DE102016106846A1

DE102016106846A1 - Mehrschichtige Verkapselung, Verfahren zur Verkapselung und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102016106846A1
Application number: DE102016106846.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Wittmann; Arne Fleissner; Erwin Lang
Original assignee: Osram Oled GmbH
Current assignee: Osram Oled GmbH
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-10-19
Also published as: US20210359268A1; US20200227683A1; US11569479B2; US20190081278A1; US11043654B2; US10644262B2; WO2017178233A1

Abstract

Es wird eine mehrschichtige Verkapselung aufweisend eine Schichtenfolge, die mindestens eine Barriereschicht (31) und mindestens eine Planarisierungsschicht (32) umfasst, angegeben, wobei die Barriereschicht (31) und die Planarisierungsschicht (32) zusammen eine geringere Wasserdurchlässigkeit aufweisen als die Barriereschicht (31). Es wird weiterhin ein Verfahren zur Verkapselung und ein optoelektronisches Bauelement aufweisend eine Verkapselung angegeben.

Description

Es wird eine mehrschichtige Verkapselung, ein Verfahren zur Verkapselung eines Bauelements sowie ein optoelektronisches Bauelement, das eine mehrschichtige Verkapselung umfasst, angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Verkapselung mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe ist es, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Verkapselung anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessert verkapseltes Bauelement anzugeben. Diese Aufgaben werden durch eine Verkapselung, ein Verfahren und ein Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine mehrschichtige Verkapselung angegeben. Unter „mehrschichtig“ soll hier und im Folgenden eine Schichtenfolge verstanden werden, die mindestens zwei Schichten umfasst. Die Schichten der Schichtenfolge sind übereinander angeordnet, sodass jeweils zwei Schichten eine gemeinsame Grenzfläche parallel zu ihrer Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Mindestens eine Schicht der Schichtenfolge kann dabei strukturiert sein, sodass nicht alle Schichten der Schichtenfolge die gleiche Fläche entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die mehrschichtige Verkapselung eine Schichtenfolge, die mindestens eine Barriereschicht und mindestens eine Planarisierungsschicht umfasst. Dabei kann entweder eine Barriereschicht oder eine Planarisierungsschicht auf der Außenseite der Verkapselung angeordnet sein. Die Außenseite der Verkapselung ist die von einem zu verkapselnden Element abgewandte Seite der Verkapselung. Dementsprechend kann entweder eine Barriereschicht oder eine Planarisierungsschicht auf der zu einem zu verkapselnden Element hingewandten Seite der Verkapselung angeordnet sein. Das zu verkapselnde Element kann hier und im Folgenden ein Bauelement sein, wie beispielsweise ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere eine organische Licht emittierende Diode (OLED), welche starr oder flexibel ausgeformt sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Barriereschicht und die Planarisierungsschicht zusammen eine geringere Wasserdurchlässigkeit auf als die Barriereschicht. Somit weist die Planarisierungsschicht neben ihren Planarisierungseigenschaften auch Barriereeigenschaften auf. Die Planarisierungsschicht kann bei einer Schichtdicke von 200 nm eine Durchlässigkeit für Wasser (WVTR, Water Vapor Transition Rate) von 10^–4 g/dm² aufweisen, in Kombination mit einer Barriereschicht kann die Wasserdurchlässigkeit für solche Schichten bei weniger als 10^–6 g/dm² liegen. Eine solch geringe Wasserdurchlässigkeit ist beispielsweise notwendig für die Verkapselung OLEDs. Weiterhin kann die Planarisierungsschicht in Kombination mit der Barriereschicht eine Sauerstoffdurchlässigkeit von weniger als oder gleich 10^–6cm³/m²d aufweisen, was ebenfalls vorteilhaft für die Verkapselung von OLEDs ist.
