Crush on Study

정공주입층, 정공수송층 소재를 선택하기 위해서는 다음과 같은 특성을 고려해야 할 것입니다.

★ Energy Level

- HOMO-LUMO 갭을 가지고 판단하는 것인데 이게 구동전류&전압을 좌우하기 때문입니다. 

★ Mobility

- 전자의 이동도 역시 빠르게 전달하는 것도 중요사항 중 하나입니다.

★ Emtting Wavelength

- 색좌표를 좌우하는 것입니다. 발광파장이 장파장이냐 단파장이냐에 따라 RGB 구현을 잘 할수 있으니까요.

★ Thermal Stability

- 열 안정성입니다. 제작 공정 자체가 유기물질에 열을 가하는 것이기 때문에 높은 온도에서 유기물이 지속적으로 가해지는 것인데 이 상황에서 안정성을 갖게 해야합니다. 즉, 유기물질의 분해 온도를 파악하고 이것이 높은 재질을 써야 유리합니다. 

자세히 보겠습니다. 먼저 정공주입층 쪽입니다.

1) HOMO

먼저 HOMO레벨에 관한 것입니다. 이 HOMO 레벨을 잘 맞춰놔야 발광을 적절히 낼 수 있는데요. 

만약 HOMO-LUMO갭이 크면 Transport가 일어나기 힘드니까 HOMO레벨을 올려놓기 위해 '질소'물질을 사용합니다. (아민)

대표적인게 DNTPD라는 물질 혹은 Spiro-TPD라는 물질입니다. 보통의 HOMO레벨은 5.1eV의 에너지 레벨을 가집니다.

아무튼 질소의 개수에 따라서 HOMO레벨을 조절할 수 있습니다. 

2) Mobility는 어떻게?

전하이동도를 높이기 위해서는 정공주입층의 결정구조가 결정화가 되지 않은 Uniformly한 무정형 필름을 사용해야 합니다. 뿐만 아니라 이것은 표면의 Roughness까지도 커버해주기 때문에 누설전류를 일으키는 것을 막아줍니다.

3) 열 안정성에 대하여

- 유리전이온도가 높아야 합니다. 열 안정성을 높인다는 것은 유기물에 가해지는 열을 줄이기 위해 이 열을 커버해줄 수 있는 재질이 필요하단 것입니다. 유리전이온도가 높을수록 내열성이 크다! 라고 보시면 되겠습니다. 

4) ITO 투명전극

- ITO는 빛을 송출시키기 위해 Anode층에 쓰이는 재료입니다. 

5) EML층에서 생성된 광자는 Anode층으로 나가기 때문에 HTL HIL Anode 층으로 지나가게 됩니다. 

따라서 이 광자를 흡수하면 광자 효율성이 떨어지기 때문에 흡수율이 낮은 재질을 사용해야할 것입니다.

이번에는 정공수송층 소재입니다. 

1) 마찬가지로 높은 홀 모빌리티를 가져야 좋겠죠?

2) 정공주입층과 별 다를 것 없이 질소물질이 필요합니다. 왜냐? 얘 역시 에너지 레벨을 높여야 하거든요. 

정공주입층보다 약간 높여야하기 때문에 질소물질이 좀 더 많이 필요하겠죠? 주로쓰이는 것은 TCTA입니다. 

레벨은 5.5eV정도입니다.  반대로 LUMO값을 낮춰야 합니다. 전자를 블록하기 위함이죠.

3) 유리전이온도도 높아야되고 무정형의 Uniformly한 필름을 재질로 하는것도 다 동일합니다.

다만 하나 중요한게 있습니다. 엑시톤을 블로킹하기 위해서 높은 트리플렛 에너지를 가져야 합니다. 

HTL의 경우는 EML이랑 바로 붙어있습니다. 이 때, HTL의 트리플렛 에너지가 낮다면 전자가 누설될 수 있기 때문에 이를 박기 위해서 배리어를 쌓는 것이죠.  위에 그림보시면 EML과 ETL사이의 배리어에 비해 HTL과 EML  사이의 배리어가 더 큰것을 알 수 있습니다. 

▶ P-Doping 기술

- P도핑 기술은  디바이스의 모빌리티를 높이기 위해 정공을 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술을 말합니다. 전기전도도와 모빌리티는 서로 비례관계에 있는데요. 결정면에 대한 문제를 해결하는 접근방법도 좋지만  전하를 수송하는 운반자들. (캐리어)의 양을 늘리는 것도 하나의 방법입니다. 

