4-12) OLED, 캐리어들의 이동, 결합, 그리고 발광

 

OLED, 전하 캐리어들의 활동

 

무기물 반도체는 공유 결합된 단결정으로 원자들이 촘촘히 연결되어 있어서 에너지 준위가 밴드를 형성하여 전도대와 가전자대로 정의되지만, 유기물 반도체의 경우 분자들이 약한 반 데르 발스 결합으로 다소 엉성하게 연결되어 있습니다. 그래서 서로 이산적인(discrete) 분자 궤도에 있어서 전자가 점유하고 있지 않으며 가장 낮게 위치한 분자 궤도 함수를 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)라 하고, 전자가 점유하고 있으며 가장 높게 위치한 분자 궤도 함수를 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)로 표현합니다. 무기 반도체에서 이들은 각각 전도대와 가전자대에 해당하는 역할을 하죠.

 

유기 반도체의 전기적 특성

 

전기 전도와 결합

 

다만, 무기 반도체에서는 전도대에 위치한 자유 전자들이 전기장이 유도하는 방향으로 자유롭게 흐르지만, 유기 반도체에서는 전자들이 이산적으로 분포되어 있는 HOMO 준위들을 마치 징검다리를 건너가듯이 깡충 뛰기(hopping)를 하며 이동합니다. 그리고, 마침내 발광층에서 LUMO 준위에 있던 전자들이 HOMO 준위로 내려오면서 빛을 만들게 되죠.

 

전기 전도와 결합

 

전자의 이동에 대해 조금 더 들어가 보죠. 전자는 파동으로도 표현될 수 있는 입자입니다. 정공은 전자의 빈자리일 뿐이죠. 사실 유기 반도체에서는 무기 반도체의 전도대에서만큼 자유로운 전자는 없습니다. 대신 이동하려는 전자의 파동 에너지는 격자 진동에 의한 파동 에너지인 포논(phonon, 음자)을 만나서 전자 포논 결합(electron-phonon coupling)을 이루며, 이 결과로 파동 에너지가 왜곡되고 그 영향이 전달되면서 준입자인 폴라론(polaron, 오늘 한글날이고… 마음 같아서는 분극자로 쓰고 싶은데… 하긴 이도 한문이니…)이 생성되고 운동이 이루어집니다. 폴라론은 양의 폴라론과 음의 폴라론으로 구분되며, LUMO와 HOMO의 준위 사이에 또 다른 준위를 형성합니다. 그리고 이들은 진동 에너지를 수반하므로 분자들 사이를 자유로이 움직여가며 전달될 수 있죠. 결국 정공은 전자가 비어있는 자리에서 포논과 결합된 양의 폴라론에 해당합니다. 이러한 양의 폴라론과 음의 폴라론이 마주쳤을 때, 여기자(exciton)가 형성되었다고 하죠. 마주친 상태에서 LUMO 근처에 머무는 음의 폴라론, 들뜬 전자가 HOMO 근처에 있는 양의 폴라론, 즉 정공의 자리로 내려오면 발광이 이루어집니다.

 

발광

 

에너지 다이아그램

 

이러한 물리적 현상들에 대해서는 추후 좀 더 논의하도록 하고, 여기에서는 전자와 정공의 주입과 이동, 결합, 그리고 발광 순서에 따른 작동 모드로 설명합니다. 즉, 양극과 음극으로부터 주입된 전자와 정공들은 각각 주입층과 수송층으로 이동하면서 발광층에 이르게 되고, 여기에서 전자와 정공의 결합 과정을 통하여 빛을 발생하죠. 전자와 정공들은 마치 계단을 올라가듯이 차근차근 에너지 장벽을 딛고 올라서 발광층에 도달합니다. 발광층을 지나면 높은 장벽을 만나게 되어 결국 전자와 정공들은 발광층 안에 머물며 결합 기회를 계속 가지게 되죠. 물론, 유기층들의 에너지 밴드는 이러한 작동 기구에 적합하도록 설계가 됩니다. 전극과 각각의 유기층들과 관련된 설명을 하나씩 이어가 보겠습니다.

 

캐리어의 이동, 결합, 그리고 발광

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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# 더! 생각해보기

a. 무기물 반도체와 유기물 반도체에서 원자 결합 구조와 이로써 형성되는 에너지 밴드를 묘사해보자

b. 전기장이 인가되었을 때, 각각의 에너지 밴드내에서 캐리어(전자 혹은 정공)들은 어떻게 움직여갈까

c. 전자와 정공은 어디에서 어떻게 만나서 어딴 과정을 통해 빛을 만들어갈까

 

 

# 문제! 풀기

 

4-12. OLED, 캐리어들의 이동, 결합, 그리고 발광-복사.pdf

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