Somit ist die Verkapselung für die Verwendung in OLEDs geeignet. Durch den geringen WVTR-Wert der Verkapslung werden die organischen Schichten einer OLED zuverlässig vor Wasser- und Sauerstoffdegradation geschützt, was insbesondere für den Automotive-Einsatz von OLEDs relevant ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine mehrschichtige Verkapselung angegeben, die eine Schichtenfolge aufweist, die mindestens eine Barriereschicht und mindestens eine Planarisierungsschicht umfasst und die Barriereschicht und die Planarisierungsschicht zusammen eine geringere Wasserdurchlässigkeit aufweisen als die Barriereschicht.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Barriereschicht anorganisches Material. Insbesondere kann die Barriereschicht ein Metalloxid enthalten. Das Metalloxid kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Zinkoxid, Lanthanoxid, Titanoxid und Kombinationen daraus umfasst. Die Barriereschicht kann mindestens zwei Teilschichten umfassen, wobei jede Teilschicht ein Metalloxid umfasst. Die Metalloxide der Teilschichten können voneinander verschieden sein. Die Teilschichten der Barriereschicht können somit ein Mehrlagenlaminat bzw. Nanolaminat bilden. Bevorzugt enthält die Barriereschicht Aluminiumoxid. Die Dicke der Barriereschicht kann bei einschließlich 10 nm bis einschließlich 300 nm, insbesondere bei einschließlich 30 nm bis einschließlich 100 nm, bevorzugt bei einschließlich 40 nm bis einschließlich 60 nm, beispielsweise bei 50 nm liegen. Anorganisches Material, insbesondere Metalloxide, weisen niedrige Wasser- und Gasdurchlässigkeiten, insbesondere sehr niedrige Gasdurchlässigkeiten auf, und sind somit gut für die Verwendung in einer Barriereschicht geeignet. Beispielsweise können die Gas- und/oder Wasserdurchlässigkeit der Barriereschicht, unter günstigen Bedingungen, weniger als 10^–6 cm³/m²d bei einer Schichtdicke von > 50 nm sein. Besonders niedrige Wasser- und Gasdurchlässigkeiten der Barriereschicht werden insbesondere erreicht, wenn die Barriereschicht auf planaren, defektfreien Oberflächen mit möglichst gleichen Eigenschaften, wie beispielsweise thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht ist. Eine solche Oberfläche kann durch die Planarisierungsschicht bereitgestellt werden, die sehr gute Planarisierungseigenschaften aufweist und auch Partikel überformen kann. Weiterhin lassen sich Metalloxide zur Herstellung der Barriereschicht vergleichsweise einfach, beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung (ALD) aufbringen.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Barriereschicht anorganisches Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die SiN, SiO₂, SiC oder Kombinationen daraus umfasst. Diese Materialien können beispielsweise mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) aufgebracht sein. Die Barriereschicht kann mindestens zwei Teilschichten umfassen, wobei eine Teilschicht ein Metalloxid und eine Teilschicht eines aus SiN, SiO₂ oder SiC umfasst. Die Barriereschicht kann somit ein Mehrlagenlamit aus Metalloxid-Teilschichten und SiN-, SiO₂- oder SiC-haltigen Teilschichten bilden.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Planarisierungsschicht ein anorganisches glasartiges Material. Unter "glasartig" soll ein amorphes Material verstanden werden, das beispielsweise mittels eines Aushärtungsprozesses erhalten wird. Insbesondere kann das glasartige Material aus Perhydropolysilazan (PHPS) erhalten werden. Die Planarisierungsschicht kann eine Rauigkeit (root mean squared roughness, rms) aufweisen, die aus dem Bereich < 200 nm, insbesondere < 50 nm, bevorzugt < 10 nm gewählt ist.
Damit weist die Planarisierungsschicht besonders gute Planarisierungseigenschaften auf und eignet sich somit beispielsweise als Oberfläche für eine Barriereschicht. Die geringen Rauigkeitswerte können beispielsweise durch eine Flüssigphasenprozessierung eines Ausgangsmaterials für die Planarisierungsschicht, beispielsweise PHPS, erreicht werden. Neben ihrer geringen Durchlässigkeit für Wasser kann die Planarisierungsschicht kein oder nur sehr geringes Ausgasen von flüchtigen organischen Verbindungen aufweisen.
Das anorganische glasartige Material kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die SiO₂-haltiges Material und SiON-haltiges Material umfasst. Unter „SiO₂-haltiges Material“ und „SiON-haltiges Material“ soll hier und im Folgenden ein Material verstanden werden, das weitgehend SiO₂ beziehungsweise SiON enthält, je nach Herstellungsbedingung aber auch geringe Mengen an Resten des Ausgangsmaterials oder an weiteren Reaktionsprodukten des Ausgangsmaterials, die durch den Herstellungsprozess entstehen können, enthalten kann. Die Eigenschaften des jeweiligen Materials sind aber von dem Hauptbestandteil, SiO₂ bzw. SiON bestimmt, sind also den Eigenschaften von SiO₂ bzw. SiON ähnlich oder mit ihnen identisch.
Damit wird eine Barriereschicht mit sehr niedriger Gasdurchlässigkeit mit einer Planarisierungsschicht mit sehr niedriger Wasserdurchlässigkeit in der Verkapslung kombiniert. Damit kann ein WVTR-Wert der Verkapselung erzielt werden, der für die Verwendung in OLEDs geeignet ist. Weiterhin können möglicherweise vorhandene Pinholes in der Barriereschicht, die im Bereich von und um Partikel entstehen können, von der Planarisierungsschicht entkoppelt bzw. die Partikel überformt und somit abgedichtet werden.
Die Verkapselung ist gemäß einer Ausführungsform flexibel. Das bedeutet, sie ist verformbar. Somit kann sie auch zur Verkapslung in flexibel ausgeformten Bauelementen, beispielsweise flexiblen OLEDs eingesetzt werden.
Weiterhin kann die Verkapselung transparent sein. Das ist besonders vorteilhaft, wenn die Verkapselung in optoelektronischen Bauelementen, beispielsweise OLEDs eingesetzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Planarisierungsschicht strukturiert sein. Beispielsweise kann sie eine geringere Fläche parallel zu ihrer Haupterstreckungsrichtung aufweisen als die Barriereschicht, sodass die Barriereschicht auch Seitenränder der Planarisierungsschicht umgibt. Damit kann auch eine laterale Diffusion von beispielsweise Wasser oder Sauerstoff durch die Planarisierungsschicht hindurch reduziert oder verhindert werden.
