耐溶剂电子纸微杯的制法及制备耐溶剂电子纸微杯的材料

摘要

本发明涉及用于刚性或柔性平板显示以掩膜光刻法制备电子纸微杯的材料与方法，特别涉及在四氯乙烯强溶解或溶胀溶剂中实现柔性显示、耐溶剂、显影宽容度高、基材粘附性强的电子纸微杯制作材料及方法。以低聚物、单体、光引发剂、改性剂、表面活性剂等复配混合，涂布于预处理的基材上、预烘、掩膜曝光、显影液显影、水洗烘干制作耐溶剂电子纸微杯结构。所得电子纸微杯结构适用于封装电子墨水或液晶实现刚性或柔性平板显示，也可用于生物医药化学领域的微流控、细胞或组织培养、合成制备方面。

说明书

技术领域

本发明涉及用于刚性或柔性平板显示以掩膜光刻法制备电子纸微杯的材料与方法，特别涉及在四氯乙烯强溶解或溶胀溶剂中实现柔性显示、耐溶剂、显影宽容度高、基材粘附性强的微杯制作材料及方法。

技术背景

电泳显示器(EPD)俗称电子纸，与其它平板显示相比，具有诸多优点，如阅读舒适、对比度高、双稳态耗电低(断电保持显示)、高分辨率(>200dpi)、轻薄(厚度0.5毫米)、基板广泛(可柔性显示)、广视角(180度)；因而有广泛的应用前景，不仅将对信息记录相关行业带来革命性的变化，而且在电子书、电子图书馆、低耗可持显示器、大型的户外广告牌和可折叠的显示设备方面有着广阔而深远的应用前景。

目前进入实用阶段比较成熟的工艺方法有微胶囊电泳型(美国E-INK(电子墨水)公司的美国专利US 5961804和US 5930026)、微杯电泳型(US20030063370)、电子粉流体型、胆固醇液晶型。

电泳显示基本原理：在微小区域内(微胶囊或微杯)，在两电极(透明电极、驱动电极)间直流电驱动下，带电的微粒(颜料颗粒或填料)发生电泳迁移而显示相应的颜色。

微胶囊由于耐溶剂性、机械性能、尺寸大小与均一性难于可控，存在易破裂、老化、寿命短等问题，制作难度大；由于微杯尺寸可控，材料性能稳定，有效地克服了微胶囊的缺点；而且由于微杯的限制，对外界扰动大大降低，更易达到“双稳”的结构；加入的电荷控制剂不损失即提高了电泳粒子的电荷密度，电泳粒子能全部聚集在显示平面，提高了对比度。由于微杯间壁厚度可以调整，大大提高了耐压、耐刮性能。这种微杯形成的方法因其特有的性能和较为切实可行的生产工艺正受到越来越多的关注。

美国SiPix Imaging(影像)公司的电子纸采用微杯技术，例如LiangRong-Chang、Chen Xianhai的卷轴工艺(US 20030063370)完成微杯的制作与封装，然而是基于精密模具的基础上，如果要改变微杯形貌或尺寸大小，则需要重新制作精密模具，成本大、制模工艺难度高，而且对整个流水线设备及工艺参数的改进，需要大量的人力物力财力；另外模具和微杯材料的脱膜也存在不少技术问题。

微杯结构也存在缺陷：例如美国SiPix Imaging(影像)公司最初制作的微杯结构易碎，主要由微杯内部材料的相互交联与收缩引起；该公司的XianhaiChen通过在热固塑料中加入质量浓度8％～15％的橡胶材料有效改善了微杯阵列的抗挠性。然而橡胶材料在四氯乙烯溶剂中会发生溶解或溶胀，所以不宜用于含有四氯乙烯的电泳液体系，不能解决在四氯乙烯中体系的柔性问题。

在国内制作电子纸微杯方面，浙江大学汪茫、陈红征、荣宇研究人员选择环氧丙烯酸酯预聚物为紫外光固化材料，在玻璃基材上制备了蜂巢形阵列；但当蜂巢大小和间隔的比值较大时，脱模时容易导致间隔的蜂巢壁变形；他们对于柔性基材上的微杯制备没有报道。

