JP6096126B2

JP6096126B2 - 無機多層積層体並びにそれに関連する方法及び構成物

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Publication number: JP6096126B2
Application number: JP2013551351A
Authority: JP
Inventors: ラヴィ・プラサード; デニス・アール・ホラーズ
Original assignee: ヴィトリフレックス・インコーポレーテッド
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: CN107097484A; EP2668034A4; RU2013137882A; JP2017047689A; AU2012211217B2; BR112013019014A2; CN103328205B; KR101909310B1; RU2605560C2; CN103328205A; US20140060648A1; WO2012103390A3; KR20140008516A; US10522695B2; JP2014511286A; MY161553A; EP2668034A2; WO2012103390A2

Description

本願は、２０１１年１月２７日付けで出願された米国仮特許出願番号６１／４３６，７２６号、６１／４３６，７３２号及び６１／４３６，７４４号の優先権を主張し、それらの各々は、参照することによって事実上、本明細書に含まれる。

本発明は、広く多層積層体並びにそれに関する方法及び構成に関連する。より具体的には、本発明は、太陽電池、電解質電池、固体照明及び発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイの製造などの封止材として使用されるフレキシブルな多層積層体に関連する。

電子デバイス、医療装置及び薬剤などの多くの製品は、水蒸気及び周囲の気体に対して敏感であり、それらへの露出が、製品の劣化及び／又は製品の性能低下をもたらす。結果的に、ブロッキングコーティングは、このような望まれない露出に対して保護するために保護手段として一般的に使用される。

プラスチックコーティング又はプラスチック層は、ブロッキングコーティングとして頻繁に使用される。残念ながら、それらは、乏しい気体及び液体の透過抵抗に悩まされ、受け入れ可能な製品性能に対する透過抵抗の必要な値に対して典型的には数桁低い値を有する。一例として、特定のＬＥＤデバイス及び太陽電池封止用途では、１０^−４ｇ／ｍ^２／日未満程度の水蒸気透過率が要求され、対照的に、一般的に使用されるプラスチック基板であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）における水蒸気透過率は、約１から約１０ｇ／ｍ^２／日程度である。当業者は、水蒸気透過率が、水の透過抵抗に対して反比例であると考えられると認識する。

他の手法は、水蒸気透過性と低減するために、ＰＥＴなどのプラスチックフィルムにブロッキングコーティングを適用することによって、望まれない要素に対する露出に対して保護する。これらのコーティングは、典型的には、周知の真空堆積プロセスを用いてプラスチック基板に堆積されるＡｌ、ＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ及びＳｉ_３Ｎ_４などの無機材料の単一層である。これらの無機材料の単一層のコーティングは、典型的には、ＰＥＴの水蒸気透過性を１．０から０．１ｇ／ｍ^２／日低減させる。従って、プラスチック基板における単一のブロッキングコーティングはまた、透過抵抗の必要な値に適合しないものである。

図１は、無機ブロッキング層又はコーティング１２が有機層１４（例えば、アクリル）の上部に形成される際に形成される構造体を参照するダイアド１０を示す。ダイアド１０は、高分子基板に保護層として堆積され得る。ブロッキング層１２は、密に充填された酸化物粒子からなり、それを通る気体及び水蒸気の浸透を妨げる通常の拡散障壁として機能する。しかしながら、ブロッキング層において共通して見出される欠陥は、水蒸気及び周囲の気体の分子がその酸化物粒子を通って拡散することを可能にし、究極的には、太陽電池及び有機発光ダイオードなどの下層の電子デバイスを劣化する。これらの欠陥の存在に関連する欠点を克服するために、有機層１４は、欠陥及び高分子基板の下層の表面を平滑化するための試みとしてブロッキング層１２に適用される。特定の他のアプローチは、高分子基板上に多層のダイアドを堆積し、それは、多数のダイアドに存在する位置合わせされていない欠陥が気体及び水蒸気の浸透をさらに低減するということを提供する。しかしながら、多数のダイアドを堆積することは、最終的な障壁膜の柔軟性を低減することに加えて、より高価な障壁層をもたらす。

単一層のブロッキングコーティング、又は、単一のダイアド若しくは多数のダイアドが保護方法として使用されるか否かにかかわらず、上記の通常の拡散遅延スキームは、特定の用途（例えば、太陽電池用途及びＬＥＤディスプレイ用途）に対して必要な範囲まで下層の高分子層を保護することができない。具体的には、無機層に存在する欠陥は、効果的に充填されておらず、水蒸気及び望まれない周囲の気体がブロッキング層の表面から高分子基板に移動するための拡散通路を提供する。通常の高分子基板は、水蒸気及び望まれない周囲の気体に対する露出から封止する下層の製品を十分に保護することができない。結果として、下層の製品は、長時間にわたって劣化し、場合によっては故障し、相対的に短い寿命に悩まされる。

