유연 고성능 유기 포토다이오드, 실리콘 소자 성능 맞먹거나 능가

유연 대면적 유기 포토다이오드의 성능이 기존 실리콘 포토다이오드 기술보다 우위를 점할 수 있는 수준으로 발전했습니다. 특히 넓은 영역에서 낮은 수준의 빛을 감지해야 하는 생체 의료 영상 및 생체 인식 모니터링 같은 응용 분야에서 그렇습니다. 저잡음, 용액 공정, 유연 유기 소자는 임의 형상의 대면적 포토다이오드를 사용하여 기존 실리콘 포토다이오드로 구현 시 비용이 많이 드는 복잡한 어레이를 대체할 수 있습니다. 유기 소자는 응답 시간을 제외하고 가시광선 스펙트럼에서 경질 실리콘 포토다이오드와 비교 가능한 성능을 제공합니다.

"용액 공정으로 저온에서 제작된 이 소자들이 어두운 밤하늘의 별 하나에서 우리 눈에 도달하는 빛의 크기와 비슷한 초당 수십만 광자 수준의 가시광선을 감지할 수 있음을 최초로 입증했습니다."라고 조지아 공과대학 전기컴퓨터공학과 수석 연구원 Canek Fuentes-Hernandez는 말했습니다. "임의 형상의 대면적 기판에 이 소재를 코팅할 수 있는 능력은 유연 유기 포토다이오드가 수십 마이크로초 범위의 응답 시간을 요구하는 응용 분야에서 최첨단 실리콘 포토다이오드보다 명확한 이점을 제공함을 의미합니다."

유기 전자 소자는 기존 실리콘 같은 무기 반도체 대신 탄소 기반 분자나 폴리머로 제작된 소재를 기반으로 합니다. 이 소자들은 기존 전자제품 제조에 관여하는 복잡하고 비싼 공정 대신 단순 용액 및 잉크젯 프린팅 기술로 만들 수 있습니다. 이 기술은 이제 디스플레이, 태양전지, 기타 기기에 널리 사용되고 있습니다.

유기 포토다이오드는 폴리에틸렌이민(amine-containing polymer surface modifier)을 사용합니다. 이는 Bernard Kippelen 연구실(조지아 공대 Joseph M. Pettit 교수)에서 개발된 태양전지 소자에서 공기 안정적이고 낮은 일함수 전극을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다. 폴리에틸렌이민의 사용은 또한 암전류(dark current, 어두운 곳에서도 소자를 통해 흐르는 전기 전류) 수준이 낮은 태양전지 소자를 생성하는 것으로 나타났습니다. 이는 이 소재가 가시광선의 미약한 신호를 포착하는 포토디텍터에 유용할 수 있음을 의미했습니다.

새로운 소자의 한 응용 분야는 심박수와 혈중 산소 수치를 측정하기 위해 손가락에 부착하는 맥박 산소측정기입니다. 유기 포토다이오드는 기존 소자보다 10배 적은 빛으로 신체 여러 곳에 여러 소자를 배치하여 작동할 수 있게 할 수 있습니다. 이는 웨어러블 건강 모니터가 빈번한 배터리 교체 없이 개선된 생리 정보와 지속적 모니터링을 생성할 수 있게 할 수 있습니다. 다른 잠재적 응용 분야에는 터치리스 제스처 인식 및 제어 같은 인간-컴퓨터 인터페이스가 포함됩니다.

미래 응용 분야로는 신틸레이션(고에너지 입자가 충돌할 때 인광체에서 방출되는 빛의 섬광)에 의한 이온화 방사선 검출이 있습니다. 감지할 수 있는 빛의 수준을 낮추면 장치의 감도가 향상되어 더 낮은 수준의 방사선을 감지할 수 있습니다. 차량이나 화물 컨테이너에서 방출되는 방사선 감지에는 대면적 검출기가 필요한데, 이는 실리콘 포토다이오드 어레이보다 유기 포토다이오드로 더 쉽게 만들 수 있습니다.

유기 포토다이오드는 X선 장비에서도 유사한 이점을 가질 수 있습니다. 의사들은 환자에게 전달되는 선량을 최소화하기 위해 가능한 가장 작은 방사선 수준을 사용하기를 원합니다. 여기서도 감도, 대면적, 유연 폼 팩터가 유기 포토다이오드에 실리콘 기반 어레이보다 이점을 줄 것입니다.

유기 포토다이오드는 수십 펨토암페어 범위의 전자 잡음 전류 값과 수백 펨토와트 수준의 잡음 등가 전력 값을 보일 수 있습니다. 유기 포토다이오드의 주요 성능 요소는 응답 시간 영역을 제외하고 실리콘과 잘 비교됩니다. 연구자들은 미래 응용 분야를 위해 100배 개선을 위해 노력하고 있습니다.

"유기 박막은 실리콘보다 빛을 더 효율적으로 흡수하므로 그 빛을 흡수하는 데 필요한 전체 두께가 매우 작습니다."라고 Kippelen은 말했습니다. "면적을 확대하더라도 유기물의 경우 검출기의 전체 부피가 작게 유지됩니다. 실리콘 검출기의 면적을 늘리면 실온에서 많은 전자 잡음을 생성하는 더 많은 부피의 소재가 생깁니다."

Kippelen 연구실에서 제작된 포토다이오드는 500나노미터 두께의 활성층을 사용합니다. 손가락 끝 크기인 약 1그램의 소재로 사무실 책상 표면을 코팅할 수 있습니다.