JP7329544B2 - 折り畳める電子機器の保護 - Google Patents

Description

本発明は、曲げ半径≦２ｍｍで曲げたり丸めたりすることができる可撓薄膜デバイスに関する。

薄膜ＰＶ、有機光検出器、ＯＬＥＤ照明、およびＯＬＥＤ表示装置などの可撓性デバイスは、スタックの形の薄膜を用いて製作され、湿気の影響を受けやすいことが多い。それゆえに、デバイスは環境から保護されなければならない。最も影響を受けやすいデバイスはＯＬＥＤであり、水蒸気透過速度が＜１０^－６ｇ／ｍ^２／日であるいわゆる超バリアを必要とする。このようなバリア特性を実現できる膜材料は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）または酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）などの無機質の脆い薄膜である。これらの層は脆いので、引っ張るとひび割れが生じるおそれがある。破壊ひずみ、すなわち層にひび割れが現れ始めるひずみは、これらのバリア層では通常＜１％であるので、デバイスの可撓性に厳しい制約が加わる。プラスチック箔上のデバイスの可撓性は、次式のように定義される曲げ剛性Ｄによって決まる。

ここで、ｈは基板の厚さであり、Ｅはヤング率であり、ｖはポアソン比である。可撓性は以下のことに依存することになる。
１．スタックの個々の層の厚さ。層の曲げ剛性（曲げ剛度Ｄ）は、その厚さの３乗（ｈ^３）で増減する。
２．スタックの層のヤング率Ｅ。高いＥ値が大きい剛性に対応する。すなわち曲げ剛性はヤング率に対して直線的に増減する。
３．スタック中の決定的に脆い層の破壊ひずみ。すなわち、外側のバリア層の破壊ひずみが小さい場合、あまり曲げることができない。
フレキシブル基板では、ひずみは、基板材料が押し縮められていない「中立線」までの距離によって決まる。湾曲によって、中立線より上の材料は押し縮められ、下の材料は引き伸ばされる。
ひずみは、中立線に対する基板材料中の距離ｄ１と基板の曲げ半径の比率として表すことができる。すなわち、ひずみ＝（ｄ１＋ｒ）／ｒになる（図１Ｂ参照）。

これらの係数によると、折り畳める薄膜デバイス（すなわち曲げ半径≦２ｍｍに耐えることができる薄膜デバイス）を実現するには、基板は非常に薄くなければならない。
曲げ剛性が低いこれらの非常に薄いデバイスの問題は、デバイスが支えられていない場合に手で扱うことがますます困難になることである。自立型の基板では、手で扱ったときに円錐状の欠陥が、特に、大きい局部ひずみが存在するいわゆる展開可能円錐すなわちｄ円錐（図１Ｃ）が、容易に形成される。基板が大きければ大きいほど、手で扱うことによって、大きい紙のシートを手で扱うときに容易に経験されるように、これらの欠陥が箔のどこかにさらに生じやすくなる。これらの場所では、スタックのすべての層が小さい局部曲げ半径による機械的損傷を受ける傾向があり、またＯＬＥＤの場合には、デバイスおよびバリア層が破損し、その結果として黒点および短絡が生じ得る。したがって、大きく極めて薄い基板の場合に、基板は、特に曲げたときに、不均一な曲げの故に非常に脆弱になる。極度の引張応力を薄膜に導入することがある、いわゆるｄ円錐が現れる。本発明の目的の１つは、手で扱うことによるｄ円錐欠陥を生じずに小さい曲げ半径に耐える、折り畳める薄膜デバイスを作製することである。

米国特許出願公開第２０１３００４１２３５号には、生体適合性があり生物流体および周囲組織に対するバリアになる、柔軟なエラストマー密封部を形成するためのＰＤＭＳの層が上部および下部にある、薄膜デバイスが示されていることに留意されたい。しかし、同出願に開示されたデバイスは、個別の無機半導体回路要素もしくは電極のアレイ、または無機半導体回路要素と電極を組み合わせたものを有する。この構成は、曲げ半径≦２ｍｍに対して十分な曲げ剛性がある超薄膜基板をベースとする表示装置または大面積デバイスの可撓アクティブピクセルとは異なる。

米国特許出願公開第２０１３００４１２３５号

曲げ半径２ｍｍ以下で曲げたり丸めたりすることができ、厚さが１００マイクロメートル未満の自立型可撓薄膜デバイスを備える、折り畳める薄膜デバイス・アセンブリが提供される。

