CN109428506B - 自驱动自组装装置及图案化方法、图案显示器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自组装技术领域，公开了一种自驱动自组装装置及图案化方法、图案显示器及制备方法；自驱动自组装装置包括基底、摩擦起电层以及接地的内置图案化电极，内置图案化电极设置在基底上，内置图案化电极具有设定图案；摩擦起电层形成于内置图案化电极背离基底一侧，且当摩擦起电层摩擦起电时，内置图案化电极感应产生与摩擦起电层相反的感应电荷，使摩擦起电层表面的电势根据设定图案分布，设定图案分布的电势所产生的电场驱动自组装件图案化排布；本发明将摩擦起电与静电感应进行耦合，能够在无外加电压条件下对大尺寸自组装件实现静电自组装，在所有尺寸功能化粒子的自组装、微电子机械系统自组装等众多领域具有广泛的应用。

Description

自驱动自组装装置及图案化方法、图案显示器制备方法
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，特别涉及一种自驱动自组装装置及图案化方法、图案显示器及制备方法。
背景技术
目前传统的依靠静电进行组装的自驱动自组装装置主要集中在微米纳米尺度，对于大尺寸自组装件，比如毫米级自组装件的静电自组装则主要依靠外加电压驱动，或依靠接触起电但只能紧密排列成特定图案，导致整个核心技术部分依赖外加电源、图案无法任意排布。
发明内容
本发明提供了一种自驱动自组装装置及图案化方法、图案显示器及制备方法，上述自驱动自组装装置能够在无外加电压条件下对毫米级自组装件实现静电自组装，并实现毫米级自组装件的任意图案化排布。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种自驱动自组装装置，用于实现自组装件的自驱动图案化排布，该装置包括：基底、摩擦起电层以及接地的内置图案化电极，其中：
所述内置图案化电极设置在所述基底上，所述内置图案化电极具有设定图案；
所述摩擦起电层形成于所述内置图案化电极背离所述基底一侧；
当所述摩擦起电层摩擦起电时，所述内置图案化电极感应产生与摩擦起电层相反的感应电荷，使所述摩擦起电层表面的电势根据所述设定图案分布，设定图案分布的电势所产生的电场驱动所述自组装件图案化排布。
上述自驱动自组装装置包括基底、摩擦起电层以及内置图案化电极，其中：摩擦起电层形成于内置图案化电极背离基底一侧、且起电性与自组装件起电性相反；摩擦起电层与自组装件之间起电性相反，在摩擦起电层和自组装件分别通过与外界摩擦件摩擦起电之后，二者带异号电荷而产生静电引力，以此实现对大尺寸部件的自组装，例如毫米级的自组装件的自组装，而不需外加电压；内置图案化电极位于基底与摩擦起电层之间且接地，且当摩擦起电层摩擦起电时，内置图案化电极感应产生与摩擦起电层相反的感应电荷，内置图案化电极上的感应电荷部分屏蔽了摩擦起电层上的异号电荷，由于内置图案化电极具有设定图案、因此摩擦起电层表面的电势根据设定图案分布；内置图案化电极实现了自组装件的图案化排布，可以根据需要设置图案不同的内置图案化电极从而实现自组装件任意图案排布。
优选地，所述基底为半导体和/或绝缘体。
优选地，所述内置图案化电极的厚度小于等于1μm；
和/或，所述摩擦起电层的厚度小于等于0.1mm。
优选地，所述内置图案化电极的材料为金属材料、银纳米线材料或者半导体氧化铟锡材料。
优选地，所述内置图案化电极的图案排布为阵列排布。
优选地，所述内置图案化电极的图案为网格状，网格的尺寸与自组装件的尺寸相同或接近。
优选地，所述自组装件的尺寸大于等于500μm。
优选地，所述摩擦起电层选用与所述自组装件起电性相反的材料。
优选地，当所述摩擦起电层采用起电性为负的材料时，所述摩擦起电层的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚全氟乙丙烯共聚物薄膜、聚酰亚胺薄膜材料中的任一种；
当所述摩擦起电层采用起电性为正的材料时，所述摩擦起电层的材料为尼龙、金属或二氧化硅。
本发明还提供一种图案化方法，用于实现自组装件的自驱动图案化分布，采用上述技术方案中提供的任意一种自驱动自组装装置，所述方法包括如下步骤：
