Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Long-Term Reliability Characteristics of OLED Panel and Luminaires for General Lighting Applications

Long-Term Reliability Characteristics of OLED Panel and Luminaires for General Lighting Applications Article  Long‐Term Reliability Characteristics of OLED Panel and  Luminaires for General Lighting Applications  1, 2 3 Jeungmo Kang  *, Yoonhee Cho   and Woojin Jang      Lighting Center, Korea Testing Certification Institute, GyeongGi‐Do 15809, Korea    HCL Research Team, Korea Institute of Lighting & ICT, GyeongGi‐Do 14523, Korea; 0808jyh@kilt.re.kr    Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science & Technology,  Seoul 01811, Korea; hight@seoultech.ac.kr  *  Correspondence: jmkang@ktc.re.kr; Tel.: +82‐31‐428‐7321  Featured Application: Organic light‐emitting diode (OLED) is one of the candidates for future  lighting sources since it may solve problems of  LED  light  source. There  are  some  studies  on  long‐term reliability characteristics of OLED light source. However, these studies focused on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources  mainly.  This  paper  focuses  on  the  investigation  of  the  long‐term  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  in  terms  of  maintained  optical  and  electrical  characteristics  including  color  quality,  also.  The  analyzed  results  show  that  commercial  OLED  products  have  enough  performances  for  the  general  lighting application from the consumer’s point of view.  Abstract: Organic light‐emitting diode is one of the future‐proof solid‐state‐based lighting sources.  OLED shows great aesthetic advantages and good color quality without glare. Moreover OLED is  a  kind  of  surface  light  sources  naturally.  There  are  some  studies  on  the  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  light  source.  However,  these  studies  focused  on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources  mainly.  In  this  paper,  we  have  investigated  the  long‐term  reliability characteristics of OLED panel and luminaires in terms of lumen maintenance, correlated  color temperature, color rendering index, and operating voltage. Total twelve OLED panels with  Citation: Kang, J.; Cho, Y.; Jang, W.  four different kinds  and  six  OLED  luminaires  with  two different kinds were  analyzed up to six  Long‐Term Reliability  thousand hours and analyzed for the general lighting applications.  Characteristics of OLED Panel and  Luminaires for General Lighting  Keywords: organic light‐emitting diode; lumen maintenance; reliability;  general  lighting;  OLED  Applications. Appl. Sci. 2021, 11, 74.  lighting  https://doi.org/10.3390/app11010074  Received: 23 October 2020  Accepted: 22 December 2020  1. Introduction  Published: 23 December 2020  After  the  invention  of  blue  light  emitting  diode  (LED),  most  of  the  conventional  Publisher’s Note: MDPI stays  lighting  sources  for  general  lighting  applications  are  replaced  by  LED‐based  light  neutral with regard to jurisdictional  sources. LED‐based light sources have advantages to the conventional ones in terms of  claims in published maps and  guaranteed  longer  life,  lower  power  consumption,  higher  brightness,  and  less  institutional affiliations.  harmfulness  for  the  environment  [1–4].  However,  there  are  some  disadvantages  of  LED‐based light source. For example, heat generated from the junction in light emitting  diode chip must be managed properly to prevent over‐heating, which may damage the  chip and/or cause degradation of materials in the package. As more light is produced  Copyright: © 2020 by the authors.  from  the  high‐power  LED,  industries  keep  developing  more  efficient  heat‐dissipating  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  materials. Some are concerned about the use of high‐power LED light sources which may  This article is an open access article  raise potential risk to human health because of the blue spectrum from the LED [5]. LED  distributed under the terms and  itself is a kind of point light source; the glare of LED light source is another problem.  conditions of the Creative Commons  Organic  light‐emitting  diode  (OLED)  is  one  of  the  future‐proof  solid‐state‐based  Attribution (CC BY) license  lighting  sources  since  it  may  solve  problems  mentioned  above.  It  has  lower  blue  (http://creativecommons.org/licenses /by/4.0/).  Appl. Sci. 2021, 11, 74. https://doi.org/10.3390/app11010074  www.mdpi.com/journal/applsci  Appl. Sci. 2021, 11, 74  2  of  11  spectrum and surface light sources naturally. Moreover, it can create large lighting area  even  flexible and/or transparent  panels.  The  OLED  has  relatively  similar  spectrum  to  natural  sun  light  compared  to  that  of  LED  and  OLED  light  sources  that  are  already  showing great aesthetic potential without glare.  Several companies already offer OLED products  for  general  lighting  applications.  However current production lines are still small and prices are still high. But with mass  production and higher efficacy, OLED will be one of the mainstream lighting sources in  very  near  future.  However,  to  replace  conventional  lighting  with  OLED  products,  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  should  be  solved.  There are some studies on long‐term reliability characteristics of OLED light sources [6– 15].  However,  these  studies  focused  on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources mainly. In this paper, we have investigated long‐term reliability characteristics of  OLED panel and luminaries in terms of maintained optical and electrical characteristics  such as lumen output, correlated color temperature (CCT), color rendering index (CRI),  and operating voltage. To investigate the maintained characteristics dependences on the  different  panel  shape,  form  factor,  emitting  surface  size,  and  operating  power,  total  twelve  OLED  panels  with  four  different  kinds  and  six  OLED  luminaires  with  two  different  kinds  were  analyzed  up  to  six  thousand  hours  for  the  general  lighting  applications. For example, to analyze the different panel shape effect on the long‐term  reliability  with  same  emitting surface area, square shape  panel  (type A) and rectangle  shape panel (type C) were tested. For the different form factor effect, flexible panel (type  B)  and  rigid  panel  (type  C)  were  compared.  To  check  the  emitting  surface  size  dependence,  small  size  panel  (type  C)  and  large  size  panel  (type  D)  were  analyzed.  Finally,  to  investigate  the  operating  power  effect,  high‐power  luminaire  (type  E)  and  low‐power luminaire (type F) were studied.  This  paper is  organized  as  follows.  In Section 2,  experimental  setup and  selected  various kind of samples under test are described. In Section 3, measured results about  the long‐term optical and electrical characteristics of OLED panels and luminaires with  operating  time  of  six  thousand  hours  are  shown  and  analyzed.  Luminous  output  maintenance, correlated color temperature, and color rendering index maintenance and  operating  voltage  maintenance  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  are  analyzed in this section. Then, discussion on the results such as light spectrum variation  and color shift is followed in Section 4. Finally the conclusion of this paper is presented  in Section 5.  2. Testing Samples and Experimental Setup  2.1. Testing Samples  To  investigate  the  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  light  source,  total  twelve OLED panels with four different types were analyzed in this. For each kind of  OLED panel, three samples were tested. The photos and physical, electrical, and optical  characteristics of each sample used in experiments are shown in Table 1. OLED  panel  type  A,  C,  and  D  have  different  size  and  type  B  and  C  have  same  size  but  type  B  is  flexible  type  OLED  panel  where  all  other  OLED  panel  types  are  rigid  panel.  