CN109153037B

CN109153037B - 在基板上沉积功能材料的方法

Info

Publication number: CN109153037B
Application number: CN201680085660.1A
Authority: CN
Inventors: R·J·亨德里克斯; K·A·斯克罗德尔; C·C·忙森
Original assignee: NCC Nano LLC
Current assignee: NCC Nano LLC
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: WO2017160288A1; KR20180134902A; EP3429762A4; CN109153037A; EP3429762A1; KR102270021B1; CA3019902A1; CA3019902C

Abstract

本发明公开了在基板上沉积功能材料的方法。提供具有第一表面和第二表面的板，所述第二表面具有一个或多个孔。在用吸光材料的薄层涂覆第二表面之后，所述孔被功能材料填充。用脉冲光辐照此板以加热所述吸光材料层，从而在吸光材料层和功能材料之间的界面处产生气体以将功能材料从孔释放到与板邻近的接收基板上。

Description

在基板上沉积功能材料的方法

发明背景

1.技术领域

本发明总体涉及印刷方法，尤其涉及在基板上选择性沉积功能材料的方法。

2.现有技术的描述

用于在基板上选择性沉积功能材料的常规方法是经由印刷进行的。在功能材料可以被印刷在基板上之前，功能材料需要与其它材料配制在一起。配制剂可以通常通过将功能材料分散在溶剂或液体中形成；因此，配制剂通常是湿的。配制剂通常称为油墨或糊料，这取决于粘度。

配制剂(油墨或糊料)通常包含某些添加剂以使印刷工艺更容易和更可靠，但是这些添加剂也可能干扰功能材料的性能。如果在配制剂内的添加剂不会显著干扰要沉积的功能材料的预期功能，则添加剂可以保留；否则，必须除去添加剂。如果可以除去的话，添加剂的除去操作可能在一定程度上是不便利的。

所以，希望提供在基板上印刷功能材料的改良方法。

发明概述

根据本发明的一个优选实施方案，提供光学透明的板，其具有第一表面和第二表面，其中第二表面具有一个或多个孔。在用吸光材料的薄层涂覆第二表面之后，这些孔被功能材料填充。然后用脉冲光辐照此板以加热吸光材料层，从而在吸光材料层和功能材料之间的界面处产生气体以将功能材料从孔释放到接收基板上。

下文的详细描述将体现本发明的全部特征和优点。

附图简述

下面将参考附图通过以下说明性实施方案的详细描述更好地理解本发明本身、以及优选使用模式、其它目的和优点，其中在附图中：

图1A-1B显示激光诱导向前转移方法；

图2是根据本发明优选实施方案在基本上沉积功能材料的方法的流程图；和

图3A-3E显示图2的方法。

优选实施方案的详细描述

理想的是，代替在基板上印刷功能材料，最优选在基板上选择性沉积纯的功能材料，但是这大部分尚未实现。在一定程度上，印刷几乎纯的功能材料、例如具有高固含量的糊料可以通过使用激光诱导向前转移(LIFT)方法进行。

参见附图和尤其参见图1A-1B，描绘了LIFT方法。开始时，将功能材料11置于至少部分光学透明的供体基板10的一侧上。然后在供体基板10的另一侧上使得激光束12聚焦到与功能材料11和供体基板10之间的界面15接近的点处，如图1A所示。在界面15处产生气体16，其将功能材料11驱逐到作为接受器的基板17上，如图1B所示。

LIFT方法存在一些缺点。首先，沉积越厚，最终印刷品的分辨率就越低。第二，因为在这种情况下仅仅能转移单个点的功能材料，所以LIFT方法仅仅能按照顺序方式进行。第三，在LIFT方法中有明显量的废料，这是因为在供体基板上的仅仅较小部分的功能材料得到利用。最后，LIFT方法的可能最大的缺点是对于要印刷的功能材料的动态特性有特定要求。换句话说，LIFT方法不适用于所有类型的功能材料，并且需要对于每种功能材料精细调节印刷参数。关于调节的错误边界是较小的，这是因为层厚度的均匀性和粘度将在整个供体基板上变化。

现在参见图2，此图显示根据本发明的一个优选实施方案在基板上沉积功能材料的方法。在方块20处开始，提供光学透明的板，如方块21所示。光学透明的板优选由石英制成。如图3A中作为板31所示，光学透明的板包括第一表面32和第二表面33。第一表面32优选是平的，但是也可以是弯曲的。第二表面33优选是微凹的，并具有多个孔35。虽然在图3A中显示了多个孔，但是本领域技术人员应当理解的是第二表面33可以具有仅仅一个孔。

