CN101865866B - 聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法及其应用，所述聚合物电致发光器件各层依次为ITO玻璃片、空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层、阴极，所述测量方法包括聚合物电致发光器件性能测量、有限元分析软件热仿真、聚合物电致发光器件阴极温度测量。所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法适用于空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层中的任一种有机层导热系数的测量。本发明操作简单快捷、成本小，实验误差小，具有广泛性，众多研究机构和企业均可以采用，具有广阔的应用前景。

Description

聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法及应用

技术领域

本发明涉及一种聚合物导热系数的测量技术，具体是指聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法及应用。

背景技术

聚合物电致发光器件是当前科技界和产业界研究和开发的热点之一。聚合物白光照明光源是当今世界发达国家和发展中国家都在积极研制攻关的一项节能高效、平板、应用广泛的照明光源。聚合物电致发光器件特点表现在平面光源、功率小、体积小、重量轻、色彩丰富纯真等其它照明光源无法比拟的优点。然而目前，聚合物电致发光器件光能转换效率低，绝大部分输入功率转变成热量，如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显，聚合电致发光器件结温升高，发光器件出射的光子减少，发光效率降低；高温同时加快发光器件有机分子分解、失效；而且各层材料的热膨胀系数不匹配，反复高温器件各个结构层之间会产生热应力效应，使得器件发生翘曲、裂纹，甚至产生失效和破坏，这些将会明显地减低聚合物发光器件发光效率，加速聚合物电致发光器件老化速率。

聚合物电致发光器件的有机层(包括空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层)的导热系数是表征聚合物热传导性质的物理量，各个有机层导热系数是影响整个聚合物电致发光器件的出光效率、使用寿命重要因素之一，对其研究直接关系到聚合物电致发光器件寿命的提高。

一般聚合物导热系数采用稳态薄膜测量法测量所得，稳态薄膜测量法是将薄膜层制备在上下两金属板之间，热量通过上金属板(上盖板)传入待测物体后，又经过下金属板(下盖板)传出，，通过不断加热，上下金属板的温度逐渐升高，温差电偶输出电压逐渐增大，在接近稳态时，温度变化速率逐步趋向缓和，在相当长的一段时间内上下金属板的温度基本保持不变确定稳态，测量稳态温差电偶输出电压，结合以下公式获得薄膜热导系数：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{qh}}{\mathrm{A\ΔT}}$

其中λ为聚合物导热系数，q为稳态时通过薄膜的热流量，h为薄膜厚度，A为薄膜的截面面积，ΔT为稳态时薄膜上下表面温度。

采用传统聚合物薄膜导热系数测量方法测量聚合物电致发光器件有机层薄膜导热系数测量却存在一些无法克服的先天不足：

(1)传统测量方法试样厚度不能低于1mm，待测物体制备成薄膜厚度太薄，测试过程中容易损坏，然而制度厚度大的试样，却会大大增加测量成本，实验室制备空穴传输层、聚合物发光层及电子传输层特点是产量小、成本高，不足以制备厚度大于1mm薄膜。

(2)稳态测量法需要测量待测物体的截面面积、厚度，系统处于稳态时上下表面温差、热流量，即稳态测量法受到众多参数影响，实验误差大。

(3)传统测量要求试样表面无侧向热损，即通过待测物体上表面热流必须全部通过下表面，这必增加测试系统复杂度。

(4)试样必须处于热平衡状态，稳态测量由开始至稳定过程中，如果热流增幅小，则消耗时间长；如果热量增幅大，则容易出现控制困难，温度升高过快，热量不及时耗散，破坏各个有机层分子结构。

发明内容

为克服现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其操作简单快捷、成本小，实验误差小，具有广泛性。

本发明的另一目的还在提供上述聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，所述聚合物电致发光器件各层依次为ITO(氧化铟锡)玻璃片、空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层、阴极，所述测量方法包括聚合物电致发光器件性能测量、有限元分析软件热仿真、聚合物电致发光器件阴极温度测量，具体步骤如下：

(1)聚合物电致发光器件性能测量，具体是：手套箱低氧低水气环境下，在聚合物电致发光器件正极、负极施加范围2～20V之间的直流电压V，使得聚合物电致发光器件发出光线，探测聚合物电致发光器件的光强和电流效率，通过计算获得聚合物电致发光器件光能转换效率；

