DE69925512T2

DE69925512T2 - Verfahren zum präzisen giessen und ausrichten von strukturen auf einem substrat unter verwendung einer dehnbaren giessform

Info

Publication number: DE69925512T2
Application number: DE69925512T
Authority: DE
Inventors: C. Raymond CHIU; L. Timothy HOOPMAN; E. Paul HUMPAL; W. Vincent KING; R. Kenneth DILLON
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: KR100617338B1; TW432442B; US6325610B2; KR20010099913A; CN1331835A; US6984935B2; US6247986B1; US20010007682A1; US20040058614A1; WO2000039829A1; DE69925512D1; US6802754B2; EP1147536B1; AU3460599A; US20050029942A1; US6616887B2; US20020038916A1; CA2352769A1; CA2352769C; JP2002533898A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zum Formen und Ausrichten von Strukturen auf gemusterten Substraten. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Gießen und Ausrichten von Glas-, Keramik- und/oder Metallstrukturen auf gemusterten Substraten für Bildschirmanwendungen und für Bildschirme, welche Sperrstege aufweisen, die unter Verwendung einer dehnbaren Gießform gegossen und ausgerichtet werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Weiterentwicklungen in der Bildschirmtechnologie, einschließlich der Entwicklung von Plasmaanzeigetafeln (PDP, Plasma Bildschirm Panel) und über Plasma adressierte Flüssigkristallbildschirme (PALC, plasma addressed liquid display) haben dazu geführt, dass ein Interesse an der Ausbildung von elektrisch isolierenden, keramischen Sperrstegen auf Glassubstraten besteht. Die keramischen Sperrstege trennen Zellen ab, in denen ein Inertgas durch ein elektrisches Feld erregt werden kann, das zwischen entgegengesetzten Elektroden angelegt wird. Durch die Gasentladung wird ultraviolette (UV) Strahlung innerhalb der Zelle abgegeben. Im Fall von Plasmaanzeigetafeln ist das Innere oder die Zelle mit einem Phosphor beschichtet, welches rotes, grünes oder blaues sichtbares Licht abgibt, wenn es durch UV-Strahlung erregt wird. Die Größe der Zellen bestimmt die Größe der Bildelemente (Pixel) in dem Bildschirm. Plasmaanzeigetafeln und über Plasma adressierte Flüssigkristallbildschirme können beispielsweise als Anzeigebildschirme für Hochauflösungsfernsehen (HDTV, High Definition TV) oder bei weiteren digitalen elektronischen Bildschirmen verwendet werden.
Verschiedene Verfahren sind verwendet worden, um keramische Sperrstege für Plasmaanzeigetafeln herzustellen. Eines der Verfahren besteht aus wiederholtem Siebdruck, wie in US 5,136,207 und der Japanischen Auslegungspatentanmeldung Nr. 2-21 30 20 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Sieb auf dem Substrat ausgerichtet und verwendet, um eine dünne Schicht eines Sperrstegmaterials zu drucken. Das Sieb wird entfernt und das Material wird gehärtet. Da die Materialmenge, die mit dieser Technik gedruckt werden kann, nicht ausreichend ist, um Stege zu schaffen, welche die gewünschte Höhe (typischerweise um 100 μm bis 200 μm) aufweisen, wird das Sieb anschließend wieder ausgerichtet und eine zweite Schicht aus Sperrstegmaterial wird auf die erste Schicht gedruckt. Die zweite Schicht wird anschließend gehärtet. Schichten aus Stegmaterial werden wiederholt gedruckt und gehärtet, bis die gewünschte Höhe der Sperre erreicht ist. Die zahlreichen Verfahrensschritte zur Ausrichtung und Härtung, die bei diesem Verfahren erforderlich sind, führen zu einer langen Bearbeitungszeit und mangelhaften Steuerung der gesamten Profilgestalt des Sperrsteges.
Ein weiteres Verfahren beinhaltet das Maskieren und Sandstrahlen, wie in US 5,601,468 und Japanischer Auslegungspatentanmeldung 4,259,728 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Substrat, welches Elektroden aufweist, mit dem Sperrstegmaterial beschichtet, das teilweise gebrannt ist. Eine Maske wird anschließend unter Verwendung von herkömmlichen Lithographietechniken auf das Material der Sperre aufgetragen. Die Maske wird auf die Flächen zwischen den Elektroden aufgetragen. Das Substrat wird anschließend sandgestrahlt, um das durch die Maske freiliegende Sperrstegmaterial zu entfernen. Schließlich wird die Maske entfernt und die Sperrstege werden bis zur Fertigstellung gebrannt. Die ses Verfahren erfordert nur einen einzigen Ausrichtungsschritt und kann infolgedessen genauer sein als das Verfahren mit Mehrfachsiebdruck. Weil allerdings die mit Sperrstegen bedeckte Fläche des fertig gestellten Substrats sehr klein ist, muss der größte Teil des Sperrstegmaterials durch Sandstrahlen entfernt werden. Diese große Menge an Abfall erhöht die Produktionskosten. Weil darüber hinaus das Sperrstegmaterial häufig auf Blei basierende Glasfritte enthält, ist eine umweltfreundliche Entsorgung des entfernten Materials ein Problem. Wenn auch die Positionen der Stege nach dem Sandstrahlen ziemlich genau sein können, ist es allerdings schwierig, die Gestalten der Stege insgesamt, einschließlich des Seitenverhältnisses, Höhe zur Breite, zu steuern.
In einem weiteren Verfahren werden herkömmliche photolithographische Techniken verwendet, um das Sperrstegmaterial mit Mustern zu versehen, so wie in der Japanischen Auslegungspatentanmeldung 9-24 56 29 beschrieben. Bei dieser Technik umfasst das Sperrstegmaterial einen lichtempfindlichen Lack. Das Sperrstegmaterial wird auf das Substrat über die Elektroden aufgetragen, häufig indem das Stegmaterial in Gestalt eines Klebstreifens auf das Substrat laminiert wird. Eine Maske wird über das Sperrstegmaterial aufgetragen und das Material wird durch Strahlung belichtet. Die Maske wird entfernt und die belichteten Flächen des Materials werden entwickelt. Das Sperrstegmaterial kann anschließend durch Ausschwemmen entfernt werden, um die Stegstrukturen auszubilden. Bei diesem Verfahren kann hohe Präzision und Genauigkeit erzielt werden. Allerdings wird, genau wie bei dem Sandstrahlen, viel Material vergeudet, weil das gesamte Substrat anfänglich mit dem Sperrstegmaterial beschichtet wird und die Stege als Muster durch Materialentfernung erzeugt werden.
Ein weiteres Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Gießform, um Sperrstege herzustellen. Dies kann durch direktes Gießen auf das Substrat oder durch Gießen auf einen Übergabebogen und anschließendes Übertragen der Stege auf ein Substrat erfolgen. Direktes Gießen auf ein Substrat beinhaltet das Beschichten von entweder dem Substrat oder der Gießform mit Sperrstegmaterial, das Pressen der Gießform gegen das Substrat, das Härten des Materials auf dem Substrat, und das Entfernen der Gießform. Die Japanische Auslegungspatentanmeldung 9-134676 offenbart die Verwendung einer Metall- oder Glasgießform, um Sperrstege aus Glas- oder Keramikpulver auszugestalten, das in einem Bindemittel feinst über ein Glassubstrat verteilt wird. Die Japanische Auslegungspatentanmeldung 9-147754 offenbart das gleiche Verfahren, wobei Elektroden gleichzeitig mit den Sperrstegen unter Verwendung einer Gießform auf das Substrat übertragen werden. Nachdem das Sperrstegmaterial ausgehärtet und die Gießform entfernt ist, werden die Sperrstege gebrannt, um das Bindemittel zu entfernen.
In der Europäischen Patentanmeldung 0 836 892 A2 wird das Drucken eines Gemisches aus einem Glas- oder Keramikpulver in einem Bindemittel auf einen Übergabebogen beschrieben. Das Material wird unter Verwendung einer Walze oder Tiefdruckplatte gedruckt, um Sperrstegformteile auf dem Übergabebogen auszugestalten. Ein Substrat wird anschließend gegen das Stegmaterial auf dem Übergabebogen gepresst, damit das Material an dem Substrat anhaftet. Nachdem das Stegmaterial auf dem Substrat gehärtet ist, werden die Stege gebrannt. Die Übergabefolie kann vor dem Brennen entfernt werden oder durch das Brennen herausgebrannt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Während bei direktem Gießformen weniger Abfall als beim Sandstrahlen oder bei Lithographie anfällt und weniger Ausrichtungsschritte als beim Siebdrucken verlangt werden, bestehen die Herausforderungen darin, die Gießform auf einheitliche und wiederholte Weise von dem Sperrstegmaterial abzulösen und eine getrennte Gießform für jedes einzigartige Bildschirmsubstrat herzustellen. Beispielsweise sind geringfügige Anpassungen bei den Abmessungen des Pitches der Sperrstege erwünscht, um Abweichungen bei Schrumpfungsfaktoren von Glassubstraten, aufgrund von beispielsweise unterschiedlichen Chargen oder unterschiedlichen Lieferanten, berücksichtigen zu können.
Wenn die Sperrstege anfänglich auf einem Übergabebogen ausgestaltet werden, weist dieses Verfahren dieselben Nachteile wie direktes Formgießen auf. Darüber hinaus muss der Übergabebogen mit dem Stegmaterial mit den Elektroden auf dem Substrat ausgerichtet werden. Dieses Druckverfahren kann verwendet werden, um ein Muster auf eine flexible Folie zu drucken, wobei das Muster auf der Folie anschließend als eine Gießform zum direkten Formgießen von Sperrstegen verwendet werden kann. Eine Schwierigkeit besteht allerdings darin, dass, wenn die Gießform und das Stegmaterial gegen das Substrat gedrückt werden, damit das Stegmaterial an dem Substrat anhaftet, die Gießform dazu neigt, sich auszudehnen. Durch diese Bewegung der Gießform wird eine präzise Ausrichtung über das Substrat hinweg sehr schwierig. Das offenbarte Verfahren zur Lösung dieses Problems besteht darin, eine Metallschicht auf die Rückseite der Gießform aufzutragen, damit die Gießform sich nicht mehr ausdehnen kann.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Formen und Ausrichten von Mikrostrukturen auf gemusterten Substraten, wie in Anspruch 1 beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen das Formen und Ausrichten von Mikrostrukturen auf gemusterten Substraten mit hoher Präzisionsgenauigkeit über relativ große Entfernungen.
Gemäß einem ersten Aspekt besteht das Verfahren der vorliegenden Erfindung aus einem Form- und Ausrichtungsverfahren von Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat, welches dergestalt verläuft, dass zuerst ein Gemisch, welches ein härtbares Material umfasst, zwischen einem gemusterten Substrat und einer gemusterten Oberfläche einer Gießform angeordnet wird. Die gemusterte Oberfläche der Gießform weist eine Vielzahl von Mikrostrukturen darauf auf. Der Ausdruck „Mikrostruktur", wie in dieser Anmeldung verwendet, bezieht sich auf Vertiefungen oder Erhebungen in der Oberfläche der Gießform. Die Gießform wird gedehnt, um einen vorbestimmten Abschnitt der gemusterten Oberfläche der Gießform mit einem entsprechenden vorbestimmten Abschnitt des gemusterten Substrats auszurichten. Das härtbare Material zwischen der Gießform und dem Substrat wird bis zu einem festen Zustand gehärtet, wobei es an dem Substrat anhaftet. Die Gießform wird anschließend entfernt, wonach die ausgehärteten Strukturen des Gemisches mit dem Muster des Substrats ausgerichtet zurückbleiben, wobei die ausgehärteten Strukturen die Mikrostrukturen auf der gemusterten Oberfläche der Gießform replizieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren zum Formen und Ausrichten von keramischen Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat. Eine breiige Masse wird zur Verfügung gestellt, wobei die breiige Masse aus einem Gemisch aus einem Keramikpulver und einem härtbaren flüchtigen Bindemittel besteht. Die breiige Masse wird zwischen einem gemusterten Glassubstrat und einer gemusterten Oberfläche einer Gießform angeordnet, wobei die gemusterte Oberfläche der Gießform eine Vielzahl von Mikrostrukturen darauf aufweist. Die Gießform wird gedehnt, um einen vorbestimmten Abschnitt der gemusterten Oberfläche der Gießform mit einem entsprechenden vorbestimmten Abschnitt des gemusterten Substrats auszurichten. Das härtbare Bindemittel der breiigen Masse wird gehärtet, damit die breiige Masse aushärtet und damit die breiige Masse an dem Substrat anhaftet. Anschließend wird die Gießform entfernt, um Mikrostrukturen im grünen Zustand der breiigen Masse an dem Substrat anhaftend zurückzulassen, wobei die Mikrostrukturen im grünen Zustand im Wesentlichen die Mikrostrukturen der gemusterten Oberfläche der Gießform replizieren. Die Mikrostrukturen im grünen Zustand können thermisch behandelt werden, um im Wesentlichen dichte keramische Mikrostrukturen auszugestalten.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um ein Substratelement zur Verwendung in einem elektronischen Bildschirm zur Verfügung zu stellen, welcher mikrostrukturierte Sperrstege aufweist, die auf einem gemusterten Abschnitt eines Substrats aufgeformt und darauf ausgerichtet sind. Ein hoch auflösender Fernsehbildschirmapparat kann beispielsweise eine Plasmaanzeigetafel umfassen, welche gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt wird. Die Plasmaanzeigetafel weist ein hinteres Glassubstrat mit einer Vielzahl von unabhängig adressierbaren Elektroden auf, die ein Muster ausgestalten, und eine Vielzahl von keramischen, mikrostrukturierten Sperren, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung auf dem hinteren Substrat aufgeformt und mit dem Elektrodenmuster darauf ausgerichtet sind. Phosphorpulver wird zwischen den keramischen Sperren abgelagert, und ein vorderes Glassubstrat, welches eine Vielzahl von Elektroden aufweist, ist mit seinen Elektroden dergestalt angebracht, das seine Elektroden den Elektroden auf dem hinteren Substrat orthogonal gegenüberliegen. Inertgas wird zwischen dem vorderen und hinteren Substrat verteilt.
Zur Ausführung des beanspruchten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, kann ein Gerät zum Formen und Ausrichten von keramischen Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat verwendet werden. Das Gerät dehnt eine dehnbare Gießform, die eine Mikrostruktur darauf aufweist, bis in unmittelbare Nähe von einem gemusterten Substrat, bringt sie in Deckungsgleichheit und richtet die Mikrostruktur der Gießform mit einem vorbestimmten Abschnitt des gemusterten Substrats aus, trägt eine breiige Masse, welche ein Keramikpulver umfasst, das in einem härtbaren Bindemittel feinst verteilt ist, zwischen der Mikrostruktur der Gießform und dem Substrat auf, dehnt die Gießform, um die Mikrostruktur der Gießform mit dem vorbestimmten Abschnitt des gemusterten Substrats auszurichten, und lässt das Bindemittel der breiigen Masse zwischen dem Substrat und der Gießform härten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Plasmaanzeigetafelanordnung.
