유기화학개론 | 유기발광소재

 

 

TIP

 

 

유기발광물질에 대해 알아보자

 

 

 

21세기 정보화시대에는 영상, 정보, 통신산업이 발달하면서 언제, 어디서든지 될 수 있는 한 많은 정보를 가능한 신속하고 정확하게 얻고자 하는 요구가 많아지고 있으며, 편하게 손에 들고 다니면서 볼 수 있는 디스플레이 장치에 대한 현대인들의 욕구로 인해 기존의 브라운 관(CRT)이나 액정(LCD)만으로는 충분치 못하게 되었다.

 

이러한 문제의 해결방안으로 떠오르는 디스플레이 장치가 바로 유기 EL이라고 할 수 있다. 유기 EL은 LCD에 비해 응답속도가 CRT의 수준으로 빠르며, 고휘도, 저전력, 초 박막화 등의 장점으로 인해 폭넓은 활용성을 지니고 있다고 할 수 있다. 휴대폰과 캠코더, 게임기 등의 시장이 확대되면서 여기저기서 심심찮게 듣는 디스플레이 관련기사 중 하나가 유기 EL 관련소식들이다. 또한 최근 더욱 더 치열해지는 LCD 패널업체의 경쟁심화 속에서 대안으로 떠오르는 것이 바로 유기 EL이다.

 

이러한 유기 EL의 시장 잠재력을 미리 짐작하고 오래 전부터 차근차근 준비해 온 몇몇 외국기업들은 신속하게 원천기술 특허를 보유하고 당당히 강자의 모습을 갖춰나가고 있다. 이에 디스플레이뱅크에서는 유기 EL의 유래와 고유한 특성, 그리고 기술동향, 시장상황 등을 점검해보는 기회를 갖고 이를 통해 디스플레이 강국인 우리나라의 기업들이 나아갈 방향이 무엇인지 살펴보고자 한다.

 

수 많은 과학자 분들에 의해 수 십 년간 진행되어 온 유기 EL 기술 전체를 논하기엔 필자의 지식이 일천하기에 우선 기존 논문들과 뉴스들을 활용하여 그 동안의 유기 EL 행보를 더듬어보고자 하며, 이를 계기로 앞으로 독자 여러분들과 관련분야의 지식을 소유하신 분들의 적극적인 참여를 통해 심화 발전시켜 나갔으면 하는 것이 필자의 바램이다. 그럼 이제 유기 EL이라는 미지의 세계로 들어가 보자.

 

 

유기 발광 소재의 역사

우선 유기 발광 소재의 역사에 대하여 언급을 해보면 1963년에 W. Helfrich, M.Pope 등에 의해 유기물 중 하나인 anthracene(안트라센)의 단결정에서 처음 발견되었다. 유기물에서의 전하이동 메카니즘이나 전기 발광특성(Electro-luminescence) 등에 관하여 많은 이해를 할 수 있었으나, 그 소자의 효율이나 수명은 매우 낮았다. 1969년에는 고체전해질을 도입하였으며, 1973년에는 진공 증착된 박막소자를 제작하는 단계에 이르렀다.

 

1987년에 Eastman-Kodak사의 C.W.Tang 등이 발광층과 전하수송층으로 각각 유기착화합물 (tris-8-hydroxyquinolinato aluminium, Alq₃)와 TPD라는 이중층 저분자 유기물 박막을 형성하여 효율과 안정성이 개선된 녹색의 발광소자를 제작했다. 이러한 소자들은 낮은 구동전압과 100nm에 가까운 얇은 박막 소재로써의 장점을 가지고 있으나, 열에 대해 낮은 안정성과, 전압 공급시 줄 열발생에 의한 분자 재배열(혹은 열화) 등의 단점을 가지고 있었다. 이후로 저분자 재료를 이용한 OLED 디스플레이를 개발하려는 노력이 본격적으로 시작되었다.

 

1990년 영국 Cambridge 대학의 R.H.Friend 교수팀에 의해 공액 고분자로도 유기전계발광소자를 제작할 수 있다는 사실이 Nature지에 발표되었다. 즉, 고분자 OLED에 적용되는 재료는 대체적으로 PPV(poly<p-phenylen vinylene>) 라는 π-전자들이 공액화(conjugated) 되어 있는 형태를 취하고 있고 이로 인해 전자들이 어떠한 화학 결합에 의해 국부화되지 않고 결합 사슬을 따라 비교적 자유롭게 움직일 수가 있으며 반도체적 성질까지 나타내어 전기장의 존재 하에서 발광 특성을 나타내는데 적합한 물질이라는 것이었는데, 특히 고분자 OLED 소자는 정공주입, 정공수송, 전하수송체들의 재결합, 전자수송, 전자주입 등의 기능을 나누어 적층형으로 디바이스를 구성해야 하는 저분자 OLED 소자와는 달리, 단일 박막층으로 디바이스를 구현해도 다른 발광 소자에 견줄 만한 발광 효율, 낮은 직류 구동 전압, 발광 빛의 균일성 등을 보이므로 프로세스상 많은 장점을 갖고 있을 뿐만 아니라 열에 대해 취약한 저분자의 단점을 보안한 재료라는 것을 밝혀내게되었다.

