專利名稱：用于測量滲透速度的方法及用于測量和測試的試驗與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量襯底尤其是柔性襯底如在液晶顯示裝置、聚發(fā)光二極管(polyLED)和其它(有機(jī))LED顯示裝置中使用的聚合物(塑料)襯底的滲透速度的方法。特別是由于所有材料均為柔性的且LED裝置具有優(yōu)良的視角性能，因此聚合物(塑料)襯底和(有機(jī))LED裝置的組合是非常有吸引力的。
然而，電致發(fā)光的有機(jī)材料容易氧化且易與水發(fā)生反應(yīng)。陰極材料通常使用活性金屬，其性能惡化得更快。因此在本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)水平中采用玻璃作為襯底，其具有很高的不可滲透性。這里，與滲透率有關(guān)的主要方面在于密封線的滲透速度。在LCD中，水可能會與液晶材料發(fā)生反應(yīng)。
雖然可以從例如Mocon(現(xiàn)代控制)公司中得到用于測量襯底的滲透速度的商業(yè)測試系統(tǒng)，然而這些系統(tǒng)限制在下限值為對水為10-3g/m2/天，對氧為10-3cc/m2/天/巴(在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下)。對于將用于液晶顯示裝置和(有機(jī))LED顯示裝置的塑料襯底來說，這個值應(yīng)該至少再小100倍。而且，測試要持續(xù)一周之久，這在生產(chǎn)環(huán)境中是無法接受的。對于測試(半)成品來說也是如此。
本發(fā)明的目的是解決一個或多個這些問題。為此，提供了一種用于測量滲透速度的方法以及一種用于測量和測試的測試方法和裝置，其中對水來說可以測量低至10-5g/m2/天或更低的滲透速度。
為此，根據(jù)本發(fā)明的方法包括步驟a)在基本惰性氣氛下將活性材料層涂敷在襯底的第一側(cè)面上；b)將襯底的所述第一側(cè)面放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)；c)將襯底的另一側(cè)面暴露在含有可與活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物的環(huán)境中；和
d)將活性材料層的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識，即由于水和氧的存在而發(fā)生氧化，因此活性材料如鋇或鈣逐步變成為越來越透明的層。此層的透射或反射性能可以被測量到，例如通過存儲連續(xù)的測量結(jié)果(例如CCD圖像)，可以采用圖像分析如灰度值測定來確定殘留金屬層的厚度，其與所吸收的化合物尤其是水的量有關(guān)。因此這些透射或反射性能直接與滲透速度有關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于測試更快速。而且，它至少在測試水的滲透性方面提供了更高的靈敏度。另外，它比現(xiàn)有的測試方法更有效，試驗裝置也更靈活。
在一定的情況如在測試基本上不滲透的襯底(金屬或玻璃)下，襯底上的密封件或密封邊緣的滲透率決定了滲透速度。很清楚，在這種情況下，權(quán)利要求中的“襯底”意味著包括了所述密封件或密封邊緣。為了防止密封件或密封邊緣的滲透率影響滲透率測試，如有必要的話可使用具有多個壁的密封邊緣。在雙重壁密封件中設(shè)置吸氣劑能進(jìn)一步地防止?jié)B透穿過所述壁的敏感性。當(dāng)涂敷在兩個密封圈之間時，用于測試的活性材料可用作吸氣劑。
在根據(jù)本發(fā)明的測試方法中，用所述方法對至少一個樣品襯底進(jìn)行測試，并根據(jù)滲透速度的閾值來辨別各批之間的襯底是否通過測試。在一批襯底中閾值可以是滲透速度的平均值或極值。
根據(jù)本發(fā)明的裝置包括a)第一腔，在其中可以產(chǎn)生基本惰性氣氛；b)用于將活性材料引入所述腔中的裝置；c)用于將襯底的所述第一側(cè)面放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)的裝置；d)用于將密封環(huán)境暴露在可與活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物中的裝置；和e)用于將活性材料的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置。
