유리기판 위의 가시광 파장 이하의 크기를 가지는 확률론적 미세구조물을 이용한 OLED 광추출 효율의 향상

Abstract

유리기판위에 여러 물질이 다층구조로 되어있는 OLED는 그 구조상의 특징 때문에 빛들이 wave-guided mode 나 내부 전반사로 인하여 손실이 많이 일어나고 일반적으로 20%의 광추출 효율을 가진다. 따라서 밖으로 빠져나오지 못하고 손실되는 빛의 외부 추출을 증가시킬 수 있다면 더 향상된 광 효율을 가지는 OLED 소자를 만들 수 있는 것이다. 이 문제에 대한 많은 연구가 있었고 광 추출 효율개선에도 훌륭한 성과들이 있었지만 대부분의 방법들이 복잡하고 비싼 공정이 필요하거나 특정파장에 대해 한계를 가지는 등의 문제점이 있다. 본 논문에는 유리기판 위에 Ni을 증착한 후 RTA 처리로 island 형태의 마스크를 만든 후 플라즈마를 이용해 식각하여 랜덤한 분포를 가지는 3차원의 옆면이 기울어진 구조물(sub-wavelength structure)을 유리 표면에 형성하였다. 이 가시광선 파장이하의 구조물은 매질간의 점진적인 굴절율의 변화를 형성시키는 효과와 회절격자와 같이 작용하여 빛을 산란시키는 두 가지 역할을 함으로써 전반사되는 빛을 효율적으로 추출하는 것을 스펙트로포토미터 측정을 통하여 확인하였다. 이 결과로부터 제안한 SWS가 OLED의 광 추출 효율을 개선할 수 있음을 알 수 있었고 실제 OLED 소자에 적용하여 효율이 10% 증가한 결과를 얻었다. 본 논문에서 제안한 플라즈마 표면 식각방법에 의해 생성된 구조물을 이용한 OLED 소자의 광 추출 효율향상 방법은 기존의 방법에 필요한 고가의 리소그래피(Lithography)와 같은 공정이 필요하지 않으므로 공정 단가가 절감되고 제조공정이 단순하여 기존의 방법들에 비해 높은 생산성을 얻을 수 있으며 대면적화에도 유리하다는 장점이 있다. 그리고 일정한 주기가 아닌 랜덤한 분포를 가지고 있으므로 특정 파장의 빛에 제한이 생기던 문제점 또한 해결할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서 제시하는 유리 기판 위 구조물 생성방법을 OLED에 적용한다면 적은 비용으로 소자의 효율을 크게 향상시키는데 기여할 수 있을 것이다.

Generally, the OLED(Organic Light Emitting Diode) has about 20% external quantum efficiency, because the loss of light is occurred by wave-guided mode and total-internal reflection caused by stack structure of OLED. Therefore, if we can extract trapped light in OLED, we can make the OLED device that has more improved light efficiency. Many researches about that issue have been performed and there were various good results. But, most methods have problems, need complex and expensive fabrication or have a limit on certain wavelength range. In this study, we have demonstrated lithography-free, simple, and large area fabrication method for sub-wavelength structures (SWS) to achieve improvement in the light extraction efficiency of OLED. Thin film of Ni on the glass substrate is melted and agglomerate into hemispheric nano-islands by rapid thermal annealing(RTA), and the array of the Ni nano-islands is used as the etch mask for plasma etching to form SWS on the glass substrate. The critical parameters, the temperature and gas ambient of RTA process and conditions of plasma etching, have been experimentally studied to achieve improvement of light extraction with SWS. We conformed that this SWS can extract the total-internal-reflected light effectively, since the SWS has two effect, continuously changed refractive-index medium and diffraction grating that scatters the light by measuring transmittance with spectrophotometer. By applying the SWS to the OLED device, a 10% improvement of luminance efficiency has been demonstrated. The method we propose in this study don't need expensive fabrication process like lithography. And since the SWS are distributed randomly, it has possibility to solve the problem of limit on certain wavelength range. As a result, this simple and cost-effective method may be suitable for mass production of large-area OLEDs for lighting applications.