JP5080838B2

JP5080838B2 - 電子デバイスおよびその製造方法

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Publication number: JP5080838B2
Application number: JP2007088519A
Authority: JP
Inventors: 英永藁科; 臣一下津; 慎一郎園田; 千秋後藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: EP2157832A1; CN101653040B; TW200848887A; KR20090128431A; JP2008251242A; CN101653040A; WO2008120452A1; US20100109516A1; EP2157832A4

Description

本発明は、液晶等の表示媒体、有機ＥＬ等の発光媒体に代表される電子素子を封止した電子デバイスおよびその製造方法に関するものである。

フレキシブルディスプレイや電子ペーパーなどの可撓性表示媒体や有機ＥＬ等の発光媒体は、典型的には一対の樹脂基板の間に電子素子が封入された構造を持っている。表示媒体は、例えばフレキシブル液晶ディスプレイでは液晶層と電極層を指し、発光媒体は、例えば有機ＥＬディスプレイにおいては有機層と電極層を指すが、このような表示媒体等は一般に水分によってその特性が劣化するため、表示媒体等に用いられる樹脂基板には例えば特許文献１に記載されているようなバリアコーティングが施され、水分が基板を透過して表示媒体等に到達することを防止する対策がとられている。

このような基板を用いて作製された電子デバイスの一例として有機ＥＬディスプレイの概略断面図を図１１に示す。図１１に示す有機ＥＬディスプレイは、透明な下部樹脂基板１０１の上面に単層又は多層のバリア層１０２が形成され、このバリア層１０２上の中央部に下部透明電極１０３、有機層１０４、上部電極層１０５からなる発光媒体１０６が成膜される。このうち有機層１０４並びに上部電極層１０５が特に水分に対して敏感である。上部樹脂基板１０１’にもバリア層１０２’が形成され、バリア層１０２’の周縁部は下部樹脂基板１０１上のバリア層１０２の周縁部と接着剤層１０８を介装して接合される。ここでバリア層１０２および１０２’を横切る方向（矢印Ｉ）では水分の透過は実質的に発生せず、発光媒体１０６の劣化に影響を与える水分侵入の大部分は接着剤層１０８を貫通する方向（矢印ＩＩ）での水分透過である。

上記より表示媒体の封止に用いられる接着剤には硬化後の透湿率の低いものが適している。また樹脂基板は一般に加熱によって変形・変質しやすく、さらに例えば有機ＥＬディスプレイのような発光媒体は高温環境では特性が劣化してしまうため、接着剤は比較的低温で硬化できるものが望ましい。

光硬化型接着剤は室温付近で硬化させることができるため、加熱による基板や表示媒体の劣化を回避しやすいが、透湿性が高く、例えば有機ＥＬディスプレイにおいて要求されるレベルの透湿率（１×10^-6 g/m²day）を満足するものは市販されていない。一方、熱硬化性の接着剤には上記レベルの透湿率を満足するものもあるが、前述の熱劣化の問題に加えて、硬化後の可撓性に劣り、作製した表示媒体の可撓性を損なうという本質的な問題を有する。

一方、金属やガラスのような耐熱性の高い無機材料の気密封止には特許文献２に記載されているような低融点金属による封止方法が適用されている。このような低融点金属による封止を図１１に示す上下バリア層の間に施すことができれば、外部からの水分透過は理想的に抑制され表示素子の信頼性を高めることができるが、これまで、耐熱性の低いプラスチック基板やバリア層を熱変性させずに、介装された低融点金属を融解させる工法はなかった。

特許文献３には無機エレクトロルミネセンス素子を低融点金属を用いて気密封止する技術が記述されているが、低融点金属層の加熱方法については触れられていない。一般に無機エレクトロルミネセンス素子の耐熱性は高く、素子全体を低融点金属の融点程度に加熱することも可能である。すなわち、この方法は表示素子が耐熱性の低い樹脂基板上に作製されている場合や、有機エレクトロルミネセンス素子のように、素子自体の耐熱性が低い場合には適用できない。

