[논문]유전체 다층 거울이 유기발광다이오드의 광효율 향상에 미치는 영향에 관한 광학 시뮬레이션 연구

이성준; 고재현

doi:10.3807/kjop.2015.26.3.139

[국내논문] 유전체 다층 거울이 유기발광다이오드의 광효율 향상에 미치는 영향에 관한 광학 시뮬레이션 연구
Effects of a Dielectric Multilayer Mirror on the Lighting Efficiency of Organic Light-Emitting Diodes Studied by Optical Simulation 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.26 no.3, 2015년, pp.139 - 146

초록
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본 논문에서는 유전체 다층 거울을 이용해 구성된 파브리-페롯 미소공진 구조가 유기발광다이오드(OLED)의 광효율에 미치는 영향을 유한차분 시간영역법과 광선추적법을 결합해 분석하였다. SiN과 $SiO_2$ 층을 교대로 쌓아 구성한 유전체 다층박막의 적용은 미소공진 효과를 강화시켜 OLED의 발광 스펙트럼의 협소화를 유도하였고 광추출효율도 수 % 증가하였다. 유전체 다층박막의 두께를 최적화함으로써 특정 파장에 대해 미소공진 효과를 일으킬 수 있었고 이는 OLED 발광색의 순도를 증가시키는데 활용될 수 있다. 광추출효율을 극대화하는 전자수송층의 최적 두께는 발광파장에 따라 달라졌는데, 이는 유기층 물질이 보이는 굴절률의 분산 때문인 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of a dielectric multilayer mirror on the efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) were investigated by using optical simulation. Adoption of a dielectric mirror consisting of alternating SiN and $SiO_2$ layers narrowed the emission spectrum due to the microcavity effect, and increased the outcoupling efficiency by a few percent. The layer thicknesses of the dielectric mirror were adjusted to change the wavelength of the resonance mode, which may be used to increase the color purity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배면발광형 OLED에 유전체 다층박막을 적용한 후 시간영역 유한차분법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD)과 광선추적기법을 적용, 유기층의 두께와 층의 개수에 따라 OCE가 어떻게 바뀌는지를 조사하였다. 즉, 미소공진효과를 이용하여 발광되는 빛이 수직 방향으로 잘 방출되도록 자발방출 특성을 변화시키면서 임계각 이하로 방출되는 빛의 세기를 강화시켜 전반사를 겪지 않고 공기 중으로 방출시키는 방법을 이용한 광 추출효율 향상에 대해 연구를 하였다.

제안 방법

아울러 미소공진구조에 동반되는 각도에 따른 색도와 휘도 불균일성을 해결하기 위한 다양한 시도가 있었다 ^{[47, 50]}. 본 논문에서는 배면발광형 OLED에 유전체 다층박막을 적용한 후 시간영역 유한차분법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD)과 광선추적기법을 적용, 유기층의 두께와 층의 개수에 따라 OCE가 어떻게 바뀌는지를 조사하였다. 즉, 미소공진효과를 이용하여 발광되는 빛이 수직 방향으로 잘 방출되도록 자발방출 특성을 변화시키면서 임계각 이하로 방출되는 빛의 세기를 강화시켜 전반사를 겪지 않고 공기 중으로 방출시키는 방법을 이용한 광 추출효율 향상에 대해 연구를 하였다.

대상 데이터

5 um²였다. ETL과 HTL 물질로는 Alq3 및 NPD(N,N′-Di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl-(1,1′-biphenyl)-4,4′-diamine)를 사용했고 해당 물질의 굴절률 값을 이용하였다. 유리기판의 굴절률은 1.
LightTools에서는 유리 기판의 한 가운데에 FDTD Solutions에서 얻은 광도 데이터를 가진 점광원을 설정한 후 광선 추적 시뮬레이션을 진행해서 에어모드를 구했다. 광선추적 시뮬레이션에 사용된 광선의 수는 시뮬레이션 조건 당 통상 10만 개였다. 그림에서 알 수 있는 것처럼 빨강색 발광에서는 ETL 두께가 130 nm일 때 기판 모드로 67.

데이터처리

광원으로는 ETL-HTL 경계면에서 ETL 쪽으로 20 nm 떨어진 곳의 중앙에 쌍극자를 설정해 활용하였다. 쌍극자의 진동 방향을 서로 수직인 세 방향으로 설정하고 시뮬레이션을 진행, 얻어진 결과를 평균해서 등방적 광원에 대한 결과를 얻었다.