2 ist eine schematische Darstellung im Querschnitt einer breiigen Masse, die zwischen einer Gießform und einem gemusterten Substrat verteilt ist.
3 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Dehnen einer strukturierten Gießform gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Entfernen einer Gießform von Mikrostrukturen im grünen Zustand.
5 ist eine schematische Darstellung von keramischen Mikrostrukturen, die auf einem gemusterten Substrat aufgeformt und darauf ausgerichtet sind.
6 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Formen und Ausrichten von Mikrostrukturen.
7 ist eine schematische Ansicht einer Aufspann vorrichtung, die zum Dehnen einer Gießform verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht genaues Formen von Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat. Obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um Mikrostrukturen, die aus unterschiedlichen härtbaren Materialien hergestellt werden, auf verschiedenen, gemusterten Substraten für verschiedene Anwendungen aufzuformen und auf ihnen auszurichten, ist es sinnvoll, Aspekte des Verfahrens in Bezug auf eine bestimmte Anwendung zu beschreiben, nämlich das Formen und das Ausrichten von keramischen Sperrsteg-Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat mit Elektroden. Keramische Sperrsteg-Mikrostrukturen sind insbesondere bei elektronischen Bildschirmen nützlich, bei welchen Pixel über Plasmaerzeugung zwischen gegenüberliegenden Substraten adressiert werden oder beleuchtet sind, wie beispielsweise Plasmaanzeigetafeln oder mit Plasma adressierte Flüssigkristallbildschirme. Die Bezugnahmen auf Anwendungen keramischer Mikrostrukturen in der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung dienen dazu, Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erläutern, und sollten nicht dahingehend interpretiert werden, den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie in den angeführten Ansprüchen definiert, einzuschränken.
So wie der Ausdruck Keramik hier verwendet wird, bezieht er sich im Allgemeinen auf keramische Materialien oder auf Glasmaterialien. Infolgedessen kann das Keramikpulver, das in der breiigen Masse enthalten ist, die nach einem Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, aus Glas- oder Keramikpartikeln oder einem Gemisch daraus bestehen. Außerdem beziehen sich die Ausdrücke schmelzgeformte Mikrostrukturen, gebrannte Mikrostrukturen und keramische Mikrostrukturen auf Mikrostrukturen, welche unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ausgestaltet werden, welche bei einer erhöhten Temperatur zum Verschmelzen oder zum Versintern der darin enthaltenen Keramikpartikel gebrannt worden sind.
Gemäß einem veranschaulichenden Aspekt, beinhaltet das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer breiigen Masse, welche ein Keramikpulver, ein härtbares, organisches Bindemittel und ein Verdünnungsmittel enthält. Die breiige Masse wird in WO 00/39831 beschrieben, die gleichzeitig anhängig ist und gleichzeitig mit angemeldet wurde. Wenn das Bindemittel in seinem anfänglichen ungehärteten Zustand vorliegt, kann die breiige Masse geformt und unter Verwendung einer Gießform auf einem Substrat ausgerichtet werden. Nach dem Härten des Bindemittels, befindet sich die breiige Masse mindestens in einem halbfesten Zustand, in welchem die Gestalt beibehalten werden kann, zu welcher sie geformt wird. Dieser gehärtete, feste Zustand wird als grüner Zustand bezeichnet, genauso wie geformte Keramikmaterialien mit „grün" bezeichnet werden, bevor sie gesintert werden. Wenn die breiige Masse gehärtet ist, kann die Gießform von den Mikrostrukturen im grünen Zustand entfernt werden. Darauf folgend kann das Bindemittel aus dem Material im grünen Zustand entfernt werden und/oder gebrannt werden. Bindemittelentfernung oder Herausbrennen, geschieht, wenn das Material im grünen Zustand auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher das Bindemittel zu einer Oberfläche des Materials diffundieren und sich verflüchtigen kann. Auf die Entfernung des Bindemittels folgt normalerweise die Erhöhung der Temperatur auf eine vorbestimmte Brenntemperatur, um die Partikel des Keramikpulvers zu sintern oder zu verschmelzen. Nach dem Brennen kann das Material als gebranntes Material bezeichnet werden. Hier werden gebrannte Mikrostrukturen als keramische Mikrostrukturen bezeichnet.
1 zeigt die Substratelemente einer Plasmaanzeigetafel. Das hintere Substratelement, welches von dem Betrachter weggerichtet ist, weist ein Glassubstrat 10 mit unabhängig adressierbaren parallel angeordneten Elektroden 12 auf. Keramische Sperrstege 14 sind zwischen Elektroden und getrennten Bereichen angeordnet, in welchen rotes (R), grünes (G), und blaues (B) Phosphor abgelagert ist. Das vordere Substratelement weist ein Glassubstrat 100 und einen Satz von unabhängig adressierbaren, parallel angeordneten Elektroden 102 auf. Die vorderen Elektroden 102, die außerdem Dauerelektroden genannt werden, sind senkrecht zu den hinteren Elektroden 12 ausgerichtet, die außerdem als Adresselektroden bezeichnet werden. Bei einem fertig gestellten Bildschirm ist der Bereich zwischen dem vorderen und dem hinteren Substratelement mit Inertgas gefüllt. Um ein Pixel zu beleuchten, wird ein elektrisches Feld ausreichender Stärke zwischen gekreuzten Dauer- und Adresselektroden angelegt, um die dazwischen liegenden Inertgasatome zu erregen. Das erregte Inertgasatom gibt UV-Strahlung ab, welche verursacht, dass der Phosphor rotes, grünes, oder blaues sichtbares Licht ausstrahlt.
Das hintere Substrat 10 besteht vorzugsweise aus einem transparenten Glassubstrat. Typischerweise besteht das Substrat 10 aus Natronkalkglas, welches als Option im Wesentlichen frei von Alkalimetallen sein kann. Die Temperaturen, welche beim Verarbeiten erreicht werden, können bei Vorhandensein von Alkalimetall in dem Substrat die Wanderung von Elektrodenmaterial verursachen. Diese Wanderung kann leitende Bahnen zwischen Elektroden hervorrufen, wodurch benachbarte Elektroden überbrückt werden oder unerwünschte elektrische Interferenz zwischen Elektroden verursacht wird, was als „Kreuzkopplung" bekannt ist. Das Substrat sollte den Temperaturen standhalten können, die zum Sintern oder Brennen des keramischen Materials der Sperrstege erforderlich sind. Brenntemperaturen können in einem großen Bereich von ungefähr 400°C bis zu 1600°C variieren, aller dings reichen typische Brenntemperaturen für die Herstellung von Plasmaanzeigetafeln auf Natronkalkglassubstraten, abhängig von der Erweichungstemperatur des Keramikpulvers in der breiigen Masse, von ungefähr 400°C bis zu 600°C. Das vordere Substrat 100 besteht aus einem transparenten Glassubstrat, welches vorzugsweise denselben oder ungefähr denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das hintere Substrat.
Die Elektroden 12 bestehen aus Streifen von leitendem Material. Typischerweise bestehen die Elektroden aus Cu, Al, oder einer Silber enthaltenden, leitenden Fritte. Die Elektroden können außerdem aus einem transparenten, leitenden Oxidmaterial bestehen, wie beispielsweise Indiumzinnoxid, insbesondere in Fällen, in welchen es wünschenswert ist, über eine transparente Anzeigetafel zu verfügen. Die Elektroden befinden sich als Muster auf dem hinteren Substrat 10 und bilden normalerweise parallel angeordnete Streifen aus, welche ungefähr 120 μm bis 360 μm voneinander beabstandet sind, mit Breiten von ungefähr 50 μm bis 75 μm, Dicken von ungefähr 2 μm bis 15 μm und Längen, welche den gesamten aktiven Bildschirmbereich überspannen, der von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Dezimetern reichen kann.
Die Sperrstege 14 enthalten Keramikpartikel, welche geschmolzen oder durch Brennen gesintert werden, um feste, im Wesentlichen dichte, dielektrische Sperrstege auszugestalten. Das Keramikmaterial der Sperrstege ist vorzugsweise frei von Alkalimetall. Das Vorhandensein von Alkalimetallen in der Glasfritte oder dem Keramikpulver kann zu unerwünschter Wanderung von leitendem Material von den Elektroden auf dem Substrat führen. Das Keramikmaterial, aus welchem die Sperrstege ausgestaltet sind, weist eine Erweichungstemperatur auf, die niedriger ist als die Erweichungstemperatur des Substrats. Die Erweichungstemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei welcher Glas- oder Keramikmaterial zu einer relativ dichten Struktur geschmolzen werden kann, welche geringe oder gar keine Oberflächen verbindende Porosität aufweist. Vorzugsweise liegt die Erweichungstemperatur des Keramikmaterials der breiigen Masse unter ungefähr 600°C, aber es wird eher vorgezogen, dass sie bei unter ungefähr 560°C liegt, und es wird noch eher vorgezogen, dass sie bei unter ungefähr 500°C liegt. Vorzugsweise weist das Material der Sperrstege einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der innerhalb einer Spanne von 10% des Ausdehnungskoeffizienten des Glassubstrats liegt. Durch genaue Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sperrstege und der Substrate wird die Gefahr reduziert, die Stege während der Verarbeitung zu beschädigen. Darüber hinaus können Unterschiede bei Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachen, dass sich das Substrat deutlich verzieht oder bricht. Sperrstege in Plasmaanzeigetafeln weisen typischerweise Höhen von ungefähr 120 μm bis 140 μm und Breiten von ungefähr 20 μm bis 75 μm auf. Der Pitch (Anzahl pro Längeneinheit) der Sperrstege passt vorzugsweise zu dem Pitch der Elektroden.
Es ist wichtig, dass die Sperrstege der Plasmaanzeigetafel auf dem Substrat zwischen Elektrodenpositionen angeordnet sind. Anders ausgedrückt, der Pitch, oder die Periodizität der Sperrstege, sollte über die gesamte Breite des Bildschirmbereiches so genau wie möglich mit dem Pitch der Elektroden übereinstimmen. Eine fehlerhafte Ausrichtung wird die Funktionalität des Bildschirmes beeinträchtigen. Der Abstand zwischen den Spitzen von benachbarten Sperrstegen wird vorzugsweise auf einer Toleranz von 10 Teilchen pro Million (ppm) des Elektrodenpitches über die gesamte Breite des Bildschirmes gehalten. Weil die größeren Bildschirme Breiten von 100 cm oder mehr bei einem Elektrodenpitch von ungefähr 200 μm aufweisen können, sind die Sperrstege vorzugsweise dergestalt gemustert, dass ihre Ausrichtung mit den Elektroden innerhalb von 10 μm bis 40 μm über annähernd 100 cm gehalten wird.
Da bei einem aktiven Bildschirm das sichtbare Licht von dem Phosphor abgegeben wird und nicht von den Sperrstegen, können die optischen Merkmale der Stege die Bildschirmeigenschaften verbessern oder beeinträchtigen. Vorzugsweise sind die Seiten der Sperrstege weiß und hochgradig reflektierend, so dass Licht, welches nicht direkt aus einer aktivierten Zelle austritt, nicht durch Absorption in bedeutenden Mengen verloren geht.
Außerdem weisen die Sperrstege vorzugsweise eine geringe Porosität auf. Poröse Stege weisen große Oberflächenbereiche auf, die Moleküle einfangen können, die den Bildschirm kontaminieren und die Lebensdauer des Bildschirmes verkürzen könnten. Wenn die Bildschirmsubstrate zusammengesetzt und versiegelt werden, wird die Luft zwischen den Substratelementen durch ein Inertgasgemisch zur Plasmaerzeugung ersetzt. Moleküle, welche in porösen Stegen absorbiert sind, können innerhalb des Bildschirmes verbleiben und im Verlauf der Zeit desorbiert werden, was zu einer Kontaminierung und Reduzierung der Lebensdauer des Bildschirmes führt.
Nach dem Formen und Brennen des Materials der Sperrstege, werden die Phosphormaterialien zwischen den Sperrstegen abgelagert, was typischerweise durch Siebdruck geschieht. Bei linearen Sperrstegen, wird eine einzige Phosphorart entlang der gesamten Länge von jedem Kanal abgelagert, der durch ein benachbartes Paar von Sperrstegen definiert wird. Die Phosphorart wird für benachbarte Kanäle abgewechselt, um ein sich wiederholendes Muster auszubilden, wie beispielsweise rot, grün, blau, rot, grün, blau, und so weiter.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Formen und Ausrichten von Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Bereitstellung einer Gießform, die Bereitstellung eines Materials, welches gehärtet oder ausgehärtet werden kann, um Mikrostrukturen auszugestalten, das Einbringen des Materials zwischen die Gießform und einem gemusterten Substrat, das Ausrichten der Gießform mit dem Muster des Substrats, das Härten des Materials zwischen der Gießform und dem Substrat und das Entfernen der Gießform. Die Gießform weist zwei gegenüberliegende, Hauptoberflächen auf, eine in Allgemeinen flache Oberfläche und eine gemusterte oder strukturierte Oberfläche. Die gemusterte Oberfläche der Gießform weist eine Vielzahl von Mikrostrukturen auf, welche das negative Bild der Mikrostrukturen darstellen, die auf dem gemusterten Substrat geformt und darauf ausgerichtet werden sollen. Wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, ist das Muster der Gießform dergestalt ausgelegt, dass eine Übereinstimmung zwischen dem Muster der Gießform und dem Muster des Substrats durch Dehnen der Gießform in mindestens eine Richtung erreicht werden kann. Indem die Gießform dergestalt zur Ausrichtung gedehnt wird, kann die Gießform für Veränderungen der Gießform oder des Substrats aufgrund von Veränderungen bei Verarbeitungsbedingungen, von veränderten Umweltbedingungen (wie beispielsweise unterschiedliche Temperatur und Feuchtigkeit) korrigiert werden, und aufgrund von Altern, wodurch leichte Verschiebung, Längung oder Schrumpfung des Musters der Gießform verursacht werden kann. Wenn sich die Anordnung der Gießform auf irgendeine Art während der Verarbeitung verschiebt, können die Mikrostrukturen, die auf dem Substrat ausgestaltet werden, beschädigt werden und/oder sie können fehlerhaft ausgerichtet sein.