(2)有限元分析软件热仿真，即通过有限元分析软件对聚合物电致发光器件的热特性进行热仿真，具体是：

采用有限元分析软件建立聚合物电致发光器件3D模型，对所述聚合物电致发光器件3D模型进行有限元划分，施加相应边界条件和热生成功率；

对待测有机层设置一个线性变化的导热系数，除待测有机层外，所述聚合物电致发光器件的其余各层参照热学手册分别施加固定导热系数值；对所述聚合物电致发光器件3D模型进行求解，获取阴极温度与待测有机层导热系数的之间变化曲线图和对应关系表，不同的阴极温度对应着待测有机层不同的导热系数；

(3)聚合物电致发光器件阴极温度测量：在聚合物电致发光器件两端施加大小为V直流电压，即施加输入功率与聚合物电致发光器件性能测量步骤中所施加的输入功率值一样；

待器件热稳定后，测量聚合物电致发光器件阴极温度，根据所获得阴极温度，结合有限元分析软件模拟的阴极温度与待测有机层的导热系数变化曲线图，获得待测有机层的导热系数。

优选地，所述ITO玻璃片是在厚度为0.5～2mm的石英玻璃衬底上溅射80～160nm氧化铟锡溅射层；所述空穴传输层在空气环境中采用旋涂方式制备，空穴传输层厚度为20～60nm；所述聚合物发光层在手套箱低氧低水气环境中采用旋涂方式制备，聚合物发光层厚度为40～200mm；所述电子传输层、阴极在超高真空环境下采用蒸镀方式制备，所述电子传输层厚度为4～40mm，所述阴极厚度为60nm～200nm。

步骤(1)中所述探测聚合物电致发光器件的光强和电流效率，是采用硅光电器件探测。

步骤(2)中所述有限元分析软件，是采用ANSYS有限元分析软件或其他具有热仿真功能的有限元分析软件。

步骤(2)中所述线性变化的变化范围是0.01～20W/m·K。

步骤(3)中测量聚合物电致发光器件阴极温度，是采用接触式温度测量仪器测量。

优选地，所述接触式温度测量仪器采用热电偶温度测量仪。

所述聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法的应用，其适用于空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层中的任一种有机层导热系数的测量。

本发明的原理是：

(1)光电聚合物是一种具有光电特性有机高分子，光电聚合物制备成聚合物发光器件后，在其两端施加电压，聚合物有源层可以发出光线，不同聚合物发出光线波长不一样。

(2)聚合物电致发光器件为冷光源，对外不发生热辐射，输入功率转换成光能和热能两部分。

(3)ANSYS有限元分析软件可用于仿真聚合物电致发光器件温度分布及其他热物理参数。

(4)热电偶温度测量仪为接触式温度测量仪器，可以准确测量聚合物电致发光器件阴极温度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明结合实验测量与软件模拟，简单快捷获得光电聚合物导热系数；

(2)本发明仅需少量光电聚合物即可测量获得其导热系数，减少光电聚合物原料成本，特别适用于光电聚合物导热系数测量；

(3)本发明实验测量参数少，可减少实验误差；

(4)本发明操作简单、成本小，具有广泛性，众多研究机构和企业均可以采用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述聚合物电致发光器件结构示意图；

图2是本发明所述聚合物电致发光器件的阴极温度测量示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

在超净室环境中制备PFO-BT聚合物电致发光器件，如图1所示，其各层结构依次为ITO玻璃片(石英玻璃衬底06、ITO溅射层05)→空穴传输层(PEDOT)04→聚合物发光层(PFO-BT)03→电子传输层(Ba)02→阴极(A1)01，空穴传输层04在空气环境中采用旋涂方式制备，聚合物发光层03在手套箱低氧低水气环境中采用旋涂方式制备，电子传输层02、阴极01在超高真空环境下采用蒸镀方式制备。所述ITO玻璃片是在厚度为0.69mm的石英玻璃衬底06上溅射100nm氧化铟锡层(ITO溅射层05)，所述空穴传输层(PEDOT)04厚度为40nm，所述聚合物发光层(PFO-BT)03厚度为80nm，所述电子传输层(Ba)02厚度为4nm，所述阴极(A1)01厚度为800nm。

本PFO-BT聚合物电致发光器件的PFO-BT聚合物发光层的导热系数的测量过程，具体如下：

(1)在手套箱内测量PFO-BT聚合物电致发光器件性能参数，连接低压直流电源07，当其亮度为1000cd/m²时，输入电压为7.8V，电流为2.8mA，输入功率为19.6mW，并采用硅光电器件探测PFO-BT聚合物电致发光器件的光强和电流效率，通过计算获得其光能转变效率为1％，即有19.4mW能量转变为热量；

