CN115195109A - 一种基于3d打印的硅基液晶垫层制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印的硅基液晶垫层制作方法。本发明首次采用直写3D打印技术，完成硅基液晶(LCoS)垫层的制作，在确保精密度的前提下，拓宽了LCoS垫层的材料选取范围，减少了工艺步骤。本发明提供的制作方法，可以采用多种材料完成定制图案的硅基液晶垫层制作，实现高效稳定打印1μm至50μm厚度的不同图案的垫层。本发明提供制作方法的优势在于，采用不同类型的材料制作垫层，扩展材料的通用性；进行直写3D打印的图案可定制化，可满足不同LCoS的需求；直写3D打印的厚度范围广，可达到1μm至50μm的稳定打印；直写3D打印材料利用率高，基本可避免材料的浪费，利用率可达到约100％。
Description
技术领域
本发明涉及硅基液晶技术领域，具体涉及一种基于3D打印的高精度硅基液晶垫层制作方法。
背景技术
随着显示技术的广泛发展，基于液晶显示技术的机器已经在日常中处处可见，与现代的生活密不可分。硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)因为具有体积小、分辨率高、光有效利用率高和功耗低等特点而广泛应用于显示领域且具有其他显示方案无法企及的优势。
液晶盒厚对LCoS的面板穿透率、响应速度、色彩对比度及视角方向有着决定性的影响。因此，控制盒厚是制作LCoS产品的一个极其重要的工艺。现有的常用控制盒厚的方法是使用具有一定厚度的垫层，垫层的制备可以通过垫层散布技术将具有较高硬度的垫料均匀散布在盒内，用来维持液晶盒的理想高度。然而，此方法的框胶边缘因为没有遮挡，可能会与液晶进行接触，从而影响显示效果。
化学沉积蚀刻形成垫层的方法，主要是通过在掩板中紫外固化的方式生长出垫层。但由于此方法需要多进行一道工序，造成技术十分复杂，将不可避免的提高产品的制作成本，而且，化学沉积蚀刻工艺只能采用特定的光敏材料，极大的限制LCoS在日常中的应用。
3D直写打印有众多优势，但对于精细材料，如硅基液晶垫层的打印，仍然存在一些缺点，如现有打印的误差大于10μm。因此，产业上通常还是使用化学沉积刻蚀的方式制备硅基液晶垫层。运用本发明的方法可以实现使用多种材料制备高精度硅基液晶垫层。
发明内容
现有技术中，只能采用特定的几种材料制作垫层，对材料类型要求较高；现有的技术复杂，工艺步骤繁琐；现有技术所得到的垫层无法对其图案进行定制化；现有技术的垫圈厚度范围较小，一般为1μm至5μm。
本发明的目的是提供一种高精度适用于多种材料的图案可定制的硅基液晶垫层制作方法。
第一方面，本发明提供一种基于3D打印的硅基液晶垫层的制作方法，包括：提供硅基板和打印浆料，调节基板水平度并进行针头和基板间的距离补偿，图案加载及自动化打印，浆料固化。
所需的打印系统包括预处理模块、打印模块和固化模块；所述打印模块中，吸附打印基板的吸盘底部音圈依据打印基板翘曲度数据调节打印基板的高度，控制打印过程中，打印基板与针头的距离不变。
在本发明提供的制作方法中，所述预处理模块包括：打印基板水平度调节和机械归零对位、打印基板翘曲度的扫描记载和针头浆料流速的调试。
在本发明提供的制作方法中，所述打印模块所用针头的类型为玻璃、陶瓷或金属，针头的出浆流道为倒圆锥形。
在本发明提供的制作方法中，所述打印模块所用浆料的类型至少包括：光敏树脂、热敏树脂、陶瓷浆料、有机硅胶。
在本发明提供的制作方法中，所述固化模块包括：预固化和完全固化两个阶段。
在本发明提供的制作方法中，所述图案加载方式包括工程图形文件导入和路径编码设计；所述自动化打印为直写式3D打印。
第二方面，本发明提供一种制作硅基液晶垫层的系统，所述系统包含用于实施上述制作方法的预处理模块、打印模块和固化模块。
根据本领域技术人员的理解，本发明还请求保护上述的制作方法或上述系统在图案定制化制备硅基液晶垫层中的应用。
第三方面，本发明提供一种硅基液晶垫层，采用上述制作方法制备得到，优选地，所述硅基液晶垫层的厚度范围为1-50μm。
具体地，本发明提供的技术方案流程图见图1：制备得到的不同图案与高度的垫层效果图如图2，工艺示意图如图3，步骤如下：
(1)确定材料且经过除泡机除去气泡，得到粘度适合的打印浆料，确定垫层的厚度与图案；
(2)根据打印的厚度制作内径匹配的针头，针头类型可选择玻璃、陶瓷或金属；出浆流道为倒圆锥形，以便降低出料阻力，实现顺畅打印；
(3)采用真空吸附装置改善基板翘曲度，用高精度的传感器采集基板的不平整情况，将数据记录于软件中，当针头移动至基板相应位置时，机台可以自动调节基板底部的音圈高度，以保证打印过程中的基板与针头的相对距离完全一致；
(4)针头出料时与基板垂直，使机台沿不同方向移动时，打印得到的垫层的高度都是均一的，改变机台的运动速度可改变单位长度下的出料体积，从而调节垫层的厚度。垫层厚度与打印速度成负相关，具体关系如图4。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的制作方法，解决了打印误差较大的问题，极大简化了硅基液晶垫层的制备工艺；
(2)本发明可通过对直写3D打印工艺中浆料种类、材料和内径、打印速度的优化，将垫层厚度范围拓宽至1μm至50μm；
(3)本发明可较为容易进行路径设计和图案导入，实现不同垫层图案的定制化；
(4)本发明提供的制备垫层的方法，可以适用于多种材料，满足不同需求的LCoS；
(5)本发明提供的制备垫层的方法，可以使打印浆料100％利用，并极大的简化了工艺步骤，降低成本。
附图说明
图1为本发明基于3D打印制作硅基液晶垫层的流程图。
图2为本发明高精密直写3D打印LCoS不同图案与厚度的垫层效果图。
图3为本发明基于3D打印制作硅基液晶垫层的工艺示意图。
