발광 , 형광 과 인광 OLED , 발광 층 에서 여기 상태 는 일시 적 으로 불 안정 한 상태 로 , 전자 는 안정 된 상태 를 찾아가 려는 특성 이 있 어 ‘ 기 저 상태 ( ground state ) ’ 로 다시 돌아가 게 되 죠 . 전자 가 여기 상태 에서 기저 상태 로 되돌아가 면서 에너지 준위 가 다시 원래 수준 으로 낮 아 지 게 되 는데 , 이 때 줄어든 에너지 의 일정 부분 이 빛 의 형태 로 방출 됩니다 . 발광 , 형광 과 인광 발광 , 형광 과 인광 , 여기 상태 와 기저 상태 , 단일 항 과 3 중항 여기 상태 에서 전자 와 정공 , 혹은 음 과 양 의 폴라론 결합 으로 형성 된 여기자 는 파울리 배타 원리 에 따라 네 가지 상태 로 나누 어 집니다 . 즉 , 스핀 방향 이 완전히 반대 방향 , 대칭 이 며 자기 스핀 양자수 의 합 이 0 인 한 가지 상태 와 같 은 방향 의 스핀 을 가지 며 총 양자수 가 1 인 세 가지 상태 가 해당 되 죠 . 각각 은 상태 함수 가 하나 이 어서 단일 항 ( singlet ) , 세 개 이 어서 3 중항 ( triplet ) 이 라고 명명 되 었 습니다 . 조금 더 들어가 보 죠 . 여기 상태 는 HOMO 와 LUMO 에 존재 하 는 캐리어 들 의 스핀 , 즉 전자 스핀 양자수 S 에 따라 두 가지 방식 으로 존재 합니다 . 즉 , 스핀 다 중도 ( spin - multiplicity ) 값 , 2 S + 1 이 2 ( + 1 / 2 - 1 / 2 ) + 1 = 1 이 면 단일 항 ( singlet ) , 2 ( + 1 / 2 + 1 / 2 ) + 1 = 3 이 면 3 중항 ( triplet ) 으로 명명 되 었 으며 , 자연 상태 에서 는 단일 항 과 3 중항 의 생 성비 가 1 : 3 으로 주어집니다 . 즉 , HOMO 와 LUMO 에 각각 한 개 씩 존재 하 는 캐리어 들 의 스핀 방향 이 총 네 종류 로 구분 되 는데 , 2 개 전자 스핀 백 터 의 합 이 0 이 되 도록 반대 스핀 을 갖 는 경우 는 한 종류 이 며 단일 항 에 해당 되 죠 . 따라서 여기 자는 단일 항 한 개 에 3 중항 세 개 로 만들 어 지 므로 그 생 성 비율 은 1 : 3 이 됩니다 . 발광 , 형광 과 인광 , 여기 상태 와 기저 상태 , 단일 항 과 3 중항 여기 에서 단일 항 여기자 의 경우 , 결합 이 자연 스러워 재결합 속도 가 매우 빠른 나노 초 수준 이 며 , 이 는 형광 ( fluorescence ) 에 해당 합니다 . 반면 에 3 중항 여기자 들 은 부자연 스러운 결합 으로 재결합 속도 가 매우 느린 인광 ( phosphorescence ) 에 해당 되 는데 , 열 이나 혹은 분자 내부 에서 에너지 손실 로 나타나 죠 . 따라서 , 일반 적 인 OLED 에서 는 단일 항만 이 발광 에 기여 하 는 형광 만 일어나 게 되 며 , 내부 양자 효율 은 네 개 여기자 중 에서 하나 , 즉 , 25 % 가 최대 가 됩니다 . 따라서 , 이 경우 에 는 외부 로 방출 되 는 빛 의 효율 이 20 ~ 30 % 로 제한 됨 을 고려 할 때 , 최대 외부 양자 효율 은 5 ~ 7 . 5 % 에 불과 하 게 됩니다 . 