Organic light emitting diodes (OLEDs) are considered as one of the promising next-generation lighting sources due to their design form-factor, high color purity, self-emission property, and so on. However, most of the generated photons from an organic emissive layer which shows a refractive index around 1.7 are confined within the substrate, and/or transparent electrode/organic layer due to total internal reflection or dissipated by the surface plasmon polariton from metal layers. To overcome these issues, many researchers have proposed out-coupling structures such as the use of micro- or nano- structures to enhance extraction efficiency, but the use of these structures still have limitations to apply into practical display applications in terms of deterioration of visibility and high fabrication cost. Herein, novel outcoupling schemes through the planar structure with low-index layers has been proposed, which (i) can make enhanced Fabry-Perot resonance from the increased Fresnel reflectance with a high index layer and (ii) can reduce surface plasmon polariton (SPP) mode by controlling the dispersion relation between metal and dielectric layers.
The first part of the dissertation is focused on the optimization of micro-cavity effects by tailoring the architectures of transparent electrode consisting of high/low-index layers. To realize ultra-high efficiency, a systematic study has been carried out by controlling device stacks containing high-index ($TiO_2$, IZO) and low-index (PEDOT:PSS) layers to identify how the resonance effect and the amount of loss modes change. As a result, we realized a maximized cavity resonance even without semitransparent metal electrodes and achieved a highly efficient performance upon optimization of the $1^{st}$-order cavity.
Second, we investigated the effects of the low-index buffer layer for reducing surface plasmon polariton (SPP) mode. It is observed that placing the low-index media adjacent to metal electrodes helps in shifting the SPP mode toward a lower in-plane wavevector and the corresponding amount was reduced. In addition, since SPPs is caused only by transverse magnetic (TM) polarization, the phenomenon of SPP reduction was analyzed according to optical anisotropy of the buffer layer. Through anisotropy-based analysis using the dipole oscillator model, SPP suppressed devices in both bottom- and top- emission cases were designed. In this way, ultrahigh-efficiency OLEDs were able to be demonstrated. To further verify the proposed concepts, we compared the transient photoluminescence (PL) signal to monitor the concomitant change in Purcell factor in SPP reduced optical environments.
In summary, the study in this dissertation demonstrates novel strategies to realize ultra-high efficiency OLEDs through an optical design based on low-index layers that maintain the planar geometry. With these approaches, we expect that the power consumption of future displays and lightings can be reduced significantly in a device architecture that can be readily adopted in the industry.
유기발광 다이오드는 유연 발광원으로 구현이 가능하며, 자발광 특성으로써 요약되는 장점들로 인해 고품위 디스플레이 및 웨어러블, 자동차용 조명 등 다양한 어플리케이션에 적용되고 있다. 그러나 유기발광 다이오드 발광체의 굴절률은 공기와 기판보다 높기 때문에 발생된 빛의 대부분은 전반사로 인하여 소자 내부에 갇히거나, 금속 전극의 계면에서 표면 플라즈몬 모드로 소실되어, 여전히 고효율 소자 구현에 큰 제약을 받고 있다. 이에, 광 추출 효율을 높이는 일은 고효율 OLED 구현에 있어서 필수적이며, 그동안 효율을 증가시키기 위해 많은 연구들이 보고되었지만, 기존의 방식들은 대부분 구조체를 도입하는 방식들로써, 시인성을 저하시키거나, 쉽게 전기적 단락을 일으켜 상용 소자에 적용하기에 제한적이었다. 이런 관점에서, 본 연구에서는 저 굴절률 유기재료를 활용하여 평면 구조를 유지하면서도 광 효율을 향상시키는 법을 제안하고자 한다.
첫번째 장에서는, 저 굴절률 재료를 고굴절률 재료와 함께 적용함으로써, 굴절률 차이를 통해 전극의 유효 반사도를 증가시켜, 반투명 전극 없이 마이크로 캐비티 효과를 구현한 내용을 다루고자 한다. 제안하는 효과의 성능을 최적화 하기 위하여, 공진 차수에 대한 분석과, 퍼셀 지수에 대한 영향을 고려하여 광학 구조 설계를 진행하였다. $TiO_2$와 IZO층으로 대표되는 고 굴절률 층과, 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 저 굴절률층으로 이용하여 투명전극 구조체를 형성하였으며, 얇은 그래핀 전극을 통한 1차 공진 광학 구조를 적용함으로써, 기존에 반투명 전극 기반 공진 소자보다 우수한 광 효율의 소자를 구현하였다.
두번째 장에서는, 금속 전극과 인접한 유기층에 저굴절률을 나타내는 재료를 활용함으로써 표면 플라즈몬 모드 손실을 줄인 내용에 대하여 다루고자 한다. 금속전극으로부터 발생된 표면 플라즈몬 모드는 인접한 재료의 굴절률에 의해 분산 관계가 조절될 수 있다. 즉, 저 굴절률 재료를 사용함으로써, 표면 플라즈몬 모드에 대한 파수 벡터를 낮은 값으로 전이 시킬 수 있고, 이에 상응하는 소실 양을 감소시킬 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 모드는 평행 편광 모드에서만 발생하기 때문에, 광학적 이방성 특성을 고려하여 저굴절률 효과를 적용한다면, 표면 플라즈몬 손실은 실제 유기 재료의 특성 관점에서 더욱 효과적으로 저감될 수 있다. 따라서, 유기물의 광학적 이방성에 대한 표면 플라즈몬 감소 특성을 확인하기 위해 복굴절성이 고려된 다이폴 모델을 통해 분석을 진행 하였으며, 그 결과 이상 광축의 굴절률 값이 표면 플라즈몬 모드의 지배적인 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 우리는 이상 광축이 낮은 재료를 활용하여 표면플라즈몬 모드가 저감된 고효율의 배면/상부 발광 소자를 구현 하였으며, 저 굴절률 재료가 포함된 구조에서의 여기자 소광 시간 분석을 통해 표면 플라즈몬 모드 손실이 줄어든 광학 환경을 추가적으로 입증하였다.
본 연구로부터, 고효율 OLED 구현에 있어 필수적으로 적용 되어야 할 광 효율 향상 기법을, 기존의 구조체를 적용하는 방식이 아닌, 평면 구조의 저 굴절률 재료를 활용하는 방법에 대해서 탐구하였다. 제안하는 기술은 기존의 공정 기술과 호환성이 높은 기술로써, 상용 소자에 적용이 용이하고, 소자의 전기적 구동 안정성이 확보될 수 있다는 이점을 가지고 있다. 이에, 제안하는 기술들을 통해 차세대 광원으로 주목받는 유기발광다이오드의 구동 전력 효율이 더욱 개선되기를 기대한다.