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

OLED顯示器熱帶雨林環(huán)境適應性研究

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

（國營第二九八廠，云南 昆明 650114）

為開展OLED顯示器在熱帶雨林氣候條件下的環(huán)境適應性研究，將OLED顯示器置于西雙版納試驗站進行庫內(nèi)自然暴露試驗，并定期對樣品進行觀察和檢測。經(jīng)過一年的暴露試驗，OLED顯示器表面出現(xiàn)針孔、黑點和膜層脫落等現(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)境中長期受溫度、濕度等環(huán)境因素的交變應力作用，其密封性遭到破壞，外界氧氣、水汽等進入顯示器內(nèi)部，最終導致OLED顯示器失效。因此，要想進一步提高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、主動發(fā)光、色彩飽和度高等優(yōu)點，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顯示器很早時期就為軍事應用所開發(fā)，在武器裝備信息化發(fā)展中具有重要作用，已成為當今歐美主流信息化武器裝備的標準配置，并廣泛應用于飛機、航天器、坦克裝甲車輛以及單兵武器裝備，如槍械瞄具、戰(zhàn)車坦克、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)，具有無真空腔、無液態(tài)成分、抗震性好等特點，可在高寒、強烈震動以及具有巨大加速度等惡劣環(huán)境中使用。

近年來，OLED顯示器發(fā)展取得明顯進步，但大多將研究重點放在如何提高其發(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，事實證明，真正限制OLED顯示器實現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?；⒋蟊娀\用的主要因素正是其有待提高的環(huán)境適應性[2-3]。對積累的故障數(shù)據(jù)按不同的環(huán)境條件進行分析，結(jié)果顯示，OLED顯示器在濕熱環(huán)境下使用時故障率最高。目前國內(nèi)外尚無OLED顯示器在熱帶雨林環(huán)境中的適應性研究的報道。

本文將OLED顯示器長期置于熱帶雨林環(huán)境中進行自然環(huán)境暴露試驗，收集OLED顯示器的失效模式，分析其失效機理，進而開展OLED顯示器的熱帶雨林環(huán)境適應性研究。

1 OLED顯示器壽命影響因素

OLED，即有機電致發(fā)光二極管，主要是在透明陰極和金屬陽極間夾雜上有機功能薄膜和有機發(fā)光層薄膜，在外界電壓的驅(qū)動下，由電極陰極和陽極注入的電子和空穴傳輸?shù)接袡C層中進行復合后產(chǎn)生激子，激子在電場作用下發(fā)生遷移并伴隨著能量釋放，這些能量又傳遞給有機發(fā)光物質(zhì)的分子，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當受激分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，輻射躍遷產(chǎn)生光子，達到發(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，主要由金屬陽極、多層OLED發(fā)光薄膜、透明陰極、過濾層、復合高密度密封薄膜等組成，貼裝有玻璃保護蓋片，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數(shù)萬小時，但在高溫高濕環(huán)境下其壽命將大大降低，從動力學分析認為，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，尤其是當器件的密封性被破壞時，空氣中的水汽和氧氣進入器件內(nèi)部，與金屬電極發(fā)生氧化或使有機層發(fā)生水解等，復旦大學彭雅芳[4]經(jīng)實驗研究表明，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

熱帶雨林氣候具有高溫高濕的特點，是對提高OLED顯示器使用壽命和進行可靠性研究的重要環(huán)境，開展OLED顯示器在熱帶雨林氣候的環(huán)境適應性研究，可為我國OLED顯示器的設計、使用及維護提供一定的試驗依據(jù)。

西雙版納試驗站的年平均溫度為22.1℃，最高溫度達37.2℃，單日最大溫差高達21.8℃；年平均相對濕度為84% RH，最高相對濕度達99% RH，單日最大濕度差高達80% RH，屬于典型的熱帶雨林氣候環(huán)境，是精密儀器設備的故障頻發(fā)區(qū)。OLED顯示器顯微圖及圖像顯示如圖2所示，由紅綠藍三基色組成，通過三基色彩色過濾層可實現(xiàn)全彩色顯示。針對OLED顯示器的熱帶雨林環(huán)境適應性研究，本文采用一款低功耗主動式OLED彩色顯示器為試驗樣件，將OLED顯示器投放于西雙版納熱帶雨林自然環(huán)境試驗站庫內(nèi)進行自然暴露試驗，以半年為一個試驗周期，共試驗四個周期，每個試驗周期定時取樣進行相關(guān)外觀觀察和性能檢測，并對試驗結(jié)果進行分析整理。

