使用膜具在基片上形成陶瓷微结构的方法

专利名称：使用膜具在基片上形成陶瓷微结构的方法
技术领域：
本发明一般地涉及使用一模具在一基片上形成微结构的方法，以及装置和使用该方法形成的物品。具体来说，本发明涉及改进的模制陶瓷微结构的方法，该微结构在热处理之后仍保持要求的形状。本发明还涉及在用于显示器用途的有图形的基片上模制陶瓷结构，涉及具有模制的阻挡肋的显示器。
背景技术：
显示器技术的进步，包括研制等离子体显示屏(PDP)和等离子体寻址液晶(PALC)显示器，这种技术的进步已导致人们致力于在玻璃基片上形成绝缘的陶瓷阻挡肋(barrier rib)。陶瓷阻挡肋分离诸个单元，单元中的惰性气体可通过相对电极之间施加的电场而被激励。气体放电在单元内发射紫外线(uv)。在PDP的情形中，单元内部涂敷有磷，当被uv辐照时，磷发出红、绿，或蓝可见光。单元的大小确定显示器内画面元素(像素)的大小。PDP和PALC可用作高清晰度电视(HDTV)或其它数字电子显示装置的显示器。
陶瓷阻挡肋可形成在玻璃基片上的一种方式是通过直接模制。这包括在基片上层叠一平的刚性模具，用形成玻璃或陶瓷的成分放置在模具与基片之间。然后，固化形成玻璃或陶瓷的成分并移去模具。最后，通过在约550℃至1600℃温度下烘焙，阻挡肋被熔合或烧结。形成玻璃或陶瓷的成分具有分散在一有机粘结剂内的微米大小的玻璃料颗粒。使用有机粘结剂允许阻挡肋在生坯状态下凝固，这样，烘烤熔合玻璃颗粒在基片上定位。然而，在诸如PDP基片的应用中，要求高精度和均匀的阻挡肋。
发明概要总的来说，本发明涉及制造具有设置在一基片上的微结构的物品和器件用的方法以及由此形成的物品和器件。PDP和其它的显示器装置是这种物品和器件的实例。一个实施例是制造微结构的组件的方法。可固化的材料的大致均匀的涂层形成在带有形成一前导边缘(leading edge)的涂层的基片上。涂层从前导边缘开始接触模具，以在固化的材料中形成多个被介入的接合区域(land region)连接的阻挡区域(barrier region)。固化材料被固化，并移去模具。可任意选择地，涂层包括一粘结剂。这样一涂层可选择地进行脱胶。此外，涂层可被烘焙而形成陶瓷微结构。
另一实施例也是制造一微结构的组件用的方法。一固化的材料设置在一基片上，该基片具有一第一端。固化材料从第一端开始接触模具，并以基本上均匀的速度继续，且施加一基本上均匀的压力。使用一模具，固化的材料形成为多个被介入的接合区域连接的阻挡区域，其中，接合区域具有一基本上均匀的中心厚度。可任意选择地，涂层包括一粘结剂。这样一涂层可选择地进行脱胶。此外，涂层可被烘焙而形成陶瓷微结构。
另一实施例是制造一微结构的组件用的另一种方法。可固化的材料的大致均匀的涂层形成在带有形成一前导边缘和形成一小于基片的表面区域的一涂层区域的涂层的基片上。涂层从前导边缘开始接触模具。模具将固化的材料形成为多个被介入的接合区域连接的阻挡区域，而基本上没有放大的涂层区域。固化材料被固化，并移去模具。
另一实施例是一制造一显示器用的方法。可固化的材料的大致均匀的涂层形成在带有形成一前导边缘的涂层的显示器基片上。涂层从前导边缘开始接触模具，以在固化的材料中形成多个被介入的接合区域连接的阻挡肋。固化材料被固化，并移去模具。
另一实施例包括使用上述任一种方法形成的器件和物品。
上述的本发明的概述并不意图在描述各个揭示的实施例或本发明的每个实施。下面的附图和详细描述将更加具体地示范这些实施例。
附图的简要说明结合诸附图考虑下面本发明各种实施例的详细的描述，可以更加完全地理解本发明，在诸附图中

图1是等离子体显示屏组件的三维示意图；图2是在一基片上制造微结构的一方法的实施例中的加工工位的示意图；图3是在图2的诸加工工位中的一个工位上在基片上的一涂层的一实施例的示意横截面图；图4是在图2的诸加工工位中的一个工位上在基片上的一模具和涂层的一实施例的示意横截面图；图5是根据本发明在基片上的一涂层的一实施例的示意俯视图；图6是根据本发明在基片上的一涂层的另一实施例的示意俯视图；以及图7是根据本发明在基片上的一涂层的又一实施例的示意俯视图。
尽管本发明可修改为各种改型和变体形式，但借助于附图中的实例示出其具体的形式并将作详细的描述。然而，应该理解到，并不意图将本发明限制在所述的特殊的实施例中。恰好相反，意在涵盖落入本发明的精神和范围内的所有的改型、等价物和变体。
最佳实施例的详细描述本发明被认为适用于使用一模具在一基片上制造微结构的方法，以及使用该方法制造的物品和器件。具体来说，本发明涉及使用一模具在一基片上制造陶瓷微结构。可使用该方法来形成等离子体显示屏(PDP)，并提供一有用的说明方法。应该认识到使用这些方法可形成其它的器件和物品，例如，包括带有毛细现象通道的电泳板(electrophoresis plate)和照明应用，尤其是，可使用上述的诸方法来形成可利用模制的陶瓷微结构的器件和物品。尽管本发明不限于此，但通过对下面提供的实例的讨论，将会获得对本发明各个方面的认识。
等离子体显示屏如图1所示，等离子体显示器(PDP)具有各种基片元件。背离观察者定向的背基片元件具有一带有独立寻址(independently addressable)的平行电极23的背基片21。背基片21可由各种成分形成，例如，玻璃。陶瓷的微结构25形成在背基片21上并包括诸阻挡肋部分32，它们定位在电极23之间并分离红(R)、绿(G)和蓝(B)磷在其上沉积的诸区域。前基片元件包括一玻璃基片51和一组独立寻址的平行电极53。前电极53也称之为支撑电极，它们垂直于也称之为寻址电极(address electrode)的背电极23定向。在一完成的显示器中，前基片与背基片元件之间的区域填充惰性气体。为了照亮像素，一电场施加在交叉的支撑电极53与寻址电极23之间，以足够的强度激发其间的惰性气体原子。激发的惰性气体原子发射uv(紫外线)，致使磷发射红、绿或蓝可见光。
