JP2010097217A - 三次元電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応力緩衝特性部を有する三次元構造の電子装置を提供する。
【解決手段】三次元構造を形成する可撓性基板上に形成され、前記可撓性基板上に配置される少なくとも一つの薄膜を含む電子装置において、前記基板が前記三次元構造を形成できるようにくさび形部分を前記基板から除去する。前記くさび形部分に隣接して応力緩衝特性部を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状適応型（コンフォーマル）エレクトロニクスのための幾何学形状及び設計に係り、より詳細には、応力緩衝特性部を有する三次元構造の電子装置に関する。

一般に、画像センサ及びディスプレイは、液晶シリコン基板、ガラスに蒸着された薄膜、又は他のやや剛性で脆弱な材料から形成される。これらの材料から、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイ、及び電荷結合装置（ＣＣＤ）などの画像形成アレイが得られ、これらは略平面状である。平面画像センサは、その視野範囲に限界があり、視野を拡大するために複雑かつ高価な光学系に依存している。一方、球面状湾曲センサは、簡単な光学系であっても、広範囲の視野を提供し得る。目視される位置、及びディスプレイを支持する構造の形態に基づいて、いくつかの用途において、湾曲されたディスプレイが必要とされる場合もある。

これらのアレイを湾曲させる能力は、検知又は目視のいずれにおいても、広角の画像形成システムを可能とする。しかしながら、検知又はディスプレイのために湾曲された画素アレイを形成することによって多数の問題が生じていた。可撓性エレクトロニクスの出現によって、主に矩形アレイを屈曲させることにより、円錐形又は円筒形のアレイ面を形成できるようになったが、球面状のアレイの形成は、製造、アドレッシング、及び画像処理を含むいくつかの局面において、より著しく複雑である。

形状適応型エレクトロニクスを製造するには、平坦な可撓性の基板上にエレクトロニクスを作成し、切込みを入れて、所望の形状になるように基盤を屈曲させる方法がある。基板を屈曲させる過程において、極めて小さい曲率を有するポイントに応力の集中し、これが、被覆（上位）層にひびが入る原因となっていた。

本発明は、上記問題を解決するために、改良された応力緩衝特性部を有する三次元構造の電子装置を提供する。

本発明の一態様は、三次元構造を形成する可撓性基板上に形成され、可撓性基板上に配置される少なくとも一つの薄膜を含む電子装置と、基板の三次元構造を可能にするように基板から除去されるくさび形部分と、くさび形部分に隣接して配置されている応力緩衝特性部と、を含む三次元電子装置である。

前記態様において、前記応力緩衝特性部は、前記くさび形部分の頂点を中心とした円、前記頂点を通過して前記基板へ延出するライン、及び前記くさび形部分の前記頂点に隣接する前記くさび形部分の立体部分の少なくとも一つであってよい。

前記態様において、前記応力緩衝特性部は、前記くさび形部分の頂点に隣接している前記くさび形部分の立体部分、及び前記頂点の円形カットを含んでいてもよい。

前記態様において、前記応力緩衝特性部は、前記薄膜内のみでカットされた応力緩衝特性部、及び前記基板にわたって部分的にのみカットされた応力緩衝特性部の少なくとも一つを含んでいてもよい。

三次元構造の電子装置を作製する際の電子装置の湾曲により加わる応力を和らげ、電子装置の損傷を防ぐことができる。

平面基板上に製造され、カットされて三次元構造を形成する電子装置の一実施形態を示す図である。 円形カットの応力緩衝特性部の一実施形態を示す図ある。 保持材料を有する円形カットの応力緩衝特性部の一実施形態を示す図である。 材料の部分的除去によって形成されたカットを示す側面図である。 延長されたカットの応力緩衝特性部の一実施形態を示す図である。 立体くさび形の応力緩衝特性部の一実施形態を示す図である。 組み合わされた応力緩衝特性部の一実施形態を示す図である。