3 自然環(huán)境試驗結(jié)果及討論

3.1 試驗結(jié)果

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

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

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

分別對經(jīng)過4個周期暴露試驗的OLED顯示器亮度進行檢測，檢測結(jié)果如表1所示，隨著庫內(nèi)暴露試驗時間的延長，OLED顯示器的亮度呈下降趨勢。

表1 OLED顯示器各周期亮度

3.2 失效機理分析

第二個周期的OLED顯示器針孔位置的顯微圖和SEM圖如圖4所示，其中心點發(fā)現(xiàn)結(jié)晶物，周圍形成兩個規(guī)則的圓環(huán)，這主要是因為在制作器件時，一些微小的灰塵顆粒先于陰極沉積到有機層上，當器件通電工作時，會形成不均勻的電場，從而導致該點的電流過大，最終短路成為“熱點”，使得局部過熱，有機層出現(xiàn)熔融，彩色過濾層被逐漸撐起，最終形成以微粒點為圓心的白色圓環(huán)。

將第二周期邊緣失效的OLED顯示器進行點亮，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亮，在檢測儀器屏幕上，黑點依稀可見，在顯微鏡下觀察，黑點更為清晰明顯。李竑志、唐利斌等人曾對OLED黑點缺陷進行過相關(guān)研究[6]，并對黑點面積擴散理論進行了解釋，得到黑點面積與OLED顯示器老化時間近似為正比例，兩者間滿足下列關(guān)系式：

＝p2

式中：為黑點面積；為擴散系數(shù)；為老化時間。

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：(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，將未進行自然暴露試驗的OLED顯示器與第四周期的OLED顯示器進行點亮對比，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)無法正常點亮，在顯微鏡下對失效邊緣進行觀察，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。復旦大學的彭雅芳等人經(jīng)過實驗室試驗研究發(fā)現(xiàn)，若器件密封性破壞嚴重，OLED顯示器可在數(shù)小時內(nèi)完全失效[4]。當密封性被破壞后，熱帶雨林環(huán)境中豐富的氧氣及水汽進入器件內(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。此外，氧氣會與有機層接觸發(fā)生氧化，生成羰基化合物，它是一種有效的淬滅劑，會顯著降低OLED顯示器的發(fā)光量子效應[7-9]；水汽則會使有機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)

對失效的OLED顯示器進行統(tǒng)計分析，超過90%的失效樣品都是從邊角位置開始逐漸延伸到屏幕內(nèi)部。國內(nèi)外大量實驗及研究均表明，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)主要通過在封裝空間內(nèi)填充各種干燥劑來保持封裝空間內(nèi)干燥；隨著OLED的顯示面積變大且越來越薄，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；后來又提出多層封裝方法，如有機膜、無機膜交錯密封，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；近年來在多膜層密封的基礎(chǔ)上進一步增加環(huán)繞各個密封層的阻擋層，以阻擋水汽和氧氣的進入，與此同時，在密封層中還可以摻入吸水材料或者微粒，進一步提高阻擋效果，甚至在顯示器內(nèi)部設置水氧檢測部，當水氧含量超標時，可及時預警，以便對密封層進行檢測加固，從而提高OLED顯示器的使用壽命[12]。為解決OLED的密封性問題，德國布倫瑞克大學的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OLED器件進行封裝[13]；加利福尼亞大學的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作為阻擋層進行薄膜封裝[15]，這些封裝技術(shù)對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)境試驗站下經(jīng)過四個周期的庫內(nèi)暴露試驗后，OLED顯示器表面出現(xiàn)針孔、黑點及膜層脫落等現(xiàn)象，并伴隨著亮度降低和發(fā)光面積減小等性能衰減問題。通過對OLED顯示器的失效機理進行系統(tǒng)分析，深入開展OLED顯示器熱帶雨林環(huán)境適應性研究，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入OLED顯示器內(nèi)部，引起有機層水解、電極金屬氧化等，進而造成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，在設計、選材、工藝及維護等過程中都需要重點考慮不斷提升和保證OLED顯示器的密封性。

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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)境試驗研究。E-mail：530359488@qq.com。

國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（JSHS2016208B005）。