黨宏社，張 芳

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

有機(jī)電致發(fā)光二極管OLED(Organic Light-Emitting Diode)是一種新型平板顯示器件。相比于傳統(tǒng)的CRT、LCD，OLED具有低功耗、高亮度、主動發(fā)光、響應(yīng)速度快、無視角問題及柔性化顯示等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是最有可能替代液晶顯示的器件[1]。

壽命較短是制約OLED產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。在OLED的研制過程中，壽命是表征器件性能的一項重要指標(biāo)[2-3]。目前，用于OLED壽命測量的儀器種類很少，針對OLED壽命測量的研究大多停留在實驗室階段。

本文介紹了一種基于LM3S1138的有機(jī)電致發(fā)光二極管壽命檢測儀。該檢測儀成本低、體積小、操作方便；提供給被測器件的恒流數(shù)值和恒壓數(shù)值的大小均可任意設(shè)定，能夠滿足對不同規(guī)格OLED器件壽命進(jìn)行測試的要求；能夠同時對一組8個OLED器件的壽命進(jìn)行測試；通過測量環(huán)境溫度實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，改善溫度變化對亮度測量結(jié)果的影響，提高測量的準(zhǔn)確性。

1 壽命檢測原理

為了測試出OLED的壽命，采用通用的正向恒流反向恒壓的驅(qū)動模式，即在其兩端施加給定的電壓和電流驅(qū)動，使器件在規(guī)定的測試條件下點亮。器件的發(fā)光強(qiáng)度與通過的電流成正比。隨著時間的推移，有機(jī)物的老化導(dǎo)致被測器件的閾值電壓和歐姆電阻不斷增加，通過器件的電流則不斷減小，發(fā)光亮度亦隨之減弱。亮度下降為起始亮度的1/2時所用的時間稱為半衰期[4]。

測量有機(jī)電致發(fā)光器件的壽命可通過測量其半衰期來實現(xiàn)。因此，需要測量被測器件的起始亮度、起始時間及發(fā)光亮度衰減到起始亮度一半時所用的時間。

2 總體方案設(shè)計

如圖1所示，檢測儀部分主要包括微控制器、數(shù)控電壓輸出電路、數(shù)控恒流源電路、光強(qiáng)測量電路、液晶顯示及提示和按鍵電路。

數(shù)控電壓輸出電路用于向被測器件提供反向恒壓；數(shù)控恒流源電路用于向被測器件提供正向恒流源；光強(qiáng)測量電路用于測量被測器件的發(fā)光強(qiáng)度；按鍵電路用于設(shè)置本次測試的電壓值和恒流值；液晶顯示與提示用于顯示半衰期測量時間、當(dāng)前溫度和工作狀態(tài)等。

采用型號為LM3S1138的嵌入式微控制器，相比于PC機(jī)和單片機(jī)在實現(xiàn)OLED壽命檢測方面具有如下優(yōu)勢：高性能的32位運(yùn)算能力；成本與傳統(tǒng)8位和16位器件相當(dāng)；自帶實時振蕩器，無需外擴(kuò)時基電路就能實現(xiàn)高精度的時間測量；ADC模塊轉(zhuǎn)換分辨率為10位，支持8個輸入通道，速率達(dá) 1 MS/s，保證了在每次測量過程中可同時對一組8個被測器件進(jìn)行測量，提高了測量效率；16 KB SRAM和64 KB Flash，內(nèi)存大小滿足存儲要求，無需外擴(kuò)存儲器；自帶內(nèi)部溫度傳感器，用于測量環(huán)境溫度；通信接口電路可將測量數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，實現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析等功能。

3 硬件設(shè)計

3.1 數(shù)控電壓輸出電路

如圖2所示，數(shù)控電壓輸出電路用于給被測有機(jī)電致發(fā)光二極管提供數(shù)控的可調(diào)電壓。通過設(shè)定所需的電壓,經(jīng)微控制器以數(shù)字量形式輸出,由D/A轉(zhuǎn)換器DAC7513轉(zhuǎn)換為模擬量電壓值并輸入運(yùn)算放大器LM324，通過U2A放大電路輸入到U2B的同相端，由于U2B的反相端與同相端電壓相同，因此,三極管Q1的射極輸出電壓即為給定的電壓。

使用電壓測量反饋電路用于調(diào)整加到被測器件上的輸出電壓，實際輸出電壓為給定電壓和反饋電壓之和，從而提高了測量的準(zhǔn)確性。

3.2 數(shù)控恒流源電路

如圖3所示，數(shù)控恒流源電路用于給被測有機(jī)電致發(fā)光二極管提供數(shù)控的恒流源。通過設(shè)定所需的電流，經(jīng)微控制器以數(shù)字量形式輸出，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量電壓值，該模擬信號輸入運(yùn)放LM324的同相端。由于反相端與同相端電壓相等，實際輸入的電流即為反相端輸出電壓與電阻R3的比值，將該電流通過Q2漏極輸出提供給被測發(fā)光器件，等效于在被測器件上加入給定數(shù)值的恒流源。