一方、特許文献４には、表示パネルの封止技術として、レーザ光を、ガラスからなる透明基板を通して透明基板の周縁部に設けられた拡散防止層に照射し、拡散防止層によって吸収されたレーザが熱となって拡散防止層を加熱し、さらにその熱が拡散防止層に隣接して設けられた低融点金属層に伝導して低融点金属層を融解させる態様が記載されている。
特表２００５−５２８２５０号公報特許第３０９１３２７号公報特公平３−８０３１４号公報特開２００４−２６５８３７号公報

しかし、特許文献４に記載のプロセスを実際に行おうとすれば、レーザの照射パワーと波長、その波長における拡散防止層の吸収率、拡散防止層の材質及び厚さとそれらに依存する熱容量並びに低融点金属層への熱伝導率、低融点金属層の厚さと熱容量などのパラメータを適切に調整しなければならないが、特許文献４では、これらの点について何ら考慮されていない。上記が適切でない場合、低融点金属層を融解させるだけのパワーのレーザを照射すると、透明基板や拡散防止層の熱損傷が起き得る。すなわちこの方法は、透明基板としてガラス材を用いた場合のように、透明基板の耐熱性が充分に高い場合においてはおそらく有効であるが、透明基板が樹脂基板である場合、さらに樹脂基板の封止面側にバリア層が形成されている場合には、レーザ照射中の透明基板とバリア層の温度をそれらの耐熱温度よりも低く保つことができるような封止方法の開発が必要である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、樹脂基板間に設けられた電子素子の防湿性を向上させることができ、電子素子の水分等に起因する劣化を抑制することができる電子デバイス、および、製造過程において樹脂基板の劣化を引き起こさず、電子素子の劣化などの悪影響を最小限に抑えることが可能な電子デバイスの製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の電子デバイスは、それぞれバリア層が積層された一対の樹脂基板間の一方の前記バリア層上に形成された電子素子を、該電子素子を囲むように前記バリア層の周縁に設けられた低融点金属層を介して前記樹脂基板を貼り合せてなる電子デバイスにおいて、少なくとも一方の前記バリア層と前記低融点金属層との間に光吸収層が設けられていることを特徴とするものである。

ここで、電子素子とは液晶等の表示媒体、有機ＥＬ等の発光媒体等を意味し、電子デバイスとは電子素子が樹脂基板間に封止されたフレキシブル液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等を意味する。

本発明の電子デバイスの製造方法は、それぞれバリア層が積層された一対の樹脂基板間に、電子素子を封止するための低融点金属層を介装して前記樹脂基板上の前記バリア層同士を接合する電子デバイスの製造方法において、少なくとも一方の前記バリア層と前記低融点金属層の間に光吸収層を設け、少なくとも一方の前記樹脂基板及び前記バリア層を通して波長３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザを前記光吸収層に照射して前記低融点金属層を加熱、融解させ、前記バリア層同士を接合することを特徴とするものである。

本発明の電子デバイスは、それぞれバリア層が積層された一対の樹脂基板間の一方の前記バリア層上に形成された電子素子を、該電子素子を囲むように前記バリア層の周縁に設けられた低融点金属層を介して前記樹脂基板を貼り合せてなる電子デバイスにおいて、少なくとも一方の前記バリア層と前記低融点金属層との間に光吸収層が設けられているので、樹脂基板間に設けられた電子素子の防湿性を向上させることができ、電子素子の劣化を抑制することができる。

また、本発明の電子デバイスの製造方法は、それぞれバリア層が積層された一対の樹脂基板間に、電子素子を封止するための低融点金属層を介装して前記樹脂基板上の前記バリア層同士を接合する電子デバイスの製造方法において、少なくとも一方の前記バリア層と前記低融点金属層の間に光吸収層を設け、少なくとも一方の前記樹脂基板及び前記バリア層を通して波長３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザを前記光吸収層に照射して前記低融点金属層を加熱、融解させ、前記バリア層同士を接合するので、樹脂基板や電子素子に影響を与えることなく、低融点金属層を加熱、融解させることができ、電子素子を封止することができる。