背基片21较佳地是一透明的玻璃基片。用于PDP应用的背基片21通常由碱石灰玻璃制成，其可选择地基本上没有碱金属。在基片中存在有碱金属的情形下，加工过程中达到的温度可致使电极材料迁移。这种迁移可导致电极之间形成导电路径，由此，短路邻近电极或致使称之为“串扰(crosstalk)”的电极之间的不希望的电气干扰。前基片51通常是透明的玻璃基片，它较佳地具有与背基片21相同的或大致相同的热膨胀系数。
电极23、53是条带的导电材料。电极23由诸如铜、铝或含银的导电玻璃料之类的导电材料形成。电极也可由诸如铟锡氧化物的透明的导电氧化物材料制成，尤其是，在希望具有透明的显示屏的情形中。电极在背基片21和前基片51上形成图形。例如，图形可形成为间隔约为120μm至360μm的平行的条带，宽度约为50μm至75μm，厚度约为2μm至15μm，跨越整个活动显示区域的长度范围从几个厘米至几十个厘米。在某些实例中，电极23、53的宽度可以是小于50μm或大于75μm，视微结构25的体系结构而定。
PDP中的阻挡肋部分32的高度通常约为120μm至140μm，宽度约为20μm至75μm。阻挡肋的间距(每单位长度数)较佳地与电极的间距相匹配。在另一实施例中，模具中的阻挡肋的间距可比电极的间距或大或小，如下文所述，模具可伸展而与电极的间距匹配。
当使用本发明的诸方法在基片(诸如用于PDP的阻挡肋)上制造微结构时，形成微结构的涂层材料较佳地是一含有至少三种组分的混合物的胶泥或膏。第一组分是陶瓷材料(通常是陶瓷粉)。一般地来说，胶泥或膏的陶瓷材料通过烘焙最后熔合或烧结而形成具有粘结在有图形的基片上的要求的物理特性的微结构。第二组分是可成形和其后通过固化或冷却而硬化的粘结剂(例如，一短效粘结剂)。粘结剂允许胶泥或膏成形为粘结到基片上的半刚性的生坯状态(green state)的微结构。第三组分是一稀释剂，它在粘结剂材料对齐和硬化之后促进从模具上释放，并可在烘焙微结构的陶瓷材料之前促进脱胶过程中快速地和完全地烧掉粘结剂。稀释剂较佳地在粘结剂硬化之后仍保持为一液体，这样，在粘结剂硬化的过程中，稀释剂从粘结剂中相态分离(phase separate)。
根据微结构的最终用途和微结构将粘结到的基片的特性来选择陶瓷材料。一个要考虑的问题是基片材料的热膨胀系数(CTE)。较佳地，当烘焙时，胶泥的陶瓷材料的CTE不同于基片材料的CTE，约不大于10％。当基片材料具有的CTE远小于或远大于微结构的陶瓷材料的CTE时，微结构会翘曲、开裂、裂纹、移位，或在加工或使用过程中完全地与基片断开。此外，由于基片与陶瓷微结构之间CTE的大的差异，所以基片可发生翘曲。
基片应能耐受加工胶泥或膏的陶瓷材料所要求的温度。适用于胶泥或膏的玻璃或陶瓷材料较佳地具有约600℃或不到的软化温度，并通常在约从400℃至600℃范围内。因此，基片的较佳的选择是玻璃、陶瓷、金属，或软化温度高于胶泥的陶瓷材料的软化温度的其它的刚性材料。较佳地，基片的软化温度高于微结构被烘焙的温度。如果材料不将烘焙，则基片也可由诸如塑料之类的材料制成。适用于胶泥或膏的陶瓷材料较佳地具有的热膨胀系数约为5×10-6/℃至13×10-6/℃。因此，基片较佳地具有的CTE也近似地在此范围内。
选择具有低的软化温度的陶瓷材料允许使用的基片也具有相对低的软化温度。在玻璃基片的情形中，具有低的软化温度的碱石灰浮法玻璃通常比具有高的软化温度的玻璃便宜。因此，使用低的软化温度的陶瓷材料可允许使用较便宜的玻璃基片。此外，在胶泥或膏中的低的软化温度的陶瓷材料可使较容易获得高精度的微结构。例如，当在一玻璃基片上加工阻挡肋时，应在整个加工过程中保持阻挡肋相对于基片上的电极对齐和放置的精度和准确度。在低温下烘焙生坯状态的阻挡肋的能力可减小热膨胀和在加热过程中要求释放的应力数量，因此，避免了不适当的基片变形、阻挡肋的翘曲以及阻挡肋的分层。
低软化温度的陶瓷材料可通过在材料中加入一定量的碱金属、铅、铋而获得。然而，对于PDP阻挡肋，碱金属在微结构的阻挡中的存在会在提高的温度处理过程中致使材料离电极横贯基片迁移。电极材料的扩散可导致干扰或“串扰”以及在相邻电极之间短路，从而降低器件的性能。因此，对于PDP应用来说，胶泥的陶瓷粉较佳地基本上没有碱金属。此外，在胶泥的陶瓷材料中加入铅或铋可造成对环境不利的材料处置问题。当不要求加入铅或铋时，低软化温度的陶瓷材料可使用磷酸盐或含有B2O3的化合物而获得。一个这样的组成包括ZnO和B2O3。另一个这样的组成包括BaO和B2O3。另一个这样的组成包括ZnO、BaO和B2O3。另一个这样的组成包括La2O3和B2O3。另一个这样的组成包括Al2O3、ZnO和P2O5。
其它完全溶解的、不溶解的，或部分地溶解的组分可加入到胶泥的陶瓷材料中，以便获得或修改各种的特性。例如，可添加Al2O3或La2O3来增加组分的化学稳定性和减小腐蚀。可添加MgO来增加玻璃转变温度或提高组分的CTE。可添加TiO2来给予陶瓷材料较高程度的光学不透明性，白色度(whiteness)和反射率。可添加其它的组分或金属氧化物来修改和定制诸如CTE、软化温度、光学特性、诸如脆性的物理特性等的陶瓷材料的其它的特性。
准备可在相对低的温度下进行烘焙的组分的其它的方法包括用一层低温熔合材料涂敷组分中的芯颗粒(core particle)。合适的芯颗粒的实例包括ZrO2，Al2O3、ZrO2-SiO2，以及TiO2。合适的低的熔合温度的涂层材料包括B2O3、P2O5，以及基于B2O3、P2O5和SiO2中的一个或多个的玻璃。这些涂层可用各种方法进行涂敷。一较佳的方法是溶胶与凝胶相互转换的过程，其中，芯颗粒分散在涂层材料的湿的化学前体(chemical precursor)中。然后，干燥和粉碎(如果必要的话)混合物以分离被涂敷的颗粒。这些颗粒可分散在胶泥或膏的玻璃或陶瓷粉中，或本身可用于胶泥或膏的玻璃粉。
