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JP4601673B2 - ガラス外囲器を製造する方法 - Google Patents
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Description

関連出願の説明
本出願は、米国法典第35編第199条(e)項の下で、ここにその内容の全てを引用する、2005年12月6日に出願された米国仮特許出願第60/748297号の優先権の恩恵を主張するものである。
本発明は、フラットパネルディスプレイデバイスのためのガラス基板に用いられるものなどのディスプレイ素子を密封する方法に関する。
有機発光ダイオード(OLED)は、様々なエレクトロルミネセント素子において使用されていることや使用される可能性のために、近年、重要な研究の課題となっている。例えば、1つのOLEDを、別個の発光素子に使用でき、またはOLEDのアレイを、発光ディスプレイまたはフラットパネルディスプレイの用途(例えば、OLEDディスプレイ)に使用できる。OLEDフラットパネルディスプレイは、特に、非常に明るく、良好な色の対比および広い視覚を有することが知られている。OLEDディスプレイの寿命は、その中に配置された有機層と電極が周囲の環境から密封されていれば、著しく増加させられることがよく知られている。しかしながら、OLEDディスプレイ、特に、その中に配置された有機層と電極は、周囲の環境からOLEDディスプレイ中に漏れる水分および酸素との相互作用から生じる劣化を受けやすい。残念ながら、過去において、OLEDディスプレイを密封する封止プロセスを開発することは非常に難しかった。OLEDディスプレイを適切に封止するのを難しくする要因のいくつかを以下に手短に挙げる:
・ 気密シールは、酸素のバリア(10-3cc/m2/日)と水のバリア(10-6g/m2/日)を提供すべきである。
・ 気密シールのサイズは、OLEDディスプレイのサイズに悪影響を与えないように最小(例えば、<2mm)であるべきである。
・ 封止プロセス中に生じる温度は、OLEDディスプレイ内の材料(例えば、電極および有機層)を損傷しないべきである。例えば、OLEDディスプレイ内のシールから約1〜2mmに位置するOLEDの第1のピクセルは、封止プロセス中に100℃より高くに加熱されるべきではない。
・ 封止プロセス中に放出されるガスは、OLEDディスプレイ内の材料を汚染すべきではない。
・ 気密シールは、OLEDディスプレイに進入するための電気接続(例えば、薄膜クロム電極)を可能にするべきである。
OLEDディスプレイを密封するための1つの様式は、特定の波長の光で吸収性の高い材料がドープされた低温フリットを溶融することによって、気密シールを形成することである。例えば、高出力レーザを用いて、フリットがその上に配置されたカバーガラスと、OLEDがその上に配置された基板ガラスとの間で気密シールを形成するフリットを、加熱し、軟化させてもよい。このフリットは、一般に、約0.5mmから約1mm幅で約6〜100μm厚である。フリットの吸収および厚さが均一な場合、フリットの位置で均一な温度上昇となるように、封止は、一定のレーザエネルギーおよび並進速度で行うことができる。それでもなお、加熱されたフリット(および基板)が適切に冷却されなければ、封止プロセス中に生じた熱応力のために、フリットおよび/または基板に亀裂が生じることがある。
必要とされているのは、フリットを加熱する方法であって、過度に加熱せず、ディスプレイ素子に損傷を与えずに、フリットを溶融し、基板を密封するのに十分にフリットを加熱する一方で、フリットを適切に冷却する方法である。
本発明によるある実施の形態において、少なくとも1つのフリット壁により隔てられた第1の基板と第2の基板、および第1と第2の基板の間に配置された少なくとも1つのディスプレイ素子を提供する工程、第1の基板を通して少なくとも1つのフリットにレーザビームを当てる工程、およびフリット壁の長さに沿ってビームをトラバースして、フリットを加熱し、第1の基板を第2の基板に封止する工程を有してなる方法が開示される。入射するビームの移動方向におけるこの入射ビームの強度分布は、ビームの縦軸からの距離の関数として減少し、移動方向に対して垂直な方向における入射ビームの強度分布は、ビームのピーク強度から約10%以内で変動する。少なくとも1つのフリット壁はフレーム形状を有することが好ましい。さらに、第1と第2の基板の間に複数のディスプレイ素子が配置されていてもよい。ビームは、スリットとして形成された透明領域を含むマスクを透過することが好ましい。このマスクは、吸収表面または反射表面を有していてもよい。ビームを約10mm/sより速い速度でフリット上でトラバースさせることが好ましい。このトラバースは、ビームを少なくとも1つのガルバノミラーで反射させることによって行ってもよい。