看起來此測試方法另一方面可用作測試封裝如密封件、封蓋或測量盒的滲透率。
在實際中，不同的步驟將分開在幾個子裝置上進(jìn)行。
下面將通過參考幾個實施例及附圖來詳細(xì)地討論本發(fā)明的這些和其它方面，在附圖中

圖1顯示了處于基本上密封的環(huán)境內(nèi)的樣品襯底的平面圖，圖2顯示了沿圖1中線II-II的剖視圖，圖3顯示了作為層厚度的函數(shù)的對于不同波長的玻璃上的CaO/Ca層的透射曲線，圖4顯示了作為波長的函數(shù)的對于不同值的層厚度的玻璃上的CaO/Ca層的透射曲線，圖5顯示了對于不同值的原始層厚度來說作為層厚度的函數(shù)的在波長λ＝500nm時玻璃上的CaO/Ca層的透射曲線，圖6顯示了一些樣品測試的結(jié)果，圖7顯示了用于測量或測試滲透速度的測量和測試裝置的一個示意性實施例，圖8顯示了用于在基本上密封的環(huán)境內(nèi)得到樣品襯底的裝置，圖9和10顯示了用于測量層的光反射率或光吸收率的裝置的實施例，圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，而圖12顯示了沿圖11中線XII-XII的剖視圖，和圖13顯示了采用本發(fā)明的另一示例。
附圖未按比例繪制，而且通常相同的標(biāo)號表示相同的部件。
下面將參考圖1-6來討論用于測量襯底的滲透速度的方法的原理。在基本惰性氣氛中，在待測試的襯底1上沉積了活性材料、在此示例中為Ca的薄層2(例如100nm)。在此示例中Ca以16個方形的圖案沉積。玻璃片或蓋3沿其邊緣通過基本上密封的密封件4如粘膠、金屬如In、或焊料金屬而與襯底1相互連接，從而形成一個封閉的箱體?；蛘?，Ca層可被密封涂層(氮化硅、氧化硅或金屬層)所覆蓋，從而為所述層提供了密封。
滲透到箱體中的水或氧根據(jù)下述反應(yīng)式與Ca發(fā)生反應(yīng)(1)(2)或(3)由于這些反應(yīng)，鈣的量減少，使得金屬層的厚度減小(或所沉積的材料的面積減小)。這還意味著沉積層變得透明，因此透明度或透射性成為衡量擴(kuò)散到箱體中的水或氧的量的一個指標(biāo)。
圖3顯示了作為層厚度的函數(shù)的對于不同波長即500nm(曲線a)、600nm(曲線b)、700nm(曲線c)、800nm(曲線d)和襯底1(曲線e)的玻璃上的CaO/Ca層的計算出的透射曲線。由于層厚度近似于光波長，因此層的透射和反射也很大程度地依賴于波長。這由圖4中的示例所顯示，圖4顯示了作為波長的函數(shù)的對于不同值的層厚度即0nm(曲線a)、10nm(曲線b)、20nm(曲線c)、40nm(曲線d)、60nm(曲線e)、80nm(曲線f)和100nm(曲線g)的玻璃上的CaO/Ca層的計算出的透射曲線。
圖5顯示了對于不同值的原始層厚度來說作為層厚度函數(shù)的固定波長下的玻璃上的CaO/Ca層的計算透射曲線。在圖5中顯示了在λ＝500nm時原始層厚度為90nm(曲線d)、100nm(曲線e)、120nm(曲線g)和150nm(曲線i)的層的情況。
這些數(shù)據(jù)可用于確定在測量和測試過程中所采用的校準(zhǔn)值，其與所使用的波長和原始層厚度有關(guān)。所述曲線可被存儲為將透射或反射與特定層厚度相聯(lián)系的函數(shù)?？赏ㄟ^CCD裝置或數(shù)字照相機(jī)來測量透射或反射的中間值以作為(平均)灰度值。為了得到基準(zhǔn)值，在圖1所示裝置中引入黑色邊界以便測量平均黑色區(qū)域的透射；平均白色的基準(zhǔn)值通過測量沉積的Ca方塊之間的可透射區(qū)域的透射來確定。
由于已知原始Ca層的厚度和總面積，因此灰度值(差異)被認(rèn)為是由層厚度(差異)所引起。根據(jù)反應(yīng)式(1)，(2)和(3)發(fā)生反應(yīng)的Ca的總量以及轉(zhuǎn)化剩余鈣量所需的水量是已知的。這顯示于圖6中的一些樣品中，圖中顯示了作為時間的函數(shù)的剩余鈣量。二次測量時刻之間的差異決定了所述二次測量時刻之間的灰度值的差異。這顯示于圖6中的一些樣品中(不同種類的襯底材料的襯底)。曲線的斜率為所測量的滲透速度。
曲線c的樣品顯示了對于水來說約為2×10-3g/m2/天的滲透速度，而曲線e和f的樣品顯示了對于水來說約為2×10-4g/m2/天的滲透速度，曲線d的樣品顯示了對于水來說小于10-5g/m2/天的滲透速度。這表明此方法可以測量比現(xiàn)有設(shè)備增強(qiáng)了100倍或更多的滲透速度。相似的實驗表明，此方法適于測試氧滲透率為10-2cc/m2/天/巴或更低的水平。
