CN101191960A - 用于在平板显示器中喷墨间隔垫的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于在基板上沉积间隔垫的方法和装置。本发明包括在基板的第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水以及在基板的第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水，该第二区域大于并环绕该第一区域。部分该第二墨水蒸发，从而第二墨水内的支撑元件移动到该第一区域中并且粘到第一墨水中的粘合剂，形成间隔垫。本发明还提供多个其它方案。
Description
本申请要求享有以下专利申请的优先权，并在此引入每个专利申请的全部内容作为参考：
2007年4月19日提交的序列号No.11/737,141并且题目为“METHODSAND APPARATUS FOR INKJETTING SPACERS IN A FLAT PANELDISPLAY”的美国专利申请(代理人存档号No.11548/DISPLAY/INKJET/RKK)；以及
2006年12月1日提交的序列号No.60/868,311并且题目为“METHODSAND APPARATUS FOR INKJETTING BALL SPACERS”的美国专利申请(代理人存档号No.11548/L/DISPLAY/INKJET/RKK)。
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下共同转让的、共同待决的美国专利申请，在此引入每个专利申请的全文作为参考：
2006年7月27日提交的序列号No.11/494,286并且题目为“INKS FORDISPLAY DECICE MANUFACTURING AND METHODS OFMANUFACTURING AND USING THE SAME”的美国专利申请(代理人存档号No.11335)；以及
2006年9月13日提交的序列号No.11/521,177并且题目为“METHODAND APPARATUS FOR MANUFACTURING A PIXEL MATRIX OF ACOLOR FILTER FOR A FLAT PANEL DISPLAY”的美国专利申请(代理人存档号No.10502)。
技术领域
本发明主要涉及平板显示器形成，以及更尤其涉及关于用于在平板显示器的光敏层内或之间提供间隔垫的方法。
背景技术
在诸如液晶显示器(LCD)的平板显示器中，光敏器件例如液晶通常在单光敏层内成阵列放置。为了在光敏层之间对液晶提供足够的空间以适当操作，“间隔垫(spacer)”沉积在光敏层内以维持所需的层厚度并用作支架。
已经使用光刻工艺生产间隔垫，但是已经证明该工艺是耗时并且昂贵的。需要可靠并准确的沉积间隔垫的成本优化的方法。
发明内容
在本发明的一些方案中，提供一种用于在基板上沉积间隔垫的方法。该方法包括(1)在基板的第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水；以及(2)在基板的第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水，该第二区域层叠在第一区域的至少一部分上。部分第二墨水蒸发，从而第二墨水内的支撑元件移动到第一区域中并且粘接到第一墨水中的粘合剂，形成间隔垫。
在本发明的另一方案中，提供一种在基板上沉积多个间隔垫的方法。该方法包括(1)在基板的多个第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水；以及(2)在基板的多个第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水，各个第二区域大于并环绕第一区域的其中之一。在各个第二区域中的部分第二墨水蒸发，从而第二墨水内的支撑元件移动到第一区域中并且粘接到第一墨水中的粘合剂，形成间隔垫。
在本发明的又一方案中，提供一种在基板上沉积间隔垫的装置。该装置包括(1)适于在基板的第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水的第一喷墨打印头；以及(2)适于在基板的第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水的第二喷墨打印头，第二区域大于并环绕第一区域。部分第二墨水蒸发，从而第二墨水内的支撑元件移动到第一区域中并且粘接到第一墨水中的粘合剂，形成间隔垫。
通过以下的详细说明、附加的权利要求书和附图，本发明的其它特征和方案将更加显而易见。
附图说明
图1为示例性平板显示器的截面示意图；
图2根据本发明的实施方式所提供的包含球墨(ball ink)的示例性球墨储存器的透视示意图；
