8. OLED의 구조 (1) - 다층구조

Posted by 주인장 남보르
2017.05.30 01:21 OLED 이야기/OLED 알아봅시다

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 관영적으로 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!!



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    • jlkice827
    • 2017.05.30 20:01
    디스플레이 공부하는 학생인데 글도 이해 잘가게 쓰시고 굉장히 실용적인 지식을 갖고 계신것 같네요. 부럽습니다.
    혹시 각 층이 어떤 재료를 사용하는지 알 수 있을까요? HIL은 PEDOT/PSS를 사용한다고 알고 있는데 나머지는 명확히 모르겠네요ㅠㅠ
    • 안녕하세요 일단 칭찬 감사드립니다ㅋㅋ
      일단 각 레이어별 재료는 추후에 자세한 포스팅을 할 예정입니다만 아직 올려야할것들이 수두룩해서 간단히 말씀드리겠습니다.

      먼저 질문하신 HIL에 PEDOT/PSS를 사용하냐고 질문하셧는데 결론적으로 사용하지 않습니다. 물론 논문용이나 지금까지 많은 문헌에서 HIL로 사용된것은 맞습니다만 고분자인 PEDOT은 용액공정이 필요하고 이 용액공정을 거친 OLED소자는 아무리 baking을 잘해도 수명이 박살납니다. 정말 좋은 공정조건을 잡는다해도 굳이 이 물질을 사용할 이유가 없습니다. 지금은 좋은 HIL재료들이 많이 나왔기 때문이죠.

      현재는 HAT-CN과 비슷한 cyano(-CN)그룹을 가지는 저분자 물질이 HIL로 사용되고 있습니다.

      각 레이어는 재료 이름이 중요한 것이 아닙니다. 유기물의 특성상 무제한에 가까운 재료선택이 가능한데 재료 이름을 알아서 도움될 것이 하나도 없습니다.

      나중에 따로 올려드릴테지만 중요한것은 각 레이어가 가져야만 하는 물리적특성과 기본 분자구조에 대해서 이해를 해야한다는 것입니다.

      남은 하루 좋은시간되세요

      • jlkice827
      • 2017.05.30 23:27
      답변 감사합니다ㅎㅎ. 학교에서 배우는 내용과 실제 공정에는 정말 큰 차이가 있는거 같네요. 계속 좋은 글 기다리겠습니다!!
    • oled
    • 2017.06.14 16:02
    정말 설명 잘 해놓으셨네요..
    한가지 추가하자면 현재 SDC A2는 0.4t(Rigid) A3는 0.5t(PI OLED) Glass를 사용중에 있습니다.
    • 답글이 너무 늦었네요.

      관련업무하시는 분이신가보네요. 좋은 정보 감사드립니다. 제가 알 수 없는 부분의 정보라서 더 좋네요.
    • 기다리람마
    • 2017.10.07 22:29
    잘읽었습니다!! 감사합니다!
    다만 OLED 기능 총정리에 HBL이 빠져있네요!! 물론 위에 설명글이 있어서 별거 아니긴하지만..
    진짜 1부터 계속 읽고 있는데 정리 하는데에 너무 도움되서 감사드립니다!!
    강의교재는 친절하지가 않아서.....교수님도 친절하진 않아서.... ㅠㅠㅠ
    • 디플짱
    • 2018.05.04 09:26
    안녕하세요~ 글 매우 잘 읽고 있어요~ 정말 이해 잘되게 써주시는거 같아 항상 감사함을 느끼고 있습니다.
    다름이아니라 이 글에서 '실제로도 전자보다 정공이 OLED 소자안에서 더 빠르기 때문에 HTL 방향의 두께가 반대편인 ETL의 두께보다 2배가량 더 두껍게 만들어 주는 이유가 됩니다.' 라는 글을 읽었는데 왜 정공이 전자보다 빠른지 혹시 이유가 있을까요?? 찾아봐도 안나오더라구요. 제가 전공수업에서 배운 바로는 전자의 이동속도가 정공의 이동속도보다 빠르다고 배웠었거든요. 유기물내에서는 어떤 이유때문에 그런가요?? 그리고 정공이 빠르기때문에 HTL층을 두껍게 만들어 준다는 것은 EML층에 전자와 홀이 비슷하게 도달시키기 위함인가요??