To  investigate  the  characteristic  changes  due  to  the  different  shape  but  having  the  same  emitting surface area, type A (square shape) and type C (rectangle shape) were selected  and tested. To test long‐term reliability differences due to the form factor type B (flexible)  and type C (rigid) were selected and tested. Finally, to check the emitting surface area  dependence, type C (small) and type D (large) were selected and tested, respectively. All  OLED panels used in these experiments were obtained commercially in the market and  manufactured  by  LG  Display.  These  OLED  panels  are  based  on  active  matrix  OLED  technology  with 2  stacks  emission  material  layer  structures.  All OLED  panels  used in  this study were manufactured using same materials and production process.     Appl. Sci. 2021, 11, 74  3  of  11  Table 1. Organic light‐emitting diode (OLED) panels used in the experiment.  Type  Photo of OLED Panel  Characteristics  ‐ Panel size: 100 mm × 100 mm  ‐ Efficacy: 50 lm/W  A  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  ‐ Operating current: 230 mA, voltage: 6 V    ‐ Model number: LL055RS1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 200 mm × 50 mm  ‐ Efficacy: 50 lm/W  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  B  ‐ Operating current: 245 mA, voltage 6 V  ‐ Flexible type panel  ‐ Model number: LL081FR1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 200 mm × 50 mm  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  C  ‐ Efficacy: 50 lm/W  ‐ Operating current: 230 mA, voltage 6 V  ‐ Model number: LL081RR1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 320 mm × 110 mm  ‐ Efficacy: 40 lm/W  D  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  ‐ Operating current: 800 mA, voltage 6 V  ‐ Model number: LL133RR1‐64P1‐OY1  To investigate the long‐term reliability characteristics of OLED luminaires, total six  OLED  luminaries  with  two  different  kinds  were  analyzed.  For  each  kind  of  OLED  luminaire, three  samples  were  tested  as  similar  to  the  OLED  panels.  The  photos and  physical,  electrical, and  optical  characteristics  of  each  sample used  in  experiments  are  shown in Table 2. In the experiments, to investigate the dependences on the long‐term  reliability  characteristics  due  to  the  operating  power,  OLED  luminaires  have  similar  optical and color characteristics including CCT and CRI but with different rated power  (type E: 11 W, type F: 7 W) were tested for the analysis. Type E luminaire was obtained  commercially  in  the  market  and  manufactured  by  LG  Display  and  type  F  luminaire  manufactured by OCLESS. OLED panels from LG Display were used in the luminaire.  Table 2. OLED luminaires used in the experiment.  Type  Photo of OLED Luminaire  Characteristics  ‐ Luminaire size: 322 mm × 279 mm × 384 mm (W/L/H)  ‐ Total luminous flux: 500 lm  E  ‐ CCT: 4000 K, CRI: 88  ‐ Operating power: 11 W  ‐ Model number: SKY     ‐ Luminaire size: 238 mm × 45 mm × 466 mm (W/L/H)  ‐ Total luminous flux: 200 lm  F  ‐ CCT: 4000 K, CRI: 88  ‐ Operating power: 7 W  ‐ Model number: OCLESS‐Gflex         Appl. Sci. 2021, 11, 74  4  of  11  2.2. Experimental Setup  Electrical  and  optical  characteristics  such  as  operating  voltage,  lumen  output,  luminous efficacy, CCT, CRI were measured up to six thousand hours with period of one  thousand  hour  using  integrating  sphere  measurement  system  with  diameter  of  two  meter  as shown in Figure 1a.  Recently, international commission on illumination (CIE)  published the international standard for measurement method of OLED product used in  general  lighting  [16].  All  electrical  and  optical  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires are measured according to this international standard CIE S 025‐SP1/E: 2019:  Test  Method  for  OLED  Luminaires  and  OLED  Light  Sources.  During  the  operation  OLED samples were in the temperature controlled chamber with temperature of 25 °C as  shown in Figure 1b. In case of OLED luminaire, control gear to supply rated operating  voltage  was  integrated  in  the  luminaire.  Thus  additional  power  supply  was  not  necessary to operate the OLED luminaire.  (b)  (a)  Figure 1. Experimental setup for operating OLED panels. (a) Integrating sphere measurement  system for OLED products. (b) Operating conditions with fixed temperature in a chamber.  3. Results and Analysis  3.1. Lumen Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  To  investigate  the  long‐term  reliability  of  OLED  light  panels  and  luminaires,  we  have measured the maintained  lumen output characteristics. Maintained lumen output  of OLED panels and luminaires after six thousand hours to their initial value is shown in  Figure 2a,b, respectively. All OLED panels show about 80% of lumen maintenance and  similar  degradation  characteristics  even  at  six thousand  hours  of  operation.  In case of  OLED  luminaires  Type  E  and  F,  lumen  output  degrades  more  steeply  even  at  two  thousand hours compared to OLED panels (type A, B, C, and D). This is because, in case  of OLED luminaires, lumen degradation effect got worse by the effect of the control gear  which is integrated in the luminaires and the overall luminaire design including thermal  management. Moreover, the difference in the degradation pattern of OLED luminaires  from one thousand hour to four thousand hour came from each unique design by the  different luminaire manufactures.  Appl. Sci. 2021, 11, 74  5  of  11  (b)  (a)  Figure 2. Characteristics of maintained lumen output of OLED products. (a) Maintained lumen output of OLED panels.  (b) Maintained lumen output of OLED luminaires.  To evaluate the lumen maintenance of OLED panel and luminaires, lumen output  data of three samples in each type were averaged. As the results, the averaged lumen  maintenance of each OLED type at six thousand hours aging was evaluated in Table 3.  As shown in Table 3, lumen outputs of all OLED panels were maintained to 80% after  six  thousands  operation  with  rated  condition.  However,  in  case  of  OLED  luminaires,  maintained  lumen  output  was  50%  for  type  E  and  40%  for  type  F,  respectively.  For  luminous efficacy, initial values of OLED panels were 50 lm/W for OLED panel type A,  and C and 40 lm/W for OLED panel type D. After six thousand hours of operation, the  B,  luminous efficacy was decreased by amount of 10 lm/W.  Table 3. Maintained lumen output and luminous efficacy of OLED panels and luminaires with operating of thousand  hours.  Maintained Lumen Output at 6000 h  Maintained Luminous Efficacy at  Type  Initial Luminous Efficacy [lm/W]  [%]  6000 h [lm/W]  A  79.60%  48.08 [lm/W]  38.44 [lm/W]  B  79.52%  47.16 [lm/W]  37.88 [lm/W]  C  78.57%  49.53 [lm/W]  39.83 [lm/W]  D  78.16%  39.64 [lm/W]  31.58 [lm/W]  E  50.47%  21.28 [lm/W]  9.41 [lm/W]  F  41.19%  22.64 [lm/W]  8.14 [lm/W]  International  Electrotechnical  Commission  (IEC)  technical  committee  34  (title:  lighting)  has responsibility for  safety and  performance standard  of  OLED  product for  general lighting. Up to date, there is no international standard or industry standard, i.e.,  de  facto  standard  for  lifetime  estimation  of  OLED  product  for  general  lighting.  However, IEC 62922 (OLED panels for general lighting–Performance requirements) [17]  standard, now in amendment stage, covers lifetime issue of OLED product for general  lighting.  In  this  amendment,  process  for  lifetime  evaluation  is  similar  to  that  of  LED  packages  for  general  lighting  applications.  To  evaluate  the  lifetime  of  LED  packages,  there were many discussions over the couple of years. Then ANSI/IES TM‐21: Projecting  Long  Term  Lumen,  Photon,  and  Radiant  Flux  Maintenance  of  LED  Light  Sources  standard  [18]  and  IEC  63013:  2017:  LED  packages—Long‐term  luminous  and  radiant  flux  maintenance  projection  standard  [19]  were  developed  and  well  adopted  in  the  lighting industry.   Appl. Sci. 2021, 11, 74  6  of  11  In  these  standard,  exponential  least  squares  curve‐fit  method  was  used  with  averaged normalized luminous flux data as shown in Equation (1).  Φ(t)=Bexp(-   (1) where:   t = operating time in hours  Φ(t)  = averaged normalized luminous flux output at time t  B  = projected initial constant derived by the least squares curve‐fit  𝛼   = decay rate constant derived by the least squares curve‐fit  The following Equation (2) was used to project lumen maintenance lifetime.  