薄膜デバイスは、基板上に形成された電気活性層のスタックを有する。保護無機キャップ層が電気活性層のスタックを覆い、背面エラストマー層が可撓薄膜デバイスを裏打ちする。ヤング率が０．５ＭＰａを超え１００ＭＰａ未満であり、厚さが７５マイクロメートルを超え、曲げ剛性が薄膜デバイスの曲げ剛性以上である、前面透明エラストマー層が可撓薄膜デバイスを覆う。
曲げたときに、スタック全体の内側は圧縮応力を示し、スタックの外側は引張応力を示す。たとえば、従来のＯＬＥＤデバイスには、曲げ剛性が２．５×１０ ^－３ Ｎｍ（２．５Ｅ－３Ｎｍ）の約１２５μｍ（たとえば、ＰＥＮ）の基板が使用される。新規のデバイスは１００μｍの基板を有し、その結果、３．５×１０ ^－５ Ｎｍ（５．５Ｅ－５Ｎｍ）という２桁小さい曲げ剛性になる。
本発明の上記その他の態様は、以下に記載の実施形態から明らかになり、またそれを参照して解明されよう。

曲げたり丸めたりすることができる表示画面を示す図である。 曲げたり丸めたりすることができる表示画面を示す図である。 曲げたり丸めたりすることができる表示画面を示す図である。 例示的なスタックを示す図である。 新規のデバイス・アセンブリの応力および曲げ剛性の例示的なグラフを示す。 新規のデバイス・アセンブリの応力および曲げ剛性の例示的なグラフを示す。 前面および背面のエラストマー層について計算されたひずみ曲線を示すグラフである。 背面可撓層の圧縮力曲線を示すグラフである。 前面および背面がエラストマー層で覆われた薄膜デバイスの曲げ剛性間の比較を示す図である。 前面エラストマー層に加わる圧縮力を曲げ剛性に対して示すグラフである。

図で、同じ参照数字は一般に同じ部材を指す。図は原寸に比例して描かれていない。
図１Ａは、丸めることができる表示装置１０５の薄膜デバイス１００を示す。例として、丸めることができる表示装置１０５は、たとえば、駆動電子回路を収容するスティックまたは円筒の形状のハウジング１０６を有し、また、たとえば携帯電話などの電子装置に接続可能なコントローラまたはプロセッサならびに電池などの電源を含む。他の丸めたり曲げたりすることができる薄膜デバイスは、湾曲した支持体の上に部分的に形成することができ、あるいは自立型の、支えられていないデバイス構成の形で部分的にのみ曲げることができ得る。この例では、デバイスは表示デバイスであるが、電気光学デバイスなどの他の用途にも、この構成は同様に適用可能であり得る。

図１の表示画面１０３は、丸められていない（図示の）位置では大型表示装置になり、使用されていないときはハウジング１０６に巻き込むことができ、それによって、不使用時にはフォームファクタが小さくなり、使用するために広げられたときには大型表示装置になる。薄膜デバイス１００は基板と、複数のピクセルと、ピクセルを適切な駆動回路に接続する複数の電極とを含み、次の図面でさらに例示される。アクティブ・マトリックス・アレイ表示デバイスの場合には、ピクセルは、一般に知られている薄膜トランジスタを含むことができ、このトランジスタは有機半導体材料のものとすることができる。

ピクセルは、電気光学表示要素、発光有機ポリマーまたは電気泳動材料などの有機半導体材料を有する。これらの有機材料、および有機半導体材料と接触する電極は、光、空気または湿気などの外部環境要因の作用を受けることによって分解可能である。すなわち、これらの材料で作られた構成要素は、このような要因の作用を受ける結果として、望ましくない化学反応を受ける。これらの構成要素はまた柔らかいこと、または展性があることがあり、摩耗、手で扱うこと、または他の物理的接触もしくは使用による損傷を受けることもある。

図１Ｃで、例として、「ｄ円錐」が、直径Ｒの固定リング内の中心先端力Ｆで薄膜要素１０を押すことによって再現性よく形成され得る。ｄ円錐形成の防止策は、極めて薄いたとえば８～１０マイクロメートル未満の厚さのデバイスを用いて検討することで生まれる。応力を受けないスタック内の転移点は、中立線と呼ばれる。中立線から離れれば離れるほど、より大きい応力を受ける。新規のデバイスは、無機キャップ層が中立線に近接しており、それによって、曲げたときに受けるひずみ値がその破壊ひずみ未満になるように機構的に最適化されているスタックを備える。
このことは、同様の薄膜バリアを最上部および底部に使用することができるので、中立線がデバイス高さに近接することを示唆することが多く、この場合、背面および前面の可撓層が、可撓層の厚さおよびヤング率範囲を制御することによって中立線をデバイスおよび保護無機層に近接して機械的に形成するように寸法設定される。