添付の図面を参照して、いかようにも制限を与えずに、以下の説明の過程で、本発明はより容易に理解され、その他の目的、特徴、詳細および利点がより一層明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴および利点の全ては、この説明に含まれ、本発明の範囲に包含され、添付の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
以下の詳しい説明において、制限ではなく説明を目的として、本発明を完全に理解するために、特定の詳細を開示した例示の実施の形態が記載されている。しかしながら、本発明の開示の恩恵を受けた当業者には、本発明は、ここに開示された特定の詳細から離れた他の実施の形態で実施してもよいことが明らかである。さらに、よく知られたデバイス、方法および材料の説明は、本発明の説明を分かりにくくしないように、省略される。最後に、適用できる限り、同じ参照番号は同じ要素を指す。
本発明の封止技法は、密封されたOLEDディスプレイの製造に関して以下に記載されているが、二枚のガラス基板を互いに封止して、様々な用途およびデバイスに使用できる構造体を形成するために、同じまたは同様の封止技法を使用できることが理解されよう。したがって、本発明の封止技法は、限られた様式で考えるべきではない。
図1を参照すると、第1の基板12、フリット14、第2の基板16、少なくとも1つのOLED素子18およびそのOLED素子と電気接触した少なくとも1つの電極20を備えた、概して参照番号10で示された、本発明のある実施の形態による密封された有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイデバイスの断面側面図が示されている。一般に、OLED素子18は、陽極電極および陰極電極と電気接触している。ここに用いられているように、図1の電極20は、いずれかの電極を表す。簡単にするためにたった1つのOLED素子しか示されていないが、ディスプレイデバイス10には、その中に数多くのOLED素子が配置されているであろう。典型的なOLED素子18は、1つ以上の有機層(図示せず)および陽極/陰極電極を備えている。しかしながら、ディスプレイデバイス10において、どのような公知のOLED素子18または将来のOLED素子18も使用できることが当業者には容易に認識できるはずである。さらに、OLED素子18以外の別のタイプの薄膜素子を堆積しても差し支えないことが認識されるであろう。例えば、本発明を用いて、薄膜センサを製造してもよい。
好ましい実施の形態において、第1の基板12は、コード1737ガラスまたはEagle2000(商標)ガラスの商標名でコーニング社(Corning Incorporated)により製造販売されているものなどの透明ガラス板である。あるいは、第1の基板12は、例えば、旭硝子社により製造販売されているもの(例えば、OA10ガラスおよびOA21ガラス)、日本電気硝子社、NHテクノ社およびサムソン・コーニング・プレシジョン・ガラス社(Samsung Corning Precision Glass Co.)により製造販売されているものなどの任意の透明ガラス板であって差し支えない。第2の基板16は、第1の基板12と同じガラス基板であってよく、または第2の基板16は不透明基板であってもよい。
図2〜3に示されているように、第1の基板12を第2の基板16に封止する前に、一般に、ガラス粉末、結合剤(通常は有機)および/または液体ビヒクルを含むフリットペーストの線として、フリット14が第1の基板12に堆積される。フリット14は、第1の基板12にうまく形成されたパターンを提供するプログラマブル・オーガー・ロボットにより、またはスクリーン印刷により、第1の基板12に施すことができる。例えば、フリット14は、第1の基板12の自由縁から約1mm離れて堆積することができ、一般には、閉じたフレームまたは壁の形状で堆積される。好ましい実施の形態において、フリット14は、封止プロセスに用いられるレーザの動作波長と一致するまたは実質的に一致する所定の波長で、十分な吸収断面積を有する低温ガラスフリットである。