유기 반도체를 이용한 휨성 X-선 영상 검출기에 대한 연구

​P3HT:PCBM의 혼합비 변화에 따른 I-V 특성변화를 보면 섬광체의

   X-선 변환효율이 낮은 관계로 X-선 발생기를 이용한 실험인 경우

   Solar 시뮬레이터를 이용한 실험에 비해 낮은 전류값을 보임

▷ 활성층 혼합 비율에 따른 I-V 특성은 Solar 시뮬레이터를 이용한 실

   험과 X-선 발생기를 이용한 실험 모두 전하수집이 음의 전압구간인

   3사분면에서 이루어지므로 Solar 시뮬레이터를 활용한 평가결과를

   통해 X-선 검출기 특성의 예측이 가능

▷ 활성층의 혼합비를 고정하고 Spin rate를 증가시키면 활성층의 두께

   가 얇아져 흡광도는 감소함 Spin rate를 감소시켜 활성층의 두께를

   증가시키면 흡광도는 증가하지만 이동거리도 증가하여 전하의 손실

   이 발생

연구수행 방법

◎ 검출기의 개선된 구조 설계 및 평가

↑ 유기반도체 기반의 X-선 검출소자의 성능 향상(workflow)

▷ 유기 반도체 검출기 설계 시 효율이 상대적으로 높은 간접방식 선택

▷ 섬광체의 X-선 변환효율이 검출기의 전체 효율에 미치는 영향이 크

   므로, 기존의 Bulk타입 섬광체 대비 높은 변환효율 특성을 갖는

   Columnar 타입의 섬광체를 적용하여 분석

▷ 검출기 활성층에서 변환효율을 높이는 부분과 생성된 전하들의 이동

   효율을 높일 필요가 있어, 음전극 증착 후 Post-annealing공정 추가

▷ Solar 시뮬레이터를 통해 얻은 지표를 분석하여 X-선 검출기의 특성

   을 예측 및 분석을 하는 평가 방법에 대해 연구

◎ 검출기 효율을 위한 재료 탐색 및 선정

← 검출기 향상을 위한 활성층 재료

↓ CdSe 양자점의 크기에 따른 투과 전자현미경 사진

​▷ 1차년도에 선정한 n-type 재료인 PCBM을 ICBA로 대체하여 테스트

▷ 기존 활성층에 CdSe(Quantum Dot)을 첨가하여 검출 성능을 향상

▷ 양자점(Quantum Dot)은 크기 변화 이외에 Core를 보호하기 위한

   Shell의 구성, 형태, 리간드 종류 등에 따라 특성이 변하기 때문에

   CdSe의 크기와 첨가되는 양을 공정변수로 두고 성능 변화를 분석

◎ 검출기 신호 취득 방법 도출

​▷ 검출기의 전하신호 취득을 위한 아날로그 회로를 설계하고, 섬광체

   의 방출 파장과 유사한 LED를 이용하여 특성을 평가

▷ Microcontroller를 이용하여 LED의 발광강도와 조사시간을 조절하

   고 그에 따른 발생 신호를 취득하는 방법을 도출

▷ 설계한 회로는 Resistive Reset 방식의 전치증폭회로에 비해, 잡음이

   적고 신호의 정량적 양자화의 과정에서 손실을 최소화할 수 있는

   Active Reset 방식의 전치증폭회로를 적용하고자 함

↑ Active Reset 방식의 전치증폭회로 및 동작의 예

​연구 결과

◎ 검출기의 개선된 구조 설계 및 평가

☞ 검출효율 향상을 위한 구조 및 공정 개선

​▷ X-선 검출기의 검출 방식은 X-선이 직접 검출기에 조사되어 전하로

   변환되는 직접방식과 검출기에 도달 전 섬광체를 거쳐 가시광으로

   변환되어 그 광자가 검출기내에서 전하로 변환되는 간접방식이 있음

▷ 유기재료 특성상 X-선 흡수율이 낮고, 흡수율을 높이기 위해 활성층

   의 두께를 증가시킬 경우 공정상의 어려움 등 결함이 생길 가능성이

   증가하므로 섬광체를 이용한 간접방식을 택함

▷ 1차년도에 검출기의 기본 구조와 공정에 관해 정립하였고, 2차년도에

   는 구조는 유지하며, 섬광체를 개선하여 효율을 높임

▷ 1차년도에 사용한 Bulk타입의 CsI 섬광체보다 2차년도에 사용한

   Columnar 타입의 CsI 섬광체의 발광 스펙트럼의 Peak값이 약 8배

   상승함

↑ 유기 반도체 기반 X-선 검출기 제조공정 Flow 와 제작된 검출기 Sample

↓ Columnar와 Bulk 타입 섬광체의 X-선 조사시 발광 스펙트럼 비교

​▷ 활성층의 P3HT:PCBM 조성을 3:2로 고정시킨 표준 검출기 샘플을 이

   용하여 Bulk타입과 Columnar타입의 섬광체를 평가한 결과 검출감

   도가 약 2~3배 증가하였다.

