专利名称：含有炭黑的黑色矩阵的热转印法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种把黑色矩阵(black matrix)热转印到受体上的方法以及相关的热转印给体片和由其制成的产品。具体地说，本发明涉及用带有含炭黑的给体层的热转印给体片把黑色矩阵热转印到受体上的方法。
背景技术：
在许多显示器应用中，黑色矩阵涂层用于吸收环境光和提高对比度。黑色矩阵形成于显示器的各个橡素或光发射体周围。在许多液晶显示器(LCD)中，黑色矩阵是显示器衬底(substrate)上0.1-0.2微米厚的黑色氧化铬涂层。黑色氧化铬一般溅镀在显示器衬底上，这是一种成本较高的方法。另外，这种黑色氧化铬一般形成具有高于所需反射率的金属表面(这样相应地降低了对比度)。另外，还有与铬有关的环境和健康因素。
已有人提出用树脂黑色矩阵(树脂基质中含有颜料)来代替黑色氧化铬。将树脂黑色矩阵涂覆在显示器衬底上，然后用光刻法形成图形。为了在薄的树脂黑色矩阵涂层中获得高的光学密度，一般必须使用较高的颜料填充量。这样就难于进行光刻，因为用于形成图形的光线(如紫外光(UV))一般不能很好地透射到光学密度高的涂层中。另外，颜料含量高的涂层中树脂含量较少。由于树脂是被蚀刻的涂层组分，所以光学密度高的涂层(即颜料含量高的涂层)不能被干净地蚀刻。
发明概述一般来说，本发明涉及用热转印法在例如用于显示器应用的受体衬底上形成黑色矩阵的方法。具体地说，本发明涉及制造彩色滤色层黑色矩阵和/或TFT(薄膜晶体管)黑色矩阵的方法、适用于该方法的热转印元件和用该方法制得的产品。
一个实施方式是包括衬底、设置在衬底上的像元和设置在像元之间的黑色矩阵的光学显示器。每一个像元包括至少一个用于操作像元的导电元件。该黑色矩阵的光学密度足以提供相邻像元之间的光学对比度、该黑色矩阵的电阻率基本上防止相邻像元的导电元件之间的交扰，以及该黑色矩阵具有与至少部分相邻导电元件基本上持平的厚度。
另一个实施方式是为了分隔相邻的有源器件而把黑色矩阵转印到受体上的热转印元件。该热转印元件包括衬底、光-热转换层和转印层。转印层含有炭黑，且一般成形和设置成在转印到受体上时产生平均电阻率至少为1×1010欧姆-厘米的黑色矩阵。
第三个实施方式是为了分隔相邻的有源器件而把黑色矩阵转印到受体上的热转印元件。该热转印元件包括衬底、光-热转换层和转印层。转印层含有炭黑，且一般成形和设置成在转印到受体上时产生光学密度至少为2.4的黑色矩阵。
最后一个实施方式是显示器的制造方法。该显示器的每个像元包括用于操作像元的导电元件。在给体衬底上形成光热转换层。在光热转换层上形成黑色矩阵转印层。将黑色矩阵转印层与显示器的衬底相接触。用光线按照图形选择性地辐射光热转换层，上述的光线具有至少一个光热转换层能将其转换成热能的波长。然后按照图形将一部分黑色矩阵转印层热转印到显示器的衬底上，形成限定许多像元的黑色矩阵。该黑色矩阵的光学密度足以提供相邻像元之间的光学对比度、它的电阻率基本上防止相邻像元的导电元件之间交扰，以及该黑色矩阵具有与至少部分相邻导电元件基本上持平的厚度。在显示器的衬底上形成每个像元的导电元件。上述的黑色矩阵分隔相邻的导电元件。
本发明的上述概述并没有描述本发明的每一个公开实施方式或每一个实施方案。如下的附图和详细描述更详细地说明这些实施方式。
附图简介参照附图阅读如下对本发明各种实施方式的详细描述可更完整地理解本发明。
图1是在一个受体衬底上形成的本发明黑色矩阵的一个实施方式的示意图。
图2是本发明液晶显示器(LCD)单元的一个实施方式的示意截面图，表示黑色矩阵的可能位置。
图3是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的一个实施方式的示意截面图。
图4是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的第二个实施方式的示意截面图。
图5是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的第三个实施方式的示意截面图。
图6是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的第四个实施方式的示意截面图。
图7A是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的第五个实施方式的示意截面图。
图7B是用于在受体衬底上产生黑色矩阵的本发明热转印元件的第六个实施方式的示意截面图。
虽然对本发明可以作各种改进和变化，但在附图中已说明性地表示了它的细节，并将加以详细说明。然而应当理解，本发明并不局限于上述的具体实施方式
。相反，本发明试图覆盖落入本发明精神和范围内的所有改进形式、等效形式和变化形式。