本发明所用的方法简单、设备低廉：采用光固化与普通光刻技术，通过匹配光固化胶液成分，适用于多种基材，如ITO(氧化铟锡)薄膜、ITO(氧化铟锡)玻璃、普通玻璃、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜；只需普通的紫外光源，如高压汞灯、制版机；无需制作模具，只需要预先制作掩膜胶片，可通过正胶或负胶材料，实现微杯结构；目前印刷术与光刻法制作掩膜已经相当成熟，精度高、成本低。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用掩膜光刻法制备耐溶剂电子纸微杯的方法，以低聚物、单体、光引发剂、改性剂、表面活性剂等复配混合，涂布于预处理的基材上、预烘、掩膜曝光、显影液显影、水洗烘干制作电子纸微杯结构。

本发明的另一目的是提供用于制备耐溶剂电子纸微杯的材料。

本发明的耐溶剂电子纸微杯的制备方法是掩膜光刻法，如附图1～3所示，其制备过程是配制光固化胶液、涂布于预处理的基材上、预烘、加掩膜紫外光下曝光、用显影液显影、水洗、烘干即得所需的耐溶剂电子纸微杯结构。该方法包括以下步骤：

1)基材预处理工艺：将刚性或柔性基材在处理液中冲洗，干燥，得到表面清洁干净的刚性或柔性基材；所用的处理液是浓度为0.3～5wt％的碳酸钠水溶液、浓度为0.3～5wt％的氢氧化钠水溶液、去离子水、丙酮、乙醇中的一种或一种以上的混合物；

2)电子纸微杯材料的配制：将低聚物、单体、光引发剂、改性剂、表面活性剂在温度为0～100℃避光条件下搅拌混合1～30分钟；所述的混合液中低聚物为0～90wt％、单体为7～85wt％、光引发剂为0.5～5％wt％、改性剂为0～30wt％、表面活性剂为0.2～15wt％；

3)涂膜工艺：在步骤1)得到的清洁干净的刚性或柔性基材表面涂覆步骤2)得到的电子纸微杯材料；所述涂膜的方法有刮胶、浸涂、喷涂或旋涂等；

4)预烘工艺：将步骤3)得到的表面带有电子纸微杯材料的基材在温度为40～100℃下烘烤5～100分钟；

5)掩膜曝光工艺：在步骤4)得到的基材的电子纸微杯材料上加带有图案的掩膜，在紫外灯下曝光一定时间；所用的紫外灯是高压汞灯、低压汞灯、碘镓灯中的一种，紫外灯的功率为50～3000W，曝光时间是5～500秒，然后移去掩膜；

6)显影工艺：在显影液中对步骤5)曝光后带有电子纸微杯材料的基材进行显影；所用的显影液为碳酸钠、氢氧化钠、季胺碱水溶液中的一种或它们的混合物，它们的浓度钧为0.3～2wt％，显影时间是20～300秒，在基材上得到电子纸微杯结构(根据掩膜的图案得到相应的微杯结构)。

7)洗涤干燥工艺：将步骤6)显影后所得到的电子纸微杯结构，进一步用洗涤液冲洗2～3遍左右，洗去杂质；在温度为100～120℃下烘烤1～10分钟；所用的洗涤液是去离子水、蒸馏水或有机溶剂等。

所述的基材是硅基材、玻璃基材、ITO(氧化铟锡)基材、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材、聚氯乙烯(PVC)基材或聚碳酸酯(PC)基材。

所述的在步骤1)得到的清洁干净的刚性或柔性基材表面涂覆步骤2)得到的电子纸微杯材料，其涂覆厚度为10～250μm。

所述的掩膜的材料是一种透明材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃、三醋酸纤维素材料等；所述的掩膜图案是任意几何形状，如方形、网状或六边形等。

本发明的用于制备耐溶剂电子纸微杯的材料是低聚物、单体、光引发剂、改性剂、表面活性剂的混合液，其中，混合液中低聚物为0～90wt％、单体为7～85wt％、光引发剂为0.5～5％wt％、改性剂为0～30wt％、表面活性剂为0.2～15wt％。