(2)使用ANSYS有限元分析软件建立PFO-BT聚合物电致发光器件3D模型，在3D模型外部施加自然对流，在3D模型中PFO-BT聚合物发光层施加热生成功率1.4×10⁹W/m³，热生成功率等于热功率19.4mW除以PFO-BT聚合物发光层体积1.36×10^-12m³获得，并给PFO-BT聚合物发光层施加从0.01～20W/m·K之间线性变化的聚合物发光层导热系数，石英玻璃衬底、ITO溅射层、PEDOT空穴传输层、Ba电子传输层、Al阴极分别施加大小为1.13W/m·K、20W/m·K、0.10W/m·K、18.4W/m·K、237W/m·K导热系数，通过ANSYS有限元分析软件求解获得Al阴极温度对应PFO-BT聚合物发光层导热系数的变化曲线图及对应关系表；

(3)在PFO-BT聚合物电致发光器件两端施加同等输入功率19.6mW，待Al阴极温度稳定后，使用热电偶温度测量仪测量A1阴极温度(如图2所示，其中08为热电偶导线，09为热电偶探头，10为聚合物电致发光器件，11为低压直流电源，12为外接导线，13为数字电表)，测得Al阴极温度为50℃，对比ANSYS有限元分析软件得出的A1阴极温度与PFO-BT聚合物发光层导热系数的变化曲线图，可以得知当光电聚合物导热系数为0.08W/m·K时Al阴极温度为50℃，即可获得PFO-BT聚合物发光层导热系数为0.08W/m·K。

实施例2

在超净室内制备Alq3聚合物电致发光器件，将已知导热系数的聚合物Alq3作为聚合物发光层。如图1所示，其各层结构依次为ITO玻璃片(石英玻璃衬底06、ITO溅射层05)→空穴传输层(PEDOT)04→聚合物发光层(Alq3)03→电子传输层(TPBI)02→阴极(A1)01，各层的制备同实施例1，各层厚度分别为：ITO玻璃片(0.7mm)/PEDOT(40nm)/Alq3(60nm)/TPBI(30nm)/Al(80nm)。

本Alq3聚合物电致发光器件的TPBI电子传输层的导热系数的测量过程，具体如下：

(1)在手套箱内测量Alq3聚合物电致发光器件性能参数，连接低压直流电源07，当其亮度为100cd/m²时，其输入电压为4V，电流为2.1mA，输入功率为8.4mW，并采用硅光电器件探测Alq3聚合物电致发光器件的光强和电流效率，通过计算可获得其光能转变效率为3％，即有8.15mW能量转变为热量；

(2)然后使用ANSYS有限元分析软件建立Alq3电致发光器件3D模型，在3D模型外部施加自然对流，在3D模型中Alq3聚合物发光层施加热生成功率1.6×10⁹W/m³，并给TPBI电子传输层施加从0.05～30W/m·K之间线性变化的电子传输层导热系数，石英玻璃衬底、ITO溅射层、PEDOT、Alq3、A1分别施加大小为1.13W/m·K、20W/m·K、0.10W/m·K、0.12W/m·K、237W/m·K导热系数，通过ANSYS有限元分析软件求解获得Al阴极温度对应TPBI电子传输层导热系数的变化曲线图及对应关系表；

(3)在Alq3聚合物电致发光器件两端施加同等输入功率8.4mW，待阴极温度稳定后，使用热电偶温度测量仪测量A1阴极温度(如图2所示，其中08为热电偶导线，09为热电偶探头，10为聚合物电致发光器件，11为低压直流电源，12为外接导线，13为数字电表)，测得Al阴极温度为45℃，对比ANSYS有限元分析软件得出的Al阴极温度与TPBI电子传输层导热系数的变化曲线图，可以得知当TPBI电子传输层导热系数为0.3W/m·K时Al阴极温度为45℃，即可获得TPBI电子传输层导热系数为0.3W/m·K。

实施例3

在超净室内制备Alq3聚合物电致发光器件，将已知导热系数的聚合物Alq3作为聚合物发光层。如图1所示，其各层结构依次为ITO玻璃片(石英玻璃衬底06、ITO溅射层05)→空穴传输层(NPB)04→聚合物发光层(Alq3)03→电子传输层(Ba)02→阴极(A1)01，各层的制备同实施例1，各层厚度分别为：ITO玻璃片(0.7mm)/NPB(40nm)/Alq3(60nm)/Ba(4nm)/Al(80nm)。