従って、必要とされるのは、水蒸気及び望まれない周囲の気体から、下層の水蒸気及び気体感受性製品を効果的に保護し、ブロッキング層及びダイアドの通常のデザインによって遭遇する欠点に悩まされない新規な保護層のデザインである。

前述の観点に関して、一側面において、本発明は、多層積層体を提供する。多層積層体は、（ｉ）それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｉｉ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を備え、（ｉｉｉ）前記多層積層体の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記多層積層体が、前記気体又は蒸気の分子に対して実質的に不浸透性であることを可能にする。

前記蒸気又は前記気体の分子は、水蒸気、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン及び硫化水素からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み得る。本発明の好ましい実施形態によれば、前記無機障壁層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。前記無機障壁層内の金属成分は、好ましくはアルミニウム、銀、シリコン、亜鉛、錫、チタン、タンタル、ニオブ、ルテニウム、ガリウム、白金、バナジウム、インジウム及び炭素からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。

前記無機反応層は、好ましくはアルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。特定の実施形態において、本発明の前記無機反応層は、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる。

前記無機障壁層及び無機反応層の各々の厚さは、約１０ｎｍから約１ミクロンの間であえ得る。本発明の特定の実施形態において、前記１つ又はそれ以上の障壁層は、２つの障壁層を含み、前記反応層は、前記２つの障壁層の間に挟まれる。前記反応層は、好ましくは柱状構造体を含む。前記１つ又はそれ以上の障壁層の各々は、１つ又はそれ以上の非晶質材料で作られ得る。前記無機障壁層は、光透過を必要とする用途において好ましくは実質的に透過性である。

他の側面において、本発明は、ソーラーモジュールを提供する。ソーラーモジュールは、（ｉ）太陽電池と、（ｉｉ）前記太陽電池を少なくとも部分的に封入する太陽電池封入材と、を含み、前記太陽電池封入材は、さらに、（ａ）それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｂ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を含み、（ｃ）前記太陽電池封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子は、前記無機反応層と反応し、それによって前記太陽電池封入材は、前記気体又は蒸気の分子から前記太陽電池を保護することを可能にする。一実施形態において、前記太陽電池は、シリコンベースの太陽電池、薄膜太陽電池、有機太陽電池及び色素増感太陽電池からなる群から選択される少なくとも１つの要素である。前記薄膜太陽電池は、好ましくは銅、インジウム、ガリウム、砒素、カドミウム、テルビウム、セレン及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。

他の側面において、本発明は、光発生モジュールを提供する。光発生モジュールは、（ｉ）光源と、（ｉｉ）前記光源を少なくとも部分的に封入する光源封入材と、を含み、前記光源封入材は、さらに、（ａ）それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｂ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を含み、（ｃ）前記光源封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子は、前記無機反応層と反応し、それによって前記光源封入材は、前記気体又は蒸気の分子から前記光源を保護することを可能にする。特定の実施形態において、本発明の前記光源は、有機又は無機発光ダイオードを含む。

他の側面において、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイを含む。ＬＥＤディスプレイは、（ｉ）ＬＥＤと、（ｉｉ）前記ＬＥＤを少なくとも部分的に封入するＬＥＤ封入材と、を含み、前記ＬＥＤ封入材は、（ａ）それを通る前記気体又は前記蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｂ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を含み、（ｃ）前記ＬＥＤ封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子は、前記無機反応層と反応し、それによって前記ＬＥＤ封入材は、前記気体又は蒸気の分子から前記ＬＥＤを保護することを可能にする。特定の実施形態において、本発明の前記ＬＥＤは、ＯＬＥＤとしても知られる有機発光ダイオードを含む。他の側面において、本発明は、電解質電池を提供する。電解質電池は、（ｉ）カソードと、（ｉｉ）アノードと、（ｉｉｉ）電解質と、（ｉｖ）前記アノード、カソード及び電解質を少なくとも部分的に封入する電解質電池封入材と、を含み、前記電解質電池封入材は、さらに、（ａ）それを通る前記気体又は前記蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｂ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を含み、（ｃ）前記電解質電池封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子は、前記無機反応層と反応し、それによって前記電解質電池封入材は、前記気体又は蒸気の分子から前記電解質電池を保護することを可能にする。特定の実施形態において、本発明の前記電解質電池は、フレキシブルである。

