CN104438021A - 一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法，包括：在干净的基材上制备疏水薄膜；在疏水薄膜表面直接喷涂低粘度的亲水涂料得到喷涂亲水涂膜；前烘；还可以在喷涂得到亲水涂膜表面上再旋涂一层亲水涂料，然后再进行前烘。本发明采用喷涂法利用喷嘴将低粘度涂料溶液分散成液滴，沉积到疏水薄膜表面上，解决了低粘度涂料涂布（丝网或者旋涂）过程中出现收缩的问题，同时在已喷涂的亲水涂膜表面再均匀旋涂亲水涂料，得到的亲水涂膜完整、均匀且厚度可控；而且还可以通过旋涂不同的亲水涂料，得到由不同亲水材料复合的亲水膜，增加亲水膜的功能。本发明可用于电润湿显示、微流控芯片、不同结构的疏水表面保护层制备等领域。

Description

一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法

技术领域

本发明涉及一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法。

背景技术

涂膜是涂料经过一定的工艺所形成的薄膜，广泛应用于加工制造等领域。比如说光刻胶涂膜广泛应用于光电子器件的制备，如显示器件、微流控芯片、IC集成电路等。在器件的微纳米加工工艺过程中，涂料的成膜是整个工艺尤为关键的一步，膜质量的好坏直接影响到后序工艺的进行，也影响器件的性能与寿命。

涂料成膜有很多种方法，目前常用的是丝网印刷和旋涂法；丝网印刷和旋涂法可以在不同的基材上获得均匀的薄膜；但这一般用于对可浸润的固体表面涂布，如果在难浸润的固体表面涂布，则很难获得完整的薄膜，尤其是旋涂法，由于旋转离心力的作用，更难在不浸润的低表面能的固体表面上直接进行旋涂，离心力的作用使涂料无法停留，最终无法得到完整的涂膜。

目前在疏水表面旋涂亲水性涂膜材料的主要解决方法有：（1）利用等离子体或紫外臭氧处理等方法对不浸润疏水材料表面进行改性使其表面变亲水可浸润，再进行涂料旋涂，但这种方法需要增加工艺，成本提高，同时疏水材料表面无法保证100%恢复，影响器件的性能；（2）通过热风或光辐射等快速加热方式来提高旋涂过程中的涂料的粘度，从而达到在不浸润疏水材料表面直接旋涂涂料形成涂膜的目的，但这种方法获得的涂膜均匀性和重复性较差，可制备的器件尺寸也非常有限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种在疏水表面直接喷涂低粘度亲水涂料，或进一步地，在喷涂得到的涂膜表面再旋涂一层亲水涂料，从而形成亲水涂膜的方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法，包括以下步骤：

在干净的基材上制备疏水薄膜；

在疏水薄膜表面直接喷涂低粘度的亲水涂料形成亲水涂膜，得到具有亲水涂膜的样片；

对样片进行前烘。

优选地，所述基材为硅片、玻璃片、PMMA片、OCO片、PDMS片、PET片或PI片；所述基材的表面涂覆或未涂覆有电极，所述电极为ITO、TFT、Au、Ag、Pt、Al、Cu或Fe电极。

优选地，所述疏水薄膜是先通过旋涂或印刷涂布，然后烘烤的工艺制备得到的。

优选地，所述疏水薄膜表面的接触角为90-150°，厚度为200-1200 nm。

喷涂的低粘度亲水涂料，可以是任何可用于制备亲水涂膜的涂料，优选地，亲水涂料的粘度为0-1500 cSt，可以为光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶或热固胶等。

优选地，采用所述喷涂涂料进行喷涂时，喷涂速率为0-50 μl/s，喷涂距离为5-40 cm。

为避免前烘过程中薄膜出现收缩、变形等，进一步保证亲水涂膜的粘附性及完整性；优选地，所述前烘是将样片放到真空度≤0.5bar的环境中，从室温逐步升温至50-100℃，升温速度为1-10℃/min，然后保温5-20 min，进行烘烤。

