Tracepro在OLED微透镜设计中的应用

摘要：有机电致发光从最初进行的研究直到今天,在许多方面都有了很大的突破,但目前仍存在着一些困难,例如器件的寿命就是比较关键的问题。如果器件具有较高的发光效率,便可在出射光子数相同的情况下,减少电子数的注入,从而降低了器件的焦耳热,提高了器件的寿命,所以提高OLED的量子效率是解决器件寿命问题的关键所在。利用微透镜提高器件的外量子效率可以取得明显的效果。本文探讨了Tracepro在OLED微透镜设计中的应用。

关键词：Tracepro；外量子效率；微透镜

中图分类号：TN141文献标识码：Ａ

Tracepro Applied in the Design of the Miccrolens

WU Fei，CHEN Wen-bin

（School of Optoelectronic Information,UESTC,Ｃhengdu 610054，Ｃhina）

Abstract:The paper focuses on the air/substrate interface to enhance the external quantum efficiency of organic light-emitting devices. It is reported that a method enhances the external quantum efficiency of organic light-emitting devices, employingmicrolens arrays based on the soft-lithography. The structure parameters of the microlens array are important for the refractive microlens arrays to enhance the external quantum efficiency of organic light-emitting devices.A theoretical model based on Tracepro is developed to simulate the effects and optimize the structure parameters of the microlens array.The external quantum efficiency of organic light-emitting devices with microlens arrays is measured in this paper and the efficiency enhancement is obtained.

Keywords:tracepro；efficiency；microlens

1介绍

有机电致发光(OLED)具有亮度高、材料选择范围宽、驱动电压低、全固化主动发光等特性,同时拥有高清晰、广视角、以及可顺畅显示动画的高速响应等优势,成为了最近十几年来相当热门的研究领域[1]。提高器件的外量子效率是提高器件性能的一个关键。近年来,科学家们对光输出和逃逸过程的分析及在此基础上进行的研究工作开始增多。很多研究成果表明，利用微透镜改变与空气接触的玻璃表面结构会显著提高器件的外量子效率[2~3]。Tracepro 是美国 Lambda Research 公司开发的一套用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。它是第一套以 ACIS solid modeling kernel 为基础的光学软件，可以直接进行 3D 绘图建模, 并且兼容 ProE、Zemax 以及CodeV 等软件的模型文件，采用 Non- Sequential和 Monte Carlo 法进行光线仿真，对光线进行有效和准确地分析，能仿真所有类型的显示系统（从背光系统到光管、光纤、显示面板和 LCD 投影系统）[4]。比起传统的方法，Tracepro 在建立显示系统的原型时,时间上和成本上要大大减少。本文中的 OLED器件及其微透镜均使用Tracepro软件绘制，并利用该软件人为设置光线接收表面的方法获取相关设计数据。

2原理

有机电致发光器件的外量子效率ηqe可表示为：

ηqe=η1•η2•η3•η4(1)

式中：η1为注入载流子形成激子的效率；η2为激子生成能发光的激发单态或三重态的效率；η3为激发态发生辐射跃迁产生发光的效率；η4为器件输出的光子数与发光生光子数的比值；η1•η2•η3为内量子效率；η4为逃逸率。

近年来，高质量的有机EL的内量子效率在不断提高，但它的外量子效率却非常有限。这是由于η4非常低的缘故。造成这种情况的原因是多方面的，其中之一是由于器件内部产生的辐射，在向表面传播的过程中，要有一部分被吸收，在到达表面后,由于器件材料与周围介质的折射率不同，在界面处还要有一部分被反射。为了更有效地提高器件发光效率，对光从器件输出到空气这一过程的研究是必不可少的[5]。本文利用Tracepro对OLED进行了仿真，并通过改变玻璃表面微透镜形状来增加外量子效率，从而根据结果对微透镜进行改进。

3设计

本文利用单层OLED器件来进行微透镜的设计。单层OLED器件结构为玻璃（0.75mm）/ITO（100nm）/ Alq3（200nm）/ Al。

3.1理论基础

OLED器件发光机理是空穴和电子在发光层中复合发光，电能直接转换为光能。能够成为OLED外发射光的光子数决定了器件的外量子效率。电子和空穴复合产生的光能一部分通过各界面成为出射光，光能的损失由各界面透射率T决定；另一部分在经过距离x之后被吸收，这部分光能损失由参数exp(－αx)表示，α为吸收系数；还有一部分将通过波导效应被导走，或者被吸收，或者传向基板侧面，这部分损失由界面的全反射角θc决定。另外，通过Al层反射的光，也经历上述三过程，并增加Al层的反射损失。因此，将能成为外输出光的光通量与总光通量之比定义为光抽取因子F。忽略吸收损失和Al层的反射损失之后，因为nAlq3≈nTPD≈nITO，所以只需考虑ITO/玻璃界面(界面1)、玻璃/空气界面(界面2)光能的反射损失和光波导效应带来的损失，在界面2处的光抽取因子就是OLED总的抽取因子F，于是OLED结构简化为光线在界面1、2的透射率近似用垂直透射率T1、T2表示：