圖7顯示了用于測量或測試滲透速度的測量和測試裝置5，其中在同一基本上密封的環(huán)境如帶有操作裝置9的手套式操作箱8內(nèi)設(shè)置了用于得到樣品襯底的裝置6和用于測量層的光反射率或光吸收率的裝置7。在另一實施例中，用于得到樣品襯底的裝置6和用于測量層的光反射率或光吸收率的裝置7可以設(shè)置在不同的手套式操作箱8內(nèi)，只要樣品可在基本上密封的環(huán)境內(nèi)從用于得到樣品襯底的裝置6傳送到用于測量的裝置7中。
可以通過采用掩膜(見圖8，在此示例中所用的掩膜為6mm2的4×4的陣列)來沉積一層預(yù)定厚度如100nm的鈣，從而得到樣品襯底。覆蓋了鈣的樣品可存儲在手套式操作箱中，但最好在沉積之后盡可能快地制造出試驗單元及基準(zhǔn)單元，如果有基準(zhǔn)單元的話。
襯底1上端朝下地放置在蓋3上，蓋3上已經(jīng)設(shè)置了密封件4。為了得到良好的密封，在組件的上方放置一個銅塊10，同時整個組件在加熱板11上在100℃下加熱15分鐘。為了防止襯底粘在銅板上，可以臨時性地插入一個聚四氟乙烯的隔塊12。很清楚，上述圖示只是一個示例，它可以根據(jù)所用的材料而有所不同。
圖9更詳細(xì)地顯示了用于測量參考圖8所制備的樣品中玻璃上的CaO/Ca層的光透射的可能的裝置7，其中樣品暴露在H2O的環(huán)境中。樣品15放置在光學(xué)系統(tǒng)16的上方，其被光纖照明裝置經(jīng)光纖17而照亮。光經(jīng)過鏡子18而穿過樣品，并通過數(shù)字照相機(jī)19來拍攝數(shù)字圖像。可連續(xù)地拍攝圖像20，并通過互連裝置21將其存儲到計算機(jī)或數(shù)據(jù)處理裝置22中。
圖10顯示了另一實施例，其中通過引入濾色器23來測量單一顏色的透射。樣品15現(xiàn)在垂直地放置于支撐件24的孔26中，并被背光25所照亮。在此示例中照相機(jī)19是對所用顏色而言最佳的CCD照相機(jī)。照相機(jī)19、濾色器23和支撐件24放置于光學(xué)導(dǎo)軌27上。
所得灰度值的圖像處理可以不同的方式來進(jìn)行。如上所述，如參考圖3到5所示，可以預(yù)先確定校準(zhǔn)值。也可以采用其它方法，例如光譜去卷積的方法。
從上述介紹中可以清楚，此方法的不同步驟最好在專門的子裝置中進(jìn)行，例如用于沉積的第一子裝置，用于暴露在環(huán)境條件下的第二子裝置，以及用于測量的第三子裝置，然而在例如連續(xù)監(jiān)測Ca層的情況下，它們中的一些也可以組合在一起，這在較高溫度下進(jìn)行測試時是有用的。
最后，圖11和12顯示了另一實施例，其中相比于圖1，2中的蓋3，(非透明)襯底1是由外殼30所密封，而Ca圖案3現(xiàn)在沉積在測試單元32的可透射襯底31上。為了開始測量或測試，將外殼30通過玻璃管33與測量單元32互連。經(jīng)襯底1滲透到外殼30中的水或氧經(jīng)過管33，并與Ca發(fā)生反應(yīng)。Ca層受到與上述相似的方法的影響。再次通過例如與圖9，10所示相似的方法來測量層的透明度，從而確定滲透速度。
在一些情況下，如果襯底的滲透率非常小，那么密封件的泄漏就決定了測量方法的靈敏度的下限。
在這種情況下，密封件分成兩個壁(用于下述測量的外壁4’和內(nèi)壁4”，如圖13所示)。在兩個壁之間形成了凹腔，其中放置了吸氣劑(干燥劑)15。如果對于干燥劑來說選擇了相同的用于測量的活性材料，那么它們可以在相同的工藝步驟中施加。
在滲透率測試單元中，現(xiàn)在可以采用干燥劑來吸收通過密封件而泄漏的水和氧。由于在采用Ca作為指示層2時主凹腔中的Ca也用作吸氣劑，在內(nèi)部密封上基本上不會存在濃度梯度，因此沒有水和氧能穿過此密封件而傳遞。
例如在使用玻璃蓋時，這種密封件內(nèi)的二個腔的構(gòu)建不需要另外的工序，其中凹腔通過粉末噴鑄(powderblasting)來形成。
應(yīng)該注意的是，上述實施例是說明性而不是限制本發(fā)明，在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)計出多種其它的實施例。在此方面還應(yīng)注意的是，層的反射測量也是其厚度的指標(biāo)，可以用于確定滲透速度。可采用另一活性材料如鋇或鈉來代替鈣。
