OLED 이야기/OLED 알아봅시다

26. 형광과 인광의 에너지 전이 (1) - 포스터 에너지전이(Forster energy transfer)

남보르 2018. 5. 17.

 

 

 

형광과 인광에 대해 잘모르신다면 아래 이전 포스팅을 먼저 보고오시길 추천합니다.

형광과 인광(1) - 형광편[각주:1]

형광과 인광(2) - 인광편[각주:2]

 

'마음의 전달은 눈빛으로' 포스터 에너지 전이

OLED는 발광효율을 높이기 위하여 한가지 유기물만이 아닌 다양한 기능에 특화된 유기물들을 쌓아올려 적절한 역할을 부여합니다. 이를 OLED의 다층구조(Multi layer)라고 하며 현재의 모든 OLED는 이 다층구조를 기반으로 만들어 지고 있습니다. 다층구조와 함께 OLED 소자구조의 가장 핵심이 되는 것이 바로 도핑(Doping)입니다. 여러 유기층 중 발광만을 위한 유기층을 발광층(Emission layer)라고 하며, 도핑은 이 발광층에 두가지 재료 이상을 동시에 섞여있도록 구성하는 것이 도핑 방법입니다. 

 

도핑을 하는 이유는 다음 두가지 이유에서 입니다.

1. 발광효율을 증가시키기 위해

2. 색상을 조절하기 위해

 

먼저, 발광효율을 증가시키는 원리는 유기물들의 적절한 업무분담에 있습니다. OLED는 기본적으로 전기를 이용해 빛을 내는 장치이다보니 전기적인 일광학적인 발광을 두가지 모두 잘해야 합니다. 그러나 사람도 그렇고 세상사가 다 그렇듯 두가지 모두 잘하는 존재는 상대적으로 수가 적을 수밖에 없습니다. 

 

발광층은 한 층으로 되어있으니 유기물도 하나로 구성했다고 가정합시다. 우리는 두가지 물질을 가지고 있는데 어떠한 물질은 전기적인 특성이 우수할 것이고, 어떠한 물질은 발광에 특화되어 있다고 합시다. 우리는 어떠한 물질을 선택하는게 조금더 좋은 선택일까요? 당연히 OLED를 연구하는 사람들도 사람인지라 초창기에 고민을 했을 겁니다.

 

그리고는 내린 결론은 둘다 섞어보게 됩니다. 전자와 정공을 효율적으로 모아주는 녀석은 호스트(Host)라고 부르고, 발광에 초점이 맞추어져 있는 녀석은 도판트(Dopant)라고 부르게 됩니다. 그래서 도판트가 첨가된다고 하여 도핑이라고 부르게 됩니다. 호스트는 이름 그대로 구성비를 보면 발광층의 거의 전부입니다. 그리고 0~20% 내외의 도판트가 약간 첨가되어 빛을 발합니다. 이때 빛을 발할 때는 당연히 도판트가 최종적으로 발광하기 때문에 도판트의 종류에 따라 OLED의 색상이 결정됩니다.

 

그러면 이 두가지 물질은 서로의 취향이 다른데 어떻게 손발을 맞추게 되는 것일까요? 이 손발을 맞추는 작업을 바로 에너지전이(Energy transfer)라고 표현합니다. 말 그대로 호스트가 모아온 전하 그러니깐 에너지들을 도판트로 전달에 주는 과정입니다. 그런데 문제는 OLED의 발광 방식이 두가지라는데 있습니다. 바로 형광(Fluorescence)인광(Phosphorescence) 방식입니다. 

 

여러분들이 잘 아시는대로(모르신다면 위에 형광과 인광 링크로 한번 훑어보고 오세용^^) 형광은 단일항상태(Singlet state)만을 사용하고 인광은 추가적으로 삼중항상태(Triplet state)를 사용합니다. 전혀 다른 에너지상태를 사용하는데 같은 에너지전이 방식이 사용될 수 없겠지요. 

 

형광 = 포스터 에너지 전이(FRET, Forster Resonance Energy Transfer)

인광 = 덱스터 에너지 전이(Dexter Energy Transfer)

 

형광과 인광은 위와 같이 각 각 포스터에너지 전이와 덱스터에너지 전이를 이용해서 에너지를 전달합니다. 이번 시간에는 포스터에너지 전이와 형광에 관하여 알아보겠습니다.

 

일단 형광의 발광 매카니즘을 한번 보겠습니다. 