Die Dicke der Planarisierungsschicht kann aus dem Bereich einschließlich 50 nm bis einschließlich 1,2 µm ausgewählt sein. Die Dicke der Planarisierungsschicht kann je nach Herstellungsverfahren unterschiedlich sein. Wird die Planarisierungsschicht beispielsweise durch einen UV-Härtungsprozess erhalten, kann die Dicke der resultierenden Planarisierungsschicht aus dem Bereich einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, insbesondere einschließlich 200 nm bis einschließlich 300 nm ausgewählt sein. Wird die Planarisierungsschicht beispielsweise durch einen Temperaturhärtungsprozess erhalten, kann die Dicke der resultierenden Planarisierungsschicht aus dem Bereich einschließlich 50 nm bis einschließlich 1200 nm, insbesondere einschließlich 800 nm bis einschließlich 1200 nm ausgewählt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Planarisierungsschicht ein Laminat aus Teilschichten umfassen, wobei mindestens eine Teilschicht ein Polymer enthält. Beispielsweise kann eine ein Polymer enthaltende Teilschicht zwischen zwei Teilschichten, die ein anorganisches glasartiges Material enthalten, angeordnet sein. Damit kann die Planarisierungsschicht eine hohe Biegbarkeit aufweisen, was beispielsweise eine verbesserte Verkapselung von flexiblen OLEDs ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Planarisierungsschicht eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenränder auf und mit der Barriereschicht an der Ober- und/oder Unterseite eine gemeinsame Grenzfläche. Das bedeutet, dass die mehrschichtige Verkapselung entweder mit einer Barriereschicht oder mit einer Planarisierungsschicht auf einem zu verkapselnden Element angeordnet ist.
Befindet sich auf einem zu verkapselnden Element eine Planarisierungsschicht als erste Schicht der Verkapselung, so ist auf ihrer Oberseite eine Barriereschicht angeordnet. Ist auf der Barriereschicht eine weitere Planarisierungsschicht angeordnet, so ist diese mit ihrer Unterseite auf der Barriereschicht angeordnet.
Ist eine Planarisierungsschicht als oberste Schicht, also auf der von einem zu verkapselnden Element abgewandten Seite der Verkapselung angeordnet, kommt neben ihren Planarisierungs- und Barriereeigenschaften auch die Eigenschaft vor mechanischer Beschädigung zu schützen zum Tragen. Somit ist die Verkapselung besonders robust ausgestaltet. Ist die Planarisierungsschicht direkt auf einem zu verkapselnden Element aufgebracht, planarisiert sie die Oberfläche des zu verkapselnden Elements und erleichtert somit das Aufbringen weiterer Schichten, beispielsweise der Barriereschicht. Aufgrund der sehr guten Planarisierungseigenschaften der Planarisierungsschicht kann die Barriereschicht besonders homogen aufgebracht werden.
Die Planarisierungsschicht kann weiterhin mit der Barriereschicht an den Seitenrändern eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. Das bedeutet, dass die Planarisierungsschicht strukturiert ist und eine geringere laterale Ausdehnung entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung aufweist als die Barriereschicht und die Barriereschicht die Planarisierungsschicht auch seitlich umgibt. Dadurch kann ein seitliches Eindringen von Sauerstoff und/oder Wasser und/oder sonstige Gase durch die Planarisierungsschicht hindurch verhindert werden.
Es wird weiterhin ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement kann ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht auf dem Substrat, einen lichtemittierenden Schichtenstapel auf der ersten Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht auf dem lichtemittierenden Schichtenstapel aufweisen. Weiterhin kann das optoelektronische Bauelement eine mehrschichtige Verkapselung gemäß den oben genannten Ausführungen aufweisen, die auf der zweiten Elektrodenschicht und seitlich des lichtemittierenden Schichtenstapels und der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist. Somit umgibt die Verkapselung den lichtemittierenden Schichtenstapel vollständig und schützt ihn vor dem Eindringen von Sauerstoff und Wasser.
Das bedeutet, sämtliche in Verbindung mit der Verkapselung offenbarte Merkmale sind auch für das optoelektronische Bauelement offenbart und umgekehrt.
Das optoelektronische Bauelement kann weitere Schichten umfassen, beispielsweise eine Schutzschicht, die auf der Verkapselung angeordnet ist und zusätzlich vor mechanischer Beschädigung schützt.
Die Schichtenfolge der Verkapselung kann so in dem optoelektronischen Bauelement angeordnet sein, dass auf der dem lichtemittierenden Schichtenstapel zugewandten Seite der Verkapselung und auf der von dem lichtemittierenden Schichtenstapel abgewandten Seite der Verkapselung jeweils eine Barriereschicht oder eine Planarisierungsschicht angeordnet ist.
Unter "lichtemittierendem Schichtenstapel" ist hier und im Folgenden ein elektromagnetische Strahlung emittierender Schichtenstapel gemeint. Somit kann das optoelektronische Bauelement elektromagnetische Strahlung emittieren, welche entweder im sichtbaren oder im unsichtbaren Bereich liegen kann.
Bei dem lichtemittierenden Schichtenstapel kann es sich beispielsweise um einen organischen funktionellen Schichtenstapel handeln. Dieser kann Schichten mit organischen Polymeren, organischen Oligomeren, organischen Monomeren, organischen kleinen, nicht-polymeren Molekülen („small molecules“) oder Kombinationen daraus aufweisen.