本Alq3聚合物电致发光器件的NPB空穴传输层的导热系数的测量过程，具体如下：

(1)在手套箱内测量Alq3聚合物电致发光器件性能参数，连接低压直流电源07，当其亮度为100cd/m²时，其输入电压为5V，电流为2.3mA，输入功率为11.5mW，并采用硅光电器件探测Alq3聚合物电致发光器件的光强和电流效率，通过计算可获得其光能转变效率为2.5％，即有11.2mW能量转变为热量；

(2)然后使用ANSYS有限元分析软件建立Alq3电致发光器件3D模型，在3D模型外部施加自然对流，在3D模型中Alq3聚合物发光层施加热生成功率2.0×10⁹W/m³，并给NPB空穴传输层施加从0.05～30W/m·K之间线性变化的空穴传输层导热系数，石英玻璃衬底、ITO溅射层、Alq3、Ba、A1分别施加大小为1.13W/m·K、20W/m·K、0.12W/m·K、18.4m·K、237W/m·K导热系数，通过ANSYS有限元分析软件求解获得Al阴极温度对应NPB空穴传输层导热系数的变化曲线图及对应关系表；

(3)在Alq3聚合物电致发光器件两端施加同等输入功率11.2mW，待阴极温度稳定后，使用热电偶温度测量仪测量A1阴极温度(如图2所示，其中08为热电偶导线，09为热电偶探头，10为聚合物电致发光器件，11为低压直流电源，12为外接导线，13为数字电表)，测得A1阴极温度为60℃，对比ANSYS有限元分析软件得出的A1阴极温度与NPB空穴传输层导热系数的变化曲线图，可以得知当NPB空穴传输层导热系数为0.2W/m·K时Al阴极温度为60℃，即可获得NPB空穴传输层导热系数为0.2W/m·K。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，所述聚合物电致发光器件各层依次为ITO玻璃片、空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层、阴极，其特征在于：所述测量方法包括聚合物电致发光器件性能测量、有限元分析软件热仿真、聚合物电致发光器件阴极温度测量，具体步骤如下：

(1)聚合物电致发光器件性能测量，具体是：手套箱低氧低水气环境下，在聚合物电致发光器件正极、负极施加范围2～20V之间的直流电压V，使得聚合物电致发光器件发出光线，探测聚合物电致发光器件的光强和电流效率，通过计算获得聚合物电致发光器件光能转换效率；

(2)有限元分析软件热仿真，即通过有限元分析软件对聚合物电致发光器件的热特性进行热仿真，具体是：

采用有限元分析软件建立聚合物电致发光器件3D模型，对所述聚合物电致发光器件3D模型进行有限元划分，施加相应边界条件和热生成功率；

对待测有机层设置一个线性变化的导热系数，除待测有机层外，所述聚合物电致发光器件的其余各层参照热学手册分别施加固定导热系数值；对所述聚合物电致发光器件3D模型进行求解，获取阴极温度与待测有机层导热系数之间变化曲线图和对应关系表，不同的阴极温度对应着待测有机层不同的导热系数；

(3)聚合物电致发光器件阴极温度测量：在聚合物电致发光器件两端施加大小为V直流电压，即施加输入功率与聚合物电致发光器件性能测量步骤中所施加的输入功率值一样；

待器件热稳定后，测量聚合物电致发光器件阴极温度，根据所获得阴极温度，结合有限元分析软件模拟的阴极温度与待测有机层的导热系数变化曲线图，获得待测有机层的导热系数。

2.根据权利要求1所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：所述ITO玻璃片是在厚度为0.5～2mm的石英玻璃衬底溅射80～160nm氧化铟锡层溅射层；所述空穴传输层在空气环境中采用旋涂方式制备，空穴传输层厚度为20～60nm；所述聚合物发光层在手套箱低氧低水气环境中采用旋涂方式制备，聚合物发光层厚度为40～200nm； 所述电子传输层、阴极在超高真空环境下采用蒸镀方式制备，所述电子传输层厚度为4～40nm，所述阴极厚度为60nm～200nm。

3.根据权利要求1所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述探测聚合物电致发光器件的光强和电流效率，是采用硅光电器件探测。

4.根据权利要求1所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述有限元分析软件，是采用ANSYS有限元分析软件。

5.根据权利要求1所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述线性变化的变化范围是0.01～20W/m·K。

6.根据权利要求1所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：步骤(3)中测量聚合物电致发光器件阴极温度，是采用接触式温度测量仪器测量。

7.根据权利要求6所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法，其特征在于：所述接触式温度测量仪器采用热电偶温度测量仪。

8.权利要求1-7中任一项所述的聚合物电致发光器件有机层导热系数的测量方法的应用，其特征在于：适用于空穴传输层、聚合物发光层、电子传输层中的任一种有机层导热系数的测量。 

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