OLED顯示器熱帶雨林環(huán)境適應(yīng)性研究

王沖文，趙宏坤，劉 劍，王喬方，朱光宇，楊玉萍，羅 瑞，趙遠(yuǎn)榮，李 偉，劉艷芳，戈 帆

OLED顯示器熱帶雨林環(huán)境適應(yīng)性研究

王沖文，趙宏坤，劉 劍，王喬方，朱光宇，楊玉萍，羅 瑞，趙遠(yuǎn)榮，李 偉，劉艷芳，戈 帆

（國(guó)營(yíng)第二九八廠(chǎng)，云南 昆明 650114）

為開(kāi)展OLED顯示器在熱帶雨林氣候條件下的環(huán)境適應(yīng)性研究，將OLED顯示器置于西雙版納試驗(yàn)站進(jìn)行庫(kù)內(nèi)自然暴露試驗(yàn)，并定期對(duì)樣品進(jìn)行觀察和檢測(cè)。經(jīng)過(guò)一年的暴露試驗(yàn)，OLED顯示器表面出現(xiàn)針孔、黑點(diǎn)和膜層脫落等現(xiàn)象，以及發(fā)光面積減小和亮度降低等性能衰減變化。研究發(fā)現(xiàn)，OLED顯示器在熱帶雨林環(huán)境中長(zhǎng)期受溫度、濕度等環(huán)境因素的交變應(yīng)力作用，其密封性遭到破壞，外界氧氣、水汽等進(jìn)入顯示器內(nèi)部，最終導(dǎo)致OLED顯示器失效。因此，要想進(jìn)一步提高OLED顯示器在熱帶雨林環(huán)境中的使用壽命，關(guān)鍵在于改善OLED顯示器的密封性。

OLED；熱帶雨林；環(huán)境適應(yīng)性；密封性

0 引言

OLED（organic light-emitting diode）顯示器具有發(fā)光效率高、功耗低、質(zhì)量輕、厚度薄、可彎曲、主動(dòng)發(fā)光、色彩飽和度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的顯示技術(shù)[1]。作為光電技術(shù)的重要終端核心器件，OLED顯示器很早時(shí)期就為軍事應(yīng)用所開(kāi)發(fā)，在武器裝備信息化發(fā)展中具有重要作用，已成為當(dāng)今歐美主流信息化武器裝備的標(biāo)準(zhǔn)配置，并廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、航天器、坦克裝甲車(chē)輛以及單兵武器裝備，如槍械瞄具、戰(zhàn)車(chē)坦克、航空航天以及軍用信息化視頻眼鏡等。由于OLED顯示器為全固態(tài)，具有無(wú)真空腔、無(wú)液態(tài)成分、抗震性好等特點(diǎn)，可在高寒、強(qiáng)烈震動(dòng)以及具有巨大加速度等惡劣環(huán)境中使用。

近年來(lái)，OLED顯示器發(fā)展取得明顯進(jìn)步，但大多將研究重點(diǎn)放在如何提高其發(fā)光效率等性能研究上，而忽略了OLED的使用環(huán)境及其壽命的研究，事實(shí)證明，真正限制OLED顯示器實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化、大眾化運(yùn)用的主要因素正是其有待提高的環(huán)境適應(yīng)性[2-3]。對(duì)積累的故障數(shù)據(jù)按不同的環(huán)境條件進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，OLED顯示器在濕熱環(huán)境下使用時(shí)故障率最高。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)OLED顯示器在熱帶雨林環(huán)境中的適應(yīng)性研究的報(bào)道。

本文將OLED顯示器長(zhǎng)期置于熱帶雨林環(huán)境中進(jìn)行自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，收集OLED顯示器的失效模式，分析其失效機(jī)理，進(jìn)而開(kāi)展OLED顯示器的熱帶雨林環(huán)境適應(yīng)性研究。

