Outcoupling efficiency has been a limiting factor in achieving highly efficient organic light-emitting diodes (OLEDs). To improve the outcoupling efficiency of OLEDs, numerous groups have attempted to extract guided modes with modification of internal/external structures or the microcavity effect. For a quantitative analysis of OLEDs with geometrical outcoupling structures, we present a trans-scale optical simulation combining wave-optics representing the dipole emission in a cavity structure and geometrical optics handling incoherent light propagation. The proposed trans-scale optical approach helps to estimate precisely the enhancement of OLEDs and to find optimized conditions including geometrical structures. The validity of the proposed optical simulation is verified by comparing experimental and simulated results.
After reviewing the wave-optic simulation methods, we use them to present a systematic study for balancing the efficiency and the angular color stability of top-emitting OLEDs (TEOLEDs) to solve so-called white angular dependence (WAD) issues. We carefully explore the origins of WAD problems in multi-color subpixel type TEOLEDs and provide optical optimization guidelines as a reliable scheme. With the proposed scheme, we demonstrate TEOLEDs with a low angular color deviation satisfying a reasonably low decrease in efficiency.
In the second part, we focus on a feasible outcoupling scheme that can be readily used for large area devices. A method based on high refractive index substrates is explored for this purpose. As a low-cost and reliable platform for enhancing outcoupling efficiency, we utilize commercial polyethylene naphthalate (PEN) instead conventional high refractive glass to address the cost issue of available. The inherent scattering properties induced by nano-scatter fillers inside the industrial grade PEN are shown to extract substrate confined light without any additional optical components. For a quantitative analysis, we combine the wave-optic model with geometrical/statistical optic model that describes the scattering properties by a simplified model based on Henyey-Greenstein phase function controlled by an asymmetry parameter. This approach provides fast and quantitative modeling and thus opens up new possibilities of optical optimization of OLEDs containing light extraction structures based on scattering mechanism.
In the last part, OLEDs on high refractive substrates with microlens arrays are explored in particular for 2nd order cavity OLEDs, which are widely adopted in industrial for high yield. The wide angular substrate confined mode (WASM) is studied as one of the factors limiting OLED efficiency in the 2nd ？cavity OLEDs structures on high-index substrates with conventional microlens arrays. The angular intensity distribution depending on the base OLED structures is explored, and optimal geometrical substrate structures are explored in consideration of the WASM factor. We also present the advantages of scattering-based scheme over the conventional MLA-only approach in the case of the OLED structures with high WASM factors.
광 추출 효율은 고효율 유기발광다이오드 구현에 있어서 제약 조건이 되고 있다. 광 추출 효율을 높히기 위해서 유기발광다이오드의 마이크로 캐비티 현상을 이용하거나 소자 내부 또는 외부에 구조를 도입하여 가이드 모드를 추출하기 위한 방법들이 진행되고 있다. 본 연구는 기하 구조가 결합된 유기발광다이오드의 정량적인 광 해석을 위해서, 공진구조 내의 다이폴의 방사 특성을 해석할 수 있는 파동 광학과 기하 광학을 결합한 통합형 광학 계산을 제시한다. 제안된 통합형 광학 계산은 기하 구조가 결합된 유기발광다이오드의 광 효율을 정확하게 계산할 수 있으며, 고효율을 위하여 기하 구조가 포함한 유기발광다이오드의 최적화 구조를 찾는 데에 유용하게 쓰일 수 있을 것이다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교함으로서 제안된 광 계산 방법의 유효성을 입증한다.
파동 광학 계산 방법에 대하여 설명을 한 후, 백색의 각도별 의존성 문제를 해결하고자 전면유기발광다이오드의 효율과 각도별 색안정성 사이에서 균형을 맞추는 체계적인 방법에 파동 광학 계산 방법을 사용한다. 전면유기발광다이오드 기반의 서브픽셀 타입 구조에서 백색의 각도별 의존성이 발생하는 원인에 대해 규명하고, 실제 디스플레이에 적용 가능성이 높은 광학적 최적화 방법을 제시한다. 제안된 기법을 통하여 효율 감소가 상당히 적으면서 낮은 각도별 색변이를 보이는 전면유기발광다이오드를 구현한다.
두번째 장에서는 대면적 소자에 쉽게 적용할 수 있으면서 실현 가능성이 높은 광 추출 기법에 중점을 둔다. 고굴절률 기판에 기반한 방법이 그러한 목적으로 연구된다. 광 추출을 높히기 위한 저비용의 안정적인 플랫폼으로서, 기존의 고굴절률 유리 기판 대신 산업용 폴리에틸렌 나프탈레이트를 사용하여 비용 문제를 해결한다. 산업용 PEN 기판의 나노 산란 필러에 의한 고유한 산란 특성은 추가적인 광학 구조없이 기판 갇힘 모드를 추출하는 것으로 나타났다. 정량적인 해석을 위하여, 파동 광학 모델을 이방성 파라미터로 제어되는 Henyey-Greenstein 위상 함수에 기반하여 단순화된 모델로 산란 특성을 설명하는 기하학적/통계학적 광학 모델과 결합한다. 이러한 방법은 빠르고 정량적인 모델링을 제공함으로서 산란 현상 기반의 광 추출 구조를 가지는 유기발광다이오드의 광학적인 최적화에 쓰일 수 있을 것이다.
마지막 장에서는 산업적으로 널리 쓰이는 2차 공진 구조에서 마이크로 렌즈 어레이를 가지는 고굴절률 기판 기반의 유기발광다이오드에 대해 연구한다. 상용 마이크로 렌즈 어레이를 가지는 고굴절률 기판 위에 제작된 2차 공진 구조의 유기발광다이오드는 기판 내에 고각으로 갇히는 빛에 의해 효율이 저하될 수 있다. 따라서 유기발광다이오드 구조에 따른 기판 내 각도별 분포 특성을 분석하여 이에 맞는 최적화된 기하 구조에 대해 연구한다. 또한 기판 내 고각으로 갇히는 빛이 많아지도록 유기발광다이오드가 설계된다면 상용 마이크로 렌즈 어레이보다 스캐터링 기법이 유리하다는 것을 제시한다.
