WO2015154881A2 - Bauelement mit dehnbarer gasdiffusionsbarriere - Google Patents

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WO2015154881A2
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gas diffusion
diffusion barrier
substrate
layer
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Thomas Riedl
Patrick GÖRRN
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Bergische Universitaet Wuppertal
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/80—Constructional details
    • H10K50/84—Passivation; Containers; Encapsulations
    • H10K50/844—Encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • H10K2102/301—Details of OLEDs
    • H10K2102/311—Flexible OLED

Definitions

  • the present invention relates to a thin-film device that is at least partially encapsulated with a gas diffusion barrier. Furthermore, the invention relates to a method for producing a stretchable gas diffusion barrier on a substrate for producing such a device and a composite system, which consists of at least one substrate and a gas diffusion barrier applied thereto.
  • Gas diffusion barriers are used to reduce the permeation rate for gases or liquids. They prevent the permeation of gases or
  • Liquids or reduce the permeation rate for gases or liquids for example, to prevent their passage from the atmosphere into a plastic film (for example, from the polymer PET) into or out of this film.
  • a plastic film for example, from the polymer PET
  • One area of application is, for example, the protection of food from oxygen or moisture entering the packaging.
  • Another, particularly technologically important application is found in the encapsulation of components,
  • the organic electronics such as OLEDs (organic light-emitting diodes), which must be protected from oxygen and moisture to a particularly high degree.
  • OLEDs organic light-emitting diodes
  • ALD atomic layer deposition
  • the materials used for the gas diffusion barriers are metal oxides or metal nitrides, i. inorganic materials with rigid covalent or
  • Non-stretchable This property will be referred to as “non-stretchable” in a simplified manner, whereas a non-destructive extensibility should be shortened by more than 5% as “ductile”. In this sense, stretchable materials with significant barrier effect are not known.
  • the materials to be encapsulated are soft compared to those for gas diffusion barriers
  • EP 2 059 847 A1 describes a
  • Permeation barrier on a flexible display device In this case, a hermetic protective layer made of aluminum oxide is applied to a polymer film, for example made of PET, coated on the side facing away from the polymer substrate with an adhesive and then adhered with this adhesive layer on the Fronsubstrat an electro-optical layer. This arrangement is not stretchable.
  • a hermetic protective layer made of aluminum oxide is applied to a polymer film, for example made of PET, coated on the side facing away from the polymer substrate with an adhesive and then adhered with this adhesive layer on the Fronsubstrat an electro-optical layer. This arrangement is not stretchable.
  • patent application describes an edge seal arranged at the edge of the optoelectronic layer below the hermetic barrier, in order to prevent permeation of hydrogen or oxygen from the side under the display even when the display is bent. A high flexibility of the display device is not achieved.
  • rigid permeation barriers should be made compatible with soft components.
  • the possibility should be created to encapsulate flexible and stretchable thin-film electronics by simply applying a stretchable barrier.
  • a thin-layer component which is encapsulated at least partially with a gas diffusion barrier is proposed, in which the
  • Gas diffusion barrier is formed by a layer applied to a stretchable substrate layer, which covers the device and in the unstretched state of the substrate has a wave or fold-like surface structure.
  • the gas diffusion barrier in the lateral direction of the substrate becomes highly expandable as well as highly bendable without having its permeation property, i. loses its low permeation rate for oxygen and moisture.
  • substrate in relation to the production of a composite system of gas permeation barrier and a support material carrying them to understand and is not to equate with a possible component substrate of the device to be encapsulated.
  • the thin-film component may consist of one or more thin layers. It should be noted that the term “thin” here means that the
  • Layer thickness or the sum of the thicknesses of the individual layers D is small compared to the lateral extent A of the component. For example, A / D> 10.
  • the layer thickness D or total layer thickness D may be small compared to the thickness of the substrate (S), e.g. S / D> 10.
  • the layer thickness is D or
  • Total layer thickness D in the range between 10nm to 10 pm.
  • Thin-film components known, for example, from "A. Eishabini, A. Elshabini-Riad, F.D. Barlow, Thin Film Technology Handbook, McGraw-Hill, 1998. "
  • the gas diffusion barrier has been applied to the substrate in a thermally or mechanically stretched state of the substrate, so that it increasingly forms the wavy or fold-like surface structure as the expansion or cooling-induced shrinkage of the substrate progresses.
  • the formation of the surface structure thus occurs by the structural connection of the gas diffusion barrier formed from a non-stretchable material and the stretchable substrate, because the gas diffusion barrier contracts due to contraction or shrinkage and thereby leads to a permanent compression of the hard coating, causing distortions in this layer, and which in turn leads to the formation of the wrinkle structure.
  • the stretching of the substrate before the application of the gas diffusion layer can take place in different ways.
  • the substrate may be mechanically stretched, ie, by applying a tensile force that attaches to at least two ideally opposing areas, thereby elongating the substrate.
  • a mechanical expansion can also take place in more than two directions, ie in three, four or more directions.
  • the substrate may then be held under this mechanical bias so applied, for example between 5% and 50%, preferably about 15%.
  • An absolute upper limit is determined by the maximum ductility (destruction threshold) of the
  • the mechanical elongation of the substrate has the advantage that it can take place with a specific, exactly predetermined pulling force, in particular in one or even more specific directions, so that the growth of the
  • Surface structure when relaxing the substrate can be specifically predetermined or at least influenced. This is particularly advantageous in order to achieve certain expansion properties of the gas diffusion barrier in certain lateral directions, for example to make the extensibility in a lateral direction stronger than in another direction.
  • the substrate is only on two opposite sides
  • the stretched state can be thermally induced by heating the substrate, thereby expanding it. This can be done, for example, at a temperature between 80 ° C and 120 ° C. Preferably, the substrate is then held at this temperature during the application of the gas diffusion barrier.
  • the thermal expansion of the substrate has the advantage that a uniform extension of the lateral extension takes place, so that the substrate contracts to the same extent on cooling to its center in all radial directions. Furthermore, there is an advantage over the mechanical strain in that the substrate cools only gradually, without special measures, so that the surface structure slowly forms or grows can. The cooling-related shrinkage of the substrate results in a brain structure-like surface structure.
  • the substrate in the unstretched state has a wave-like or pleat-like manner produced by a shaping process
  • the substrate is elastically or plastically extensible and receives in a shaping process the wrinkle or wave-like surface structure.
  • the gas diffusion barrier-forming layer is then applied to this.
  • the shaping process may, for example, in a first step, be a casting of a liquid phase substrate material in a mold having a surface structure complementary to the surface structure to be produced.
  • the substrate material may then cure or by cooling
  • a liquid starting material for example, a mixture of still uncrosslinked liquid PDMS (polydimethylsiloxane) and a cross-linker in question, which results after crosslinking the elastic PDMS substrate, which is easily removable from the mold and then further processed as an elastic substrate with a corresponding surface structure can be. Subsequently, the gas diffusion barrier forming layer is then applied to the demolded substrate.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the shaping can also be produced in such a way that the substrate is first produced without a surface structure and subsequently the surface structure is produced in a molding process.
  • this can be done, for example, by means of a stamp having the corresponding counter-shape of the desired surface structuring, which is pressed onto the substrate material.
  • a plastic deformability of a substrate material which is elastic under normal circumstances may also be due to certain external conditions
  • Next alternatively or cumulatively structuring or further structuring can be done in other ways, for example by etching or plasma etching or by mechanically removing substrate material as well as by locally rupturing the substrate or its hardened surface.
  • the layer forming the gas diffusion barrier may be, as known in the art, a metallic or ceramic material, for example a
  • the gas diffusion barrier forming layer may consist of several partial layers of a combination of two or more of said materials.
  • an elastomer in particular a silicone, such as PDMS (polydimethylsiloxane) can be used in the inventive method.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the substrate is a film.
  • This is particularly suitable for thin forming the composite system of substrate and gas diffusion barrier and encapsulation by lamination in a complex objects spatial To reach geometry. It should be noted that the term "film”, no conclusions on the thickness of the substrate compared to the thickness of
  • the gas diffusion barrier forming layer can be applied to the substrate by various methods. Particularly suitable as methods are thermal evaporation, sputtering, electron beam evaporation,
  • the gas diffusion barrier may preferably have a layer thickness between 10 nm and 200 nm, preferably between 100 nm and 130 nm.