Ｔ = =99.2%(2)

Ｔ = =96%(3)

设发光点S发出的光各向同性，且发光光强为I0，总的光通量为P0，光线在界面1处的全反射角θc1=arcsin(nglass/nAlq3)=59.18°，在界面2处的全反射角θc2=arcsin(nair/nglass)=43°。

为了计算界面2的光抽取因子，考察从S点出发，与界面1成θ1角(θ1

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P ＝I(θ )dΩ = dφ I(θ )sinθ dθ （I(θ )=I ）(4)

可得I(θ )=I =P /4π(5)

根据光束能量相等原则：

T =2π•I(θ )•sinθ •dθ =2π•I(θ )•sinθ •dθ

(6)

所以 I(θ )=T • • (7)

根据折射定律

nglass•sinθ ＝nAlq•sinθ (8)

可得

= •cosθ (9)

综合以上各式，可以得出：

I(θ )=(10)

所以对应临界角θc2的立体角内的光能：

P2=2I(θ2)dΩ2=２I(θ )sinθ dθ2=18.95%(11)

进而可得：

F=T2•P2/P0=18.95%T2=18%(12)

3.2OLED器件建模

首先对OLED器件模型进行适当简化：将发光面定义为朗伯光源，不考虑器件本身的微腔效应等。然后利用Tracepro对OLED器件进行仿真：将发光面设定为1W，追踪光线为10000的朗伯光源，再对器件材料的折射率和吸收系数进行设定，分别对各个面进行设定，最后人为设置一个接收面。追踪光线轨迹，如图1所示 。

仿真结果――接受面上的光强分布如图2所示( 显示屏的混色效果与视角相关, 需要从色度和光强度两个方面进行分析。本文主要研究外量子效率，所以只对绿色OLED进行光线模拟。)

由图2可知，OLED外量子效率为16.657%，出射光为2，536条。因为考虑了器件本身对光子的吸收，所以外量子效率稍偏于其理论结果。

3.3利用Tracepro进行微透镜设计

以球微透镜为例，对利用Tracepro进行微透镜设计进行说明。在微透镜设计中主要考虑微透镜本身的形状和填充因子。利用Tracepro的Reptile可进行微透镜的尺寸和排列的设计。如图3所示：

先设计三种周期相同但径高比不同的球微透镜来进行比较：球微透镜一（球冠直径20μm，高7μm），球微透镜二（球冠直径20μm，高5μm），球微透镜二（球冠直径20μm，高3μm）。对三种模型进行仿真，得到外量子效率分别为：23.2%，21.6%，20.3%。

以微透镜二为例，来考虑填充因子对外量子效率的影响。同样制作三种周期不同的微透镜二进行比较：周期为30μm，周期为25μm，周期为22μm。可得到外量子效率分别为：21.6%，23.3%，24.1%。可见微透镜对外量子效率的影响很重要，对于周期为22μm的微透镜一，外量子效率高达24.1%。

以上主要是对利用Tracepro对OLED微透镜的设计进行了探索，实际制作中还要结合制作工艺对微透镜参数进行调整，比如用光刻胶热熔法制作微透镜会对微透镜的高度有一定限制[6]。

4结论

OLED微透镜设计的一大难点是如何定量分析微透镜尺寸及其形状对外量子效率的影响。虽然通过Tracepro进行设计并不能得到全部所需的性能数据，但正如本文所述，在局部设计环节，仿真技术可以为设计者提供有效的分析平台，在研发阶段就能预知其最终的显示效果，以降低风险、节约时间和资金。通过仿真，可以对优化器件结构有所帮助。在设计器件时根据需要预先对所设计的器件进行光输出的仿真，从而验证器件结构的合理性。这样不仅使设计的器件更精确，而且还节约了材料，避免了不必要的浪费。

参考文献

[1]Fududa Y, Watanabe T, Wakimoto T, Miyaguchi S,et al. Organic light-tmitting diodes using novel metal-chelate complexes[J].Synth Met, 2000,111~112(1):393~396.

[2]S. Tanaka*, Y. Kawakami, Y. Naito.Improvement of the External Extraction Efficiency of OLED by Using a Pyramid Array[J] . Proceedings of SPIE Vol. 5519 ,2004.

[3]Huajun Peng, Yeuk Lung Ho, Xing-Jie Yu, Man Wong.Coupling Efficiency Enhancement in Organic Light-Emitting Devices Using Microlens Array-Theory and Experiment[J]. Journal of display technology, vol. 1, no. 2, December 2005

[4]Tracepro User's Manual 3.0.

[5]Miao He, Jing Bu, Biow Hiem Ong, and Xiaocong Yuan.Two-Microlens Coupling Scheme With Revolved Hyperboloid Sol-Gel Microlens Arrays for High-Power-Efficiency Optical Coupling[J].Journal of lightwave technology, vol. 24, no. 7, July 2006.

[6]任智斌.折射型微透镜及微透镜阵列光学性质与制作技术的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2004.省略。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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