This dissertation discusses on the efforts to increase the optical outcoupling efficiencies of organic light-emitting diodes (OLEDs), one of the most significant performance bottlenecks constraining the ultimate poten-tials of OLEDs as future displays and lightings. Many researches have been focusing on improving device effi-ciency - and there have been significant advances especially in developing intrinsically efficient light-emitting and carrier transporting organic materials, establishing efficient charge injection contacts and interfaces, and optical optimization of the device structure. Even though those efforts partially enabled OLEDs with higher opti-cal efficiency, there is still a significant amount of light trapped within OLEDs, which is even several times larger than the light being actually outcoupled. Hence, finding ways to enhance optical outcoupling efficiency of OLEDs has recently been widely studied - to realize OLEDs with efficiencies close to the theoretical limits.
In the first part of the dissertation, various OLED device structures for higher optical outcoupling effi-ciency are proposed and verified. At the beginning, a novel anode structure consisting of a conductive low-index layer and a micropatterned indium tin oxide (ITO) layer is introduced. Refractive index contrast between the conductive low-index layer and the surrounding ITO/organic layers allows a certain portion of light trapped in ITO/organic layers to be outcoupled into air by disturbing the waveguided modes. Bottom-emitting OLEDs with this novel anode structure show ~25% enhanced outcoupling efficiency, compared to the conventional planar OLEDs. Further optimization of a fabrication process leading to a favorable taper angle of an ITO micro-structure enables even larger enhancement up to 50%. Another concept, micro-mesa structure is also proposed for enhancement of outcoupling efficiency in top-emitting OLEDs, and it is theoretically and experimentally verified.
Moving on to the second part of the dissertation, a down-conversion type white OLED is implemented by combining an optically enhanced microcavity blue OLED and a color conversion layer (CCL) structured as a micro-lens array (MLA), achieving both high optical efficiency and color rendering quality. ZnS-capped Ag electrode efficiently serves as an electrode adjusting the cavity-resonance condition for enhanced outcoupling and down-conversion efficiency, and MLA-structured CCL acts to further increase the outcoupling efficiency of white OLEDs. A careful tuning of device structures and CCL compositions make possible a down-conversion white OLED with (i) enhanced optical efficiency reaching 20% external quantum efficiency at a luminance level of 1,000 nits and (ii) color rendering index exceeding 80, adequate for an illumination quality light source. Color stability of this white OLED is shown to be excellent with virtually no color coordinate shift over the wide range of brightness levels. In addition, the proposed down-conversion white OLED is fabricated on plastic substrates and tested to explore the possibility of flexible light sources in this scheme, as a building block for future light source with high optical efficiency, illumination-quality rendering, and versatile form factors.
이 논문은 차세대 디스플레이 소자이자 조명용 장치로서 각광받고 있는 유기 발광 다이오드의 효율을 저해하는 가장 큰 병목 중 하나인 광 추출 효율을 개선할 수 있는 다양한 방법들을 제시하고 있다. 유기 발광 다이오드의 첫 등장 이후 재료공학적이나 계면공학적으로 많은 개선들이 이루어져 현재 거의 100%에 가까운 내부 양자 효율과 함께 광자 발광에 필요한 열역학적 한계에 가까운 수준의 저전압 구동이 가능하게 되었지만, 일반적으로 15-25%의 낮은 수준에 머물고 있는 광 추출 효율에 대한 연구는 아직까지 타 분야에 비해 눈에 띄는 진보가 이루어지고 있지 않다. 따라서 유기 발광 다이오드의 광 추출 효율에 대한 연구는 최근 매우 활발하게 연구되고 있는 분야이며, 소자의 이론적 가능 효율에 더욱 가깝게 다가가기 위해서 반드시 해결되어야 할 과제이다.
이 논문에서는 첫 번째로, 굴절률이 높은 산화 인듐 주석 투명 전극과 유기 물질 층에 갇힌 빛을 추출하기 위한 다양한 광학적 구조의 도입을 통해 광 추출 효율을 끌어올리고자 하였다. 산화 인듐 주석 투명 전극 층 혹은 유기 물질 층에 비해 굴절률이 낮으며 전도성이 높은 PEDOT:PSS 고분자를 수 마이크론 크기로 패터닝한 산화 인듐 주석 투명 전극 층 위에 코팅함으로써, 평탄한 고굴절률 층 안에 갇혀 진행하던 빛의 방향을 전환하여 공기 중으로 추출할 수 있게 하였다. 구조 도입을 통해 전기적 특성 혹은 출광 스펙트럼의 왜곡이 없으면서도 25%의 높은 광 추출 효율 개선과 전력 효율 개선을 이룰 수 있었으며, 해당 구조는 배면 발광 소자와 투명 소자에 모두 적용이 가능하였다. 또한 추가적으로 전면 발광 소자의 광 추출 효율을 높이기 위한 마이크로 메사 구조를 제안하고, 그 유효성을 기하 광학 시뮬레이션과 실제 소자 제작으로 검증하였다.
또한, 파동 광학과 기하 광학을 모두 고려한 광 추출 효율 개선 방법으로서, 청색 유기 발광 다이오드와 색 변환 층을 활용하는 백색 하향 전환식 유기 발광 다이오드를 제안하였다. 제안 구조에서는 약한 공진 구조를 통하여 광 추출 효율과 청색 스펙트럼의 개선을 동시에 이룬 청색 유기 발광 다이오드와 마이크로렌즈 어레이 형태로 패터닝된 색 변환 층을 결합하여, 유기 물질 층과 기판에 갇힌 빛을 모두 추출하여 광 추출 효율 향상을 극대하고자 하였다. 제안된 백색 하향 전환식 유기 발광 다이오드는 20%의 높은 외부 양자 효율과 33 lm W-1의 높은 전력 효율을 보였으며, 82라는 높은 일반 연색 지수뿐 아니라 전 색상 영역에서 고른 특수 연색 지수 특성을 보였다. 또한 기판을 유연한 플라스틱 기판으로 바꿈으로써, 10.8 mm의 작은 곡률 반경으로 1000번 반복해서 휘어져도 특성이 전혀 변하지 않는 유연한 백색 유기 발광 다이오드를 구현함으로써, 향상된 광 추출 효율과 높은 연색 특성 그리고 뛰어난 유연성을 갖는 차세대 조명 장치로서의 유기 발광 다이오드의 가능성을 시험코자 하였다.
