采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)

王璐薇，張方輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)

王璐薇1，張方輝2

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

為了方便研究OLED器件的光電特性，設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)、同步測(cè)量OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性的綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于非接觸式測(cè)溫方法，以計(jì)算機(jī)、PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley-2400電流-電壓測(cè)試儀、自制的紅外測(cè)溫模塊、暗箱、光學(xué)導(dǎo)軌、載物臺(tái)等為硬件，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)程序控制測(cè)量?jī)x器對(duì)OLED器件進(jìn)行測(cè)量，利用光譜亮度計(jì)對(duì)器件的發(fā)光性能進(jìn)行測(cè)量，利用單片機(jī)和紅外測(cè)溫傳感器對(duì)器件的溫度進(jìn)行測(cè)量，利用可編程電源為器件測(cè)試提供穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)列表和曲線顯示，最終保存數(shù)據(jù)。最后，利用該系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的OLED器件進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，表明該測(cè)試系統(tǒng)具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OLED器件各項(xiàng)性能的自動(dòng)化測(cè)試，并已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用到多個(gè)研究單位。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；LabVIEW；光電性能；OLED；非接觸式溫度檢測(cè)

0 引言

有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic Light-Emitting Diode，OLED)因具有主動(dòng)發(fā)光、全固態(tài)、能耗低、超薄、響應(yīng)快、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，在照明和信息顯示等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。在OLED器件的研究過程中，器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)等參數(shù)，可以作為評(píng)價(jià)OLED器件性能好壞的重要依據(jù)，因此開發(fā)一種智能化、綜合性的光電特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是非常必要的。目前使用的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際構(gòu)建和應(yīng)用中主要存在以下問題：采用分立設(shè)備手動(dòng)測(cè)量的方式，效率低且容易出現(xiàn)人為誤差；不能同時(shí)測(cè)量OLED器件的各項(xiàng)光電特性；以微控制器為核心的測(cè)試系統(tǒng)電路復(fù)雜、編程效率低，系統(tǒng)構(gòu)建難度較大；需要編寫繁雜的程序代碼。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用LabVIEW作為開發(fā)工具，由于它采用圖形化的編程語言，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑[2]。本系統(tǒng)可以完成OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性的集成測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OLED器件各項(xiàng)性能的自動(dòng)化測(cè)試，具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了能夠同時(shí)測(cè)量OLED器件的I-V-L、溫度、亮度等特性，需要電壓源、溫度計(jì)、光譜亮度計(jì)的協(xié)調(diào)工作，本系統(tǒng)將PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley-2400型電源、自制的紅外測(cè)溫模塊等組成硬件系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成示意圖

本系統(tǒng)選用美國Keithley公司的Keithley-2400型電源作為測(cè)量OLED電壓-電流特性的儀器，其主要指標(biāo)為:直流電壓輸出范圍0～200 V，電流輸出范圍0～1 A[3]。本系統(tǒng)采用Agilent公司生產(chǎn)的Agilent 82357B型GPIB卡，該卡使用標(biāo)準(zhǔn)USB和IEEE488接口，能簡(jiǎn)便地連接計(jì)算機(jī)與通用源表[4]。

系統(tǒng)測(cè)量光譜采用美國PHOTO RESEARCH公司的PR655型光譜亮度計(jì)，儀器出廠時(shí)已通過相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)。

紅外溫度傳感器選用凌陽科技公司生產(chǎn)的TN9紅外測(cè)溫傳感器，具有回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣以及可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度的特點(diǎn)，傳感器的測(cè)量結(jié)果出廠時(shí)已通過相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)。其主要性能：測(cè)溫范圍為-33℃～+220℃；固有測(cè)溫誤差為0.7℃；測(cè)試距離與待測(cè)物體的直徑比為1 ∶1[5]。采用宏晶科技推出的STC15F104W單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理芯片，具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的特點(diǎn), 其主要性能為：Flash存儲(chǔ)器為4 KB, 具有高精度R/C時(shí)鐘[6]。

2 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單。此系統(tǒng)可工作于電壓和電流兩種不同的測(cè)試模式，在不同的模式下，用戶可以設(shè)置相關(guān)測(cè)量參數(shù)。在此界面，可以查看不同的選項(xiàng)卡，在自定義選項(xiàng)卡中，用戶可以根據(jù)自己的需要，分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)選擇相應(yīng)的特性參數(shù)，能實(shí)時(shí)繪制出相應(yīng)的特性曲線，這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了操作界面的復(fù)雜度。在以往光譜比較選項(xiàng)卡中，可以對(duì)不同器件的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性參數(shù)，并且具備實(shí)時(shí)采集、分析與直觀顯示數(shù)據(jù)的功能。還具備快速數(shù)據(jù)定位功能，在每一次測(cè)試完成之后，用戶只需要拖動(dòng)圖像區(qū)域的十字游標(biāo)到圖像的任意一點(diǎn)，即可迅速定位到游標(biāo)顯示區(qū)域所在點(diǎn)的當(dāng)前測(cè)量值，方便對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的快速分析。