フリット14は、例えば、鉄、銅、バナジウム、ネオジムおよびそれらの組合せ(例として)からなる群より選択される一種類以上の吸収イオンを含有してもよい。フリット14は、基板12および16の熱膨張係数と一致するか実質的に一致するように、フリット14の熱膨張係数を変化させる充填剤(例えば、逆転(inversion)充填剤、付加(additive)充填剤)を含んでもよい。この用途に用いられる例示のフリット組成物に関するより詳しい説明については、その内容をここに引用する、「Glass Package that is Hermetically Sealed with a Frit and Method of Fabrication」と題する米国特許第6998776号明細書を参照のこと。
フリット14は、第1の基板12を第2の基板16に封止する前に、予備焼結されてもよい。これを実施するには、第1の基板12上に堆積したフリット14を、それが第1の基板12に付着するように加熱する。次いで、その上にフリットパターンが堆積された第1の基板12を炉内に配置して、この炉が、フリット14を、このフリットの組成に依存する温度で「焼成」または固結する。予備焼結段階中に、フリット14は加熱され、フリット内に含まれた有機層材料が燃え尽きる。
フリット14を予備焼結した後、必要であれば、高さの変動が約2〜4μmより大きくならないように、フリットを研磨しても差し支えない。このとき、フリットの一般的な目標高さは、デバイス10の用途に応じて、10μmから30μmより大きいが、より一般的に、約12〜15μmである。高さの変動がより大きい場合、第2の基板へのレーザ封止中にフリット14が溶融したときに、基板12と16を接合したときにフリットと基板16の間に形成されるであろう隙間が閉じないかもしれず、またはその隙間が応力を導くかもしれず、これにより、特に、フリットおよび/または基板の冷却中に、基板に亀裂が生じ得る。適切であって過度には厚くないフリットの高さhにより、それらの基板を第1の基板12の背面から封止できる。フリット14が薄すぎると、レーザ照射を吸収するのに十分な材料が残らなくなり、失敗となる。フリット14が厚すぎると、溶融するのに第1の基板の表面で十分なエネルギーを吸収できるが、フリットを溶融するのに必要なエネルギーが、第2の基板16に最も近い領域に到達するのが妨げられるかもしれない。これにより、通常、二枚のガラス基板の結合が不十分となったりむらが生じてしまう。
予備焼結したフリット14を研磨した場合、第1の基板12を穏やかな超音波洗浄環境に施して、この時点までに蓄積した任意の屑を除去してもよい。ここに用いられる一般的な溶液は、余計な付着物が全くないディスプレイ用ガラスを洗浄するために用いられるものより著しく穏やかであって差し支えない。洗浄中の温度は、堆積されたフリット14の劣化を防ぐために、低く維持することができる。
洗浄後、残留した水分を除去するために、最終処理工程を行っても差し支えない。予備焼結した第1の基板12を6時間以上に亘り100℃の温度で真空炉内に配置することができる。その炉から取り出した後、封止プロセスを実施する前に、その上に埃や屑が蓄積するのを防ぐために、予備焼結した第1の基板12をクリーンルームボックス内に配置しても差し支えない。
封止プロセスは、フリット14、1つ以上のOLED素子18、および電極20が、フリット14により隔てられた二枚の基板12および16の間に挟まれるような様式で、1つ以上のOLED素子18および1つ以上の電極20が上面に配置された第2の基板16の上に、フリット14が付着した第1の基板12を配置する工程を含む。基板12および16に穏やかな圧力を印加して、封止プロセス中にそれらをフリット14と接触した状態に維持する。図4に示されているように、フリット14が溶融し、基板12を基板16に連結し結合する気密シールを形成するように、レーザ22がレーザビーム24を第1の基板12を通してフリット14に向け、フリット14を加熱する。この気密シールは、周囲の環境中の酸素および水分がOLEDディスプレイデバイス10に入るのを防ぐことによって、OLED素子18を保護する。
