对数正态分布下白光oled恒定与步进应力加速寿命试验数据的统计分析-机械设计制造及自动化专业-学位论文

对数正态分布下白光OLED恒定与步进应力加速寿命试验数据的统计分析上海电力学院本科毕业设计（论文）PAGE14PAGE13目录摘要ABSTRACT第一章绪论 1第二章OLED介绍 12.1OLED基本背景 12.1.1OLED原理 12.1.2OLED特点 22.1.3OLED显示屏和其他材料的比较优势 22.2OLED分类 32.3OLED制造应用 42.3.1OLED制造方法 42.3.2国内主要OLED企业状况分析 42.4OLED发展概述 52.4.1OLED市场发展 52.4.2OLED技术现状分析 52.5国内外对OLED寿命测试的研究 82.6OLED应用前景 92.6.1OLED在平板显示器中的应用 92.6.2其它潜在应用 10第三章加速寿命试验理论模型 103.1加速寿命试验 103.1.1加速寿命试验简介 103.1.2加速寿命试验方法 113.1.3加速寿命试验类型 113.2可靠性概述 113.2.1可靠性简介 113.2.2可靠性要素 123.2.3可靠性研究的重要性 123.3加速寿命试验统计分布及估算方法 133.3.1对数正态分布 133.3.2最小二乘法 14第四章试验数据的统计分析及寿命估计 154.1基本假定 154.2恒定应力加速寿命试验数据统计分析 164.3步进应力加速寿命试验数据统计分析 174.4试验数据 174.5恒定应力试验数据处理 184.6加速寿命方程 184.7步进应力试验数据处理 194.8加速参数的修正 204.9K-S检验 204.10OLED寿命预测 20第五章结论 21参考文献 22致谢 24对数正态分布下白光OLED恒定与步进应力加速寿命试验数据的统计分析摘要随着OLED的研究和发展日益广泛，如何快速准确地获得OLED的寿命信息将变得至关重要。本文通过加大工作电流来建立加速寿命试验模型，采用对数正态分布函数描述了OLED的寿命分布，利用最小二乘法(LSM)估计了对数均值和对数标准差，完成了恒定及步进应力试验数据的统计和分析，精确预测出了OLED的平均寿命和中位寿命。数值结果表明，OLED的寿命服从对数正态分布，其加速模型符合逆幂定律，精确计算的加速参数使得快速估算OLED寿命成为可能。关键词：OLED；寿命预测；对数正态分布；LSMSTATISICALANALYSISONCONSTANT-STEP-STRESSACCELERATEDLIFETESTDATAOFWHITEOLEDUNDERLOGNORMALDISTRIBUTIONABSTRACTWiththestudyanddevelopmentofOLEDbecomingmoreandmoreextensive，howtoacquirethelifeinformationofOLEDaccuratelyandrapidlyisveryimportant.Acceleratedlifetestmodelwasestablishedwithitsworkingcurrentincreased,andthelognormaldistributionwasappliedtodescribethelifedistribution.Inaddition,theleastsquaremethod(LSM)wasemployedtoestimatethemeanvalueandthelogarithmstandarddeviation,andthestatisticsandanalysisonconstantstressandstepstresstestdatawereachieved.Furthermore,theaveragelifeandthemedianlifecanbepredicted.ThenumericalresultsshowthattheOLEDlifeischaracterizedbylognormaldistribution,andtheacceleratedmodelmeetstheinversepowerlaw.Theaccelerationparameters,whichwereaccuratelycalculated,enablerapidestimationofOLEDlife.KeyWords:OLED;Lifeprediction;Lognormaldistribution;LSM第一章绪论随着信息时代的到来,显示器在仪器仪表、计算机、通讯设备、家用电器等领域得到广泛使用.当前正在使用的显示器件主要有阴极射线管(CRT)、液晶显示屏(LCD)、等离子显示器(PDP)、发光二极管(LED)等,它们已形成年产值数百亿美元的产业群体.由于它们自身有不同程度的性能缺陷,如:CRT体积大、笨重,LCD视觉小,LED难以实现蓝光,在信息社会中使用受到一定的限制.相反,有机发光器件或称有机发光二极管(OLED)是一种高亮度、宽视觉、全固化的电致发光器件,大大克服了上述缺点,显示出无可比拟的优点：:1)OLED的发光效率高、亮度大;2)有机发光材料众多、价廉,且易大规模、大面积生产,实现超薄、大面积平板显示;3)OLED的发光颜色从红外到紫外,覆盖整个可见光,这是方便实现全彩色显示的前提;4)有机材料的机械性能良好,易加工成各种不同形状;5)驱动电压低,能与半导体集成电路的电压相匹配,使大屏幕平板显示的驱动电路容易实现.因此OLED已成为当今显示器件研究的热门,大量的有机发光材料被合成出来,各种结构精巧的有机发光器件被世界各国科学家制备出来[1,2]。本文针对在较短时间内掌握OLED的寿命信息,节省寿命试验时间,通过开展两组恒定应力加速寿命试验和一组步进应力加速寿命试验,采用对数正态分布函数描述OLED的寿命分布,基于MATLAB软件强大的计算和可视化绘图功能,绘制了对数正态概率双坐标纸,估计了对数均值和对数标准方差,完成OLED恒定应力和步进应力加速寿命试验数据的统计和分析。第二章OLED介绍2.1OLED基本背景2.1.1OLED原理OLED的原理:OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由於有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Darkspot)而使元件不发亮。