1 OLED顯示器壽命影響因素

OLED，即有機(jī)電致發(fā)光二極管，主要是在透明陰極和金屬陽(yáng)極間夾雜上有機(jī)功能薄膜和有機(jī)發(fā)光層薄膜，在外界電壓的驅(qū)動(dòng)下，由電極陰極和陽(yáng)極注入的電子和空穴傳輸?shù)接袡C(jī)層中進(jìn)行復(fù)合后產(chǎn)生激子，激子在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移并伴隨著能量釋放，這些能量又傳遞給有機(jī)發(fā)光物質(zhì)的分子，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)受激分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，輻射躍遷產(chǎn)生光子，達(dá)到發(fā)光現(xiàn)象，其本質(zhì)上是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能達(dá)到發(fā)光效果的器件[4-5]。OLED微型顯示器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由金屬陽(yáng)極、多層OLED發(fā)光薄膜、透明陰極、過(guò)濾層、復(fù)合高密度密封薄膜等組成，貼裝有玻璃保護(hù)蓋片，再與PCB背板互聯(lián)封裝而成。研究發(fā)現(xiàn)[2-3]，OLED顯示器的使用壽命除受內(nèi)在自身材料老化影響外，主要還受使用環(huán)境的溫度和濕度影響較大，在25℃和50% RH的常規(guī)溫、濕度條件下，OLED顯示器的工作壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，但在高溫高濕環(huán)境下其壽命將大大降低，從動(dòng)力學(xué)分析認(rèn)為，OLED器件的工作溫度每升高10℃，器件的老化速率將增加一倍。OLED顯示器的使用受濕度影響也較大，尤其是當(dāng)器件的密封性被破壞時(shí)，空氣中的水汽和氧氣進(jìn)入器件內(nèi)部，與金屬電極發(fā)生氧化或使有機(jī)層發(fā)生水解等，復(fù)旦大學(xué)彭雅芳[4]經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，密封性破壞后，空氣中的水汽和氧氣可在數(shù)小時(shí)內(nèi)就將OLED顯示器的發(fā)光性能降低甚至直接破壞，這與L. M. Do和Burrows等人開(kāi)展的關(guān)于水汽分解和氧化理論研究相符[4]，其分解氧化的化學(xué)方程式如下：

4H++4e-→2H2

4OH-+4H+→2H2O+O2

4Al+3O2→2Al2O3

圖1 OLED顯示器結(jié)構(gòu)示意圖

2 熱帶雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)

熱帶雨林氣候具有高溫高濕的特點(diǎn)，是對(duì)提高OLED顯示器使用壽命和進(jìn)行可靠性研究的重要環(huán)境，開(kāi)展OLED顯示器在熱帶雨林氣候的環(huán)境適應(yīng)性研究，可為我國(guó)OLED顯示器的設(shè)計(jì)、使用及維護(hù)提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

西雙版納試驗(yàn)站的年平均溫度為22.1℃，最高溫度達(dá)37.2℃，單日最大溫差高達(dá)21.8℃；年平均相對(duì)濕度為84% RH，最高相對(duì)濕度達(dá)99% RH，單日最大濕度差高達(dá)80% RH，屬于典型的熱帶雨林氣候環(huán)境，是精密儀器設(shè)備的故障頻發(fā)區(qū)。OLED顯示器顯微圖及圖像顯示如圖2所示，由紅綠藍(lán)三基色組成，通過(guò)三基色彩色過(guò)濾層可實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。針對(duì)OLED顯示器的熱帶雨林環(huán)境適應(yīng)性研究，本文采用一款低功耗主動(dòng)式OLED彩色顯示器為試驗(yàn)樣件，將OLED顯示器投放于西雙版納熱帶雨林自然環(huán)境試驗(yàn)站庫(kù)內(nèi)進(jìn)行自然暴露試驗(yàn)，以半年為一個(gè)試驗(yàn)周期，共試驗(yàn)四個(gè)周期，每個(gè)試驗(yàn)周期定時(shí)取樣進(jìn)行相關(guān)外觀觀察和性能檢測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析整理。

3 自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

OLED顯示器經(jīng)熱帶雨林環(huán)境自然暴露試驗(yàn)后結(jié)果如圖3所示，其中，圖(a)為試驗(yàn)前的OLED顯示器圖片；圖(b)為第一周期試驗(yàn)后圖片；圖(c)和圖(d)為第二周期試驗(yàn)后圖片；圖(e)為第三周期試驗(yàn)后圖片；圖(f)為第四周期試驗(yàn)后圖片。

從外觀對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，自然暴露試驗(yàn)第一個(gè)周期后的OLED顯示器與試驗(yàn)前的外觀上無(wú)明顯差別；第二個(gè)周期后的OLED顯示器角落出現(xiàn)“針孔”，邊緣出現(xiàn)破損；第三個(gè)周期后的OLED顯示器失效面積由邊緣和角落位置向中心擴(kuò)散；當(dāng)暴露到第四周期后，OLED顯示器表面近70%的面積已經(jīng)完全失效。

