以Lumerical仿真OLED光學(xué)特性

  作者：董冠佑，CYBERNET SYSTEMS CHINA 莎益博光學(xué)工程師

  1. 前言

  有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）結(jié)構(gòu)通常利用復(fù)雜的材料和納米結(jié)構(gòu)來(lái)提高性能。為了準(zhǔn)確地對(duì)這些器件進(jìn)行建模，我們需要建立不相干(incoherent)的響應(yīng)，同時(shí)改變?cè)S多設(shè)計(jì)參數(shù)，并同時(shí)優(yōu)化幾個(gè)質(zhì)量因子。因所需模擬的數(shù)量過(guò)多，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。本案例使用 ANSYS Lumerical ，提出較有效率仿真多結(jié)構(gòu)參數(shù) OLED 的仿真手法，于結(jié)論給出一般 OLED 評(píng)估需要的光學(xué)特性。

  2. 仿真策略及方法

  本案例利用 ANSYS Lumerical 將結(jié)構(gòu)從一維到三維逐步優(yōu)化。針對(duì) OLED 基本多層膜結(jié)構(gòu)，以 FDTD 搭配矩陣光學(xué)的 STACK 模塊，快速地對(duì)多層膜的干涉與微腔效應(yīng)進(jìn)行頻譜與基礎(chǔ)場(chǎng)型的設(shè)計(jì)。接著以 FDTD 2D 掃描微結(jié)構(gòu)參數(shù)和偶極子位置來(lái)優(yōu)化提取效率。最后再以 FDTD 3D 模擬 OLED 形成數(shù)組排列時(shí),怎么以對(duì)稱性來(lái)減少內(nèi)存需求與仿真時(shí)間,給出最后驗(yàn)證、需要輸出給幾光軟件的光型數(shù)據(jù)。

  2.1 OLED 多層膜設(shè)計(jì)

  OLED 基本結(jié)構(gòu)是平面堆棧多層膜，比起計(jì)算馬克是威爾方程，解析解能快速準(zhǔn)確地給出答案。在 Ansys Lumerical 的 STACK 界面下，建模僅需輸入(或從數(shù)據(jù)庫(kù)選取)材料折射率參數(shù)與膜層厚度，指定偶極子所在的位置、頻譜信息等就完成了。常見(jiàn) 6-8 層的堆棧都可以在 1 秒左右得到一個(gè)條件的結(jié)果。配合使用界面的條件掃描，可對(duì)模層厚度快速找到適合的組配。

  STACK 使用界面有許多搭配好的腳本函數(shù)，比如可以用 stackfield 函數(shù)觀察目前膜厚設(shè)計(jì)對(duì)模擬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的響應(yīng)，進(jìn)而調(diào)整到最佳設(shè)計(jì)。Stackpurcell 函數(shù)則可以協(xié)助算出遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)型。此外也有計(jì)算三色刺激值等等函數(shù)，上面幾個(gè)函數(shù)對(duì)顯示器或照明的應(yīng)用十分方便。比如圖示為針對(duì)綠光畫素設(shè)計(jì)的 OLED 頻譜與角度響應(yīng)，以及如果有發(fā)光層光源的頻譜信息就能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的色坐標(biāo)(x,y)，也能計(jì)算隨角度的色偏 (u’v’)表現(xiàn)。

  由于 OLED 中光源偶極子是點(diǎn)光源的特性,受限于全反射很多能量無(wú)法到達(dá)基板外，因此下一步需要設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)提升萃取效率。

  2.2 萃取效率微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  FDTD 是一種高性能光學(xué)求解器，可以仿真波長(zhǎng)尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光學(xué)效果及其對(duì)器件效率的影響。案例中用矩形建立 OLED 多層膜結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)單元搭配排列工具快速建立光柵，即完成基本的結(jié)構(gòu)建模?？紤]光源偶極子是隨機(jī)激發(fā)沒(méi)有同調(diào)性，需模擬三個(gè)正交震蕩方向，并在結(jié)構(gòu)一個(gè)周期內(nèi)取數(shù)個(gè)位置取樣來(lái)平均。分別在遠(yuǎn)場(chǎng)與光源附近放探測(cè)器，來(lái)協(xié)助我們比較微結(jié)構(gòu)出射光場(chǎng)行為與萃取效率。