Weiterhin kann er zumindest eine organische Licht emittierende Schicht aufweisen. Als Materialien für die organische Licht emittierende Schicht eignen sich Materialien, die eine Strahlungsemission aufgrund von Fluoreszenz oder Phosphoreszenz aufweisen. Der organische funktionelle Schichtenstapel kann weiterhin eine funktionelle Schicht aufweisen, die als Lochtransportschicht ausgeführt ist, um eine effektive Löcherinjektion in die zumindest eine Licht emittierende Schicht zu ermöglichen. Der organische funktionelle Schichtenstapel kann weiterhin eine funktionelle Schicht aufweisen, die als Elektronentransportschicht ausgebildet ist. Darüber hinaus kann der Schichtenstapel auch Elektronen- und/oder Löcherblockierschichten aufweisen.
Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das optoelektronische Bauelement eine OLED sein. Die OLED kann flexibel ausgestaltet sein. Weiterhin kann die OLED eine Top- oder Bottom-emittierende OLED sein oder auch beidseitig Strahlung emittierend ausgestaltet sein. Durch die Verkapselung sind die Wasser- und Sauerstoffempfindlichen organischen Schichten der OLED besonders gut geschützt.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Verkapselung eines Bauelements angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren die Verfahrensschritte, Aufbringen einer Barriereschicht und Herstellung einer Planarisierungsschicht aufweisen. Die Verfahrensschritte können in der genannten oder in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können die Verfahrensschritte bei abwechselnder Durchführung jeweils mindestens einmal durchgeführt werden. Es kann entweder zuerst eine Barriereschicht auf dem zu verkapselnden Bauelement aufgebracht werden und dann eine Planarisierungsschicht auf der Barriereschicht hergestellt werden oder es kann eine Planarisierungsschicht auf dem zu verkapselnden Bauelement hergestellt werden und eine Barriereschicht auf der Planarisierungsschicht aufgebracht werden. Auf die zuletzt aufgebrachte Schicht kann dann jeweils wieder eine weitere Barriereschicht bzw. Planarisierungsschicht aufgebracht werden.
Unter dem „Aufbringen“ einer Barriereschicht soll hier und im Folgenden das Aufwachsen einer Barriereschicht verstanden werden. Das Aufwachsen einer Barriereschicht auf einer Planarisierungsschicht kann dabei zu einer besonders homogen ausgeformten Barriereschicht führen aufgrund der guten Planarisierungsseigenschaften der Planarisierungsschicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird zur Herstellung der Planarisierungsschicht ein Vorläufermaterial aufgebracht, das anschließend gehärtet wird. Damit kann ein einfaches Aufbringungsverfahren mit einem schnellen Härtungsprozess kombiniert werden, was insgesamt zu einem zeit- und kostensparenden Verfahren führt.
Gemäß einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren ein Bauelement verkapselt, mit den Schritten Aufbringen einer Barriereschicht, und Herstellung einer Planarisierungsschicht, wobei zur Herstellung der Planarisierungsschicht ein Vorläufermaterial aufgebracht wird, das anschließend gehärtet wird, und wobei die Verfahrensschritte jeweils mindestens einmal abwechselnd durchgeführt werden.
Mit dem Verfahren kann ein Bauelement mit einer Verkapselung gemäß den obigen Ausführungen herstellt werden. Sämtliche in Verbindung mit der Verkapselung offenbarten Merkmale sind somit auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Weiterhin kann mit dem Verfahren ein optoelektronisches Bauelement gemäß den obigen Ausführungen verkapselt werden. Sämtliche in Verbindung mit dem Bauelement offenbarten Merkmale sind somit auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Vorläufermaterial Perhydropolysilazan (PHPS) umfassen. Insbesondere kann das Vorläufermaterial eine Lösung von PHPS umfassen. Beispielsweise kann das Vorläufermaterial eine 20 %ige PHPS-Lösung in Dibuthylether sein. Wird eine PHPS enthaltende Schicht gehärtet, resultiert eine Planarisierungsschicht, die alleine schon eine geringe Wasserdurchlässigkeit von 10^–4 g/dm² bei einer Schichtdicke von 200 nm aufweist. In Kombination mit der Barriereschicht kann die Wasserdurchlässigkeit weniger als oder gleich 10^–6 g/dm² sein. Damit eignet sich eine so hergestellte Verkapselung für eine Verkapselung von OLEDs, die wegen ihrer Wasser- und Sauerstoffempfindlichkeit hermetisch verkapselt werden müssen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Vorläufermaterial mittels eines Verfahrens aufgebracht werden, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin Coating, Slot Die Coating, Spray Coating, Schablonendruck, Inkjet Drucken und Kombinationen daraus umfasst. Insbesondere kann das Vorläufermaterial mittels Slot Die Coating aufgebracht werden. Damit kann das Vorläufermaterial für die Planarisierungsschicht mittels eines günstigen und schnellen Prozesses aufgebracht werden. Durch die Aufbringung des Vorläufermaterials, insbesondere PHPS oder eine PHPS-Lösung mittels Slot Die Coating erhält man prozessbedingt eine sehr gleichmäßige Umformung von möglicherweise vorhandenen Partikeln beziehungsweise von Oberflächen mit einer gewissen Topologie, auf die das Vorläufermaterial aufgebracht wird. Herkömmliche anorganische Pufferschichten, die beispielsweise mittels CVD-Verfahren aufgebracht werden, weisen im Bereich von Partikeln oder Topologien dünnere Schichtdicken infolge von Abschattungseffekten auf. Durch die Aufbringung von PHPS oder einer PHPS-Lösung mittels eines der oben genannten Verfahren, insbesondere mittels Slot Die Coating können solche Abschattungseffekte vermieden oder zumindest verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Vorläufermaterial strukturiert aufgebracht. Dazu kann das Vorläufermaterial mit einem Verfahren aufgebracht werden, das ausgewählt ist aus Slot Die Coating, Spray Coating, Inket Drucken oder Schablonendruck. Insbesondere kann das Vorläufermaterial mittels eines Sprühverfahrens wie Spray Coating aufgebracht werden. Es können Randbereiche des zu verkapselnden Bauelements beziehungsweise der dort bereits aufgebrachten Barriereschicht freigelassen werden, sodass die Barriereschicht oder eine weitere auf die Planarisierungsschicht aufgebrachte Barriereschicht die Planarisierungsschicht auch seitlich umgibt. Damit kann eine mögliche laterale Diffusion durch die Planarisierungsschicht hindurch reduziert beziehungsweise verhindert werden.
