14. OLED의 구동원리 (4) - 전자이동원리

전자는 분자사이를 징검다리를 건너듯이 총총대며 나아간다!

 지난 시간에 우리는 전자가 음극인 알루미늄에서 유기물내로 주입되는 세가지 이론적인 모델들에 대해 알아보았습니다. 동시에 전극을 이루는 금속박막과 유기물사이의 에너지 차이 때문에 전자가 주입되려면 에너지가 필요하다는 것도 같이 알아보았습니다. 어찌어찌 힘들게 유기물로 주입된 전자가 유기물 내에서는 어떠한 방식으로 이동하게 될까요?? 오늘 이 시간에는 전자의 유기물 내에서의 이동에 대해 정리해보도록 하겠습니다.

 

도체.. 부도체.. 그리고 반도체!!??

 

전자의 이동방법에 대해 알아본다고 해놓고 도체는 무엇이고 부도체 거기다 반도체까지 무슨 말일까요? 여기까지 제 포스팅을 읽으신 분들은 제 화법에 어느정도 익숙해 지셧으리라 믿습니다.

 

맞습니다.

 

전자의 이동 매카니즘을 이해하기 위해서는 도체와 부도체 그리고 우리가 익히 듣고 있지만 개념은 막연한 반도체라는 녀석들이 무엇인지 대략적인 이해가 필요합니다. 도체와 부도체 그리고 반도체들은 물질의 전기적 특성에 따라 분류를 해놓은 분류법이고 이것은 곧 전자의 이동 방식에 관한 분류이기도 하기 때문에 반드시 알고 넘어가야 합니다.

 

먼저 분자(혹은 금속원자) 내에서 전자가 분자내에서 가장 안정한 상태를 한번 찾아봅시다. 많은 분들이 아시다시피 이 상태를 우리는 가전자대(Valence band)라고 부르며, 이 밴드에 속해있는 전자들은 이미 굉장히 에너지적으로 안정된 상태이기 때문에 굳이 인전분자나 다른 원자로 이동할 필요가 없습니다.

 

예를들어 봅시다. 비가 주륵주륵 내리는 일요일 저녁쯤 집에 누워서 프로듀스101 남자편을 보며 참외를 먹고있는 인기녀에게 친하지 않은 학교남자선배가 놀자고 연락이 왔다고 칩시다. 이 인기녀는 이미 너무나 안정된 상태라는 것을 우리는 알수있습니다. 쌩얼에 거기다 일요일 저녁, 거기에다가 너무나 재밋는 프로듀스101을 한창 보고 있는데 감히 이 정도 수준의 남자선배가 이 인기녀를 집밖으로 불러내기에는 쉽지 않을 것같아 보입니다.

 

그러면 분자에 가해지는 외부의 전기적에너지, 광에너지 혹은 열적에너지로 인해 이 전자를 들뜬상태(Excited state, 여기상태)로 만든다면 이야기는 달라집니다. 들뜬상태에 있도록 전자에 충분한 에너지가 가해지면 전자는 전도대(Conduction band)라 불리는 에너지가 높은 상태에 놓이게 됩니다.

 

이 상태는 전자가 말 그대로 들떠 있기 때문에 가전자대에 있던 안정한 전자와는 확연히 다른 특성을 보여줍니다. 인접 분자로의 이동 확률이 증가하고 다시 가전자대로 에너지를 낮추며 여분의 에너지를 방출하는 등 불안정한 모습을 보입니다.

 

다시한번 인기녀의 예를들어 봅시다. 이 인기녀가 이번에는 날좋은 봄날에 풀메이크업을 완료하고 야심차게 외출했으나 약속이 파토가 나버렸다고 칩시다. 이 여자는 손톱을 깨물며 안절부절하지 못할 겁니다. 자신이 지금 너무 예쁘다는 걸 스스로 잘 알고 있는데 이대로 집에 들어가버리면 다시 쌩얼의 상태로 돌아가야 하는 겁니다.

 

이런날은 누구라도 만나고 싶어 안달이 난 상태이므로 저번에 퇴짜를 놓았던 학교 선배의 부름에 마지못한척 나가 줄 수도 있는 모든것을 내려놓은 상태가 됩니다. 전자도 마찬가지 입니다. 이미 에너지를 얻어 들뜬 상태에 놓인 전자는 어디든 움직일 준비를 완료한 상태이므로 어느정도 자유를 갖습니다.