ln 100 (2) Lp(D k)=   where:   Lp  =  lumen  maintenance  life  expressed  in  hours  where  p  is  the  percentage  of  initial  luminous flux that is maintained  𝐷   = total duration time divided by 1000 and rounded to the nearest integer  Above Equations (1) and (2) were used to evaluate the lifetime of OLED panels and  luminaires  with  six  thousand  hours  data,  the  results  are  shown  in  Table  4.  Reported  L70(6k)  means  that  a  lifetime  of  OLED  product  which  maintains  70%  of  its  initial  luminous  flux  output,  and  the  reported  L70(6k)  using  extrapolation  method  in  IES  TM‐21 standard was over ten thousand hours for all type of OLED panels (type A, B, C,  and D) and under five thousand hours for OLED luminaires (type E and F). In case of  reported  L50(6k)  means  that  a  lifetime  of  OLED  product  which  maintains  50%  of  its  initial luminous flux output, and the reported L50(6k) was over twenty thousand hours  for  all  type  of  OLED  panels  (type  A,  B,  C,  and  D)  and  under  six  thousand  hours  for  OLED luminaires (type E and F). Alpha parameter and B parameter for all four types of  OLED  panels  have  similar  values,  thus  all  OLED  panels  have  same  degradation  mechanism.  Actually,  these  four  types  of  OLED  panels  were  manufactured  by  same  manufacturer and fabrication process, thus their alpha parameter and B parameter are  very similar to each other. In case of OLED luminaires, we had same results as shown in  Table  4.  Remarkably,  flexible  OLED  panel  (type  B)  show  equivalent  reliability  characteristics to that of rigid OLED panel (type C) which has the same dimensions and  operating  conditions.  Maximum  error  between  the  measured  lumen  degradation  data  and the predictive model at six thousand hours was about 2% for all cases.   Table 4. Evaluated lifetime of OLED panels and luminaires with operating of six thousand hours.  Type  Reported L70(6k) [hours]   Reported L50(6k) [hours] α  B  −5 A  11,000  22,000  2.853 × 10   0.945  −5 B  10,000  20,000  3.332 × 10    0.976  −5 C  10,000  20,000  3.372 × 10    0.973  −5 D  10,000  21,000  3.044 × 10    0.942  −4 E  3000  6000  1.175 × 10    1.013  −4 F  4000  5000  1.814 × 10    1.331  3.2. Color Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  Because  humans  may  perceive  the  shift  of  CCT  over  100  K  at  warm  color  temperature range, the amount of shift in OLED products with operating is one of the  critical  points  of  OLED  products  for  general  lighting  applications.  To  evaluate  𝛼𝑡 Appl. Sci. 2021, 11, 74  7  of  11  maintained CCT characteristics of OLED panel and luminaries, CCT shift data of three  samples in each type were averaged as shown in Figure 3.       (a)  (b)  Figure 3. Characteristics of maintained correlated color temperature (CCT) of OLED products. (a) Maintained CCT of  OLED panels. (b) Maintained CCT of OLED luminaires.  The amount of CCT shift was below 100 K with OLED panel type A, B, and C. Only  type D OLED panel shows CCT shift over 100 K after six thousand hours as shown in  Figure 3 and Table 5. Even in this case the difference of each three samples is very small.  Thus CCT maintenance characteristics of OLED panels are not inferior to that  of LED  light sources [20]. The  reason on relative  large shift of  type D OLED panel is that the  type D is the largest OLED panel and operated with high operating current of 800 mA.  The surface area of type D OLED panel is bigger than that of other OLED panel type by  three times. Thus the total CCT shift was accumulated along the surface area. In case of  OLED luminaires, the amount of CCT shift reached to over 100 K during the experiment.  Table 5. CCT maintenance characteristics of OLED products with operating of six thousand hours.  Type  Initial CCT [K]  Maintained CCT [K]  Delta CCT [K]  A  3755  3685  70  B  3695  3684  11  C  3804  3720  84  D  3682  3494  187  E  4154  4022  132  F  4043  3904  139  CRI  is  one  of  the  parameters  that  provide  quality  of  light  for  general  lighting  applications.  Maintained  CRI  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaries  after  six  thousand hours are shown in Table 6. The initial CRI of all OLED panels are about 90  and the decrease of CRI after six thousand hours within 2 for OLED panels and 3 for  OLED luminaires in the experiments.  Table 6. Color rendering index (CRI) maintenance characteristics of OLED products with  operating of six thousand hours.  Type  Initial CRI  Maintained CRI  Delta CRI  A  90  89  1  B  89  88  1  C  90  89  1  D  91  89  2  E  90  87  3  F  90  87  3  Appl. Sci. 2021, 11, 74  8  of  11  3.3. Electrical Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  To evaluate the electrical maintenance characteristics of OLED products, operating  voltage and  power  were  measured  up  to  six  thousand  hours  while applying  constant  current to them. Maintained operating voltage required to supply constant current for  OLED products tended to rise during long operation because of degradation of OLED  products  as  shown  in  Table  7.  In  case  of  OLED  panels,  the  increment  of  operating  voltage after six thousand hours was 0.07 V (type A), 0.34 V (type B), 0.29 V (type C),  and  0.22  V  (type  D),  respectively.  It  means  that  maximum  increment  of  operating  voltage  for  OLED  panels  is  less  than  6%.  However,  for  the  OLED  luminaires,  the  increment of operating voltage after six thousand hours came to 0.71 V (type E) and 1.01  V (type F). Thus, the maximum increment of operating voltage for OLED luminaires is  about  16%.  In  the  IEC  62922  which  is  performance  requirements  standard,  the  manufacturer declares the maintained operating voltage value at two thousand hours,  then the operating voltage should not exceed the declared value with operation of two  thousand  hours.  Thus  necessity  of  the  dedicated  OLED  control  gear  turns  out  in  this  study because LED control gear was used generally for OLED panel in the market.   Table 7. Operating voltage maintenance characteristics of OLED products after aging of 6000 h.  Type  Initial Operating Voltage [V]  Maintained Operating Voltage [V]  Delta Operating Voltage [V]  A  6.03  6.11  0.07 (1.2%)  B  6.20  6.54  0.34 (5.5%)  C  6.09  6.38  0.29 (4.8%)  D  6.06  6.28  0.22 (3.6%)  E  6.71  7.42  0.71 (10.6%)  F  6.41  7.42  1.01 (15.8%)  4. Discussion  As discussed in the Section 3.2, color quality of OLED products is the critical factor  for  the  general  lighting  applications.  To  investigate  the  mechanism  of  CCT  shift,  spectrum change with operating time for OLED panel and luminaire were analyzed as  shown in Figure 4. Figure 4a shows the normalized spectrum of type A OLED panel and  Figure  4b  shows  that  of  type  E  OLED  luminaires.  In  case  of  OLED  panel,  as  the  operating  time  increases  then  the  normalized  blue  spectrum  goes  down  while  other  spectrum  maintain  its  initial  ratio.  However,  in  case  of  OLED  luminaires  the  degradation of blue spectrum dramatically changes even at two thousands of operating  hours.  Green  spectrum  undergoes  additional  variation  which  is  not  measured  in  the  OLED panel.   To analyze the effect of panel size on the color quality, variation in CIE 1976 color  coordinates of OLED panel type C (200 mm × 50 mm) and OLED panel type D (320 mm  × 110 mm) were evaluated. Measured u’ and v’ variation of OLED panel type C and D  have similar tendency with operating time up to six thousand hours shown in Figure 5a.  Amount and direction of u’ and v’ shifts in each type of OLED panel are almost same  even  with  different  initial  u’  and  v’  points.  Such  characteristics  are  more  clearly  identified by u’ and v’ values as shown in Figure 5b. Because of the decrease in the  blue  spectrum,  main  direction  of  this  shift  heads  for  yellow‐red  direction  [20,21].  Amount of maximum shift in OLED panel type D compared to that of OLED panel type  C is over 2.4 times in u’ and 2.0 times in v’, respectively. Thus, in case of OLED panel  which has large surface area needs more careful design in the applications to maintain  color quality.  Appl. Sci. 2021, 11, 74  9  of  11  (a)  (b)  Figure 4. Normalized spectrum variation with operating time. (a) OLED panel type A (b) OLED luminaire type E.      (a)  (b)  Figure 5. Color shift of OLED panel dependence on panel size. (a) OLED panel type C. (b) OLED panel type D.  In  case  of  OLED  luminaire,  color  shift  has  two  different  kind  of  mechanism  as  shown in Figure 6a,b. One is yellow‐red shift as similar in OLED panel case up to two  thousand hours of operation and the other is green shift due to the variation in green  spectrum as shown in Figure  4a,b  from two thousand hours to  six thousand  hours of  operation.  Amount  of  maximum  shift  in  OLED  luminaire  comes  to  0.0013  in u’  and  0.0071 in v’, respectively.   Appl. Sci. 2021, 11, 74  10  of  11  (b)  (a)  Figure 6. Color shift of OLED luminaire type E. (a) u’ and v’ color shift of luminaire type E. (b) u’ and v’ variations of  luminaire type E.  5. Conclusions  In this paper, we have investigated the various long‐term reliability characteristics  of OLED products in terms of lumen output, luminous efficacy, CCT, CRI, and operating  voltage  for  the  general  lighting  applications.  Total  twelve  OLED  panels  with  four  different types and six OLED luminaires with two different types were analyzed up to  six thousand hours. Long‐term reliability dependences due to the different OLED panel  shape, form factor, and emitting surface area were measured and analyzed.  Evaluated lifetime of OLED panels is about ten thousand hours for L70 lifetime and  two thousand hours for L50 lifetime with extrapolation method based on IES TM‐21 and  IEC  63013  standard  (including  flexible  type  OLED  panel  and  OLED  panel  which  has  large surface area). The shift of CCT in most OLED panels is below 100 K. The decrease  of CRI and increase of operating voltage are acceptable for general lighting applications  as required in IEC 62922 standard. Thus long‐term reliability of OLED  panels is good  enough for the general lighting applications.  However, in case of OLEDs panel which has large surface area shows inferior color  maintenance  characteristics  compared  to  small  size  OLED  panel.  Moreover,  OLED  luminaries  show  the  room  for  improvement  in  lifetime  and  color  maintenance  performances  for  the  general  lighting  applications.  More  careful  design  and  use  of  dedicated  control  gear  for  OLED  luminaires  will  accelerate  the  adoption  of  OLED  product in the market.  Author Contributions:  Conceptualization, J.K.; formal analysis, J.K. and  Y.C.; investigation, J.K.  and  Y.C.; resources, Y.C.; writing—original draft preparation, J.K.; writing—review and editing,  W.J.;  supervision,  W.J.  All  authors  have  read  and  agreed  to  the  published  version  of  the  manuscript.  Funding:  This  work  is  supported  by  the  Korea  Agency  for  Infrastructure  Technology  Advancement (KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant  19PQWO‐B153369‐01).  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The data presented in this study are available on request from the  corresponding author.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.  References  Appl. Sci. 2021, 11, 74  11  of  11  1. Trevisanello, L.; Meneghini, M.; Mura, G.; Vanzi, M.; Pavesi, M.; Meneghesso, G.; Zanoni, E. Accelerated Life Test of High  Brightness Light Emitting Diodes. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 2008, 8, 304–311.  2. Kang, J.M.; Choi, J.H.; Kim, D.H.; Kim, J.W.; Song, Y.S.; Kim, G.H.; Han, S.K. Fabrication and Thermal Analysis of Wafer‐Level  Light‐Emitting Diode Packages. IEEE Electron. Dev. Lett. 2008, 29, 1118–1120.  3. Zhao, L.X.; Thrush, E.J.; Humphreys, C.J.; Phillipsa, W.A. Degradation of GaN‐based quantum well light‐emitting diodes. J.  Appl. Phys. 2008, 103, 024501.  4. Kang, J.M.; Kim, J.W.; Choi, J.H.; Kim, D.H.; Kwon, H.K. Life‐time estimation of high‐power blue light‐emitting diode chips.  Microelectron. Reliab. 2009, 49, 1231–1235.  5. Scientific Committee on Health, Environmental and Emerging Risks  (SCHEER).  Final  Opinion  on  Potential  Risks  to  Human  Health of Light Emitting Diodes; European Commission: Brussels, Belgium, 2018.  6. Xia, S.C.; Kwong, R.C.; Adamovich, V.I.; Weaver, M.S.; Brown, J.J. OLED device operational lifetime: Insights and challenges.  In Proceedings of the 45th Annual IEEE International Reliability Physics Symposium, Phoenix, AZ, USA, 15–19 April 2007; pp.  253–257.  7. Zhou,  X.;  He,  J.;  Liao,  L.S.;  Lu,  M.;  Ding,  M.X.;  Hou,  Y.X.;  Zhang,  M.X.;  He,  Q.X.;  Lee,  T.S.  Real‐time  observation  of  temperature rise and thermal breakdown processes in organic LEDs using an IR imaging and analysis system. Adv. Mater. 2000,  12, 265–269.  8. Alchaddoud, A.; Canale, L.; Ibrahem, G.; Zissis, G. Photometric and Electrical Characterizations of Large‐Area OLEDs Aged  Under Thermal and Electrical Stresses. IEEE Trans. Ind. Appl. 2018, 55, 991–995.  9. Park,  J.I.;  Bae,  S.J.  Direct  prediction  methods  on  lifetime  distribution  of  organic  light‐emitting  diodes  from  accelerated  degradation tests. IEEE Trans. Reliab. 2010, 59, 74–90.  10. Cester, A.; Bari, D.; Framarin, J.; Meneghesso, N.W.G.; Xia, S.; Adamovich, V.; Brown, J.J. Thermal and electrical stress effects  of electrical and optical characteristics of Alq3/NPD OLED. Microelectron. Reliab. 2010, 50, 1866–1870.  11. Kwak,  K.;  Cho,  K.;  Kim,  S.  Analysis  of  thermal  degradation  of  organic  light‐emitting  diodes  with  infrared  imaging  and  impedance spectroscopy. Opt. Express 2013, 21, 29558–29566.  12. Salameh, F.; Haddad, A.; Picot, A.; Canale, L.; Zissis, G.; Chabert, M.; Maussion, P. Modeling the Luminance Degradation of  OLEDs Using Design of Experiments. IEEE Trans. Ind. Appl. 2019, 55, 6548–6558.  13. Zhang, J.; Zhou,  T.; Wu, H.; Liu, Y.; Wu, W.;  Ren,  J. Constant‐step‐stress accelerated life test of white OLED under Weibull  distribution case. IEEE Trans. Electron Devices 2012, 59, 715–720.  14. Zhang,  J.;  Liu,  F.;  Liu,  Y.;  Wu,  H.;  Wu,  W.;  Zhou,  A.  A  study  of  accelerated  life  test  of  white  OLED  based  on  maximum  likelihood estimation using lognormal distribution. IEEE Trans. Electron. Devices 2012, 59, 3401–3404.  15. Kim, H.; Shin, H.; Park, J.; Choi, Y.; Park, J. Statistical modeling and reliability prediction for transient luminance degradation  of flexible OLEDs.  In  Proceedings  of the  2018 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Burlingame, CA,  USA, 11–15 March 2018.  16. CIE.  DIS  025‐SP1/E:2019,  Test  Method  for  OLED  Luminaires  and  OLED  Light  Sources.  Available  online:  http://cie.co.at/publications/test‐method‐oled‐luminaires‐and‐oled‐light‐sources‐0 (accessed on 8 October 2020).  17. IEC  62922/AMD1  ED1.  Organic  Light  Emitting  Diode  Panels  for  General  Lighting—Performance  Requirements.  Available  online:  https://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:38:14509173073973::::FSP_ORG_ID,FSP_APEX_PAGE,FSP_PROJECT_ID:1340,23,10192 0 (accessed on 8 October 2020).  18. IES  TM‐21‐11.  Projecting  Long  Term  Lumen  Maintenance  of  LED  Light  Sources.  Available  online:  https://webstore.ansi.org/standards/iesna/iestm2111 (accessed on 8 October 2020).  19. IEC  63013  ED1.  LED  Packages—Long‐Term  Luminous  and  Radiant  Flux  Maintenance  Projection.  Available  online:  https://webstore.iec.ch/publication/28210 (accessed on 8 October 2020).  20. LED  Systems  Reliability  Consortium.  LED  Luminaire  Reliability:  Impact  of  Color  Shift;  Next  Generation  Lighting  Industry  Alliance: Duluth, GA, USA, 2017.  21. Mehr, M.Y.; Bahrami, A.; van Driel, W.D.; Fan, X.J.; Davis, J.L.; Zhang, G.Q.  Degradation of optical materials in solid‐state  lighting systems. Int. Mater. Rev. 2020, 65, 102–128, doi:10.1080/09506608.2019.1565716  http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Applied Sciences Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Long-Term Reliability Characteristics of OLED Panel and Luminaires for General Lighting Applications

Kang, Jeungmo; Cho, Yoonhee; Jang, Woojin
Applied Sciences , Volume 11 (1) – Dec 23, 2020
Download PDF
11 pages

Loading next page...
 
/lp/multidisciplinary-digital-publishing-institute/long-term-reliability-characteristics-of-oled-panel-and-luminaires-for-3JqVZP5KTb

References

References for this paper are not available at this time. We will be adding them shortly, thank you for your patience.