作为上述方案的进一步改进，为了增加膜厚或者薄膜的均匀性和降低薄膜表面粗糙度，可以在在喷涂得到的亲水涂膜表面再旋涂一层亲水涂料，然后再对得到的样片进行前烘。

旋涂用的亲水涂料同样也可以包括光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶、热固胶等，但是粘度要根据旋涂工艺进行相应调整，旋涂用的涂料的类型可以和喷涂用的涂料是同一类或者不同类，根据需要设置。

优选地，所述旋涂转速为1000-3500 r/min，旋涂厚度为2-30 μm。

本发明的有益效果是：本发明首先采用喷涂法利用喷嘴将低粘度涂料溶液分散成液滴形式，然后沉积到疏水薄膜表面上，解决了低粘度涂料涂布（丝网或者旋涂）过程中出现收缩的问题，进一步地，在已喷涂的亲水涂膜表面再均匀旋涂亲水涂料，得到的亲水涂膜完整、均匀且厚度可控；而且还可以通过旋涂不同的的亲水涂料，可以得到不同疏水材料复合的亲水膜，增加亲水膜的功能。

进一步，还利用低真空度下加热的方法进行前烘，提高薄膜的粘附性，使得到的薄膜完整、均匀性高、膜厚可控、粘附性好，并在常规的光刻工艺中，无薄膜收缩、起皮、脱离等现象，具有非常好的后期加工性能。

同时，该方法工艺简单、成本低，无需复杂和高成本的等离子体或紫外臭氧处理等工艺，避免了对疏水材料表面的影响；同时克服了通过热风或光辐射等提高旋涂过程中涂料粘度的方法所带来的薄膜不均匀、可控性和重复性差等问题。

而且喷涂法节省材料，可控性好，可涂布面积大，可涂布在不同结构的疏水表面，薄膜均匀性高。

本发明可用于各种疏水材料表面的亲水涂膜制备，如电润湿显示、微流控芯片、不同结构的疏水表面保护层制备等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明实施例提供的在疏水表面制备亲水涂膜的工艺流程图；

图2是本发明实施例提供的疏水表面上直接喷涂低粘度亲水涂料的过程示意图；

图3是本发明实施例1提供的亲水涂料喷涂后（图3A），低真空度下前烘后（图3B），和经过光刻工艺后的显示阵列的效果图（图3C）；

图4是本发明实施例2提供的在已喷涂有亲水涂膜的样片上旋涂后（图4A），低真空度下前烘后（图4B）和经过光刻工艺后的显示阵列的效果图（图4C）。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1是本发明实施例提供的疏水表面亲水性涂料涂布工艺流程图。

步骤A，在干净的基材1上制备疏水薄膜2。

所述的干净基材1为经过用清洗剂超声清洗过的基材，如硅片、玻璃片、PMMA片、OCO片、PDMS片、PET片、PI片等，这些基材的表面涂覆或未涂覆有电极，电极可以为ITO、TFT、Au、Ag、Pt、Al、Cu或Fe电极等。优选地，基材1为涂覆有ITO电极的玻璃片，简称ITO玻璃。

疏水薄膜2可以是由光刻胶AF1600、AF1600X、Cytop、Hyflon，或疏水性的PI材料形成的单一材料的薄膜；或者是由绝缘材料和疏水涂膜结合组成的复合结构的薄膜，如氧化硅/氮化硅/聚酰亚胺等作为绝缘层，表面再涂覆由接枝的全氟化硅氧烷、AF1600、AF1600X、Cytop或Hyflon等形成的疏水层。

优选地，疏水薄膜2经过薄膜沉积、丝网印刷或旋涂等方法进行涂覆，结合后序的烘烤工艺获得的。

优选地，所得到的疏水薄膜2的厚度为200-1200 nm；表面的接触角为90-150°。

步骤B，在疏水薄膜2表面直接喷涂低粘度亲水涂料形成亲水涂膜3。

喷涂法的工艺如图2所示，将低粘度的涂料溶液添加到喷涂设备5的液缸中，调整好喷涂速率和喷涂距离，然后在疏水表面正上方进行喷涂形成亲水涂膜3。

喷涂所用的低粘度亲水涂料为可用喷涂法进行喷涂的粘度范围在0-1500 cSt的所有亲水涂料，优选为，光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶或热固胶。