  • the depth of the surface structure in the unstretched state of the gas diffusion barrier can typically be at least 0.1 ⁇ m, but preferably between 1.7 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • it is precisely the depth of the surface structure, i. the amplitude of the formed waves or wrinkles in the surface of the substrate is a decisive criterion. Because a wrinkle or wave-like structure can be bent or stretched, thereby becoming smoother that the amplitude or the depth of the surface structure decreases.
  • the layer forming the gas diffusion layer is electrically conductive. This is achieved, for example, by a layer which consists of tin oxide, zinc oxide and / or indium oxide or contains at least one of the stated materials. Electrically conductive gas diffusion layers can for example act as an electrode and thus offer a variety of technical
  • the layer forming the gas diffusion layer is transparent in a specific spectral range of the electromagnetic spectrum.
  • the layer forming the gas diffusion layer is transparent in a specific spectral range of the electromagnetic spectrum.
  • this high transparency is given in the visible spectral range.
  • light can pass through the encapsulation in the Component (for example, in a solar cell) or out of the device out (for example, in a light emitting diode or a laser).
  • the gas diffusion barrier lies between the substrate and the
  • the substrate is located on the backside of the component. As a result, the substrate is optionally recorded
  • gas diffusion barrier or its substrate is connected only to the edge of the component with a component substrate carrying the component. As a result, a high degree of freedom of movement
  • Gas diffusion barrier ensured, in particular relative movements between the device surface and the gas diffusion barrier are possible.
  • the gas diffusion barrier is arranged so that it faces the component, so that there is a free space between them.
  • This has the advantage that for joining a method or material can be used, against which the device itself, in particular its surface is sensitive. For example, the surface of the device free of a
  • the gas diffusion barrier can be connected to the entire surface of the component. As a result, a better thermal coupling of the device is made possible to the outside, so that heat generated by the device can be better outwardly rented.
  • the gas diffusion barrier is bonded or laminated to the device and / or the device substrate.
  • the device is deposited or deposited on the gas diffusion barrier.
  • the composite system is used as a device substrate.
  • the deposition is advantageously carried out in the thermally or mechanically stretched state of the substrate, so that the Component with progressive relaxation or cooling-related shrinkage of the substrate increasingly wavy or pleated
  • the component thus receives a high elastic extensibility.
  • a further layer forming a gas diffusion barrier is applied to the rear side of the component facing away from the gas diffusion barrier. In this way, the device is completely encapsulated by the gas diffusion barrier.
  • a composite system which consists of at least one substrate and a gas diffusion barrier applied thereto, wherein the substrate is stretchable and in the unstretched state has a wave-like or fold-like surface structure onto which a layer forming the gas diffusion barrier is applied.
  • the substrate can be stretched elastically in the composite system
  • This composite system according to the invention can be produced according to the first variant of the method according to the invention.
  • a composite system which consists of at least a substrate and a gas diffusion barrier applied thereto, wherein the substrate is elastically or plastically extensible, in particular an elastically or plastically stretchable film, and in the unstretched state has a wrinkle-like or wavy surface structuring on the a gas diffusion layer forming layer is applied.
  • a composite system can be produced according to the second variant of the method according to the invention.
  • a plastically deformable substrate material can be used, ie a material that, although deformable, So is stretchable and compressible, but maintains a deformed state.
  • all elastoplastic deformable substrate materials are used which react partially plastic and partially elastic to deformation.
  • the component can be an electronic, opto-electronic or optical
  • Solar cells are encapsulated with one of the composite systems according to the invention.
  • the application of the composite system on the object or on a housing of the object can be done in various ways. It can for example be glued or laminated (FIGS. 10 and 11).
  • encapsulating a thin film device on a device substrate with the interconnect system such that the gas diffusion barrier is directly on the device e.g. encapsulating a thin film device on a device substrate with the interconnect system such that the gas diffusion barrier is directly on the device.
  • a stack is produced: component substrate / component / gas diffusion barrier / substrate (encapsulation substrate), as shown in FIGS. 10 and 11, on the left.
  • Gas diffusion barrier form a thin-layer encapsulation, wherein the
  • Gas diffusion barrier in Figure 10 was first applied to the substrate but is reversed on the device respectively edge on the
  • Component substrate is glued.
  • Composite system deposited This deposition can be done on the relaxed, so wavy composite system but also in the stressed on the surface smooth state. As shown in Fig. 13, the corresponding arrangement on the surface can be fully encapsulated by another thin film permeation barrier.
  • the corresponding thin film device e.g. an organic one
  • Light-emitting diode or solar cell is then completely protected against atmospheric influences and at the same time elastic and flexible.
  • FIG. 2 is a plan view of the herringbone structure according to FIG. 1
  • FIG. 3 Top view of a gas diffusion barrier with a brain structure
  • FIG. 5 Profile section through a gas diffusion barrier with wave structure at a temperature of 100 ° C. (elongation test)
  • FIG. 6 Bending test of a gas diffusion barrier in the relaxed state
  • FIG. 7 Bending test for mechanical strain
  • FIG. 8 Production of the composite system according to the first variant of FIG.
  • Figure 12 stretchable composite system according to the invention as a substrate for
  • FIG. 13 full encapsulation of a thin-film component
  • FIG. 1 shows a perspective view of a part of the surface of a composite system 1 produced according to the invention from a stretchable substrate and a gas diffusion barrier applied thereto, which are not shown separately here.
  • the surface structure of the gas diffusion barrier resembles a herringbone structure at least in areas of the surface. This has parallel waves with wave crests and corresponding troughs, wherein the extension of the waves in the longitudinal direction is not rectilinear but corresponds to a zig-zag pattern.
  • Figure 2 shows a plan view of the gas diffusion barrier with herringbone structure according to Figure 1. From her it is clear that the surface in the manner of a
  • Fold mountains each in a partial region of the surface parallel Has waves whose longitudinal extent is substantially rectilinear, wherein in the transition region from a portion of the surface to the adjacent
  • Part of the longitudinal extent of the waves has a kink.
  • the gas diffusion barrier formed with the fold structure described can be stretched in the plane in two spatial directions simultaneously, wherein the
  • An elongation can be, for example, the result of a bend along an arbitrary intersection straight line through the surface structure, in which case only an expansion stress of the gas diffusion barrier takes place along this straight line and the amplitude of the surface structure is reduced there.
  • a gas diffusion barrier having a surface structure according to FIGS. 1 and 2 can be produced, for example, by using an elastomer, such as an elastomer
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • FIG. 8 shows in step A1 the provision of the elastic substrate 3 (in cross-section) for the production of the composite system 1.
  • Step B1 shows the substrate 3 as a stretched substrate 3a. The stretching is done by pulling it in the width.
  • an aluminum oxide layer is then applied to the elastomer 3, for example, as a gas diffusion barrier 2, see step C1 in FIG. 8.
  • gases in particular oxygen and moisture having.
  • other metal oxides for example, other metal oxides,
  • Metal nitrides, Metalloxynitride, metal carbides or metal sulfides or an organic material find use. Also, several layers of said materials can be applied to each other on the stretched elastomer.
  • the application is preferably carried out by atomic layer deposition, so that the gas diffusion barrier 2 (for example, made of aluminum oxide) monolayer for monolayer is deposited on the stretched elastomer 3a.
  • the gas diffusion barrier 2 forms here a thin film permeation barrier. If the mechanical expansion of the elastomer 3a is now reduced, in particular canceled, a contraction of the elastomer 3a accordingly arises. It contracts opposite to the stretching directions. The substrate 3a is thereby relaxed with respect to the original extent. The after the gas diffusion barrier 2 (for example, made of aluminum oxide) monolayer for monolayer is deposited on the stretched elastomer 3a.
  • the gas diffusion barrier 2 forms here a thin film permeation barrier. If the mechanical expansion of the elastomer 3a is now reduced,
  • FIG. 3 shows an alternative composite system with a substrate and a gas diffusion barrier applied thereto, having a surface structure which is attached to the substrate
  • the geometry of a brain is reminiscent, and thus can also be called a brain structure.
