KR20190007200A - 플러렌 유도체, 광전 소자 및 이미지 센서 - Google Patents

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KR20190007200A
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Abstract

하기 화학식 1로 표현되는 플러렌 유도체, 플러렌 유도체를 포함하는 광전 소자 및 이미지 센서에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure pat00111

상기 화학식 1에서, R1 내지 R5와 Ra는 명세서에 기재한 바와 같다.

Description

플러렌 유도체, 광전 소자 및 이미지 센서{FULLERENE DERIVATIVES AND PHOTOELECTRIC DEVICE AND IMAGE SENSOR}
플러렌 유도체, 광전 소자 및 이미지 센서에 관한 것이다.
플러렌(fullerene)은 카본들로 이루어진 closed-cage 구조의 분자로, 안정한 구조 및 양호한 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다. 근래 플러렌에 치환기를 결합한 다양한 플러렌 유도체가 개발되고 있다.
광전 소자는 광전 효과를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서 등의 전자 장치에 적용될 수 있다. 광전 소자는 높은 흡광 특성 및 양호한 전기적 특성을 가지는 플러렌 또는 그 유도체를 포함할 수 있다.
일 구현예는 광전 소자에 적용할 수 있는 신규한 플러렌 유도체를 제공한다.
다른 구현예는 상기 플러렌 유도체를 포함하는 광전 소자를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 플러렌 유도체를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
상기 플러렌 유도체는 승화에 의한 진공 증착이 가능한 화합물일 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 1Pa 이하에서 열중량분석(thermogravimetric analysis)시 초기 중량 대비 10%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 450℃ 이하일 수 있고, 초기 중량 대비 50%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 510℃ 이하일 수 있고, 초기 중량 대비 90%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 600℃ 이하일 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 약 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다.
상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기일 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
[화학식 1a] [화학식 1b]
Figure pat00002
Figure pat00003
[화학식 1c] [화학식 1d]
Figure pat00004
Figure pat00005
[화학식 1e] [화학식 1f]
Figure pat00006
Figure pat00007
[화학식 1g] [화학식 1h]
Figure pat00008
Figure pat00009
[화학식 1i] [화학식 1j]
Figure pat00010
Figure pat00011
[화학식 1k] [화학식 1l]
Figure pat00012
Figure pat00013
상기 화학식 1a 및 1b에서, R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
다른 구현예에 따르면, 상기 플러렌 유도체를 포함하는 박막을 제공한다.
상기 박막의 피크 흡수 파장(λmax)은 C60 플러렌을 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)보다 짧을 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 유기층을 포함하고, 상기 유기층은 하기 화학식 1로 표현되는 플러렌 유도체를 포함하는 광전 소자를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00014
상기 화학식 1에서,
Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기일 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
[화학식 1a] [화학식 1b]
Figure pat00015
Figure pat00016
[화학식 1c] [화학식 1d]
Figure pat00017
Figure pat00018
[화학식 1e] [화학식 1f]
Figure pat00019
Figure pat00020
[화학식 1g] [화학식 1h]
Figure pat00021
Figure pat00022
[화학식 1i] [화학식 1j]
Figure pat00023
Figure pat00024
[화학식 1k] [화학식 1l]
Figure pat00025
Figure pat00026
상기 화학식 1a 및 1b에서, R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
상기 유기층은 활성층을 포함할 수 있고, 상기 활성층은 pn 접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 n형 반도체는 상기 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 승화에 의해 공증착되어 있을 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 약 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체는 약 3.0 내지 3.6eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 5.1 내지 5.7eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 흡광 물질일 수 있다.
상기 p형 반도체는 하기 화학식 2로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00027
상기 화학식 2에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
EDG는 전자 공여기(electron donating group)이고,
EAG는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
R11, R12, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
광학적 특성 및 전기적 특성을 만족하는 플러렌 유도체를 제공하여 광전 소자 및 이를 포함하는 전자 장치의 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이고,
도 2는 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 3은 도 2의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 6은 도 5의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이고,
도 7은 합성예 1 내지 4와 기준예에 따른 플러렌 또는 플러렌 유도체의 흡광 특성을 보여주는 그래프이고,
도 8은 합성예 1에 따른 플러렌 유도체 및 기준예에 따른 플러렌을 p형 반도체와 함께 공증착하여 얻은 박막의 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예들에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 권리 범위는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 ‘조합’이란 둘 이상의 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 플러렌 유도체를 설명한다.
일 구현예에 따른 플러렌 유도체는 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00028
상기 화학식 1에서,
Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
플러렌 유도체는 특정 위치에 5-치환 또는 6-치환된 구조를 가짐으로써 비치환된 C60 플러렌과 비교하여 입체 장애(steric hindrance)를 크게 하고 파이 공액 구조(π-conjugation system)를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 플러렌 유도체는 비치환된 C60 플러렌과 비교하여 증착시 응집(aggregation)을 줄여 성막 특성을 개선시킬 수 있고 응집에 의해 발생할 수 있는 흡수 파장 영역의 이동(shift)과 같은 광학 특성의 변형을 줄일 수 있다.
플러렌 유도체는 진공 증착될 수 있으며, 예컨대 승화(sublimation)에 의해 진공 증착될 수 있다. 승화에 의한 진공 증착은 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA)에 의해 확인될 수 있으며, 예컨대 초기 중량 대비 10%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 450℃ 이하일 수 있고, 초기 중량 대비 50%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 510℃ 이하일 수 있고, 초기 중량 대비 90%의 중량 감소가 일어나는 온도는 약 600℃ 이하일 수 있다.
예컨대 플러렌 유도체는 약 1Pa 이하의 압력에서 열중량분석시 약 300℃ 내지 400℃에서 초기 중량 대비 10중량%의 중량 감소가 일어나고 약 380℃ 내지 450℃에서 초기 중량 대비 50중량%의 중량 감소가 일어나고 약 430℃ 내지 500℃에서 초기 중량 대비 90% 이상의 중량 감소가 일어날 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 310℃ 내지 380℃에서 초기 중량 대비 10중량%의 중량 감소가 일어나고 약 400℃ 내지 430℃에서 초기 중량 대비 50중량%의 중량 감소가 일어나고 약 460℃ 내지 490℃에서 초기 중량 대비 90% 이상의 중량 감소가 일어날 수 있다.
플러렌 유도체는 약 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.9eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.9eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.8eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.7eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.5eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.5eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 플러렌 유도체는 예컨대 약 2.0 내지 2.3eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 범위의 에너지 준위를 가짐으로써 n형 반도체로서 효과적으로 사용될 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 하나의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 두 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 세 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 네 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 다섯 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 하나의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 두 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 세 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 네 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 다섯 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
플러렌 유도체는 예컨대 하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1a] [화학식 1b]
Figure pat00029
Figure pat00030
[화학식 1c] [화학식 1d]
Figure pat00031
Figure pat00032
[화학식 1e] [화학식 1f]
Figure pat00033
Figure pat00034
[화학식 1g] [화학식 1h]
Figure pat00035
Figure pat00036
[화학식 1i] [화학식 1j]
Figure pat00037
Figure pat00038
[화학식 1k] [화학식 1l]
Figure pat00039
Figure pat00040
상기 화학식 1a 및 1b에서, R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
플러렌 유도체는 전술한 바와 같이 승화에 의한 진공 증착에 의해 박막으로 형성될 수 있다. 박막은 플러렌 유도체의 화학 결합의 깨짐 및/또는 변형 없이 플러렌 유도체의 고유 특성을 그대로 유지할 수 있으며 이에 따라 비치환된 C60 플러렌을 포함하는 박막의 성막시 발생하는 응집에 의해 광학 특성이 변형되는 것과 비교하여 광학 특성의 변형을 줄일 수 있다. 예컨대, 플러렌 유도체를 포함하는 박막의 광 흡수 특성은 비치환된 C60 플러렌을 포함하는 박막의 광 흡수 특성과 비교하여 단파장 측으로 이동될 수 있으며, 예컨대 플러렌 유도체를 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)은 비치환된 C60 플러렌을 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)보다 짧을 수 있다.
이하 상술한 플러렌 유도체를 포함한 광전 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 광전 소자(100)는 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 유기층(30)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 제1 전극(10) 측에 배치될 수도 있고 제2 전극(20) 측에 배치될 수 있다. 기판은 예컨대 유리와 같은 무기 물질, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있다. 기판은 생략될 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 예컨대 제1 전극(10)은 애노드이고 제2 전극(20)은 캐소드일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있고, 투광 전극은 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 같은 도전성 산화물, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나가 불투광 전극인 경우 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 모두 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 제2 전극(20)은 빛을 받는 측에 위치하는 수광 전극(light receiving electrode)일 수 있다.
유기층(30)은 활성층(active layer)을 포함할 수 있다.
