광분산 기반 광추출 특성 연구 = Study of Light Outcoupling Characteristics based on Leaky Mode Dispersion
본 연구에서는 발광 소자의 광추출 효율 향상을 위해 기판과 패턴 사이의 굴절률 차이를 극대화시키는 공극 구조 기판을 제작하고, 기판의 광추출 성능을 평가할 수 있는 광분산 측정 장치를 구축하였다.
먼저, 기판에 패턴 내부가 공기로 채워진 공극 구조를 도입하여 굴절률 대비를 극대화 시켜 강한 회절 특성을 나타낼 수 있었다. 또한 전반사 상황에서 기판의 광추출 성능을 정량적으로 분석하기 위해 광분산, 파장 및 입사 각도별 투과율을 측정할 수 있는 측정 장치를 고안하였다. 측정된 광분산을 통해 광추출 구조가 기판을 탈출할 수 있는 경로를 시각적으로 확인할 수 있으며, 광추출 성능을 정량화 하였다. 이를 통해 발광 소자 공정 전에 기판의 광추출 성능을 측정할 수 있음을 보였다. 다음으로 단일 구조에 대한 산란 효과를 유한요소 시간영역(finite-difference time-domain, FDTD) 전산모사를 이용하여 각각의 패턴 변수들에 대해 분석하였다. 그 결과 단일 구조 산란 분석만으로 주기적으로 패턴이 배열된 구조를 광추출 특성을 해석할 수 있음을 증명하였다. 마지막으로 FDTD를 이용하여 공극 구조 기판을 적용한 발광 다이오드(light-emitting diodes, LEDs)가 기존의 상용 기판을 사용한 LED 대비 20%의 광추출 효율 증대를 가짐을 확인하였다.
전반사 상황에서 기판의 광추출 성능을 평가할 수 있는 광분산은 소자 공정 전 최적 광추출 기판 설계를 가능하게 하여 고효율 LED 및 OLED 설계에 새로운 장을 열 것으로 기대한다.
In this study, hollow cavity substrates maximizing the refractive index contrast between the substrate and patterns were fabricated to improve light extraction. And a measurement setup was established to evaluate the outcoupling strength of patterned substrates.
First, hollow cavity substrates with high-index-contrast patterns show unconventional diffraction features. Therefore, we obtained wavelength- and angle-resolved transmittance (i.e., leaky mode dispersions) to quantitatively analyze the light extraction under total internal reflections. The measured leaky mode dispersions can be visualized the probability of light extraction how well light escapes a high-refractive-index medium via patterns. In addition, we highlight that this measurement setup can quantify the ability of light extraction in prior to complicated device fabrication. Next, scattering analysis on a single object was conducted for each pattern parameter such as diameter and shape using Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations. As a result, we demonstrate that light extraction characteristics of patterns are deeply related to the scattering characteristics of a single object in those patterns. Finally, we confirmed that InGaN-based blue-emitting light emitting diodes (LEDs) with hollow cavity substrates exhibit a 20% enhancement of light extraction efficiency compared to devices with commercial filled cavity substrates.
Thus, we expect that the study of light outcoupling characteristics based on leaky mode dispersion will lead to open a new paradigm for the facile design of light-emitting devices.
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