一個示例是十分適用于測試氫的滲透的釓。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，現(xiàn)在層2包括了多種金屬，例如Gd/Pd或MgXGd1-X/Pd?；钚曰衔锟膳c擴(kuò)散的氫很好地反應(yīng)。反應(yīng)再次使層的外觀發(fā)生了變化。對于氫的檢測來說催化劑可能是必須的。這意味著可以不沉積單一的Ca層而是沉積兩個層，例如100nm的Gd和10nm的Pd。對于1cm2的表面積來說這代表著5×10-7摩爾的Gd。這種銀色的Gd反應(yīng)成深藍(lán)色的GdH2。顏色的變化可作為反射(或透射)的變化而被再次測量。如果在一天內(nèi)5×10-7摩爾的H2發(fā)生反應(yīng)，這就表示氫的流量為每平方米每天10-2g的H2。通過此設(shè)置可以測量出每平方米每天10-4到102g的H2。
由于在正常環(huán)境下氫的濃度非常低，因此所有的工作可在正常環(huán)境下進(jìn)行。Pd層不僅可用作催化劑，而且可保護(hù)Gd不在空氣中腐蝕。指標(biāo)金屬層的鈍性使得此方法十分適用于采用此方法或根據(jù)本發(fā)明的裝置來測量半成品，例如準(zhǔn)備好以便使用的封蓋3(其帶有指標(biāo)金屬層2’，見圖13)或測量單元32。
無須說明，此方法還適用于測試顯示器應(yīng)用之外的襯底和封裝，例如在PolyLed/OLED蓋和OLED密封材料、IC蓋的樣品基底上或在醫(yī)療應(yīng)用中進(jìn)行測試。
在權(quán)利要求中，括號中的任何標(biāo)號不應(yīng)理解為限制了權(quán)利要求。用語“包括”并不排除在權(quán)利要求中所列出的部件或步驟之外還包括其它部件或步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于測量襯底的滲透速度的方法，包括步驟a)在基本惰性氣氛下將活性材料層涂敷在所述襯底的第一側(cè)面上；b)將所述襯底的所述第一側(cè)面放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)；c)將所述襯底的另一側(cè)面暴露在含有可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物的環(huán)境中；和d)將所述活性材料層的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較。
2.一種用于測量襯底的滲透速度的方法，包括步驟a)將所述襯底放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)；b)在基本惰性氣氛下將活性材料涂敷在所述襯底的第一側(cè)面上；c)將所述襯底的另一側(cè)面暴露在含有可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物的環(huán)境中；和d)將所述活性材料層的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述襯底的另一側(cè)面暴露在受控的環(huán)境中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述活性材料屬于包含有鈣、鋇、鈉和釓的組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物屬于包含有水、氧和氫的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，測定至少一部分所述活性材料層的透射或反射值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述透射或反射值與剩余的所述活性材料的量有關(guān)。
8.一種用于對一批襯底中的一組進(jìn)行滲透率測試的方法，所述方法包括步驟a)采用根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法測量至少一個樣品襯底的滲透速度；b)根據(jù)所述滲透速度的閾值來辨別各批量之間的襯底是否通過測試。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述閾值可確定為在一批襯底中的滲透速度的平均值或極值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對水來說所述閾值最多為10-4g/m2/天。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，對水來說所述閾值最多為10-5g/m2/天。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述密封件包括至少兩層壁。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述密封件中設(shè)置了吸氣劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述密封件包括活性材料。