胶泥或膏中的陶瓷材料以颗粒的形式提供，它们分散在整个的胶泥或膏中。颗粒的较佳的尺寸取决于被形成和对齐在有图形的基片上的微结构的尺寸。较佳地，胶泥或膏的陶瓷材料中的颗粒的平均尺寸，或直径不大于被形成和对齐的微结构的所述最小特征尺寸的约10％至15％。例如，PDP的阻挡肋可具有约20μm的宽度，它们的宽度是最小的特征尺寸。对于这种尺寸的PDP阻挡肋，陶瓷材料中的平均颗粒尺寸较佳地不大于约2或3μm。通过使用这种尺寸或更小尺寸的颗粒，微结构更有可能以理想的保真度予以复制，且陶瓷的微结构的表面将相当地光滑。当平均颗粒尺寸接近微结构的尺寸时，含有颗粒的胶泥或膏会不再与微结构的外形一致。此外，最大的表面粗糙度可部分地根据陶瓷颗粒尺寸变化。因此，使用越小的颗粒，越容易形成较光滑的结构。
胶泥或膏的粘结剂是根据以下因素进行选择的有机粘结剂粘结到胶泥或膏的陶瓷材料上的能力，固化或以其它方式硬化而保持一模制的微结构的能力，粘结到有图形的基片上的能力，以及在比用于烘焙生坯状态微结构的温度至少稍微低一些的温度下挥发(或烧毁)的能力。当粘结剂固化或硬化时，粘结剂有助于将陶瓷材料的颗粒粘结在一起，这样，模具可移去而留下粘附和对齐在有图形的基片上的刚性的生坯状态的微结构。粘结剂可称之为“短效粘结剂”，因为，如果要求的话，则粘结剂材料可在熔合或烧结微结构中的陶瓷材料之前，在提高的温度下从微结构中烧掉。较佳地，烘焙基本上完全地烧掉短效的粘结剂，以使留在基片的图形表面上的微结构是熔合过的玻璃或陶瓷的微结构，它们基本上没有碳残余。在微结构用作绝缘阻挡(诸如PDP中的)的应用中，粘结剂较佳地是一能够在至少稍低于烘焙所要求的温度下进行脱胶的材料，而不留下大量的碳，碳可降低微结构阻挡的绝缘特性。例如，含有显著比例芳族烃的粘结剂材料，例如，酚醛树脂，它们在脱胶过程中，可留下图形的碳颗粒，它们可要求显著高的温度才能完全地除去。
粘结剂较佳地是一可辐照或热固化的有机材料。优选级的有机材料包括丙烯酸盐和环氧。或者，粘结剂可以是热塑性材料，它加热到一液体的状态以与模具相一致，然后，冷却到一硬化的状态以形成粘结在基片上的微结构。当要求在基片上精确地放置和对齐微结构时，较佳地，粘结剂是可辐照固化的粘结剂，以使粘结剂能在等温条件下硬化。在等温条件(无温度变化)下，模具以及模具中的胶泥或膏在粘结剂材料硬化过程中，可相对于基片的图形保持在一固定的位置上。这减小模具或基片移位或膨胀的风险，尤其是，由于模具和基片的热膨胀差异的特征引起的，这样，当胶泥或膏硬化时，可保持模具的精确定位和对齐。
当使用一可辐照固化的粘结剂时，较佳地，使用一在辐照下被致动的固化引发剂(cure initiator)，基片对于辐照基本上是透明的，这样，胶泥或膏可通过暴露通过基片的辐照而固化。例如，当基片是玻璃时，粘结剂较佳地是可见光固化的。通过透过基片固化粘结剂，首先，胶泥或膏粘结到基片，在固化过程中，粘结剂材料将趋于发生背离模具和朝向基片表面的任何收缩。这有助于微结构的脱模，并有助于保持放置在基片图形上的微结构的定位和精确度。
此外，固化引发剂的选择可根据胶泥或膏的陶瓷材料所使用的材料而定。例如，在要求形成不透明和漫反射的陶瓷微结构的应用中，有利地可在胶泥或膏的陶瓷材料中包括一定量的二氧化钛(TiO2)。尽管二氧化钛对于提高微结构的反射率可以是有效的，但也可使可见光的固化变得困难，因为可见光被胶泥或膏中的二氧化钛反射，阻止光线被固化引发剂充分地吸收而有效地固化粘结剂。然而，通过选择同时传播通过基片和二氧化钛颗粒的能被辐照致动的固化引发剂，则可发生粘结剂的有效的固化。这样的固化引发剂的一实例是双酚磷化氢氧化物(2，4，6-三甲基色氨酸苯甲酰)，一种由NY，Hawthrone的Ciba Specialty Chemicals公司出品可以商标名IrgacureTM819在市场上购得的光致引发剂(photoinitiator)。另一实例是一如美国专利No.5,545,670中所述的三重的光致引发剂，例如，包括下列诸物的混合物乙烷基二甲胺安息香酸盐、樟脑醌，以及二苯基碘翁六氟磷酸盐。这两个实例在邻近紫外线边缘的相对窄的区域内的可见光谱的蓝色区域内是活性的，在此相对窄的区域内，辐照可穿过玻璃基片和胶泥或膏中的二氧化钛颗粒。例如，可根据粘结剂、胶泥或膏中的陶瓷材料的组分，以及模具材料或通过其发生固化的基片，来选择用于本发明的过程中的其它的固化系统。
胶泥或膏的稀释剂通常是根据以下因素进行选择的材料例如，在固化短效粘结剂后提高胶泥的模具释放特性的能力，以及提高使用胶泥或膏制造的生坯状态的结构的脱胶特性的能力。稀释剂较佳地是一在固化前溶于粘结剂内并在固化粘结剂之后保持液态的材料。这可提供两个优点第一，当粘结剂硬化时，通过保持液态，稀释剂减小固化的粘结剂粘结到模具上的风险；第二，当粘结剂硬化时，通过保持液态，稀释剂从粘结剂材料中相态分离，由此，形成小的囊或液滴，分散在整个固化的粘结剂基体中的稀释剂的互相渗透的网络。稀释剂的相态分离的优点将在下面的讨论中变得明白。
对于诸如PDP阻挡肋之类的许多应用，要求脱胶生坯状态的微结构，以便在烘焙之前基本上完成。此外，脱胶通常是热处理过程中最长和最高温度的步骤。因此，要求胶泥或膏能够相对快速和完全地并在相对低的温度下脱胶。
