Частина B: Моделювання OLED-дисплеїв за допомогою трасування променів.

🎯 Цілі навчання

Налаштуйте та запустіть симуляцію OLED-дисплея, використовуючи оптичну модель трасування променів.
Порівняйте метод трасування променів із методом передавальної матриці та зрозумійте переваги аналізу з урахуванням кута.
Інтерпретуйте об’єднані електричні та оптичні вихідні дані, зокрема криві L–I–V і залежність напруги від світлового потоку.
Проаналізуйте кутову залежність випромінювання, використовуючи значення RGB і спектри CIE 1931 x, y, z (X, Y, Z).
Налаштуйте параметри спектрів випромінювання (експериментальні та розраховані) та параметри трасування променів (діапазони кутів тета/фі, положення джерел випромінювання).

📦 Необхідні умови/вимоги

OghmaNano встановлено та працює.
Базове розуміння основних принципів роботи OLED-технології (EML/HTL/ETL, електролюмінесценція).

⏱ Орієнтовний час

Частина А: 10–15 хвилин.
Частина B: 10–15 хвилин.
Загалом: приблизно 1 година, залежно від тривалості огляду.

1. Вступ

У попередньому розділі ми використовували метод матриці передачі (TMM) для обчислення ймовірності того, що фотони покинуть пристрій. Метод TMM розглядає світло як хвилю, що природним чином враховує численні відбиття на межах шарів і, як наслідок, інтерференцію всередині тонкоплівкової резонаторної структури.

У цьому розділі ми переходимо до додаткового підходу: трасування променів. Тут світло розглядається як частинки (промені), що є парадигмою, яка широко використовується в комп’ютерній графіці. Ключовою перевагою є чітка залежність від кута: ми можемо відстежувати, як промені заломлюються та відбиваються, коли вони покидають пристрій, і, отже, прогнозувати поведінку в залежності від кута, наприклад, колір (спектр), який спостерігається в залежності від кута огляду, що є основною темою цього розділу.

2. Швидкий старт – трасування променів.

Щоб створити нову симуляцію трасування променів для OLED-дисплея, відкрийте вікно «Нова симуляція» та двічі клацніть на «OLED (трасування променів)» (див. ??). Збережіть новий проєкт на диску. Після відкриття ви побачите основний інтерфейс OLED (??), який схожий на попередній приклад, але з увімкненим трасувальником променів як оптичною моделлю.

New simulation window showing the option to create an OLED (Ray Trace) project. — Нове вікно симуляції, в якому відображається опція створення проєкту OLED (з використанням трасування променів).

Default OLED simulation window with ray tracing enabled. — Стандартне вікно симуляції OLED, яке відкривається, коли ввімкнено трасування променів.

В основному інтерфейсі перейдіть до розділу «Оптична стрічка» (??) і натисніть на «Оптичне випромінювання», як і в попередній симуляції. Відкриється вікно випромінювання (див. ??). Зверніть увагу, що цього разу в основному інтерфейсі вибрано кнопку «Трасування променів», а не кнопку «Матриця передачі». Натиснувши кнопку «Запустити оптичну симуляцію» (▶), ви активуєте трасувальник променів, який розповсюджує промені від кожної точки сітки в межах активного шару, щоб обчислити ймовірність виходу фотонів із пристрою в кожній точці.

OghmaNano Optical ribbon showing tools for light-source setup, transfer matrix calculations, optical outcoupling, ray-tracing editor, FDTD simulation, mode calculator, optical thickness, optical mesh, and boundary conditions. — Оптична стрічка в OghmaNano. На цій панелі інструментів зібрано всі інструменти для оптичного моделювання. Натисніть «Оптичне випромінювання», щоб запустити інструмент для аналізу видобутку світла.

Outcoupling calculated using the ray tracing method. — Ефективність випромінювання, розрахована за допомогою методу трасування променів.

Це займе значно більше часу, ніж моделювання TMM, через підвищену складність. Крім того, моделювання буде лише обчислювати ймовірність виходу випромінювання з активної області, щоб заощадити час. Варто зазначити, що ефективність виведення випромінювання для трасування променів нижча, ніж передбачається методом матриці передачі, оскільки метод матриці передачі передбачає поширення випромінювання перпендикулярно до меж, тоді як трасування променів дозволяє променям поширюватися в усіх напрямках, і деякі з них ніколи не покинуть пристрій.

