TWI401120B - 用於氣化顆粒物質的氣化系統 - Google Patents

Description

用於氣化顆粒物質的氣化系統

本發明係關於物理性氣相沉積的領域，其中將源物質加熱至產生氣化的溫度並且製造氣化羽以在基質的表面形成薄膜。

一種OLED器件包含基質、陽極、由有機化合物組成的電洞傳輸層、具有適當摻雜劑的有機發光層、有機電子傳輸層以及陰極。OLED裝置係吸引人的，因為其具有低驅動電壓、高亮度、廣角視野以及能夠用於全彩平面發射顯示器之能力。Tang等人在其共同讓與之美國專利第4,769,292號以及第4,885,211號中描述此多層OLED器件。

在真空環境中的物理性氣相沉積係沉積在小分子OLED器件中使用的薄有機物質薄膜之主要構件。該方法已為吾人所熟知，例如在Barr之美國專利第2,447,789號以及Tanabe等人之EP 0 982 411。在維持或者接近於期望比率相依氣化溫度且持續延長時段時，在OLED器件的製造中使用的有機物質經常遭受降級。將敏感有機物質曝露於高溫下可導致分子結構的變化及物質性質的相關聯變化。

為了克服此等物質的熱敏感性，僅裝填少量有機物質至來源並且其盡可能地少受熱。以此方式，物質在其達到溫度曝露臨限而導致顯著降級前被耗盡。此實踐的限制係由於加熱器溫度的限制導致可利用的氣化速率係非常低，以及由於僅少量物質存在於來源，其操作時間係非常短。低沉積速率以及頻繁的來源再填充對OLED生產設施的生產量加諸了實質性的限制。

將全部有機物質加熱至大略相同溫度之次要後果係將額外的有機物質諸如摻雜劑與主體物質混合係不切實際的，除非物質的氣化行為與蒸汽壓非常接近。情況通常不是這樣，並且先前技術之器件經常要求使用分離之來源以共同沉積主體以及摻雜劑物質。此等多個來源必須保持成角度的佈置以便來自各來源的氣化物質在OLED基質上的共用點匯合。此多個分離間隔之來源的使用導致可被共同沉積之物質數量上明顯的限制，以及主體和摻雜劑薄膜的均勻性上的明顯不足。

在OLED器件中使用的有機物質具有對來源溫度之高度非線性的氣化比率相依性。來源溫度的微小變化導致在氣化速率極大的變化。儘管如此，許多器件將來源溫度用作為控制氣化速率的唯一方法。為達到好的溫度控制，先前技術之沉積來源一般利用加熱結構，其中固體容積遠大於有機電荷容積，結構由絕緣良好的高導熱率物質組成。高導熱率藉由結構確保良好的溫度均勻性並且巨大的熱質量藉由減少溫度波動幫助在關鍵性的小範圍內保持溫度。此等測量在穩態的氣化速率穩定性上具有期望的效果但在啟動時具有不利影響。此等器件必須在啟動時於穩態熱平衡之前操作許多小時，由此達成穩定的氣化速率。

該來源之另一限制係蒸氣歧管的幾何形狀隨著有機物質填料的消耗而改變。此改變要求改變加熱器溫度以保持恒定的氣化速率。吾人觀察到離開孔口的水蒸氣之整體羽煙形狀可隨著在來源中的有機物質厚度以及分配而改變，尤其當具有裝滿物質的來源中，蒸氣流之導電性足夠低以支撐在來源內不均勻的氣化之壓力梯度。在此情況中，隨著裝填物質被消耗，導電性增加並且改良壓力分佈以及由此之整體羽煙形狀。

一些有機物質係極度溫度敏感並且具有相對較低的蒸氣壓力。當氣化此等物質時已經遭遇困難，即使其中物質係自冷凍儲存器在必要之基礎上定量供應至加熱區。在先前技術器件中的粉末饋送線路允許熱自立即被氣化的物質處傳輸離開並且因此阻礙此等敏感以及低蒸汽壓物質以商用實際速率氣化。在先前技術之器件中沿著粉末饋送線路的熱傳導亦是一些極度溫度敏感物質之降級的根源。

因此本發明之目的係提供一種器件以及方法，用於在氣化有機物質的同時限制其曝露在可導致物質降級的溫度。本發明之另一目的係允許單個來源沉積兩個或更多個有機物質組分。本發明之更進一步的目的係快速地達到穩定的氣化速率。又一目的係以有機物質之大量裝填以及穩定的加熱器溫度來保持穩定的氣化速率。

此目的藉由用於容納並且氣化顆粒物質之氣化器達成，其包括：

(a)一種加熱器，其具有由配位體組成的網狀物質結構，該等配位體界定適合於容納顆粒物質的空隙，其中該等空隙包括大於85%之網狀物質結構的容積以便將顆粒物質遞送進入空隙並且促進自空隙傳導氣化物質；及