  • the surface of the gas diffusion barrier in the variant in FIG. 3 is clearly more disordered and resembles a labyrinth.
  • Gas diffusion barrier for example, be made by a
  • Elastomer e.g. Polydimethylsiloxane (PDMS) is heated to a temperature of, for example, 100 ° C, whereby it expands (step Bi in Figure 8).
  • PDMS Polydimethylsiloxane
  • step Bi the thermally stretched state 3a, for example, aluminum oxide 2 is then applied to the substrate 3. This can be done by means of
  • coated layer consists only of a single material, such as said alumina, or of several layers of different materials, in particular the aforementioned materials is formed.
  • the substrate 3a shrinks, whereby it is uniform in the radial direction towards the center
  • a gas diffusion barrier 2 thus prepared is elastically extensible without losing its barrier property, i. to lose their low permeation rates for oxygen and hydrogen.
  • FIG. 5 shows the same surface structure at a temperature of 100 ° C.
  • Temperature-induced expansion of the composite system 1 is a reduction in the amplitude at its surface, whereas the period remains largely the same.
  • the depth of the profile in unstretched case at room temperature is about 1, 9pm, whereas it is at the temperature of 100 ° C at 1, 4 pm.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate a thermal expansion
  • FIGS. 6 and 7 a mechanical strain is shown which in the case of a bending test of the
  • Gas diffusion barrier 2 according to the invention arises.
  • FIG. 6 shows a profile section through the gas diffusion barrier 2 in the relaxed state, wherein the layer forming the gas diffusion barrier 2 was deposited during a pretensioning of 8% applied to the substrate 3.
  • FIG. 7 shows a profile section through the gas diffusion barrier 2 in the mechanically stretched state, with an elongation of 8%. It can also be seen here that the depth of the surface structure is about 2 ⁇ in the case of
  • Gas diffusion barrier 2 especially for the encapsulation of flexible electronic, opto-electronic or optical components.
  • FIG. 9 shows a further variant for producing a novel product
  • step A2 in Figure 9 The substrate material 3 'then hardens, see step B2 in Figure 9, and can then be removed from the mold.
  • the withdrawn and inverted substrate 3 in the relaxed state is shown in step C2 in FIG.
  • the gas diffusion barrier 3 in particular as
  • step D2 leaving the finished product
  • FIG. 10 shows a thin-layer component 4 on a component substrate 6, which is provided with a composite system 1 according to the invention comprising substrate 3 and
  • Gas diffusion barrier 2 is encapsulated.
  • the encapsulation is carried out by edge-side bonding of the composite system 1 by means of adhesive 5, which is present here only at the edge, i. between the composite system 1 and the side of the device 4 projecting component substrate 6 is located.
  • adhesive 5 is present here only at the edge, i. between the composite system 1 and the side of the device 4 projecting component substrate 6 is located.
  • the composite system 1 is the
  • Gas diffusion barrier 2 directed to the device 4.
  • FIG. 11 shows a thin-layer component 4 on a component substrate 6, which is provided with a composite system 1 according to the invention comprising substrate 3 and Gas diffusion barrier 2 is encapsulated according to a second variant.
  • the gas diffusion barrier 2 is also directed to the device 4. The encapsulation is carried out by gluing the entire surface of the
  • Composite system 1 by means of adhesive 5a. This is soft here to achieve elastic deformability. This means that there is no free space between the gas diffusion barrier 2 and the component 4. The space between the gas diffusion barrier 2 and the device 4 is completely filled by the soft adhesive 5a.
  • FIG. 12 shows a further variant for the encapsulation of a
  • the composite system 1 serves simultaneously as a device substrate 6, wherein the
  • Component 4 is applied directly to the gas diffusion barrier 2.
  • the component 4 is or the layers forming the component 4 are applied or deposited in the stretched state of the composite system 1. As a result, the component 4 encapsulated in this way is likewise stretchable.
  • FIG. 13 shows an alternative variant to FIG. 12, in which full encapsulation of the component 4 takes place.
  • the composite system 1 also serves simultaneously as a component substrate 6, wherein the component 4 is applied to the gas diffusion barrier 2a.
  • the component 4 is or the layers forming the component 4 are applied in the stretched state of the composite system 1.
  • Another layer 2b forming a gas diffusion barrier is the upper side of the
  • Component 4 is present, so that the component 4 is completely embedded in the gas diffusion barrier 2a, 2b.
  • the gas diffusion barrier layer 2b is applied in the stretched state of the composite system 1. As a result, the thus encapsulated component is also stretchable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein dünnschichtiges Bauelement (4), das zumindest teilweise mit einer Gasdiffusionsbarriere (2) verkapselt ist, wobei die Gasdiffusionsbarriere (2) durch eine auf ein dehnbares Substrat (3) aufgebrachte Schicht gebildet ist, die das Bauelement (4) abdeckt und im ungedehnten Zustand des Substrats (3) eine wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur aufweist.

Description

Bauelement mit dehnbarer Gasdiffusionsbarriere
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dünnschichtiges Bauelement, das zumindest teilweise mit einer Gasdiffusionsbarriere verkapselt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer dehnbaren Gasdiffusionsbarriere auf einem Substrat zur Herstellung eines solchen Bauelements und ein Verbundsystem, das zumindest aus einem Substrat und einer darauf aufgebrachten Gasdiffusionsbarriere besteht.
Gasdiffusionsbarrieren werden verwendet, um die Permeationsrate für Gase oder Flüssigkeiten zu reduzieren. Sie verhindern die Permeation von Gasen oder
Flüssigkeiten oder verringern die Permeationsrate für Gase oder Flüssigkeiten, um beispielsweise deren Übergang aus der Atmosphäre in eine Kunststoff-Folie (z.B. aus dem Polymer PET) hinein oder aus dieser Folie heraus zu unterbinden. Ein Anwendungsbereich ist beispielsweise der Schutz von Lebensmitteln vor Sauerstoffoder Feuchtigkeitseintritt in die Verpackung. Eine weitere, technologisch besonders wichtige Anwendung, findet sich in der Verkapselung von Bauelementen,
insbesondere der organischen Elektronik, beispielsweise OLEDs (organische Leuchtioden), die in besonders hohem Maße vor Sauerstoff und Feuchtigkeit geschützt werden müssen.
So beschreibt beispielsweise der Artikel„Al203/Zr02 Nanolaminates as Ultra High Gas Diffusion Barriers - A Strategy for Reliable Encapsulation of Organic
Electronics", T. Riedl, P. Görrn et al., Adv. Mater. 2009, 21 , 1845-1849, die
Abscheidung von Dünnschichtgasdiffusionsbarrieren auf starren Substraten unter
BESTÄTIGUNGSKOPIE anderem mittels Atomlagenabscheidung (ALD), um herausragend niedrige Permeationsraten für Wasser und Sauerstoff zu erreichen.
Die dabei verwendeten Materialien für die Gasdiffusionsbarrieren sind Metalloxide oder Metallnitride, d.h. anorganische Materialien mit starren kovalenten bzw.
ionischen Bindungen. Diese Materialien sind sehr spröde und reißen bzw. brechen bereits bei geringer Dehnung um etwa 1 % auf und verlieren somit ihre
Barrierewirkung. Diese Eigenschaft soll im Weiteren vereinfacht als„nicht dehnbar" bezeichnet werden. Hingegen soll eine zerstörungsfreie Dehnbarkeit um mehr als 5% als„dehnbar" abgekürzt werden. In diesem Sinne dehnbare Materialien mit nennenswerter Barrierewirkung sind nicht bekannt.
Es ist jedoch ein Bestreben in der Entwicklung neuer Elektroniken, wie bestückte Leiterplatten, Displays oder Solarzellen, diese zumindest in gewissen Grenzen biegbar zu machen. So soll das Smartphone der Zukunft beispielsweise um das Handgelenk gebogen werden können. Derartige Anwendungen erfordern jedoch dehnbar verkapselte elektronische und optoelektronische Bauteile, insbesondere Displays. Letztere sind jedoch mit den Ansätzen des Standes der Technik unter Beibehaltung der Permeationsraten nicht oder nur sehr eingeschränkt realisierbar.
