柔性平板显示器的制作方法

专利名称：柔性平板显示器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及柔性平板显示器，诸如液晶显示器(LCD)和有机发光二极管显示器，场发射显示器或者薄膜或厚膜电致变色或电致发光显示器，尤其涉及显示织物(fabric)状特性的柔性平板显示器。本发明进一步涉及柔性平板显示器的制造方法以及用于平板显示器的柔性衬底。
柔性平板显示器目前正处于发展阶段。然而可以设想在广泛变化的环境中具有日益增长的市场，其中柔性平板显示器具体地经受张应力、压应力和剪切应力，同时维持了平板显示器的功能性。平板显示器在制造中受到了压力负载，例如在将多层键合在一起时以及在弯曲和接触该显示器时。然而，平板显示器的柔性确保最大可能数目的平板显示器仍将能工作。
柔性平板显示器已经在较早的专利申请中得以描述。例如，英国专利申请No.GB2337131A描述了一种LCD及其制造方法，其中该LCD包括由壁状衬垫分隔的两层衬底。该LCD被专门设计以满足条件qL4/Eh3≤π5V/48，其中‘q’为制造时施加的压力，例如键合压力，‘L’为壁状衬垫之间的距离，‘E’为衬底的弹性模量，‘h’为衬底的厚度，‘V’为界定于两层衬底和壁状衬垫之间单元的厚度的容许变化。通过制造这样的LCD元件，即，在垂直于衬底表面施加压力期间能够维持均匀的单元厚度(间隙)并提供优越显示LCD元件，可使根据上述英国专利申请的关于LCD的上述条件得到满足。
此外，国际专利申请No.WO 02/43032描述了一种柔性显示装置，其包括柔性衬底和贴附到该衬底的多个行电极和列电极，在行电极和列电极之间存在显示材料。用于衬底的材料可以是无机玻璃或者聚合物薄膜。然而，在上述国际专利申请中描述的柔性显示装置利用了非晶和/或半晶聚合物，在显示器正常工作条件下这些聚合物处于其玻璃态。
实际上，液晶显示器通常形成于玻璃衬底上，尽管塑料显示器使用了聚合物基衬底，但从衬底开始的制备方式是相似的。大部分(尽管不是所有的)塑料衬底可实现质轻、不易破损的柔性显示器，但是由于曲率只能大于单个半径，因此这些显示器仍然与纸类似的方式表现(behave)，这使得这种显示器例如不适用于服装外套。
因此，本发明的目标是提供呈现织物状特性的一种柔性平板显示器，即，其中沿“经线(warp)”和“纬线(weft)”方向的伸展受到的限制为百分之几，沿与“经线”和“纬线”对角方向的伸展受到的限制量级为百分之几十。本发明的另一个目标是提供这种柔性平板显示器的制造方法以及用于这种平板显示器的柔性衬底。
根据本发明，提供了一种柔性平板显示器，包括至少部分由复合材料形成的第一衬底，该复合材料包括弹性材料和用于限制所述弹性材料的弹性的纤维和/或颗粒材料。
因此，本发明提供了一种无源柔性平板显示器，其表现类似于织物之处在于，该平板显示器可同时弯曲成两个半径以上的至少两个曲率半径(即，实现例如球形变形或者变形成鞍状)和/或沿至少一些方向伸展，使得该显示器可以被很好地集成到服装外套等之中，由此提供了适宜穿戴的电子器件等方面的突破。当然，应当理解的是，根据应用需要，该显示器可以是简单的指示器(即，低分辨率或分段显示器)或更高分辨率显示器。
该复合材料可包括弹性材料和纺织材料。该纺织材料可嵌在弹性材料中，和/或使用弹性材料浸渍(impregnate)该纺织材料。该弹性体可包括任何橡胶或类橡胶聚合物，例如基于硅树脂、氨基甲酸乙酯、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯橡胶、丙烯酸橡胶、丁二烯橡胶、choloprene橡胶、丁腈橡胶、1-1丙烯橡胶、氟化橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶或其任何组合。适当的纺织材料包括例如天然纺织纤维，例如羊毛和棉纱；合成纺织纤维，例如聚酰胺、聚酯、粘胶和丙烯酸树脂；以及产业用纤维，例如玻璃、碳和大力玛(Dyneema)(RTM)，即伸展的聚乙烯纤维，或这些纤维混合物的共聚物。
可由任何聚合物薄膜制成该第一衬底，其中该聚合物薄膜在典型平板显示器的正常工作条件下处于其橡胶状态。也就是说，该材料具有的玻璃转变温度低于典型平板显示器的正常工作条件，例如低于80℃、低于60℃、低于40℃、低于30℃、低于0℃、低于-20℃、低于-40℃。