図１は、略球形を形成する電子装置の一実施形態を示している。電子装置１０は、ディスプレイ画素、関連メモリ素子、ロー（列）とカラム（行）の選択ラインなどの個々の電子素子のアレイから成る。この例では、ゲート選択ライン１４及びデータ選択ライン１６は、装置の外周側に存在している。例えば、切込み（カット）１８は、装置を複数のセクション（本実施形態においては、５個のセクション）に分割する。基板が所望の三次元装置を形成できるように、必要に応じて、大きいセクション内に、例えば、更なるカット２０を形成してもよい。このような装置の例が、２００８年１月２２日に出願され、「三次元の湾曲センサ又はディスプレイ裏面の設計及びアドレッシング（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ， Ｃｕｒｖｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ ｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｂａｃｋ Ｐｌａｎｅ）」と題された米国特許出願第１２／０１７，９７４号に詳細に記載されており、本明細書中にその全体が参照することによって組み込まれている。

二次元装置とその関連するカットの形成は、二次元基板から形成される所望の三次元構成に基づいて行われる。一般に、基板は、所望の三次元構造を達成するために屈曲可能な可撓性基板である。レーザが、例えばカット１８及び２０のようなカットを形成し、一般にカット１８とカット２０の間の材料は除去される。

一般に、カットは、いくつかのポイントで交わって材料の除去を可能とするが、基板を貫通することはなく、これによって、装置の十分な構造的完全性が維持され、三次元装置が形成される。先端又は頂点と称されるこれらのカットの交点によって、基板が所望の形状に屈曲される時、局所的な応力が生じて、これが、基板又は基板の層にひびが入るか、さもなければ、破損する原因となる。

カットの角度は一般に小さく形成され、三次元構造の形成において滑らかな曲線を可能とする。この技術によって作成され得る三次元構造の例としては、ドーム形、円筒形、円錐形、球形、楕円形など、及びこれらの形状に近い形状が挙げられる。局所的に、図１の、例えば、パイ型セクションによって形成される各頂点１８の近傍において、基板の形状は大角を成す円錐である。頂点から距離Ｒの離間位置における円錐の曲率γは、
γ＝Ｒｔａｎθ
であり、式中、θは円錐形の半角である。半角は、以下の関係式：
２πｓｉｎθ＝２π−φ
によって表されるパイ型のカットセクションに関連している。
式中、φはパイ型カットセクションの角度又は二つのカットが形成する角度である。

φが小さい場合、
ｔａｎθ＝ｓｑｒｔ（π／φ）。
となる。

これにより、曲率は
γ＝ｓｑｒｔ（πＲ²／φ）
となる。

基板上の薄膜内の機械応力は、曲率に反比例している。カットの一つの頂点近傍に局所的に形成された円錐は、Ｒ＝０において曲率はゼロであり、そのため、応力が極めて大きくなる。応力が大きすぎると、膜の剥離や他のさまざまな問題が生じる。

しかしながら、曲率γが機械応力のいかなる問題でも回避できるほどに大きくなるＲ値が、Ｒ＝ａのときの頂点からの離間位置に存在する。一般に、Ｒ＜ａの場合、大抵は、応力が過剰となり、機械応力の問題は回避できない。従って、Ｒ＝ａの位置に応力緩衝特性部を追加することで、形状作成のための装置の屈曲時に発生する応力を削減する対策を取ることができる。

図２は、応力緩衝特性部の一実施形態を示している。この実施形態において、角度φを形成して離間されている二つのカット３０とカット３２は、頂点４２で交わっている。次いで、二つのカット間の材料が除去される。頂点の周囲では、頂点を中心として、レーザ又は他の切断装置が、円形の応力緩衝特性部３４を形成する。この特定の実施形態において、円３４はａに等しい半径３６を有している。言うまでもなく、他の値を円の半径に適用することが可能であり、特定の半径への制限を意図するものでも示唆するものでもないことに注意されたい。