 

1991년에는 한 번의 스핀 코팅으로 고분자 유기EL 소자를 제작하였으며, 1996년에는 유기단분자를 진공증착 하여 녹색 유기전기발광 디스플레이를 상품화(Pioneer)하였다. 1998년에는 다중색 유기EL 디스플레이 상품화하였으며 지금도 유기EL의 개발은 계속되고 있다.

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OLED

OLED란 Organic Light Emitting Diodes의 약자로써 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 '자체 발광형 유기물질'을 말한다. 즉, 유기물(단분자/저분자 또는 고분자)박막에 양극과 음극을 통하여 주입된 전자와 정공이 재결합(Recombination)하여 여기자(Excition)를 형성하고, 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생하는 현상을 이용한 자체 발광형 디스플레이 소자이다. 낮은 전압에서 구동이 가능하고 얇은 박형으로 만들 수 있고, 넓은 시야각과 빠른 응답속도를 갖고 있어 일반 LCD와 달리 바로 옆에서 보아도 화질이 변하지 않으며 화면에 잔상이 남지 않는 점이 장점이다.

 

또한 소형 화면에서는 LCD 이상의 화질과 단순한 제조공정으로 인하여 유리한 가격 경쟁력을 갖는다. 컬러 표시 방식에 3(Red, Green, Blue)색 독립화소방식, 색변환 방식(CCM), 컬러 필터 방식이 있으며 디스플레이에 사용하는 발광재료에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED, 구동방식에 따라 수동형 구동방식(passive matrix)과 능동형 구동방식(active matix)으로 구분한다. 한국은 2004년 현재 수동형 OLED 시장 점유율 세계 1위를 달성하였으며 삼성에서는 OLED를 초대형화할 수 있는 SGS(Super Grain Silicon) 기술을 적용한 17인치 능동형 OLED 개발에 성공하였다.

 

우리 나라에서 현재 "유기전기발광소자", "유기 EL(OEL)", "유기 LED(OLED)"등으로 OLED의 명칭이 다양하지만 일본에서는 일반적으로 "유기 EL"부르는 것이 일반적이고 유럽이나 미국 등의 특히 폴리머 재료를 다루는 사람들간에서는 "유기 LED"라고 부르는 경우가 많다. 유기 LED라고 불리는 이유는 무기재료와의 관련을 생각하면 무기 EL과 유기 EL와는 그 메커니즘에 있어서 크게 다르다. 무기 EL에서는 반도체 등의 바인더 중에 분산된 결정 속의 천이금속이온을 고전압에 의해 가속되어진 내부의 전자로 충돌 여기 시키는 것에 의해 발광이 발생한다.

 

이것에 반해 유기EL에서는 전극으로부터 전자(electron)와 홀(hole)이 주입되고 이들이 여기상태를 거쳐 다시 재결합하는 것에 의해 발광하기 때문에 오히려 발광 메커니즘으로서는 LED에 가깝고, 정류작용도 존재한다. 이것이 유기 LED라고 하는 호칭이 생겨난 이유이다. 그러나 반도체의 다이오드 정류작용은 p-n 접합에 유래하는 것이지만, 유기 EL의 경우는 전극과 유기재료 사이의 포텐셜 장벽에 의해 생기는 것이기 때문에 이들이 같다고는 할 수 없다.

 

처음으로 다층구조의 소자를 연구한 C. W. Tang 과 VanSlyke(1987)의 최초의 논문의 제목은 "Organic Electroluminescent Diode"이었다. 간략화 하면 "유기 ELD"이지만 이 명칭은 그다지 사용되고 있지는 않고 있다. 이 논문이 나오기 이전부터 유기결정에 전류를 흘리면 발광을 관측된다는 연구는 행해져 왔으며, 그때에는 EL이라는 명칭이 사용되어졌었다. 현재 국내의 언론매체를 통한 유기 LED의 소개는 거의 유기EL로 사용되고 있어 앞으로 예상되어지는 명칭은 "유기EL 디스플레이"가 될 것으로 생각된다. 영문표기는 OLED, 한글표기에서는 유기EL 이라고 표현하는 것이 현재 통상 예이다.

 

 

[유기발광소재]유기 발광 물질 1부

 

 

[유기화학]유기 발광 소재 레포트