CN101536133B - 制造玻璃包封的方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用伸长的激光束来使得OLED设备激光密封工艺中应力最小的方法。强度分布随着离开光束纵轴的距离增加而减小的激光束通过一掩模，产生一伸长的光束，该光束在长度方向上的强度分布随着离开所述光束轴的距离增加而减小，而在宽度方向的强度分布则大致恒定。该伸长的激光束穿行至位于两基底之间的玻璃料线上。由于长度方向上的强度分布逐渐减小，在该光束穿行该玻璃料线时，玻璃料的冷却速度较慢。

Description

制造玻璃包封的方法
本申请根据美国法典第35法案第119(e)条[35 USC§119(e)]要求提交于2005年12月6日的美国专利申请第60/748,297号的优先权，其完整内容在此引为参考。
发明背景
发明领域
本发明涉及一种密封显示元件的方法，所述显示元件诸如可在平板显示设备中用于玻璃基底。
技术背景
近年来，有机发光二极管(OLED)已成为大量研究的对象，这是由于它们在众多场致发光器件中都有应用或可能应用。例如，单个OLED可用于分立式发光器件，或者可将OLED阵列用于照明应用或平板显示器(例如，OLED显示器)应用中。尤其是OLED平板显示器，已知它非常明亮，并且具有良好的色彩对比以及宽广的视角。已知如果位于OLED显示器中的电极和有机层与周围环境通过气密式密封隔开，则OLED显示器的寿命可显著延长。然而，OLED显示器，特别是位于其中的电极和有机涂层却极有可能因为与从周围环境中渗漏入该OLED显示器的氧气和湿气相互作用而发生劣化。遗憾的是，过去要开发出气密式密封OLED显示器的密封工艺是非常困难的。以下简要论述了导致难以适当密封OLED显示器的某些因素：
·气密式密封应提供对氧(10-3cc/m2/天)和水(10-6g/m2/天)的屏障；
·气密式密封的尺寸应该最小(例如，＜2mm)，从而使其不会对OLED显示器的尺寸产生不利的影响。
·在密封过程中所产生的温度不应破坏OLED显示器中的材料(例如，电极和有机层)。例如，离OLED显示器的密封体约1至2mm的OLED的第一像素不应在密封过程中被加热到高于100℃。
·在密封过程中释放的气体不应污染OLED显示器中的材料。
·气密式密封应能使电连接(例如，薄膜电极)进入OLED显示器。
目前密封OLED显示器的一种方法是通过熔化低温玻璃料形成气密式密封，其中该低温玻璃料掺杂有在特定光波长下对能量具有高吸收性的材料。例如，高功率激光可用于加热并软化玻璃料，从而在其上带有该玻璃料的覆盖玻璃与其上带有OLED的基底玻璃之间形成气密式密封。玻璃料通常约0.5mm至1mm宽，且约6至100μm厚。如果玻璃料的吸收率和厚度均匀，则密封操作能够在恒定的激光能和移动速度下完成，使得玻璃料位置处获得均匀的温度升幅。然而，在被加热的玻璃料(和基底)没有充分冷却的情况下，会由于在密封过程中产生热应力而导致玻璃料和/或基底出现破裂。需要一种方法，该方法能够提供足以加热玻璃料的热量以熔化该玻璃料并密封各基底，同时还能够适当冷却玻璃料而不会过度加热并损坏显示元件。
发明内容
在根据本发明的一个实施方式中，公开的一种方法包括提供由至少一个玻璃料壁分隔开的第一基底和第二基底，以及被安置在第一和第二基底之间的至少一个显示元件，让激光束通过第一基底照射在该至少一个玻璃料壁上，并且该光束沿着壁长方向穿行以加热玻璃料并密封第一基底和第二基底。照射光束在该光束前进方向上的强度分布是随着离开该光束纵轴的距离增加而减小的函数，而该照射光束在与其前进方向正交的方向上的强度分布偏离该光束峰值强度的变化不超过约10％。该至少一个玻璃料壁优选地包含框形。此外，多个显示元件可以被安置在第一和第二基底之间。该光束优选地穿过含有呈缝隙状透明区域的掩模。此掩模可以包括吸收表面或反射表面。该光束优选地以约10mm/s以上的速度穿过玻璃料。这一穿越过程可以通过从至少一个电流镜反射该光束而得以完成。
参照附图，通过以下说明性的描述可以更容易理解本发明，更清楚地了解本发明的其它目的、特征、细节和优点，以下说明并不构成限制。另外的系统、方法特征和优点也都包括在本描述中，在本发明的范围之内，受到所附权利要求书的保护。