3. Електричне моделювання в поєднанні з трасуванням променів.

Тепер поверніться до головного вікна симуляції та натисніть кнопку. синій, відтворити кнопка або натисніть 9) для запуску основної симуляції. Під час цього запуску спочатку виконується програма для трасування променів а потім дрейф–дифузія розв’язувач. Алгоритм трасування променів обчислює ймовірність того, що фотони, згенеровані в активному шарі, покинуть пристрій, а також визначає розподіл кутів випромінювання (відповідно, які кольори видно під якими кутами). Потім розв’язувач, що використовує методи дрейфу та дифузії, обчислює інтенсивність випромінюваного світла шляхом оцінки члена рекомбінації, який відображає швидкість радіаційного випромінювання. Отримане зображення, створене за допомогою трасування променів, показано на Рисунок 5.і відповідний графік залежності напруги від інтенсивності світла (lv.csv(наприклад, залежність між інтенсивністю світла та напругою) показано на Рисунок 6..

OghmaNano Optical ribbon with Ray tracing selected: a 3D OLED stack is shown with multicolored rays launched from the emissive layer and refracting or trapping at interfaces after a drift–diffusion run. — Основне вікно OghmaNano після комбінованого моделювання: розв’язувач рівнянь дифузії та переносу забезпечує просторовий профіль рекомбінації (джерело випромінювання), а модуль оптичного трасування променів моделює поширення променів у багатошаровому OLED, враховуючи втрати при випромінюванні, повне внутрішнє відбиття та втрати при направленні хвилі.

Graph titled 'Voltage – Light flux': light output remains near zero below turn-on then rises sharply with increasing applied voltage. — Графік залежності напруги від інтенсивності світла, отриманий в результаті комбінованого електрооптичного процесу. При напрузі нижче порогу вмикання випромінюваний потік незначний; після збільшення інтенсивності ін’єкції носіїв заряду та радіативної рекомбінації, випромінювана оптична потужність різко зростає зі збільшенням напруги.

3. Основні результати

Якщо ви проаналізуєте результати комбінованого моделювання з використанням методів трасування променів і дифузії-переносу (??), ви побачите, що багато файлів відповідають тим, що описані в попередньому розділі (розділ про матрицю передачі). Важливим доповненням є те, що трасування променів дає профіль випромінювання, який залежить від кута, тому OghmaNano також записує дані про колір, що залежать від кута: загальні значення RGB у залежності від кута огляду (theta_RGB.csv) і компоненти CIE 1931 x, y, z та тристимулюсні значення X, Y, Z у залежності від кута (theta_x/y/z.csv, theta_X/Y/Z.csv). На рисунку вони відображаються у вигляді піктограм попереднього перегляду спектра веселки, а їхні основні характеристики наведено в таблиці нижче.

Main OghmaNano window showing output files from a combined drift–diffusion + ray-tracing run, including angle-resolved RGB and CIE (x,y,z / X,Y/Z) data. — Результати спільного моделювання, що поєднує методи дрейфу-дифузії та трасування променів. Порівняно з попереднім методом, що використовував матрицю перетворень, трасування променів генерує більше файлів, оскільки враховує залежність кольору та інтенсивності від кута огляду (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv` тощо).

CIE 1931 x component versus viewing angle from theta_x.csv. — Результати спільного моделювання, що поєднує методи дрейфу-дифузії та трасування променів. Порівняно з попереднім методом, що використовував матрицю перетворень, трасування променів генерує більше файлів, оскільки враховує залежність кольору та інтенсивності від кута огляду (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv` тощо).

Files describing the change of color with viewing angle.
Назва файлу	Опис
`theta_RGB.csv`	Значення RGB у порівнянні з кутом огляду
`theta_x.csv`	CIE 1931: координати x у залежності від кута огляду
`theta_y.csv`	CIE 1931: колірне простор y у порівнянні з кутом огляду
`theta_z.csv`	CIE 1931: залежність від кута зору.
`theta_X.csv`	CIE 1931: координата X проти кута огляду
`theta_Y.csv`	CIE 1931: залежність Y від кута зору.
`theta_Z.csv`	CIE 1931 Z у порівнянні з кутом огляду.

