Organic light-emitting diodes (OLEDs) have attracted much attention because of their desirable characteristics, which include a wide viewing angle, low-power consumption, low driving voltage, and fast response. However, more than 80% of the emitted light is trapped and wasted in the high-index layers as a result of the total internal reflection in OLED structures. And in most OLEDs, a thick metal layer is used as the electrode material on the non-emitting side; the light reflection from such an electrode is high and results in a low contrast ratio.
In this research, we improved the light extraction efficiency and contrast in organic light-emitting diodes (OLEDs) by using thin film structure.
We propose and demonstrate weak-microcavity OLED displays with improved light-extraction and viewing-angle characteristics. A single pair of low- and high-index layers is inserted between indium tin oxide (ITO) and a glass substrate. The electroluminescent (EL) efficiencies of discrete red, green, and blue weak-microcavity OLEDs are enhanced by 56%, 107%, and 26%, respectively, with improved color purity. Moreover, full-color $128\times160$ passive-matrix bottom-emitting OLED displays are fabricated by employing low-index layers of two thicknesses. As a display, the EL efficiency of white color was 27% higher than that of a conventional OLED display.
To improve contrast in flat display devices, we demonstrate a thin metal-dielectric structure that delivers low reflection and high absorption over the entire visible spectrum. The thin black film consists of $SiO_2$/Cr/$SiO_2$/Al layers deposited on a glass substrate. The measured reflectance and absorptance of the black film are 0.7% and 99.3%, respectively, when averaged over the range 380-780 nm. The total thickness of the black film is only about 220 nm, and it can be used as a thin absorbing layer for displays that require both broadband antireflection and high-contrast characteristics.
With the reflective back metal electrode, OLEDs in general exhibit rather strong reflection. Such reflection would degrade the contrast ratio of an OLED display under strong ambient illumination. In general, circular polarizer may be laminated on the surface of the display panel to reduce reflection of ambient illumination. However, the use of such contrast-enhancement polarizer reduces the optical efficiency of the displays below ~ 40% of the device efficiency, and also adds extra complexity and cost in fabrication. We proposed the anti-reflective OLED with black metal-dielectric thin film. Our anti-reflective OLED simultaneously have low reflectance for ambient light and a weak microcavity effect in the dipole to improve light extraction. As a result, we improved the contrast in OLEDs without us+H11ing circular polarizer and enhanced the efficiency compared to that of conventional OLEDs laminated with polarizer.
For solid-state lighting applications, we demonstrate the combined effects of a microcavity structure and light-recycling filters (LRFs) on the forward electrical efficiency of phosphor-converted white organic light-emitting diodes (pc-WOLEDs). The introduction of a single pair of low- and high-index layers ($SiO_2$/$TiO_2$) improves the blue emission from blue OLED and the insertion of blue-passing and yellow-reflecting LRFs enhances the forward yellow emission from the YAG:$Ce^{+3}$ phosphors layers. The enhancement of the luminous efficacy of the forward white emission is 1.92 times that of a conventional pc-WOLED with color coordinates of (0.34, 0.34) and a correlated color temperature of about 4800 K.
본 연구에서는 광학박막구조를 이용하여 OLED 소자의 광 추출 효율 및 콘트라스트를 향상시켰다.
한 쌍의 저굴절층과 고굴절층을 삽입한 weak-microcavity OLED의 경우 광효율을 향상시킬 뿐 만 아니라 동시에 microcavity 효과에서 기인한 시야각 특성 왜곡현상도 없는 장점이 있다. Weak-microcavity OLED에서 정규 OLED 대비 red, green, blue 각각 56%, 107%, 26% 휘도가 향상되었고 동시에 색 재현 범위도 27% 향상되었다. 더욱이 이러한 mono-color OLED의 실험을 바탕으로 $128 \times 160$의 해상도를 가지는 full-color passive-matrix OLED를 제작하였다. 이때 ITO와 고굴절층의 두께는 각 화소별로 동일하게 하였고 저굴절층의 경우 blue의 화소 부분만 두께를 다르게 설계 및 제작하였다. 따라서 red, green의 화소의 저굴절층을 20 nm 건식 식각을 하였다. Full-color OLED에서는 white color 기준 27% 휘도가 향상이 되었다.
