毕业设计（论文）-Weibull分布下基于MAM的白光OLED寿命预测-有程序.doc

上海电力学院本科毕业设计（论文）目录全套设计，程序等，联系153893706摘要abstract第一章 绪论11.1 oled的意义和背景11.2 oled的结构与特性21.2.1 oled结构21.2.2 oled优点21.2.3 oled寿命31.3 oled国内外发展状况51.4 本文的研究对象和主要内容6第二章 加速寿命试验的理论模型72.1 可靠性的意义72.1.1 可靠性的概念82.1.2 可靠性指标92.1.3 可靠性试验概况122.2 加速寿命试验122.2.1 寿命试验132.2.2 加速寿命试验的概念132.2.3 加速寿命试验的类型142.3 常见寿命分布的加速模型162.3.1 指数分布162.3.2 weibull分布162.3.3 对数正态分布17第三章 试验数据的统计及寿命估计193.1 基本假定193.2 weibull函数参数估计193.3 oled寿命公式203.4 试验数据203.5 基于mam的试验数据统计分析203.5.1 绘制weibull概率双坐标纸223.5.2 恒定应力试验数据计算与分析223.5.3 正常电流应力下的寿命预测23第四章 结论24参考文献25致谢26weibull分布下基于mam的白光oled寿命预测摘要当今社会oled的使用日益崛起，已扩展到人们生活的方方面面，如照明，汽车，装饰等，因此准确地对其寿命进行估计是十分必要的，如何能够精确并快速的预测其寿命成为各oled生产厂家所迫切需要解决的问题。利用威布尔函数来描述其寿命分布，并对已得到的数据利用图分析法（mam）完成白光oled加速寿命试验数据的统计分析。数值结果证实了白光oled 的寿命服从威布尔分布以及加速寿命方程完全符合逆幂定律。预测寿命所用到的关键性参数可以被精确地计算得出，从而使其在很短的时间内估算出寿命成为可能。关键词：oled; 威布尔分布; mam; 预测寿命life prediction of white oled based on mam under weibull distributionabstractoled is becoming more and more useful in modern society，and it has been expanded to every aspects of peoples daily life，for example，lighting，automobile，ornament and so on. therefore，it is necessary to estimate the oleds life. how to predict oled life accurately and quickly is becoming an urgent issue for oled manufacturers to solve. weibull function was used to describe life distribution, and statically analyze white oled test data by theory of map analysis method (mam). the numerical results show that the oled life satisfies weibull distribution, and that the accelerated life equation meets completely inverse power law. the key accelerated parameters used for life prediction were calculated precisely，which makes it possible that the oled life can be estimated in a short time. key words：oled; weibull distribution; mam; life prediction27第一章 绪论1.1 oled的意义和背景当世界进入21世纪以后，人们对发光器件的要求和性能越来越苛刻，开始研究性能更好、更符合未来日常生活和工作需求的新一代发光器件，以此来适应“4c”（即计算机computer、通信communication、消费性电子器材consumer electronics、汽车电子car electronics）及“3g”（即第三代移动通信）时代的环境。