OLED顯示屏為何會失效？實(shí)物和參數(shù)對比，看完這篇文章就懂了

　　OLED失效涉及的問題很多，雖然業(yè)內(nèi)對此已進(jìn)行了大量的研究，但失效的規(guī)律和具體機(jī)理仍然沒有被完全揭示。本文，就來說一說OLED的失效問題。

　　非本質(zhì)劣化因素

　　一般來說，只要不是由于元件的結(jié)構(gòu)和材料等基本性質(zhì)所造成的元件衰退，通常就被歸類為非本質(zhì)劣化。

　　而非本質(zhì)劣化最重要的表現(xiàn)在黑點(diǎn)的增加，當(dāng)不發(fā)光區(qū)域逐漸增加時，將會造成OLED發(fā)光的區(qū)域相對的減少，進(jìn)而影響壽命的問題。

　　OLED器件中所用的材料大部分是對水汽和氧氣極度敏感的，如果器件沒有封裝，很容易在其發(fā)光區(qū)域發(fā)現(xiàn)很多黑色的不發(fā)光區(qū)域，而且黑色的不發(fā)光區(qū)域會隨著時間的增加而慢慢變大。

　　黑色區(qū)域的半徑大致與時間的二次方根成正比關(guān)系，這似乎意味著黑色不發(fā)光區(qū)域的形成與某種擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。

　　由于當(dāng)黑色不發(fā)光區(qū)域增大到一定程度時，我們用肉眼便可看到，所以O(shè)LED器件的壽命問題最早從研究黑點(diǎn)開始的。

　　本質(zhì)劣化

　　雖然可以對器件由于外界干擾所造成的不發(fā)光區(qū)域的原因進(jìn)行有效控制，但是發(fā)現(xiàn)器件的發(fā)光區(qū)域即使沒有黑點(diǎn)的產(chǎn)生，其亮度也會隨時間而衰退。

　　顯然，這種現(xiàn)象不是由于外界所造成的，它是器件的本質(zhì)老化，或者說是由于材料本身的原因所造成的衰退。

　　現(xiàn)在還沒有形成一個非常明確和完美的理論來解釋目前OLED器件的劣化問題，這也說明OLED器件本質(zhì)劣化因素的復(fù)雜程度。

　　水汽氧氣對有機(jī)材料的影響

　　很多研究表明影響有機(jī)EL器件壽命的因素之一是水分子和氧氣的存在對有機(jī)EL材料的作用，特別是水分子起了很大的作用。

　　但是對于水分子和氧氣是怎樣使有機(jī)層發(fā)生變化的，國內(nèi)外的許多文章提到過這方面的問題，如有機(jī)層的氧化等，但具體的過程不得而知。

　　發(fā)光面積退化

　　封裝好的OLED器件在放置一段時間后，有發(fā)光面積減小甚至不能點(diǎn)亮的現(xiàn)象。

　　經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)這樣的器件的粘接后蓋和鍍有器件材料的玻璃前蓋的環(huán)氧樹脂有空洞。

　　這意味著封裝氣密性不佳，空氣與器件有直接接觸的可能。器件發(fā)光面積的減小，很可能與這樣的粘結(jié)層空洞有關(guān)。

　　氧氣和水汽經(jīng)由通道進(jìn)入器件內(nèi)部，對器件的性能產(chǎn)生影響，使器件的發(fā)光面積發(fā)生變化。

　　空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析

　　器件開封后立即拍攝，因?yàn)槠骷_封后僅僅在空氣中暴露了幾分鐘的時間，所以可以看到其發(fā)光區(qū)域?yàn)檩^為完整的矩形，四角棱角分明，亮度均勻，紅綠藍(lán)三種顏色相互交替。

　　通電三十分鐘后，可見發(fā)光區(qū)域己從四角開始模糊。

　　時間越久變化越大。

　　器件面積的縮小是從器件邊緣四角開始。這是因?yàn)檠鯕馑饕ㄟ^器件邊緣侵入器件內(nèi)部。

　　潮濕氮?dú)猸h(huán)境

　　實(shí)驗(yàn)排除了氧氣的影響，單獨(dú)考察水汽對器件的影響。通過以下操作得到潮濕氮?dú)猸h(huán)境：

　　1、將開封后的器件置于該系統(tǒng)中

　　2、連接導(dǎo)線后密閉導(dǎo)管以外的其它部分

　　3、持續(xù)通氮?dú)庖欢螘r間后完全密閉系統(tǒng)

　　4、通電觀察拍照

　　失效器件形貌分析

　　通過對失效后器件的觀察發(fā)現(xiàn)，三種顏色的器件的陰極都有不同程度的氣泡狀突起結(jié)構(gòu)。邊緣和四角處的陰極顏色發(fā)生了變化，在器件內(nèi)部則隨機(jī)分布著氣泡。

　　陰極顏色發(fā)生變化的區(qū)域產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域，而氣泡處仍能發(fā)光。