활성층은 p형 반도체와 n형 반도체가 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체는 각각 가시광선 영역의 광 중 적어도 일부를 흡수하는 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 p형 반도체는 약 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역, 약 500nm 내지 600nm의 파장 영역 및/또는 약 600nm 초과 700nm 이하의 파장 영역의 광을 흡수할 수 있는 흡광 물질일 수 있고, n형 반도체는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 약 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역, 약 500nm 내지 600nm의 파장 영역 및 약 600nm 초과 700nm 이하의 파장 영역의 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질일 수 있고, n형 반도체는 플러렌 유도체일 수 있다. 일 예로, p형 반도체는 약 500nm 내지 600nm의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질일 수 있고 n형 반도체는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 예컨대 약 3.0 내지 3.6eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 5.1 내지 5.7eV의 HOMO 에너지 준위를 가지는 흡광 물질일 수 있다. 상기 범위 내에서 p형 반도체는 예컨대 약 3.1 내지 3.5eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.2 내지 5.6eV의 HOMO 에너지 준위를 가지는 흡광 물질일 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 예컨대 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 흡광 물질일 수 있다.
p형 반도체는 상기 코어 구조를 가지는 화합물로 예컨대 하기 화학식 2로 표현되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2]
Figure pat00041
상기 화학식 2에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
EDG는 전자 공여기(electron donating group)이고,
EAG는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
R11, R12, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
여기서 1가 치환기는 예컨대 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 2A로 표현되는 흡광 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A]
Figure pat00042
상기 화학식 2A에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Ar은 치환 또는 비치환된 5원 고리, 치환 또는 비치환된 6원 고리 또는 이들 중 둘 이상의 축합 고리이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고, Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 존재하거나 G1을 링커로 하여 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고, 여기서 G1은 단일 결합, -(CRgRh)n2-, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나이고, 여기서 n2는 1 또는 2이고,
R1a 내지 R3a, Ra, Rb 및 Rg 내지 Rm은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 2A-1 내지 2A-4 중 어느 하나로 표현되는 흡광 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A-1]
Figure pat00043
[화학식 2A-2]
Figure pat00044
[화학식 2A-3]
Figure pat00045
[화학식 2A-4]
Figure pat00046
상기 화학식 2A-1 내지 2A-4에서,
X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
Z1은 O 또는 CRcRd 이고,
Y1은 N 또는 CRe이고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rf)(CN)에서 선택된 하나이고,
Y3는 O, S, Se 또는 Te이고,
Y4는 N 또는 NR18a이고,
Y5는 CR19a 또는 C=CR20a(CN)이고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고, Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 연결되어 고리를 형성하고,
R1a 내지 R3a, R11a, R12a, R15a 내지 R20a, R24a, R25a, Ra 내지 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이고,
n1은 0 또는 1이고, m1은 0 또는 1이고, m2는 0 내지 4의 정수이다.
상기 화학식 2A-1 내지 2A-4 중 어느 하나로 표현되는 흡광 물질은 예컨대 하기 그룹 1 내지 그룹 4에 나열된 화합물 중 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 1]
Figure pat00047
[그룹 2]
Figure pat00048
[그룹 3]
Figure pat00049
[그룹 4]
Figure pat00050
상기 그룹 1 내지 4에서,
각각의 방향족 링에 존재하는 수소는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 및 이들의 조합에서 선택되는 치환기로 치환될 수 있고,
R16, R17, R18, R20 및 Rf는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기, 시아노 함유기 또는 이들의 조합일 수 있다.
n형 반도체는 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
플러렌 유도체는 상술한 p형 반도체와의 전기적 매칭에 효과적이며, 예컨대 약 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.9eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.9eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.8eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.7eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.8 내지 4.5eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 6.0 내지 6.5eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 플러렌 유도체는 예컨대 약 2.0 내지 2.3eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 범위의 에너지 준위를 가짐으로써 전술한 p형 반도체와 함께 사용되어 n형 반도체로서 효과적으로 역할을 할 수 있다.
플러렌 유도체는 상기 전기적 특성을 만족하는 범위 내에서 설계될 수 있으며, 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00051
상기 화학식 1에서,
Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 하나의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 두 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 세 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 네 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 다섯 개의 불소로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 하나의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 두 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 세 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 네 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 다섯 개의 시아노기로 치환된 알킬기, 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기일 수 있다.