他の側面において、本発明は、反射性ディスプレイモジュールを提供する。反射性ディスプレイモジュールは、（ｉ）反射性ディスプレイと、（ｉｉ）前記反射性ディスプレイを少なくとも部分的に封入する反射性ディスプレイ封入材と、を含み、前記反射性ディスプレイ封入材は、（ａ）それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、（ｂ）前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、を含み、（ｃ）前記反射性ディスプレイ封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子は、前記無機反応層と反応し、それによって前記反射性ディスプレイ封入材は、前記気体又は蒸気の分子から前記反射性ディスプレイを保護することを可能にする。前記反射性ディスプレイは、電気泳動ディスプレイ又は多層液晶ディスプレイを含む。

他の側面において、本発明は、多層積層体を製造する方法を提供する。本方法は、（ｉ）コーティング装置にフレキシブル基板を載置する段階と、（ｉｉ）前記フレキシブル基板が前記コーティング装置の内側に第１の位置を得るように、前記フレキシブル基板又は前記コーティング装置の一部を配置する段階と、（ｉｉｉ）前記フレキシブル基板が前記第１の位置にあるときに前記フレキシブル基板に１つ又はそれ以上の無機障壁層を製造する段階であって、前記無機障壁層が、それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減することができる段階と、（ｉｖ）前記フレキシブル基板が前記コーティング装置の内側に第２の位置を得るように前記フレキシブル基板又は前記コーティング装置を配置する段階であって、前記第２の位置が前記第１の位置と異なる段階と、（ｖ）前記１つ又はそれ以上の障壁層の近傍に反応層を形成する段階であって、前記反応層が、前記無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子に対して反応性を有し、前記フレキシブル基板上の前記１つ又はそれ以上の障壁層及び反応層が組み合わされて多層積層体を形成する段階と、を含む。

上述の方法は、好ましくは、太陽電池、光源、発光ダイオードディスプレイ及び電解質電池からなる群から選択される少なくとも１つの要素に前記多層積層体を付ける段階をさらに含む。前記製造する段階は、スパッタリング、反応性スパッタリング、蒸着、反応性蒸着、化学気相堆積、溶液コーティングプロセス及びプラズマ化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術を含み得る。同様に、前記反応層を形成する段階は、好ましくは、スパッタリング、反応性スパッタリング、蒸着、反応性蒸着、化学気相堆積、溶液コーティングプロセス及びプラズマ化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術を含む。前記製造する段階は、約−２０℃から約２００℃の温度で行われ得る。前記反応層を形成する段階は、好ましくは、約−２０℃から約２００℃の温度で行われ得る。前記製造する段階及び前記形成する段階の各々は、ロール・ツー・ロール動作で行われる。

上述の方法における前記載置する段階は、好ましくは、（ａ）前記コーティング装置の内側にスプールを囲んで包まれた前記フレキシブル基板を位置させる段階と、（ｂ）前記フレキシブル基板の少なくとも一部が前記製造を可能にするように露出されるように、前記フレキシブル基板を延長し、巻き取りスプールに固定する段階と、を含む。上述の方法における前記製造する段階及び形成する段階中に、前記基板は、約−２０℃から約２００℃の温度に設定されるドラムに接触し得る。

他の側面において、本発明は、多層障壁積層体の構成物を提供する。前記構成物は、（ｉ）金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭窒化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための無機障壁層と、（ｉｉ）前記無機障壁層を通して拡散している前記気体又は蒸気の分子と反応するための効果的な量の反応性材料を含む無機反応層と、を含み、前記反応性材料は、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む。前記無機障壁層の少なくとも１つの要素は、約１％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有し得る。前記少なくとも１つの反応性材料は、約１％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有し得る。

しかしながら、本発明の構成及び動作方法は、それらの追加の目的及び利点と共に、添付の図面と関連して読まれる際に特定の実施形態の以下の詳細な説明から最もよく理解されるだろう。

図１は、太陽電池を封入するために使用される通常のブロッキングコーティングの断面図である。図２は、水蒸気及び他の望まれない周囲の気体に対して保護するための、本発明の一実施形態による多層障壁積層体を示す。図３は、水蒸気及び他の望まれない周囲の気体に対して保護するための、本発明の他の実施形態による多層障壁積層体を示す。図４は、図２及び／又は図３の多層障壁積層体に使用され得る本発明の一実施形態による柱状の反応層構造の斜視図である。図５は、独創的な多層積層体のロール・ツー・ロール製造を容易にする本発明の一実施形態によるコーティング装置の上面図である。