2.1 電源控制輸出模塊

計(jì)算機(jī)與Keithley-2400間的通信是通過GPIB來實(shí)現(xiàn)的，電源控制輸出模塊程序的設(shè)計(jì)流程是：首先給出Keithley-2400通信接口的地址，然后開啟遠(yuǎn)程模式，根據(jù)用戶選擇的電源工作模式，對(duì)Keithley-2400進(jìn)行初始化設(shè)置，之后開啟GPIB通道，等待紅外測(cè)溫模塊和PR55測(cè)量完成后，利用VISA寫入控件向電源端口寫入返回實(shí)際輸出電壓值和電流值的指令，再利用VISA讀取控件讀取實(shí)際輸出的電壓值和電流值，之后如果沒有接收到結(jié)束測(cè)量的命令，則需要將采集到的電壓和電流值與最大設(shè)定值做比較，若沒有超過最大設(shè)定值，則進(jìn)入下一輪數(shù)據(jù)采集，反之則結(jié)束測(cè)量。圖2所示為電源控制流程圖。

圖2 電源控制流程圖

2.2 光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊

計(jì)算機(jī)與PR-655間的通信是通過RS-232來實(shí)現(xiàn)的，光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊程序的設(shè)計(jì)流程是：首先清除光譜存儲(chǔ)數(shù)組內(nèi)容，根據(jù)用戶對(duì)測(cè)量參數(shù)的設(shè)定，對(duì)PR-655進(jìn)行初始化設(shè)置，然后由PR-655對(duì)OLED的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；接著需要從PR-655中讀取測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)，先通過VISA寫入控件向PR-655端口發(fā)送讀取光譜數(shù)據(jù)的指令，再利用VISA讀取控件讀取返回的字符串?dāng)?shù)據(jù)；最后利用截取字符串控件對(duì)采集的字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到亮度、色坐標(biāo)等光譜數(shù)據(jù)，并同時(shí)將它們存放到不同的數(shù)組中。圖3所示為光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊流程圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

2.3 溫度采集模塊

計(jì)算機(jī)與紅外測(cè)溫模塊間的通信是通過串口來實(shí)現(xiàn)的。在溫度采集模塊的通信程序中，首先通過VISA寫入控件向紅外測(cè)溫模塊端口寫入返回溫度數(shù)據(jù)的指令，等待300 ms后，再用VISA讀取控件讀取5 B的返回?cái)?shù)據(jù)，讀取的溫度字符串是“TXX.X”的形式，所以需要用截取字符串控件將溫度值從讀取的字符串中截取出來，并存放到數(shù)組中。溫度采集模塊流程圖如圖4所示。

圖4 溫度采集模塊流程圖

2.4 數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存模塊

數(shù)據(jù)處理模塊利用乘法運(yùn)算器和除法運(yùn)算器根據(jù)運(yùn)算關(guān)系進(jìn)行連接，完成電流密度、電流效率和功率效率等特性參數(shù)的計(jì)算。數(shù)據(jù)顯示和保存模塊主要利用電子表格控件和XY圖形控件，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與保存以及特性曲線的繪制與顯示功能。

3 測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該測(cè)量系統(tǒng)由PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley-2400型電源、自制的紅外測(cè)溫模塊、暗箱、黑色圓管、光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌、夾具、載物臺(tái)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其位置關(guān)系如圖5所示。暗箱的中間有一個(gè)圓孔，圓孔與黑色圓管同心，且其直徑比黑色圓管橫截面的大2%～5%；黑色圓管氣密性很好，管子內(nèi)壁為黑色，且不能發(fā)光；暗箱與黑色圓管、光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌和夾具連接保證暗室黑暗環(huán)境，可避免外界光源的干擾；黑色圓管與PR655用夾具固定連接在光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌上，然后將PR655鏡頭中心的高度調(diào)整到與黑色圓管中心高度一致；載物臺(tái)位于暗箱內(nèi)，可以調(diào)節(jié)其上下及左右方向的位置；支架固定在載物臺(tái)上，支架中間有一個(gè)圓孔，其直徑比紅外溫度傳感器的探頭大2%,紅外溫度傳感器的探頭直徑為1.1 cm,使探頭剛好卡在這個(gè)圓孔中，并保持測(cè)試距離小于待測(cè)器件的直徑(D∶S=1 ∶1)；將待測(cè)器件固定在支架上，紅外溫度傳感器的探頭位于器件后面；將PR655、Keithley-2400、自制的紅外測(cè)溫模塊與計(jì)算機(jī)連接在一起。