レーザビーム24は、フリット14内の温度勾配をより緩やかにするために、焦点をぼかしても差し支えない。勾配が急すぎると(焦点が緻密過ぎると)、OLEDディスプレイデバイス10は、亀裂を生じ、その後、破損するかもしれないことに留意すべきである。一般に、フリット14は、溶融前にウォームアップおよびアニール段階が必要である。さらに、予備焼結した第1の基板は、溶融前にO2およびH2Oの再吸着を防ぐために不活性雰囲気中に貯蔵しなければならない。フリットパターンに対するレーザ22(またはビーム24)の移動速度は、約0.5mm/sから300mm/sほど速い速度まで及ぶが、30mm/sと40mm/sの間の速度がより一般的である。レーザビームからの必要な出力は、フリット14の光吸収係数αおよび厚さhに応じて変動するであろう。必要な出力はまた、電極20を製造するのに用いられる材料などの反射層または吸収層がフリット14の下(フリット14と基板16との間)に配置されている場合、またフリット上をレーザビーム24がトラバースする速度によっても、影響を受ける。さらに、フリット14の組成、均一性および充填剤の粒径は、様々であって差し支えない。このことも、フリットが、レーザビーム24を当てる光エネルギーを吸収する様式にも悪影響を与え得る。レーザビーム24をフリット14上でトラバースするときに、フリット14は溶融して、基板12および16を互いに封止する。フリット封止により生じる基板12および16の間の間隙が、基板の間のOLED素子18のための気密ポケットまたは外囲器を形成する。第2の基板16が封止波長で透明である場合、封止は、第2の基板16を通して、または基板12および16の両方を通して行ってもよいことに留意されたい。
ディスプレイデバイス10の冷却は、丁度封止されたばかりの基板とフリットの冷却中に、過剰の応力がデバイス10(例えば、基板12および16)に生じないように行うべきである。適切に冷却されないと、これらの応力によって、基板間の結合が弱いものとなり、結合の気密性に影響が出るかもしれない。基板の内の一方を通ってフリットに当たるレーザビームは、半径方向の断面において実質的に円形のビーム形状を有する。したがって、ビームは、略円形スポットとしてフリットに当たり、ビームの直径に亘る強度分布は、ビームの軸からの距離の関数として減少し、ビームの中心軸で、またはその近くでピーク強度を有することが好ましい。例えば、ビームは、実質的にガウス形であってよい。従来の封止方法におけるスポットの直径2ω(ここで、ωは、ビームの強度が最大ビーム強度の1/e2であるビーム軸からの距離である)は、一般に、ほぼフリットの幅以下であるように選択され、これは、約0.5mmと約1mmの間である。しかしながら、速い、例えば、約10mm/sより速い封止速度については、レーザスポット直径が約1mm未満であるとすると、フリット/基板のアニールを行える比較的遅い冷却が望ましい場合、スポットがフリットの特定の地点を離れるときに、フリット/基板が急速に冷却されてしまうであろう。原則として、速い封止速度が望ましい。第1に、プロセス処理量が増加する。第2に、より速い封止速度でのレーザパワーの許容変動が大きくなる。他方で、前述したように、急速な冷却を緩和するためにスポットの直径を増加させると、基板の間に挟まれた隣接するOLED素子が加熱されてしまう。この欠点を克服するために、本発明によれば、スポットの直径が大きくされた(フリットの幅よりも大きい)レーザビームを用い、フリット以外のデバイス10の部分(例えば、OLED素子18)の加熱を防ぐために大きくされたスポットのサイズの一部をマスキングしてもよい。
実施の形態によれば、第1と第2の基板12,16の間のフリットのラインの幅の約2倍より大きいスポット直径が提案される。そのスポットの直径に亘る強度分布は、ビームの中心軸からの距離の関数として減少していることが好ましい。例えば、ビームは、実質的にガウス形強度分布を有していてもよいが、三角形などの他の形状を有していてもよい。図4に示されたマスク32が第1の基板の上方に位置している。より詳しくは、マスク32は、マスクの透明または開放部分が、基板の間に配置されたフリットのラインの上に位置するように位置している。図5は、フリットのラインの幅wfとほぼ等しい、またはマスクと第1の基板12の間の距離に応じて、それより広い幅wtを有する透過領域34、および不透明領域36を備えたマスクの一部分の拡大図を示している。次いで、レーザビーム24が、矢印37により示された長手方向にその透過領域に沿って、それゆえ、フリットライン上をトレースされ、フリットを加熱し、基板を気密シールで封止する。ビームスポット38は、不透明領域36によりフリット14の両側で横方向(スポット38の点線部分と矢印39により示された)で遮断されると同時に、長手方向(すなわち、フリットの長さに沿って)では透過領域34を通り妨げられていない。ビーム(およびスポット)は円形対称の強度分布を有することが好ましく、長手方向における強度分布が妨げられていないので、フリットの長さに沿った強度の先細り(tail-off)(減少する強度分布による)により、フリットが比較的遅く冷却される。他方で、透過領域34を透過し、フリットに当たるビームの部分は、実質的に一定の(フラットな)強度を有し、フリットの幅に亘り(すなわち、フリットをトラバースするときのビームの移動方向に対して垂直)、ビームの中心軸でのピーク値から約10%以下しか変動せず、それゆえ、フリット14を比較的均一に加熱することが好ましい。
