Controlling crystallinity of organic thin films to improve optical and electrical properties in organic optoelectronic devices

Abstract

유기 반도체는 낮은 공정 비용, 가벼운 무게, 기판 유연성, 대 면적 제조에 대한 적용 성 등의 이점이 있으며 이러한 특성으로 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 광 활성 물질로 제작되는 유기광전소자는 학계와 업계 모두에서 각광받고있는 연구주제이다. 유기광전소자는 빛 에너지와 전기 에너지를 서로 변환시킬 수 있는 장치를 말하며, 예를 들어 입사되는 빛 에너지로부터 자유 전하를 생성하여 전력을 생산하는 유기태양전지와 입사되는 빛을 검출하는 유기광검출기가 있다. 이러한 소자들은 유기 박막으로 이루어지며, 유기물이 박막을 형성할 경우 유기물 층의 결정도와 분자 배향에 따라 전기적 특성과 광학적 특성이 전체 소자 특성에 영향을 미친다. 따라서 결정 성장 제어 및 분자 배향 제어는 유기물의 전기적, 광학적 특성을 개선하기 위한 좋은 전략이 될 수 있다. <br/> 먼저, C70 기반의 유기태양전지에서 광 활성 층을 이루고 있는 C70의 결정도를 제어하였다. 5%의 4,4′-Cyclohexylidenebis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine] (TAPC)가 도핑 되어 있는 광 활성 층은 CuI를 배향 층으로 사용할 경우 확연한 결정도의 향상을 보였으며, 특히 (111) 방향의 면심 입방 구조가 뚜렷하게 관찰되었다. 결정도가 향상될 경우 정공의 이동도 값은 8.2 × 10−6 cm2 V−1 s−1에서 3.3 × 10−5 cm2 V−1 s−1로 증가하였으며 전자 이동도 값은 3.4 × 10−5 cm2 V−1 s−1에서 3.4 × 10−5 cm2 V−1 s−1로 증가하였다. 향상된 전하 이동도 값은 C70 기반의 유기태양전지의 성능을 향상시켰다. 충진율이 0.51에서 0.57로 증가하였고, 그 결과 AM 1.5G, 1 Sun 조건에서 광전변환효율이 5.56% 에서 6.23% 로 증가하였다. 이는 CuI 배향층이 전자주개물질 뿐만 아니라 전자받개물질의 결정도도 효과적으로 제어할 수 있음을 시사한다. <br/> 두 번째로는 배향 효과를 이용하여 유기물의 흡수를 변화시키는 연구를 진행하였다. lead (II) phthalocyanine (PbPc) 는 비결정 또는 monoclinic 상을 이루고 있을 때 붉은 빛을 흡수하지만, triclinic 상을 이루게 되면 적외선의 빛을 흡수하게 된다. PbPc를 이용하여 실리콘 집적 회로와 접합하기 위하여 요구되는 역구조 유기광검출기를 설계하였고, 가열된 C60 기판 위에 성장하는 PbPc는 적외선 흡수를 보이는 triclinic 상을 이루었다. 초기 성장 모드를 살펴보기 위하여 10 nm 두께의 얇은 PbPc 측을 C60 기판 위에 형성하여 X-ray 측정을 진행하였으며, 기판 가열 여부에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 그 결과로 960 nm 에서 35.8 mA/W의 응답도를 갖는 유기광검출기를 제작할 수 있었다. <br/> 적외선 응답성을 증가시키기 위하여 혼합박막 구조를 도입하였다. PbPc는 혼합박막을 형성할 경우 결정도가 깨지게 되어 적외선을 흡수하지 못한다. 배향층의 도입 및 기판 가열 효과 모두 PbPc 기반 혼합박막의 적외선 흡수를 유도하지 못하였다. 우리는 앞서 사용한 C60 이 배향효과가 있다는 것을 확인하고, 가열된 배향층을 도입함으로써 PbPc 기반 혼합박막의 적외선 흡수를 구현할 수 있었다. 950 nm 에서 흡수가 뚜렷하게 증가하였으며, 그 결과로 244 mA/W의 응답도 및 31.1%의 외부광자효율을 달성하였다. 970 nm 에서의 검출도는 9.01 × 1012 cm Hz1/2/W로 증가하였다. 더 나아가, 암전류 밀도의 원인을 규명하고 전자의 주입을 억제할 수 있는 차단층을 삽입하여 주입전류를 차단하고 이를 이론적 모델을 통하여 분석하였다.<br/>