摩擦辊及其制造方法与流程

本发明涉及一种摩擦辊及其制造方法，更具体地说，涉及一种用于形成具有微细凹槽以均匀地布置液晶显示设备的液晶分子的定向膜的摩擦辊及其制造方法。

背景技术：

通常，液晶显示设备主要包括：液晶显示面板，用于通过使用液晶分子的双折射特性显示图像；以及背光组件，设置在液晶显示面板之下，以提供光。

其中，液晶显示面板包括：薄膜晶体管衬底，在该薄膜晶体管衬底上以格栅形状布置有用于显示图像的像素电极以及用于开关该像素电极的薄膜晶体管；以及彩色滤光片衬底，该彩色滤光片衬底面向薄膜晶体管衬底，以使上述液晶分子介在彩色滤光片衬底和薄膜晶体管衬底之间，并且在该彩色滤光片衬底上形成有薄膜形态的RGB像素。其中，在薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底分别面向液晶分子的表面上提供定向膜，以均匀地布置液晶分子。

通过使用包括附着在摩擦辊的外周面的摩擦纸张的摩擦辊摩擦薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底的彼此面对的表面而形成具有微细凹槽的上述定向膜。相应地，使定向膜具有均匀的微细凹槽时的重要因素包括恒定摩擦角度、恒定压力、恒定速度、摩擦辊与薄膜晶体管衬底或彩色滤光片衬底之间的平行度、摩擦时所生成的灰尘和静电的去除以及摩擦纸张的粘附状态。具体地说，在这些因素当中，由于需要非常精确地形成微细凹槽，所以摩擦辊与薄膜晶体管衬底或彩色滤光片衬底之间的平行度被视为最重要的因素。

然而，由于摩擦辊整体上具有以金属材料制成的圆柱体形状，因此当对随着最近趋于大面积化的液晶显示设备而具有增加的尺寸的薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底进行摩擦时，其中心部分可能因无法制成自身重量而下垂，从而导致发生无法维持平行度的严重的问题。

技术实现要素：

技术问题

本发明的一目的在于提供一种摩擦辊，其不仅能够保持与大面积衬底的平行度，并且包括稳定附着在其外周面的金属层。

另外，本发明的另一目的在于提供一种制造上述摩擦辊的方法。

技术方案

为实现本发明的上述一目的，摩擦辊的特征在于包括：主体，以碳纤维增强复合材料(下文中称为CFRP)制成且呈圆柱形；粘结涂层，涂覆在所述主体的外周面并且以碳材料制成；以及金属层，附着在所述粘结涂层的外周面。

根据一实施例，所述粘结涂层可以包括石墨或碳黑材料。

根据一实施例，所述粘结涂层可以具有2e^-6(m/m)/K至5e^-6(m/m)/K的热膨胀系数。

根据一实施例，所述粘结涂层可以具有10μm至1000μm的厚度。

根据一实施例，所述粘结涂层可以具有1.5μm至15μm的表面粗糙度。

为实现本发明的上述另一目的，制造摩擦辊的方法的特征在于包括：制备以碳纤维增强复合材料(CFRP)制成且呈圆柱形的主体；将包括粘接剂树脂和溶剂的碳材料涂覆在所述主体的外周面；热固化所涂覆的碳材料，以移除部分或整个所述粘接剂树脂或所述溶剂，由此形成稳定的粘结涂层；以及通过使用金属材料对所述粘结涂层的外周面进行热喷涂，以形成金属层。

根据一实施例，所涂覆的材料可以包括石墨或碳黑材料。

根据一实施例，所涂覆的材料可以具有2e^-6(m/m)/K至5e^-6(m/m)/K的热膨胀系数。

根据一实施例，热固化以形成所述粘结涂层可以包括：在室温进行自然干燥；以及在80℃至400℃的温度下进行热固化。

根据一实施例，所述自然干燥和在80℃至400℃的温度下进行的所述热固化可以分别执行0.5小时至72小时。

根据一实施例，所述制造摩擦辊的方法在形成所述粘结涂层之后，还可以包括：研磨所述粘结涂层，以使所述粘结涂层具有1.5μm至15μm的表面粗糙度。

发明效果

根据上述摩擦辊及其制造方法，由于通过使用包括以具有高强度特性的碳纤维增强复合材料(下文中称为CFRP)制成的主体作为基本框架的摩擦辊，执行用于为衬底(例如液晶显示设备的薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底)形成具有微细凹槽的定向膜的摩擦工艺，因此即使摩擦辊的长度与随着最近的液晶显示设备的大面积化趋势而具有增加的尺寸的薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底对应地变得更长，摩擦辊的中心部分也不会下垂，并且能够保持与衬底的平行度。相应地，能够通过使用稳定地保持平行度的摩擦辊更加精确地形成定向膜的微细凹槽。

