발광 소자란 전류를 인가하면 빛을 낼 수 있는 작은 크기의 장치이다. 그런데 발광의 근원이 탄소 기반의 유기물질일 경우 유기 발광 소자라 한다. 유기 발광 소자의 장점은 스스로 빛을 낼 수 있어 별도의 광원이 필요하지 않다는 점으로, 기존의 디스플레이에 비해 얇게 제작이 가능하다는 점이다. 뿐만 아니라, 유연성, 시야각, 명암비, 응답 속도 등의 장점으로 유기 발광 소자의 시장은 점점 더 확장되어가고 있다.
유기 발광 소자는 1987년 Kodak사의 Tang 연구팀이 낮은 구동 전압에서 외부 양자 효율 1%의 효율을 얻은 이후 유기 발광 소자의 상용화를 위한 연구가 활발하게 진행되기 시작하였다. 그 가운데 마이크로 렌즈 어레이는 기판에서의 전반사 문제를 개선하여 기판 내부에 갇히는 빛을 기판 바깥으로 탈출시키는데 기여하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있어, 여러 연구팀에서 관련 실험을 진행하였다. 2001년 Mollor 연구팀은 PDMS 기반의 마이크로 렌즈 어레이를 이용해 광추출 효율 향상을 시도하였고, 2008년 Wei 연구팀은 벌집 모양의 마이크로 렌즈 어레이를 제작하여 광추출 효율을 향상시키고자 하였다. 뿐만 아니라, 마이크로 볼, 마이크로 포러스, 마이크로 피라미드 등에 대한 연구가 진행되기도 하였다.
본 논문에서는 광원의 형태가 면광원인 경우로 시뮬레이션을 진행하여, 기존의 많은 연구에서 점광원 형태로 시뮬레이션을 진행한 경우보다 정확한 시뮬레이션 결과를 도출하고자 하였다. 또, 실제 제작되는 마이크로 렌즈 어레이는 완벽한 반구형이 아닐 수 있음에 착안하고 사다리꼴, 원뿔, 직육면체 모양의 렌즈에 대해서도 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션은 라이트 툴즈를 이용하여 충실도, 렌즈의 반지름 크기, 모양 등을 변화시켰다. 마이크로 렌즈 어레이는 반구일 때 광추출 효율 76.0% 향상 등의 결과를 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있었고, 또한 광추출 효율 향상을 위한 최적의 충실도는 렌즈의 종류에 관계없이 0.30으로 판단할 수 있었다.
이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 유기 발광 소자 및 마이크로 렌즈 어레이를 제작하여 마이크로 렌즈 어레이의 충실도와 반지름 크기 변화에 따른 광추출 효율 변화를 살폈다. 마이크로 렌즈 어레이는 먼저 노광 및 현상을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 PR 몰드를 형성하였다. 그리고 PR 몰드를 이용해 PDMS 스탬프를 만들었다. UV 광경화제와 PDMS 스탬프를 사용하여 유리 기판 위에 마이크로 렌즈 어레이를 형성하였다. 유기 발광 소자는 진공 열 증착 방법을 이용하여 제작하였으며, 증착 시 작업 압력은 고진공도에 해당하는 10-6 Torr 수준에서 진행하였다. 유기 발광 소자의 구조는 ITO (180 nm)/TPD (40 nm)/Alq3 (60 nm)/LiF (0.5nm)/Al (100 nm)으로 구성하였다. ITO 층은 왕수를 이용한 증기 식각 방법으로 형성하였고, 유기물은 약 0.5 ～ 1.5 Å/s, LiF는 약 0.3 ～ 0.5 Å/s, 알루미늄은 약 0.5 ～ 10.0 Å/s의 속도로 증착하였다. 소자의 전압-전류밀도 특성 및 외부 양자 효율은 Keithley 236과 Keithley 617을 이용하여 얻었다.
