OLED는 별도의 백라이트 없이 스스로 빛을 내는 유기화합물 층을 가집니다. 전자와 정공이 결합하여 에너지를 방출하는 원리를 유기 분자의 에너지 준위 관점에서 설명해주세요.

Question

OLED는 별도의 백라이트 없이 스스로 빛을 내는 유기화합물 층을 가집니다. 전자와 정공이 결합하여 에너지를 방출하는 원리를 유기 분자의 에너지 준위 관점에서 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

OLED가 스스로 빛을 내는 원리는 유기 분자 내부에서 전자와 정공이 만나 에너지를 빛으로 전환하는 과정에 있습니다. 유기 화합물은 전자가 채워진 가장 높은 에너지 단계인 에이치오엠오(HOMO)와 전자가 비어 있는 가장 낮은 에너지 단계인 엘유엠오(LUMO)라는 고유한 에너지 준위를 가집니다. 기기에 전원을 공급하면 음극에서는 전자가 주입되어 에너지가 높은 엘유엠오 층으로 이동하고, 양극에서는 전자의 빈자리인 정공이 주입되어 상대적으로 에너지가 낮은 에이치오엠오 층으로 이동합니다.

​발광층에서 만난 전자와 정공은 서로 강한 전기적 인력에 의해 결합하며 엑시톤이라는 높은 에너지 상태를 형성합니다. 하지만 이 상태는 매우 불안정하기 때문에, 에너지가 높은 곳에 있던 전자가 에너지가 낮은 정공의 빈자리로 떨어지며 원래의 안정적인 상태로 돌아가려는 성질을 보입니다. 이때 두 에너지 준위 사이의 차이만큼 발생하는 에너지 편차가 빛의 형태로 외부로 방출되는 것이 바로 발광의 핵심 메커니즘입니다.

​이러한 방식은 백라이트라는 별도의 광원에서 나온 빛을 액정으로 가로막아 조절하는 방식과 달리, 화소 하나하나가 직접 빛을 내기 때문에 훨씬 선명한 색상을 구현할 수 있습니다. 특히 유기 분자의 화학적 구조를 설계하여 에너지 준위 간격인 밴드갭을 세밀하게 조절하면, 방출되는 빛의 파장을 자유롭게 바꿀 수 있어 별도의 필터 없이도 빨강, 초록, 파랑의 원색을 순도 높게 표현할 수 있는 장점이 있습니다. 이를 통해 얇은 두께와 높은 명암비를 동시에 달성하게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

OLED란 스마트폰, TV, 웨어러블 기기 등에 널리 사용되는 디스플레이 기술로, 액정과 달리 별도의 백라이트 없이 유기 분자 자체가 빛을 내는 자발광 소자입니다. 유기 발광층을 이루는 분자들은 주로 탄소를 중심으로 한 공액 구조를 가지고 있으며, 이러한 분자 안의 전자들은 특정 에너지 상태에 존재합니다. 크게 낮은 에너지 상태와 높은 에너지 상태로 나눌 수 있으며, 양자화된 분자 궤도 관점에서는 낮은 에너지의 점유 궤도와, 그보다 높은 비점유 궤도로 생각할 수 있습니다.

OLED에 전압을 걸면 음극에서는 전자가 주입되고, 양극 쪽에서는 전자가 빠져나가면서 정공이 만들어지는데요, 정공은 전자가 비어 있는 자리로 생각할 수 있습니다. 이때 전자는 유기층 안의 높은 에너지 상태로 들어오고, 정공은 낮은 에너지 상태 쪽에서 이동하게 됩니다. 이후 전자와 정공이 같은 유기 분자 내에서 만나면 서로 재결합하게 되며, 이 과정에서 전자는 높은 에너지 상태에서 더 안정한 낮은 에너지 상태로 떨어지게 되는데, 두 에너지 상태 차이만큼의 에너지가 방출됩니다. 즉 에너지가 빛, 즉 광자로 나오는 것입니다. 이때 에너지 차이가 크면 더 짧은 파장의 빛, 작으면 더 긴 파장의 빛이 나오는데요, 이때 사용하는 유기 분자의 구조를 바꾸면 빨강, 초록, 파랑 같은 서로 다른 색을 만들 수 있습니다. 특히 유기 분자에서 중요한 것은 공액 이중결합 구조인데요, 이런 구조는 전자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있게 해주고, 분자 궤도 사이의 에너지 차이를 조절할 수 있게 합니다. 따라서 OLED 재료 설계에서는 어떤 분자 구조를 가지느냐가 발광 효율과 색을 결정하는 핵심 요소라고 할 수 있습니다. 감사합니다.