未来的趋势是要在轻巧的载体上传输大量的信息和图像，但现今的发光器件显然还不能满足这样的需求。因此，开发新型实用的发光器件成为国际光电领域的研究热门之一。近几年来，有机发光二极管成为国内外非常热门的新兴产品之一，这是因为oled具有自发光、视角广（可达175以上）、反应时间短（可达1s）、发光效率高、色域广、工作电压低（310v）、面板薄（厚度可小于1mm）、可以制作成大尺寸和可挠曲的面板及制程简单特性，而且它还成本低（预计比tft-lcd便宜20%）。因此，oled被誉为21世纪的明星平面显示产品。在2006年韩国大丘举办的国际信息显示年会（imid）上，三星总裁s.t.kim在他的主题演讲中，首次称oled为未来的终极显示器1。表1-1为oled与其他各种显示器的特性比较，oled的优势显而易见。表1-1 各种显示器的特性比较2crtlcdoledledpdpvfd电压特性发光亮度发光效率器件寿命器件重量器件厚度应答速度视角色彩生产性能成本注：，非常好；，好；，普通；，需改善；crt，阴极射线管显示器；lcd，液晶显示器；led，发光二极管显示器；pdp，等离子显示器；vfd，真空荧光显示器。从发光原理上讲，oled的发光是属于电激发光。由于在应用上有着重要意义，电激发光现象一直都是令人极感兴趣的一门科学，它曾经被人们誉为是一种可以产生冷光的发光方式3。通常来说，电激发光器件可以分为两类：一类是用周期表中的-元素（如zns）做成的薄膜式电激发光板(tfel)，tfel是高电压、小电流的雪崩器件，它的光是由一种高电场激发的过程而所产生的。另一类是利用无机的p型和n型半导体制作而成的发光二极管（led），led是一种低电压、大电流的注入器件，它的光是由被注入的电荷在界面重新结合所产生的。由于这两种器件都发展得比较早，而且各种颜色均已被研究开发了出来，所以多半已经运用在光电及显示的电子器材上，包括仪器面板、电子板、广告板等。反观有机电激发光史，最早是由pope教授在1963年所发现的。当时他将数百伏的偏压施加到了蒽晶体上，并且观察到发光现象，这是最早的文献报道。由于过高的电压与和不佳的发光效果，该现象在当时并没有受到人们的重视。一直到1987年，美国柯达公司的邓青云博士和steve van slyke公开发布了以真空蒸镀法制成多层式结构的oled器件，可使空穴与电子局限在电子传输层与空穴传输层的界面附近在结合，这样就大幅度地提高了器件的性能，其低工作电压与高亮度的商业应用潜力吸引了全球的目光4，从此开启了oled的风起云涌时代。1990年，英国剑桥大学的j.burroughes和richard friend等人成功地开发出了以旋转涂布方式将高分子应用在oled上，即高分子发光二极管（也称pled）5,对oled的发展起到了推波助澜的作用，使得oled在未来发展空间与市场更广阔、更顺畅。与其他技术相比，oled尚显年轻，但是随着技术越来越成熟，其今后有可能得到迅速发展，前途是不可限量、无法比拟的。1.2 oled的结构与特性1.2.1 oled结构oled的基本结构是由一薄而透明的并具半导体特性铟锡氧化物(ito)，与电力的正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如同汉堡一样的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(htl)、发光层(el)与电子传输层(etl)。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝rgb三原色，构成了基本色彩。有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体原理相似。当元件受到直流电所衍生的顺向偏压时，再加上电压能量将驱动电子与空穴分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇并且结合在一起，即形成了所谓的电子-空穴复合。而当化学分子受到外来能量的激发后，若电子自旋和基态电子成对，则为单重态，其所释放的光为所谓的荧光；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称之为三重态，其所释放的光为所谓的磷光6。 oled也与lcd一样，其驱动方式也分为主动和被动式两种形式。