Bei zahlreichen Anwendungen müssen die Mikrostrukturen, welche auf dem Substrat ausgestaltet werden sollen, mit einem gemusterten Abschnitt des Substrats dergestalt ausgerichtet werden, dass jede Mikrostruktur an einer präzisen Stelle in Bezug auf das Muster des Substrats angeordnet ist. Bei Substraten für Plasmaanzeigetafeln, welche eine Vielzahl von parallelen Elektroden aufwei sen, ist es beispielsweise wünschenswert, keramische Sperren einheitlicher Größe auszubilden, welche zwischen jeder Elektrode angeordnet sind. Substrate für Plasmaanzeigetafeln können 1000 bis 5000 oder mehr parallel angeordnete Adresselektroden aufweisen, die jeweils durch Sperrstege getrennt werden müssen. Jeder dieser Sperrstege muss mit einer bestimmten Präzision angeordnet werden und diese Präzision muss über die Breite des Substrats beibehalten werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht sorgfältige und präzise Ausrichtung des Musters der Gießform mit dem Muster des Substrats, um Mikrostrukturen auf dem Substrat mit sorgfältiger und präziser Ausrichtung auszugestalten, die einheitlich über das Substrat beibehalten wird.
Das Material zum Formen von Mikrostrukturen auf dem gemusterten Substrat kann auf eine Vielzahl von verschiedenen Arten zwischen die Gießform und das Substrat eingebracht werden. Das Material kann direkt in dem Muster der Gießform angeordnet werden, gefolgt von der Anordnung der Gießform und dem Material auf dem Substrat, das Material kann auf dem Substrat angeordnet werden, gefolgt vom Pressen der Gießform gegen das Material auf dem Substrat oder das Material kann in einen Zwischenraum zwischen der Gießform und dem Substrat eingebracht werden, wenn die Gießform und das Substrat durch mechanische oder weitere Mittel zusammengebracht werden. Das Verfahren, welches verwendet wird, um das Material zwischen der Gießform und dem Substrat anzuordnen, hängt unter anderem von dem Seitenverhältnis der Strukturen ab, die auf dem Substrat ausgestaltet werden sollen, der Viskosität des Materials zum Formen der Mikrostruktur und der Festigkeit der Gießform. Strukturen, welche Höhen aufweisen, die verglichen zu ihren Breiten hoch sind (Strukturen mit hohem Seitenverhältnis) erfordern eine Gießform, welche relativ tiefe Vertiefungen aufweisen. In diesen Fällen kann es abhängig von der Viskosität des Materials schwierig sein, die Vertiefungen der Gießform vollständig zu befüllen, es sei denn, das Material wird mit etwas Kraft in die Vertiefungen der Gießform eingepresst. Darüber hinaus sollte darauf geachtet werden, die Vertiefungen der Gießform dergestalt zu befüllen, dass das Einbringen von Blasen oder Lufteinschlüssen in das Material minimiert wird.
Beim Anordnen des Materials zwischen der Gießform und dem Substrat kann Druck zwischen dem Substrat und der Gießform angewendet werden, um eine Dicke eines Kontaktstegs, L, wie 2 festzulegen. Der Kontaktsteg ist das Material zwischen dem Substrat und der Basis der Mikrostrukturen, die auf dem Substrat ausgestaltet werden. Die Dicke des Kontaktstegs kann in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. Wenn eine Dicke von Null für den Kontaktsteg gewünscht wird, kann es vorgezogen werden, die Gießform mit dem Material zu befüllen und anschließend unter Verwendung eines Spachtels oder Schabers jegliches überschüssiges Material aus der Gießform vor dem Kontakt mit dem Substrat zu entfernen. Bei weiteren Anwendungen kann es wünschenswert sein, über eine von Null abweichende Dicke des Kontaktstegs zu verfügen. Im Fall von Plasmaanzeigetafeln kann das Material, durch das die mikrostrukturierten Sperrstege ausgestaltet werden, aus einem Dielektrikum bestehen, und die Dicke des Kontaktstegs bestimmt die Dicke des dielektrischen Materials, das auf Substratelektroden 12 angeordnet wird. Infolgedessen kann bei Plasmaanzeigetafeln die Dicke des Kontaktstegs bei der Entscheidung darüber wichtig sein, welche Spannung zwischen den Elektroden angelegt werden muss, um ein Plasma zu erzeugen und um ein Bildelement zu aktivieren.
Der nächste Schritt besteht darin, das Muster der Gießform mit dem Muster des Substrats auszurichten. Unter idealen Bedingungen würden das Muster der Gießform, so wie hergestellt, und das Muster des Substrats, so wie hergestellt, perfekt übereinstimmen. In der Praxis ist dies allerdings, wenn überhaupt, sehr selten der Fall.
Die Verarbeitungsschritte können dazu führen, dass sich die Abmessungen des Substrats und der Gießform verändern. Wenn auch diese Veränderungen in der Abmessung geringfügig sein können, so können sie doch die präzise Anordnung von Mikrostrukturen, die mit dem Substratmuster unter Verwendung einer Gießform ausgerichtet werden, nachteilig beeinflussen. Ein Substrat für eine Plasmaanzeigetafel, welches eine Breite von 100 cm und einen Elektrodenpitch von 200 μm aufweist, erfordert beispielsweise, dass jeder der 5000 Sperrstege präzise zwischen benachbarten Elektroden angeordnet wird. Ein Unterschied zwischen dem Pitch der Elektroden und dem Pitch der Gießform von nur 0,1 μm (oder 0,05%) bedeutet, dass das Muster der Sperrstege und das Elektrodenmuster auf dem Substrat fehlerhaft ausgerichtet sind, und in mindestens zwei Gebieten über das Substrat hinweg um 180° phasenverschoben sein können. Dies ist für die Funktionsweise des Bildschirmgerätes fatal. Bei einem solchen Substrat für eine Plasmaanzeigetafel sollte der Pitch der Gießform und der Pitch der Elektroden einen Übereinstimmungsfehler von 0,01% oder weniger aufweisen.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Gießform verwendet, welche gedehnt werden kann, um präzise Ausrichtung des Musters der Gießform mit dem Muster des Substrats zu erleichtern. Zunächst wird die Gießform grob ausgerichtet, indem das Muster der Gießform in derselben Ausrichtung wie das Muster des Substrats angeordnet wird. Die Gießform und das Substrat werden auf Deckungsgleichheit ihrer jeweiligen Muster überprüft. Die Gießform wird in eine oder mehrere Richtungen gedehnt, die parallel zu der Ebene des Substrats verlaufen, bis die gewünschte Deckungsgleichheit erreicht wird. Im Fall von Substraten, welche ein Muster mit parallelen Linien aufweisen, wie beispielsweise Elektroden auf einem Substrat für Plasmaanzeigetafeln, wird die Gießform vorzugsweise in eine einzige Richtung gedehnt, entweder parallel zu dem Substratmuster oder senkrecht zu dem Substratmuster, und zwar davon abhängig, ob der Pitch der Gießform größer oder kleiner ist als der Pitch des Substratmusters. 3 zeigt den Fall, in welchem die Gießform 30 in eine Richtung gedehnt wird, die parallel zu der parallelen Linienstruktur des Substrats 34 verläuft. In diesem Fall wird der Pitch des Musters der Gießform während der Dehnung reduziert, damit er mit dem Pitch des Musters des Substrats übereinstimmt. Um den Pitch der Gießform zu dehnen, wird die Gießform in die senkrechte Richtung gedehnt.
Das Dehnen kann unter Verwendung einer Vielzahl von bekannten Techniken stattfinden. Die Kanten der Gießform können beispielsweise an einstellbaren Rollen befestigt werden, welche die Spannung auf die Gießform erhöhen oder senken können, bis die Ausrichtung erreicht ist. In Fällen, in welchen es wünschenswert ist, die Gießform in mehr als eine einzige Richtung gleichzeitig zu dehnen, kann die Gießform erhitzt werden, damit die Gießform thermisch gedehnt wird, bis die Ausrichtung erreicht ist.
Nach der Ausrichtung des Musters der Gießform mit dem Muster des Substrats wird das Material zwischen der Gießform und dem Substrat gehärtet, um Mikrostrukturen auszugestalten, die an der Oberfläche des Substrats anhaften. Das Härten des Materials kann in einer Vielzahl von Arten in Abhängigkeit von dem verwendeten Bindeharz stattfinden. Das Material kann beispielsweise unter Verwendung von sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Bestrahlung mit Elektronenstrahl oder weiteren Formen von Bestrahlungen gehärtet werden, durch Warmhärten, oder durch Kühlen bis zur Verfestigung ausgehend von einem geschmolzenen Zustand. Beim Strahlungshärten kann die Strahlung durch das Substrat hindurch, durch die Gießform hindurch, oder durch das Substrat und die Gießform hindurch verbreitet werden. Vorzugsweise wird die Haftung des gehärteten Materials an dem Substrat durch das gewählte Härtungssystem optimiert. Als solches wird in Fällen, in denen Material verwendet wird, welches dazu neigt, während des Härtens zu schrumpfen und in denen Strahlungshärten verwendet wird, das Material vorzugsweise durch Bestrahlung durch das Substrat hindurch gehärtet. Wenn das Material nur durch die Gießform hindurch gehärtet wird, kann sich das Material aufgrund der Schrumpfung beim Härten von dem Substrat weg bewegen, wodurch die Haftung an dem Substrat nachteilig beeinflusst wird. In der vorliegenden Anwendung bezieht sich "härtbar" auf Material, das wie vorstehend beschrieben gehärtet werden kann.
Nach dem Härten des Materials, um Mikrostrukturen auszugestalten, die an der Substratoberfläche anhaften und mit dem Muster des Substrats ausgerichtet sind, kann die Gießform entfernt werden. Die Bereitstellung einer dehnbaren und flexiblen Gießform kann das Entfernen der Gießform unterstützen, weil die Gießform dergestalt abgezogen werden kann, dass die Entformungskraft auf einen kleineren Oberflächenbereich konzentriert werden kann. Wenn lineare stegartige Mikrostrukturen, wie beispielsweise Sperrstege 24, geformt werden, wie 4 zeigt, kann die Gießform 30 vorzugsweise durch Abziehen in eine Richtung entfernt werden, die parallel zu den Stegen 24 und dem Muster 34 der Gießform verläuft. Dadurch wird der Druck minimiert, der beim Entfernen der Gießform senkrecht auf die Stege ausgeübt wird, wodurch die Möglichkeit reduziert wird, die Stege zu beschädigen. Vorzugsweise ist ein Entformungsmittel entweder als eine Beschichtung auf der gemusterten Oberfläche der Gießform oder in dem Material eingeschlossen, das gehärtet wird, um die Mikrostruktur selbst auszugestalten. Die Vorteile, eine Zusammensetzung zum Entformen in dem härtbaren Material einzuschließen, werden nachfolgend im Einzelnen in Bezug auf eine formbare breiige Masse ausführlicher beschrieben, welche verwendet wird, um keramische Sperrstege auf einem Substrat für eine Plasmaanzeigetafel auszugestalten. Ein Mittel zum Ent formen ist noch wichtiger, wenn Strukturen mit höherem Seitenverhältnis ausgestaltet werden. Strukturen mit höherem Seitenverhältnis gestalten das Entformen schwieriger und können zu Beschädigung der Mikrostrukturen führen. Wie vorstehend diskutiert, wird durch die Härtung des Materials von der Substratseite aus nicht nur die Haftung der gehärteten Mikrostrukturen an dem Substrat unterstützend verbessert, sondern es kann auch ermöglichen, dass die Strukturen beim Härten in Richtung des Substrats schrumpfen, wodurch sie sich von der Gießform weg bewegen, um einfacheres Entformen zu ermöglichen.
Nachdem die Gießform entfernt ist, ist das, was zurückbleibt, das gemusterte Substrat, welches eine Vielzahl von ausgehärteten Mikrostrukturen aufweist, die daran anhaften und mit dem Muster des Substrats ausgerichtet sind. In Abhängigkeit von der Anwendung kann dies bereits das fertige Produkt sein. Bei weiteren Anwendungen, wie beispielsweise Substraten, die eine Vielzahl von keramischen Mikrostrukturen aufweisen werden, enthält das ausgehärtete Material ein Bindemittel, welches vorzugsweise durch Bindemittelextraktion bei höheren Temperaturen entfernt wird. Nach dem Entfernen des Bindemittels oder Herausbrennen des Bindemittels, wird das Brennen der keramischen Mikrostrukturen im grünen Zustand durchgeführt, um die Glaspartikel zu verschmelzen oder um die Keramikpartikel in dem Material der Mikrostrukturen zu versintern. Dies erhöht die Stärke und Festigkeit der Mikrostrukturen. Außerdem findet während des Brennens eine Schrumpfung statt, da sich die Mikrostruktur verdichtet. 5 zeigt die keramischen Mikrostrukturen 14 nach dem Brennen auf einem Substrat 10, welches gemusterte Elektroden 12 aufweist. Durch das Brennen werden die Mikrostrukturen 14 verdichtet, so dass, wie angezeigt, ihr Profil verglichen mit dem Profil 24 im grünen Zustand etwas schrumpft. Wie gezeigt, behalten die gebrannten Mikrostrukturen 14 ihre Stellungen und ihren Pitch gemäß dem Substratmuster.