圖3 OLED顯示器試驗(yàn)結(jié)果：(a) 試驗(yàn)前；(b) 第一周期；(c)(d) 第二周期；(e) 第三周期；(f) 第四周期

分別對(duì)經(jīng)過(guò)4個(gè)周期暴露試驗(yàn)的OLED顯示器亮度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，隨著庫(kù)內(nèi)暴露試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，OLED顯示器的亮度呈下降趨勢(shì)。

表1 OLED顯示器各周期亮度

3.2 失效機(jī)理分析

第二個(gè)周期的OLED顯示器針孔位置的顯微圖和SEM圖如圖4所示，其中心點(diǎn)發(fā)現(xiàn)結(jié)晶物，周?chē)纬蓛蓚€(gè)規(guī)則的圓環(huán)，這主要是因?yàn)樵谥谱髌骷r(shí)，一些微小的灰塵顆粒先于陰極沉積到有機(jī)層上，當(dāng)器件通電工作時(shí)，會(huì)形成不均勻的電場(chǎng)，從而導(dǎo)致該點(diǎn)的電流過(guò)大，最終短路成為“熱點(diǎn)”，使得局部過(guò)熱，有機(jī)層出現(xiàn)熔融，彩色過(guò)濾層被逐漸撐起，最終形成以微粒點(diǎn)為圓心的白色圓環(huán)。

將第二周期邊緣失效的OLED顯示器進(jìn)行點(diǎn)亮，結(jié)果如圖5所示。顯示器上除破損位置外其余部分均能點(diǎn)亮，在檢測(cè)儀器屏幕上，黑點(diǎn)依稀可見(jiàn)，在顯微鏡下觀察，黑點(diǎn)更為清晰明顯。李竑志、唐利斌等人曾對(duì)OLED黑點(diǎn)缺陷進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[6]，并對(duì)黑點(diǎn)面積擴(kuò)散理論進(jìn)行了解釋?zhuān)玫胶邳c(diǎn)面積與OLED顯示器老化時(shí)間近似為正比例，兩者間滿(mǎn)足下列關(guān)系式：

＝p2

式中：為黑點(diǎn)面積；為擴(kuò)散系數(shù)；為老化時(shí)間。

圖4 OLED顯示器針孔：(a)(b) 顯微圖；(c)(d) SEM圖

圖5 OLED顯示器黑點(diǎn)：(a) (b) 宏觀圖；(c) 顯微圖

第三周期和第四周期的OLED顯示器表面均出現(xiàn)大面積失效，將未進(jìn)行自然暴露試驗(yàn)的OLED顯示器與第四周期的OLED顯示器進(jìn)行點(diǎn)亮對(duì)比，結(jié)果如圖6所示，第四周期的OLED顯示器表面失效部分已經(jīng)無(wú)法正常點(diǎn)亮，在顯微鏡下對(duì)失效邊緣進(jìn)行觀察，兩側(cè)可明顯區(qū)分。在掃描電鏡下觀察失效樣品表面，可發(fā)現(xiàn)有膜層脫落及氧化現(xiàn)象。

第四周期OLED顯示器中失效部分的EDS圖如圖7所示，可以看出，除硅以外，氧含量最高，幾乎和鈉、鎂、鋁、鐵的總含量相當(dāng)。復(fù)旦大學(xué)的彭雅芳等人經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，若器件密封性破壞嚴(yán)重，OLED顯示器可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完全失效[4]。當(dāng)密封性被破壞后，熱帶雨林環(huán)境中豐富的氧氣及水汽進(jìn)入器件內(nèi)部，氧氣可與器件內(nèi)的鈉、鎂、鋁、鐵等活潑金屬以及電極材料發(fā)生氧化反應(yīng)。此外，氧氣會(huì)與有機(jī)層接觸發(fā)生氧化，生成羰基化合物，它是一種有效的淬滅劑，會(huì)顯著降低OLED顯示器的發(fā)光量子效應(yīng)[7-9]；水汽則會(huì)使有機(jī)層與電極間的界面黏附降低[10]，造成兩者間逐漸分離，間接為氧氣擴(kuò)散制造出更大空間，因此，在氧氣和水汽的綜合作用下，OLED顯示器的失效速率將不斷增加。

