[논문]투명 OLED 면광원 광 추출 향상 기술

박준범; 신동균; 한승조; 박종운

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We have investigated the light extraction efficiency of large-area OLED lighting panels with a microlens array (MLA) or external scattering layer (ESL) by ray tracing simulation. The application of MLA and ESL to transparent OLEDs (TOLEDs) with an auxiliary metal electrode is also studied. It is fou...

We have investigated the light extraction efficiency of large-area OLED lighting panels with a microlens array (MLA) or external scattering layer (ESL) by ray tracing simulation. The application of MLA and ESL to transparent OLEDs (TOLEDs) with an auxiliary metal electrode is also studied. It is found that MLA shows higher light extraction efficiency, compared with ESL. However, we have demonstrated that ESL is more suitable for TOLEDs having dual-sided equal light emission. Namely, equal light emission from the front and rear surfaces of TOLED can be achieved by increasing the scattering particle density of ESL. To compensate for a loss in light emission induced by auxiliary metal electrode, we come out with an OLED structure partially covered with MLA at the outer surface of glass substrate, which is aligned with metal electrode. With this scheme, it is observed that the light extraction efficiency can be boosted more than 20% from opaque OLED and 50% from transparent OLED.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 MLA와 scattering layer를 이용하여 투명OLED 면광원 외부 광 추출 향상 기술을 연구하였다. 투과도 손실 없이 광 추출 효율을 높이기 위하여 비 발광 영역인 메탈 보조 전극과 얼라인(align)되도록 패터닝된 MLA를 갖는 OLED 소자를 광선 추적 툴(LightTools 7.
본 연구에서는 microlens와 scattering layer를 갖는 OLED면광원을 ray tracing tool을 이용하여 전산모사 하였으며 투명 OLED 면광원 적용 가능성을 연구하였다. MLA가external scattering layer보다 더 높은 OLED 광 추출 효율을 보임을 알 수 있었다.

제안 방법

외부 광 추출 기술로 주로 micrlens와 scattering layer가 사용된다. 두 기술중 광 추출 효율이 높은 기술을 투명 OLED 면광원에 적용하기 위하여 성능을 비교하는 전산모사를 수행하였다. Fig.
2, 미래나노텍)을 실제 제작된 OLED 소자의 유리기판 외부 발광 면에 부착하여 electroluminescence(EL) intensity를 측정하였다. 또한 전산모사를 위해 Fig. 2와 같은 MLA 구조를 유리기판 외부 전체에 형성하여 광 추출을 계산하였다. Fig.
비교를 위하여 외부 유리기판에 크기 1μm의 scattering particle(pore, 굴절률 1)이 분산된 scattering layer를 설정하였다.
실험을 위해 직경 50μm를 갖는 반구 형태의 microlens가 배치된 1.6배 MLA 필름(Fig. 2, 미래나노텍)을 실제 제작된 OLED 소자의 유리기판 외부 발광 면에 부착하여 electroluminescence(EL) intensity를 측정하였다.
Cathode 전극은 투과도 60%를 갖는 반투명 Ag/Al 구조로 설정하였다. 전산모사를 위해 Ala 3대 EML에서 나오는 전체 전광 속은 100 lm으로 하였으며 유리기판의 발광 면(bottom emission)과 투명 cathode(top emission)에서 나오는 ray들을 추적하여 광 추출 효율을 계산하였다. 이때 사용된 총 광선 수는 1,000,000개이다.
본 논문에서는 MLA와 scattering layer를 이용하여 투명OLED 면광원 외부 광 추출 향상 기술을 연구하였다. 투과도 손실 없이 광 추출 효율을 높이기 위하여 비 발광 영역인 메탈 보조 전극과 얼라인(align)되도록 패터닝된 MLA를 갖는 OLED 소자를 광선 추적 툴(LightTools 7.0)를 이용하여 전산 모사하였다. 보조 전극이 있는 경우, MLA를 사용하면 약 50% 정도 광 추출 효율이 증가함을 발견하였다.
투과도 손실 없이 광 추출 효율을 향상시키기 위해 보조 전극과 align 되도록 소자 밖 유리기판에 MLA를 배치하였으며 microlens 기본 크기는 직경 50μm의 반구 형태를 가진다.

대상 데이터

소자 전체 면적은 4mm×4mm이며 발광층(emitting layer, EML)의 면적은 1mm×1mm다. Cathode 전극은 투과도 60%를 갖는 반투명 Ag/Al 구조로 설정하였다. 전산모사를 위해 Ala 3대 EML에서 나오는 전체 전광 속은 100 lm으로 하였으며 유리기판의 발광 면(bottom emission)과 투명 cathode(top emission)에서 나오는 ray들을 추적하여 광 추출 효율을 계산하였다.
ITO 전극 위에는 150nm 두께의 메탈 보조 전극이 형성되어 있으며 전극의 폭은 100μm, 전극 간 간격은 900μm로 설정하였다.
전산모사를 위해 Ala 3대 EML에서 나오는 전체 전광 속은 100 lm으로 하였으며 유리기판의 발광 면(bottom emission)과 투명 cathode(top emission)에서 나오는 ray들을 추적하여 광 추출 효율을 계산하였다. 이때 사용된 총 광선 수는 1,000,000개이다. 투과도 손실 없이 광 추출 효율을 향상시키기 위해 보조 전극과 align 되도록 소자 밖 유리기판에 MLA를 배치하였으며 microlens 기본 크기는 직경 50μm의 반구 형태를 가진다.

