Oled 발광원리 - oled balgwang-wonli

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A) 그렇죠. 우리가 일상에서 햇빛은 공기나 물만큼이나 소중하죠. 빛이 있어서 우리들은 서로 볼 수가 있고, 지구도 따뜻하게 데워지고, 식물들은 광합성을 하죠. 이러한 빛들을 인간도 만들 수 있습니다. 원시 시대의 마찰, 요즘의 성냥이나 라이터로 불을 피우면 되죠. 빨간 빛, 온도가 올라가면 파란색을 띄는 불, 불꽃들 말입니다. 불은 밝다는 점보다 뜨겁다는 느낌이 더 강하죠. 이렇게 에너지가 열 위주로 방출되는 것을 ‘열 복사(thermal radiation)’라고 합니다. 태양으로부터의 빛, 촛불, 그리고 횃불도 이에 해당하죠.

Q) 그건 불을 피워서 빛을 만드는 것이군요

A) 예, 그런데 우리가 형광등이나 TV에서 빛을 얻으려면 불을 피우거나 그로 인해 뜨거워지면 곤란하죠. 그래서 발광이라는 원리를 사용합니다. 즉, 에너지가 열보다는 빛으로 나와야 해요. 그리고, 뭐든 에너지가 나오려면 그에 상응하는 에너지가 들어가야 합니다. 들여보낼 수 있는 에너지의 종류는 다양하죠. 마찰도 그렇고, 화학 반응, 반딧불이와 같은 생물학적 반응, 심지어 소리와 같은 음파까지도 에너지로 활용할 수 있죠. 그런데 또, 우리가 TV에 마찰을 마구 일으키거나 반딧불이를 넣을 수는 없잖아요. 그래서 전기 에너지를 넣는 것이죠. 이와 같이 전기 에너지를 넣어서 열보다는 빛을 만들어 내는 과정을 우리는 ‘전계 발광(electroluminescence)’이라고 합니다.

Q) 그러면 OLED는 O, organic, 유기물에 전기를 흘려서 ‘유기’, LE, light emitting, 빛을 방출하는 ‘발광’… 인가요?... 그런데, D는 뭐죠?

A) 똑똑하시네요. D는 diode, 즉, 전극을 두개 가지고 있는 반도체 소자이죠. 전극이 두개이니, 당연히 한쪽 전극에서는 양전하, 반대쪽 전극에서는 음전하가 들어옵니다. 전하들이 움직이나 전류가 흐르게 되죠. 양전하는 정공(hole), 정공이 들어오는 전극을 양극(anode), 음전하는 전자(electron), 전자가 들어오는 전극을 음극(cathode)이라고 하죠. 양극과 음극을 통하여 들어온 정공과 전자들이 두 전극 사이에 끼워져 있는 유기물층을 통과하면서 빛을 만들어 냅니다.

Q) 아, 이제는 OLED, organic(유기), light emitting(발광), diode(다이오드)의 의미를 알겠네요. 이름에 원리가 담겨있군요. 그런데, 양쪽에서 들어온 정공과 전자가 어떻게 빛을 만들게 되는지요?

A) 자, 우리 학생들을 모델로 하여 예를 들어볼께요. 학교를 졸업하면 사회로 나가게 되죠. 사회로 나가면 에너지를 얻습니다. 일을 하고 월급을 타게 되니 ‘돈과 여유’라는 에너지를… 그리고 독립을 하죠. 즉, 부모님이라는 원자핵에 종속되어 있던 전자가 자유 전자(free electron)가 되는 순간이죠. 그리고, 새로운 세계에 들어섭니다. 자유 전자의 주입(injection)입니다. 활동 영역이 넓어지죠. 유연하게 여행도 가고 취미 활동도 하고… 유연한 유기물로 주입된 자유 전자가, 방향을 찾아, 움직여가는 전자의 전송(transport)이죠. 그러다가 어느 특별한 곳에서 운명같은 사랑을 만납니다. 저 쪽, 다른 곳에서 오고 있는 그대, 정공(hole)입니다. 둘은 멈춥니다. 마주보는 시선에는 사랑이 타오릅니다. 들떠 있죠. 마주친 둘이 들뜸이(exciton, 여기자)가 되죠. 그리고 사랑은 하나, 결혼입니다.