Weiterhin kann das Vorläufermaterial mit einer Methode gehärtet werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Temperaturhärtung und UV-Härtung umfasst. Die Temperaturhärtung kann eine Temperaturhärtung unter Wasserdampfatmosphäre umfassen. Beide Härtungsmethoden sind unproblematisch für das zu verkapselnde Bauelement.
Das Vorläufermaterial kann mittels UV-Härtung gehärtet werden. Dazu wird beispielsweise in reduzierter Sauerstoffatmosphäre eine UV-Strahlung (beispielsweise 172 nm Xenon) auf das Vorläufermaterial angewandt. Die Härtung kann beispielsweise 1 bis 3 Minuten dauern. Wird das Vorläufermaterial mittels UV-Härtung gehärtet, kann dabei eine Planarisierungsschicht gebildet werden, die SiON-haltiges Material enthält. Eine solche Schicht kann sehr dicht ausgeformt sein. Durch die UV-Bestrahlung wird beispielsweise aus PHPS ein anorganisches glasartiges Material gebildet, das hauptsächlich SiON enthält. Reste von PHPS oder andere durch die Bestrahlung erzeugten Reaktionsprodukte können in geringen Mengen ebenfalls in der Planarisierungsschicht enthalten sein. Durch die relativ kurze UV-Bestrahlung kann verhindert werden, dass ein zu verkapselndes Bauelement geschädigt wird.
Weiterhin kann das Vorläufermaterial mittels Temperaturhärtung gehärtet werden. Die Temperaturhärtung kann bei Temperaturen aus dem Bereich einschließlich 80°C bis einschließlich 200°C, insbesondere bei ≤ 90°C durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Temperatur 80°C betragen. Die Härtung mittels Temperatur kann 10 Minuten bis 1 Stunde dauern. Weiterhin kann die Temperaturhärtung unter Wasserdampfatmosphäre stattfinden. Die Durchführung unter Wasserdampf ermöglicht eine Härtung bei besonders niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise 80°C. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen ist keine Schädigung des zu verkapselnden Elements zu erwarten. Wird das Vorläufermaterial mittels Temperaturhärtung gehärtet, kann eine Planarisierungsschicht gebildet werden, die SiO₂-haltiges Material enthält. Es wird somit wieder ein glasartiges Material gebildet, das neben SiO₂ Reste des Vorläufermaterials, insbesondere PHPS, oder weitere Reaktionsprodukte in geringem Maße enthalten kann. Die Härtung mit relativ niedrigen Temperaturen ist ebenfalls unproblematisch für viele zu verkapselnde Bauelemente wie beispielsweise OLEDs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Barriereschicht mit einer Methode aufgebracht werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ALD (Atomlagenabscheidung, „Atomic Layer Deposition“), MLD (Molecular Layer Deposition), CVD (Chemische Gasphasenabscheidung, Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), Sputtern und Kombinationen daraus umfasst. Insbesondere kann die Barriereschicht mittels ALD aufgebracht werden. Damit kann ein sehr homogenes Schichtwachstum mit daraus resultierender sehr guter Barrierewirkung hergestellt werden. Wird eine Barriereschicht mit mindestens zwei Teilschichten aufgebracht, kann jede Teilschicht mit der gleichen oder unterschiedlichen Methode aufgebracht werden. Weiterhin kann für jede Teilschicht gleiches oder unterschiedliches Material der Barriereschicht aufgebracht werden. Auch die Barriereschicht oder eine einzelne Teilschicht der Barriereschicht kann mit einer Kombination von Aufbringungsmethoden und/oder mit einer Kombination an Materialien hergestellt werden. Die Materialien der Barriereschicht, die mit einer oder mehreren der genannten Methoden aufgebracht werden, können dabei Metalloxide umfassen. Insbesondere können die Metalloxide aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Zinkoxid, Lanthanoxid, Titanoxid und Kombinationen daraus umfasst.