步骤S101，将自组装件放入起电性与之相反的容具中摇晃，以使自组装件摩擦起电；且用起电性与所述摩擦起电层相反的摩擦件与所述摩擦起电层接触 -分离式摩擦和/或滑动摩擦和/或滚动式摩擦起电，以使所述摩擦起电层摩擦起电；
步骤S102，将自组装件倒在自驱动自组装装置上振动；
步骤S103，移除多余的自组装件，完成自组装。
本发明还提供一种图案显示器的制备方法，包括上述的方法，包括如下步骤：
步骤S201，在自组装件表面喷涂荧光漆；
步骤S202，将自组装件通过所述自组装件的图案化方法进行图案化排布；
步骤S203，将图案化排布的自组装件固定在未完全固化的柔性基底上；
步骤S204，将已经图案化排布的自组装件转移至柔性基底上，使柔性基底固化，获得图案显示器。
优选地，所述柔性基底为聚合物材料，优选地，所述聚合物材料为聚二甲基硅氧烷、氟硅橡胶或者共聚酯类材料。
本发明还提供一种图案显示器，包括完全固化的柔性基底和固定于所述柔性基底一侧的、图案化排布的自组装件；所述自组装件表面含有荧光漆。
优选地，所述自组装件为尼龙球或者金属球。
附图说明
图1为本发明提供的自驱动自组装装置；
图2为本发明提供的自驱动自组装装置和自组装件图；
图3为本发明提供的自驱动自组装装置和自组装件的爆炸图；
图4为本发明实施例提供的圆孔内置图案化电极俯视图；
图5为本发明提供的图案化方法；
图6为本发明提供的图案显示器的制备方法；
图7为本发明提供的一种图案显示器。
图标：1-自驱动自组装装置；11-摩擦起电层；12-内置图案化电极； 13-基底；2-自组装件；3-圆孔内置图案化电极；4-柔性基底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种自驱动自组装装置1，用于实现自组装件2的自驱动图案化排布，如图1、图2和图3所示，该装置包括：基底13、摩擦起电层11以及接地的内置图案化电极12，其中：
内置图案化电极12具有设定图案；
摩擦起电层11形成于内置图案化电极12背离基底13一侧，且当摩擦起电层11摩擦起电时，内置图案化电极12感应产生与摩擦起电层11相反的感应电荷，以当摩擦起电层11摩擦起电时，摩擦起电层11表面的电势根据设定图案分布，使图案化分布的电势所产生的电场驱动自组装件2图案化排布。
上述自驱动自组装装置1包括基底13、摩擦起电层11以及内置图案化电极12，其中：摩擦起电层11形成于内置图案化电极12背离基底一侧、且起电性与自组装件2起电性相反；由于摩擦起电层11与自组装件2起电性相反，所以在摩擦起电层11和自组装件2分别带电之后，二者因带异号电荷而产生静电引力，以此实现对大尺寸部件的自组装，例如毫米级的自组装件的自组装，而不需外加电压；内置图案化电极12位于基底13与摩擦起电层11之间且接地，且当摩擦起电层11摩擦起电时，内置图案化电极12感应产生与摩擦起电层11相反的感应电荷，内置图案化电极12上的感应电荷部分屏蔽了摩擦起电层11上的异号电荷，如图3所示，当内置图案化电极12为正方形网格状时，内置图案化电极12中正方形网格以外的区域产生的感应电荷屏蔽了摩擦起电层11相对应的位置上的异号电荷，使得摩擦起电层11上的电势呈与内置图案化电极12上的正方形网格一一对应的正方形状分布，正方形状分布的电势驱动自组装件2自组装成一一对应的正方形，实现自组装件2按照内置图案化电极12的设定图案图案化自组装；可以根据需要设置图案不同的内置图案化电极12从而实现自组装件2任意图案排布。
具体地，基底13为半导体和/或绝缘体。
具体地，可以采用有机玻璃板基底，有机玻璃板硬度好，能提供良好的支撑；优选的有机玻璃板基底的厚度为2mm。
具体地，内置图案化电极12的厚度小于等于1μm；和/或，摩擦起电层的厚度小于等于0.1mm。
采用小于等于1μm的内置图案化电极12并进行接地处理，能够满足与摩擦起电层11感应产生与之相反的感应电荷，使摩擦起电层11表面的电势根据设定图案分布。
摩擦起电层11的厚度小于等于0.1mm，当摩擦起电层11摩擦起电时，内置图案化电极12感应产生与摩擦起电层相反的感应电荷，内置图案化电极12 具有设定图案、以当摩擦起电层摩擦起电时使摩擦起电层11表面的电势根据设定图案分布，摩擦起电层采用较薄的厚度，使得内置图案化电极12对摩擦起电层11表面电势的重新分布的效果更强。