然后，在板31的第二表面33上施用薄的吸光材料层34，如方块22和图3B所示。吸光材料层34必须是热稳定的(即，耐热冲击的)。优选，吸光材料层34由钨制成。

接着，板31的孔35然后被功能材料36填充，如方块23和图3C所示。功能材料36可以是油墨或糊料的形式。刮板或刮刀可以用于用功能材料36填充孔35。在孔35已经被功能材料36填充之后，用脉冲光辐照板31，优选在第一表面32上辐照，如方块24和图3D所示。优选，脉冲光是由闪光灯37产生的。

当脉冲光碰到板31时，一部分光子被转化成声子，声子随后加热吸光材料层34。在吸光材料层34被加热的同时，在孔35内的功能材料36经由热扩散(主要是传导)被加热。当在吸光材料层34和功能材料36之间的界面处达到功能材料36中的一种或多种组分的沸腾或升华相变温度时，在吸光材料层34和功能材料36之间的界面处产生气体。该气体然后将功能材料36从板31驱逐到接收基板38，如图3E所示。功能材料36的转移也通过重力来辅助。

上述步骤可以通过向板31的孔35再施用功能材料、然后另外暴露于来自闪光灯37的脉冲光以将功能材料从孔35驱逐到接收基板37上来重复进行。

可以调节孔35的形状以帮助控制功能材料36的驱逐，并改进功能材料36的填充。

重要的是在吸光材料层34上供应均匀的加热，从而确保功能材料36以一致的方式被加热以使在孔35内的功能材料36同时失去对板31的粘接。否则，功能材料36将沿着不一致的方向喷射。另外，如果功能材料36被不一致地加热，则功能材料36将在驱逐之后具有不一致的性能。从孔35喷出功能材料36的过程几乎没有经受剪切应力。

在吸光材料层34上的均匀加热优选通过使用具有空间均匀光束分布的非准直光源实现。因为每个孔35具有弯曲的表面，所以在孔35的表面处的径向力是与和其碰撞的光的入射角的余弦值成比例的。因此，准直光束将不能产生均匀的加热分布，除非光束的空间强度在每个孔35上随着光入射角的1/余弦值变化。当脉冲光是非准直的，不存在此问题。

可具有空间均匀光束强度的非准直光源的一个例子是上述闪光灯37。非准直光源的另一个例子是与波导管联用的激光。单独的激光是连贯的来源，但是在从波导管经过之后，来自激光的激光束损失其连贯性，所以成为非准直的。当激光束的强度是空间均匀的，可以实现吸光材料层34的均匀加热。

为了使用闪光灯、例如闪光灯37作为光源，闪光灯优选具有小于5％的光束均匀性，更优选小于2％，并且强度优选大于5KW/cm²，更优选大于10KW/cm²。另外，光的脉冲优选小于1ms，更优选小于0.2ms。板30和吸光材料层34的热扩散系数越高，就需要越高的强度和越短的脉冲长度。光束强度的均匀性优选小于5％，更优选小于2％。

如果使用低于此标准的闪光灯，则功能材料36不能合适地从孔35释放。更具体而言，如果使用具有过低强度的光脉冲，则为了达到从板31喷出功能材料36所需的温度就需要更长的时间。这意味着由于热扩散，更多的功能材料36将在最终喷出前被加热。这对于许多类型的功能材料而言是不合适的。因此，对于较小的孔，较大量的功能材料36将受到影响。

因为光源是非准直的，所以可以采用本发明在非平面的基板上印刷功能材料，例如三维结构。在这种情况下，具有孔的表面可以是不连续的或弯曲的，从而与接收基板的表面匹配。这可以具有多种有用的应用，例如在凹或凸的弯曲表面上或甚至在不连续表面上印刷天线。

以下是在额外类型的层，这些层使得本发明方法是甚至更灵活和更有利的。

反射层：

在板31的第二表面33上施用吸光材料层34之前，可以在板31的第二表面33上施用反射层。然后在施用吸光材料层34之前，反射层可以被选择性地蚀刻除去。当具有反射层和吸光材料层34之间的高的对比率时，可以仅仅在孔36内达到相变温度，而不是在板31的平面部分上。因为孔35的填充可能不是完全100％的过程，所以反射层防止在板31上的平面部分上的功能材料36不能达到相变温度。用于反射层的材料可以是铝。

热缓冲层：

在板31的第二表面33上施用吸光材料层34之前，可以在板31的第二表面33上施用热缓冲层。热缓冲层显示低的热导率。当热缓冲层具有比板31更低的热导率时，热缓冲层延迟来自在板31上的平面部分上的吸光材料层34的热量脉冲。

热缓冲层的一个例子是聚合物，例如聚酰亚胺。聚酰亚胺具有约0.5W/m-K的热导率，这比石英的热导率低约2.5倍。热缓冲层的厚度优选小于10微米。

释放层：

在施用功能材料36之前，可以施用具有较低沸点的材料的薄层，从而促从板31释放功能材料36。此施用操作可以通过多种沉积技术进行，例如辊涂、气相沉积、雾化等等。优选，释放层的相变温度等于或低于溶剂或在功能材料36中的任何组分的相变温度。可用于释放层的材料是聚碳酸亚丙酯。