尽管不希望囿于任何的理论，但脱胶可看作是被两个依赖于温度的过程(即，扩散和挥发)限制的动力学和热力学的过程。挥发是这样的过程分解的粘结剂分子从生坯状态结构的表面蒸发，并因此留下一多孔的网络，以便以较少阻隔的方式外出进展。在一单相的树脂粘结剂中，积聚在内部的气体的降解产物可在结构上生成水泡和/或破裂结构。这在表面留下高水平含碳的降解产物的粘结剂系统中尤为普遍，其可形成一不渗透的表皮层来阻挡粘结剂降解气体的外出。在单相的粘结剂成功的某些情形中，横截面区域相对小，粘结剂降解的加热率是固有地长，以阻止形成表皮层。
发生挥发的速率取决于温度、挥发的活化能以及频率或采样率。因为挥发主要发生在表面处或靠近表面，采样率通常正比于结构的总的表面面积。扩散是粘结剂分子从体积的结构迁移到表面的过程。由于粘结剂材料从表面挥发，存在着一浓度的梯度，它趋于驱动粘结剂材料朝向低浓度的表面。扩散率取决于温度、扩散的活化能以及浓度。
因为挥发受表面面积的限制，所以，如果表面面积相对于微结构的体积较小，则太快的加热会造成挥发的核素的聚集。当内压达到足够大时，结构会膨胀、破裂或碎裂。为了减轻这种效应，脱胶可通过相对逐步地增加温度来实现，直到脱胶完成为止。脱胶缺乏敞开的通道，或脱胶太快，还可导致残余碳形成的高趋势。这又可要求较高的温度来确保基本上完全的脱胶。当脱胶完成时，温度可更快地跃到烘焙温度，并保持在该温度，直到烘焙完成为止。然后，物品可在此点上冷却。
通过提供扩散的较短的通道和增加的表面面积，稀释剂可提高脱胶过程。当粘结剂固化或其它方式硬化时，稀释剂较佳地保持一液态并与粘结剂相态分离。这可形成在硬化的粘结剂材料的基体中分散的稀释剂囊(pocket)的互相渗透的网络。粘结剂材料固化或硬化发生得越快，稀释剂囊也将越小。较佳地，在硬化粘结剂之后，相对大量的稀释剂的相对小的囊分散在整个生坯状态结构的网络中。在脱胶过程中，小分子量的稀释剂可在其它高分子量的有机组分的分解之前以相对低的温度快速蒸发。稀释剂的蒸发留下略呈多孔的结构，由此，增加其余的粘结剂材料可从中挥发的表面面积，并减小粘结剂材料必须扩散达到这些表面的平均通道长度。因此，通过包括稀释剂，在粘结剂分解过程中的挥发率随可供表面面积的增加而增加，由此，对于相同的温度，提高挥发率。由于限制的扩散率不太可能发生，所以，这使压力积聚。此外，相对多孔的结构允许积聚的压力容易地和在低阈值下释放。这结果在于，脱胶通常可在较快的温度提升的上升率中执行，同时，减小微结构破裂的风险。此外，因为增加的表面面积和减小的扩散长度，脱胶在一较低的温度下完成。
稀释剂不仅是用于粘结剂的溶剂化合物。稀释剂较佳地能充分溶解，以溶入到未固化状态的粘结剂中。一旦胶泥或膏的粘结剂固化，稀释剂应从参与交联过程的单体和/或低聚体中相态分离。较佳地，稀释剂相态分离以在固化的粘结剂的连续的基体中形成离散的液体囊，使固化的粘结剂连接于玻璃料颗粒或胶泥或膏的陶瓷材料。这样，固化的生坯状态的微结构的物理完整性不受到严重损害，即使当使用相当高水平的稀释剂时(即，大于约1∶3的稀释剂对树脂的比例)。
较佳地，稀释剂具有的、连接胶泥或膏的陶瓷材料的亲和力小于粘结剂连接陶瓷材料的亲和力。当硬化时，粘结剂将连接于陶瓷材料的颗粒。这增加生坯状态结构的结构完整性，尤其是，在稀释剂蒸发之后。稀释剂其它要求的特性将取决于陶瓷材料的选择、粘结剂材料的选择、固化引发剂的选择(如果有的话)、基片的选择以及其它添加剂的选择(如果有的话)。较佳等级的稀释剂包括乙二醇和多羟基物，它们的实例包括丁二醇、二烃基醇和其它的多羟基物。
除了陶瓷粉、粘结剂和稀释剂之外，胶泥或膏可任意选择地包括其它的材料。例如，胶泥或膏可包括一粘结剂促进剂，以促进与基片的粘结。对于玻璃基片，或具有氧化硅或金属氧化物表面的基片，硅烷偶联剂较佳地选择为粘结剂促进剂。一较佳的硅烷偶联剂是具有三个烷氧基组的硅烷偶联剂。这样一硅烷可任选地预作水解，以促进与玻璃基片更佳的粘结。一特别优选的硅烷偶联剂是一硅烷底剂，它由MN，St.Paul的3M制造公司出品、以商标名ScotchbondTMCeramic Primer可从市场上购得。其它供选择的添加剂可包括诸如分散剂的材料，它们帮助陶瓷材料与胶泥或膏的其它组分混合。可供选择的添加剂还可包括表面剂、催化剂、抗老化剂、释放增强剂等。
总的来说，本发明的方法通常使用一模具来形成微结构。诸方法较佳地使用一能沿至少一个方向伸展的模具，以将模具图形与有图形的基片的预定部分对齐。模具较佳地是一弹性的聚合物片，其具有光滑的表面和相对的微结构的表面。模具可使用一具有微结构图形的主工具，通过热塑性材料的压缩模制而制成。模具也可由一浇铸和固化在一薄而柔性的聚合物膜上的可固化的材料制成。有关使用弧形表面连接阻挡区域和接合区域以及其它的模具/微结构的构造的讨论可见诸于题为“使用一模具在基片上形成陶瓷微结构的方法及由该方法形成的物品”的美国专利申请No.……，它与本文同一日期归档，归档号为No.56391US002。
微结构的形成可根据美国专利5,175,030(Lu等人)和美国专利5,183,597(Lu)中揭示的过程进行。形成过程包括下列诸步骤(a)准备一低聚物的树脂组分；(b)将低聚物树脂组分沉积在一负主微结构工具表面上，其数量只要足以填满主工具的凹腔；(c)通过在预形成的基片与主工具(它们中的至少一个是弹性的)之间去除珠形组分(bead of the composition)，填充凹腔；以及(d)固化低聚物组分。
步骤(a)的低聚物树脂组分较佳地是单成分的、无溶剂的、辐照聚合的、交联的(crosslinkable)有机低聚物组分，但也可使用其它合适的材料。低聚物组分较佳地是可固化而形成一弹性和尺寸稳定的固化的聚合物的一种聚合物。低聚物树脂的固化较佳地以低的收缩发生。合适的低聚物组分的一实例是一脂肪族尿烷丙烯酸盐，例如，由PA，Ambler的Henkel Corporation出品的商标名为PhotomerTM6010的产品。类似的复合物也可由其它的供货商供应。
