8. OLED의 구조 (1) - 다층구조

지금까지 OLED의 역사를 살펴보았으나 이 OLED란 장치가 어떠한 구조를 갖고 있는지 조금 더 디테일하게 알아볼 필요가 있으므로 이번 시간에는 OLED의 구조를 알아보도록 하겠습니다. 특히, 이번 시간에는 OLED의 구조의 특징 중 가장 두드러지는것이 여러층의 유기물을 쌓는 구조를 갖게 되는데 이 다층구조에 대해 한번 알아보도록 합시다.

 

이전 글 OLED의 역사 (1)에서 잠깐 그림과 설명으로 잠깐 언급되었습니다만 다시 한번 말씀드리면 OLED는 '극히 얇은 유기박막'으로 이루어져 있습니다. 

 

일반적으로 OLED의 기판으로 사용하는 글래스의 두께는 0.7T단위의 글래스를 사용하고 있습니다. 여기서 T란 관용적으로 사용하는 글래스의 두께 단위로 mm(밀리미터)와 같은 단위입니다. 

 

그러므로 글래스의 두께는 0.7mm가 되는 겁니다. OLED를 이루고 있는 유기물 두께는 수백nm(나노미터, 10E-9m)로 글래스 두께와의 차이는 약 100배~250배에 이릅니다. 이 말은 곧 유기물의 두께는 거의 글래스 위에 올라간 먼지보다도 얇은 막이 형성되는 것입니다. 아래 그림을 보면서 다시 자세히 알아봅시다.

 

 

 

<사진1. 일반적 OLED 구조 모식도(왼쪽 위)와 실제 OLED 소자단면(오른쪽) 구조 비교>

 

 

위 사진1.을 한번 살펴봅시다. 사진1. 왼쪽 위의 그림은 일반적인 OLED 구조를 검색하면 나오는 구조입니다. 글래스나 ITO 나머지 유기층들의 두께가 동일하게 묘사되어있습니다. 사실상 굉장히 잘못된 그림입니다. 실제 글래스 위에 유기물이 어느정도 두께를 갖고 증착되는지 사진1. 오른쪽 그림을 보면서 비교해봅시다. 

 

큰 사각형으로 보이는 것이 실제 글래스의 단면을 굉장히 확대한 그림이라면, 그 위에 증착되어 형성되는 유기물의 두께를 실제 비율로 그려보았습니다. 글래스의 두께를 굉장히 확대를 했는데도 불구하고 유기물의 두께가 거의 보이지 않는 것을 확인할 수 있습니다.

 

OLED는 실제로 글래스 위에 형성된 '위생랩보다도 얇은 막에서 빛이 나오는 것'입니다. OLED의 실제 유기발광층은 집에서 흔히 보는 형광등이나 LED, 백열등 들처럼 부피가 커다란 빛이 나는 장치가 아닙니다. 만약에, 굉장히 얇지만 늘어나지 않거나 산소가 투과되는 않는 안정한 얇은 기판 소재가 있어서 그 위에 유기물을 성막시켜 OLED 소자를 제작한다면?? 우리는 어디서 빛이 나고 있는지도 구분이 안될 정도록 허공에서 강렬한 빛을 발하는 것처럼 착각을 하게 될 겁니다.

 

이런 얇디 얇은 유기물층에서 현재는 OLED소자 수명을 고려하지 않는다면 녹색 기준으로는 200,000 cd/m2 이상의 밝은 빛을 낼 수 있습니다. 이 200,000 cd/m2가 얼마나 밝은 빛을 나타내는지 상상이 잘 안가실텐데요. 10W짜리 형광등이 900lm(루멘, 광도단위) 그러니깐 약 11,000 cd/m2입니다. 

 

형광등이 약 10,000 cd/m2인데 OLED는 그 얇은 두께를 가지고도 형광등 휘도에 무려 20배에 달하는 밝은 빛을 낼 수 있다는 겁니다. 현재 출시되고 있는 OLED 패널들의 경우 갤럭시 S7의 경우 최대 800cd/m2 정도를 유지하도록 회로적으로 제한을 걸어 두었습니다. OLED의 번인현상을 줄이기 위해서는 휘도 제한이 필수이기 때문이기도 합니다.

 

위에서 정리한대로 라면 우리는 OLED 패널 하나를 구입하면 99.6%의 유리를 산것이나 다름이 없습니다. 그렇다면 거치대에 불과한 글래스를 제외하면 그 얇은 유기물들이 어떠한 유기물들로 다층을 이루고 있는지 아래 그림에서 사진1.의 얇은 유기층을 확대해 보겠습니다.

 

 

 

 

 

 

<사진2. 실제 비율로 표현한 OLED 소자 구조>

 

 

사진2.는 현재 양산에 사용되는 특성색의 OLED 유기물 두께와 동일한 비율로 표현한 OLED 소자구조입니다. 

 

사진2.를 보면 HIL이니 HTL이니 EML이니 알아들을 수 없는 영어 약자들이 나오기 시작합니다. 이 블로그에서는 처음 언급되는 용어이나 OLED에 있어서는 가장 기본이 되는 용어들입니다. 당연히 알고 있을 거라 생각하고 넘어 갈 수도 있지만 그래도 아직 블로그에서 언급이 되지 않은 용어들이니 최대한 자세히 설명하면 서 넘어가도록 하겠습니다. 

