专利名称：在彩色滤光片上提高喷墨打印产出量率的制程方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种薄层大气压电浆装置及一种在彩色滤光片上提高喷墨打印产出量率的制程方法。这个电浆装置将改变黑色矩阵(black matrix)的表面物理性质。与固体屏蔽(solid mask) —起在喷墨打印生 产过程中使用，彩色滤光片制造业的生产良率损失可达到大幅改善。
背景技术：
传统上，平板显示器中的彩色滤光片制作是运用颜料分散(color pigment dispensing)法或电镀(electroplating)的方法。由于浪费昂贵的 颜料材料和制作RGB需经多重光罩制程处理，因此利用喷墨打印技术当 一个大量生产工具以制作彩色滤光片的需求剧增。这个喷墨打印的制程 不仅节省费用而且简化生产步骤。并且，使用光罩制程的昂贵资本支出 和营运费用可能被节省下来。经过多年对喷墨打印技术的密集研究及发展， 一些显示器公司已设 法使用这个方法量产。但是，由于下列几个事实，当今喷墨打印技术的 低产出良率仍无法被避免。首先，当今最佳的喷墨打印头其最小喷墨量是在1到5披公升(Hco Liter)的范围。对于大型显示器而言，需填装RGB墨水的次级映像点(sub pixel)黑色矩阵井的容量是在1到5披公升的范围。因为目前喷墨技术 使用打印机头有过高的喷墨容量不精确性，RGB墨水装填在黑色矩阵井 经常被选择为过度充填(overfill)。再由化学机械研磨法(chemicalmechanical polishing, CMP)将被过度充填的RGB墨水在凝固以后被研 磨到达需要的平整度以防止由于RGB墨水在凝固以后不规则的表面所造 成的光学损失。但是，化学机械研磨在研磨期间会在RGB交错的彩色滤 光片表面把所有RGB染料混合在一起。而混杂的化学机械研磨液也会将 混杂的RGB染料导入所有在黑色矩阵墙壁和被凝固的RGB材料之间未 装满的空隙。这以混杂的RGB (黑色)填满的空隙将减少彩色滤光片光 学透射率。其次，玻璃基板在黑色矩阵制程过后不是平整的。所以，打印出的 RGB材料在其凝固的过程期间，RGB墨水材料不可能集中于黑色矩阵中 间。这将导致RGB墨水材料和黑色矩阵墙壁之间左右空隙不等距离。而 在化学机械研磨以后，这混杂的RGB黑色残滓将装填在左右不等距离的 空隙将导致更大的光学损失。此外，由于由聚合材料制成的黑色矩阵通常是疏水性。因此应用亲 水性墨水，上述缺点可能发生。为了解决良率损失问题，疏水性墨水材 料被开发与应用。这种利用相同化学亲合力方法可解决了在黑色矩阵和 在凝固RGB墨水之间空隙问题。但是，在喷墨打印头喷出量的不精确性 会随着喷墨次数增加而变大。这可能潜在地导致邻居不同颜色墨水由于 溢出而混合一起。溢出无法被停止住是因为黑色矩阵上面的还是与使用 墨水相同的化学亲合力(疏水性)。因此由于邻居不同颜色墨水混合的 良率损失将在打印头使用次数增加变得更严厉。所以，这种方法无法根 本上解决喷墨打印的问题。另一种提议方法是使用双层黑色矩阵。第一层附在玻璃表面的黑色 矩阵层是亲水性而第二层附在第一层的黑色矩阵层是疏水性。这种提议 方法是可能大幅度地减少喷墨打印造成的良率损失。但是，亲水性黑色矩阵是非常昂贵的。这种提议方法不但会增加网印设备数量并且加倍生 产黑色矩阵的时间。同时，制程良率也会因为两次印刷而降低。这几年来由于科技进步，各式的常压电浆设备因应而生，因常压电 浆设备无需使用真空，因此昂贵的设备投资及营运成本得以降低。目前 常压电浆源可由不同方式产生而其最大宗的方式是采用介质阻挡放电的方式来达成，其详细的运作方式可参考T. Yamamoto et. al.: Plasma Chemistry and Plasma Processing 24 (2004) 1-1及Ch. Wang and X. He: Preparation of hydrophobic coating on glass surface by dielectric barrier discharge using a 16 kHz power supply Applied Surface Science (2006)。 当这样介质阻挡放电，被使用为一种电浆处理，其被处理的材料位于二 个电极之间并导入一个高频率高压信号，这种装置的位移电流线发出从 电极横渡被处理的材料和放电电浆空间。介质阻挡放电可能发生在任一 运作的气体里，包括空气和氧气。但是这种装置因为放电电浆特征取决 于被处理的物质厚度因而不利处理厚实的材料。此外这样装置于电浆功 率密度增加时会导致不受欢迎的电浆丝状放电(filamentation)，发火花， 和剧烈的电浆气体温度增加，造成不均匀的处理并且粗化被处理的物质 表面，这种介质阻挡放电装置并不利于工业用途。再者，这样装置会产 生电浆丝状放电(filamentation)，发火花，和剧烈的电浆气体温度增加而 损害黑色矩阵的聚合材料，因此并不适合本发明于彩色滤光片上的运用。 