在备选实施例中，不使用上述纺织材料，而可以使用填充成分例如珠或杆强化该弹性材料。在使用杆、纤维或颗粒的情况下，可以按照许多不同方式之一进行布置，例如其可以整齐排列、随机、交叠地布置等。
此外，根据本发明，提供了一种柔性平板显示器的制造方法，该方法包括提供定义衬底所需表面图案的模具；通过复制工艺产生至少一个弹性衬底，该复制工艺包括使用液态弹性材料涂敷所述模具或者将所述模具挤压到软化弹性材料内；致使所述弹性材料凝固；以及，随后将所述弹性材料从所述模具释放。
该方法优选地进一步包括通过所述复制工艺产生两个弹性衬底，以及将所述两个弹性衬底层叠在一起，使电光显示材料位于所述两个弹性衬底之间。
致使该弹性材料凝固的步骤可包括，例如，固化该弹性材料，使该弹性材料冷却或主动地冷却该弹性材料。
在该衬底是由包括弹性材料和纺织材料的复合材料形成，且该复制工艺包括使用液态弹性材料涂敷该模具的情况下，该方法可进一步包括将纺织材料层设置在涂敷于所述模具上的该弹性材料内。备选地，该模具可使用液态树脂涂敷，纺织材料层可被挤压至该液态树脂层内。在任一种情况下，可使用该弹性材料浸渍纺织材料。
如果致使所述弹性材料凝固的步骤包括固化，则该固化步骤可包括例如热固化或使用紫外辐射的固化。该模具可包括其上具有图形化抗蚀剂层的基板(base plate)。在优选实施例中，在将两个衬底层层叠在一起之前，可将导电层和/或对准层提供于至少一个衬底上。
该电光显示材料可包括液晶、电致变色或电泳成分、发光成分、有机或无机发光成分、或其任意组合。实际上，甚至等离子体也可用作该电光介质。
本发明还进一步涉及根据上述方法制造的柔性平板显示器。
此外，根据本发明，提供了一种用于柔性平板显示器的衬底，所述衬底由包括纤维和/或颗粒材料以及弹性材料的复合材料构成。
该显示器有益地配备有导线，优选地基本以该导线的方向导向所述纺织材料的至少部分纤维。形成该纺织材料的至少部分纤维有利地具有导电性，从而增强最终得到的导电图案的导电性。
此外，根据本发明，提供了用于柔性平板显示器的柔性衬底的制造方法，该方法包括提供定义所述衬底的所需表面图案的模具；使用液态弹性材料涂敷所述模具；致使所述弹性材料凝固；以及随后将所述弹性材料从所述模具释放。
根据此处描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并将参考这些实施例详细描述本发明。
现在将仅通过实例并参考附图描述本发明的实施例，附图中

图1为根据本发明第一示范实施例用于柔性平板显示器的衬底的剖面示意图；图2为根据本发明第二示范实施例用于柔性平板显示器的衬底的剖面示意图；图3示出了根据本发明示范实施例的平板显示器制造方法的原理步骤的示意性流程图；图4为根据本发明示范实施例的制造方法中使用的模具的剖面示意图；图5示出了根据本发明示范实施例的制造方法中步骤示意图，藉此将两个显示衬底层叠在一起以用于单元组件，例如液晶(LC)的电光显示材料位于其间；图6示出了在根据本发明示范实施例的柔性平板显示器制造方法中通过接触印刷工艺将导电层或对准层施加到显示器衬底的步骤示意图；图7示意性示出了用于根据本发明示范实施例的制造方法的采用“模具上”应用对准层和导电层的复制工艺；以及图8为根据本发明示范实施例包括“燕尾”肋结构的衬底的示意性透视图。
因此，本发明的目标是提供前述的呈现织物状特性的柔性平板显示器，使得该显示器在正常工作条件下可以同时在至少两个曲率半径弯曲。
美国专利6,624,565B2描述了包括多种编织或针织纤维的电光显示器，其中部分纤维包括导线。这些纤维形成其间定义了单元的柔性承载网络，电光活性材料层填充这些单元。第一导电层覆盖该网络的一侧，该层是透明或半透明的并与导线电学接触。第二导电层覆盖该网络的另一侧，但是与导线绝缘。尽管该文件描述了一种电光显示器，其原理上似乎呈现类似织物的特性，但实际上具有两个主要缺点。首先，由于其发射性，其消耗大量的能量，且这里所使用的无机电致发光显示原理的高驱动电压还使其不适合用于可穿戴的服装外套等。
国际专利申请PHNL021006EPP描述了一种柔性平板显示器，其中衬底由弹性模量小于等于1.5Gpa的橡胶或类似橡胶材料形成，使其能够被弯曲至低的曲率半径。
