마이크로캐비티 기반 전면 유기발광 다이오드 광추출 효율 향상을 위한 메타구조 최적화

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 마이크로캐비티 기반 전면 유기발광 다이오드(Top-Emitting OLED, TEOLED)의 도파관 모드(Waveguide mode), 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드(Surface Plasmon Polariton, SPP mode)를 최소화하여 광추출 효율을 향상시키기 위한 메타구조(Metastructure) 최적화 방법을 제시한다. 유기 박막 내부 계면에 1차원 주름 구조(Sin 구조), 2차원 주름 구조(엠보싱 구조), 반구형 구조의 세 가지 메타구조를 설계하고, 유한 차분 시간 영역법(FDTD, Finite-Difference Time-Domain) 시뮬레이션으로 광추출 효율을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 반구형 메타구조가 가장 높은 광추출 효율을 나타냈으며, 반구형 메타구조의 설계변수로 반지름, 높이, 주기를 설정하여 넓은 범위에서 파라미터 스윕을 수행해 설계 공간을 좁힌 뒤 PSO(Particle Swarm Optimization) 알고리즘으로 최적의 값을 도출하였다. 최적 구조는 반지름과 높이가 151 nm, 주기 1.57 um 조건에서 설계되었고, 평면 구조 대비 광추출 효율이 약 103.27% 증가하였다. 자기장 분포 분석 결과, 해당 구조는 SPP mode 및 Waveguide mode를 효과적으로 감소시켜 마이크로캐비티 기반 TEOLED의 내부 광추출 경로를 크게 개선함을 확인하였다. 이러한 결과는 반구형 메타구조가 SPP mode 억제와 Waveguide mode 최소화를 통해 내부 광추출을 효율적으로 향상 시킬 수 있음을 확인했으며, 향후 고효율 TEOLED 설계를 위한 중요한 설계 전략으로 활용될 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 (Introduction) 1
• Ⅱ. 유기발광 다이오드(OLED) 3
• 2.1 유기발광 다이오드(OLED)의 기초 이론 3
• 2.2 유기발광 다이오드(OLED)의 구조 5
• 2.3 유기발광 다이오드(OLED)의 구동 원리 및 발광 방식 7
• 2.3.1 유기발광 다이오드(OLED)의 색 구현 원리 9
• 2.4 유기발광 다이오드(OLED)의 효율 11
• Ⅲ. 마이크로캐비티 전면 유기발광 다이오드 17
• 3.1 전면 유기발광 다이오드(TEOLED) 17
• 3.2 마이크로캐비티 20
• 3.2.1 페브리-페로 캐비티(Fabry–Pérot Cavity) 21
• 3.3 전면 유기발광 다이오드에서의 손실 28
• 3.3.1 전면 유기발광 다이오드에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤 31
• Ⅳ. 메타구조(Metastructure) 37
• 4.1 메타물질과 메타표면 37
• 4.2 호이겐스-프레넬 원리(Huygens-Fresnel Principle) 38
• 4.3 일반화된 스넬의 법칙(Generalized Snell's Law) 39
• V. 유한 차분 시간 영역법(FDTD, Finite-Difference Time-Domain) 45
• 5.1 맥스웰 방정식과 이산화 46
• 5.2 안정 조건 47
• 5.3 입자 군집 최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 48
• Ⅵ. 설계 및 결과 50
• 6.1 주름 메타 구조 56
• 6.2 반구형 메타구조 최적화 65
• Ⅶ. 결론 78
• 참고문헌 79
• 외국어초록 94