因此此元件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为5层。从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。就OLED组件演进历史中，1987年Kodak首次发表之OLED组件，系由两层有机材料所构成，分别为空穴传输层及电子传输层。其中空穴传输层为p型之有机材料，其特性为具有较高之空穴迁移率，且其最高占据之分子轨域(Highestoccupiedmoleculeorbital，HOMO)与ITO较接近，可使空穴由ITO注入有机层之能障降低。其能量可以通过以下几种方式释放：(1)通过振动驰豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减；(2)通过非辐射的跃迁耗散能量，比如内部转换、系间窜跃等形式。在能量释放时，这些不同形式的能量耗散过程是一个相互竞争的过程。由于在常温下，有机分子的磷光非常弱，所以只有其中空穴和电子复合成单重态激子的部分才能通过辐射跃迁发射荧光，从而成为有效的有机电致发光。2.1.2OLED特点自1987年柯达公司宣称发现了高效有机薄膜电致发光的现象，在平板显示界引领了一场用有机材料制作显示器的热潮。1996年日本先锋电子公司率先制造出的第一款无源OLED显示器产品，真正揭开了OLED作为显示器的一页。此后各大公司都先后展示了各自的技术，在我国，清华大学和维信诺公司于2002年底成功地共同开发国内首个26万色、4.8英寸OLED显示屏幕。而投资4～5亿元的维信诺昆山工厂也将于2008年下半年正式投产。2007年电视行业的巨头四川长虹宣布成立了一条OLED生产线，总投资约22亿，已先期投资3.6亿。OLED之所以成为平板显示的新热点，就在于其是主动发光全固态平板显示技术，且具有如下特点：超轻薄、工艺简单、成本低、宽视角（160度左右）；自发光、高发光效率、高亮度、显示效果鲜艳、细腻；功耗低、低压驱动（直流驱动电压低于10V）；发光材料丰富、响应速度快(比TFT-LCD高几个数量级，已达ns级)；温度范围广、温度特性好(可在零下二十度正常工作)2.1.3OLED显示屏和其他材料的比较优势（1）相较于LED或LCD的晶体层，OLED的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性。（2）OLED的发光层比较轻，因此它的基层可使用富于柔韧性的材料，而不会使用刚性材料。OLED基层为塑料材质，而LED和LCD则使用玻璃基层。（3）OLED比LED更亮。OLED有机层要比LED中与之对应的无机晶体层薄很多，因而OLED的导电层和发射层可以采用多层结构。此外，LED和LCD需要用玻璃作为支撑物，而玻璃会吸收一部分光线。OLED则无需使用玻璃。（4）OLED并不需要采用LCD中的逆光系统(请查阅LCD(液晶显示)工作原理)。LCD工作时会选择性地阻挡某些逆光区域，从而让图像显现出来，而OLED则是靠自身发光。因为OLED不需逆光系统，所以它们的耗电量小于LCD(LCD所耗电量中的大部分用于逆光系统)。这一点对于靠电池供电的设备(例如移动电话)来说，尤其重要。（5）OLED制造起来更加容易，还可制成较大的尺寸。OLED为塑胶材质，因此可以将其制作成大面积薄片状。而想要使用如此之多的晶体并把它们铺平，则要困难得多。（6）OLED的视野范围很广，可达170度左右。而LCD工作时要阻挡光线，因而在某些角度上存在天然的观测障碍。OLED自身能够发光，所以视域范围也要宽很多。2.2OLED分类（1）被动矩阵OLED结构PMOLED具有阴极带、有机层以及阳极带。阳极带与阴极带相互垂直。阴极与阳极的交叉点形成像素，也就是发光的部位。外部电路向选取的阴极带与阳极带施加电流，从而决定哪些像素发光，哪些不发光。此外，每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。PMOLED易于制造，但其耗电量大于其他类型的OLED，这主要是因为它需要外部电路的缘故。PMOLED用来显示文本和图标时效率最高，适于制作小屏幕(对角线2-3英寸)，例如人们在移动电话、掌上型电脑以及MP3播放器上经常能见到的那种。即便存在一个外部电路，被动矩阵OLED的耗电量还是要小于这些设备当前采用的LCD（2）主动矩阵OLED(AMOLED)AMOLED具有完整的阴极层、有机分子层以及阳极层，但阳极层覆盖着一个薄膜晶体管(TFT)阵列，形成一个矩阵。TFT阵列本身就是一个电路，能决定哪些像素发光，进而决定图像的构成。AMOLED的耗电量低于PMOLED，这是因为TFT阵列所需电量要少于外部电路，因而AMOLED适合用于大型显示屏。AMOLED还具有更高的刷新率，适于显示视频。AMOLED的最佳用途是电脑显示器、大屏幕电视以及电子告示牌或看板。（3）透明OLED透明OLED只具有透明的组件(基层、阳极、阴极)，并且在不发光时的透明度最高可达基层透明度的85%。当透明OLED显示器通电时，光线可以双向通过。透明OLED显示器既可采用被动矩阵，也可采用主动矩阵。这项技术可以用来制作多在飞机上使用的平视显示器。（4）顶部发光OLED顶部发光OLED具有不透明或反射性的基层。它们最适于采用主动矩阵设计。生产商可以利用顶部发光OLED显示器制作智能卡。（5）可折叠OLED可折叠OLED的基层由柔韧性很好的金属箔或塑料制成。可折叠OLED重量很轻，非常耐用。它们可用于诸如移动电话和掌上型电脑等设备，能够有效降低设备破损率，而设备破损是退货和维修的一大诱因。将来，可折叠OLED有可能会被缝合到纤维中，制成一种很“智能”的衣服，举例来说，未来的野外生存服可将电脑芯片、移动电话、GPS接收器和OLED显示器通通集成起来，缝合在衣物里面。（6）白光OLED白光OLED所发白光的亮度、均衡度和能效都要高于日光灯发出的白光。白光OLED同时具备白炽灯照明的真彩特性。