우리가 사용하는 스마트폰의 주요 디스플레이 OLED는 뛰어난 색재현력과 높은 명암비로 생생한 화질을 보여주는 최첨단 디스플레이입니다. 많이들 아시다시피 OLED는 ‘유기물질’의 발광 특성을 이용해 화면을 재생해 주는데, 오늘은 이 OLED의 ‘유기화합물’이 어떤 특성을 갖고 발광하는지 그 원리를 알려드리고자 합니다.

유기 화합물이란?

먼저 알아볼 것은 물질을 구성하고 있는 근본, ‘원소’에 대한 것입니다. 118개의 원소 중 탄소를 중심으로 수소, 질소, 산소 이 외의 몇 가지 원소들이 다양한 화학적 결합을 형성하고 있는 구조 화합물을 ‘유기화합물(organic compound)’ 이라고 합니다. 단백질, 탄수화물, 지방, 설탕, 아미노산, 비타민과 같이 생체를 구성하는 주요 물질이 이에 해당하며, 19세기 초부터 지금까지 이들 화합물의 반응성에 대한 이해와 신규 화합물 합성법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 또한 이런 화합물들은 섬유, 수지, 고무, 색소, 플라스틱과 같은 우리 일상 생활과 밀접하게 관련된 생활 용품의 소재로도 활용 되고 있습니다. 유기 화합물은 일반적으로 구성 원소 사이의 결합 에너지가 비교적 낮기 때문에, 무기 화합물(inorganic compound)에 비해 녹는점 및 끓는점이 낮은 편입니다. 뿐만 아니라 구성 원소의 결합 종류나 원소의 길이, 화합물의 구조적 차이에 따라 특정 에너지를 흡수하고 방출할 수 있는 특성이 있어 다양한 광학 소재 개발에도 활용될 수 있다는 장점이 있습니다.

유기 화합물의 구성과 특성

OLED가 빛을 내는 원리를 알기 위해서는 먼저 유기화합물의 결합방식과 특성을 이해해야 합니다. 근본적으로 유기 화합물 내부의 탄소 사이 결합은 σ 결합과 π 결합으로 구성되며, σ 결합과 π 결합의 조합 수에 따라 단일(1 σ), 이중(1 σ + 1 π) 및 삼중(1 σ + 2 π) 결합으로 나눠집니다.

※ σ 결합 : 각 원자, 원소의 화학적 성질을 갖는 최소 단위체로 전자가 원자핵 주위에 존재할 확률을 나타내는 파동 함수인 s 또는 p 오비탈 (orbital)의 끝과 끝으로 중첩되어 형성

※ π 결합 : p 오비탈의 측면과 측면 사이 중첩

만일 이중 또는 삼중 결합이 단일 결합과 교차해 연결되면 p 전자 궤도 함수가 모두 혼합된 공명 혼성체(resonance hybrid)를 형성할 수 있고, 이를 통해 전자의 비편재화 (delocalization)가 가능하게 됩니다. 전자는 특정한 원자의 위치에 국한(편재화 : localization) 되는 것에 비해 다중 공명 구조를 통해 비편재화될 때 더욱 안정화가 가능하며, 동시에 해당 전자의 *들뜸 공명 에너지 또한 낮아질 수 있습니다.

*들뜸 공명 에너지: excitation resonance energy

즉, 일정 길이의 탄소가 비편재화되어 연결되면서 큰 분자를 형성하게 되면 점차 외부로부터 자외선, 가시광선 및 적외선 영역의 특정 에너지를 흡수할 수 있게 됩니다. 이때 외부 에너지 흡수 이전의 유기 화합물 바닥 상태(ground state)를 *HOMO 에너지 준위, 들뜬 상태의 에너지를 *LUMO 에너지 준위라고 하며, 에너지 흡수 과정은 일반적으로 10¹⁵ s^-1 이내로 매우 빠르게 일어납니다.

*HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital *LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital

앞에서 언급한 유기 화합물의 HOMO와 LUMO 에너지 준위는 무기 화합물 반도체의 가전도대(VB) 및 전도대(CB) 개념과 유사합니다. 그런데 비정질계에서의 유기 화합물은 40 ~ 70 meV의 약한 반데르발스 힘(Van der Waals force)에 의해 구조체를 유지하고 있기 때문에 에너지 띠를 형성하기 어렵고 분자 내 전자의 고립성이 유지된 상태로 양자화되어 존재합니다.

따라서 HOMO와 LUMO의 에너지 차이가 결국 전자가 들뜨는데 필요한 최소한의 필요 흡수 에너지로, 이를 에너지 간격이라고 합니다. 유기 화합물의 에너지 흡수도(A, absorbance)는 비어랍버트 법칙(Beer-Lambert law)에 따라 ε (분자 흡수 계수, molar absorption coefficient) • c (농도, concentration) • l (투과 거리, path length of energy)로 정의되는데, 이는 –log(T), [T : transmittance]와 동일하며 흡수 스펙트럼을 통해 확인할 수 있습니다.

반면 에너지 흡수 이 전의 전자는 원자 핵 주변을 회전하면서, 동시에 본인 무게 중심 축을 따라 추가 회전 운동을 합니다. 이때 전자가 공간적으로 같은 파동함수를 가지고 있다면 훈트 규칙(Hund’s rule)과 파울리 배타 원리(Pauli exclusion principle)에 따라 최대 두 개의 전자만이 반대 방향의 스핀 방향을 가지면서 동일한 오비탈 안에 함께 존재할 수 있습니다.

즉, 같은 양자수를 갖는 두 개의 전자는 각각 +1/2 과 -1/2의 스핀 상태로 기술되는 스핀 양자수를 갖게 됩니다. 만일, 주변 에너지를 흡수하여 입자 내부의 전자 배치 상태가 변화하는 전자 전이(electronic transition)가 일어나게 되면 전체 시스템에 나타낼 수 있는 스핀 상태는 스핀 각운동의 양자수 S가 0이 되는 하나의 단일한 상태와 S가 1이 되는 세 계의 삼중항 상태로 구분할 수 있습니다.

전자가 바닥 상태에서 기존의 스핀 방향을 변경하며 들뜨는 것에 비해 스핀 방향을 그대로 유지하면서 전이되는 속도는 10¹⁵ s^-1 이내로 매우 짧습니다. 단일 고차항(S_n)으로 들뜬 전자는 비방사 천이(nonradiative transition)인 내부 변환 (IC, internal conversion) 과정을 통해 최저 단일항 상태 (S₁)으로 전환되고, 다시 바닥 상태인 S₀으로 안정화하면서 외부로 빛 에너지를 방출하게 됩니다. 이렇게 전자의 스핀 방향이 변경되지 않으면서 방출되는 빛을 '형광(fluorescence)' 이라 하며, 이 과정 중 방출되는 빛의 파장과 색은 S₁과 S₀의 에너지 차이, 즉 광학적 에너지 차이에 의해 결정됩니다.

☞ 다음편 바로가기 : [디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 2편