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Auf
dem Gebiet der optoelektronischen Bauelemente sind in den letzten
Jahren verstärkt
organische, Licht emittierende Dioden (OLEDs) weiterentwickelt worden.
Organische Leuchtdioden umfassen dabei ein oder mehrere Schichten
von organischen, funktionellen Materialien, die zwischen zwei Elektroden
angeordnet sind. Beim Anlegen einer Spannung an den Elektroden elektrolumineszieren
die Materialien. Die organischen Materialien können dabei organische funktionelle
Polymere oder kleine organische Moleküle umfassen. Die Schichtanordnung
aus den organischen Materialien und den Elektroden ist dabei häufig auf
einem Substrat angeordnet und wird gegenüber der Umgebung mittels einer
Verkapselung abgeschlossen.
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Die
funktionelle Schichtanordnung aus den Elektroden und den organischen
Materialien ist dabei sehr feuchtigkeits- und sauerstoffempfindlich,
weil beispielsweise besonders leicht diejenigen Elektroden beschädigt werden
können,
die aus unedlen Metallen bestehen, und auch die organischen Schichten sehr
empfindlich sind. Aus diesem Grunde ist eine besonders dichte und
zuverlässige
Verkapselung der funktionellen Komponenten einer OLED gegenüber der
Umgebung notwendig.
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Bei
der Verwendung von starren Substraten und starren Verkapselungen,
beispielsweise Glasplatten, werden das Substrat und die Verkapselung über den
funktionellen Komponenten des optoelektronischen Bauelements häufig mittels
eines Klebers, beispielsweise auf der Basis von Epoxidharzen verklebt.
Diese Harze werden mittels UV-Strahlung aktiviert und anschließend bei
etwa 80 bis 100°C
ausgehärtet.
Dabei wird das komplette Bauelement auf einer Heizplatte bei dieser
Temperatur gehalten. Vor allem bei organischen Leuchtdioden kann
es dabei auch zu einer Beschädigung
der funktionellen Schichtanordnung kommen. So können beispielsweise bei höheren Temperaturen
Diffusionsprozesse der Elektrodenmetalle in die organischen Schichten
hinein ausgelöst
werden, die beim späteren
Betrieb in einer niedrigeren Effizienz und in einem starken „Burn-in-Effekt" während des
Betriebes resultieren.
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Aus
der WO 01/05205 A1 ist bekannt, flexible Laminatschichten mittels
eines Laminierprozesses zur Verkapselung auf organischen, elektrolumineszierenden
Leuchtdioden anzubringen. Beim Laminiervorgang selbst wird das Bauelement
hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, so daß es dadurch beschädigt werden
kann. Aus der
US 6,520,821
B1 ist ein Verfahren zur Verkapselung einer OLED mittels
eines Ultraschallschweißverfahrens
bekannt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verkapselung
von funktionellen Komponenten eines optoelektronischen Bauelements
anzugeben, bei dem eine besonders dichte und zuverlässige Verkapselung
möglich
ist, ohne das Bauelement gleichzeitig hohen Temperaturen auszusetzen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verkapselung von funktionellen Komponenten eines elektrischen
Bauelements wird über
den funktionellen Komponenten eine Verkapselung mittels Ultraschallschweißens mit
einem Substrat dicht verbunden.
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Beim
Ultraschallschweißen
werden Ultraschallschwingungen in die zu verschweißenden Oberflächen eingekoppelt.
Aufgrund der Überlagerung
der statischen und dynamischen Kräfte kommt es zu einer Annäherung der
zu verschweißenden Oberflächen auf
atomare Abstände,
so daß eine hochfeste
Bindung entsteht. Dabei liegen die Temperaturen beim Ultraschallschweißen deutlich
unter den Schmelzpunkten der beteiligten Werkstoffe. Aus diesem
Grunde werden elektrische Bauelemente, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
verkapselt werden, wesentlich geringeren Temperaturen ausgesetzt
als bei den oben genannten herkömmlichen
Verkapselungsverfahren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nur ein um die funktionellen Komponenten umlaufender Randbereich
der Verkapselung und des Substrats ultraschallverschweißt. Dies
hat den Vorteil, daß besonders
einfach nur ein lokal begrenzter, um die funktionellen Komponenten
umlaufender Randbereich besonders schnell verschweißt wird.