优选实施方式的详细描述本发明可用于在例如用于显示用途的受体衬底上形成黑色矩阵。具体地说，本发明涉及用热转印法和热转印元件形成黑色矩阵的方法、用于该方法的热转印元件和由该方法制得的产品。上述的热转印元件包括衬底、光热转换层和含有炭黑的黑色矩阵转印层。虽然没有对本发明作这样的限制，但通过讨论下述的实例可以理解本发明的各个方面。
图1示意性地表示在受体衬底102上形成的黑色矩阵100，并产生例如可透过背光源(未示出)光线的窗孔104。窗孔104相当于各个像元和/或元件(如液晶、滤色层等)。这种黑色矩阵100提高了对比度，并吸收环境光。
图2示意性表示了TFT(薄膜晶体管)显示像元200的一个实例的截面图。应当理解，可以使用其它类型的显示器，且显示像元200可包括其它和/或选择的元件。该显示像元包括第一衬底202、TFT黑色矩阵204、显示电极206、薄膜晶体管208、导体210、液晶212、共用电极214、滤色层216、滤色层黑色矩阵218和第二衬底220。显示像元200用光源222背后照明。该显示像元还可包括其它元件，如电容器和/或偏振膜。另外，该显示像元可包括其它选择元件，如用于代替液晶、滤色层和/或光源的有机场致发光灯(OEL)。在某些实施方式中，可以同时使用TFT黑色矩阵204和滤色层黑色矩阵218。在另一些实施方式中，仅使用TFT黑色矩阵204和滤色层黑色矩阵218中的一个。合适显示像元的实例及其制造方法记载在同时提交的题目为“彩色显示器的活性衬底”的美国专利(案卷号54730USA3A)中。
通过从热转印元件转印黑色矩阵转印层，可以形成黑色矩阵层，如TFT黑色矩阵204和/或滤色层黑色矩阵218。对热转印元件的加热方法是在热转印元件的选择部分上进行定向加热。热量可用加热元件(如电阻加热元件)、转化成热量的辐射(如光束)和/或对产生热量的热转印元件层施加的电流产生。在许多情况下，用例如由灯或激光产生的光线进行热转印是有益的，因为用这种光线常常可获得准确度和精确度。转印图形(如线条、圆圈、方块或其它形状)的尺寸和形状例如可以通过选择光束的大小、光束的照射图形、定向光束与热转印元件的接触时间和/或热转印元件的材料加以控制。
热转印转印层形成黑色矩阵例如可用于克服光刻成图之类方法的局限性以及减少或消除上述方法的湿加工步骤。另外，用光线进行热转印通常可提供更高的准确度和质量控制，而且至少在某些情况下，形成其它层时可提供更高的重合度。上述的其它层例如是热转印步骤或其它形成方法前后形成的滤色层层、薄膜晶体管层或电极层。
合适热转印元件300的一个实例表示在图3中。热转印元件300包括给体衬底302、任选的底涂层304、光热转换(LTHC)层306、任选的内层308和转印层310。从发光源(如激光或灯)发出的定向光线可用于按照图形照射热转印元件300。光热转换层306含有能把光能转换成热能的辐射吸收剂。光能转换成热能会使一部分转印层310转印到受体衬底上(未画出)。
如图4所示，热转印元件400的另一个实例包括受体衬底402、光热转换层406、内层408和转印层410。如图5所示，另一个合适的热转印元件500包括受体衬底502、光热转换层506和转印层510。如图6所示，另一个热转印元件600包括受体衬底602和转印层610，加入受体衬底602和/或转印层610中的任选辐射吸收剂将光能转换成热能。或者可制造不含辐射吸收剂的热转印元件600。为了热转印转印层610，使电阻加热元件之类的加热元件与热转印元件接触，以按照图形选择性地加热热转印元件和转印转印层。不含辐射吸收剂的热转印元件600可任选地包括剥离层、内层和/或其它层(如防止电阻加热器元件粘连的涂层)。
热转印元件700的另一个实例包括受体衬底702、任选的底涂层704、变色层712、光热转换层706、任选的内层708和热转印层710，如图7A所示。作为一种备选方案，热转印元件700’包括变色层712’、受体衬底702’、任选的底涂层704’、光热转换层706’、任选的内层708’和热转印层710’，如图7B所示。配置变色层712是为了使变色层712的照射部分改变颜色，以便减少或防止第二次照射该部位时对转印层的热损坏。例如，可以单独形成黑色矩阵的行和列。行和列的相交点被照射两次。照射一次后或光热转换层第一次吸收光线时被加热的变色层改变成反射或吸收光线的颜色，以防止或减少第二次照射时对光热转换层的加热。这样可减少或防止对转印层的被转印部分的损坏(即增加顶部或边缘粗糙度)。应当理解，变色层可以与上述的任何其它热转印元件一起使用。
为了用辐射(如光线)进行热转印，可以使用许多辐射发射源。对于模拟技术(如通过掩膜进行曝光)，可以使用高功率光源(如氙闪光灯和激光)。对于数字成像技术，红外激光、可见激光和紫外激光是特别适用的。合适的激光例如包括高功率(≥100毫瓦)单模激光二极管、光纤耦合激光二极管和二极管抽运固态激光器(如NdYAG和NdYLF)。激光曝光作用时间例如约为0.1-5微秒，激光能量密度例如0.01-1焦耳/厘米2。
