OLED显示器热带雨林环境适应性研究

王冲文，赵宏坤，刘 剑，王乔方，朱光宇，杨玉萍，罗 瑞，赵远荣，李 伟，刘艳芳，戈 帆

OLED显示器热带雨林环境适应性研究

王冲文，赵宏坤，刘 剑，王乔方，朱光宇，杨玉萍，罗 瑞，赵远荣，李 伟，刘艳芳，戈 帆

（国营第二九八厂，云南 昆明 650114）

为开展OLED显示器在热带雨林气候条件下的环境适应性研究，将OLED显示器置于西双版纳试验站进行库内自然暴露试验，并定期对样品进行观察和检测。经过一年的暴露试验，OLED显示器表面出现针孔、黑点和膜层脱落等现象，以及发光面积减小和亮度降低等性能衰减变化。研究发现，OLED显示器在热带雨林环境中长期受温度、湿度等环境因素的交变应力作用，其密封性遭到破坏，外界氧气、水汽等进入显示器内部，最终导致OLED显示器失效。因此，要想进一步提高OLED显示器在热带雨林环境中的使用寿命，关键在于改善OLED显示器的密封性。

OLED；热带雨林；环境适应性；密封性

0 引言

OLED（organic light-emitting diode）显示器具有发光效率高、功耗低、质量轻、厚度薄、可弯曲、主动发光、色彩饱和度高等优点，是目前最具发展前景的显示技术[1]。作为光电技术的重要终端核心器件，OLED显示器很早时期就为军事应用所开发，在武器装备信息化发展中具有重要作用，已成为当今欧美主流信息化武器装备的标准配置，并广泛应用于飞机、航天器、坦克装甲车辆以及单兵武器装备，如枪械瞄具、战车坦克、航空航天以及军用信息化视频眼镜等。由于OLED显示器为全固态，具有无真空腔、无液态成分、抗震性好等特点，可在高寒、强烈震动以及具有巨大加速度等恶劣环境中使用。

近年来，OLED显示器发展取得明显进步，但大多将研究重点放在如何提高其发光效率等性能研究上，而忽略了OLED的使用环境及其寿命的研究，事实证明，真正限制OLED显示器实现商业化、规模化、大众化运用的主要因素正是其有待提高的环境适应性[2-3]。对积累的故障数据按不同的环境条件进行分析，结果显示，OLED显示器在湿热环境下使用时故障率最高。目前国内外尚无OLED显示器在热带雨林环境中的适应性研究的报道。

本文将OLED显示器长期置于热带雨林环境中进行自然环境暴露试验，收集OLED显示器的失效模式，分析其失效机理，进而开展OLED显示器的热带雨林环境适应性研究。

1 OLED显示器寿命影响因素

OLED，即有机电致发光二极管，主要是在透明阴极和金属阳极间夹杂上有机功能薄膜和有机发光层薄膜，在外界电压的驱动下，由电极阴极和阳极注入的电子和空穴传输到有机层中进行复合后产生激子，激子在电场作用下发生迁移并伴随着能量释放，这些能量又传递给有机发光物质的分子，使其从基态跃迁到激发态，当受激分子从激发态回到基态时，辐射跃迁产生光子，达到发光现象，其本质上是一种将电能转换为光能达到发光效果的器件[4-5]。OLED微型显示器结构如图1所示，主要由金属阳极、多层OLED发光薄膜、透明阴极、过滤层、复合高密度密封薄膜等组成，贴装有玻璃保护盖片，再与PCB背板互联封装而成。研究发现[2-3]，OLED显示器的使用寿命除受内在自身材料老化影响外，主要还受使用环境的温度和湿度影响较大，在25℃和50% RH的常规温、湿度条件下，OLED显示器的工作寿命可达数万小时，但在高温高湿环境下其寿命将大大降低，从动力学分析认为，OLED器件的工作温度每升高10℃，器件的老化速率将增加一倍。OLED显示器的使用受湿度影响也较大，尤其是当器件的密封性被破坏时，空气中的水汽和氧气进入器件内部，与金属电极发生氧化或使有机层发生水解等，复旦大学彭雅芳[4]经实验研究表明，密封性破坏后，空气中的水汽和氧气可在数小时内就将OLED显示器的发光性能降低甚至直接破坏，这与L. M. Do和Burrows等人开展的关于水汽分解和氧化理论研究相符[4]，其分解氧化的化学方程式如下：