 

<사진1. 형광의 흡수와 발광 모식도>

 

참 간단하죠? 바닥상태에 있던 전자가 흡수(Absorption) 과정을 거쳐 들뜨고 다시 바닥상태로 내려오면 이 에너지 차이만큼이 빛에너지로 방출(Emission)됩니다. 그러나 이것은 물질 한개가 에너지를 얻고 잃는 과정입니다. 중요한것은 위에서 언급한대로 호스트와 도판트간의 에너지 전이입니다. 

 

그런데 사실 형광의 포스터에너지 전이의 답은 위에 사진1에 나와 있습니다. 포스터에너지 전이는 단지 위 형광 과정을 두번 거치는 과정입니다. 한번 그림으로 간단히 살펴봅시다.

 

<사진2. 포스터 에너지 전이의 과정>

 

포스터 에너지 전이는 이해하기 쉬운 에너지 전이입니다. 명확하고 직관적으로 그림으로도 나타낼 수 있기 때문입니다. 그러면 자세히 한번 보도록 합시다. 사진2의 1. Host Emission은 사진1의 과정을 호스트가 겪는 순간 부터 시작합니다. 호스트에서 방출된 에너지는 도판트에 흡수 됩니다. 이 과정이 2. Dopant Absorption 이고 호스트의 흡수과정과 별반 차이가 없습니다. 그리고 마지막으로 도판트에 의해 발광되는 3. Dopant Emission과정을 거치는 것이 포스터 에너지의 전부입니다. 

 

내용은 간단하지만 포스터에너지 전이에는 몇가지 특징이 있습니다.

 

1. 비교적 장거리까지 에너지를 전달 할 수 있다.

: 호스트의 발광과 도판트의 흡수가 메인 에너지 전달 통로인데, 이 과정이 빛에너지로 이루어집니다. 이 말은 비교적 거리가 멀어도 에너지전이에 큰 문제가 없다는 것을 의미합니다. 이 호스트와 도판트가 멀다는 말이 의미하는 바는 바로 도판트의 농도가 낮아도 된다는 말과 같습니다. 도판트가 호스트 주위에 빼곡히 있지 않아도 에너지 전달 받는데 큰 문제가 없다는 겁니다. 이 거리를 포스터 거리(Forster Distance)라고 하며 10nm정도가 됩니다. 

<사진3. 포스터 거리(Forster Distance)>

 

2. 호스트 발광 파장과 도판트 흡수 파장의 중첩정도가 중요하다.

: 사진2의 스펙트럼 그림에서 눈치를 차리신 분들도 계시겠지만 포스터에너지 전이에서 가장 중요한 것이 호스트 발광과 도판트의 흡수스펙트럼 중첩정도 입니다. 

 

<사진4. 포스터 에너지 전이 에너지 중첩레벨 차이>

 

사진4를 보면 왼쪽그림은 호스트 도판트의 스펙트럼의 중첩도가 낮고, 오른쪽은 중첩도가 높음을 알 수 있습니다. 첫번째 그림과 같은 상황이 된다면 호스트가 아무리 많은 에너지를 퍼다주어도 도판트에서 흡수를 잘 못하니 당최 발광이 잘 될 턱이 없습니다. 그러나 오른쪽 그림과 같이 중첩도가 크다면 비록 도판트의 발광능력이나 호스트의 특성이 조금 떨어진다 하더라도 그것을 모두 상쇄시켜버릴 수 있을 만큼 발광이 효율적으로 이루어질 수 밖에 없게 됩니다.

 

3. 단일항 상태로만 전이된다.

: 당연한 이야기이지만 광에너지 형태로 에너지가 전달되다보니 파울리 배타법칙에 어긋나는 삼중항에너지 전달이 잘 될 방법이 없습니다. 호스트가 전달한 광에너지를 도판트에서 삼중항 형태로 바꾸어 흡수한다? 일어날 수 없는 일입니다. 따라서 형광에서의 에너지 전이는 포스터에너지 전이로 이루어지는 이유가 여기에 있습니다.

 

여기까지 포스터에너지 전이에 대하여 알아보았습니다. 다음 시간에는 언제나 항상 짝꿍처럼 언급되는 인광의 덱스터에너지 전이(Dexter energy transfer)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

  1. 광발광 현상 중 형광에 관한 내용 [본문으로]
  2. 광발광 현상 중 인광에 대한 내용 [본문으로]

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