플러렌 유도체는 예컨대 하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1a] [화학식 1b]
Figure pat00052
Figure pat00053
[화학식 1c] [화학식 1d]
Figure pat00054
Figure pat00055
[화학식 1e] [화학식 1f]
Figure pat00056
Figure pat00057
[화학식 1g] [화학식 1h]
Figure pat00058
Figure pat00059
[화학식 1i] [화학식 1j]
Figure pat00060
Figure pat00061
[화학식 1k] [화학식 1l]
Figure pat00062
Figure pat00063
상기 화학식 1a 및 1b에서, R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
플러렌 유도체는 상술한 바와 같이 전술한 p형 반도체와 전기적 매칭에 효과적이다. 또한, 플러렌 유도체는 특정 위치에 5-치환 또는 6-치환된 구조를 가짐으로써 비치환된 C60 플러렌과 비교하여 입체 장애를 크게 하고 파이 공액 구조를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 플러렌 유도체는 비치환된 C60 플러렌과 비교하여 증착시 응집을 줄여 성막 특성을 개선시킬 수 있고 응집에 의해 발생할 수 있는 흡수 파장 영역의 이동과 같은 광학 특성의 변형을 줄일 수 있다.
전술한 p형 반도체 및 플러렌 유도체를 포함하는 n형 반도체는 승화에 의한 공증착에 의해 활성층으로 형성될 수 있으며, 공증착시 플러렌 유도체의 화학 결합의 깨짐 및/또는 변형 없이 플러렌 유도체의 고유 특성을 그대로 유지할 수 있다.
플러렌 유도체는 비치환된 C60 플러렌과 비교하여 광 흡수 특성이 단파장 측으로 이동될 수 있으며, 예컨대 플러렌 유도체를 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)은 비치환된 C60 플러렌을 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)보다 짧을 수 있다.
활성층의 광 흡수 특성은 p형 반도체에 의한 광 흡수 특성 및 n형 반도체에 의한 광 흡수 특성의 조합으로 표시될 수 있다. 이에 따라 일 예로 약 500nm 내지 600nm의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체와 플러렌 유도체를 포함하는 n형 반도체를 포함하는 활성층은 약 500nm 내지 600nm의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체와 비치환된 C60 플러렌을 포함하는 박막과 비교하여 흡광 피크의 분리가 용이하여 파장 선택성을 높일 수 있다. 따라서 파장 선택성이 요구되는 광전 소자에 효과적으로 사용될 수 있다.
활성층은 전술한 p형 반도체 및 플러렌 유도체를 포함하는 n형 반도체가 공증착된 진성층을 포함할 수 있으며, 이때 p형 반도체와 n형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3:7 내지 7:3의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 4:6 내지 6:4의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5:5의 부피비로 포함될 수 있다.
활성층은 진성층 외에 p형 층 및/또는 n형 층을 더 포함할 수 있다. p형 층은 전술한 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 전술한 n형 반도체를 포함할 수 있다. 예컨대 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다.
유기층(30)은 제1 전극(10)과 활성층 사이 및/또는 제2 전극(20)과 활성층 사이에 위치하는 전하 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
전하 보조층은 활성층(30)에서 분리된 정공과 전자의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 수 있다.
전하 보조층은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL) 및 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layerm HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전하 보조층은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기 화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
전하 보조층은 예컨대 전술한 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
광전 소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)의 일면에 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 반사방지층은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다. 예컨대 제1 전극(10) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제1 전극(10)의 일면에 위치할 수 있고 제2 전극(20) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제2 전극(20)의 일면에 위치할 수 있다.
반사방지층은 예컨대 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 범위의 굴절률을 가지는 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반사방지층은 예컨대 알루미늄 함유 산화물, 몰리브덴 함유 산화물, 텅스텐 함유 산화물, 바나듐 함유 산화물, 레늄 함유 산화물, 니오븀 함유 산화물, 탄탈륨 함유 산화물, 티타늄 함유 산화물, 니켈 함유 산화물, 구리 함유 산화물, 코발트 함유 산화물, 망간 함유 산화물, 크롬 함유 산화물, 텔러륨 함유 산화물 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물; 아연설파이드와 같은 금속 황화물; 또는 아민 유도체와 같은 유기물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 활성층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
광전 소자(100)는 태양 전지, 이미지 센서, 광 검출기, 광 센서 및 유기발광다이오드 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 소자는 예컨대 이미지 센서에 적용될 수 있다.
이하 광전 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 2는 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(300)는 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(50a, 50b)는 청색 화소 및 적색 화소에 각각 포함될 수 있고 전하 저장소(55)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광 감지 소자(50a, 50b)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 광전 소자(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50a, 50b)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연막(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b)를 포함한다. 본 구현예에서는 녹색 필터를 구비하지 않은 예를 설명하지만, 경우에 따라 녹색 필터를 구비할 수도 있다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 녹색 화소의 전하 저장소(55)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 광전 소자(100)가 형성되어 있다. 광전 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 유기층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다. 도면에서는 제1 전극(10), 유기층(30) 및 제2 전극(20)이 차례로 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 제2 전극(20), 유기층(30) 및 제1 전극(10)의 순서로 배치될 수도 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20)는 모두 투명 전극일 수 있으며, 유기층(30)은 전술한 바와 같다. 유기층(30)은 예컨대 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며 녹색 화소의 색 필터를 대체할 수 있다.