  邊界條件因底部為整面金屬電極，可使用金屬條件讓計(jì)算較快，而其他邊界使用完美吸收層。盡管結(jié)構(gòu)有周期，但必須避免周期邊界條件讓光源也產(chǎn)生周期而產(chǎn)生與模型不符的同調(diào)性。本結(jié)構(gòu)因光柵為單方向變化，可以用 ANSYS Lumerical FDTD 2D 來(lái)模擬，搭配 FDTD 一次模擬多波長(zhǎng)的特性，可以用很少的內(nèi)存與仿真時(shí)間得到高精細(xì)的角度信息與色彩信息。網(wǎng)格部分，Ansys Lumerical 可針對(duì)結(jié)構(gòu)需要，以結(jié)構(gòu)名稱指定加密網(wǎng)格的區(qū)域，讓仿真可以快速又高精度。

  以本結(jié)構(gòu)為例，原本膜層僅適合寬光型藍(lán)色應(yīng)用，增加結(jié)構(gòu)之后藍(lán)色頻譜較原本集光、效率與原本接近，而綠色與紅色波段則變非常準(zhǔn)直、效率明顯提升。在此階段 Lumerical 提供適合各種應(yīng)用的探測(cè)器，一個(gè)按鍵就能得到需要的結(jié)果。 

  2.3 數(shù)組排序仿真討論并輸出Zemax光場(chǎng)格式

  顯示或照明的應(yīng)用上，常需要讓 OLED 有特定排列，有時(shí)在前面提及的非同調(diào)以及采樣需求之外有更多條件要模擬造成內(nèi)存或時(shí)間負(fù)擔(dān)，因此靠對(duì)稱性省去一些模擬次數(shù)是必要的技巧。以四角排列為例，如在一個(gè) OLED 單元中 4*4 個(gè)偶極子位置是足夠的取樣數(shù)量，而每一偶極子要有三個(gè)震蕩方向，共 3*16=48 個(gè)條件。但考慮對(duì)稱性后，僅需模擬虛線三角形內(nèi)的三個(gè)偶極子，且在矩形對(duì)角線的偶極子震蕩方向 x 與 y 方向都與對(duì)角線夾 45 度因此可以僅模擬其中一個(gè)，最后剩下對(duì)角線兩偶極子模擬 x 與 z 震蕩，加上三角形內(nèi)另一偶極子三方向震蕩，剩下 7 個(gè)條件。在掃描條件中把這 7 個(gè)條件依面積比例設(shè)定要計(jì)算回最后完整單元的權(quán)重。借助腳本，在 Lumerical 接口下在如此復(fù)雜的架構(gòu)下也可以看到最后的場(chǎng)型。

  此外，Lumerical 所模擬的場(chǎng)型能輸出為 Ansys Zemax 的光源格式 ，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)從微觀到巨觀無(wú)痛銜接。

  3. 結(jié)論

  Ansys Lumerical 可提供波長(zhǎng)等級(jí)結(jié)構(gòu)的光學(xué)仿真，在 OLED 的應(yīng)用上，能針對(duì)不同結(jié)構(gòu)分類搭配解析方法與數(shù)值方法，且能配合腳做靈活運(yùn)算，在單一軟件接口中就能完成 OLED 光場(chǎng)、效率、色彩相關(guān)設(shè)計(jì)。且 Ansys Lumerical 能將其運(yùn)算與 Ansys Zemax 聯(lián)用，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供方便的仿真流程。

  [參考文獻(xiàn)]

  [1] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042225754-OLEDMethodology

  [2] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042225934-OLED-2D-

  [3] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042223174

  [4] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042225274- Optimizing-far-field-emission-of-multilayer-stac

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