성능/효과

SiN과 SiO₂ 층을 교대로 쌓아 구성한 유전체 다층박막을 적용한 결과 OLED의 광추출효율은 수 % 향상되었고 미소공진 효과에 의해 발광 스펙트럼이 협소해짐을 알 수 있 었다. OLED의 유기층과 유전체 다층박막 물질이 가지는 굴절률의 분산 혹은 흡수 효과로 인해 각 층의 두께를 발광 파장에 따라 최적화해야 함을 확인할 수 있었고 다층박막의 층수가 증가함에 따라 광추출효율이 완만하게 감소함을 확인하였다. 유전체 다층박막을 한 쌍 적용한 OLED의 경우 에어 모드로 방출되는 광추출효율은 빨강, 녹색, 파랑에 대해 각각 34.
본 연구에서는 배면발광형 OLED의 양극에 유전체 다층박막형 거울을 적용해 미소공진효과를 강화시킨 후 이것이 OLED의 발광특성에 어떤 영향을 미치는지를 시간영역 유한 차분법과 광선추적기법을 결합한 광학 시뮬레이션으로 조사 하였다. SiN과 SiO₂ 층을 교대로 쌓아 구성한 유전체 다층박막을 적용한 결과 OLED의 광추출효율은 수 % 향상되었고 미소공진 효과에 의해 발광 스펙트럼이 협소해짐을 알 수 있 었다. OLED의 유기층과 유전체 다층박막 물질이 가지는 굴절률의 분산 혹은 흡수 효과로 인해 각 층의 두께를 발광 파장에 따라 최적화해야 함을 확인할 수 있었고 다층박막의 층수가 증가함에 따라 광추출효율이 완만하게 감소함을 확인하였다.
OLED의 유기층과 유전체 다층박막 물질이 가지는 굴절률의 분산 혹은 흡수 효과로 인해 각 층의 두께를 발광 파장에 따라 최적화해야 함을 확인할 수 있었고 다층박막의 층수가 증가함에 따라 광추출효율이 완만하게 감소함을 확인하였다. 유전체 다층박막을 한 쌍 적용한 OLED의 경우 에어 모드로 방출되는 광추출효율은 빨강, 녹색, 파랑에 대해 각각 34.1%, 34.5%, 36.4%였고 이는 기본 OLED에 비해 5~7% 정도 향상된 수치이다.

후속연구

이러한 결과는 미소공진 효과를 활용한 OLED를 디스플레이로 활용할 경우 색재현성(color gamut)을 높일 수 있음을 의미한다. 그렇지만 시야각에 따라 광경로의 길이가 달라지고 이에 따라 색도나 휘도의 변화가 심해질 수 있어서 이에 대한 대책의 모색이 필요하다 ^[47].
그렇지만 유전체 다층박막의 수가 커지면 광효율은 완만하게 감소하였고 이는 물질에 의한 흡수효과에 기이한 것으로 보인다. 아울러 OLED 면에 수직인 방향에 대해 미소 공진 조건이 성립하므로 시야각에 따른 색도와 밝기의 변화가 발생하는 문제 역시 해결해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기발광다이오드란?	유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)는 두 전극 사이에 위치한 유기발광물질에 의한 발광 현상을 이용하는 소자로써, 최근 고해상도 디스플레이 이 외에 일반 조명으로 적용 분야가 확장되고 있다. 최근 시장이 확대되고 있는 고해상도 OLED TV의 성장세는 이제 OLED 기술이 대형 디스플레이 시장으로 잠입해 들어가고 있음을 보여주는 것이다.
	OCE를 향상시키기 위한 다양한 광학 구조에는 어떤 것들이 있는가?	순수하게 기하광학적 고려만을 하게 되면 발생한 빛의 20% 미만이 에어 모드로 빠져나가는 것으로 계산된다 [3]. 그 동안 많은 연구자들에 의해 OCE를 향상시키기 위한 다양한 광학 구조가 제안되어 왔는데, 마이크로렌즈 혹은 확산층을 활용해 기판모드를 추출하는 방법[5-12], 도파관 모드로 갇히는 빛을 빼내기 위해 OLED의 내부 구조를 다양하게 변형시키는 접근 방법[13-20], 플라스몬 손실을 줄이거나[21] 다양한 접근법들을 동시에 적용하는 하이브리드 방법[22, 23], 발광층 내 발광자의 방향을 조절하는 방법[24-31] 등이 시도되어 왔다.
	OLED가 가지는 미소공진(microcavity) 구조의 원리는?	또 하나의 접근 방법은 OLED가 가지는 미소공진(microcavity) 구조를 이용하는 것이다 [32-51]. 배면발광형 OLED는 기본적으로 음극인 금속과 양극인 투명전극 사이에 약한 미소공진 구조가 형성되는데, 이 때 금속이나 유전체 다층박막 등으로 공진구조를 강화시키면 OLED 발광색의 순도가 강화되어 색재현성이 증가하거나 발광효율의 상승을 기대할 수 있다. 양극 쪽의 거울로는 얇은 금속 거울 외에 서로 다른 굴절률을 가진 물질을 교대로 형성한 다층 박막형 유전체 거울[35-37, 39-41]이나 유전체-거울-유전체 구조[51]가 적용되기도 하였다.

