Organic light emitting diode(OLED) has a limited light extraction efficiency due to the refractive index differences between ITO and substrate(normally glass), substrate and air. For ITO/substrate interface, if light emitted from the organic layer strikes this interface at an angle larger than a particular critical angle with respect to the normal to the interface, there exist a total internal reflection because ITO(n=1.72, at 550nm) has higher refractive index than substrate(n=1.52). This phenomenon is called ‘ITO/organic waveguide mode’ which severely limits the light extraction. Similar phenomenon also occurs at substrate/air interface. The total amount of light confined within an OLED device is nearly 80%. So, in this study, we propose optical outcoupling enhancement method using conductive low index layer. This method is based on ITO layers which have two-dimensional array of circular patterns and are covered with conductive low index layers, based on PEDOT(n=1.4):PSS.
The first part of the thesis describes the optical modeling process based on a commercial ray-tracing program, Lighttools??. In the simulation, we considered five major parameters affect the light extraction, pattern shape, arrangement, taper angle, size, and spatial period. In particular, the most sensitive parameter turns out to be taper angle. When we changes this angle from 0 to 45, light extraction efficiency changes from 17.8% to 43%.
The second part of the thesis shows the experimental results and analysis. The ITO patterning using lift-off process by negative photoresist, AZ5214, is introduced. Through this process, taper angles of 30~35° can be achieved. The OLED based on this structure shows 1.81% EQE and 3.21 lm/W power efficiency. These are approx. 50% higher than those of reference devices.
유기발광다이오드는 ITO와 기판(일반적으로 유리), 기판과 공기와의 굴절률 차이로 인해 제한적인 광 추출 효율을 지니고 있다. ITO/기판 경계면에 있어서 ITO가 기판보다 높은 굴절률을 가지고 있기 때문에 유기층에서 발광한 빛이 이 경계면을 만날 경우 특정 임계각 이상으로 입사하게 될 경우에 전반사가 발생하게 된다. 이 현상을 ITO/유기층 도파관 모드라고 하며 광 추출을 크게 제한하게 된다. 유사한 현상이 기판과 공기층 경계면에서도 발생하며, 유기발광다이오드 소자에 갇힌 빛이 총 80%가까이 된다. 그러므로 이번 연구에서는 전도성 저 굴절률 층을 사용하여 유기발광다이오드의 광 추출 효율을 향상 시킬 수 있는 방법에 대해 제안하고 자 한다. 이 방법은 원형 패턴 배열이 있는 ITO층 위에 전도성 저굴절률 물질인 PEDOT:PSS를 코팅하는 것에 기반 한다.
이 번 연구의 첫 부분은 상용 광추적 프로그램을 사용한 광학 모델링 과정에 대해 기술한다. 시뮬레이션에서, 우리는 광 추출에 영향을 미치는 주요 요인들인 패턴 모양, 배열, 경사각, 크기 그리고 패턴 주기에 대하여 고려했다. 이 때, 가장 민감한 요인은 패턴의 경사각인 것으로 나왔으며, 우리가 이 각도를 0도부터 45도까지 바꿀대 광추출 효율은 17.8%부터 43%까지 변했다.
