OLED는 양극과 음극, 두 개의 전극 사이에 전자와 정공이 결합, 빛을 만들어내는 발광층(Emission Layer, EML)이 샌드위치형으로만 되어있어도 작동이 가능하며, 1960년대의 연구는 이 구조로 시도되었습니다. 그러다가 1980년대에 실용화 가능성을 보여준 OLED 구조는 발광층을 별도로 형성하고, 여기에 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)이 더해진 두 개의 유기층 구조였죠. 이 후에 보다 성능을 개선하기 위하여 유기층들의 수가 증가하는 다층막(multi-layer), 혹은 이종 구조(hetero-structure)로 발전됩니다.
즉, 캐리어들, 즉, 전자와 정공들이 각각 음극과 양극으로부터 보다 쉽고 충분하게 주입되도록 하기 위한 전자 혹은 정공 주입층(Electron or Hole Injection Layer, EIL or HIL), 양쪽 방향에서 주입된 전자와 정공들이 서로 개수와 속도의 균형을 가지고 발광층까지 이동하기 위한 전자 혹은 정공 수송층(Electron or Hole Transport Layer, ETL or HTL) 등이 추가적으로 설치가 되었죠. 이에 더하여서 발광층에 도달한 캐리어들이 발광층을 지나 반대쪽으로 더 진행하지 않고 발광층 내에 머무르면서 계속 결합을 시도할 수 있도록 전자 혹은 정공의 차단층(Electron or Hole Blocking Layer, EBL or HBL)을 추가하기도 하죠. 이러한 유기층들은 양극 쪽에서부터 따라가보면, 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 전자 차단층(EBL), 발광층(EML), 정공 차단층(HBL), 전자 수송층(ETL), 그리고 전자 주입층(EIL)까지 총 7개에 이르게 됩니다. 이러한 다층막 구조의 에너지 준위는 각각 정공과 전자가 약간의 에너지 장벽을 극복하면서 원활이 이동하도록 설계되며, 다만 차단층에서는 차단하여야 할 캐리어에 대해서만 높은 장벽이 형성되죠. 물론, 양극과 음극의 전극 라인들은 서로 교차하는 방식을 취하며 교차점에 화소, 혹은 부화소가 형성됩니다.
한편, 제조 공정과 생산 가격을 고려하면 유기층의 개수가 너무 많아서 한 개의 층이 두가지 이상의 역할을 하도록 물질을 설계, 제조하여 유기층들의 수를 줄여갑니다. 특히, 전자나 정공 차단층들의 역할을 수송층들이 함께 행하는 경우가 많고, 전자 주입층은 음극 물질을 개선하거나 혹은 전자 수송층이 역시 역할을 함께 하는 경우가 종종 있죠. 양극의 경우에는 투명 전극으로서 ITO 이외의 대안이 거의 없어서 정공 주입층은 대부분 필요로 하게 됩니다. 따라서 OLED는 기본적으로 4 ~ 5개의 유기층들로 이루어지며, 이러한 유기층들의 전체 두께는 약 200 nm 정도입니다. 이는 빨강, 초록, 그리고 파랑 각각의 빛을 내는 부화소에 대한 설명이며, 만일 대형 OLED나 OLED 조명에서 쓰이는 백색 OLED의 경우에는 세가지 색을 모두 만들어야 하므로 3원색에 대해 각각의 역할을 하는 유기물 층들이 더 추가됩니다. 앞으로는 주로 RGB 발광을 독립적으로 하는 저분자 OLED 소자를 대상으로 설명을 이어가려고 합니다.
제작된 OLED 패널은 봉지 구조로 완성되는데, 봉지(encapsulation, passivation)는 산소나 습기를 외부로부터 차단하는 역할을 합니다. 만일, 산소나 습기가 OLED 내부로 들어간다면 전극과 유기물의 계면에 손상을 주어 소자의 작동을 방해하게 되죠. 따라서 진공 클러스터 내에서 음극 증착까지 완료된 OLED는 금속 캔이나 유리 뚜껑을 씌우거나 혹은 별도의 시트나 필름 등을 합착하여 산소나 습기의 침투를 막죠. 최근에는 무기와 유기막들을 증착하여 다층 구조의 보호막을 형성하기도 하며, 이를 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)라고 표현하죠. OLED 패널에 구동 회로부를 부착하면 OLED 모듈이 되는데, OLED는 자발광 디스플레이이므로 별도의 광원은 부착되지 않습니다.
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# 더! 생각해보기
a. 각각의 역할마다 별도의 층(layer)들이 존재한다고 가정하고, 총 몇개의 층, 어떤 층들이 OLED를 구성할까 묘사해보자
b. 층들의 수를 줄이기 위해 하나의 층이 둘 이상의 역할을 할 수 있음을 설명, 이로써 만들어지는 OLED 구조는 어떨까
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