我们可以将OLED制成大面积薄片状，因此OLED可以取代目前家庭和建筑物使用的日光灯。将来，使用OLED有望降低照明所需的能耗。2.3OLED制造应用2.3.1OLED制造方法OLED生产过程中最重要的一环是将有机层敷涂到基层上。完成这一工作，有三种方法：（1）真空沉积或真空热蒸发(VTE)位于真空腔体内的有机物分子会被轻微加热(蒸发)，然后这些分子以薄膜的形式凝聚在温度较低的基层上。这一方法成本很高，但效率较低。（2）有机气相沉积(OVPD)在一个低压热壁反应腔内，载气将蒸发的有机物分子运送到低温基层上，然后有机物分子会凝聚成薄膜状。使用载气能提高效率，并降低OLED的造价。（3）喷墨打印利用喷墨技术可将OLED喷洒到基层上，就像打印时墨水被喷洒到纸张上那样。喷墨技术大大降低了OLED的生产成本，还能将OLED打印到表面积非常大的薄膜上，用以生产大型显示器，例如80英寸大屏幕电视或电子看板。2.3.2国内主要OLED企业状况分析OLED产业发展受到了中国政府的高度关注，在工业和信息化部支持下，中国内地的OLED研发取得了突破性进展。2008年10月，由清华大学组建的维信诺公司在昆山成功建成中国内地第一条OLED大规模生产线，实现了小尺寸OLED显示屏的量产。目前，中国内地主要有昆山维信诺、汕尾信利、四川虹视、佛山彩虹等企业从事小尺寸OLED生产。而中国首条AMOLED中试线已经在昆山建成投产并于2010年底打通全部生产工艺，上海天马和佛山彩虹都在建设4.5代AMOLED生产线，京东方及四川虹视等也在积极进行AMOLED项目研发工作。中国大陆的AMOLED面板生产线有京东方的4.5代和5.5代线，成都虹视的4.5代线，长三角天马的2.5代线，维信诺的2.5代线和4.5代线，厦门天马的5.5代线，珠三角彩虹的2条4.5代线，彩显的2.5代线，信利的2.5代线等，我国AMOLED产业即将见到丰收的硕果。2.4OLED发展概述2.4.1OLED市场发展从整体上看OLED的应用大致可以分为3个阶段。（1）1997年～2001年，OLED的试验阶段。在这段时期OLED开始逐渐走出实验室，主要应用于汽车音响面板，PDA及手机方面。但产品很有限，产品规格少，均为无源驱动，单色或区域彩色，很大程度上带有试验和试销的性质，2001年OLED的全球销售额仅约为1.5亿美元。（2）2002年～2005年，OLED的成长阶段。在这段时期人们开始逐渐接触到更多带有OLED的产品，例如车载显示器，PDA，手机，数码相机，DC，头戴显示器等。但主要以10寸以下的小面板为主，10寸以上的面板也开始投入使用。（3）2005年以后，OLED开始走向一个成熟化的阶段。包括技术，市场，都将在市场的带动下突飞猛进。大尺寸及使用寿命将成为今后OLED技术的主要突破方向。我国也掀起了研制OLED的热潮，上海大学张志林、蒋学茵等[3,4]在多色有机薄膜电致发光器件或白色电致发光器件方面做出了一定的成绩。吉林大学、中国科学院长春激发态物理研究所在有机/聚合物电致发光器件[5]及稀土掺杂的有机电致发光器件[6]方面做了很多有益的工作。最近清华大学[7]、浙江大学[8]等著名学府也加入了有机电致发光器件这一研究行列。2.4.2OLED技术现状分析（1）材料问题对于采用不同的发光材料以发出R、G、B三色光的全彩色OLED，由于三种材料的寿命不同，一直以来小分子材料以红光、绿光和白光材料的寿命优于蓝光材料的寿命，各国研究和生产机构一直致力于使材料的寿命更长和趋于一致。2007年美国DuPone公司发表了其开发的小分子材料的寿命，去年美国推出了结合蓝光的荧光材料和红、绿磷光材料串联结构的OLED，当电压为6.2V，1000nit时，色坐标为CIEx=0.33，CIEy=0.35，器件的量子输出效率达22%，光强50cd/A，发光效率达25lm/W，寿命10000小时；而当蓝光发射区域变为CIEx=0.34，CIEy=0.40，且电压为5.9V和1000nit时，器件的量子输出效率达23%，光强57cd/A，发光效率达30lm/W，寿命30000小时可以预料，随着研究的深入，满足大尺寸动态画面图像质量的材料终将被开发出来。（2）基板技术OLED要想突破现在的状况，必须开发出大尺寸有源器件。目前制作TFT基板主要有三种类型：非晶硅（α-si）、多晶硅（p-si）和微晶硅（mc-si）。但三种TFT基板没有一种可以全面满足大尺寸AM-OLED的要求。采用α-siTFT时，随着工作时间的增长屏的温度升高，阈值电压会产生漂移。工作400h以后，阈值漂移量△Vth=2.5V[3]。故α-siTFT的稳定性尚需解决。p-siTFT有两种工艺，一种是激光处理的p-siTFT，目前受限于激光尺寸和价格，另一种是非激光处理的p-siTFT，此法虽可降低制造成本，但存在均匀性的问题。虽然低温多晶硅（LPTS）可以制造出稳定的TFT但晶化工艺过于复杂，不适用大尺寸AMOLED。因此开发新工艺和新技术是OLED要解决的问题。（3）彩色化技术通常OLED实现彩色化的方式有三种：采用R、G、B发光材料作为三基色合成所需要的色彩，白光加滤色膜（CF）模式以及蓝光材料加色转换介质（CCM）三种方式。第一种方式由于R、G、B三种材料的寿命和发光效率不同，显示屏的寿命受制于寿命最短的材料，造成发光效率的差异，而发光效率的差异使图像的显示质量受到影响，出现所谓的Mura现象，这有待进一步改善材料的性能，或者开发出新型的发光材料，或者增加补偿电路；第二种方法的优点是可以利用LCD成熟的制膜工艺，但滤色膜对光有强的吸收作用，大大降低了显示屏的亮度，如果提高亮度则必须提高功耗，这也是人们所不愿看到的；第三种方法是蓝光的发光效率问题，虽然这个问题已逐步解决，但其器件的稳定性尚存在问题。另外，从制作工艺的角度来看，第一种方法需要制作掩膜版，此法不但成本高而且掩模版的制作精度以及对位精度都有很高的要求，同时还要考虑到蒸发源辐射加热时膜版的热膨胀问题。虽然后两种方法不需要掩模版，它是通过滤色膜阵列或颜色转换介质产生R、G、B三色光，由于滤色膜的吸收或是颜色转换介质的吸收和反射，发光效率就会大打折扣。（4）减少功耗功耗通常是电子器件一个非常重要的指标。降低OLED显示器功耗，可以从材料、器件结构、驱动方法三方面着手。