另一方面，传统液晶显示器等通常在玻璃上制成。本发明提议不使用玻璃，而是使用复合弹性/纤维和/或颗粒材料制作用于平板显示器的衬底。
参考附图的图1，根据本发明示范实施例的单个显示衬底包括设有多个壁状衬垫的弹性物体10，其中纺织(编织)织物层14嵌在弹性物体10内(可选的)。优选地，沿着该显示器的导线16的方向导向该纺织纤维。
存在好几种在弹性体中并入纤维的选择可将该织物或纤维并入在前显示衬底和后显示衬底中。在单向纤维的情况下，优选地以与同一衬底的导线相同的方向排列所述纤维。
当该织物或纤维应用于前衬底时，有益的是，这些纤维应该非常薄(≤100nm)或者具有与弹性衬底材料基本相同的折射率。
对于反射型显示器(例如CTLC、电泳或电致变色显示器)，可将不透明的织物并入后衬底。
在备选实施例中，不是使用上述的纺织材料，可以使用例如珠或杆的填充成分强化该弹性材料。在使用杆的情况下，可按照许多种不同方式之一进行布置，例如这些杆可以整齐排列、随机排列、以及交叠。实际上，应该理解，这些纤维和/或颗粒材料可以按照多种不同方式之一布置，例如可以整齐排列、随机排列、交叠等。
应该理解，在本发明一些示范实施例中，上述纺织材料是可选的。在并不并入纺织材料或织物的情况下，可以使得该衬底沿所有方向伸展(实际上，一些弹性体可实现400％的延长)。然而这种超弹性的缺点在于，可能引发维持用于显示效果的空穴和/或电极图案的完整性/导电性的问题。因此，纤维和/或颗粒材料的并入具有将该超弹性减小到具有织物本身更加天然的弹性大小，即，沿经线和纬线方向的伸展降低到几个百分比，而剪切运动(沿与经线和纬线对角方向的伸展)降低到几十个百分比。优选将经线和纬线与电极图案的方向对齐，从而降低这些电极上的应变，同时减轻完整性和导电性的潜在问题。
因此，通过将矩阵显示器内的电极图案与纺织层14的织纹(weave)对齐，通过在衬底10内并入薄的导电纤维20，电极图案可用于辅助导电图案16中的导电，其中衬底10中的导电纤维20在特定位置接触导电图案16，如附图的图2中示意所示。
现在将参考附图的图3描述根据本发明示范实施例的平板显示器制造方法。本发明的一个方面提议使用复制工艺以产生显示衬底。用于制造微米及纳米结构的传统软光刻技术依赖于对由底版(master)形成的图形化弹性印章的复制，其中该底版可以使用单层形成的墨水进行涂墨。随后该印章在公知的微接触印刷工艺中被用于印刷图案。已经显示，在使用这种复制技术的软光刻中可以获得非常高的精确度。
因此，按照类似的方式，在根据本发明示范实施例的制造方法所采用的复制工艺中，液态弹性体可被涂敷到包括凹陷24的模具22上，其中在最终显示器中在这些凹陷24位置需要形成衬垫，如附图的图4示意所示。因此，简单模具22可包括由诸如金属或玻璃的刚性材料形成的基板26，该基板26配备有定义上述凹陷24的图形化抗蚀剂层28。该图形化的抗蚀剂层可通过诸如光刻的任何公知技术形成，从而获得期望的结构。应当理解，例如通过使用多层抗蚀剂或通过蚀刻或雕刻(例如利用电子束)可制造更加复杂的结构。
预先浸渍了弹性体的一片织物14可安装在弹性体涂层内。备选地，模具22可涂敷液态树脂，且该织物随后被挤压到该润湿层内。在任一种情况下，在(热学地或使用UV)固化该弹性体之后，将所形成的衬底10从模具22释放。可以以与微接触印刷领域所说明的相同高精度来执行该复制工艺，且也可用以实现液晶分子的衬垫和/或对准结构的复制。
应该进一步理解，上述用于制作模具22的技术为简单的示例，对本领域技术人员而言其他技术是显而易见的。例如，该模具可以在聚合物、金属或介电薄膜内被蚀刻以优化参数，例如图案分辨率、模具边缘陡峭性、附着/释放、气泡形成等。还可以将该模具电化学复制成金属(例如镍)模具，从而使模具具有显著的耐用性。
在复制显示衬底10之后，在该衬底上沉积结构导电层以及对准层。在传统液晶显示器中，用于产生该导电层的导电材料为ITO(氧化铟锡)，但是在本发明的情况下，这种材料并不理想，因为本发明的目标是提供一种其形变相对较大的显示器，而使用ITO会将显示器的可能形变量限制成小于1％，这是ITO薄膜破裂的临界应变。因此提议使用可允许更大形变的有机导电材料来代替，例如PEDOT或PANI。