图2A是图2的一部分的放大视图，其示出了球墨和球墨储存器；
图3A是根据本发明的实施方式在基板上沉积粘合剂墨水的透视示意图；
图3B是根据本发明的实施方式在基板上的粘合剂墨水上方沉积球墨的透视示意图；
图4A到图4C是根据本发明的实施方式在基板上将间隔垫粘结性粘接到粘合剂墨水的示例性工艺中的步骤次序示意图；
图5是显示面板的一部分的放大视图，其中间隔垫放置在面板内所选的交叉点处；
图6是根据本发明的实施方式将间隔垫沉积到基板上的方法的流程图。
具体实施方式
直接沉积间隔垫已试图作为一种用于生产平板显示器中的间隔垫的可选、成本更优化的技术。在直接沉积中，当从诸如喷墨打印机的打印设备落下时分配间隔垫。间隔垫可以包括悬浮的支撑元件的墨滴形式沉积到基板上，该支撑元件包括托盘，诸如小球体或球。单独的支撑元件的直径可为微米的数量级。包含支撑元件(例如，球)的墨水称为球墨。一旦沉积在基板上，球墨可固化或干燥，形成具有适宜的支撑强度和弹力的固体。在固化和干燥形成最终，间隔垫可基本上为球状，但是取决于球墨的表面张力和在沉积期间引入的其它因素也可形成其它形状。
本发明的发明者已经发现间隔垫的直接沉积在一些情形下是不可靠的，例如，当间隔垫直接沉积到基板上时，球墨可能没有固化或干燥，以提供足够的张力以保持间隔垫在基板上的适当位置。解决该问题的一个尝试包括提供具有粘性的球墨，诸如通过将粘性溶剂添加到球墨中。当以这种方式添加粘合剂时，已经发现所产生的球墨可能变得不牢固，可能阻塞在打印设备中的喷嘴并且，尽管粘合剂的添加，可能在沉积之后不能提供足够的粘合剂。
本发明提供用于在光敏层中提高可靠性粘附到基板上的间隔垫的方法和装置，并提供对光敏层的充分支撑。在一些实施方式中，粘合剂(粘性墨水)沉积到指定位置并给于足够时间以硬化；然后包含支撑元件诸如球(球墨)的墨水在粘性墨水上方沉积。支撑元件朝向粘性墨水中的粘合剂移动并粘附到该粘合剂上，原因在于至少部分球墨蒸发，从而导致光敏层中稳定的间隔垫排列。在一些实施方式中，通过喷墨打印头施加粘性墨水和球墨。
图1是平板显示面板的示例性实施方式的截面示意图，其中液晶用作光敏器件。显示面板100包括第一基板102和贯穿面板100内的一间隔与第一基板102相对设置的第二基板104。第一基板的外表面(在远离第二基板104的一侧上)由第一偏光层106覆盖以及第二基板104的外表面(在远离第一基板102的一侧上)由第二偏光层108覆盖。黑树脂矩阵110相对于偏光层106设置在基板102的内表面上。黑树脂矩阵110可包括可由彩墨填充的着墨孔以形成滤色片112。在一个或多个实施方式中，各个着墨孔可由一特定颜色的墨水填充，而不同的着墨孔可由不同颜色的墨水填充。例如，在黑树脂矩阵110中的连续组的着墨孔可分别由红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)墨水填充。可使用不同颜色的墨水。在之前引入的美国专利申请No.11/494,286中描述了可用在本发明上下文中的黑树脂矩阵和着墨孔的实施例。
可用作电极的铟锡氧化物层(ITO层)114设置在黑树脂矩阵110和滤色片112上方。用于排列液晶液体的薄聚酰亚胺层(PI层)116相对滤色片110设置在ITO层114的内表面上。
在与黑树脂矩阵110和滤色片112相对的液晶面板100的一侧上，第二ITO层118相对偏光层108设置在基板104的内表面上。用作开关器件的薄膜晶体管(TFT)，例如120a、120b、120c、120d、120e、120f，嵌入在ITO层118中。第二薄PI层122设置在ITO层118的内表面上。
间隔垫124设置在分别在基板102、104上的PI层116、112之间的间隙126中。例如，间隔垫可具有3μm±300
的直径。可以使用其它间隔垫尺寸。间隙126还可由光敏的液晶材料128填充，并从而组成光敏层。设置在间隙126的侧端的密封件130、132适于防止液晶材料从间隙126漏出或者否则从间隙126溢出。在操作中，当使用薄膜晶体管120a、120b、120c、120d、120e、120f在整个光敏层上施加电压时，液晶128的取向可改变，以致改变液晶材料128的光学特性，诸如极化取向。反过来，可使用液晶的光学特性中的变化，以控制通过显示面板100的透光度。
为了对光敏层提供足够的支撑，可在间隙126中均匀并稳固地分配间隔垫124。已经发现通过使用喷墨打印头悬浮墨中的支撑球并沉积球/墨混合物(即，球墨)到基板上，间隔垫124可有效施加到基板上。
图2是根据本发明所提供的包含球墨136的球墨存储器134的实施方式的透视示意图。球墨136可由例如，SEKISUI公司供应。球墨136可包括具有不同重量百分比、蒸发速度、表面张力等的一种或多种溶剂。图2A是包括多种支撑元件诸如悬浮在其中的球137的球墨存储器134中的球墨的放大图。各个球墨137可由玻璃、聚合物和/或其它材料组成，并且直径可变化。在球墨136内每单元体积的球137的浓度可变化。