(b)一種用於引起熱由該等配位體製造或者傳導的構件以氣化在空隙中的顆粒物質並經過空隙傳導之。

本發明之一優點係僅短期間並且以可控速率加熱小部分有機物質。顆粒在一方式中被迅速地氣化，其中該等顆粒不可傳導或反而將熱驅散至較冷的表面。因此，可氣化的物質保持其純度以及結構直到被氣化。大多數有機物質保持在遠比期望之氣化溫度更冷的溫度上。

另一優點係加熱裝置可以給定之沉積速率固定在比先前之氣化器件更低的溫度，因此降低氣化物質之降級的概率。

本發明之又一優點係其可藉由有機物質之連續的再裝滿以及穩定的加熱器溫度保持穩定的氣化速度。器件因此允許來源的延伸操作，其具有大體上降低的降級即使係極端溫度敏感的有機物質之風險。

本發明之再一優點係其允許具有不同的氣化速率以及降級溫度臨限之物質在相同來源中共同昇華。

本發明之進一步優點係其藉由控制有機物質粉末的容積計量比率而允許線性的氣化速率控制。

本發明之更進一步優點係其可迅速停止以及重啟動氣化並且藉由控制有機物質的計量比率而達到穩定的氣化速率，進而在基質未經塗佈時降低沉積腔室的器壁污染以及保存有機物質。

現轉至圖1，其顯示根據本發明之氣化系統的一具體實施例之截面視圖。氣化系統10包含歧管20，其具有可由支撐件40固定位置之加熱器30。加熱器30容納並且氣化顆粒物質80。加熱器30具有網狀物質結構，其由在物質中界定空隙的配位體組成。空隙包括大於85%的網狀物質結構的容積以便於將顆粒物質遞送進入空隙，並且自空隙將氣化物質傳導至周圍環境。一用於加熱器30的實用網狀物質係網狀玻璃碳。網狀玻璃碳係由類似玻璃的碳配位體組成的開孔泡沫物質，該等碳配位體界定可容納顆粒物質的空隙。網狀玻璃碳可具有高達97%大小的空隙容積。此種物質已經被描述於，例如Stiller等人之美國專利第5,888,469號以及Stankiewicz之美國專利第6,103,149號，並且可自若干來源從市場上獲得，諸如加州奧克蘭之ERG Materials and Aerospace Corporation，以及加州之Ultramet of Pacoima。其可以無塗層方式購得，或者具有在配位體上耐火金屬或者陶瓷的保角塗層。此等塗層對改良玻璃碳配位體的熱傳導率係實用的。一些實用的耐火金屬之實例包含鎢、錸、鉭、鈮以及鉬。一些實用的陶瓷塗層之實例係碳化矽、碳化鉿、碳化鉭、碳化鈮以及碳化鋯。就陶瓷塗層而言，導電的陶瓷可對本文所描述之其中使用電流加熱加熱器30之一些具體實施例係實用的。金屬碳化物因此在此方面係實用的。碳化矽並非高度導電的，但在玻璃碳框架上的碳化矽塗層形成具有良好的導熱率以及導電率之加熱結構。

容器70可保持及作為顆粒物質80的來源。顆粒物質80可自容器70處藉由饋送裝置60遞送至加熱器，以便將顆粒物質80配置在加熱器30之空隙中。可與本發明使用之饋送裝置的一些實例已經由Long等人在共同讓與之美國專利申請公開案第2006-0062918號中描述。遞送顆粒物質80至饋送裝置60的末端，並且由加熱器30容納。因此，可藉由控制顆粒物質80的遞送速率達到穩定的氣化速率。遞送可被中止及開始以迅速地中止以及重新開始氣化。將加熱器30加熱到氣化顆粒物質80所必需的溫度。因為顆粒物質處於由加熱配位體圍繞的環境中，其可被迅速地氣化並且因此要求相較於其他氣化方法之較低的溫度以用於迅速並且完全氣化。因為物質的氣化是迅速的，所以可藉由此方法如單一物質之有效率地氣化物質的混合物。加熱可藉由多種在技術中已知的方法來完成，不論是藉由使熱係由加熱器30之配位體所製造，或者是藉由在外部製造熱並且藉由加熱器30之配位體而通過加熱器來傳導熱。若網狀材料結構係導電的，電流可流過配位體，例如支撐件40可併有電觸點，以引起熱由電流流動所產生。在圖1a的組態中，期望之導電性的程度可由具有提供改良導熱性之塗層之網狀玻璃碳基底(matrix)提供，例如如上所述之碳化矽。作為選擇，在另一具體實施例中，熱可由分離之加熱元件(未顯示)提供，例如鎢絲，其與加熱器30接觸。在另一具體實施例中，加熱器30可由熱傳遞支撐件35所支撐，例如在圖1b中顯示之附著於加熱器30底部的金屬板。熱可被傳遞進入熱傳遞支撐件35，例如自分離的加熱元件，以便支撐件能夠使加熱器30藉由其配位體之傳導迅速加熱。此處稱加熱器30及其熱源為氣化器，例如氣化器25。顆粒物質80在進入網狀物質結構之空隙時將因圍繞其結構的熱而被氣化。顆粒物質80可係自固體直接變化成氣態，或者在氣化前經過液態以便其昇華。網狀結構有利於自網狀結構的空隙傳導氣化的顆粒材料80。