이번에는 전자수송층 소재에 관한 것입니다.

OLED의 수송층에는 항상 HOMO-LUMO의 레벨을 조정할 물질로 아민(질소)의 개수에 따라 결정하는 것으로 합니다. 

LUMO레벨은 3.0eV정도구요.  홀을 블로킹하기 위해 적절한 HOMO 레벨의 값을 갖고 있어야 합니다.

N-Doping 전자수송층 소재

- P도핑과 다르게 전자를 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술입니다. 이 도핑기술이란게 왜 중요하냐면 OLED를 구동시키는데 필요한 전류의 양 대비 응답속도를 높이기 위함입니다. 그렇기 때문에 HTL은 p도핑 / ETL은 n도핑 / 발광층은 그냥 도핑없이 가면 됩니다. 

▶ 발광층의 소재

- 발광은 형광과 인광으로 나뉘구요. 발광효율을 보면 내부 광자효율과 외부 광자효율로 나뉘는데요. 

형광이 가지는 내부광자효율은 25%고, 인광의 내부광자효율은 100%입니다. (어떤 교재 혹은 블로그에서는 75%라고 할떄가 있는데요. 이거는 제가 자세히 알아보겠습니다.) 

형광이 가지는 라이프타임은 나노세컨드 단위지만 인광의 경우는 마이크로세컨드 단위라서 발광시간은 인광이 더 깁니다. 

발광층은 캐리어에 주입된 정공과 전자들이 수송되어져서 만나는 곳입니다. 그 다음은 실제로 발광하는 물질인 도펀트로 전달이 되구요. 이 도펀트를 도와주는 물질이 호스트입니다. 

정공은 호스트 물질로 들어오구요. 호스트 물질로 전자가 조금씩 들어오면 '엑시톤'이 되는것이죠.  그러면 이 형성된 엑시톤의 에너지를 도펀트로 전달하는 것입니다. 그러면 도펀트가 이제 발광을 하는것이죠. 좀 더 자세히 발광과정을 말씀드린겁니다 ㅎㅎ

정리를 해보죠. Anode층 (양극에서 정공) Cathode층 (음극에서 전자) 이들은 캐리어에 각각 주입된 P도핑,N도핑된 상태로 수송되어집니다. 그리고 EML층으로 도달하게 되면 이들은 호스트물질로 편입되구요. 호스트 물질에서 엑시톤이 형성되면 이 엑시톤에너지를 도펀트로 전달합니다. 그러면 도펀트가 발광을 일으키는 것이죠. 

이 때 호스트에서는 싱글렛이 되던가 트리플렛이 되던가할텐데 이때 인광과 형광이 결정되는 것입니다. 

FMM는 스테인리스 스틸을 가지고 RGB를 패터닝하는 방식입니다. 

저런식으로 Gas 증착할때 마스크를 가지고 r,g,b를 패터닝하는 것입니다. 

얘 말고도 레이저전사법이라는 패터닝이 있는데요.  레이저전사법도 굉장히 좋은 패터닝이지만 '우라'라는 흔적이 남아서인지 FMM기법을 많이 사용하는 것 같습니다!

또 다른 패터닝으로는 전기수력 패터닝이 있습니다. 연구용으로 쓰이는데요. 아직까지 크게 뜬 기술은 아닙니다. 

▶ 유기물의 결합

- 유기물이 결합을 하면 크게 시그마 결합과 파이 결합으로 나타납니다. 시그마 결합이라 함은 핵과 핵 사이를 공유하는 것이고, 파이 결합은 유기물의 오비탈 중에서 P오비탈을 통해서 한 쌍의 전자가 공유되며 결합을 형성하는 것을 말합니다.

시그마 결합은 핵에 의해 강하게 붙들려있기 때문에 파이 결합보다 강한 편입니다. 

따라서, 시그마 결합은 안정성이 높아 낮은 에너지를 가지기 때문에 안정한 상태를 가집니다. 그러나 파이 결합은 상대적으로 강하게 붙들린게 아닙니다. 핵으로부터 멀리 떨어져있기 때문에 안정화 되어있지 않아 높은 에너지를 가집니다.

파이결합을 갖기 위해서는 이중결합 그 이상이어야 합니다. 그리고 OLED 유기물 소재는 전하 이동이 기본적으로 일어나기 때문에 단일결합을 할 수는 없습니다. 즉, 이중 아니면 삼중이란 뜻이죠.

