不同封裝方式的有機(jī)發(fā)光二極管的傳熱特性

陳 卓

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，陜西 西安 710018）

1 有機(jī)電致發(fā)光二極管概述

有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLEDs）以其獨(dú)特性和卓越性，在平板顯示、照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景：薄型、輕巧、節(jié)能、工作溫度低和壽命長(zhǎng)。OLEDs 在過(guò)去的幾十年里發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和大型全彩電視等領(lǐng)域。OLEDs 的亮度和發(fā)光效率不斷提高，然而，OLEDs 的壽命和穩(wěn)定性仍然有待提高。焦耳熱問(wèn)題在OLED 器件上始終是存在的，特別是對(duì)于大面積器件，因?yàn)樽⑷氲碾娏鞲?。焦耳熱?huì)導(dǎo)致器件性能和穩(wěn)定性下降，例如有機(jī)分子的熱降解、亮度降低、壽命短和OLEDs 的光譜漂移大等，因此，為了進(jìn)一步提高OLEDs 器件的工作壽命和穩(wěn)定性，關(guān)鍵問(wèn)題之一是有效地抑制和散發(fā)器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。

同時(shí)，OLEDs 的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是保護(hù)它們免受氧氣和濕氣的侵害。為此，已研究出了各種封裝技術(shù)，如傳統(tǒng)的玻璃封裝、環(huán)氧樹(shù)脂填充的玻璃封裝和barix 薄膜封裝等。對(duì)于封裝OLED 器件，熱通過(guò)封裝層傳遞到散熱片或周?chē)h(huán)境。因此，封裝需要允許高的氣體擴(kuò)散阻擋層，同時(shí)滿足傳熱要求。本文建立了三維有限元熱仿真模型，比較分析了不同封裝方式下OLED 的溫度分布和傳熱特性。

有限元熱仿真模型能夠準(zhǔn)確地估算器件溫度并仿真溫度分布。仿真結(jié)果表明，結(jié)合了散熱片的薄膜封裝結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳的傳熱性能，并且?guī)缀鯖](méi)有溫度梯度。在功率密度為900 kW/cm2時(shí)，器件內(nèi)部最高溫度為54.36 ℃。傳統(tǒng)的玻璃封裝顯示出最差的熱性能。即使借助散熱片，裝置內(nèi)部的最高溫度也僅降低了1.19 ℃（從70.14 ℃降至68.95 ℃）。

2 模型

本文重點(diǎn)介紹一種具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的底發(fā)射OLED，如圖1 所示。其中氧化銦錫（ITO）、聚（3，4-乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鈉）（PEDOT：PSS）、聚（9-9-二辛基芴）（PFO）、氟化鋰（LiF）和鋁（Al）分別作為陽(yáng)極、空穴傳輸層（HTL）、發(fā)射層（EML）、電子注入層（EIL）和陰極。其原理圖/示意圖如圖2 所示。器件的發(fā)光面積為9.0 mm2。

為了仿真和分析OLED 在穩(wěn)態(tài)下的熱傳輸特性和溫度場(chǎng)分布，在COMSOL 多物理場(chǎng)軟件中使用固體傳熱模塊建立了三維熱仿真模型。

對(duì)于OLED 器件，輸入的電功率等于器件內(nèi)能增加、光能消耗以及通過(guò)對(duì)流和輻射向周?chē)h(huán)境散熱的總和。需要一些假設(shè)和簡(jiǎn)化，以確保模型簡(jiǎn)潔，并允許數(shù)學(xué)求解。注入電荷的大部分能量導(dǎo)致OLED 器件的焦耳熱而不是發(fā)光[1]。因此假設(shè)所有的電輸入都轉(zhuǎn)換為熱，通常，載流子的復(fù)合區(qū)在HTL/EML 界面附近或EML 中[2]，并且在電子傳輸層（ETL）層內(nèi)的界面附近會(huì)感應(yīng)出高電場(chǎng)[3]。如圖1 所示的標(biāo)準(zhǔn)OLED，使用EML 材料作為EML 和ETL。因此，我們假設(shè)EML 是一個(gè)均勻的內(nèi)熱源，熱導(dǎo)率不隨溫度變化。

下頁(yè)表1 給出了仿真所需的參數(shù)值。環(huán)境溫度為35℃[4]，玻璃基板厚度為1.2 mm。下頁(yè)圖3 顯示了在功率密度為900 kW/cm2時(shí)各層的溫度分布，可以看出OLED 有源區(qū)內(nèi)部的溫度梯度在穩(wěn)態(tài)條件下很小，最高溫度位于EML 層靠近陰極的地方。這與先前的結(jié)果是一致的。如圖4 所示，熱模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［4］中的測(cè)量結(jié)果吻合得很好，但是還看到，在高功率密度下，本文的仿真結(jié)果比文獻(xiàn)中的結(jié)果略大。這主要是因?yàn)榉抡娼Y(jié)果是陰極表面最高溫度，而測(cè)量結(jié)果是測(cè)量的陰極表面區(qū)域的平均溫度?？傮w而言，熱模型能夠準(zhǔn)確地仿真器件的溫度。因此，該模型可用于研究不同封裝方式下OLED 器件的傳熱特性。

表1 仿真所需的參數(shù)值

3 結(jié)果和討論

本文利用第2 節(jié)建立的熱模型研究了三種不同封裝結(jié)構(gòu)的OLED 器件的傳熱特性。這三種封裝結(jié)構(gòu)分別為傳統(tǒng)玻璃封裝、環(huán)氧樹(shù)脂玻璃封裝和barix 薄膜封裝。將50 μm 厚的銅片作為柔性散熱片附著在封裝蓋的外表面上，以實(shí)現(xiàn)有效的散熱。