참고문헌 (51)

K. Hong and J.-L. Lee, "Recent developments in light extraction technologies of organic light emitting diodes," Electron. Mater. Lett. 7, 77-91 (2011).

상세보기
W. Brutting, J. Frischeisen, T. D. Schmidt, B. J. Scholz, and C. Mayr, "Device efficiency of organic light-emitting diodes: Progress by improved light outcoupling," Phys. Status Solidi A 210, 44-65 (2012).
G. Gu, D. Z. Garbuzov, P. E. Burrows, S. Venkatesh, and S. R. Forrest, "High-external-quantum-efficiency organic light-emitting devices," Opt. Lett. 22, 396-398 (1997).

상세보기
J. Frischeisen, B. Scholz, B. Arndt, T. Schmidt, R. Gehlhaar, C. Adachi, and W. Brutting, "Strategies for enhanced light extraction from surface plasmons in organic light-emitting diodes," J. Photonic. Energy 1, 011004 (2011).

상세보기
C. F. Madigan, M.-H. Lu, and J. C. Sturm, "Improvement of output coupling efficiency of organic light-emitting diodes by backside substrate modification," Appl. Phys. Lett. 76, 1650-1652 (2000).

상세보기
S. Moller and S. R. Forrest, "Improved light out-coupling in organic light emitting diodes employing ordered microlens arrays," J. Appl. Phys. 91, 3324-3327 (2002).

상세보기
M.-L. Chen, A.-C. Wei, and H.-P. Shieh, "Increased organic light-emitting diode panel light efficiency by optimizing structure and improving alignment of pyramidal array lightenhancing layers," Jpn. J. Appl. Phys. 46, 1521-1525 (2007).

상세보기
C.-J. Yang, S.-H. Liu, H.-H. Hsieh, C.-C. Liu, T.-Y. Cho, and C.-C. Wu, "Microcavity top-emitting organic light-emitting devices integrated with microlens arrays: Simultaneous enhancement of quantum efficiency, cd/A efficiency, color performances, and image resolution," Appl. Phys. Lett. 91, 253508 (2007).

상세보기
Y.-H. Cheng, J.-L. Wu, C.-H. Cheng, K.-C. Syao, and M.-C. M. Lee, "Enhanced light outcoupling in a thin film by texturing meshed surfaces," Appl. Phys. Lett. 90, 091102 (2007).

상세보기
C.-C. Liu, S.-H. Liu, K.-C. Tien, M.-H. Hsu, H.-W. Chang, C.-K. Chang, C.-J. Yang, and C.-C. Wu, "Microcavity topemitting organic light-emitting devices integrated with diffusers for simultaneous enhancement of efficiencies and viewing characteristics," Appl. Phys. Lett. 94, 103302 (2009).

상세보기
N. Nakamura, N. Fukumoto, F. Sinapi, N. Wada, Y. Aoki, and K. Maeda, "Glass substrates for OLED lighting with high out-coupling efficiency," SID'09 Tech. Digest, 603-606 (2009).
S. S. Jeong and J.-H. Ko, "Simulation study on the optical structures for improving outcoupling efficiency of organic light emitting diodes," J. Inf. Disp. 13, 139-143 (2012).

원문보기 상세보기
S. Okutani, N. Kamiura, H. Sano, T. Sawatani, D. Fujita, T. Takehara, K. Sunohara, and M. Kobayashi, "A 20.8-inch WXGA full color AMOLED display by integrating scattering reflector with micro-bumps," SID'07 Tech. Digest, 173-176 (2007).
Y. Sun and S. R. Forrest, "Enhanced light out-coupling of organic light-emitting devices using embedded low-index grids," Nature Photonics 2, 483-487 (2008).

상세보기
T.-W. Koh, J.-M. Choi, S. Lee, and S. Yoo, "Optical outcoupling enhancement in organic light-emitting diodes: highly conductive polymer as a low-index layer on microstructured ITO electrodes," Adv. Mater. 22, 1849-1853 (2010).