Q) 아, 사랑의 빛이 나오는군요

A) 그러면 얼마나 좋겠습니까마는, 에너지의 세계는 냉정합니다. 들어간 만큼 나오는 건 불변의 진리이죠. 들어간 에너지, ‘돈과 여유’는 줄어들고, 그 대신에 가정의 화목한 빛이 나오는 순간입니다. 가정, 빛이 나오는, 영역, 발광층… 참… 발음이 좀… 영어로 emission layer입니다. 요약하면, 전기 에너지를 통하여 양극과 음극에서 각각 주입된 정공과 자유 전자들이 유기물층으로 주입, 이동하여 발광층에서 만나, 여기자를 형성, 안정 상태로 되돌아오면서 빛을 만들어내는 과정입니다.

Q) 그러면, OLED에서 나오는 빛은 햇빛과 같은가요? 아니면…

A) 햇빛도 OLED에서 나오는 빛도 전자기파입니다… 즉, 전기장과 자기장이 어우러진… 다만, OLED에서 나오는 빛은 무한한 전자기파 영역에서, 우리 눈으로 볼 수 있는 영역, 즉, ‘가시광선(visible light)’ 영역이죠. 좀 더 정확히 말하면 빛의 3원색인 빨강과 초록, 그리고 파랑을 만들어내고, 이를 섞어서 다양한 파장의 빛, 즉, 색을 만들어가죠. 여기부터는 다음 노트, ‘OLED 빛의 성격은 어떨까?”에서 다루어 보겠습니다.

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지난번 포스팅 3. OLED란?? (1) - 정의편에서는 OLED가 무엇인지 사전적의미와 함께 유기물이 갖는 간단한 특징들에 대하여 알아보았습니다. 앞으로 계속 연재될 포스팅들에서 OLED의 발광원리에 대하여 자세하게 다루겠지만 OLED 개론 수준의 발광원리에 대하여 간단히 정리를 해보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

<사진1. 인터넷에서 흔히 볼 수 있는 OLED구조(왼쪽) 및 에너지밴드 다이어그램(오른쪽)>

자. 여러분들은 지금까지 OLED의 구조나 발광원리에 대하여 검색해보면 주구장창 위 사진1에서 보이는것과 같은 블록쌓기같은 그림과 함께 전자와 정공이 만나서 빛을 나오게 한다는 굉장히 상세하고 디테일한 설명들을 만나셧을겁니다.

그러나 제가 석사시절 실험조교로 학부생들을 대상으로 위 사진1과 같은 그림으로 이론시간을 피를토하며 설명을 하였지만 실제 증착장비로 실습하기 전까지는 왼쪽그림처럼 실제 각 층들이 유리기판만큼 두껍다고 상상을 하거나,

레고처럼 각 층들을 조립하여 끼워 맞춰서 제작하는 것처럼 상상하는 학생 심지어 유기물 가루를 뿌려서 은박지같은 금속으로 눌러놓은 것으로 상상하는 학생들도 있는 등 정말 경험해보지 않은 대상에 대한 인간의 상상력이란게 엄청나다는 경험을 했었습니다.

오른쪽의 에너지밴드 다이어그램 또한 그들에겐 레고맞추기 그림일 뿐 전혀 그들의 머리속에선 OLED의 구조란게 위 그림들로는 조금도 이해시킬수 없다는 것을 깨달았습니다.

