17. OLED의 색 : 엑시톤과 에너지밴드갭 그리고 스펙트럼 (2)

지난 시간에 우리는 OLED의 색이 결정되는 것이 발광물질의 에너지밴드갭에 영향을 받는다는 것과 색상에 따라 스펙트럼이 어떻게 보여지는에 대해 정리해보았습니다. 사실 OLED는 모든것을 스펙트럼으로 말합니다. 고등학교 3학년 학생이 학창시절 동안 어떻게 살아왔건 일단은 수능시험 한번으로 모든것을 평가 받는 것과 마찬가지 입니다. 

 

OLED 소자 내부에서 전자가 얼마나 힘들게 발광층으로 넘어왔는지 시간이 얼마나 걸렸든지 간에 이것은 눈으로 보여지지 않습니다. 물론 전기적 데이터를 분석하면 되겠지만 소비자들이 이걸 보지는 않으니깐 예외로 치겠습니다.

 

그런데 OLED의 스펙트럼이 변하면 우리는 눈이라는 감각기관을 통해 단번에 무엇인가 변화를 인식할 수 있습니다. 대표적인 사건이 갤럭시S8의 붉은액정 (액정이라고 표현하기는 좀.. 거시기 하지만 일단 대중적으로 알려진 사건제목이었기에...) 이슈사건 이었죠. 우리 눈은 생각보다 민감한 기관 이기 때문에 가능한 일이었습니다.

 

OLED의 스펙트럼으로 대표적으로 알 수 있는 정보들에 대해 정리를 해봅시다. 일단 여러분들은 아래 스펙트럼을 보고 이 OLED의 소자가 어떠한 특징을 갖고 있는지 간단한 테스트를 해보겠습니다.

 

<사진1. 두가지 발광 도판트의 실제 OLED 소자의 EL 스펙트럼>

 

 

사진1.에는 두가지의 서로다른 EL 스펙트럼이 있습니다. 무엇인지는 잘 모르겠지만 이 스펙트럼만 가지고 두가지 스펙트럼에서 얻을 수 있는 정보들을 한번 생각해보도록 합시다.

 

1. 두 스펙트럼 모두 청색계열이다. - 스펙트럼의 대부분의 영역이 500nm보다 짧은 파장대에 형성되어 있어서 청색 OLED의 스펙트럼인 것은 확인했으나 550nm 부근까지도 넓은 것을 보니 대략적으로 하늘색에 가까운 소자일 것으로 보입니다.

 

2. 두 스펙트럼은 서로 다른 발광도판트를 사용하여 만든 OLED 소자일 것이다. - 비슷한 영역에서 EL 스펙트럼이 나오는 것을 제외하고는 스펙트럼 메인피크나 숄더피크들 그리고 반치폭도 전혀 다르기 때문에 우리는 이 두 스펙트럼이 다른 발광도판트를 사용하여 제작된 소자일 것으로 추측할 수 있습니다.

 

사실 스펙트럼 데이터만 가지고는 위 두가지 결론 뿐이 내릴 수 없습니다. 스펙트럼 강도도 최대치가 1로 일반화시켜두어서 서로 상대적인 밝기 비교도 되지 않고 그 외 아무런 데이터가 없기 때문에 우리가 내릴 수 있는 결론은 여기 까지일 것입니다. 

 

그런데 스펙트럼은 사실 더 많은 정보를 우리에게 제공합니다. 간단하게만 보면 위 두가지 사실이 틀림없는 사실로 보일 겁니다. 

 

여기서 만약이라는 가정으로 상황을 만들어 봅시다. 우리는 지금 삼성 디스플레이의 OLED 기술을 따라잡기 위해서 조직된 남보르 디스플레이라는 작은 회사의 프로젝트 팀원이라고 가정해봅시다. 

 

사진1.의 왼쪽 물질A의 스펙트럼이 이번에 어마어마한 성능의 청색 발광재료로 만든 스펙트럼이라는 정보를 얻어내고 100가지 발광재료 샘플을 삼성 디스플레이에 재료를 납품하는 재료회사를 통해서 구매했다고 칩시다. 현실로는 그럴 수 없지만 100가지의 발광재료 샘플 중 물질A도 포함되어 있습니다. 그래서 100개를 모두 발광소자로 제작한 결과 다른 80개의 샘플은 파장영역이 전혀 다르고 물질A와 스펙트럼이 그나마 유사한 것들 중 몇가지를 추려내었다고 가정해봅시다.