3.3 OLED封裝技術(shù)

對(duì)失效的OLED顯示器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超過(guò)90%的失效樣品都是從邊角位置開(kāi)始逐漸延伸到屏幕內(nèi)部。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)及研究均表明，密封性的破壞是影響OLED顯示器使用壽命的關(guān)鍵，因此，各種封裝技術(shù)方法也在不斷發(fā)展變化[11]。早期封裝技術(shù)主要通過(guò)在封裝空間內(nèi)填充各種干燥劑來(lái)保持封裝空間內(nèi)干燥；隨著OLED的顯示面積變大且越來(lái)越薄，逐漸出現(xiàn)了柔性封裝，這種封裝方式可與顯示器件緊密貼合，使得封裝板體積更薄，還有助于覆蓋更大的面積；后來(lái)又提出多層封裝方法，如有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜交錯(cuò)密封，并逐漸提高不同材質(zhì)的膜層之間的粘附力，避免層與層之間產(chǎn)生位移或斷裂；近年來(lái)在多膜層密封的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加環(huán)繞各個(gè)密封層的阻擋層，以阻擋水汽和氧氣的進(jìn)入，與此同時(shí)，在密封層中還可以摻入吸水材料或者微粒，進(jìn)一步提高阻擋效果，甚至在顯示器內(nèi)部設(shè)置水氧檢測(cè)部，當(dāng)水氧含量超標(biāo)時(shí)，可及時(shí)預(yù)警，以便對(duì)密封層進(jìn)行檢測(cè)加固，從而提高OLED顯示器的使用壽命[12]。為解決OLED的密封性問(wèn)題，德國(guó)布倫瑞克大學(xué)的J. Meyer采用交替沉積Al2O3和ZrO2形成納米堆疊結(jié)構(gòu)的方式對(duì)OLED器件進(jìn)行封裝[13]；加利福尼亞大學(xué)的N. Kim等采用旋涂Cytop（全氯代聚合物）作為水汽阻擋層的封裝方法，將器件半衰期壽命提高了5倍以上[14]；Kodak公司研究利用原子層沉積Al2O3作為阻擋層進(jìn)行薄膜封裝[15]，這些封裝技術(shù)對(duì)水汽和氧氣滲透都具有較好的阻擋作用。

圖6 OLED顯示器、顯微圖和SEM圖：(a) 試驗(yàn)前；(b)第四周期；(c)(d)(e) 失效部分顯微圖；(f) 失效部分SEM圖

圖7 OLED顯示器中失效部分EDS圖

4 結(jié)論

OLED顯示器在西雙版納熱帶雨林自然環(huán)境試驗(yàn)站下經(jīng)過(guò)四個(gè)周期的庫(kù)內(nèi)暴露試驗(yàn)后，OLED顯示器表面出現(xiàn)針孔、黑點(diǎn)及膜層脫落等現(xiàn)象，并伴隨著亮度降低和發(fā)光面積減小等性能衰減問(wèn)題。通過(guò)對(duì)OLED顯示器的失效機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析，深入開(kāi)展OLED顯示器熱帶雨林環(huán)境適應(yīng)性研究，主要是由于熱帶雨林環(huán)境具有高溫高濕的環(huán)境特征，在溫度和濕度的交變應(yīng)力作用下，OLED顯示器的密封性逐漸被破壞，空氣中的水汽和氧氣進(jìn)入OLED顯示器內(nèi)部，引起有機(jī)層水解、電極金屬氧化等，進(jìn)而造成OLED顯示器的性能衰減和結(jié)構(gòu)破壞。因此，要想提高OLED顯示器在熱帶雨林環(huán)境中的使用壽命，在設(shè)計(jì)、選材、工藝及維護(hù)等過(guò)程中都需要重點(diǎn)考慮不斷提升和保證OLED顯示器的密封性。

[1] 張洪彬, 宋巖, 鄭南飛, 等. OLED顯示模塊環(huán)境試驗(yàn)條件的確定[J]. 環(huán)境試驗(yàn), 2017(10): 21-24.

ZHANG Hongbin, SONG Yan, ZHENG Nanfei, et al. The determination of environmental test conditions of OLED display modules[J]., 2017(10): 21-24.

[2] 吳啟鵬, 付朝暉, 李軍建, 等. OLED封裝材料氣體滲透率的靜態(tài)積累式進(jìn)樣質(zhì)譜法測(cè)量[J]. 真空, 2017, 54(3): 32-36.