제2 전극(20) 측으로부터 입사된 광은 유기층(30)에서 녹색 파장 영역의 빛이 주로 흡수되어 광전 변환될 수 있고 나머지 파장 영역의 빛은 제1 전극(10)을 통과하여 광 감지 소자(50a, 50b)에 센싱될 수 있다.
광전 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 광전 소자(100)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 유기층은 광 흡수 특성이 단파장 측으로 이동된 플러렌 유도체를 포함함으로써 비치환된 C60 플러렌을 사용한 경우와 비교하여 파장 선택성을 높일 수 있다.
상기에서는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층된 구조를 예시적으로 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 적색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있고, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있다.
도 4는 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 관통구(85)를 가진 상부 절연층(80) 및 광전 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 달리, 광 감지 소자(50a, 50b)가 수직 방향으로 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
광전 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층된 구조를 가지고 적색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 4에서는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층된 구조를 예시적으로 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 적색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조를 가질 수도 있고, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전 소자가 적층되고 녹색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적된 구조일 수도 있다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55a, 55b, 55c)가 집적되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다.
하부 절연층(60) 위에는 제1 광전 소자(100a)가 형성되어 있다.
제1 광전 소자(100a)는 서로 마주하는 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a), 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a) 사이에 위치하는 유기층(30a)을 포함한다. 제1 전극(10a), 제2 전극(20a) 및 유기층(30a)은 전술한 바와 같으며, 유기층(30a)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제1 광전 소자(100a)는 적색 광전 소자일 수 있다.
도면에서는 제1 전극(10a), 유기층(30a) 및 제2 전극(20a)이 차례로 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 제2 전극(20a), 유기층(30a) 및 제1 전극(10a)의 순서로 배치될 수도 있다.
제1 광전 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 광전 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 광전 소자(100b)는 서로 마주하는 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b), 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b) 사이에 위치하는 유기층(30b)을 포함한다. 제1 전극(10b), 제2 전극(20b) 및 유기층(30b)은 전술한 바와 같으며, 유기층(30b)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 광전 소자(100b)는 청색 광전 소자일 수 있다.
도면에서는 제1 전극(10b), 유기층(30b) 및 제2 전극(20b)이 차례로 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 제2 전극(20b), 유기층(30b) 및 제1 전극(10b)의 순서로 배치될 수도 있다.
제2 광전 소자(100b) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60), 중간 절연층(65) 및 상부 절연층(80)은 전하 저장소(55a, 55b, 55c)를 드러내는 복수의 관통구를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 광전 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 광전 소자(100c)는 서로 마주하는 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c), 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c) 사이에 위치하는 유기층(30c)을 포함한다. 제1 전극(10c), 제2 전극(20c) 및 유기층(30c)은 전술한 바와 같으며, 유기층(30c)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제3 광전 소자(100c)는 녹색 광전 소자일 수 있다.
도면에서는 제1 전극(10c), 유기층(30c) 및 제2 전극(20c)이 차례로 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 제2 전극(20c), 유기층(30c) 및 제1 전극(10c)의 순서로 배치될 수도 있다.
광전 소자(100c) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)가 차례로 적층된 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
합성예
합성예 1
[화학식 1aa]
Figure pat00064
질소 분위기 하에서 2.0g의 플러렌 C60을 사용하고 메틸 마그네슘 브로마이드 대신에 (트리메틸실릴)메틸마그네슘클로라이드((trimethylsilyl)methyl magnesium chloride)를 사용한 것 외에는 Organic Syntheses, Vol. 83, p. 80-87 (2006)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 C60(CH2TMS)5H 1.8g을 얻는다. 분리 수율은 80%이다.
이어서, 질소 분위기 하에서 1.0g의 C60(CH2TMS)5H를 100ml의 테트라하이드로퓨란(THF)에 용해시키고 -70℃에서 5.5 당량의 t-BuLi을 작용시킨 후 6.0당량의 N-플루오로벤젠셀폰이미드(N-Fluorobenzenesulfonimide)를 첨가하여 실릴기의 α위치를 불소화(F)하고, 산성 조건에서 반응을 정지하는 동시에 탈실릴화를 실시한다. 이어서 용매를 증류하고 전개 용매를 디메틸설파이드(CS2)로 한 실리카겔을 통하여 잔류하는 리튬염 등을 제거한다. 이어서 용매를 증류한 후 Buckyprep-컬럼에 톨루엔:이소프로판올=7:3(v/v)을 전개액으로 HPLC 분취를 실시하여 화학식 1aa로 표현되는 C60(CH2F)5H 0.5g을 얻는다. 분리수율은 70％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 2.39 (s, 6 H), 2.46 (s, 6 H), 2.61 (s, 3 H), 4.52 (s, 1H)