在材料方面，高效荧光和磷光材料一直是研究的热点。其中短波长的蓝色材料，其发光层禁带宽、电子注入效率和移动速率低，故一直是开发课题的重点。荧光掺杂材料和磷光掺杂材料也备受关注，柯达公司用新型的荧光材料已开发出电流效率高达11cd/A，CIE(0.14，0.18)的蓝光OLED器件;而蓝色磷光掺杂材料目前主要以Flrpic为主，Tsai等人开发出一种新型主体材料CzSi，以此为发光层，器件流明效率高达26.7Im/W，是迄今为止研发出的较好器件。器件结构方面，改善电子输送层和引入顶发射结构成为当今研发主题。其中通过改善电子传输层和注入效率，可以将驱动电压降至2.0V以下。另外顶发射结构器件还可利用微腔效应兼顾低功耗和高色纯度两方面性能。驱动方面，日立公司运用LTPS技术，结合钳位反向转流器，将列驱动和扫描驱动集成一体化，成功研制出2.5inAMOLED显示器。该显示器在100cd/m2时，功耗可降低至350mW(该值是通过偏光器时值)，像素为△阵列排列，其分辨率为640×240，开口率为30%。（5）降低成本OLED显示技术的低成本化方案大致有五个:采用大型玻璃基板;削减工艺步骤;降低驱动芯片(IC)成本;降低初期投资;降低COO(CostOfownership)费用。其中减少工艺步骤和驱动芯片成本是较可行的，以下对这两方面的技术发展做进一步阐述。减少制作工艺首先是通过引入蓝色共用层BCL（BlueCommonLaver)来实现。目前已经开发出的工艺可以将有机发光层的掩膜减至原来的2/3。传统掩膜技术制作过程中，有机发光层是通过三次掩膜将RGB三色分别涂上去。而新开发的技术只需制作红绿发光层，从而省去蓝色发光层制作，减少了一道制作工艺。所谓的共用层就是把蓝色发光层和空穴阻挡层共通化，即该层既可作发光层也可作空穴阻挡层。通过优化各发光层厚度就可以得到纯正的蓝色光。现今三星已经报道运用该技术制作了从2.2in(对角5.6cm)到17in(对角43cm)的OLED显示屏。与上述简化工艺相结合，三星公司还开发了顶发射器件简化工艺。顶发射器件通过利用子像素的发光层膜厚形成的微腔效应从而扩大显示色域范围。例如索尼公司在2004年公布的优化器件结构，就是通过控制ITO膜厚扩大显示色域，然而该工艺中ITO膜厚控制困难，制作工艺略微复杂。基于此，三星公司则通过空穴注入层来控制子像素，可以用更简便的方法得到微腔效应，该技术也可与高精细化的LITI工艺结合使用。降低IC成本可以通过低温多晶硅(LTPS)LFT在玻璃基板上制成驱动电路来实现。由此，驱动电路全部集成在玻璃基板上，无须安装外部IC，实现了成本的降低。目前已有一些公司在玻璃基板上成功制作了LTPS-AMOLED显示屏。该显示屏可以将时序控制、扫描驱动、数据驱动、信号分离、DC-DC转换器等一体化。该技术除可降低驱动IC的成本外，还具有缩短市场投入时间、减少实际组装部件等优点。（6）提高寿命手机用的2in有机平板的亮度半寿命，在全白亮度150cd/m2的情况下可达15000h(该值是使用偏光镜时的值)，可通过发光材料、电子传输层的改善、器件结构最优化和封装技术的改善等来满足寿命要求，图2.1总结了2004年和2005年报道的OLED寿命的一些发展，在之后几年中OLED寿命翻了4~5倍，已超过了20000h，半寿命的平均初始亮度为150cd/m2。预计要达到电视机应用的要求，OLED的半寿命需要达到60000h左右。OLED在半寿命上的发展迅速。寿命问题也是制约和影响OLED市场化得关键问题。图2.1OLED半寿命和亮度曲线图2.5国内外对OLED寿命测试的研究以上说的都是有关OLED的发展和前景，由此可以看到OLED的寿命研究是十分必要和必需的，通过对OLED寿命的精确预测可以提高OLED的使用寿命和质量，是衡量OLED的好坏的标准之一。当长期以来困扰着OLED技术产业化的三大难题(一是产品寿命，二是大屏幕化，三是高清晰度)得到有效解决后，其必定会有更加出色的发展。尽管OLED寿命已增加到数千小时，但距商业应用的要求仍有较大的差距，而且随着器件的工作，其发光亮度和效率有明显衰减的趋势。商业上一般要求实用电子器件的贮存时间应超过5年，工作寿命要长于104h，目前的OLED尚未达到实用要求，因此增加OLED器件的寿命，提高其稳定性，仍然是目前研究的重要课题。影响OLED寿命的因素主要是有机发光材料本身不稳定及制备OLED时有缺陷产生。有机发光小分子材料本身的晶化温度较低，工作过程中易形成结晶体，同时有机材料在大气中不稳定，易老化。增加OLED器件的寿命，提高其稳定性，可从以下3个方面加以考虑:提高器件的发光效率。OLED工作时，激子退激存在辐射、非辐射两种复合方式，其中非辐射复合产生热，使器件发热升温，有机材料老化，小分子晶化，导致OLED的寿命降低。因此提高器件的发光效率，降低热的产生，减少热对有机薄膜结构和性能的影响是增加其寿命的重要手段。（1）增加OLED寿命的另一种方法是在空穴、电子传导层和发光层中掺杂。加拿大的H.Aziz等[9]在ITO与空穴传导层之间插入缓冲层CuPc或在HTL中掺rubrene，可提高器件的寿命到4000h，在发光层Alq3中掺n，n-dimethyquluinacrdone可进一步提高器件的寿命。日本的G.Sakamoto等人[10]在空穴传导层和发光层中掺杂rubrene，使器件在保持初始发光率85%的情况下，寿命可达1000h。而J.C.Carter等[11]用改进的共轭聚苯乙烯(PPV)制成发光器件，在空气中寿命可达到7000h，在80℃的空气环境下，寿命可达到1100h。另外，几种P型掺杂的共轭聚合物具有很好的环境稳定性，包括聚吡咯(polypyrole)、聚噻吩(polythiophene)、聚苯胺(polyaniline)（2）工艺改善。大气中的不利成分特别是氧、水汽侵蚀器件中有机材料和电极材料，严重影响器件的寿命。在OLED的制备过程中不接触大气，整个过程都要在真空条件或在保护气体下完成，这是改善稳定性的必要措施。由于聚合物及有机小分子材料在有水和氧存在的条件下，都会发生不可逆的光氧化反应，因此器件必须密封。对基底材料的超净处理对保证器件的稳定性和增加寿命也能起到很大的作用。