丙烯酸盐和甲基丙烯酸盐的功能性单体和低聚物是较佳的，因为它们在普通的固化条件下更快地聚合。此外，市场上有大量的各种丙烯酸聚酯出售。然而，甲基丙烯酸盐、丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺的功能性成分也可无限制地使用。在本文中，使用丙烯酸盐的地方，甲基丙烯酸盐应理解为可接受的。
聚合化可通过通常的方法实现，例如，在无自由基引发剂存在的情况下加热，在合适的光致引发剂存在的情况下用紫外线或可见光辐照，以及用电子束辐照。聚合化的一种方法是在光致引发剂存在的情况下以低聚物的约0.1％至1％(按重量计)的浓度用紫外线或可见光辐照。可使用较高的浓度，但为获得要求的固化树脂特性通常并不需要这样的浓度。
沉积在步骤(b)中的低聚物组分的粘度可以是在500和5000厘泊(500和5000×10-3帕斯卡-秒)之间。如果低聚物组分具有的粘度高于该范围，则空气泡会诱陷在组分内。此外，组分不能全部地填充在主工具(master tooling)内的凹陷中。当使用带有的粘度低于该范围的低聚物时，低聚物组分可经历固化时的收缩，这阻止低聚物组分精确地复制主工具。
几乎任何的材料可用作图形模具的底(基片)，只要该材料基本上对于固化辐照光学上透明，并在微结构的浇铸过程中具有足够的强度允许搬运处理。此外，用于基片的材料可选择为在加工和模具的使用中具有足够的热稳定性。聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯薄膜较佳地用作步骤(c)中的基片，因为材料经济，对于固化辐照光学上透明，以及具有良好的拉伸强度。基片的厚度从0.025毫米至0.5毫米是较佳的，厚度从0.075毫米至0.175毫米尤为优选。用于微结构的其它有效的基片包括乙酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、聚醚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚安酯、聚酯，以及聚氯乙烯。基片的表面也可进行处理，以促进与低聚物组分的粘结。
合适的聚对苯二甲酸乙二醇酯基片材料的实例包括光学级的聚对苯二甲酸乙二醇酯；以及，具有根据美国专利4,340,276中描述的方法形成的表面的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
一用于上述方法的优选的主工具是金属工具。如果固化的温度和供选择的同时的热处理步骤不太大，则主工具也可由热塑性材料构造，诸如层叠聚乙烯和聚丙烯。
在低聚物树脂填满基片和主工具之间的凹陷之后，固化低聚物，从主工具移去，并可以或不可以热处理，以释放任何的残余应力。当模制树脂材料的固化导致大于约5％的收缩时(例如，当采用具有大部分单体或低分子量的低聚物时)，业已观察到合成的微结构可发生变形。发生的变形通常显现为凹陷的微结构侧壁或微结构的部件上的倾斜的顶部。尽管这些低粘度树脂对于复制小的、低的长宽比的微结构表现很好，但它们对于相对高的长宽比的微结构则不是优选的，对于这样的微结构，应保持侧壁角和顶部的平整。在形成用于PDP用途的陶瓷阻挡肋中，要求有相对高的长宽比的肋，维护相对直的侧壁和阻挡肋上的顶部会显得十分重要。
如上所述，通过压缩模制一抵靠主金属工具的合适的热塑性塑料，模具可交替地进行复制。
制备陶瓷微结构的方法前面已经描述了能在有图形的基片上模制和形成陶瓷微结构的诸种方法。例如，PCT专利出版物WO/0038829和美国专利申请09/219,803描述了在电极有图形的基片上模制和对齐陶瓷阻挡肋微结构。PCT专利出版物WO/0038829和美国专利出版物09/219,803描述形成陶瓷阻挡肋微结构的方法，它们特别适用于诸如PDP和PALC显示器之类的电子显示器，其中，通过在相对基片之间产生等离子体，像素得到寻址或照明。
已经研究出使用上述参考文献中描述的某些特征的各种新方法，并可提供准确的和均匀的微结构参数。图2示出在一基片上形成微结构的一方法的实施例。一个或多个基片102借助于一装置104被传送通过几个加工工位。这些加工工位可形成为单一的装置或多个的装置。
在涂敷工位106，一含有陶瓷材料的固化的胶泥或膏的涂层设置在基片102上。通常，采用一能产生基本上均匀涂层的涂敷方法，将涂层108涂敷在基片上。这样方法的实例包括刀片涂敷、筛网印刷、挤出涂敷以及倒置的照相凹版涂敷。
涂层108可涂敷在基片102的一个或多个区域内。图5示出一实施例，其中，涂层108涂敷在基本上全部的基片102上，箭头175示出图2所示加工过程的传送方向。在此实例中，留有的边缘没有陶瓷材料，以便提供拿持基片的区域，或特别在PDP和其它显示器技术的情形中留有没有陶瓷材料的区域，其中，可执行与前屏的密封，以及可形成与基片上的电极图形的电气的连接。图6和7示出一基片102的实例，其中，涂层108涂敷在基片102的不同区域上。当微结构仅需在基片的一部分上时，或当多个器件可从一单一的基片中形成时，这种情形可以是有效的。例如，如图6和7所示的基片在形成微结构之后可分离成三个显示屏。
一般来说，涂层的厚度变化不大于10％，5％，2％或更小。在一实施例中，涂层具有约50至75μm的厚度。其它的实施例可使用或厚或薄的涂层。涂层的均匀性便于形成均匀的微结构，并减少对其它加工步骤的要求。尤其是，如果没有均匀的涂层，则其后的模制加工步骤(将在下文中描述)会需要使用更多的精确接触压力和接触速度控制。这样的精度对于这些参数来说，显著地比涂层厚度的精度更加难于保持。