Bei Bildschirmanwendungen für Plasmaanzeigetafeln wird Phosphormaterial auf die gebrannten Sperrstege aufgetragen und das Substrat kann anschließend in eine Bildschirmanordnung eingebaut werden. Dies beinhaltet das Ausrichten eines vorderen Substrats, welches die Dauerelektroden aufweist, mit dem hinteren Substrat, welches die Adresselektroden, Sperrstege und Phosphor aufweist dergestalt, dass die Dauerelektroden senkrecht zu den Adresselektroden verlaufen. Die Bereiche, welche von den gegenüberliegenden Elektroden gekreuzt werden, definieren die Pixel des Bildschirms. Der Raum zwischen den Substraten wird anschließend luftleer gemacht und, sobald die Substrate miteinander verbunden und an ihren Kanten versiegelt sind, mit einem Inertgas gefüllt.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung sehr gut zur Automatisierung geeignet ist, um den Vorteil der Wirtschaftlichkeit auszunutzen, der durch kontinuierliche Fertigung geboten wird. Die gemusterten Substrate können beispielsweise durch ein Transportband oder einen weiteren Mechanismus zu einem Bereich transportiert werden, an welchem die Gießform beispielsweise durch eine rotierende Trommel in unmittelbare Nähe zu dem Substrat gebracht werden kann. Sobald die Gießform in die Nähe des Substrats gebracht wird, kann ein Presswerkzeug oder ein weiteres Mittel verwendet werden, um die härtbare, breiige Masse zwischen die gemusterte Oberfläche der Gießform und die gemusterte Oberfläche des Substrats einzubringen. Die Transportmittel für das Substrat und die Transportmittel für die Gießform sind dergestalt angeordnet, dass eine grobe Anordnung des Musters der Gießform mit dem Muster des Substrats stattfindet, wenn die beiden zusammengebracht werden und wenn das Material zwischen ihnen eingebracht wird. Nachdem das aushärtbare Material zwischen das Substrat und die Gießform eingebracht ist, kann die Ausrichtung zwischen dem Muster der Gießform und dem Muster des Substrats, bei spielsweise durch optische Detektoren, automatisch überprüft werden. Die optischen Detektoren können nach Bezugspunkten für die Ausrichtung suchen oder auf ein Moiréinterferenzmuster hin überprüfen, das einer fehlerhaften Ausrichtung des Musters der Gießform und des Musters des Substrats zuzuschreiben ist. Die Gießform kann anschließend gedehnt werden, beispielsweise durch Ergreifen eines Paares von gegenüberliegenden Kanten der Gießform und deren Ziehen bis die optischen Detektoren die Ausrichtung bestätigen. Zu diesem Zeitpunkt kann das Material zwischen der Gießform und dem Substrat durch Bestrahlung des Materials durch das Substrat hindurch, durch die Gießform hindurch oder durch beide hindurch gehärtet werden. Nach einer vorbestimmten Härtungszeit können das Substrat und die Gießform weiter vorwärts bewegt werden, während die sich drehende Trommel die Gießform von den gehärteten Mikrostrukturen abzieht, die auf dem gemusterten Substrat geformt und darauf ausgerichtet sind.
6 zeigt ein Gerät zum Formen, Ausrichten und Härten von Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat unter Verwendung einer mikrostrukturierten Gießform. Das Substrat 84 befindet sich auf einem Kreuztisch 92, welcher vorzugsweise die Möglichkeit von x-Bewegung (Bewegung von links nach rechts in der Figur), y-Bewegung (Bewegung in die Seite der Figur hinein und aus ihr heraus), und θ-Bewegung (Drehbewegung in der x-y-Ebene) aufweist. Eine derartige Bewegung ermöglicht, dass das Substrat 84 in eine Stellung zur Ausrichtung und zum Härten bewegt wird, dass es grob mit der Gießform ausgerichtet wird und dass es für die Entfernung der Gießform nach dem Härten aus dieser Stellung herausbewegt wird. Rollen 90a und 90b sind jeweils Rollen zum Aufrollen und Abrollen, um die flexible und dehnbare Gießform 80 mit dem Substrat 84 zum Fluchten zu bringen. Um das härtbare Material zwischen das Substrat 84 und die Gießform 80 einbringen, werden das Substrat 84 und die Gießform 80 in konzertierter Aktion bewegt, sowie das härtbare Material durch Einpressmittel 98 in einen Zwischenraum zwischen der Gießform 80 und dem Substrat 84 in der Nähe der Rolle 88a eingepresst wird. Das Substrat 84 und die Gießform 80 werden gemeinsam bewegt, während das Material dazwischen eingebracht wird, bis die gewünschte Materialmenge zwischen das Muster des Substrats und das Muster der Gießform eingebracht ist. 6 zeigt das Substrat 84 und die Gießform 80 mit dem zwischen ihnen angeordneten härtbaren Material 82, die zu einem Bereich bewegt werden, wo die optischen Detektoren 96a und 96b die Ausrichtung überprüfen. In Abhängigkeit von dem Muster der Mikrostrukturen, können zwei oder mehr Detektoren erforderlich sein. Die Rollen 88a und 88b können dann in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, um die Form zu dehnen, bis das Muster der Gießform und das Muster des Substrats mit der gewünschten Präzision ausgerichtet sind. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Strahlungsquelle 94 verwendet, um das härtbare Material 82 durch das Substrat 84 hindurch zu bestrahlen. Nachdem das Material 82 gehärtet ist, werden das Substrat und die Gießform gemeinsam bewegt, während die Rolle 88b arbeitet, um die Gießform von den gehärteten Mikrostrukturen abzuziehen, welche in Ausrichtung mit dem Muster des Substrats geformt worden sind.
Ein alternatives Verfahren zum Formen und Ausrichten von Mikrostrukturen auf einem gemusterten Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein statisches Dehnungsverfahren. Beispielsweise kann ein gemustertes Substrat zur Verfügung gestellt werden, welches Erhebungen oder Vertiefungen aufweist, die außerhalb des Musters des Substrats und an gegenüberliegenden Enden des Substrats angeordnet sind. Die dehnbare Gießform weist auch Erhebungen und Vertiefungen auf, die außerhalb des mikrostrukturierten Musters der Gießform angeordnet sind, welche mit denjenigen, die auf dem Substrat zur Verfügung gestellt sind, ausgerichtet werden und mit ihnen verrasten, wenn die Gießform leicht gedehnt wird. Diese zusätzlichen Verrastungsmerkmale auf dem Substrat und der Gießform halten das Muster der Gießform mit dem Muster des Substrats ausgerichtet, ohne dass eine weitere Maschine benötigt wird.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine Gießform verwendet, die in mindestens eine Richtung gedehnt werden kann, um das Muster der Gießform bis zu einem vorbestimmten Abschnitt des gemusterten Substrats auszurichten. Die Gießform besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Polymerbogen, welcher eine glatte Oberfläche und eine gegenüberliegende mikrostrukturierte Oberfläche aufweist. Die Gießform kann durch Formpressen eines thermoplastischen Materials unter Verwendung eines Bezugsformstückes hergestellt werden, welches ein mikrostrukturiertes Muster aufweist. Die Gießform kann außerdem aus einem härtbaren Material hergestellt werden, welches auf eine dünne flexible Polymerfolie gegossen und darauf gehärtet wird.
Die mikrostrukturierte Gießform der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise gemäß einem Verfahren ausgestaltet, das den in US-Patentschrift Nr. 5,175,030 (Lu et al.) und US-Patentschrift Nr. 5,183,597 (Lu) offenbarten Verfahren ähnlich ist. Das Formungsverfahren weist vorzugsweise die folgenden Verfahrensschritte auf: a) Zubereiten einer oligomeren Harzzusammensetzung; (b) Ablagern der oligomeren Harzzusammensetzung auf einer Werkzeugoberfläche eines negativen, mikrostrukturierten Bezugsformstückes in einer Menge, die gerade ausreicht, um die Höhlungen des Bezugsformstückes zu füllen; (c) Füllen der Höhlungen durch Bewegen einer Wulst der Zusammensetzung zwischen einem vorgeformten Substrat und dem Bezugsformstück, von denen mindestens eines flexibel ist; und (d) Härten der oligomeren Zusammensetzung.
Die oligomere Harzzusammensetzung aus Verfahrensschritt (a) besteht vorzugsweise aus einer lösungsmittelfreien, durch Strahlung polymerisierbaren, vernetzbaren, organischen oligomeren Einkomponentenzusammensetzung. Die oligomere Zusammensetzung besteht vorzugsweise aus einer Zusammensetzung, die härtbar ist, um daraus ein flexibles und dimensionsstabiles gehärtetes Polymer zu formen. Das Härten des oligomeren Harzes sollte mit geringer Schrumpfung stattfinden. Eine bevorzugte, geeignete oligomere Zusammensetzung besteht aus einem aliphatischen Urethanacrylat, wie beispielsweise demjenigen, das von der Henkel Corporation, Ambler, PA, USA, unter der Handelsbezeichnung Photomer 6010 vertrieben wird, obwohl ähnliche Mischungen von anderen Lieferanten verfügbar sind.
Funktionelle Acrylatmonomere und -oligomere werden bevorzugt, weil sie unter normalen Härtungsbedingungen schneller polymerisieren. Des Weiteren steht im Handel eine große Vielfalt von Acrylatestern zur Verfügung. Es können allerdings auch funktionelle Inhaltsstoffe wie Methacrylat, Acrylamid und Methacrylamid ohne Einschränkung verwendet werden. Wo hier Acrylat verwendet wird, ist zu verstehen, dass auch Methacrylat akzeptierbar ist.
Polymerisierung kann mit normalen Mitteln, wie beispielsweise Erwärmen in Gegenwart von Initiatoren aus freien Radikalen, Bestrahlung mit ultraviolettem oder sichtbarem Licht in Gegenwart von geeigneten Photoinitiatoren und durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl erreicht werden. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit, geringer Kapitalinvestition und Herstellungsgeschwindigkeit besteht das bevorzugte Verfahren zur Polymerisierung aus Bestrahlung mit ultraviolettem oder sichtbarem Licht in Gegenwart eines Photoinitiators bei einer Konzentration von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 1,0 Gew.-% der oligomeren Zusammensetzung. Höhere Konzentrationen können verwendet werden, sind allerdings normalerweise nicht erforderlich, um die gewünschten Eigenschaften des gehärteten Harzes zu erhalten.
Die Viskosität der oligomeren Zusammensetzung, die in Verfahrenschritt (b) abgelagert wird, beträgt vorzugsweise zwischen 500 und 5000 Zentipoise (500 und 5000 × 10³ Pascal-Sekunden). Wenn die oligomere Zusammensetzung eine Viskosität oberhalb dieses Bereichs aufweist, kann es passieren, dass Luftblasen in der Zusammensetzung eingeschlossen werden können. Darüber hinaus kann es passieren, dass die Zusammensetzung die Höhlungen in dem Kopiermodell nicht vollständig füllt. Aus diesem Grund kann das Harz erhitzt werden, um die Viskosität auf den gewünschten Bereich abzusenken. Wird eine oligomere Zusammensetzung mit einer Viskosität unterhalb dieses Bereiches verwendet, erfährt die oligomere Zusammensetzung normalerweise beim Härten eine Schrumpfung, welche verhindert, dass die oligomere Zusammensetzung das Bezugsformstück genauestens repliziert.
Fast jedes Material kann für die Basis (das Substrat) der gemusterten Gießform verwendet werden, solange dieses Material im Wesentlichen für die härtende Strahlung optisch durchsichtig ist und genügend Steifigkeit aufweist, um die Handhabung beim Gießen der Mikrostrukturen zu ermöglichen. Darüber hinaus sollte das Material, das für die Basis verwendet wird, so ausgewählt werden, dass es beim Verarbeiten und Verwenden der Gießform ausreichende thermische Stabilität aufweist. Polyethylenterephthalat oder Polycarbonatfolien werden zur Verwendung als Substrat in Verfahrenschritt (c) vorgezogen, weil die Materialien wirtschaftlich, für härtende Strahlung optisch transparent sind und eine gute Zugfestigkeit aufweisen. Substratdicken von 0,025 Millimetern bis 0,5 Millimetern werden bevorzugt und Dicken von 0,075 Millimetern bis 0,175 Millimetern werden besonders bevorzugt. Weitere nützliche Substrate für die mikrostrukturierte Gießform schließen Zelluloseazetatbutyrat, Zelluloseazetatpropionat, Polyethersulfon, Polymethyl-Methacrylat, Polyurethan, Polyester und Poly vinylchlorid ein. Die Oberfläche des Substrats kann außerdem behandelt werden, um die Haftung an der oligomeren Zusammensetzung zu fördern.
Zu den Beispielen von derartigen Materialien, die auf Polyethylenterephthalat basieren, gehören: Polyethylenterephthalat mit Photoqualität; und Polyethylenterephthalat (PET), das eine Oberfläche aufweist, die gemäß dem Verfahren ausgestaltet ist, das in US-Patentschrift Nr. 4,340,276 beschrieben ist.
Ein bevorzugtes Bezugsformstück zur Verwendung mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren besteht aus einem Metallwerkzeug. Wenn die Temperatur beim Verfahrensschritt des Härtens und der optionalen gleichzeitigen Wärmebehandlung nicht zu hoch ist, kann das Bezugsformstück außerdem aus einem thermoplastischen Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem Laminat aus Polyethylen und Polypropylen.
Nachdem die Höhlungen zwischen dem Substrat und dem Bezugsformstück mit oligomerem Harz befällt sind, wird das oligomere Harz gehärtet, aus dem Bezugsformstück entfernt und es kann mit Wärme behandelt werden oder nicht, um jegliche Restspannungen abzubauen. Wenn das Härten des Harzmateriales der Gießform zu einer Schrumpfung von mehr als ungefähr 5% führt (z.B. wenn ein Harz verwendet wird, das einen wesentlichen Anteil von Monomer oder Oligomeren mit geringem molekularem Gewicht aufweist), ist beobachtet worden, dass die daraus hervorgehenden Mikrostrukturen verzogen sein können. Das auftretende Verziehen wird typischerweise durch eine Mikrostruktur mit konkaven Seitenwänden und/oder durch geneigte Oberseiten an Merkmalen der Mikrostrukturen bewiesen. Obwohl diese Harze von geringer Viskosität sehr gute Leistung bei Replikation von Mikrostrukturen mit kleinem, niedrigem Seitenverhältnis erbringen, werden sie für Mikrostrukturen mit relativ großem Seitenverhältnis nicht bevorzugt, bei welchen die Winkel der Seitenwand und die Ebenheit der Oberseite eingehalten werden müssen. Beim Formen von keramischen Sperrstegen für Anwendungen von Plasmaanzeigetafeln werden Stege mit relativ hohem Seitenverhältnis gewünscht und die Beibehaltung von relativ geraden Seitenwänden und Oberseiten an den Sperrstegen kann wichtig sein.
Wie schon vorstehend angegeben, kann die Gießform alternativ repliziert werden, indem ein geeigneter thermoplastischer Kunststoff gegen das Metallwerkzeug formgepresst wird.
Wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um keramische Mikrostrukturen auf gemusterten Bildschirmsubstraten zu formen und auszurichten, besteht das Gießmaterial vorzugsweise aus einer breiigen Masse, die eine Gemisch aus mindestens drei Bestandteilen enthält. Der erste Bestandteil besteht aus einem Keramikpulver. Das Keramikmaterial der breiigen Masse wird ultimativ durch Brennen geschmolzen oder versintert, um Mikrostrukturen mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften zu formen, die an dem gemusterten Substrat anhaften. Der zweite Bestandteil besteht aus einem flüchtigen Bindemittel, welches geformt und anschließend durch Härten oder Kühlen ausgehärtet werden kann. Das Bindemittel ermöglicht, dass die breiige Masse zu halbfesten Mikrostrukturen im grünen Zustand geformt werden kann, welche an dem Substrat dergestalt anhaften, dass die dehnbare Gießform, die verwendet wird, um die Mikrostrukturen zu formen und auszurichten, zur Vorbereitung auf die Bindemittelentfernung und das Brennen entfernt werden kann. Der dritte Bestandteil besteht aus einem Verdünnungsmittel, welches die Freigabe aus der Gießform nach der Ausrichtung. und dem Aushärten des Bindemittels unterstützen kann, und welches ein schnelles und vollständiges Herausbrennen des Bindemittels während der Bindemittelentfernung vor dem Brennen des keramischen Materials der Mikrostrukturen unterstützen kann. Nachdem das Bindemittel ausgehärtet ist, bleibt das Verdünnungsmittel vorzugsweise flüssig, so dass sich das Verdünnungsmittel beim Aushärten des Bindemittels durch Phasentrennung von dem Bindemittel löst.