Da dieser Randbereich häufig
nicht im thermischen Kontakt mit den funktionellen Komponenten steht,
werden bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die funktionellen
Komponenten häufig
keiner erhöhten Temperatur
ausgesetzt. Bereits bei einem Abstand der funktionellen Komponenten
von etwa 2 bis 10 mm zum zu verschweißenden Randbereich ist kein nennenswerter
Temperaturanstieg mehr feststellbar, der das Bauelement schädigen könnte.
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Weiterhin
ist es möglich,
daß der
gesamte Randbereich gleichzeitig ultraschallverschweißt wird. Dies
ist eine besonders schnelle und daher kostengünstige Verkapselungsmethode.
Beim Ultraschallschweißen
können
dabei sehr kurze Verkapselungszeiten von kleiner 30 s erreicht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es möglich, vor
dem Ultraschallschweißen
zwischen dem Substrat und der Verkapselung ein abdichtendes, ultraschallschweißbares Material
anzuordnen. Beim anschließenden
Ultraschallschweißen
dieses Materials wird dann besonders einfach die Verkapselung mit dem
Substrat über
das abdichtende Material verbunden. Mittels dieser Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens
lassen sich auch nicht ultraschallschweißbare Substrate und Verkapselungen
mittels Ultraschallschweißens
miteinander verbinden.
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Das
abdichtende Material kann dabei ausgewählt sein aus Glasloten und
Klebstoffen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei
besonders vorteilhaft Epoxidharzklebstoffe verwendet werden, die
bei Temperaturen von bis etwa 150°C
ausgehärtet
werden. Bei Verwendung dieser Klebstoffe lassen sich im Gegensatz
zu Klebstoffen mit Aushärtetemperaturen
von 80 bis 100°C
besonders dichte Verkapselungen erzielen.
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Aufgrund
des erfindungsgemäßen Ultraschallschweißverfahrens
ist es jetzt auch möglich, Glaslote
zu verwenden. Bei Glasloten handelt es sich um niedrig schmelzende
Gläser
mit niedriger Viskosität
und kleiner Oberflächenspannung.
Glaslote können
bei Temperaturen von mindestens 250°C schmelzen und dabei, wenn
sie als abdichtendes Material verwendet werden, eine besonders gute
Verkapselung ermöglichen.
Bei den bisherigen, herkömmlichen
Verkapselungsverfahren, bei denen das komplette elektrische Bauelement
erhitzt werden mußte,
war es nicht möglich,
derart hohe Temperaturen von oberhalb 250°C ohne Beschädigung der funktionellen Komponenten
anzuwenden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren können das
Substrat, die Verkapselung und das abdichtende Material ausgewählt sein
aus flexiblen, organischen Polymerfolien, thermoplastischen Kunststoffen
und Glasplatten. Dabei sind vor allen Dingen die flexiblen, organischen
Polymerfolien sowie die thermoplastischen Kunststoffe in der Regel
bereits selbst ultraschallschweißbar, so daß kein abdichtendes, ultraschallschweißbares Material
verwendet werden muß.
Bei Glasplatten, die transparent und besonders stoßfest sind,
empfiehlt sich die Verwendung der oben genannten abdichtenden Materialien.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden eine Verkapselung und ein Substrat verwendet, die jeweils
flexible organische Polymere umfassen und damit bereits selbst ultraschallverschweißbar sind. Dabei
wird dann die Verkapselung und das Substrat direkt mittels Ultraschallschweißens miteinander
verbunden.