存在多种制作导线16的可能方式。例如，可通过喷墨印刷方法进行实施。其他可能的方法则依赖于制作具有特殊几何的衬垫和/或表面改性的使用，如申请人在未决的申请No.PHNL030393EPP中所述。可以例如旋转涂布或溅射该对准层。
随后通过将两个显示衬底10层叠在一起来组装显示单元，其中两个显示衬底10的线图案彼此垂直，且其间存在液晶30，如附图的图5所示。
为了密封该结构，存在可以组合使用的许多选择。例如，可以使用和该衬底密封材料相当的密封材料。由于胶合物或胶合物中的溶剂会引起衬底膨胀，所以它将提供良好粘附。对于一些橡胶(例如热塑性弹性体)，热密封(或焊接)是备选的选择。
在又一个实施例中，可以将树脂溶解到电光层30(例如液晶、电解液、电泳液体)中，可选择该树脂，以使得在UV曝光下，其发生反应并将两个衬底10粘附在一起(也可参见对LCD的分层)。
在本发明另一个示范实施例中，可在模具22顶部上涂敷有机导体，之后再应用该弹性树脂。因此，在从模具释放该弹性衬底期间，导体现在被转移到新制作的衬底。可通过接触印刷工艺将对准层或导电层32应用到模具22，其中使得其上具有对准层或导电层材料涂层的滚筒34与该模具22的图形化抗蚀剂层28接触，如图6示意所示。
在上述的接触印刷工艺之后，参考附图的图7，随后使用液态弹性体涂敷模具22，一旦通过冷却或固化而凝固，就将弹性体衬底10从模具释放，导电层34已经被转移到该弹性体上，如图所示。
为了防止显示器内部的流动，优选以密封全部像素的方式制成衬垫结构12，如图8所示，其中示出了具有“燕尾”的肋衬垫结构12，导线16介于其间。
因此，本发明的示范实施例，如前所述，提供了可以集成到例如服装等的织物状显示器。结果得到的显示器极其耐用，甚至可以制成是可清洗的。制造该显示器的方法相对非常简单，本发明的应用领域包括显示器(可穿戴的、便携的)、指示器(可穿戴的)、运动装、职业制服、纺织品和时装。
应该注意，上述实施例阐述了而并非限制本发明，在不偏离由所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以设计出许多备选实施例。在权利要求书中，置于括号内的任何附图标记不应理解成对该权利要求的限制。单词“包括”和“包含”等并不排除任一权利要求或整个说明书中所列举的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。引用的单数元件并不排除多个这种元件，反之亦然。通过包括多种不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机，可以实施本发明。在列举多个装置的设备权利要求中，可由一个相同项的硬件来实施这些装置中的多个装置。简单的事实在于，在互不相同的从属权利要求中引用的特定措施，这并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求
1.一种柔性平板显示器，包括至少部分由复合材料形成的第一衬底(10)，所述复合材料包括弹性材料和用于限制所述弹性材料的弹性的纤维和/或颗粒材料。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中所述复合材料包括弹性材料和纺织材料(14)。
3.根据权利要求2所述的显示器，包括导线，其中基本以所述导线的方向导向所述纺织材料(14)的至少部分纤维。
4.根据权利要求2或3所述的显示器，其中形成所述纺织材料(14)的至少部分纤维具有导电性。
5.根据权利要求1至4任一项所述的显示器，其中所述纤维和/或颗粒材料(14)嵌在所述弹性材料内。
6.根据权利要求1至5任一项所述的显示器，其中使用弹性材料浸渍所述纤维和/或颗粒材料(14)。
7.根据前述任一项权利要求所述的显示器，其中所述弹性材料包括橡胶或类橡胶聚合物，所述橡胶或类橡胶聚合物基于下述一种或多种材料硅树脂、氨基甲酸乙酯、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯橡胶、丙烯酸橡胶、丁二烯橡胶、choloprene橡胶、丁腈橡胶、1-1丙烯橡胶、氟化橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶或其任何组合。