Das Keramikpulver wird auf der Grundlage der Endanwendung der Mikrostrukturen und der Eigenschaften des Substrats ausgewählt, an welchem die Mikrostrukturen anhaften sollen. Eine Überlegung ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE, coefficient of thermal expansion) des Substratmaterials. Vorzugsweise unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramikmaterials der breiigen Masse von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials um nicht mehr als ungefähr 10%. Wenn das Substratmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der wesentlich kleiner ist oder wesentlich größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramikmaterials der Mikrostrukturen ist, können sich die Mikrostrukturen verziehen, Risse bekommen, brechen, sich in der Lage verschieben, oder beim Verarbeiten oder beim Verwenden vollständig von dem Substrat abbrechen. Des Weiteren kann sich das Substrat aufgrund eines großen Unterschiedes im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und den keramischen Mikrostrukturen verziehen.
Das Substrat sollte den Temperaturen standhalten können, die zum Verarbeiten des Keramikmaterials der breiigen Masse erforderlich sind. Glas- oder Keramikmaterialien, die zur Verwendung in der breiigen Masse geeignet sind, weisen vorzugsweise Erweichungstemperaturen von unter ungefähr 600°C und normalerweise zwischen ungefähr 400°C und 600°C auf. Infolgedessen wird für das Substrat Glas, Keramik, Metall oder ein weiteres festes Material bevorzugt gewählt, welches eine Erweichungstemperatur aufweist, die höher als diejenige des Keramikmaterials der breiigen Masse ist. Vorzugsweise weist das Substrat eine Erweichungstemperatur auf, die höher als die Temperatur ist, bei wel cher die Mikrostrukturen gebrannt werden sollen. Darüber hinaus weisen Glas- oder Keramikmaterialien, die zur Verwendung in der breiigen Masse der vorliegenden Erfindung geeignet sind, Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5 × 10^–6/°C bis 13 × 10^–6/°C auf. Infolgedessen weist das Substrat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der auch ungefähr in diesem Bereich liegt.
Die Wahl eines Keramikpulvers, welches eine niedrige Erweichungstemperatur aufweist, ermöglicht die Verwendung eines Substrats, das auch eine relativ niedrige Erweichungstemperatur aufweist. Bei Glassubstraten ist Natronkalk-Floatglas, das niedrige Erweichungstemperaturen aufweist, typischerweise kostengünstiger, als Glas, das höhere Erweichungstemperaturen aufweist. Infolgedessen kann die Verwendung eines Keramikpulvers mit niedriger Erweichungstemperatur die Verwendung eines kostengünstigeren Glassubstrats ermöglichen. Darüber hinaus können Keramikmaterialien in der breiigen Masse der vorliegenden Erfindung mit niedriger Erweichungstemperatur die Erzielung von Mikrostrukturen hoher Präzision einfacher gestalten. Wenn beispielsweise Sperrstege auf einem Glassubstrat für eine Plasmaanzeigetafel hergestellt werden, sollte die Präzision und Genauigkeit in der Ausrichtung und Platzierung der Sperrstege in Bezug auf die Elektroden auf dem Substrat im Verlauf der gesamten Verarbeitung eingehalten werden. Die Möglichkeit, Sperrstege im grünen Zustand bei niedrigeren Temperaturen zu brennen, minimiert die Wärmeausdehnung und die Menge an Spannungsfreisetzung, die während der Erwärmung erforderlich ist, infolgedessen werden unnötige Substratverzerrung, Sperrstegverziehen und Sperrstegablösung vermieden.
Keramikmaterialien mit niedriger Erweichungstemperatur können erzielt werden, indem bestimmte Mengen von Alkalimetallen, Blei oder Bismut in das Material eingearbeitet werden. Bei Sperrstegen für Plasmaanzeigetafeln kann allerdings die Gegenwart von Alkalimetallen in den mikrostrukturierten Sperren verursachen, dass während der Verarbeitung bei erhöhter Temperatur Material aus den Elektroden über das Substrat wandert. Die Diffusion von Elektrodenmaterial kann Interferenz oder „Kreuzkopplung" als auch Kurzschlüsse zwischen benachbarten Elektroden verursachen, wodurch die Leistungsfähigkeit herabgesetzt wird. Infolgedessen ist bei Anwendungen für Plasmaanzeigetafeln das Keramikpulver der breiigen Masse vorzugsweise im Wesentlichen frei von Alkalimetall. Darüber hinaus kann durch Einarbeiten von Blei oder Bismut in das Keramikmaterial der breiigen Masse die umweltfreundliche Entsorgung des Materials zum Problem werden. Wenn die Einarbeitung von Blei oder Bismut nicht wünschenswert ist, kann Keramikpulver mit niedriger Erweichungstemperatur unter Verwendung von phosphathaltigen oder B₂O₃-haltigen Zusammensetzungen erhalten werden. Eine derartige Zusammensetzung enthält beispielsweise ZnO und B₂O₃, Eine weitere derartige Zusammensetzung enthält BaO und B₂O₃. Noch eine weitere derartige Zusammensetzung enthält ZnO, BaO und B₂O₃. Noch eine weitere derartige Zusammensetzung enthält La₂O₃ und B₂O₃. Noch eine weitere derartige Zusammensetzung enthält Al₂O₃, ZnO, and P₂O₅.
Weitere vollständig lösliche, nicht lösliche oder teilweise lösliche Bestandteile können in das Keramikmaterial der breiigen Masse integriert werden, um verschiedene Eigenschaften zu erhalten oder um sie zu verändern. So können beispielsweise Al₂O₃ oder La₂O₃ hinzugefügt werden, um die chemische Beständigkeit der Zusammensetzung zu erhöhen und die Korrosion zu senken. MgO kann hinzugefügt werden, um die Glasübergangstemperatur zu erhöhen oder um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Zusammensetzung zu erhöhen. TiO₂ kann hinzugefügt werden, um dem Keramikmaterial eine höhere Stufe optischer Undurchsichtigkeit, Weißheit und Reflektionsvermögen zu verleihen. Weitere Bestandteile oder Metalloxide können hinzugefügt werden, um weitere Eigenschaf ten des Keramikmaterials, wie beispielsweise den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Erweichungstemperatur, optische Eigenschaften, physikalische Eigenschaften, wie Brüchigkeit, usw. zu verändern oder abzustimmen.
Weitere Mittel zum Herstellen einer Zusammensetzung, welche bei relativ niedrigen Temperaturen gebrannt werden kann, schließen das Beschichten von Kernpartikeln in der Zusammensetzung mit einer bei niedriger Temperatur schmelzenden Materialschicht ein. Beispiele von geeigneten Kernpartikeln schließen ZrO₂, Al₂O₃, ZrO₂-SiO₂, und TiO₂ ein. Beispiele von geeigneten Beschichtungsmaterialien, die bei niedriger Temperatur schmelzen, schließen B₂O₃, P₂O₅ und Glas ein, das auf einem oder mehreren Bestandteilen der Gruppe von B₂O₃, P₂O₅, und SiO₂ basiert. Diese Beschichtungen können durch unterschiedliche Verfahren aufgetragen werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht aus einem Sol-Gel-Verfahren, in welchem die Kernpartikel in einer nassen chemischen Vorläufersubstanz des Beschichtungsmaterials feinst verteilt werden. Das Gemisch wird anschließend getrocknet und zerkleinert (falls erforderlich), um die beschichteten Partikel zu trennen. Diese Partikel können in dem Glas oder dem Keramikpulver der breiigen Masse feinst verteilt werden oder sie können als solche für das Glaspulver der breiigen Masse verwendet werden.
Das Keramikpulver in der breiigen Masse, welches in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wird vorzugsweise in Gestalt von Partikeln zur Verfügung gestellt, welche durch und durch in der breiigen Masse feinst verteilt sind. Die bevorzugte Größe der Partikel hängt von der Größe der Mikrostrukturen ab, die auf dem gemusterten Substrat geformt und ausgerichtet werden sollen. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Größe oder der Durchmesser der Partikel in dem Keramikpulver der breiigen Masse nicht größer als ungefähr 10% bis 15% der Größe der kleinsten charakteristischen Abmessung mit Einfluss auf die Mikrostruk turen, die geformt und ausgerichtet werden sollen. Beispielsweise können die Sperrstege von Plasmaanzeigetafeln Breiten von ungefähr 20 μm aufweisen, und ihre Breiten sind das kleinste Abmessungsmerkmal von Einfluss. Bei Sperrstegen dieser Größe für Plasmaanzeigetafeln ist die durchschnittliche Partikelgröße im dem Keramikpulver vorzugsweise nicht größer als ungefähr 2 oder 3 μm. Bei Verwendung von Partikel dieser Größe oder kleiner ist es eher wahrscheinlich, dass die Mikrostrukturen mit der gewünschten Genauigkeit repliziert werden können und dass die Oberflächen der keramischen Mikrostrukturen relativ glatt sein werden. Wenn sich die durchschnittliche Partikelgröße der Größe der Mikrostrukturen annähert, kann es passieren, dass die breiige Masse, welche die Partikel enthält, nicht länger dem mikrostrukturierten Profil entspricht. Darüber hinaus kann die maximale Oberflächenrauheit unterschiedlich sein, teilweise auf der Grundlage der Größe der Keramikpartikel. Infolgedessen ist es einfacher, glattere Strukturen unter Verwendung kleinerer Partikel auszubilden.
Das flüchtige Bindemittel der breiigen Masse besteht aus einem organischen Bindemittel, das auf der Grundlage von Faktoren ausgewählt wird, wie beispielsweise seine Fähigkeit, das Keramikpulver der breiigen Masse zu binden, die Fähigkeit, gehärtet zu werden oder teilweise auf andere Weise ausgehärtet zu werden, um eine geformte Mikrostruktur beizubehalten, die Fähigkeit an dem gemusterten Substrat anzuhaften, und die Fähigkeit, sich bei Temperaturen zu verflüchtigen (oder herausgebrannt zu werden), die mindestens etwas niedriger als diejenigen sind, die zum Brennen der Mikrostrukturen im grünen Zustand verwendet werden. Das Bindemittel hilft dabei, die Partikel des Keramikpulvers untereinander zu binden, wenn das Bindemittel gehärtet oder ausgehärtet wird, so dass die dehnbare Gießform entfernt werden kann, um feste Mikrostrukturen im grünen Zustand zurückzulassen, die an dem gemusterten Substrat anhaften und mit ihm ausgerichtet sind. Das Bindemittel wird als „flüchtiges Bindemittel" bezeichnet, weil der Bindemittelstoff vor dem Verschmelzen oder Versintern der Keramikpartikel in den Mikrostrukturen bei erhöhten Temperaturen aus den Mikrostrukturen herausgebrannt werden kann. Vorzugsweise wird das flüchtige Bindemittel beim Brennen vollständig herausgebrannt, so dass die Mikrostrukturen, die auf der gemusterten Oberfläche des Substrats zurückbleiben, schmelzgeformte Glas- oder keramische Mikrostrukturen sind, welche im Wesentlichen frei von Kohlenstoffrückständen sind. Bei Anwendungen, bei denen die Mikrostrukturen als dielektrische Sperren verwendet werden, wie beispielsweise bei Plasmaanzeigetafeln, ist das Bindemittel vorzugsweise ein Material, das bei einer Temperatur entfernt werden kann, die mindestens etwas niedriger als die Temperatur ist, die zum Brennen erwünscht ist, ohne eine bedeutende Menge von Kohlenstoff zurückzulassen, was die dielektrischen Eigenschaften der mikrostrukturierten Sperren herabsetzen kann. Beispielsweise können Bindemittelstoffe, die einen bedeutenden Anteil von aromatischen Kohlenwasserstoffen enthalten, wie beispielsweise Phenolharzstoffe, Graphitkohlenstoffpartikel beim Entfernen des Bindemittels zurücklassen, welche zur vollständigen Entfernung bedeutend höhere Temperaturen verlangen.
Das Bindemittel besteht vorzugsweise aus organischem Material, welches durch Strahlung oder Wärme härtbar ist. Bevorzugte Klassen von Materialien schließen Acrylate und Epoxidverbindungen ein. Alternativ kann das Bindemittel aus einem thermoplastischen Material bestehen, welches bis zu einem flüssigen Zustand erwärmt wird, um sich der Gießform anzupassen, und anschließend bis zu einem gehärteten Zustand abgekühlt wird, um Mikrostrukturen auszubilden, die an dem Substrat anhaften. Wenn präzise Platzierung und Ausrichtung der Mikrostrukturen auf dem Substrat gewünscht werden, wird vorgezogen, dass das Bindemittel durch Strahlung härtbar ist, so dass das Bindemittel unter isothermischen Be dingungen ausgehärtet werden kann. Unter isothermischen Bedingungen (keine Temperaturveränderung) kann die dehnbare Gießform, und infolgedessen die breiige Masse in der Gießform beim Aushärten des Bindemittels, in einer festen Stellung in Bezug auf das Muster des Substrats gehalten werden. Dadurch wird das Risiko von Verschiebung oder Ausdehnung der Gießform oder des Substrats reduziert, insbesondere aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften der Gießform und des Substrats, so dass präzise Platzierung und Ausrichtung der Gießform beibehalten werden kann, wenn die breiige Masse ausgehärtet wird.
Wenn ein flüchtiges Bindemittel verwendet wird, welches mit Strahlung härtbar ist, wird vorgezogen, einen Bindungsinitiator zu verwenden, welcher durch Strahlung, für welche das Substrat im Wesentlichen transparent ist, aktiviert wird, so dass die breiige Masse gehärtet wird, indem sie dieser durch das Substrat hindurch ausgesetzt wird. Wenn das Substrat beispielsweise aus Glas besteht, ist das flüchtige Bindemittel vorzugsweise mit sichtbarem Licht härtbar. Beim Härten des Bindemittels durch das Substrat hindurch haftet die breiige Masse zuerst an dem Substrat an, und jegliches Schrumpfen des Bindemittels während des Härtens wird dazu neigen, von der Gießform weg und in Richtung der Oberfläche des Substrats stattzufinden. Dies hilft dabei, die Mikrostrukturen aus der Form zu entfernen und hilft, die Stellung und Genauigkeit der Mikrostrukturplatzierung auf dem Muster des Substrats einzuhalten.
