不同封裝方式的有機發光二極管的傳熱特性

陳 卓

（陜西交通職業技術學院 軌道交通學院，陜西 西安 710018）

1 有機電致發光二極管概述

有機電致發光二極管（OLEDs）以其獨特性和卓越性，在平板顯示、照明等領域有著廣泛的應用前景：薄型、輕巧、節能、工作溫度低和壽命長。OLEDs 在過去的幾十年里發展迅速，被廣泛應用于智能手機、平板電腦和大型全彩電視等領域。OLEDs 的亮度和發光效率不斷提高，然而，OLEDs 的壽命和穩定性仍然有待提高。焦耳熱問題在OLED 器件上始終是存在的，特別是對于大面積器件，因為注入的電流更大。焦耳熱會導致器件性能和穩定性下降，例如有機分子的熱降解、亮度降低、壽命短和OLEDs 的光譜漂移大等，因此，為了進一步提高OLEDs 器件的工作壽命和穩定性，關鍵問題之一是有效地抑制和散發器件內部產生的熱量。

同時，OLEDs 的另一個關鍵問題是保護它們免受氧氣和濕氣的侵害。為此，已研究出了各種封裝技術，如傳統的玻璃封裝、環氧樹脂填充的玻璃封裝和barix 薄膜封裝等。對于封裝OLED 器件，熱通過封裝層傳遞到散熱片或周圍環境。因此，封裝需要允許高的氣體擴散阻擋層，同時滿足傳熱要求。本文建立了三維有限元熱仿真模型，比較分析了不同封裝方式下OLED 的溫度分布和傳熱特性。

有限元熱仿真模型能夠準確地估算器件溫度并仿真溫度分布。仿真結果表明，結合了散熱片的薄膜封裝結構表現出最佳的傳熱性能，并且幾乎沒有溫度梯度。在功率密度為900 kW/cm2時，器件內部最高溫度為54.36 ℃。傳統的玻璃封裝顯示出最差的熱性能。即使借助散熱片，裝置內部的最高溫度也僅降低了1.19 ℃（從70.14 ℃降至68.95 ℃）。

2 模型

本文重點介紹一種具有標準結構的底發射OLED，如圖1 所示。其中氧化銦錫（ITO）、聚（3，4-乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鈉）（PEDOT：PSS）、聚（9-9-二辛基芴）（PFO）、氟化鋰（LiF）和鋁（Al）分別作為陽極、空穴傳輸層（HTL）、發射層（EML）、電子注入層（EIL）和陰極。其原理圖/示意圖如圖2 所示。器件的發光面積為9.0 mm2。

為了仿真和分析OLED 在穩態下的熱傳輸特性和溫度場分布，在COMSOL 多物理場軟件中使用固體傳熱模塊建立了三維熱仿真模型。

對于OLED 器件，輸入的電功率等于器件內能增加、光能消耗以及通過對流和輻射向周圍環境散熱的總和。需要一些假設和簡化，以確保模型簡潔，并允許數學求解。注入電荷的大部分能量導致OLED 器件的焦耳熱而不是發光[1]。因此假設所有的電輸入都轉換為熱，通常，載流子的復合區在HTL/EML 界面附近或EML 中[2]，并且在電子傳輸層（ETL）層內的界面附近會感應出高電場[3]。如圖1 所示的標準OLED，使用EML 材料作為EML 和ETL。因此，我們假設EML 是一個均勻的內熱源，熱導率不隨溫度變化。

下頁表1 給出了仿真所需的參數值。環境溫度為35℃[4]，玻璃基板厚度為1.2 mm。下頁圖3 顯示了在功率密度為900 kW/cm2時各層的溫度分布，可以看出OLED 有源區內部的溫度梯度在穩態條件下很小，最高溫度位于EML 層靠近陰極的地方。這與先前的結果是一致的。如圖4 所示，熱模型仿真結果與文獻［4］中的測量結果吻合得很好，但是還看到，在高功率密度下，本文的仿真結果比文獻中的結果略大。這主要是因為仿真結果是陰極表面最高溫度，而測量結果是測量的陰極表面區域的平均溫度。總體而言，熱模型能夠準確地仿真器件的溫度。因此，該模型可用于研究不同封裝方式下OLED 器件的傳熱特性。

表1 仿真所需的參數值

3 結果和討論

本文利用第2 節建立的熱模型研究了三種不同封裝結構的OLED 器件的傳熱特性。這三種封裝結構分別為傳統玻璃封裝、環氧樹脂玻璃封裝和barix 薄膜封裝。將50 μm 厚的銅片作為柔性散熱片附著在封裝蓋的外表面上，以實現有效的散熱。

