16. OLED의 색 : 엑시톤과 에너지밴드갭 그리고 스펙트럼 (1)

안녕하세요. 지난 시간까지 우리는 OLED의 역사, 구조, 그리고 간단한 구동원리까지 알아보았습니다. 역시나 OLED를 공부하면서 느끼는 것은 결국엔 '아~ 그거?? OLED ... 전자랑 정공이랑 만나서 빛나는거??' 밖에 없다는 사실입니다. 그렇습니다. OLED는 결국 이게 어떻게 구동되고 어떻게 만드느냐도 중요하지만 나오는 빛이 얼마나 밝은지, 색이 어떠한 색인지가 결국 중요하겠지요.

그런데 OLED의 색을 결정하는 것은 발광물질의 에너지밴드갭이라고 보면 됩니다. 색을 이루는 스펙트럼을 자세히 들여다 보면 에너지밴드갭 만으로 모두 설명되는 것은 아니나 우리가 추구하는 교양수준의 OLED이론에서는 충분히 설명이 됩니다.

엑시톤(exciton)과 에너지밴드갭(energy band gap)

엑시톤과 에너지밴드갭은 떨어트릴려고 해도 절대 떨어트려 설명할 수가 없는 존재들입니다. 엑시톤 자체가 에너지적으로 들뜬상태의 입자라는 뜻을 가지고 있는데 얼마만큼 들떠있는지 설명하려면 에너지의 크기로 나타내야겠지요. 그래서 엑시톤이 빛을 만들어내는 기타(현악기)라면 에너지밴드갭은 이 기타를 구성하는 줄과 같습니다. 기타는 악기이지만 소리를 진동으로 만들어 내줄 수 있는 줄이 없다면 둥근 몽둥이에 불과합니다. 

기타는 당연히 줄이 있어야 소리를 내며 또한 줄이 갖는 진동수에 따라 각기 다른 음을 가질 수 있기 때문에 기타와 줄을 따로 설명할 수가 없는 것과 마찬가지로 엑시톤과 에너지 밴드갭도 마찬가지라고 할 수 있습니다. 이 에너지밴드갭의 크기는 OLED의 발광층을 이루는 발광도판트의 HOMO와 LUMO에너지 차이를 일반적으로 에너지 밴드갭이라 부릅니다. 

(*여기까지 용어적인 부분이 전혀 이해되지 않으시는 분들은 이전 포스팅부터 읽어보시길 추천합니다.)

일반적으로 유기물의 에너지밴드갭은 eV(electron voltage) 단위로 표현합니다. 가시광영역의 에너지를 가질 수 있는 에너지밴드갭의 크기는 대략 1.60~3.25eV 정도가 됩니다. 이 정도 에너지밴드갭이라면 약 380~780nm 파장 영역의 가시광을 모두 만들어 낼 수 있습니다.

사진1. 에너지밴드갭에 따른 빛의 파장 및 색

사진1.에서 보이는대로 발광도판트의 에너지밴드갭의 크기에 따라 빛의 파장이 정해지며 이 파장이 나타내는 색 또한 그래프에 표현했습니다. 결국 OLED의 색조절이라고 하면 도판트의 에너지밴드갭 조절을 통해 이루어진다는 것을 알 수 있겠죠. 반대로 말하면 발광물질의 에너지밴드갭을 알면 만들어질 OLED의 대략적인 발광색을 역으로 알 수 있습니다. 따라서 물질구조설계시 에너지밴드갭 조절은 가장 중요한 포인트 중 하나가 됩니다.

그런데!! 에너지밴드갭으로 OLED의 색을 일정하게 정의하는데에는 생각보다 큰 문제가 있습니다. 에너지밴드의 크기에 따른 색은 무기물의 경우에 적용되는 내용입니다. 당연히 반도체 이론이 무기물에서부터 시작해서 유기물로 적용되었기 때문에 공통적이고 물리적으로 근본적인 내용은 공유가 되더라도 사실 많이 다른것이 사실입니다. 그러면 이 부분에서는 어떻게 다른지 한번 살펴봅시다.

우리는 무기물들의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)가 굉장히 일정하다는 것을 알고 있습니다. 유기물들처럼 다양한 결합을 하는 것도, 구성 원자수가 다양한 것도 아니니 전도대와 가전자대가 형성하는 에너지밴드갭이 일정합니다. 그래서 무기물의 발광피크는 레이져의 스펙트럼과 같이 단파장으로 이루어지는 경우가 대부분입니다. 

그러나 유기물이 경우에는 같은 물질이라고 해도 이전 포스팅에서 말씀드린대로 분자의 진동, 분자가 쌓여있는 형태, 온도, 두가지 이상 물질의 혼합인 경우 농도에 따라 달라지는 등 다양한 요인에 의해 HOMO, LUMO에너지 외에도 다양한 스펙트럼을 구성하는 보조피크들이 나타나게 되고 심지어는 전파장이 모두 발광하여 백색을 띄는 극단적인 경우도 있는 등 에너지밴드갭 만으로는 약간 설명이 힘들어 지는 경향이 있습니다. 그래서 유기물은 무기물에 비해 색 스펙트럼이 넓게 퍼지는(이를 broad하다고 표현합니다.) 현상이 뚜렷히 보입니다.