当在大型衬底范围内需要高的光斑位置准确度时(如对于高信息全色显示用途)，激光特别适用作辐射源。激光源也与大型刚性衬底(如1米×1米×1.1毫米的玻璃)和连续或片状薄膜衬底(如100微米厚聚酰亚胺片)相容。
电阻加热打印头或阵列例如可用于缺少光热转换层和辐射吸收剂的简化给体薄膜结构。它特别适用于小尺寸的衬底(如所有尺寸都约小于30厘米)或较大的图形(如需要字母数字分段显示的图形)。
给体衬底和任选的底涂层给体衬底可以是聚合物薄膜。一种合适的聚合物薄膜是聚酯薄膜，如聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜。然而也可使用其它薄膜，这些薄膜应有具有足够的光学性能(如果用光进行加热和转印的话)(包括在特定波长处有高透光率)以及对于特定用途有足够的机械稳定性和热稳定性。至少在某些情况下，给体衬底是平的，这样可以形成均匀的涂层。给体衬底一般也可选自加热光热转换层时保持稳定的材料。给体衬底的厚度一般为0.025-0.15毫米，较好为0.05-0.1毫米，虽然也可使用更厚或更薄的衬底。
为了提高光热转换层和给体衬底之间的粘合性，一般要对用于形成给体衬底和光热转换层的材料进行选择。任选的底涂层可用于增加涂覆后续涂层时的均匀度以及提高光热转换层和给体衬底之间的内层粘合强度。带底涂层的合适衬底的一个实例是购自Teijin Ltd.的衬底(产品号HPE100，日本大阪)。
光热转换层对于辐射引起的热转印，一般在热转印元件中加入光热转换层，以把发光源发射的光能耦入热转印元件中。光热转换层较好包括辐射吸收剂。这种辐射吸收剂能吸收入射辐射(如激光)并将至少一部分入射辐射转化成能把转印层从热转印元件转印到受体上的热量。在某些实施方式中，没有单独的光热转换层，而是把辐射吸收剂加入热转印元件的另一层中，如给体衬底或转印层。在另一些实施方式中，热转印元件包括光热转换层，也包括加入一个或多个热转印元件中其它层(如给体衬底或转印层)的额外辐射吸收剂。在另一些实施方式中，热转印元件不包括光热转换层或辐射吸收剂，转印层用与热转印元件接触的加热元件进行转印。
光热转换层(或其它层)中的辐射吸收剂一般能吸收电磁光谱中红外区、可见光区和/或紫外区的光线，并将吸收的辐射转换成热。这种辐射吸收剂一般对选择的成像辐射是高度吸收的，产生对于白光在成像辐射波长处光学密度为0.2-3(或0.5-2.5)的光热转换层。(对于波长为1064纳米的光线，光学密度一般约为0.1-2，或0.3-1.8)。光学密度是a)照射在层上的光强度与b)透过层的光强度之比的对数。至少在一些情况下，由于黑色矩阵转印层具有较高的光学密度，光热转换层对于白光的光学密度为1.6-2.2(对于波长为1064纳米的光线约为1.1-1.5)。较厚的涂层一般有较高的光学密度，但至少在一些情况下，可能有效果较差的热转印。光学密度较高的光热转换层可以提供表面粗糙度较高的转印层，但也可产生边缘粗糙度较高的转印层。
合适的辐射吸收材料例如可包括染料(如可见光染料、紫外染料、红外染料、荧光染料和辐射偏振染料)、颜料、金属、金属化合物、金属膜和其它合适的吸收材料。合适辐射吸收剂的实例包括炭黑、金属氧化物和金属硫化物。合适光热转换层的一个实例可包括炭黑之类的颜料和有机聚合物之类的粘合剂。炭黑的用量例如可为5-15％重量或7-11％重量。高的炭黑填充量可改善转印层的灵敏度和边缘粗糙度，但也可增加表面粗糙度(top roughness)。低的炭黑填充量可防止或降低两次照射点(黑色矩阵的交叉点)的损坏。
另一种合适的光热转换层包括形成薄膜的金属或金属/金属氧化物，如黑色铝(即有黑色视觉外观的部分氧化铝)。金属膜和金属化合物膜可用溅镀和蒸镀之类的技术形成。颗粒涂层可用粘合剂和任何合适的干涂或湿涂技术形成。
适用作光热转换层中辐射吸收剂的染料可以颗粒形式存在，溶解在粘合剂材料中，或至少部分分散在粘合剂材料中。当使用分散的颗粒辐射吸收剂时，至少在一些情况下它的粒度约为10微米或更小，且可以约为1微米或更小。合适的染料包括在光谱红外区中有吸收的染料。这些染料的实例可在如下文献中找到Matsuoka，M.，“红外吸收材料”，Plenum Press，New York，1990；Matsuoka，M.，“二极管激光的染料吸收光谱”，Bunshin出版公司，Tokyo，1990；美国专利4,722,583；4,833,124；4,912,083；4,942,141；4,948,776；4,948,778；4,950,639；4,940,640；4,952,552；5,023,229；5,024,990；5,156,938；5,286,604；5,340,699；5,351,617；5,360,694；和5,401,607；欧洲专利321,923和568,993；和Beilo，K.A.等，J.Chem.Soc.，Chem.Commun.，1993，452-454(1993)。所有的上述文献参考结合于本发明中。也可使用由Glendale Protective Technologies，Inc.，Lakeland，Fla.以商品名GYASORBIR-99、IR-126和IR-165销售的红外吸收剂。特定的染料例如可根据如下因素进行选择与特定粘合剂和/或涂料溶剂的溶解度和溶混度以及吸收的波长范围。