香港的S.K.So等人[12]用接触角仪和XPS等方法研究了不同表面清洗方法对器件性能和寿命的影响。除了常规的表面清洗外，英国的J.S.Kim等人[13]发现用氧等离子体处理ITO表面，比用一般化学处理方法制成的器件寿命长5倍。在研究有机发光器件的寿命及影响寿命的因素方面，加拿大的A.Hany等人[14]作了很细致的研究，发现环境、介面变化等因素都会影响器件的寿命。法国的G.Emmanuelle[15]用X射线衍射方法研究了OLED器件阳极ITO和有机膜的介面，发现当器件工作一段时间后，有机薄膜与ITO之间产生层间扩散，会影响器件的寿命。2.6OLED应用前景2.6.1OLED在平板显示器中的应用在解决器件的寿命问题后，首先要考虑的是平板显示。作为新一代显示器件，OLED具有如下优点:（1）可代替CRT、LCD、LED，实现器件轻型化、平板化和低成本生产。与CRT相比大幅度节省空间，携带方便;克服LCD视觉小、响应速度慢的缺点;避免无机蓝色LED难以实现，OLED可方便实现全彩色，且驱动电路简单。（2）可实现大面积、高亮度的平板光源和平面激光光源，这正是当前光通讯所急需的。（3）与太阳能电池匹配，可用于航空、航天及多种仪器仪表显示。如何实现全彩色、矩阵显示则将成为新的焦点。显示器件的目的是要产生全彩色图象。最初OLED采用Alq3作发光层，发出波长为500~580nm的绿光。现在研究采用不同的发光有机聚合物，制成能发出不同颜色光的OLED器件，用不同的组合方式建造包括红、绿、蓝3色的发光点，从而可以组成彩色图形。另外一种方法是在OLED器件中掺杂少量的荧光染料，使之改变颜色[16]。同时掺杂荧光材料还可以改善器件的发光效率，使谱线变窄，这更有利于发光象素的饱和混色。最近，美国普林斯顿大学的研究小组F.Pschenitzha等人[17]采用一种图形控制扩散法，将红、绿、蓝3色的。OLED集成在同一基底上。无源阵列驱动显示器(Passivematrix-addressed)的应用令人瞩目，用小分子薄膜制成64×256阵列的显示器，平均发光强度为100cd/m2，大小为1/4VGA显示屏，可满足一般显示器的要求[18]。此外，发展全彩色显示器的前景也十分诱人。这是因为有机发光二极管能够在各个角度可视，而且和液晶相比发光反应时间更快。红、绿、蓝3种不同彩色的拼图方案和寻址方式的研究工作，现已取得了一定的进展[19]。另外一种方案是用墨水喷射印刷代替红、绿、蓝3种不同基底上的分立光象素，这种技术已有几个研究小组进行过报道[20]。还有一种活性基底三极管阵列可以提供足够的电流驱动来满足有机发光二极管的需要，这也可能用性能改善的多晶硅代替非晶硅制做活性基底聚合物发光显示器。2.6.2其它潜在应用用OLED加上光学微腔，可以制备出无域值激光器(threshoulelesslaser)，尤其是无机领域较难实现蓝色激光器，有机发光材料则有这种可能性。另外，RJCurry和WPGillin[21]用掺稀土Er元素制成长波长(1540nm)的有机发光二极管，这就意味着有可能将有机发光器件应用到长波长通讯领域之中。第三章加速寿命试验理论模型3.1加速寿命试验由第二章对OLED的介绍不难发现可靠性寿命方面的研究，将对OLED系列产品的发展和更新起着至关重要的作用，然而如何快速、准确的预测OLED寿命是一个技术难题。鉴于此，本文进行了恒定、步进应力相组合的加速寿命试验，并应用对数正态分布和LSM完成了试验数据的统计和分析，使得快速、便捷、精确地预测OLED寿命成为可能。3.1.1加速寿命试验简介加速寿命试验的统一定义最早由美罗姆航展中心于1967年提出，加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进行转换，得到产品在额定应力水平下的特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之，加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验，从而缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验成本。进行加速寿命试验必须确定一系列的参数，包括(但不限于):试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场环境、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数(β<1表示早期故障，β>1表示耗损故障)。3.1.2加速寿命试验方法用加速寿命试验方法确定产品寿命，关键是确定加速因子，而有时这是最困难的。一般用以下两种方法。（1）现有模型。现有模型有:Arrhenius模型、Coffin2Manson模型和Norris2Lanzberg模型等。使用现有模型比用试验方法来确定加速因子节省时间，并且所需样本少，但不是很精确，且模型变量的赋值较复杂。（2）通过试验确定的模型(需要大量试验样本和时间)。若没有合适的加速模型，就需要通过试验导出加速因子。先将样本分成3个应力级别:高应力、中应力、低应力。制定试验计划确保在每一个应力级别上产生相同的失效机理。这是确定加速因子较精确的方法，但需要较长的时间和较多样本。3.1.3加速寿命试验类型按照试验应力的加载方式，加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验三种基本类型。（1）恒定应力试验(Constant-StressTesting:CST)其特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变，其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。试验是将产品分成若干个组后同时进行，每一组可相应的有不同的“负荷”水平，直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。（2）步进应力试验(Step-Up-StressTesting:SUST)此试验对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”，其水平是阶梯上升的。