Numerical method for drift-diffusion modeling and its application to OLEDs

Abstract

Numerical drift-diffusion modeling of OLED device is implemented based on the transport model of Maxwells equation and particle conservation equation with drift-diffusion transport. In order to give simplicity in solving coupled set of differential equations, time independent governing equation is applied for reducing computational costs under steady-state assumption. Numerical method for solving drift-diffusion modeling is described in this thesis. It is validated by comparing with the analytical, and numerical solutions, and overall improved performance is explained. Simulation model is expanded from electrical to optoelectronic prediction to calculate quantum efficiency behavior from the basic charge dynamics. Using the newly implemented simulation program of this work, high efficiency green OLED device having 30% external quantum efficiency is analyzed with experimental data. Charges, exciton, and electric field distribution are calculated at the applied bias. Optoelectronic characteristics of device are studied with exciton quenching paths quantified with their respective loss mechanism.

본 연구에서는 유기발광 다이오드 소자의 전기적 시뮬레이션을 통한 분석을 위해 수치적 기법에 기반한 표동-확산 모델링의 전반적인 방법론을 구축하였다. 이는 맥스웰 방정식과 물질 보존 방정식에 근거한 연립 미분 방정식을 시간에 의존하지 않는 방정식을 처리하는 알고리즘을 통하여 구현하였으며 이를 위해 경계면 조건, 차분화 방식, 스케일링, 해를 찾는 수학적 기법을 설정하였다. 구현된 모델과 알고리즘은 해석적 해, 다른 수치적 기법을 갖는 해와의 결과 비교를 통해 검증하였고 해당 수치적 기법에 의한 계산 및 모델 성능의 향상 부분을 제시하였다. 수치적 기법으로 구현한 방법론을 실제 외부 발광효율 30%의 초록색 인광 발광 소자에 적용하여 그 실험값과 비교하였고 당시 내부 전하 분포, 전기 필드 분포, 엑시톤 분포, 내부 양자 효율의 손실분을 각 기작 별로 정량적으로 계산하였다. 또한 현 계산 결과의 한계 사항을 분석하고 추가적인 모델의 발전 방향을 제시하였다.