Die zu verkapselnden Materialien, wie beispielsweise organische Halbleiter oder Polymerfolien, sind weich im Vergleich zu den für Gasdiffusionsbarrieren
verwendeten Materialien. Sie sind daher gerade für flexible Anwendungen in der Elektronik interessant. Jedoch führt die Abscheidung harter Verkapselungsschichten auf weichen Substraten zu Rissen oder zur Delamination.
Die europäische Patentanmeldung EP 2 059 847 A1 beschreibt eine
Permeatiohsbarriere auf einer flexiblen Anzeigeeinrichtung. Hierbei wird eine hermetische Schutzschicht aus Aluminiumoxid auf einen Polymerfilm beispielsweise aus PET aufgebracht, auf der dem Polymersubstrat abgewandten Seite mit einem Klebstoff beschichtet und dann mit dieser Klebeschicht auf das Fronsubstrat einer elektrooptischen Schicht aufgeklebt. Diese Anordnung ist nicht dehnbar. Die
Patentanmeldung beschreibt insbesondere eine Kantenabdichtung, die an dem Rand der optoelektronischen Schicht unterhalb der hermetischen Barriere angeordnet ist, um auch im gebogenen Zustand des Displays eine Permeation von Wasserstoff oder Sauerstoff von der Seite unter das Display zu verhindern. Eine hohe Flexibilität der Anzeigevorrichtung wird dadurch nicht erreicht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mit einer Permeationsbarriere zumindest teilweise verkapseltes Bauelement zu stellen, das im hohen Maße dehnbar sind, ohne die Barrierefähigkeit der Beschichtung zu verlieren.
Insbesondere sollen starre Permeationsbarrieren mit weichen Bauelementen kompatibel gemacht werden. Ferner soll die Möglichkeit geschaffen werden, flexible und dehnbare Dünnschichtelektroniken durch einfaches Aufbringen einer dehnbaren Barriere zu verkapseln.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein dünnschichtiges Bauelement, das zumindest teilweise mit einer Gasdiffusionsbarriere verkapselt ist, vorgeschlagen, bei dem die
Gasdiffusionsbarriere durch eine auf ein dehnbares Substrat aufgebrachte Schicht gebildet ist, die das Bauelement abdeckt und im ungedehnten Zustand des Substrats eine wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur aufweist.
Solche Faltenstrukturen sind in Natur und Technik häufig zu finden. Vom Plastik- Strohhalm über die Ziehharmonika bis zum Gelenkbus übersetzen Falten eine makroskopische Ausdehnung oder Stauchung in eine lokale Biegung und machen so auch nicht dehnbare Materialien in einem gefalteten System dehnbar. Auf
Dünnschichtbarrieren, insbesondere auf Bauelementen wurde dieses Konzept bislang nicht angewendet.
Durch diese erfindungsgemäße Oberflächenstruktur auf dem Substrat wird die Gasdiffusionsbarriere in lateraler Richtung des Substrats in hohem Maße dehnbar sowie ebenfalls in hohem Maße biegbar, ohne dass sie ihre Permeationseigenschaft, d.h. ihre geringe Permeationsrate für Sauerstoff und Feuchtigkeit verliert. Das
Bauelement bleibt dadurch weiterhin vollständig geschützt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff„Substrat" in Bezug auf die Herstellung eines Verbundsystems aus Gaspermeationsbarriere und einem diese tragenden Trägermaterial zu verstehen und nicht mit einem möglichen Bauelementsubstrat des zu verkapselnden Bauelementes gleichzusetzen ist.
Das dünnschichtige Bauelement kann aus einer oder mehreren dünnen Schichten bestehen. Es sei angemerkt, dass der Begriff "dünn" hier bedeutet, dass die
Schichtdicke bzw. die Summe der Dicken der Einzelschichten D klein gegenüber der lateralen Ausdehnung A des Bauelementes ist. Beispielsweise ist A/D > 10. Zudem kann die Schichtdicke D bzw. Gesamtschichtdicke D klein gegenüber der Dicke des Substrates (S) sein, z.B. S/D > 10. Typischerweise ist die Schichtdicke D bzw.
Gesamtschichtdicke D im Bereich zwischen 10nm bis 10 pm. Allgemein sind
Dünnschichtbauelemente bekannt, beispielsweise aus„A. Eishabini, A. Elshabini- Riad, F. D. Barlow, Thin Film Technology Handbook, McGraw-Hill, 1998".
Gemäß einer Variante ist die Gasdiffusionsbarriere in einem thermisch oder mechanisch gedehnten Zustand des Substrats auf dieses aufgebracht worden, so dass sie mit fortschreitender Entspannung oder abkühlungsbedingter Schrumpfung des Substrats zunehmend die wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur ausbildet. Die Bildung der Oberflächenstruktur erfolgt also durch die strukturelle Verbindung der aus einem nicht dehnbaren Material gebildeten Gasdiffusionsbarriere und dem dehnbaren Substrat, weil sich die Gasdiffusionsbarriere infolge Kontraktion oder Schrumpfung zusammenzieht und dabei zu einer bleibenden Kompression der harten Beschichtung führt, was Verwerfungen in dieser Schicht verursacht, und was wiederum zur Ausbildung der Faltenstruktur führt.
Die Dehnung des Substrats vor der Aufbringung der Gasdiffusionslage kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann das Substrat mechanisch gedehnt werden, d.h. unter Ausübung einer Zugkraft, die an mindestens zwei sich idealerweise gegenüberliegenden Bereichen ansetzt, wodurch das Substrat in die Länge gezogen wird. Eine mechanische Dehnung kann aber auch in mehr als zwei Richtungen, d.h. in drei, vier oder mehr Richtungen erfolgen. Vorzugsweise kann das Substrat dann während der Aufbringung der Gasdiffusionsbarriere unter dieser so aufgebrachten mechanischen Vorspannung gehalten werden, die beispielsweise zwischen 5% und 50%, vorzugsweise bei etwa 15% liegen kann. Eine absolute Obergrenze ist durch die maximale Dehnbarkeit (Zerstörungsschwelle) des
Substrates gegeben. Diese liegt z.B, bei typischen Elastomeren im Bereich von etwa 300%.
Die mechanische Dehnung des Substrats hat den Vorteil, dass sie mit einer bestimmten, exakt vorgebbaren Ziehkraft erfolgen kann, insbesondere auch in eine oder sogar mehrere spezifische Richtungen, so dass das Wachstum der
Oberflächenstruktur beim Entspannen des Substrats gezielt vorgegeben oder zumindest beeinflusst werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, um bestimmte Dehnungseigenschaften der Gasdiffusionsbarriere in bestimmten Lateralrichtungen zu erreichen, beispielsweise die Dehnbarkeit in eine Lateralrichtung stärker auszubilden als in eine andere Richtung.
Wird das Substrat beispielsweise nur an zwei gegenüberliegenden Seiten
auseinander gezogen, die Gasdiffusionsbarriere aufgebracht und das Substrat anschließend entspannt, ergibt sich eine annähernd geometrisch gleichmäßige Wellenstruktur in der Oberfläche mit annähernd parallelen Wellen. Wird
demgegenüber zusätzlich quer zur vorherigen Dehnungsrichtung gedehnt, d.h. an vier sich gegenüberliegenden Seiten, werden beim Entspannen des Substrats Verwerfungen auch in Richtung der Längserstreckung der Wellen erzeugt, so dass eine Art Fischgrätenstruktur entsteht.
Alternativ kann der gedehnte Zustand thermisch herbeigeführt werden, in dem das Substrat erhitzt wird, wodurch es sich ausdehnt. Dies kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und 120°C erfolgen. Vorzugsweise wird das Substrat dann während der Aufbringung der Gasdiffusionsbarriere auf dieser Temperatur gehalten. Die thermische Dehnung des Substrats hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Verlängerung der lateralen Erstreckung erfolgt, so dass sich das Substrat beim Erkalten zu seiner Mitte hin in alle Radialrichtungen im gleichen Maße zusammenzieht. Des Weiteren besteht ein Vorteil gegenüber der mechanischen Dehnung darin, dass sich das Substrat ohne besondere Maßnahmen nur allmählich abkühlt, so dass sich die Oberflächenstruktur langsam ausbilden bzw. wachsen kann. Bei der abkühlungsbedingten Schrumpfung des Substrats entsteht eine gehirnstrukturartige Oberflächenstruktur.