Publisher
Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Copyright
© 1996-2020 MDPI (Basel, Switzerland) unless otherwise stated Disclaimer The statements, opinions and data contained in the journals are solely those of the individual authors and contributors and not of the publisher and the editor(s). MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Terms and Conditions Privacy Policy
ISSN
2076-3417
DOI
10.3390/app11010074
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Article  Long‐Term Reliability Characteristics of OLED Panel and  Luminaires for General Lighting Applications  1, 2 3 Jeungmo Kang  *, Yoonhee Cho   and Woojin Jang      Lighting Center, Korea Testing Certification Institute, GyeongGi‐Do 15809, Korea    HCL Research Team, Korea Institute of Lighting & ICT, GyeongGi‐Do 14523, Korea; 0808jyh@kilt.re.kr    Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science & Technology,  Seoul 01811, Korea; hight@seoultech.ac.kr  *  Correspondence: jmkang@ktc.re.kr; Tel.: +82‐31‐428‐7321  Featured Application: Organic light‐emitting diode (OLED) is one of the candidates for future  lighting sources since it may solve problems of  LED  light  source. There  are  some  studies  on  long‐term reliability characteristics of OLED light source. However, these studies focused on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources  mainly.  This  paper  focuses  on  the  investigation  of  the  long‐term  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  in  terms  of  maintained  optical  and  electrical  characteristics  including  color  quality,  also.  The  analyzed  results  show  that  commercial  OLED  products  have  enough  performances  for  the  general  lighting application from the consumer’s point of view.  Abstract: Organic light‐emitting diode is one of the future‐proof solid‐state‐based lighting sources.  OLED shows great aesthetic advantages and good color quality without glare. Moreover OLED is  a  kind  of  surface  light  sources  naturally.  There  are  some  studies  on  the  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  light  source.  However,  these  studies  focused  on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources  mainly.  In  this  paper,  we  have  investigated  the  long‐term  reliability characteristics of OLED panel and luminaires in terms of lumen maintenance, correlated  color temperature, color rendering index, and operating voltage. Total twelve OLED panels with  Citation: Kang, J.; Cho, Y.; Jang, W.  four different kinds  and  six  OLED  luminaires  with  two different kinds were  analyzed up to six  Long‐Term Reliability  thousand hours and analyzed for the general lighting applications.  Characteristics of OLED Panel and  Luminaires for General Lighting  Keywords: organic light‐emitting diode; lumen maintenance; reliability;  general  lighting;  OLED  Applications. Appl. Sci. 2021, 11, 74.  lighting  https://doi.org/10.3390/app11010074  Received: 23 October 2020  Accepted: 22 December 2020  1. Introduction  Published: 23 December 2020  After  the  invention  of  blue  light  emitting  diode  (LED),  most  of  the  conventional  Publisher’s Note: MDPI stays  lighting  sources  for  general  lighting  applications  are  replaced  by  LED‐based  light  neutral with regard to jurisdictional  sources. LED‐based light sources have advantages to the conventional ones in terms of  claims in published maps and  guaranteed  longer  life,  lower  power  consumption,  higher  brightness,  and  less  institutional affiliations.  harmfulness  for  the  environment  [1–4].  However,  there  are  some  disadvantages  of  LED‐based light source. For example, heat generated from the junction in light emitting  diode chip must be managed properly to prevent over‐heating, which may damage the  chip and/or cause degradation of materials in the package. As more light is produced  Copyright: © 2020 by the authors.  from  the  high‐power  LED,  industries  keep  developing  more  efficient  heat‐dissipating  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  materials. Some are concerned about the use of high‐power LED light sources which may  This article is an open access article  raise potential risk to human health because of the blue spectrum from the LED [5]. LED  distributed under the terms and  itself is a kind of point light source; the glare of LED light source is another problem.  conditions of the Creative Commons  Organic  light‐emitting  diode  (OLED)  is  one  of  the  future‐proof  solid‐state‐based  Attribution (CC BY) license  lighting  sources  since  it  may  solve  problems  mentioned  above.  It  has  lower  blue  (http://creativecommons.org/licenses /by/4.0/).  Appl. Sci. 2021, 11, 74. https://doi.org/10.3390/app11010074  www.mdpi.com/journal/applsci  Appl. Sci. 2021, 11, 74  2  of  11  spectrum and surface light sources naturally. Moreover, it can create large lighting area  even  flexible and/or transparent  panels.  The  OLED  has  relatively  similar  spectrum  to  natural  sun  light  compared  to  that  of  LED  and  OLED  light  sources  that  are  already  showing great aesthetic potential without glare.  Several companies already offer OLED products  for  general  lighting  applications.  However current production lines are still small and prices are still high. But with mass  production and higher efficacy, OLED will be one of the mainstream lighting sources in  very  near  future.  However,  to  replace  conventional  lighting  with  OLED  products,  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  should  be  solved.  There are some studies on long‐term reliability characteristics of OLED light sources [6– 15].  However,  these  studies  focused  on  the  light  output  degradation  of  OLED  light  sources mainly. In this paper, we have investigated long‐term reliability characteristics of  OLED panel and luminaries in terms of maintained optical and electrical characteristics  such as lumen output, correlated color temperature (CCT), color rendering index (CRI),  and operating voltage. To investigate the maintained characteristics dependences on the  different  panel  shape,  form  factor,  emitting  surface  size,  and  operating  power,  total  twelve  OLED  panels  with  four  different  kinds  and  six  OLED  luminaires  with  two  different  kinds  were  analyzed  up  to  six  thousand  hours  for  the  general  lighting  applications. For example, to analyze the different panel shape effect on the long‐term  reliability  with  same  emitting surface area, square shape  panel  (type A) and rectangle  shape panel (type C) were tested. For the different form factor effect, flexible panel (type  B)  and  rigid  panel  (type  C)  were  compared.  To  check  the  emitting  surface  size  dependence,  small  size  panel  (type  C)  and  large  size  panel  (type  D)  were  analyzed.  Finally,  to  investigate  the  operating  power  effect,  high‐power  luminaire  (type  E)  and  low‐power luminaire (type F) were studied.  This  paper is  organized  as  follows.  In Section 2,  experimental  setup and  selected  various kind of samples under test are described. In Section 3, measured results about  the long‐term optical and electrical characteristics of OLED panels and luminaires with  operating  time  of  six  thousand  hours  are  shown  and  analyzed.  Luminous  output  maintenance, correlated color temperature, and color rendering index maintenance and  operating  voltage  maintenance  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires  are  analyzed in this section. Then, discussion on the results such as light spectrum variation  and color shift is followed in Section 4. Finally the conclusion of this paper is presented  in Section 5.  2. Testing Samples and Experimental Setup  2.1. Testing Samples  To  investigate  the  long‐term  reliability  characteristics  of  OLED  light  source,  total  twelve OLED panels with four different types were analyzed in this. For each kind of  OLED panel, three samples were tested. The photos and physical, electrical, and optical  characteristics of each sample used in experiments are shown in Table 1. OLED  panel  type  A,  C,  and  D  have  different  size  and  type  B  and  C  have  same  size  but  type  B  is  flexible  type  OLED  panel  where  all  other  OLED  panel  types  are  rigid  panel.  