Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) have attracted great interest due to their potential applications in, for example, display devices and lighting systems. While the achievement of highly efficient OLEDs is important for utilization in various applications, one of problems of OLEDs is their low out-coupling effi-ciency, which is only around 20% in a conventional case. One of reasons for this low out-coupling efficiency is light loss which is substrate mode induced by differences of refractive index between consisting layers. To address this problem, a micro-lens array and a scattering layer have been reported. Some degree of light loss also occurs in the form of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) and waveguide mode. A surface plasmon is a kind of charge oscillation along surface of the metal; the light loss induced by surface plasmon mode is high-ly confined between organic layers and the metal cathode. The waveguide mode is trapped in the thick transparent conductive oxide (TCO) layer, which has a higher refractive index than adjacent layers. Various techniques have been reported to extract two optical modes to improve light efficiency; these techniques in-clude use of photonic crystals and nanostructures with periodic patterns.
A nano-scaled periodic structure is a good candidate to extract the light loss at a specific emission wavelength; however, fabrication to achieve nano-scaled periodic structures, for example, photolithography and e-beam lithography, is complex and non-economical. Moreover, unexpected changes of color coordinate and electrical property induced by the nanostructure are undesirable if such a device is to be utilized in an optical system or a display device. For this paper, we introduced quasi-periodic Tungsten trioxide (WO3) nanoislands to extract the waveguide mode and the surface plasmon mode which are trapped in OLEDs. Two optical modes can be extracted through Bragg scattering by inserting a grating structure with a periodicity of several hundred nanometers. A self-aggregated silver (Ag) layer, which is achieved using only a thermal an-nealing process, was used as mask for WO3 wet-etching. The suggested method, based on wet-etching, is ex-tremely simple and size-tunable. No angular dependency of emission property in this study is desirable if we are to adopt such a device for various optical applications. Furthermore, cost-effective fabrication without photolithography makes it possible to adopt WO3 nanoislands in large area fabrication.
We investigated the quantitative mechanism of out-coupling enhancement in nanoislands embedded organic light-emitting diodes (OLEDs). Numerical calculation was performed for a 2-dimensonal configura-tion with nanoislands; and power dissipation via various optical modes was achieved. Operating stability of nanostructure embedded OLEDs are also investigated. We fabricated various geometric hole-only devices. The thickness of organic layer and the periodicity of nanoislands are varied to analyze the electrical change quantitatively. In addition, we measured the reliability of nanostructure embedded OLEDs. There have been reported that excess charges regardless of polarity act as fluorescence quencher. Thus, we suggest the struc-tural change in nanostructure embedded OLEDs to improve lifetime by achieving charge balance.
유기발광다이오드는 디스플레이, 조명 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 유기발광다이오드가 더욱 다양한 분야에서 활용되기 위해서는 높은 전력 효율 기술을 확립하는 것이 중요한데, 전력 효율의 가장 큰 걸림돌이 되는 부분은 20% 내외의 낮은 광추출 효율이다. 광추출 효율은 크게 3가지 광손실 메커니즘에 의해 제약을 받게 되는데, 첫번째는 기판 모드에 의한 광손실이다. 굴절률이 큰 기판에서 공기 중으로 진행하던 빛이 전반사로 인하여 기판 내에 갇히는 현상으로, 마이크로 렌즈 어레이, 산란층을 삽입하여 이를 향상시킨 연구 결과가 제안된 바 있다. 대부분의 광손실은 표면 플라즈몬과 도파관 모드에 의해 발생한다. 표면플라즈몬은 메탈의 표면에 존재하며 빛과 반응하는 전자 집단으로, 메탈 전극 주변에서 강하게 광손실로 나타난다. 도파관 모드의 경우 인덱스가 큰 투명 전극이나 유기층 내에서 강하게 손실로 발생한다. 이러한 표면 플라즈몬과 도파관 모드에 의한 광손실을 극복하기 위하여 주기적인 패턴의 나노 구조와 광결정 구조에 관한 다양한 연구가 제안된바 있다. 이러한 주기적 구조는 특정 파장 대역에서 광추출 효율을 향상시키는데 유효하지만, 리소그래피 같은 복잡한 공정을 활용한다는 단점과, 각도에 따른 발광 특성 변화는 디스플레이 소자에 적용하는데 적합하지 않다. 본 연구에서는 준주기성의 WO3 나노 구조를 제안하여 광추출 효율을 향상시키는 연구를 제안하였다. 나노 구조를 패턴하기 위하여 자발적으로 형성되는 은의 열응집 현상을 활용하였다. 간단하고 저가격 공정으로 구현한 WO3 나노 구조는 다양한 주기를 패턴할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 나노 구조들이 가지는 각도에 따른 발광 특성 변화를 제거할 수 있었다. 이는 광학 소자, 디스플레이 등 다양한 소자에 활용가능하며, 또한, 리소그래피를 포함하지 않는 간단한 공정은 저가격, 대면적 산업화가 가능한 공정이다. 또한, 본 연구에서는 나노 구조에 의한 유기발광소자의 광추출 효율 향상 메커니즘을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 2차원 구조의 유기발광소자 구조에 대해 시뮬레이션을 수행하였으며, 각각의 광학 모드에 의한 광손실을 정량적으로 계산하였다. 또한, 나노 구조에 의한 유기 발광 소자의 동작 안정성에 대한 실험을 수행하였다. 다양한 구조의 소자를 제작하여, 나노 구조를 포함하는 소자의 구조적 특성과 전기적 특성을 정량적으로 분석하였다. 마지막으로 나노 구조를 포함하는 소자의 신뢰성 특성을 분석하였다. 나노 구조에 의해 달라진 전기적 특성에 의해 과잉 공급된 전하는 수명 특성에 부정적인 영향을 미치는 것을 실험적으로 판단하였으며, 이를 해결하기 위해 소자의 구조를 달리하여 광추출 효율과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 방안을 제시하였다.