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Im
Gegensatz zu Glas als Substrat oder als Verkapselung ist es möglich, die
flexiblen organischen Polymere direkt ohne Verwendung eines ultraschallschweißbaren abdichtenden
Materials miteinander zu verbinden. Dadurch ist es besonders einfach,
kostengünstig
und schnell möglich
eine zuverlässig
dichte Verkapselung von flexiblen elektrischen Bauelementen, z.B.
flexiblen OLEDs zu erhalten.
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Das
Ultraschallschweißen
wird dabei besonders vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen etwa 100°C und 250°C durchgeführt. Bei
dieser Temperatur können
besonders einfach Polymerfolien und hochtemperaturhärtende Kleber
ultraschallverschweißt
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden vor dem Ultraschallschweißen die funktionellen Komponenten
auf dem Substrat erzeugt und zur elektrischen Kontaktierung der
funktionellen Komponenten dienende streifenförmige Anschlußstücke ebenfalls
auf dem Substrat erzeugt. Anschließend wird auf den Anschlußstücken zwischen
der Verkapselung und dem darunter angeordneten Substrat ein thermoplastisches
Polymer angeordnet. Danach wird mittels Ultraschallschweißens die
Verkapselung so mit dem Substrat verbunden, daß jeweils ein Ende jedes Anschlußstückes zur
Kontaktierung der funktionellen Komponenten freigelassen wird und
gleichzeitig in einem anderen Bereich der Anschlußstücke die
Verkapselung über
das thermoplastische Polymer mit dem Substrat verbunden wird.
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Bei
dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ebenfalls
einfach möglich,
Elektrodenanschlußstücke durch
einen ultraschallverschweißten
Bereich aus der Verkapselung herauszuführen, wobei die Verkapselung
auch im Bereich der Anschlußstücke dicht
ist und dabei aufgrund des zusätzlich
vorhandenen thermoplastischen Polymers die Anschlußstücke während des
Ultraschallverschweißens
nicht beschädigt
werden.
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Insbesondere
können
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch organische elektrolumineszierende Dioden (OLEDs) verkapselt
werden, wobei vor dem Ultraschallschweißen eine Schichtanordnung aus
organischen, funktionellen Schichten und Elektroden als funktionelle
Komponenten auf dem Substrat erzeugt wird. Die organischen funktionellen
Schichten können
dabei organische elektrolumineszierende Polymere oder kleine organische
Moleküle
umfassen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zuerst ein Substrat mit darauf angeordneten funktionellen Komponenten
und einer darüber
angeordneten Verkapselung als Schichtanordnung auf einem Amboß fixiert. Anschließend wird
eine Sonotrode so in Kontakt mit der Schichtanordnung gebracht,
daß sie
eine zu verschweißende
Kontaktfläche
zur Schichtanordnung aufbaut, die einem um die funktionellen Komponenten
umlaufenden Randbereich entspricht. Anschließend wird gleichzeitig der
gesamte Randbereich ultraschallverschweißt.
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Bei
dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schichtanordnung
auf einem Amboß fixiert
und anschließend
unter relativ geringem Druck mittels der Sonotrode, einem hochfrequent
schwingendem Schweißwerkzeug,
Ultraschallschwingungen in die zu verschweißenden Bereiche eingekoppelt.
Dabei wird besonders vorteilhaft eine Kontaktfläche zwischen der Schichtanordnung
und der Sonotrode aufgebaut, die dem zu verschweißenden,
umlaufenden Randbereich um die funktionellen Komponenten entspricht.
Bei diesem Verfahren kann besonders einfach und in Sekundenbruchteilen
ein elektrisches Bauelement komplett und zuverlässig verschweißt werden.
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Dabei
ist es möglich,
den Amboß so
auszuformen, daß er
eine zu verschweißende
Kontaktfläche
zum Substrat und der Verkapselung ausbildet, die gegenüber der übrigen,
der Sonotrode zugewandten Oberfläche
des Amboß erhöht ist.