▶ 분자궤도함수이론 (MO)

- 공유결합은 원자궤도함수의 상호작용에 기인한 분자 궤도를 형성함에 의해 만들어집니다.

각각의 원자들이 결합을 하면 이제 결합과 반결합상태로 나뉘게 되는데요. 결합이라는 것은 

원자들이 결합함으로써 안정성을 찾은 경우를 말합니다. 안정하다는 것은 낮은 에너지 준위를 가진다는 것이구요.

반결합은 원자들이 결합하지 못해서 불안정한 상태가 된 것을 말합니다. 즉, 높은 에너지 준위를 가집니다.

탄소,질소,산소,플루오린을 기준으로 탄소와 질소까지는 시그마결합이 파이결합보다 낮은 에너지 준위를 가집니다.

그리고 파이결합부분을 HOMO라고 하구요. 정공(양극)을 만들어내는 자리.  그리고 파이스타결합을 LUMO라고 하구,

전자(음극)을 만들어내는 자리입니다.  이 사이를 HOMO-LUMO갭이라 합니다. Transpert Layer라고도 하죠.

▶ 흡수와 발광

- 발광은 여러분들이 잘 아실겁니다. 에너지를 방출하는 과정에서 나오는 빛을 의미하죠. 그러면 이 에너지를 흡수하는 과정 또한 있을것입니다. 이 에너지 흡수는 '파이 전자 흡수' 로 이루어지는데요. 파이 전자가 있으려면 이중결합이여야 합니다.  

- Chromophore(크로모포어 ; 발색단) : 자체적으로 빛을 흡수하는 단위 (탄소가 가장 좋음) 

- AuxoChromophore (옥소 크로모포어) : 자체적으로 빛을 흡수하지 않지만  크로모포어를 돕는 조색단. 질소와 산소가 많다.

즉, 가장 좋은 발광재료는 발색단과 조색단을 동시에 가지고 있는 애겠죠? 흡수가 잘된다는 의미니까요.

다음은 발광을 봅시다. 발광의 종류로는 형광과 인광이 있는데요. 형광은 Singlet에서 일어나는 것이고 인광은 Triplet에서 일어나는 것입니다. Singlet에서는 스핀의 합이 0입니다. 그러나 Triplet에서는 훈트의 규칙에 따라 하나의 오비탈에 하나의 전자씩만 먼저 채워져있습니다. 그렇기 때문에 스핀의  합이 0이 아니게 됩니다.

이들이 가지는 발광효율은 각각 형광 25% / 인광 75%입니다.  

* 추가로 알아두면 좋을 사실. 발광 파장을 제어하는 방법인데요. 이는 이중결합의 개수를 조절하는 것입니다. 

이중결합 개수가 늘어나면 발광파장은 장파장이 되는데요. 장파장이 되면 HOMO-LUMO의 갭이 줄어들게 됩니다.

따라서 RGB에 따라 파장을 늘릴지말지 결정하면 되겠습니다. 

▶ 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. 

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. 

OLED의 패터닝 공정을 알아봅시다. OLED 패터닝을 하는 과정 중에서 중요하다고 보는 것은 '리소그래피(노광)' 쪽입니다. 

이 리소그래피라는 것은 pr도포된 애 위로 레이저를 쏴서 물성을 변화시키는 역할을 하는데요. 

디스플레이에 있어서 변화되는 물성은 다음과 같습니다. 

CD (Critical Dimension)인데요. 얘는 파장과 Numerical Aperture에 연관이 있습니다. 

제가 CD가 무엇인지는 자세히 모르겠는데 조리개랑 파장 그리고 렌즈가 나온거보면 아마도 분해능일 것 같습니다. 

이 내용 잠깐 공부했을때도 CD를 줄이는 방향으로 간댔으니까 아마 분해능이 맞을겁니다. 

그렇기 위해서는 NA(Numerical Aperture)를 키워야겠죠? NA는 렌즈의 구경을 넓히면 커집니다. 

한편, OLED 패터닝 공정에 있어서는 LCD와 다른 공정방법을 사용하는데요. 그걸 '다이렉트 패터닝' 이라고 합니다. 

그럼 왜 다이렉트 패터닝을 사용하느냐?