To  investigate  the  characteristic  changes  due  to  the  different  shape  but  having  the  same  emitting surface area, type A (square shape) and type C (rectangle shape) were selected  and tested. To test long‐term reliability differences due to the form factor type B (flexible)  and type C (rigid) were selected and tested. Finally, to check the emitting surface area  dependence, type C (small) and type D (large) were selected and tested, respectively. All  OLED panels used in these experiments were obtained commercially in the market and  manufactured  by  LG  Display.  These  OLED  panels  are  based  on  active  matrix  OLED  technology  with 2  stacks  emission  material  layer  structures.  All OLED  panels  used in  this study were manufactured using same materials and production process.     Appl. Sci. 2021, 11, 74  3  of  11  Table 1. Organic light‐emitting diode (OLED) panels used in the experiment.  Type  Photo of OLED Panel  Characteristics  ‐ Panel size: 100 mm × 100 mm  ‐ Efficacy: 50 lm/W  A  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  ‐ Operating current: 230 mA, voltage: 6 V    ‐ Model number: LL055RS1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 200 mm × 50 mm  ‐ Efficacy: 50 lm/W  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  B  ‐ Operating current: 245 mA, voltage 6 V  ‐ Flexible type panel  ‐ Model number: LL081FR1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 200 mm × 50 mm  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  C  ‐ Efficacy: 50 lm/W  ‐ Operating current: 230 mA, voltage 6 V  ‐ Model number: LL081RR1‐64P1‐OY1  ‐ Panel size: 320 mm × 110 mm  ‐ Efficacy: 40 lm/W  D  ‐ CCT: 3700 K, CRI: 90  ‐ Operating current: 800 mA, voltage 6 V  ‐ Model number: LL133RR1‐64P1‐OY1  To investigate the long‐term reliability characteristics of OLED luminaires, total six  OLED  luminaries  with  two  different  kinds  were  analyzed.  For  each  kind  of  OLED  luminaire, three  samples  were  tested  as  similar  to  the  OLED  panels.  The  photos and  physical,  electrical, and  optical  characteristics  of  each  sample used  in  experiments  are  shown in Table 2. In the experiments, to investigate the dependences on the long‐term  reliability  characteristics  due  to  the  operating  power,  OLED  luminaires  have  similar  optical and color characteristics including CCT and CRI but with different rated power  (type E: 11 W, type F: 7 W) were tested for the analysis. Type E luminaire was obtained  commercially  in  the  market  and  manufactured  by  LG  Display  and  type  F  luminaire  manufactured by OCLESS. OLED panels from LG Display were used in the luminaire.  Table 2. OLED luminaires used in the experiment.  Type  Photo of OLED Luminaire  Characteristics  ‐ Luminaire size: 322 mm × 279 mm × 384 mm (W/L/H)  ‐ Total luminous flux: 500 lm  E  ‐ CCT: 4000 K, CRI: 88  ‐ Operating power: 11 W  ‐ Model number: SKY     ‐ Luminaire size: 238 mm × 45 mm × 466 mm (W/L/H)  ‐ Total luminous flux: 200 lm  F  ‐ CCT: 4000 K, CRI: 88  ‐ Operating power: 7 W  ‐ Model number: OCLESS‐Gflex         Appl. Sci. 2021, 11, 74  4  of  11  2.2. Experimental Setup  Electrical  and  optical  characteristics  such  as  operating  voltage,  lumen  output,  luminous efficacy, CCT, CRI were measured up to six thousand hours with period of one  thousand  hour  using  integrating  sphere  measurement  system  with  diameter  of  two  meter  as shown in Figure 1a.  Recently, international commission on illumination (CIE)  published the international standard for measurement method of OLED product used in  general  lighting  [16].  All  electrical  and  optical  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaires are measured according to this international standard CIE S 025‐SP1/E: 2019:  Test  Method  for  OLED  Luminaires  and  OLED  Light  Sources.  During  the  operation  OLED samples were in the temperature controlled chamber with temperature of 25 °C as  shown in Figure 1b. In case of OLED luminaire, control gear to supply rated operating  voltage  was  integrated  in  the  luminaire.  Thus  additional  power  supply  was  not  necessary to operate the OLED luminaire.  (b)  (a)  Figure 1. Experimental setup for operating OLED panels. (a) Integrating sphere measurement  system for OLED products. (b) Operating conditions with fixed temperature in a chamber.  3. Results and Analysis  3.1. Lumen Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  To  investigate  the  long‐term  reliability  of  OLED  light  panels  and  luminaires,  we  have measured the maintained  lumen output characteristics. Maintained lumen output  of OLED panels and luminaires after six thousand hours to their initial value is shown in  Figure 2a,b, respectively. All OLED panels show about 80% of lumen maintenance and  similar  degradation  characteristics  even  at  six thousand  hours  of  operation.  In case of  OLED  luminaires  Type  E  and  F,  lumen  output  degrades  more  steeply  even  at  two  thousand hours compared to OLED panels (type A, B, C, and D). This is because, in case  of OLED luminaires, lumen degradation effect got worse by the effect of the control gear  which is integrated in the luminaires and the overall luminaire design including thermal  management. Moreover, the difference in the degradation pattern of OLED luminaires  from one thousand hour to four thousand hour came from each unique design by the  different luminaire manufactures.  Appl. Sci. 2021, 11, 74  5  of  11  (b)  (a)  Figure 2. Characteristics of maintained lumen output of OLED products. (a) Maintained lumen output of OLED panels.  (b) Maintained lumen output of OLED luminaires.  To evaluate the lumen maintenance of OLED panel and luminaires, lumen output  data of three samples in each type were averaged. As the results, the averaged lumen  maintenance of each OLED type at six thousand hours aging was evaluated in Table 3.  As shown in Table 3, lumen outputs of all OLED panels were maintained to 80% after  six  thousands  operation  with  rated  condition.  However,  in  case  of  OLED  luminaires,  maintained  lumen  output  was  50%  for  type  E  and  40%  for  type  F,  respectively.  For  luminous efficacy, initial values of OLED panels were 50 lm/W for OLED panel type A,  and C and 40 lm/W for OLED panel type D. After six thousand hours of operation, the  B,  luminous efficacy was decreased by amount of 10 lm/W.  Table 3. Maintained lumen output and luminous efficacy of OLED panels and luminaires with operating of thousand  hours.  Maintained Lumen Output at 6000 h  Maintained Luminous Efficacy at  Type  Initial Luminous Efficacy [lm/W]  [%]  6000 h [lm/W]  A  79.60%  48.08 [lm/W]  38.44 [lm/W]  B  79.52%  47.16 [lm/W]  37.88 [lm/W]  C  78.57%  49.53 [lm/W]  39.83 [lm/W]  D  78.16%  39.64 [lm/W]  31.58 [lm/W]  E  50.47%  21.28 [lm/W]  9.41 [lm/W]  F  41.19%  22.64 [lm/W]  8.14 [lm/W]  International  Electrotechnical  Commission  (IEC)  technical  committee  34  (title:  lighting)  has responsibility for  safety and  performance standard  of  OLED  product for  general lighting. Up to date, there is no international standard or industry standard, i.e.,  de  facto  standard  for  lifetime  estimation  of  OLED  product  for  general  lighting.  However, IEC 62922 (OLED panels for general lighting–Performance requirements) [17]  standard, now in amendment stage, covers lifetime issue of OLED product for general  lighting.  In  this  amendment,  process  for  lifetime  evaluation  is  similar  to  that  of  LED  packages  for  general  lighting  applications.  To  evaluate  the  lifetime  of  LED  packages,  there were many discussions over the couple of years. Then ANSI/IES TM‐21: Projecting  Long  Term  Lumen,  Photon,  and  Radiant  Flux  Maintenance  of  LED  Light  Sources  standard  [18]  and  IEC  63013:  2017:  LED  packages—Long‐term  luminous  and  radiant  flux  maintenance  projection  standard  [19]  were  developed  and  well  adopted  in  the  lighting industry.   Appl. Sci. 2021, 11, 74  6  of  11  In  these  standard,  exponential  least  squares  curve‐fit  method  was  used  with  averaged normalized luminous flux data as shown in Equation (1).  