With the emergence of foldable smartphones, interest in folding technology has recently become very high. In particular, researches for smart display applications requiring wide screen and portability are being actively carried out. However, the brittle nature of the various materials used in displays remains an obstacle to the implementation of the foldable OLEDs. In this study, we propose a device structure that maintains operability even under repetitive folding with a radius of curvature of less than 1mm using an oxide-based transparent electrode and an encapsulation layer also known to be brittle. For this purpose, we have used an ultra-thin substrate with a thickness of 6 $\mu$ m, and found out that the effect of neutral surface movement caused by the OLEDs elements in the ultra-thin substrate is not negligible. The difference of the neutral plane movement according to the substrate thickness is explained through the finite element analysis simulation. The actual device structure is designed using substrates with different thickness based on the simulation result. Finally, the effect of the neutral plane movement on the thin substrate is verified by evaluating the lifetime of the device according to the presence of bending.
In addition, some studies have focused only on the mechanical stability of the device when designing the foldable OLEDs, being limited in terms of efficiency. In particular, foldable OLEDs using very thin substrates have limitations in applying various internal/external structures to increase efficiency. In this study, we explore how to implement an outcoupling structure that is compatible with ultrathin, highly flexible architecture. The local modulation in the neutral plane due to the inclusion of outcoupling structure is carefully investigated through FEM simulation. Furthermore, we analyze the effect of optical diffraction resulting from the outcoupling structure by properly applying geometric and wave optics simulation method in a trans-scale manner. In the case of the final device, the current efficiency turns out to be nearly twice as high as that of the reference device, and the EQE value is more than 50%. By additionally coating the upper optical resin layer, the sandwich structure is created to achieve a highly efficient foldable OLEDs without any change in device performance even after 10,000 repetitions of fully-folding (50 $\mu$ m) bending tests. We believe the results and approach presented in this study will be a good example for designing a high efficiency foldable OLEDs or any emerging thin-film light sources such as perovskite or quantum-dot LEDs.
최근 접을 수 있는(폴더블) 스마트폰의 등장과 함께 접이식 기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 특히 넓은 화면과 휴대성을 요구하는 스마트 디스플레이 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 디스플레이에 사용되는 여러 재료들의 잘 깨지는 특성은 여전히 폴더블 유기발광다이오드 구현을 위한 장애물로 남아있다. 우리는 본 연구에서 잘 깨진다고 알려져 있는 산화물 기반의 투명 전극과, 봉지막을 이용하여 곡률 반지름 1mm 이하의(740 $\mu$ m) 반복 접힘에도 안정성을 유지하는 소자 구조를 제안하고자 한다. 이를 위하여 두께 6 $\mu$ m의 초박막 기판을 사용하였으며, 초박막 기판 내에서 유기발광다이오드 소자로 인해 발생하는 중립면 이동의 효과가 무시할 수 없을 만큼 매우 크다는 것을 발견하였다. 기판 두께에 따른 중립면 이동의 차이를 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 설명하였고, 시뮬레이션 결과를 토대로 두께가 서로 다른 기판을 이용해서 실제 소자 구조를 설계하였다. 최종적으로 제작한 소자의 굽힘 유무에 따른 수명 평가를 통해 얇은 기판에서의 중립면 이동의 효과를 증명 할 수 있었다.
또한 그동안의 일부 연구 들에선 폴더블 유기발광다이오드 설계를 할 때, 소자의 기계적 안정성에만 집중하여 효율이 낮은 경우가 있었다. 특히 매우 얇은 기판을 사용하는 폴더블 유기발광다이오드의 경우엔, 효율을 올리기 위한 다양한 내부/외부 구조체를 적용하는 데에도 한계가 있다. 우리는 본 연구에서 마이크로 렌즈 어레이 구조와 모양이 유사하지만 크기가 매우 작은 외부 구조를 임프린팅 기법으로 얇은 기판에 삽입하고자 하였다. 이 과정에서 발생할 수 있는 기계적 안정성 문제를 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 검토하였다. 또한 의도치 않은 회절 현상에 대한 영향을 기하 광학과 파동 광학 시뮬레이션 방법을 적절히 응용하여 성공적으로 분석할 수 있었다. 최종 소자의 경우 기본 소자 대비 2배 가까이 높은 외부 양자 효율을 보였으며, 최대 50%가 넘는 높은 외부 양자 효율 값을 나타냈다. 그리고 상부 NOA를 추가로 도포하여 샌드위치 구조를 만듦으로써, 완전히 접는 수준의 (50 $\mu$ m) 굽힘 테스트를 10,000회 반복하고도 소자 성능에 변화가 없는 고효율 폴더블 유기발광다이오드를 구현하였다. 추가적으로, 제안된 초박막 광추출 기판을 이용하여 용액공정 기반의 페로브스카이트 발광다이오드를 구현하였으며 이 과정에서 기판의 온도에 따른 물성의 변화를 확인할 수 있었다. 본 연구에서 증명한 결과들과 접근 방법이 얇은 기판을 이용한 고효율 폴더블 디바이스 설계를 위한 좋은 예시가 될 것으로 생각된다.
