In this thesis, two different methods to improve light extraction efficiency of organic light-emitting diode(OLED) - low refractive index array and microlens array - have been studied by using LightTools™ illumination design software, and have also been verified by actual experiments.
Since OLED’s first demonstration in 1987 by C.W.Tang and S.A. Vanslyke at Kodak, many academic studies and commercial efforts have been invested in improving OLED device performance. Thanks to all those efforts, it now has established itself a competent position as a candidate for next-generation flat panel display and illumination source. As a next-generation flat panel display, it has many advantages over the rivals such as wide viewing angle, high contrast ratio, thin form factor, etc.
However, OLED still has several issues to be resolved before it can be massively produced―issues like device efficiency and lifetime. Many approaches have been introduced to increase the efficiency of OLED devices, which also influences device lifetime.
Among the factors that limit OLED device efficiency this thesis focuses on improving the light extraction efficiency of OLED devices. Typical OLED devices that are fabricated on flat glass substrate show ~20% light extraction efficiency. This means that approximately 8 out of 10 photons generated in OLED are wasted while the rays are being waveguided by glass substrate, indium tin oxide(ITO) electrode and organic materials used in OLED
First method studied in this thesis is microlens array sheet placed on the backside of the glass substrate. Effect of several parameters like refractive index of the microlens array sheet / lens radius / lens contact angle on OLED light extraction efficiency has been investigated by using LightTools™ software. Actual microlens array sheet was prepared by pouring PDMS on lens-shape patterned photoresist mold and hardening it.
Second method is a low refractive index array on top of ITO electrode. Relationship between the refractive index / shape of the low index array and light extraction efficiency has been investigated also by using LightTools™ software. For actual low index array fabrication, UV crosslinkable sol-gel siloxane-polymer hybrid has been used by applying common photolithography process.
According to the obtained optical simulation results, maximum light extraction efficiency of 44.27% which is a 141.5% enhancement, could be achieved by adopting the two methods together with some parameters optimized. Experiment results showed improved light extraction efficiency enhancement percentage up to > 80%, although several parameters deviate from the optimal case.
본 논문에서는 유기발광다이오드에 적용될 수 있는 광 추출 효율 향상을 위한 두 가지 방법에 대하여 연구하고 구현하였다. 평판 유리 기판 위에 제조되는 유기발광다이오드는 그 구조상 필연적으로 낮은 광 추출 효율을 보일 수 밖에 없으며, 따라서 이 효율을 개선하기 위한 여러 가지 방법이 연구되고 적용되어 왔다. 그 중, 출광되는 빛의 스펙트럼을 변화시키지 않으면서도 높은 효율 향상을 보이는 마이크로렌즈 어레이와 저굴절률 어레이를 선택하여 연구하였다.
마이크로렌즈 어레이는 기판의 뒷면에 부착되어, 소자 내에서 진행되는 빛이 유리 기판과 공기 표면의 계면에 입사되는 각을 변화시켜 추출 효율을 증가시키는 역할을 한다. 마이크로렌즈 어레이의 여러 변수들이 유기발광다이오드의 광 추출 효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 LightTools™ 조명 설계 프로그램이 사용되었다. 마이크로렌즈 어레이의 렌즈 반지름, 렌즈의 접촉각 등을 변화시켜 가며 성능 향상의 변화를 관찰하고, 최적의 값을 찾아내었다.
저굴절률 어레이는 유리 기판 위에 코팅된 산화인듐주석 위에 만들어지며, 산화인듐주석층 / 유기물질층에 전반사로 갇혀 있는 빛의 진행 방향을 바꾸어 유리 기판이나 공기 중으로 진행 할 수 있도록 하는 역할을 한다. 저굴절률 어레이의 여러 변수들이 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 역시 LightTools™ 프로그램이 사용되었다. 저굴절률 어레이의 두께, 그리고 어레이의 테이퍼 각도 등이 성능 향상에 미치는 영향을 관찰하고 최적의 값을 찾아내었다.
그 후 3D 디퓨저 리소그래피를 이용하여 photoresist 주조 틀을 만들어 실제 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 과정이 설명되었고, 솔-젤 고분자 화합물을 이용하여 저굴절률 어레이를 만드는 과정이 설명되었다. 구현된 두 가지 요소를 이용하여, 실제 이 두 요소가 적용된 유기발광다이오드를 제작하였고 그 성능이 측정되었다. 향상된 광 추출 효율 덕택에 OLED의 밝기가 동일한 전류 밀도에서 80% 이상 향상됨을 확인할 수 있었고, 또한 시뮬레이션에서 확인할 수 있었던 출광되는 빛의 더 넓은 각 분포 역시 실제 실험결과에서 확인되었다.
또한 차후 연구 목표로 더 높은 광학 굴절률과 구형에 가까운 형태의 렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이의 개발과 더 낮은 광학 굴절률과 최적화된 형태를 가지는 저굴절률 어레이의 개발, 그리고 마이크로렌즈 어레이 대신 좀 더 간단한 공정을 통해 만들 수 있는 광학필름의 적용 등이 제시되었다.