심지어 현재 OLED 재료회사에서 연구를 하고 있지만 유기합성하시는 분들 조차도 자신이 만든 재료가 어떻게 OLED 소자로 제작되어 지는지 빛이 어떻게 나게 되는지 정공이 뭔지 ITO가 뭔지 전혀 관심도 없는데다 OLED 구조에 관련해서는 제가 가르치던 학부생들과도 전혀 차이가 없을 정도로 이해도가 낮다는 것을 알고 많이 놀랐던 기억이 있습니다.

앞으로 연재될 글들에서 차차 OLED 구조와 구동원리에 대해서 자세히 전달해 드릴 예정이니 많은 사람들의 OLED에 대한 이해에 도움이 되었으면 합니다.

다시 본론으로 돌아가 그럼 OLED의 발광원리의 개념과 핵심은 무엇이냐. 이 질문에 대해 다섯가지의 특징으로 결론지을 수 있습니다.

OLED는!

1. 박막(nm단위 두께의 얇은 막)의 유기물로 이루어져 있다.

2. 다층(multi layer)로 구성되어 있다.

3. 양극과 음극이 전극을 구성하고 있다.

4. 직류 전원을 인가하면 양극으로는 정공이, 음극으로는 전자가 주입된다.

5. 주입된 전자, 정공이 만나서 빛을 발광한다.

기본적으로 위 5개 조건이 성립되면 이 장치는 OLED라 부를 수 있습니다.

각 조건들에 대해 조금 더 자세히 파고들어 봅시다.

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1. 박막(nm단위 두께의 막)의 유기물로 이루어져있다.

박막은 무엇이고 nm는 무엇인가?? 이것부터 이해하고 넘어가야합니다.

막이라 하면 일반적으로 어떠한 얇은 형태로 구성된 물질의 형태를 말합니다. 알루미늄이 얇게 구성되어 있으면 알루미늄막이 되는 것이고 유기물이 얇게 구성되어 있으면 유기물 막이 되는 것이지요. 그런데 이러한 막의 종류도 두께에 따라 두가지로 분류합니다.

후막 : 10um(마이크로미터) 이상의 막

박막 : 후막보다 얇은 막. 즉, 10um 이하의 막

그런데!! 이 정도까지 설명해야하나 싶지만 단위에 대해 익숙하지 않으신 분들이 참 많아서 한번 단위에 대해 간략하게 설명하고 넘어가도록 합시다. 익숙하신분들은 패스 하셔도 좋습니다.

일반적인 길이 단위는 m(미터)입니다. 제 키가 대략 1.85m이고 혹은 185cm라 표현하니(..... 죄송합니다 제 희망키였습니다.) m(미터)앞에 붙어서 m를 수식해주는 c와 합치면 cm(센치미터)라 불리는데 우리는 일상생활에서 많이 사용하는 이 센치미터라는 단위가 소수점 두자리를 옮겨주는 즉 10^-2(10의 마이너스 2승) 단위라는 것을 알고 있습니다.

그럼 한번 정리를 해봅시다. 우리는 굉장히 작은 단위를 다룰것이기 때문에 m이하의 단위만 정리해보도록 하겠습니다.

m : 미터, 말그대로 미터 대략 어른 허리춤까지의 길이

cm(센치미터) : 10^-2m, 대략 엄지손톱 길이

mm(미리미터) : 10^-3m, 대략 샤프심 한개반의 두께

um(마이크로미터) : 10^-6m, 머리카락이 대략 100um 즉, 머리카락은 0.1mm

nm(나노미터) : 10^-9m, 음.. 얼마나 얇은지 와닿지가 않죠?? 원자 10개가 일자로 늘어서면 1nm가 됩니다.

Å(옴스트롱) : 10^-10m, 이것이 대략 원자 하나크기입니다.

