陈 卓

（陕西交通职业技术学院 轨道交通学院，陕西 西安 710018）

1 有机电致发光二极管概述

有机电致发光二极管（OLEDs）以其独特性和卓越性，在平板显示、照明等领域有着广泛的应用前景：薄型、轻巧、节能、工作温度低和寿命长。OLEDs 在过去的几十年里发展迅速，被广泛应用于智能手机、平板电脑和大型全彩电视等领域。OLEDs 的亮度和发光效率不断提高，然而，OLEDs 的寿命和稳定性仍然有待提高。焦耳热问题在OLED 器件上始终是存在的，特别是对于大面积器件，因为注入的电流更大。焦耳热会导致器件性能和稳定性下降，例如有机分子的热降解、亮度降低、寿命短和OLEDs 的光谱漂移大等，因此，为了进一步提高OLEDs 器件的工作寿命和稳定性，关键问题之一是有效地抑制和散发器件内部产生的热量。

同时，OLEDs 的另一个关键问题是保护它们免受氧气和湿气的侵害。为此，已研究出了各种封装技术，如传统的玻璃封装、环氧树脂填充的玻璃封装和barix 薄膜封装等。对于封装OLED 器件，热通过封装层传递到散热片或周围环境。因此，封装需要允许高的气体扩散阻挡层，同时满足传热要求。本文建立了三维有限元热仿真模型，比较分析了不同封装方式下OLED 的温度分布和传热特性。

有限元热仿真模型能够准确地估算器件温度并仿真温度分布。仿真结果表明，结合了散热片的薄膜封装结构表现出最佳的传热性能，并且几乎没有温度梯度。在功率密度为900 kW/cm2时，器件内部最高温度为54.36 ℃。传统的玻璃封装显示出最差的热性能。即使借助散热片，装置内部的最高温度也仅降低了1.19 ℃（从70.14 ℃降至68.95 ℃）。

2 模型

本文重点介绍一种具有标准结构的底发射OLED，如图1 所示。其中氧化铟锡（ITO）、聚（3，4-乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸钠）（PEDOT：PSS）、聚（9-9-二辛基芴）（PFO）、氟化锂（LiF）和铝（Al）分别作为阳极、空穴传输层（HTL）、发射层（EML）、电子注入层（EIL）和阴极。其原理图/示意图如图2 所示。器件的发光面积为9.0 mm2。

为了仿真和分析OLED 在稳态下的热传输特性和温度场分布，在COMSOL 多物理场软件中使用固体传热模块建立了三维热仿真模型。

对于OLED 器件，输入的电功率等于器件内能增加、光能消耗以及通过对流和辐射向周围环境散热的总和。需要一些假设和简化，以确保模型简洁，并允许数学求解。注入电荷的大部分能量导致OLED 器件的焦耳热而不是发光[1]。因此假设所有的电输入都转换为热，通常，载流子的复合区在HTL/EML 界面附近或EML 中[2]，并且在电子传输层（ETL）层内的界面附近会感应出高电场[3]。如图1 所示的标准OLED，使用EML 材料作为EML 和ETL。因此，我们假设EML 是一个均匀的内热源，热导率不随温度变化。

下页表1 给出了仿真所需的参数值。环境温度为35℃[4]，玻璃基板厚度为1.2 mm。下页图3 显示了在功率密度为900 kW/cm2时各层的温度分布，可以看出OLED 有源区内部的温度梯度在稳态条件下很小，最高温度位于EML 层靠近阴极的地方。这与先前的结果是一致的。如图4 所示，热模型仿真结果与文献［4］中的测量结果吻合得很好，但是还看到，在高功率密度下，本文的仿真结果比文献中的结果略大。这主要是因为仿真结果是阴极表面最高温度，而测量结果是测量的阴极表面区域的平均温度。总体而言，热模型能够准确地仿真器件的温度。因此，该模型可用于研究不同封装方式下OLED 器件的传热特性。

表1 仿真所需的参数值

3 结果和讨论

本文利用第2 节建立的热模型研究了三种不同封装结构的OLED 器件的传热特性。这三种封装结构分别为传统玻璃封装、环氧树脂玻璃封装和barix 薄膜封装。将50 μm 厚的铜片作为柔性散热片附着在封装盖的外表面上，以实现有效的散热。

