CN1682148A - 彼此被具有预定图案的隔离物隔开的一对基板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种获得彼此被隔离物(1)隔开的一对基板的方法，步骤包括：a)提供一个覆盖了第一层(3)的第一基板(2)，其中所述第一层(3)上带有可带静电荷的带有图案的疏水性第二层(4)或带有图案的亲水性第二层(4)；和b)任选地对第一层(3)上没有覆盖疏水性或亲水性第二层(4)的部位进行处理，形成带有静电荷的带有图案的亲水性第三层(5，6)；c)提供带静电荷的第一(3)、第二(4)和第三层(5，6)中的至少一个；d)将带静电的带有图案的第一基板(2)与带电和官能化的聚合物颗粒(1)的分散体相接触，使聚合物颗粒(1)静电粘附到带有相反电荷的层上；e)任选地从没有静电粘附官能化的聚合物颗粒(1)的部位除去所述官能化的聚合物颗粒(1)；以及f)随后，将第一基板(2)连接到第二基板，获得所述一对基板。

Description

彼此被具有预定图案的隔离物隔开的一对基板及其制造方法
本发明涉及一种获得彼此被隔离物隔开的一对基板的方法、所述彼此被隔离物隔开的一对基板、以及含有所述彼此被隔离物隔开的一对基板的设备和LCD显示器。
在诸如液晶电光装置等装置的液晶单元中，单元中基板之间的距离通常用零星散布在基板间作为隔离物的直径约几微米的氧化硅球保持恒定。隔离物如此保持在基板之间，将基板之间的距离保持在恒定值。该距离是由隔离物的直径决定的。隔离物保证了基板之间的最小距离，即，它们防止基板间距变小。按规则几何图案设置的隔离物能更有效地均匀控制单元间隙，特别是对于塑料基板而言。
当用这种隔离物来保持基板间距恒定时，由于显示受到干扰，使用液晶、特别是铁电液晶的大图像显示面积液晶显示器是不可行的。此问题不仅发生在使用铁电液晶的液晶显示器中，而且发生在使用任何类型液晶物质的液晶显示器中。为避免此问题，除隔离物之外，还使用了基于有机树脂的粘合剂材料(分散在液晶单元中)来固定基板间距。这些种类的有机树脂粘合剂是以大于基板间距的球提供的，从而在向其施压后它们可以变形并将基板紧密地彼此粘合在一起。
US5,739,882中公开了一种制造这种液晶电光设备的制造工艺。根据这种制造工艺，通过在基板的期望位置放置未固化的树脂并使该树脂材料固化从而形成聚合隔离物而制备树脂柱。但是，此工艺存在一些缺陷。首先，在柱状隔离物于期望位置形成之前，所述一对基板必须用随机分散在这对基板间、且在永久固化树脂隔离物形成后不能去除的“临时”隔离物保持期望的预定距离。然后通过使用双-液环氧树脂粘合剂作密封材料将两基板粘合在一起，使其固定。用丝网印刷法将双-液环氧树脂粘合剂施加在其中一个基板的边缘，并将两基板粘合以固定。用来丝网印刷的板对基板的取向方式应使得每条经线和纬线都可以分别叠在与扫描电极和信号电极所对应的位置。其次，现有技术的方法至少还需要额外的制造步骤，即在基板间分散临时隔离物，进行固化树脂步骤以获得柱状隔离物。这种复杂的制造方法使得设备更加昂贵。而且，该方法会导致生成危害设备电光性能的未聚合的污染物。
因此本发明的一个目的就是要获得一种以简单的方式将一对基板隔开的方法，其不必借助临时隔离物且能使制造方法显著简化。
为此，发现了一种方法，通过下述工艺步骤获得了一对基板，其中一对基板彼此被隔离物隔开：
a)提供一个覆盖有第一层的第一基板，其中所述第一层上覆盖有可带有静电荷的带有图案的疏水性第二层或带有图案的亲水性第二层；和
b)任选地对第一层上没有覆盖疏水性或亲水性第二层的部位进行处理，形成可带有静电荷的带有图案的亲水性第三层，如果第二层是亲水层，则其中所述静电荷的符号与亲水性第二层可带有的静电荷极性相反；
c)提供带静电荷的第一、第二和第三层中的至少一个；
d)使带静电的带有图案的第一基板与聚合物颗粒(隔离物)分散体相接触，所述聚合物颗粒是官能化的，以使其表面上的聚合物粒子可以带有与所述第一、第二和第三层中至少一个的静电荷符号相反的静电荷，使聚合物颗粒静电粘附到带有与聚合物颗粒的静电荷符号相反的静电荷的层上；