 

Valance Band(가전자대) : 전자의 안정한 상태

Conduction Band(전도대) : 전자의 들뜬 상태

 

그렇다면 전자가 위치하는 그러니깐 에너지 상태에 따른 밴드의 구분은 알았고 이 밴드가 어떻게 구성되면 물질의 전기적 특성을 나눌 수 있는지 아래 그림과 함께 비교해 보도록 합시다. 

 

<사진1. 도체, 부도체 , 반도체의 밴드 분포>

 

 

사진1.에서 보이는 바와 같이 물질의 전기적 특성은 세가지로 나뉠 수 있고 각각의 전기적 특성을 나누는 기준은 결국 가전자대와 전도대의 분포로 나눌 수 있습니다.

 

먼저 가장 왼쪽의 도체(Conductor)를 살펴보도록 합시다. 가전자대와 전도대가 가깝다 못해 서로 맞물려서 오버랩되어 있을 정도 입니다. 이것이 무슨의미를 갖는 것일까요? 가장안정한 상태와 들뜬상태가 겹친다는 말이 쉽사리 이해하기는 어렵지만 금속과 금속원자들이 모여서 자유전자들을 공유하는 방식이 도체라고 보면 됩니다(공유결합과는 분명히 다른 방식입니다).

 

금속은 원자1번 형님의 전자나 원자 50012번 막내 원자의 전자나 모두 특별한 주인이 없이 자유전자라는 방식으로 서로를 구성하고 있습니다. 그러니 1번 원자에서도 안정하지만 막내 원자에게 이동해도 특별히 불편한 상태가 아니니 전자는 마음대로 움직이는 상태를 유지합니다.

 

그러나 부도체(insulator)의 경우는 가전자대와 전도대가 너무 많이 떨어져 있다는 것을 알 수 있습니다. 이 가전자대와 전도대의 에너지차이 만큼을 에너지 밴드갭(energy band gap)이라 하며 이 에너지 밴드갭은 OLED를 공부하는 내내 계속 중요하게 언급되니 주목 하셔야 합니다. 

 

다시 이야기를 돌려서 부도체는 에너지 밴드갭이 너무 넓기 때문에 외부에서 에너지가 많이 공급되더라도 이 에너지 밴드갭을 채워줄 만큼의 에너지가 자연 상태에 있기 힘들고 혹여나 이 에너지 만큼의 큰 에너지가 외부에서 공급된다고 하더라도 이 공급된 에너지 자체가 너무 큰 에너지라서 분자를 이루고 있는 구조자체가 파괴되던가 결정구조가 파괴되어 본래의 특성을 잃어버리는 경우가 많으므로 이 부도체들에서는 전자가 항상 가전자대의 안정한 위치에만 존재하며 전자가 이동하는 특성을 전혀보이지 않으므로 따라서 전기적 특성이 없습니다.

 

그러면 우리가 주목해야할 반도체(semi-conductor)의 경우는 어떠할지 살펴봅시다. 자신이 아무리 문과에서 과학에 손을 뗀지 10년이 되었든 자신이 초등학생이던 반도체라는 단어를 현대사회에서 들어보지 못한 사람은 없을 것이라 감히 확신합니다. 이 글을 읽고있는 대부분도 마찬가지리라 생각됩니다. 사진1.에서 나타난대로 반도체는 도체와 부도체의 중간정도의 에너지 밴드갭을 가지는 애매한 물질들을 말합니다. 

 

평소에는 부도체와 같이 전기적 특성을 보이지 않다가 특정에너지를 외부에서 얻을 경우에(약 0.5eV~4eV) 전자가 전도대로 들뜨게 되어 전기적 특성을 보이는 물질들 입니다. 그래서 이름이 도체도 아닌 부도체도 아닌 반도체인것 입니다.

 

이 한마디를 하려고 너무나도 돌아왔군요. 제가 하려는 말은 바로 OLED의 유기물이 바로 반도체 특성을 보인다는 사실입니다. 유기물로 되어있는데 반도체의 특성을 가지니 유기반도체(Organic semiconductor)라는 용어로도 사용됩니다. 

 

그러나 분명히 아셔야할 점은 우리가 흔히 부르는 반도체는 무기반도체들이며(메모리, CPU 등에 사용되는 실리콘 기반의 반도체) 유기반도체와는 극명히 다른 특성을 지닌다는 사실입니다. 실리콘 기반의 반도체들은 결정구조를 갖는 반도체들이고 유기반도체는 개별 분자들의 무리가 모이는 형태를 보입니다.(유기분자들이 규칙성을 갖고 결정구조를 갖기도 하나 OLED에서 이러한 유기분자의 결정성은 굉장히 좋지 않는 특성을 보여줍니다. 이 이유는 차후에 다루도록 하겠습니다.) 이러한 결정구조의 차이가 무슨 말인지 아래 그림을 보며 이해해보록 합시다. 