附图简述
图1是根据本发明一个实施方式的显示设备的截面侧视图。
图2是根据本发明一个实施方式的第一基底以及沉积于其上的玻璃料的截面侧视图。
图3是图2所示第一基底的俯视图，其中沉积的玻璃料显示为框形。
图4是根据本发明一个实施方式的显示设备的局部截面侧视图，其中包括显示元件以及沉积于其上的电极，并且该图示出了激光和激光束在密封操作期间的位置。
图5是图4所示掩模以及一部分玻璃料的局部俯视图。
图6是带有多个透明区域、用来密封多个OLED显示设备的掩模的俯视图。
图7是OLED显示设备的各种冷却曲线(速率)和与之作比较的固有冷却曲线，所述OLED显示设备用聚焦激光束密封，其中激光束的光斑以多种速度在玻璃料上穿行。
图8是OLED显示设备的各种冷却曲线(速率)和与之作比较的固有冷却曲线，所述OLED显示设备用散焦激光密封，其中激光束的光斑以多种速度在玻璃料上穿行。
图9是显示设备的截面侧视图，所述显示设备具有显示元件和沉积于其上的电极，并且在图中示出了激光器以及受电流计控制的激光束在密封操作期间的的位置。
详述
在以下详述中，出于说明而非限制的目的，提供了描述特定细节的示例性实施方式，以帮助完全理解本发明。但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在理解本说明书中益处的基础上，可以不同于本文所揭示的具体细节的其它实施方式实施本发明。另外，对众所周知的器件、方法和材料的描述将会省去，以免淡化对本发明的描述。最后，在任何合适的情况下，相同的编号表示相同的部分。
虽然下面将结合气密式密封OLED显示器100的制造来描述本发明的密封技术，但是应该理解，相同或类似的密封技术还可以在其他广泛的应用和设备中用来将两块玻璃片彼此密封起来。因此，不应该以限制的方式来解释本发明。
参见图1，示出了根据本发明一个实施方式的气密式密封有机发光二极管(OLED)显示设备的截面侧视图。一般地，由编号10所指示的该显示设备包括第一基底12、玻璃料14、第二基底16、至少一个OLED元件18以及与该OLED元件电接触的至少一个电极20。典型地，OLED元件18与一阳极和一阴极电接触。在此使用的图1中的电极20可表示这两种电极中的任意一种。虽然为简单起见仅示出了单个OLED元件，但是显示设备10中可以安置多个OLED元件。典型的OLED元件18包括一个或多个有机层(未示出)以及阳极/阴极。然而，本领域的普通技术人员应该很容易认识到，可以在显示设备10内使用任何已知的OLED元件18或未来的OLED元件18。此外，本领域普通技术人员还应认识到，除了OLED元件18之外，也可以沉积其他类型的薄膜器件。例如，可以使用本发明来制造薄膜传感器。
在一个较佳实施例中，第一基底12可以是诸如由康宁股份有限公司制造并出售的Code 1737TM牌玻璃或Eagle 2000TM牌玻璃的透明玻璃片。可选地，第一基底12可以是任意透明玻璃片，例如由Asahi Glass有限公司制造并出售的玻璃(例如OA10玻璃和OA21玻璃)、由Nippon Electric Glass有限公司、NHTechno和Samsung Corning Precision Glass公司制造并出售的玻璃等。第二基底16可以是与第一基底12相同的玻璃基底，或者第二基底16可以是不透明的基底。
如图2至图3所示，在密封第一基底12和第二基底16之前，玻璃料14通常作为含有玻璃粉、粘合剂(通常是有机的)和/或液体媒介物的线状玻璃料糊剂而被沉积在第一基底12上。玻璃料14可以通过丝网印刷或者可编程自动钻孔机(programmable auger robot)而被施加至第一基底12上，其中可编程钻孔自动机在第一基底12上提供成形良好的图案。例如，玻璃料14可以被放置在距离第一基底12的自由边缘13约1mm的地方，并且通常以闭合框或壁的形状沉积。在一个优选实施方式中，玻璃料14是在预定波长处具有显著光学吸收截面的低温玻璃料，所述预定波长与用于密封工艺的激光的工作波长相匹配或基本匹配。举例来说，玻璃料14可以含有从包括铁、铜、钒、钕或其组合的组中选出的一种或多种光吸收离子。玻璃料14还可以包括改变玻璃料14的热膨胀系数以使其与基底12和16的热膨胀系数相匹配或基本匹配的填料(例如，反向填料(inversion filler)或添加剂填料)。关于可在本申请中使用的示例性玻璃料成分的更为详细的描述，可以参考题为“Glass Package that isHermetically Sealed with a Frit and Method of Fabrication”的美国专利第6,998,776号，其内容结合在此作为参考。