Gemäß einer zweiten Variante weist das Substrat im ungedehnten Zustand eine durch einen Formgebungsprozess hergestellte wellen- oder faltenartige
Oberflächenstruktur auf, auf die die die Gasdiffusionslage bildende Schicht aufgebracht ist. Hier ist das Substrat elastisch oder plastisch dehnbar und erhält in einem Formgebungsprozess die falten- oder wellenartige Oberflächenstruktur. Auf diese wird dann die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht aufgebracht.
Der Formgebungsprozess kann beispielsweise in einem ersten Schritt ein Gießen eines in flüssiger Phase vorliegenden Substratmaterials in eine Form sein, die eine der herzustellenden Oberflächenstruktur komplementäre Oberflächenstruktur aufweist. Das Substratmaterial kann dann aushärten oder durch Abkühlen
verfestigen und anschließend in einem zweiten Schritt entformt werden. Als flüssiges Ausgangsmaterial kommt zum Beispiel ein Gemisch aus noch unvernetztem flüssigem PDMS (Polydimethylsiloxan) und einem Quervernetzer in Frage, das nach dem Quervernetzen das elastische PDMS-Substrat ergibt, welches leicht von der Form ablösbar ist und dann als elastisches Substrat mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur weiterprozessiert werden kann. Anschließend wird dann die die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht auf das entformte Substrataufgetragen.
Anstelle der Oberflächenstrukturierung durch Formbildung während des Gießens oder zusätzlich zu dieser kann die Formbildung auch derart hergestellt werden, dass das Substrat zunächst ohne Oberflächenstruktur hergestellt und anschließend in einem Formungsprozess die Oberflächenstruktur erzeugt wird. Bei wenigstens teilweise plastisch verformbaren Substraten kann dies beispielsweise mittels eines die entsprechende Gegenform der gewünschten Oberflächenstrukturierung aufweisenden Stempels erfolgen, der auf das Substratmaterial gedrückt wird.
Alternativ kann eine plastische Verformbarkeit eines unter normalen Umständen elastischen Substratmaterials auch durch bestimmte äußere Bedingungen
(Temperatur, Plasma, Einwirkung bestimmter Chemikalien) erreicht werden. Weiter alternativ oder kumulativ kann die Strukturierung oder eine weitere Strukturierung auf anderem Wege erfolgen, beispielsweise durch Ätzen bzw. Plasmaätzen oder durch mechanisches Entfernen von Substratmaterial wie auch durch lokales Aufreißen des Substrates oder seiner gehärteten Oberfläche.
Die zweite Variante hat den Vorteil, dass eine exakt definierbare
Oberflächenstrukturierung für die Gasdiffusionsbarriere hergestellt werden kann, wohingegen dies bei der ersten Variante nicht oder zumindest nicht exakt möglich ist, da sich dort die Oberflächenstruktur des Substrates bei der Schrumpfung oder Entspannung quasi selbst organisiert. Im anderen Fall ist die Oberflächenstruktur fremdorganisiert.
Die die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht kann wie im Stand der Technik bekannt ein metallisches oder keramisches Material sein, beispielsweise ein
Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxinitrid, Metallcarbid, Metallsulfit oder ein organisches Material, z.B. Parylen sein. Des Weiteren kann die die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht aus mehreren Teilschichten einer Kombination von zwei oder mehr der genannten Materialien bestehen. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens müssen daher keine neuen Materialien entwickelt werden. Vielmehr können die konventionell vorhandenen und bereits etablierten Materialien weiter eingesetzt werden, was insbesondere auch die Art ihrer Aufbringung auf das
Substrat anbelangt. Da die genannten Materialien spröde, d.h. nicht selbst dehnbar sind, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Wellen- bzw. Faltenbildung, aus einem nicht dehnbaren Material eine dehnbare Barriere
hergestellt, die zudem ihre Permeationsrate bei einer Beanspruchung durch Zugoder Druckkräfte in einem weiten Bereich beibehält.
Als Substratmaterial kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Elastomer, insbesondere ein Silikon, wie beispielsweise PDMS (Polydimethylsiloxan) verwendet werden. Dieses Material besitzt hervorragende Verarbeitungseigenschaften und ermöglicht somit eine besonders einfache Herstellung des dehnbaren
Verbundsystems aus Gasdiffusionsbarriere und elastischem Substrat.
Vorzugsweise ist das Substrat eine Folie. Diese eignet sich besonders, um das Verbundsystem aus Substrat und Gasdiffusionsbarriere dünn auszubilden und eine Verkapselung durch Laminierung bei einem Objekten komplexer räumlicher Geometrie zu erreichen. Es sei angemerkt, dass der Begriff„Folie", keine Rückschlüsse auf die Dicke des Substrats im Vergleich zur Dicke der
Gasdiffusionsbarriere zulässt.
Die die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht kann durch verschiedene Verfahren auf das Substrat aufgetragen werden. Als Verfahren eignen sich besonders das thermische Verdampfen, Sputtern, Elektronenstrahlverdampfen,
lonenstrahlverdampfen, Atomlagenabscheidung, Moleküllagenabscheidung oder Flüssigphasenprozessierung. Diese Verfahren sind im Stand der Technik zur
Herstellung von Gasdiffusionsbarrieren bekannt, so dass an dieser Stelle auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.
Bevorzugt kann die Gasdiffusionsbarriere eine Schichtdicke zwischen 10nm und 200nm, vorzugsweise zwischen 100nm und 130nm aufweisen. Dabei kann die Tiefe der Oberflächenstruktur im ungedehnten Zustand der Gasdiffusionsbarriere typischerweise mindestens 0,1 pm, vorzugsweise jedoch zwischen 1 ,7 pm und 4 pm betragen. Für die Dehnungseigenschaften der Gasdiffusionsbarriere ist gerade die Tiefe der Oberflächenstruktur, d.h. die Amplitude der gebildeten Wellen oder Falten in der Oberfläche des Substrats ein entscheidendes Kriterium. Denn eine falten- oder wellenartige Struktur kann gebogen oder gedehnt werden und wird dadurch glatter, d.h. dass sich die Amplitude bzw. die Tiefe der Oberflächenstruktur verringert.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die die Gasdiffusionslage bildende Schicht elektrisch leitfähig ist. Dies wird beispielsweise durch eine Schicht erreicht, die aus Zinnoxid, Zinkoxid und/oder Indiumoxid besteht oder zumindest eines der genannten Materialien enthält. Elektrisch leitfähige Gasdiffusionslagen können beispielsweise als Elektrode fungieren und bieten damit eine Vielzahl technischer
Einsatzmöglichkeiten insbesondere bei berührungssensitiven Anzeigen.
Es ist darüber hinaus von Vorteil, wenn die die Gasdiffusionslage bildende Schicht in einem bestimmten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums transparent ist. Für das bespielhaft vorgestellte Verbundsystem aus PDMS und Aluminiumoxid (AI2O3) ist diese hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich gegeben. In optoelektronischen Bauelementen kann also Licht durch die Verkapselung in das Bauelement hinein (beispielsweise bei einer Solarzelle) oder aus dem Bauelement heraus (beispielsweise bei einer Leuchtdiode oder einem Laser) gelangen.
Vorzugsweise liegt die Gasdiffusionsbarriere zwischen dem Substrat und dem
Bauelement. Das heißt, dass das Substrat auf der dem Bauelement abgewanten Rückseite liegt. Hierdurch wird vom Substrat gegebenenfalls aufgenommene
Feuchte vom Bauelement ferngehalten.