以下の詳細な説明において、本発明の十分な理解を提供するために多くの特定の詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細事項の一部又は全部に限定されることなく実施され得ることは当業者に明らかであろう。他の例では、周知のプロセスステップは、本発明を不必要に分かり難くしないように詳細には記載されていない。

図２は、障壁層２０２が反応層２０４の近傍に（隣接して）配置される多層積層体２００を示す。多層積層体２００は、基板、好ましくはプラスチックから作られるフレキシブル基板に製造される。好ましい実施形態によれば、本発明の多層積層体は、多様な用途用の封入材として作用する。一例として、その上に製造される多層積層体２００を有するプラスチック基板は、太陽電池、電解質電池、光発生モジュール、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ及び反射性ディスプレイを封入するために使用され、水蒸気及び望まれない又は外部の気体に対する露出から下層の構造体を保護する。

多層積層体２００において、障壁層２０２は、水蒸気、並びに酸素、窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン及び硫化水素などの望ましくない気体に対する障壁として作用する。障壁層２０２は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭化物からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む。さらに、障壁層１０２は、好ましくは、炭素又は酸素を、それらの元素形態で、又は化学成分の一部として含む。障壁層２０２の例には、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン酸炭化物及びシリコン炭窒化物が含まれる。

障壁層２０２は、１つ又はそれ以上の無機材料の層で作られ得る。本発明の好ましい実施形態において、障壁層２０２は、非晶質材料を含む。２つ以上の無機層が使用される場合、異なる層は、好ましくは互いに近傍に積層される。各々の層で使用される無機材料のタイプが同一であることは必ずしも必要なく、本発明の特定の実施形態においては異なり得る。障壁層２０２が上述の周囲の気体に対する障壁として作用する如何なる無機材料からも作られることができるが、本発明の好ましい実施形態において、障壁層２０２は、元素形態で又は化合物として（上述のように）存在する金属組成物を含み、それは、アルミニウム、銀、シリコン、亜鉛、錫、チタン、タンタル、ニオブ、ルテニウム、ガリウム、白金、バナジウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。一例として、金属酸化物は、Ａｌ_ｘＯ_ｙ又はＳｉＯ_ｘを含む。障壁層２０２において、効果的な量の金属又は金属酸化物の存在によって、障壁層を通る望まれない気体又は蒸気の移送が低減する。本発明の好ましい実施形態において、障壁層２０２において、金属又は金属酸化物は、約１％（重量）から約１００％（重量）、好ましくは約１％（重量）から約５０％（重量）の濃度を有する。

障壁層２０２は、約１０ｎｍから約１ミクロン、好ましくは約２０ｎｍから約３００ｎｍの厚さを有する。

障壁層２０２は、それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するように設計されるが、水蒸気及び望ましくない気体の特定の分子に対して完全に不浸透性ではない。このために、本発明は、障壁層２０２を通って拡散する、水、並びに、例えば酸素、窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン及び硫化水素の分子と反応するように設計される反応層２０４を採用する。一般的な見解によれば、反応層２０４の反応性質は、太陽電池及び他の用途において望まれるものではない。それが、水蒸気及び望ましくない周囲気体を吸収し、生成物の製造劣化を引き起こし、及び場合によっては生成物の欠陥をもたらすからである。しかしながら、本発明は、障壁積層体用途において有用である方式で反応層２０４の反応性質を革新的に使用する。具体的には、障壁層２０２を通って拡散する水蒸気及び周囲気体又は望まれない気体は、反応層２０４と反応し、多層積層体２００が、拡散された気体又は蒸気の分子に対して実質的に不浸透性であることを可能にする。

反応層２０４は、あらゆる無機材料で形成され得、好ましくは化学的に均質である。しかしながら、本発明の好ましい実施形態において、反応層２０４は、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの反応性材料を含む。本発明の特定の実施形態において、反応層２０４は、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる。このような非酸化物ドーパント材料の代表的な例は、カルシウム、ナトリウム及びリチウムなどのアルカリ金属を含む。

１つ又はそれ以上の反応層の各々は、同一の材料又は異なる材料で作られ得る。障壁層２０２のように、反応層２０４は、互いに近傍に配置される１つ又はそれ以上の反応層を含み得る。反応層２０４は、隣接する障壁層を通って拡散している水蒸気及び望まれない気体又は周囲気体と反応するために効果的な量の反応性材料を含む。本発明の好ましい実施形態では、反応層２０４において、反応性材料は、約１％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有する。しかしながら、本発明のより好ましい実施形態においては、反応層２０４の反応性材料は、約９０％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有する。