円形特性部の形成には多くの様々な手法がある。例えば、図３に示されるように、円形特性部３４の一部４０がカットされず、円の内側の材料が残されてもよい。これにより、主要構造に対して「ブリッジ（架橋）」構造３８の形成することができる。ブリッジ構造は、円３４内の構成要素又は要素と主要構造上の他の構成要素又は要素の接続を可能とする。保持された円盤状の円は、基板が三次元装置を形成する場合に平坦に配置される。

他には、ひびが入り易い又は応力に問題がある脆弱層又は膜についてのみ円形にカットして、その下層にある材料が損傷を受けないようにする手法もある。この手法は、ここでは円形特性部について示されているが、本実施形態のいずれにも適用され得る。図４は、部分的にカットされた応力緩衝特性部を示す側面図であり、本実施形態において説明されている円形又は他の特性部であってよい。

図４において、可撓性基板５０は、同基板５０上に、電子装置を動作させる相互接続を形成する金属及び誘電体層などの「機能」層を形成している。図４において、層５２及び５４は、機能層を示しているが、図示されている層数に対して、総数の増減が可能であることを理解されたい。層５６は、曲率が小さい時にひびが入り易い又は機械応力の問題を有する脆弱層である。層５６は実際には数層からなっていてもよい。応力緩衝特性部を形成する際、材料除去のために必要とされる場合を除いて、基板を貫通してカットすることはないが、その代わり、脆弱層のみがカットされる。これらのカットは、一層又は複数の脆弱層に機能的な構成要素を残さないようにする。図４のカット５８はこのようなカットの例を示している。

応力緩衝特性部を形成するために基板を部分的にカットすることは、任意の種類の応力緩衝特性部、例えば、図２の円形特性部だけでなく、図５の延長したカット特性部にも適用される。図５は、延長されたカット応力緩衝特性部を示す。二つの線３０及び３２は頂点４２で交わる。切込み線（カットライン）６０は頂点４２から延長されている。カットラインは、カット自体によって除去される材料以外の材料を除去しない。カットラインは、他のカットライン３０又は３２の延長線であってよいし、又は、基板を貫通する異なる軌跡であってもよい。カットライン３０又は３２のいずれかを延長することによって、非対称形の応力分布が生じるため、二つのカットライン間で対称形を成す異なる軌跡を有する線のほうが、効果的に作用する。

さらに、上述されるように、延長されたカット特性部は部分的カットを含む。これによって、残りの可撓性基板が被覆（上位）膜に対する支持体として作用することが可能となる。また、延長されたカットは、大きな表面積を提供するため、欠陥をそこで終わらせることができる。欠陥の終了とは、ひびなどの欠陥が基板を貫通して更に進行することがないように、延長されたカットにおいて停止させることを意味する。

実験において、図２及び図５に示されている応力緩衝設計は、それぞれ、三次元構造を組み立てた後にほんの微細なひびでさえ観察されなかったほどの高い応力緩衝能力を発揮した。この具体的な実験の対象構造は、ジオデシックドーム（三角形の部材を組み合わせた半球形の構造）であった。

図６は、応力緩衝特性部の他の実施形態を示している。この特性部は、立体応力緩衝特性部又は立体くさび形と呼ばれる。この実施形態において、上記の実施形態と同様、二つのカットライン３０及び３２は頂点４２で交わり、パイ形又はくさび形の除去領域を形成する。しかしながら、カットラインは、直線又は線形の経路に沿っていない。カットラインは立体的であるか、又は少なくとも立体的な部分を有しており、これによって、くさび形が立体的に形成される。

以上の実施形態は、所望される三次元構造に基づいて可撓性基板上に一つ又は複数の電子装置を形成し、場所において基板をカットして二次元基板を屈曲させ、このときカットした部分が応力緩衝特性部を有し、次いで基板が三次元構造を有するように形成する方法を実施している。同じ技術及び実施形態を用いて、ある所望レベルの応力緩衝に合わせて曲率を大きくするためにカットが配置されるように、基板をカットする手法を考案することができる。この場合、応力は曲率に反比例しているので、曲率が大きくなるにつれて、応力が緩和される。