Darüber hinaus kann die Wahl eines Härtungsinitiators davon abhängen, welche Stoffe für das Keramikpulver in der breiigen Masse verwendet werden, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, keramische Mikrostrukturen auszubilden, welche undurchsichtig und hochgradig lichtstreuend reflektierend sein sollen, kann es beispielsweise vorteilhaft sein, dass eine gewisse Menge an Titan (TiO₂) in dem Keramikpulver der breiigen Masse enthalten ist. Während Titan zur Erhöhung des Reflexionsvermögens der Mikrostrukturen nützlich sein kann, kann es außerdem das Härten mit sichtbarem Licht schwierig gestalten, weil die Reflexion von sichtbarem Licht durch das Titan in der breiigen Masse ausreichende Absorption des Lichtes von dem Härtungsinitiator zur wirkungsvollen Härtung des Bindemittels verhindern kann. Durch Auswahl eines Härtungsinitiators, welcher durch Strahlung aktiviert wird, welche sich gleichzeitig durch das Substrat und die Titanpartikel hindurch ausbreiten kann, kann jedoch ein wirkungsvolles Härten des Bindemittels stattfinden. Als Beispiel eines solchen Härtungsinitiators kann bis (2,4,6-Trimethylbenzoyl)-Phenylphosphinoxid genannt werden, ein Photoinitiator, der kommerziell von CIBA Specialty Chemicals, Hawthrone, NY, USA, unter der Handelsbezeichnung Irgacure 819 erhältlich ist. Ein weiteres Beispiel ist ein ternäres Photoinitiatorsystem, das wie diejenigen, die in US-Patentschrift Nr. 5,545,670 beschrieben werden, hergestellt wird, wie beispielsweise ein Gemisch aus Ethylen Dimethylaminobenzoat, Kampferchinon und Diphenyl Iodonium Hexafluorophosphat. Diese beiden Beispiele sind in dem blauen Bereich des sichtbaren Spektrums in der Nähe des Randes von Ultraviolett in einem relativ schmalen Bereich aktiv, wo die Strahlung sowohl durch ein Glassubstrat als auch durch die Titanpartikel in der breiigen Masse hindurch dringen kann. Weitere Härtungssysteme können auf der Grundlage des Bindemittels, den Stoffen des Keramikpulvers in der breiigen Masse und des Materials der Gießform oder des Substrats, durch welches hindurch das Härten stattfinden soll, zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden.
Das Verdünnungsmittel der breiigen Masse, das in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, besteht aus einem Material, das auf der Grundlage von Faktoren ausgewählt wird, wie beispielsweise seine Fä higkeit, anschließend an das Härten des flüchtigen Bindemittels, die Eigenschaften der breiigen Masse zu verbessern, sich von der Gießform abzulösen, und die Eigenschaften der Strukturen im grünen Zustand zu verbessern, die unter Verwendung der breiigen Masse hergestellt werden, das Bindemittel daraus zu entfernen. Vorzugsweise besteht das Verdünnungsmittel aus einem Mittel, das vor dem Härten in dem Bindemittel löslich ist, und welches nach dem Härten des flüchtigen Bindemittels flüssig bleibt. Dies bietet zwei Vorteile. Erstens dadurch, dass das Verdünnungsmittel flüssig bleibt, wenn das Bindemittel ausgehärtet ist, wird das Risiko reduziert, dass gehärtetes Bindemittel an der Gießform anhaftet. Zweitens dadurch, dass das Verdünnungsmittel flüssig bleibt, wenn das Bindemittel ausgehärtet ist, trennt sich die Verdünnungsmittelphase von dem Bindemittel, wodurch ein Durchdringungsnetzwerk von kleinen Einschlüssen oder Tropfen von Verdünnungsmittel ausgestaltet wird, das durch die gehärtete Bindemittelmatrix hindurch feinst verteilt ist. Die Vorteile der Phasentrennung des Verdünnungsmittels werden in der nachfolgenden Erläuterung deutlich.
Bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei Sperrstegen für Plasmaanzeigetafeln, ist es für die Entfernung des Bindemittels aus den Mikrostrukturen im grünen Zustand wünschenswert, dass diese im wesentlichen vor dem Brennen vollkommen fertig gestellt sind. Darüber hinaus stellt die Bindemittelentfernung häufig den längsten Verfahrenschritt und mit der höchsten Temperatur bei der thermischen Verarbeitung dar. Infolgedessen ist es für die breiige Masse wünschenswert, dass das Bindemittel relativ schnell und vollständig und bei einer relativ niedrigen Temperatur entfernt werden kann. Warum niedrige Temperaturen bevorzugt werden, wird nachstehend im Einzelnen diskutiert.
Ohne dass es gewünscht wird, sich auf irgendeine Theorie festzulegen, kann die Entfernung von Bindemitteln so betrachtet werden, dass sie kinetisch und thermodynamisch durch zwei von der Temperatur abhängige Verfahren eingeschränkt ist, nämlich die Diffusion und die Verflüchtigung. Verflüchtigung ist der Vorgang, bei welchem zerfallene Bindemittelmoleküle von einer Oberfläche der Strukturen im grünen Zustand verdunsten und infolgedessen ein poröses Netzwerk zurücklassen, damit der Harzaustritt möglichst ungehindert vonstatten geht. Bei einem Einphasenharzbindemittel können intern eingeschlossene, gasförmige Abbauprodukte die Struktur mit Blasen durchziehen und/oder zerbrechen. Dies kommt häufiger bei Bindemittelsystemen vor, welche ein hohes Maß an kohlenstoffhaltigen Abbauprodukten an der Oberfläche zurücklassen, welche eine undurchlässige Hautschicht ausbilden können, die den Austritt von Bindemittelabbaugasen stoppt. In den Fällen, in welchen Einphasenbindemittel erfolgreich sind, ist die Querschnittsfläche relativ klein und die Aufheizungsgeschwindigkeit des Bindemittels ist davon abhängig entsprechend lang, um zu verhindern, dass sich die Hautschicht bildet.
Die Geschwindigkeit, mit der die Verflüchtigung stattfindet, hängt von der Temperatur, einer Aktivierungsenergie für die Verflüchtigung und einer Frequenz oder Abtastrate ab. Weil die Verflüchtigung primär an oder in der Nähe von Oberflächen stattfindet, ist die Abtastrate proportional zu dem gesamten Oberflächenbereich der Strukturen. Diffusion ist der Vorgang, bei welchem Bindemittelmoleküle von der Masse der Strukturen an die Oberflächen wandern. Aufgrund von Verflüchtigung der Bindemittel von den Oberflächen entsteht ein Anstieg der Konzentration, welcher dazu neigt, Bindemittel zu den Oberflächen zu lenken, wo eine niedrigere Konzentration vorliegt. Die Diffusionsgeschwindigkeit, hängt von der Temperatur, einer Aktivierungsenergie für die Diffusion und einer Frequenz ab.
Da die Verflüchtigung durch den Oberflächenbereich eingeschränkt ist, kann, wenn der Oberflächenbereich im Verhältnis zu der Masse der Mikrostrukturen relativ klein ist, ein zu schnelles Erhitzen dazu führen, dass flüchtige Spezies eingeschlossen werden. Wenn der interne Druck groß genug wird, können die Strukturen aufgebläht werden, brechen oder zerbrechen. Um diese Wirkung zu beschränken, kann die Entfernung des Bindemittels durch einen relativ schrittweisen Temperaturanstieg, solange bis die Entfernung des Bindemittels vollständig abgeschlossen ist, durchgeführt werden. Ein Fehlen von offenen Kanälen zum Entfernen des Bindemittels oder ein zu schnelles Entfernen des Bindemittels kann außerdem zu einer höheren Neigung führen, dass Restkohlenstoff gebildet wird. Dies erfordert wiederum höhere Temperaturen für die Entfernung des Bindemittels, um eine vollständige Entfernung des Bindemittels sicherzustellen. Wenn die Entfernung des Bindemittels vollständig abgeschlossen ist, kann die Temperatur schneller auf die Brenntemperatur erhöht werden, und auf dieser Temperatur gehalten werden, bis das Brennen vollständig abgeschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt können die Gegenstände dann gekühlt werden.
Das Verdünnungsmittel verbessert die Entfernung des Bindemittels, indem kürzere Wege für Diffusion und ein größerer Oberflächenbereich zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise bleibt das Verdünnungsmittel flüssig und trennt sich in der Phase von dem flüchtigen Bindemittel, wenn das Bindemittel gehärtet oder anders ausgehärtet ist. Dies bildet ein Durchdringungsnetzwerk von Einschlüssen von Verdünnungsmittel, das in einer Matrix von ausgehärtetem Bindemittel feinst verteilt ist. Je schneller das Härten oder Aushärten des Bindemittels stattfindet, desto kleiner werden die Einschlüsse von Verdünnungsmittel sein. Vorzugsweise wird nach dem Aushärten des Bindemittels eine relativ große Menge von relativ kleinen Einschlüssen von Verdünnungsmittel in einem Netzwerk durch die Strukturen im grünen Zustand hindurch feinst verteilt sein. Während der Entfernung des Bindemittels kann das Verdünnungsmittel, das ein niedriges Molekulargewicht aufweist, bei relativ niedrigen Temperaturen verdunsten, bevor die anderen organischen Bestandteile zerfallen, die ein höheres Molekulargewicht aufweisen. Die Verdunstung des Verdünnungsmittels lässt eine leicht poröse Struktur zurück, wodurch der Oberflächenbereich deutlich größer wird, von dem aus sich das verbleibende Bindemittel verflüchtigten kann, und die mittlere Wegstrecke deutlich verringert wird, über welche das Bindemittel diffundieren muss, um diese Oberflächen zu erreichen. Deswegen wird durch Hinzufügung des Verdünnungsmittels die Verflüchtigungsgeschwindigkeit während des Bindemittelabbaus erhöht, indem der verfügbare Oberflächenbereich vergrößert wird, wodurch die Verflüchtigungsgeschwindigkeit bei denselben Temperaturen erhöht wird. Dadurch wird es unwahrscheinlicher, dass Druckaufbau aufgrund von eingeschränkten Diffusionsgeschwindigkeiten stattfinden wird. Des Weiteren ermöglicht die relativ poröse Struktur, dass aufgebauter Druck einfacher und bei niedrigeren Schwellenwerten abgelassen werden kann. Im Ergebnis kann die Entfernung des Bindemittels bei einer schnelleren Temperaturanstiegsgeschwindigkeit durchgeführt werden kann, wobei das Risiko, dass die Mikrostrukturen brechen, herabgesetzt wird. Darüber hinaus wird die Entfernung des Bindemittels aufgrund des vergrößerten Oberflächenbereiches und der reduzierten Diffusionslänge bei einer niedrigeren Temperatur vollständig abgeschlossen.
Das Verdünnungsmittel ist nicht nur eine Lösungsmittelzusammensetzung für das Harz. Das Verdünnungsmittel ist vorzugsweise löslich genug, um in das Harzgemisch in dem ungehärteten Zustand eingearbeitet zu werden. Nach dem Härten des Bindemittels der breiigen Masse sollte eine Phasentrennung des Verdünnungsmittels von den Monomeren und/oder Oligomeren stattfinden, die an dem Quervernetzungsvorgang beteiligt sind. Vorzugsweise findet eine Phasentrennung des Verdünnungsmittels statt, um einzelne Einschlüsse von flüssigem Material in einer kontinuierlichen Matrix von gehärtetem Harz auszubilden, wobei das gehärtete Harz die Partikel der Glasfritte oder des Keramikpulvers in der breiigen Masse bindet. Auf diese Weise wird die physikalische Unversehrtheit der Mikrostrukturen im grünen Zustand nicht besonders beeinträchtigt, selbst dann nicht, wenn deutlich größere Mengen von Verdünnungsmittel verwendet werden, (d.h. größer als ein Verhältnis von ungefähr 1:3 von Verdünnungsmittel zu Harz).
Vorzugsweise weist das Verdünnungsmittel eine niedrigere Bindungsaffinität mit dem Material des Keramikpulvers der breiigen Masse auf, als die Bindungsaffinität des Bindemittels mit dem Keramikpulver. Wenn das Bindemittel ausgehärtet ist, sollte es mit den Partikeln des Keramikpulvers verbunden sein. Dies erhöht die strukturelle Integrität der Strukturen im grünen Zustand, insbesondere nach der Verdunstung des Verdünnungsmittels. Weitere gewünschte Eigenschaften des Verdünnungsmittels werden von der Wahl des Keramikpulvers, der Wahl des Bindemittels, der Wahl des Härtungsinitiators (falls vorhanden), der Wahl des Substrats und weiteren Zusatzstoffen (falls vorhanden) abhängen. Bevorzugte Klassen von Verdünnungsmittel schließen Glykole und Polyhydroxyle ein, Beispiele dafür sind Butandiole, Ethylenglykole und weitere Polyole.
Zusätzlich zu Keramikpulver, flüchtigem Bindemittel und Verdünnungsmittel kann die breiige Masse optional weitere Stoffe enthalten. Die breiige Masse kann beispielsweise einen Haftungsbeschleuniger enthalten, um die Haftung an dem Substrat zu unterstützen. Bei Glassubstraten oder bei weiteren Substraten, welche Siliziumoxid- oder Metalloxidoberflächen aufweisen, wird ein Silan-Haftvermittler bevorzugt als Haftungsbeschleuniger gewählt. Ein bevorzugter Silan-Haftvermittler besteht aus einem Silan-Haftvermittler, welcher drei Alkoxy-Gruppen aufweist. Ein solches Silan kann optional zur Unterstützung einer besseren Haftung an Glassubstraten vorher hydrolisiert werden. Ein besonders bevorzugter Silan-Haftvermittler ist ein Silanolprimer wie derjenige, der durch Manufacturing Co. (3M), St. Paul, MN, USA unter der Handelsbezeichnung Scotchbond Ceramic Primer verkauft wird. Weitere optionale Zusatzstoffe können Materialien wie beispielsweise Dispersionsmittel einschließen, welche das Mischen des Keramikpulvers mit weiteren Bestandteilen der breiigen Masse der vorliegenden Erfindung unterstützen. Optionale Zusatzstoffe können außerdem Oberflächenvernetzungsmittel, Katalysatoren, Alterungsschutzmittel, Freisetzungsvermittler, usw. einschließen.