选择适合的喷涂速率和喷涂距离尤为重要：（1）喷涂速率，不同粘度的涂料的喷涂速率有所不同，喷涂速率过大，所形成的喷雾4液滴会比较大，容易出现薄膜收缩，甚至无法形成薄膜；喷涂速率过小，对应的喷雾4液滴较小，有利于成膜，但需要喷涂的时间过长。（2）喷涂距离，由于涂料从喷嘴喷出后形成的喷雾4具有一定的速率，距离越近则对疏水薄膜2表面的冲击力也大，因而容易出现涂膜收缩，甚至无法形成涂膜；喷涂距离过远时，所形成的喷雾4的面积范围较大，比较适合大面积喷涂，也有利于形成薄膜，但对于小面积样片则由于部分喷雾4喷到疏水材料外面而造成浪费。

优选喷涂速率为0-50 μl/s，喷涂距离为5-40 cm。

步骤C，在上述喷涂形成的亲水涂膜3表面上再旋涂一层亲水涂料。

此旋涂步骤，为可选步骤，采用的涂料与上述步骤B中喷涂的材料可以一致，也可以不同。

通过旋涂可以进一步提高亲水涂膜3的厚度和均匀性，同时还可以通过选择旋涂不同的亲水涂料，丰富得到的亲水涂膜3的构成，得到不同亲水材料复合的亲水涂膜3，改善其性能。

优选地，同样采用光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶或热固胶进行旋涂，粘度根据旋涂工艺需要进行调整；进一步优选地，旋涂转速为1000-3500r/min，旋涂厚度约为2-30μm。

步骤D，对前述的步骤B或C所得样片进行前烘。

样片的前烘尤为关键，由于是对疏水薄膜2表面上的亲水涂膜3进行烘烤，样片如果直接放到加热板上进行前烘，亲水涂膜3在50℃左右已经开始出现收缩，因而需要特殊的前烘方式才能保证亲水涂膜3不会出现收缩。优选地，所述前烘的条件是：将样片置于真空度 ≤ 0.5 bar的环境中，从室温逐步升温至50-100 ℃，升温速度为1-10 ℃/min，然后保温5-20 min，进行烘烤。

步骤E，进一步，还可以对前烘后的样片表面进行后序涂覆工艺。

此步骤并不是必须的，可以根据需要进行。由于疏水表面已经形成一层亲水涂膜，表面具有浸润性，对后序涂覆的涂料具有良好的兼容性，可以涂覆各种性能和粘度的涂料（包括光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶、热固胶等）。涂覆方法可以是旋涂、丝网涂覆或者线棒涂覆等方式。涂覆成膜后的均匀性好，而且厚度可以控制在2-200μm，适用范围广。

步骤F，最后，针对不同的薄膜材料还可以进行后续加工。

比如：对光刻胶可以通过光刻工艺进行曝光、后烘、显影等步骤处理，得到微结构阵列。例如，本发明一实施例，利用紫外光刻机将前烘后的光刻胶薄膜样片进行曝光，然后放到50-100 ℃的热板上烘烤2-10 min，接着进行显影，显影时间为2-6 min，获得光刻胶显示阵列。样片在光刻工艺过程中并未发生亲水光刻胶涂膜起皮、脱离等粘附性差的现象，具有良好的光刻工艺性能。

本发明的方案综合考虑固体表面能和涂料的受力，从改变薄膜涂料受力入手，利用喷涂法将低粘度的亲水涂料分散成液滴形式直接沉积在疏水薄膜表面上形成亲水涂膜；进而再通过旋涂，在喷涂的亲水涂膜上再旋涂一层亲水涂料，提高了亲水涂膜的多样性、均匀性、厚度可控性。