光热转换层中也可将颜料物质用作辐射吸收剂。合适颜料的实例包括炭黑、石墨、酞菁、二硫杂环戊二烯基合镍和美国专利5166024和5351617中所述的其它颜料。上述的文献参考结合于本发明中。另外，也可使用铜或铬配合物基黑色偶氮颜料，如吡唑啉酮黄、联茴香胺蓝和镍偶氮黄。也可使用无机颜料。这种无机颜料例如包括下列金属的氧化物和硫化物铝、铋、锡、铟、锌、钛、铬、钼、钨、钴、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锆、铁、铅和碲。也可使用金属的硼化物、碳化物、氮化物、碳氮化物、青铜结构的氧化物和结构与青铜系有关的氧化物(如WO2.9)。
可以使用美国专利4252671中所述的颗粒状金属辐射吸收剂或美国专利5256506中所述的薄膜状金属辐射吸收剂。该两项专利参考结合于本发明中。合适的金属例如包括铝、铋、锡、铟、碲和锌。
如上所述，颗粒状辐射吸收剂可加入粘合剂中。扣除溶剂后按重量百分数计，涂层中辐射吸收剂的重量百分数一般为1-30％重量，较好为3-20％重量，最好为5-15％重量，至少部分视光热转换层中所用的特定辐射吸收剂和粘合剂而定。
适用于光热转换层中的粘合剂包括成膜聚合物，如酚醛树脂(如线性酚醛清漆和可溶性酚醛树脂)、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩乙醛、聚1，1-二氯乙烯、聚丙烯酸酯、纤维素醚和酯、硝基纤维素和聚碳酸酯。合适的粘合剂包括已聚合或交联或者可聚合或交联的单体、低聚物或聚合物。在一些实施方式中，粘结剂主要用含有任选聚合物的可交联单体和/或低聚物涂料制成。当粘结剂中使用聚合物时，粘合剂中包含1-50％重量，较好10-45％重量聚合物(计算重量百分数时扣除溶剂)。
涂布在给体衬底上后，马上将单体、低聚物和聚合物交联形成光热转换层。在一些情况下，如果光热转换层的交联度太低，它可能被热损坏和/或可能将一部分光热转换层与转印层一起转印到受体上。
至少在一些情况下，加入热塑性树脂(如聚合物)可改善光热转换层的性能(如转印性能和/或涂布性)。据认为，热塑性树脂可提高光热转换层与给体衬底的粘合性。在一个实施方式中，粘合剂含有25-50％重量(计算重量百分数时扣除溶剂)热塑性树脂，较好含有30-45％重量热塑性树脂，虽然也可使用更少量的热塑性树脂(如1-15％重量)。选择的热塑性树脂一般能与粘合剂中的其它材料相容(即形成单相混合物)。溶解度参数可用于表示这种相容性，参见聚合物手册，J.Brandrup，ed.，VII519-557(1989)。该文献参考结合于本发明中。至少在一些实施方式中，选用于粘合剂的热塑性树脂的溶解度参数为9-13(cal/cm3)1/2，较好为9.5-12(cal/cm3)1/2。合适热塑性树脂的实例包括聚丙烯酸酯、苯乙烯-丙烯酸类聚合物和树脂以及聚乙烯醇缩丁醛。
为了有利于涂布过程，可以加入常规的涂料助剂，如表面活性剂和分散剂。光热转换层可用本领域已知的许多涂布法涂覆在给体衬底上。至少在一些情况下，聚合物或有机光热转换层的涂布厚度为0.05-20微米，较好为0.5-10微米，更好为1-7微米。至少在一些实施方式中，无机光热转换层的涂布厚度为0.001-10微米，较好为0.002-1微米。
内层任选的内层可用于最大限度地减少对转印层上被转印部分的损坏和污染，也可用来减少转印层上被转印部分的变形。内层也可影响转印层与热转印元件其它部分间的粘合性。该内层一般有高的耐热性。内层较好在成像条件下不发生变形或化学分解，最好不要变形或化学分解到转印图像不能用的程度。在转印过程中，该内层一般仍与光热转换层接触，而基本上没有与转印层一起转印。
合适的内层例如包括聚合物膜、金属层(如气相淀积的金属层)、无机层(无机氧化物(如二氧化硅、二氧化钛和其它金属氧化物)的溶胶-凝胶淀积层和气相淀积层)和有机/无机复合层。适用作内层材料的有机材料包括热固性材料和热塑性材料。合适的热固性材料包括可通过加热、辐射或化学处理交联的树脂，包括但不限于交联或可交联的聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酯、环氧树脂和聚氨酯。热固性材料例如可以热固性前体涂覆在光热转换层上，然后交联形成交联的内层。