상세보기
W. H. Koo, S. M. Jeong, F. Araoka, K. Ishikawa, S. Nishimura, T. Toyooka, and H. Takezoe, "Light extraction from organic light-emitting diodes enhanced by spontaneously formed buckles," Nature Photonics 4, 222-226 (2010).

상세보기
Y.-J. Lee, S.-H. Kim, J. Huh, G.-H. Kim, Y.-H. Lee, S.-H. Cho, Y.-C. Kim. and Y. R. Do, "A high-extraction-efficiency nanopatterned organic light-emitting diode," Appl. Phys. Lett. 82, 3779-3781 (2003).

상세보기
T. Tsutsui, M. Yahiro, H. Yokogawa, K. Kawano, and M. Yokoyama, "Doubling coupling-out efficiency in organic light-emitting devices using a thin silica aerogel layer," Adv. Mater. 13, 1149-1152 (2001).

상세보기
H. J. Peng, Y. L. Ho, X. J. Yu, and H. S. Kwok, "Enhanced coupling of light from organic light emitting diodes using nanoporous films," J. Appl. Phys. 96, 1649-1654 (2004).

상세보기
K. Hong, H. K. Yu, I. Lee, K. Kim, S. Kim, and J.-L. Lee, "Enhanced light out-coupling of organic light-emitting diodes: spontaneously formed nanofacet-structured MgO as a refractive index modulation layer," Adv. Mater. 22, 4890-4894 (2010).

상세보기
J.-B. Kim, J.-H. Lee, C.-K. Moon, S.-Y. Kim, and J.-H. Kim, "Highly enhanced light extraction from surface plasmonic loss minimized organic light-emitting diodes," Adv. Mater. 25, 3571-3577 (2013).

상세보기
J.-H. Jang, K.-J. Kim, J.-H. Kim, and M.-C. Oh, "Outcoupling enhancement of OLED using microlens array and diffractive grating," Korean J. Opt. Photon. (Hankook Kwanghak Hoeji) 18, 441-446 (2007).

원문보기 상세보기
S. Reineke, F. Lindner, G. Schwartz, N. Seidler, K. Walzer, B. Lussem, and K. Leo, "White organic light-emitting diodes with fluorescent tube efficiency," Nature (London) 459, 234-239 (2009).

상세보기
J.-S. Kim, P. K. H. Ho, N. C. Greenham, and R. H. Friend, "Electroluminescence emission pattern of organic light-emitting diodes: Implications for device efficiency calculations," J. Appl. Phys. 88, 1073-1081 (2000).

상세보기
M. Flammich, M. C. Gather, N. Danz, D. Michaelis, A. H. Brauer, K. Meerholz, and A. Tunnermann, "Orientation of emissive dipole in OLEDs: Quantitative in situ analysis," Org. Electron. 11, 1039-1046 (2010).

상세보기
M. Flammich, J. Frischeisen, D. S. Setz, D. Michaelis, B. C. Krummacher, T. D. Schmidt, W. Brutting, and N. Danz, "Oriented phosphorescent emitters boost OLED efficiency," Org. Electron. 12, 1663-1668 (2011).

상세보기
P. Liehm, C. Murawski, M. Furno, B. Lussem, K. Leo, and M. C. Gather, "Comparing the emissive dipole orientation of two similar phosphorescent green emitter molecules in highly efficient organic light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 101, 253304 (2012).

상세보기
S.-Y. Kim, W.-I. Jeong, C. Mayr, Y.-S. Park, K.-H. Kim, J.-H. Lee, C.-K. Moon, W. Brutting, and J.-J. Kim, "Organic light-emitting diodes with 30% external quantum effi ciency based on a horizontally oriented emitter," Adv. Funct. Mater. 23, 3896-3900 (2013).

상세보기
K.-H. Kim, C.-K. Moon, J.-H. Lee, S.-Y. Kim, and J.-J. Kim, "Highly efficient organic light-emitting diodes with phosphorescent emitters having high quantum yield and horizontal orientation of transition dipole moments," Adv. Mater. 26, 3844-3847 (2014).

상세보기
J. S. Lee, J.-H. Ko, J. Park, and J. W. Lee, "Simulation study on the effect of the emitter orientation and photonic crystals on the outcoupling efficiency of organic light-emitting diodes," J. Opt. Soc. Korea. 18, 732-738 (2014).

원문보기 상세보기
S. S. Jeong and J.-H. Ko, "Optical simulation study on the effect of diffusing substrate and pillow lenses on the outcoupling efficiency of organic light emitting diodes," J. Opt. Soc. Korea 17, 269-274 (2013).