In diesem Fall stehen dann nur die zu verschweißenden Randbereiche des Sub strats
und der Verkapselung gleichzeitig in Kontakt mit dem Amboß und der
Sonotrode (siehe 5). Die übrigen Bereiche des elektrischen Bauelements,
die unter anderem die funktionellen Komponenten umfassen sind dann
in einer Vertiefung des Amboß oder
einer Vertiefung der Sonotrode untergebracht und werden dabei keinem
Ultraschallsignal ausgesetzt, wobei auch keine große Erwärmung der
funktionellen Komponenten des elektrischen Bauelements erfolgt (siehe 5).
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Im
folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren
anhand von Ausführungsbeispielen
und Figuren noch näher
erläutert
werden. Die Figuren sind dabei nur schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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1 zeigt
ein herkömmliches
Laminierverfahren im Querschnitt.
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2 zeigt
die typische Geometrie eines organischen, elektrolumineszierenden
Displays mit einer Verkapselung im Querschnitt.
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3 zeigt
ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
verkapseltes, elektrisches Bauelement in der Aufsicht.
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4 zeigt
ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
verkapseltes Bauelement im Querschnitt.
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5 zeigt
im Querschnitt eine Ultraschallschweißvorrichtung zusammen mit einem
organischen, elektrolumineszierenden Display.
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1 zeigt
ein herkömmliches
Laminierverfahren, bei dem auf ein organisches elektrolumineszierendes
Display 5 Laminierfolien 60 und 65 aufgebracht
werden, die anschließend
mittels einer Laminiervorrichtung 50 mit aufgeheizten Laminierrollen 55 fest
auf dem elektrolumineszierenden Display 5 aufgebracht werden.
Der Nachteil dieser herkömmlichen Verkapselungsmethode
besteht darin, daß das
gesamte organische elektrolumineszierende Display während des
Laminiervorgangs einem Druck und einer stark erhöhten Temperatur ausgesetzt
ist und aus diesem Grunde leicht beschädigt werden kann.
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2 zeigt
im Querschnitt ein organisches elektrolumineszierendes Display mit
einer Verkapselung 10. Dabei ist auf einem Substrat 15 eine Schichtanordnung
bestehend aus einer ersten Elektrodenschicht 2, beispielsweise
einer Anode, darüber befindlichen
organischen, funktionellen Schichten 3 und einer Topelektrode 4,
beispielsweise einer Kathode vorhanden. Die Verkapselung 10 ist
mittels eines abdichtenden Materials 30, beispielsweise
eines Epoxidharzklebers mit dem Display und dem Substrat verklebt.
Bei herkömmlichen
Verkapselungsverfahren werden nicht so gut abdichtende Epoxidharzkleber
als abdichtendes Material 30 verwendet, deren Aushärtungstemperaturen
zwischen 80°C
und 150°C
liegen. Dabei wird das gesamte Display erhitzt und damit erheblichen
thermischen Belastungen ausgesetzt.
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Im
Gegensatz dazu wird bei einem erfindungsgemäßen Verkapselungsverfahren
ein ultraschallschweißbares,
abdichtendes Material 30 zwischen der Verkapselung 10 und
dem Substrat 15 angeordnet, und danach z.B. eine Sonotrode 80 auf
die Verkapselung 10 aufgesetzt, die ein Ultraschallsignal einkoppelt,
wobei nur lokal das ultraschallschweißbare Material 30,
das zwischen der Verkapselung 10 und dem Substrat 15 angeordnet
ist, aufgeheizt wird. Bereits in geringen Abständen von 5 bis 10 mm vom ultraschallschweißbaren Material 30 ist
keine nennenswerte Temperaturerhöhung
mehr feststellbar. Dementsprechend läßt sich durch die Variation
des Abstandes d zwischen der funktionellen Schichtanordnung und
dem abdichtenden Material 30 sicherstellen, daß die Schichtanordnung
keiner Temperaturerhöhung
ausgesetzt ist. Werden als Verkapselung 10 zerbrechliche
Materialien, beispielsweise Glas verwendet, so ist es möglich, einen
Versteifungsrahmen 45 beispielsweise umlau fend an den Rändern der
Glasplatte anzuordnen. Dieser Versteifungsrahmen 45 kann
beispielsweise aus Materialien bestehen, die nicht ultraschallschweißbar sind.
