대면적 플렉시블 유기 포토다이오드는 실리콘 장치와 경쟁할 수 있습니다.

유연한 대면적 유기 포토다이오드의 성능은 이제 기존의 실리콘 포토다이오드 기술에 비해 이점을 제공할 수 있을 정도로 발전했으며, 특히 넓은 영역에서 낮은 수준의 빛을 감지해야 하는 생체의학 이미징 및 생체 모니터링과 같은 응용 분야에 적합합니다. 저잡음, 솔루션 처리, 유연한 유기 장치는 임의의 모양의 대면적 광다이오드를 사용하여 기존 실리콘 광다이오드에 필요한 복잡한 어레이를 대체할 수 있는 기능을 제공합니다. 유기 소자는 응답 시간을 제외하고 가시광선 스펙트럼에서 경질 실리콘 포토다이오드에 필적하는 성능을 제공합니다.

"우리가 달성한 것은 저온에서 용액으로 생산된 이러한 장치가 1초에 수십만 광자의 가시광선을 감지할 수 있다는 첫 번째 시연입니다. 이는 단일 별에서 우리 눈에 도달하는 빛의 크기와 유사합니다. 어두운 하늘”이라고 조지아 공과대학 전기 및 컴퓨터 공학부의 수석 연구 과학자인 Canek Fuentes-Hernandez가 말했습니다. "이러한 재료를 임의의 모양을 가진 대면적 기판에 코팅할 수 있다는 것은 유연한 유기 포토다이오드가 수십 마이크로초 범위의 응답 시간이 필요한 응용 분야에서 최첨단 실리콘 포토다이오드에 비해 몇 가지 분명한 이점을 제공한다는 것을 의미합니다."

유기 전자 소자는 실리콘과 같은 기존의 무기 반도체 대신 탄소 기반 분자 또는 고분자로 제조된 재료를 기반으로 합니다. 이 장치는 기존 전자 제품의 제조와 관련된 비싸고 복잡한 프로세스 대신 간단한 솔루션 및 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 만들 수 있습니다. 이 기술은 현재 디스플레이, 태양 전지 및 기타 장치에 널리 사용됩니다.

유기 광다이오드는 아민 함유 폴리머 표면 개질제인 폴리에틸렌이민을 사용하여 조지아 공대의 Joseph M. Pettit 교수인 Bernard Kippelen의 실험실에서 개발된 광전지 장치에서 공기 안정하고 낮은 일함수 전극을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다. 폴리에틸렌이민의 사용은 또한 암전류(어두운 곳에서도 장치를 통해 흐르는 전류) 수준이 낮은 광전지 장치를 생산하는 것으로 나타났습니다. 이것은 물질이 가시광선의 희미한 신호를 포착하는 광검출기에 유용할 수 있음을 의미했습니다.

새로운 장치에 대한 한 가지 응용 프로그램은 현재 심장 박동수와 혈액 산소 수준을 측정하기 위해 손가락에 배치된 맥박 산소 농도계에 있습니다. 유기 포토다이오드를 사용하면 신체에 여러 장치를 배치할 수 있으며 기존 장치보다 10배 적은 빛으로 작동할 수 있습니다. 이를 통해 웨어러블 건강 모니터는 빈번한 배터리 교체 없이 개선된 생리학적 정보와 지속적인 모니터링을 생성할 수 있습니다. 기타 잠재적인 응용 프로그램에는 터치리스 제스처 인식 및 제어와 같은 인간-컴퓨터 인터페이스가 포함됩니다.

미래의 응용은 고에너지 입자에 부딪힐 때 형광체에서 방출되는 빛의 섬광(scintillation)에 의한 이온화 방사선의 검출입니다. 감지할 수 있는 빛의 수준을 낮추면 장치의 감도가 향상되어 더 낮은 수준의 방사선을 감지할 수 있습니다. 차량이나 화물 컨테이너에서 방출되는 방사선을 감지하려면 실리콘 포토다이오드 어레이보다 유기 포토다이오드로 만드는 것이 더 쉬운 넓은 탐지 영역이 필요합니다.

유기 광다이오드는 의사가 환자에게 전달되는 선량을 최소화하기 위해 가능한 가장 작은 수준의 방사선을 사용하기를 원하는 X선 장비에서 유사한 이점을 가질 수 있습니다. 여기서도 감도, 넓은 면적 및 유연한 폼 팩터는 유기 포토다이오드에 실리콘 기반 어레이에 비해 이점을 제공해야 합니다.

유기 포토다이오드는 수십 펨토암페어 범위의 전자 노이즈 전류 값과 수백 펨토와트의 노이즈 등가 전력 값을 나타낼 수 있습니다. 유기 포토다이오드의 주요 성능 요소는 응답 시간 영역을 제외하고 실리콘과 잘 비교되며, 연구원들은 미래 응용을 가능하게 하기 위해 100배 개선을 위해 노력하고 있습니다.

Kippelen은 “유기 박막은 실리콘보다 빛을 더 효율적으로 흡수하므로 빛을 흡수하는 데 필요한 전체 두께가 매우 얇습니다. “영역을 확장하더라도 검출기의 전체 부피는 유기물로 남아 있습니다. 실리콘 검출기의 면적을 늘리면 실온에서 많은 전자 노이즈를 생성하는 더 많은 양의 재료를 갖게 됩니다.”

Kippelen의 연구실에서 만든 포토다이오드는 두께가 500나노미터에 불과한 활성층을 사용합니다. 대략 손가락 끝만한 크기의 1g의 재료는 사무실 책상 표면을 덮을 수 있습니다.