11. OLED의 구동원리 (1) - 전자의 여행기

OLED는 어떻게 빛을 낼까요?

 

지난 시간까지 우리는 OLED의 개발역사와 구조에 대하여 간략하게 알아보았습니다. OLED가 어떻게 탄생하게 되었는지 또 생김새는 어떠한지 알아보았으니 이제 이 OLED란 놈이 빛을 내는 과정에 대해 조금 더 자세하게 들어가 보도록 하겠습니다.

 

사실 핵심적인 요소는 지난 포스팅까지 모두 다루었으니 대략적인 OLED 내용파악을 원하시는 분들은 이전 포스팅을 참조해주시면 보다 빠른 이해가 가능하시겠습니다.

OLED가 빛을내는 원리는 결국 전자의 여행기이다..

 

'전자'는 꼭 과학에 관심이 없는 사람에게도 현대시대에 너무나도 익숙한 단어입니다. 그러나 우리가 살아가면서 전자의 존재감에 대해 느낄 수 있는 기회가 얼마나 될까요?? 혹은 이러한 전자의 존재에 대해 어떠한 생각을 가지고 계신가요??

 

우리 주위에 눈으로 볼수있는 존재들과(책, 사람, 물, 사과 등) 눈으로 볼 수 없는 존재들(공기, 냄새 등)모든 것들의 기본 공통점은 바로 모두 '전자'로 이루어져 있다는 것입니다.

 

물론 전자 한개의 움직임은 너무나 불규칙하며, 존재여부의 확인도 어렵고, 어떻게 움직이는지 파악조차 어렵습니다. 그러나 분명한것은 항상 존재한다는 사실입니다. 그러면 어떻게 보이지도 측정하기도 어려운 대상의 존재를 확인할 수 있었을까요.

 

물론 전자는 보이지 않고 한개의 전자는 여전히 존재감이 미비하지만 전자들의 양이 거대해지면 이들의 양과 흐름이 측정이 되고, 또 이 전자뭉치들의 거동이 우리의 삶에 너무나 큰 영향을 주고 있습니다. 그렇다면 당장 전기를 이용하는 전자장비들을 제외하고 여러분들이 전자가 삶에 영향을 주는 부분이 무엇있을까 생각해봅시다.

 

당장은 떠올리기 힘드실 수도 있습니다. 왜냐하면 우리는 전자장비로만 전기와 전자의 존재를 간접적으로 확인해왔기 때문입니다.

 

그러나 여러분, 그러니깐 이 글을 읽고 계시는 당신의 존재 자체가 전자의 존재 증거입니다. 우리는 지금 이 글을 읽고 있는 눈에서 뇌로 시각정보를 보낼 때 이미 신경세포들의 전기신호를 뇌로 보내서 뇌에서도 전기적 신호로 정보를 해석하고 있습니다.

 

또한 당신의 몸을 지탱하고 구성하는 뼈와 살들은 전자와 원자핵들의 상호작용에 의해 유지되고 있으며, 밥을 먹는 행위도 음식을 구성하고 있는 분자들이 갖고 있는 화학적 에너지를 이용하려 하는 것인데 이 화학적 에너지가 갖는 에너지도 결국 전자가 가지는 에너지의 이동입니다.

 

조금 서론이 길었습니다만 제가 결국 드리고 싶은 말은 'OLED의 발광현상' 자체가 바로 이러한 전자들의 움직임이 우리 눈에 보일 수 있도록 재료를 디자인하고 배치하고 전자들 들뜨게 하면 되는 것입니다. 그럼 모든 것의 시작이자 끝인 모든 만물의 엄친아이자 머슴인 '전자'의 스펙을 한번 파악해봅시다.

 

전자(電子)

<물리> 음전하를 가지고 원자핵의 주위를 도는 소립자의 하나.

질량은 9.1090E-31kg,

원자의 전자 숫자는 그 원자 번호와 같다.

 

19세기 말, 진공 방전에 의한 음극선 입자로서 발견되었다. 기호는 e

전자라는 친구의 스펙입니다. 네이버 사전이 출처인데 정말 친절하지 않은 정보입니다. 여기서 그래도 알 수 있는 정보는 음의 성질을 가지고 있고 주소는 원자핵 근방이며, 몸무게는 뭐 굉장히 작고.. 그렇습니다. 이런 입자입니다.

<사진1. 수소원자의 전자 분포밀도 *출처 : 위키피디아>

 

* 원자들의 모습까지는 전자현미경으로 볼 수 있지만 개별 전자들은 측정할 방법이 없으므로 전자들이 존재 할 수 있는 확률적인 공간을 밀도분포로 나타낸다. 각 각 1s부터 3d 껍질 까지의 전자가 차지 할 수 있는 공간을 보여주며 전자 구름이라 부른다.

 

사진1.은 수소원자에 속해있는 전자의 모습입니다. 그러나 전자의 모습이라기 보다는 전자의 계모임의 풍경이랄까.. 아무튼 전자들이 얼마나 촘촘하게 모여있는지 밀도를 나타낸 그림입니다. 그런데 수소는 전자를 1개 갖고 있는 원소입니다. 그런데 전자의 모임이라니요?? 사진1.의 설명에도 있다시피 전자1개가 '확률'적으로 어떻게 배치되어 있을지에 대한 사진입니다.