Substrate von Plasmaanzeigetafeln bestehen typischerweise aus Natronkalkglasmaterial, das im Floatglasherstellungsverfahren gefertigt wird. Obwohl herkömmliches Natronkalkglas allgemein kostengünstig erhältlich ist, ist die Erweichungstemperatur eines solchen Glasmaterials häufig für herkömmliche Verarbeitungstemperaturen von Plasmaanzeigetafeln zu niedrig. Glassubstrate für Anwendungen von Plasmaanzeigetafeln werden typischerweise in der Zusammensetzung verändert, um die Erweichungstemperatur zu erhöhen. Häufig hat dies zur Konsequenz, dass der Anteil von Alkalimaterial reduziert und der Anteil von Aluminiumoxid in dem Glas erhöht wird. Die Kosten des auf diese Art modifizierten Natronkalkglases sind deutlich höher als die von unverändertem Natronkalk-Floatglasmaterial.
Die höchsten Verarbeitungstemperaturen bei der Herstellung von Plasmaanzeigetafeln finden während der Herstellung von Sperrstegen statt. Bei aktuellen Herstellungsverfahren werden Verarbeitungstemperaturen verlangt, die höher als 560°C liegen, um sicherzustellen, dass die Sperrstegmaterialien dicht und frei von Kohlenstoffrückständen sind. Obwohl Glasmaterialien zur Verfügung stehen, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen, kann die Verwendung von solchen Materialien nicht geboten sein, weil die Temperaturen, bei denen das Bindemittel verschmilzt extrem sind. Ein bedeutender Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung von relativ niedrigen Temperaturen bei der Verarbeitung von keramischen Mikrostrukturen, wodurch die Verwendung von kostengünstigem modifiziertem Natronkalkglas ermöglicht wird.
Elektroden können an einem hinteren Substrat einer Plasmaanzeigetafel durch eine Vielzahl von Verfahren einschließlich Dünnfilm- und Dickfilmverfahren angebracht sein. Dünnfilmverfahren beinhalten physikalische Dampfablagerung auf Metallmaterialien, typischerweise Cr/Cu/Cr oder Aluminium, gefolgt von Lithographie und Ätzen, um das gewünschte Muster zu definieren. Dünnfilmelektroden sind normalerweise weniger als 2 μm dick. Das Dickfilmverfahren beinhaltet den Siebdruck eines Silberfrittematerials, Brennen, um organische Trägersubstanzen zu entfernen, und Verschmelzen, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Eine alkalifreie dielektrische Basisschicht wird außerdem bei dem Dickfilmverfahren verlangt, weil Silberwanderung auf Natronkalkglassubstraten stattfinden kann. Dickfilmelektroden sind typischerweise 5 bis 15 μm dick.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiele
Beispiel 1 und 2
In den nachfolgenden Beispielen ist eine Aufspannvorrichtung gebaut worden, um einen Bogen einer Polymergießform, wie in 7 gezeigt, zu dehnen. Um einen Bogen einer Polymergießform, S, zu dehnen, wird der Bogen an den Punkten A und B eingespannt. Anschließend wird eine seitliche Kraft (in der Ebene der Gießform) aufgebracht, indem eine Feingewindeschraube, C, gedreht wird. Die Aufspannvorrichtung ist dergestalt ausgelegt, dass sie unter ein Werkzeugmikroskop passt, um das Muster des Polymerwerkzeugs beim Dehnen zu beobachten. Messungen des Pitches der Polymergießform werden bei verschiedenen Belastungsstufen vorgenommen. Pitchmessungen im freien Zustand werden vor und nach dem Dehnen vorgenommen, um zu bestimmen, ob die angewendeten Belastungsstufen, plastische oder elastische Verformung verursachen. Die Polymergießformen sind ungefähr 2,5 cm breit und ungefähr 15 cm lang.
Beispiel 1
Es wird eine Polymergießform mit V-förmig gerillten Mikrostrukturen verwendet. Die Polymergießform besteht aus einem flachen PET-Bogen, auf welchem ein Acrylmaterial gegossen und gehärtet wird, um V-förmig gerillte Mikrostrukturen auszubilden. Die Nominaldicke des PET-Bogens beträgt 127 μm und die Acrylschicht, welche die Mikrostruktur trägt, ist ungefähr 27 bis 30 μm dick. Die V-förmig gerillten Strukturen werden im freien Zustand gemessen und sollen von Spitze zu Spitze 49,556 μm voneinander entfernt sein.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Polymergießform sicher auf der Aufspannvorrichtung befestigt, um in eine Richtung gedehnt zu werden, die parallel zu den V-förmigen Rillen verläuft. Der Abstand der V-förmigen Rillen, oder der Pitch, wird bei verschiedenen Belas tungsstufen durch visuelle Inspektion unter einem Werkzeugmikroskop bei 200-facher Vergrößerung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Belastungsbedingungen werden durch die Anzahl von Drehungen der Schraube C angegeben.
TABELLE 1
Die Beabstandung der mikrostrukturierten Rillen wird von nahezu 1900 ppm (Teilchen pro Million) beeinflusst, ohne dass eine beständige Verformung beobachtet wird (das bedeutet, dass die Belastungsentwicklung rein elastisch ist). Dieser Regelbereich beweist die Fähigkeit, die Ausrichtung von gemusterten Mikrostrukturen mit einem gemusterten Substrat genau einstellen zu können.
Beispiel 2
Derselbe Vorgang wie in Beispiel 1 wird mit einer Polymergießform wiederholt, die eine unterschiedliche Konstruktion und ein unterschiedliches Muster aufweist. Bei diesem Beispiel weist die Gießform rechteckige Kanäle auf und besteht aus einer monolithischen Struktur, die vollständig aus Polycarbonat hergestellt ist, wobei eine Oberfläche glatt ist und die andere Oberfläche die rechteckigen Kanäle aufweist. Die gesamte Gießform ist 550 μm dick und die Kanäle sind 198 μm tief. Die Kanäle weisen eine Nennweite von 120 μm auf und sind um 219,94 μm voneinander beabstandet. S Belastung wird parallel zu den Kanälen in der Ebene des Polymerwerkzeugs angewendet. Die Pitch-Messungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
TABELLE 2
Ähnlich wie in Beispiel 1 kann die Feinsteuerung des Merkmals Pitch-Abstand durch gesteuertes Dehnen der Polymergießform bewiesen werden. Wiederum wird so viel wie 1900 ppm Schrumpfung in dem Pitch der Kanäle durch elastisches Dehnen der Gießform erhalten. Des Weiteren ist der Pitch der mikrostrukturierten Kanäle über einen bedeutenden Abschnitt (ungefähr 25% der Breite) der Länge der gesamten Polymerform einheitlich. Indem eine Polymergießform entworfen wird, welche ein Muster aufweist, das nicht bis in den Bereich in der Nähe der Belastungspunkte reicht (wo die Folie eingespannt wird), wird es im Wesentlichen keine Uneinheitlichkeiten geben, welche durch das Dehnen in das Gießformmuster hineinkommen. Infolgedessen kann die Beabstandung des Musters der Gießform durch das Dehnen um denselben Betrag an jedem Punkt des Musters beeinflusst werden.
Beispiele 3 bis 7
Unterschiedliche Konzentrationen von Verdünnungsmittel in einer breiigen Masse werden auf ihre Vorteile für das Ablösen der Gießform und die Extraktionsgeschwindigkeit des Bindemittels untersucht. Die Gießformen, die verwendet werden, bestehen aus Polykarbonat oder einem mit Licht härtbaren Acrylatmaterial, das auf ein hochgradig steifes Grundmaterial, wie beispielsweise PET, gegossen und darauf gehärtet wird. Das gegossene und gehärtete Polykarbonat oder Acrylatmaterial bildet die gemusterte Oberfläche der Gießform. Härtungsschrumpfung der breiigen Masse und chemische Interaktion zwischen der breiigen Masse und der Polymergießform können zu Schwierigkeiten beim Entformen führen. Die Bindung zwischen der breiigen Masse und der Gießform kann zu längeren Verarbeitungszeiten, Brechen der gehärteten Mikrostrukturen oder Versagen der Gießform führen. Das Verbessern der Entformungseigenschaften ist wünschenswert, um die Leistung beim Gießen zu verbessern und um die Lebensdauer der Gießform zu verlängern, als auch um größere Übereinstimmung bei den replizierten Strukturen zu erzielen. Bei der Herstellung von Sperrstegen für Plasmaanzeigetafeln ist die Fähigkeit des schnellen Brennens der Stege wünschenswert, um die Zykluszeit und Kosten zu reduzieren. Das Bindemittel muss schnell und vollständig entfernt oder herausgebrannt werden, um schnelles Brennen erreichen zu können. Durch richtige Auslegung und Integration eines Verdünnungsbestandteils in die breiige Masse der vorliegenden Erfindung kann sowohl das Entformen als auch das Entfernen des Bindemittels verbessert werden.
Ein mit Licht härtbares Harz, das in dem sichtbaren Lichtbereich aktiv ist, wird als Bindemittel bei der Herstellung von Proben breiiger Masse in den Beispielen 3 bis 7 verwendet. Glasfritte wird als das Glaspulver der breiigen Masse verwendet. Die Glasfritte besteht aus einem bleihaltigen Borsilikatglaspulver, wie im Handel von Asahi Glass Co. unter der Handelsbezeichnung RFW030 erhältlich, und weist eine durchschnittliche Partikelgröße von 1,2 μm auf. Das Grundharz setzt sich aus 50 Gew.-% Bisphenol-a Diglycidylether Dimethacrylat (BISGMA) und 50 Gew.-% Triethylen Glycol Dimethacrylat (TEGDMA) zusammen. Es wird ein Initiatorsystem verwendet, welches das Härten unter Verwendung von sichtbarem Licht in dem blauen Bereich des Spektrums ermöglicht, und es setzt sich aus Ethyldimethylaminobenzoat, Kampferchinon, und Diphenyl Iodonium Hexafluorophosphat zusammen. Der Initiatorspiegel wird bei allen Proben auf 2 Gew.-% der organischen Bestandteile gehalten. Die Glasfrittebeladung in allen breiigen Massen beträgt ungefähr 45 Vol.-% bis 47 Vol.-%. Es wird ein Phosphatester-Dispersionsmittel verwendet, um die Einarbeitung der Glasfritte in die organischen Bestandteile zu unterstützen. Das Härten wird unter Verwendung einer blauen Lichtquelle (380 bis 470 Nanometer) durchgeführt, die durch das verwendete Glassubstrat hindurch bestrahlt. Die Dosierung beträgt zwischen 1 bis 1,5 J/cm². Das für die Beispiele 3 bis 7 ausgewählte Verdünnungsmittel ist 1,3-Butandiol. 1,3-Butandiol ist in BISGMA allein nicht löslich, es ist allerdings in dem BISGMA/TEGDMA Gemisch löslich. Der Gehalt an Verdünnungsmittel in Gewichtsprozent der organischen Bestandteile ist in Tabelle 3 gezeigt.
TABELLE 3
Eigenschaften der Bindemittelextraktion
Um die Auswirkungen beim Herausbrennen von Bindemittel zu untersuchen, werden dicke Überzüge der breiigen Masse gemäß den Beispielen 3 bis 7 auf einem Glassubstrat zum Brennen hergestellt. Die Glassubstrate bestehen aus 2,5 mm dickem Natronkalkglas, wie im Handel von Libbey-Owens-Ford Co., aus Toledo, OH, USA, erhältlich. Es wird eine Rakelauftragmaschine verwendet, um eine gleichmäßige Schicht der breiigen Masse auf die Glassubstrate zu gießen. Der Zwischenraum der Rakelauftragmaschine ist auf 200 μm eingestellt. Die Beschichtungen werden mit blauem Licht eine Minute lang gehärtet. Die Proben werden anschließend in einem Kammerofen gebrannt, welcher einen Luftstrom von 30 scfh (Standardkubikfuß pro Stunde) aufweist. Der Brennablauf beträgt 5°C pro Minute bis 540°C, bei 20 Min. Durchwärmung. Anschließend werden die Proben bei 2°C bis 3°C pro Minute bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach dem Brennen sind die verschmolzenen Schichten ungefähr 70 bis 80 μm dick. Die 10% Probe, nach der Formulierung von Beispiel 3, weist starke Risse an einem Punkt auf, an welchem die Fragmente nach dem Brennen nicht an dem Glassubstrat anhaften. Die Formulierung aus Beispiel 4, die Probe mit 20% Verdünnungsmittel, weist ebenfalls Risse auf, aber bleibt an dem Substrat haften. Die Formulierungen aus den Beispielen 5, 6, und 7 bleiben unbeschädigt, ohne zu reißen, und haften an dem Substrat an. Diese Ergebnisse zeigen, dass höhere Konzentrationen an Verdünnungsmittel in einer breiigen Masse eine leichteres Herausbrennen des Bindemittels ermöglichen; es wird angenommen, dass dies aufgrund der Verdunstung des Verdünnungsmittels geschieht, wodurch mehr Wege für die Bindemittelentfernung dergestalt zurückbleiben, dass interner Gasdruck aufgrund von Verflüchtigung abgebaut werden kann, welcher ansonsten Bruch verursachen kann.
Ablösungseigenschaften der Gießform
Das Ablösen der Gießform nach dem Brennen wird quantitativ mit einem Abziehtester untersucht, der im Handel von Instramentors, Inc., Strongville, OH, USA unter der Handelsbezeichnung Modell SP-102C-3M90 erhältlich ist. Bögen einer Polymergießform, welche rechteckige Kanäle aufweist, werden zum Formen von Stegstrukturen, aus den breiigen Glasmassen von den Beispielen 3 bis 7, auf Natronkalkglassubstraten verwendet. Die Kanäle in der Gießform weisen nominal eine Breite von 75 μm, ein Tiefe von 185 μm und einem Pitch-Abstand von 220 μm auf. Die Probenherstellung beinhaltet das Laminieren der Proben aus breiiger Glasmasse zwischen dem Glassubstrat und der Gießform, gefolgt vom Härten der Proben. Die Kanäle der Gießform werden während der Laminierung mit der breiigen Masse im Wesentlichen gefüllt, um dadurch die Merkmale der Gießform auf dem Glassubstrat nach dem Härten zu replizieren. Die Gießformen sind ungefähr 2,5 cm breit und ungefähr 22 cm lang. Die Kanäle verlaufen parallel zu der Längsausrichtung der Gießformen. Nach der Laminierung werden die Proben unter Verwendung einer blauen Lichtquelle mit einer Dosierung von 1 bis 1,5 J/cm² gehärtet. Nach dem Härten werden die Gießformen durch Abziehen in Richtung der Kanäle abgenommen und die Abziehkraft wird gemessen. Ein Abziehversuch wird 90° zu dem Substrat und bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 cm pro Minute durchgeführt. Die Messungen der durchschnittlichen Abziehkraft werden in Tabelle 4 gezeigt.