図２は、例示的な薄膜デバイス・アセンブリ１００－１～１００－４を示す。薄膜デバイス１００は、有機ポリマーまたは別の適切な可撓材料から形成された可撓基板とすることができる。基板は、たとえば、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリウレタン、ポリエステル、ポリカーボネート、または同様な材料などの可撓ポリマー材料から作製することができる。薄膜デバイス１００は、基板１０１上に形成された電気活性層のスタック１１０と、電気活性層のスタックを覆う保護無機キャップ層１２０とを有する。
ＯＬＥＤ表示装置またはＰＶなどの薄膜密封可撓デバイスの製作に必要とされる処理温度の故に、これらのデバイスをエラストマー材料のすぐ上で処理することは困難であるか不可能である。それゆえに、エラストマー層２００および３００は、デバイス層１１０およびキャップ層１２０を構成するのと一緒に薄膜デバイス１００の処理が終了した後に、貼り付ける、接着剤で付ける、または溶着することによって付けられる。

デバイス・アセンブリ１００－１は、背面可撓層２００が可撓薄膜デバイス１００を裏打ちし、前面透明エラストマー層３００が可撓薄膜デバイス１００を覆っている、例示的な変形形態を示す。

背面エラストマー層２００および前面エラストマー層３００は、保護無機層１２０の中立線Ｎを機械的に形成するように寸法設定される。これは、たとえば層２２０、３００（アセンブリ１００－３参照）のそれぞれの厚さを背面と一致させることによって行うことができ、背面とカバー面は材料が同じで厚さが異なる。そうせずに、異なる材料を背面２１０（アセンブリ１００－２）に選択することによって、またはフィラを使用することによって、わずかに異なる構成可撓層の曲げ剛性を利用することもできる。典型的な一例では、背面およびカバー面は、ヤング率が非常に圧縮性である０．５から１００ＭＰａまでの範囲にわたる可撓性を有する。
無機層１２０は、水蒸気透過速度が＜１０^－６ｇ／ｍ^２／日（１０Ｅ－６ｇ／平方メートル／日未満）であるキャップ層とすることができる。このような層の典型的な破壊ひずみは、たとえばＳｉＮまたはＡｌＯ_ｘの薄層の極端に脆い特性により、１％未満である。すなわち、層１２０は、蒸気透過速度の完全性を、示した１～３％のひずみ閾値を超えて保つことができない可能性があり、そのため薄膜デバイスは、電気活性スタック１１０に水が浸入することに起因して不完全になる。

いくつかのデバイス・アセンブリでは、薄膜デバイス１００が非常に薄くなり得るのでデバイスは、両面がキャップ層１２１、１２２で覆われることがあり、また、デバイス１００の中立線を形成する可撓性の前面層２００および背面層３００からなるアセンブリ１００－２または１００－４の１％のひずみ許容値に入ることがある。
デバイス・アセンブリ１００－４は、前面および／または背面の可撓層を凹部３３０のパターンで覆うことができる別の態様を示す。凹部は、たとえば、より多くの光が薄膜デバイス１００を出ることを可能にするために使用され得る。凹部は、ピクセルで構成された形、またはより大きいパターンとすることができる。１つの利点は、可撓層３２０が、薄膜デバイスがひずみの作用を受けることを制限するその機能を、可撓ストリップ３３１形のパターンまたは凹部３３０を有することだけで実現することである。凹部は、エンボス加工またはレーザ切削によって形成することができる。いくつかの例では、十分な曲げ剛性をストリップ３３１または非常に深い凹部３３０によってもうすでに形成することができ、凹部は追加の柔らかい保護層としてだけ機能することができる。
この凹部のパターンは、ひずみ保護を行うために必要とされる不可欠の曲げ剛性に依存する。凹部３３１は、比較的浅くする、非常に深くする、さらにはスルーホールを形成することもでき、スルーホールは電気接続に有利なことがある。凹部のピッチ寸法は、非常に微細な寸法（たとえば、１０マイクロメートル）から粗い寸法（たとえば、１０ｍｍ）まで変えることができる。

別法として、厚さが５０マイクロメートル未満の可撓薄膜デバイス１００を実現するために、外部電子機器との電気接点を、可撓層２００、３００を積層する前にデバイス・スタック１００に形成することができる。