为了在沉积时使间隔垫124最终可靠地粘附到基板102上，已经发现在沉积球墨136之前最初沉积粘合剂(术语“粘性墨水(adhesive ink)”)138到基板102上的指定位置是有利的。人们注意到虽然基板102可由诸如聚酰亚胺(PI)层116的一层或多层涂覆，但是为了简便此处讨论称为在基板102上的沉积。粘性墨水138还可使用喷墨打印头沉积。在沉积时，粘性墨水138可给于充足的时间以硬化；之后，球墨136可沉积到直接在粘性墨水之上的指定位置上。可指定和/或选择球墨136和粘性墨水138以彼此相容；即，可指定和/或选择球墨136，使得在接触和/或暴露时，溶剂或在球墨中所含的其它物质不退化粘性墨水138的粘性。
图3A是示出使用包含粘性墨水138的喷墨打印头(粘性墨水打印头)在基板上粘性墨水138的沉积的透视示意图。如图所示，粘性墨水打印头140可包含具有一组排列成行的喷嘴141的喷墨打印头。
在一些实施方式中，粘性墨水138可包括约15wt.％的弹性丙烯酸树脂。可使用其它类型的粘合剂。例如，可使用环氧物和/或基于硅树脂的粘合剂。粘性墨水140还可包含一种或多种溶剂。可选择该溶剂使得粘性墨水138具有约3cP至约7cP的粘度(例如，5cP)或者允许粘性墨水138以适宜的墨滴大小从粘性墨水打印头140有效分配而不阻塞喷嘴141的其它适宜粘度。粘性墨滴138的周长/体积可在适宜墨滴尺寸的大范围内变化。
在一些实施方式中，可使用二元粘合剂。例如，可使用环氧粘合剂，其中第一部分包括树脂而第二部分包括硬化剂或者促凝剂。这两部分可施加到粘性墨水打印头的分开孔(pass)中。例如，第一头的第一孔可施加树脂而第二头的第二孔可施加硬化剂。在另一实施方式中，可使用可由来自空气或者所施加的水蒸气的水分活化的粘合剂。如以上所示，在一些实施方式中，溶剂的蒸发可用于活化粘合剂。
为了有助于在基板102上的所需区域上沉积粘性墨滴138，基板102可在垂直于粘性墨水打印头140的喷嘴141的纵向排列(x轴方向)由箭头142所示的方向上(y轴方向)排列或移动。可选地或者另外地，粘性墨水打印头140可在x和/或y轴方向上指引(index)或者移动。
在粘性墨水138沉积之后，可允许硬化，在此期间墨水中的至少部分溶剂蒸发。基于例如在球墨136后来沉积到粘性墨水上之前所包括的溶剂(或者多种溶剂)的属性和浓度，粘性墨滴138可允许干燥预定时间量。在可选实施方式中，使用二元粘性墨水138，例如，硬化剂/促凝剂可立即施加(或者在硬化周期之后)和/或可包括于球墨136中。
在一个或多个实施方式中，可通过提供热能以增加在粘性墨水138中所包含的溶剂(或多种溶剂)的蒸发速度，减少粘性墨水138的硬化时间。在粘性墨水138中的溶剂(或多种溶剂)的蒸发速度可以多种方式调整，包括，例如，加热基板102或者通过暴露粘性墨水138于热气流中。当采用直接加热时，可将基板102加热至适于增加溶剂(或多种溶剂)的蒸发速度而不损坏基板102等的温度范围内。另外地或可选地，当引入热气流时，例如，在可适于增加溶剂(或多种溶剂)的蒸发速度而不损坏基板102等的温度范围内提供气体，并且气体可吹到基板上所选的可变化的时间周期以优化产量。
在粘性墨滴138已经沉积和/或硬化后，球墨136可直接沉积到粘性墨滴上，优选地球墨液滴136的中心大约与基板102上粘性墨水硬化的中心相符。图3B示出了使用其它喷墨打印头144(球墨打印头)在粘性墨水138滴上方球墨滴的沉积的透视示意图。
球墨打印头144通过一组喷嘴145将球墨136的液滴沉积到粘性墨滴138上。各个球墨滴136可覆盖其上每个都沉积的整个粘性墨滴138，并还可覆盖围绕粘性墨滴138的部分基板102。例如，在基板102上各个球墨滴136的尺寸可从小于粘性墨滴的尺寸变化到大于粘性墨滴的尺寸。参照图3A如上所述，基板102可在y轴方向排列并移动，并且为了覆盖预定基板102的预定区域球墨打印头144可在x轴和/或y轴方向上排列或移动。
人们注意到球墨136和粘性墨水138可具有可调整以使它们适于由本发明所提供的喷墨沉积工艺的物理化学的属性。之前所引入的美国专利申请No.11/494,286描述了各种墨水溶剂和可施加到本发明的上下文中的该溶剂的适宜的物理化学属性。该属性可包括一种或多种干燥时间、表面张力、蒸发速度和溶剂的粘度、包括于球墨136和粘性墨水138中的树脂和其它化学物质。这些属性可相互关连并且可影响墨滴或从喷墨打印头分配的液滴的尺寸和数量、墨水在喷墨打印头的一个或多个喷嘴上变干的趋势并可能堵塞该喷嘴、从喷墨打印头的喷嘴所分配的墨滴的形状等。这些属性的优化控制可，例如减少堵塞，改善墨滴尺寸的均匀性，实现球墨溶剂的快速蒸发以及球墨中的球与粘性墨水所改善的粘附。