傳統的玻璃封裝結構是在一個裝滿惰性氣體的手套箱中完成的。該封裝技術具有結構簡單、技術成熟、成本低廉等優點。本文采用氮氣作為惰性氣體。對于玻璃蓋，本文使用中空玻璃蓋。將0.7 mm 厚的玻璃蓋挖空，使其厚度變為0.35 mm。圖5～圖6 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時無散熱片和有散熱片的器件表面溫度分布。可以看出，通過玻璃蓋表面的散熱比通過玻璃基板表面的散熱小得多。因此，可以觀測到一個明顯的溫度梯度。玻璃蓋的表面溫度小于玻璃基板的表面溫度。不帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為50.15 ℃和65.83 ℃。帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為44.53 ℃和64.35 ℃。可以看出，有散熱片和沒有散熱片的玻璃封裝OLED，溫度沒有太大差異。借助于散熱片，器件內部的最高溫度僅降低了1.19 ℃（從70.14 ℃降至68.95 ℃），這是因為氮氣的熱導率為0.024 W/（m·K），因此導致常規玻璃封裝的傳熱性能較差。

為了消除器件中的氮氣，park 提出了一種填充環氧樹脂的玻璃封裝結構。在這種結構中，將導熱環氧樹脂填充到玻璃蓋中，這與傳統的玻璃封裝相同。為了防止環氧樹脂對有機層和陰極層造成危害，插入一層由40 nm 厚的N，N′-雙（1-萘基）-N，N′-二苯基-1，1′-聯苯-4，4′-二胺（NPB）和50 nm 厚的LiF 組成的緩沖層。假定NPB 的熱導率與PEDOT：PSS 相同。下頁圖7～圖8 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時無散熱片和有散熱片的器件表面的溫度分布。結果表明，環氧玻璃封裝的OLED 從陰極到玻璃蓋的散熱量迅速增加，并且內部的溫度梯度小于傳統玻璃封裝的OLED。不帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為59.39 ℃和59.05 ℃。這是因為環氧樹脂的熱導率約為0.35 W/（m·K），遠高于氮氣的熱導率（0.024 W/（m·K））。因此，即使沒有散熱片也可以將熱量傳遞到周圍。但是，散熱片的附著效果并不理想。有散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為51.58 ℃和55.11 ℃。器件的最高溫度僅降低了4.6℃（從62.44 ℃降到57.84 ℃），盡管如此，降低的溫度也比傳統玻璃封裝的OLED 大（1.19℃）。可能是因為傳熱路徑很長，因此厚的（0.35 mm）環氧樹脂層內部出現了明顯的溫度梯度，這是由于環氧樹脂的熱導率仍然很低所致。

薄膜封裝（TFE）結構，該結構基于真空中的有機/無機多層膜。這種薄膜多層結構稱為barix 層，作為氣體擴散阻擋層非常有前景。因此，這種barix-TFE封裝具有許多優點，例如減少針孔、隔離水蒸氣和氧氣等，此外，與玻璃封裝相比，使用柔性顯示器更輕更薄。在本文的仿真中，通過交替沉積氧化鋁（Al2O3）和聚合物層形成Barix 層。仿真了沉積3.5 dyads TFE 的barix 層。氧化鋁和聚合物的熱導率分別為30 和0.107 W/（m·K）。圖9～圖10 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時無散熱片和有散熱片的器件表面的溫度分布。可以看出，散熱片大大降低了器件溫度。玻璃基板的最高表面溫度由67.28 ℃降低到53.32 ℃。TFT 蓋最高表面溫度由71.97 ℃降低到54.24 ℃。器件內部最高溫度由71.97 ℃降至54.36 ℃。此外，采用TFE 封裝并且有散熱片的OLED 基本上沒有溫度梯度。這種溫度的大幅度降低（約18 ℃）是由于TFE 結構的傳熱路徑短。TFE 層的總厚度僅為3.2μm。因此，在發光層中產生的熱量可以很好地傳遞到散熱片并被散熱片耗散。根據之前的傳統和環氧樹脂玻璃封裝的結果，可以得出結論：TFE 結構與散熱片相結合具有最佳的傳熱性能。

4 結論

必須封裝OLED 以避免氧氣和濕氣。因此，一種實用的散熱方法是檢查適配的陰極封裝和散熱片。本文建立了三維有限元熱仿真模型，并與前人的工作進行了比較，驗證了模型的可行性。對三種不同封裝方式的熱性能進行了對比分析。這三種封裝方案分別是傳統的玻璃封裝、環氧樹脂玻璃封裝和batrix 薄膜封裝。在有散熱片的情況下，batrix 薄膜封裝的傳熱性能最好，其次是環氧玻璃封裝，然后是傳統的玻璃封裝。由于薄膜封裝結構中的傳熱路徑較短，TFE 結構與散熱片組合具有最佳的傳熱性能。