데이터처리

우선 사용된 ray tracing tool의 정확도를 검증하기 위하여MLA를 갖는 불투명 OLED 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하였다. 실험을 위해 직경 50μm를 갖는 반구 형태의 microlens가 배치된 1.

성능/효과

본 연구에서는 microlens와 scattering layer를 갖는 OLED면광원을 ray tracing tool을 이용하여 전산모사 하였으며 투명 OLED 면광원 적용 가능성을 연구하였다. MLA가external scattering layer보다 더 높은 OLED 광 추출 효율을 보임을 알 수 있었다. 하지만 scattering layer는 산란입자 밀도를 높여 양면 균등 발광 OLED 면광원 구현이 가능함을알 수 있었다.
이 효과는 metal coverage 또는 발광 영역에서 MAL이 차지하는 면적에 비례하여 나타남을 알 수 있다.따라서 MLA를 보조 전극과 align 하여 부분적으로 유리기판에 부착하면 투과도 손실 없이 불투명 OLED bottomemission에서는 20%, 투명 OLED에서는 50% 정도 광 추출효율 증가를 얻을 수 있다.
1lm으로 20% 이상 증가함을 알 수있다. 또한 MLA가 없는 투명 OLED bottom emission (Table 2)과 비교하면 전광 속이 5.88lm에서 8.8lm으로 50%정도 증가하였다. 이 효과는 metal coverage 또는 발광 영역에서 MAL이 차지하는 면적에 비례하여 나타남을 알 수 있다.
하지만 scattering layer는 산란입자 밀도를 높여 양면 균등 발광 OLED 면광원 구현이 가능함을알 수 있었다. 또한 보조전극이 사용되는 대면적 OLED면광원의 경우 metal coverage에 의한 광 손실을 MLA 필름을 보조전극과 align시켜 부착함으로써 패널 투과도 손실없이 광 추출 효율을 불투명 OLED에서 20%, 투명 OLED에서 50% 정도 증대시킬 수 있음을 발견하였다.
Table 1은 반투명 cathode의 반사도에 따른 ESL-OLED의 양면 균등 발광 시뮬레이션 결과를 보여준다. 반투명 cathode의 투과도가 증가(반사도가 감소)하면 양면 균등 발광을 얻기 위해 필요한 산란 입자 밀도가 감소하며 이를 통해 양면 균등 발광소자의 전체 투과도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 산란 입자 밀도가 높아지면 산란 층 자체의 투과도가 낮아지며 또한 haze 하기 때문에 비록 양면 균등 발광을 얻을 수 있다 해도 투명한 양면 균등 발광소자를 만들기는 어렵다.

후속연구

51배 증가하였다. 이는 실험 결과(1.6배)와 유사하며 따라서 사용된 ray tracing tool이 OLED 소자 구조 최적화에 사용될 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부 광 추출 기술로 주로 사용되는 것은?	외부 광 추출 기술로 주로 micrlens와 scattering layer가 사용된다. 두 기술중 광 추출 효율이 높은 기술을 투명 OLED 면광원에 적용하기 위하여 성능을 비교하는 전산모사를 수행하였다.
	투명 OLED 변광원의 단점은?	특히 투명 OLED 변광원은 window 기능과 조명 기능을 동시에 갖기 때문에 응용분야가 넓다.하지만 아직까지 효율 및 수명 문제로 인하여 상용화가 지연되고 있다. 현재 LED 점 광원의 효율은 150~200lm/W로 매우 높아 이미 상용화가 되었지만 OLED 변광원은 상용제품의 효율이 아직 80lm/W로 형광등의 효율과 비슷한 수준이다.
	LED 점 광원의 특징은?	최근 에너지 이슈로 인하여 고효율 반도체 광원인 LED(Light emitting diode)와 OLED(Organic LED)가 각광을 받고 있다. LED 점 광원(point source)은 고휘도, 장수명 특성을 갖는 반면 OLED 면 광원(area source)은 초슬림, 유연, 투명특성을 갖는다[1,2]. 특히 투명 OLED 변광원은 window 기능과 조명 기능을 동시에 갖기 때문에 응용분야가 넓다.

참고문헌 (8)

S. Reineke, F. Lindner, G. Schwartz, N. Seidler, K. Walzer, B. Lussem, and K. Leo, "White organic lightemitting diodes with fluorescent tube efficiency," Nature, Vol. 459, pp. 234-238, (2009).

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K. Leo, "Organic LEDs look forward to a bright, white future," Science, Vol. 310, pp. 1762-1763, (2005).

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T. Nakamura, H. Fujii, N. Juni, and N. Tsutsumi, "Enhanced coupling of light from organic electroluminescent device using diffusive particle dispersed high refractive index resin substrate," Optical Review, Vol. 13, pp. 104-110, (2006).

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

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B. J. Matterson, J. M. Lupton, A. F. Safonov, M. G. Salt, W. L. Barnes and I. D. W. Samuel, "Increased efficiency and controlled light output from a microstructed lightemitting diode," Adv. Mater., Vol. 13, pp. 123-127, (2001).

상세보기
T. Nakamura, N. Tsutsumi, N. Juni and H. Fujii, "Thin-film waveguiding mode light extraction in organic electroluminescent device using high refractive index substrate," J. Appl. Phys., Vol. 97, pp. 054505-1-6, (2005).

상세보기
V. Mann and V. Rastogi, "Dielectric nanoparticles for the enhancement of OLED light extraction efficiency," Opt. Commun., Vol. 387, pp. 202-207, (2017).

상세보기
J. Park, J. Lee, D. Shin, and S. Park "Luminance uniformity of large-area OLEDs with an auxiliary metal electrode," J. Display Technol., Vol. 5, pp. 306-311, (2009).

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