有機(jī)電致發(fā)光二極管散熱機(jī)理模擬研究

林 洋，張 靜，蔡 苗，魏 斌，楊連喬*

(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室，上海 200072;2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

1 引 言

有機(jī)電致發(fā)光二極管 (Organic light－emitting diodes，OLEDs)具有超薄、響應(yīng)迅速以及柔性等獨特優(yōu)點［1－3］，在手機(jī)等小屏幕顯示領(lǐng)域已被成功應(yīng)用，同時在大尺寸顯示和室外照明領(lǐng)域［4－5］也展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。許多研究致力于提高OLEDs的性能，如使用具有較高熒光和磷光發(fā)射效率的材料;優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，開發(fā)具有微腔結(jié)構(gòu)的頂發(fā)射器件和插入載流子注入層以匹配不同材料的能級差;適當(dāng)摻雜，提高載流子遷移率等［6－10］。盡管OLEDs效率得到了很大提高，但其壽命與LED 相比仍相對較短［11］。

隨著OLEDs器件尺寸和輸入電流密度的增大，單位密度的熱流量增大，溫度與散熱能力對器件性能的影響更加明顯［12］。OLEDs的發(fā)光層為有機(jī)材料，常用的襯底材料為ITO(Indium tin oxide)玻璃，PET(Polyethylene terephthalate)也常被用來作為柔性 OLEDs襯底［1，13］。然而，有機(jī)材料、玻璃、PET都具有很低的熱傳導(dǎo)率，散熱性能不佳，而且有機(jī)材料在高溫下會被分解，OLEDs結(jié)構(gòu)會被熱應(yīng)力破壞［14］，導(dǎo)致器件加速老化。2004 年，Vamvounis等［15］報道了溫度對 OLEDs器件可靠性的影響。2008年，Tsuji等［16］采用拉曼散射測量了OLEDs發(fā)光層的工作溫度。2009年，Chung等［17］利用紅外熱成像法測量了導(dǎo)熱系數(shù)不相同的基板的OLEDs的工作溫度。2011年，Li等［18］利用ANSYS有限元分析軟件研究了OLEDs的溫度場分布。2012年，Yang等［19］采用商用仿真軟件FloTHERM和瞬態(tài)熱學(xué)測試技術(shù)評估了OLEDs面板的熱學(xué)特性。2013年，Yang等［20］將紅外熱像與電學(xué)測試法相結(jié)合，指出兩者結(jié)合可以為OLEDs的熱分析提供更加具有指導(dǎo)意義的信息。

本文研究了OLEDs的發(fā)光和散熱過程，從傳熱學(xué)角度分析得到了器件的熱耗散功率中輻射與對流各自所占的比重以及引起的溫升，通過制備具有不同有機(jī)層材料的OLEDs研究了器件亮度、溫度與衰減的相互影響。

2 實 驗

實驗采用預(yù)沉積圖案的ITO玻璃(方塊電阻約為20 Ω/□)為襯底，實驗前對襯底依次通過去污粉、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，干燥后再經(jīng)過氧等離子處理之后立即放入真空腔體。蒸鍍時真空度為 1×10－2Pa。OLEDs器件結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(50 nm)/Emitting layer(20 nm)/Alq3(40 nm)/LiF(0.3 nm)/Al(120 nm)，其中 ITO為陽極，NPB為空穴傳輸層，Alq3為電子傳輸層，LiF為輔助電子注入層，Al為陰極;發(fā)光層(Emitting layer)分別為 Alq3∶1%PtOEP、Alq3∶1%Coumarin－6 和 Alq3∶1%Rubrene，摻雜比例均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。蒸發(fā)速度及厚度用石英晶片測量，有機(jī)材料、LiF、Al的蒸發(fā)速度分別控制為 0.06，0.01，0.5 nm/s。器件發(fā)光面積為2 mm×5 mm。

所有器件均在大氣、室溫(300 K)、未封裝條件下測試。電致發(fā)光光譜、亮度用理寶公司(Libero Ltd.)的PR650光譜掃描色度計測量。器件表面溫度用美國福祿克公司K型鎳鉻－鎳硅熱電偶FLUKE 54B測量。當(dāng)溫度高于－100℃時，該熱電偶的溫度準(zhǔn)確度為±(0.05%+0.3℃)，顯示分辨率為0.1℃。測量時，將80PK－1珠型探頭與器件中心的金屬陰極一側(cè)用導(dǎo)熱膠帶貼合。每種器件測試所得數(shù)據(jù)是6個實驗樣品測試結(jié)果的平均值。實驗結(jié)果重復(fù)性良好。