e)任选地从没有静电粘附官能化的聚合物颗粒的部位，和/或从所述疏水性或亲水性第二层(如果聚合物颗粒没有静电粘附于其上)，除去所述官能化的聚合物颗粒；和
f)随后，将第一基板连接到第二基板，获得所述一对基板。
在步骤a)中，可将第一层构图，留下曝光的绝缘区域。第一层可以是任何材料，但通常是一个取向层，如聚酰亚胺或者导电或半导电层如ITO层，可以用化学法构图。也有可能第一层是覆有取向层的导电层或半导电层。第一层可以是柔性聚合物基基板或刚性基板如玻璃基板的一部分。第一层还可以是基板的构成部分，如金属基板的顶层。第二层由疏水性或亲水性化合物构成，且可以是由受保护的疏水性分子，如十八烷基三氯硅烷(OTS)等，构成的带有图案的自组装单分子层(SAM)，它可以以本领域技术人员已知的常规方式施加，如使用硅橡胶模具的微接触晒印法。如本领域技术人员所知，亲水性层可以由3-(2-氨乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基-3-甲氧基硅烷等制成。当第一层为导电层或半导电层时，此层可以通过化学处理，如通过用氯化氢处理ITO层，或通过施加电压而带上静电荷。亲水性的第二和第三层可以通过应用适当的pH，随后使酸基或碱基分别被转化成阴离子基团和阳离子基团而带电。
聚合隔离物的末端被可以带静电的基团官能化，这类基团如类似羧酸、磺酸、膦酸等的酸基，其在适当pH时分别被转化为带负电的羧基、磺酸基和膦酸基。所述端基也可以是碱基，如胺，优选伯胺和叔胺，这些基团在适当的pH下能带正电荷。隔离物可以具有任何形状，如柱状、椭球状、圆柱状和球状。优选球形和类球形颗粒，更优选直径为约1-约10μm，因为它们很容易获得并且可以方便地附着于预定部位。使用这些末端官能化颗粒的基板是新型的，同时也是本发明的一种实施方案。在一个适当的方法中，在构图之后，基板被浸入这种颗粒的水悬浮液或分散体中。在一个适当的实施方案中，聚合隔离物有选择地吸引到第一层表面上未防护(未覆盖)的部位，而多余的隔离物可以很容易地被冲洗掉。可以调节溶液的pH，使工艺的一个或多个特征最佳化，其中包括速率和相互作用强度。此方法的一个替代方案，是在未覆盖区域接触隔离物之前向其上沉淀中间SAM或者直链状或枝状的聚电解质层。在此强调指出，此替代方案包括不同的软平版印刷和沉积步骤的组合。这些步骤之后，可以在一对基板中至少一个的内侧提供沿某一方向取向(排列)液晶分子的取向装置，从而任选地在摩擦所述层之后和在取向之前将液晶分子取向。
优选的是，隔离物群的设置应使它们不妨碍装置的光学性能，即优选不在像素的表面，而是只在其边缘或角落。
在一个相关方面，本发明涉及彼此被聚合物颗粒(隔离物)隔开的一对基板，其中所述聚合物颗粒呈一预定图案位于该对基板之间并且是官能化的，从而使得聚合物颗粒在其表面具有可以带静电荷的基团。特别是，所述颗粒可以带有与它接触的第一、第二或第三层中的至少一个所带静电荷的符号相反的电荷。
本方法的原理说明于附图1-4中。
图1显示的是一个具有带电第一层和官能化隔离物的基板，其中带电第一层上由疏水性第二层构图。
图2显示了图1的一种替代方案，具有亲水性第二层和第三层。
图3显示了图2的一种替代方案，其中亲水性第三层是一种聚合电解质或枝晶体。
图4显示了一个结合了第一层和亲水性第二或第三层以及隔离物的基板。
参见图1，其中示出了采用球形官能化隔离物1的液晶电光装置的一部分，包括一个透光基板2。在图1-4中未显示放在第一基板上并被隔离物与第一基板隔开指定距离的第二基板，以及任选的电极、取向膜、液晶材料和密封材料。隔离物具有例如静电负电荷，并结合在第一层3上，在此具体情形中为用氯化氢化学改性赋予了正静电荷的ITO层。隔离物与在第一层3上呈图案的疏水性第二层4(例如OTS层)没有相互作用，因此这些区域是自由形态的聚合物颗粒1。
