Theme 3. OLED
스물 일곱 번째 개념: 형광과 인광
형광(Fluorescence): 스핀 다중도가 같은 상태에서 발생하는 발광 방식
인광(Phosphorescence): 스핀 다중도가 다른 상태에서 발생하는 발광 방식
OLED의 가장 큰 특징은 픽셀이 스스로 빛을 내며 ‘발광’한다는 것인데요. 발광이란 단순히 ‘빛을 방출한다’는 의미로도 볼 수 있지만, 물리학적 관점에서 보자면 원자 속의 전자가 에너지가 높은 ‘들뜬 상태(Excited)’에서 낮은 ‘바닥 상태(Ground)’로 변화하고, 여기서 감소하는 에너지가 빛으로 나오는 과정을 뜻하기도 합니다.
빛을 내보낼 때는 전자가 외부 궤도를 돌다가 내부 궤도로 옮겨가면서 보유하고 있던 에너지가 줄어들어 발광하게 되고, 이와 다르게 빛을 받아들이면 전자가 들뜨게 되면서 외부 궤도로 이동하게 됩니다. OLED 또한 전자의 상태가 바뀌면서 발광하게 되는데요. OLED의 발광 방식 중 대표적인 두 가지, 형광(Fluorescence)과 인광(Phosphorescence)에 대해 알아보겠습니다.
형광과 인광, 비슷한 듯 다른 두 가지 발광 방식
형광과 인광은 전자의 ‘스핀 다중도(Spin Multiplicity)’에 따라 구분할 수 있는데요. 스핀 다중도란 전자가 회전하며 발생하는 상태의 최대 개수로 1, 2, 3 등의 수치를 가지게 됩니다. 스핀 다중도가 1이면 단일항(Single State), 3이면 삼중항(Triplet State)이라고 칭하는데요. 형광은 스핀 다중도가 같을 때, 즉 단일항에서 단일항으로 전이될 시 방출되며, 인광은 삼중항에서 단일항으로 전이되는 등, 스핀 다중도가 다른 경우에 발생합니다. 이로 인해 형광과 인광의 효율이 달라지게 되는데요. 형광과 인광이 일어나는 순차적인 과정을 살펴보면 한층 이해하시기 쉬울 것입니다.
앞서 외부로부터 빛을 받으면 에너지가 고조되어 ‘들뜬 상태’가 된다고 말씀드렸는데요. 들뜬 상태는 불안정하기 때문에 안정된 바닥 상태로 돌아가려고 합니다. 형광은 들뜬 상태(S1)에서 바닥 상태(S0)로 돌아가며 흡수했던 에너지를 내보내지만 단일항에서 단일항으로 전이될 때만 발생하기에 효율이 높지 않습니다. 단일항(1개의 상태)과 삼중항(3개의 상태)으로 구성된 스핀 다중도를 따져볼 때, 총 4개의 상태 중 형광은 단일항이라는 하나의 상태만 활용할 수 있기에 효율이 25%밖에 되지 않습니다. 그리하여 발광의 효율을 더욱 높이기 위해 인광이 개발되었죠.
인광 또한 형광처럼 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가며 받아들였던 에너지를 방출하나 스핀 다중도가 달라도 발광이 가능하다는 차이점이 존재합니다. 다만, 스핀 다중도가 서로 다른 상태 사이에서 일어나는 만큼 계간 전이(Intersystem Crossing)라는 인위적인 전이(S1에서 T1으로 이동)를 거쳐야 해 인광은 형광보다 더 늦게 빛을 내는데요. 대신 삼중항까지 사용하여 빛을 만들어낼 수 있기 때문에 100%라는 높은 효율을 보입니다.
Recap Quiz
Q. 인광은 단일항에서 ( )으로 전이하는 계간 전이를 통해 일어나는 발광 방식이다. 빈칸에 알맞은 단어는?
① 단일항
② 삼중항
답: ②