　　SEM顯微照片中可以清晰的看到陰極有大小不一的凸起

　　凸起處的截面圖

　　現(xiàn)象分析

　　陰極顏色發(fā)生變化的原因，主要是氧氣從邊緣進(jìn)入器件內(nèi)部，與陰極作用，使陰極發(fā)生氧化從而產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域。

　　陰極上氣泡產(chǎn)生的原因是由于制作器件的時候，一些微小的灰塵顆粒先于陰極沉積到有機(jī)層上，而形成針孔，又因?yàn)樗苋菀孜皆谄骷砻?，通過Al電極表面的針孔進(jìn)入器件內(nèi)部，在電流的作用下分解，分解出來的氣體因?yàn)楦邷嘏蛎浘蜁駻I電極產(chǎn)生一定的壓力，使Al電極和有機(jī)層分離，從而產(chǎn)生氣泡。

　　氣體將陰極頂起，從而形成空洞的凸起結(jié)構(gòu)。陰極與有機(jī)層分離，電子的注入受到影響，從而導(dǎo)致器件上出現(xiàn)不發(fā)光區(qū)域。

　　水對器件發(fā)光面積退化的影響比氧氣的更為明顯，快速，在水和氧氣的共同作用下，器件將很快失效。因此器件封裝的氣密性對OLED的穩(wěn)定性非常重要。

　　氣泡面積超出器件邊緣

　　有機(jī)材料和金屬電極間界面很不平整，當(dāng)器件工作時，形成不均勻的電場，導(dǎo)致某些點(diǎn)電流過大、短路成為“熱點(diǎn)”，氧化金屬電極引起失效，形成黑斑。

　　同時局部過熱使得有機(jī)材料發(fā)生熔融，而凸起的氣泡為熔融有機(jī)材料的流動提供了空間，于是出現(xiàn)了上圖所示的情況，觀察到有機(jī)材料的溢出，器件上氣泡面積超出器件邊緣的情況。

　　水汽和氧氣對器件面積退化速率有很大的影響。在有水汽的情況下，通電會導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氣體將陰極金屬層頂起，同時為局部過熱導(dǎo)致的熔融態(tài)有機(jī)物流動提供了空間。

　　未通電區(qū)域則可能發(fā)生有機(jī)物的結(jié)晶，也會影響器件發(fā)光性能。氧氣則會氧化陰極材料和有機(jī)層，導(dǎo)致不發(fā)光區(qū)域的產(chǎn)生。

　　OLED器件結(jié)構(gòu)分析

　　OLED為多層有機(jī)薄膜器件，使得對OLED的結(jié)構(gòu)幾乎無法用傳統(tǒng)的表征手段進(jìn)行分析，而各層膜厚度的不同會對OLED的性能產(chǎn)生重要影響。

　　利用薄膜分析儀對經(jīng)過室溫老化7，10，40天的樣品行測試，得到樣品的反射率曲線，如下圖所示。

　　為加速器件失效，對老化40天器件的一點(diǎn)通電使其失效，對這個失效點(diǎn)的反射率進(jìn)行測試，并與未失效的器件的反射率圖譜進(jìn)行比較。

　　選取老化40天的完好樣品和失效樣品進(jìn)行進(jìn)一步的厚度對比測試。老化40天后經(jīng)過通電失效的樣品的厚度測試如圖所示。

　　下面的表格是厚度平均值對比表（失效點(diǎn)與其他部分12個完好點(diǎn)）。為減小計算量，經(jīng)過多次試驗(yàn)后將ITO層和NPB層的厚度固定，只對另兩層的厚度進(jìn)行計算擬合分析。

　　失效點(diǎn)與完好點(diǎn)的厚度平均值對比

　　電極引線腐蝕現(xiàn)象

　　電極引線是連接電壓驅(qū)動與發(fā)光器件的電極的部位，其腐蝕直接破壞驅(qū)動與OLED器件之間的電連接從而導(dǎo)致器件失效。

　　因此找出電極引線腐蝕發(fā)生的機(jī)理并提出控制方案以減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，對提高OLED的可靠性至關(guān)重要。

　　器件顯示缺陷

　　導(dǎo)致該現(xiàn)象的腐蝕電極顯微形貌

　　OLED引線

　　ITO因具有對可見光和近紅外光透明和高電導(dǎo)率的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光電器件中，OLED采用ITO作為透明陽極。

　　引線與陽極同時采用ITO，這樣圖形可經(jīng)一次光刻工藝成形。

　　由于單用ITO作為引線電阻率不夠低，Cr金屬鍍層則可提高引線電導(dǎo)率。

　　同時Cr在空氣中或在室溫氧化性酸的氣氛中能形成致密的表面氧化層，對許多化學(xué)介質(zhì)有抗腐蝕性，在多種環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性，所以也可作為引線的保護(hù)層。

　　實(shí)驗(yàn)分析

　　為分析引線腐蝕發(fā)生的原因，對電極材料進(jìn)行了極化 曲線測量及分析。

　　將電極引線材料切割成 10mm&TImes;8mm的小塊，清洗干燥后在一側(cè)繞上導(dǎo)線，并用石蠟松香混合物封裝導(dǎo)線，防止導(dǎo)線暴露在外。留出約 6mm&TImes;8mm的引線材料表面作為工作面。

