We explored a systematic way to realize the achievable highest external quantum efficiency (EQE) for a given organic light-emitting diode (OLED) device with micro-lens array (MLA) or scattering layer (SL) based on trans-scale optical simulation. In the case of OLEDs fabricated on a glass substrate with SL, optimized OLED stacks based on highly horizontally oriented dipole emitters exhibited a maximum EQE of 56.3% by coupling with nanoparticle-based scattering layers tailored via Mie theory. However, global optimization result comparing MLA and a SL revealed that MLA could give the higher maximum EQE when high refractive index outcoupling layer as well as substrate is applied to OLED to extract light in waveguided mode additionally. Therefore, the sapphire MLA was applied to the optimized OLEDs fabricated on high refractive index substrate. At this time, the maximum 63% of EQE was demonstrated.
본 연구에서는 광추출 구조가 적용된 유기 발광 다이오드가 궁극적으로 달성할 수 있는 최대의 효율에 대해서 고찰하였다. 광추출 구조로는 기하광학 시뮬레이션을 통하여 정량적인 분석이 가능한 산란층과 마이크로 렌즈 어레이가 활용되었다. 해당 기하광학 시뮬레이션과 유기 발광 다이오드 특성 예측 모델을 결합함으로써 통합형 광학 시뮬레이션을 제작하였고, 해당 광학 시뮬레이션을 활용하여 유기 발광 다이오드와 광추출 구조에서 변화시킬 수 있는 여러 파라미터들을 변화시켜가며 유기 발광 다이오드가 달성할 수 있는 최대의 효율과 이에 해당하는 소자 구조를 탐색하는 글로벌 최적화를 수행하였다. 우선은 일반적인 산란층이 부착 되어있는 유리기판 위에 제작된 유기 발광 다이오드가 가질 수 있는 최대 효율과 산란층의 특성을 분석하였고, 시뮬레이션 결과 최적의 유기 발광 다이오드 구조 및 산란층이 사용되는 경우 최대 약 56%의 외부양자효율을 가질 수 있을 것으로 예상되었다. 이를 실험적으로 검증하기 위해, 높은 asymmetry parameter를 가지는 산란층이 제작되었으며 이를 유기 발광 다이오드에 적용하여 56.3%의 외부양자효율을 구현해 내었다. 반면에, 고굴절률 기판과 고굴절률의 광추출 구조를 사용하는 경우에는 마이크로 렌즈 어레이가 산란층에 비하여 더 높은 효율을 줄 것으로 예상되었다. 해당 구조에서 통합형 광학 시뮬레이션을 수행한 결과 최대 64% 이상의 효율을 달성할 수 있을 것으로 예상되었고, 실제로 고굴절률 기판 위에 제작된 유기 발광 다이오드에 사파이어 마이크로 렌즈 어레이를 적용하는 경우 최대 약 63%의 외부양자효율을 얻을 수 있었다.