マスク32は、吸収性または反射性であってよい。しかしながら、反射性マスクが好ましい。何故ならば、吸収性マスクは、ビームによって十分に加熱されて、フリットに隣接した敏感なOLED素子を損傷するかもしれないからである。フリットに当たるレーザスポットの直径は約1.8mmより大きいことが好ましい。マスク32は、例えば、マスクの被覆部分が、レーザからの光を反射または吸収し、入射するビームの一部分がマスクの被覆されていない透明ガラス部分の透過領域34を通って透過するように、透明なガラス基板上にあるコーティングをスパッタリングすることによって、形成してもよい。マスクの透明部分がフリット14と一致することが好ましい。例えば、フリット14がフレームの形状にある場合、マスクの透明部分が同様の形状と寸法を有することが望ましい。複数の別個のフレーム状フリット壁が基板に配置されている場合には、マスクは、透過領域34の対応するアレイを有することが好ましい。そのようなマスクが図6に示されている。
先に述べたように、本発明の実施の形態にしたがって封止ビームとして用いられるレーザビーム24は、焦点が合わされていない、または意図的に焦点がぼかされていてもよい。ビームの焦点がフリットに当たらないようにビームの焦点をぼかすことを、長手方向(フリットのラインに対して)の減少する強度分布と共に用いて、フリットおよび/または基板の冷却を増すこともできる。図7は、約1mmの幅を有するフリットのラインを封止するのに用いられる約1.8mmの1/e2直径(すなわち、2ω)を有するビームスポットに関する冷却曲線を示している。曲線40,42および44は、それぞれ、5mm/s、10mm/sおよび20mm/sのレーザビームトラバース速度に関する時間の関数としてのフリット温度を示している。フリットを加熱し、レーザビームを急速に消したときのフリット/基板の冷却挙動を示す、固有の冷却曲線46も示されている。図7におけるレーザビームはフリットに焦点が合わせられている。図7は、図7と同じ条件を用いたフリットの加熱を示す図8と匹敵するであろうが、図8ではフリット上でレーザの焦点がぼかされている。レーザの所定のトラバース速度(例えば、2つの図での10mm/s)を比較することによって、より遅い冷却速度が容易に観察される。
別の実施の形態において、マスクは、レーザ自体に、またはレーザに近接して取り付けて、レーザからのビームがマスクを通過するようにしてもよい。しかしながら、マスクはスリット状の透明領域を備えているので、これには、レーザが、基板12上に堆積されたフレーム形状のフリットの角をトラバースするときに、マスクを回転させる必要がある。この実施の形態または先の実施の形態において、デバイス10とレーザビーム24との間の相対運動は、レーザビームに対してデバイス10を移動させることにより、またはレーザ(およびしたがってビーム)をデバイスに対して移動させることによって、行ってもよい。例えば、レーザ、またはデバイスを、x−y平面で可動性のステージに取り付けてもよい。このステージは、例えば、その動作がコンピュータ制御されていてもよい、線形モータステージであって差し支えない。あるいは、デバイスおよびレーザの両方が静止しており、ビーム24をレーザから、ガルバノメータ(図示せず)により制御(移動)された1つ以上の可動性反射器(ミラー)48に方向付けることによって、ビームをデバイスに対して移動させてもよい。デバイスやレーザの慣性と比較して、ガルバノメータ位置決めミラーの慣性が小さいために、フリット14上でのレーザビームのトラバース速度が速くなる。フリットとレーザとの間の距離が変動するときに、フリット上のスポット直径は、当該技術分野において公知なように、適切なレンズ技法(例えば、テレセントリックレンズ)を使用することによって、一定にすることができる。
本発明の上述した実施の形態、特に、どの「好ましい」実施の形態も、単なる実施のための可能性のある実例であり、単に本発明の原理をより明白に理解するために述べられたものであることを強調しておく。本発明の精神および原理から実質的に逸脱せずに、本発明の上述した実施の形態に、様々な変更および改変を行ってもよい。そのような変更および改変の全ては、この開示の範囲と本発明の範囲に含まれ、添付の特許請求の範囲に保護されることが意図されている。