被动式下按照定位发光点亮，类似于邮差寄信。主动式则和 tft lcd相同，在每一个oled单元背增加了一个薄膜晶体管，发光单元依照晶体管接到的指令而点亮。简单言之，主动和被动矩阵分法，主要指的是在显示器内打开或关闭像素的电子开关型式。 1.2.2 oled优点相比于其他平板显示技术而言，oled有很多优点7:（1） 核心层厚度很薄，厚度可以小于1mm，为液晶的1/3，oled器件单个像素尺寸可以相当小，并且重量也很轻。 （2）固态结构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔。 （3）几乎没有可视角的问题，即使在很大的角度下观看，画面任然不失真。 （4）oled显示屏的响应时间快，响应时间是lcd的千分之一，显示运动绝对不有拖影的现象，显示运动图像的质量要好于常规的tft-lcd液晶屏。 （5）oled低温特性好，在零下40时任然能正常工作，而lcd在低温下（如在北极、南极地区）的响应时间会大幅度下降，甚至不能工作。 （6）制造工艺简单，比液晶显示屏的工序少，所需材料很少，成本更低。 （7）主动发光，更轻更薄更省电。oled材料自身可以发出红、绿、蓝等颜色，因此不需要lcd必备的背光源和彩色滤光板，发光效率更高，能耗比lcd要低。oled是通电后自发光，能够做到超轻超薄，其显示效果比液晶显示器更清晰、柔和。 （8）oled能够在不同材质的基板上制造，厂家甚至可将电路印刷在弹性材料上做成能弯曲的柔软显示器，未来的显示器可以像百叶窗一样卷起，甚至可以卷起来带着走，还可以根据客户的需求加以设计。 （9）低电压直流驱动，10v以下，用电池即可驱动。 （10）显示能力，oled发光颜色丰富，其发光颜色可以覆盖整个可见光区，近紫外区及红外波段。而且由于没有背光灯的影响，所以当像素在显示黑色时，也可以达到全黑画面，在对比度上有优势。1.2.3 oled寿命如何评估oled组件的寿命是一个令人觉得很有趣的问题。美国柯达公司最早提出了一个公式来表达组件寿命的换算法则：常数（其中，为起始亮度；为起始亮度衰退一半所需的时间，也称为组件的半衰期）8。这公式不是非常地准确，之后又有许多寿命公式被提出来，结论均是工作亮度越高则半衰期越短。现在较常使用的也较准确地估算公式为=常数，称为加速系数，不同光色、材料或组件设计的值也不同9。oled发展至今，它的劣化原因并不如想象中的简单，可以从许多方面去了解，也需要更多的研究。如表1-2所示，归纳出了如何延长oled寿命的方法及所预计可达到的寿命增进，其中封装是最重要的一环，其他诸如稳定的发光体、光物理与光化学机制等方面也都非常重要。另外，利用电路补偿最重要的一环，在组件老化时增大电流密度也是一种方法。表1-2 延长oled寿命的方法及所预计可达到的寿命增进10方 法预期增益干燥无氧的制程环境1.11.5倍封装up至20倍选择更稳定的发光材料1.510倍光物理与光化学劣化机制的了解与控制3倍电极与异质界面化学的了解与控制0。（3） 有效特性征量有效性特征量主要指有效度，也称可用度。它指可修复产品在规定的使用、维修条件下和规定的时间内维持其功能处于正常状态的概率，一般记为a。由于它是时间的函数，故也称为a(t)或a(t,)。 （2-10） 对不可修复产品，a(t,)=r(t);对可修复产品，a(t,)r(t)。有效度的观测值指在某个观察时间内，产品能工作时间与总观察时间的比值，记为(t)。 （2-11）由上式可以看出，提高可靠度或维修度均能达到提高有效的目的。为获得很高的有效度，提高维修度往往比提高可靠度更容易实现且较经济。应在设计开始就注意提高维修度。因为维修度不仅仅取决于维修人员的技术、维修设备、工具、备件及管理等因素，而且还取决于所设计的结构是否便于维修。2.1.3 可靠性试验概况为评估、验证与分析产品的可靠性而进行的各种试验，总称为可靠性试验。（1） 寿命试验评价、分析产品寿命特征的试验，称为寿命试验。一般条件在试验室条件下，模拟实际使用工况进行试验。一般地说，可靠性试验往往是指寿命试验。贮存寿命试验：指产品在规定的环境条件下所进行的非工作状态的存放试验。其目的是了解产品在特定的环境条件下贮存的可靠性。工作寿命试验：指产品在规定的条件下所进行的加负荷的工作试验。加速寿命试验：指“强化”试验条件，使试件加速失效，以便在较短的时间内得到正常工作条件下的各项可靠性指标。（2） 筛选试验指通过各种方法，将不符合规范要求的产品（指潜在的早期失效产品或隐患）剔除出去，将合格的产品保留下来的试验。