圖5 系統(tǒng)位置關(guān)系圖

4 測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

用真空蒸鍍的方法在ITO透明導(dǎo)電玻璃基板上制備紅光磷光OLED器件，采用的器件結(jié)構(gòu)為ITO/V2O5(20 nm)/NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)/CBP:R-4B(6%)(30 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(30 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)，當(dāng)金屬陰極蒸鍍完成后，將蒸鍍好的器件通過機(jī)械手傳送至氮?dú)馐痔紫鋬?nèi)，最后用環(huán)氧樹脂紫外固化包封。使用本系統(tǒng)對(duì)此結(jié)構(gòu)的OLED器件進(jìn)行了電流密度-電壓-發(fā)光亮度、電流效率-電流密度、溫度以及電致發(fā)光光譜的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果及分析如圖6所示。

圖6(a)所示為器件的亮度-電壓-電流密度特性曲線圖，從圖中可以看出，器件啟亮電壓為3 V(3.6 cd/m2), 發(fā)光亮度隨著電壓的增加呈現(xiàn)非線性指數(shù)增加的趨勢(shì)，當(dāng)電壓為12 V時(shí)，最高亮度可達(dá)11 520 cd/m2；器件在低電場(chǎng)強(qiáng)度下表現(xiàn)出很好的二極管整流效應(yīng)，在驅(qū)動(dòng)電壓較低(小于6 V)情況下，電流密度隨著電壓的增加以近似于線性的方式緩慢增加，當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，電流密度呈非線性指數(shù)增加，說明器件有很好的光電性質(zhì)。圖6(b)所示為器件的電流效率-電流密度-功率地效率特性曲線圖，從圖中可以看出，器件的電流效率和功率效率隨電流密度的變化趨勢(shì)基本相同，且效率滾降比較平緩，說明器件有很好的穩(wěn)定性。圖6(c)所示為器件在12 V下的電致發(fā)射光譜曲線，從圖中可以看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為12 V時(shí)，器件的光譜峰值處于616 nm附近，即來自R-4B的特征發(fā)光，說明在主體CBP和客體R-4B之間有著很好的能級(jí)匹配并進(jìn)行了高效的能量傳遞。圖7(d)所示為器件的電壓-溫度-電流密度特性曲線圖，從圖中可以看出，器件的溫度隨著電壓的增加而升高，但溫度波動(dòng)不大。

圖6 OLED器件特性曲線

測(cè)量結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對(duì)OLED器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，并且具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室OLED器件參數(shù)測(cè)量具有實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文使用LabVIEW 2013開發(fā)工具，將多臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電源和計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，開發(fā)了一套OLED器件光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)測(cè)試軟件界面簡(jiǎn)潔，功能豐富，可以實(shí)時(shí)、同步、精確、高效地測(cè)量發(fā)光器件和顯示器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性參數(shù)，并且具備實(shí)時(shí)采集、分析與直觀顯示數(shù)據(jù)的功能。同時(shí)采用非接觸式測(cè)溫的方法可以不受環(huán)境溫度的影響且不需要機(jī)械接觸被測(cè)器件，便可快速地測(cè)量器件的表面溫度，具有回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)。本課題組已經(jīng)在研究不同OLED器件的性能方面做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，并獲得很多非常好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過實(shí)際使用證實(shí)了測(cè)試系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)將可以實(shí)現(xiàn)多方位的角度控制，可以測(cè)量OLED器件在不同方位的發(fā)光性能。

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Integrated testing system for OLED photoelectric properties based on LabVIEW

Wang Luwei1，Zhang Fanghui2

(School of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science and Technology , Xi’an 710021, China)

In order to test the performance of organic light-emitting devices,an optoelectronic performance test system for light emitting and display devices was designed and developed. The performances (such as voltage,current,brightness,spectrum,chromaticity coordinates, temperature, etc) could be measured in the same software. Based on non-contact temperature detection method, with the computer, the luminance meter(PR655), the source(Keithley-2400), the infrared temperature measurement module(infrared temperature sensor and single chip compute), the dark box, the optical guide and so on, using LabVIEW software as the software developing platform, the photoelectric properties of OLED device could be measured by all instruments which were controlled by computer program. Utilizing luminance meter PR655, the brightness of the device was tested. Utilizing infrared temperature sensor and single chip computer, the temperature of the device was tested. Utilizing the source, regulated voltage/regulated current electric resource could be provided. Controlled by computer program, the collected data was sent to the computer and processed. Furthermore, the data processed could be listed and saved. In addition, real-time display of the test process about the device was realized. And ultimately, we fabricated the OLED device and measured the performance with our new device. The test result shows that the system has advantages of high integrity, accuracy, efficient, convenient, good expandability and so on. It relizes the automation of OLED device test. The system is applied in several laboratories.

automatic test system; LabVIEW; photoelectric properties;OLED; non-contact temperature detection

O433.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.003

王璐薇，張方輝. 采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：8-11，15.

2016-07-21)

王璐薇(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：光電系統(tǒng)開發(fā)方面的研究。E-mail：2285290374@qq.com。

張方輝(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：有機(jī)照明顯示、LED、液晶顯示、光電系統(tǒng)開發(fā)。