합성예 2
[화학식 1ca]
Figure pat00065
질소 분위기 하에서, 1.0g의 플러렌 C60을 이용하고, 페닐 마그네슘 브로마이드(PhMgBr) 대신에 4-플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(4-Fluorophenyl magnesium bromide)를 사용한 것 외에는 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 1ca로 표현되는 C60(C6H5F)5H 1.6g을 얻는다. 분리수율은 97％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 7.87-7.85 (m, 5H), 7.62-7.60 (m, 10H), 7.44-7.42 (m, 5H), 5.19 (s, 1H).
합성예 3
[화학식 1da]
Figure pat00066
질소 분위기 하에서, 80ml의 THF에 0.3g의 C60(C6H5F)5H를 첨가하고 1.3당량의 포타슘 t-부톡사이드(KOtBu)의 THF용액（1규정）을 0.3ml 첨가한 후, 실온에서 30분간 교반한다. 이어서, 상술한 용액에 300당량의 요오드화메틸 4.7ml을 첨가하고 24시간 교반한다. 이어서 용매를 증류하고 전개 용매를 CS2로 한 실리카겔을 통해 잔류하는 리튬염 등을 제거한다. 이어서 용매를 증류하여 화학식 1da로 표현되는 C60(C6H5F)5CH3 0.2g을 얻는다. 분리수율은 83％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 7.87-7.85 (m, 5H), 7.62-7.60 (m, 10H), 7.44-7.42 (m, 5H), 1.39 (s, 3H).
합성예 4
[화학식 1fa]
Figure pat00067
질소 분위기 하에서, 0.9g의 플러렌 Ｃ60을 사용하고, 4-플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(4-Fluorophenyl magnesium bromide) 용액 대신 3,5-디플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(3,5-difluorophenyl magnesium bromide) 용액（0.5 규정, 2-THF용액）을 사용한 것 외에는 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성한다. 수량은 0.6g, 분리수율 40％이다.
이어서, C60(C6H5F)5H 대신에 C60(C6H3F2)5H를 사용한 것 외에는 합성예 3과 동일한 방법으로 합성하여 화학식 1fa로 표현되는 C60(C6H3F2)5CH3 화합물 0.2g을 얻는다. 분리수율은 80％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 7.35-7.10 (m, 4H), 7.05-7.15 (m, 4H), 7.70-7.95 (m, 4H), 1.39 (s, 3H).
합성예 5
[화학식 1ha]
Figure pat00068
질소 분위기 하에서, 0.9g의 플러렌 Ｃ60을 사용하고, 4-플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(4-Fluorophenyl magnesium bromide) 용액 대신 3,4,5-트리플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(3,4,5-Trifluorophenyl magnesium bromide) 용액（0.3규정, THF용액）을 사용한 것 외에는, J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성한다. 수량은 0.6g, 분리수율 36％였다.
이어서, C60(C6H5F)5H 대신에 C60(C6H2F3)5H를 사용한 것 외에는 합성예 3과 동일한 방법으로 합성하여 화학식 1ha로 표현되는 C60(C6H2F3)5CH3 화합물 0.2g을 얻는다. 분리수율은 70％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 7.05-7.15 (m, 8H), 7.70-7.95 (m, 2H), 1.39 (s, 3H).
합성예 6
[화학식 1la]
Figure pat00069
질소 분위기 하에서, 0.9g의 플러렌 Ｃ60을 사용하고 4-플루오로페닐 마그네슘 브로마이드(4-Fluorophenyl magnesium bromide) 용액 대신, 2,3,4,5,6-펜타플루오로페닐마그네슘 브로마이드(2,3,4,5,6-pentafluorophenylmagnesium bromide) 용액（0.5규정, 디에틸에테르 용액）을 사용한 것 외에는 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성한다. 수량은 0.6 g, 분리수율 30％였다.
이어서, C60(C6H5F)5H 대신에 C60(C6F5)5H 를 사용한 것 외에는 합성예 3과 동일한 방법으로 합성하여 화학식 1la로 표현되는 C60(C6F5)5CH3 화합물 0.2g을 얻는다. 분리수율 60％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 1.39 (s, 3H).
비교합성예 1
[화학식 A]
Figure pat00070
질소 분위기 하에서, 0.9g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 A로 표현되는 C60(C6H5Cl)5H 0.6g을 얻는다. 분리수율 30％이다.
１H NMR의 데이터는 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 2
[화학식 B]
Figure pat00071
질소 분위기 하에서, 0.9g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 B로 표현되는 C60(C6H5Br)5H 0.6g을 얻는다. 분리수율은 30％이다.
１H NMR의 데이터는 J. Organometa. Chem. 599, 32 (2000)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 3
[화학식 C]
Figure pat00072
질소 분위기 하에서, 2.0g의 플러렌 C60을 사용하여 Organic Syntheses, Vol. 83, p.80-87 (2006)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 C로 표현되는 C60(CH3)5H 2.1g을 얻는다. 분리수율은 86％이다.
１H NMR의 데이터는 Organic Syntheses, Vol. 83, p.80-87 (2006)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 4
[화학식 D]
Figure pat00073
질소 분위기 하에서, 0.3g의 플러렌 C60을 사용하여 Journal of Organometallic Chemistry 599, 32 (2000)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 D로 표현되는 C60(C6H5)5H 0.5g을 얻는다. 분리수율은 94％이다.
１H NMR의 데이터는 Journal of Organometallic Chemistry 599, 32 (2000)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 5
[화학식 E]
Figure pat00074
화학식 E로 표현되는 화합물(상품명 nanom spectra E102, Frontier Carbon Corporation 제조)을 구입한다.
비교합성예 6
[화학식 F]
Figure pat00075
질소 분위기 하에서, 0.3g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Org. Chem.58, 4799 (1993)와 동일한 방법으로 합성하여 1,9-(4-히드록시사이클로헥사노)버크민스터플러렌(1,9-(4-hydroxycyclohexano)buckminsterfuIlerene)을 합성한다. 이어서, 일반적인 탈산소 불소화 시약인 Deoxo-Fluor를 사용하여 알코올에서 불소로 치환기 변환하여 화학식 F로 표현되는 화합물 0.2g을 얻는다. 전수율은 47％이다.
