(한국어) OLED 발광 원리

Energy Band

OLED는 organic semiconductor로 주로 유기물로 즉, 탄소와 수소로 구성된 물질로 이루어져 있다. 일반적인 반도체는 공유결합(covalent bonding)을 하기 때문에 결합에너지가 강하나 유기물 반도체는 약한 분자간의 결합(weak van der waals)을 하고 있어 결합에너지가 약하다. 기본적으로 유기물이라 전기전도성이 매우 약하며 band 구조가 약하고 불안정하다.

LUMO는 일종의 전자가 차있는 valence band에 대입되고 HOMO는 전자가 어느정도 자유롭게 돌아다닐 수 있는 conduction band에 대입된다.  

LUMO는 carrier들 존재하지 않은 가장 낮은 에너지 밴드를 의미하며 HOMO는 carrier가 존재할 수 있는 가장 높은 상태의 에너지 상태라고 이해하면 된다. ( 더 정확하게는 전자에 대한 파동함수를 의미하는 오비탈이다. 공간에 대한 파동함수의 제곱은 전자가 있을 확률을 의미한다.)

OLED는 유기물 반도체로 고진공 환경에서 제작되는 금속박막과는 다르게 결정성이 균일하지 않다. 즉 amorphous하며 여러 crystalline grain들이  형성되어 있으며 그 형태나 배열도 일정하지 않다. 즉 각 grain 마다 일종의 defect가 형성되어 electron mobility가 더욱 급격하게 떨어진다. 일반적으로 금속은 carrier mobility가 hole mobility보다 빠르다. 하지만 이렇게 전자의 이동이 크게 제약받은 유기반도체는 hole mobility가 carrier mobility보다 빠르다.

hopping 이란?

따라서 형태나 배열이 일정하지 않게 grain을 형성하고 있는 유기박막은 일정하지 않은 conduction band(LUMO)를 형성하여 전자가 특정 grain에서 다른 grain으로 이동 할 때 이 conduction band를 껑충 껑충 뛰어 넘어야 한다. 이겨서 껑충 껑충 뛰다라는 말인 hop가 사용된다.

유기물 박막에서 전자가 hopping 하며 이동하는 모습

Phosphorescence & Fluorescence

양공과 전자의 결합으로 전자는 energy band 차이 만큼 에너지를 잃고 그 에너지만큼의 빛을 방출한다. 즉 energy band 차이만큼의 특정 파장대의 빛을 방출한다. 이 에너지 벤드는 발광층을 구성하는 형광체 물질에 따라 결정된다.

이 때 형광(Fluorescence)의 경우 Singlet, 0 가능, 양자 효율 25 %

인광(phosphor)는 Triplet,  -1, 0, 1 가능 , 양자 효율 100 %

즉 인광물질이 형광물질보다 양자 효율이 좋다. 

OLED : 전류구동형 발광 Diode

OLED는 말 그대로 다이오드이다. 한쪽 방향으로 전류가 흐르게 설계되어 있다.  Band gap 이상의 에너지를 주면 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 Valence band의 에너지 상태가 되기 때문에 특정 전압에서 흐르는 전류량이 급격하게 증가한다.

이론적으로 다이오드에서 전류는 exp V에 비례한다.

OLED의 밝기는  전류에 선형으로 비례한다. 전압은 발광 다이오드의 동작을 시작시키는 역할을 한다. 즉, 발광 다이오드의 밝기는 carrier가 얼마나 많이 전달되는가와 관련이 있다. 

실제 OLED 소자에서 전압을 인가하였다 하더라도 공정 상태에 따라 내부 전압이 어떻게 변할지 정확히 알 수 없다. 따라서 OLED 소자 전체에 전압을 인가하더라도 발광층에 어느정도의 전압이 인가되는지 명확하게 알 수 없다. 따라서 소자의 밝기 조절은 외부에 인가하는 양과 변함이 없는 전류로 한다. 

휘도 균일성을 위해 전류구동이 필요하고 이를 위해 반드시 한 Pixel에 2개의 TFT가 필요하다. Switching TFT, Driving TFT