이 존재할 수 있는 에너지 상태가 없다. 전도대를 이용할 수 있는 캐리어는 밴도 갭을 가로질러 여기되기에 충분한 에너지를 가진 전자와 정공뿐이다. 일반적으로, 반도체는 절연체와 비교하여 상대적으로 작은 밴드 갭을 갖는다. 에너지 밴드/레벨 모델의 측면에서 보면, 무기 반도체의 가전자대 전자의 전도대로의 여기는 캐리어를 생성한다; 즉, 전자가 밴드 갭의 전도대 측 상에 있는 경우에는 전자가 전하 캐리어이고, 정공이 밴드 갭의 가전자대 상에 있는 경우에는 정공이 전하 캐리어이다. 이와 유사하게, 유기 반도체의 경우, 전자가 밴드 갭의 미점유 분자 궤도 측 상에 있는 경우에는 전자가 전하 캐리어이고, 정공이 밴드 갭의 점유 분자 궤도 측 상에 있는 경우에는 정공이 전하 캐리어이다. 더 간결히 말하면, 밴드 갭 위에서는 전자가 캐리어이고, 밴드 갭 아래에서는 정공이 캐리어이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 제1 에너지 레벨이 진공 에너지 레벨과 더 가까이 있다면, 제1 에너지 레벨은 제2 에너지 레벨보다 "위에", "상층에" 또는 "높이"있다. 보다 높은 HOMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 비해 작은 절대 에너지를 갖는 이온화 포텐셜(IP; ionization potential)에 대응한다. 유사하게, 보다 높은 LUMO 에너지 레벨은 진공 레벨에 비해 작은 절대 에너지를 갖는 전자 친화력(EA; electron affinity)에 대응한다. 종래의 에너지 레벨 다이어그램에서, 진공 레벨이 상층에 있으면, 한 물질의 LUMO 에너지 레벨은 동일한 물질의 HOMO 에너지 레벨보다 높다. 종래의 에너지 밴드 다이어그램에서는, 전자들이 낮은 에너지 레벨로 이동하는 것이 효과적인 반면, 정공은 (정공에 대해서는 낮은 포텐셜 에너지이지만, 에너지 밴드 다이어그램에 비해 높은) 높은 에너지 레벨로 이동하는 것이 효과적이다. 간단히 말하면, 전자는 떨어지는 반면, 정공은 뛰어오른다. 캐리어 이동성은 무기 및 유기 반도체의 중요한 특징이다. 이동성은 전하 캐리어가 전기장에 반응하여 전도 물질을 통해 이동하는 용이함의 척도이다. 감광성 장치의 경우, 높은 전자 이동성에 기인하여 전자에 의해 우선적으로 전도하는 물질은 전자 운송 물질로 언급될 수 있다. 높은 정공 이동성에 기인하여 정공에 의해 우선적으로 전도하는 물질은 정공 운송 물질로서 언급될 수 있다. 이동성 및/또는 장치 내에서의 위치에 기인하여 전자에 의해 우선적으로 전도하는 층을, 전자 운송 층(ETL; electron transport layer)으로서 언급될 수 있다. 이동성 및/또는 장치 내에서의 위치에 기인하여 정공에 의해 우선적으로 전도하는 층은 정공 운송 층(HTL; hole transport layer)으로서 언급될 수 있다. 필수적인 것은 아니지만 바람직하게, 억셉터 물질(유기) 및 n-타입 물질(무기)은 전자 운송 물질이고; 도너 물질(유기) 및 p-타입 물질(무기)은 정공 운송 물질이다. 반도체와 비교하여, 절연체는 일반적으로 낮은 캐리어 이동성을 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "유기"는 유기 광학-전자 장치를 제조하는데 사용될 수 있는 저분자 유기 물질뿐만 아니라 중합체 물질도 포함한다. "저분자"는 중합체가 아닌 임의의 유기 물질을 말하고, "저분자"는 실제로는 다소 클 수도 있다. 저분자는 몇몇 환경에서는 반복 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기질(substrate)로서 긴 사슬의 알킬기를 이용하면 "저분자" 군으로부터 분자를 제거하지 못한다. 저분자는 또한, 예를 들어 충합체 백본 상의 펜던트기로서 또는 백본의 일부로서 중합체 내에 결합될 수 있다. 저분자는 코어 모이어티(core moiety) 상에 세워진 일련의 화학 외피(shell)로 구성된 덴드리머(dendrimer)의 코어 모이어티로서 역할할 수도 있다. 덴드리머의 코어 모이어티는 형광성 또는 인광성의 저분자 이미터일 수 있다. 덴드리머는 "저분자"일 수도 있다. 일반적으로, 저분자는 분자마다 동일한 분자량으로 정의된 화학식을 갖는 반면, 중합체는 분자마다 변할 수 있는 분자량으로 정의된 화학식을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "유기"는 하이드로카빌(hydrocarbyl) 및 헤테로 원자-치환된 하이드로카빌 리간드의 금속 복합체를 포함한다. 유기 감광성 장치들의 일반적 구조, 특성, 물질, 및 특징을 비롯하여 유기 감광성 장치에 대한 현 상태의 기술의 추가 배경 설명 및 상세 설명을 위해, Forrest 등의 미국 특허 제6,657,378호, Forrest 등의 미국 특허 제6,580,027호, 및 Bulovic 등의 미국 특허 제6,352,777이 참조로서 인용된다.