TABELLE 4
Die Formulierung aus Beispiel 3 erzielt keine schlüssigen Ergebnisse, weil die Haftung an der Gießform so stark ist, dass die Gießform bei dem Abziehvorgang reißt. Der Vorteil des Verdünnungsmittels, um das Ablösen der Gießform zu verbessern, wird aus Tabelle 4 ersichtlich. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass bei sehr hohen Verdünnungsmittelwerten die physikalische Unversehrtheit der gehärteten Strukturen im grünen Zustand aufgrund des relativ hohen Flüssigkeitsgehalts deutlich herabgesetzt werden kann. Die Formulierung aus Beispiel 7 zeigt einige Fehler nach dem Härten aufgrund von Bruch der Strukturen im grünen Zustand. Die Formulierungen aus den Beispielen 4, 5 und 6, welche Verdünnungsmittelanteile von über 10% und unter 40% darstellen, zeigen die beste Kombination von physikalischer Unversehrtheit im grünen Zustand und der Ablöseeigenschaften der Gießform.
Beispiel 8
Ein Spachtel wird verwendet, um ein Epoxidbindemittel mit 82,3 Gew.-% (43,3 Vol.-%) von mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumpulver (im Handel erhältlich von Zirconia Sales America, Qualitätsgüte HSY-3B) zu mischen. Die durchschnittliche Partikelgröße in der Zirkoniumpulvergröße beträgt 0,4 Mikrometer. Das Epoxidbindemittel wird mit einem Verdünnungsmittel und mit einem grenzflächenaktiven Stoff in Mengen von 54,2 Gew.-% Epoxid, 36,4 Gew.-% Verdünnungsmittel und 9,4 Gew.-% grenzflächenaktivem Stoff gemischt. Das Epoxid besteht aus einer Mischung aus Bisphenol-A Epoxid (im Handel von Celanese Corp., Louisville, KY, USA, unter der Handelsbezeichnung Celanese DER 332 erhältlich) und einem Aminhärtermittel (im Handel von Celanese Corp. unter der Bezeichnung Epi-cure 826 erhältlich). Der Spiegel des Härtermittels beträgt 26 Gew.-% des Epoxids. Das Verdünnungssystem besteht aus einer Mischung von 65 Gew.-% 1,3-Butandiol (im Handel von Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI, USA, erhältlich) und von 35 Gew.-% Polyethylenglycol (im Handel von Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA, unter der Handelsbezeichnung Carbowax 200 erhältlich). Das Polyethylenglycol dient dazu, das Butandiol in dem Epoxid zu lösen. Der grenzflächenaktive Stoff besteht aus einem Stoff, welcher im Handel von ICI Americas Inc., New Castle, DE, USA, unter der Handelsbezeichnung hypermer KD1 erhältlich ist. Der grenzflächenaktive Stoff dient dazu, die Einarbeitung des Zirkoniumpulvers in das Harz zu unterstützen. Die breiige Masse wird auf ein Kunststoffsubstrat aufgeformt, auf ein Aluminiumoxidsubstrat übertragen, und anschließend wird das Bindemittel durch Erhitzen auf 600°C bei einer Geschwindigkeit von 5°C pro Minute extrahiert. Das Material wird anschließend durch Anstieg der Temperatur auf 1400°C mit einer Geschwindigkeit von 10°C pro Minute gebrannt und wird 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten.
Die breiige Masse aus Beispiel 8 kann durch Mischen der nachfolgenden Materialien mit den nachfolgenden Mengen hergestellt werden:

51,0 g mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumpulver

4,40 g Bisphenol-A Epoxid

1,56 g Härtermittel

2,60 g Polyethylenglycol

1,40 g 1,3-Butandiol

1,02 g grenzflächenaktiver Stoff
Beispiel 9
Ein Acrylatbindemittel wird mit 85,5 Gew.-% von mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumpulver gemischt. Das Zirkoniumpulver besteht aus einer bimodalen Mischung der Qualitätsgüte HSY-3B (wie in Beispiel 8 verwendet) mit 12,3 Gew.-% der Qualitätsgüte HSY-3U, wie im Handel von derselben Firma erhältlich. Die Qualitätsgüten HSY-3B und HSY-3U weisen eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,4 und 0,1 Mikrometer auf. Das Bindemittel besteht aus 50,5% eines Acrylatharzes (nachstehend beschrieben), 44,4 Gew.-% Verdünnungsmittel und 5,0 Gew.-% eines grenzflächenaktiven Stoffes. Insbesondere das Harz setzt sich aus 50 Gew.-% Bisphenol-A Diglycidylether-Dimethacrylat (BISGMA) und 50 Gew.-% Triethylenglycol Dimethacrylat (TEGDMA) zusammen. Der Härtungsinitiator besteht aus einem Gemisch aus Ethyldimethylaminobenzoat, Kampferchinon und Diphenyl Iodonium Hexafluorophosphat. Der Initiatorspiegel beträgt 2 Gew.-% des Acrylat-Grundharzes. Das Verdünnungsmittel besteht aus 50 Gew.-% Diallylphthalat und 50 Gew.-% Butylstearat. Das Diallylphtalat-Plastizierungsmittel in dem Verdünnungsmittel dient dazu, die Harzviskosität zu reduzieren, um die Formungsfähigkeit zu verbessern und um das Butylstearat in dem Acrylatharz löslich zu machen. Das Butylstearat in dem Verdünnungsmittel ermöglicht die Phasentrennung des Verdünnungsmittels nach dem Härten des Bindemittels, um das Ablösen der Gießform zu unterstützen, und um einen schnellen Austritt des Bindemittels während der Extraktion des Bindemittels zu ermöglichen. Der grenzflächenaktive Stoff (erhältlich von ICI Americas unter der Handelsbezeichnung hypermer KD1) wird verwendet, um das Zirkoniumpulver in das Bindemittel einzuarbeiten. Die breiige Masse wird auf ein Glassubstrat aufgeformt und mittels Belichtung mit blauem Licht durch das Substrat hindurch und durch die Gießform hindurch 2,5 Minuten lang gehärtet, bevor es aus der Polymergießform, die verwendet wird, entformt wird. Der Ablauf bei der Extraktion des Bindemittels und beim Brennen ist derselbe wie der in Beispiel 8 verwendete.

Die breiige Masse aus Beispiel 9 kann durch Mischen der nachfolgenden Materialien mit den nachfolgenden Mengen hergestellt werden:

510,10 g	mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumpulver der Qualitätsgüte HSY-3B
71,50 g	mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumpulver der Qualitätsgüte HSY-3U
50,00 g	50/50 Mischung BISGMA/TEGMA
22,20 g	Diallylphthalat
22,20 g	Butylstearat
5,00 g	grenzflächenaktiver Stoff

Beispiel 10
Eine mit UV härtbare oligomere Zusammensetzung wird verwendet, um eine mikrostrukturierte flexible Gießform auszubilden. Die Zusammensetzung besteht aus einem Gemisch aus 99 Gew.-% des aliphatischen Urethanacrylats, Photomer 6010 und 1 Gew.-% eines Photoinitiators, der im Handel von Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsbezeichnung Darocur 1173 erhältlich ist. Das oligomere Harz wird auf ungefähr 60°C erhitzt, um die Viskosität auf ungefähr 2500 Zentipoise abzusenken. Das Harz wird entlang von einem einzigen Rand eines Metallwerkzeugs gegossen, das eine Mikrostruktur mit positiven Stegen aufweist, die zur Verwendung bei der Sperrstegformung für Plasmaanzeigetafeln geeignet ist und mit einer Polyesterfolie einer Dicke von 5 Tausendstel Inch überzogen ist. Der Stapel wird zwischen der flachen Oberfläche, auf welcher der Stapel platziert wird, und einer Metallrolle hindurch gezogen, welche an einem Rahmen über dem Stapel angebracht ist. Der Zwischenraum zwischen der flachen Oberfläche und der Rolle wird dergestalt angepasst, dass der Abstand zwischen dem Metallwerkzeug und der Polyesterfolie ungefähr 0,001 Inch beträgt. Sowie der Stapel durch den Zwischenraum hindurch gezogen wird, wird das oligomere Harz in die Mikrostruktur des Werkzeugs eingepresst und über das Werkzeug hinweg verteilt. Der Stapel wird in drei Durchgängen durch das Polyestersubstrat hindurch unter einer Quecksilberdampflampe bei mittlerem Druck mit einer Dosierung in dem Bereich von 200 bis 400 mJ/cm² bestrahlt. Die daraus hervorgehende mikrostrukturierte Gießform wird von dem Metallwerkzeug abgezogen, um ein fast exaktes Negativ der Mikrostruktur zur Verfügung zu stellen, die auf dem Metallwerkzeug vorhanden ist.
Beispiel 11
Eine mit UV härtbare oligomere Zusammensetzung wird verwendet, um eine mikrostrukturierte flexible Gießform auszubilden. Die Zusammensetzung besteht aus einem Gemisch aus 75 Gew.-% aliphatischem Urethanacrylat, Photomer 6010, 24 Gew.-% 1,6-Hexandiol-Diacrylat, und 1 Gew.-% des Photoinitiators Darocur 1173. Das oligomere Harz wird auf ungefähr 60°C erhitzt, um die Viskosität auf ungefähr 1000 Zentipoise abzusenken. Das Harz wird entlang von einem einzigen Rand eines Metallwerkzeugs gegossen, das eine Mikrostruktur mit positiven Stegen aufweist und mit einer Polyesterfolie einer Dicke von 5 Tausendstel Inch überzogen ist. Der Stapel wird zwischen der flachen Oberfläche, auf welcher der Stapel platziert wird, und einer Metallrolle hindurch gezogen, welche an einem Rahmen über dem Stapel angebracht ist. Der Zwischenraum zwischen der flachen Oberfläche und der Rolle wird dergestalt angepasst, dass der Abstand zwischen dem Metallwerkzeug und der Polyesterfolie ungefähr 0,001 Inch beträgt. Wenn der Stapel durch den Zwischenraum hindurch gezogen wird, wird das oligomere Harz in die Mikrostruktur des Werkzeugs eingepresst und über das Metallwerkzeug hinweg verteilt. Der Stapel wird in drei Durchgängen durch das Polyestersubstrat hindurch unter einer Quecksilberdampflampe bei mittlerem Druck mit einer Dosierung in dem Bereich von 200 bis 400 mJ/cm² bestrahlt. Die daraus hervorgehende mikrostrukturierte Gießform wird von dem Metallwerkzeug abgezogen, um nach weiterer Untersuchung verformte Mikrostrukturen mit konkav geformten Seitenwänden und abgeschrägten Oberseiten zum Vorschein zu bringen.
Beispiel 12
Im Folgenden handelt es sich um ein Beispiel zum Formpressen, um die gemusterten, mikrostrukturierten Gießformen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung auszubilden. Eine Probe zum Formpressen wird durch aufeinander folgendes Stapeln von Folgendem hergestellt: ein Bogen Pappe, eine verchromte Messingplatte, ein 9 Inch mal 13 Inch großes mikrostrukturiertes Metallwerkzeug, vier Bögen von 0,0055 Inch dicker Polykarbonatfo lie (erhältlich von der Bayer Corp. unter der Handelsbezeichnung Makrolon 2407), gefolgt von einer zweiten verchromten Messingplatte, und einem zweiten Bogen Pappe.
Der Stapel wird in eine Formpresse (wie im Handel von Wabash MPI, Wabash, ID, USA, unter der Handelsbezeichnung Modell V75H-24-CLX erhältlich ist) angeordnet, welche auf 190°C erhitzt wird. Der Stapel wird mit 5000 Pfund Belastung 2 Minuten lang gepresst. Die Last wird zusätzliche 2 Minuten lang auf 40.000 Pfund erhöht, gefolgt von einem Abkühlen unter Druck auf ungefähr 80°C. Der Stapel wird aus der Formmaschine entfernt und auseinandergenommen, um eine mikrostrukturierte Gießform zur Verfügung zu stellen.

Claims

Form- und Ausrichtungsverfahren für Mikrostrukturen (14) auf einem gemusterten Substrat (10), die folgenden Schritte umfassend: Anordnen eines Gemisches, das zwischen dem gemusterten Substrat (10) und einer gemusterten Fläche einer Gießform (30) ein härtbares Material umfasst, wobei die gemusterte Fläche der Gießform mehrere Mikrostrukturen darauf aufweist; Dehnen der Gießform, um einen Abschnitt der gemusterten Fläche der Gießform mit einem Abschnitt des gemusterten Substrates auszurichten; Härten des härtbaren Materiales, zu einem festen, an dem Substrat anhaftenden, Zustand; und Entfernen der Gießform, so dass gehärtete Strukturen des Gemisches ausgerichtet mit dem Muster des Substrates zurückbleiben, wobei die gehärteten Strukturen im Wesentlichen die Mikrostrukturen der gemusterten Fläche der Gießform replizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gemisch aus einer breiigen Masse besteht, die ein Gemisch eines Keramikpulvers und eines härtbaren flüchtigen Bindemittels umfasst, und wobei das gemusterte Substrat ein gemustertes Glassubstrat (10) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren die Schritte des Erwärmens der gehärteten Strukturen, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen, und danach des Erwärmens auf eine höhere Temperatur umfassend, um das Keramikpulver zu sintern, wodurch keramische Mikrostrukturen ausgestaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Härtens umfasst, dass die breiige Masse durch das Substrat, durch die Gießform oder sowohl durch das Substrat als auch die Gießform hindurch einer ultravioletten oder sichtbaren Lichtstrahlung ausgesetzt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Dehnens der Gießform das mechanische Ziehen der Gießform in eine einzige Richtung umfasst, die seitlich zu dem Substrat verläuft.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gießform thermoplastisches Material umfasst, das eine glatte Fläche und eine gegenüberliegende mikrostrukturierte Fläche aufweist.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gießform eine Grundfilmschicht und eine gemusterte Schicht umfasst, die aus härtbarem Polymer hergestellt werden, wobei die gemusterte Schicht eine glatte Fläche, die an der Grundfilmschicht anhaftet, und eine mikrostrukturierte Fläche aufweist, die der Grundfilmschicht gegenüberliegt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei das gemusterte Glassubstrat eine Reihe von im Wesentlichen parallel verlaufenden und unabhängig adressierbaren Elektroden umfasst, die mit Entfernung beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Mikrostruktur der gemusterten Fläche der Gießform eine Reihe von im Wesentlichen parallel verlaufenden Graten umfasst, die von der Fläche der Gießform herausragen, wobei die Grate dergestalt Abmessungen und Abstände aufweisen, dass die Grate mit den Elektroden des Substrates während des Dehnungsschrittes der Gießform ausgerichtet werden können.