所述的低聚物是商品化的丙烯酸酯的聚合体、改性的丙烯酸酯聚合体或者是它们的任意混合物。其中丙烯酸酯单元具有下列结构中的一种或多种：①分子中含有酸的结构和/或铵盐结构，酸值范围为20～400；其所含的酸的结构是一元或多元羧酸、磺酸、磷酸、膦酸中的一种或多种；其所含的铵盐结构是一元或多元羧酸铵、磺酸铵、磷酸铵、膦酸铵等结构单元中的一种或多种；②分子中含有芳基、烷基、烷氧基、胺基、氨基酯链段结构中一种或多种；所述的芳基是苯基、烷基取代的苯基或萘基等；所述的烷基链长是C₁～C₃₀；③分子结构是双酚A环氧丙烯酸酯、双酚A环氧甲基丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸酯、酚醛环氧甲基丙烯酸酯、含硅丙烯酸酯、含硅甲基丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚氨酯甲基丙烯酸酯、含氟或全氟丙烯酸酯、含氟或全氟甲基丙烯酸酯系列结构中的一种或多种，其结构中含有硅元素、氟元素、环氧基团或聚氨酯基团中的一种或多种；④分子中具有1～6个不饱和键，所述的不饱和键结构是碳碳双键、碳碳叁键、碳氮双键、碳氧双键等中的一种或多种。

所述的单体是商品化的丙烯酸酯、改性的丙烯酸酯或者是它们的任意混合物。其中丙烯酸酯分子结构中具有下列结构中的一种或多种：①分子中含有酸的结构和/或铵盐结构，酸值范围为20～400；其所含的酸的结构是一元或多元羧酸、磺酸、磷酸、膦酸中的一种或多种；其所含的铵盐结构是一元或多元羧酸铵、磺酸铵、磷酸铵、膦酸铵等结构单元中的一种或多种；②分子中含有芳基、烷基、烷氧基、胺基、氨基酯链段结构中一种或多种；所述的芳基是苯基、烷基取代的苯基或萘基等；所述的烷基链长是C₁～C₃₀；③分子结构是双酚A环氧丙烯酸酯、双酚A环氧甲基丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸酯、酚醛环氧甲基丙烯酸酯、含硅丙烯酸酯、含硅甲基丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚氨酯甲基丙烯酸酯、含氟或全氟丙烯酸酯、含氟或全氟甲基丙烯酸酯系列结构中的一种或多种，其结构中含有硅元素、氟元素、环氧基团或聚氨酯基团中的一种或多种；④分子中具有1～6个不饱和键，所述的不饱和键结构是碳碳双键、碳碳叁键、碳氮双键、碳氧双键等中的一种或多种。

所述的光引发剂是商品化的自由基型光引发剂，所述的自由基型光引发剂是α-羟烷基苯酮型、α-胺烷基苯酮型、二烷氧基苯乙酮型、酰基膦氧化物、二苯甲酮、硫杂蒽酮中的一种或一种以上的混合物。

所述的改性剂是丙烯酸酯、酸酐、胺中的一种或多种材料；所述的丙烯酸酯是丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、可聚合丙烯酸酯中的一种或多种。

所述的酸酐是顺丁烯二酸酐、苯酐、四氢苯酐、六氢苯酐、戊二酸酐中的一种或多种；所述的胺是三乙醇胺、烷基取代的二乙醇胺、胺改性的丙烯酸酯、胺改性的烷基丙烯酸酯中的一种或多种；其中所述的烷基是C₁～C₃₀烷基。

所述的表面活性剂是丙烯酸多元醇、偶联剂、含硅或含氟表面活性剂中的一种或多种；所述的偶联剂是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或它们的任意比混合物。

由本发明的耐溶剂电子纸微杯的制备方法制备出的电子纸微杯具有的特点：

①由于所用材料及其它试剂在国内都有商品可购，所以所用材料价廉易得。

②设备价廉，方法简易；可用常用的曝光设备，紫外线灯、汞灯等光源均可。

③由于材料分子的主体结构赋予材料耐有机溶剂性能，曝光后形成的交联网状骨架结构更具有良好的耐溶剂性能，耐多种电泳溶剂，特别是四氯乙烯、甲苯、二甲苯、环己酮、环己烷、四氢呋喃、二氯己烷、FC-40(美国3M公司)、FC-43(美国3M公司)、二氯三氟苯电泳介质。

④由于所用的分子结构中有的赋予材料柔性，有的赋予材料刚性，调整它们之间的比例，兼顾柔性与刚性，获得良好的机械性能。

⑤由于曝光前材料结构良好的碱水溶性，而曝光后发生固化，形成交联网状结构具有碱水不溶性，显影反差大，易于质量控制。

⑥由于所用表面活性剂与基材表面分子间的相互作用，增进丙烯酸酯类单体及低聚物对多种基材的粘附性能，适用于多种刚性基材、柔性基材，例如硅基、玻璃基、氧化铟锡(ITO(氧化铟锡))基材、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材、聚氯乙烯(PVC)基材、聚碳酸酯(PC)基材。