在每一时间段上的“负荷”水平，都高于正常条件下的“负荷”水平。因此，在每一时间段上都会有某些产品失效，未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验，如此继续下去，直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。（3）序进应力加速寿命试验(ProgressiveStressTesting:PST)序进应力试验方法与步进应力试验基本相似，区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。序进应力加载最简单的情形，即试验应力随时间呈直线上升的加载历程。3.2可靠性概述3.2.1可靠性简介根据国家标准GB-6583的规定，可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。产品在设计、应用过程中，不断经受自身及外界气候环境及机械环境的影响，而仍需要能够正常工作，这就需要以试验设备对其进行验证，这个验证基本分为研发试验、试产试验、量产抽检三个部分。一般所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信任的”。一台仪器设备，当人们要求它工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。简单的说，狭义的“可靠性”是产品在使用期间没有发生故障的性质。例如一次性注射器，在使用的时间内没有发生故障，就认为是可靠的；再如某些一旦发生故障就不能再次使用的产品，日光灯管就是这类型的产品，一般损坏了只能更换新的。从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度。而这种满意程度或信赖程度是从主观上来判定的。为了对产品可靠性做出具体和定量的判断，可将产品可靠性可以定义为在规定的条件下和规定的时间内，元器件（产品）、设备或者系统稳定完成功能的程度或性质。例如，汽车在使用过程中，当某个零件发生了故障，经过修理后仍然能够继续驾驶。产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性，即按照可靠性规划，从原材料和零部件的选用，经过设计、制造、试验，直到产品出产的各个阶段所确立的可靠性。使用可靠性是指已生产的产品，经过包装、运输、储存、安装、使用、维修等因素影响的可靠性。3.2.2可靠性要素可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。例如，当空间探测卫星发射后，人们希望它能无故障的长时间工作，否则，它的存在就没有太多的意义了，但从某一个角度来说，任何产品不可能100%的不会发生故障。可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。像自行车、电脑等都是容易维修的，而且维修成本也不高，很快的能够排除故障，这些都是事后维护或者维修。而像飞机、汽车都是价格很高而且非常注重安全可靠性的要求，这一般通过日常的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。产品的可维修性与产品的结构有很大的关系，即与设计可靠性有关。设计可靠性：这是决定产品质量的关键，由于人—机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这就是设计可靠性。一般来说，产品的越容易操作，发生人为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小；从另一个角度来说，如果发生了故障或者安全性问题，采取必要的措施和预防措施就非常重要。例如汽车发生了碰撞后，有气囊保护。3.2.3可靠性研究的重要性可靠性是与电子工业的发展密切相关的，其重要性可从电子产品发展的三个特点来加以说明。首先是电子产品的复杂程度在不断增加。人们最早使用的矿石收音机是非常简单的，随之先后出现了各种类型的收音机、录音机、录放相机、通讯机、雷达、制导系统、电子计算机以及宇航控制设备，复杂程度不断地增长。电子设备复杂程度的显著标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。其次，电子设备的使用环境日益严酷，现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可能性增大。第三，电子设备的装置密度不断增加。从第一代电子管产品进入第二代晶体管，现已从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。可靠性已经列为产品的重要质量指标加以考核和检验。长期以来，人们只用产品的技术性能指标作为衡量电子元器件质量好坏的标志，这只反映了产品质量好坏的一个方面，还不能反映产品质量的全貌。因为，如果产品不可靠，即使其技术性能再好也得不到发挥。从某种意义上说，可靠性可以综合反映产品的质量。可靠性工程师一个综合的学科，它的发展可以带动和促进产品的设计、制造、使用、材料、工艺、设备和管理的发展，把电子元器件和其它电子产品提高到一个新的水平。正因为这样，可靠性已形成一个专门的学科，作为一个专门的技术进行研究。3.3加速寿命试验统计分布及估算方法3.3.1对数正态分布在概率论与统计学中，对数正态分布是对数为正态分布的任意随机变量的概率分布。如果X是正态分布的随机变量，则exp(X)为对数分布；同样，如果Y是对数正态分布，则ln(Y)为正态分布。如果一个变量可以看作是许多很小独立因子的乘积，则这个变量可以看作是对数正态分布。一个典型的例子是股票投资的长期收益率，它可以看作是每天收益率的乘积。对于，对数正态分布的概率分布函数为（3.1）其中μ与σ分别是变量对数的平均值与标准差。它的期望值是（3.2）方差为（3.3）给定期望值与标准差，也可以用这个关系求μ与σ2（3.4）（3.5）3.3.2最小二乘法最小二乘法是它是一种点估计的方法，主要用来估计线性函数中的未知参数。