OLED의 원리와 정의 간단 리뷰

 

 

 OLED : 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode)

 

 우선 OLED는 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 발광물질(유기 화합물)을 이용하며, 발광물질로 이루어진 '발광층(EML : emission material layer)’이라는 곳에서 빛을 내는 것이 원리다.

 

 OLED의 구조는 nm단위 두께의 얇은 유기물로 이루어져 있다. 그리고 유기 화합물에 따라 특성이 조금씩 다르며, 이 친구들이 좀 더 조화롭고 효율적이게 만들기 위해선 전기 광학적 특성을 가진 물질들을 조합해 효율이 높은 소자를 제작해야 한다. 이 때문에 여러 다층(multi layer)으로 구성이 돼있다.

 양극과 음극이 전극을 구성되며, 직류 전원을 인가하면 양극으로는 정공이, 음극으로는 전자가 주입된다. 

 

 

 

 OLED의 기본적인 원리

 

 OLED의 빛을 내는 원리는 전계발광(EL : electroluminescent)에 해당한다. 발광물질에 전기를 가해 빛을 내는 방식인데, OLED에선 전자와 정공이 만날 때 발생하는 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것이다. 

 

 전자가 바깥쪽 궤도에 존재하는 경우, 보유한 에너지가 높다고 한다. 이를 '들뜬 상태' or  '여기 상태'라고 하며 에너지가 높으니 불안정한 상태이다. 만약 전자가 궤도 안쪽에 존재할수록, 에너지 수준은 낮은 상태이며, '바닥 상태' or '기저 상태'라고 부른다. 상대적으로 안정적인 상태다.

 

 원자는 에너지를 조절해 이런 상태를 바꿀 수 있는데, 전자를 들뜬 상태에서 바닥 상태로 바꿔주면 에너지는 원래 상태보다 낮아지고, 줄어든 만큼 에너지 or 빛의 형태로 방출이 된다. 반대라면 에너지를 흡수한다고 보면 되겠다.

 

 전자가 이동하는 자리는 가상의 입자 '정공'이라고 불리기 때문에 '전자와 정공이 만난다'라고 표현한다. 즉, OLED는 전자와 정공이 만날 때, 들뜬 상태의 전자가 바닥 상태로 안정화되면서, 이때 줄어든 에너지만큼 빛의 형태로 방출하는 것이다.

 

source : 삼성디스플레이

 

 위와 같이 OLED는 HIL, HTL, EML, ETL, EIL로 구성되어있다. 그리고 이미지엔 없지만 HTL의 일종이자 일부가 되는 EBL이라는 층도 있다. 

 

 전압을 가하지 않으면 전기가 흐르지 않을 테니, 전자와 정공이 움직이지 않고, 이 두 놈이 만날 일도 없을 것이다. 그러니 빛이 방출되지 않을 것이다.

 

 이제 전압을 가해주면, 우선 Anode에서 정공이 주입되고, 정공주입층으로 이동한다. 말 그대로 정공이 주입돼서 '정공주입층(HIL - Hole Injection Layer)'이라 부른다. HIL을 통해 주입된 정공은 EML에서 전자를 만나기 위해 이동한다. 보다 신속히 이동을 도와주는 것이 '정공수송층(HTL - Hole Transfer Layer)'이라고 한다.

 

 그리고 '전자지지층(EBL - Electron Block Layer)'을 지난 뒤, '발광층(EML - Emission Layer)'에 도달하게 된다.

 

---

 

*EML 안에서는 다시 RGB 도판트·호스트·프라임으로 나뉜다. 도판트와 호스트가 실제 빛을 내고 프라임은 두 소재의 발광 효율을 높인다. 가령 그린 도판트와 그린 호스트가 파란빛을 내면 그린 프라임이 이를 보조하는 식이다. 여기에 첨가되는 p도판트는 EML 전반의 효율을 높여 소비전력을 줄이는 역할을 한다. (source : www.ddaily.co.kr/news/article/?no=211454)

 

 반대로 음극에서 전자가 튀어나와 전자주입층에 들어가게 된다. 마찬가지로 전자가 주입돼서 '전자주입층(ETL - Electron Transfer Layer)'이다. 그리고 전자가 잘 갈 수 있게 '전자수송층(EIL - Electron Injection Layer)'을 지나가게 되고, '정공지지층(HBL - Hole Block Layer)'을 지난 뒤 발광층에 도달하게 된다.

 

 전자지지층(EBL)과 정공지지층(HBL)은 각 이동층에 일부인데, 전압이 너무 높으면 전자와 정공이 만나기보다는 반대쪽 전극으로 이동하려고 한다. 이를 막아서 발광층에 가두는 역할을 해준다.

 

---

 

 발광층에서 만난 전자와 정공은 서로 결합을 하게 되는데, 이를 '엑시톤(Excition)'이라고 말한다.

 

 엑시톤은 에너지를 빛 에너지 형태로 방출한 뒤에 없어진다. 여기서 좀 살짝 깊게 들어가자면, 몇 가지 개념을 알아야 한다. 'phonon(포논 : 분자가 진동하는 에너지)'라고 생각하면 된다. 실온에 있는 물질들은 열에너지를 받기 때문에 물질을 구성하는 격자가 진동하게 된다.

 

 그리고 전자와 포논이 결합한 것을 'Electron-Phonon Coupling'이라고 하며, 이는 'polaron(폴라론 : 극성을 띈 입자)'을 형성하게 된다. 폴라론은 전자들의 위치, 개수에 따라 '양폴라론(전자가 부족한 상태)' or '음폴라론(전자가 많은, 추가된 상태)' 이라고 한다. 

 

 즉, '정공주입층(HIL - Hole Injection Layer)'를 통해 '양폴라론'이, '전자주입층(ETL - Electron Transfer Layer)'을 통해 '음플라론'이 들어와 발광층에서 만나는 것이다.

 

 다시 정리를 하자면

 

1) 양폴라론과 음플라론은 발광층에서 만나고, 엑시톤을 형성한다.

 

2) 이때 전자를 많이 가진 음플라론에서 전자가 양폴라론에 전자가 빈자리로 들어오게 된다. 들뜬 상태에 전자가 바닥 상태로 내려가는 것이다.

 

3) 에너지는 낮아지고 안정화되며 낮아진 에너지만큼 빛의 형태로 방출된다.

 

 이때 빛 에너지 형태로 방출이 되는 발광층에선 어떤 색을 내느냐에 따라 사용되는 발광물질이 달라진다. 알다시피 RGB의 색을 내주는 물질이며, 각 색상별로 여러 층으로 구성되는데, 이를 '유기물층'이라고 한다.

 

source : 삼성디스플레이