OLED와 PR의 경우는 일단 유기물입니다. OLED는 뭐 잘 아실거고 여기서 쓰이는 PR은 페놀수지계열이라서 유기물입니다. 근데 이 둘은 Phase seperation을 할 방법이 없습니다. 이 둘을 구분하기가 쉽지 않기 때문인데요. 그렇다보니 그냥 막 노광시켜서 현상용액으로 녹이면 둘다 녹아버릴 수 있기 때문에 그렇죠. 그래서 이를 보완하기 위해 다이렉트 패터닝이 등장한 것입니다. 

다이렉트 패터닝 보시면 뭐 노광,현상,에칭 이런거 하나도 안합니다. 그러면 다이렉트 패터닝은 어떤 종류가 있는지 보겠습니다. 

1) Fixed Pattern Type (고정형 패터닝) : Screen Printing (데칼코마니처럼 찍어내는거) / Roll to Roll(인쇄업에서 따온 아이디어) / Imprinting

2) Pattern on Demand Type : LDP(레이저 이용) / EHD Jet / Aerosol Jet / Inkjet / Dip Pen 

이렇게들 있습니다. 여러분들이 아마 제일 많이 들어보신건 Inkjet일 것 같네요.

▶ OLED 디스플레이의 픽셀 구조

- 1) 기본적인 RGB OLED가 있습니다. 모든 디스플레이 회사들이 채택하고 사용 중인 방법입니다. 

높은 광자 효율성과 시감도, 휘도를 가지고 있구요. 대면적 제작으로도 사용이 가능합니다. Fixed Pattern Type으로 공정이 이루어집니다. 

- 2) WOLED+Color Filter는 LGD, Sharp, Innolux에서 쓰는 방식입니다. 전류를 흘러주면 백색광을 냅니다. 그리고 이 백색광 위에 컬러필터를 씌워서 RGB컬러를 내는 방식인데요. LCD 패터닝 공정 과정에서 사용했던 방법을 따온 것입니다. 

Tendem구조를 통해 R,G,B를 수직적으로 Stack하여 백색광을 냅니다. 그리고 그 위로 필터를 씌워서 R,G,B를 내는 것이구요. 

- 3) One Color EL + CCM은 삼성디스플레이에서 쓰는 방법인데요. RED와 GREEN만 패터닝을 하구요. 

디스플레이에 관심을 가지는 모든 분들이 알다시피 LCD시장은 중국 정부의 막대한 투자에 의해 한국에서는 전부 철수한 상황입니다. 그렇기 때문에 LGD와 SDC에서는 OLED로의 연구에 절대적으로 치중하고 있는데요. 

현재 가장 상용화된 기술은 OLED 기술이고 이것을 기반으로 QD-LED / Micro LED가 있습니다. 

여기서 굳이 따지면 QD-LED는 무기물입니다. 그러나 OLED의 다음 세대로 이미 활발히 연구가 진행중입니다. 

시감도라는 것은 Color Representation 으로  색을 얼마나 잘 표현하냐를 의미합니다. 

Q. 어? OLED 색재현성 좋지않나요?

A. 물론 LCD보다 좋죠. 근데 이제 막 OLED 시장으로 바뀌게되면서 기본 OLED는 말 그대로 가장 기본입니다. 

QD-LED / Micro LED보다 상대적으로 시감도가 낮기 때문에 위에 낮음이라고 표현한 것입니다. 

Red컬러가 얼마나 Red다운가? 에 대한 답은 Micro LED / QD-LED를 시청하라고 하면 될 것 같네요 ㅎㅎ

LCD에서 OLED 그리고 OLED에서 Micro LED까지 가는데 눈에 띄게 변한 것은 디스플레이의 '두께'일 것입니다. 

LCD는 제조 공정에서도 알 수 있듯이 액정필터와 백라이트유닛 덕분에 두께가 많이 두꺼운 편이었는데요. 

OLED는 자체발광 소자로 백라이트유닛과 액정필터가 필요없어짐에 따라 두께가 많이 얇아졌습니다. 

그럼에도 불구하고 외부의 영향을 많이 받기 때문에 불순물을 막기위해 봉지를 씌우죠? 이 때 말하는 봉지는 

봉지막 기술 (인캡슐레이션)을 뜻합니다.  근데 Micro LED는 자체발광을 하는 '무기물' 소재라서 인캡슐레이션도 필요없습니다. 그래서 두께가 훨씬 더 얇아졌습니다. 