형광 에서 인광 으로 이제 전계 발광 의 두 기구 인 형광 과 인광 으로 조금 더 들어가 보 겠 습니다 . HOMO 준위 로부터 여기 된 전자 는 높 은 에너지 준위 로 올라갔 다가 에너지 를 잃 으면서 LUMO 준위 로 내려오 게 되 고 , 이러 한 여기 상태 에서 다시 HOMO 준위 로 내려오 며 빛 을 만들 죠 . 형광 은 높 은 단일 항 준위 들 인 S 1 , S 2 등 으로부터 진동 이완 ( vibrational relaxation ) 과정 을 거치 면서 , 역시 단일 항인 S 1 의 가장 바닥 위치 에 이르 러서 안정 한 준위 인 S 0 으로 떨어지 며 빛 을 만들 어 냅니다 . 형광 물질 은 다양 한 개발 노력 을 통하 여 가격 도 낮 아 지 고 , RGB 스 팩 트 럼 의 순도 도 충분히 개선 되 었 으나 단일 항 을 통한 발광 만 가능 하 므로 내부 양자 효율 이 최대 25 % 라는 한계 가 있 습니다 . 따라서 나머지 75 % 에 해당 하 는 3 중항 을 발광 에 활용 할 수 있 도록 인광 물질 의 개발 이 필요 하 였 죠 . 즉 , 형광 만 으로 는 효율 최대치 , 즉 , 25 % 의 한계 가 있 으므로 , 나머지 75 % 도 활용 하 려는 연구 들 이 진행 되 었 고 , 마침내 1998 년 , 미국 의 프린스턴 대 , 포레스트 ( S . R . Forest ) 교수 그룹 에서 백금 ( platinum ) 이 첨가 된 도 펀트 를 적용 하 면서 인광 이 본격 적 으로 OLED 의 광 효율 향상 에 기여 하 게 됩니다 . 즉 , 백금 과 같 은 중금속 에 의해 스핀 - 궤도 상호 작용 ( spin - orbit coupling ) 이 강해 지 고 , 이 로 인하 여 3 중항 여기자 를 보다 빠른 속도 , 마이크 로 초 수준 으로 재결합 이 이루어지 도록 함 으로써 발광 에 기여 할 수 있 도록 하 였 습니다 . 이 에 더 하 여 단일 항 여기자 가 계간 전이 ( Inter - System Crossing , ISC ) 를 통하 여 3 중항 여기자 로 변환 하 는 과정 도 수반 되 었 죠 . 이 를 통하 여 네 가지 여기자 들 이 모두 발광 에 기여 하 게 되 어 이론 적 인 양자 효율 , 100 % 를 달성 하 게 됩니다 . 형광 에서 인광 으로 형광 에서 인광 으로 즉 , 인광 은 여기 된 전자 가 단일 항 S 1 을 거쳐 3 중항 T 1 으로 계간 전이 ( Inter - System Crossing , ISC ) 를 하 는 것 에서 비롯 됩니다 . 물론 여기 상태 에서 는 3 중항 에서 도 단일 항 에서 와 마찬가지 로 T 2 , T 3 등 다양 한 에너지 준위 를 가질 수 있 죠 . 다만 , T 0 상태 는 존재 하 지 않 으므로 반드시 T 1 에서 S 0 준위 로 내려와야 만 합니다 . 즉 , 인광 은 T 1 에서 S 0 으로 에너지 전이 가 일어나 는 과정 으로 , 이럴 경우 스핀 상태 의 변화 가 발생 하 므로 선택 규칙 ( selection rule ) 에 의해 자연 계 에서 는 금지 전이 ( forbidden transition ) 에 해당 합니다 . 그러나 , 발광 효율 을 높이 려면 상대 적 으로 많이 생성 되 는 3 중항 이 발광 에 이용 되 어야 만 하 고 , 이 를 위하 여 중원 자 효과 ( heavy atom effect ) 를 이용 , 무거운 금속 원소 들 이 큰 자기 모멘트 를 생성 함 으로써 전자 의 스핀 상태 변화 , 즉 스핀 양자수 의 부호 가 바뀌 도록 반 강제 적 으로 유도 를 하 게 되 죠 . 