合适的热塑性材料例如包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚砜、聚酯和聚酰亚胺。这些热塑性有机材料可用常规的涂布技术(如溶剂涂布法、喷涂法或挤出涂布法)进行涂覆。适用于内层的热塑性材料的玻璃化转变温度(Tg)为25℃或更高，较好为50℃或更高，更好为100℃或更高，最好为150℃或更高。在一些实施方式中，内层包含Tg高于成像过程中转印层所达到的任何温度的热塑性材料。在成像辐射波长处，内层可以是透射的、吸收的、反射的或它们的某些组合。
适用作内层材料的无机材料例如包括金属、金属氧化物、金属硫化物和无机碳涂层，包括那些在成像光波长处高度透射或反射的材料。这些材料可用常规技术(如真空溅镀、真空蒸镀或等离子体喷镀)涂覆在光热转换层上。
这种内层可提供多种好处。内层可以是防止从光热转换层上转印材料的隔离层。内层也可调节转印层上所受的温度，从而可以转印热不稳定的材料。例如，内层可用作散热层，以相对于光热转换层所受的温度控制内层与转印层界面处的温度。它可提高被转印层的质量(即表面粗糙度、边缘粗糙度等)。存在内层也可改善被转印材料的塑性记忆。
内层可含有添加剂。这些添加剂例如包括光引发剂、表面活性剂、颜料、增塑剂和涂布助剂。内层的厚度取决于多种因素，如内层的材料、光热转换层的材料、转印层的材料、成像辐射的波长和热转印元件对成像辐射的曝光时间。聚合物内层的厚度一般为0.05-10微米，较好约为0.1-4微米，更好为0.5-3微米，最好约为0.8-2微米。无机内层(如金属或金属化合物内层)的厚度一般为0.005-10微米，较好约为0.01-3微米，更好约为0.02-1微米。
变色层为了在热转印元件被照射或加热两次或更多次时减少或防止对转印层上被转印部分的损坏，该热转印元件可任选地包含变色层。例如在不改变热转印元件的条件下分别转印黑色矩阵的行线和列线时，可能发生上述的损坏现象。行和列相交的位置(即交叉点)至少被照射或加热两次。变色层可包含用照射波长光线曝光或受热时变色的材料。这些材料较好在第一次接触光和/或热之前基本上不改变颜色。
至少在一些实施方式中，变色层至少对用于加热光热转换层的光线的波长是基本上透明的。当暴露于照射光线或光热转换层产生的热量时，变色层改变颜色，以反射和/或吸收至少部分，较好全部用于照射光热转换层的光线。因此，第二次照射时，光热转换层不会发热或被较少加热，从而减少或防止对转印层的已被转印部分的损坏。
变色层例如可放在给体衬底和光热转换层之间或放在给体衬底上与放光热转换层一侧相反的一侧。合适的涂层例如包括可涂覆在给体衬底上的无色染料。该无色染料涂布时可能是无色的，但在受热时变黑。一种合适的实例是Pergascript Black I-R和HRJ11842锌改性树脂(均购自SchenectadyInternational，Schenectady，NY)的混合物。
黑色矩阵热转印层黑色矩阵热转印层一般用转印时能在受体衬底上形成薄、高光学密度涂层的材料制成。至少在某些情况下，特别是当黑色矩阵涂层用于分离受体衬底上导电元件时，黑色矩阵热转印层用转印时具有较高电阻率的材料制成，以防止相邻导电元件间发生交扰。
黑色矩阵热转印层一般包括分散在粘合剂中的颜料或染料。合适的颜料是炭黑。虽然炭黑是导体，但现已令人惊奇地发现可以形成厚度为0.5-1.5微米且电阻率为1×108-1×1010或1×1013欧姆-厘米或更高的薄、高光学密度黑色矩阵涂层。对于某些用途，如TFT黑色矩阵，为了分隔相邻的导电器件(如薄膜晶体管和连接晶体管和控制器的导线)，黑色矩阵的电阻率必须达到约1×1010欧姆-厘米，甚至达到1×1013欧姆-厘米。对于另一些用途(如滤色层黑色矩阵)，1×109欧姆-厘米或1×108欧姆-厘米，在有些情况下，1×106欧姆-厘米的电阻率就足够了。
为了提供与器件(如显示器)的其它元件较平整的表面，可对黑色矩阵热转印层的厚度进行选择。例如，TFT黑色矩阵的厚度应使黑色矩阵与至少部分薄膜晶体管(TFT)基本上持平。应选择滤色层黑色矩阵的厚度，以使黑色矩阵与滤色层基本上持平。合适厚度范围的实例包括0.5-1.5微米或0.7-1.1微米。然而，虽然在相同炭黑填充量的情况下较薄的黑色矩阵一般具有较低的光学密度，但可以形成更厚和更薄的黑色矩阵。
一种合适的黑色矩阵转印层包括(不包括溶剂)40-55％重量，较好45-50％重量的炭黑，2-10％重量，较好3-8％重量的分散剂和35-58％重量的粘合剂。粘合剂例如可以是许多包含一种或多种成膜聚合物的聚合物组合物。上述的成膜聚合物包括酚醛树脂(如线性酚醛清漆和可溶性酚醛树脂)、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩乙醛、聚1，1-二氯乙烯、聚丙烯酸酯、纤维素醚和酯、硝基纤维素、环氧树脂和聚碳酸酯。合适的粘合剂可包括已被聚合或交联或者可被聚合或交联的单体、低聚物或聚合物。