　　驗(yàn)介質(zhì)為 0.5mol/L，0.1mol/L的NaCl溶液及人工汗液溶液（含有0.5%氯化鈉、0.1%乳酸、0.1%尿素的去離子充氣水溶液），驗(yàn)溫度控制在25℃。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：引線樣品剛發(fā)生腐蝕時，會在樣品表面生成棕色液體，水份蒸發(fā)后形成一層固態(tài)腐蝕產(chǎn)物，殘留在樣品表面。為分析腐蝕產(chǎn)物成分，首先進(jìn)行XRD測試，樣品分別為未腐蝕引線樣品（a）和腐蝕引線樣品（b）。

　　未腐蝕引線樣品樣品（a）及腐蝕引線樣本（b）的XRD圖譜

　　樣品（b）在26.77°處出現(xiàn)了Cr（OH）3水合物的衍射峰，而在樣品（a）中該峰未出現(xiàn);同時，樣品（b）中金屬Cr在44.30°和 81.72°的衍射峰度都明顯減弱;這說明在腐蝕過程中，引線樣品中的金屬Cr發(fā)生反應(yīng)生成了Cr（OH）3 。

　　XPS分析

　　未腐蝕引線樣品（a）及腐蝕的引線樣品（b）的XPS圖譜

　　以Cls的結(jié)合能 285ev進(jìn)行結(jié)合能校準(zhǔn)，得出樣品（a）中Cr的結(jié)合能峰值為 577.4ev，對應(yīng)Cr2O3 ，其中Cr為正三價;樣品（b）中Cr的結(jié)合能峰值為 579.6ev，對應(yīng)CrO3 ，其中Cr為正六價。由此可知腐蝕過程中產(chǎn)生了正六價的Cr。

　　此外XPS結(jié)果顯示了Cl元素的存在，離子濃度均為0.1%以上。

　　樣品形貌

　　60倍

　　2000倍

　　對腐蝕引線樣品進(jìn)行了SEM分析，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，樣品明顯分為3層臺階。

　　區(qū)域I為Cr和ITO在光刻工藝中被全部刻蝕掉的部分；區(qū)域Ⅱ?yàn)橐€被完全腐蝕的區(qū)域；區(qū)域Ⅲ為未完全腐蝕區(qū)域；區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域。

　　EDX測量

　　為了分辨出每層臺階的成分，EDX能譜分析腐蝕樣品不同部位的元素，確定腐蝕樣品的結(jié)構(gòu)。

　　腐蝕引線樣品不同區(qū)域的EDX結(jié)果

　　引線完全腐蝕的區(qū)域Ⅱ，沒有Cr和In元素存在，與區(qū)域I完全相同;區(qū)域Ⅲ的能譜結(jié)果顯示沒有Cr元素而存在In元素;區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域，能譜結(jié)果顯示Cr與In元素均存在。由此可以確定腐蝕的發(fā)生過程是從上而下：表層的Cr先發(fā)生腐蝕，然后是ITO。

　　極化曲線分析

　　引線在不同溶液中的極化曲線

　　在曲線的前半部分體現(xiàn)的是Cr鍍層的性質(zhì)，在反應(yīng)中Cr逐漸溶解，曲線的后半部分則體現(xiàn)的是Cr層溶解后露出的ITO的性質(zhì)。

　　Cr在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中體現(xiàn)了較好的鈍化特性，然而隨著電極點(diǎn)位的升高 ，電流密度也逐漸增加，Cr的溶解速率隨之增大。

　　在曲線的后半部分可見0.5M的NaCl溶液中的電流密度相對較高，而氯離子濃度相對較低的 0.1MNaCI溶液和人工汗液溶液（氯離子濃度約為0.086M）的電流密度則低得多?？梢娐入x子對ITO的腐蝕有著促進(jìn)作用。

　　腐蝕過程中Cr鍍層反應(yīng)生成Cr（OH）3和CrO3，這是由于反應(yīng)時Cr所處的電位不同所造成的：處于較低電位時，Cr以三價形式溶解;處于較高電位時，Cr發(fā)生過鈍化溶解，以六價形式溶解。

　　Cr鍍層溶解后，ITO隨后發(fā)生腐蝕。其中氯離子對ITO的腐蝕有促進(jìn)作用：氯離子濃度越高，ITO腐蝕速率越快。

　　針對以上發(fā)現(xiàn)，建議采取以下方式來控制電極引線腐蝕的發(fā)生：

　　1、光刻工藝中殘留的氯離子會造成Cr的鈍化膜破壞以及加速ITO的腐蝕。建議優(yōu)化清洗工藝，降低殘留含量。

　　2、防止電極引線腐蝕的發(fā)生，關(guān)鍵是要控制Cr鍍層的腐蝕。建議在電極部分整個涂附一層保護(hù)膜，防止Cr與吸附液體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。