内置图案化电极12的材料不局限于金属材料，也可以是银纳米线材料或者氧化铟锡材料等易产生感应电荷的导电透明材料。
具体地，内置图案化电极12采用磁控溅射的方式附着在基底13上，或者，内置图案化电极12采用电子束蒸镀的方式附着在基底13上。
采用磁控溅射的方式操作简单、易于控制、附着力强且磁控溅射方式可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料，当内置图案化电极12采用金属材料或其他材料时上述方法均适用。
采用电子束蒸镀的方式可以提高内置图案化电极12的制作速度和纯度。
具体地，内置图案化电极的图案排布为阵列排布。
具体地，内置图案化电极的图案为网格状，网格的尺寸与自组装件的尺寸相同或接近。
内置图案化电极12具有网格状，网格的尺寸与自组装件大小一一匹配，即网格的尺寸与自组装件的尺寸相同或接近；网格的形状可以为正方形、圆形或其他形状，如图3所示的内置图案化电极12的网格为正方形，如图4所示的圆孔内置图案化电极3，网格的形状为圆形。
具体地，自组装件的尺寸大于等于500μm。
具体地，摩擦起电层选用与自组装件起电性相反的材料。
摩擦起电层11的材料可以采用起电性为正或者负的摩擦层材料，优选采用聚合物材料。摩擦起电层11采用起电性为负的材料时，摩擦起电层11的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚全氟乙丙烯共聚物薄膜、聚酰亚胺薄膜材料中的任一种；当摩擦起电层11采用起电性为正的材料时，摩擦起电层11的材料为尼龙、金属、二氧化硅等。
摩擦起电层11需选用与自组装件2起电性相反的材料，以使二者接触起电。
具体地，当摩擦起电层11采用起电性为负的材料时，自组装件2应采用起电性为正的材料，自组装件2的材料为尼龙、金属、二氧化硅等。
当摩擦起电层11采用起电性为正的材料时，自组装件2应采用起电性为负的材料，自组装件2的材料为聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯共聚物、聚酰亚胺等。
本发明还提供一种图案化方法，用于实现自组装件2的自驱动图案化分布，采用上述技术方案中提供的任意一种自驱动自组装装置1，如图5所示，方法包括如下步骤：
步骤S101，将自组装件2放入起电性与之相反的容具中摇晃，以使自组装件2摩擦起电；且用起电性与摩擦起电层11相反的摩擦件与摩擦起电层11接触-分离式摩擦和/或滑动摩擦和/或滚动式摩擦起电，以使摩擦起电层11摩擦起电；
步骤S102，将自组装件2倒在自驱动装置上振动；
步骤S103，移除多余的自组装件2，完成自组装。
在上述步骤S102中，振动的幅度选择轻微振动；在上述步骤S103中，可以采用振动的方式移除多余的自组装件2，自组装件2按照图案化排布完成自组装，振动的幅度保证可以将多余的自组装件移除即可，一般是轻微振动，避免剧烈振动使已经自组装的自组装件脱离原位置。
将自组装件2放入起电性与之相反的容具中剧烈摇晃，当自组装件2的起电性为正时，容具可以选用起电性为负的特氟龙杯，以使自组装件2摩擦起电；用起电性与摩擦起电层11相反的摩擦件与摩擦起电层11摩擦起电，当摩擦起电层11起电性为负时，可以选用起电性为正的薄膜与之摩擦，以使摩擦起电层11摩擦起电；对自组装件2和摩擦起电层11分别进行摩擦起电，二者带异号电荷而产生静电引力，而无需加入外部电源来驱动自组装过程，实现了对自组装件2的自驱动。
本发明还提供一种图案显示器的制备方法，包括上述的方法，如图6所示，包括如下步骤：
步骤S201，在自组装件2表面喷涂荧光漆；
步骤S202，将自组装件2通过自组装件2的图案化方法进行图案化排布；
步骤S203，将图案化排布的自组装件2固定在未完全固化的柔性基底4 上；
步骤S204，将已经图案化排布的自组装件2转移至柔性基底4上，使柔性基底4固化，获得图案显示器。
采用上述图案显示器的制备方法即可制得图案任意排布的图案显示器，制备方法简单，且无需外加电源。
具体地，柔性基底4为聚合物材料。
优选地，聚合物材料为聚二甲基硅氧烷、氟硅橡胶或者共聚酯类材料。
本发明还提供一种根据上述方法制备的图案显示器，如图7所示，包括完全固化的柔性基底4和固定于柔性基底4一侧的、图案化排布的自组装件2，自组装件表面含有荧光漆。