 

<사진2. 무기반도체와 유기반도체의 구성차이>

  

사진2.에서 보이는바와 같이 무기 반도체는 분자개념이 아닌 단일 원자가 규칙적으로 배열된 결정구조로 이루어져 있습니다. 결정1은 실리콘 원자들이 비교적 규칙적으로 배열되어 있는 결정무리로 보이고, 결정2는 규칙성이 없는 실리콘 원자들로 이루어져 있습니다.

 

이러한 반도체의 구성단위가 결정이라고 부르며 결정들사이의 경계를 결함이라 부르며 결함이 없도록 결정을 큰덩어리로 만들 수도 있는데 어짜피 이것 또한 단일 결정구조를 갖는 반도체 일 뿐입니다.

 

이렇듯 무기 반도체는 단일 원자가 무리지어 있는 것이라면(물론 불순물을 첨가하지만 가볍게 이해를 돕기 위해서) 유기반도체는 사진2.에서 보이는 것과 같이 유기분자들로 이루어진 무리형태를 보여줍니다. 분자는 그 자체가 수많은 원자들로 이루어져 있기 때문에 단일 원자로 이루어지는 무기반도체와는 개념자체가 다를 수 밖에 없습니다. 또한 유기분자는 서로 다른 수많은 원자들로 이루어져 있기 때문에 이들이 이루는 에너지 밴드들도 너무나 다양합니다. 

 

사진2.에서 유기반도체 부분의 굵은 선을 유기분자간의 상호작용이라고 본다면 분자들이 어떻게 배치되는가에 따라 상호작용 에너지의 크기들이 너무나 다양하게 될 것입니다. 게다가 실제로는 2차원 공간에 펼쳐있는 것이 아닌 3차원 공간에 분자들이 쌓이고 밀치고 끼여 있게 되므로 이 에너지들의 상태는 밴드라 불리는 넓은 범위로 표현해야만 합니다. 그러면 이러한 수많은 밴드들이 전자들의 이동에 어떻게 영향을 미치는지 아래 그림과 함께 알아보도록 합시다. 

 

<사진3. 전자의 유기물내에서의 이동 (호핑(hopping)이라고 부른다)>

 

 

위에서 설명한대로 전도대에 생긴 수많은 에너지 레벨들을 일반적으로 트랩(trap)이라고 부릅니다. 에너지의 배치상태만 보아도 왜 트랩이라고 부르는지 감이 잡히시죠? 유기반도체는 분자로 구성되어 있다는 특성 때문에 트랩과 같이 에너지적인 함정들이 너무 많아집니다. 전자가 나아가려면 에너지를 얻으며 에너지함정인 트랩을 극복하고 목적지 까지 이동하기 위해서는 호핑(hopping)이라는 현상을 통해 이동해 나아갑니다. 'Hop'은 깡총깡총 뛰다라는 뜻으로 사진3.에서 나타낸대로 왜 호핑이라 부르는지 이해가 가실 겁니다.

 

그러나 이전에 전자의 에너지개념에서 말씀드린대로 전자가 에너지적으로 높은 상태로 변한다는 것은 사진3.과 같이 뛰는 듯이 이동하는 것이 아닌 파동에너지적으로 진동상태가 변하며 인접분자에 알맞은 에너지 상태로 변하며 이동하는 것입니다. 빠르게 날개짓 하는 벌새의 날개라고 표현하면 어느정도는 머리속에 그러지지 않을까 싶습니다.

 

벌새가 안정한 상태의 중심을 유지하기 위해서는 일정한 날개짓 속도가 필요하며, 더 높은 곳으로 가려면 더 빠르게 날개짓을 해야하는 것과 마찬가지 입니다. 전자가 진동에너지를 높인다고 해서 벌새처럼 위치적으로 이동하는 것은 아니지만 에너지적 관점에서는 높아지므로 이러한 관점에서 머리속으로 추상적으로 이해하시면 될 것 같습니다.

 

오늘로써 전자의 이동까지 알아보았습니다. 이제 정공과 전자가 만나서 빛을 내는 순간만 이해하면 되는 시간까지 왔군요. 그럼 다음 시간에는 불을 뿜어내는 재결합(recombination)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

다음글도 기대해주세요!!