4H++4e-→2H2

4OH-+4H+→2H2O+O2

4Al+3O2→2Al2O3

图1 OLED显示器结构示意图

2 热带雨林气候环境试验

热带雨林气候具有高温高湿的特点，是对提高OLED显示器使用寿命和进行可靠性研究的重要环境，开展OLED显示器在热带雨林气候的环境适应性研究，可为我国OLED显示器的设计、使用及维护提供一定的试验依据。

西双版纳试验站的年平均温度为22.1℃，最高温度达37.2℃，单日最大温差高达21.8℃；年平均相对湿度为84% RH，最高相对湿度达99% RH，单日最大湿度差高达80% RH，属于典型的热带雨林气候环境，是精密仪器设备的故障频发区。OLED显示器显微图及图像显示如图2所示，由红绿蓝三基色组成，通过三基色彩色过滤层可实现全彩色显示。针对OLED显示器的热带雨林环境适应性研究，本文采用一款低功耗主动式OLED彩色显示器为试验样件，将OLED显示器投放于西双版纳热带雨林自然环境试验站库内进行自然暴露试验，以半年为一个试验周期，共试验四个周期，每个试验周期定时取样进行相关外观观察和性能检测，并对试验结果进行分析整理。

3 自然环境试验结果及讨论

3.1 试验结果

OLED显示器经热带雨林环境自然暴露试验后结果如图3所示，其中，图(a)为试验前的OLED显示器图片；图(b)为第一周期试验后图片；图(c)和图(d)为第二周期试验后图片；图(e)为第三周期试验后图片；图(f)为第四周期试验后图片。

从外观对比观察发现，自然暴露试验第一个周期后的OLED显示器与试验前的外观上无明显差别；第二个周期后的OLED显示器角落出现“针孔”，边缘出现破损；第三个周期后的OLED显示器失效面积由边缘和角落位置向中心扩散；当暴露到第四周期后，OLED显示器表面近70%的面积已经完全失效。

图3 OLED显示器试验结果：(a) 试验前；(b) 第一周期；(c)(d) 第二周期；(e) 第三周期；(f) 第四周期

分别对经过4个周期暴露试验的OLED显示器亮度进行检测，检测结果如表1所示，随着库内暴露试验时间的延长，OLED显示器的亮度呈下降趋势。

表1 OLED显示器各周期亮度

3.2 失效机理分析

第二个周期的OLED显示器针孔位置的显微图和SEM图如图4所示，其中心点发现结晶物，周围形成两个规则的圆环，这主要是因为在制作器件时，一些微小的灰尘颗粒先于阴极沉积到有机层上，当器件通电工作时，会形成不均匀的电场，从而导致该点的电流过大，最终短路成为“热点”，使得局部过热，有机层出现熔融，彩色过滤层被逐渐撑起，最终形成以微粒点为圆心的白色圆环。

将第二周期边缘失效的OLED显示器进行点亮，结果如图5所示。显示器上除破损位置外其余部分均能点亮，在检测仪器屏幕上，黑点依稀可见，在显微镜下观察，黑点更为清晰明显。李竑志、唐利斌等人曾对OLED黑点缺陷进行过相关研究[6]，并对黑点面积扩散理论进行了解释，得到黑点面积与OLED显示器老化时间近似为正比例，两者间满足下列关系式：

＝p2

式中：为黑点面积；为扩散系数；为老化时间。

图4 OLED显示器针孔：(a)(b) 显微图；(c)(d) SEM图

图5 OLED显示器黑点：(a) (b) 宏观图；(c) 显微图

第三周期和第四周期的OLED显示器表面均出现大面积失效，将未进行自然暴露试验的OLED显示器与第四周期的OLED显示器进行点亮对比，结果如图6所示，第四周期的OLED显示器表面失效部分已经无法正常点亮，在显微镜下对失效边缘进行观察，两侧可明显区分。在扫描电镜下观察失效样品表面，可发现有膜层脱落及氧化现象。