주로 원자핵 이 무겁 고 충분히 큰 원소 인 레늄 ( Re ) , 백금 ( Pt ) , 오스뮴 ( Os ) , 유로퓸 ( Eu ) , 이리듐 ( Ir ) , 터븀 ( Tb ) 등 이 인광 도 펀트 에 사용 되 어서 인광 의 발생 및 계간 전이 를 활용 할 수 있 도록 합니다 . 이렇게 함 으로써 형광 에서 는 1 / 4 에 해당 하 는 25 % 만 의 들뜬 전자 , 즉 여기 자만 을 이용 하 였 는데 , 인광 에서 는 나머지 75 % 까지 도 발광 에 이용 할 수 있 어서 내부 양자 효율 을 100 % 까지 높일 수 가 있 습니다 . 현재 , 빨강 과 초록 인광 재료 들 이 OLED 에 적용 되 고 있 으며 , 아쉽 게 도 파랑 은 청색 의 수명 과 함께 스 팩 트 럼 이 불 완전 하 여 색 순도 확보 에 어려움 을 겪 고 있 습니다 . 그리고 희토류 중금속 을 사용 하 므로 비용 이 높 아 지 고 , 환경 문제 또한 등장 하 죠 . 이 와 함께 인광 도 펀트 의 높 은 가격 과 특허 장벽 들 도 부담 이 되 고 있 습니다 . 형광 에서 인광 으로 특히 가격 문제 의 대안 으로 개발 되 고 있 는 발광 기구 가 열 활성 화 지연 형광 ( Thermally Activated Delayed Fluorescence , TADF ) 이 며 , 이 는 2012 년 , 일본 규슈 대의 아다치 그룹 이 발표 한 이후 로 효율 과 안정 성 이 개선 되 고 있 죠 . 이 에 더 하 여 최근 에 는 색 순도 와 효율 문제 까지 해결 할 가능 성 이 있 는 초 형광 ( hyper fluorescence ) 물질 이 발표 되 었 습니다 . 색 순도 와 효율 , 그리고 수명 의 최적화 를 위한 OLED 소재 는 여전히 개발 중 이 며 , 특히 열화 ( burn - in ) , 혹은 화소 열화 현상 ( image sticking ) 의 해결 을 위하 여 나날이 새로운 결과 들 이 제시 되 고 있 습니다 . 이 에 대해서 는 다음 노트 에서 이야기 를 이어 가 봅니다 . 형광 에서 인광 , 그리고 # 참고 로 하 고 있 는 여러 자료 들 의 제공 에 감사 를 표 하 며 , 계속 업그레이드 됩니다 . # 의견 과 조언 , 수정 과 요청 은 늘 환영 합니다 . 댓글 이나 전자 메일 로 ~ bkju @ korea . ac . kr # 저작 자 , 본 사이트 를 반드시 표시 , 비 영리 적 으로 만 사용 할 수 있 고 , 내용 변경 은 금지 합니다 . # 더 ! 생각 해 보 기 a . ' 여기 상태 ' 와 ' 기 저 상태 ' 를 정의 하 고 , ' 여기 상태 ' 에 이르 는 정과 ' 기 저 상태 ' 로 돌아가 는 과정 을 알아보 자 b . 스핀 , 스핀 양자수 , 다중 도 값 , 단일 항 과 3 중항 등 에 관하 여 더 알아보 자 c . 이 를 통하 여 형광 ( fluorescence ) 의 원리 , 지니 고 있 는 문제점 을 살펴보 자 d . 인광 ( phosphorescence ) 이 필요 하 지만 이루 기 어려운 이유 가 무언지 , 어떻게 극복 하 고 있 는지 생각 해 보 자 e . 인광 에서 더 개선 하 여야 할 점 들 은 무언지 생각 해 보 자 4 - 18 . OLED , 다층막 구조 , 발광 층 , 형광 과 인광 - 복사 . pdf 0 . 87 MB