以下、図面を参照して本発明の電子デバイスの実施形態の詳細を、有機ＥＬディスプレイを例にとって説明する。図１は、本発明の一の実施形態による有機ＥＬディスプレイの概略模式断面図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態として示す有機ＥＬディスプレイは、樹脂基板１上に、複数の無機層と介在する有機層からなる構造を持ち、かつ最上層が無機層であるバリア層２、このバリア層２上に、透明電極３、有機層４、上部電極５が順に成膜され、透明電極３、有機層４、上部電極５によって有機ＥＬ素子８が形成されている。樹脂基板１の周縁部であってバリア層２上には、光吸収層６とこの光吸収層６の直上に低融点金属層７が設けられ、樹脂基板１’ の周縁部には、光吸収層６’とこの光吸収層６’の直上に低融点金属層７’が設けられ、樹脂基板１と樹脂基板１’（樹脂基板１’も樹脂基板１と同様に、複数の無機層と介在する有機層からなる構造を持ち、かつ最上層が無機層であるバリア層２’が積層されている）とは、その周縁部において低融点金属層７及び７’によって気密封止されている。

なお、図１にはバリア層２と低融点金属層７との間に光吸収層６が、バリア層２’と低融点金属層７’との間に光吸収層６’がそれぞれ設けられている態様を示しているが、バリア層２と低融点金属層７との間、バリア層２’と低融点金属層７’との間のいずれか一方に光吸収層が設けられた態様としてもよい。

図１には示されていないが有機ＥＬ素子８を駆動するための、透明電極２並びに上部電極４と個別に電気的に接続された引出し電極が、周縁封止部分を横切って形成され、外部からの電力投入がなされるようになっており、引出し電極は、周縁部の光吸収層６や低融点金属層７によって短絡されないように絶縁膜によって覆われている。

光吸収層６及び６’は、樹脂基板１及び１’の温度上昇を低く抑えながら光吸収層の温度を低融点金属層が融解する程度にまで高めるために、照射するレーザ光の波長に対して吸収率が充分高い層であって、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等が好ましくあげられ、本実施の形態においては幅３００μｍ、厚さ２００ｎｍで金膜としている。

低融点金属層７及び７’は、低融点（２５０℃以下の融点のもの）の金属（合金を含む）からなる層であって、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ・Ａｇ合金、Ｓｎ・Ａｇ・Ｃｕ合金、Ｓｎ・Ａｇ・Ｃｕ・Ｂｉ合金、Ｉｎ等の低融点金属が好ましくあげられ、本実施の形態においては５μｍ厚のインジウム層としている。

バリア層２は、樹脂基板における水分や酸素の透過を抑制するための層であり、複数の無機層と介在する有機層からなる構造を持つ。無機層は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属酸窒化物、金属酸ホウ化物、あるいはこれらの組合せからなる群より選ばれ、例えば、金属酸化物としては酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化インジウム、酸化スズ、ＩＴＯ（indium tin oxide）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ等が好ましくあげられる。また、有機層としては、重合できる不飽和有機材料、少なくとも１つのモノマーの重合生成物、架橋アクリレート層、低分子量付加重合体、天然油、シリコーン、又は縮合重合体等が好ましくあげられる。本実施の形態においては、無機層が酸窒化珪素、有機層がアクリレートポリマーで、最上層を酸窒化珪素としその厚みは３μｍとしている。

樹脂基板１および樹脂基板１’としては、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＣ等を用いることができ、本実施の形態においては、樹脂基板１および樹脂基板１’には厚さ１００μｍのＰＥＮを用いている。

なお、その他の層について、本実施の形態においては、透明電極２には厚さ１００ｎｍのＩＴＯ電極を、有機層３には正孔輸送層、発光層、電子輸送層を順に堆積させたものを、上部電極４にはフッ化リチウムとアルミを順に堆積させたものを用いているがこれに限定されるものではない。