たとえば、外部電子機器接続部は、可撓層２００、３００に入れることができる。別のシナリオでは、外部電子機器用の接点が積層領域の外側に設置され接触することができるように、薄膜デバイス１００はエラストマーよりも大きい。別の可能性は、デバイスとの電子的な接続を行えるようにスルーホール付きのエラストマーを構築することである。電気接続部（ほとんどの場合、能動デバイスまたはアレイの周辺部に設置される）を得るための１つの選択は、エラストマーの縁部で完全にエラストマーを除去することであって、ラミネート層の構造化縁部を作り出し、その除去された領域に接点が設置される。
ａ．１つの例では、可撓層の構造化は薄膜デバイス１００の積層の前に行うことができる。たとえば孔が、デバイスの位置、もしくは電気接点位置、または両方においてエラストマーを機械切削またはレーザ切削することによって作られる。構造化可撓層を薄膜デバイスに積層するとき、構造体は、薄膜デバイス１００およびその電気接点に対し位置合わせされる。
ｂ．別の例では、積層化が薄膜デバイスの全領域にわたって行われることがあり、可撓層の構造化は、機械加工または熱加工では下にある電子回路を損傷しやすいので、好ましくはレーザによって後で行われる。
ｉ）エラストマーの積層は２ステップの加工によって、まず低温でデバイス／基板とエラストマーの間の接着が弱い状態で行うことができる。その後エラストマーはレーザによって構造化することができ、余分なエラストマーは除去することができ、最終の積層化ステップが行われて、残っているエラストマーに対して良好な接着が得られる。
ｉｉ）低い接着層の局所堆積が、可撓層の前面部分がレーザ構造化の後に除去されなければならない位置で行われ得る。この場合、エラストマーは、薄膜デバイス１００の全領域の上に積層することができ、その後レーザ構造化し、薄膜デバイス１００（たとえば、デバイス上またはその基板１０１上に形成された接点）との接着が弱い層と一緒に簡単に除去することができる。
ｉｉｉ）好ましくは、可撓層は透明なエラストマーである。たとえば薄膜デバイス１００が不透明である場合には、レーザエネルギーが下の層に吸収されると、レーザ構造化が困難になり得る。色素がエラストマー層に加えられることがあり、この色素は、好ましくは吸収が可視範囲の外側であり、すなわちＵＶまたは（近）赤外吸収であり、レーザ波長に対する感受性が高い。レーザ構造化がエラストマーに対して行われると、レーザ光は主としてエラストマーに吸収され、構造化をすることができる。

図３Ａは、エラストマー層がない可撓ＯＬＥＤまたはＯＬＥＤ薄膜デバイスの密封スタックの一例を示す。基板、ＯＣＰ１層、ＯＣＰ２層（平坦化のための有機コーティング）、およびトップコートは通常、スタック中の機械的支配層であり、総厚およびスタックの全機械的特性を決定する。ｄ１～ｄ４は通常すべて、厚さが＞１μｍである。薄膜デバイスはさらに、典型的にはＳｉＮのキャップ層、バックプレーン、およびＯＬＥＤ層を備え、これらは通常、厚さがすべて＜＜μｍである。それゆえに、これらの機械的な寄与は最小限である。ここでの基板厚さはｄ１である。箔上の下部バリアは、スタックＳｉＮ１／ＯＣＰ１／ＳｉＮ２から構成される。ＯＣＰ層は、水侵入および優れたバリア性能に関する支配的機構として、ＳｉＮ層のピンホールを分離してピンホール間の拡散を確実にするために導入される（Ａｋｋｅｒｍａｎ、ｖａｎ ｄｅ Ｗｅｉｊｅｒ、Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２０１７年）。下部バリアの上でデバイスが加工される。その後、最上部密封部が付けられ、ＳｉＮ３／ＯＣＰ２／ＳｉＮ４を構成する。トップコートが、最上部ＳｉＮ層の機械的保護のために付けられる。曲げやすい、または折り畳めるデバイス（後者は曲げ半径が＜２ｍｍ）について論じるときの機械的な観点から、デバイス高さ（ＳｉＮ２とＳｉＮ３の間）に近接する中立線が選択される。

