지난 1편에서는 유기 화합물의 구성과 특성에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 OLED가 유기 화합물을 활용해 어떻게 빛을 내는지 그 과정과 방법에 대해 알아보겠습니다.

1편 다시 보기:  [디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 1편

유기 화합물 발광 재료의 OLED 응용

OLED는 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 발광 물질로 이루어진 ‘발광층’이 있습니다. 이 곳에서 전자와 정공이 만나 빛을 냅니다. OLED는 양극과 음극 사이에 유기 화합물로 구성된 얇은 박막을 적층하고 전류를 인가해 전공과 전자를 주입합니다. 이 때 주입 된 전공과 전자를 전하 운반체라 합니다. 이들은 쇼트키(Schottky) 열방사, 파울러-노르드하임 (Folwer-Nordheim)형 터널 주입과 같은 현상을 통해 주입이 가능하게 됩니다.

주입된 전하 운반체는 전공 수송층(HTL) 또는 전자 수송층(ETL)을 거쳐 중앙에 위치한 발광층으로 전달되고, 이 곳에서는 이동해 온 전하 운반체의 재결합이 일어나게 됩니다.

이 과정 중에 들뜬 상태의 여기자(Exciton)가 형성되고, 이 후 바닥 상태로 안정화되면서 외부로 빛을 방출하게 됩니다. 전류의 흐름에 따라 발광층 내부의 유기 화합물이 스스로 빛을 방출할 수 있는 자체발광형 다이오드는 LCD에 비해 소비 전력이 낮고 응답 속도가 빠르며 높은 선명도 및 넓은 시야각을 확보할 수 있어 1987년 이후 빠른 속도로 발전하게 된 것입니다.

※ 여기자: 전공과 전자가 정전기적인 쿨롱힘에 의해 서로 속박되어 짝을 이루고 있는 상태

※ 다이오드: 순방향 전압 인가 시 전류를 통과시키고 역전압 인가 시 전류를 차단시킬 수 있는 반도체

OLED의 효율, 즉 외부 양자 효율(EQE)은 내부 양자 효율(IQE) x 광추출 효율(η_out)로 기술됩니다. 여기에서 내부 양자 효율은 다시 r (Recombination Efficiency, 생성 여기자 수/주입된 전하 운반체 수) x η_r (Exciton Formation Efficiency, 빛의 생성에 기여하는 여기자 수/생성된 여기자 수) x η_f (Emission Efficiency, 생성된 광자 수/빛의 생성에 기여하는 여기자 수)로 구성됩니다.

초기 OLED는 앞서 언급했던 형광 발광 물질로 개발되었지만, 낮은 외부 양자 효율이 문제였습니다. 그 이유는 인가된 에너지를 흡수해 발광체 스스로 들뜰 수 있는 Föster type의 에너지 전이 과정만 존재하는 것이 아니라, 주변 물질로부터 직접 전하가 주입되는 Dexter type의 에너지 전이도 동시에 일어나기 때문에 1개의 단일항과 3개의 삼중항이 모두 생성되기 때문입니다.

문제는 일반적인 유기 화합물의 경우 여기 과정 중 스핀의 방향을 변경하는데 오랜 시간이 필요하며, 설령 변환이 진행된다 하더라도 그 중간에 충돌이나 열로 소멸되는 양이 많다는 것입니다. 즉, 총 생성되는 여기자 중 최대 1/4만 사용할 수 있기 때문에 내부 양자 효율이 25% 미만으로 낮아지게 됩니다.

형광 발광체를 사용한 OLED의 효율적 한계점을 극복하기 위해, 삼중항 에너지를 활용 수 있는 대표적인 세 가지 방식이 개발되어 왔습니다.

첫 번째 방식은 P-type 지연 형광 현상을 활용한 삼중 융합 상향 전환(Triplet Fusion Upconversion) 방법입니다. 피렌(Pyrene)이라는 유기 화합물에서 처음 관측되어 P-type 지연 형광으로 명명된 이 방식은 결과적으로 두 개의 들뜬 삼중항을 통해 한 개의 들뜬 단일항과 두 개의 바닥 상태를 형성하여 삼중항을 단일항으로 변환하는 것 입니다. 기존에 형성되어 있는 25%의 단일항 여기자에 삼중 융합 상향 전환으로 변환 가능한 37.5%의 단일항 여기자를 포함하여 효율을 개선할 수 있으나 이론적으로 최대 62.5%까지 가능하다는 제한이 있습니다.

두 번째 방식은 E-type 지연 형광으로 열 활성화 지연 형광(TADF, Thermally Activated Delayed Fluorescence)를 활용한 방법입니다. 1961년 에오신(Eosin)이란 유기 화합물에서 처음으로 확인된 이 현상은 단일항과 삼중항의 에너지 차이를 최소화할 경우 실온의 열 에너지 만으로도 역항간 교차(RISC, Reverse Intersystem Crossing)가 가능하게 되며, 이를 통해 삼중항의 여기자를 단일항으로 변환할 수 있습니다. 이론적으로 최대 내부 양자 효율은 100%이지만 역향간 교차 속도에 따라 유기 전계 발광 소자에서의 효율 및 안정성에 많은 영향을 받기 때문에 지속적인 연구가 필요한 상황입니다.

마지막은 인광(Phosphorescence)을 활용한 방법입니다. 전자의 스핀과 궤도 운동 사이의 상호 작용, 즉 스핀궤도결합이 큰 전이금속 착화합물을 도입하여 일중항 상태→ 삼중항 상태, 삼중항 상태→ 바닥 상태로의 변화 과정인 항간 교차 속도를 가속화 시킴으로써 삼중항으로부터 인광을 방출할 수 있습니다. 대표적으로 이리듐 및 백금 착화합물이 활용되고 있으며, 내부 양자 효율도 100%에 이르기 때문에 녹색과 적색 OLED가 성공적으로 상용화 되었습니다. 반면, 청색 재료의 경우 소자 구동 중의 안정성 등 문제로 지속적인 개선 연구가 진행되고 있습니다.

지금까지 유기 재료의 특성과 발광 원리를 알아보았습니다.

OLED는 스스로 빛을 내는 이런 특성 덕분에 더 선명하고 생생한 색 표현이 가능한 것입니다. 이런 특성 덕분에 스마트폰을 비롯한 다양한 모바일 제품과 IT 기기에 활용되며 현재 전성기를 맞고 있습니다. OLED의 재료 관련 연구가 계속되는 만큼, 앞으로 한층 더 발전될 OLED의 미래 역시 기대해주시길 바랍니다.