以Lumerical仿真OLED光学特性

  作者：董冠佑，CYBERNET SYSTEMS CHINA 莎益博光学工程师

  1. 前言

  有机发光二极管（OLED）结构通常利用复杂的材料和纳米结构来提高性能。为了准确地对这些器件进行建模，我们需要建立不相干(incoherent)的响应，同时改变许多设计参数，并同时优化几个质量因子。因所需模拟的数量过多，严重影响设计效率。本案例使用 ANSYS Lumerical ，提出较有效率仿真多结构参数 OLED 的仿真手法，于结论给出一般 OLED 评估需要的光学特性。

  2. 仿真策略及方法

  本案例利用 ANSYS Lumerical 将结构从一维到三维逐步优化。针对 OLED 基本多层膜结构，以 FDTD 搭配矩阵光学的 STACK 模块，快速地对多层膜的干涉与微腔效应进行频谱与基础场型的设计。接着以 FDTD 2D 扫描微结构参数和偶极子位置来优化提取效率。最后再以 FDTD 3D 模拟 OLED 形成数组排列时,怎么以对称性来减少内存需求与仿真时间,给出最后验证、需要输出给几光软件的光型数据。

  2.1 OLED 多层膜设计

  OLED 基本结构是平面堆栈多层膜，比起计算马克是威尔方程，解析解能快速准确地给出答案。在 Ansys Lumerical 的 STACK 界面下，建模仅需输入(或从数据库选取)材料折射率参数与膜层厚度，指定偶极子所在的位置、频谱信息等就完成了。常见 6-8 层的堆栈都可以在 1 秒左右得到一个条件的结果。配合使用界面的条件扫描，可对模层厚度快速找到适合的组配。

  STACK 使用界面有许多搭配好的脚本函数，比如可以用 stackfield 函数观察目前膜厚设计对模拟波长范围内的响应，进而调整到最佳设计。Stackpurcell 函数则可以协助算出远场的场型。此外也有计算三色刺激值等等函数，上面几个函数对显示器或照明的应用十分方便。比如图示为针对绿光画素设计的 OLED 频谱与角度响应，以及如果有发光层光源的频谱信息就能计算出对应的色坐标(x,y)，也能计算随角度的色偏 (u’v’)表现。

  由于 OLED 中光源偶极子是点光源的特性,受限于全反射很多能量无法到达基板外，因此下一步需要设计微结构提升萃取效率。

  2.2 萃取效率微结构设计

  FDTD 是一种高性能光学求解器，可以仿真波长尺度复杂结构的光学效果及其对器件效率的影响。案例中用矩形建立 OLED 多层膜结构，建立结构单元搭配排列工具快速建立光栅，即完成基本的结构建模。考虑光源偶极子是随机激发没有同调性，需模拟三个正交震荡方向，并在结构一个周期内取数个位置取样来平均。分别在远场与光源附近放探测器，来协助我们比较微结构出射光场行为与萃取效率。

  边界条件因底部为整面金属电极，可使用金属条件让计算较快，而其他边界使用完美吸收层。尽管结构有周期，但必须避免周期边界条件让光源也产生周期而产生与模型不符的同调性。本结构因光栅为单方向变化，可以用 ANSYS Lumerical FDTD 2D 来模拟，搭配 FDTD 一次模拟多波长的特性，可以用很少的内存与仿真时间得到高精细的角度信息与色彩信息。网格部分，Ansys Lumerical 可针对结构需要，以结构名称指定加密网格的区域，让仿真可以快速又高精度。

  以本结构为例，原本膜层仅适合宽光型蓝色应用，增加结构之后蓝色频谱较原本集光、效率与原本接近，而绿色与红色波段则变非常准直、效率明显提升。在此阶段 Lumerical 提供适合各种应用的探测器，一个按键就能得到需要的结果。 

  2.3 数组排序仿真讨论并输出Zemax光场格式

  显示或照明的应用上，常需要让 OLED 有特定排列，有时在前面提及的非同调以及采样需求之外有更多条件要模拟造成内存或时间负担，因此靠对称性省去一些模拟次数是必要的技巧。以四角排列为例，如在一个 OLED 单元中 4*4 个偶极子位置是足够的取样数量，而每一偶极子要有三个震荡方向，共 3*16=48 个条件。但考虑对称性后，仅需模拟虚线三角形内的三个偶极子，且在矩形对角线的偶极子震荡方向 x 与 y 方向都与对角线夹 45 度因此可以仅模拟其中一个，最后剩下对角线两偶极子模拟 x 与 z 震荡，加上三角形内另一偶极子三方向震荡，剩下 7 个条件。在扫描条件中把这 7 个条件依面积比例设定要计算回最后完整单元的权重。借助脚本，在 Lumerical 接口下在如此复杂的架构下也可以看到最后的场型。

  此外，Lumerical 所模拟的场型能输出为 Ansys Zemax 的光源格式 ，让产品设计从微观到巨观无痛衔接。

  3. 结论

  Ansys Lumerical 可提供波长等级结构的光学仿真，在 OLED 的应用上，能针对不同结构分类搭配解析方法与数值方法，且能配合脚做灵活运算，在单一软件接口中就能完成 OLED 光场、效率、色彩相关设计。且 Ansys Lumerical 能将其运算与 Ansys Zemax 联用，为产品设计提供方便的仿真流程。

  [参考文献]

  [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

  关于CYBERNET

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