공부와 생각들/디스플레이 공부 200

4-18) OLED, 다층막 구조, 발광층, 형광과 인광

OLED, 발광층에서 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. 여기 상태에서 전자와 정공, 혹은 음과 양의 폴라론 결합으로 형성된 여기자는 파울리 배타원리에 따라 네 가지 상태로 나누어집니다. 즉, 스핀 방향이 완전히 반대 방향, 대칭이며 자기 스핀 양자수의 합이 0인 한 가지 상태와 같은 방향의 스핀을 가지며 총 양자수가 1인 세 가지 상태가 해당되죠. 각각은 상태 함수가 하나이어서 단일항(singlet), 세 개이어서 3중항(triplet..

4-17) OLED, 다층막 구조, 발광층, 발광에 관하여

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..

4-16) OLED, 다층막 구조, 저지층

발광층에 도달한 전자와 정공이 발광층을 지나서 각각 양극과 음극으로 가는 경우, 발광층 내에서의 효율 저하는 물론 소자의 수명에도 영향을 미치게 됩니다. 따라서 발광층 양쪽에 전하 저지층(blocking layer)를 설치하는데, 양극쪽에는 전자 저지층(Electron Blocking Layer, EBL), 음극쪽에는 정공 저지층(Hole Blocking Layer, HBL)이 형성되며, 이들은 각각 전자와 정공이 양극과 음극쪽으로 더 진행하는 것을 저지합니다. 전위 장벽을 높이기 위해 전자 저지층은 발광층에 비해 LUMO 준위가 높고, 정공 저지층은 HOMO 준위가 낮아야 하죠. 물론 수송층이나 주입층의 LUMO와 HOMO 준위를 조절하여 저지층의 역할을 대신 할 수도 있습니다. 특히, 빛이 통과하여야..

4-15) OLED, 다층막 구조, 수송층

수송층은 전극에서 주입층을 통하여 전달된 전하들, 즉 전자나 정공들을 보다 원활하게 발광층으로 이동하게 하며, 이에 더하여 상대 전하들의 차단층(저지층) 역할까지 겸하는 경우도 있습니다. 수송층은 기본 요건은 전하들의 높은 이동도에 있으며, 전위 장벽은 주입층보다는 높고, 발광층 보다는 낮게 형성되어야 하죠. 반면에 상대 전하의 차단층으로도 동작하려면 상대 전하들에 대해서는 발광층보다도 높은 전위 장벽을 형성하여 발광층 안에 가두는 역할도 하여야 합니다만. 여기서는 차단층은 별도로 다루기로 하고 수송 역할에 대해서만 설명을 이어갑니다. 정공 수송층은 주입층으로부터 온 정공들을 발광층으로 전달하며, 따라서 수송층의 HOMO 준위는 주입층과 발광층의 HOMO 준위들 중간에 위치하여야 합니다. 또한 정공의 이..

4-14) OLED, 다층막 구조, 주입층

OLED에서 우수한 성능을 얻으려면 낮은 전압에서 많은 여기자를 만들어야 합니다. 따라서, 다층 유기막들의 궁극적인 목표는 각각의 계면에서 전위 장벽을 낮추어 많은 수의 전하가 주입되고, 그러면서도 전하들의 수와 속도에서 균형이 맞도록 발광층까지 전달이 되는 것이죠. 이러한 유기층들과 일반적인 무기 반도체와의 큰 차이점은 전자와 정공의 이동도가 매우 낮다는 점입니다. 무기 반도체의 경우, 이동도가 결정질에 따라 1에서 1,000cm/Vs의 범위인 반면에 유기 반도체들은 이의 10만분지 1 수준인 10^-7에서 10^-3cm^2/Vs 수준에 불과합니다. 따라서 낮은 인가 전압에서 원하는 전류를 얻기 위해서는 유기층들의 두께는 가능한 얇아야 하죠. 전극으로부터 주입된 캐리어들이 가장 먼저 만나는 유기층은 전..

4-13) OLED, 다층막 구조, 전극

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 전압..

쉬어가기) 파도의 길을 떠난 제자들에게

파도의 길을 떠난 제자들에게 꽃은 떨어지면 다시 피고 철새는 날아가면 돌아오지만 아이들은 떠나면 돌아오지 않고 파도 저 멀리로 나아간다 파도의 길에서 그들보다 앞서 힘겨운 경쟁과 혼돈을 겪었기에 그들이 안고 가야만 할 상처와 고통에 대한 우려가 크다 졸업까지는 성장이었고 성장된 힘과 노력으로 세상 어디에선가 외로이 파도를 마주하고 있으리라 선의의 경쟁만을 배웠지만 더 혹독한 경쟁도 있음을 느끼며 노력의 열매가 달지만은 않다는 것 최선만이 최선이 아니라는 것도 경험으로 깨닫고 있으리라 그들이 떠난 5월의 교정 그들의 꿈이 머물던 자리 함께 보낸 날들을 돌아보며 축복과 기원을 보낸다 파도 속을 헤매일 때에 별자리를 보고 길을 찾는 지혜로 바람결에 돛을 올리는 어울림으로 지혜롭게 어울리며 살아가기를 성공은 무..

4-12) OLED, 캐리어들의 이동, 결합, 그리고 발광

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. 다만, 무기 반도체에서는 전도대에 위치한 자유 전자들이 전기..

4-11) OLED, 동작 원리

동작 원리는 구조에서 설명하였듯이 양극에서 주입된 정공들과 음극에서 주입된 전자들이 각각 안쪽, 발광층으로 이동하고, 여기에서 결합을 함으로써 빛을 만들어내는 전계 발광 현상을 따릅니다. 발광이 일어나기까지의 과정을 살펴보면, 먼저 전극들로부터 캐리어들이 주입되고(injection), 다음으로 이동을 하게 되며(transport), 마지막으로 전자와 정공이 만나 여기자(exciton)를 형성하고, 형성된 여기자가 안정화되는 과정(recombination)에서 빛을 만들어 내죠(luminescence). 물론 모든 에너지가 빛으로만 나오는 것은 아니며, 열과 같은 다른 에너지로도 변환됩니다. 동작 원리는 다음 노트에서 다룰 ‘OLED에서의 캐리어 이동, 결합, 그리고 발광’에서 설명을 이어갑니다. # 참고..

4-10) OLED, 구조

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(Electr..