실험을 통해서 마이크로 렌즈 어레이는 렌즈의 종류에 관계없이 유기 발광 소자의 광추출 효율 향상을 이끌 수 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 실험 과정을 위해 제작한 마이크로 렌즈 어레이는 완벽한 반구형보다는 다소 사다리꼴 형태를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 실험을 통해 제작한 마이크로 렌즈 어레이는 약 25% 정도의 광추출 효율 개선 효과가 있었고, 최적의 충실도는 0.30으로 판단할 수 있었다. 또, 렌즈의 반지름 변화보다는 충실도의 변화가 광추출 효율 개선에 더 영향을 많이 미침을 확인할 수 있었다.

Light-emitting device is a small-sized device emitting light when the current is applied. When the device is based on the organic materials, the device is called organic light-emitting diodes. The organic light-emitting diodes is self-emissive and does not demand additional light unit, so it can be fabricated thinner than conventional displays. Futhermore, due to the advantages such as flexibility, viewing angle, contrast, response time, and etc, market for the organic light-emitting diodes is gradually increasing.
Commercialization of the organic light-emitting diodes has dynamically started when Tang et al. reported the device having external quantum efficiency of about 1% at low voltage in 1987. Application of micro structure to the organic light-emitting diodes may contribute to increasing the outcoupling efficiency by changing the incident angle of the light ray at the interface. Variation of incident angle of the light at the interface helps more light to escape out of the device. In 2001, Moller et al. made the fluorescent organic light-emitting diodes based on Ir(ppy)3 doped emissive layer, and reported an improvement of outcoupling efficiency by 50%, by attaching 10micron diameter microlens array on the glass substrate. Wei et al. reported an improvement of outcoupling efficiency by 35% using a microlens array similar to honeycomb shape structure in 2008. Kim et al. used two types of photosensitized materials over the device by imprint lithography in 2011. Lots of researches are going on to improve the outcoupling efficiency of organic light-emitting diodes using the microstructures such as a microlens array, a micro ball, a micro porous, a micro pyramid, and etc.
In this thesis, light source of simulation was set to a bulk light source in order to obtain more accurate results than cases of point light source. Besides, considering that the manufactured microlens array is not a perfect hemisphere, several shapes of microlens such as trapezoidal, conical, rectangular parallelepiped were simulated as well. Simulation was performed by varying the fill factor, radius of microlens, and shape with a use of the Light Tools simulation program. Maximum improvement outcoupling efficiency of the microlens array is about 76% when the fill factor is 0.30 compared to that of the reference one. And the optimum fill factor for the improved outcoupling efficiency is 0.30 regardless of the shape of lenes.
Based on these simulated results, organic light-emitting diodes and microlens array were manufactured and the outcoupling efficienices were investigated depending on the fill factor and radius of microlens. Through the exposure and development of photoresist process, microlens array PR mold was formed on the silicon wafer. And then, PDMS stamp was formed using the photoresist mold. Microlens array was formed over the substrate using UV curing agent and PDMS stamp. Organic light-emitting diodes were manufactured to a structure of glass (1.1 mm)/ITO (180 nm)/TPD (40 nm)/Alq3 (60 nm)/LiF (0.5 nm)/Al (100 nm) by thermal evaporation method at a pressure of 10-6 Torr. ITO electrode was formed by vapor etching method using aqua regia etchant. Evaporation rates for organic materials, lithium fluoride, and aluminium are about 0.5 ～ 1.5 Å/s, 0.3 ～ 0.5 Å/s, and 0.5 ～ 10.0 Å/s, respectively. Electrical and optical characteristics and external quantum efficiency are measured using Keithley 236 source-measurement unit and Keithley 617 electrometer.
Through the experiments, it was found that the microlens array can improve the outcoupling efficiency of organic light-emitting diodes regardless of the kinds of microlenses. And fabricated microlens shape is close to trapezoidal rather than ideal hemispherical shape. Experimental results show the improvement of outcoupling efficiency by about 25%, and the optimum fill factor is 0.30. And the variation of fill factor affects the improvement of outcoupling efficiency more than the variation of the radius of the lenes.