（3） 环境试验评价、分析环境条件对产品可靠性影响的试验，称为环境试验。（4） 现场使用试验指在使用现场对产品工作可靠性所进行的测量试验。2.2 加速寿命试验2.2.1 寿命试验寿命试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种常用方法。通常的寿命试验是指：从一批产品中随机抽取一定数量的产品组成一个样本。样本中的个体称为样品，样品的个数称为样品容量。将此样本放在使用环境下（又称为正常应力水平）下进行寿命试验，观测每个样品的失效时间，最后用统计推断方法对这些试验数据进行处理，从而对这批产品的可靠性进行分析和评价，给出产品的各种可靠性指标。寿命试验作为一种分析技术，它有如下用途： 探索产品在使用环境条件下可靠性的变化规律，通过产品的寿命试验可以确定产品的寿命分布，给出产品的各种可靠性数量指标，如平均寿命、可靠寿命等。 通过产品的寿命试验，可以确认产品是否符合可靠性定理要求，以作出产品接受或拒收、合格或不合格等结论。 通过产品的寿命试验可以弄清产品的失效机理，发展产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，为产品的改进提供依据。寿命试验按场所划分可以分为使用现场试验和模拟实验室试验；按样品的失效情况划分可以分为完全寿命试验和截尾寿命试验19。2.2.2 加速寿命试验的概念 采用截尾寿命寿命试验能够缩短试验所需要的时间，因此截尾寿命寿命试验是人们经常使用的试验方法。可是，随着科技的不断发展，可靠性高、寿命长的产品越来越多，为了评定产品的可靠性，在使用环境条件（正常应力水平）下进行截尾寿命寿命试验是无法符合实际需要的。比如说，许多电子元器件的寿命是很长的，在正常的应力水平下可以达到几百万小时，如果取1000个这样的电子元器件进行寿命试验，为了获得一定数量的实效数据则需要试验数万个小时，甚至更长的时间，折算下来，这相当于几年的时间了。这样不仅仅增加了试验费用，而且由于时间过长，使试验失去了意义。为了解决这些矛盾，人们又发展了另外一种可以有效地缩短试验时间的寿命试验方法加速寿命试验。加速寿命试验是指，在超过使用环境条件的应力水平下对样品进行的寿命试验。这种实验的特点是：选择一些比正常使用环境恶劣的应力水平，又称为加速应力水平，在这些加速应力水平下进行寿命试验。由于产品的实验环境变得恶劣，从而加速了产品失效，缩短了试验时间。在获得的失效数据基础上，运用加速寿命试验模型，对产品在正常应力水平下的各种可靠性特征进行统计推断。加速寿命试验已有50多点的历史了。1957年levenbanch发表的电容器的加速寿命论文被认为是关于加速寿命的第一篇论文。自此以后，特别是20世纪70年代以来，加速寿命试验方法受到了统计学家和工程技术人员的广泛重视，并在加速模型的研究、统计推断方法等方面取得了丰硕成果。目前这种试验方法已被广泛用于实际问题中。加速寿命试验模型是利用加速寿命试验信息外推产品在正常应力水平下的各种可靠性特征的关键。对于许多产品，特别是电子产品，其加速寿命模型可以根据物理、化学原理得到。2.2.3 加速寿命试验的类型加速寿命试验大致可分为三类：恒定应力加速寿命试验（简称恒加试验）、步进应力加速寿命试验（简称步加试验）和序进应力加速寿命试验（简称序加试验）。（1） 恒定应力加速寿命试验假设k为加速应力，它可以是一维的，也可以多维的。恒定应力加速寿命试验是选择一组加速应力水平，如i1，i2，ik，它们可以都高于应力水平i0，而且假定i1i2ik,将一定数量的样品分为k组，分别放置在每一个加速应力水平下进行寿命试验，一直到有一定数量的样品失效为止。如图所示，此恒定应力加速寿命试验选择了3组加速应力，即i1，i2，i3，并且满足i0i1i2i3,在每个应力水平下进行定数截尾寿命试验。 图2-3 恒定应力加速寿命试验示意图 (表示失效)（2） 步进应力加速寿命试验。步进应力加速寿命试验先选定一组加速应力水平，如i1，i2，ik，并且满足i1i2ik。试验开始时，将所有的受试样品置于应力水平i1下进行寿命试验，试验持续一段时间（如持续t1小时）后将发生失效的样品退出试验；把应力水平提高到i2，将未失效的的样品在应力水平i2下继续进行寿命试验，如此继续下去，一直到在应力水平ik下有一定数量的样品失效则停止整个试验。如图所示，步进应力加速寿命试验是一个定时转换步加试验，该步进应力加速寿命选择了3个加速应力水平，即i1，i2，i3，而且满足i1i20 （3-1） 式中，mi为形状参数，i为尺度参数。