その理由は、この場合に電子部材（デバイス）は、曲げたときに多くの機械的ひずみを示さないからである。中立線の位置は、個々の層の特性、ヤング率（Ｅ）と厚さ（ｄ＃）の組み合わせによって決定される。特定の半径で曲げると、各層でひずみを受け、このひずみは中立線からの距離と共に増加する。曲げると中立線から内側が圧縮応力を受け、外側が引張応力を受ける。（脆い）ＳｉＮは、破壊前に約０．８％の引張応力を受け得ることが知られている。外側ＳｉＮ層（ＳｉＮ１およびＳｉＮ４、これらのうち少なくとも１つ、しかしおそらく両方）には、曲げたときに最大のひずみを受ける。それゆえに、曲げることができるデバイスでは、スタックは、特定の半径で曲げたときのＳｉＮ１および／またはＳｉＮ４のひずみレベルが破壊ひずみ限界未満にとどまることを確実にするために、距離ｘ１（中立線からＳｉＮ１まで）およびｘ２（中立線からＳｉＮ４まで）が最小限になるように設計される。好ましくは、デバイス高さに近接する中立線では、ｘ１≒ｄ２、およびｘ２≒ｄ３である。
したがって、スタックの総厚は、ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４の合計によって決まる。ｄ１＋ｄ２≒ｄ３＋ｄ４であることが、中立線がデバイス高さに近接することを確実にすると予想されるかも知れないが、ヤング率は異なる層間で大きく変わり得るので、これは必然ではない。高ヤング率の薄い基板は、中立線の反対側で、非常に低ヤング率の厚いトップコートによって「補償する」ことができる。

ＴＰＵまたはエラストマーが上記で提示したスタックの最上部および／または下部に付けられると、そのヤング率は、デバイス・スタックの他の層と比べて非常に低くなる。エラストマーのヤング率は通常、１００ＭＰａ未満であり、上記の層（基板／ＯＣＰ／トップコート）では＞１ＧＰａである。このことは、ある効果を機械的に得るには、厚いエラストマー層が付けられるべきことを示唆している。このことはまた、エラストマーが上記で提示した層と同じ厚さ範囲であるとき、またはエラストマーがデバイスの両面に付けられるときに中立線位置の移動が最小になることも示唆している。その場合、曲げ安定性に対する制限要素（距離ｘ１および／またはｘ２）は同じままである。しかし、スタックの全剛性は、曲げ剛度（すなわち曲げ剛性Ｄ）が厚さに対してはその３乗（ｄ^３）に依存するがヤング率に対しては直線的に増減するので、厚いエラストマー層によって増加させることができる。エラストマーが厚さを増すと、
ｄ円錐欠陥が、増大した曲げ剛性≧約１０^－４Ｎｍにより、または曲げることによってエラストマーの外側層が受ける増大した圧縮力（＞２～３Ｎ）により、防止される。以下に、いくつかの極端な場合と、これらがヤング率および圧縮力とどのように関連するかとを提示する。

図３Ａに描かれたスタックは、製造するのに最薄の実現可能な折り畳めるデバイスを提示する。最薄のデバイスの開始点は、厚さがｄ１の基板である。基板厚を低減するので、加工の困難さ、特に剛性の担体から剥離することの困難さが増大する。増大する困難さと共に、完全なデバイスの歩留まりが低くなる。それゆえに、厚さが＜５μｍのポリイミド層（ＯＬＥＤ表示装置では一般的な基板の選択）を用いて作業することは、近い将来では現実的ではないと予測される。最薄デバイスについての第２の考慮事項は、下部および最上部バリアのＯＣＰの機能性である。ＯＣＰは、下にあるＳｉＮ層に存在する粒子を平坦化して、ＯＣＰの両側の２つのＳｉＮ層のピンホールの完全な分離を確実にすることができる。粒子のサイズおよび特性は、加工条件および環境によって決定され得るが、高い歩留まりを得るために、ＯＣＰ層は５μｍより大きくすることができる。良好な結果を１０μｍのＯＣＰ厚さで得ることができるが、５μｍより小さいと、ＯＣＰの機能性が問題となり得る。ｄ１が５μｍに設定され、（かつポリイミドのヤング率が約８ＧＰａであり）ｄ２が５μｍ厚に設定される場合、現実的なヤング率範囲での最薄の実現可能なデバイスは、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝５ｕｍであるので２０μｍの総厚で構成される。すべてが約８ＧＰａのヤング率を有する場合の例では、このスタックの曲げ剛性はＤ＝７．５×１０^－６Ｎｍになる。０．７ｍｍの曲げ半径（中立線基準に対して０．７ｍｍの半径）では、ＳｉＮ１およびＳｉＮ４のひずみレベルは、ＳｉＮの破壊ひずみを大幅に下回る。エラストマーが付けられた場合には、選ぶことができるヤング率のいくつかの状況があり、約１０^－４Ｎｍの総曲げ剛性を達成するための別の最小厚になる。極めて低いヤング率（０．５ＭＰａ、例としてＰＤＭＳ）、中間のヤング率（２３ＭＰａ、試験したＴＰＵのヤング率）、および高いヤング率（１００ＭＰａ）を選んでその限界を見つけることができる。