分散剂有助于把炭黑分散在粘合剂中。良好的分散作用提供均匀的性质，并可减少或防止形成低于预料电阻率的区域。另外，在炭黑填充量一定的情况下，较好的分散一般能产生较高的光学密度。合适分散剂的实例包括Disperbyk182、Disperbyk163、Disperbyk160、Disperbyk164(Byk-Chemie，Wallingford，CT)等。黑色矩阵转印层例如可包括2-10％重量或3-8％重量分散剂。具体的分散剂取决于所用炭黑的种类。炭黑和分散剂可用合适的溶剂和分散设备混合，如球磨机或Eiger研磨机。为了促进涂布过程，也可加入其它常规的涂布助剂，如表面活性剂。
可以使用许多不同类型的炭黑。可以得到不同粒度的炭黑，例如为8-200纳米或更高。另外，炭黑颗粒可能团聚。虽然可以使用任何粒度的炭黑颗粒，但优选炭黑的平均粒度约为20-35纳米，更优选的为22-30纳米。另外，优选的炭黑一般含有2％重量以上的挥发物，较好含2-6％重量的挥发物(按DIN53552测量)。另外，优选炭黑的邻苯二甲酸二丁酯(DPB)吸收量约为45-70毫升DPB/100克炭黑(按DIN53601测量)，虽然120毫升以上的吸收值也是可以接受的。具有这些性能的炭黑的实例包括Special Black550，350，4和4A(Degussa Corp.，Dublin，OH)和Mogul L(Cabot Corp.，Tuscola，IL)。
黑色矩阵转印层的光学密度一般较高，这样黑色矩阵至少可以吸收一部分环境光和提供足以用人眼辨别的对比度。光学密度取决于多种因素，例如包括颜料或染料(如炭黑)的填充量、黑色矩阵转印层的其它元件以及转印层的厚度。对于白光来说，黑色矩阵转印层的光学密度至少选择为2.4，在一些实施方式中，可以至少选择为3.0或至少3.2。
受体受体衬底可以是适用于特定用途的任何物品，包括但不限于玻璃、透明薄膜、金属、半导体、各种纸和塑料。受体衬底一般是适用于显示用途的任何衬底。适用于液晶显示器的受体衬底包括基本上可透过可见光的刚性或柔性衬底。非双折射衬底是特别适用的。刚性衬底的实例包括玻璃、镀氧化锡铟的玻璃、低温聚硅氧烷(LTPS)和刚性塑料。合适的柔性衬底包括基本上透明和透光的聚合物薄膜。合适的聚合物衬底包括聚酯衬底(聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯)、聚碳酸酯树脂、聚烯烃树脂、聚乙烯基树脂(如聚氯乙烯、聚1，1-二氯乙烯、聚乙烯醇缩乙醛等)、纤维素酯衬底(如三乙酸纤维素、乙酸纤维素)和用作各种成像技术中载体的其它常规聚合物薄膜。厚度为2-100密耳(即0.05-2.54毫米)的透明聚合物薄膜衬底是优选的。
玻璃衬底的常规厚度为0.2-2.0毫米。通常宜使用厚度为1.0毫米或更小，优选为0.7毫米或更小的玻璃衬底。更薄的衬底产生更薄更轻的显示器。然而，某些加工、处理和装配条件需要使用厚一点的衬底。例如，某些装配条件可能需要压缩显示装置以固定放在衬底间间隔物的位置。为了获得适用于特定显示尺寸的优选结构，可以竞争性地综合考虑适用于轻型显示器的薄型衬底和能可靠地操作处理的厚型衬底。
如果衬底是聚合物薄膜，优选的是非双折射的薄膜，以基本上防止干涉整体化显示器的操作。说明性非双折射衬底是溶剂流铸的聚酯。这些衬底的常见实例是由或基本上由9，9-双(4-羟苯基)芴和间苯二甲酸、对苯二甲酸或其混合物的重复、共聚单元构成的聚合物制成。上述聚合物中低聚物(即分子量约为8000或更低的化学物质)的含量低得足以形成均匀的薄膜。美国专利5,318,938中已揭示将这种聚合物用作热转印接受元件中的一个组分。另一类非双折射的衬底是非晶态聚烯烃(如以商品名ZeonexTM购自Nippon Zeon Co.，Ltd.的非晶态聚烯烃)。
操作在成像过程中，一般将热转印元件与受体紧密接触。至少在一些情况下，为了使热转印元件与受体保持紧密接触，使用压力或真空。然后用辐射源按图形方式(如数字式或通过掩膜的模拟曝光)加热光热转换层(和/或含有辐射吸收剂的其它层)，以按照图形把转印层从热转印元件上转印到受体上。
当使用光热转换层时，一般光线通过给体衬底来加热光热转换层。然而在一些情况下，没有使用光热转换层，且使光线通过受体衬底来加热含有炭黑和/或另一种辐射吸收剂的黑色矩阵转印层。这样会提高表面和/或侧面粗糙度。另外，由于不使用单独的光热转换层，所以热转印元件需要较少的层。还有，转印所需的光能量(即热量)值可能小于使用光热转换层时的能量值。
或者可以用加热元件(如电阻加热元件)来转印多元件转印单元。用加热元件选择性地接触热转印元件，可以按图形热转印一部分转印层。在另一个实施方式中，热转印元件包括一层可把施加在该层的电流转化成热量的层。