反応層２０４は、約１０ｎｍから約１ミクロンの総厚を有し得、好ましくは、約２０ｎｍから約５００ｎｍである。多層積層体２００がプラスチック基板上に製造され、封入材として使用される特定の用途においては、封入された生成物の輸送、取り扱い及び保存中に、水蒸気及び望まれない周囲気体が、プラスチック基板を通って拡散し、反応層２０４と反応するというリスクがある。結果として、反応層２０４の所望の反応特性は失われ、多層積層体２００が無効になる。このために、本発明の特定の好ましい実施形態は、プラスチック基板と反応層との間に配置される追加の障壁層を提供する。

反応層２０４が組成的に障壁層２０２と同様である場合、構造、ドーピングの度合い、結晶化度の度合い（一方の層が非晶質であり、他方がそうではないという状況を含む）、又は水蒸気若しくは望まれない周囲気体と結合する反応性において障壁層と十分に異なる反応層を有することが好ましい。

図３は、本発明の代替の実施形態による多層積層体３００を示す。多層積層体３００は、２つの障壁層３０２、３０６に挟まれた反応層３０４を含む。図３の反応層３０４は、図２の反応層２０４と実質的に同様であり、図３の障壁層３０２、３０６は、図２の障壁層２０２と実質的に同様である。多層積層体２００のように、多層積層体３００はまた、あらゆる基板上に製造される。しかしながら、本発明の好ましい実施形態において、積層体３００は、フレキシブルなプラスチック基板上に製造される。

図３に示される多層積層体の構成において、プラスチック基板を通って拡散する水蒸気又は望ましくない気体若しくは周囲気体は、それらが反応層３０４と反応する前に障壁層３０２によって妨害される。障壁層３０２は、高分子基板バッキングを通して拡散する水蒸気及び望ましくない気体又は周囲気体に対して反応層３０４を結果的に保護する。

図２の多層積層体２００又は図３の多層積層体３００のどちらが使用されるかにかかわらず、要素となる反応層は、好ましくは、反応層（例えば、図２の反応層２０４又は図３の反応層３０４）として配置される、図４に示される柱状構造体４０４を有する。柱状構造体を有する反応層は、本発明の好ましい実施形態を示す。それは、このような構造体が拡散される化学種と反応するより大きな活性表面積を与えるからである。

図２及び図３の独創的な障壁層及び反応層が互いに接触するように示されているが、必ずしもそのようになる必要はない。本発明の特定の実施形態において、１つ又はそれ以上の多様な機能を果たす中間層は、障壁層及び反応層の間に介在され得る。一例として、中間層は、障壁層及び反応層の表面の一方又は両方を平坦化するために使用される得、それらの層の間に介在される。結果として、障壁層が反応層の近傍に配置されることを明細書が開示するこれらの場合において、“近傍”という用語は、障壁層及び反応層が互いに接触する実施形態に限られず、１つ又はそれ以上の中間層が障壁層及び反応層の間に介在される実施形態をも対象とする。

さらに、上記の好ましい実施形態によれば、独創的な障壁層及び反応層のそれぞれは、１つ又はそれ以上の異なるタイプの無機材料で形成される。しかしながら、本発明の他の実施形態において、独創的な障壁層及び反応層は、このように限定されない。本発明の特定の実施形態において、障壁層及び反応層のそれぞれは、１つ又はそれ以上の異なるタイプの有機材料で形成される。

本発明の好ましい実施形態において、図２の多層積層体２００及び図３の多層積層体３００は、封止材として使用される。一例として、太陽電池の用途において、独創的な多層積層体は、太陽電池を封入するために使用される。他の例として、光発生モジュールが使用される光の用途において、独創的な多層積層体は、光源を封入するために使用される。また他の例として、電解質電池の用途において、独創的な多層積層体は、カソード、アノード及び電解質を封入するために使用される。さらに他の例として、ディスプレイ用途において、独創的な多層積層体は、ＬＥＤディスプレイ又は反射性ディスプレイなどのディスプレイを封入するために使用される。当業者は、太陽電池、光発生モジュール、電解質電池、ＬＥＤディスプレイ及び反射性ディスプレイの封入が当業者に周知の技術を用いて行われ得ることを認識するだろう。

一般的な知見によれば、多層積層体を形成するために１つの層が他の層の近傍に製造される場合、一方の層に存在する欠陥は、望ましくないことに近傍の層に伝播する。欠陥伝播問題は、多層積層体の層の数が増加するに伴って悪化する。際立って対照的に、無機層が、隣接する層内の欠陥を覆い、隣接する層を平滑化するということを、驚くことに、そして予期せぬことに本発明は見出した。結果として、独創的な多層積層体は、水蒸気及び蒸気障壁用途において特に利点がある。それらが、互いの層間において、欠陥又は望ましくない構造の伝播を防止し又は大幅に減少させるからである。

