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柔性OLEDs在汽车尾灯上的应用
在R2D2研究项目的框架内，奥迪、海拉和欧司朗展示了新的开发方法和流程如何使柔性OLEDs集成到汽车上。借助可弯曲的基板，这些OLEDs为尾灯的设计者提供了新的自由。
面光源创造新的自由造型
在汽车发展史上，光的产生方式已经改变了好几次。从电石灯和乙炔灯开始，到白炽灯和卤素灯，再到目前仍在使用的HID灯（氙气灯），一直到发光二极管（LEDs）和有机发光二极管（OLEDs）。
在汽车照明的第一个一百年里，车灯只是为了看和被看到而存在，但是LED的使用意味着外部照明越来越成为汽车设计的一部分。前照灯和尾灯在夜间的外观是现在汽车制造商的一个决定性的区别特征。车辆后部照明，特别是在高档车市场，其特点是趋向于均匀照明功能。然而，发光二极管并不完全适合这项任务，因为和它的前辈一样，它们都是点光源。均匀化需要扩散板或光波导。
有机电致发光二极管（OLED）是一种新型的汽车光源，它从厚度小于1mu;m的有机半导体层中发光。这些可以在大面积上使用，这使得OLEDs成为一种均匀的面光源。OLED的发光区域也可以划分为几个OLED段。这些分段可以单独激活以显示不同的照明方案。根据[1]，由于OLEDs在实现直接概念时不需要额外的光学元件，一项效能比较表明，当用于均匀光功能时，OLEDs目前与LED技术处于同一水平[2]。
2016年，奥迪TT RS和宝马M4 GTS是第一批在尾灯中配备刚性玻璃基OLED的车辆。能达到的亮度水平适合于实现尾灯功能[3]。下一步的技术步骤将是开发亮度更高的OLEDs，以用于方向指示灯和停止信号，以及柔性OLEDs。标题图片显示了一个基于奥迪TT与灵活的OLED的尾灯原型。原型来自德国联邦教育和研究部（BMBF）资助的“Roll To Device 2”（R2D2）研究项目。
R2D2项目从2013年10月至2015年12月，致力于研究生产柔性OLED生产的新技术及其应用可能性。合作伙伴奥迪、海拉和欧司朗为自己设定了一项任务：将这种创新光源集成到汽车中[4]。
借助由薄玻璃、金属箔或塑料薄膜制成的柔性基板，柔性OLED提供了额外的设计自由度。因此，创造三维光雕塑是可能的。利用此技术，也可以采用符合车辆外形的紧凑型解决方案。
汽车车况带来的挑战
汽车车况使照明技术受到巨大的环境影响。在15年的车辆寿命内，尾灯处于激活状态大约8000小时[5]。在使用OLEDs的情况下，老化不仅需要在运行时考虑，而且还需要在关断状态下考虑。由于太阳辐射，尾灯的温度也可能超过80°C[6]。氧气和湿度也会导致OLED的典型失效模式，例如出现黑点[7]。这些都是小缺陷，随着时间的推移会变得更大。
图1 以金属箔为衬底的柔性OLED的结构示意图（欧司朗）
因此，设计目标是密封组件。这在开发柔性OLED时提出了一个特殊的挑战。硬质OLEDs可以采用不透水和不透氧的玻璃作为基板，根据水蒸气透过率（WVTR）测量，相比较而言塑料薄膜或金属箔等基板对水分的渗透性要高得多。薄玻璃提供了另一种选择，但缺点是弹性有限。柔性和水蒸气透过率是这些选择的相对参数。金属箔是一种很好的折衷方案。尽管这种非透明OLEDs的基板材料存在局限性，但金属箔已被用于资助的项目中。图1显示了柔性 OLED的示意结构。
从创意到OLED尾灯
柔性OLEDs可以在一个或多个方向弯曲。最小弯曲半径取决于基底材料，为几毫米。不允许扭曲与拉伸或压缩（如扭转）相关的OLED。这意味着基于二维展开的所有三维形状都是可能的。这称为两个半（2.5）尺寸。
设计理念是在开发过程的开始阶段就开始的，这得益于可以选择使用柔性的OLED制作2.5维雕塑。一个二维展开的2.5维设计是为生产创造的。在这些步骤之间，使用光学模拟对组件进行详细的表征。使用第一个测试设备，然后进行初始测试，以调查组件的寿命。最终的任务是将OLED模块化，即将柔性OLED模块化为刚性OLED模块和耐用的电触点。
该模块还必须进行最终测试，以检查其在汽车条件下的耐久性。特别是，这里需要考虑机械载荷和可能的高达50g的冲击[8]。从设计概念和二维OLED展开到OLED模块生产的所有阶段都要经过一个迭代过程，直到同时满足外观/设计、法规要求的发射特性和组件寿命的要求为止[2]。图2使用作为R2D2项目一部分开发的柔性OLED演示了这个过程。
图2 使用作为R2D2资助项目一部分开发的flexible OLED的形成过程示例（根据[9]）（奥迪）