    • 안녕하세요
      LED와 OLED 그리고 Si 반도체 소자들 모두 전자와 정공을 다루는 과목들이다 보니 전공 수업시 모두 전자가 정공보다 이동도가 빠르다고 배웁니다.

      그러나 이것은 '무기' 반도체에 한정된 경향성입니다. '유기' 반도체인 OLED에서는 이것이 반대의 경향성을 갖습니다.

      무기물과 유기물의 전도성은 전혀 다른매카니즘을 통해 얻어집니다. 무기반도체는 꽉들어찬 전자가 전위차에 의해 조금씩 이동하여 밀어내기를 하면서 이동하는 것이고,

      유기반도체는 전자하나가 이동한다는 것은 일단 분자단위로 산화환원을 끊임없이 거치며 이동해야 합니다. 이를 호핑이라고도 합니다. 분자가 들뜬 전자를 인접 분자에 주는 행위 자체가 산화반응이고 전자를 받는 분자는 환원반응이 됩니다.

      그러다 보니 만원 전철에 밀려서 자연스럽네 입구를 빠져나오는 것보다, 만원 전철에서 정지된 사람들을 한명씩 제껴가며 나오는 속도가 훨씬오래걸리는 것과 마찬가지 입니다.

      그러면 왜 정공은 빠르냐 정공은 사실 양폴라론입니다. 물론 전자의 경우도 음폴라론인것은 마찬가지이지만 위에서 설명한것과 다를바 없으므로 생략하겠습니다.

      양폴라론이 되려면 전자를 하나 잃어야 합니다. 그런데 전자를 잃는 과정은 생각보다 쉽습니다. 전자가 하나 들떠서 HOMO레벨로 올라가서 그 전자가 인접분자로 이동하면 원래 분자 자체는 양폴라론을 갖게 됩니다. 게다가 이 들뜬 에너지 흡수과정은 굉장히 빠른 과정이므로 들뜬는 속도는 매우 빠르다 보니 양폴라론이 쉽게 됩니다.

      게다가 전압이 걸려있는 상태이니 전자는 자꾸 양극 쪽으로 끌려가려고 하기 때문에 더더욱 전자를 잃기 쉽습니다. 그러다 보니 유기반도체에서 양폴라론인 정공의 이동속도가 전자보다 빨라지게 됩니다.
    • pwb318
    • 2018.05.16 16:20
    안녕하세요? 디스플레이 공부하는 학생입니다. 궁금한점이 있어 질문남깁니다.

    내용에서 OLED 소자안에서는 Hole이 Electron보다 빠르다고 설명해주셨는데,
    저는 Electron의 mobility가 hole의 mobility보다 보통 빠르다고 알고있어서 조금 헷갈립니다.

    어느 것이 더 맞는건가요? 아니면 제가 내용을 다르게 이해하고 있는것인지요?
    • 질문질문
    • 2018.07.12 15:27
    다양한 글 잘 읽고 있습니다.

    간단한 질문이 하나 있는데요.

    Anode는 ITO로 만들고, Cathode는 금속으로 만든다고 하셨는데

    ITO로는 정공이 주입이 잘 되지만, 전자는 주입이 잘 되지 않는 이유가 궁금합니다.

    또 추가로 Top emission의 경우 결국은 Mg:Ag 금속으로하기는 했지만

    Cathode를 ITO로 만들대 유기물에 손상을 입는 이유가 궁금합니다!
    • 답변이 너무 늦었네요.. 더워서 컴퓨터방에 들어가기도 싫다 보니깐 죄송합니다..

      일단 ITO나 금속이나 큰차이는 없습니다. 둘다 정공과 전자 모두 잘 흘리는 도체입니다. (ITO는 산화물로 약간 다른 성격이긴하지만 유기물의 낮은 전도도에 비하면 상대적으로 도체라고 보아도 무방함)

      단지 투명한 특성과 HTL의 HOMO 레벨과 궁합이 잘맞는 특성 때문에 투명애노드로 사용하는 것일 뿐입니다.

      두번째 답변은 Mg:Ag는 열증착이 가능한 금속들이지만 ITO는 스퍼터링을 사용한 증착을 해야합니다. 열증착은 소복히 쌓이는 눈이라면 스퍼터링은 우박을 쏟아붓는 것과 마찬가지의 증착방식입니다.