独創的な積層体が当業者に周知のあらゆる技術を用いて作られることができるが、相対的に高い処理量を提供するロール・ツー・ロール技術は、本発明の好ましい実施形態を示す。図５は、本発明の一実施形態によるコーティング装置５００の上面図を示す。コーティング装置は、それがフレキシブルフィルムのロールを被覆するので、“ロールコーター”とも呼ばれる。コーティング装置５００は、巻き出しローラー５０２、アイドルローラー５０４、巻き取りローラー５０６、温度制御堆積ドラム５０８、１つ又はそれ以上の堆積領域５１０及び堆積チャンバー５１２を含む。１つ又はそれ以上の堆積領域５１０のそれぞれは、以下に示されるように、フレキシブル基板、電力供給源及びシャッタに最終的に堆積される。

本発明の一実施形態によれば、コーティング方法は、フレキシブル基板５１４が巻き出しローラー５０２に載置された際に始まる。フレキシブル基板５１４は、好ましくは、巻き出しローラー５０２に載置されるスプールの回りに包まれる。典型的には、包まれたフレキシブル基板の一部は、スプールから引き出され、丸いアイドルローラー５０４、及び回転することができる堆積ドラム５０８に案内され、それは巻き取りローラー５０６に接続されるようになる。コーティング装置５００の動作状態において、巻き出しローラー５０２、巻き取りローラー５０６及び堆積ドラム５０８は回転し、フレキシブル基板５１４が、冷却堆積ドラム５０８の周りの様々な位置に沿って配置されるようになる。

フレキシブル基板５１４がコーティング装置５００内に載置された後、コーティングプロセスは、堆積領域５１０内にプラズマを引き起こす段階を含む。コーティング領域のシャッタは、ターゲット材料と衝突し、ターゲット材料を取り出すためのプラズマ場内の荷電粒子に向けられ、ターゲット材料は、フレキシブル基板に堆積されるようになる。コーティングプロセス中に、フレキシブル基板５１４の温度は、好ましくは基板に損傷が与えられないような値まで堆積ドラム５０８を用いて制御される。フレキシブル基板５１４が高分子材料を含む本発明のこれらの実施形態において、堆積ドラムの温度が好ましくは高分子材料のガラス転移温度付近又は以下であるように、堆積ドラム５０８は冷却される。このような冷却動作は、堆積プロセス中に高分子ベースの基板の溶解を回避し、それによって堆積ドラム５０８がない場合に起こり得る高分子ベースの基板の劣化を避ける。

図５から見られるように、多数の堆積領域が提供され、堆積領域のそれぞれは、高分子基板の特定の材料の堆積に影響を与えるように捧げられ得る。一例として、堆積領域の１つにおいて、ターゲット材料は、障壁層の堆積を容易にするために（例えば、図２の障壁層２０２を製造するために、又は、図３の障壁層３０２、３０６の少なくとも１つを製造するために）金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。一例として、他の堆積領域におけるターゲット材料は、反応層を製造するために（例えば、図２の反応層２０４又は図３の反応層３０４）アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む。ある位置から他の位置にフレキシブル基板５１４を移動することによって、種々のタイプ及び種々の厚さのターゲット材料は、種々の堆積領域において、基板に堆積され得る。コーティング装置５００は、スパッタリング、反応性イオンスパッタリング、蒸着、反応性蒸着、化学気相堆積及びプラズマ化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術を実施するために使用され得る。

ある位置から他の位置に基板を動かす代わりに、本発明の独創的な特徴が、基板を固定し、コーティング装置の少なくとも一部を動かすことによって、又は、基板及びコーティング装置の両方を動かすことによって達成することができることは注目に値する。

堆積のために実施される特定のプロセスに関わらず、当然のことながら、本発明のロール・ツー・ロール技術は、独創的な多層積層体を形成するために、基板上の種々のタイプ及び厚さの層の非常に急速な堆積を可能にする。独創的なロール・ツー・ロール製造プロセスは、結果として収入の増加になる非常に高い処理量を実現する。太陽電池産業が商業的に実行可能な代替エネルギーソリューションになるように試みられる現在の状況に対して、独創的な多層積層体及びプロセスは、通常のデザイン及びプロセスに対して注目すべき改善を示す。

