以Lumerical仿真OLED光學特性

  作者：董冠佑，CYBERNET SYSTEMS CHINA 莎益博光學工程師

  1. 前言

  有機發(fā)光二極管（OLED）結構通常利用復雜的材料和納米結構來提高性能。為了準確地對這些器件進行建模，我們需要建立不相干(incoherent)的響應，同時改變許多設計參數，并同時優(yōu)化幾個質量因子。因所需模擬的數量過多，嚴重影響設計效率。本案例使用 ANSYS Lumerical ，提出較有效率仿真多結構參數 OLED 的仿真手法，于結論給出一般 OLED 評估需要的光學特性。

  2. 仿真策略及方法

  本案例利用 ANSYS Lumerical 將結構從一維到三維逐步優(yōu)化。針對 OLED 基本多層膜結構，以 FDTD 搭配矩陣光學的 STACK 模塊，快速地對多層膜的干涉與微腔效應進行頻譜與基礎場型的設計。接著以 FDTD 2D 掃描微結構參數和偶極子位置來優(yōu)化提取效率。最后再以 FDTD 3D 模擬 OLED 形成數組排列時,怎么以對稱性來減少內存需求與仿真時間,給出最后驗證、需要輸出給幾光軟件的光型數據。

  2.1 OLED 多層膜設計

  OLED 基本結構是平面堆棧多層膜，比起計算馬克是威爾方程，解析解能快速準確地給出答案。在 Ansys Lumerical 的 STACK 界面下，建模僅需輸入(或從數據庫選取)材料折射率參數與膜層厚度，指定偶極子所在的位置、頻譜信息等就完成了。常見 6-8 層的堆棧都可以在 1 秒左右得到一個條件的結果。配合使用界面的條件掃描，可對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，比如可以用 stackfield 函數觀察目前膜厚設計對模擬波長范圍內的響應，進而調整到最佳設計。Stackpurcell 函數則可以協(xié)助算出遠場的場型。此外也有計算三色刺激值等等函數，上面幾個函數對顯示器或照明的應用十分方便。比如圖示為針對綠光畫素設計的 OLED 頻譜與角度響應，以及如果有發(fā)光層光源的頻譜信息就能計算出對應的色坐標(x,y)，也能計算隨角度的色偏 (u’v’)表現。

  由于 OLED 中光源偶極子是點光源的特性,受限于全反射很多能量無法到達基板外，因此下一步需要設計微結構提升萃取效率。

  2.2 萃取效率微結構設計

  FDTD 是一種高性能光學求解器，可以仿真波長尺度復雜結構的光學效果及其對器件效率的影響。案例中用矩形建立 OLED 多層膜結構，建立結構單元搭配排列工具快速建立光柵，即完成基本的結構建模。考慮光源偶極子是隨機激發(fā)沒有同調性，需模擬三個正交震蕩方向，并在結構一個周期內取數個位置取樣來平均。分別在遠場與光源附近放探測器，來協(xié)助我們比較微結構出射光場行為與萃取效率。

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

  以本結構為例，原本膜層僅適合寬光型藍色應用，增加結構之后藍色頻譜較原本集光、效率與原本接近，而綠色與紅色波段則變非常準直、效率明顯提升。在此階段 Lumerical 提供適合各種應用的探測器，一個按鍵就能得到需要的結果。 

  2.3 數組排序仿真討論并輸出Zemax光場格式

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

  此外，Lumerical 所模擬的場型能輸出為 Ansys Zemax 的光源格式 ，讓產品設計從微觀到巨觀無痛銜接。

  3. 結論

  Ansys Lumerical 可提供波長等級結構的光學仿真，在 OLED 的應用上，能針對不同結構分類搭配解析方法與數值方法，且能配合腳做靈活運算，在單一軟件接口中就能完成 OLED 光場、效率、色彩相關設計。且 Ansys Lumerical 能將其運算與 Ansys Zemax 聯(lián)用，為產品設計提供方便的仿真流程。

  [參考文獻]

  [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

  關于CYBERNET

  莎益博工程系統(tǒng)開發(fā)（上海）有限公司是日本最大CAE技術服務公司 CYBERNET 集團于中國的銷售，提供Ansys 光學設計軟件和 Topcon 光學檢測設備、Ansys CAE 仿真軟件、工業(yè)控制器測試系統(tǒng)等產品銷售與專案服務，以及其他技術咨詢與課程培訓。