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.docx

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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

目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论1

第二章OLED介绍1

2.1OLED基本背景1

2.1.1OLED原理1

2.1.2OLED特点2

2.1.3OLED显示屏和其他材料的比较优势2

2.2OLED分类3

2.3OLED制造应用4

2.3.1OLED制造方法4

2.3.2国内主要OLED企业状况分析4

2.4OLED发展概述5

2.4.1OLED市场发展5

2.4.2OLED技术现状分析5

2.5国内外对OLED寿命测试的研究8

2.6OLED应用前景9

2.6.1OLED在平板显示器中的应用9

2.6.2其它潜在应用10

第三章加速寿命试验理论模型10

3.1加速寿命试验10

3.1.1加速寿命试验简介10

3.1.2加速寿命试验方法11

3.1.3加速寿命试验类型11

3.2可靠性概述11

3.2.1可靠性简介11

3.2.2可靠性要素12

3.2.3可靠性研究的重要性12

3.3加速寿命试验统计分布及估算方法13

3.3.1对数正态分布13

3.3.2最小二乘法14

第四章试验数据的统计分析及寿命估计15

4.1基本假定15

4.2恒定应力加速寿命试验数据统计分析16

4.3步进应力加速寿命试验数据统计分析17

4.4试验数据17

4.5恒定应力试验数据处理18

4.6加速寿命方程18

4.7步进应力试验数据处理19

4.8加速参数的修正20

4.9K-S检验20

4.10OLED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；LSM

STATISICALANALYSISONCONSTANT-STEP-STRESSACCELERATEDLIFETESTDATAOFWHITEOLEDUNDERLOGNORMALDISTRIBUTION

ABSTRACT

WiththestudyanddevelopmentofOLEDbecomingmoreandmoreextensive，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）；主动发光全固态、抗震能力强、可实现柔软显示等。

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.