安装方法比较
为了给尾灯中的OLED提供一个持久的固定，海拉的工程师根据工业可行性和耐久性的标准评估了各种非正电、正电和粘合剂的固定方法，并尽可能降低其对造型自由度的限制。尽可能从视觉上保持OLED的胶片特性是非常重要的。有两种技术被采用：将OLED粘贴到刚性载体上，以及将OLED插入导轨中。粘合限制了设计的极限，特别是当一个几乎看不见的保持架（即最小的可能的粘合表面和倒角边缘）保持所有OLED边缘的视野清晰时。
另一方面，插入解决方案是一种更耐用的连接技术，同时由于绝对正配合，使得OLED上的机械负载最小。图3所示的模块可以在海拉的实验室中进行构造和测试，以确定其是否适合在典型测试下用于汽车条件，例如高温/低温、温度波动、湿度、振动。
图3 2.5维OLED模块的连接工艺：a）胶合，b）插入（长边），c）插入（短边）
从项目一开始，柔性OLEDs电子触点的首选技术是使用各向异性导电粘合剂（ACF bond），因为该技术已经成功地用于二维玻璃OLEDs。然而，这项技术向柔性OLEDs的转移最初带来了新的挑战。首先，由于阳极和阴极接触面采用不同的材料，以及OLED层结构导致的触点高度比例，接触OLED通常变得更加困难。作为OLED基板的金属箔具有良好的热导率，这也导致OLED在第一次键合测试中过热和破坏。
一个最初有希望的替代方案似乎是使用弹性体连接器，后来由于其低载流能力和在高温下性能不足而被证明是不合适的。只有开发出一种适用于柔性OLEDs的ACF键合，并对键合工艺进行调整，最终才能获得持久的电触点。
在R2D2项目设计中，将已开发的技术用于将柔性 OLEDs集成到OLED上，给海拉、奥迪和欧司朗的开发人员带来了进一步的挑战。这主要是由于2.5维OLED模块的形状造成的，该模块有多个方向的弯曲，最小弯曲半径只有几毫米。这些特性使这项技术在整个项目过程中达到了极限。所选择的固定程序是粘在支架上，并为电接触创建一个ACF键。为了确保连接的安全性，OLED需要保持几个小时的形状，以便粘合剂能够充分粘合。为了实现这一点，在封装之前，使用真空工艺将OLED夹紧在灯芯上。如所示图4，灯芯然后与OLED一起连接到保持架上。粘合剂必须完全粘合，才能拔出芯并拆下成品OLED模块。
图4 用于生产R2D2 OLED模块的海拉连接工艺示意图
评价成分均匀性
图5 R2D2有机电致发光器的测量亮度分布
为了评估所开发设计的均匀性H，可以使用Michelson对比度CM[3，6]来描述：
式1 ：
在这种情况下，Lmin和Lmax值描述要评估的OLED区域中的最小和最大亮度。根据图5所示的亮度分布，计算段1至段3的柔性OLED的均匀性。测量值（Osram OLED GmbH）清楚地显示了光区域的大小和形状的影响，以及为现有设计优化的接触布局，从而证明了它们作为电流密度的决定性参数的重要性，从而显示了整个组件的亮度分布[6]。当比较表1中段1和段3与段2的均匀性时，面积大小的影响变得明显：最大的段2的均匀性最小。这一片段与两个小片段的同源性差异为0.03和0.04。
表1 单个flexible OLED段的均匀性H
|
OLED区域 |
均匀性H |
|
区域1 |
0.92 |
|
区域2 |
0.89 |
|
区域3 |
0.93 |
对于2.5-D设计，必须考虑一个额外的因素进行视觉评估。亮度可以随组件的视角而变化。图6（a）显示了R2D2 OLED对测量或观察角度的依赖性。测量数据欧司朗OLED 有限公司使用OLED测试像素记录。这显示在0°到60°的角度范围内变化高达2倍。由于OLED的弯曲，2.5-D设计的不同表面出现在不同的角度，导致亮度差异。为了评估这些差异，可以将不同表面的弯曲转换为选透视图的测量角度，因此可以从亮度的角度规律推断均匀性[2]。例如，Rabenau和Khanh[2]在图6（b）所示的透视图上研究了2.5-D设计的两个表面。
所选透视图的表面A1的角度为Phi;1=57°，而表面A2的角度为Phi;2=33°。在两个表面之间，可以根据图6（a）计算Michelson对比度CM为0.19，根据公式1可以将其转换为H=0.81。
这个H值还没有考虑到上述二维展开中的均匀性，但它仍然显示亮度的角度依赖性严重影响了2/D OLED模块的视觉外观。然而，对于朗伯辐射源而言，亮度在整个观察角度上是恒定的，不需要考虑。
总结和结论
图6 R2D2有机电致发光器件的测量相对亮度与视角的函数关系图（根据[2]）；a）测量数据由欧司朗 OLED股份有限公司使用有机电致发光器件测试像素确定；b）包含两个视角的2/D有机电致发光器件设计的技术图（作为示例）（摘自[2]）（奥迪）
