나노기술 및 정책 정보

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유연한 대면적 유기 포토다이오드의 성능은 이제 기존의 실리콘 포토다이오드 기술에 비해 특히 넓은 영역에서 낮은 수준의 빛을 감지해야하는 생체 의학 이미징 및 생체 인식 모니터링과 같은 응용 분야에 대해 이점을 제공할 수 있는 수준까지 발전했음. 저잡음, 솔루션 처리, 유연한 장치는 임의의 모양의 대면적 포토다이오드를 사용하여 기존의 실리콘 포토다이오드에 필요한 복잡한 어레이를 대체할 수 있는 기능을 제공함. 유기 소자는 응답 시간을 제외하고 가시광선 스펙트럼에서 경질 실리콘 포토다이오드와 유사한 수준의 성능을 제공함.

조지아 공과대학교(Georgia Institute of Technology) 연구팀은 저온에서 용액으로 생성된 유기 포토다이오드 장치가 매초 수십만 광자의 가시광선을 감지할 수 있다는 첫 번째 데모임. 이는 밤 하늘의 단일 별에서 우리 눈에 도달하는 빛의 량과 비슷한 수준임. 이 재료를 임의의 모양으로 대면적 기판에 코팅할 수 있다는 것은 이제 유연한 유기 포토다이오드가 수십 마이크로 초 범위의 응답 시간을 필요로 하는 응용 분야에서 최첨단 실리콘 포토다이오드보다 몇 가지 분명한 이점을 제공한다는 것을 의미함. 유기 전자 장치는 실리콘과 같은 기존의 무기 반도체 대신 탄소 기반 분자 또는 폴리머로 제작된 재료를 기반으로 함. 이 장치는 기존 전자 제품의 제조와 관련된 비싸고 복잡한 공정 대신 간단한 솔루션과 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 만들 수 있음. 이 기술은 현재 디스플레이, 태양 전지 및 기타 장치에 널리 사용됨.

개발된 광전지 장치에서 유기 포토다이오드는 공기중에서 안정적이고 낮은 일함수 전극을 생성하는 것으로 밝혀진 아민 함유 폴리머 표면 개질제인 폴리에틸렌 이민을 사용함. 폴리에틸렌 이민의 사용은 또한 낮은 수준의 암전류(어두운 곳에서도 장치를 통해 흐르는 전류)를 가진 광전지 장치 생산에도 보였음. 이것은 이 물질이 가시광선의 희미한 신호를 포착하는 광검출기에서 유용할 수 있음을 의미함. 수년에 걸쳐 암전류 수준이 너무 감소하여 측정 장비가 1 백만 분의 1 초에 1 전자의 변동에 해당하는 전자 노이즈를 감지하도록 재설계되어야했음. 이 작업에 연구팀의 공동 노력은 이러한 수준의 성능으로 유기 포토다이오드를 입증하는 데 필요한 과학적 통찰력을 얻었음. 새로운 장치의 한 응용 프로그램은 심장 박동수와 혈중 산소 수치를 측정하기 위해 손가락에 부착된 맥박 산소 측정기임. 유기 포토다이오드를 사용하면 여러 장치를 본체에 배치하고 기존 장치보다 10 배 적은 빛으로 작동 할 수 있음. 이를 통해 웨어러블 건강 모니터는 배터리를 자주 교체하지 않고도 향상된 생리학적 정보와 지속적인 모니터링을 할 수 있음. 다른 잠재적인 응용 분야로는 비접촉 제스처 인식 및 제어와 같은 인간-컴퓨터 인터페이스가 있음. 미래의 응용 분야는 고 에너지 입자에 부딪힐 때 형광체가 방출하는 섬광(scintillation)에 의한 전리 방사선 감지임. 감지할 수 있는 빛의 수준을 낮추면 장치의 감도가 향상되어 더 낮은 수준의 방사선을 감지할 수 있음. 차량이나 화물 컨테이너에서 방출되는 방사선을 감지하려면 넓은 감지 영역이 필요하며, 이는 실리콘 포토다이오드 어레이보다 유기 포토다이오드에서 더 쉽게 만들 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Science’ ("Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light") 지에 게재됨