在一实施例中，涂层区域基本上对应于将被微结构(例如，阻挡肋)覆盖的区域。换句话说，在图2所示的加工过程中，涂层(如在加工过程中修改的)基本上不散布超过初始涂层的区域。在此实施例中，不需去除推出初始涂层区域外的多余的涂层。从接合区域的涂层被推入阻挡区域内。涂敷工位形成最终物品或器件的微结构的框架。
图3示出带有含有陶瓷材料的胶泥或膏的涂层108的基片102在它通过涂敷工位后的横截面图。在此实施例中，基片102显示为带有电极结构103的图形，以形成一等离子体显示屏。可使用除电极之外的结构来形成其它产品。
回到图2，涂敷的基片被传送到一模具施加工位110，其中，模具112施加到涂层108上，通常从涂层的前导边缘开始。模具112通常具有一形成要求的微结构形式。图4示出施加模具112之后的基片的横截面图。构造和布置此实施例中的模具112，以在电极结构之间103形成阻挡区域114(例如，阻挡肋)。介入的接合区域116设置在阻挡区域114之间。接合区域116通常基本上比阻挡区域114薄，并较佳地具有a)在电极结构103上的均匀的厚度，或b)在各个电极结构上大致复制的电极结构上的任何的厚度的变化。这可在各个电极上提供一复制的绝缘层，它可理想地提供显示器中均匀的像素操作。当绝缘层不均匀时，像素不能合适地操作，或可能要求使用一过电流(例如，一大于操作平均像素所需要的电流)来确保照亮所有的像素。
在一实施例中，模具112由可形成为一卷筒120的诸如聚合物的材料制成。当基片102前进通过模具施加工位110时，模具112可展开和施加到涂层108上。一般来说，设置一卷筒122或其它的压力施加装置来对模具112和涂层108提供压力，以驱动一部分的涂层进入到模具内的阻挡区域内。适合于一实施例的压力的实例的范围是1至5磅/英寸(约0.2至1公斤/厘米)。如果压力足以将涂层材料填充到模具内的阻挡区域，且涂层基本上是均匀的，则基片102移动的速度和卷筒122施加的压力不需精确地控制，以确保接合区域达到要求的复制厚度。另一方面，如果涂层基本上不均匀，则压力和速度通常需要更精确地控制，以获得要求的复制的接合区域厚度。
模具112可供选择地伸展，以将模具112的图形表面的至少一部分与有图形的基片102的对应部分对齐，如被电极103的间距所限定的。在理想条件下，制作的模具的图形和制作的基片的图形将完全地匹配。然而，在实践中，通常并不是这样的情形。加工步骤可致使基片和模具的尺寸变化。尽管这些尺寸变化可以很小，但它们可不利地影响使用模具与基片图形的对齐的微结构的精确的放置。例如，一具有100厘米宽度和一200微米的电极间距的PDP基片各具有精确地放置在邻近电极之间的5000个阻挡肋。电极的间距和模具的间距之间的差仅为0.1微米(或0.05％)，意味着阻挡肋的图形和基片上的电极的图形将不对齐，并横贯基片在至少两个区域内异相180°。这对显示器件的功能非常有害。对于这样的一PDP基片，模具的间距和电极的间距最好具有一0.015％或更小的不匹配(mismatch)。
本发明的过程可应用一能伸展而便于模具图形与基片图形精确对齐的模具。首先，模具通过沿与基片图形相同的定向放置模具图形而实现大致的对齐。核查模具和基片对应图形的对齐。模具沿平行于基片平面的一个或多个方向伸展，直到达到要求的对齐。在具有平行线图形的基片的情形中，例如，PDP基片上的电极，模具较佳地沿一个方向伸展，或平行于基片图形，或垂直于基片图形，视模具的间距是大于还是小于基片图形的间距而定。当模具沿平行于基片102的平行线图形的方向伸展时，在伸展而与基片图形的间距相一致的过程中模具的图形的间距减小。为了扩展模具的间距，模具沿垂直方向伸展。
可使用各种已知技术来使伸展发生。例如，模具的边缘可附连在可调整的卷筒上，它们可增加或减小在模具上的张力直到实现对齐为止。在某些要求同时沿一个以上方向伸展模具的情形中，可加热模具使模具热膨胀直到达到对齐为止。在某些情形中，可使用照相机、显微镜或其它可显现的装置用肉眼来监视对齐的情况。在另外的实施例中，例如，可使用一CCD阵列通过计算机执行观察。通常可使用一个以上观察装置在不同的点监视对齐。
在模具图形与基片图形对齐之后，模具112与基片102之间的材料在固化工位124中进行固化，以形成粘结到基片102的表面上的微结构。根据使用的粘结剂材料的固化可以各种方式发生。例如，使用提供可见光、紫外线、电子束辐射的一个或多个固化装置126来固化材料，或通过加热固化或冷却以从熔化的状态实现固化。当采用辐照固化时，辐射可通过基片102，通过模具112，或通过基片102和模具112传播。较佳地，选择的固化系统便于将固化后的材料粘结到基片102上。这样，在使用硬化和辐照固化过程中趋于收缩的材料的情形中，材料最好通过基片102的辐射实施固化。如果材料仅通过模具112进行固化，则在固化过程中，材料通过收缩会拉离基片102，由此不利地影响与基片102的粘结。在本应用中，固化是指可按如上所述进行固化的材料。
材料固化而形成粘结到基片102表面并对齐于基片102的图形之后，模具112可在模具移去工位128中被移去(例如，通过将模具卷绕到一卷筒130上)。提供一可伸展和弹性的模具112可有助于模具112的移去，因为模具112可被剥去，以使脱模力可集中在较小的表面区域。当具有阻挡区域114的微结构被模制时，模具112较佳地通过沿一平行于阻挡区域114和模具112的图形的方向的剥离而被移去。这在模具移去的过程中最大程度地减小垂直施加在阻挡区域114上的压力，由此，减小损坏阻挡区域的可能性。较佳地，模具释放被包括在模具112的图形表面102上的涂层，或被硬化而形成微结构本身的材料内。当形成较高的长宽比时，模具释放材料变得更加重要。长宽比越高的材料使得脱模越加困难，并可导致损坏微结构。如上所述，从基片102侧固化材料不仅有助于改进硬化的微结构与基片102的粘结，而且在固化过程中可允许微结构朝向基片102收缩，由此，拉离模具112以使脱模更加容易。