柔性OLEDs为实现创新的尾灯设计提供了新的可能性。奥迪、海拉和欧司朗在这里描述了一个从2.5D设计概念和二维展开到最终2.5D OLED模块的开发过程，这需要新的方法，特别是在结构和连接技术以及光学特性方面。在所考虑的情况下，除了二维展开内的亮度分布之外，还必须考虑亮度随视角的变化，以评估2.5-D OLED模块的均匀性。尽管最终的OLED尾灯还不能满足汽车应用的寿命要求，但在R2D2项目的过程中，仍有可能在这方面取得决定性的进展。这尤其适用于将柔性OLEDs集成到汽车中的技术。合作伙伴奥迪、海拉和欧司朗在迭代开发过程中获得的关于有效合作的知识，以及作为其中在光学特性描述和评估领域开发方法一部分，将在未来几年内为柔性OLEDs技术作为一系列汽车产品推向市场做出决定性贡献。
参考文献
[1] Kropac, M; Kubena, V: Styling challenges of OLED in automotive exterior lighting. In: 10th International Symposium on Automotive Lighting (Isal), Darmstadt 2013, proceedings, volume 15, TU Darmstadt, Laboratory of Lighting Technology, pp. 215-218
[2] Rabenau, P; Khanh, T. Q: OLED technology in rear lamps – A novel development approach for a new automotive light source. In: Vehicle and Infrastructure Safety Improvement in Adverse Conditions and Night Driving (Vision), Paris 2016, proceedings, volume 4, Socieacute;teacute; des Ingeacute;nieurs de lrsquo;Automobile (SIA)
[3] Vollmer, M; Schwegler, V: The worldrsquo;s first serial OLED tail lamp as a milestone for developing a brilliant future of automotive lamps. In: Vehicle and Infrastructure Safety Improvement in Adverse Conditions and Night Driving (Vision), Paris 2016, proceedings, volume 4, Socieacute;teacute; des Ingeacute;nieurs delrsquo;Automobile (SIA)
[4] Hauml;rter, H: Flexible OLED von Osram in wenigen Jahren serienreif. In: Elektronik Praxis, online: 11 July 2016
[5] Trojak, T; Guebel, N: The OLED technology: Possibilities, advantages, challenges. In: Vehicle and Infrastructure Safety Improvement in Adverse Conditions and Night Driving (Vision), Paris 2014, proceedings, volume 3, Socieacute;teacute; des Ingeacute;nieurs de lrsquo;Automobile (SIA)
[6] Thomas, W; Lendle, R; Rabenau, P.: OLED in der Fahrzeugbeleuchtung – Enorme Mouml;glichkeiten. In: Elektronik automotive,
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