Von Vorteil ist auch, wenn die Gasdiffusionsbarriere oder ihr Substrat nur randseitig des Bauelements mit einem das Bauelement tragenden Bauelementsubstrat verbunden wird. Hierdurch wird eine hohe Bewegungsfreiheit der
Gasdiffusionsbarriere sichergestellt, insbesondere werden Relativbewegungen zwischen der Bauelementoberfläche und der Gasdiffusionsbarriere ermöglicht.
Idealerweise ist bei der nur randseitigen Verbindung zwischen Gasdiffusionsbarriere bzw. Substrat und dem Bauelementsubstrat die Gasdiffusionsbarriere beabstendet zum Bauelement angeordnet, so dass ein Freiraum zwischen ihnen besteht. Dies hat den Vorteil, dass zum Verbinden ein Verfahren oder Material verwendet werden kann, gegen das das Bauelement selbst, insbesondere seine Oberfläche empfindlich ist. So kann beispielsweise die Oberfläche des Bauelements frei von einem
aggresiven Kleber gehalten werden.
Alternativ kann die Gasdiffusionsbarriere vollflächig mit dem Bauelement verbunden sein. Hierdurch wird eine bessere thermische Ankopplung des Bauelementes nach außen ermöglicht, so dass vom Bauelement erzeugte Wärme besser nach außen abgelietet werden kann.
Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsbarriere mit dem Bauelement und/ oder dem Bauelementsubstrat verklebt oder laminiert.
Weiter ist es von Vorteil, wenn das Bauelement auf der Gasdiffusionsbarriere deponiert oder abgeschieden ist. Auf diese Weise wird das Verbundsystem als Bauelementsubstrat verwendet. Das Abscheiden ist vorteilhafterweise im thermisch oder mechanisch gedehnten Zustand des Substrats erfolgt, so dass auch das Bauelement mit fortschreitender Entspannung oder abkühlungsbedingter Schrumpfung des Substrats zunehmend die wellen- oder faltenartige
Oberflächenstruktur ausbildet. Das Bauelement erhält dadurch eine hohe elastische Dehnbarkeit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf der der Gasdiffusionsbarriere abgekehrten Rückseite des Bauelements eine weitere eine Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht aufgebracht. Auf diese Weise ist das Bauelement vollständig durch die Gasdiffusionsbarriere verkapselt.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verbundsystem vorgeschlagen, das zumindest aus einem Substrat und einer darauf aufgebrachten Gasdiffusionsbarriere besteht, wobei das Substrat dehnbar ist und im ungedehnten Zustand eine wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur aufweist, auf die eine die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht aufgebracht ist.
Insbesondere kann das Substrat im Verbundsystem elastisch dehnbar,
insbesondere eine elastisch dehnbare Folie sein, auf die in einem thermisch oder mechanisch gedehnten Zustand des Substrats eine die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht aufgebracht ist, die im ungedehnten Zustand des Verbundsystems eine wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur bildet. Dieses erfindungsgemäße Verbundsystem kann nach der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sein.
Ferner wird ein Verbundsystem vorgeschlagen, das zumindest aus einem Substrat und einer darauf aufgebrachten Gasdiffusionsbarriere besteht, wobei das Substrat elastisch oder plastisch dehnbar ist, insbesondere eine elastisch oder plastisch dehnbare Folie ist, und im ungedehnten Zustand eine falten- oder wellenartige Oberflächenstrukturierung aufweist, auf die eine die Gasdiffusionslage bildende Schicht aufgebracht ist. Ein derartiges Verbundsystem kann nach der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sein.
Es sei angemerkt, dass bei der zweiten Variante auch ein plastisch verformbares Substratmaterial verwendet werden kann, d.h. ein Material, das zwar verformbar, also dehnbar und kompressierbar ist, jedoch einen verformten Zustand beibehält. Ferner sind alle elastoplastisch verformbaren Substratmaterialien verwendbar, die teilweise plastisch und teilweise elastisch auf Verformung reagieren.
Das Bauelement kann ein elektronisches, opto-elektronisches oder optisches
Bauelement sein. So können beispielsweise einzelne OLEDs, Displays oder
Solarzellen mit einem der erfindungsgemäßen Verbundsysteme verkapselt werden.
Die Aufbringung des Verbundsystems auf das Objekt oder auf ein Gehäuse des Objektes kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es kann beispielsweise geklebt oder auflaminiert werden (Fig. 10 und 11 ). So kann z.B. ein Dünnschichtbauelement auf einem Bauelementsubstrat mit dem Verbundsystem dergestalt verkapselt werden, dass sich die Gasdiffusionsbarriere direkt auf dem Bauelement befindet. Es entsteht also ein Stapel: Bauelementsubstrat / Bauelement / Gasdiffusionsbarriere / Substrat (Verkapselungssubstrat), wie in Fig. 10 und 11 , links gezeigt. Substrat und
Gasdiffusionsbarriere bilden eine Dünnschichtverkapselung, wobei die
Gasdiffusionsbarriere in Figur 10 zunächst auf das Substrat aufgebracht worden ist aber umgedreht auf dem Bauelement respektive randseitig auf dem
Bauelementsubstrat aufgeklebt ist.
Eine weitere Verwendung eines der Verbundsysteme (Fig. 12 und 13) besteht darin, dass das Verkapselungssubstrat gleichzeitig das Bauelementsubstrat ist. Wie in Fig. 12 und 13 gezeigt, wird also das Dünnschichtbauelement auf dem dehnbaren
Verbundsystem abgeschieden. Diese Abscheidung kann auf dem entspannten, also gewellten Verbundsystem erfolgen aber auch im gespannten an der Oberfläche glatten Zustand. Wie in Fig. 13 gezeigt, kann die entsprechende Anordnung an der Oberfläche durch eine weitere Dünnschicht-Permeationsbarriere voll verkapselt werden. Das entsprechende Dünnschichtbauelement, z.B. eine organische
Leuchtdiode oder Solarzelle, ist dann vollständig vor Atmosphäreneinflüssen geschützt und gleichzeitig dehnbar und flexibel.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer
Gasdiffusionsbarriere mit Fischgrätenstruktur
Figur 2 Draufsicht auf die Fischgrätenstruktur gemäß Figur 1
Figur 3 Draufsicht auf eine Gasdiffusionsbarriere mit einer Hirnstruktur
Figur 4 Profilschnitt durch eine Gasdiffusionsbarriere mit Wellenstruktur bei
Raumtemperatur (Dehntest)
Figur 5 Profilschnitt durch eine Gasdiffusionsbarriere mit Wellenstruktur bei einer Temperatur von 100°C (Dehntest)
Figur 6 Biegetest einer Gasdiffusionsbarriere im entspannten Zustand
Figur 7 Biegetest bei mechanischer Dehnung
Figur 8 Herstellung des Verbundsystems gemäß erster Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 9 Herstellung des Verbundsystems gemäß zweiter Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 10 Anwendung des Verbundsystems zur randseitigen Verkapselung eines
Bauelements
Figur 11 Anwendung des Verbundsystems zur vollflächigen Verkapselung eines
Bauelements
Figur 12 Erfindungsgemäßes dehnbares Verbundsystem als Substrat für
Dünnschichtbauelement
Figur 13 Vollverkapselung eines Dünnschichtbauelements
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils der Oberfläche einer erfindungsgemäß hergestellten Verbundsystems 1 aus einem dehnbaren Substrat und einer darauf aufgebrachten Gasdiffusionsbarriere, die hier nicht getrennt voneinander dargestellt sind. Die Oberflächenstruktur der Gasdiffusionsbarriere ähnelt zumindest in Bereichen der Oberfläche einer Fischgrätenstruktur. Diese weist parallel verlaufende Wellen mit Wellenbergen und entsprechenden Wellentälern auf, wobei die Erstreckung der Wellen in Längsrichtung nicht geradlinig ist sondern einem Zick-Zack Muster entspricht.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Gasdiffusionsbarriere mit Fischgrätenstruktur gemäß Figur 1. Aus ihr wird deutlich, dass die Oberfläche in der Art eines
Faltengebirges jeweils in einem Teilbereich der Oberfläche parallel verlaufende Wellen aufweist, deren Längserstreckung im Wesentlichen geradlinig ist, wobei im Übergangsbereich von einem Teilbereich der Oberfläche zum benachbarten
Teilbereich die Längserstreckung der Wellen einen Knick hat.