15.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法的裝置，包括a)第一腔，在其中可以產(chǎn)生基本惰性氣氛；b)用于將活性材料引入所述腔中的裝置；c)用于將襯底的所述第一側(cè)面放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)的裝置；d)用于將所述密封環(huán)境暴露在可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物中的裝置；e)用于將所述活性材料的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括第一子裝置，其包括a)第一腔，在其中可以產(chǎn)生基本惰性氣氛，b)用于將活性材料引入所述腔中的裝置，c)用于將所述襯底的所述第一側(cè)面放置于基本上密封的環(huán)境內(nèi)的裝置；第二子裝置，其包括用于將所述密封環(huán)境暴露在可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物中的裝置；第三子裝置，其包括用于將所述活性材料的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，至少兩個所述子裝置組合在一起。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括外部操作裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述用于將所述密封環(huán)境暴露在第二腔中的裝置包括位于所述第一腔和第二腔之間的封閉連接，可以打開所述連接以開始測試。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述用于將光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置包括至少一個數(shù)字照相機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述用于將光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置包括用于得到反射光譜或吸收光譜的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于，所述用于將光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較的裝置還包括圖像處理裝置。
23.一種用于測量封裝的滲透速度的方法，包括步驟a)將活性材料層涂敷在襯底的第一側(cè)面或所述封裝上；b)以基本上密封的方式將所述封裝固定在所述襯底的第一側(cè)面上；c)將此組件暴露在含有可與所述活性材料發(fā)生反應(yīng)的化合物的環(huán)境中；和d)將所述活性材料層的光反射率或光吸收率與校準(zhǔn)值相比較。
全文摘要
提出了一種用于測量襯底(1)的滲水率的方法。將可與擴(kuò)散材料如水發(fā)生反應(yīng)的活性化合物(Ca，Ba)涂敷在襯底上，并及時地監(jiān)測此層的透射率、反射率隨時間所發(fā)生的變化。
文檔編號G01N15/10GK1460179SQ02800880
公開日2003年12月3日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月29日
發(fā)明者P·C·P·布藤, G·尼薩托, P·J·斯利克弗爾, H·F·J·J·范通格倫, E·I·哈斯卡爾, P·范德斯勒伊斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司