此外，以CFRP制成的主体由于基于材料特性的表面粗糙度而容易生成异物，因此难以执行高精度的摩擦工艺，鉴于此，通过使用具有显著低的表面粗糙度的金属材料对主体的外周面进行热喷涂。相应地，本发明在形成稳定地附着在主体的外周面并固化的粘结涂层后，对粘结涂层的外周面进行热喷涂以形成金属层，从而能够通过粘结涂层凭借进一步改进的粘附力附着金属层。因此，当使用根据本发明所制造的摩擦辊时，不仅能够非常精确地并且稳定地形成上述微细凹槽形态的定向膜，并且能够延长摩擦辊的组件的寿命以带来减少成本的效果。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的摩擦辊的示意性立体图。

图2是沿着图1的直线I-I'截取的截面图。

图3是示出图2的部分A的放大视图。

图4是按顺序示出制造图1中的摩擦辊的方法的视图。

具体实施方式

下文中，将参照附图详细描述根据本发明实施例的摩擦辊及其制造方法。由于本发明可以施加各种修改，且可具有各种形态，附图中示意性地示出特定实施例并且在具体实施方式中进行描述。然而，对此应当理解为，并非意在将本发明限制为所公开的特定的形态，并且本发明将覆盖本发明的构思和技术范围内的所有修改、等同物以及替换。在针对各附图的说明中，使用了相似的附图标记以指代相似构成要素。在附图中，为了使得本发明更为清楚，相比实际，放大示出了每个结构的尺寸。

第一和第二等术语可用于描述多个构成要素，但这些构成要素不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个构成要素区分于其它构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的情况下，第一构成要素可以被命名为第二构成要素，并且相似地，第二构成要素可以被命名为第一构成要素。

本申请中所使用的术语仅用以说明特定实施例，而非意在限制本发明。单数形式的表述包括复数形式的表述，除非在上下文中有明确的相反的含义。本申请中，“包括”或“具有”等术语应当被理解为，意在指定说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在，而不是预先排除一个或多个其它特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。

除非另有定义，本发明中所使用的所有术语(包括技术术语或科学术语)具有与本领域普通技术人员的通常理解相同的含义。至于通常使用的字典中有所定义的术语，应被解释为具有与上下文中所具有的本领域的含义一致的含义，且不应被解释为理想化的含义或过于形式化的含义，除非本发明中另有明确定义。

图1是根据本发明一实施例的摩擦辊的示意性立体图，图2是沿着图1的直线I-I'截取的截面图，图3是图2的部分A的放大视图。

参照图1至图3，根据本发明实施例的摩擦辊100用于对作为待处理的对象的衬底执行摩擦工艺。

例如，摩擦辊100可以在薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底上形成微细凹槽形态的定向膜，以均匀地排列介于薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底之间的液晶显示设备的液晶分子。详细地说，摩擦辊100可以通过在其表面上附着的摩擦纸(未示出)，对薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底进行摩擦，以形成微细凹槽。

摩擦辊100包括充当基本框架的呈圆柱形的主体200。主体200以碳纤维增强复合材料(CFRP)制成。在此，CFRP是碳纤维以及使碳纤维彼此结合的各种热固性树脂的复合材料，其不仅归因于碳纤维的结构而具有较高的强度，而且由于比重约为铝的60％而具有超轻的特征。此外，CFRP具有约1e^-6(m/m)/K的非常低的热膨胀系数，因此不产生热收缩和热膨胀。此外，由于CFRP的高强度特性，即使在主体200中形成有穿过其中心的中空210，主体200也具有足够的强度，因此可以进一步减少其重量。

如上所述，由于以具有高强度特性的CFRP制成充当摩擦辊100的基本框架的主体200，因此即使在其长度与随着最近的液晶显示设备的大面积化趋势而具有增加的尺寸的的薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底对应地加长的情况下，其中心部分也不会下垂并且能够稳定地保持与衬底的平行度。相应地，可以通过使用稳定地保持平行度的摩擦辊100更加精确地形成定向膜的微细凹槽。

在此，由于材料特性，以CFRP制成的主体200与金属材料相比，具有非常高的表面粗糙度。在此情况下，不仅由于从主体200的表面容易生成异物，而且由于当为了更换摩擦纸张(未图示)而移除用于附着其的胶粘带时，胶粘带的胶粘物保留在主体200的粗糙表面上，因此在执行如同定向膜的要求高精度的摩擦工艺方面有局限性。