続いて、本発明の一実施の形態である有機ＥＬディスプレイの製造方法について図２を用いて説明する。まずＰＥＮ基板１上に、最上層が無機層であるバリア層２を形成し、同様に、ＰＥＮ基板１’上にもバリア層２’を形成する。続いて、ＰＥＮ基板１上に透明電極層３を形成する（図２(a)）。なお、図示していないが有機ＥＬ素子に電流を供給するための引出し電極層を形成するとともに、後に形成される周縁部の光吸収層６や低融点金属層７によって短絡されないように引出し電極層を絶縁膜によって覆う。

次いで、バリア層２および２’の周縁部に幅３００μｍ、厚さ２００ｎｍで金膜を真空蒸着し光吸収層６および６’を形成する。一部は上記絶縁膜上に形成される。このとき、バリア層２および２’の最上層の無機層への光吸収層６および６’（金膜）の密着性を高める目的で、金膜の蒸着前にクロム膜を２０ｎｍの厚みで金膜と同じ幅で真空蒸着してもよい。続いて、光吸収層６および６’と同じ部位に厚さ５μｍのインジウム層を真空蒸着して低融点金属層７および７’を形成する（図２(b)）。

なお、低融点金属層７の厚さと低融点金属層７’の厚さは等しくすることもできるが、例えば後述するレーザ光の照射をＰＥＮ基板１’側からのみ行う場合には低融点金属層７’の厚さを低融点金属層７の厚さに比べてずっと小さくするとレーザ光によって加熱される光吸収層６’の近傍に低融点金属層７と低融点金属層７’との接合面を配置することができ、融着に必要なレーザ光強度を低減し、プロセスタイムを短縮し、また融着部周辺の温度上昇を抑えることができる。

その後、真空蒸着などのプロセスによって多層の有機層４と上面電極層５を形成し、有機ＥＬ素子を形成する（図２(c)）。形成後、ＰＥＮ基板１とＰＥＮ基板１’を、低融点金属層７及び７’を合わせて重ね合わせる（図２(d)）。

次ぎに、レーザ光を照射する。なお、ＰＥＮ基板１’側のみからレーザ光を照射する場合には、バリア層２’と低融点金属層７’との間にのみ光吸収層６’を設け、バリア層２と低融点金属層７との間の光吸収層６は設けない態様とすることも可能である。

周縁部の光吸収層６’を走査するようにＰＥＮ基板１’側からレーザ光を照射するには例えば図３に示すような照射装置を用いる。図３に示す照射装置は、光吸収層が介装されたＰＥＮ基板１、１’を載置する載置台３１と、この載置台３１の上方に設けられる、レーザ３４を出射するレーザヘッド３３と、光吸収層を照射するようにレーザヘッド３３を載置台３１と平行に移動させるＸ−Ｙ移動機構３５とからなる。

Ｘ−Ｙ移動機構３５は、載置台３１上をレーザヘッド３３を保持してＸ軸方向、Ｙ軸方向に平行移動できるように構成されてなり、レーザヘッド３３から出射されるレーザを、ＰＥＮ基板１’側を通して光吸収層６’が設けられている周縁部をトレースするように照射する。レーザの出力は例えば１Ｗで走査速度は２ｍ／ｓとすればよいが、出力と走査速度の組合せは、低融点金属層が融解・接合する温度にまで加熱され、かつＰＥＮ基板並びにバリア層が破損しない範囲において自由な組合せが可能である。