In dem Verfahren kann somit beispielsweise eine erste Barriereschicht mittels ALD auf dem Bauelement aufgebracht werden. Darauf kann eine erste Planarisierungsschicht hergestellt werden, indem PHPS mittels beispielsweise Slot Die Coating aufgebracht und mittels Temperaturhärtung oder UV-Härtung gehärtet wird. Auf das so erhaltene anorganische glasartige Material kann beispielsweise eine zweite Barriereschicht mittels ALD aufgebracht werden. Durch die sehr guten Planarisierungseigenschaften von PHPS bzw. dem daraus gebildeten anorganischen glasartigen Material wächst die zweite Barriereschicht sehr homogen auf. Alternativ kann auch schon zur Planarisierung der Oberfläche des zu verkapselnden Bauelements eine aus PHPS hergestellte Planarisierungsschicht unter der ersten Barriereschicht hergestellt werden. Weiterhin kann eine aus PHPS hergestellte Planarisierungsschicht über der letzten aufgebrachten Barriereschicht als zusätzlicher Schutz vor mechanischen Beschädigungen hergestellt werden. Weiterhin können herkömmliche Verkapselungen, wie beispielsweise eine PECVD- und ALD-Schichtkombination verbessert werden, indem entweder unter die PECVD-Schicht oder über die ALD-Schicht eine Planarisierungsschicht aufgebracht wird. Auch eine zwischen zwei Planarisierungsschichten eingebettete Barriereschicht kann mit dem Verfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann mit dem Verfahren ein Bauelement verkapselt werden, das einen organischen lichtemittierenden Schichtenstapel umfasst. Somit kann mittels des Verfahrens ein optoelektronisches Bauelement wie beispielsweise eine OLED, das eine Verkapselung aufweist, hergestellt werden. Die OLED kann dabei starr oder flexibel ausgeführt sein. Dadurch, dass die Verkapselung transparent ist, kann die OLED Top-, Bottom- oder beidseitig emittierend ausgeführt sein.
Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele werden im Folgenden in Bezug auf die Figuren erläutert.
1 zeigt die schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements,
2 bis 6 zeigen schematische Seitenansichten von Verkapselungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen,
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt die schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Auf dem Substrat 10 ist ein Schichtenstapel 20 angeordnet, der von einer Verkapselung 30 umgeben ist. Bei dem Schichtenstapel 20 kann es sich um einen organischen lichtemittierenden Schichtenstapel handeln. Nicht explizit gezeigt sind die erste und zweite Elektrodenschicht, welche unter bzw. über dem lichtemittierenden Schichtenstapel 20 angeordnet sind und mit welchen der Schichtenstapel 20 elektrisch kontaktierbar ist. Die Verkapselung 30 ist auf dem Schichtenstapel 20 und seitlich des Schichtenstapels 20 angeordnet und schließt zusammen mit dem Substrat 10 den Schichtenstapel 20 ein. Bei dem optoelektronischen Bauelement in 1 handelt es sich beispielsweise um eine OLED, die entweder starr oder flexibel ausgeformt sein kann.
Im Folgenden wird die Verkapselung 30 in schematischen Seitenansichten gezeigt und beschrieben, wobei jedes in den 2 bis 6 gezeigte Ausführungsbeispiel so wie in 1 gezeigt auf einem Schichtenstapel 20 aufgebracht sein kann. Die in den 2 bis 6 gezeigten Verkapselungen 30 können beispielsweise Verkapselungen von OLEDs sein.
2 zeigt die schematische Seitenansicht einer Verkapselung 30, die eine Planarisierungsschicht 32 aufweist, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Barriereschicht 31 angeordnet ist. Die Planarisierungsschicht 32 ist in diesem Beispiel eine aus PHPS hergestellte Schicht, die Barriereschichten 31 enthalten jeweils ein Metalloxid. Die Schichtdicke der Barriereschicht 31 beträgt etwa 50 nm. Die Dicke der Planarisierungsschicht 32 kann je nach Herstellungsverfahren unterschiedlich sein. Wird die Planarisierungsschicht 32 durch einen UV-Härtungsprozess erhalten, ist die Dicke der resultierenden Planarisierungsschicht 32 aus dem Bereich einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, insbesondere einschließlich 200 nm bis einschließlich 300 nm ausgewählt. Wird die Planarisierungsschicht 32 durch einen Temperaturhärtungsprozess erhalten, kann die Dicke der resultierenden Planarisierungsschicht 32 aus dem Bereich einschließlich 50 nm bis einschließlich 1200 nm, insbesondere einschließlich 800 nm bis einschließlich 1200 nm ausgewählt sein.
Die Barriereschichten 31 können beispielsweise mittels ALD, CVD, PECVD, Sputtern oder MLD aufgebracht werden. Bevorzugt ist ALD, da ein sehr homogenes Schichtwachstum mit daraus resultierender sehr guter Barrierewirkung der Barriereschicht 31 erzielt wird. Bei dem Metalloxid handelt es sich beispielsweise um Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Titanoxid. Wird beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht mittels ALD hergestellt, kann Trimethylaluminium und Wasser auf die zu verkapselnde Oberfläche bzw. das zu verkapselnde Element bzw. die bereits vorhandene Planarisierungsschicht aufgebracht und Al₂O₃ gebildet werden. Bei der Herstellung mittels MLD wird statt Wasser ein Alkohol oder Dialkohol eingesetzt, was zu einem Aluminiumoxid, das organische Reste enthält, führt. Diese Methode wird eingesetzt, wenn besonders flexible Barriereschichten 31 hergestellt werden sollen.