第四周期OLED显示器中失效部分的EDS图如图7所示，可以看出，除硅以外，氧含量最高，几乎和钠、镁、铝、铁的总含量相当。复旦大学的彭雅芳等人经过实验室试验研究发现，若器件密封性破坏严重，OLED显示器可在数小时内完全失效[4]。当密封性被破坏后，热带雨林环境中丰富的氧气及水汽进入器件内部，氧气可与器件内的钠、镁、铝、铁等活泼金属以及电极材料发生氧化反应。此外，氧气会与有机层接触发生氧化，生成羰基化合物，它是一种有效的淬灭剂，会显著降低OLED显示器的发光量子效应[7-9]；水汽则会使有机层与电极间的界面黏附降低[10]，造成两者间逐渐分离，间接为氧气扩散制造出更大空间，因此，在氧气和水汽的综合作用下，OLED显示器的失效速率将不断增加。

3.3 OLED封装技术

对失效的OLED显示器进行统计分析，超过90%的失效样品都是从边角位置开始逐渐延伸到屏幕内部。国内外大量实验及研究均表明，密封性的破坏是影响OLED显示器使用寿命的关键，因此，各种封装技术方法也在不断发展变化[11]。早期封装技术主要通过在封装空间内填充各种干燥剂来保持封装空间内干燥；随着OLED的显示面积变大且越来越薄，逐渐出现了柔性封装，这种封装方式可与显示器件紧密贴合，使得封装板体积更薄，还有助于覆盖更大的面积；后来又提出多层封装方法，如有机膜、无机膜交错密封，并逐渐提高不同材质的膜层之间的粘附力，避免层与层之间产生位移或断裂；近年来在多膜层密封的基础上进一步增加环绕各个密封层的阻挡层，以阻挡水汽和氧气的进入，与此同时，在密封层中还可以掺入吸水材料或者微粒，进一步提高阻挡效果，甚至在显示器内部设置水氧检测部，当水氧含量超标时，可及时预警，以便对密封层进行检测加固，从而提高OLED显示器的使用寿命[12]。为解决OLED的密封性问题，德国布伦瑞克大学的J. Meyer采用交替沉积Al2O3和ZrO2形成纳米堆叠结构的方式对OLED器件进行封装[13]；加利福尼亚大学的N. Kim等采用旋涂Cytop（全氯代聚合物）作为水汽阻挡层的封装方法，将器件半衰期寿命提高了5倍以上[14]；Kodak公司研究利用原子层沉积Al2O3作为阻挡层进行薄膜封装[15]，这些封装技术对水汽和氧气渗透都具有较好的阻挡作用。

图6 OLED显示器、显微图和SEM图：(a) 试验前；(b)第四周期；(c)(d)(e) 失效部分显微图；(f) 失效部分SEM图

图7 OLED显示器中失效部分EDS图

4 结论

OLED显示器在西双版纳热带雨林自然环境试验站下经过四个周期的库内暴露试验后，OLED显示器表面出现针孔、黑点及膜层脱落等现象，并伴随着亮度降低和发光面积减小等性能衰减问题。通过对OLED显示器的失效机理进行系统分析，深入开展OLED显示器热带雨林环境适应性研究，主要是由于热带雨林环境具有高温高湿的环境特征，在温度和湿度的交变应力作用下，OLED显示器的密封性逐渐被破坏，空气中的水汽和氧气进入OLED显示器内部，引起有机层水解、电极金属氧化等，进而造成OLED显示器的性能衰减和结构破坏。因此，要想提高OLED显示器在热带雨林环境中的使用寿命，在设计、选材、工艺及维护等过程中都需要重点考虑不断提升和保证OLED显示器的密封性。

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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.

王冲文（1991-），男，云南曲靖人，工程师，硕士研究生，主要从事环境试验研究。E-mail：530359488@qq.com。

国防科技工业技术基础科研项目（JSHS2016208B005）。