因此，利用等离子体对主体200的外周面进行热喷涂，以形成金属层300。可以基本上以几乎没有表面粗糙度且具有优异的抗腐蚀性的不锈钢(以下简称为SUS)制成金属层300。

如上所述，当直接对主体200的外周面进行热喷涂以提供金属层300时，在1000℃的高温熔化的金属颗粒附着在主体200的CFRP的表面并且瞬时地自然冷却，而在过程中，CFRP中所包含的树脂成分在主体200的表面上一同熔化以减少表面面积，同时其性质以及形状也会改变，由此可能导致减少金属层300的粘附力。此外，主体200的CFRP由于其材料特性而展现与金属层300的热膨胀系数5e^-6(m/m)/K有显著差异的热膨胀系数，因此可能发生金属层300在工艺期间因周围温度变化而脱离的现象。鉴于上述原因，根据本发明的摩擦辊100还可以包括位于主体200与金属层300之间的粘结涂层400，用以改进金属层300的粘附力。

以去除如上所述当进行热喷涂以提供金属层300时导致粘附力的减少的树脂性质的材料制成粘结涂层400。此外，粘结涂层400优选以具有与CFRP的特性相似的特性的材料制成，从而稳定地附着在主体200。例如，可以通过具有高弹性碳耦合的石墨或碳黑材料制成粘结涂层400。

其中，由于石墨材料具有在真空和惰性气体中可承受约2000℃并且在大气中可承受作为碳(C)的氧化温度的450℃的优异抗热性，因此在当利用等离子体进行热喷涂以形成金属层300时所生成的1000℃的高温下，也可以在没有形变的情况下保持原状。也就是说，可以防止可能由于形变而导致的金属层300的粘附力的减少。

此外，为了补偿主体200与金属层300的热膨胀系数之间的显著差异，可以通过具有作为其中间值的约2e^-6(m/m)/K至5e^-6(m/m)/K的热膨胀系数的材料制成粘结涂层400。

此外，粘结涂层400可以具有约10μm至1000μm的厚度t1。这是因为，当粘结涂层400的厚度t1小于约10μm时，粘结涂层400由于过薄而难以起到在主体200与金属层300之间提高其粘附力的作用，所以不可取，而当粘结涂层400的厚度t1大于1000μm时，不仅在摩擦辊100的总规格内无法确保金属层300，并且由于石墨非常昂贵而导致材料成本增加，所以不可取。

此外，粘结涂层400的外周面上所形成的金属层300优选具有约300μm至500μm的厚度t2。这是因为，当金属层300的厚度t2小于300μm时，其强度可能太低，以致于在摩擦工艺期间损坏的可能性较高，由此可能会减少摩擦辊100的寿命，所以不可取，而当金属层300的厚度t2大于500μm时，在利用等离子体进行热喷涂后进行空气冷却的过程中，自身金属颗粒之间的应力可能增加，以致于在某一瞬间发生破裂，所以不可取。

此外，粘结涂层400可以具有1.5μm至15μm的表面粗糙度，以确保与金属层300的足够的粘附力。这是因为，当粘结涂层400的表面粗糙度小于1.5μm时，其表面面积可能太窄，以致于减少与金属层300的粘附力，由此发生脱离现象，所以不可取，而当粘结涂层400的表面粗糙度大于15μm时，粗糙凹槽的深度可能超过粘结涂层400的厚度t1，以损坏CFRP，所以不可取。

下文中，将参照图4更详细地描述实质上制造上述摩擦辊100的方法。

图4是按顺序示出制造图1中的摩擦辊的方法的视图。

进一步参照图4，为了制造摩擦辊100，首先在步骤S100中，制备以复合有具有高强度和超轻特性的碳纤维和多种热固性树脂的CFRP制成且呈圆柱形的主体200。

此后，在步骤S200中，将浆状的碳材料涂覆在主体200的外周面。详细地说，可以通过使用涂布、沉积或喷射的方式将具有与CFRP的特性相似的特性的碳材料的浆状物质涂覆在主体200的外周面上。在此，碳材料的浆状物质包括：粘接剂树脂，用于将碳颗粒彼此粘结并且进行稳定以涂覆在主体200的外周面上；以及溶剂(例如变性酒精和有机溶剂)，用于浆状混合。在此，热塑性树脂类的环氧和苯酚树脂可以用于粘接剂树脂，以起到诸如分散、颗粒之间的粘结以及热固化等作用。此外，例如，变性酒精可以包括甲醇、异丙醇(IPA)或乙醇，并且有机溶剂可以包括丙酮、甲苯或己烷。在此，当使用上述溶剂时，可以获得根据当通过涂布、沉积以及喷射的方式涂覆碳材料的浆状物质时所必要的条件(例如混合成分物质的比率、种类和粒度)调整了黏度和流动性的混合浆状的碳材料。

