This study introduces an effective way to optimize the structure of organic light-emitting diodes (OLEDs) with scattering layers for the maximal external quantum efficiency (EQE) based on world’s first ‘integrated trans-scale simulation’ involving radiative transfer theory. From the global optimization using the proposed integrated trans-scale simulation, the maximum EQE of OLEDs with a scattering layer, as well as the corresponding structure, is predicted. In the case of an outer scattering layer, the calculated maximum EQE can be as high as 42.9% upon careful optimization considering the scatterance of a scattering film and the asymmetry parameter of individual scattering events therein. With the optimized structure based on this study, OLEDs with EQE of 40.1% are demonstrated, which reveals the accuracy and effectiveness of the proposed approach. From global optimization further involving an inner scattering layer, EQE of more than 55% is predicted for a structure having a thick electron transport layer decoupling loss to surface plasmon polaritons.
본 연구에서는 산란층을 가지는 유기발광다이오드가 가질 수 있는 최고의 효율을 효과적으로 예측할 수 있는 글로벌 최적화 기법에 대해 고찰하였다. 글로벌 최적화는 세계 최초로 radiative transfer theory에 기반한 산란층 시뮬레이션과 유기발광다이오드의 발광특성을 예측하는 power dissipation model을 통합하여 구현한 ‘통합형 다중 스케일 시뮬레이션’을 이용하여 수행되었고, 글로벌 최적화를 통해서 유기발광다이오드가 산란층을 이용하여 얻을 수 있는 최대 외부양자효율과 이 때 필요한 구조가 예측되었다. 산란층이 기판 외부에 있는 경우 산란층의 산란정도(scatterance)와 단일 산란 현상의 asymmetry parameter값을 고려한 정교한 최적화를 통해서 예측되는 최대의 외부양자효율은 42.9%였다. 이러한 양자효율 가질 것으로 예측되는 최적화된 구조를 이용해 제작된 소자는 최대 40.1%의 외부양자효율을 나타내었고, 이를 통해 본 연구에서 제안한 방법의 정확성과 유효성을 확신할 수 있었다. 이렇게 확보한 신뢰성을 바탕으로 산란층이 기판 내부에 있는 구조에 대해서 글로벌 최적화를 수행하였고, 이때 전자 수송층이 두꺼운 경우 surface plasmon polaritons에 의한 손실이 줄어들어 최대 55%이상의 외부양자효율도 얻을 수 있을 것으로 예측되었다.
