Organic photodiodes (OPDs) have recently been studied for various applications such as organic image sensors, bio-inspired artificial eyes, and wearable biosensors. By taking advantage of tunable optical properties, large-area scalability, and mechanical flexibility of organic electronic materials, OPD-based image sensors may be beneficial in large-sized or bendable image sensors that can be coupled with displays in various form factors. In particular, the need for near-infrared (NIR) OPDs is growing as they can be useful for detection of images under low-light conditions or for detection of various biosignals using the high skin permeability in NIR. To fully utilize the potential of NIR OPDs, however, the external quantum efficiency (EQE) needs to be improved further to match the requirements for many of the applications.
In this study, a method to effectively utilize the intermolecular charge transfer absorption (CT absorption) of a solution-type polymer donor and non-fullerene small molecule acceptor mixture to efficiently absorb NIR while overcoming the limitations of organic materials that are difficult to have HOMO and LUMO level energy differences of about 1.0 eV was explored. In this regard, solution-processed polymer donor (PTB7-Th) and non-fullerene small molecular acceptor (IEICO-4F) blends are adopted, and NIR is detected using CT absorption between these two molecules. By varying the thickness of the thin film with the fixed weight ratio of these two molecules, CT absorption in the NIR region is maximized. As the thickness of the photoactive layer increases, the CT absorption increases due to the microcavity effect inside the photoactive layer. As a result, the EQE increases by about 16.4 times from 0.06 % to 0.95 % in the wavelength of 1045 nm using the microcavity effect. On top of that, by thickening the photoactive layer, the EQE increases by about 1.6 times from 0.59 % to 0.95 % in the same wavelength. Therefore, an approach based on the thickness-dependent intermolecular CT absorption effect and the microcavity effect has great promise for the efficient detection of NIR photons.
유기 포토다이오드는 최근 유기 이미지 센서, 생체 모사 인공 안구 및 웨어러블 바이오 센서와 같은 다양한 응용 분야에서 연구되고 있다. 유기 포토다이오드는 소자의 구조적 변화를 주어 광학 특성을 가변할 수 있고, 대면적으로 확장 가능할 뿐만 아니라 유기 전자 재료의 기계적 유연함으로 유연 소자에 활용할 수 있기 때문이다. 이러한 특장점으로 전문가들은 앞으로 유기 포토다이오드의 활용 범위가 점차 넓어질 것으로 전망하고 있다. 특히, 근적외선 유기 포토 다이오드는 저조도 조건의 이미지 인식이나 피부 침투성이 높아 생체 인식에 활용 가치가 인정받는 추세이다. 그러나 근적외선 유기 포토다이오드의 잠재력을 최대한 활용하려면 외부 양자 효율을 더욱 개선해야 한다.
본 연구에서는 1.0 eV 정도의 HOMO, LUMO 레벨 에너지 차이를 가지기 어려운 유기 물질의 한계를 극복하면서 근적외선을 효율적으로 흡수하기 위해 용액형 고분자 도너와 비 플러린계 저분자 억셉터 혼합물의 분자 간 전하 전달 흡수 반응을 효과적으로 이용할 방법에 대해 탐구하였다. 용액형 고분자 도너 PTB7-Th와 비 플러린계 저분자 억셉터 IEICO-4F를 채택하고, 이 두 분자 간의 전하 전달 흡수를 이용하여 근적외선을 검출한다. 고정된 무게 비율로 박막의 두께를 변화시킴으로써 근적외선 영역에서의 분자 간 전하 전달 흡수를 최대화한다. 광 활성층의 두께가 두꺼워질수록 광 활성층 내부의 미세 공진 효과로 인해 전하 전달 흡수도가 증가하는 효과를 보인다. 또한, 소자에 미세 공진 구조를 적용하여 근적외선 영역에서 상대적으로 낮은 광 활성층의 전하 전달 흡수도를 광학적으로 보상하여 외부 양자 효율을 개선한다. 결과적으로 미세 공진 효과를 이용하여 1045 nm 파장에서 외부 양자 효율이 0.06 %에서 0.95 %로 약 16.4 배 증가하고, 같은 시스템에서 광 활성층의 두께만을 두껍게 하여 외부 양자 효율이 0.59 %에서 0.95 %로 약 1.6 배 증가한다. 따라서 두께에 따른 분자 간 전하 전달 흡수 증가 효과와 소자의 미세 공진 구조에 기반한 접근 방식은 근적외선을 효율적으로 검출하는 데 큰 가능성을 가지고 있다.