4. Спектр випромінюваного світла

Так само, як ви встановлюєте електричні параметри для кожного шару, ви можете налаштувати спектр випромінювання для кожного шару у вікні «Параметри випромінювання» (відкрийте його в головному інтерфейсі, перейшовши за шляхом «Структура пристрою → Параметри випромінювання»; див. рисунок 5). Спектр може бути наступним:

Експериментальний спектр — перемикач. Увімкніть використання експериментальних спектрів випромінювання, а потім виберіть набір даних у розділі «Експериментальні спектри випромінювання». Керуйте загальною інтенсивністю за допомогою параметра «Експериментальна ефективність випромінювання» (діапазон 0.0–1.0, умовні одиниці). У базі даних матеріалів доступно багато наборів даних, і ви можете додати власні (див. розділ «Бази даних»).
Обчислений спектр — перемикач. Використовуйте експериментальні спектри випромінювання. Вимкніть, щоб обчислити спектр на основі популяцій носіїв заряду та щільності станів, використовуючи золоте правило Фермі. З’являються додаткові параметри, що визначають ефективність генерації фотонів (усі 0.0–1.0, довільні одиниці): nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree та pfree→ptrap. Цей режим призначений для досвідчених користувачів.

Під час використання трасування променів для випромінювання, кожен шар може визначати напрямки випромінювання в розділі «Трасування променів», використовуючи сферичні кути: крок по теті (наприклад, 180), початковий/кінцевий кут тети (у градусах, наприклад, 0–360); крок по фі (наприклад, 25), початковий/кінцевий кут фі (у градусах, наприклад, 0–360). Це дає змогу досліджувати кутові характеристики випромінювання світла. Для плоских, однорідних шарів, симетрія часто означає, що потрібно змінювати лише один із кутів – тета або фі.

Параметр «Emit» у налаштуваннях визначає положення джерел променів: «Центр» – кожен шар випромінює промені з центру кожного шару (швидко); «У кожній точці електричної сітки» – промені випромінюються з кожної електричної точки для досягнення вищої точності (повільніше, але це можна компенсувати збільшенням кількості потоків).

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' On. Fields: Experimental emission spectra (file chooser), Experimental emission efficiency (0.0–1.0), Ray tracing angles (Theta steps/start/stop, Phi steps/start/stop, degrees), and Emit from selector. — (a) Використання експериментального спектра випромінювання: увімкніть відповідну функцію, виберіть набір даних (наприклад, `small_molecules/Alq3`), встановіть значення ефективності та налаштуйте кутову дискретизацію для трасування променів.

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' Off. Additional fields appear for photon-generation efficiencies: nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree, pfree→ptrap (each 0.0–1.0). Ray tracing theta/phi ranges and steps plus Emit from are also shown. — (b) Використання обчисленого спектра: перемкніть у положення «Вимк.» для активації режиму, що базується на правилі Фермі-Голдена, з урахуванням ефективності генерації фотонів для кожного каналу, а також збереження тих самих параметрів кута простежування променів і розташування джерела.

🧪 Спробуйте самі:

Запустіть приклад трасування променів для OLED-дисплея зі стандартними налаштуваннями. Порівняйте графік lv.csv (залежність інтенсивності світла від напруги) з аналогічним графіком, отриманим у результаті моделювання TMM. Які між ними відмінності?
Змініть параметр «Emit from» (випромінювання з) зі значення «Центр кожного шару» на «У кожній точці електричної сітки». Повторно запустіть моделювання. Як змінюються результати, що залежать від кута (theta_RGB.csv, theta_x/y/z.csv)?
Змініть діапазон кутів тета/фі в налаштуваннях трасування променів (наприклад, зменште діапазон до 0–90°). Запустіть симуляцію ще раз. Як зміниться графік залежності кольору від кута?
Перейдіть від експериментального спектра випромінювання до розрахованого спектра. Порівняйте отримані спектри випромінювання. Які особливості з’являються або зникають?