Die mit der beschriebenen Faltenstruktur ausgebildete Gasdiffusionsbarriere kann in der Ebene in zwei Raumrichtungen gleichzeitig gedehnt werden, wobei die
Oberflächenstruktur in Folge der Dehnung flacher wird. Eine Dehnung kann beispielsweise das Ergebnis einer Biegung entlang einer beliebigen Schnittgeraden durch die Oberflächenstruktur sein, wobei dann nur entlang dieser Geraden eine Dehnbeanspruchung der Gasdiffusionsbarriere stattfindet und sich dort die Amplitude der Oberflächenstruktur verringert.
Eine Gasdiffusionsbarriere mit einer Oberflächenstruktur gemäß der Figuren 1 und 2 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein Elastomer, wie
beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS) in vier in der Eben liegenden
Raumrichtungen gedehnt wird, von denen sich jeweils zwei Richtungen gegenüber liegen. Die so gebildeten Dehnhauptrichtungen können rechtwinklig zueinander liegen, müssen sie jedoch nicht. Figur 8 zeigt in Schritt A1 die Bereitstellung des elastischen Substrats 3 (im Querschnitt) zur Herstellung des Verbundsystems 1. Schritt B1 zeigt das Substrat 3 als gedehntes Substrat 3a. Die Dehnung erfolgt dadurch, dass es in die Breite gezogen wird.
In diesem gedehnten Zustand 3a wird dann auf das Elastomer 3 beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht als Gasdiffusionsbarriere 2 aufgebracht, siehe Schritt C1 in Figur 8. Es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Material verwendet werden, dass für Gase wie insbesondere Sauerstoff und Feuchtigkeit, eine sehr geringe Permeationsrate aufweist. So können beispielsweise andere Metalloxide,
Metallnitride, Metalloxynitride, Metallcarbide oder Metallsulfide oder auch ein organisches Material Verwendung finden. Auch können mehrere Schichten der genannten Materialien übereinander auf das gedehnte Elastomer aufgetragen werden. Die Aufbringung erfolgt vorzugsweise durch Atomlagenabscheidung, so dass die Gasdiffusionsbarriere 2 (z.B. aus Aluminiumoxid) Monolage für Monolage auf das gedehnte Elastomer 3a abgeschieden wird. Die Gasdiffusionsbarriere 2 bildet hier eine Dünnschicht-Permeationsbarriere. Wird die mechanische Dehnung des Elastomers 3a nun reduziert, insbesondere aufgehoben, entsteht entsprechend eine Kontraktion des Elastomers 3a. Es zieht sich entgegengesetzt zu den Dehnungsrichtungen zusammen. Das Substrat 3a wird dabei bezüglich der ursprünglichen Ausdehnung entspannt. Die nach der
Abscheidung auf das gedehnte Substrat 3a entspannte und glatte Dünnschicht- Permeationsberriere 2 wird nun bei dessen Entspannung gestaucht. Diese
permanente Kompression bildet Falten in der starren, harten Aluminiumoxidschicht 2, so dass sich die wellenartige oder faltenartige Oberflächenstruktur gemäß Schritt D1 in Figur 8 ergibt. Diese Oberflächenstruktur ist auch in Figur 2 zu sehen.
Figur 3 zeigt ein alternatives Verbundsystem mit einem Substrat und einer darauf aufgebrachten Gasdiffusionsbarriere, mit einer Oberflächenstruktur, die an die
Geometrie eines Gehirns erinnert, und somit auch als Hirnstruktur bezeichnet werden kann.
Im Vergleich zu der Fischgrätenstruktur nach den Figuren 1 und 2 ist die Oberfläche der Gasdiffusionsbarriere bei der Variante in der Figur 3 deutlich ungeordneter und gleicht einem Labyrinth.
Eine derartige Struktur erzielt ebenfalls eine hohe Dehnbarkeit. Die
Gasdiffusionsbarriere kann beispielsweise dadurch hergestellt sein, dass ein
Elastomer (Schritt A1 in Figur 8), wie z.B. Polydimethylsiloxan (PDMS) auf eine Temperatur von beispielsweise 100°C erhitzt wird, wodurch es sich ausdehnt (Schritt Bi in Figur 8). In diesem thermisch gedehnten Zustand 3a wird dann beispielsweise Aluminiumoxid 2 auf das Substrat 3 aufgetragen. Dies kann mittels
Atomlagenabscheidung erfolgen. Auch hier ist es wieder möglich, dass die
aufgetragene Schicht nur aus einem einzigen Material, wie beispielsweise dem genannten Aluminiumoxid besteht, oder aus mehreren Schichten verschiedener Materialien, insbesondere der vorgenannten Materialien, gebildet wird.
Durch das Abkühlen des so hergestellten Verbundsystems 1 schrumpft das Substrat 3a, wobei es sich gleichmäßig in radialer Richtung zum Mittelpunkt hin
zusammenzieht. Dabei wird die harte Oberflächenbeschichtung 2 gestaucht. Wie bei dem Beispiel in den Figuren 1 und 2 erfolgt auch hier die Relaxierung der Kräfte innerhalb des Verbundsystems 1 , in dem sich Verwerfungen, d.h. Wellen und Falten bilden.
Auch eine so hergestellte Gasdiffusionsbarriere 2 ist elastisch dehnbar, ohne dabei ihre Barriereeigenschaft, d.h. ihre geringen Permeationsraten für Sauerstoff und Wasserstoff zu verlieren.
Die Figur 4 zeigt einen Profilschnitt durch die Oberflächenstruktur einer
Gasdiffusionsbarriere bei Raumtemperatur, wobei in Bild 4 rechts die Amplitude und Periode der in der Oberflächenstruktur vorhandenen Wellen ersichtlich ist. Figur 5 zeigt dieselbe Oberflächenstruktur bei einer Temperatur von 100°C.
Anhand der Figuren 4 rechts und 5 rechts wird deutlich, dass die durch die
Temperatur bedingte Ausdehnung des Verbundsystems 1 eine Reduzierung der Amplitude an seiner Oberfläche erfolgt, wohingegen die Periode weitestgehend gleich bleibt. So ist die Tiefe des Profils im ungedehnten Fall bei Raumtemperatur etwa 1 ,9pm, wohingegen sie bei der Temperatur von 100°C bei 1 ,4 pm liegt.
Demgegenüber bleibt die Periode mit etwa 30 pm konstant.
Während Figuren 4 und 5 eine thermische Dehnung veranschaulichen, ist in Figuren 6 und 7 eine mechanische Dehnung gezeigt, die bei einem Biegetest der
erfindungsgemäßen Gasdiffusionsbarriere 2 entsteht.
Figur 6 zeigt einen Profilschnitt durch die Gasdiffusionsbarriere 2 im entspannten Zustand, wobei die die Gasdiffusionsbarriere 2 bildende Schicht während einer auf das Substrat 3 ausgeübten Vorspannung von 8% abgeschieden wurde.
In Figur 7 ist ein Profilschnitt durch die Gasdiffusionsbarriere 2 im mechanisch gedehnten Zustand dargestellt, wobei eine Dehnung von 8% erfolgt. Es zeigt sich auch hier, dass die Tiefe der Oberflächenstruktur mit ca. 2 μητι im Falle der
Darstellung in Figur 6 rechts durch die mechanische Dehnung auf 1 ,6 pm reduziert wird. Die Periode ist wieder mit etwa 27 pm in beiden Fällen gleich. Tests haben gezeigt, dass die Permeationsrate einer erfindungsgemäß hergestellten Gasdiffusionsbarriere 2 auch dann erhalten bleibt, wenn die Gasdiffusionsbarriere 2 um bis zu 15% gedehnt wird. Deutlich höhere Werte für die Dehnung sind für die Erfindung nicht ausgeschlossen. Daher eignet sich die erfindungsgemäße
Gasdiffusionsbarriere 2 ganz besonders für die Verkapselung flexibler elektronischer, opto-elektronischer oder optischer Bauelemente.