图4A至图4C示出了将间隔垫124黏附地结合到在基板102上的粘性墨水138的示例性工艺中的步骤次序的示意图。
在图4A中，粘性墨滴138施加到基板102上的第一区域并允许或促使硬化(例如，使用硬化剂)。在硬化工艺中，如上参照图3A所述，在一些实施方式中，粘性墨水138中的至少部分溶剂蒸发，减少粘性墨滴的体积。随着在该实施方式中粘性墨滴138硬化，粘性墨滴138变得牢固地粘附到基板102上。在图4B所示工艺接下来的步骤中，球墨滴136沉积在粘性墨滴138上方的基板102的第二区域上。包括球墨滴136的第二区域可大于包括粘性墨滴138的第一区域并优选地环绕后者。然后，通过添加热能或以别的方式促使在球墨滴136中的部分溶剂蒸发。随着球墨滴136中溶剂(或者多种溶剂)蒸发，球墨滴136的外边缘148在箭头的方向向内收缩(即，包括球墨滴136的第二区域减少尺寸)。由于表面张力影响，随着球墨136收缩，在最初设置在粘性球墨滴138的外边缘150外侧的球墨136内的独立的球137朝向第一区域迁移以与粘性墨滴138接触。
在图4C中示出了球墨溶剂蒸发工艺的示例性最终阶段。如图所示，通过粘性墨滴138内的粘合剂的作用，存在于所分配球墨滴136中的独立的球137迁移到粘性墨滴138上并粘结到该粘性墨滴138上。所粘结的球137的结合，经由粘性墨滴138和基板102之间的粘结，球墨136中的粘性墨滴138和任意剩余溶剂(或多种溶剂)或树脂形成牢固耦合到基板的间隔垫124。
在可选实施方式中，例如使用二元粘合剂而没有蒸发溶剂下，粘性墨滴138和球墨滴136可具有约相同的尺寸，并且可避免由如上所述随着溶剂蒸发而引起的迁移。
在间隔垫124和基板102之间的粘结可经历振动和冲击测试以确保在各种可能的工作条件下间隔垫124将保持稳固地附着在面板100内。例如，可设计间隔垫124粘结到基板102上以在特定时间周期内经受振幅和频率的预定范围内的振动。另外，可能需要间隔垫124以经受平行于或者与基板102的主表面成一角度施加的预定值冲击力的而不会脱离。
图5描述了部分显示面板100的放大视图，其中在显示面板100中间隔垫124放置在黑树脂矩阵110的所选交叉点处。间隔垫124粘结到如上所述粘性墨水138已沉积的区域中。面板100的黑树脂矩阵110可包括在水平x-y平面中均匀隔开的像素着墨孔152。各个像素着墨孔152可由特定颜色的墨水填充。在一些实施方式中，连续组的三个邻近像素着墨孔152可分别由红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)墨水填充。该组可组成显示面板100的“像素”。为了充分支撑基板102和104并保持足够的空隙126以包含液晶材料128，间隔垫124可设置在显示面板100的水平面上一个像素间隔处。可使用较小或较大的间隔。
图6是描述根据本发明的一些实施方式将间隔垫124沉积到基板102上的示例方法160的流程图。在步骤162中，通过粘性墨水打印头140将粘性墨滴138沉积到所选的基板102的第一区域上。在步骤164中，提供调整的时间用于允许粘性墨滴140硬化或固化，从而粘性墨滴变得牢固粘结到基板102上。在步骤164中，通过提供热量、硬化剂或其它能力或化学物质(例如，通过加热基板102、吹送热气到粘性墨水上、施加紫外光、施加促凝剂等)，可以促使和/或有助粘合剂的硬化。在粘性墨滴138硬化后，球墨滴136施加到包括粘性墨滴138的第一区域上方(并环绕)的第二区域上。在步骤168中，在球墨滴136中的溶剂(或多种溶剂)蒸发。可通过提供类似于步骤164的能量(例如，热能)有助球墨溶剂(或多种溶剂)的蒸发。随着球墨溶剂的蒸发进行，包括球墨滴136的第二区域缩减并且包括于球墨136中的独立的球137朝向包含粘性墨滴138的第一区域向内迁移。随后，独立的球137形成与粘性墨滴138的粘合，形成间隔垫124。该间隔垫124经由在粘性墨滴138和基板102之间的预定硬化粘结反过来牢固地耦合到基板102上。在可选实施方式中，例如使用二元粘性墨水138，作为附加步骤硬化剂/促凝剂可直接施加(或者在硬化周期之后)，和/或可通过包括在球墨136中的硬化剂施加。
前述的描述仅公开了本发明的示例性实施方式。对于本领域的普通技术人员，在本发明范围内的以上所公开装置和方法的修改是显而易见的。例如，尽管仅公开在两个孔中沉积的实施例，但是本发明可修改为在多个孔中沉积。另外，尽管以上示出使用均匀大小的间隔垫，但是在一些实施方式中，该装置可沉积不同形状及大小的间隔垫。
因此，虽然本发明已经结合其示例性实施方式公开，但是应该理解其它实施方式可落入本发明的精神和范围内，由以下的权利要求书所限定。
Claims (20)
1.一种在基板上沉积间隔垫的方法，包括：
在所述基板的第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水；