為了加熱器30中有效率的氣化，期望顆粒物質80具有200μm或者更小的有效直徑。在網狀物質結構中的空隙必須具有與顆粒物質的有效直徑相等或者更大之有效直徑以便促進將顆粒物質80遞送進空隙內。期望地係，空隙的有效直徑比顆粒物質80的有效直徑大兩倍，並且有幫助地係比顆粒物質80的有效直徑大3.5倍。與足以氣化顆粒物質80之溫度結合，此可產生在網狀物質結構中小於2秒之顆粒物質80的平均停留時間。

加熱器30可係平面或者成一定角度。以一角度放置加熱器30可具有一些優點，其便於將顆粒物質80遞送進入空隙並且自空隙傳導氣化的物質。第一，落在加熱器30上的顆粒物質80較不可能會在一點上成塊，因此增加顆粒物質80將被遞送進入加熱器30的空隙之可能性。第二，在重力影響下落下的顆粒材料80將遭遇更長之經過加熱器30的路徑，因此降低顆粒物質80將在被氣化前離開加熱器30的可能性。有幫助地係，加熱器30的角度相對於水平係在30°到70°之間。加熱器30一般在0.5到5cm厚度之間。為更進一步便於將顆粒物質80遞送進入加熱器的空隙，可振動加熱器30。網狀碳結構具有高剛性並且以極少的損失傳遞振動，所以，幾乎不可察覺的振動水平對於使粉末穿透入加熱器孔中係非常有效。

孔徑大小與有效粒子直徑的比、加熱器30的角度與厚度、加熱器30的振動存在或者不存在，以及加熱器30的溫度都可影響給定之顆粒物質80的氣化速率。因此用於顆粒物質80的最適氣化之加熱器30的精確性質以及定向將取決於顆粒物質的性質。

為更進一步限制顆粒物質80在升高溫度下的時間，在其到達加熱器30前將顆粒物質80冷卻可係有效的。例如，底座50可係具有外部冷卻(未顯示)之金屬結構。顆粒物質80在其經由饋送裝置60穿越底座時被冷卻，因此降低自加熱器30至歧管20的器壁以及至饋送裝置60的末端之熱傳遞的效果，並且將大多數顆粒物質80保持在遠比氣化溫度低的溫度下。

歧管20係如此安置以輕易容納由加熱器30製造之氣化物質。在加熱器30中製造或者由其傳導的熱使在空隙中顆粒物質80氣化，並且加熱器30之網狀物質結構使氣化物質經過空隙傳導並且遞送至歧管20。氣化物質可接著通過孔徑90並且將物質塗覆在期望的基質上。在圖1a中之歧管20的位置允許塗覆垂直定向的基質。吾人應瞭解孔徑90的定位以及將被塗覆的基質之定位與定向的變化係可能的。

現轉至圖2a以及圖2b，其顯示根據本發明之用於容納以及氣化顆粒物質之氣化器的另一具體實施例。圖2a顯示加熱器的截面視圖，其係氣化器的部分，具有如上所述之網狀物質結構。在此具體實施例中，加熱器110係設計以在顯示之定向中操作。顆粒物質80落下經過顆粒路徑120，其中路徑的部分係成角度的。如上所述，顆粒物質80可因此在顆粒路徑120的較低部分中遞送進入加熱器110的空隙中，其中可由配位體製造或者傳導的熱將顆粒氣化。

在截面線130處垂直於圖2a之視圖的圖2b顯示包含加熱器110之氣化器100的截面視圖。加熱器110夾在傳導板150a與150b之間。傳導板150a以及150b係傳導金屬，其可作為電極用於流動經過加熱器110配位體之電流以製造熱。多種金屬可被用於傳導板150a以及150b。方便地，鈦可由於其相關之化學惰性以及在升高溫度下保持強度的能力被使用。順應物質140a以及140b係導電以及導熱的物質，其可適應加熱器110以及傳導板150a與150b的表面特徵，因此提供在加熱器110以及傳導板150a與150b之間較佳的電接觸。一種有幫助的順應物質之實例係德拉威州之威明頓之GRAFOIL. UCAR Carbon Company Inc.所製造GRAFOILFlexible Graphite作為滾製片裝產品，其顯示優秀的抗拉強度以及一般超過97%元素碳的重量比。