图4为本发明中，打印速度与垫层厚度关系图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供的一种基于3D打印的硅基液晶垫层的制作方法，本实施例制作硅基液晶垫层的材料为光敏树脂，本实施制作硅基液晶垫层的厚度为5μm。
此实施例中使用粘性大的打印浆料，此实施例中打印速度与垫层厚度关系图，见图4。由于光敏树脂材料因具有较大的粘度，可以在短时间内保持形状，以便打印出目标厚度。在打印完成后进行紫外预固化，防止打印厚度因与基板的表面张力作用而被改变。
具体步骤如下：
一、上料和机台准备(预处理模块)：
①将打印浆料(打印浆料为Microresist公司的光敏树脂EpoCore50，粘度为150000mPa)灌装进针筒内并安装至气动点胶机；
②打印基板自动上样至吸盘上表面，点击自动化软件，启动吸盘自动吸附基板，并完成水平度调节与自动机械归零对位；
③将吸盘自动移动至翘曲度采集区，高精度传感器开始扫描基板翘曲度并将数据记录于自动化软件内；
④自动化软件控制气动点胶机在预打印区启动并调节出料气压为15psi，打印速度为0.1mm/s，待其出料稳定后，针头模组转移至打印起始点；
二、样品打印(打印模块)：
⑤针头模组转移至打印起始点后，自动化软件依照视觉算法，调节针头与基板的距离至目标高度，所用针头的内径为9.5um；
⑥启动气动点胶机，机器按照设定图案进行自动打印。吸盘底部的音圈可依据基板翘曲度数据自动调节基板高度，从而保证在打印过程中的针头与基板的距离不变；
三、固化模块：
⑦打印完成后，基板自动移动至(预)固化区域，通过365nm波长紫外灯对打印基材照射10s进行(预)固化；
⑧关闭吸盘装置，下样完成打印的基板并手动转移至光固化机内照射10min，再移动至加热装置内在100℃加热1h以便完全固化。获得厚度为5μm的垫层。
硅基液晶垫层质量评价：本实施例获得垫层，厚度稳定，其厚度与设置值的误差小于5％，成品率为99％。证实采用本实施例简化的工艺，实现了规模化、高精度硅基液晶垫层的制备。
实施例2
本实施例与实施例1相同，区别在于，本实施例中目标垫层厚度设置为3μm，打印速度设置为0.22mm/s，针头内径依然为大小为9.5μm。
本实施例获得垫层，厚度稳定，其厚度与设置值的误差小于5％，成品率为99％。证实本实施例提简化的工艺，实现了规模化、高精度硅基液晶垫层的制备。
实施例3
本实施例与实施例1相同，区别在于，本实施例中目标垫层厚度设置为1μm，打印速度设置为2mm/s，针头内径大小为9.5μm，适当降低针面距。
本实施例获得垫层，厚度稳定，其厚度与设置值的误差小于10％，成品率为99％。证实采用本实施例简化的工艺，实现了规模化、高精度硅基液晶垫层的制备。
对比例1
本对比例与实施例1相同，区别在于，本对比例在打印模块，固定打印基板的位置不变，通过获取的打印基板翘曲度数据，调节针头来控制针头与打印基板距离不变。
因针头移动时，相对基板移动而言，对所需速度的误差控制情况较差。本对比例得到的垫层厚度值出现较大误差：5μm目标厚度误差大于5％，不能作为硅基液晶垫层使用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于3D打印的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，包括以下步骤：提供硅基板和打印浆料，调节基板水平度并进行针头和基板间的距离补偿，图案加载及自动化打印，浆料固化。
2.根据权利要求1所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，包括预处理模块、打印模块和固化模块；所述打印模块中，吸附打印基板的吸盘底部音圈依据打印基板翘曲度数据调节打印基板的高度，控制打印过程中，打印基板与针头的距离不变。
3.根据权利要求1所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，所述预处理模块包括：打印基板水平度调节和机械归零对位、打印基板翘曲度的扫描记载和针头浆料流速的调试。
4.根据权利要求1所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，所述打印模块所用针头的类型为玻璃、陶瓷或金属，针头的出浆流道为倒圆锥形。
5.根据权利要求4所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，所述打印模块所用浆料的类型包括：光敏树脂、热敏树脂、陶瓷浆料、有机硅胶。
6.根据权利要求1所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，所述固化模块包括：预固化和完全固化两个阶段。
7.根据权利要求1-6任一项所述的硅基液晶垫层制作方法，其特征在于，所述图案加载方式包括工程图形文件导入和路径编码设计；自动化打印为直写式3D打印。
8.一种制作硅基液晶垫层的系统，其特征在于，所述系统包含用于实施权利要求1-7任一项所述硅基液晶垫层制作方法的预处理模块、打印模块和固化模块。
9.权利要求1-7任一项所述的硅基液晶垫层制作方法或权利要求8所述的系统在图案定制化制备硅基液晶垫层中的应用。
10.一种硅基液晶垫层，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的硅基液晶垫层制作方法制备得到；优选地，所述硅基液晶垫层的厚度为1-50μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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