所得耐溶剂电子纸微杯结构适用于封装电子墨水或液晶实现刚性或柔性平板显示，也可用于生物医药化学领域的微流控、细胞或组织培养、合成制备方面。

附图说明

图1.本发明电子纸微杯制作工艺中的涂膜预烘阶段示意图。

图2.本发明电子纸微杯制作工艺中的掩膜曝光阶段示意图。

图3.本发明电子纸微杯制作工艺中的显影干燥阶段示意图。

附图标记

1.基材  2.电子纸微杯材料  3.掩膜  4.光

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

请参见图1～3。

将ITO或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材1依次在浓度为1wt％的氢氧化钠水溶液、丙酮(或)乙醇中，室温下分别以3000rpm搅拌5分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：低聚物：EM7666(酸改性甲酚醛环氧丙烯酸酯)(台湾长兴化工有限公司)，浓度为10wt％、SB401(芳香酸甲基丙烯酸半酯)(美国沙多玛公司)，浓度为40wt％、CN988(氨基酯/丙烯酸酯)(美国沙多玛公司)，浓度为10wt％，单体：1，6-己二醇双丙烯酸酯，浓度为10wt％、双三羟甲基丙烯四丙烯酸酯，浓度为10wt％，光引发剂：2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮，浓度为1wt％、2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，浓度为1wt％，改性剂：顺丁烯二酸酐，浓度为10wt％，表面活性剂：BYK306(聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体溶液)(德国毕克化学公司)，浓度为1wt％、BYK109(高分子量烷羟基氨基酰胺)(德国毕克化学公司)，浓度为1wt％、CD9050(美国沙多玛公司)，浓度为6wt％，30℃避光搅拌15分钟。

用250μm的钢丝刮刀在ITO或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材1上涂覆一层电子纸微杯胶液材料2，80℃预烤10分钟，加带有矩形图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)掩膜3，于1000W高压汞灯光4下曝光30秒，然后移去掩膜；以浓度为2wt％的碳酸钠为主体的显影液中显影50秒，用去离子水冲洗3次，80℃烘烤5分钟，即得与掩膜相同200μm高的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。

实施例2

请参见图1～3。

将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材1依次在浓度为1wt％的氢氧化钠水溶液、去离子水、乙醇中，室温下分别超声3分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：低聚物：EM7643(酸改性甲酚醛环氧丙烯酸酯)(台湾长兴化工有限公司)，浓度为25wt％、SB520(美国沙多玛公司)，浓度为60wt％，单体：三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯，浓度为3wt％、甲基丙烯酸β-羟乙酯，浓度为2wt％、双季戊四醇六丙烯酸酯，浓度为2wt％，光引发剂：2-(4-(2-羟基-2-甲基丙氧基)苯氧基)乙酸，浓度为1wt％、2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，浓度为1wt％、2，4-二乙基硫杂蒽酮，浓度为1wt％，表面活性剂：硅烷偶联剂570，浓度为3wt％、BYK306(聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体溶液)(德国毕克化学公司)，浓度为1wt％、BYK109(高分子量烷羟基氨基酰胺)(德国毕克化学公司)，浓度为1wt％，40℃避光搅拌3分钟。

用150μm的钢丝刮刀在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材1上涂覆一层电子纸微杯胶液材料2，50℃预烤100分钟，加带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)掩膜3，于1000W高压汞灯光4下曝光25秒；以浓度为0.2wt％的碳酸钠为主体的显影液中显影300秒，用去离子水冲洗3次，90℃烘烤5分钟，即得与掩膜相同的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。

实施例3

请参见图1～3。

将硅基材1依次在浓度为5wt％的碳酸钠水溶液、去离子水、等体积的丙酮与乙醇中，室温下分别超声2分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：低聚物：EM7666(酸改性甲酚醛环氧丙烯酸酯)(台湾长兴化工有限公司)，浓度为45wt％、SB400(芳香酸甲基丙烯酸半酯)(美国沙多玛公司)，浓度为5wt％、CN988(氨基酯/丙烯酸酯)(美国沙多玛公司)，浓度为5wt％，单体：2-苯氧乙基丙烯酸酯，浓度为10wt％、聚丙烯乙二醇单甲基丙烯酸酯，浓度为2wt％、双季戊四醇五丙烯酸酯，浓度为1wt％，光引发剂：1-羟基环已基苯基甲酮，浓度为1.8wt％，改性剂：戊二酸酐，浓度为30wt％，表面活性剂：CD9050(美国沙多玛公司)，浓度为0.2wt％，0℃避光搅拌30分钟。