Φ(t)=Bexp(-   (1) where:   t = operating time in hours  Φ(t)  = averaged normalized luminous flux output at time t  B  = projected initial constant derived by the least squares curve‐fit  𝛼   = decay rate constant derived by the least squares curve‐fit  The following Equation (2) was used to project lumen maintenance lifetime.  ln 100 (2) Lp(D k)=   where:   Lp  =  lumen  maintenance  life  expressed  in  hours  where  p  is  the  percentage  of  initial  luminous flux that is maintained  𝐷   = total duration time divided by 1000 and rounded to the nearest integer  Above Equations (1) and (2) were used to evaluate the lifetime of OLED panels and  luminaires  with  six  thousand  hours  data,  the  results  are  shown  in  Table  4.  Reported  L70(6k)  means  that  a  lifetime  of  OLED  product  which  maintains  70%  of  its  initial  luminous  flux  output,  and  the  reported  L70(6k)  using  extrapolation  method  in  IES  TM‐21 standard was over ten thousand hours for all type of OLED panels (type A, B, C,  and D) and under five thousand hours for OLED luminaires (type E and F). In case of  reported  L50(6k)  means  that  a  lifetime  of  OLED  product  which  maintains  50%  of  its  initial luminous flux output, and the reported L50(6k) was over twenty thousand hours  for  all  type  of  OLED  panels  (type  A,  B,  C,  and  D)  and  under  six  thousand  hours  for  OLED luminaires (type E and F). Alpha parameter and B parameter for all four types of  OLED  panels  have  similar  values,  thus  all  OLED  panels  have  same  degradation  mechanism.  Actually,  these  four  types  of  OLED  panels  were  manufactured  by  same  manufacturer and fabrication process, thus their alpha parameter and B parameter are  very similar to each other. In case of OLED luminaires, we had same results as shown in  Table  4.  Remarkably,  flexible  OLED  panel  (type  B)  show  equivalent  reliability  characteristics to that of rigid OLED panel (type C) which has the same dimensions and  operating  conditions.  Maximum  error  between  the  measured  lumen  degradation  data  and the predictive model at six thousand hours was about 2% for all cases.   Table 4. Evaluated lifetime of OLED panels and luminaires with operating of six thousand hours.  Type  Reported L70(6k) [hours]   Reported L50(6k) [hours] α  B  −5 A  11,000  22,000  2.853 × 10   0.945  −5 B  10,000  20,000  3.332 × 10    0.976  −5 C  10,000  20,000  3.372 × 10    0.973  −5 D  10,000  21,000  3.044 × 10    0.942  −4 E  3000  6000  1.175 × 10    1.013  −4 F  4000  5000  1.814 × 10    1.331  3.2. Color Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  Because  humans  may  perceive  the  shift  of  CCT  over  100  K  at  warm  color  temperature range, the amount of shift in OLED products with operating is one of the  critical  points  of  OLED  products  for  general  lighting  applications.  To  evaluate  𝛼𝑡 Appl. Sci. 2021, 11, 74  7  of  11  maintained CCT characteristics of OLED panel and luminaries, CCT shift data of three  samples in each type were averaged as shown in Figure 3.       (a)  (b)  Figure 3. Characteristics of maintained correlated color temperature (CCT) of OLED products. (a) Maintained CCT of  OLED panels. (b) Maintained CCT of OLED luminaires.  The amount of CCT shift was below 100 K with OLED panel type A, B, and C. Only  type D OLED panel shows CCT shift over 100 K after six thousand hours as shown in  Figure 3 and Table 5. Even in this case the difference of each three samples is very small.  Thus CCT maintenance characteristics of OLED panels are not inferior to that  of LED  light sources [20]. The  reason on relative  large shift of  type D OLED panel is that the  type D is the largest OLED panel and operated with high operating current of 800 mA.  The surface area of type D OLED panel is bigger than that of other OLED panel type by  three times. Thus the total CCT shift was accumulated along the surface area. In case of  OLED luminaires, the amount of CCT shift reached to over 100 K during the experiment.  Table 5. CCT maintenance characteristics of OLED products with operating of six thousand hours.  Type  Initial CCT [K]  Maintained CCT [K]  Delta CCT [K]  A  3755  3685  70  B  3695  3684  11  C  3804  3720  84  D  3682  3494  187  E  4154  4022  132  F  4043  3904  139  CRI  is  one  of  the  parameters  that  provide  quality  of  light  for  general  lighting  applications.  Maintained  CRI  characteristics  of  OLED  panels  and  luminaries  after  six  thousand hours are shown in Table 6. The initial CRI of all OLED panels are about 90  and the decrease of CRI after six thousand hours within 2 for OLED panels and 3 for  OLED luminaires in the experiments.  Table 6. Color rendering index (CRI) maintenance characteristics of OLED products with  operating of six thousand hours.  Type  Initial CRI  Maintained CRI  Delta CRI  A  90  89  1  B  89  88  1  C  90  89  1  D  91  89  2  E  90  87  3  F  90  87  3  Appl. Sci. 2021, 11, 74  8  of  11  3.3. Electrical Maintenance Characteristics of OLED Panels and Luminaires  To evaluate the electrical maintenance characteristics of OLED products, operating  voltage and  power  were  measured  up  to  six  thousand  hours  while applying  constant  current to them. Maintained operating voltage required to supply constant current for  OLED products tended to rise during long operation because of degradation of OLED  products  as  shown  in  Table  7.  In  case  of  OLED  panels,  the  increment  of  operating  voltage after six thousand hours was 0.07 V (type A), 0.34 V (type B), 0.29 V (type C),  and  0.22  V  (type  D),  respectively.  It  means  that  maximum  increment  of  operating  voltage  for  OLED  panels  is  less  than  6%.  However,  for  the  OLED  luminaires,  the  increment of operating voltage after six thousand hours came to 0.71 V (type E) and 1.01  V (type F). Thus, the maximum increment of operating voltage for OLED luminaires is  about  16%.  In  the  IEC  62922  which  is  performance  requirements  standard,  the  manufacturer declares the maintained operating voltage value at two thousand hours,  then the operating voltage should not exceed the declared value with operation of two  thousand  hours.  Thus  necessity  of  the  dedicated  OLED  control  gear  turns  out  in  this  study because LED control gear was used generally for OLED panel in the market.   Table 7. Operating voltage maintenance characteristics of OLED products after aging of 6000 h.  Type  Initial Operating Voltage [V]  Maintained Operating Voltage [V]  Delta Operating Voltage [V]  A  6.03  6.11  0.07 (1.2%)  B  6.20  6.54  0.34 (5.5%)  C  6.09  6.38  0.29 (4.8%)  D  6.06  6.28  0.22 (3.6%)  E  6.71  7.42  0.71 (10.6%)  F  6.41  7.42  1.01 (15.8%)  4. Discussion  As discussed in the Section 3.2, color quality of OLED products is the critical factor  for  the  general  lighting  applications.  To  investigate  the  mechanism  of  CCT  shift,  spectrum change with operating time for OLED panel and luminaire were analyzed as  shown in Figure 4. Figure 4a shows the normalized spectrum of type A OLED panel and  Figure  4b  shows  that  of  type  E  OLED  luminaires.  In  case  of  OLED  panel,  as  the  operating  time  increases  then  the  normalized  blue  spectrum  goes  down  while  other  spectrum  maintain  its  initial  ratio.  However,  in  case  of  OLED  luminaires  the  degradation of blue spectrum dramatically changes even at two thousands of operating  hours.  Green  spectrum  undergoes  additional  variation  which  is  not  measured  in  the  OLED panel.   To analyze the effect of panel size on the color quality, variation in CIE 1976 color  coordinates of OLED panel type C (200 mm × 50 mm) and OLED panel type D (320 mm  × 110 mm) were evaluated. Measured u’ and v’ variation of OLED panel type C and D  have similar tendency with operating time up to six thousand hours shown in Figure 5a.  Amount and direction of u’ and v’ shifts in each type of OLED panel are almost same  even  with  different  initial  u’  and  v’  points.  Such  characteristics  are  more  clearly  identified by u’ and v’ values as shown in Figure 5b. Because of the decrease in the  blue  spectrum,  main  direction  of  this  shift  heads  for  yellow‐red  direction  [20,21].  