它是高斯在1809年首先提出来的，后来马尔可夫在1900年又进了一步发展了它。我们使用这个方法来估计威布尔分布中的未知参数。首先了解一下最小二乘法的原理。具体地说，设在某一个试验过程中有一个可控的变量，当x变化时，试验结果y也随着变化，但y与x之间没有一个完全确定的函数关系。这是因为在试验过程中还有其他一些随机因素对试验结果的干扰。即使对同一个x值重复多次试验，结果y也有随机波动。因此试验结果y就是一个随机变量。但对这种随机波动取平均后，E(y)与x之间的函数关系就呈现出某种稳定性。假如这种函数关系是线性关系，那么E(y)即是x的线性函数，即（3.6）不少实际问题可以归结到这个线性回归模型中去。那么，如何确定这个线性函数，也就是如何估计其中的两个未知参数呢？为了估计a和b，常设计n个试验，在第i次试验中让x取xi，相应的试验结果记为yi，那么yi与a+bxi是有差异的。记其偏差为i=1，2，…n（3.7）这些偏差的平方和仅是a和b的函数，记为（3.8）所谓确定a和b的最小二乘法，就是选择这样的和，使得上述偏差平方和达到最小，即（3.9）这样的和分别称为参数a和b的最小二乘估计。由于Q(a，b)是a和b二次函数，并且二次项的系数为正，故a与b的最小二乘估计一定存在，并且可以用微分法求得。为此，我们分别求Q对a和b的偏导数，并令其为零，即（3.10）经过化简，上述方程组可以改写为（3.11）其中求和号是对i从1~n求和。这里和下面都把“i从1~n”省略了。解这个二元一次方程组，可得（3.12）记，，经过一些代数运算，可以把上面的结果写得更为简单，即（3.13）（3.14）这就是参数a和b的最小二乘估计。代入式（3.13）（3.15）第四章试验数据的统计分析及寿命估计4.1基本假定假定1：在电流应力Ｉ下，白光OLED寿命服从对数正态分布，其分布函数为(4.1)式中，为对数均值，σ称为对数标准差。假定2：在正常工作应力I0和各加速应力Ii（i=1，2，3）下，白光OLED的机理不变，取加权平均：(4.2)假定3：对于白光OLED，加速模型符合逆幂定律，即均值μ与电应力水平Ｉ满足如下的关系式：(4.3)式中：α，β为待估的加速参数。假定4：失效概率符合Nelson定理[22]。Nelson于1980年提出了样品的剩余贮存寿命仅与当时已累积失效部分和当时应力水平有关，而与累积方式无关。即OLED在应力Ii下，工作了时间ti积累的失效概率为Fi(ti)，相当于此产品在应力Ij下，工作了时间tj所积累的失效概率Fj(tj)，即为(4.4)4.2恒定应力加速寿命试验数据统计分析对分布函数式(4.1)作以下变换(4.5)令(4.6)(4.7)则得到如下线性关系式：(4.8)将失效时间从小到大排序，每个ti对应的累积失效概率F(ti)采用中位秩公式计算：(4.9)这样就得到一组试验数据(4.10)采用最小二乘法估计出对数正态分布的参数。根据式（4.7）把式（4.11）转化为(4.11)对数正态分布线性模型采用最小二乘法回归为直线，其系数表达式如下(4.12)由式（4.8）可得(4.13)xj与yj的相关系数表达式为(4.14)这里，式（4.13）和（4.14）中的xj和yj用试验数据和式（4.12）计算，R的绝对值越接近1，说明两个变量之间线性相关的程度越高。4.3步进应力加速寿命试验数据统计分析为了对步进应力的数据进行统计，需要将步进应力试验中样品在电应力Ii下的工作时间ti折算成Ij应力下的时间tj。由假定（4.1）和（4.4）可得（4.15）由假定(4.3)知：在试验中保证失效机理不变，即σi=σj得（4.16）其中，β为加速寿命方程中的加速参数。4.4试验数据在保证加速效果达到最大而且失效机理不变的情形下开展两组恒定和两组组步进应力加速寿命试验，恒定电流应力水平I1=9.64mA和I3=17.09mA的试验样品的失效时间列于表4-1。表4.1I1和I3恒定应力实验样品的失效时间电流应力mA实效时间ht1t2t3t4t5t6t7t8t9t10I1=9.641691.52084.72100.32374.52421.52586.02621.52680.52868.02879.5I3=17.09601.5689.7697.3716.5785.5854.5889.51115.71131.31251.5对于步进应力试验，具体的步进应力试验的应力（I1→I2→I3→I4）施加模式如图4.2，每步应力的失效时间见表4.2。图4.2步进应力试验的应力施加模式表4.2步进应力试验的失效时间样品实效时间hI1=9.64mAI2=12.36mAI3=17.09mAI4=22.58mA12330.52-2377.5--3-2518.5--4--2565.5-5--2589.0-62700.572740.582775.54.5恒定应力试验数据处理结合式（4.1）、(4.6）和（4.10）可对表4.1中的两组恒定应力数据进行处理，具体数据列于表4.3，其统计曲线示于图4.4，该图中的直线采用最小二乘法来拟合。表4.3各应力下的对数正态分布参数应力I1=9.64mAI2=12.36mAI3=17.09mAI4=22.58mAμi7.78407.51196.74456.4179σi0.19130.19660.27620.1966R2i0.90930.94010.94900.94014.6加速寿命方程将I1=9.64mAI3=17.09mA两组恒定应力下的μ1=7.7840和μ3=6.7445分别代入式(4.3)，联合求解得到α=11.8977、β=−1.8155，则加速寿命方程为(4.17)4.7步进应力试验数据处理为进行统计，需要将表4-2中步进应力试验中样品的失效时间折算成恒定应力I2、I4下的时间。先把步进Ii(i=1,2,3,4)下各样品的失效时间都折算成I1下的失效时间，利用图4，并结合式(4.15)可得如下折算公式：(4.18)式中：β=−1.8154，t1*=2354h，t*2=2542h，t*3=2589h；ti为步进应力下的失效时间；τ12、τ13、τ14分别为I1相对于I2、I3、I4的加速系数，可分别由式（4.15）计算得到，这样，通过加速系数便可将步进应力下样品的失效时间折算成I2、I4下的失效时间，利用式（4.16）可得折合公式如下：(4.19)因此结合式（4.15）、（4.17）、（4.18），可将步进失效时间折算成恒定应力I2=12.36mA和I4=22.58mA的时间，具体失效时间见表4.4。