In conventional OLEDs, it is well known that most of the light generated from excitons is trapped as a substrate guided mode and photonic and plasmonic waveguide modes. Among the bound modes, a considerable fraction of the exciton energy is dissipated in the form of surface plasmon (SP). One well-known solution for recovering the SP modes is the use of Bragg scattering caused by a nanostructure, and there have been steady efforts to develop optimized structures.
In order to design an optimal structure for improved light extraction efficiency, a theoretical analysis of the optical characteristics of a device is essential. A systematic analysis of the optical energy loss channels of an OLED structure can help to model the highly efficient OLED structure. A large fraction of the bound modes can then be coupled into the air mode through the designed structure. A typical analysis method involves the transfer matrix approach. However, it is difficult to analyze nanostructured OLEDs using this method, because the transfer matrix method is based on satisfying continuity conditions for the electric field near interfaces. It is much easier to apply this method to cases where the boundary surface between each layer is flat, as with a planar structure.
For that reason, we suggested a new analysis method suitable for a nanopatterned structure by combining a finite difference time domain (FDTD) simulation and a fast Fourier transform (FFT). In order to analyze the optical characteristics and the mechanism underlying the enhancement efficiency of an OLED structure using the proposed method, three major steps are required: simulation to obtain E-field profiles and index data; transformation to convert the E-field profiles that exist in the spatial domain into profiles on the wave vector domain; and integration of in-plane wave vectors with the same value. Through this easy method, we could obtain various data for analysis because the results vary depending on the equation used in the summation process and on whether the inverse FFT was employed. Consequently, we can analyze and optimize nanopatterned OLED structures as well as planar structures using the suggested method.
일반적인 평면 OLED에서는 엑시톤에 의해 형성된 대부분의 빛이 여러 손실모드를 통해 소실된다. 특히 표면 플라즈몬에 의해 소모되는 양이 상당하다. 따라서 이를 극복하기 위해 널리 사용되는 원리로는 나노 패턴을 삽입하여 유도할 수 있는 브래그 산란 효과가 있다.
광 추출을 향상시키기 위한 최적의 소자를 설계하기 위해서는 소자의 광학적 특성에 대한 이론적인 분석이 필수적이다. 광학적 손실 메커니즘에 대한 체계적인 분석은 고효율 OLED를 모델링하는 데에 큰 도움이 된다. 전형적인 분석법으로는 전달 행렬 방식이 있는데, 이 방식으로 나노 패턴 삽입 소자를 분석하는 것은 적합하지 않다. 왜냐하면 전달 행렬 방식은 매질 경계면에서 전기장의 연속 조건을 만족시키는 것을 기본으로 하여 소자 내 전체 필드 분포를 구하는 방식이기 때문이다. 따라서 이 방식은 나노 패턴이 없는 평면 소자에 적합하다.
이러한 이유로 본 연구에서는 FDTD 시뮬레이션과 푸리에 변환을 사용하여 나노 패턴 삽입 소자에 적합한 계산 방식을 제안하였다. 이 방식에서는 소자의 분산 관계를 구하는 데에 크게 세가지 단계를 요구한다. 먼저, FDTD 시뮬레이션으로 소자 내에 분포하는 전체 필드 분포를 구한다. 그 다음, 시뮬레이션 결과를 푸리에 변환을 하여 파동 벡터 도메인으로 매핑한다. 마지막으로는 같은 평면 파 벡터를 가지는 데이터끼리 파시발의 정리에 따라 더해주어 분산 관계를 구한다. 이 과정을 여러 주파수에 대해 수행하게 되면 분산 관계 곡선을 구할 수 있다. 결과적으로 제안한 방법을 이용하면 평면 소자 뿐만 아니라 나노 패턴 삽입 소자에 대해서도 광 특성 분석이 가능하다.