上述のスタック１に関して両面にエラストマーを付けることによってＤ≒１０^－４Ｎｍを達成するために、
ａ．ヤング率１００ＭＰａ、エラストマー厚１００μｍでは、約０．６ｍｍ半径（中立線基準で０．７ｍｍ）での圧縮が１７％、この圧縮に必要な約２．７Ｎの力に相当する。
ｂ．ヤング率２３ＭＰａ、エラストマー厚１６０μｍでは、約０．５５ｍｍ半径（中立線基準で０．７ｍｍ）での圧縮が２６％、この圧縮に必要な約５．１Ｎの力に相当する。
ｃ．ヤング率０．５ＭＰａでは、実際的な限界内でＤ≒１０^－４Ｎｍを達成することができない。５００μｍのエラストマー厚さでは、Ｄ≒５．６×１０^－５Ｎｍ。この場合、エラストマー内側の曲げ半径は０．２ｍｍになり（中立線基準で０．７ｍｍ）、圧縮が７０％、この圧縮に必要な約２２Ｎの力に相当する。

図３Ｂは、たとえば中立線が基板内のある高さまで移動するように基板厚さが大きい、別の例を示す。これは、ｘ２が強く増大され、ｘ２＞＞ｄ３であることを意味する。これは、曲げたときにＳｉＮ４が大きいひずみを示し、その結果、デバイスが小さい曲げ半径で曲げられるときに許容可能な曲げ半径が限定され、ＳｉＮ４の損傷が早まることを意味する。これは、製造するのに適切な厚さを有する薄膜デバイスの上限を示すことができる一例になり得る。
折り畳めること（曲げ半径＜２ｍｍ）を実現できる厚いスタックを選ぶために、たとえば、ヤング率がわずかに低いＰＥＮ基板の基板厚ｄ１が選ばれ、この厚さは、限定的にではあるが、ＯＬＥＤ表示装置を製造するための温度安定性の観点から使用することができる。たとえば、３０μｍの厚さを用いることができる。その場合には、ＯＣＰ１およびＯＣＰ２は厚さが１０μｍに選ばれ、トップコートは厚さが６０μｍに選ばれ得る。箔上の密封デバイスは、１１０μｍの総厚を有し得る。ＯＣＰおよびトップコートは、この目的のために、ヤング率が約１．１ＧＰａである現在の材料に選ばれる。この状況では、中立線は、デバイス高さの正確に中間にないことがある。それゆえに、ＳｉＮ１とＳｉＮ４で受けるひずみが同じではないことがある。２ｍｍの曲げ半径では、ＳｉＮ層は、最も大きいひずみが依然として破壊ひずみ未満である。このスタックの曲げ剛性は、もうすでに＞１０^－４Ｎｍであり、すなわちＤ＝３×１０^－４Ｎｍである。それゆえに、ヤング率を１０^－４よりも大きくするためのエラストマー層を付ける必要がない。しかし、曲げるために必要な力を大きくしたい場合には、総厚が６１０μｍになり、Ｄ＝８×１０^－４Ｎｍになるように２５０μｍの２３ＭＰａ ＴＰＵ層を両面に付けることができる。１．７５ｍｍの曲げ半径（中立線基準で２ｍｍの半径）では、外側ＴＰＵで受ける圧縮は約１５％になり、その圧縮に必要な約２．３Ｎの力に相当する。

図４ａは、前面および背面のエラストマー層（熱可塑性ポリウレタン）について計算されたひずみ曲線を示す。厚いエラストマー層では、エラストマーの前側境界面は、厚さが増すと共にひずみ値（外側が引張、内側が圧縮）が大きくなる。
折り畳めるＯＬＥＤの固定曲げ半径におけるエラストマー層と折り畳めるＯＬＥＤとの増加する厚さに関して、図４ｂは、約１ｍｍの一定の曲げ半径での、増加する背面エラストマー層の厚さに対するエラストマー層の背面可撓層の圧縮力曲線を示す。外側層の破壊ひずみレベルは変わらずに、０．８％未満のままである。

図４ｃは、層厚を増加させるためにエラストマー層で前面および背面が覆われた薄膜デバイスの曲げ剛性間の比較を示す。各エラストマー層の層厚約１２５μｍでは、スタック全体の曲げ剛性は約１０^－４Ｎｍである。その厚さ付近ではまた、エラストマー層とデバイスの各曲げ剛性Ｄが実質的に等しい。