当涂覆所获得的碳材料的浆状物质时，其中所包含的超微细碳颗粒通过与CFRP的碳纤维执行滑动(slip)作用，以渗透进入碳纤维碳纤维与热固性树脂之间的空隙和微粒边界，同时通过超微细碳颗粒与碳纤维之间的由相同种类的碳化物产生的相互吸附固定并固化为单层，由此能够以较强的粘附力实现涂覆。在此，例如，碳材料可以包括石墨或碳黑。

随后，在步骤S300中，对作为单层的所涂覆的材料进行热固化，以使其中所包含的粘接剂树脂以及溶剂(例如变性酒精和有机溶剂)起反应并移除(即挥发)其部分或整体，由此形成粘结涂层400。在此，粘结涂层400可以通过热固化，还移除或挥发包括树脂成分在内的杂质(例如其中的其它添加剂或催化剂)，以使粘结涂层400稳定。详细地说，当对碳材料进行热固化时，会发生挥发反应，以移除树脂成分和杂质，由此其内部会形成非常稳定的结合结构。形成粘结涂层400的上述步骤S300可以分为在室温下的自然固化的过程以及再次在高温下进行热固化的过程而执行。

在此，自然固化过程用于稳定以维持在步骤S200中涂覆有包括粘接剂树脂和溶剂的物质的状态，因此优选执行约0.5小时至72小时。这是因为，当自然固化过程执行小于约0.5小时的时间时，由于时间过短而无法稳定步骤S200中的涂覆状态，并且此时执行的溶剂的挥发反应无法正确地得以执行，因此不可取，而当自然固化过程执行大于约72小时的时间时，虽然步骤S200中的涂覆状态充分稳定，但由于过长的工艺时间而导致成本增加，因此不可取。在此，用于自然固化的时间可以根据碳材料的种类以及其中所包含的粘接剂和溶剂的成分的种类和混合比率，在上述范围内进行多种改变。

此外，上述在高温下的热固化过程在高温下对已稳定的涂层进行热固化，以实质上进行粘接剂树脂和溶剂的反应、固化、挥发以及移除工艺过程中所生成的杂质。详细地说，可以在约80℃至400℃的温度下执行热固化。这是因为，当在小于约80℃的温度执行热固化过程时，由于温度过低而无法通过加热执行固化，因此不可取，而当在大于约400℃的温度下执行热固化过程时，由于其温度太高以致于CFRP中所包含的热固性树脂熔化并导致表面软化，由此减少粘附力，因此不可取。在此，热固化温度可以根据碳材料的浆状物质的种类以及其中所包含的粘接剂树脂和溶剂的种类以及CFRP中所包含的热固性树脂的种类，在上述范围内进行多种改变。

此外，热固化过程优选执行约0.5小时至72小时。这是因为，当热固化过程执行小于约0.5小时的时间时，由于时间过短而无法产生用于移除粘接剂树脂、溶剂以及杂质的挥发反应，因此不可取，而当热固化过程执行大于约72小时的时间时，如同上述自然固化过程，由于过长的工艺时间，导致成本增加，因此不可取。在此，进行热固化的时间可以根据包括粘接剂树脂和溶剂的材料的涂覆厚度以及其中所包含的粘接剂树脂和溶剂的种类和比率，在上述范围内进行多种改变。

优选地，在惰性气体氛围或真空氛围执行上述热固化过程，以防止与空气中的氧气的反应所产生的物质状态的变化。然而，应当理解，只要热固化过程设计为温度不会达到与氧气产生反应的450℃以上的反应温度，以致于与氧气的反应程度实质上不会引起严重的问题，也可以在空气大气中执行热固化过程。

此外，可以通过凭借注入冷却气体或空气的快速冷却进一步稳定通过执行热固化过程而移除粘接剂树脂、溶剂和杂质后所形成的粘结涂层400。另外，根据粘结涂层400的目标厚度，涂覆包含粘接剂树脂和溶剂的物质的步骤S200以及移除部分或整个粘接剂树脂和溶剂以形成稳定的粘结涂层400的步骤S300也可以重复进行预定次数。因此，粘结涂层400可以形成为具有如以上参照图1至图3所描述的10μm至1000μm的厚度t1。