传统的玻璃封装结构是在一个装满惰性气体的手套箱中完成的。该封装技术具有结构简单、技术成熟、成本低廉等优点。本文采用氮气作为惰性气体。对于玻璃盖，本文使用中空玻璃盖。将0.7 mm 厚的玻璃盖挖空，使其厚度变为0.35 mm。图5～图6 分别显示了在功率密度为900 kW/cm2时无散热片和有散热片的器件表面温度分布。可以看出，通过玻璃盖表面的散热比通过玻璃基板表面的散热小得多。因此，可以观测到一个明显的温度梯度。玻璃盖的表面温度小于玻璃基板的表面温度。不带散热片的玻璃盖和玻璃基板的最高表面温度分别为50.15 ℃和65.83 ℃。带散热片的玻璃盖和玻璃基板的最高表面温度分别为44.53 ℃和64.35 ℃。可以看出，有散热片和没有散热片的玻璃封装OLED，温度没有太大差异。借助于散热片，器件内部的最高温度仅降低了1.19 ℃（从70.14 ℃降至68.95 ℃），这是因为氮气的热导率为0.024 W/（m·K），因此导致常规玻璃封装的传热性能较差。

为了消除器件中的氮气，park 提出了一种填充环氧树脂的玻璃封装结构。在这种结构中，将导热环氧树脂填充到玻璃盖中，这与传统的玻璃封装相同。为了防止环氧树脂对有机层和阴极层造成危害，插入一层由40 nm 厚的N，N′-双（1-萘基）-N，N′-二苯基-1，1′-联苯-4，4′-二胺（NPB）和50 nm 厚的LiF 组成的缓冲层。假定NPB 的热导率与PEDOT：PSS 相同。下页图7～图8 分别显示了在功率密度为900 kW/cm2时无散热片和有散热片的器件表面的温度分布。结果表明，环氧玻璃封装的OLED 从阴极到玻璃盖的散热量迅速增加，并且内部的温度梯度小于传统玻璃封装的OLED。不带散热片的玻璃盖和玻璃基板的最高表面温度分别为59.39 ℃和59.05 ℃。这是因为环氧树脂的热导率约为0.35 W/（m·K），远高于氮气的热导率（0.024 W/（m·K））。因此，即使没有散热片也可以将热量传递到周围。但是，散热片的附着效果并不理想。有散热片的玻璃盖和玻璃基板的最高表面温度分别为51.58 ℃和55.11 ℃。器件的最高温度仅降低了4.6℃（从62.44 ℃降到57.84 ℃），尽管如此，降低的温度也比传统玻璃封装的OLED 大（1.19℃）。可能是因为传热路径很长，因此厚的（0.35 mm）环氧树脂层内部出现了明显的温度梯度，这是由于环氧树脂的热导率仍然很低所致。

薄膜封装（TFE）结构，该结构基于真空中的有机/无机多层膜。这种薄膜多层结构称为barix 层，作为气体扩散阻挡层非常有前景。因此，这种barix-TFE封装具有许多优点，例如减少针孔、隔离水蒸气和氧气等，此外，与玻璃封装相比，使用柔性显示器更轻更薄。在本文的仿真中，通过交替沉积氧化铝（Al2O3）和聚合物层形成Barix 层。仿真了沉积3.5 dyads TFE 的barix 层。氧化铝和聚合物的热导率分别为30 和0.107 W/（m·K）。图9～图10 分别显示了在功率密度为900 kW/cm2时无散热片和有散热片的器件表面的温度分布。可以看出，散热片大大降低了器件温度。玻璃基板的最高表面温度由67.28 ℃降低到53.32 ℃。TFT 盖最高表面温度由71.97 ℃降低到54.24 ℃。器件内部最高温度由71.97 ℃降至54.36 ℃。此外，采用TFE 封装并且有散热片的OLED 基本上没有温度梯度。这种温度的大幅度降低（约18 ℃）是由于TFE 结构的传热路径短。TFE 层的总厚度仅为3.2μm。因此，在发光层中产生的热量可以很好地传递到散热片并被散热片耗散。根据之前的传统和环氧树脂玻璃封装的结果，可以得出结论：TFE 结构与散热片相结合具有最佳的传热性能。

4 结论

必须封装OLED 以避免氧气和湿气。因此，一种实用的散热方法是检查适配的阴极封装和散热片。本文建立了三维有限元热仿真模型，并与前人的工作进行了比较，验证了模型的可行性。对三种不同封装方式的热性能进行了对比分析。这三种封装方案分别是传统的玻璃封装、环氧树脂玻璃封装和batrix 薄膜封装。在有散热片的情况下，batrix 薄膜封装的传热性能最好，其次是环氧玻璃封装，然后是传统的玻璃封装。由于薄膜封装结构中的传热路径较短，TFE 结构与散热片组合具有最佳的传热性能。