3 結(jié)果與討論

OLEDs是一種注入型電致發(fā)光器件，結(jié)構(gòu)為電極/有機(jī)層/電極，其工作原理是在電極間施加電壓，電子和空穴分別從陰極和陽極向電極之間的有機(jī)活性層注入，正負(fù)載流子在電場作用下相向輸運，在發(fā)光層中復(fù)合產(chǎn)生激子，最后激子通過輻射躍遷產(chǎn)生光。但是受到材料能級、電子和空穴的遷移率等影響，目前OLEDs器件的電光轉(zhuǎn)換效率只有15%左右［21］。也就是說，其余85%左右的能量被轉(zhuǎn)換成熱能。

圖1是發(fā)光層為Alq3∶1%Rubrene的OLEDs器件在功率效率為23.5 lm/W、亮度為1 000 cd/m2時的表面溫度隨時間變化的曲線，插圖為器件的電致發(fā)光光譜。器件開始工作后，溫度開始迅速上升，在一段時間后緩慢增加，直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。從圖1可以看出，器件在工作約250 s后，溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時測得器件表面的實際溫度為66.3 ℃，溫升為39.3 ℃。

圖1 OLEDs器件表面溫度隨工作時間的變化曲線，插圖是發(fā)光層為Alq3∶1%Rubrene的器件的發(fā)光照片和光譜。Fig.1 Curve of the device surface temperature vs.operating time.Inset is the photo and emission spectrum of the device with the emitting layer of Alq3∶1%Rubrene.

由于載流子的輻射性復(fù)合與隨機(jī)復(fù)合并存，所以O(shè)LEDs的輸入功率最終轉(zhuǎn)換為光能和熱能。假設(shè)OLEDs各處溫度相等(因此忽略了熱傳導(dǎo))，熱能通過熱輻射和對流散發(fā)到環(huán)境中，如圖2所示。由于OLEDs各組成材料比較薄，因此在本文中假設(shè)器件表面溫度與結(jié)溫一致。通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)光、熱輻射、熱對流與輸入功率的比例分別為15%、30%和55%時，計算結(jié)果最接近實際測量所得結(jié)果，具體計算依據(jù)與結(jié)果將在3.1、3.2 節(jié)中詳細(xì)陳述。

圖2 器件結(jié)構(gòu)示意圖。①表示發(fā)光，②表示熱輻射和對流。Fig.2 Schematic diagram of OLEDs.① represents the light emitting process，and ② represents the thermal radiation and convection process.

3.1 熱輻射引起的器件溫度改變

熱輻射是導(dǎo)致器件溫度升高的主要原因之一?？刂乒β市时３譃棣荓=23.5 lm/W，假設(shè)器件溫度處處相等，通過改變輸入電流來改變該OLEDs器件的亮度，從而得到該器件在不同亮度下因熱輻射造成的溫度變化。根據(jù)斯蒂芬·玻爾茲曼定律［22］，物體單位面積紅外輻射功率與物體表面溫度的四次方和物體表面的輻射系數(shù)成正比:

式中，E為器件單位面積紅外輻射功率，ε為輻射系數(shù)，δ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，T為物體的絕對溫度。由于發(fā)射率決定于材料性質(zhì)和表面狀態(tài)，基本不變，所以紅外輻射能的變化最終表現(xiàn)為器件表面物理溫度的變化。熱輻射主要從ITO和Al電極這兩側(cè)分別發(fā)射。當(dāng)器件的功率效率為ηL、亮度為L時，輸入功率為:

綜合以上分析，得到:

其中，T為器件表面的絕對溫度，Td為室溫。由此可以得到OLEDs的溫度隨亮度的變化。以上公式所涉及的參數(shù)如下:δ=5.673×10－8W/(m2·K)，εITO=0.1，εAl=0.05，Td=300 K，ηL=23.5 lm/W。于是器件表面溫度T為:

如圖3所示，當(dāng)器件沒有點亮?xí)r，溫度為室溫。當(dāng)器件被點亮后，隨著亮度的增加，器件的溫度呈上升趨勢。當(dāng)亮度達(dá)到1 000 cd/m2時，器件表面溫度達(dá)到63.4℃，輻射引起的溫度上升為ΔT1=36.4℃。如果器件長時間保持在這個溫度下工作，壽命將會大大縮短。