 

일단 용어를 설명하기 위해서는 한글로 최대한 간단히 OLED가 빛이 나는 원리를 설명해야지만 위 영어약자들로 이루어진 용어들의 이해가 쉬울 것 같기 때문에 OLED의 발광원리에 대한 간략한 아래 그림을 덧붙여보았습니다.

 

 

 

<사진3. OLED의 초간략 발광원리>

 

 

사진3.은 OLED의 간략한 발광원리입니다. 사실 위 그림 하나면 모든 원리 설명이 가능합니다. 사진3.은 사진2.를 단지 90도 눕혀놓은 사진에 전자와 정공의 존재를 추가로 표현해보았습니다. 사진2.를 돌려서 재탕한 이유는 절대로 귀찮아서가 아니라 여러분의 이해를 돕고자 사진을 돌려놓았습니다.

 

그러면 사진3.의 설명을 하자면 사진2.를 눕혀놓은 위 그림3.은 왼쪽으로는 양극인 ITO가 위치되고 오른쪽에는 음극인 알루미늄이 위치되어 있는 사진입니다. 이름 그대로 음극은 마이너스 전하를 띄는 전자가 주입되는 전극이고 양극은 플러스 전하를 띄는 정공이 주입되는 전극입니다.  

 

평상시에 전압을 양 전극에 가하지 않으면 전기가 흐르지 않고 이 말은 즉 전자나 정공히 움직이지 않는다는 것입니다. 그러나 전극을 통해 전압을 인가해주면 정공과 전자가 각 각의 전극을 통해 주입되기 시작합니다.

 

그래서 정공은 ITO에서 주입되어 정공주입층으로 들어가게 되는데 이름 그대로 정공이 주입되는 층이라하여, HIL(Hole Injection Layer)라 부릅니다. HIL을 통해 효과적으로 주입된 정공은 이제 발광층에 전자를 만나러 다시 여행을 떠나야 하는데 이 때 빠른 여행에 도움을 주는 것이 정공 수송층입니다. 

 

HTL(Hole Tranfer Layer)라 부릅니다. 그리곤 전자 저지층인 EBL(Electron Block Layer)를 지나야 하는데 실제로는 EBL도 HTL의 일종이지만 왜 EBL이라 부르는지는 잠시 후 설명을 드리겠습니다. 일단 이 EBL 다음층은 정공은 최종 목적지인 발광층이라 불리는 EML(Emission Layer)에 도착하여 전자를 기다립니다. 실제로도 전자보다 정공이 OLED 소자안에서 더 빠르기 때문에 HTL 방향의 두께가 반대편인 ETL의 두께보다 2배가량 더 두껍게 만들어 주는 이유가 됩니다.

 

그럼 전자 쪽을 봅시다. 전자는 음극인 알루미늄에서 튀어나와 전자 주입층에 주입됩니다. EIL(Electron Injection Layer)라 하며 2nm 정도의 극히 얇은 두께를 가집니다. 그리고는 정공 때와 마찬가지로 수송층을 지나게 되는데 ETL(Electron Transfer Layer)를 지나 HBL(Hole Block Layer)를 마지막으로 EML에 도착하게 됩니다. 

 

EML에 도착한 정공과 전자는 정전기적 인력에 의해 결합을 하게되는데 이때 결합된 입자를 엑시톤(Exciton)이라고 하며 여기자라고도 합니다. exciton은 excited electron 이라는 뜻으로 들뜬 전자를 말하지만 실제로는 -on이라는 접미사는 준입자들을 일컫는 말이기도 합니다. 예를 들어, 폴라론, 포논, 솔리톤 등 전부 -on 접미사가 붙고 전자와는 다른 특성을 보여줍니다.

 

OLED 기능층 정리

HIL - Hole Injection Layer 정공주입을 해서

HTL - Hole Transfer Layer 정공의 이동을 돕고

EBL - Electron Block Layer EML을 통과하는 전자를 막자

EML - Emission Layer       전자와 정공이 만나서 빛을 낸다.

ETL - Electron Transfer Layer 전자가 지나가게 돕자

EIL - Electron Injection Layer 전자가 주입되게 됩자

 

 

위 에서 언급한대로 정전기적 인력에 의해 엑시톤이 된 전자-정공 쌍은 EML이 갖고 있는 에너지만큼(실제로는 EML의 에너지 밴드갭)에너지를 빛에너지 형태로 방출하고서 소멸됩니다. 

 

전압이 낮을 때에는 전자와 정공의 수가 적기 때문에 EML에서 잘 만나서 빛을 내지만 전압이 높아지면 전자와 정공이 서로 만나지 않고 각기 반대 전극으로 이동하려는 전하 수가 많아지게 됩니다. 이 때 이 반대로 가려는 전하들을 막아서 EML에 가두는 역할을 하는 것이 EBL과 HBL입니다.

 

여기까지가 최대한 이해하기 쉽도록 다른 많은 발광 매커니즘을 제외한 전자1개와 정공 1개의 입장에서 살펴본 OLED 원리였습니다.

 

다음시간에는 이러한 다층 유기막으로 되어있는 패널 위에서 바라본 OLED의 픽셀구조는 어떠한지에 대해서 알아보도록 합시다.

 

다음시간에 만나요!!