假定2：白光oled在各加速应力下的失效机理和正常应力相同，也就是说，形状参数（=0,1,2,3）保持不变。但在实际情况下，在各应力（=0,1,2,3）下的形状参数计算结果并不是完全相同，所以可以采取以下加权平均公式求得加速应力下的统一形状参数： （3-2） 假定3：白光oled的加速寿命模型符合逆幂定律，特征寿命和电流应力满足如下关系： （3-3）式中，和为加速参数。3.2 weilbull函数参数估计对式（3-1）取两次对数后整理可得 （3-4） 令 （3-5） （3-6） 于是得到如下线性方程的形式： （3-7） 将（=1,2,3)下的的失效时间（=1,2，)按照从小到大顺序排列，累计失效概率按以下中位秩公式来计算： （3-8）式中，（=1,2,3)是在应力下试验样品的总数。因此，得出以下数据对： （3-9）结合式（3-5）和（3-9）得到 （3-10） 采用图分析法对式（3-10）的数据进行线性拟合，求得直线的斜率和截距，由式（3-6）可得应力下形状参数、尺度参数的估计值： （3-11） 3.3 oled寿命估计公式白光oled正常电流应力下的平均寿命和中位寿命可以分别有以下两个公式得到22: （3-12） （3-13）式中，()伽马函数，、分别为正常应力下的形状参数和尺度参数。 3.4 试验数据根据试验方案的三组恒定应力加速寿命试验，现已给定每组应力下的白光oled样品失效时间数据，现列于表3-1。表3-1 恒定应力下加速寿命试验下样品失效时间电流应力/ma失效时间/ht1t2t3t4t5t6t7t8t9t10i11691.502084.672100.322374.502421.502586.002621.502680.502868.002879.50i2601.50689.67697.33716.50785.50854.50889.501115.671131.331251.50i3406.00440.50463.50532.50555.50643.67651.33716.50762.503.5 基于mam的试验数据统计分析图分析法是一种通过将数据点绘制到概率纸上并进行曲线拟合和参数计算，从而快速精确地得到寿命信息的方法15。为简化白光oled加速寿命试验数据的图分析法计算过程，于是采用matlab软件编程代替传统手工作图。matlab是美国mathworks公司开发的一款数学工具软件，具有出色地数值计算、符号运算和图形处理能力，是进行科学研究、数值分析和工程计算的得力工具23。matlab,意思是“矩阵实验室”，取自矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母。matlab是以矩阵作为基本数据单元的程序设计语言，具有交互式的开发环境，提供了数值计算、符号计算和图形处理能力，是进行科学研究、数值分析和工程计算的得力工具。matlab经过几十年的研究不断完善，现在已经成为了国际上最为流行的科学计算与工程计算软件工具之一。matlab已经发展成为一种具有广泛应用前景的高级编程语言。20世纪90年代以来，美国和欧洲的各大学已将matlab列入研究生和本科生的教学计划，matlab已经成为应用代数、自动控制理论、数理统计。数字信号处理、时间列序分析、动态系统仿真等课程的教学工具，成为学生必须掌握的基本软件之一。在国内，matlab语言逐步成为理工科大学学生的重要选修课程。同时，matlab还是机械、控制、经济、金融等领域的工作人员研究与开发的首选工具之一。matlab在学术界和工程界备受推崇，其主要特点以及优势主要有以下几方面： （1） 编程环境简单友好atlab采用的是图形用户界面，包括matlab主界面、命令窗口、历史命令窗口、编辑器、调试器、路径搜索、工作空间等。图形化的工具极大方便了用户的使用。 （2）编程语言简单易学matlab是一种高级程序设计语言，它包含控制语句、函数、输入输出和面向对象编程等特点。用户可以在命令窗口中直接输入语句执行命令，也可以再m文件中编写语句后一起运行。 （3）科学计算和数据处理能力强大 matlab包含了大量实用的函数，方便地实现用户所需要的各种计算功能。matlab具有强大的矩阵数值计算功能，可以很方便地处理许多特殊矩阵，利用符号和函数可以对矩阵进行线性代数计算，适用于大型数值算法的编程实现，可以解决实际应用中的许多数学问题，尤其是与矩阵计算相关的问题。 （4）图形处理功能出色 matlab具有强大的绘图功能，具有很多绘图函数，可以绘制二维或三维图形，如线性图、饼图、散点图和方直图等；也可以绘制工程特性比较强的特殊图形，如玫瑰花图、极坐标图等。