以上に説明したように、図３の多層積層体における障壁層及び反応層は、得られる多層積層体がフレキシブルであり水蒸気に対して非浸透性であるように、適切な無機酸化物材料で作られ得る。本発明は、障壁層を通る水蒸気の吸着の量が限られる場合、多層積層体内の反応層が延長した寿命を有するということを認識する。さらに、本発明はまた、障壁層及び反応層の界面に達する水蒸気の量を最小化することによって、限定された吸着が実現されることを認識する。

この発明の例示的な実施形態が示され記載されたが、他の修正、変更及び置換が考えられる。例として、本発明は、単純ガス及び水蒸気の障壁を開示する。しかしながら、本発明のシステム、プロセス及び構成を用いて有機材料の移送を低減することも可能である。従って、添付の特許請求の範囲が、特許請求の範囲に記載されるように、明細書の範囲に一致する方式で広く解釈されることが適切である。

１０ダイアド
１２コーティング
１４有機層
２００多層積層体
２０２障壁層
２０４反応層
３００多層積層体
３０２障壁層
３０４反応層
３０６障壁層
４０４柱状構造体
５００コーティング装置
５０２巻き出しローラー
５０４アイドルローラー
５０６巻き取りローラー
５０８温度制御堆積ドラム
５１０堆積領域
５１２堆積チャンバー

