6. OLED의 역사 (2) - 도핑의 시작

Posted by 주인장 남보르
2017.05.24 01:49 OLED 이야기/OLED 알아봅시다

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지난 시간에 우리는 OLED의 역사 중 최초의 OLED소자에 사용된 물질과 구조 그리고 OLED 소자로 정의되기 위한 다섯가지 조건에 대해 알아보았습니다. 


기술이 발견 또는 발명되고 나자마자 즉시 대중들에게 사랑받는 기술은 매우 드뭅니다. 최초 기술개발은 개발 가능성을 열어주는 사건들이 대부분이고, 좋은 가능성을 보였다면 많은 사람들에 의해 개선되고 또는 혁신적인 고안이 이루어진 후에 대중들에게 선보이거나 그때가 되서야 널리 사용되기 시작합니다.


오늘은 OLED의 역사 두번째 시간으로 최초의 OLED 소자 제작에 의해 유기물을 사용한 발광체가 가능성을 보인 OLED가 도핑이라는 기술의 적용으로 인하여 획기적으로 성능이 개선된 사건에 대해 다룰 예정입니다. 


1. 1965년 : 안트라센(Anthracene) 단결정에서 발광현상 발견 (RCA社, W.Helfirich, et al.)

2. 1982년 : 안트라센 박막을 진공증착을 통해 제작하여 발광소자 제작 (제록스社, PS Vincett, et al.)

3. 1987년 : Alq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminium)과 diamine을 사용한 다층 박막 발광소자 제작 (코닥社 C.W.Tang, et al.)

4. 1989년 : Alq3와 DCM(diyanomethylene-4H-pyran) 도핑기술을 활용한 발광소자 효율 증가 (코닥社, C.W.Tang, et al.)

5. 1997년 : LiF 박막을 유기막과 전극 사이에 삽입하여 효율증가 (코닥社, C.W. Tang, et al.)

6. 1997년 : 차량용 오디오에 적용된 최초의 PM-OLED 패널 탑재 제품 출시 (파이오니아社)

7. 1999년 : 인광발광체를 사용한 인광소자 제작 (프린스턴大, Stephen R. Forrest)

8. 2003년 : 최초의 AM-OLED 패널 적용 제품 출시 (SKD社)

9. 2003년 : Tandem 구조 OLED 개념 최초 도입 (야마가타大, Junji Kido)

10. 2005년 : TADF(Thermal Activated Delayed Florescent) 소자 제작 (규슈大, Chihaya Adachi)

11. 2015년 : Hyper Fluorescence 소자 제작 (규슈大, Chihaya Adachi)


위 목록은 OLED의 역사 (1) - 최초의 OLED편에서 언급된 OLED 주요개발연혁입니다. 오늘은 네번째에 주황색 강조가 되어있는 도핑기술을 활용한 발광소자 효율 증가에 대해 알아보겠습니다.


4. 1989년 : Alq3와 DCM 도핑기술을 활용한 발광소자 효율증가


위 표에서는 네번째 사건이지만 중요한 사건으로 강조된 주황색 글씨중에서는 두번째 사건입니다. 어떠한 실험을 진행하였는지 알아봅시다. Tang박사팀은 최초의 OLED 소자를 제작하고난 후 이번에는 Alq3과 DCM이라는 물질을 사용하여 최초로 유기물로 도핑공정을 이용한 발광소자를 제작했습니다. 도핑(doping)이란 공정은 주로 반도체 공정에서 많이 사용되는 공정입니다. 


반도체에서의 도핑이란 특정 전하를 갖지 않는 4족 원소인 실리콘에 전기적 특성을 주기 위하여 3족과 5족 원소를 조금 섞어 제작하여 전자가 4족 실리콘에 비해 상대적으로 부족한 3족원소를 첨가한 실리콘은 P형(Positive)반도체 특성을 띄게되며, P형 반도체는 전자가 부족하므로 상대적으로 정공이 많이 생기게 됩니다.


그에반해 전자가 4족 실리콘에 대해 많은 5족 원소를 섞은 실리콘은 N형(Negative) 반도체 특성을 띄게되며 전자가 상대적으로 풍부하게 됩니다.


이러한 성질이 다르게 제작된 두 반도체를 접합시키면 PN type 반도체가 만들어지게 되는데 이 반도체에 PN접합부위의 에너지 차이보다 큰 전기에너지를 가해주면 전기의 흐름을 한방향으로만 흐를수 있도록 조절할 수 있는 장치가 됩니다. 이를 다이오드(diode)라 합니다.




<사진1. 반도체에서의 도핑개념 이해>





이렇게 위 글과 사진1. 에서 정리한대로 반도체에서는 도핑을 전기적 특성을 보완하거나 특정 방향으로만 흐를 수 있게 조절하기 위한 목적으로 사용되는 반면에, OLED에서의 도핑은 주로 발광 특성 개선 및 색변화를 유도하기 위해 사용됩니다.