玻璃料14也可以在密封第一基底12和第二基底16之前被预烧结。为实现该预烧结，加热已沉积在该第一基底12上的玻璃料14，以使其固定在该第一基底12上。随后可以将带有玻璃料图案的第一基底12放在炉中，并根据该玻璃料的成分，在一定温度下“烧制”或固结玻璃料14。在该预烧结阶段，加热玻璃料14并烧尽玻璃料内所含的有机粘合剂材料。
在预烧结玻璃料14之后，该玻璃料在需要时可以研磨(ground)，以使得沿着玻璃料线的高度变化不超过2至4μm，而典型的目标高度h根据器件10的应用可以是10μm至30μm以上；然而更为典型的高度h为约12至15μm。如果高度的变化较大，则在接合基底12和16时，在玻璃料和基底16之间形成的间隙可能在玻璃料14在激光密封第二基底的过程中熔化时也不闭合，或者该间隙可能会引入可导致基底破裂的应力，特别是在冷却玻璃料和/或基底期间。足够但不过度厚的玻璃料高度h允许基底在第一基底12背后密封。如果玻璃料14太薄，那它就无法留有足够的材料来吸收激光辐射，从而导致失效。如果玻璃料14太厚，它将能够在第一表面吸收足够的能量来发生熔化，但是会妨碍熔化玻璃料所必需的能量到达该玻璃料接近第二基底16的区域。这通常会导致两玻璃基底粘合不良或不均匀。
如果预烧结玻璃料14得到研磨，则可以让第一基底12从适度的超声波清洗环境中通过，以去除到目前为止聚集的任何碎屑。在此使用的典型溶液应该比用于清洗没有额外沉积的显示器玻璃的溶液温和得多。在清洗期间，可以将温度保持在较低水平以避免沉积的玻璃料14发生劣化。
在清洗之后，可执行最终处理步骤来去除残余水分。可将预烧结的第一基底12放置在温度为100℃的真空烘箱中6小时或以上。在从烘箱中移出之后，可将预烧结的第一基底12放置在净室箱内，以避免在实施密封工艺之前有灰尘和碎屑在其上聚集。
密封工艺包括以这样一种方式在上面沉积了一个或多个OLED 18以及一个或多个电极20的第二基底16顶上放置带玻璃料14的第一基底12，使得玻璃料14、一个或多个OLED 18和电极20被夹在两基底12和16之间。向基底12和16施加适度压力以保持它们在密封过程中彼此接触。如图4中所示，激光器22引导激光束24通过第一基底12照射在玻璃料14上并且加热玻璃料14，以使其熔化并且形成气密式密封，使基底12和基底16连接并接合在一起。该气密式密封还防止周围环境中的氧气和水气进入OLED显示器10，从而保护OLED 18。
激光束24可以被散焦从而让例如玻璃料14内的温度梯度更为平缓。应该注意，如果梯度过陡(聚焦过紧)，OLED显示器10则可能出现破裂并导致其随后失效。玻璃料14在熔化之前通常需要预热和冷却阶段。此外，预烧结的第一基底应该被存储在惰性氛围中，以避免在熔化之前再吸收O2和H2O。激光器22(或者光束24)沿玻璃料图案行进的速度可以在约0.5mm/s至高达300mm/s的范围之间变化，虽然在30mm/s至40mm/s之间的速度更为典型。来自激光束的必需功率可以依据玻璃料14的光学吸收系数α和厚度h变化。如果将反射性或吸收性层(如制造电极20的材料)置于玻璃料14下面(在玻璃料14和基底16之间)，必需功率也会受到影响。必需功率还会受到激光束24穿过玻璃料的速度影响。此外，玻璃料14的成分、均一性、填料颗粒大小都可以改变。这些方面同样会对玻璃料吸收入射激光束24的光学能量的方式产生不利影响。当激光束24穿过玻璃料14时，玻璃料14熔化以将基底12和16彼此密封。由玻璃料密封引起的基底12和16之间的间隙在两基底之间形成了用于OLED元件18的气密式空穴(pocket)或包封(envelope)。应该注意，如果第二基底16对密封波长透明，则该密封操作可以通过第二基底16，或者同时通过基底12和16来执行。