Claims

多層積層体であって、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を備え、
前記多層積層体の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記多層積層体が、前記気体又は蒸気の分子に対して実質的に不浸透性であることを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、多層積層体。
前記蒸気又は前記気体の分子が、水蒸気、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン及び硫化水素からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１に記載の多層積層体。
前記無機障壁層が、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１に記載の多層積層体。
前記無機障壁層が、アルミニウム、銀、シリコン、亜鉛、錫、チタン、タンタル、ニオブ、ルテニウム、ガリウム、白金、バナジウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項３に記載の多層積層体。
前記無機障壁層の厚さが、約１０ｎｍから約１ミクロンの間である、請求項１に記載の多層積層体。
前記無機反応層の厚さが、約１０ｎｍから約１ミクロンの間である、請求項１に記載の多層積層体。
前記１つ又はそれ以上の障壁層が、２つの障壁層を含み、前記反応層が、前記２つの障壁層の間に挟まれる、請求項１に記載の多層積層体。
前記反応層が、柱状構造体を含む、請求項１に記載の多層積層体。
前記１つ又はそれ以上の障壁層の各々が、１つ又はそれ以上の非晶質材料で作られる、請求項１に記載の多層積層体。
前記無機障壁層が、実質的に透過性である、請求項１に記載の多層積層体。
太陽電池と、
前記太陽電池を少なくとも部分的に封入する太陽電池封入材と、
を備え、
前記太陽電池封入材が、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を含み、
前記太陽電池封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記太陽電池封入材が、前記気体又は蒸気の分子から前記太陽電池を保護することを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、ソーラーモジュール。
前記太陽電池が、シリコンベースの太陽電池、薄膜太陽電池、有機太陽電池及び色素増感太陽電池からなる群から選択される少なくとも１つの要素である、請求項１１に記載のソーラーモジュール。
前記薄膜太陽電池が、銅、インジウム、ガリウム、砒素、カドミウム、テルビウム、セレン及び硫黄からなる群から選択される、請求項１１に記載のソーラーモジュール。
光源と、
前記光源を少なくとも部分的に封入する光源封入材と、
を備え、
前記光源封入材が、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を含み、
前記光源封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記光源封入材が、前記気体又は蒸気の分子から前記光源を保護することを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、光発生モジュール。
前記光源が、有機又は無機発光ダイオードを含む、請求項１４に記載の光発生モジュール。
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードを少なくとも部分的に封入する発光ダイオード封入材と、
を備え、
前記発光ダイオード封入材が、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を含み、
前記発光ダイオード封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記発光ダイオード封入材が、前記気体又は蒸気の分子から前記発光ダイオードを保護することを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、発光ダイオードディスプレイ。
前記発光ダイオードが、ＯＬＥＤとしても知られる有機発光ダイオードを含む、請求項１６に記載の発光ダイオードディスプレイ。
電解質電池であって、
カソードと、
アノードと、
電解質と、
前記カソード、アノード及び電解質を少なくとも部分的に封入する電解質電池封入材と、
を備え、
前記電解質電池封入材が、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を含み、
前記電解質電池封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記電解質電池封入材が、前記気体又は蒸気の分子から前記電解質電池を保護することを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、電解質電池。
前記電解質電池が、フレキシブルであり、且つ軽量である、請求項１８に記載の電解質電池。
反射性ディスプレイと、
前記反射性ディスプレイを少なくとも部分的に封入する反射性ディスプレイ封入材と、
を備え、
前記反射性ディスプレイ封入材が、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための１つ又はそれ以上の無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層の近傍に配置される無機反応層と、
を含み、
前記反射性ディスプレイ封入材の作動状態において、前記１つ又はそれ以上の無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記反射性ディスプレイ封入材が、前記気体又は蒸気の分子から前記反射性ディスプレイを保護することを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、反射性ディスプレイモジュール。
前記反射性ディスプレイが、電気泳動ディスプレイ又は多層液晶ディスプレイを含む、請求項２０に記載の反射性ディスプレイモジュール。
コーティング装置にフレキシブル基板を載置する段階と、
前記フレキシブル基板が前記コーティング装置の内側に第１の位置を得るように、前記フレキシブル基板又は前記コーティング装置の一部を配置する段階と、
前記フレキシブル基板が前記第１の位置にあるときに前記フレキシブル基板に１つ又はそれ以上の無機障壁層を製造する段階であって、前記無機障壁層が、それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減することができる段階と、
前記フレキシブル基板が前記コーティング装置の内側に第２の位置を得るように前記フレキシブル基板又は前記コーティング装置を配置する段階であって、前記第２の位置が前記第１の位置と異なる段階と、
前記１つ又はそれ以上の障壁層の近傍に、無機マトリクスを含む反応層を形成する段階であって、前記反応層が、前記無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子に対して反応性を有し、前記フレキシブル基板上の前記１つ又はそれ以上の障壁層及び反応層が組み合わされて多層積層体を形成する段階と、
を備え、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、多層積層体を製造する方法。
太陽電池、光源、発光ダイオードディスプレイ及び電解質電池からなる群から選択される少なくとも１つの要素に前記多層積層体を付ける段階をさらに備える、請求項２２に記載の方法。
前記製造する段階が、スパッタリング、反応性スパッタリング、蒸着、反応性蒸着、化学気相堆積、溶液コーティングプロセス及びプラズマ化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術を含む、請求項２２に記載の方法。
前記反応層を形成する段階が、スパッタリング、反応性スパッタリング、蒸着、反応性蒸着、化学気相堆積、溶液コーティングプロセス及びプラズマ化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術を含む、請求項２２に記載の方法。
前記製造する段階が、約−２０℃から約２００℃の温度で行われる、請求項２２に記載の方法。
前記反応層を形成する段階が、約−２０℃から約２００℃の温度で行われる、請求項２２に記載の方法。
前記１つ又はそれ以上の障壁層を製造する段階及び前記反応層を製造する段階の各々が、ロール・ツー・ロール動作で行われる、請求項２２に記載の方法。
前記載置する段階が、
前記コーティング装置の内側にスプールを囲んで包まれた前記フレキシブル基板を位置させる段階と、
前記フレキシブル基板の少なくとも一部が前記製造を可能にするように露出されるように、前記フレキシブル基板を延長し、巻き取りスプールに固定する段階と、
を含む、請求項２２に記載の方法。
前記製造する段階及び形成する段階中に、前記基板が、約−２０℃から約２００℃の温度に設定されるドラムに接触する、請求項２２に記載の方法。
金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属炭窒化物及び金属酸炭窒化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための無機障壁層と、
無機マトリクスを含み、前記無機障壁層を通して拡散している前記気体及び蒸気の分子と反応するための効果的な量の反応性材料を含む無機反応層と、
を備え、
前記反応性材料が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、多層障壁積層体の構成物。
前記無機障壁層の少なくとも１つの要素が、約１％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有する、請求項３１に記載の構成物。
前記少なくとも１つの反応性材料が、約１％（重量）から約１００％（重量）の濃度を有する、請求項３１に記載の構成物。
多層積層体であって、
それを通る気体又は蒸気の分子の移送を低減するための２つの無機障壁層と、
前記気体又は蒸気の分子と反応することができ、無機マトリクスを含み、前記２つの無機障壁層の間に挟まれる無機反応層と、
を備え、
前記多層積層体の作動状態において、前記２つの無機障壁層を通って拡散する前記蒸気又は気体の分子が、前記無機反応層と反応し、それによって前記多層積層体が、前記気体又は蒸気の分子に対して実質的に不浸透性であることを可能にし、
前記無機反応層が、アルカリ金属酸化物、亜鉛酸化物、チタン酸化物、金属ドーピングされた亜鉛酸化物及びシリコン酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、
前記無機反応層が、１つ又はそれ以上の非酸化物化学成分でドーピングされる、多層積層体。