レーザビーム３４は波長４０５ｎｍで幅４００μｍの平行光にコリメートされており、幅３００μｍの光吸収層の幅全体を照射することができる。上記のようなレーザビームを発生させるためのレーザモジュールについて説明する。図４は、レーザヘッドとこれに接続されるレーザモジュールの一の態様を示す概略斜視図である。レーザヘッド４４は光ファイバ４３によってレーザモジュール４６に接続されてなり、レーザモジュール４６は、中心波長４０５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードがキャンパッケージ４１の中に実装されており、その出射光はレンズ４２によって直径６０μｍの石英コアを持つマルチモードの光ファイバ４３にカップリングされている。この光ファイバ４３はレーザヘッド４４に導入され、コリメータレンズ４５によってビーム径０．３ｍｍの平行ビームにコリメートされる。光ファイバ４３は随意に長くできるため、レーザモジュール４６はレーザヘッド４４から離して設置することもできるが、レーザヘッド４４と一体の筐体に組み込み、上記Ｘ−Ｙ移動機構によって移動させることも可能である。

なお、単一のレーザダイオードの出力が所望のレーザ出力に満たない場合には複数の光ファイバを束ねたり、合波光源を利用することによって単一のレーザヘッドからのレーザ出力を高めることができる。

次ぎに、本発明におけるレーザ波長の選択について説明する。図５は、電子デバイスの基板として典型的に用いられるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）および光吸収層材料として好適に用いられる金と銅の吸収スペクトルである。図５に示すように、ＰＥＮおよびＰＥＴは、共に近紫外領域に吸収端を持ち、それよりも短い波長の光は吸収し、透過せず、ＣｕとＡｕは波長が短くなるに従って吸収率が増加する傾向を示すが、その吸収は可視領域から始まっていることが特徴である。

樹脂基板を通して光吸収層にレーザ光を照射し、それを加熱するためには、照射するレーザ光の波長は樹脂基板の吸収が充分小さい波長を選定する必要がある一方、樹脂基板の温度上昇を低く抑えながら光吸収層の温度を低融点金属層が融解する程度にまで高めるために、その選定された波長において光吸収層の吸収率が充分高いことが求められる。すなわち、照射に用いられるレーザ光の波長は、その波長における樹脂基板の吸収率と光吸収層の吸収率とが概ね２倍以上の隔たりがあることが望ましい。仮に樹脂基板にＰＥＮを選択し、光吸収層が金である場合には、照射に適したレーザ光の波長は概ね３９０ｎｍから５００ｎｍの範囲である。同様にＰＥＴと銅が選択される場合には適切なレーザ光の波長範囲は概ね３５０ｎｍから６００ｎｍである。

続いて、樹脂基板にＰＥＮ、光吸収層にＡｕを用いた実証実験を示す。レーザには、前述の適正波長範囲から、波長４０５ｎｍの窒化ガリウム系ダイオードレーザを選定した。この波長での光吸収層と樹脂基板との吸収率の比は６倍程度である。この実験に用いた試料の断面図を図６に示す。図６に示す試料は、ＰＥＮ基板６１上に、無機層と有機層が複数回繰り返して形成した多層構成のバリア層６２（最上面は無機層）を３μｍ、この上にクロムを２０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ真空蒸着した光吸収層６６、さらにその上にインジウムを５μｍ真空蒸着した低融点金属層６７が積層されたもので、試料はほぼ正方形であり、一辺の長さは約２５ｍｍである。

上記試料２枚を図７に示すように、低融点金属層同士が向き合うように重ねあわせ、図示してないスライドガラス２枚で挟み、このスライドガラスを事務用バインダークリップ２個で挟むことによって低融点金属層同士に圧力を掛けた状態で固定した。これに上側試料のＰＥＮ基板を通して、図中矢印の方向から４０５ｎｍのレーザ光を照射した。

試料のバリア層はこの波長においてほぼ透明であり、この層による吸収は光吸収層での吸収に比べて僅かであるため無視できる。照射レーザ光の光吸収層上でのビーム径は、約８００μｍである。レーザ出力を１．３Ｗとして１秒間照射した。照射後に矢印方向から顕微鏡を通して撮影した写真を図８ａに示す。図８ａの色の薄い円はほぼレーザビーム径に相当する。この部分はＰＥＮとバリア層との密着性が改善したためにやや変色しているものの層構造に変化は無く、バリア層は損傷を受けていないことがわかる。同部位の低融点金属面の顕微鏡写真を図８ｂに示す。図８ｂから明らかなように、上面の変色部位と同じ直径で低融点金属層が融解、接合した形跡が見られる。

