[디스플레이] 분자오비탈 MO / 파이결합과 시그마결합 / 공명구조 (비편재)

OLED는 유기소재로 이루어진 디스플레이로  탄소로 이루어진 고분자 물질입니다. 

유기물이라 하면 탄소도 있지만 질소와 산소도 포함되는데요. 이들의 공통적인 특징은 공유결합을 한다는 것에 있습니다. 따라서 우리는 OLED를 배우기에 앞서 잠시 유기화학의 내용 중 하나인 분자오비탈의 개념을 짚어볼 필요가 있는데요.  다음 그림을 통해 파이&시그마 결합까지 한 눈에 살펴보도록 합시다.

O2의 분자오비탈 <출처 - 티스토리 블로그 '한가로이 취미 한걸음'>

1) MO는 유기물 간의 결합이론을 의미하며, 공유결합 중 가장 강한 특징을 가집니다. 

2) *는 스타를 의미하고 Anti-Bonding임을 보이고 있습니다. 보시는 바와 같이 Anti-Bonding의 경우는 에너지 준위가 높아서  큰 에너지를 가진다는 것을 볼 수 있습니다. 

3) 산소의 경우는 시그마2p결합이 제일 낮은 에너지 준위를 가지지만 탄소,질소의 경우는 파이결합이 제일 낮은 에너지 준위를 가집니다. 

4) 에너지 준위가 낮을수록 본딩이 끊어지기가 쉽다는 것을 의미합니다. 

5) 위의 MO이론은 단원자 혹은 이원자에 대한 모식도인데요. 다원자 MO쪽은 굉장히 어렵고 깊이 갈 필요도 없기 때문에 플루오린까지만 알아두면 좋습니다. 

 

보시면 S오비탈은 양자수 법칙에 따라 오비탈이 1개 (구형) / P오비탈은 오비탈이 총 3개로 (X,Y,Z축 아령 모형) 구분되어집니다. 

 

▶ 파이결합과 시그마결합

- 시그마 결합은 원자들끼리의 결합 자체를 의미합니다. C2H4를 생각해볼게요. 얘의 경우는 2중결합 유기물인데

C-C 결합 1개 그리고 C-H결합 4개로 총 5개의 결합을 합니다. 이를 '시그마 결합' 이라고 합니다. 시그마 결합은 축과 나란한 방향의 결합으로 파이결합보다 세다는 성질을 가지고 있습니다. 

에틸렌 루이스구조식

이렇게 2차원적으로 있는데 수소들을 한 평면 위에 놓여져있다고 봅시다. 그리고 탄소를 중심으로 오비탈이 H 평면에 수직한 상태로 놓여있다고 봅시다.

에틸렌 구조식

저런 모습으로요.  보시면 파이결합과 시그마결합이 겹치는부분을 보면 '어? 파이결합이 더 쎄보이는데?' 하실텐데 실상은 그렇지 않습니다. 세기로만 보면 시그마결합 > 파이결합입니다.  추가로 드릴 팁은 이중결합과 삼중결합 그리고 단일결합에서의 파이결합 개수인데요. 단일결합에서는 파이결합은 없고, 이중결합은 1개 그리고 삼중결합에서는 2개가 있다고 보시면 됩니다. 

 

▶ 비편재된 공명구조 (벤젠)

공명구조는 옥텟규칙, 형식전하 등등을 모두 만족시켰음에도 불구하고 유일한 구조가 아닌 경우로 나오는 것을 말합니다. 대표적인게 벤젠인데요. 

벤젠 구조

C6H6 구조식을 가지는 벤젠을 보면 이중결합 3개 / 단일결합 3개로 이루어져있습니다. 그림에서는 11시방향 3시방향 7시 방향에 이중결합이 되어있는데요. 저 구조말고도 1시방향, 5시방향, 9시방향에 이중결합이 있어도 아무런 문제가 없습니다.  그러면 이 때, 구조식은 2개 모두가 정답이냐?라고 묻는다면 그 답은 '아니오'입니다. 둘다 틀린 구조에요. 

그래서 저렇게 가운데에 구멍을 뻥 뚫어놓고 벤젠은 '공명 구조'다 라고 부르게 됩니다. 

벤젠이 왜 비편재된 공명구조라고 불리는지 보겠습니다. 편재되어있다는 것은 전자가 한쪽으로 몰려있다는 것을 말합니다. 단일결합을 하면 각각의 원자는 최외각전자를 하나씩 내놓음으로써 공유를 하게됩니다. 그러면 N차결합일수록 각각의 원자에서 내놓는 최외각전자 개수가 많겠죠?  N차결합과 단일결합같이 차수가 동일하지 않은 구조식이라면 전자는 N차결합을 한쪽에 더 많이 몰려있을겁니다.  즉, 전자가 편재가 되어있다고 보시면 됩니다. 

(이 부분은 제가 기억이 가물가물해서 유추해본 이유입니다. 혹시 잘못되었다면 지적 부탁합니다.)

 

아무튼 비편재된 유기물의 경우에는 파이전자가 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 전도성을 띱니다. 

여기서 우리는 전도성 유기물의 반도체 가능성을 보게 된 것입니다. 

 

▶ HOMO / LUMO

- 무기물 반도체의 경우는 동일한 에너지 준위들이 모여 에너지 밴드를 이룹니다. 그리고 페르미 에너지까지 채워진 에너지 밴드들을 2차원 상의 그래프 형태로 나타낸다면 그게 이제 Conduction Band (전자들이 있는 곳) / Valence Band (Hole이 있는 곳)이 됩니다.

유기물 반도체도 동일합니다. 유기물들의 분자오비탈 결합에 의해서  파이결합과 시그마결합의 에너지 준위들을 가지고 비슷한 에너지 밴드를 형성합니다. 그것이 이제 HOMO와 LUMO가 되는데요. HOMO는 최고 점유 분자오비탈을 의미하고 LUMO는 최저 점유 분자오비탈을 의미합니다. 

 

Conduction Band와 Valence Band 사이의 밴드갭이 적당하다면 그것이 이제 반도체가 되는 것입니다. 일정 전압을 인가했을 때 (밴드갭에너지를 넘을만한) 전류가 흐르고 그렇지 않으면 흐르지 않는. 

HOMO와 LUMO 역시 두 사이의 에너지 갭이 크면 안됩니다. OLED의 발광원리를 보면 싱글렛 혹은 트리플렛에서 

광자가 바닥상태로 떨어지는 것을 봅시다. 광자가 위치한 싱글렛, 트리플렛이 LUMO고 바닥상태가 HOMO라면 

LUMO에서 HOMO로 광자가 떨어질 때 이것이 빛에너지로 전환됩니다. 그러나 이 두 사이의 갭이 크다면 진동에너지 혹은 열에너지로 소모되고 맙니다.  이를 보면 무기물 반도체와 정말 비슷하죠?

 

▶ 유기반도체의 장단점

장점

- 유기물 반도체는 비정질이거나 결정질이거나 딱히 차이가 없이 균일하다.

- Low cost

- Flexible한 물성을 가질 수 있다.

- 얇게 만들 수 있다. (LCD tv와 OLED tv의 두께를 보시면 알 수 있습니다.)

 

단점

- Low mobility

- UV에 취약함

- 산화가 잘된다. (습기에 약함) 이러한 이유때문에 Encapsulation 기술이 등장하게 되었습니다.