[유기발광소재]유기 발광 물질 1부

유기 EL의 원리와 구조

유기 EL은 어떤 원리인가?

대부분의 보고서에 나와있는 유기 EL의 원리를 설명한 글을 보면 “유기 EL이란 유리기판에 적,녹,청색 등의 빛을 내는 유기화합물을 사용해 자체 발광시키는 디스플레이”라고 되어있다. 도대체 무슨 메커니즘이 숨어있는 지 도무지 알 길이 없다. 우리 주변의 지식이란 것들이 대부분 다 이런 식이다. 더 파고들지 않으면 알 수 없는 그네들만의 지적 유희.. 이에 필자는 지식전달의 사명감으로 물리학, 전자기학을 총동원하여 해석하고 정리해 보았다.

유기 EL을 다룬 최초의 논문에 따르면 유기결정에 전류를 흘리면 발광이 관측된다고 했다. 이 현상을 체계적으로 정립하여 표현하면 “유기 EL은 전극과 유기재료 사이의 포텐셜 장벽에 의해 발광한다.”라고 할 수 있다.

그럼 유기 EL의 기본 구조를 가지고 따져보기로 하자. 유기 EL은 기본적으로 음극,양극의 전극과 유기물 그리고 기판의 구조로 되어 있다.

전극에 전기를 가하면 양극에서 발생된 정공과 음극에서 발생된 전자가 유기물 층에서 결합되며 이 때 생긴 에너지 갭에 해당하는 빛이 발생하게 된다. 에너지가 빛으 로 바뀌는 현상은 화학시간에 배운 에너지 보존의 법칙에 의해 설명될 수 있을 것이다. 받은 만큼 돌려주는 철저한 자연현상이라고 할 수 있다.

좀 더 자세히 들어가보자. 유기물 층은 재료에 따라 저분자형과 고분자형으로 나뉘며 두께는 일반적으로 100nm정도이다. 유기물 층은 세부적으로 보면 정공 관련 층과 전자 관련 층 그리고 발광 층의 구조를 가진다. 정공 관련층은 정공 주입 층과 정공 운송 층으로 나뉘며, 전자 관련 층 역시 주입 층과 운송 층으로 나뉜다.

전극에 전압을 가하면 양극에서는 정공이 주입, 운송되고 음극에서는 전자가 주입, 운송되어 발광 층 내에서 포논(Phonon)과 상호작용에 의해 각각 양성, 음성 폴라론(Polaron)을 생성하며, 이 폴라론 들이 서로 만나 재결합하여 여기자를 생성하게 된다. (여기자는 흥분상태라고 표현할 수 있는 Exciton (Excited State)을 한글로 표현한 것이다.)

이 여기자는 확산하며 빛을 생성하고 에너지 준위가 낮은 상태(Ground State)가 된다. 생성된 빛은 투명전극인 ITO와 유리기판 쪽으로 방출된다. 여기자와 관련된 원리와 효율에 관한 더 자세한 얘기는 어려운 학문으로 일컬어지는 이른바 “양자역학”의 영역에 해당하기 때문에 생략하기로 한다. 

[Chemistry/Organic Chemistry] - [유기발광소재]유기 발광 물질 2부

[Chemistry/Organic Chemistry] - [유기발광소재]유기 발광 물질 3부