利用上述图案显示器的制备方法制备图案显示器，方法简单，且可制作任意图案排布的图案显示器。
具体地，自组装件2为尼龙球或者金属球。
当自组装件2采用起电性为正的材料时，优选为直径与图案化内置电极相匹配的尼龙球。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种自驱动自组装装置，用于实现自组装件的图案化排布，其特征在于，该装置包括：基底、摩擦起电层以及接地的内置图案化电极，其中：
所述内置图案化电极设置在所述基底上，所述内置图案化电极具有设定图案；
所述摩擦起电层形成于所述内置图案化电极背离所述基底一侧；
当所述摩擦起电层摩擦起电时，所述内置图案化电极感应产生与摩擦起电层相反的感应电荷，使所述摩擦起电层表面的电势根据所述设定图案分布，设定图案分布的电势所产生的电场驱动所述自组装件图案化排布。
2.根据权利要求1所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述基底为半导体和/或绝缘体。
3.根据权利要求1所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述内置图案化电极的厚度小于等于1μm；
和/或，所述摩擦起电层的厚度小于等于0.1mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述内置图案化电极的材料为金属材料或者半导体氧化铟锡材料。
5.根据权利要求1-3任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述内置图案化电极的图案排布为阵列排布。
6.根据权利要求1-3任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述内置图案化电极的图案为网格状，网格的尺寸与自组装件的尺寸相同或接近。
7.根据权利要求6所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述自组装件的尺寸大于等于500μm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述摩擦起电层选用与所述自组装件起电性相反的材料。
9.根据权利要求1-3任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，当所述摩擦起电层采用起电性为负的材料时，所述摩擦起电层的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚全氟乙丙烯共聚物薄膜、聚酰亚胺薄膜材料中的任一种；
当所述摩擦起电层采用起电性为正的材料时，所述摩擦起电层的材料为尼龙、金属或二氧化硅。
10.一种图案化方法，用于实现自组装件的自驱动图案化分布，采用如权利要求1-9任一项所述的自驱动自组装装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将自组装件放入起电性与之相反的容具中摇晃，以使自组装件摩擦起电；且用起电性与所述摩擦起电层相反的摩擦件与所述摩擦起电层接触-分离式摩擦和/或滑动摩擦和/或滚动式摩擦起电，以使所述摩擦起电层摩擦起电；
将自组装件倒在自驱动自组装装置上振动；
移除多余的自组装件，完成自组装。
11.一种图案显示器的制备方法，包括如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在自组装件表面喷涂荧光漆；
将自组装件通过所述自组装件的图案化方法进行图案化排布；
将图案化排布的自组装件固定在未完全固化的柔性基底上；
将已经图案化排布的自组装件转移至柔性基底上，使柔性基底固化，获得图案显示器。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述柔性基底的材料为聚合物材料，所述聚合物材料为聚二甲基硅氧烷、氟硅橡胶或者共聚酯类材料。
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