用100μm的钢丝刮刀在硅基材1上涂覆一层电子纸微杯胶液材料2，100℃预烤5分钟，加带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)掩膜3，于1000W高压汞灯光4下曝光25秒；以浓度为0.8wt％的氢氧化钠为主体的显影液中显影40秒，用去离子水冲洗3次，100℃烘烤5分钟，即得与掩膜相同的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。

实施例4

请参见图1～3。

将聚碳酸酯(PC)基材1依次在浓度为4wt％的氢氧化钠水溶液、去离子水、丙酮中，室温下分别超声1分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：低聚物：CN988(氨基酯/丙烯酸酯)(美国沙多玛公司)，浓度为20wt％、SB401(芳香酸甲基丙烯酸半酯)(美国沙多玛公司)，浓度为70wt％，单体：SR444(季戊四醇三丙烯酸酯)(美国沙多玛公司)，浓度为1wt％、甲基丙烯酸β-羟乙酯，浓度为4wt％，光引发剂：安息香双甲醚，浓度为0.5wt％，表面活性剂：硅烷偶联剂570，浓度为2wt％、BYK306(聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体溶液)(德国毕克化学公司)，浓度为2.5％，20℃避光搅拌10分钟。

用80μm的钢丝刮刀在聚碳酸酯(PC)基材1上涂覆一层电子纸微杯胶液材料2，70℃预烤30分钟，加带有图案的玻璃掩膜3，于2000W高压汞灯光4下曝光10秒；以浓度为1.5wt％的碳酸钠为主体的显影液中显影40秒，用去离子水冲洗3次，110℃烘烤5分钟，即得与掩膜相同的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。

实施例5

请参见图1～3。

将玻璃基材1依次在浓度为0.3wt％的氢氧化钠水溶液、去离子水、乙醇中，室温下分别超声5分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：低聚物：CN131(美国沙多玛公司)，浓度为30wt％、EM7640(酸改性甲酚醛环氧丙烯酸酯)(台湾长兴化工有限公司)，浓度为30wt％，单体：四乙烯基乙二醇双甲基丙烯酸酯，浓度为10wt％、聚丙烯乙二醇单甲基丙烯酸酯10wt％，光引发剂：2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮，浓度为5wt％，表面活性剂：硅烷偶联剂570，浓度为10wt％、BYK306(聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体溶液)(德国毕克化学公司)，浓度为5％，80℃避光搅拌5分钟。

在玻璃基材1上浸涂一层40μm厚的电子纸微杯胶液材料2，60℃预烤20分钟，加带有图案的玻璃掩膜3，于100W紫外线灯光4下曝光500秒；以浓度为1wt％的碳酸钠为主体的显影液中显影40秒，用去离子水冲洗3次，120℃烘烤5分钟，即得与掩膜相同的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。

实施例6

请参见图1～3。

将ITO(氧化铟锡)玻璃基材1依次在浓度为1wt％的碳酸钠水溶液、去离子水、丙酮(或)乙醇中，室温下分别超声3分钟，水洗3次，干燥。

耐溶剂电子纸微杯胶液材料2中：单体：季戊四醇三丙烯酸酯(美国沙多玛公司)，浓度为25wt％、1，6-己二醇双丙烯酸酯，浓度为40wt％、四氢化糠基丙烯酸酯(美国沙多玛公司)，浓度为20wt％，光引发剂：2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，浓度为2wt％，表面活性剂：CD9050(单官能团酸酯)(美国沙多玛公司)，浓度为8wt％、BYK306(聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体溶液)(德国毕克化学公司)，浓度为5wt％，100℃避光搅拌2分钟。

在ITO(氧化铟锡)玻璃基材1上喷涂一层15μm厚电子纸微杯胶液材料2，90℃预烤10分钟，加带有图案的三醋酸纤维素掩膜3，于50W紫外线灯光4下曝光35秒；以浓度为0.3wt％氢氧化钠为主体的显影液中显影40秒，用去离子水冲洗3次，120℃烘烤2分钟，即得与掩膜相同的电子纸微杯形貌。

驱动电路与已封装的电子纸微杯贴合在一起，完成整个器件的组装。