1H NMR (500 MHz, CS2 /CDCl3 = 2/1): δ 2.7 (1H), 3.3 (1H), 3.4 (1H), 3.6 (1H), 3.7 (1H), 3.8 (1H), 5.2 (1H)
비교합성예 7
[화학식 G]
Figure pat00076
화학식 G로 표현되는 화합물(상품명 nanom spectra Q100, Frontier Carbon Corporation 제조)을 구입한다.
비교합성예 8
[화학식 H]
Figure pat00077
질소 분위기 하에서, 0.3g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Am. Chem. Soc. 133, 8086 (2011)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 H로 표현되는 화합물 0.2g을 얻는다. 분리수율은 64％이다.
１H NMR의 데이터는 J. Am. Chem. Soc. 133, 8086 (2011)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 9
[화학식 I]
Figure pat00078
질소 분위기 하에서, 0.3g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Org. Chem.58, 4799 (1993)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 I로 표현되는 화합물 0.2g을 얻는다. 전수율은 55％이다.
１H NMR의 데이터는 J. Org. Chem.58, 4799 (1993)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
비교합성예 10
[화학식 J]
Figure pat00079
질소 분위기 하에서, 0.3g의 플러렌 C60을 사용하여 J. Am. Chem. Soc. 130, 15430 (2008)에 기재된 방법과 동일하게 합성하여 화학식 J로 표현되는 화합물 0.3g을 얻는다. 분리수율은 80％이다.
１H NMR의 데이터는 J. Am. Chem. Soc. 130, 15430 (2008)에 기재된 데이터와 완전히 일치한다.
기준예 ( 플러렌 )
[화학식 K]
Figure pat00080
화학식 K로 표현되는 화합물(상품명 nanom purple ST, Frontier Carbon Corporation 제조)을 구입한다.
평가
평가 I
합성예 1 내지 6, 비교합성예 1 내지 10에서 얻은 플러렌 유도체 및 기준예에 따른 플러렌의 승화에 의한 진공 증착의 가능 여부를 확인한다.
평가는 진공도 1Pa 이하의 고진공 하에서 온도를 상승시켜 승화 여부를 판단하며, 온도 상승에 따라 중량 감소가 발생하고 Ts(℃)(-90wt%) 값을 가지는 화합물은 승화 가능한 구조라고 판단할 수 있다.
표 1에서 승화 가능한 화합물은 "○" 로 표시하며 승화 불가능한 화합물은 "X"로 표시한다.
Ts(℃)(-10wt%) Ts(℃)(-50wt%) Ts(℃)(-90wt%) 승화여부
합성예 1 330 390 450 ○
합성예 2 390 440 470 ○
합성예 3 380 440 460 ○
합성예 4 360 400 470 ○
합성예 5 350 390 460 ○
합성예 6 350 390 460 ○
비교합성예 1 550 - - X
비교합성예 2 550 - - X
비교합성예 3 330 390 450 ○
비교합성예 4 380 440 470 ○
비교합성예 5 320 520 560 X (치환기 분해 후 C60 승화)
비교합성예 6 550 - - X (중합)
비교합성예 7 320 520 560 X (치환기 분해 후 C60 승화)
비교합성예 8 560 - - X (중합)
비교합성예 9 540 - - X (중합)
비교합성예 10 330 520 560 X (치환기 분해 후 C60 승화)
기준예 (플러렌) 450 510 600 ○
* Ts(℃)(-10wt%): 시료의 중량이 10wt% 감소한 시점의 온도
* Ts(℃)(-50wt%): 시료의 중량이 50wt% 감소한 시점의 온도
* Ts(℃)(-90wt%): 시료의 중량이 90wt% 감소한 시점의 온도
표 1을 참고하면, 합성예 1 내지 6, 비교합성예 3 및 4에 따른 플러렌 유도체 및 기준예에 따른 플러렌이 승화에 의해 증착 가능한 화합물임을 확인할 수 있다.
평가 II
유리 기판 위에 합성예와 비교합성예에 따른 플러렌 또는 플러렌 유도체를 증착하고 증착된 박막의 에너지 준위를 구한다. HOMO 에너지 준위는 광전자 분광 장치(RIKEN KEIKI Co. Ltd., AC-3)를 사용하여 측정하고, 박막의 광학 흡수단을 에너지 밴드갭(energy bandgap)이라 하고 에너지 밴드갭으로부터 HOMO 에너지 준위를 감산하여 LUMO 에너지 준위를 구한다.
그 결과는 표 2와 같다.
HOMO (eV) LUMO (eV)
합성예 1 6.1 4.0
합성예 2 6.0 3.9
합성예 3 6.1 4.0
합성예 4 6.4 4.3
합성예 5 6.7 4.7
합성예 6 6.9 4.9
비교합성예 3 5.7 3.3
비교합성예 4 5.6 3.6
기준예 (플러렌) 6.3 4.2
상기에서 얻은 에너지 준위를 기초로, 하기 화학식 X로 표현되는 p형 반도체 및 하기 화학식 Y로 표현되는 p형 반도체와의 에너지 준위를 비교하여 n형 반도체로 적합한 플러렌 유도체를 확인한다.
[화학식 X]
Figure pat00081
(HOMO 에너지준위: 5.3eV, LUMO 에너지준위: 3.2eV)
[화학식 Y]
Figure pat00082
(HOMO 에너지준위: 5.6eV, LUMO 에너지준위: 3.5eV)
이로부터 합성예 1 내지 6에 따른 플러렌 유도체 및 기준예에 따른 플러렌은 상기 p형 반도체와 비교하여 깊은 HOMO, LUMO 에너지 준위를 가지는 바, 상기 p형 반도체 사용시 n형 반도체로 적합하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.
평가 III
유리 기판 위에 합성예와 비교합성예에 따른 플러렌 또는 플러렌 유도체를 증착하고 증착된 박막의 흡광 특성을 평가한다.
흡광 특성은 UV-Vis 분광 광도계 (SHIMADZU)를 사용하여 자외 가시-근적외 영역 파장의 흡광도로부터 평가한다.
그 결과는 표 3 및 도 7과 같다.
도 7은 합성예 1 내지 4와 기준예에 따른 플러렌 또는 플러렌 유도체의 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
Abs.coeff.(450nm)(105cm-1)
합성예 1 0.3
합성예 2 0.2
합성예 3 0.2
합성예 4 0.1
합성예 5 0.1
합성예 6 0.1
기준예 (플러렌) 0.6
표 3 및 도 7을 참고하면, 합성예 1 내지 6에 따른 플러렌 유도체를 포함한 박막은 기준예에 따른 플러렌을 포함한 박막과 비교하여 약 450nm 부근(청색 파장 영역)에서 광 흡수가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 합성예 1 내지 6에 따른 플러렌 유도체는 응집에 의한 흡광 피크의 이동(shift)이 일어나지 않음을 확인할 수 있다.
평가 IV
p형 반도체인 하기 화학식 X로 표현되는 화합물(HOMO 에너지준위: 5.3eV, LUMO 에너지준위: 3.2eV)과 n형 반도체인 합성예 1에 따른 플러렌 유도체 또는 기준예에 따른 플러렌을 1:1의 부피비가 되도록 공증착하여 박막을 형성한 후, 박막의 흡광 특성을 평가한다.
[화학식 X]
Figure pat00083
도 8은 합성예 1에 따른 플러렌 유도체 및 기준예에 따른 플러렌을 p형 반도체와 함께 공증착하여 얻은 박막의 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8을 참고하면, 합성예 1에 따른 플러렌 유도체와 p형 반도체의 공증착된 박막은 기준예에 따른 플러렌과 p형 반도체의 공증착된 박막과 비교하여 450nm 부근(청색 파장 영역)에서 흡광 특성이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 합성예 1에 따른 플러렌 유도체는 응집에 의한 흡광 피크의 이동(shift)이 일어나지 않음을 확인할 수 있고, p형 반도체와 함께 사용되어 녹색 파장 영역의 파장 선택성을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 광전 소자
10: 제1 전극
20: 제2 전극
30: 유기층
300, 400, 500: 유기 CMOS 이미지 센서