还可以绘制一些用于数据分析的图形，如矢量图、等值线图、曲面图、切片图等。 （5）丰富的工具箱和实用的程序接口matlab对许多专门的领域都开发出了强大的工具箱，包含数据采集、数数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半实物仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、dsp与通信、电力系统仿真等。 matlab由matlab开发环境、matlab数学函数库、matlab语言、matlab图形处理系统和matlab应用程序接口构成。 3.5.1 绘制weibull概率双坐标纸首先，利用matlab中的weibplot函数创建weibull概率纸，形成t-f(t)坐标系。其次，根据式(10)中的对应转化关系，在t-f(t)坐标系的基础上创建第二个坐标系ln(t)lnln1-f(t)-1，构成weibull概率双坐标纸，如图3-1所示。 图3-1 weibul概率双氏坐标 3.5.2 恒定应力试验数据计算与分析将恒定应力ii(i=1,2,3)下的失效时间代入式(3-8)计算得到累计失效概率fi(tk),将三组恒定应力下的失效数据点lntk,lnln1-fi(tk)-1描在weibull概率双坐标纸上，然后利用polyfit函数进行曲线拟合，ii(i=1,2,3)应力下各点的拟合曲线如图3-2所示。图3-2 线性拟合图由式(3-11)求得的尺寸参数和形状参数分别为：将数据点（lnii，lni）（i=1,2,3）依次描在lniln坐标纸上，进行直线拟合，结合式（3-3）得到加速参数：因此，加速寿命方程写成如下形式： （3-14） 图3-3 白光oled寿命特征图白光oled寿命特征图，即加速寿命曲线如图3-3所示。此曲线的决定系数，高度接近于1，这表明曲线的线性拟合度较高。此结果证明加速寿命模型完全符合逆幂定律。3.5.3 正常电流应力下的寿命预测结合式（3-3）、式（3-14）及每个应力估算出的威布尔参数得到：因此，根据式（3-12）和（3-13）可以计算出i0下的oled平均寿命和中位寿命分别为：第四章 结论 通过对白光oled寿命预测分析，得出结论如下：（1） 三条白光oled失效数据可以分别拟合为直线，这证实了白光oled的寿命服从weibull函数分布，而且这三条直线基本保持平行，这说明了三组加速应力下的失效机理基本相同；（2） 加速寿命曲线的决定系数计算得到为r2=0.99911，接近于1，拟合度非常好，这说明白光oled加速寿命模型完全符合逆幂定理；（3） 采用matlab编程的图分析方法可克服手工绘图的不确定性，实现oled寿命的快速、简便、精确估计，精确计算的关键参数能大大缩短oled寿命预测时间，这将为生产厂商进行寿命测试提供有益的技术参考。参考文献1s.t.kim,the 6th international meeting on information display and the international display manufacturing conference (imid/idmc2006), keynoteaddress, aug.22-25,2006, daegu, korea.2陈金鑫，黄孝文. oled梦幻显示器 m. 北京：人民邮电出版社，2011: 2-3.3常天海, 彭双庆. oled应用技术的进展 j. 真空与低温, 2008, 14(2): 115-118.4李瑛, 王文根, 王秀如, 等. oled显示技术进展 j . 现代显示, 2007(2)：12-15.5bai ren-ji and zhao jie. electroluminescent devices of small organic molecular and conju- mers j. journal of tianjin normal university (natural science edition), 2000, 20(2): 45-49.6oled, /view/73395.htm.7杨雷.有机电致发光器件性能的研究 d: 硕士学位论文. 陕西：西北大学光学系, 2009.8a. pinato, m. meneghini, a. cester, n. 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