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3 zeigt
in der Aufsicht ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verkapseltes,
elektrisches Bauelement 1. Ein Substrat 15 ist
gezeigt, auf dem funktionelle Komponenten 5 unter einer
Verkapselung 10 vorhanden sind. Innerhalb eines um die funktionellen
Komponenten umlaufenden Bereichs 20 ist das Substrat 15 mittels
Ultraschallschweißen mit
der Verkapselung 10 verbunden worden. Dabei werden die
funktionellen Komponenten 5 keiner Temperaturerhöhung ausgesetzt.
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4 zeigt
im Querschnitt ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens verkapseltes
organisches elektrolumineszierendes Display mit einer funktionellen
Schichtanordnung 5. Dabei sind auf einem Substrat 15 erste
Elektrodenstreifen 2 vorhanden, auf denen organische funktionelle
Schichten 3 aufgebracht sind. Auf diesen organischen funktionellen
Schichten 3 befinden sich zweite Elektrodenstreifen 4 senkrecht
zu den ersten Elektrodenstreifen. Diese Elektrodenstreifen 4 werden
durch ein Anschlußstück 40 kontaktiert,
das aus der Verkapselung 10 zur elektrischen Kontaktierung
des Bauelements herausgeführt
wird. Dabei ist zwischen dem Anschlußstück 40 und der Verkapselung 10 ein
thermoplastisches Polymer 35 angeordnet, durch das beim
Ultraschallverschweißen
eine besonders dichte und zuverlässige
Verkapselung im Bereich der Anschlußstücke erzielt werden kann, ohne
daß dabei die
Anschlußstücke 40 beschädigt werden.
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5 zeigt
im Querschnitt ein flexibles, organisches elektrolumineszierendes
Display 1 während
der Verkapselung mittels Ultraschallschweißen. Dabei ist das organische,
elektrolumineszierende Display 1, das ein Substrat 15 und
eine Verkapselung 10 die eine funktionelle Schichtanordnung 5 umschließen, auf
einem Amboß 70 untergebracht.
Dabei ist der Amboß 70 so
ausgeformt, daß er
eine zu verschweißende
Kon taktfläche
zum Substrat und der Verkapselung aufbaut, die gegenüber dem
Rest der der Sonotrode 80 zugewandten Oberfläche des
Amboß erhöht ist,
so daß diejenigen
Teile des Substrates 15 und der Verkapselung 10,
die verschweißt werden,
zwischen der Sonotrode 80 und dem Amboß 70 während des
Ultraschallschweißvorgangs
fixiert werden können.
Möglich
ist es aber auch, entweder zusätzlich
oder anstelle des Amboß 70 die
Sonotrode 80 dergestalt auszuformen, daß nur die zu verschweißenden Kontaktflächen zwischen
der Sonotrode und dem Amboß fixiert
werden. Vorteilhafterweise ist dabei die funktionelle Schichtanordnung 5 in einem
Hohlraum 100 zwischen Sonotrode und Amboß untergebracht
und wird dabei nicht zwischen Sonotrode und Amboß fixiert.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele und beispielhaften
Herstellungsverfahren. Variationen sind vor allem bezüglich der
Auswahl der Verkapselungs- und Substratmaterialien als auch bezüglich der
Auswahl der ultraschallverschweißbaren, abdichtenden Materialien
möglich.