Claims (19)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 플러렌 유도체:
    [화학식 1]
    Figure pat00084

    상기 화학식 1에서,
    Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
    R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
  2. 제1항에서,
    상기 플러렌 유도체는 승화에 의한 진공 증착이 가능한 화합물인 플러렌 유도체.
  3. 제2항에서,
    상기 플러렌 유도체는 1Pa 이하에서 열중량분석(thermogravimetric analysis)시 초기 중량 대비 10%의 중량 감소가 일어나는 온도는 450℃ 이하이고, 초기 중량 대비 50%의 중량 감소가 일어나는 온도는 510℃ 이하이고, 초기 중량 대비 90%의 중량 감소가 일어나는 온도는 600℃ 이하인 플러렌 유도체.
  4. 제1항에서,
    상기 플러렌 유도체는 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가지는 플러렌 유도체.
  5. 제1항에서,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기인 플러렌 유도체.
  6. 제1항에서,
    하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현되는 플러렌 유도체:
    [화학식 1a] [화학식 1b]
    Figure pat00085
    Figure pat00086

    [화학식 1c] [화학식 1d]
    Figure pat00087
    Figure pat00088

    [화학식 1e] [화학식 1f]
    Figure pat00089
    Figure pat00090

    [화학식 1g] [화학식 1h]
    Figure pat00091
    Figure pat00092

    [화학식 1i] [화학식 1j]
    Figure pat00093
    Figure pat00094

    [화학식 1k] [화학식 1l]
    Figure pat00095
    Figure pat00096

    상기 화학식 1a 및 1b에서,
    R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 플러렌 유도체를 포함하는 박막.
  8. 제7항에서,
    상기 박막의 피크 흡수 파장(λmax)은 C60 플러렌을 포함하는 박막의 피크 흡수 파장(λmax)보다 짧은 박막.
  9. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 유기층
    을 포함하고,
    상기 유기층은 하기 화학식 1로 표현되는 플러렌 유도체를 포함하는 광전 소자:
    [화학식 1]
    Figure pat00097

    상기 화학식 1에서,
    Ra는 수소 또는 C1 내지 C10 알킬기이고,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기이고,
    R1 내지 R5 중 적어도 하나는 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기이다.
  10. 제9항에서,
    상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 불소, 시아노기 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C10 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기인 광전 소자.
  11. 제9항에서,
    상기 플러렌 유도체는 하기 화학식 1a 내지 1l 중 어느 하나로 표현되는 광전 소자:
    [화학식 1a] [화학식 1b]
    Figure pat00098
    Figure pat00099

    [화학식 1c] [화학식 1d]
    Figure pat00100
    Figure pat00101

    [화학식 1e] [화학식 1f]
    Figure pat00102
    Figure pat00103

    [화학식 1g] [화학식 1h]
    Figure pat00104
    Figure pat00105

    [화학식 1i] [화학식 1j]
    Figure pat00106
    Figure pat00107

    [화학식 1k] [화학식 1l]
    Figure pat00108
    Figure pat00109

    상기 화학식 1a에서,
    R1 내지 R3는 수소 또는 불소이고,
    R1 내지 R3 중 적어도 하나는 불소이다.
  12. 제9항에서,
    상기 유기층은 활성층을 포함하고,
    상기 활성층은 pn 접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하며,
    상기 n형 반도체는 상기 플러렌 유도체를 포함하는 광전 소자.
  13. 제12항에서,
    상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 승화에 의해 공증착되어 있는 광전 소자.
  14. 제12항에서,
    상기 플러렌 유도체는 3.7 내지 5.0eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.8 내지 7.0eV의 HOMO 에너지 준위를 가지는 광전 소자.
  15. 제14항에서,
    상기 p형 반도체는 3.0 내지 3.6eV의 LUMO 에너지 준위 및 5.1 내지 5.7eV의 HOMO 에너지 준위를 가지는 광전 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 p형 반도체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 흡광 물질인 광전 소자.
  17. 제16항에서,
    상기 p형 반도체는 하기 화학식 2로 표현되는 화합물을 포함하는 광전 소자:
    [화학식 2]
    Figure pat00110

    상기 화학식 2에서,
    X는 Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 이고,
    EDG는 전자 공여기(electron donating group)이고,
    EAG는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
    R11, R12, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소 또는 1가 치환기이다.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광전 소자를 포함하는 전자 장치.
  19. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광전 소자를 포함하는 이미지 센서.
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