当把转印层转印到受体上时，一般不会转印该热转印元件的其它层，如任选的内层和光热转换层。存在任选的内层可消除或减少把光热转换层转印到受体上和/或减少转印层被转印部分中的变形。在成像条件下，内层与光热转换层间粘合性优选大于该内层与转印层间的粘合性。在一些情况下，可以用反射性内层减少通过内层的成像辐射值和减少由透射辐射与转印层和/或受体相互作用引起的对转印层中被转印部分的损坏。这对于减少受体高度吸收成像辐射时发生的热损坏是特别有利的。
在激光曝光时，宜最大限度地减少由被成像材料的多重反射而形成干涉图形。这可以用多种方法办到。最普通的方法是如美国专利5089372所述根据入射辐射的等级有效地使热转印元件的表面粗糙化。这种方法的效果是扰乱了入射辐射的空间相干性，从而最大程度地减少了自相干。另一种方法是在热转印元件中使用防反射涂层。使用防反射涂层是已知的，且如美国专利5171650所述由四分之一波厚度的涂层(如氟化镁)组成。该专利参考结合于本发明中。
可以使用大型热转印元件。这种大型热转印元件具有1米以上的长度和宽度。操作时，可以使激光通过光栅，或将激光移过该大型热转印元件，选择性地操作激光，以按所需的图形照射热转印元件。或者，激光可以是固定的，而把热转印元件和/或受体衬底从激光下方通过。
在某些情况下，依次用两个或多个不同热转印元件形成光学显示器之类的器件可以是必须的、需要的和/或方便的。例如，可以先形成黑色矩阵，然后在黑色矩阵窗中热转印滤色层。另一个实例是先形成黑色矩阵，然后热转印一层或多层薄膜晶体管。两种或多种热转印元件的多种其它组合也可用于形成器件，每个热转印元件形成该器件的一个或多个部分。应当理解，黑色矩阵可以在器件的其它元件设置在衬底之前和/或之后进行热转印。也应当理解，这些其它元件中的一些、全部或没有一个可用热转印法形成。
实施例如果没有另作说明，化学试剂得自Aldrich Chemical Company(Milwaukee，WI)。激光转印系统包括CW NdYAG激光器、声光调制器、准直扩束光学装置、光隔离器、线性电流计和f-θ扫描透镜。NdYAG激光器按TEM00模式进行操作，产生7.5瓦的总功率。扫描用高精度线性电流计(Cambridge TechnologyInc.，Cambrige，MA)进行。把激光聚焦成测量直径为140微米和强度值为1/e2的高斯光斑。用f-θ扫描透镜使光斑在扫描宽度上保持不变。激光光斑以5.6米/秒的速度扫描通过图像表面。f-θ扫描透镜将扫描速度的均匀度保持在0.1％之内，光斑大小保持在±3微米之内。
实施例1制备衬底/光热转换层/内层元件炭黑光热转换层的制备方法是将表1所示的各组分溶解在由70％重量丙二醇甲醚乙酸酯和30％重量甲乙酮组成的溶剂中，形成光热转换层。然后用CAG-150型Yasui Seiki实验室用涂布器(Yasui Seiki Co.，Bloomington，IN)将上述溶液涂覆在0.1毫米厚的PET衬底上。上述的涂布器使用381螺旋形孔/直线厘米(150螺旋形孔/直线英寸)微型凹槽辊。
表1光热转换层
40℃将涂层在线干燥，用配有H-灯泡的Fusion System Model I600(400瓦/英寸)紫外系统以6.1米/分钟的速度对其进行紫外固化。干燥涂层的厚度约为3微米。所得光热转换层的光学密度约为1.8。
用CAG-150型Yasui Seiki实验室用涂布器(Yasui Seiki Co.，Bloomington，IN)将表2所示的内层涂料溶液轮转凹辊涂布在光热转换层的炭黑涂层上。将涂层在线干燥(40℃)，用配有H-灯泡的Model I600(400瓦/英寸)Fusion System以6.1米/分钟的速度对其进行紫外固化。所得内层涂层的厚度约为1.7微米。
表2内层涂料溶液
实施例2形成黑色矩阵热转印元件黑色矩阵热转印涂料的制备方法是将固体混合在含28％重量丙二醇甲醚乙酸酯和82％重量甲乙酮的溶剂中。上述的固体含有30％重量GCryl 6005(购自Henkel Corp.，Cincinnati，OH的丙烯酸类树脂)、18.8％重量Epon SU-8(购自Shell Chemical Co.Houston，TX的环氧树脂)、45％重量Mogul L(购自CabotCorp.，Tuscola，IL的炭黑)和6.2％重量Disperbyk 182(Byk Chemie，Wallingford，CT)。在一台Eiger研磨机中先将炭黑、DisperbykTM、GCrylTM和丙二醇甲醚乙酸酯混合90分钟，然后加入其它的材料。
用CAG-150型Yasui Seiki实验室用涂布器(Yasui Seiki Co.，Bloomington，IN)将该黑色矩阵热转印涂料涂布在实施例1中制得的衬底/光热转换层/内层元件的内层上，厚度约为0.94微米。该黑色矩阵热转印涂层的光学密度约为3.2。