8.根据权利要求1所述的显示器，其中所述第一衬底(10)由包括使用填充成分强化的弹性材料的复合材料形成。
9.根据权利要求1至8任一项所述的显示器，其中所述衬底(10)包括肋形衬垫结构。
10.根据权利要求9所述的显示器，其中布置和配置所述衬垫结构以基本上密封整个像素。
11.一种柔性平板显示器制造方法，所述方法包括提供定义衬底(10)所需表面图案的模具(22)；通过复制工艺产生至少一个弹性衬底(10)，所述复制工艺包括使用液态弹性材料涂敷所述模具(22)或者将所述模具挤压到软化弹性材料内；致使所述弹性材料凝固；以及，随后将所述弹性材料从所述模具(22)释放。
12.根据权利要求12所述的方法，包括通过所述复制工艺产生两个弹性衬底(10)，将所述两个弹性衬底层叠在一起，使电光显示材料(30)位于所述两个弹性衬底之间。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中致使所述弹性材料凝固的步骤包括固化所述弹性材料、使所述弹性材料变冷或主动地冷却所述弹性材料中的一种或多种。
14.根据权利要求11至13任一项所述的方法，包括将纤维或颗粒材料(14)设置或挤压到所述液态或软化弹性材料之内或之上。
15.根据权利要求14所述的方法，包括将纺织材料(14)的层设置或挤压在所述液态或软化弹性材料之内或之上。
16.根据权利要求14所述的方法，其中使用弹性材料浸渍所述纺织材料(14)。
17.根据权利要求11至16任一项所述的方法，其中致使所述弹性材料凝固的步骤包括热固化或使用紫外辐射的固化。
18.根据权利要求11至17任一项所述的方法，其中所述模具包括其上具有图形化抗蚀剂层(28)的基板(26)。
19.根据权利要求12至18任一项所述的方法，其中在将所述两个衬底(10)层叠在一起之前，在至少一个所述衬底(10)上提供导电层(34)和/或对准层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述复制工艺包括将导电图案和/或对准层应用到所述模具(22)；使用液态弹性材料涂覆所述模具(22)或将所述模具(22)挤压到软化弹性材料内；致使所述弹性材料凝固；以及随后从所述模具(22)释放所述弹性材料和所述导电图案和/或对准层。
21.根据权利要求12至20任一项所述的方法，其中所述电光显示材料包括液晶、电致变色或电泳成分、发光成分、有机或无机发光成分、聚合物发光成分、等离子体、或其任意组合。
22.根据权利要求11至21任一项所述的方法，其中通过所述复制工艺在所述衬底(10)上产生对准结构和/或衬垫。
23.根据权利要求12至22任一项所述的方法制造的柔性平板显示器。
24.包括有根据权利要求1至10或23任一项的柔性平板显示器的外套。
25.一种用于柔性平板显示器的衬底(10)，所述衬底(10)由包括纤维和/或颗粒材料(14)的复合材料以及弹性材料形成。
26.一种用于柔性平板显示器的柔性衬底(10)的制造方法，所述方法包括提供定义所述衬底(10)的所需表面图案的模具(22)；使用液态弹性材料涂敷所述模具或者将所述模具(22)挤压到软化弹性材料内；致使所述弹性材料凝固；以及随后将所述弹性材料从所述模具(22)释放。
全文摘要
一种呈现类似织物性能的柔性平板显示器，包括由弹性材料形成的衬底(10)，优选其中嵌入了纺织材料(14)层。布置和配置衬底(10)以具有特定弹性模量，使得所述显示器在正常工作条件下可以在至少两个曲率半径同时弯曲和/或沿一个或多个方向伸展。结果得到的显示器可以结合在例如服装等之中。此外，描述了柔性平板显示器的制造方法。
文档编号G02F1/1333GK1957290SQ200580017023
公开日2007年5月2日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月28日
发明者P·J·斯利克韦尔, J·M·J·登图恩德, N·维拉德, N·D·杨, M·J·J·多纳 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司