Zur Herstellung der Planarisierungsschicht 32 wird mittels Spin Coating, Slot Die Coating, Spray Coating oder Inkjet Drucken zunächst PHPS, insbesondere eine 20%ige PHPS Lösung in Dibuthylether, auf die zu verkapselnde Oberfläche bzw. das zu verkapselnde Element bzw. in diesem Beispiel die bereits vorhandene Barriereschicht 31 aufgebracht.
Je nach Aushärtebedingungen der sich anschließenden Aushärtung des PHPS ergeben sich verschiedene Materialeigenschaften der resultierenden Planarisierungsschicht 32. Wird PHPS mittels UV-Härtung gehärtet, ergibt sich eine sehr dichte SiON-haltige Planarisierungsschicht 32. Dazu wird die PHPS-Schicht für etwa 1 bis 3 Minuten unter reduzierter Sauerstoffatmosphäre mit einer 172 nm Xe Lampe bestrahlt. Bei einer Härtung mittels erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 80°C in Wasserdampfatmosphäre für 10 Minuten bis einer Stunde wird eine dichte SiO₂-haltige Planarisierungsschicht 32 gebildet.
Die fertiggestellte Planarisierungsschicht 32 hat eine Wasserdurchlässigkeit von 10^–4 g/dm² für 200 nm Schichtdicke, zusammen mit den Barriereschichten 31 hat die Verkapselung 30 eine Wasserdurchlässigkeit von weniger als 10^–6 g/dm².
3 zeigt die schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Verkapselung 30. Die Anordnung der Planarisierungsschicht 32 und der Barriereschichten 31 entspricht derjenigen aus 2, wobei die Planarisierungsschicht 32 strukturiert aufgebracht ist, sodass die Barriereschichten 31 die Planarisierungsschicht 32 auch seitlich umgeben. Um eine solche Strukturierung der Planarisierungsschicht 32 zu erhalten, kann PHPS mittels Slot Die Coating, Spray Coating, Inkjet Drucken und Schablonendruck aufgebracht werden. Die weitere Herstellung der Planarisierungsschicht 32 und der Barriereschicht 31 sowie deren Materialien entsprechen denjenigen in Bezug auf 2 genannten Herstellungsmethoden und Materialien.
Die strukturierte Aufbringung von PHPS bewirkt eine Verkapselung 30, welche auch lateral eine Diffusion von Wasser oder Sauerstoff durch Seitenränder der Planarisierungsschicht 32 reduziert bzw. verhindert.
4 zeigt die schematische Seitenansicht von Verkapselungen 30, welche vielschichtig ausgeformt sind.
In 4a ist die Verkapselung 30 aus einer ersten Barriereschicht 31, einer darauf angeordneten Planarisierungsschicht 32, einer weiteren Barriereschicht 31, einer darauf angeordneten weiteren Planarisierungsschicht 32 und einer dritten Planarisierungsschicht 31 gebildet. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten. Die abwechselnde Anordnung von Barriereschichten 31 und Planarisierungsschichten kann beliebig fortgesetzt werden, je nach gewünschter Dicke, Flexibilität und Wasser-, Sauerstoff- und sonstige Gasdurchlässigkeit der Verkapselung.
4b zeigt die schematische Seitenansicht einer Verkapselung 30, die analog zu der in 4A gezeigten Verkapselung 30 aufgebaut ist, wobei hier die Planarisierungsschichten 32 strukturiert sind, sodass sie auch seitlich von den Barriereschichten 31 umgeben sind. Auch hier ist eine beliebig lange Fortsetzung der abwechselnd aufeinander gestapelten Barriereschichten 31 und Planarisierungsschichten 32 denkbar. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten bzw., was die strukturierte Aufbringung der Planarisierungsschichten 31 betrifft, der Herstellung, die in Bezug auf 3 genannt wird.
5 zeigt die schematische Seitenansicht von Ausführungsbeispielen von Verkapselungen 30, bei denen die Planarisierungsschicht 32 auch als Schutzschicht für die Barriereschicht 31 dient. In diesen Ausführungsbeispielen werden mit der Verkapselung 30 eine sehr niedrige Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeit und gleichzeitig ein mechanischer Schutz des verkapselten Elements, beispielsweise einer verkapselten OLED gewährt.
In 5a ist dazu eine Barriereschicht 31 auf einer Planarisierungsschicht 32 angeordnet und auf der Barriereschicht 31 wiederum eine weitere Planarisierungsschicht 32. In einer solchen Verkapselung 30 dient die Planarisierungsschicht 32 als Schutzschicht für die Barriereschicht 31. Die Planarisierungsschicht 32 ist somit die äußere Schicht der Verkapselung und kann die Verkapselung und das verkapselte Bauelement vor mechanischer Beschädigung schützen. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten.
5b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem die untere Planarisierungsschicht 31 nicht vorhanden ist. Das bedeutet, dass die Barriereschicht 31 direkt beispielsweise auf einer OLED aufgebracht wird und eine darauf aufgebrachte Planarisierungsschicht 32 als äußere Schutzschicht verwendet wird. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten.