实施例3-8形成黑色矩阵层按实施例1和2所述的方法制备六个黑色矩阵热转印元件。如表3所示，这些黑色矩阵热转印元件的黑色矩阵热转印层中含有不同量的碳，且有不同的黑色矩阵转印层厚度。每个实施例中，分散剂(即DisperbykTM182)与炭黑之比保持不变，两种树脂的用量随炭黑用量的增加而按比例地减少。每种黑色矩阵转印层的光学密度约为3.2。在每一种情况下，用5.3米/秒的线性扫描速度将黑色矩阵成像在玻璃受体上。结果是100微米宽线的黑色矩阵转印层的均匀转印品，它具有优异的边缘均匀度和平表面。也用光斑尺寸较小的激光器制备15-20微米的线。每一层的体积电阻率列于表3中。该体积电阻率按ASTM D257测量。
表3黑色矩阵转印元件的组成和结果
不应认为本发明局限于上述的特定实施例，而应理解为覆盖权利要求书所述的本发明所有特征。本领域中的熟练技术人员阅读了本说明书后易于理解本发明可应用的各种改进、同等的方法和各种结构。
权利要求
1.一种光学显示器，它包括衬底；设置在所述衬底上的许多像元，每个像元包括用于操作所述像元的导电元件；和设置在像元之间的黑色矩阵，所述黑色矩阵的光学密度足以提供相邻像元之间的光学对比度，所述黑色矩阵的电阻率基本上防止相邻像元的导电元件之间交扰，以及所述黑色矩阵的厚度与至少部分相邻导电元件基本上持平。
2.一种显示器的制造方法，该显示器包括许多像元，每个像元包括用于操作像元的导电元件，该方法包括在给体衬底上形成光热转换层；在光热转换层上形成黑色矩阵转印层；将黑色矩阵转印层与显示器的衬底相接触；用光线按照图形选择性地辐射所述的光热转换层，所述的光线具有至少一个光热转换层能将其转换成热能的波长；按照图形将一部分黑色矩阵转印层热转印到所述显示器的衬底上，形成限定许多像元的黑色矩阵，该黑色矩阵的光学密度足以提供相邻像元之间的光学对比度，该黑色矩阵的电阻率基本上防止相邻像元的导电元件之间交扰以及该黑色矩阵的厚度与至少部分相邻导电元件基本上持平；在所述显示器的衬底上形成每个像元的导电元件，所述的黑色矩阵分隔相邻的导电元件。
3.一种用于把黑色矩阵图形转印到受体上的热转印元件，该热转印元件包括衬底；设置在所述衬底上的光-热转换层；和转印层，该转印层含有炭黑，且对白光的光学密度至少为2.4。
4.一种为分离相邻的有源器件而把黑色矩阵转印到受体上的热转印元件，该热转印元件包括衬底；光-热转换层；和转印层，该转印层含有炭黑，且成形和排列成在转印到受体上时产生平均电阻率至少为1×1010欧姆-厘米的黑色矩阵。
5.如权利要求1所述的光学显示器或如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的黑色矩阵含有40-55％重量炭黑。
6.如权利要求1所述的光学显示器或如权利要求2所述的方法，其特征在于所述黑色矩阵的平均电阻率至少为1×1010欧姆-厘米。
7.如权利要求1所述的光学显示器或如权利要求2所述的方法，其特征在于每个像元的导电元件包括晶体管。
8.如权利要求1所述的光学显示器，其特征在于每个像元还包括滤色层，且所述的光学显示器还包括分隔相邻滤色层的第二黑色矩阵。
9.如权利要求1所述的光学显示器，其特征在于所述的黑色矩阵通过选择性地热转印至少一部分热转印元件上的黑色矩阵转印层形成。
10.如权利要求1所述的光学显示器或如权利要求2所述的方法，其特征在于所述黑色矩阵对于白光的光学密度至少为2.4。
11.如权利要求1所述的光学显示器或如权利要求2所述的方法，其特征在于所述黑色矩阵的厚度不大于1.1微米。
12.如权利要求3或4所述的热转印元件，其特征在于所述转印层对于白光的光学密度至少为3。
13.如权利要求3所述的热转印元件，其特征在于所述的转印层含有40-55％重量炭黑。
14.如权利要求3或4所述的热转印元件，其特征在于它还包括设置在与光热转换层相反的衬底表面上的变色涂层，受热时，所述的变色涂层改变颜色。
15.如权利要求3或4所述的热转印元件，其特征在于它还包括设置在光热转换层和衬底之间的变色涂层，受热时，所述的变色涂层改变颜色。
16.如权利要求4所述的热转印元件，其特征在于转印到受体上时，转印后成形和排列成产生平均电阻率至少为1×1013欧姆-厘米的黑色矩阵。
17.如权利要求4所述的热转印元件，其特征在于所述转印层的厚度不大于1.1微米。
18.如权利要求4所述的热转印元件，其特征在于所述的转印层含有不超过47％重量炭黑。
19.如权利要求2所述的方法，其特征在于形成许多导电元件的步骤包括在把一部分黑色矩阵转印层热转印到光学显示衬底上后在所述的光学显示衬底上形成许多导电元件。
全文摘要
用热转印法可以在例如用于显示用途的接受衬底上形成黑色矩阵。这种黑色矩阵例如可用作滤色层黑色矩阵或TFT(薄膜晶体管)黑色矩阵,以提供对比度和/或分隔相邻的导电元件。
文档编号G03F7/34GK1359337SQ99816638
公开日2002年7月17日 申请日期1999年10月4日 优先权日1999年5月14日
发明者R·J·波科尔尼, R·帕迪雅思, 野田一树 申请人:3M创新有限公司