3.3 光強(qiáng)測量電路

測量被測器件的發(fā)光亮度，一般方案是采用輝度計，但輝度計價格昂貴，若要實現(xiàn)對多個被測器件的同時測量，其成本很高?？紤]到光電池造價便宜、易于安裝，且在恒定溫度下，由于光電池的暗電流近似于零，光電池的輸出電流與照射到光電池上的光強(qiáng)成線性關(guān)系[5]，本檢測儀使用光電池的輸出電流表征被測器件的亮度信息。

光測量電路如圖4所示，使用波長范圍為380 nm～800 nm的光電池，由于光電池的輸出電流很小，電路中還需要對微弱的電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換及放大，再經(jīng)過微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，微控制器對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算，判斷輸出電壓值是否衰減到了原來值的一半，即被測器件的發(fā)光亮度是否衰減到了原來的一半。

3.4 溫度補(bǔ)償

在正常工作條件下，當(dāng)測量過程中的環(huán)境溫度上升時，光電池的輸出電流會隨之緩慢增加，由于OLED壽命測量是一個長時間檢測的過程，在這一過程中的溫度變化對光電池輸出電流的改變很可能影響到對被測器件發(fā)光亮度的判斷。因此，采用LM3S1138自帶的溫度傳感器測量工作過程中的環(huán)境溫度，利用線性插值法判斷不同溫度下對應(yīng)的光測量電路/輸出電壓，用曲線擬合的方法建立特性曲線的數(shù)學(xué)模型，并將相應(yīng)的參數(shù)以線性表的形式存入內(nèi)存。

實際測量過程中，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，微處理器按照線性表查找對應(yīng)溫度的輸出電壓值，利用軟件方式實現(xiàn)對光測量電路輸出電壓的補(bǔ)償，改善了溫度變化對亮度測量結(jié)果的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性。

3.5 按鍵與顯示

按鍵電路用于設(shè)置檢測的電壓值和恒流值。包括五個開關(guān)按鍵，功能分別為“設(shè)置/確認(rèn)”、“參數(shù)選擇”、“光標(biāo)移位”、“加 1”和“減 1”。

液晶顯示與提示電路包括LCD液晶顯示器和紅色發(fā)光二極管。液晶顯示器LM12864用于顯示設(shè)定的電壓值、設(shè)定的電流值、測試時間、當(dāng)前溫度及半衰期的值（半衰期沒有到時，顯示空白）。紅色發(fā)光二極管為工作過程提示信號燈，二極管的交替亮滅用于提示測試人員，表示測量是否結(jié)束。

圖5 測量主程序流程圖

4 軟件設(shè)計

OLED壽命檢測儀的軟件主程序流程如圖5所示。

如圖5所示，以單次測量為例，將被測有機(jī)電致發(fā)光二極管放置在一個光線密閉的測量裝置中，檢測儀上電，微處理器運(yùn)行初始化程序。通過外部鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，微控制器對被測器件兩端施加給定的測試電壓值和測試電流值，并啟動計時程序。測量過程中，利用液晶顯示器實時顯示給定參數(shù)及工作狀態(tài)；利用裝置內(nèi)的溫度傳感器獲取環(huán)境溫度的變化，軟件方式實現(xiàn)溫度補(bǔ)償；利用裝置內(nèi)的光電池獲取器件的發(fā)光強(qiáng)度，通過A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷亮度衰減量。當(dāng)光強(qiáng)測量電路的輸出電壓值達(dá)到初始值的一半時，停止計時，顯示并保存被測器件的半衰期。若要對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行更為復(fù)雜的分析，則運(yùn)行串口通信程序?qū)?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)PC中，否則，即完成一次測試過程。

對被測OLED器件進(jìn)行壽命測試實驗的結(jié)果表明，基于LM3S1138的OLED壽命檢測儀能夠調(diào)整施加在被測器件兩端的電壓和電流，針對不同規(guī)格的被測器件均能使其在規(guī)定的條件下正常工作，使用范圍廣；同時測量8個器件，大大縮短了測試時間，測試效率高；測試過程中使用溫度補(bǔ)償改善了溫度變化對亮度結(jié)果的影響，準(zhǔn)確性高。檢測儀操作簡單、使用方便、效果顯著。

[1]TANG C W,VIGIER VanSlyke,VIGIER S A.Organic electroluminescent diodes[J].IEEE Applied Physics Letters,1987,51(12):913-915.

[2]KATZ H E,Huang Jia.Thin-film organic electronic devices[J].Annual Review of Materials Research,2009,39:71-92.

[3]王云景,方勇軍.OLED顯示器件的原理及應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2007(8):32-34.

[4]余樹福,胡典鋼,王堅，等.多通道 OLED器件壽命分析測試系統(tǒng)研制[J].液晶與顯示,2011,26(4):532-537.

[5]陳志明,朱文清,張志林，等.有機(jī)電致發(fā)光器件壽命測試系統(tǒng)[J].光電子·激光,2006,17(11):1349-1350.