図４ｄでは、前面エラストマー層が受ける圧縮力が、曲げ剛性（ｂ）に対してグラフ化されている。１０^－４Ｎｍの曲げ剛性Ｄより上では、圧縮力は、曲げ剛性Ｄに対してほぼ直線的に増加し（対数・対数目盛で）、エラストマー層の曲げ剛性に支配されることを確認することができる。点在する数字は、対応する層のマイクロメートル単位の厚さ、すなわち１０～３００マイクロメートルの範囲の厚さを示し、デバイスは、１００～１２５マイクロメートルを超える厚さでは直線的に挙動する。

エラストマーは、フックの法則に従わない材料であり、変形は、加えられた負荷に正比例しない。一例がＴＰＵであり、熱可塑性ポリウレタンとして知られる材料である。エラストマーは、粘弾性材料と同様の特性を有する。技術工学で使用される従来の材料と比較して、エラストマーの変形機構は大きく異なる。エラストマーのポアソン比は通常０．５であり、液体のように挙動する。したがって、変形の場合では、エラストマー材料の初期挙動はほとんど無応力であるが、さらに変形される条件では、エラストマー材料の内部応力は、基板に作用する変形力と平衡する点まで蓄積する。このようにして、内部応力は、たとえば２ｍｍの所与の値よりも小さい曲げ半径許容値に対して基板がさらに変形することを防止し、この所与の値は、破壊ひずみ未満で層の完全性を維持するための、脆い有機層のひずみがなお容認できる安全値として選ばれる。適切に選ばれたエラストマー層と、破壊ひずみが非常に低い（すなわち極めて脆い）無機層とを組み合わせることがこれらの層を、手で扱うことおよび使用適用例での変形に対して堅牢にし、この場合基板面積は、曲げ半径が、たとえば２ｍｍ、またはそれより大きい、または小さい（破壊ひずみに依存する）半径許容限度未満である個所の基板の全面にわたって変形が伝達することによりｄ円錐が現れることもあり得た、十分な大きさにすることができる（たとえば、直径１０ｃｍより大きく、さらには直径が２０ｃｍまたは４０ｃｍよりも大きい）。

総曲げ剛性（Ｄ）は、１２５μｍを超える層厚ではエラストマー層によって支配され、同時に、ある厚さに対応し、この厚さを超えると圧縮力はＤに対して対数・対数目盛で直線的に増加する、すなわち比較的緩慢に増加する。この値未満では、圧縮力はもっと急激に増加する。このようなスタックのｄ円錐形成は、ＴＰＵ厚さが１００μｍを超える場合にはほとんど防止されることが分かる。１００μｍのエラストマー層によって両面にｄ円錐を強制的に形成することがなお可能であり得るが、ｄ円錐現象が起きる小さい曲げ半径を形成するのに必要な力が実際の使用では現実的ではないので、自然発生的にｄ円錐が形成されることは実質的に防止される。この範囲では、全スタックの曲げ剛性は、これらのＴＰＵ厚さに対して０．５～５０×１０^－４Ｎｍの範囲にわたる。
２～３Ｎを超える圧縮力の増加により、自然発生的なｄ円錐の形成が、曲げ剛性≧約１０^－４Ｎｍと組み合わせて防止されると推測される。いくつかの例を示すと、標準的な家庭用Ａｌ箔は１６μｍの厚さであり、ヤング率が約７０ＧＰａである。その破壊ひずみは２．７×１０^－５Ｎｍであり、Ａｌ箔は、手で扱うと容易にしわくちゃになり、すなわちｄ円錐を形成する。ＰＩ（Ｅ＝８ＧＰａ）およびＰＥＮ（Ｅ＝５．８ＧＰａ）のようなプラスチック基板では、１０^－４Ｎｍの曲げ剛性が得られる厚さは５０μｍに近い。この厚さはまた、これらの箔が非常に手で扱いやすい厚さでもある。基板サイズは、１０～１５ｃｍ×３～１５ｃｍの範囲にあり得る。

