27. 형광과 인광의 에너지 전이 (2) - 덱스터 에너지전이(Dexter energy transfer)

형광과 인광에 대해 잘모르신다면 아래 이전 포스팅을 먼저 보고오시길 추천합니다.

형광과 인광(1) - 형광편^[각주:1]

형광과 인광(2) - 인광편^[각주:2]

형광, 인광의 에너지 전이(1) - 포스터 에너지전이^[각주:3]

'마음의 전달은 선물로' 덱스터 에너지 전이

지난 시간에는 형광의 에너지 전이 방식인 포스터 에너지전이(Forster energy transfer)에 대하여 알아보는 동시에 에너지 전이를 설명하기 위해 꼭 필요한 OLED의 다층구조(Multi layer)와 도핑(Doping)에 관해서도 간략하게 정리해 보았습니다. 이전 포스팅들에서도 설명해듯이 형광과 인광은 발광 매카니즘이 다르기 때문에 에너지를 전달하는 과정도 서로 상이합니다.

형광은 자연이 허락하는 물리법칙을 잘 따라서 정직하게 발광하는데 반해서, 인광은 자연적으로 금지된 에너지 전이과정인 계간전이(Intersystem crossing)을 일으켜 억지로 안되는 발광을 쥐어짜서 발광합니다. 그래도 억지로라도 모든 들뜬전자들을 발광시켜버리니 높은 내부양자효율(Internal quantum efficiency)를 얻을 수 있게 됩니다. 

이제 그럼 오늘의 주제인 덱스터 에너지전이(Dexter energy transfer)에 한번 생각해봅시다. 지난 번 포스팅을 읽고 오신분들이라면 포스터 에너지전이가 순전히 단일항상태(Singlet state)의 에너지를 전달한다는 것을 기억하실 겁니다. 뭐 인광물질의 경우에도 당연히 단일항상태가 존재하기 때문에 단일항끼리의 에너지전달은 문제없이 가능합니다.

문제는 그러면 인광호스트에서 전달해주는 에너지도 단일항상태만의 에너지를 전달해 줄 수 있기 때문에 도판트가 단일항과 삼중항(Triplet state)을 모두 사용하여 발광이 가능하다고 하더라도 에너지를 받아와야 하는 호스트가 단일항에너지만 보내줄 수 있다면 제대로 된 인광 매카니즘을 사용하기는 어려워 질겁니다.

그래서 포스터 에너지전이와는 다른 방식으로 에너지를 전달할 방법이 필요하고 이 방법이 바로 덱스터 에너지전이입니다. 포스터 에너지전이는 호스트의 발광파장를 도판트의 흡수파장에 맞추어 광에너지를 이용하여 에너지를 전달했습니다. 그러면 이 방법 외에 에너지를 전달해 주는 방법이 무엇이 있을까요..? 

바로 에너지를 갖고 있는 들뜬 전자가 직접 도판트로 이동하는 방식을 사용하여 에너지를 전달하면 됩니다. 백문이 불여일견! 어떻게 이동하는지 한번 살펴봅시다.

<사진1. 덱스터 에너지전이 모식도>

사진1을 보면 덱스터 에너지를 두가지로 나누어 놓았습니다. 왼쪽이 단일항-단일항 덱스터 에너지전이(Singlet-Singlet Dexter energy transfer)이고 오른쪽이 삼중항-삼중항 덱스터 에너지전이(Triplet-Triplet Dexter energy transfer)입니다. 음.. 그림만 봐도 벌써 이해가 다 되신 분들이 꽤 있을 것으로 생각이 됩니다만 그래도 다시한번 설명해보도록 하겠습니다.

계속 말씀드린대로 인광도판트는 단일항과 삼중항에너지를 모두 전달받아야 최대의 내부양자효율을 가질 수 있으므로 같은 덱스터 에너지전이라도 사진1과 같이 단일항, 삼중항 에너지 전이가 모두 수반되어야 합니다. 단일항 덱스터 전이를 살펴보면 단일항상태로 들뜬 호스트의 전자가 도판트의 단일항상태로 직접 이동하고 도판트의 바닥상태에 있던 전자가 다시 호스트의 바닥상태를 매워주면서 전자교환이 일어납니다. 그 결과로 호스트는 바닥상태에 전자가 채워지고 도판트는 들떠있는 상태가 되므로 전자들을 교환했을 뿐인데 완전하게 도판트로 에너지 전이가 일어나게 됩니다.

이러한 현상을 전자교환(Electron exchange)라고 하며 이 현상은 사진1의 오른쪽과 같이 호스트와 도판트의 삼중항 사이에서도 동일하게 적용됩니다. 삼중항상태로 들뜬 호스트의 전자가 도판트의 삼중항상태로 이동하며 도판트의 전자도 마찬가지로 전자교환되면서 자연스럽게 도판트도 들뜬상태로 에너지상태가 바뀌게 됩니다.

이러한 덱스터 에너지전이를 정리하자면 다음과 같은 특징으로 귀결될 수 있습니다.

1. 인접분자에게만 전달이 가능하다.

: 포스터 에너지전이 같은 경우에는 10nm의 비교적 먼 거리에 있는 분자에게도 에너지 전달이 가능했었습니다. 그러나 덱스터 에너지 전이를 이용하려면 전자를 직접 교환해야하니 순간이동이 아니고서야 인접한 분자끼리만 전자교환이 가능하게 됩니다. 이 말은 즉, 형광과 다르게 도판트의 농도가 높아야 한다는 이야기와 같습니다. 덱스터 에너지교환거리는 대략 0.5nm로 분자의 길이가 약1nm 정도인 분자들사이에서는 정말 붙어있는 수준이어야 합니다. 아래 사진2를 보면 덱스터 에너지전이를 위해서는 많은 도판트 분자들이 필요하기 때문에 도핑농도를 높여야 합니다.

<사진2. 덱스터 에너지전이 거리와 포스터 에너지전이 거리 비교>

2. 단일항과 삼중항 모두 전달이 가능하다.

: 단일항상태로만 에너지를 전달할 수 있는 포스터 에너지전이와 다르게 전자의 스핀상태를 그대로 유지하여 교환하는 전자교환방식을 이용하다보니 단일항과 삼중항 상태 구분하지 않고 모두 효율적으로 에너지를 전달할 수 있으므로 인광의 가장 큰 특징인 100%의 내부양자효율을 실현할 수 있게 됩니다.

두개의 에너지 전이는 각각 형광과 인광 발광에 맞추어 에너지 전달 조건을 만족시킬 수 있게 소자제작시 발광층을 최적의 도핑농도로 설계하여 형광은 다소 도핑농도가 낮은 수준인 0~5%이내로 맞추고 인광은 다소 높은 도핑농도인 2~20% 사이에서 최적화를 하여 소자를 제작하게 됩니다. 에너지 전이 상태를 잘 구분하여야 소자설계를 할때 고려해야만 하는 부분들을 놓치지 않고 설계하고 실험 결과를 분석할때도 분광 스펙트럼과 분자의 특징들만 가지고도 조금 더 합리적인 결론을 도출 할 수 있게 됩니다.

1. 광발광 현상 중 형광에 관한 내용 [본문으로]
2. 광발광 현상 중 인광에 대한 내용 [본문으로]
3. 형광의 에너지 전이현상인 포스터 에너지전이에 대한 정리 [본문으로]