[디스플레이] PhotoLuminescence & ElectroLuminescence / OLED 작동원리들

▶ OLED : 유기물에 전류를 흘려보내서 빛을 내는 발광소자

1세대 OLED는 중국인 연구원 C.W Tang이 필름카메라 회사였던 Kodak에서 실용적인 첫 OLED를 개발하게 됩니다. 

이 당시에는 유리위에 ITO 그리고 Diamine을 쌓고 Alq3, Mg을 진공증착법으로 쌓았습니다. 

Alq3에서 전자와 정공이 만나서 불을 내는 발광층 역할을 했는데요. 이 때 얻은 광자 효율성이 1%정도 되었습니다. 

물론 효율성이 지금보면 엄청 낮지만요! 

 

▶ PL (A.K.A Photoelectric Effect)

- 핵을 중심으로 돌고있는 최외각전자들을 생각해봅시다. 이 원자에 만약 포톤 에너지를 가하면요.

핵 주변을 돌고있는 최외각전자가 이 에너지를 흡수하게 됩니다. 그러면 운동에너지가 커지게 되면서 밖으로 튕겨져 버리게 됩니다. 즉, 들뜬상태가 된다는거죠. 적당한 에너지에 의해 자유전자 상태가 된게 아니라면 들뜬상태의 전자는 바닥상태로 다시 내려가게 됩니다. 이 때 에너지를 다시 방출하는것이구요. 여기까진 일반화학에서 배운 내용입니다. 

이 에너지가 방출되면서 빛을 내게 됩니다. 이를 PhotoLuminescence라고 합니다. 

 

최외각전자에 채워진 전자가 있는 곳을 HOMO라고 합니다. 여기에 밴드갭 에너지만큼에 해당하는 포톤 에너지 (Ray)를 가하면 LUMO로 올라가게 됩니다. 그러면 봅시다. LUMO는 전자를 얻었으니 -상태구요. HOMO는 전자를 잃었으니 +상태입니다. 즉, 전자와 정공이 생겼으니 이 둘은 Binding하려합니다. 이들이 Binding을 하면 그걸 Exciton이라고 합니다. 

 

그런데 여기서 잠깐, 저희가 디스플레이 OLED 발광원리를 배웠을때  '포톤 에너지'를 가해주었다는 말을 들으셨었나요?

아니죠. 그럼 왜 우리가 Vth , Source, Drain 이런것을 배웠겠습니까 ㅎㅎ 디스플레이 디바이스는요. PL말고 EL을 씁니다.

이제 아래를 보시죠.

 

▶ EL (ElectroLuminescence)

- EL은 Exciton을 만들기 위해 필요한 것이 전기에너지입니다. PL은 포톤에너지였구요. 

자, 그러면 봅시다. Cathode (음극)쪽에 전자를 주입합니다. 이를 전자 Donor라고 합니다.

그 다음은 Anode(양극)입니다. 얘는 전자 Acceptor라고 합니다.  이제 이들이 Recombination을 하면 발광을 하는거죠.

 

▶ OLED의 동작 원리

- Anode 전극은 ITO 기판 / Cathode 전극은 금속기판

- HIL층  /  EIL층   (주입층)

- HTL층  /  ETL층  (전달층)

- EML층 (발광층)

 

이런 원리로 있습니다.  Anode  HIL  HTL EML  ETL EIL  Cathode  이런식으로 되어있는겁니다. 

발광층에서 생성된 빛은 Anode쪽으로 송출됩니다. 그렇기 때문에 Anode는 투명성을 높이기 위해 투명전극인 ITO를

쓰는 것입니다.  반대로 Cathode쪽은 빛을 Anode쪽으로 내보내기 위해 금속기판을 사용하는 겁니다. 반사율이 높기 때문이죠. 

OLED 작동원리 <출처 - '티스토리 블로그' 꿈을꾸는사람들>

자, Cathode 전극에 어떤 금속을 넣어야 좋을지 한번 봅시다. 음극은 전자를 얻어내는 전자 Donor입니다. 

그러면 전자를 쉽게 얻으려면 어떤 금속이 좋을까요? 저라면 리튬, 칼슘, 마그네슘같이 최외각전자가 1~2개인 애들로 하겠습니다. 옥텟규칙에 따르면 최외각전자가 8개일때 가장 안정성을 띠기 때문에 리튬과 같이 최외각전자가 1개인애들은 이 1개가 너무 눈엣가시겠죠? 얘를 떼내버리기 아주 쉽습니다. 이를 'Low Work Fuction' 이라 합니다. 

 

그러면 Anode는? 얘는 반대로 High Work Function이 되겠죠? 전자를 받으려고 하니까요. + 추가로 투명성까지 높여야하기 때문에 ITO, IZO전극을 많이 쓰는 편입니다. 

 

근데 OLED의 Layer들을 보면요. ETL층의 정공부분이 가지는 배리어가 크다는 것을 알 수 있습니다. 

그렇기 떄문에 Transport층에서 전자와 홀의 모빌리티를 잘 제어해줘야 이들이 EML층으로 도달하는 시간이 얼추 맞게 될 것입니다. 이 부분은 우리가 잘 고려해줘야겠죠? 또한, EML층에서 Exciton을 최대효율로 뽑아내기 위해서는 

전자와 홀의 개수를 최대한 똑같이 맞춰줘야 잉여물이 남지 않게 될 것입니다.