最小曲げ半径よりも小さい曲げ半径で局部曲げ点を作るのに数ニュートン以上が必要とされる場合には、局部ｄ円錐の自然発生的な形成は起きず、代わりに、より大きい面積にわたって非常に大きい曲げ半径に広がる、と想定される。手で扱うことについての上記の例はすべて、ヤング率が約１ＧＰａを超える材料についてのものである。望ましい、もっと柔らかい可撓性の材料、たとえば、あるヤング率（Ｅ＜＜１００ＭＰａ）を有する、面内変形しやすいＴＰＵまたはＰＤＭＳでは、低い曲げ剛性が、非常に局部化したｄ円錐および急激な変形をもたらさない。
たとえば、商品名ｐｌａｔｉｌｏｎでヤング率（Ｅ＝２３ＭＰａ）を有する２５０μｍのＴＰＵ層では、ＯＬＥＤ薄膜デバイス上に設けられた場合で、曲げ剛性はＤ＝３．３×１０^－５Ｎｍになる。

それゆえに、折り畳める薄膜デバイスに付けられる保護エラストマーの可撓層の実際の適用例では、エラストマーのヤング率は０．５～１００ＭＰａの範囲で、また厚さは７５～５００μｍの範囲で変わり得る。７５μｍ未満の厚さでは、ＴＰＵにかかる圧縮力が低くなりすぎることがあり、そのため自然発生的な局部ｄ円錐がやはり生じる。５００μｍを超える厚さでは、全スタックの可撓性がＴＰＵによって限定されることになる。この厚さは、ヤング率が基板よりも大幅に低い、また曲げ剛性が基板の曲げ剛性以上である、非常に柔らかい材料の可撓性エラストマー層では適切に機能する。

本明細書および図面は、説明的なものとみなされるべきであり、添付の特許請求項の範囲を限定するものではない。
添付の特許請求項を解釈する際は、次のように理解されたい。すなわち、
ａ）用語の「備える」は、示された特許請求項に列挙されたもの以外の要素または動作の存在を除外しない、
ｂ）ある要素の前の用語の「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」は、複数のこのような要素の存在を除外しない、
ｃ）特許請求項中のいかなる参照符号も特許請求の範囲を制限しない、
ｄ）開示されたデバイスまたはその一部分のいずれも、特にことわらない限り、一緒にされて、または分離されて別の部分になることができる。
ｅ）特にことわらない限り、特定の動作順序が必要とされるものではない。

Claims (9)

1. 曲げ半径２ｍｍ以下で曲げたり丸めたりすることができ、厚さが１００マイクロメートル未満の自立型可撓薄膜デバイス（１００）であり、基板（１０１）上に形成された電気活性層のスタック、および１つまたは複数の保護無機キャップ層（１２０）を有する可撓薄膜デバイスと、
   前記可撓薄膜デバイスを裏打ちする背面エラストマー層（２００）と、
   前記可撓薄膜デバイスを覆う前面透明エラストマー層（３００）と
   を備える、折り畳める薄膜デバイス・アセンブリであって、
   前記背面エラストマー層（２００）および前記前面透明エラストマー層（３００）が、ヤング率が０．５ＭＰａを超え１００ＭＰａ未満で厚さが７５マイクロメートルを超えるエラストマー材料から形成され、それぞれの曲げ剛性が前記可撓薄膜デバイスの曲げ剛性以上である、折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
2. 前記保護無機キャップ層（１２０）は、水蒸気透過速度が＜１０ ^－６ ｇ／ｍ ^２ ／日であり、破壊ひずみが１％未満である、請求項１に記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
3. 前記背面エラストマー層（２００）と前記前面透明エラストマー層（３００）が、同じ材料からなり厚さが異なる、請求項１または２に記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
4. 前記前面透明エラストマー層（３００）が凹部のパターンを有する、請求項１から３のいずれかに記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
5. 前記前面透明エラストマー層（３００）がスルーホール付きの格子線のパターンを有する、請求項１から４のいずれかに記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
6. 前記前面透明エラストマー層（３００）または前記背面エラストマー層（２００）が、前記可撓薄膜デバイスとの電気相互接続を行うための１つまたは複数のスルーホールを備える、請求項１から５のいずれかに記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
7. 前記背面エラストマー層（２００）および前記前面透明エラストマー層（３００）は厚さが５００マイクロメートル未満である、請求項１から６のいずれかに記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
8. 前記背面エラストマー層（２００）および前記前面透明エラストマー層（３００）が、中立線（Ｎ）を有する層スタックを形成し、前記１つまたは複数の保護無機キャップ層（１２０）が、折り畳まれたときに前記１つまたは複数の保護無機キャップ層（１２０）のひずみを破壊ひずみ未満に維持する、請求項１から７のいずれかに記載の折り畳める薄膜デバイス・アセンブリ。
9. 前記可撓薄膜デバイスが、丸めることができる表示画面（３００）であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の薄膜デバイス・アセンブリ。
   

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