Figur 9 zeigt eine weitere Variante zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Verbundsystems 1 aus einem Substrat 3 und einer aufgebrachten
Gasdiffusionsbarriere 2. Bei dieser Variante wird eine Form 7 verwendet, dessen Boden eine Oberflächenstruktur komplementär zu der gewünschten
Oberflächenstruktur des Substrats 3 aufweist. Zur Herstellung des Substrats 2 für die Gasdiffusionsbarriere 3 wird ein flüssiges Substratmaterial 3' in die Form 7
gegossen, Schritt A2 in Figur 9. Das Substratmaterial 3' härtet dann aus, siehe Schritt B2 in Figur 9, und kann anschließend entformt werden. Das abgezogene und umgedrehte Substrat 3 im entspannten Zustand ist in Schritt C2 in Figur 9 abgebildet. Auf das Substrat 3 wird dann die Gasdiffusionsbarriere 3, insbesondere als
Dünnschicht-Permeationsbarriere aufgetragen, Schritt D2, so dass das fertige
Verbundsystem 1 erhalten wird.
Figur 10 zeigt ein dünnschichtiges Bauelement 4 auf einem Bauelementsubstrat 6, das mit einem erfindungsgemäßen Verbundsystem 1 aus Substrat 3 und
Gasdiffusionsbarriere 2 verkapselt ist. Die Verkapselung erfolgt durch randseitiges Verkleben des Verbundsystems 1 mittels Kleber 5, der hier nur randseitig vorhanden ist, d.h. zwischen dem Verbundsystem 1 und dem seitlich des Bauelements 4 vorstehenden Bauelementsubstrats 6 liegt. Bei dem Verbundsystem 1 ist die
Gasdiffusionsbarriere 2 zu dem Bauelement 4 gerichtet. Zwischen der
Gasdiffusionsbarriere 2 und dem Bauelement 4 ist ein Freiraum 8 vorhanden, so dass keine mechanische Verbindung zwischen der Gasdiffusionsbarriere 2 und dem Bauelement 4 existiert. Ihre Berührung muss aber nicht explizit ausgeschlossen werden.
Figur 11 zeigt ein dünnschichtiges Bauelement 4 auf einem Bauelementsubstrat 6, das mit einem erfindungsgemäßen Verbundsystem 1 aus Substrat 3 und Gasdiffusionsbarriere 2 nach einer zweiten Variante verkapselt ist. Bei dem Verbundsystem 1 ist die Gasdiffusionsbarriere 2 ebenfalls zu dem Bauelement 4 gerichtet. Die Verkapselung erfolgt durch vollflächiges Verkleben des
Verbundsystems 1 mittels Kleber 5a. Dieser ist hier weich, um eine elastische Verformbarkeit zu erreichen. Dies bedeutet, dass hier kein Freiraum zwischen der Gasdiffusionsbarriere 2 und dem Bauelement 4 vorhanden ist. Der Raum zwischen der Gasdiffusionsbarriere 2 und dem Bauelement 4 ist vollkommen durch den weichen Kleber 5a ausgefüllt.
Figur 12 zeigt eine weitere Variante zur Verkapselung eines
Dünnschichtbauelements 4 mittels des erfindungsgemäßen Verbundsystems 1. Hier dient das Verbundsystem 1 gleichzeitig als Bauelementsubstrat 6, wobei das
Bauelement 4 direkt auf die Gasdiffusionsbarriere 2 aufgebracht ist. Das Bauelement 4 wird, bzw. die das Bauelement 4 bildenden Schichten werden im gedehnten Zustand des Verbundsystems 1 aufgebracht bzw. abgeschieden. Dadurch wird das auf diese Weise verkapselte Bauelement 4 ebenfalls dehnbar.
Figur 13 zeigt eine alternative Variante zu Figur 12, bei der eine Vollverkapselung des Bauelements 4 erfolgt. Hier dient das Verbundsystem 1 ebenfalls gleichzeitig als Bauelementsubstrat 6, wobei das Bauelement 4 auf die Gasdiffusionsbarriere 2a aufgebracht ist. Das Bauelement 4 wird, bzw. die das Bauelement 4 bildenden Schichten werden im gedehnten Zustand des Verbundsystems 1 aufgebracht.
Diese bildet jedoch nur eine unterseitig des Bauelements 4 vorhandene Schicht. Eine weitere eine Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht 2b ist oberseitig des
Bauelements 4 vorhanden, so dass das Bauelement 4 in der Gasdiffusionsbarriere 2a, 2b vollkommen eingebettet ist. Die die Gasdiffusionsbarriere bildende Schicht 2b wird im gedehnten Zustand des Verbundsystems 1 aufgebracht. Dadurch wird das auf diese Weise verkapselte Bauelement ebenfalls dehnbar.

Claims

Ansprüche
1. Dünnschichtiges Bauelement (4), das zumindest teilweise mit einer
Gasdiffusionsbarriere (2) verkapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) durch eine auf ein dehnbares Substrat (3)
aufgebrachte Schicht gebildet ist, die das Bauelement (4) abdeckt und im ungedehnten Zustand des Substrats (3) eine wellen- oder faltenartige
Oberflächenstruktur aufweist.
2. Bauelement (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Gasdiffusionsbarriere (2) in einem thermisch oder mechanisch gedehnten Zustand (3a) des Substrats (3) auf dieses aufgebracht worden ist, so dass sie mit fortschreitender Entspannung oder abkühlungsbedingter Schrumpfung des Substrats (3) zunehmend die wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur ausbildet.
3. Bauelement (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat (3) eine wellen- oder faltenartige Oberflächenstruktur aufweist, auf die die die Gasdiffusionslage (2) bildende Schicht aufgebracht ist.
4. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die die Gasdiffusionslage (2) bildende Schicht aus einem metallischen, keramischen oder organischen Material, insbesondere einem Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxynitrid, Metallcarbid oder Metallsulfid, oder aus mehreren Teilschichten einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Materialen besteht.
5. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus einem Elastomer, insbesondere einem Silikon besteht.
6. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat (3) eine Folie ist.
7. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) durch thermisches Verdampfen, Sputtem, Elektronenstrahlverdampfen, lonenstrahlverdampfen, Atomlagenabscheidung, Moleküllagenabscheidung oder
Flüssigphasenprozessierung auf das Substrat (3) aufgebracht ist.
8. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) eine Schichtdickte zwischen 10nm und wenigen Mikrometern, vorzugsweise zwischen 100nm und 130nm aufweist.
9. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Tiefe der Oberflächenstruktur im ungedehnten Zustand der Gasdiffusionsbarriere (2) mindestens 100 nm, vorzugsweise zwischen 1 ,7pm und 4pm beträgt.
10. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die die Gasdiffusionsbarriere (2) bildende Schicht elektrisch leitfähig ist, insbesondere Zinnoxid, Zinkoxid und/ oder Indiumoxid aufweist oder aus diesem besteht.
11. Bauelement (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die die Gasdiffusionsbarriere (2) bildende Schicht in einem bestimmten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums transparent ist.
12. Bauelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) zwischen dem Substrat (3) und dem Bauelement (4) liegt.
13. Bauelement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) oder ihr Substrat (3) nur randseitig des Bauelements (4) mit einem das Bauelement (4) tragenden Bauelementsubstrat (6) verbunden wird.
14. Bauelement (4) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Gasdiffusionsbarriere (2) und dem Bauelement (4) ein Freiraum (8) besteht.
15. Bauelement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) vollflächig mit dem Bauelement (4) verbunden ist.
16. Bauelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriere (2) mit dem Bauelement (4) und/ oder dem Bauelementsubstrat (6) verklebt oder laminiert ist.
17. Bauelement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass es auf der Gasdiffusionsbarriere (2) deponiert oder abgeschieden ist.
18. Bauelement (4) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Gasdiffusionsbarriere (2) abgekehrten Rückseite des Bauelements (4) eine weitere eine Gasdiffusionsbarriere (2b) bildende Schicht aufgebracht ist, so dass das Bauelement (4) vollständig verkapselt ist.
19. Bauelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauelement (4) ein elektronisches, optoelektronisches oder optisches Bauelement ist.
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