本発明のある実施の形態によるディスプレイデバイスの断面側面図 本発明のある実施の形態による第1の基板とその上に堆積されたフリットの断面側面図 フレームの形状で堆積されたフリットを示す、図2の第1の基板の正面図 ディスプレイ素子および電極がその上に堆積された本発明のある実施の形態によるディスプレイデバイスの部分断面側面図であって、封止操作中のレーザとレーザビームの位置を示す図 図4のマスクとフリットの一部の部分平面図 複数のOLEDディスプレイデバイスを封止するための、複数の透明領域を有するマスクの平面図 固有冷却曲線と比較された、フリット上のレーザスポットの様々なトラバース速度での焦点の合わせられたレーザビームにより封止されたOLEDディスプレイデバイスの冷却曲線(速度)のプロットされたグラフ 固有冷却曲線と比較された、フリット上のレーザスポットの様々なトラバース速度での焦点のぼかされたレーザビームにより封止されたOLEDディスプレイデバイスの冷却曲線(速度)のプロットされたグラフ ディスプレイ素子および電極がその上に堆積されたディスプレイデバイスの断面側面図であって、封止操作中のレーザとガルバノメータで制御されたレーザビームの位置を示す図
符号の説明
10 OLEDディスプレイデバイス
12,16 基板
14 フリット
18 OLED素子
20 電極
22 レーザ
24 レーザビーム
32 マスク
34 透過領域
36 不透明領域

Claims (10)

  1. ディスプレイ素子を密封する方法であって、
    少なくとも1つのフリット壁により隔てられた第1の基板と第2の基板、および該第1と第2の基板の間に配置された少なくとも1つのディスプレイ素子を提供する工程、
    レーザビームをマスクを通して通過させる工程、
    前記第1の基板を通して、前記少なくとも1つのフリットマスクされたレーザビームを、焦点をぼかして当てる工程、
    前記フリット壁の長手方向に沿って前記マスクされたレーザビームをトラバースさせて、前記フリット壁を加熱し、前記第1の基板と前記第2の基板を封止する工程、
    を有してなり、
    前記マスクされたレーザビームの移動方向における該マスクされたレーザビームの強度分布が、該マスクされたレーザビームの長軸からの距離の関数として減少するものであり、前記フリット壁の幅にわたる、前記移動方向に対して垂直な方向における前記マスクされたレーザビームの強度分布が、該マスクされたレーザビームのピーク強度から10%以下しか変動しないことを特徴とする方法。
  2. 前記レーザビームが、前記フリット壁の幅wfより大きいスポット直径を有することを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記マスクの透明または開放部分が、前記基板の間に配置された前記フリット壁のラインの上に位置するように設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  4. 前記フリット壁が閉じたフレームからなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の方法。
  5. 前記マスクが反射表面を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の方法。
  6. 前記レーザビームを10mm/sより速い速度でトラバースさせることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の方法。
  7. 前記トラバースが、前記レーザビームを少なくとも1つの移動する反射器で反射させることを含むことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の方法。
  8. 前記反射器がガルバノメータにより動かされることを特徴とする請求項記載の方法。
  9. 前記マスクが吸収表面を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の方法。
  10. 前記スポット直径が、前記フリット壁の幅w の2倍より大きいことを特徴とする請求項記載の方法。
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