빛은 두 가지 방법으로 만들어집니다. 즉, 열 방사(thermal radiation)와 발광(luminescence)이죠. 온도 방사는 물체를 높은 온도로 가열하면 빛이 나오는 현상으로, 자연에서는 태양이 대표적입니다. 빛을 발하는 별에서도 별의 색깔, 즉 별빛의 스펙트럼을 통해서 별의 온도를 추정할 수도 있죠. 우리 생활 속에서는 백열 전구를 예로 들 수 있습니다. 필라멘트가 가열되면서 빛이 만들어지죠.
한편, 발광이라 함은 고온이 아닌 상태에서 빛이 만들어지는 과정, 즉 외부로부터 공급되는 에너지가 빛으로 변환되는 현상입니다. 전자가 에너지를 받아 바닥 상태에서 들뜬 상태로 여기되었다가 다시 안정화되면서 받은 에너지를 주로 빛으로 방출하는 것이죠. 이 때 인가되는 에너지들은 실로 다양한데 예를 들어서, 빛이나 전기장(전압 혹은 전류), 혹은 가속된 전자와 전자선, 그리고 화학 혹은 생화학 반응, 방사선 등을 포함한 주로 짧은 파장 대역의 전자기파, 그리고 열 등에 의하여 제공되며, 에너지원에 따라 광 발광(Photo-Luminescence, PL), 기계 발광(mechano-luminescence), 방사선 발광(radio-luminescence), 열 발광(thermo-luminescence), 음극 발광(Cathodo-Luminescence, CL), 전계 발광(Electro-Luminescence, EL), 화학 발광(chemo-luminescence) 등으로 명명됩니다.
이러한 발광 기구들 중에서 OLED는 전기장 에너지로 동작하는데, 전류가 흐르면서 전자와 정공이 결합함으로써 생성되는 여기자가 안정화 상태로 돌아가면서 빛을 만들죠. 물론 소자 내를 흐르는 전자와 정공의 수가 많고 결합 확률이 높을수록 더 밝은 빛을 내게 됩니다. 따라서 두 개의 전극, 음극과 양극으로부터 전자와 정공을 소자 내로 넣는 주입층, 주입된 전자, 정공들을 이동시키는 전달층, 그리고 양쪽 전극들로부터 각각 전달된 전자와 정공들이 만나서 결합, 여기자(exciton)를 형성, 빛을 만들어내는 발광층 등이 각각의 역할을 잘 수행하여야 하죠. 여기서 여기자란 ‘여기 상태(excited state)’에 있는 준입자이며, 여기 상태란 ‘전자가 에너지를 흡수하여 안정되지 않고 들뜬 상태’로 풀이됩니다. 이러한 여기 상태는 일시적으로 불안정한 상태로, 전자는 안정된 상태를 찾아가려는 특성이 있어 ‘기저 상태(ground state)’로 다시 돌아가게 되죠. 전자가 여기 상태에서 기저 상태로 되돌아가면서 에너지 준위가 다시 원래 수준으로 낮아지게 되는데, 이 때 줄어든 에너지의 일정 부분이 빛의 형태로 방출됩니다. 같은 전계 발광이라도, 전자들의 거동, 특히 들뜬 상태에서 바닥 상태로 어떻게 회귀하는가에 따라서, 다양한 발광 기구들이 발견되거나 디자인되고 있는데, 대표적인 발광 기구들로는 먼저, 형광(fluorescence), 인광(phosphorescence)를 들 수 있습니다. 이 두 가지 대표적인 발광 기구에 관해서는 바로 뒤에서 살펴보기로 하겠습니다.
다음으로 OLED에서 실제로 빛을 만들어 내는 발광층, 그 소재에 관한 이야기입니다. 먼저 발광 소재를 분류하여 보죠. 저분자와 고분자로 분류할 경우, 저분자 그룹에서는 형광 소재와 인광 소재, 그리고 단일 성분(single component)과 호스트-게스트형(host-guest type)으로 구분할 수 있습니다. 인광과 형광 재료는 뒤이어 설명을 할 것이며, 호스트-게스트형이란 호스트에 해당하는 유기층에 게스트인 도펀트를 넣은 소재로, 각각 발광층의 역할을 전하 이동과 발광으로 나누어서 담당합니다. 호스트 재료는 전기적인 특성이 우선시되고, 게스트에서는 발광 효율이 강조되면서 최적의 발광 특성을 얻게 되죠. 일반적으로 호스트 재료는 발광 성능보다는 박막 구조를 만들기 위한 용이성, 열 안정화를 위한 내열성에 중점을 두죠. 그리고 게스트, 즉 도펀트 재료는 응집력이 작아서 넓고 균일하게 분포되는 특성 또한 중요합니다. 이와 함께 호스트로부터 전달받은 에너지로 게스트가 여기자를 형성, 발광을 이루어내야 하므로 에너지의 흡수, 발광 특성 등이 최적화되어야 효율을 극대화할 수 있습니다. 고분자 발광 소재의 경우, 뒤에 설명할 고분자 OLED 관련 이야기로 일단 미루어 두겠습니다.
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# 더! 생각해보기
a. 빛은 어떻게 만들어질까. 원리별로 분류하고, 각각에 대해 빛이 만들어지는 과정을 생각해보자
b. OLED에서 발광층의 역할은 무얼까
c. 발광층은 어떤 특징들을 가져야 하며, 어떤 소재들이 사용되고 있을까
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1-15) 그 외의 자발광 기구와 디스플레이 응용 + eq.
음극 발광(CL) 현상을 이용한 CRT, FED, VFD, 전계 발광(EL) 현상을 이용한 LED, OLED, TFELD, 그리고 광 발광(PL) 현상을 이용한 PDP 이외에도 스스로 빛을 낼 수 있는 자발광 디스플레이에 적용할 수 있는 발
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