Amount of maximum shift in OLED panel type D compared to that of OLED panel type  C is over 2.4 times in u’ and 2.0 times in v’, respectively. Thus, in case of OLED panel  which has large surface area needs more careful design in the applications to maintain  color quality.  Appl. Sci. 2021, 11, 74  9  of  11  (a)  (b)  Figure 4. Normalized spectrum variation with operating time. (a) OLED panel type A (b) OLED luminaire type E.      (a)  (b)  Figure 5. Color shift of OLED panel dependence on panel size. (a) OLED panel type C. (b) OLED panel type D.  In  case  of  OLED  luminaire,  color  shift  has  two  different  kind  of  mechanism  as  shown in Figure 6a,b. One is yellow‐red shift as similar in OLED panel case up to two  thousand hours of operation and the other is green shift due to the variation in green  spectrum as shown in Figure  4a,b  from two thousand hours to  six thousand  hours of  operation.  Amount  of  maximum  shift  in  OLED  luminaire  comes  to  0.0013  in u’  and  0.0071 in v’, respectively.   Appl. Sci. 2021, 11, 74  10  of  11  (b)  (a)  Figure 6. Color shift of OLED luminaire type E. (a) u’ and v’ color shift of luminaire type E. (b) u’ and v’ variations of  luminaire type E.  5. Conclusions  In this paper, we have investigated the various long‐term reliability characteristics  of OLED products in terms of lumen output, luminous efficacy, CCT, CRI, and operating  voltage  for  the  general  lighting  applications.  Total  twelve  OLED  panels  with  four  different types and six OLED luminaires with two different types were analyzed up to  six thousand hours. Long‐term reliability dependences due to the different OLED panel  shape, form factor, and emitting surface area were measured and analyzed.  Evaluated lifetime of OLED panels is about ten thousand hours for L70 lifetime and  two thousand hours for L50 lifetime with extrapolation method based on IES TM‐21 and  IEC  63013  standard  (including  flexible  type  OLED  panel  and  OLED  panel  which  has  large surface area). The shift of CCT in most OLED panels is below 100 K. The decrease  of CRI and increase of operating voltage are acceptable for general lighting applications  as required in IEC 62922 standard. Thus long‐term reliability of OLED  panels is good  enough for the general lighting applications.  However, in case of OLEDs panel which has large surface area shows inferior color  maintenance  characteristics  compared  to  small  size  OLED  panel.  Moreover,  OLED  luminaries  show  the  room  for  improvement  in  lifetime  and  color  maintenance  performances  for  the  general  lighting  applications.  More  careful  design  and  use  of  dedicated  control  gear  for  OLED  luminaires  will  accelerate  the  adoption  of  OLED  product in the market.  Author Contributions:  Conceptualization, J.K.; formal analysis, J.K. and  Y.C.; investigation, J.K.  and  Y.C.; resources, Y.C.; writing—original draft preparation, J.K.; writing—review and editing,  W.J.;  supervision,  W.J.  All  authors  have  read  and  agreed  to  the  published  version  of  the  manuscript.  Funding:  This  work  is  supported  by  the  Korea  Agency  for  Infrastructure  Technology  Advancement (KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant  19PQWO‐B153369‐01).  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The data presented in this study are available on request from the  corresponding author.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.  References  Appl. Sci. 2021, 11, 74  11  of  11  1. Trevisanello, L.; Meneghini, M.; Mura, G.; Vanzi, M.; Pavesi, M.; Meneghesso, G.; Zanoni, E. Accelerated Life Test of High  Brightness Light Emitting Diodes. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 2008, 8, 304–311.  2. Kang, J.M.; Choi, J.H.; Kim, D.H.; Kim, J.W.; Song, Y.S.; Kim, G.H.; Han, S.K. Fabrication and Thermal Analysis of Wafer‐Level  Light‐Emitting Diode Packages. IEEE Electron. Dev. Lett. 2008, 29, 1118–1120.  3. Zhao, L.X.; Thrush, E.J.; Humphreys, C.J.; Phillipsa, W.A. Degradation of GaN‐based quantum well light‐emitting diodes. J.  Appl. Phys. 2008, 103, 024501.  4. Kang, J.M.; Kim, J.W.; Choi, J.H.; Kim, D.H.; Kwon, H.K. Life‐time estimation of high‐power blue light‐emitting diode chips.  Microelectron. Reliab. 2009, 49, 1231–1235.  5. Scientific Committee on Health, Environmental and Emerging Risks  (SCHEER).  Final  Opinion  on  Potential  Risks  to  Human  Health of Light Emitting Diodes; European Commission: Brussels, Belgium, 2018.  6. Xia, S.C.; Kwong, R.C.; Adamovich, V.I.; Weaver, M.S.; Brown, J.J. OLED device operational lifetime: Insights and challenges.  In Proceedings of the 45th Annual IEEE International Reliability Physics Symposium, Phoenix, AZ, USA, 15–19 April 2007; pp.  253–257.  7. Zhou,  X.;  He,  J.;  Liao,  L.S.;  Lu,  M.;  Ding,  M.X.;  Hou,  Y.X.;  Zhang,  M.X.;  He,  Q.X.;  Lee,  T.S.  Real‐time  observation  of  temperature rise and thermal breakdown processes in organic LEDs using an IR imaging and analysis system. Adv. Mater. 2000,  12, 265–269.  8. Alchaddoud, A.; Canale, L.; Ibrahem, G.; Zissis, G. Photometric and Electrical Characterizations of Large‐Area OLEDs Aged  Under Thermal and Electrical Stresses. IEEE Trans. Ind. Appl. 2018, 55, 991–995.  9. Park,  J.I.;  Bae,  S.J.  Direct  prediction  methods  on  lifetime  distribution  of  organic  light‐emitting  diodes  from  accelerated  degradation tests. IEEE Trans. Reliab. 2010, 59, 74–90.  10. Cester, A.; Bari, D.; Framarin, J.; Meneghesso, N.W.G.; Xia, S.; Adamovich, V.; Brown, J.J. Thermal and electrical stress effects  of electrical and optical characteristics of Alq3/NPD OLED. Microelectron. Reliab. 2010, 50, 1866–1870.  11. Kwak,  K.;  Cho,  K.;  Kim,  S.  Analysis  of  thermal  degradation  of  organic  light‐emitting  diodes  with  infrared  imaging  and  impedance spectroscopy. Opt. Express 2013, 21, 29558–29566.  12. Salameh, F.; Haddad, A.; Picot, A.; Canale, L.; Zissis, G.; Chabert, M.; Maussion, P. Modeling the Luminance Degradation of  OLEDs Using Design of Experiments. IEEE Trans. Ind. Appl. 2019, 55, 6548–6558.  13. Zhang, J.; Zhou,  T.; Wu, H.; Liu, Y.; Wu, W.;  Ren,  J. Constant‐step‐stress accelerated life test of white OLED under Weibull  distribution case. IEEE Trans. Electron Devices 2012, 59, 715–720.  14. Zhang,  J.;  Liu,  F.;  Liu,  Y.;  Wu,  H.;  Wu,  W.;  Zhou,  A.  A  study  of  accelerated  life  test  of  white  OLED  based  on  maximum  likelihood estimation using lognormal distribution. IEEE Trans. Electron. Devices 2012, 59, 3401–3404.  15. Kim, H.; Shin, H.; Park, J.; Choi, Y.; Park, J. Statistical modeling and reliability prediction for transient luminance degradation  of flexible OLEDs.  In  Proceedings  of the  2018 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Burlingame, CA,  USA, 11–15 March 2018.  16. CIE.  DIS  025‐SP1/E:2019,  Test  Method  for  OLED  Luminaires  and  OLED  Light  Sources.  Available  online:  http://cie.co.at/publications/test‐method‐oled‐luminaires‐and‐oled‐light‐sources‐0 (accessed on 8 October 2020).  17. IEC  62922/AMD1  ED1.  Organic  Light  Emitting  Diode  Panels  for  General  Lighting—Performance  Requirements.  Available  online:  https://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:38:14509173073973::::FSP_ORG_ID,FSP_APEX_PAGE,FSP_PROJECT_ID:1340,23,10192 0 (accessed on 8 October 2020).  18. IES  TM‐21‐11.  Projecting  Long  Term  Lumen  Maintenance  of  LED  Light  Sources.  Available  online:  https://webstore.ansi.org/standards/iesna/iestm2111 (accessed on 8 October 2020).  19. IEC  63013  ED1.  LED  Packages—Long‐Term  Luminous  and  Radiant  Flux  Maintenance  Projection.  Available  online:  https://webstore.iec.ch/publication/28210 (accessed on 8 October 2020).  20. LED  Systems  Reliability  Consortium.  LED  Luminaire  Reliability:  Impact  of  Color  Shift;  Next  Generation  Lighting  Industry  Alliance: Duluth, GA, USA, 2017.  21. Mehr, M.Y.; Bahrami, A.; van Driel, W.D.; Fan, X.J.; Davis, J.L.; Zhang, G.Q.  Degradation of optical materials in solid‐state  lighting systems. Int. Mater. Rev. 2020, 65, 102–128, doi:10.1080/09506608.2019.1565716 

Journal

Applied Sciences – Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Published: Dec 23, 2020

There are no references for this article.