傳統(tǒng)的玻璃封裝結(jié)構(gòu)是在一個(gè)裝滿惰性氣體的手套箱中完成的。該封裝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文采用氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w。對(duì)于玻璃蓋，本文使用中空玻璃蓋。將0.7 mm 厚的玻璃蓋挖空，使其厚度變?yōu)?.35 mm。圖5～圖6 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時(shí)無(wú)散熱片和有散熱片的器件表面溫度分布?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)玻璃蓋表面的散熱比通過(guò)玻璃基板表面的散熱小得多。因此，可以觀測(cè)到一個(gè)明顯的溫度梯度。玻璃蓋的表面溫度小于玻璃基板的表面溫度。不帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為50.15 ℃和65.83 ℃。帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為44.53 ℃和64.35 ℃?？梢钥闯?，有散熱片和沒(méi)有散熱片的玻璃封裝OLED，溫度沒(méi)有太大差異。借助于散熱片，器件內(nèi)部的最高溫度僅降低了1.19 ℃（從70.14 ℃降至68.95 ℃），這是因?yàn)榈獨(dú)獾臒釋?dǎo)率為0.024 W/（m·K），因此導(dǎo)致常規(guī)玻璃封裝的傳熱性能較差。

為了消除器件中的氮?dú)?，park 提出了一種填充環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃封裝結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，將導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂填充到玻璃蓋中，這與傳統(tǒng)的玻璃封裝相同。為了防止環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)有機(jī)層和陰極層造成危害，插入一層由40 nm 厚的N，N′-雙（1-萘基）-N，N′-二苯基-1，1′-聯(lián)苯-4，4′-二胺（NPB）和50 nm 厚的LiF 組成的緩沖層。假定NPB 的熱導(dǎo)率與PEDOT：PSS 相同。下頁(yè)圖7～圖8 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時(shí)無(wú)散熱片和有散熱片的器件表面的溫度分布。結(jié)果表明，環(huán)氧玻璃封裝的OLED 從陰極到玻璃蓋的散熱量迅速增加，并且內(nèi)部的溫度梯度小于傳統(tǒng)玻璃封裝的OLED。不帶散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為59.39 ℃和59.05 ℃。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)率約為0.35 W/（m·K），遠(yuǎn)高于氮?dú)獾臒釋?dǎo)率（0.024 W/（m·K））。因此，即使沒(méi)有散熱片也可以將熱量傳遞到周?chē)?。但是，散熱片的附著效果并不理想。有散熱片的玻璃蓋和玻璃基板的最高表面溫度分別為51.58 ℃和55.11 ℃。器件的最高溫度僅降低了4.6℃（從62.44 ℃降到57.84 ℃），盡管如此，降低的溫度也比傳統(tǒng)玻璃封裝的OLED 大（1.19℃）?？赡苁且?yàn)閭鳠崧窂胶荛L(zhǎng)，因此厚的（0.35 mm）環(huán)氧樹(shù)脂層內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的溫度梯度，這是由于環(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)率仍然很低所致。

薄膜封裝（TFE）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于真空中的有機(jī)/無(wú)機(jī)多層膜。這種薄膜多層結(jié)構(gòu)稱(chēng)為barix 層，作為氣體擴(kuò)散阻擋層非常有前景。因此，這種barix-TFE封裝具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如減少針孔、隔離水蒸氣和氧氣等，此外，與玻璃封裝相比，使用柔性顯示器更輕更薄。在本文的仿真中，通過(guò)交替沉積氧化鋁（Al2O3）和聚合物層形成Barix 層。仿真了沉積3.5 dyads TFE 的barix 層。氧化鋁和聚合物的熱導(dǎo)率分別為30 和0.107 W/（m·K）。圖9～圖10 分別顯示了在功率密度為900 kW/cm2時(shí)無(wú)散熱片和有散熱片的器件表面的溫度分布?？梢钥闯?，散熱片大大降低了器件溫度。玻璃基板的最高表面溫度由67.28 ℃降低到53.32 ℃。TFT 蓋最高表面溫度由71.97 ℃降低到54.24 ℃。器件內(nèi)部最高溫度由71.97 ℃降至54.36 ℃。此外，采用TFE 封裝并且有散熱片的OLED 基本上沒(méi)有溫度梯度。這種溫度的大幅度降低（約18 ℃）是由于TFE 結(jié)構(gòu)的傳熱路徑短。TFE 層的總厚度僅為3.2μm。因此，在發(fā)光層中產(chǎn)生的熱量可以很好地傳遞到散熱片并被散熱片耗散。根據(jù)之前的傳統(tǒng)和環(huán)氧樹(shù)脂玻璃封裝的結(jié)果，可以得出結(jié)論：TFE 結(jié)構(gòu)與散熱片相結(jié)合具有最佳的傳熱性能。

4 結(jié)論

必須封裝OLED 以避免氧氣和濕氣。因此，一種實(shí)用的散熱方法是檢查適配的陰極封裝和散熱片。本文建立了三維有限元熱仿真模型，并與前人的工作進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模型的可行性。對(duì)三種不同封裝方式的熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析。這三種封裝方案分別是傳統(tǒng)的玻璃封裝、環(huán)氧樹(shù)脂玻璃封裝和batrix 薄膜封裝。在有散熱片的情況下，batrix 薄膜封裝的傳熱性能最好，其次是環(huán)氧玻璃封裝，然后是傳統(tǒng)的玻璃封裝。由于薄膜封裝結(jié)構(gòu)中的傳熱路徑較短，TFE 結(jié)構(gòu)與散熱片組合具有最佳的傳熱性能。