▷ 검출효율 및 안정성을 개선하기 위해 Annealing 공정을 추가하였으

   며, 다양한 온도에서의 Annealing 공정 실험을 통해 활성층 내의

   BHJ(Bulk Hetero Junction)의 형성과 활성층/Cathode간의 접촉 저

   항을 낮추었으며, 이를 통해 검출기 내의 직렬저항의 감소와 생성

   전하의 이동을 향상시킴

▷ 80℃ Annealing 공정으로 약 10% 전류밀도가 향상되었고, 시간경과

   에 따른 전류밀도 역시 변화가 감소하여 안정성 측면에서도 검증함

↑ Annealing 온도 변화에 따른 전류밀도 변화 및 시간경과에 따른 전류밀도 변화

← P3HT:PCBM = 3:2 조건

   섬광체 타입별 검출감도 비교

☞ 검출기 평가방법 개선

▷ 2차년도의 검출기 평가방법은 2단계로 진행되며, AM 1.5G 필터가 적

   용된 Xe 광원을 사용하는 Solar 시뮬레이터를 이용하여 섬광체 없이

   검출기의 기본 특성을 평가한 뒤, X-선 발생기와 섬광체가 결합된 검

   출기를 이용하여 방사선 검출기 특성을 평가하는 과정을 진행

▷ X-선에 의한 섬광체 특성의 변화가 검출기 평가에 영향을 미치는 반

   면, Xe 램프를 적용한 Solar 시뮬레이터를 이용한 평가는 상대적으

   로 안정적이므로 이를 이용한 간접적인 성능평가를 진행

​↑ Solar 시뮬레이터와 X-선 발생기를 이용한 평가과정

◎ 검출기 효율을 위한 재료 탐색 및 선정

☞ P3HT:ICBA 활성층 기반 검출기 개발 및 성능 평가

↑ P3HT:ICBA의 혼합비율에 따른 흡광곡선과 활성층의 에너지 밴드 다이어그램

↑ P3HT:ICBA 혼합비 변화에 따른 전류밀도-전압 특성과 X-선 검출기 지표

​ICBA는 PCBM에 비해 가시광 흡광도와 LUMO Level이 더 높기 때문

   에 생성된 전하의 이동에 더 적합한 특성을 가짐

​P3HT:ICBA의 혼합비에서 ICBA의 비율이 커질수록 전하수집효율이

   감소하여 검출기의 성능이 저하되기 때문에 P3HT:ICBA=3:2에서 가장

   좋은 효율을 보였음

↑ P3HT:ICBA=3:2로 혼합비를 고정 시 Spin rate 변화에 따른 성능지표 변화

☞ 활성층에 CdSe 양자점 첨가를 통한 검출효율 향상

↑ 활성층에 양자점을 첨가한 검출기의 구조와 검출기의 에너지 밴드 다이어그램

▷ 활성층에 첨가되는 양자점의 크기(5, 7, 9 nm) 변화에 따른 검출기의 특

   성변화를 분석하였고, P3HT:PCBM:CdSe=1:1:0.2로 고정시킨 조건에서 활성

   층의 흡광특성을 측정한 결과 5 nm의 양자점을 첨가한 활성층이 가장

   높은 흡광특성을 나타냄

▷ 검출감도는 단락전류밀도와 유사한 경향을 보이며, Solar 시뮬레이터에

   서 얻어지는 지표 중 검출감도와 관련성이 적은 지표가 PCE 값을 결정하

   는 부분에 포함되기에 PCE값은 검출감도와 연관성이 상대적으로 적음

↑ 양자점의 크기 변화에 따른 흡광곡선

  과 Solar 시뮬레이터를 이용하여 측정

  한 검출기의 전류밀도-전압 특성

첨가된 양자점의 크기에 따른 단락