模具112移去之后，保留下来的是具有粘结在其上并与基片102的图形对齐的多个硬化的微结构的图形的基片102。根据应用情形，这可以是完成的产品。在其它诸如将具有多个陶瓷微结构的基片102的实施例中，硬化的材料包含一粘结剂，它较佳地在脱胶/烘焙工位132中通过提高的温度下的脱胶而被移去。脱胶或烧毁粘结剂之后实施生坯状态的陶瓷微结构的烘焙，以在微结构的材料中熔合玻璃颗粒或烧结陶瓷颗粒。这样就增加了微结构的强度和刚度。在微结构稠化的烘焙过程中，也可发生收缩。烘焙的微结构根据基片102图形保持位置和其间距。
对于PDP显示器应用，磷材料涂敷在微结构的阻挡区域之间。然后，基片102可安装在显示器组件内。这包括将具有支撑电极53的前基片51与具有寻址电极23的背基片21、微结构以及磷对齐，这样，如图1所示，支撑电极53与寻址电极23垂直。相对电极交叉的区域形成显示器的像素。然后，在基片粘结在一起和在其边缘处密封时，基片之间的空间排空并填充惰性气体。
微结构的接合区域116的完整性和一致的绝缘厚度是等离子体显示屏的重要方面。对于等离子体显示屏的电气性能，接合区域116的厚度是重要的。由于接合区域116的不相等的厚度而造成的绝缘性的显著变化，可导致不理想的光发射图形(例如，磷的不相等的发射)，其原因在于在等离子体显示屏的操作过程中，开关电压的显著的差异。本发明的方法便于形成基本上均匀的接合区域。
应该认识到也可使用带有模制微结构的基片来形成其它的物品。例如，模制的微结构可用来形成诸如电泳板之类的应用中的毛细现象的通道。此外，模制的微结构可用于等离子体或发光的其它的应用中。
实例实例1-10使用模具和光固化的玻璃料胶泥在基片上形成阻挡肋。制备一玻璃料胶泥。用于这些实例中的玻璃料胶泥的构成包括80份(按重量计)RFW030玻璃粉(日本东京的Asahi Glass Co.)，它含有带有诸如TiO2和Al2O3的难熔填料的硼硅酸铅玻璃料。对于玻璃粉添加8.034份(按重量计)BisGMA(双酚-a.二环氧甘油醚二甲替丙烯酸盐)，可由PA，Exton的Sartomer Company，Inc.购得，以及4.326份(按重量计)的TEGDMA(三甘醇二甲替丙烯酸盐)，可由日本的Kyoeisha Chemical Co.，Ltd.购得，以形成固化的短效粘结剂。使用7份(按重量计)1，3丁二醇(WI，Milwaukee的Aldrich Chemical Co.)，作为稀释剂。此外，可添加0.12份(按重量计)POCAII(多羟基聚氧烯化磷酸酯)作为扩散剂，可由MN，St.Paul的3M Company购得，(可使用其它的多羟基聚氧烯化磷酸酯，并由其它制造商购得)，添加0.16份(按重量计)A174硅烷(WI，Milwaukee的Aldrich Chemical Co.)作为硅烷偶联剂，添加0.16份(按重量计)IrgacurTM819(瑞士Basel的Ciba SpecialtyChemicals)作为固化引发剂。此外，添加0.20份(按重量计)BYK A555(购自CT，Wallingford的BYK Chemie USA)作为一脱气剂。
所有的液体成分和光引发剂组合在一不锈钢混合容器内。各成分使用一由气动马达驱动的整流罩叶片(PA，West Chester的VWR Scientific Products)进行混合。在混合叶片转动时，慢慢地加入固体成分。在所有成分加入之后，混合物继续混合5分钟。胶泥传送到一高密度聚乙烯容器内，容器内装有1/2英寸圆柱形高密度氧化铝研磨介质。使用一涂料调节装置(NJ，Union的Red Devil Model 5100)持续执行研磨30分钟。然后，从球磨机中排出胶泥。最后，使用一3辊磨机(NY，Haupauge的Charles Ross & Son Company的Model 2.5×5TRM)在60℃下胶泥进行研磨。
使用一刀形涂复器将胶泥涂敷在2.3mm厚的碱石灰玻璃基片上(WV，Charleston的Libbey Owen Ford Glass Co.)。对所有试样刀片间隙设定在75微米。
涂敷之后，一具有阻挡肋特征的模具层叠在涂敷的基片上。层叠压力名义为0.68公斤/厘米，且层叠速度名义为3厘米/秒。使用的模具是聚碳酸酯或光致固化的丙烯酸盐材料，该材料浇铸和固化在诸如125μm厚的PET(DE，Wilmington的E.I.Du Pont De Nemours and Company)的高刚度背衬材料上。模具通过将丙烯酸盐树脂浇铸和固化在一金属根据上而制成。评价具有不同类型阻挡肋微结构的模具。
模制之后，涂敷的基片暴露在蓝光源下以硬化玻璃料胶泥。在1.5英寸(约3.8厘米)的试样表面使用一蓝光源来进行固化。光源由10个超光化学的荧光灯(荷兰Einhoven的Philips Electronics N.V.，Model TLDK30W/03)各间距2英寸(约5.1cm)构成。这些超光化学灯提供波长范围约为400至500纳米的光。固化时间通常为30秒。
移去模具，根据下列热循环试样在空气中进行烧结3℃/分钟至300℃，5℃/分钟至560℃，浸泡20分钟，在2-3℃/分钟冷却至环境温度。
下表提供有关各实例中形成的产品的信息。所有尺寸是烧结前的生坯状态下的尺寸。斜度角是指阻挡线相对于垂直线的角度。肋底的曲率半径是指阻挡肋与接合部分相遇处的曲率半径。
实例11-14除了使用金属测隙规调整涂敷间隙之外，实例11-14与实例1-10相同的方式制成。用于这些模具的阻挡肋的尺寸是360微米间距，213微米高，37微米肋顶宽度，8°斜度角，以及50微米光滑半径调和。
这表明接合厚度可通过选择涂层厚度进行控制。