사진2. 햇빛, LED, OLED의 발광스펙트럼 비교(*출처 : www.light.fi/blog)

사진2는 가장 브로드한 스펙트럼을 갖는 햇빛 그러니깐 태양빛과 무, 유기물로 발광하는 대표적인 발광체인 LED와 OLED 중 특히 백색조명의 스펙트럼을 비교해놓은 도표입니다. 노란색 선인 햇빛의 경우 가시광 전영역에 고른 스펙트럼을 갖고 있음을 보 수 있고 OLED는 그보다는 못하지만 그래도 전 영역이 고른 스펙트럼을 보여주지만 LED는 파장이 얇고 좁은 파장을 보여줍니다. 이러한 스펙트럼 영역분포를 CRI(Colo rendering index)라고 표현하며 태양광과 비슷할 수록 이 수치가 100%에 가깝게 표시됩니다.

CRI에 대해서 더 자세히 다루고 싶지만 이번 포스팅에서는 목적을 벗어나니 다음에 다루기로 하고 원래 하고자 하는 이야기의 포인트는 유기물의 특성상 스펙트럼이 브로드해질 가능성이 크고 우리가 눈으로 보이는 색은 정확히 3eV나 1eV같이 정확한 에너지가 눈에 들어오는 것이 아닌 다양한 에너지의 크기의 빛이 합쳐져서 색을 구성한다는 것입니다. 

스펙트럼과 색순도의 관계는??

사진3. 사진1의 리마인드

사진3 사진1의 아래부분을 다시 따왔습니다. 왜냐하면 어러분들은 이미 이 그림을 완벽히 잊어버리고 있기 때문이죠. 이 그림을 다시 따온 이유는 굉장히 중요한 포인트지만 대부분의 아니 거의 모든 학생, 연구진들도 모두 관과하고 있는 사실이있기 때문입니다. 

사진1에서 에너지 밴드갭이 줄어듦에 따라 색이 변하는데 이것이 선형을 띄지 않습니다. 에너지밴드갭이 작아질 수록 파장의 변화폭이 점점 더 커집니다. 이 변화의 기울기가 달라지는 사실이 말하는 사실은 무엇일까요??

바로 "OLED는 적색이 색순도가 좋지 않아, 스펙트럼을 봐 굉장히 뚱뚱하잖아." 라고!! 학교에서도 이렇게 배웠었습니다. 잘 이 상황이 이해가 가지 않으시는 분들이 많기 때문에 아래 그림을 가지고 왔습니다.

사진4. 실제 단색 OLED의 스펙트럼

사진4는 삼원색의 RGB발광소자의 스펙트럼을 비교해놓은 그림입니다. 실제 데이터이니 그대로 참고 하시면 될 듯 합니다. 사진4.를 보면 세가지 색을 이루는 스펙트럼의 가장 큰 차이는 무엇일까요?? 당연히 파장대가 다르다는 것은 알 수 있고, 그 다음으로 눈에 들어오는 것이 반치폭이라 불리는 스펙트럼의 두께의 차이라는 것을 알 수 있습니다. 청색으로 갈 수록 반치폭이 작고 적색으로 갈 수록 반치폭이 커집니다. 이러한 사실은 물리적인 현상이므로 어떻게 소자를 만들어도 경향성은 변하지 않습니다. 

그러면 이렇게 결론을 내릴 수 있겠군요. "물리적으로 변하지 않는 경향성이라면 적색이 색순도가 않좋은거 맞잖아!!" 라고 결론을 내릴 수 있을 겁니다. 그래서 심지어 일선 연구원분들도 "적색 OLED가 반치폭이 커서 색순도가 낮아 이거 개선하는게 만만치 않다" 라는 식의 이야기를 합니다. 그런데 결론은 절대 사실이 아니라는 것입니다. 위에서 배운대로 우리는 물질의 발광은 에너지밴드갭에 의해 일어난다는 것을 배웠습니다. 이것을 다시 상기시켜서 아래 그림을 한번 봅시다. 

사진5. 사진4.의 가로축을 파장에서 eV단위로 바꾼 그림

사진5를 한번 봅시다. 음. 반치폭들의 차이가 거의 없어졌다는 것을 알 수 있죠?? 위에 사진4.와의 차이를 한번 찾아봅시다. 단지 달라진 것은 가로축의 단위 뿐입니다. 물질의 발광이 eV단위로 일어나기 때문에 스펙트럼의 관점도 eV로 보아야 정확합니다. 파장이라는 단위는 우리가 좀더 머리속으로 그려지기 쉽도록 환산된 단위라는 것을 잊어서는 안됩니다. 물론 파장도 중요한 물리적 성질을 표현하는 단어이지만 스펙트럼 관점에서는 왜곡된 정보를 우리에게 줄 수 있는 단점이 나타납니다. 

이전 블로그에서는 이 스펙트럼에 관련한 내용을 이번 한번으로 끝냈지만 사실 스펙트럼은 굉장히! 아주 많이! 중요하기 때문에 다음시간에는 OLED의 이 브로드한 스펙트럼이 어떻게 형성되는지 매카니즘을 한번 알아보도록 합시다. 긴글 읽어주셔서 감사드립니다.