OLED의 기본 원리

OLED의 구동 원리

OLED는 EL을 이용하여 발광하는 소자로서 빛에너지 흡수를 통하여 엑시톤을 형성하여 발광하는 PL과는 달리 엑시톤의 형성 과정이 전기적인 에너지를 공급하여 일어난다. 발광이 일어나기 위해서는 엑시톤의 형성이 필수적이며, 엑시톤을 형성하기 위해서는 HOMO에는 정공이 LUMO에는 전자가 쌍으로 존재해야 한다. LUMO에 있는 전자는 높은 에너지 상태에 있는 전자이므로 엑시톤 형성을 위해서는 에너지가 공급되어야 하며, LUMO에 전자를 형성시키기 위해서 전압을 가하여 전기적인 에너지를 통하여 LUMO에 전자를 공급한다.
EL을 통한 발광 과정은 PL을 통한 발광 과정을 통하여 보다 쉽게 이해할 수 있다. PL 발광 과정에서는 엑시톤 형성 시 광 에너지를 흡수하고 HOMO에 있던 전자가 LUMO로 전이하면서 엑시톤을 형성된다. 엑시톤 형성 후 여기 상태에 있던 전자는 바닥 상태로 내려오면서 발광한다. 이 과정에서 필수적인 과정은 엑시톤 형성 과정이면, EL에서는 엑시톤 형성을 위하여 전극을 이용하여 LUMO로 전자를 공급하고, 전극을 이용하여 HOMO로부터 전자를 빼내어 정공과 전자의 쌍인 엑시톤을 형성한다. LUMO로 전자를 주입하는 전극은 cathode라고 하며, HOMO로부터 전자를 빼내어 정공을 주입하기 위한 전극은 anode라고 한다. 전자가 HOMO로부터 anode로 이동하게 되면, HOMO에 정공이 생성되기 때문에, 일반적으로는 anode로부터 HOMO로 정공이 주입된다고 설명한다. 전극에서 전자 주입 및 전자 제거를 용이하게 하기 위해서는 전극의 일함수를 유기물의 HOMO와 LUMO 에너지 준위와 맞게 조절해야 한다. Cathode의 일함수를 유기물의 LUMO와 유사하게 조절하여 전자 주입을 원활하게 해 주며, anode의 일함수를 유기물의 HOMO와 유사하게 조절하여 전자 제거를 원활하게 해 주며, anode의 일함수를 유기물의 HOMO와 유사하게 조절하여 전자 제거를 원활하게 한다.
전자의 경로는 다이오드 구조를 통하여 cathode, LUMO, HOMO를 거쳐서 anode로 나가는 경로를 따라 발광이 일어나게 된다. 따라서, 소자의 구조가 전자의 흐름이 한 방향인 다이오드 구조이며, 발광 물질로 유기 물질을 사용하고, 발광하는 소자이기 때문에 유기 발광 다이오드라고 한다.
이와 같은 전자의 흐름을 갖는 OLED 소자에서는 가장 중요한 것이 엑시톤을 효율적으로 형성하는 것이며, 효율적인 엑시톤 형성을 위한 가장 중요한 조건은 발광 물질에서 정공과 전자의 균형을 정확하게 맞추는 것이다. 일반적으로 전하 균형이라고 하며, 정공과 전자의 개수를 정확히 맞추면 주입되는 모든 전자를 발광에 활용할 수 있기 때문에 OLED 소자에서 높은 발광 효율을 얻을 수 있다. 예를 들어, 주입된 정공과 전자가 외부로 누설되는 것이 없이 발광층에서 모두 엑시톤을 형성한다고 가정할 경우, 발광 분자의 LUMO로 주입되는 전자의 수가 100개이며, HOMO에서 나간 전자 즉 HOMO로 주입된 정공의 수가 100개라고 하면, 주입된 100개의 전자가 100개의 엑시톤을 형성할 수 있다.
 

OLED 소자 기본 구조

OLED 소자 구조는 anode와 cathode 전극 사이에 유기 발광 물질을 적층한 구조를 가지고 있으며, 기본적인 발광을 위해서는 두 전극 사이에 발광층만 있으면 발광이 가능하다. 그러나, 발광 물질에 따라, anode와 발광 물질의 HOMO, cathode와 발광 물질의 LUMO 사이에 에너지 장벽이 큰 경우가 있다. 특히, 발광 물질이 발광 에너지가 작아 HOMO-LUMO 에너지 준위 차이가 작은 적색 발광 물질보다는 발광 에너지가 커서 HOMO-LUMO 에너지 준위 차이가 큰 청색 발광 물질에서 전극과 유기물의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위 사이에 차이가 크게 나타날 가능성이 커진다. 전극과 유기물 사이에 에너지 장벽이 존재할 경우에는 전하 주입을 위해 높은 전압을 가해 주어야 하며, 소자의 구동 전압 상승과 소비 전력 상승의 문제가 생기게 된다. 구동 전압을 낮추기 위해서는 에너지 장벽을 낮추어야 하며, 에너지 장벽을 낮추기 위한 방법은 anode와 발광 물질 사이에 anode의 일함수와 발광 물질의 HOMO 준위 사이의 HOMO 에너지 준위를 같은 물질을 도입하고, cathode와 발광 물질의 LUMO 준위 사이의 LUMO 에너지 준위를 같은 물질을 도입하는 것이다. 전자를 정공 수송 층이라고 하며, 후자를 전자 수송 층이라고 한다.
유기막 두께 중에서 가장 먼저 고려해야 하는 부분은 발광층의 두께이다. 발광층의 경우 서로 다른 두 가지 이상의 물질을 혼합하는 구조로 이루어져 있으며, 주된 기능이 발광 기능이기 때문에 소자 내 유기막층 중에서 가장 낮은 전하 이동도를 보인다.
배면 발광 소자에서의 발광 경로에서 볼 수 있듯이, 발광층으로부터 외부로 나오는 빛은 직접 발광하는 cathode에 의하여 반사되는 빛의 합으로 나타낼 수 있다. 서로 다른 발광 경로를 가진 두 빛이 외부로 발광하기 때문에 두 빛 사이에서 약한 간섭 현상이 발생하게 되며, 앞선 기술한 소자의 유기막 두께 결정, 간섭 현상에 의한 빛의 손실 및 파장 변화 등의 광학적 특성도 고려한다. 따라서, OLED 소자에서의 유기막 두께는 전하 균형과 소자에서의 간섭 현상을 고려한 광학적 특성을 고려하여 결정한다.