      유기물은 내구성이 약하기 때문에 스퍼터링으로 증착되는 ITO에 손상을 입게 되어 유기물 위로 스퍼터링 방식으로 증착은 일반적으로 잘 하지 않습니다.
    • Oled학도
    • 2018.07.17 17:56
    안녕하세요 ? 언제나 포스팅 잘보고 있습니다.
    궁금한점 2가지만 질문드릴께요^^
    1.EML증착 할때 온도에 따른 증착 정밀도가 달라질수있나요?
    2.EML구성은 호스트와 소량의 도판트로 구성되어있는대
    HIL이나 HTL을 구성하는 물질은 무엇인가요?^^

    시간나실때 답변주시면 많은 도움이 될것 같아요~~
    • 답변이 너무 늦었네요.. 더워서 컴퓨터방에 들어가기도 싫다 보니깐 죄송합니다..

      증착 정밀도라는 용어는 딱히 정의되어 있지 않지만 제가 이해한바대로 말씀드리면 유기물 증착은 증착속도를 온도로 컨트롤 하기 때문에 온도에 따라 박막의 밀도와 형상에 영향을 줍니다.

      HIL과 HTL도 다른 층들과 다른바 없이 마찬가지로 유기물들입니다. 다만 정공수송에 유리한 기능기들을 갖는 분자구조를 갖고 있습니다.

      대표적으로 HIL : HAP-CN, NDP-9 등
      HTL : NPB, 2-TNATA 등이 있습니다만 최근에는 좋은 재료들이 많이 나와서 학교레벨들에서 사용 중인 재료들입니다.
    • jjjin1009
    • 2018.10.08 13:36
    HTL 설명하실 때 부르빈다. 라고 오타 있네요.디스플레이 공부 중인데 상당히 많은 도움이 되고 있습니다. 감사합니다.
    • 오타 수정했습니다.
      오래전 쓴글이라 지금 보면 실수도 많고 어색한 부분도 많네요... 지적 감사합니다.
    • 깡팸바이러스
    • 2019.01.23 09:42
    최근 남보르님 블로그에 수시로 들려서 OLED에 대해 공부하고있는 LED 분야를 전공하고있는 학생입니다. 친절하고 자세한 설명 감사드립니다!!
    위 구조에서 양극인 ITO에 대한 물질은 투명전극으로 알고있는데 이를 대신할만한 물질이 있을까요? LED에서나 OLED에서나 전극으로 ITO만을 고집하는 이유가 궁금합니다! 각 레이어별 포스팅은 추후에 차근차근 올려주신다고하셨는데 전극 포스팅은 언제쯤 볼 수 있을까요?ㅠㅠ
    여러가지로 도움이 많이되어 글 잘 보고있습니다. 매번 감사드립니다.
    • 안녕하세요 도움이 되신다니 다행입니다.

      ITO를 대체할 다른 재료들이 많이도 시도되어 왔습니다.

      CNT(탄소나노튜브), Ag wire, 그래핀, IZO 등 등 논문도 많이 나오고 시도는 다양합니다만 ITO만큼 계면 특성이 좋고 가시광영역에서 고루 투명하고 양산하기 편한 재료가 아직 없습니다.

      전극관련해서도 OLED 백과사전에서 다룰 예정입니다. 정말 정말 계획되어 있는 건 많은데 사람 인생이라는게 시간을 쓰는데 한계가 있네요 .. ㅜㅜ
      • 깡팸바이러스
      • 2019.01.24 15:18
      바쁘신 와중에도 댓글도 다 달아주시니 감사할 따름입니다.

      혹 시간이 되신다면 다음 포스팅때 OLED의 양극으로써 ITO가 충족시켜야하는 spec이라던지 특성들이 어떠한 것이 있는지 다뤄주실 수 있을까요?
      ITO 특성을 우수하게 가져갈려면 고온 열처리를 필요로 한다고 알고있는데 그렇게되면 요즘 잇ㅍ인 Flexible 기판에 적용하기가 어렵지 않을까 생각되는데 맞는걸까요? 아니면 flexible device에서는 다른 물질을 양극으로 사용하는걸까요?
      여러모로 도움이 많이 되고있습니다. 감사합니다 ^^