전류밀도, PCE, 검출감도의 상관관계 →

▷ 직렬저항은 활성층의 상태, 표면 거칠기, 두께 등의 요소에 의해 결정

▷ 표면 거칠기는 양자점 첨가량이 증가함에따라 같이 증가하고, 이를

   이용하여 활성층과 금속 전극 사이의 접촉저항을 증가시킬 수 있음

↑ 양자점 함량 변화에 따른 전류밀도-전압 특성과 Solar와 X-선 검출 지표 비교

↓ 양자점 첨가량 (가) 0, (나) 1, (다) 2, (라) 3, (마) 4 [단위 mg]에 따른 AFM 사진

◎ 검출기 신호 취득 방법 도출

☞ 아날로그 회로 및 Microcontroller LED 제어기 구축

↑ 대체 광원으로 사용된 LED 소자와 발광 특성 그래프

▷ 입사되는 빛의 세기와 조사시간을 제어하기 위해 대체광원인 LED와

   제어장치인 Atmel AVR Microcontroller를 이용하였고, 발광시간

   700ms, 발광 사이 간격 400ms로 암상자 내에서 실험을 수행

↑ LED를 이용한 검출기 신호 획득 환경 및 AVR Microcontroller 보드

☞ 검출기 신호 취득 실험

↑ Feedback Capacitor 값의 변화에 따른 전치증폭회로를 이용해 취득한 신호의 변화

                 C = 100 nF                                 C = 10 nF                                  C = 6.2 nF

                 C = 4.7 nF                                   C = 1 nF                                   C = 0.1 nF

▷ 검출기 취득신호 특성은 Feedback Capacitor 값이 감소함에 따라 증가

▷ 실험에 사용한 회로는 Feedback Capacitor에 축전된 전하를 방출하여

   다음 신호 획득을 위해 초기화하는 회로가 구성되어있지 않아 검출기의

   자연방전 및 Reference 저항에 의한 방전으로 인해 신호의 크기가 감소

요약

성능 개선을 위한 유기 반도체 기반 검출 센서를 제

   작 및 평가하고 신호취득을 위한 구동방식을 도출

 ▷ 검출효율 향상을 위한 검출기의 개선된 구조를 설계 및 제작 및 평가

 ▷ 검출효율 향상을 위한 활성층, HTL, 전극 등 재료들을 탐색 및 선정하

    고 구조를 최적화함

 ▷ 검출기의 신호 취득 방법을 도출함

​유기 반도체 기술과 기존 방사선 검출기 기술을 융합하여 X-선 검출이 가능한 유기 재료로 제작된 플렉시블 X-선 검출기 센서와 그 시스템을 개발하고 있다. 유기 반도체 기술 기반 검출기는 기존의 평판형 방사선 검출기와 비교하여 대형화가 용이하고, 제작 공정이 단순하며, 저전압 회로 설계를 통해 얇고 가벼운 검출기 제작이 가능하다.

​2차년도 목표

경기도 용인시 수지구 죽전로 152 (우) 16890 제 2공학관 312호

Room 312, No. 2 Engineering Building, 152, Jukjeon-ro, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, Republic of Korea