应该冷却显示设备10，从而不让设备10(例如，基底12和16)在冷却刚密封的基底和玻璃料期间承受过度的应力。除非冷却恰当，否则这些应力会导致基底之间的粘合强度弱，并且影响该粘合的气密性。通过一基底照射在玻璃料上的激光束在其径向横截面上优选地具有基本呈圆形的光束形状。因此，照射在玻璃料上的光束大致为圆形光斑，并且在该光束直径方向上的强度分布优选地是随着离开光轴的距离而减小的函数，其中在该光束的中心轴处或其附近具有峰值强度。例如，该光束可以大致呈高斯分布。在常规密封方法中，该光斑的直径2ω(其中ω是离开光束轴的距离，其光束强度是最大光束强度的1/e2)选择大致等于或小于玻璃料宽度(其范围在约0.5至1mm之间)的。然而，对于较快的密封速度而言，例如大于约10mm/s，小于约1mm的激光光斑直径会导致该光斑离开玻璃料上某一点时该玻璃料/基底快速冷却，而此时通常期望冷却速度较慢，这样可以导致玻璃料/基底退火。原则上希望密封速度较快。首先，工艺生产量增加。其次，激光功率的可接受变化在密封速度更快时也更大。另一方面，如下所述，为缓和快速冷却而增加光斑直径会导致对夹在基底之间的相邻OLED元件的加热。为了克服这一缺点，根据本发明的实施方式，可以利用具有增加的光斑直径(大于玻璃料的宽度)的激光束，并且还可以掩蔽一部分扩大的光斑尺寸，以避免对玻璃料以外的一部分设备10(例如，OLED元件18)加热。
根据本发明的实施方式，建议采用大于第一和第二基底12、16之间的玻璃料线宽约2倍的光斑直径。优选地，光斑直径方向上的强度分布是随着离开该光束中心轴的距离而减小的函数。例如，该光束的强度可以大致呈高斯分布，但是也可以具有其他形状，如三角形。在图4中示出的掩模32被放置在第一基底之上；更具体地，放置掩模32以使得该掩模的透明或开口部分位于被放置在各基底之间的玻璃料线之上。图5示出了包含传输区域34的一部分掩模32的近视图，该传输区域34具有约等于或取决于掩模和第一基底12之间距离的宽度wt，该宽度wt比玻璃料线的宽度wf和不透明区域36要宽。激光束24随后在由箭头37指示的纵向上沿着传输区域并由此在玻璃料线上进行扫描，加热玻璃料并用气密式密封来密封各基底。束斑39在横向上对玻璃料14两侧的照射被不透明区域36阻挡(由光斑38的虚线部分以及箭头39指示)，同时在纵向上(即，沿着玻璃料的长度方向)通过传输区域34而不受阻碍。因为光束(以及光斑)优选地具有圆形对称的强度分布，并且其在纵向上的强度分布没有受到阻挡，所以强度在玻璃料长方向上的逐渐变小(由于强度分布递减)使玻璃料的冷却相对较慢。另一方面，通过透明区域34并照射在玻璃料上的那部分光束优选地具有基本恒定(平坦)的强度，其在玻璃料宽度方向上(即，与光束穿过玻璃料时的行进方向正交的方向)的变化与光束中心轴处的峰值相比不超过约10％，这样就能够为玻璃料14提供相对均匀的加热效果。
掩模32可以是吸收性或反射性的。但优选反射性掩模，因为吸收性掩模可能会被光束加热至足以损坏与玻璃料相邻的敏感OLED元件。照射在玻璃料上的激光光斑的直径优选大于约1.8mm。掩模32例如可以通过在清洁玻璃基底上溅射一涂层来形成，从而使得该掩模带涂层的部分反射或吸收来自激光器的光，并使得一部分照射光束传输通过掩模不带涂层的一个或多个清洁玻璃部分34。优选地，该掩模的透明部分与玻璃料14相重合。例如，如果玻璃料14呈框状，则掩模的透明部分宜具有类似的形状和大小。如果在基底上沉积有多个独立的框状玻璃料壁，则该掩模优选具有相对应的透明区域34的阵列。这一掩模如图6所示。
如上所述，根据本发明实施方式，用作密封光束的激光束24可以是未聚焦，或者是有意散焦的。让该光束散焦以使得光束焦点不落在玻璃料上的技术可以与在(相对于玻璃料线的)纵向上递减的强度分布结合使用，以促进玻璃料和/或基底的冷却。图7示出了直径(即，2ω)的1/e2约为1.8mm的束斑的冷却曲线，所述束斑用于密封宽约1mm的玻璃料线。曲线40、42和44示出了激光束穿行速度分别为5mm/s、10mm/s及20mm/s时，玻璃料温度与时间的函数关系。还示出了固有的冷却曲线46，该曲线描绘了当玻璃料已被加热并且激光束快速消失时玻璃料/基底的冷却特性。图7中的激光束聚焦在玻璃料上。将图7与图8相比较，图8描绘了在与图7相同的条件下用散焦在玻璃料上的激光来加热玻璃料的情形。通过比较可以很容易地观察到在给定激光穿行速度下(例如，在两图之间的10mm/s下)更为缓慢的冷却速率。