在图2中，示出第二层4不是疏水性层(如OTS)，而是带负电的亲水性层的情形。第一层3上未被亲水性第二层4覆盖的区域配有一个带正静电荷的亲水性第三层5，第三层5的电荷的符号与亲水性第二层的电荷相反。带负电的隔离物粘附在带正电的第三层5而不是带负电的第二层4上。在粘着隔离物1之后，可以任选地除去第二层4，除去之后得到图4所示的结构，其中附图标记6代表亲水性第三层5。
在图3中显示了图2的一个特殊实施方案，其中第三层5是粘附隔离物的高分子聚合电解质或枝晶体。
在图4中显示了疏水性或亲水性第二层4已被(从图2和3中给出的实施方案中)除去的情形，且其中附图标记6代表与官能化的聚合物颗粒静电粘合的第三层5(它也可以是高分子聚合电解质或枝晶体类)。
图4还表示一种实施方案，其中具有带与带静电聚合物颗粒1的符号相反的电荷的基团的第二层4构图在第一层上，第一层不带电或带有与带静电聚合物颗粒1相同符号的电荷，之后官能化聚合物颗粒1粘附到第二层4上。例如，此实施方案是当层3是直接形成在基板上的取向层时获得的。在此实施方案中第二层4(在图4中以附图标记6表示)也可以是高分子聚合电解质或枝晶体类。
上述方法提供同样也是本发明一个目的的装置。由此本发明还涉及一种含有彼此被聚合物颗粒(隔离物)1隔开的两个基板的装置，其中至少第一基板2上覆盖了第一层3并由疏水性或亲水性第二层4以及任选地由带有与亲水性第二层所带静电荷的符号相反的静电荷的亲水性第三层(如果第二层是一个亲水性层)5构图；且其中第一、第二和第三层中的至少一个带有静电荷，特征在于聚合物颗粒呈预定图案位于所述一对基板之间并且是官能化的，使得聚合物颗粒在其表面具有符号与所述和聚合物颗粒静电粘合在一起的第一、第二和第三层中的至少一层所带静电荷的符号相反的静电荷。
优选的是，隔离物如先前所述具有球形或类球形。
本发明还尤其适合应用于LCD显示器。LCD显示器为本领域所熟知，例如参见“Liquid Crystal Devices：Physics and Applications(ArtechHouse Optoelectronics Library)Vladimir G.Chigrinov，pp.215-2，ArtechHouse；ISBN：0890068984；(1999年4月)。
这种LCD显示器可包含一对根据本发明所述的基板，优选一对彼此被聚合物颗粒(隔离物)隔开的基板，其中聚合物颗粒以预定图案位于所述一对基板之间，且是官能化的，使得聚合物颗粒在其表面具有带有同与其接触的所述第一、第二和第三层中的至少一个所带有的静电荷的符号相反的静电荷的基团。
聚合物颗粒可以通过其官能团静电粘附到一个带电层上。还可能的是，所述官能化颗粒(分散于一种其官能团可以被离子化的介质中)静电粘附在一个通过施加电压而带电的层上。例如，金属层可以通过施加电压而带正电，之后羧酸官能聚合物颗粒分散体就可以静电粘附到所述层上。在使所述颗粒以此方式构图之后，可以去掉电压，之后所述层不再带电，而官能化颗粒的带电羧基也恢复其不带电的羧酸形式。在这种装置中颗粒按预定图案布置，但在最终产品中可能不再静电粘附。
用于本实施方案的液晶材料可以是任何适合的液晶材料，如公开于以下文献中的那些：Low Molecular Weight Liquid Crystals I，卷2A，Handbook of Liquid Crystals，George，W.Gray(编者)，JohnW.Goodby(编者)，Hans W.Speiss(编者)，由Dietrich Demus编著，John Wiley & Sons；ISBN：3527292713；第一版(1998年3月10日)。具体的非限制性例子是E7TM(Merck产)和CS1014，一种由ChissoCorporation制造的铁电液晶。
