Ansys Lumerical | 使用 STACK 求解器優(yōu)化 OLED

01說(shuō)明

此示例將使用 STACK 求解器來(lái)計(jì)算有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的提取效率和與角度相關(guān)的色偏。并在案例最后，將 Lumerical 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)光型輸出用于 Ansys SPEOS，讓設(shè)計(jì)人員可以在其中直接體驗(yàn)納米級(jí)設(shè)計(jì)選擇如何影響人類感知。

(相關(guān)資料圖)

02 綜述

首先在 STACK 求解器中搭建模型與參考文獻(xiàn)比較，對(duì)萃取效率與色偏討論。接著以一組優(yōu)化的 RGB 像素發(fā)光特性為例，示范輸出給 SPEOS 的光源檔案。

步驟1：使用 STACK 重新創(chuàng)建測(cè)試微腔結(jié)果

在這一步中，我們模擬了來(lái)自文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu): 器件1~3陽(yáng)極使用 ITO,器件4~6則使用鋁，分別代表弱與強(qiáng)共振腔效應(yīng)的器件，編號(hào)由小到大的器件分別對(duì)應(yīng)電子傳輸層(ETL)厚度為[40,60,80]納米。

下圖為從 STACK 求解器與相關(guān)腳本 stackpurcell 函數(shù)得出的結(jié)果，是6個(gè)不同器件的輻射功率密度與波長(zhǎng)、角度的關(guān)系。圖中可看出強(qiáng)微腔效應(yīng)的器件, 峰值發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生了顯著變化，且隨著角度的增加峰向更短的波長(zhǎng)彎曲,即所謂的藍(lán)移，是強(qiáng)微腔中與角度相關(guān)的色偏主要原因。而弱微腔效應(yīng)的器件峰值發(fā)射波長(zhǎng)都為520納米,整個(gè)帶寬相對(duì)寬，如用于顯示器應(yīng)用代表色彩純度差。而器件1~4,輻射功率密度在大角度下降很快，如在顯示器應(yīng)用代表視角小。器件5與6雖然解決了視角問(wèn)題，但波長(zhǎng)明顯隨著角度變化，會(huì)引發(fā)明顯色偏。這些器件的差異證明了顏色純度和顏色失真之間的權(quán)衡。

下圖表示器件在極坐標(biāo)下的歸一化場(chǎng)型，藍(lán)色曲線是 STACK 求解器的結(jié)果，與文獻(xiàn)的綠色曲線相當(dāng)一致。也可從器件4-6中觀察到微腔效應(yīng)如何影響視角范圍。

接下來(lái)從 STACK 求解器相關(guān)函數(shù) stackdipole 計(jì)算 X、Y、Z 三色值并轉(zhuǎn)換為 u’ 和 v’ 以與論文直接比較。下圖顯示三色值隨角度變化的軌跡。可看出弱微腔器件色偏范圍很小，位置離色度圖邊界較遠(yuǎn)。而強(qiáng)微腔器件隨角度變化軌跡長(zhǎng)，但位置離色度圖邊界近。

顏色坐標(biāo)對(duì)發(fā)光層的亮度光譜以及材料特性非常敏感，微小的材料差異就能導(dǎo)致較大的結(jié)果差異，因此正確的材料信息是必須的。

步驟2：計(jì)算優(yōu)化的 RGB 結(jié)果

此步驟繪制了優(yōu)化后的 RGB 像素的發(fā)射特性。案例展示了如何最小化每個(gè)像素顏色的角度依賴性，并討論和演示如何將這些 STACK 結(jié)果導(dǎo)出到 SPEOS。

下圖繪制了 RGB 像素發(fā)光層頻譜范圍,與器件的輻射功率密度與波長(zhǎng)、角度關(guān)系圖。兩者重疊部分即是最后的發(fā)光頻譜。請(qǐng)注意，即使紅色腔確實(shí)在藍(lán)色中有二次發(fā)射，但因與 EL 發(fā)射光譜不重疊；因此該像素不會(huì)發(fā)出藍(lán)光。

再次從 stackdipole 算出 X、Y、Z 顏色坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為 u’ 和 v’ 坐標(biāo)。繪制在下面的色度圖中。

顯示器其他顏色將通過(guò)混合 RGB 產(chǎn)生，并且由這些點(diǎn)定義的區(qū)域（稱為色域）將提供可以由該顯示器表示的可能顏色空間。我們可以看到純 RGB 像素色坐標(biāo)與校正的與色度圖邊界相鄰，表示這些像素提供出色的色純度，讓該顯示設(shè)備的色域可幾乎覆蓋人類可感知的所有顏色。

在 u’ 和 v’ 的圖中，我們可以看到存在一些不可避免的顏色偏移。但與我們上一步分析的測(cè)試設(shè)備相比，優(yōu)化后的設(shè)備表現(xiàn)較佳。

接下來(lái)我們將結(jié)果生成RGB的 *.xmp 文件并導(dǎo)出到 SPEOS， 這是通過(guò)預(yù)先編寫的函數(shù)完成的。請(qǐng)注意，綠色像素的峰值發(fā)射不是垂直入射。這是由于腔諧振的theta=0與發(fā)射光譜峰的沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致。

最后我們假設(shè) 100x100um 像素，電流密度為 1 A/m 2 ，相當(dāng)于每個(gè)子像素 10 nA 的電流。每個(gè)子像素的發(fā)射功率可以稍后在 SPEOS 中進(jìn)行調(diào)整。