WU Qipeng, FU Zhaohui, LI Junjian, et al. Measuring gas penetration rates of OLED packaging materials by mass spectrometry method with static accumulation sampling[J]., 2017, 54(3): 32-36.

[3] 王劍斌. 有機(jī)電致發(fā)光器件壽命測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)及老化機(jī)理研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2015.

WANG Jianbin. Development of Lifetime Test System for Organic Light –Emitting Diode and Its Aging Mechanisms[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015.

[4] 彭雅芳. OLED的失效分析技術(shù)研究[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2008.

PENG Yafang. The Failure Analysis of OLED[D]. Shanghai: Fudan University, 2008.

[5] So F, Kondakov D. Degradation mechanisms in small-molecule and polymer organic light-emitting diodes[J]., 2010, 22(34): 62-77.

[6] 李竑志, 唐利斌, 鄭云, 等. 老化對(duì)OLED黑點(diǎn)缺陷的影響研究[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(6): 349-352.

LI Hongzhi, TANG Libing, ZHENG Yun, et al. The effect of aging time on the dark spot defect[J]., 2010, 32(6): 249-352.

[7] 陳緯斌, 林學(xué)好, 李周, 等. OLED封裝用粘接材料的研究進(jìn)展[J]. 廣東化工, 2018, 45(14): 181-184.

CHEN Weibin, LIN Xuehao, LI Zhou, et al. Research progress of bonding materials for OLED encapsulation application[J]., 2018, 45(14): 181-184.

[8] 官志敏. 有機(jī)電致發(fā)光器件的失效機(jī)理研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2004.

GUAN Zhiming. The Failure Mechanism of Organic Light-emitting Diode[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology, 2004.

[9] 黃衛(wèi)東. 高可靠性電子封裝中防潮薄膜技術(shù)的研究[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 2003.

HUANG Weidong. The Moisture-resistant Coating Technology in High Reliability Electronic Modules[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 2003.

[10] Phatak R, Tsui T Y, Aziz H. Dependence of dark spot growth on cathode/organic interfacial adhesion in organic light emitting devices[J]., 2012, 111(5): 054512.

[11] 王強(qiáng), 張有剛. 非制冷紅外焦平面探測(cè)器封裝技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2018(9): 837-842.

WANG Qiang, ZHANG Yougang. Research progress of the packaging techniques for uncooled infrared focal plane arrays[J].y, 2018(9): 837-842.

[12] 錢(qián)丹娜. OLED封裝專(zhuān)利技術(shù)綜述[J]. 河南科技, 2019(8): 62-64.

QIAN Danna. Overview of OLED packing patent technology[J]., 2019(8): 62-64.

[13] Meyer J, Winkler T, Hamwi S. Reliable thin ?lm encapsulation for organic light emitting diodes grown by low-temperature atomic layer deposition[J]., 2009, 94: 233305.

[14] Kim N, Kippelen B, Graham S. A hybrid encapsulation method for organic electronics[J]., 2009, 94: 163308.

[15] Ghosh A P, Jarman C M, Fornalik J E. Thin-?lm encapsulation of organic light-emitting devices[J].., 2005, 86: 223503.

Dissecting the Adaptability of OLED Displays in Tropical Rainforest

WANG Chongwen，ZHAO Hongkun，LIU Jian，WANG Qiaofang，ZHU Guangyu，YANG Yuping，LUO Rui，ZHAO Yuanrong，LI Wei，LIU Yanfang，GE Fan

(. 298,650114,)

To study the environmental adaptability of OLED displays in tropical rainforest, OLED displays are placed into the storeroom of experimental station in Xishuangbanna, and they are observed and tested regularly. After one-year-exposure, the surface of OLED displays appears pinhole, black point,and obscission. In addition, the area of luminescence and brightness were reduced. Investigation revealed: the sealing of OLED displays is destroyed in tropical rainforest, subjected to the long termalternating stress caused by temperature and humidity, thus led to the failure of OLED with oxygen and moisture in the interior of displays. Therefore, an improved sealing is the key to the service life of OLED displays in tropical rainforest.

OLED, tropical rainforest, environmental adaptability, sealing

TN219

A

1001-8891(2020)06-0542-05

2019-12-05；

2020-05-20.

王沖文（1991-），男，云南曲靖人，工程師，碩士研究生，主要從事環(huán)境試驗(yàn)研究。E-mail：530359488@qq.com。

國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JSHS2016208B005）。