进一步的，利用低真空度前烘和逐步升温方式，保证获得完整、均匀性高、不起皱起皮、粘附性好的亲水涂膜，并在后续工艺中具有很好的加工工艺质量。

现以优选的具体的在疏水表面制备亲水性涂膜的方法为例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

1）制备疏水薄膜2。

先用清洗机超声清洗ITO玻璃基材1，然后在转速为1500 r/min条件下，在基材1上旋涂AF 1600疏水涂料得到疏水薄膜2，然后将样片放到温度为95℃的热板上烘烤5min，再放到烘箱中从室温升到180℃保持30min，烘干后得到的疏水薄膜2厚度约为800 nm，表面接触角约为110°。

2）喷涂形成亲水涂膜3

配制粘度为65 cSt的光刻胶SU-8 3005溶液，将其添加到喷涂设备5的液缸中，调整喷涂速度约为4 μl/s，喷涂高度约为20cm，进行喷涂获得亲水涂膜3，喷涂后的亲水涂膜3厚度约为4μm，喷涂后的效果如图3A所示，所得亲水涂膜3涂膜完整无收缩。

3）样片前烘

将步骤2）得到的样片放置真空干燥箱中，在真空度约为0.2 bar的环境下进行前烘，烘箱温度为从室温逐步升温至95℃保持10min，干燥后的亲水涂膜3无收缩（前烘后的效果图参见图3B）。

4）样片光刻

将前烘后的样片首先用光刻机进行曝光，曝光剂量约300 mJ/cm²，然后放到温度为95℃的热板上进行后烘4 min，冷却至室温，再用PGMEA进行显影3min，最后用N₂吹干，所得的显示阵列效果如图3C，具有良好的光刻工艺质量。

实施例2

在实施例1步骤2）中制备好的喷涂得到的亲水涂膜3的表面上，再旋涂一层SU-8 3005光刻胶涂膜，旋涂转速为3000 r/min，旋涂膜厚度约为2μm，故旋涂后得到的亲水涂膜3的厚度约为7μm，涂膜完整、均匀，旋涂后的效果参见图4A。

然后进行样片的前烘，过程同实施例1，前烘后的效果图参见图4B。

最后将样片进行光刻工艺，实验步骤包括曝光、后烘、显影、吹干，同样先用光刻胶进行曝光，曝光剂量约400 mJ/cm²，然后放到温度为95℃的热板上进行烘烤6 min，冷却至室温，再用PGMEA进行显影3 min，最后用N₂吹干，所得的显示阵列效果如图4C，同样具有良好的光刻工艺质量。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在干净的基材上制备疏水薄膜；

在疏水薄膜表面直接喷涂低粘度的亲水涂料形成亲水涂膜，得到具有亲水涂膜的样片；

对样片进行前烘。

2.根据权利要求1所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述基材为硅片、玻璃片、PMMA片、OCO片、PDMS片、PET片或PI片；基材的表面涂覆或未涂覆有电极，所述电极为ITO、TFT、Au、Ag、Pt、Al、Cu或Fe电极。

3.根据权利要求1所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述疏水薄膜是先通过旋涂或印刷涂布，然后烘烤的工艺制备得到的。

4.根据权利要求1所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述疏水薄膜表面的接触角为90-150°，厚度为200-1200nm。

5.根据权利要求1所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述喷涂的亲水涂料粘度为0-1500 cSt，所述喷涂的亲水涂料为光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶或热固胶。

6.根据权利要求5所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述喷涂的喷涂速率为0-50 μl/s，喷涂距离为5-40 cm。

7.根据权利要求1所述的在疏水表面制备亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述前烘是将样片放到真空度≤ 0.5bar的环境中，从室温逐步升温至50-100℃，升温速度为1-10℃/min，然后保温5-20 min，进行烘烤。

8.根据权利要求1-7任一项所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：在喷涂得到的亲水涂膜表面再旋涂一层亲水涂料，然后再对得到的样片进行前烘。

9.根据权利要求8所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述旋涂的亲水涂料为光刻胶、导电胶、颜料、压敏胶或热固胶。

10.根据权利要求9所述的在疏水表面制备亲水涂膜的方法，其特征在于：所述旋涂转速为1000-3500 r/min，旋涂厚度为2-30 μm。