 

전자는 이러한 모양으로 원자 주위에 확률적으로 존재합니다. 그런데 확률적으로 존재하는 것보다도 더 중요한 특징은 바로 전자가 음전하를 띈다는 사실입니다. 이 말은 읽는 그대로 마이너스 성질을 갖고 있는 전기적 입자라는 뜻입니다.

 

반대로 플러스 성질을 갖고 있는 집자는 원자핵을 이루고 있는 양성자라는 입자입니다. 그러나 이 양성자는 전자에 비하면 너무나 무거워서 전기적 에너지에 잘 반응 하지 않습니다. 단지 플러스라는 전기적 특성에 의해 전자들을 끌고 다니며 여기저기 빌려주기도 하고 받아오기도 하는 대장같은 역할을 할 뿐입니다.

 

전자는 음전하 성질을 갖고 있는데 너무나 질량이 작기 때문에 에너지에 민감한 존재들입니다. 항상 조금 더 안정한 상태를 추구하며, 안정한 원자 옆으로 가고 싶어하며 조금이라도 조건에 맞는 것으로 있다면 어디든지 지체없이 게다가 떼로 몰려서 떠나갑니다. 그리고 개별적인 움직임은 측정이 불가합니다만(하이젠베르그의 법칙에 의해) 전자 다발이라 불리는 대량의 전자들의 움직임은 전류라는 거시적은 흐름으로 측정이 되며 얼마나 많은 전자들이 흘러가는지도 숫자로 표현이 가능합니다.

 

1A(암페어) = 1C(쿨롱) / s(초)

1C = 6.25E18개의 전자가 갖는 전하량

 

즉, 우리가 1A라 불리는 전류량은 초당 6.25E18개라는 어마어마한 숫자의 전자가 이동하는 전류의 세기입니다. 한개한개의 존재감은 미비하지만 워낙에 많은 수의 친구들이 같이 움직이다 보니 움직임을 숨길 수가 없고 측정이 가능하기 때문에 전자가 어떻게 흘러가는지 어디로 가는 것을 좋아하는지 취향분석도 가능해집니다. 그렇다면 오늘은 이 전자가 OLED 소자 안으로 들어가는 과정에 대해 알아보도록 합시다.

<사진2. 전자의 이동 과정>

 

사진2.를 간단히 살펴보자면 오른쪽에 음극이 위치하고 있으며 왼쪽에는 양극이 있습니다. 전압을 걸어주는 않은 상태에서는 당연히 양극과 음극 모두 전자는 가전자대(valence band)라 불리는 물질 내에 전자가 있을 수 있는 가장 안정한 에너지 상태에 가만히 머무르게 됩니다.

 

그 후에 외부에서 전압이 인가되면(전기적 에너지 차이) 비로서 전자들이 전압이 걸리는 방향대로 움직이려고 하게 됩니다. 양극과 음극의 전압차이가 크면 클 수록 더 많은 전자들이 양극 쪽으로 흘러들어가려하지만 사진2.에서 보이는 것과 같이 양극과 음극 사이에는 유기물이라는 장애물이 있습니다.

 

이 유기물은 두 전극과는 에너지 상태가 많이 다르기 때문에 음극에서 시작해서 양극으로 가려는 전자는 이 유기물사이에 존재하는 에너지 차이를 극복해야만 합니다. 이 에너지 차이는 음극의 일함수(work function)과 유기물의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)이라 불리는 전자의 들뜬상태와의 차이를 말합니다.

 

사진2.에서 에너지적 관점이동에 나타낸 ΔE에 해당합니다. 이 ΔE를 우리는 에너지 갭이라 부르며, 또 이 에너지 단위는 eV로 지금부터 너무나 많이 보게될 단위입니다.

 

eV는 전자 한개가 갖는 에너지 단위로 electron voltage의 약자입니다. 이 에너지차이를 극복할 수 있을 만한 외부 전압이 걸리게 되면 드디어 전자는 음극을 떠나서 유기물 내부로 주입될 수 있게 됩니다. 이 일련의 과정들을 한번 계조식으로 정리해봅시다.

1. 외부 전압 인가(V)
2. 전압차이에 의한 음극의 자유전자들이 양극 방향으로 이동하기 시작함.
3. 에너지적 장애물인 유기물을 만남.
4. 에너지 장벽인 ΔE이상의 전압이 공급되면 전자가 유기물 내로 주입됨.

자 우리는 전자가 유기물 내로 들어가는 과정의 첫발을 내딛었습니다. OLED는 유기물로 이루어져있는데 당연히 유기물로 전자가 들어가야 무슨 일이 일어나겠죠?? 하지만 너무 전자가 쉽게 유기물로 들어간것 같아보이기도 합니다. 그래서 다음시간에는 음극에 있는 전자가 유기물로 주입되기 위한 방법 세가지에 대해 알아볼 예정입니다.

 

이 세가지 모델이란 쇼트키 열방사, 파울러-노르드하임 터널 주입, 불순물 준위에 의한 전하주입 모델 세가지로 전자가 금속에서 유기물로 주입되는 현상을 설명하는 주요한 모델들입니다. 다음 시간에는 이러한 주입모델들에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

다음글도 기대해 주세요!!