원문보기 상세보기
S. S. Jeong, H.-W. Choi, and J.-H. Ko, "Simulation study on the outcoupling efficiency and intensity distribution of photonic crystal-based organic light-emitting diodes," New Physics: Sae Mulli 63, 892-899 (2013).

상세보기
N. Takada, T. Tsutsui, and S. Saito, "Control of emission characteristics in organic thin-film electroluminescent diodes using an optical-microcavity structure," Appl. Phys. Lett. 63, 2032-2034 (1993).

상세보기
A. Dodabalapur, L. J. Rothberg, T. M. Miller, and E. W. Kwock, "Microcavity effects in organic semiconductors," Appl. Phys. Lett. 64, 2486-2488 (1994).

상세보기
T. Tsutsui, N. Takada, S. Saito, and E. Ogino, "Sharply directed emission in organic electroluminescent diodes with an optical microcavity structure," Appl. Phys. Lett. 65, 1868-1870 (1994).

상세보기
T. A. Fisher, D. G. Lidzey, M. A. Pate, M. S. Weaver, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and D. D. C. Bradley, "Electroluminescence from a conjugated polymer microcavity structure," Appl. Phys. Lett. 67, 1355-1357 (1995).

상세보기
R. H. Jordan, A. Dodabalapur, and R. E. Slusher, "Efficiency enhancement of microcavity organic light emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 69, 1997-1999 (1995).
V. Cimrova and D. Neher, "Microcavity effects in single-layer light-emitting devices based on poly(p-phenylene vinylene)," J. Appl. Phys. 79, 3299-3306 (1996).

상세보기
J. Gruner, F. Cacialli, and R. H. Friend, "Emission enhancement in single-layer conjugated polymer microcavities," J. Appl. Phys. 80, 207-215 (1996).

상세보기
A. Dodabalapur, L. J. Rothberg, R. H. Jordan, T. M. Miller, R. E. Slusher, and J. M. Phillips, "Physics and applications of organic microcavity light emitting diodes," J. Appl. Phys. 80, 6954-6964 (1996).

상세보기
N. Tessler, S. Burns, H. Becker, and R. H. Friend, "Suppressed angular color dispersion in planar microcavities," Appl. Phys. Lett. 70, 556-558 (1997).

상세보기
H. Becker, S. E. Burns, N. Tessler, and R. H. Friend, "Role of optical properties of metallic mirrors in microcavity structures," J. Appl. Phys. 81, 2825-2829 (1997).

상세보기
S. K. So, W. K. Choi, L. M. Leung, and K. Neyts, "Interference effects in bilayer organic light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 74, 1939-1941 (1999).

상세보기
T. Shiga, H. Fujikawa, and Y. Taga, "Design of multiwavelength resonant cavities for white organic light-emitting diodes," J. Appl. Phys. 93, 19-22 (2003).

상세보기
C.-L. Lin, T.-Y. Cho, C.-H. Chang, and C.-C. Wu, "Enhancing light outcoupling of organic light-emitting devices by locating emitters around the second antinode of the reflective metal electrode," Appl. Phys. Lett. 88, 081114 (2006).

상세보기
M. Agrawal, Y. Sun, S. R. Forrest, and P. Peumans, "Enhanced outcoupling from organic light-emitting diodes using aperiodic dielectric mirrors," Appl. Phys. Lett. 90, 241112 (2007).

상세보기
W. C. H. Choy and C. Y. Ho, "Improving the viewing angle properties of microcavity OLEDs by using dispersive gratings," Opt. Express 15, 13288-13294 (2007).

상세보기
J. Lee, N. Chopra, and F. So, "Cavity effects on light extraction in organic light emitting devices," Appl. Phys. Lett. 92, 033303 (2008).

상세보기
R. Meerheim, R. Nitsche, and K. Leo, "High-efficiency monochrome organic light emitting diodes employing enhanced microcavities," Appl. Phys. Lett. 93, 043310 (2008).

상세보기
C.-C. Liu, S.-H. Liu, K.-C. Tien, M.-H. Hsu, H.-W. Chang, C.-K. Chang, C.-J. Yang, and C.-C. Wu, "Microcavity top-emitting organic light-emitting devices integrated with diffusers for simultaneous enhancement of efficiencies and viewing characteristics," Appl. Phys. Lett. 94, 103302 (2009).

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H. Cho, C. Yun, and S. Yoo, "Multilayer transparent electrode for organic light-emitting diodes: tuning its optical characteristics," Opt. Express 18, 3404-3414 (2010).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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