Q) 이제, OLED의 구조를 살펴보죠. 양극과 음극 사이에 유기층이 끼워져 있는 구조이죠?
A) 기본적으로는 그렇죠. 즉, 수동 구동 방식에서는 투명한 기판 위에, 능동 구동에서는 백플레인이 설치된 기판 위에 구성이 되는데, 백플레인 이야기는 다음 주제로 미룰께요. OLED만 보면 양극과 음극, 두 개의 전극 사이에 전자와 정공이 결합, 빛을 만들어내는 발광층, 이런 샌드위치 구조만으로도 작동이 가능하며, 초기의 연구는 이 구조로부터 시작되었습니다. 그러다가 1980년대에 실용화 가능성을 보여준 OLED는 발광층을 별도로 형성하고, 여기에 정공 수송층, 즉, 양전하의 움직임을 도와주는 유기층이 더해진 구조였죠. 이후에 성능을 더 개선하기 위하여 유기층들의 수가 증가하는 다층막 구조로 발전됩니다.
Q) 다층막 구조라 함은 두 개의 전극 사이에 끼워지는 유기물 층들의 수가 많아졌다는 뜻인가요?
A) 네, 그렇습니다. 하나씩 살펴보죠. 먼저 전극의 경우, 정공과 전자들을OLED 내부로 공급하여 주는 역할을 하므로, 캐리어들이 내부로 들어가기 위하여 넘어야만 하는 장벽, 즉 유기막 계면에서의 장벽의 높이가 낮아야 하죠. 다만, 장벽은 낮게 만들어지되 그렇다고 마이너스가 되면 안되죠. 전원을 인가하지 않아도 캐리어들이 내부로 들어가서 빛을 내면 안되니까요. 이에 더하여 빛이 통과하는 양극 투명하여야 합니다.
Q) 그러면 전극은 주로 무기물, 전극 다음으로부터 유기층들이 이어지겠군요.
A) 네, 낮은 전압에서 밝은 빛을 얻기 위해서는 낮은 전압에서 많은 수의 전자와 정공들이 주입, 이동하여 결합되어야 합니다. 다층 유기막들의 궁극적인 목표는 각각의 계면에서 장벽과 내부에서의 이동도를 조절하여 많은 수의 전하가 주입되고, 그러면서도 전자와 정공이 수와 속도에서 균형이 맞도록 발광층까지 전달, 결합이 되도록 하는 것이죠
Q) 전자와 정공이 가장 먼저 만나게 되는 유기층부터 따라가볼까요?
A) 전극에 도달한 전하들이 가장 먼저 만나는 유기층은 전자 또는 정공의 주입층입니다. 각각 음극과 양극으로부터 전하들의 주입이 용이하도록 도와주는 역할을 하죠. 그리고는 수송층을 지나게 됩니다. 수송층은 전극에서 주입층을 통하여 전달된 전하들이 보다 원활하게 발광층으로 이동하도록 하죠. 이를 위해 전하들의 이동도가 높아야 하며, 에너지 장벽은 주입층보다는 높고, 발광층 보다는 낮게 형성되죠. 이와 함께 수송층은 상대 전하들의 차단층(저지층) 역할까지 겸하는 경우가 종종 있습니다. 즉 발광층에 도달한 전하들이 더 이상 진행하는 것을 막고 발광층 안에 가두어 전자와 정공의 결합을 돕죠. 마치 미팅 장소에서 카페의 출입문을 막듯이
Q) 차단층의 역할을 조금 더 이어가 보죠.
A) 네, 발광층에 도달한 전자와 정공이 발광층을 지나쳐서 각각 반대편 전극쪽으로 가는 경우, 발광층 내에서의 효율 저하는 물론 큰 전류가 흘러 소자의 수명에도 영향을 미치게 됩니다. 따라서 발광층 양쪽에 전하 차단층을 설치하는데, 양극쪽에는 전자의 진행을 저지하고, 음극쪽에는 정공을 저지하는 차단층들이 형성되며, 이 역할을 수송층이 겸할 수도 있다는 점입니다.
Q) 그리고는 전자와 정공이 도달하고 만나서 빛을 내는 발광층이 가운데에 있겠군요. 정말 다양한 유기층들이 다양한 역할을 하고 있네요.
A) 정확합니다. 발광층에 도달한 전자와 정공은 들뜬 상태에서 안정화 상태로 내려오면서 빛을 만들어내죠. 즉, 전극에서 출발한 전자와 정공들은 각각 주입층, 수송층을 거쳐 발광층에 이르게 되죠. 한편, 제조 공정 가격을 고려하면 유기층의 개수가 너무 많아서 한 개의 층이 두 가지 이상의 역할을 하도록 물질을 설계, 제조하여 유기층들의 수를 줄여갑니다. 특히, 수송층이 전자의 주입층이나 전자나 정공의 차단층 역할을 함께 행하는 경우가 많죠. 다만, 양극의 경우에는 투명 전극으로서 ITO 이외의 대안이 거의 없어서 정공 주입층은 대부분 필요로 하게 됩니다. 따라서 OLED는 기본적으로 4~5개의 유기층들로 이루어지며, 전체 두께는 약 수백 nm 정도입니다.
Q) 전자 소자들은 외부 환경으로부터의 보호가 필요한데, OLED도 그런가요?
A) 좋은 질문입니다. 제작된 OLED 셀은 봉지 구조로 완성되는데, 봉지는 산소나 습기를 외부로부터 차단하는 역할을 합니다. 만일, 산소나 습기가 OLED 내부로 들어간다면 전극과 유기물의 계면에 손상을 주어 소자의 작동을 방해하게 되죠. 따라서 완성된 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 봉지라고 표현합니다.
# 다양한 참고자료들을 사용하였기에 일일이 인용을 명시하지 못하였음을 양해바랍니다.
'방송, 미디어 > 온라인 강의' 카테고리의 다른 글
| OLED 이야기, 8) OLED는 어떻게 만들어질까 (0) | 2020.05.19 |
|---|---|
| OLED 이야기, 7) 구동을 위한 스위치 (0) | 2020.05.19 |
| OLED 이야기, 5) OLED는 어떻게 분류할까? (0) | 2020.05.19 |
| OLED 이야기, 4) OLED 빛의 성격은 어떨까? (0) | 2020.05.19 |
| OLED 이야기, 3) 발광원리, 너는 어떻게 빛을 내는 거야? (0) | 2020.05.19 |