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给OLED“降点温”

2022-10-14

       9月8日，iphone14如期发布，将今年不温不火的电子消费市场溅起了一点浪花。苹果公司自2017年的iphone X系列首次引入OLED屏幕，到iphone 12系列全部采用OLED屏幕，再到如今的14系列依然全部采用OLED屏幕，OLED在中小尺寸显示领域已逐渐站稳“榜一大哥”的位置。据TrendForce研究报告显示，预计2023年OLED在手机市场的比重将由2021年的42%提升至50%以上。


       OLED显示技术发展的很早，1979年被邓青云博士发现，历经四十年的发展才得以大面积的应用于商用，其中一个原因是OLED的寿命低，直到今天提升OLED屏幕寿命仍是面板厂商、材料公司重点研究的一个课题。影响OLED寿命的因素很多，除OLED屏幕自身的器件结构，使用的有机材料，生产处理工艺等内部因素外，还有外界因素如环境温度。


       早在2002年，日本的M Ishii[1]就研究了环境温度对OLED寿命的影响，其研究结果表明温度升高会使OLED寿命大幅降低，并通过将寿命衰减曲线的时间归一化处理后认为温度的升高对OLED寿命衰减机制并未改变。


       而韩国的Chang M L[2]研究了温度对OLED光电性能和薄膜形貌的影响，作者通过在顶发射器件底部增加铜片作为加热源，在加热状态下，Tg较低的发光层主体材料CBP受到破坏且薄膜光学性能发生变化，其他功能层材料虽然未发生破坏，但薄膜表面形貌也发生了变化，并且光学性能也发生变化。虽然加热前后器件的的光谱并无较大差异，但温度变化对各膜层的形貌影响很大，这可能会在OLED器件后续工作时加速劣化器件。


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图. 器件起始亮度4800 cd/m2，在温度为25℃，85℃，120℃下的寿命衰减曲线


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图. 器件起始亮度4800 cd/m2，亮度、时间归一化处理的在温度为25℃，85℃，120℃下的寿命衰减曲线


       为了降低环境温度，减缓OLED寿命的衰减，韩国首尔国立大学的Chung S J[3]通过增加OLED器件基板的导热能力降低环境温度，进而提升寿命。硅衬底基板和玻璃基板导热率分别为150 W/（m*K）和1 W/（m*K），使用红外相机对点亮状态下的OLED器件的温度不断监控，可以明显的看出硅衬底基板的导热降温效果：硅基衬底基板OLED器件的温度基本不变，而玻璃衬底的OLED器件最高温度为64.5℃，比初始的20℃高出四十多度。器件寿命测试结果也可以看出硅衬底基板OLED器件寿命高于玻璃基板，并且温度相差越大，寿命差异越大。


       OLED的优势在于可使用柔性衬底，韩国的Vu M C[4]团队将二维结构的氟化石墨烯（GF）集成在三维的芳纶纳米纤维(ANF)网络中，得到力学性能优异的材料3维材料，并且含有GF的ANF具有高的导热率48.2 W /mK。与ANF相比，含有GF的ANF上的器件在相同电压下温度更低，且随随器件电压增大，温差越大。此外，搞得导热率也使最大亮度从1.38 cd/ cm2提升至1.69 cd/ cm2。因此，需要不断优化OLED器件结构及材料来降低其工作温度，减缓寿命衰减。


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图. 硅衬底基板和玻璃基板OLED器件在初始亮度为2K,5K,10K时的寿命测试结果


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图. 硅衬底基板和玻璃基板OLED器件在初始亮度为2K,5K,10K时，红外热成像测试不同点亮时间下器件的温度分布及最高温度


       大多数情况下，OLED屏幕的降温是通过自然对流散热实现的，为了研究自然对流条件下OLED屏幕的温度分布，匈牙利的Pohl L[5]利用立式器件对5种热对流模型进行了模拟，并与实测结果进行对比，模型d)和模型e)与实测结果最接近，其他模型与实测结果趋势也相近但结果误差略大，这表明热对流模型均可以用于研究自然对流下OLED屏幕的分布。这为我们研究如何更好的对OLED降温提供了模拟依据。


       吴福宝[6]就曾利用有限元对OLED和LCD的散热进行了模拟分析，模拟结果显示LCD的最高温度为60.068℃，而OLED的最高温度为30.005℃。这些模拟可以为OLED产品的设计提供指导，有利于屏幕的散热。


       从现有的专利上可以看出，各面板厂商和终端厂商都在想尽办法增强OLED的散热实现降温，例如苹果提出在AR/VR设备上增加散热片，或是其他厂商提出的在基板上增加散热层等措施。总的来说，OLED的降温散热都是通过提高导热率，增强环境对流等措施来实现。未来的显示产品会越来越高度集成化，大功率带来的热量需要快速释放，因此如何快速散热会成为OLED显示技术长期伴随的研究课题。



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图. OLED中线位置实测结果与5种模拟结果在X和Y方向的分布


参考文献

1.Ishii M ,  Taga Y . Influence of temperature and drive current on degradation mechanisms in organic light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters, 2002, 80(18):3430-3432.


2.Chang M L ,  Lee W H ,  Jeong G W , et al. Analysis of device performance and thin-film properties of thermally damaged organic light-emitting diodes[J]. Organic Electronics, 2021, 99:106304.


3.Chung S J, Lee J H, Jeong J W, et al. Influence of Substrate Thermal Conductivity on OLED Lifetime[J]. 2008: 1026-1029.


4.Vu M C ,  Mani D ,  Jeong T H , et al. Nacre-inspired nanocomposite papers of graphene fluoride integrated 3D aramid nanofibers towards heat-dissipating applications[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 429:132182.


5.Pohl L , Z Kohári,  Poppe A . Vertical natural convection models and their effect on failure analysis in electro-thermal simulation of large-surface OLEDs[J]. Microelectronics Reliability, 2018, 85(jun.):198-206.


6.吴福宝, 石修灯. 基于OLED光源的煤矿照明灯具的散热性分析[J]. 能源技术与管理, 2016, 41(S1):2.




（来源：显示之窗，转载请注明出处）