下文中，将如下更详细地描述实质形成上述粘结涂层400的方法。

为了形成上述涂覆层400，首先，制备混合浆料，其中，纳米至微米粒度的石墨或碳黑粉末与乙醇分散混合。随后，将稀释了作为有机溶剂的丙酮和环氧树脂的稀释溶液与所制备的混合浆料进行搅拌，以制备碳材料的浆状物质。在此，为了均匀分散，优选分别独立地制备混合浆料和稀释溶液后进行混合搅拌。此外，通过调整黏度和流动性而制备碳材料的浆状物质，以便能够通过喷射工艺进行涂覆。此外，由于混合浆料有可能在室温缓慢地固化并通过自然挥发而失去混合组分比例，因此混合浆料需要在制备后立即使用。根据需要，混合浆料优选放置在与大气完全隔绝的容器中，以在零温度之下的低温环境中进行保管。此后，碳材料的浆状物质通过喷射设备被喷射到完成表面加工或清洁工艺的主体200的外周面，以形成具有约300μm至400μm的厚度的涂覆层。随后，经过在自然大气环境中的约一天的稳定和干燥过程，使分散的酒精和有机溶剂受挥发的同时，使所涂覆的碳材料以更稳定的状态紧凑地固定到主体200的外周面。在此，固定的厚度根据需要可以比基准更薄或更厚。此后，固定状态的碳材料物质随主体200装入热处理炉中，以在约130℃的温度下执行约8小时的第一热处理，然后在约300℃的温度下执行约24小时的第二热处理。相应地，在热处理过程期间，所混合的环氧树脂和残余有机溶剂由于高温而产生反应、固化，以提升吸附强度和颗粒之间的粘附强度，同时形成更坚固和紧凑的粘结涂层400。详细地说，暴露于高温的环氧树脂和其它有机材料变成作为主要材料的碳材料的同素异形体后得以稳定，并且残余有机溶剂进行挥发，从而形成单个材料的粘结涂层400。随后，由于经受热处理过程的粘结涂层400具有相对于温度变化的优异稳定性，因此通过自然冷却或强制冷却而将粘结涂层400冷却至室温。可以通过执行一次根据本发明的上述实施例的工艺而获得粘结涂层400，但是可以重复进行多次以获得更紧凑并且更厚的粘结涂层400。

在步骤S300之后，在步骤S400中，对稳定的粘结涂层400的表面及进行研磨处理。在此，可以将粘结涂层400研磨成具有如以上参照图1至图3所描述的1.5μm至15μm的表面粗糙度。

此后，在步骤S500中，对通过移除部分或整个粘接剂树脂和溶剂而稳定的粘结涂层400的外周面，利用等离子体、火焰或放电(arcing)进行金属材料的热喷涂，以形成金属层300。在此，例如，可以通过不锈钢(SUS)材料制成金属材料。此外，金属层300可以形成为具有如参照图1和图3所描述的约300μm至500μm的厚度t2。此后，摩擦纸张(未示出)可以附着在金属层300的外周面，以在薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底上形成微细凹槽形态的定向膜。

如上所述，由于形成稳定地附着并固化在主体200的外周面的粘结涂层400后通过使用金属材料对粘结涂层400的外周面进行热喷涂以形成金属层300，因此可以通过粘结涂层400以改进的粘附力附着金属层300。

详细地说，至于对CFRP的表面进行热喷涂以形成金属层300的第一情况以及对粘结涂层400进行热喷涂以形成金属层300的第二情况，测量了第一情况和第二情况下的粘附强度。作为结果，在第一情况下，测量到约2MPa至3MPa的粘附强度，而在第二情况下，测量到约7MPa至8MPa的粘附强度，其显著大于第一情况的粘附强度。因此，上述效果得以清楚地验证。

相应地，当使用根据本发明所制造的摩擦辊100时，不仅可以将微细凹槽形态的定向膜精确地并且稳定地形成在薄膜晶体管衬底和彩色滤光片衬底中，而且由于提高的金属层300的粘附力而可以延长摩擦辊100的组件的寿命，由此带来减少成本的效果。

虽然前述的本发明的详细说明中参照本发明的较佳实施例而进行了说明，本领域熟练的从业者或本领域普通技术人员应理解，在不脱离所附的权利要求书中所记载的本发明的构思和技术领域的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变更。

工业实用性

如上所述，本发明由于使用包括以碳纤维增强复合材料制成的主体作为基本框架的摩擦辊，因此在针对大面积衬底执行摩擦工艺时，可用于精确地保持与衬底的平行度。

此外，本发明由于在形成稳定地附着并固化在主体的外周面的粘结涂层后对粘结涂层的外周面进行热喷涂以形成金属层，从而提高金属层的粘附力，因此可有效延长摩擦辊的组件的寿命。