 

우리 남보르 디스플레이의 연구원들은 여기서 문제가 생겼습니다. 스펙트럼을 가지고 분석해본결과 물질A와 동일한 스펙트럼을 가지는 소자가 단 한개도 없다는 것이죠. 그나마 유사한 사진1.의 오른쪽의 물질B의 스펙트럼이 유력하긴 하나 그래도 역시 엄연히 모양이 다른 스펙트럼이기에 이 물질은 삼성 디스플레이에서 사용하는 물질이 아니라고 단정 짓고 다시 다른 재료회사에서 100개의 물질을 구매하여 테스트 하기로 결정하기 직전에!

 

남보르 디스플레이의 가장 유능한 연구원인 남보르가 스펙트럼을 다시한번 자세히 분석해보기 시작했습니다. 스펙트럼은 여러 단일 파장의 발광에너지들이 모여서 만들어지는 것이라는 사실에서 입각하여 분석한 결과 놀라운 사실을 알아냈습니다. 과연 남보르는 어떠한 사실을 알게 되었는지 아래 사진을 보며 알아봅시다.

<사진2. 스펙트럼을 작은 가우시안 피크들로 나눠서 분석하는 분광분석법을 사용하였다.>

 

 

먼저 사진2.의 왼쪽 스펙트럼부터 간단하게 설명하자면 검정색 선은 원래 스펙트럼 그래프이고 주황색 얇은 실선으로 된 작은 스펙트럼들은 좌우가 대칭인 가우시안 피크들로 사실은 발광도판트가 발광하는 에너지의 단파장에너지 이지만 상온의 열에너지에 의해 진동하여 스펙트럼이 대칭인 우함수 모양으로 형성되는 피크들을 의미합니다. 

 

이러한 파장들이 446, 472, 496, 530, 560nm의 파장에서 형성됨을 가우시안 피크들로 우리는 알아낼 수 있습니다. 그래서 이 피크들을 모두 합쳐보면 두꺼운 주황색 점선 그래프를 만드는데 이 그래프가 원래의 물질A의 스펙트럼과 거의 유사함을 알 수 있으므로 이 작은 가우시안 피크들의 합이 물질A의 스펙트럼을 이룬다고 말할 수 있습니다.

 

마찬가지 방법으로 물질B의 스펙트럼도 분석해본결과! 놀랍게도 이 물질B의 스펙트럼 또한 445, 470, 495, 528, 561nm의 물질A와 거의 유사한 스펙트럼으로 이루어져 있는 것을 알 수 있었습니다.

 

스펙트럼의 전체적인 모양은 전혀 다르나 내부적으로 발광하는 피크들은 그 강도만 다를 뿐이지 파장들을 동일함을 알수 있었던 것이지요. 그래서 남보르 디스플레이에서는 이 물질A와 B가 동일한 물질임을 파악하기 위해서 몇가지 테스트를 해본결과 동일한 물질임을 밝혀내고 곧 이 물질을 사용한 좋은 성능의 OLED 패널을 개발할 수 있게 되었습니다.

 

그래서 남보르는 10억의 스톡옵션을 받고 1억이 더 올라간 연봉에 새 계약을 하게 되었습니다. 라고 꿈같은 스토리를 한번 꿈꿔봅니다 ㅜㅜ

 

위의 가정은 스펙트럼을 이용해서 우리가 관과할 수 있는 사실들에 대해 어떠한 방식으로 분석해갈 수 있는지 예시로 보여드린것이고 사실 이 분광분석법과 분자들의 물리적 해석을 통해 너무나 많은 사실들을 알아낼 수 있습니다. 그렇게 해서 반치폭들을 줄이기 위해 분자구조가 어떠한 방향으로 개선되어야하는지, 얼마나 개선될 수 있는지 등에 대해 이론적인 접근이 가능해지게 됩니다.

 

그래서 OLED에 대해 조금 더 깊게 알아가려면 굉장히 다양한 분야의 지식이 서로 원할하게 어우러져야만 이해의 폭을 넓힐 수 있습니다. 전기전자, 물리, 화학, 색채, 광학 등 역학을 제외한 거의 모든 과학분야의 지식이 어우러진다고 보면 됩니다. 

 

그래서 정리를 해보자면 OLED의 색은 엑시톤이 가지는 에너지의 크기로 나타나고 이 다양한 에너지를 가지는 엑시톤들이 발광하여 스펙트럼을 이루게되고 우리는 이 스펙트럼을 분석하여 다시 엑시톤들 그리고 분자들의 에너지상태에 대해 연구를 진행 할 수 있습니다. 

 

다음시간에는 OLED를 배우며 빠질 수가 없는 형광과 인광에 대해 정리를 해보는 시간을 갖겠습니다.

 

다음시간에 봅시다!