<사진2. 두께단위의 대략적인 비유. 출처 : SK하이닉스 블로그 >

그래서 결론적으로 OLED에서의 유기물의 두께는 nm단위로 구성되니 유기박막이라 부릅니다. 사실 유기물은 실제로 전기적 특성이 다른 전도성 재료들에 비하면 거의 부도체처럼 보일 정도록 낮은 전기적 특성을 보여줍니다만 두께가 nm단위로 얇아지면 그나마 '조~~금 뭔가 흘러가는거 같긴 하구나' 라는 정도의 전기적 특성을 가질 수 있습니다. 요즘은 유기물로 트랜지스터도 만드는 시대이기도 하니 백번 양보해서 nm단위로 얇아지면 전기가 흘러가는구나 정도로 인지하고 계시면 됩니다. 그래서 유기물로 전기적특성을 보여지려면 두께가 nm 단위로 얇게 구성되어야 합니다.

2. 다층(multi layer)로 구성되어 있다.

유기물이 아무리 얇게 구성된다고 하더라도 유기물에 따라 전자를 잘 흐르게 하는 물질, 정공을 잘흐르게 하는 물질, 빛을 잘내는 물질 등 분자 구조에 따라 성질이 많이 다르기 때문에 주로 OLED는 이러한 다양한 전기 광학적 특성을 지닌 여러 물질 층들을 조합하여 효율이 높은 소자를 제작하며 이때 다층 (일반적으로 5개층 이상)으로 제작합니다.

3. 양극(anode)과 음극(cathode)이 전극(electrode)를 구성하고 있다.

유기물로 제작되는 OLED라 하더라도 결국 전기에너지를 수월하게 전달 받으려면 전극이 필요하고 전기에너지를 제공하려면 양극과 음극으로 된 전극을 구성해야합니다. 그래서 이 두 전극 사이의 전기적압력(전압)차를 인위적으로 주어 전자의 흐름을 유도하여 전기가 흐르게 만들어야합니다.

4. 직류 전원을 인가하면 양극으로는 정공이 음극으로는 전자가 주입된다.

전극의 용도가 교류전압을 이용하는 LCD와는 다르게 OLED는 항상 일정한 방향으로 전기를 흐르게 하는 직류 방식을 사용하기 때문에 양극과 음극으로 역할을 분명히 나누어지며 따라서 양극쪽에는 양전하를 띄는 정공주입층 내지 정공수송층을 구성하고 음극 쪽에는 음전하를 띄는 전자 주입층 내지 전자수송층을 구성하여 전자와 정공의 주입을 원할하게 소자구조를 구성합니다.

5. 주입된 전자, 정공이 만나서 빛을 낸다.

주입된 전자와 정공은 OLED 소자 가운데서(일반적으로 EML(Emitting Layer)라 불리우는 발광층) 전기적 인력에 의해 결합되어 엑시톤(Exciton)이라는 준입자를 형성하고 이 엑시톤이 안정화되는 과정에서 방출되는 에너지를 빛에너지로 바꾸어 외부로 방출하게 됩니다.

<사진3. 실험실에서 제작한 2.5cm X 2.5cm 크기의 OLED소자(왼쪽), 아몰레드 화면의 점 하나를 구성하는 픽셀구조(오른쪽)

위의 5가지 조건을 만족하는 장치를 실험실에서 제작하면 사진3.왼쪽과 같이 손가락으로도 집을 수 있을정도의 크기로 제작됩니다. 이러한 소자를 1개의 픽셀이라 부른다면 아몰레드라 불리는 디스플레이는 이러한 픽셀들을 수백만개의 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 크기로 만들어 세가지 색(적색, 녹색, 청색)으로 배치하여 우리 눈에 화려한 시각적 정보를 제공하게 됩니다.

우리가 단돈 몇만원만 주면 구매할 수 있는 OLED 패널. 그러나 OLED 한개를 만드는데 필요한 재료, 회로, 제작장비, 측정장비, 기술인력운용 등의 전반적 기술의 높은 수준을 감안한다면 대량생산이 가능한 현대시대에 태어나 이러한 기술을 이 가격에 누릴 수 있다는것이 축복이라 생각이 들 정도로 현재의 OLED기술의 축적도는 관련업계 종사자로써 경외감마저 들정도 입니다.