选择用作第一层的电极材料是氧化锡铟(ITO)，它通过溅射或汽相沉积在玻璃基板上(面积10*10cm)沉积50-200nm的厚度，具体为100nm，并通过常规的照相平版印刷法构图以获得电极。可以通过旋涂在上述获得的基板表面上施加聚酰亚胺，并在280℃烧制。适合用作取向薄膜的聚酰亚胺包括RN-305(Nissan Chemical Industries，Ltd.制造)和LP-64(Toray Industries，Inc.制造)。在实施方案中具体使用了LP-64来形成聚酰亚胺薄膜(15nm厚)。通常，提供的聚酰亚胺薄膜厚度为10-80nm。获得的基板随后通过摩擦过程进行单轴取向处理，并施加疏水性或亲水性层。适合的层是由聚苯乙烯磺酸酯、聚丙烯酸钠盐、十八烷基三氯硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷和3-氨乙基-2-氨丙基三甲氧基硅烷获得的。可以使用用胺基或羧基官能化的胶乳粒子的微球形聚合物，如PolybeadTM微球(Polyscience Inc.，USA产品)、来自Microparticles GmbH的官能化球(羟基、羧基、硫酸根、磺酸根、氨基)、来自Seradyn的羧基改性的微粒；或来自Kisker-Biotech的氨基和羧基改性的微粒。
因此，如上所述，本发明实现了一种步骤简化且工艺时间缩短了的制造液晶电光装置的方法。
通过以下非限制性实施例对本发明进一步说明。
材料和化学试剂
以下样品都涂覆氧化锡铟(ITO)导电层作第一层。
样品
所用基板为：
a)玻璃
b)来自TEIJIN的合成树脂箔(代号DT 120 B60)
c)合成树脂箔OIKE-PET(代号LR-TS)
所述合成树脂箔用使用微型刀片的切刀修剪成图案。
微球(聚合物颗粒，隔离物)
使用具有两个不同官能团的PolybeadTM微球(单分散聚苯乙烯胶乳颗粒)。
胺官能化的
羧化物官能化的。
所述球在去离子水中稀释并按滴计量。
改性剂
用以下聚合物对ITO表面进行改性：
PSS(聚苯乙烯磺酸酯)
PM(聚丙烯酸，钠盐)
改性成可以带静电荷的亲水性第二层，
以及使用以下分子制造疏水性第二层：
OTS(十八烷基三氯硅烷)
A 1100(3-氨丙基三甲氧基硅烷)
A 1120(3-(2-氨乙基氨丙基)三甲氧基硅烷)。
微球溶液
制备溶液
将微球按滴计量(一滴重约35mg)并用去离子水稀释，并任选地使用如HCI的强酸(对于所述氨基球)或如NaOH的碱(对于所述羧基球)使其带电(pH变化)。使用大部分未带电的溶液。
使用溶液
用实验室蒸煮器和磁力搅拌器搅拌所述用于浸渍实验的微球溶液。对于旋涂技术，使用Pasteur移液管滴下摇匀的溶液。
样品制备
在开始实验之前用不同的清洗技术清洁样品基板
用乙醇冲洗并在室温下空气干燥
用乙醇冲洗，用Kimberly-Clark布擦拭并在炉(333K)中干燥，并用以下程序之一对表面进行活化：
UV-臭氧
等离子体-氧气
静电粘附聚合物颗粒至第一、第二或第三层中的至少一层。
不用表面改性，粘附微球
样品被垂直放入装有微球溶液的塑料烧杯中。在浸泡之后，进行如下几种清洁工艺，比如：
-浸入去离子水和/或乙醇中，
-用去离子水和/或乙醇喷洒，以及
-用压缩空气吹。
随后在室温(22℃)空气中或60-90℃的炉中进行样品的干燥。
表面改性(浸渍)和微球的粘着(浸渍)
使用改性剂来增强ITO的粘着能力。进行正常的浸渍实验，随后是漂洗和/或清洗步骤(水-乙醇)以及在60℃炉中干燥。粘着部分与上面所述相同。
表面改性(模压)和微球的粘着(浸渍)
实验中使用PDMS模具(参考资料：Xia，Y.N.和G.M.Whitesides(1998)，“Soft lithography.”Annual Review of Materials Science28：153-184)。油墨(改性剂)用Pasteur移液管施加到模具上，并通过旋涂将溶液展开。为使模具完全干燥和避免得到脏的图案，用压缩空气将其吹几秒钟。然后翻转模具并用手指将其压在样品上，5秒钟后用一对镊子将其移去。粘着过程如上所述。
表面改性(模压)和微球的粘着(旋涂)
模压部分同上面所述。为了粘着，将部分模压过的样品装在旋涂机的夹具上，并用Pasteur移液管滴加微球溶液。为使球能够粘着到表面上，插入一个停顿时间(沉降时间)。然后使用低速(1000rpm)旋涂除去溶液。通过将样品放入60℃的炉中10-15分钟，使其完全干燥。
结果