圖3 器件表面溫度隨亮度的變化曲線。Fig.3 Curve of the device surface temperature vs.luminance

3.2 對流引起的器件溫度改變

由于測量是在器件未封裝時的空氣中進(jìn)行，所以要考慮對流對器件表面溫度的影響。對流換熱公式是由牛頓在1701年提出的，又稱牛頓冷卻定律［23］，即流體與固體壁面之間的對流傳熱與它們的溫度差成正比:

其中:q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內(nèi)交換的熱量，稱為熱流密度;h為表面對流換熱系數(shù)［24］，空氣與鋁電極的自然換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，空氣與玻璃基板的自然對流換熱系數(shù)為25 W/(m2·K);Tw和T∞分別為固體表面和流體的溫度，單位為開爾文(K)。將器件和玻璃基板視為一個整體，帶入具體數(shù)值。根據(jù)定義，將公式(2)帶入公式(5)，可以得到:

其中ηL=23.5 lm/W，得到器件亮度和溫度的關(guān)系:

從式(7)可以看出器件溫度改變和亮度成正比例關(guān)系，器件亮度增加，其表面溫度也隨之增加。當(dāng)亮度為1 000 cd/m2時，對流引起的溫度上升為ΔT2=Tw－T∞=3.0℃?？梢钥闯觯蓪α髟斐傻钠骷囟茸兓谄骷l(fā)熱過程中不是決定因素。值得注意的是，對流造成的器件溫度變化和器件工作時的工作功率、亮度以及環(huán)境溫度、環(huán)境的對流換熱系數(shù)相關(guān)。由于材料的界面缺陷、載流子在不同材料中遷移率不同等因素，載流子未在發(fā)光層中復(fù)合發(fā)光，而是隨機(jī)復(fù)合產(chǎn)生熱能，造成器件溫度升高，這是發(fā)熱的本質(zhì)原因。

結(jié)合熱輻射和熱對流兩種發(fā)熱機(jī)制，器件工作在23.5 lm/W的功率效率下，亮度為1 000 cd/m2時的表面溫度達(dá)到66.4℃，溫升ΔT=ΔT1+ΔT2=39.4℃。器件工作時，熱輻射和熱對流兩種機(jī)制共同造成器件溫度的改變，其機(jī)理較為復(fù)雜，本文沒有涉及到這兩種機(jī)制共同作用時的溫度計算，而是分開計算，這也是本文計算OLEDs熱損耗的方法缺陷之一，其優(yōu)化方案還有待進(jìn)一步研究。

3.3 發(fā)光層材料隨器件亮度衰減的影響

我們制備了具有不同發(fā)光層的OLEDs器件:ITO/NPB(50 nm)/Emitting layer(20 nm)/Alq3(40 nm)/LiF(0.3 nm)/Al(120 nm)，發(fā)光層分別為 Alq3∶1%PtOEP、Alq3∶1%Coumarin－6、Alq3∶1%Rubrene。圖4表明OLEDs的發(fā)光層材料不同，其亮度衰減隨時間的變化率不同(初始亮度為3 000 cd/m2)。從圖4可以看出，發(fā)光層為Alq3∶1%PtOEP的OLEDs和無機(jī)發(fā)光二極管亮度衰減率相差不大，說明該OLED器件性能比較穩(wěn)定。而發(fā)光層為Alq3∶1%Rubrene的OLEDs器件亮度衰減嚴(yán)重，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化極大，說明該結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。對于具有不同發(fā)光層的發(fā)光器件，由于其材料的分子結(jié)構(gòu)差異、分子堆積方式不同、載流子的遷移率不同等原因，造成散熱機(jī)制有差異，因此，器件老化速率不同。

圖4 具有不同發(fā)光層材料的OLEDs器件亮度衰減速率曲線Fig.4 Curves of the brightness decay rate of OLEDs with different light－emitting materials

4 結(jié) 論

從傳熱學(xué)角度分析了OLEDs的散熱機(jī)制，并利用經(jīng)典的熱輻射和熱對流模型研究了OLEDs的散熱過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)光僅消耗輸入功率的15%，熱輻射占30%，熱對流占55%，計算得到因發(fā)熱而造成的器件溫度上升為39.4℃。影響器件性能的決定因素有環(huán)境溫度、材料、工作功率等。發(fā)光材料不同，器件的亮度衰減速率也不一樣。

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