在另一个实施方式中，掩模可以被附至或者紧接于激光器本身，使得来自激光器的光束穿过该掩模。然而，因为掩模可能包括缝隙状的透明区域，这会在激光穿越沉积在基底12上的框状玻璃料的转角时要求旋转该掩模。在该实施方式或在前一实施方式中，设备10和激光束24之间的相对移动可以通过相对于激光束移动设备10，或者相对于设备移动激光器(从而移动光束)来实现。例如，可以将激光器或设备安装在可在x-y平面内移动的平台上。该平台例如可以是其移动受到计算机控制的线性电动机平台。可选地，设备和激光器都可以是固定的，并且通过将来自激光器的光束24引导至由电流计(未示出)控制(或移动)的一个或多个可移动反射器(镜)48，使该光束相对于设备移动。相比于设备或激光器的惯性，通过电流计定位的各反射镜由于惯性较低，可以使激光束在玻璃料14上快速穿行。在玻璃料和激光器之间的距离变化时，通过使用本领域内已知的恰当透镜技术(例如，远心透镜)，可以使玻璃料上的光斑直径保持恒定。
应当强调的是，上述本发明的实施方式，特别是任何“优选的”实施方式，仅仅是可能的实施例子，仅仅是用来帮助清楚地理解本发明原理的。可以在不背离本发明精神和原理的前提下，对上述本发明的实施方式进行许多的改变和改良。所有这些改良和改变都包括在本文中，包括在本说明书和发明的范围之内，并受到所附的权利要求书的保护。

Claims (12)

1.一种密封显示元件的方法，包括：
提供由至少一个玻璃料壁分隔开的第一基底和第二基底、被安置在所述第一和第二基底之间的至少一个显示元件以及含有缝隙状透明区的掩模；
使激光束通过所述掩模的缝隙状透明区，然后让所述激光束通过所述第一基底照射在所述至少一个玻璃料壁上；
所述光束沿着壁长方向穿行以加热所述玻璃料壁并密封所述第一基底和所述第二基底；以及
其中在所述激光束通过所述掩模的缝隙状透明区之后，所述照射在所述至少一个玻璃料壁上的光束在所述光束前进方向上的强度分布随着离开所述光束纵轴的距离增加而减小，而所述照射在所述至少一个玻璃料壁上的光束在与其前进方向正交的方向上的强度分布相对于所述光束峰值强度的变化不超过10％。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃料壁包含一闭合框。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束具有大于所述玻璃料壁宽wf的光斑直径。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩模被安置在所述第一基底上。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述掩模包含反射表面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束以大于10mm/s的速度穿行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束以大于30mm/s的速度穿行。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过将所述光束指引到一个或多个反射器来移动所述光束的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反射器由电流计移动。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃料壁具有范围在10至30μm之间的高度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩模包含吸收性表面。
12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述光斑直径大于所述玻璃料壁宽wf的两倍。
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