次に図７に示した低融点金属層同士の接合面６５に熱容量の小さな熱電対を挟み込み、この熱電対直上の光吸収層にレーザ光が当たるように調整して上記と同様の照射を行った。この時の時間経過に伴う温度上昇の様子を示すグラフを図９に示す。グラフの縦軸は低融点金属層の温度、横軸は照射開始からの時間である。低融点金属層の温度は照射開始直後から上昇し、約０．５秒後には低融点金属層のインジウムの融点（１５７℃）を超え、１秒後には約１７５℃に達している。上記の先の実験結果との組合せから、ビーム径８００μｍ、出力１．３Ｗのレーザビームを１秒間照射すると、インジウムを融解、融着させるに十分な温度（１７５℃）に達し、かつこの温度ではＰＥＮ基板及びバリア層の損傷は起きないことがわかる。

図７と同様の構成において、レーザ光を走査する実験を行った。レーザのビーム径は４００μｍ、出力は９８０ｍＷ、走査速度は約２ｍｍ／ｓとした。図１０に、照射側試料のＰＥＮ面ａ、同試料の低融点金属面ｂ、下側試料の低融点金属面ｃ、下側試料のＰＥＮ面ｄの顕微鏡写真を示す。互いに接合していた２つの低融点金属面上にはいずれもインジウムの融解を示す線状の接合痕が見られるが、２つのＰＥＮ面ａおよびｄにはいずれも全く変化が見られない。

以上の結果から、適切な照射条件を選ぶことによって、樹脂基板やバリア層、電子素子に影響を与えることなく、低融点金属層を加熱、融解させることができ、電子素子を封止することができることが実証された。

以上、本実施形態では電子素子として有機ＥＬ素子に適用した場合について説明したが、本発明の封止構造、及び封止方法はこれに限られず、電子素子として液晶等の表示媒体、有機物質からなるセンサー、撮像素子、電子回路等、有機物質からなる電子素子に適用することができる。

本発明の一の実施形態による有機ＥＬディスプレイの概略模式断面図本発明の一の実施形態による有機ＥＬディスプレイの製造過程を示す模式図本発明の一の実施形態による有機ＥＬディスプレイの製造に用いられる照射装置の概略斜視図レーザヘッドとこれに接続されるレーザモジュールの一の態様を示す概略斜視図ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＡｕおよびＣｕの吸収スペクトルを示すグラフ実験に用いた試料の部分概略断面図実験に用いた試料の概略断面図レーザ照射後の試料の顕微鏡写真時間経過に伴う温度上昇の様子を示すグラフレーザ照射後の試料の顕微鏡写真従来の有機ＥＬディスプレイの概略断面図

符号の説明

１，１’，６１樹脂基板
２，６２バリア層
３透明電極
４有機層
５上部電極
６，６’，６６光吸収層
７，７’，６７低融点金属層
８有機ＥＬ素子
３１載置台
３３レーザヘッド
３４レーザ
３５Ｘ−Ｙ移動機構

Claims

それぞれバリア層が積層された一対の樹脂基板間に、電子素子を封止するための低融点金属層を介装して前記樹脂基板上の前記バリア層同士を接合する電子デバイスの製造方法において、
少なくとも一方の前記樹脂基板をポリエチレンナフタレートからなるものとし、前記低融点金属層をＩｎからなるものとし、
少なくとも一方の前記バリア層と前記低融点金属層の間にＡｕからなる光吸収層を設け、前記ポリエチレンナフタレートからなる前記樹脂基板及び前記バリア層を通して波長４０５ｎｍのレーザを前記光吸収層に照射して前記低融点金属層を加熱、融解させ、前記バリア層同士を接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
前記電子素子が有機材料を含むものであることを特徴とする請求項１記載の電子デバイスの製造方法。