콘트라스트 향상을 위한 금속-유전체 박막을 설계 및 제작하였다. 금속-유전체 박막의 기본 원리는 반사되는 빛들의 위상과 크기를 조절하여 소멸간섭을 시키고 또한 금속의 흡수 특성을 이용하는데 있다. 이러한 검은 금속-유전체 박막의 구조는 $SiO_2$/Cr/$SiO_2$/Al 의 4층으로 구성되어 있고 총 두께는 220 nm 정도이다. 이때 측정된 가시광 전 영역 (380 ~ 780 nm)에서 평균반사율이 0.7% 이며 흡수는 99.3 % 이였다. 이러한 검은 금속-유전체 박막은 디스플레이 소자에서 콘트라스트 향상을 위한 흡수층이나 무반사층으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
통상적인 OLED의 경우 하부 금속전극에 의한 외광 반사로 인해 밝은 환경에서는 콘트라스트가 떨어지는 단점이 있다. 따라서 일반적으로 콘트라스트 향상을 위해 원형 편광기를 사용하나 원형 편광기는 두껍고 또한 투과율이 40% 정도이므로 OLED 소자의 광효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 우리는 이러한 문제를 극복하고자 검은 금속-유전체 박막 구조와 효과를 OLED와 접목을 시켜 anti-reflective OLED를 설계하고 제작하였다. Anti-reflective OLED의 경우 원형 편광기를 사용하지 않고 외광 반사를 줄이며 또한 원형 편광기에 의한 광 흡수가 없으므로 광효율도 향상되는 장점이 있다. 이러한 Anti-reflective OLED는 한쪽 면은 고반사, 반대쪽 면은 저반사 특성을 가지는 금속-유전체 박막의 성질을 이용하여 OLED의 내부 발광에 대해서는 microcavity 효과를 강화하고 외광에 대해서는 소멸간섭을 시킨다. 이러한 Anti-reflective OLED를 이용할 경우 외광에 대한 luminous 반사율을 3 % 이하로 가져갈 수 있으므로 luminous 반사율이 65% 인 정규 구조 OLED보다 훨씬 콘트라스트를 향상 시킬 수 있다. 또한 원형 편광기에 의한 광 손실이 없으므로 원형 편광기를 장착한 정규 OLED보다 약 60% 이상의 광효율이 향상이 기대된다.
마지막으로 광학박막구조를 이용하여 색 변환 방식의 white OLED의 광효율도 향상시켰다. 색 변환 방식의 white OLED의 경우 미래의 조명으로 그 응용가능성이 매우 크나 아직 효율이 낮은 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 색 변환 방식의 white OLED의 낮은 광효율을 향상시켜 조명으로서의 OLED 가능성을 보여 주도록 노력했다. 먼저 앞서 설명한 weak-microcavity OLED 구조를 이용하여 색 변환방식에서 사용되는 blue OLED의 광효율을 향상시켰다. 그 결과 색 변환 물질(YAG:Ce phosphor)의 excitation 스펙트럼의 위치와 blue OLED의 발광 스펙트럼의 위치가 효과적으로 중첩되었고 또한 발광 스펙트럼의 반치폭이 줄어드는 효과로 인해 좀 더 효율적으로 색 변환 물질에 흡수되었다. 또한 광의 세기가 증가함으로써 더 많은 양의 blue 빛이 색 변환 물질을 재 발광시켰다. 다음은 색 변환 물질에서 후면으로 재 발광된 yellow의 빛이 blue OLED에 흡수되지 않도록 색 변환 물질과 blue OLED사이에 LRF (light-recycling filter)를 두어 yellow의 빛을 다시 전면으로 향하게 하였다. 이러한 microcavity 구조와 LRF가 결합된 색 변환 white OLED에서 광효율이 약 90% 향상되었다. 이때 색 좌표는 (0.34, 0.34) 이여 색 온도는 4800 K, 연색성 지수는 83이였다.
본 연구에서는 OLED 소자의 양산공정에 적용할 수 있는 기술을 중점적으로 다루었다. 따라서 간단한 금속이나 유전체 박막 등을 이용하여 OLED 의 핵심적인 기술적 문제점을 해결하였다. 따라서 본 논문에서 연구된 내용들이OLED의 상용화의 초석이 될 것이라고 믿는다.