그러면 이제 QD-LED에 대해 알아봅시다. 

여기서 말하는 QD는 퀀텀닷으로 '양자점'을 의미하는데요.  이녀석은 OLED의 내부와 꽤 유사하지만 Layer들이 간소화되어있습니다. 먼저 ITO기판으로부터 그리고 Al기판으로부터 각각 출발한 전자와 홀은 이제 각각 HIL / EIL 층으로 들어갑니다. 여기서 HIL은 Hole Injection Layer라고 하구요. EIL은 Erectron Injection Layer라고 합니다. 

HIL 다음의 층은 HTL로 T는 트랜스포메이션을 뜻합니다. 마찬가지로 EIL 다음엔 ETL이 있습니다. 

ETL과 HTL 사이에는 이제 우리가 유일하게 잘 아는! 발광층 (EML)이 있습니다. Emitting의 약자입니다. 전자아니에요!

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.

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. 

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

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. 

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. 

1. OLED의 발광 원리

- 이거는 예전에 제가 포스팅한 내용이기도 한데 그래도 다시 한번 복습한다는 의미로 간단히 적겠습니다.

OLED에서 O는 유기물을 뜻하는 이니셜입니다. 즉, 백라이트 기판을 사용하는 LCD와 다르게 빛을 스스로 내는 유기물 소재로  LCD보다 더 높은 RGB컬러 구현율을 가집니다. 

먼저 양극의 정공과  음극의 전자가 유기발광층에서 재결합하여 엑시톤상태(들뜬 상태)가 됩니다. 그러면 거기서 

일중항과 삼중항으로 나뉘게 되고, 이곳에 각각 1:3의 비율로 광자가 위치하게 됩니다. 그러면 이 광자가 바닥상태로 떨어질 때, 일중항에서 떨어진 애는 형광이 되고 삼중항에서 떨어진 애들은 인광이 되는 것까지 배웠었습니다. 

이 광자들이 바닥상태로 떨어지면서 빛을 내게 되는 것이구요. 

2. 내부 발광 효율

- 자, 그렇다면 위의 원리를 바탕으로 OLED가 발광을 하는데요. 디스플레이의 발광 효율을 높인다는 것은 적은 전압을 걸어서 더 좋은 발광을 하도록 하는 것일 겁니다. 그럴려면  우리는 내부 발광과 외부 발광이 어떤 식으로 진행되는 것인지 알아야 합니다. 먼저 내부 발광입니다.  내부 발광의 경우는 효율성의 값이 이러합니다.

생성된 광자 수 / 주입된 총 캐리어의 수

내부 발광 효율의 의미는 에너지의 공급에 의해 주입 된 캐리어가 발광 에너지로 전환되는 비율을 뜻하는데요. 이 식은 일련의 과정을 거쳐 탄생합니다. 

1) 먼저, 디바이스에 주입한 캐리어들 중에서 일부만이 엑시톤이 될 것입니다.

2) 엑시톤에서 또 일부만이 빛을 발생시킬 수 있는 엑시톤이 있을 것입니다.

3) 빛을 발생시킬 수 있는 엑시톤에서 또 일부만이 광자를 생성할 것입니다.  

이걸 전부 압축시켜서 하나의 식으로 만든 것 (위에 검게 굵은 글씨로 쓴 것)이 내부 발광 효율이 되겠습니다. 

3. 외부 발광 효율

- 외부 발광 효율은 위에서처럼 복잡한 절차는 아닙니다. Luminance(휘도)가 얼마나 높냐를 따지는 것인데 

이는 생성된 광자 수에서 일부만이 외부로 발광하게 되는 것입니다. 즉, 여러분들이 지금 컴퓨터 혹은 노트북 화면을 통해 제 글을 보고 계시잖아요? 이게 Luminance입니다. 좀더 좋은 해상도를 위해서는 이 외부 발광 효율을 높이는 것이 중요한데 얘는 굴절율을 캐치하는 것이 중요합니다. 

OLED 공정 과정을 보면 여러 Layer들을 거쳐 외부로 송출되는데요. 이 각각의 Layer들이 가지는 굴절율이 다들 제각각이기 때문에 일부의 빛은 산란되고 일부의 빛은 투과가 안되는 현상이 되기도 합니다. 즉, 광학 설계 파트에서는 내부와 외부 발광 효율을 높게 뽑아낼 수 있도록 연구를 하는 곳이라 보면 되겠습니다.