AMOLED란!? 무엇인가!

우리나라 삼성SDI 에서 능동형 유기발광다이오드인 AMOLED를 개발 하였습니다.

이것은 ‘자체발광’ 이라 하여, 스스로 발광을 하는 특성을 지니고 뒤에 Back Light가 없어 더욱 제품이 슬립해지고,
자체발광으로 어느 각도에서 보아도 선명하게 보일 수 있다는 장점을 지닙니다.

지금부터 이 획기적인 AMOLED와 기존 LCD차이점과 발광원리를 알아보겠습니다.
AMOLED화면과 기존LCD는 아주 큰 차이가 있습니다. LCD는 자체발광이 안되며, AMOLED는 빛의 3원색인 빨강, 초록, 파랑 빛을 모두 스스로 발광할 수 있습니다. 그리고 LCD는 자체발광 뿐 만아니라, 사실상 색깔도 낼 수 없습니다.
LCD은 오로지 검정색만을 표시 할 수 있습니다. LCD화면은 백라이트와 컬러필터에 의해 [빨강] [초록] [파랑]의 세가지색 빛이 뒤에 항상켜져있는데 그 빛을 검정색 액정이 가려서 색상을 표현하는 원리입니다.

 

AMOLED 발광 원리.

AMOLED의 발광 원리는 간단히 설명하면 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 발광층에서 재결합하여 여기자 (exciton)를 형성하면 여기자가 안정된 상태로 돌아오면서 방출되는 에너지가 빛으로 변하여 발광을 하게 된다. 그러나 이와같은 단순구조에서는 정공과 전자의 발광영역으로의 주입 효율이 층간의 에너지 차이로 인하여 그다지 높지
않기 때문에 보다 많은 정공과 전자의 재결합을 얻어 효율을 높이기 위하여 정공 주입층, 정공 수송층 전자주입층,
전자 수송층 등을 삽입하게 되며 이것을 AMOLED 발광이라 한다.

코닥 Tang 박사의 핵심발명 기술로 AMOLED는 실용화가 가능했다.

AMOLED 부가설명 

AMOLED란 바로 Active matrix위에 유기EL(Electro Luminescence)를 올려 만드는 display를 말합니다.
유기EL display는 구조에 따라 PM(Passive Matrix) 와 AM(Active Matrix)로 나뉘어 질 수 있으며 대면적 고해상도
를 위해서는 AM 개발이 불가피 합니다.
유기 ELD(Electro Luminescence Display)란 형광성 유기화합물을 전기적으로 여기시켜 발광시키는 자발광형
디스플레이로 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 박형 등의 장점을 갖습니다. 또한, 광시야각, 빠른 응답속도등 LCD에서
문제로 지적되는 결점을 해결할 수 있는 차세대 디스플레이 후보로서 주목받고 있습니다.
유기 EL 디스플레이는 다른 디스플레이에 비해 중형 이하에서는 TFT LCD와 동등하거나 그 이상의 화질을 가질 수 있다는 점과 제조공정이 단순하여 향후 가격 경쟁에서 유리하다는 점으로 차세대 평판 디스플레이로 주목받고 있습니다.
유기 EL 디스플레이 개발이 진전되어 Pioneer, Idemitsu사, NEC등은 5인치급 풀칼라 유기 EL 디스플레이를 발표,
실용화단계에 이르고 있으며, 현재 주요 채용 제품대상은 핸드폰, 카네비게이션, Hand PC등입니다. 

작동 원리를 살펴보면, 전원이 공급되면 전자가 이동하면서 전류가 흐르게 되는데 음극에서는 전자(-)가 전자수송층의
도움으로 발광층으로 이동하고, 상대적으로 양극에서는 Hole(+개념, 전자가 빠져나간 상태)이 Hole수송층의 도움으로
발광층으로 이동하게 됩니다. 유기물질인 발광층에서 만난 전자와 홀은 높은 에너지를 갖는 여기자를 생성하게 되는데
이때, 여기자가 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 발생하게 됩니다. 발광층을 구성하고 있는 유기물질이 어떤 것이냐에
따라 빛의 색깔을 달라지게 되며, R,G,B를 내는 각각의 유기물질을 이용하여 Full Color를 구현할 수 있습니다.
단순히 pixel을 열고 닫는 기능을 하는 LCD와는 달리 직접 발광하는 유기물을 이용합니다. 

유기 EL(Organic Electroluminescence) 이란, electron과 hole이 semiconductor 안에서 electron-hole pair를
만들거나 carrier들이 좀 더 높은 impurity level로 여기된 후 다시 그들의 바닥상태(equilibrium state)로 떨어지는
과정을 통해 물질에 의해 빛이 발생하는데 이러한 light emission을 luminescence라고 한다.
위에서 말한 luminescence 의 과정은 carrier들의 excite를 일으키는 source에 따라 다음과 같이 분류되어진다. 