亦包含散熱器160。散熱器160允許迅速調節網狀加熱器的溫度，以使得沉積速率之一些良好暫時的控制超過由粉末之計量速率給予的控制。傳導板150b作用為熱敏電阻以便網狀加熱器的溫度可藉由配位體中電阻產生的熱與流動至散熱器160的熱之間的平衡控制。實際上，散熱器160可被形成以便接觸在氣化系統10中接觸更大的結構，諸如水冷基底。

此具體實施例的一個優點係電觸點之間的距離係比圖1中的小。此允許使用無塗層之網狀玻璃碳作為導電網狀物質結構，因為在此距離其導熱性適合將熱傳導至散熱器160。無塗層之網狀玻璃碳較容易製造並且價格顯著較低。加熱器110的厚度不可過大，否則將危害迅速冷卻加熱器110的能力，也不可過小，因為氣化物質必須經過加熱器110的空隙傳導並且經過在傳導板150a於150b之間在加熱器110邊緣的器壁逸出。加熱器110在Z方向上係在0.5cm至5cm之間。此組態的另一優點係，即使顆粒沒有進入加熱器110的空隙中，其將仍舊在加熱的腔室中(顆粒路徑120的內部)並且將因此氣化。此具體實施例的更進一步優點係，因為加熱器110的厚度不大，吾人可藉由調節流經傳導片150a與150b之間的電流以迅速地改變加熱器的溫度。此溫度調節可係氣化速率的次要控制。

10．．．氣化系統

20．．．歧管

25．．．氣化器

30．．．加熱器

35．．．熱傳遞支撐件

40．．．支撐件

50．．．基底

60．．．饋送裝置

70．．．容器

80．．．顆粒物質

90．．．孔徑

100．．．氣化器

110．．．加熱器

120．．．顆粒路徑

130．．．截面線

140a．．．順應物質

140b．．．順應物質

150a．．．傳導板

150b．．．傳導板

160．．．散熱器

圖1a顯示根據本發明之一氣化系統的一具體實施例之一截面視圖；

圖1b顯示根據本發明之一氣化器的一替代具體實施例；

圖2a顯示根據本發明之一氣化器的另一具體實施例之一截面視圖；及

圖2b顯示圖2a之該氣化器的一不同截面視圖，其具有載流元件用於加熱。

10．．．氣化系統

20．．．歧管

30．．．加熱器

35．．．熱傳遞支撐件

40．．．支撐件

50．．．基底

60．．．饋送裝置

70．．．容器

80．．．顆粒物質

90．．．孔徑

Claims (11)

1. 一種用於氣化顆粒物質的氣化系統，其包括：(a)一顆粒物質的來源；(b)一加熱器，其具有由若干配位體組成的一網狀物質結構，該等配位體界定適合於容納若干顆粒物質的若干空隙，其中該等空隙包括大於85%之該網狀物質結構的容積以便促進將顆粒物質遞送進入該等空隙並且自該等空隙傳導氣化物質；(c)一歧管，被設置定位以容納由該加熱器製造之氣化物質；(d)用於藉由重力將該顆粒物質遞送至該加熱器以使此物質被配置在該等空隙中的構件；及(e)藉由該等配位體製造或者傳導而引起熱的構件(heat causing means)，以使得在該等空隙內之該顆粒物質氣化並且被遞送至該歧管；其中，該加熱器的角度相對於水平係在30°到70°之間。
2. 如請求項1之氣化系統，其中該網狀物質結構具有導電性，且該引起熱的構件使電流流經該等配位體以產生熱。
3. 如請求項2之氣化系統，其中該網狀物質結構包含玻璃碳。
4. 如請求項2之氣化系統，其中該網狀物質結構包含玻璃碳以及在該等配位體上的一耐火金屬或者傳導性陶瓷的 一保角塗層。
5. 如請求項4之氣化系統，其中該耐火金屬包含鎢、鉭或者鉬。
6. 如請求項4之氣化系統，其中該傳導性陶瓷包含碳化矽。
7. 如請求項1之氣化系統，其中每一空隙具有一等於或者大於該顆粒物質之有效直徑的有效直徑。
8. 如請求項7之氣化系統，其中每一空隙具有一比該顆粒物質之有效直徑大兩倍的有效直徑。
9. 如請求項1之氣化系統，其中該顆粒物質在該網狀物質結構中的平均停留時間係小於2秒。
10. 如請求項1之氣化系統，其中該引起熱的構件係一分離的加熱元件。
11. 如請求項1之氣化系統，其進一步包含用以在該顆粒物質到達該網狀物質結構之前冷卻該顆粒物質之構件。