OLED는 유기 발광 다이오드로 두 개의 전극을 가지고 있습니다. 즉, 양극과 음극이죠. 양극에서는 정공, 음극에서는 전자들이 공급됩니다. 그리고 양극과 음극이 교차되는 영역에서 화소가 형성되죠. 물론 양극과 음극 사이에는 각각의 역할을 하는 유기막들이 샌드위치 구조로 적층이 되어 있습니다. 양극과 음극 밖에서의 구동을 살펴보면, 먼저 주사 전압이 스위칭 TFT의 게이트에 인가되면, 신호 전압이 게이트를 지나서 전류 조절용 TFT의 게이트에 걸리게 됩니다. 그리고 신호 전압값에 따라 채널이 넓게 혹은 좁게 형성되면서 OLED의 양극에서 음극으로 흐르는 전류값을 조절하게 되죠. 이 때, 양극에서는 정공, 음극에서는 전자들이 OLED 내부로 공급이 됩니다. 물론 게이트, 그리고 드레인과 소스에 인가되는 전압의 극성과 OLED 내를 흐르는 전류의 방향은 TFT가 n형인지 p형인지, 그리고 OLED가 정상 구조인지, 혹은 역(inverted) 구조인지 여부에 따라 바뀌기도 하지만, 기본적인 동작 원리는 대동소이합니다.
전극은 캐리어인 정공과 전자들을 OLED 내부로 공급하여 주는 역할을 하므로, 기본적으로 캐리어들이 내부로 들어가기 위하여 넘어야만 하는 장벽, 즉 전극에서 이어지는 유기막과의 계면에서의 장벽의 높이가 낮아야 하죠. 이를 위해 양극은 일함수(work-function)가 높고, 음극은 가급적 낮은 소재가 필요합니다. 다만, 장벽은 낮게 만들어지되 그렇다고 마이너스가 되면 안되죠. 전원을 인가하지 않아도 캐리어들이 내부로 들어가서 빛을 내면 안되니까요. 여기에 더하여서 일반적으로 기판 위에 형성되는 양극 쪽으로 빛이 통과하므로 양극 물질은 투명하여야 합니다. 물론, 위쪽의 음극을 통하여 빛이 지나가는 상부 발광형 OLED, 양극과 음극 양쪽으로 빛이 통과하는 투명 OLED도 현재 개발이 이루어지고 일부 제품이 나오고 있습니다만. 이와 함께, 음극을 기판 위에 형성하고, 양극이 마지막 공정에서 위에 형성되는 역 구조도 고려하여야 합니다. 요약하면, OLED의 전극은 각각의 캐리어, 즉 양극의 정공, 음극의 전자에 대해 마이너스값이 아닌 범위에서 가능한 장벽 높이가 낮아야 하며, 빛이 나오는 쪽은 투명하여야 한다고 볼 수 있습니다.
일반적으로 빛이 통과하여야만 하는 양극의 경우, ITO외에는 특별한 대안이 없으므로, ITO의 일함수를 높이기 위해, 즉 정공에 대한 장벽을 낮추기 위해 산소나 염소 플라즈마 처리를 하기도 합니다. 즉, ITO의 일함수는 4.6~5.0eV 정도인데 산소 플라즈마 처리를 하여 5.2 ~ 5.4 eV 정도로 높일 수도 있죠. 이와 함께 광 투과도를 높이기 위해 ITO의 두께는 100 ~ 150 나노 정도로 조절하며, 가시광 투과도는 90% 이상, 면 저항은 10 Ω/sq. 수준이 필요합니다. ITO 이외의 투명 도전막으로는 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO)이나 SnO2 등도 일부 사용이 되고 있습니다. 반면에 투명 요건으로부터 자유로운 음극의 경우에는 일함수가 낮은 물질을 사용하면 전자 주입층과 같은 유기층과의 전위 장벽을 줄일 수 있습니다. 따라서, 일함수가 낮은 Al, Ca, Li, Mg 등을 사용하며, 이들 금속을 일함수는 대략 2.4 ~ 4.3 eV 정도입니다. 이들은 대부분 반응성이 높은 금속이므로 안정성 확보를 위해 은(Ag) 등을 함께 사용하기도 합니다. 또한 Ag를 사용하면, 가시광을 잘 반사하여 광 효율을 높일 수도 있죠.
이에 더하여, 투명 전극의 전도도가 충분히 높지 못할 경우, 일부 투명하지 않으나 전도도가 높은 보조 전극을 설치하기도 하며, 또한 빨강, 초록, 파랑, 3원색을 발생, 흰색을 만드는 OLED에서는 내부에 설치되는 전극의 수가 증가할 수도 있습니다. 그리고, 형성되는 전극층의 표면 평탄화는 매우 중요하죠. 전극 표면이 평탄하지 않을 경우, 양극과 음극, 두 전극간의 거리가 상대적으로 가까운 영역에 전기장이 집중되고, 과도한 전류가 흐르게 되어 열화가 발생하기도 합니다. 물론 전극에 미세한 구멍(pin hole)이나 금(crack), 혹은 전극과 바로 아래의 유기물 계면에 접착력 부족으로 인한 틈이 발생하면, 산소나 습기가 침투하는 원인이 되고, 이로 인하여 빛이 나오지 못하는 암점(dark spot)을 만들기도 합니다.
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# 더! 생각해보기
a. OLED에서 전극(양극과 음극)의 역할은 무얼까
b. 전극들은 어떤 특징들을 가져야 하며, 어떤 소재들이 사용되고 있을까. 양극과 음극으로 구분하여 생각해보자
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