Eine weitere Alternative ist in 5c gezeigt. Hier ist die untere Planarisierungsschicht 31 strukturiert, sodass sie von der darauf aufgebrachten Barriereschicht 31 und der weiteren, auf der Barriereschicht 31 aufgebrachten Planarisierungsschicht 32 auch seitlich umgeben ist. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten, bzw. was die Strukturierung der Planarisierungsschicht 32 betrifft der in Bezug auf 3 genannten Herstellung. Mit diesem Aufbau wird potentielles seitliches Eindringen von Wasser oder Sauerstoff durch die Planarisierungsschicht 32 hindurch vermindert beziehungsweise verhindert.
6 zeigt weitere Ausführungsbeispiele der Verkapselung 30 in einer schematischen Seitenansicht. Hier ist jeweils eine weitere Schicht, eine Schutzschicht 40, gezeigt, die auf einer Barriereschicht 31, welche wiederum auf einer Planarisierungsschicht 32 aufgebracht ist, vorhanden ist. Bei der Schutzschicht 40 kann es sich um eine organische Schutzschicht handeln oder einen Lack, auf der als weiterer Kratzschutz beispielsweise laminierte Plastik- oder Metallfolien aufgebracht sind. Die Schutzschicht 40 dient als Schutz der Barriereschicht 31 vor mechanischen Beschädigungen. Die Planarisierungsschicht 32 hat in diesem Beispiel der Verkapselung 30 die Funktion zur Planarisierung und damit zur verbesserten Haftung für die Barriereschicht 31. Herstellung und Materialien der Barriereschichten 31 und der Planarisierungsschichten 32 entsprechen den in Bezug auf 2 genannten.
In 6b ist die Planarisierungsschicht 32 strukturiert, sodass sie auch seitlich von der Barriereschicht 31 umgeben ist. Im Übrigen ist dieses Beispiel analog zu dem in 6a gezeigten.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
20: Schichtenstapel
30: Verkapselung
31: Barriereschicht
32: Planarisierungsschicht
40: Schutzschicht

Claims

Mehrschichtige Verkapselung aufweisend eine Schichtenfolge, die mindestens eine Barriereschicht (31) und mindestens eine Planarisierungsschicht (32) umfasst und die Barriereschicht (31) und die Planarisierungsschicht (32) zusammen eine geringere Wasserdurchlässigkeit aufweisen als die Barriereschicht (31).
Mehrschichtige Verkapselung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereschicht (31) ein Metalloxid enthält.
Mehrschichtige Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planarisierungsschicht (32) ein anorganisches glasartiges Material enthält.
Mehrschichtige Verkapselung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das anorganische glasartige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe, die SiO₂-haltiges Material und SiON-haltiges Material umfasst.
Mehrschichtige Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planarisierungsschicht eine Rauigkeit aufweist, die aus dem Bereich < 200 nm gewählt ist.
Mehrschichtige Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planarisierungsschicht (32) strukturiert ist.
Mehrschichtige Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planarisierungsschicht (32) eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenränder aufweist und mit der Barriereschicht (31) an der Ober- und/oder Unterseite eine gemeinsame Grenzfläche aufweist.
Mehrschichtige Verkapselung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Planarisierungsschicht (32) mit der Barriereschicht (31) an den Seitenrändern eine gemeinsame Grenzfläche aufweist.
Optoelektronisches Bauelement, aufweisend – ein Substrat (10), – eine erste Elektrodenschicht auf dem Substrat (10), – einen lichtemittierenden Schichtenstapel (20) auf der ersten Elektrodenschicht, und – eine zweite Elektrodenschicht auf dem lichtemittierenden Schichtenstapel (20), und – eine mehrschichtige Verkapselung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die auf der zweiten Elektrodenschicht und seitlich des lichtemittierenden Schichtenstapels (20) und der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schichtenfolge der Verkapselung so angeordnet ist, dass auf der dem lichtemittierenden Schichtenstapel (20) zugewandten Seite der Verkapselung und auf der von dem lichtemittierenden Schichtenstapel (20) abgewandten Seite der Verkapselung jeweils eine Barriereschicht (31) oder eine Planarisierungsschicht (32) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, das eine organische Licht emittierende Diode (OLED) ist.
Verfahren zur Verkapselung eines Bauelements mit den Schritten – Aufbringen einer Barriereschicht (31), und – Herstellung einer Planarisierungsschicht (32), wobei zur Herstellung der Planarisierungsschicht (32) ein Vorläufermaterial aufgebracht wird, das anschließend gehärtet wird, und wobei die Verfahrensschritte jeweils mindestens einmal abwechselnd durchgeführt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Vorläufermaterial Perhydropolysilazan umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Vorläufermaterial mittels eines Verfahrens aufgebracht wird, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin Coating, Slot Die Coating, Spray Coating, Schablonendruck, Inkjet Drucken und Kombinationen daraus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Vorläufermaterial strukturiert aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Vorläufermaterial mit einer Methode gehärtet wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Temperaturhärtung und UV-Härtung umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Vorläufermaterial mittels UV-Härtung gehärtet wird und eine Planarisierungsschicht (32) gebildet wird, die SiON-haltiges Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Vorläufermaterial mittels Temperaturhärtung gehärtet wird und eine Planarisierungsschicht (32) gebildet wird, die SiO₂-haltiges Material enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Barriereschicht (31) mit einer Methode aufgebracht wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ALD, MLD, CVD, PECVD, Sputtern und Kombinationen daraus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, mit dem ein Bauelement verkapselt wird, das einen organischen lichtemittierenden Schichtenstapel umfasst.