通过使用PSS、PAA、A1000和A1120，继之以在浓度为0.01-5wt.％且pH在5-10之间的微球溶液中浸渍样品，获得了表面改性。通过添加NaOH使羧化球带电，以及通过添加HCl使ITO层带电。使用玻璃-ITO基板和羧化物官能化的微球(浓度为0.01-5wt.％)，5分钟的浸渍时间已经足以显示良好的覆盖度。
除去非粘合改性剂分子，以防微球溶液在粘着实验中被污染。浸入去离子水中几秒钟并重复若干次看来是一种很好的处理。也可以进行其它工艺如漂洗或浸入流水。未粘着微球可以通过浸渍、漂洗和喷射除去，或通过用压缩空气吹扫来除去。表面改性之后将样品在60℃干燥。

Claims (11)

1.一种获得彼此被隔离物隔开的一对基板的方法，包括如下步骤：
a)提供一个覆盖有第一层的第一基板，其中所述第一层上具有可带静电荷的带有图案的疏水性第二层或带有图案的亲水性第二层；和
b)任选地对第一层上没有覆盖疏水性或亲水性第二层的部位进行处理，形成可以带静电荷的带有图案的亲水性第三层，如果第二层是亲水性层时，其中所述静电荷的符号与亲水性第二层可带有的静电荷符号相反；
c)提供带静电荷的第一、第二和第三层中的至少一层；
d)将带静电的带有图案的第一基板与聚合物颗粒(隔离物)分散体相接触，所述聚合物颗粒是官能化的，从而使得它们在其表面上可以带有与所述第一、第二和第三层中至少一层的静电荷符号相反的静电荷，使聚合物颗粒静电粘附到带有与聚合物颗粒的静电荷符号相反的静电荷的层上；
e)任选地从没有静电粘附官能化的聚合物颗粒的部位，和/或如果聚合物颗粒没有静电粘附于所述疏水性或亲水性第二层，则从所述疏水性或亲水性第二层除去所述官能化的聚合物颗粒；和
f)随后，将第一基板连接到第二基板，获得所述一对基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一层是一个导电层或半导电层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中第一层是一个取向层。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述导电层或半导电层上覆盖了一个取向层。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中使用了球形的官能化聚合物颗粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所用聚合物颗粒的直径为约1μm-约10μm。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的方法，其中所述聚合物颗粒用酸基或碱基官能化。
8.根据权利要求1-6中任何一项所述的方法，其中所述聚合物颗粒用羧酸基或磺酸基或用胺基官能化。
9.一种含有彼此被聚合物颗粒(隔离物)(1)隔开的两个基板的装置，其中至少第一基板(2)上覆盖有一个第一层(3)，并由疏水性或亲水性第二层(4)以及如果第二层是一个亲水性层的话则任选地由带有与亲水性第二层所带静电荷的符号相反的静电荷的亲水性第三层(5)形成图案；且其中所述第一、第二和第三层中的至少一层带有静电荷，该装置的特征在于聚合物颗粒呈预定图案位于所述一对基板之间并且是官能化的，从而使得聚合物颗粒在其表面具有符号与和聚合物颗粒静电粘合在一起的所述第一、第二和第三层中的至少一层所带静电荷的符号相反的静电荷。
10.一对彼此被聚合物颗粒(隔离物)隔开的基板，其中聚合物颗粒呈预定图案位于所述一对基板之间并且是官能化的，从而使得聚合物颗粒在其表面具有可以带静电荷的基团。
11.一种包含权利要求10所述的一对基板的LCD显示器，其中至少有一个基板可以任选地具有选自电极层和取向层的至少一个层。
CNA038220474A 2002-09-19 2003-08-08 彼此被具有预定图案的隔离物隔开的一对基板及其制造方法 Pending CN1682148A (zh)

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