ELD

Inorganic ELD (고전계하 Hot electron성장, 발광중심의 여기, 방사 재결합) : 분산형 EL, 박막형 EL Orgacin ELD
(electron & hole electrode로 부터의 주입, 재결합에 의한 여기자의 생성, 발광) : 저분자 유기EL, 고분자 유기EL photoluminescence: carrier들이 photon의 흡수에 의해 여기된후 재결합 과정을 통해 radiation이 이루어질 경우 cathodoluminescence: high energy electron bombardment에의해여기된 carrier들이 여기되어 발광이 일어날
경우 electroluminescence: 외부에서 걸리는 전기장에 의해 형성된 electrical excitation에 의해 빛이 발하게 될 경우
기존에 주로 사용되었던 Inorganic electroluminescence display device로는 GaN, ZnS 및 SiC와 같은 결정들이
사용되었으며, 이러한 무기물 소자들은 견고성이나, 넓은 온도 범위에서 사용이 가능하며, 대형 평판 기능을 할 수 있다는 장점을 가진 반면 높은 구동전압이나, 청색 발광에서의 낮은 효율성등 많은 단점을 가지고 있다.
그 후 제작되기 시작한 유기 EL소자는 유기 박막으로 발광층과 carrier 수송층을 제작한 주입형 소자로써 organic semiconductor들은 1960년대에 들어와 thin-film device에 대한 연구와 더불어 organic thin-film electroluminescence의 진보된 발전이 이루어졌으며, 1986년 kodak 사의 Tang에 의해 최초의 유기 단분자 박막 전계발광 소자가 개발되었다.
그 후 1990년에 들어서면서 cambridge대학의 Frined교수팀이 유기 고분자 박막 전계발광 소자를 개발하였다.
이렇게 개발된 organic compound 들은 엄밀히 말해 insulator라고 간주할 수 있다. 그러나 공액 고분자(conjugated polymer) 들이 pi- 결합을 하며 polymer chain을 형성함으로써 이 chain을 따라 비편재화된(delocalized) pi-electron bonding을 가짐으로써 반도체로써 쓰일 수 있게 되는 것이다. 즉, 비편재화에 의한 polymer chain이 overlap되는 과정에서 pi-bonding 과 pi*-antibonding orbital들이 valence wavefunction과 conduction wavefuntion 다시말해 pi-valence와 pi*-conduction band를 형성하게 되며, 이때 band gap을 정의할 수 있게 되는
것이다. 단분자 organic EL 소자로는 안드라센, Alq3(알루니 키노륨 복합체) 및, 시클로 펜타디엔 유도체들이 주종을
이루며, 이러한 소자들은 낮은 구동 전압과 100nm에 가까운 얇은 박막 소재로써의 장점을 가지고 있으나, 높은 열에 대한 안전성과, 전압공급시 줄 열발생에 의한 분자 재 배열등의 단점을 가지고 있다. 한편, 고분자 Organic EL 소자로는 PPP(poly), PPV(poly) 등이 사용되며, 이러한 소자들은 열 안전성 및 낮은 구동전압의 장점을 가지나,짧은 수명과 효율면에서 아직 보안해야할 단점들을 가지고 있다. 다음에 나타낸 표는 유기 단분자 및 고분자 EL 과 무기 EL의 장단점을 비교한 내용을 나타낸 것이다. 
 

1. carrier주입단계
낮은 일함수를 갖는 금속에서 주입한 전자와 높은 일함수를 갖는 전극에서 주입된 hole들이 무기물 반도체에서와 마찬가지로 전자는 conduction band(고분자의 경우 LUMO:lowest unoccupied molucular orbital)로 hole은 valence band(HOMO:highest occupied molucular orbital)로 주입된다 발광층내에 주입된 carrier들은 고분자내 pi결합을 따라 delocalization되어 pi전자를 형성하게 된다.

2. carrier완화단계
이러한 delocalize된 carrier들은 발광층내에서 lattice와 coupling되면서 각각 음성 polaron(electron-lattice),
양성 polaron(hole-lattice)을 형성하게 된다.

3. carrier이동단계
이렇게 형성된 새로운 형태의 carrier들은 각각 안정화된 위치에서 해당 에너지를 갖게된다. 이들 carrier들은 외부에서 공급한 전기장에 의해 hopping등을 통해 고분자 사슬을 따라 반대 전극을 향해 이동한다.

4. exciton생성단계
이렇게 이동하던 carrier들이 발광체내의 어느 한 부분에서 만나 결합하여 exciton을 생성하게 된다. 이때 생성되는 exciton은 singlet 과 triplet의 spin상태를 갖게되는데 이때 형성된 triplet, singlet exciton의 비율은 3:1이다. triplet의 경우 효율높은 radiation을 기대할 수 없으므로 효율의 약 75%를 손실하게 되는 것이다.
(이러한 triplet의 존재에 대한 관측은 electroluminescence-detected electron-spin resonance와 가장높고 낮은 triplet사이의 광학적 transition의 측정을 통해 확인 할 수 있다. 또한 이러한 재결합은 한층으로 구성된 소자에서나 다중 layer에서 모두 일어날 수 있다.)

5. 발광단계
이렇게 생성된 exciton들이 polaron 에너지 gap에 해당하는 빛을 발생하여 발광소멸하게 된다.
유기 EL의 경우 실질 적으로 발광에 참여하는 carrier 들이 PL의 경우와 무기 EL의 경우와는 달리 lattice와의 coupling에의해 형성된 polaron들임이 특징적이다. 



※ 이 자료는 필자의 리포트를 포스팅 한 것이며, 다른 블로그 및 자료에서 중복되는 내용이 있음을 알려드립니다.
    절대 참고자료 외에 사용을 금합니다. 이상입니다.