释放层也可以是能吸收光的。在这种情况下，此层也可以用作吸收层。对于每个印刷步骤必须重新施用此层。

多孔释放层：

功能材料36的释放机制可以通过在孔35内、在功能材料36和吸光材料层34之间施用薄的微米或纳米结构层来改进。释放结构必须能包含溶剂，所以其必须具有多个孔。根据功能材料36的粒径，孔径可以处于微米或纳米的范围。在施用功能材料36之前，在释放结构中的孔被低沸点溶剂填充。通常，低沸点溶剂也具有低的相变温度，这意味着功能材料36可以用较低能量的光脉冲印刷。或者，来自功能材料36的溶剂在施用时可以优先进入孔中。在这两种情况下，在释放结构内的气体生成较少地依赖于功能材料36的性质。这应当导致更均匀的工艺。而且，可以进一步防止对功能材料36的热损害，这是因为其未按照直接方式加热。

当印刷不耐热的生物材料时，这可以是重要的。即使没有释放层，这也是“冷”印刷方法，因为有很少的时间来转移很多的热量。功能材料36一直加热，直到其达到相变温度。但是，通常小于1╡m的材料被显著加热。但是，在具有释放层的情况下，功能材料36的峰值温度得到进一步降低。

与多孔释放层结构不同，用于帮助喷射功能材料的另一个方式是在吸光材料层34和功能材料36之间施用低表面张力层，从而改进功能材料36的释放，以及改进在印刷后和在随后施用更多的功能材料36之前的表面清洁能力。也可以在孔内选择性地施用低表面张力层，从而促进功能材料36沉积到孔35的所需部分上。

吸光材料层34可以被低表面张力层选择性涂覆到功能材料36，从而帮助功能材料36从孔35释放。

如上所述，本发明提供了在基板上沉积功能层的方法。与LIFT方法不同，本发明方法不需要扫描。与LIFT方法不同，本发明方法利用了接近100％的功能材料。与LIFT方法不同，本发明方法没有副产物或废料，例如未使用的糊料或转移带。

虽然已经通过优选实施方案具体显示和描述了本发明，但是本领域技术人员能理解可以在不偏离本发明主旨和范围的情况下在形式和细节方面做出各种改变。

Claims

1.一种在基板上沉积功能材料的方法，所述方法包括：

提供具有第一表面和第二表面的板，所述第二表面是弯曲的，并且具有在所述第二表面内的第一个孔和第二个孔；

在所述板的第二表面和在所述第二表面内的第一个孔和第二个孔上施用吸光材料的薄层，以使所述吸光材料层与由仅仅所述板形成的所述第一个和第二个孔的整个表面完全接触；

在施用所述吸光材料层之后，用功能材料填充在所述板的第二表面内的第一个孔和第二个孔；和

用来自非准直光源的脉冲光辐照所述板以加热所述吸光材料，从而当在吸光材料层和功能材料之间的界面处达到功能材料中的一种或多种组分的沸腾或升华相变温度时，在所述吸光材料和所述功能材料之间的界面处产生气体以将所述功能材料从所述第一个孔和第二个孔释放到接收基板上，

其中所述非准直光源是闪光灯或与波导管联用的激光，并且所述吸光材料是钨。

2.权利要求1的方法，其中所述板是光学透明的。

3.权利要求1的方法，其中所述板由石英制成。

4.权利要求1的方法，其中所述脉冲光的强度大于10KW/cm²。

5.权利要求1的方法，其中所述脉冲光的脉冲宽度小于0.2ms。

6.权利要求1的方法，其中所述方法还包括在施用所述吸光材料层之前，在所述板的第二表面上施用反射层。

7.权利要求6的方法，其中所述方法还包括在施用所述吸光材料层之前，从所述板的第二表面选择性地除去所述反射层。

8.权利要求1的方法，其中所述施用操作还包括在施用所述吸光材料之后和在施用所述功能材料之前，在所述板的第二表面上施用薄的释放层。

9.权利要求8的方法，其中所述释放层是多孔的并含有低沸点溶剂。

10.权利要求8的方法，其中所述释放层具有较低的相变温度。

11.权利要求8的方法，其中所述释放层具有较低的表面张力。

12.权利要求1的方法，其中所述施用操作还包括在施用所述吸光材料之前，在所述板的第二表面上施用薄的热缓冲层。

13.权利要求12的方法，其中所述热缓冲层是由聚酰亚胺制成的。

14.权利要求1的方法，其中所述接收基板是弯曲的。