立体くさび形応力緩衝特性部は、曲率を削減するとともに、応力緩衝特性部として作用する例を提供している。図６は、このような立体くさび形応力緩衝特性部の一実施形態を示している。一般に、図６の参照番号６６によって示される間隙Ｇ（Ｒ）がより緩やかに細くなるようにカットを伸長することが可能である。これによって、φの値は減少するが、曲率は大きくなる。

カットの形状における一つの手法は、間隙が小さくなるにつれて、一定の曲を維持させることである。このカット形状は、間隙６６が、
Ｇ（Ｒ）＝ｓＲ³
となるカット形状を有する。

角度φにおける間隙がφＲであるため、
φ＝ｓＲ²、したがって、ｒ²＝π／ｓ
となる。

この結果、Ｒから独立した一定の曲率が得られ、上記の課題が解決される。次に、一定の曲率が、カットラインの立体形状から得られる。Ｒ＝ａのポイントは、最初のカット部分に対して曲率が十分に小さい位置とされるが、これに限定されるものではない。Ｒ値は、基板及び基板に蒸着された薄膜の比だけでなく、カットパターンによっても左右される。

図６を参照すると、例えば、立体カットは、線（カットライン）３０及び３２から成る。間隙６６は、前述の実施形態よりも緩やかに漸減する。カットラインは、例えば、元の頂点に対応する距離６２（例えばａ）から立体属性を展開し始める。頂点４２は、今度は、元の頂点から２ａの距離６４に形成される。これによって、曲率が大きくなり、結果的に、応力が緩和される。形状は完全な立体である必要はなく、頂点近傍の角度φを削減できる形状であれば、応力を緩和することができる。

上記の実施形態及びその変形例を任意に組み合わせて、これらの装置に対して応力の緩衝を付与することができる。例えば、円形特性部を立体くさび形の変形例に組み合わせることもできる。その例が図７に示されている。円形特性部７０は、立体のカットライン３０及び３２の端部に形成される。頂点が、円形特性部の中心となっていても、いなくてもよい。同様に、部分的なカット、材料の保持、延長されたカットなどの全てが種々の変形例として組み合わされることによって、成形されるエレクトロニクスに基づいた応力緩衝分解能の調整が可能となる。

以上、本発明によって開示されたもの、他の特徴及び機能、その代替のうちのいくつかは、所望であれば、多数の他の様々なシステム又は用途に組み合わせることができ、また、今後発生する予測できない様々な代替、変更、変形、又は改良が、これ以降も、当業者によって実行されることが可能であり、その際、以下の請求の範囲を逸脱しないことを意図するものであることも理解されたい。

３０、３２： カットライン
３４：円形特性部
４２： 頂点
６２、６４： 距離
６６： 間隙

Claims (4)

1. 三次元構造を形成する可撓性基板上に形成され、前記可撓性基板上に配置される少なくとも一つの薄膜を含む電子装置と、
   前記基板が前記三次元構造を形成できるように前記基板から除去されるくさび形部分と、
   前記くさび形部分に隣接して配置される応力緩衝特性部と、
   を含む三次元電子装置。
2. 前記応力緩衝特性部は、前記くさび形部分の頂点を中心とした円、前記頂点を通過して前記基板へ延出するライン、及び前記くさび形部分の前記頂点に隣接する前記くさび形部分の立体部分の少なくとも一つを含む請求項１に記載の装置。
3. 前記応力緩衝特性部が、前記くさび形部分の頂点に隣接している前記くさび形部分の立体部分、及び前記頂点の円形カットを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記応力緩衝特性部が、前記薄膜内のみでカットされた応力緩衝特性部、及び前記基板にわたって部分的にのみカットされた応力緩衝特性部の少なくとも一つを含む、請求項１に記載の装置。

Images