추후에 자세히 또 포스팅하겠지만 Alq3와 DCM은 각 각 에너지밴드갭이 다른 물질로써 서로 다른 색을 발광합니다. Alq3는 550nm 파장대를 갖는 녹색발광을 하지만 DCM은 620nm가 넘는 적색발광을 하는 물질입니다.



<사진2. DCM의 분자구조>


그렇다면 녹색발광을 하는 Alq3와 적색발광을 하는 DCM을 섞어 소자를 제작하면 어떠한 일이 일어나게 될까요?? 녹색발광이 일어날까요? 아니면 적색발광이 일어날까요? 아니라면 녹색과 적색이 모두 섞인 발광이 일어날까요?


정답은 '도핑농도로 조절로 이 세가지 현상을 마음대로 조절할 수 있다' 입니다.


우리는 위에서 도핑이라는 개념이 순수한 물질에 다른 성질의 무엇을 섞어넣어서 다른 성질을 이끌어내는 기술이라고 배웠습니다. 여기서도 마찬가지로 Alq3를 메인으로 하여 DCM이 섞이는 농도를 조절하면 DCM이 많이 섞일 수록 적색발광이 많이 되는 효과를 노릴 수 있으며, 적당히 섞으면 둘다 발광되고 극히 적은 농도로 DCM을 섞으면 거의 Alq3만 발광시킬 수도 있습니다.


물론 Tang 박사가 1989년에 수행한 이 실험은 이러한 작업을 검증하기 위한 목적이 아닌 두 발광물질을 섞어서 증착하게되면 소자 효율을 높임과 동시에 색변화도 함께 일어나는 현상을 주목했습니다.


왜 도핑을 하면 소자효율을 높을 수 있고 동시에 색변화가 일어나는지는 분자의 에너지 상태에 대한 이해와 에너지 전달 매카니즘을 이해해야하므로 OLED의 역사에 대한 내용인 오늘 주제에서 벗어나므로 추후에 다시 자세히 올리겠습니다.


이 도핑 효과로 인하여 OLED는 에너지밴드갭 조절을 이용한 색변화와 함께 광발광효율이 좋은(PL quantum yield, PLQY, 쉬운말로 먹은 에너지에 비해 얼마만큼 빛을 토해내는가 비율값이 높은) 물질과 전기적 특성이 좋은 물질을 함께 사용함으로써 전기적 특성과 광발광 특성이 모두 우수한 소자를 제작할 수 있게 되는 시발점이 되었습니다.



<사진3. Alq3와 DCM 도핑소자내 에너지 전달과 발광 모식도>



사진3.을 보시면 Alq3와 DCM이 섞여있는 유기박막내 상황이 그려져있습니다. 기본적으로 Alq3가 메인이 되고(Host라 부름) DCM을 섞어넣는 개념(Dopant라 부름)이기 때문에 전하 전달은 호스트인 Alq3가 주로 받아옵니다. 그리고 나서 이 에너지를 DCM으로 전달하게 되는데 DCM에 전달된 에너지는 Alq3보다 낮은 에너지 발광인 적색 발광이 됩니다. DCM이 수용할 수 있는 에너지보다 소자내 에너지가 더 많게 되면 여분의 에너지가 Alq3에서 다시 발광되므로 DCM의 농도조절이 소자의 전기광학적 특성이나 색을 조절할 수 있는 키 포인트가 됩니다.


현재 양산에 사용되는 OLED 소자의 발광층은 당연히 도핑기술을 사용하고 수송층들에도 역할이 알맞은 물질들을 도핑하여 전기광학적 특성을 최대한 끌어올리고 있습니다. 도핑기술이 없었다면 OLED는 여전히 낮은 효율과 너무 많은 열이 발생하는 그저그런 비주류의 발명품이 되어있었을 겁니다.


차후에는 도핑외에도 현재 양산에 사용되는 소자구조들과 거의 유사한 구조들로 왜 이러한 구조로 OLED가 발전되었는지에 대해서도 자세히 포스팅할 예정입니다.


다음에는 맨위 도표에서 중요포인트 세번째 인광OLED의 개발에 관한 스토리를 풀어보겠습니다. 


그럼 다음글에서 만나요!!


이 포스팅 관련 남보르TV 영상!!





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    • 기다리람마
    • 2017.10.07 22:03
    감사합니다! 잘 읽고 있습니다!! 강의도 듣고 이것도 함께 구독 하니 훨씬 이해가 쉽네요.
    • 취업준비중
    • 2018.08.16 20:29
    DCM분자구조를 보고 왜 DCM으로 부르는지 궁금증이 생겨 질문드립니다.
    그냥 pyran이랑, pyran에 붙은 메틸이나 저 긴 분자구조를 빼고 'd'i'c'yano'm'ethylene 이거때문에 DCM이라고 부르는 건가요?
    • ㅋㅋㅋㅋ 그런가봅니다 사실 물질이름들은 처음 논문내는 사람이 붙이는대로 나중에도 쭉 결정되는 듯합니다.

      TPbi, Bphen 등..등 뭐 다 이런식의 약자들이죠