本发明不应被认为局限于上述的具体的实例，相反，应理解为涵盖如权利要求书中所阐述的本发明的所有方面。在直接回顾上述的说明书后，本发明适用的各种改型、等价工艺以及许多结构，对于本发明所涉及的技术领域内的技术人员来说是十分显然的。
权利要求
1.一种制造微结构的组件的方法包括在一基片上形成一基本上均匀的可固化材料的涂层，该涂层形成一前导边缘；涂层从前导边缘开始接触于模具，模具在固化的材料中形成多个被介入的接合区域连接的阻挡区域；固化材料被固化；以及移去模具。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成一基本上均匀的涂层包括在基片上形成固化材料的涂层，使其厚度变化不大于5％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，固化材料包括一陶瓷材料。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，固化材料还包括一粘结剂。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括在固化材料固化之后，对固化材料进行脱胶。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括在移去模具之后烘焙固化材料。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接触于涂层包括从涂层的前导边缘开始展开模具，同时接触于涂层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，移去模具包括将模具卷绕在接受的元件上。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，模具包括一聚合物薄膜。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，涂层接触于模具包括涂层接触于模具并形成多个被介入的接合区域连接的阻挡区域，介入的接合区域具有一基本上均匀的中心厚度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括多个设置在基片上的电极。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将接合区域与设置在基片上的多个电极对齐。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对齐接合区域包括伸展模具以将接合区域与多个电极对齐。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，涂层形成一小于基片表面区域的涂层区域。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，涂层形成至少两个个别的涂层区域。
16.一种制造微结构的组件的方法包括在一基片上设置一固化材料，该基片具有一第一端；固化材料从第一端开始接触于模具，并以基本上均匀的接触速度继续，且施加一基本上均匀的接触压力；以及使用一模具，将固化材料形成为多个被介入的接合区域连接的阻挡区域，其中，接合区域具有一基本上均匀的中心厚度。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在基片上设置固化材料包括将基片上的固化材料设置成一基本上均匀的涂层。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括固化材料的固化。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括移去模具。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，固化材料包括一陶瓷材料。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，固化材料还包括一粘结剂。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括对固化材料进行脱胶。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括烘焙陶瓷材料。
24.一种制造微结构的组件的方法包括在一基片上形成一基本上均匀的可固化材料的涂层，该涂层形成一前导边缘和形成一小于基片的表面区域的一涂层区域；涂层从前导边缘开始接触于模具，模具将固化材料形成为多个被介入的接合区域连接的阻挡区域，而基本上没有放大的涂层区域；固化材料被固化；以及移去模具。
25.一种制造一显示器的方法包括可固化的材料的大致均匀的涂层形成在一基片上形成一基本上均匀的可固化材料的涂层，该涂层形成一前导边缘；涂层从前导边缘开始接触于模具，模具在固化材料中形成多个被介入的接合区域连接的阻挡肋；固化材料被固化；以及移去模具。
全文摘要
在一制造微结构的组件的方法中，一可固化的材料的大致均匀的涂层形成在带有形成一前导边缘的涂层的基片上形成一基本上均匀的可固化材料的涂层。该涂层从前导边缘开始接触于模具，以在固化的材料中形成多个被介入的接合区域连接的阻挡区域。固化材料被固化，并移去模具。可供选择地，涂层包括一粘结剂。对这样一涂层可任意选择地进行脱胶。此外，涂层可被烘焙而形成陶瓷微结构。
文档编号C03C17/00GK1565040SQ02819893
公开日2005年1月12日 申请日期2002年8月9日 优先权日2001年10月9日
发明者R·C·邱, K·R·笛龙 申请人:3M创新有限公司