在所述基板的第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水，所述第二区域环绕所述第一区域；
其中，在所述第二区域中的部分所述第二墨水蒸发，使得所述第二墨水内的所述支撑元件移动到所述第一区域中并且粘结到所述第一墨水中的所述粘合剂，形成间隔垫。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述第二区域中沉积所述第二墨水之前，促使所述第一墨水硬化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，促使所述第一墨水硬化包括协助部分所述第一墨水蒸发。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述协助部分所述第一墨水的蒸发包括将热能提供给所述第一墨水。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供热能包括直接加热所述基板。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供所述热能包括暴露所述第一墨水于加热的气流中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一墨水包含约15wt.％的弹性丙烯酸树脂。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粘性墨水具有约5cP的粘度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间隔垫具有约
的直径。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述基板的第三区域上沉积包括粘合剂的第一墨水；
在所沉积的第一墨水上方沉积包括支撑元件的第二墨水，所述第二墨水最初覆盖所述基板上的围绕所述各个第三区域的第四区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基板包括具有通过像素间隔互相分离的一组像素的滤色片，并且所述第三和第四区域从所述第一和第二区域隔开约一个像素间隔。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板包括具有通过像素间隔互相分离的一组像素的滤色片，并且所述第三和第四区域从所述第一和第二区域隔开约一个像素间隔。
13.一种在基板上沉积多个间隔垫的方法，包括：
在所述基板的多个第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水；以及
在所述基板的多个第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水，各个所述第二区域大于并环绕所述第一区域的其中之一；
其中各个所述第二区域中的部分第二墨水蒸发，从而所述第二墨水内的所述支撑元件移动到所述第一区域中并粘结到所述第一墨水中的所述粘合剂，形成间隔垫。
14.一种用于在基板上沉积间隔垫的装置，包括：
适于在所述基板的第一区域上沉积包括粘合剂的第一墨水的第一喷墨打印头；以及
适于在所述基板的第二区域上沉积包括支撑元件的第二墨水的第二喷墨打印头，所述第二区域大于并环绕所述第一区域；
其中在所述第二区域中的部分所述第二墨水蒸发，从而所述第二墨水内的所述支撑元件移动到所述第一区域中并粘到所述第一墨水中的粘合剂，形成间隔垫。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，进一步包括：
用于协助所述第一和所述第二墨水的至少其中之一的蒸发的工具。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，用于协助蒸发的所述工具包括耦合至并适于加热所述基板的加热器件。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，用于协助蒸发的所述工具包括耦合到管道的加热气体源，该管道具有在所述第一和第二区域邻近设置适于将所述第一和第二墨水的至少其中之一暴露于加热气体的出口。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一墨水包含约15wt.％的弹性丙烯酸树脂。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述粘性墨水具有约5cP的粘度。
20.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述间隔垫具有约
的直径。
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