表4.4步进应力的失效时间折算到I2和I4应力下的失效时间电流应力mA失效时间ht1t2t3t4t5t6t7t8I2=12.361484.171522.641663.641729.461771.782104.742224.192328.71I4=22.58497.01509.89557.11579.15593.32704.82744.82779.82利用同样的方法对表4.4中的数据进行处理，计算得I2、I4下的对数正态分布参数，如表4.3所示。○、□步进折算I1、I3数据点；×、＋恒定I2、I4数据点；——拟合直线图4.3恒定、步进应力数据的统计曲线将I2=12.36mA和I4=22.58mA的拟合曲线也绘于图4.4。由图4.3所示的四条直线基本保持平行，说明了在各电流应力下其失效机理保持不变，也证实了基本假定(4.2)。4.8加速参数的修正利用表4.3中的数据，并结合式(4.3)，采用最小二乘法求得加速参数为：α=11.6820、β=−1.7017，则修正后的加速寿命试验方程为（4.20）加速寿命曲线即OLED寿命特征图，如图4.4所示。图4.4实际上是寿命特征图，其决定系数R2=0.9783，接近于1，说明拟合程度非常好，这证实白光OLED的加速模型完全符合逆幂定律的假定。图4.4寿命特征图4.9K-S检验这里，采用K-S理论来进行检验，考虑到样本容量较小，在检验时以取较大的显著性水平为宜。这里取α=0.2，通过对四组应力试验样品的失效时间进行检验，电流应力I1和I3下观测的K-S统计量D1,3n={0.1761,0.1382}＜D10,0.2=0.323，电流应力I2和I4下观测的K-S统计量D2,4n={0.1899,0.1899}＜D8,0.2=0.358，假设检验结果均为0，这说明每个电应力水平下的失效时间均通过了K-S检验，从而进一步证实了白光OLED的寿命分布服从对数正态分布。4.10OLED寿命预测记加速系数,，结合式（4.2）、(4.3)、（4.4）、（4.16）可得(4.21)式中：β为加速寿命方程（4.3）中的斜率，即为加速参数。由式（4.21）可得(4.22)根据式（4.22），利用在Ii应力下的试验时间ti，就可以求出相当于在应力Ij下的试验时间tj。按加速系数的定义，在式（4.21）中令j=0，可得产品在正常工作应力I0下相对于加速应力Ii(i=1,2,3,4)下寿命加速系数的表达式(4.23)当OLED寿命服从对数正态分布时，加速应力Ii下的平均寿命和中位寿命ti0.5分别为(4.24)这样，结合式（4.23）和（4.24），便可计算出OLED在I0下的平均寿命和中位寿命t0.5分别为,(4.25)将I0=3.20mA代入加速寿命方程式（4.20），可得到OLED在正常工作电流下的对数均值μ0=9.7026；再将β=−1.7017代入式（4.21）分别求得OLED在四个应力Ii(i=1,2,3,4)下的加速系数：τ1=6.5313，τ2=9.970，τ3=17.3045，τ4=27.7995。根据式（4.2），并利用表4-3中各应力Ii下对数标准差的估计值σi(i=1,2,3,4)可求出σ=0.2173。结合式（4.24）和表4-3中的对数均值μi，求得Ii下的平均寿命分别为：=2564.71h、=1680.17h、=968.01h、=602.56h。因此，利用式(4.25)便可计算I0下的OLED平均寿命为。此外，采用同样的方法可得到中位寿命为t0.5=16360.3h。目前白光OLED市场实绩表明其平均寿命在1.6万小时左右，由于不同的结构，材料和工艺会造成产品寿命有一定差异，因此，本文得到的白光OLED平均寿命与实际数据比较接近，对OLED实现产业化有着重要的意义。第五章结论通过加大电流应力对白光OLED开展了恒定、步进相结合的加速寿命试验，采用LSM和对数正态分布函数完成了试验数据的统计与分析，得出结论如下：(1)证实了白光OLED寿命服从对数正态分布的假定，其加速模型符合逆幂定律；(2)利用Matlab语言进行寿命预测，使得复杂的OLED加速寿命试验数据统计分析变得简单，并预测出了白光OLED的平均寿命和中位寿命；(3)精确计算出的关键性加速参数使得快速预测白光OLED寿命成为可能，这样大大节省了试验时间，降低了试验成本，并对OLED生产厂商和用户有很强的指导意义。参考文献[1]BALDOMA,THOMPSONME,FORRESTSR.High-efficiencyfluorescentorganiclight-emittingdevicesusingaphosphorescentsensitizer[J].Nature,2000,403:750.[2]ADACHIC,BALDOMA,FORRESTSR,etal.High-efficiencyorganicelectrophosphorescentdeviceswithIr(ppy)3[J].AppliedPhysicsLetters,2000,77:904.[3]张志林,蒋学茵,张步新,等.在多色有机薄膜电致发光及其稳定性[J].发光学报,2000,21(4):308.[4]JIANGXY,ZHANGZL,ZHAOWM,etal.Whitelight-emittingorganicdiodewithadopedblockinglayerbetweenholeandelectrontransportinglayer[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2000,33:473.[5]杨开霞,黄劲松,刘式墉,等.有机/聚合物白光电致发光器件[J].发光学报,2000,21(3):257.[6]LIANGC,LIWL,CHAOD,etal.ImprovedperformanceofELdevicesbasedonEu-complex[J].AppliedPhysicsLet