OLED는 어떻게 빛이 날까? EML(발광층) 이해하기 (2)

1편

OLED는 어떻게 빛이 날까? EML(발광층) 이해하기 (1)

1편을 보고 오시면 이해하기 편하실 겁니다.

<출처 : 삼성디스플레이>

오른쪽에 빛을 흡수하는 부분에서

PL(Photoluminescence)는 사진처럼 빛을 이용하여 HOMO에서 LUMO로 전자를 이동시키고,

EL(Electroluminescence)는 빛이 아닌 전계를 이용하여 전자를 이동시킵니다.

 

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형광 / 인광

형광(Fluorescence)은 단일항 여기자(Singlet Exciton)를 사용하여 발광하는 방식입니다. (가운데 파란 화살표.)

쉽게 말해 형광을 사용하면 100의 에너지를 인가하면 25%만 출력된다는 뜻입니다.

하지만, 우리가 사용하는 디바이스들의 발광은 내부 손실을 겪게 됩니다. 무려 80%나 감소합니다.

그러면 정작 우리 눈에 들어오는 빛의 양은 5%라는 뜻입니다.

나머지인 삼중항 여기자(Triplet Exciton)는 버리는 에너지입니다. 이 에너지는 빛이 아닌 열과 진동으로 방출됩니다.

이렇게 버려지는 75%의 에너지를 활용하는 방식을 인광이라고 합니다.

 

하지만 형광은 인광과 다르게 안정성이 높다는 장점을 갖고 있습니다. 

 

이렇게 인광(Phosphorescence)은 ISC(Intersystem Crossing)이라는 동작을 활용하여 일중항 여기자를 삼중항 여기자의 위치로 옮긴 뒤에 Triplet으로 모두(100%) 출력하는 방식입니다. 이러한 동작을 가능하게 하려면 오비탈 영역이 매우 큰 이리듐(Ir) 및 백금(Pt) 착화합물과 같이 무겁고 큰 금속을 포함한 발광체를 사용해야 합니다. 이처럼 이론적으로는 100%의 내부발광효율을 보여주지만, 청색광의 수명 문제 때문에 현재 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 그래서 청색광만 형광을 사용하고 나머지는 인광을 사용하는 방식으로 OLED를 구성하기도 합니다. 

 

이러한 단점들을 보완한 대표적인 두 가지 형광을 보여드리겠습니다.

 

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1. TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence)

 

TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence)는 위에서 보여드린 ISC와 반대로 Triplet을 Singlet의 위치로 옮기는 방법입니다. S0(Ground State)에서 S1, T1(Excite State)로 전자를 전이한 후, 열을 이용해 RISC(Reverse InterSystem Crossing)하는 방법입니다. RISC가 진행되려면, S1과 T1의 Level 차이는 kT(= 26 meV) 보다 작아야 합니다. 이렇게 되면 형광으로 내부발광효율을 100%로 만들 수 있습니다.

 

하지만 이러한 TADF에도 단점은 존재합니다.

 

RISC으로 Triplet Exciton이 S1으로 올라간 상태에서 재료 안정성이 떨어진다는 단점이 있기 때문에 연구가 지속해서 진행 중입니다.

 

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2. HF(Hyper Fluorescence)

좌 : TADF / 우 : HF

HF(Hyper Flourescence)는 TADF에 Host와 Dopant를 추가하여 색순도를 높이는 방식입니다.

 

여기서 Host는 더 잘 모이게 도와주는 역할이고,

Dopant는 더 빛을 잘 내게 도와주는 역할입니다.

 

이렇게 되면 TADF와의 차이점은 S1에서 떨어질 때, Dopant S1을 거친다는 것으로 밖에는 보이지 않는데, 어떤 점이 추가로 변하는지 한 번 살펴보겠습니다.

 

전자들이 HOMO와 LUMO가 Ground와 Excite 상태를 오가며 진동자 강도(Oscillator Strength)가 약해져 발광 또한 약해집니다. 하지만 TADF보다 가깝게  Dopant를 추가로 배치하면 오가는 이동 길이 짧아져 진동자 강도가 강해지고 발광 또한 강해진다고 볼 수 있습니다. 

 

이러한 HF 방식을 사용하면

1) 반치폭이 좁아짐.

- 색순도가 높아집니다.

2) 수명 증가

- 기존 ISC → RISC를 반복하며 수명을 줄이던 방식에서, HF는 Host를 추가하여 RISC를 할 때마다 여기자들이 사라지기 때문에 OLED 소자 안정성이 크게 향상됩니다.

 

여기까지 OLED의 발광방법에 대해 간략하게 알아보았습니다.

 

부족하거나 모자란 부분에 대한 지적은 언제나 환영입니다. 

감사합니다.