为了增加电浆功率密度和减少电浆对被处理的物质表面的处理时 间，并且没有被提及的不均匀的处理及表面损伤， 一种没有丝状放电 (filamentation)并且不发火花的电浆装置被设计开发，这种装置产生扩 散式大气压力电浆。该装置原理乃利用所谓的大气压辉光放电(glow discharge),而这种用于材料表面清洁和活化作用被发表于，例如，C.H. Yiet al.: Surface and Goatings Technology 171 (2003) 237—240， in B. Das: L Adhes. Sci. Technol. 10 (1996) 1371-1382以及在U.S. Pat. Appl. No. 20050045103.这项原理并且被使用在由Surfx Technologies公司制造的 AtomfloTM设备，和由Radiontech公司制造的APIS-FTM设备中。相似的 原理也被命名为喷气电浆(Plasma Jet)，而它用于材料表面处理可参考 H. Hermann.: Atmospheric Pressure Plasma Jet for Glass Processing :GLASS PROCESSING DAYS 2005 - www.gpd.fi ， pp.1-3.依照上述文章谈论，这样设备的共同不利点是为防止电浆丝状放电 (filamentation)，发火花，和气体热化而使用含氦气的气体为工作气体。 包含氦气的气体使该装置得以产生扩散式大气压力低温电浆，但使用很 多氦气除费用很昂贵外，它并且限制此装置的使用其它反应气体的工作 范围。此外为进一步防止运作的气体热化及发火花，该电浆必需产生在 大量流动的工作气体中，这使得该电浆装置运作必须增加能量和消耗极 大的气体量。另外使用喷气电浆设备不利的是，电浆发生在被处理的表 面上方比1毫米更长的一个距离。这与高流量的工作气体加成一起，导 致电浆在没有与被处理的表面接触前电浆活跃离电子部分已再结合，因 此这样设备的能源效率极低。再者美国专利申请第20050045103号进一 步表明这些设备产生的放电电浆是直接与金属电极表面接触并导致电极 表面侵蚀。进一步不利使用这样的设备于生产制造是因为这样的电浆通 常对人体并不安全。本发明揭露一种电浆设备可作为黑色矩阵材料表面处理的使用。此 发明中披露包括至少一个电极系统(11)包括至少二个电极(111)置放 于一个电介质材料(112)里面。电子电浆产生于大气气体压力之中，更 可使用空气和水气混合物当作反应介质。而位于在电介质材料里面的电极(111)是由交替或脉冲电压以产生电浆。本发明并揭露一种由电子电浆的作用使黑色矩阵材料表面改质的方 法，本发明的方法所用的电浆最好处于大气气体压力以及用氮气和水气 混合发生。此外，当前发明揭露一种使用固体屏蔽遮盖黑色矩阵以达成电浆选 择性表面处理的方法。再者，当前发明透露一个利用选择性的黑色矩阵材料表面改质方法 使得在彩色滤光片制造期间防止喷出的墨水溢出入邻近的黑色矩阵井。这个发明方法并且消灭在黑色矩阵及墨水材料之间空隙的形成，在CMP 研磨以后，RGB黑色不透光的混合物将不可能残留于黑色矩阵和RGB 凝固墨水之间。这个发明大大地改进在彩色滤光片喷墨打印制程生产的 产出良率并降低在CMP研磨制程以后彩色滤光片的光学损失。本发明也许因为文字而特殊或具体化被描述了，但我们的发明包括 所有代替文字和修改在发明的精神之内的所有范围。发明内容本发明解决以上被谈论的不利点，本发明的装置将被处理物质暴露 于一薄层不平衡电浆之下，电浆反应层的厚度范围从0.2毫米对0.3毫 米为最佳。本反应用的电浆层发生在电介质材料表面，更严谨地说电浆 层发生在电介质材料表面位于导电性电极之上。而导电性电极位于电介 质材料里面有利地由介质材料保护住，而此电介质材料可由陶瓷或玻璃 做成。为达到上述彩色滤光片喷墨打印制程生产的高产出良率，本发明中 提出一种适合黑色矩阵聚合材料表面改质的大气压电浆装置，包括电极系统，电极系统由电介质材料及植于电介质材料里面至少两导电性电极所组成；电极间的间距是少于5毫米但至少超过0.05毫米； 一电浆层位在电介质材料表面的部分，此电浆的电场线大部分均流动在电极之间，被处理的物质一律放置在电浆之下；而电介质材料与被处理的物质表面 之间的工作距离是少于5毫米，由于有电介质材料保护，电极系统是永 远不与被处理的物质表面接触，因此绝不会对使用者或是被处理物有电 击情形产生。本发明还提出一种使用电浆以使黑色矩阵聚合材料表面改质的方 法，其中电浆发生于电极系统之上，该电极系统包括至少二个导电性电 极置于一个电介质材料里面，藉由一个频率从50赫兹至1兆赫以及电压 强度从500伏特至100千伏特的电源应用在电极系统的电极间以产生电 浆，电压所产生的电场线大部分流动在电极之间，更精确而言大于50% 总电场线分布在电极之间，并且不与被处理的材料相交，电极不与电浆 层接触，而被电浆层包附的电介质材料，其表面与被处理的物质表面之 间距离是少于5毫米。
图l (A)、 (B)、 (C)表示本发明的电浆装置。 图2为本发明的制程方法的实施例参考图。图号说明2 电浆10 电浆装置11 电极系统12 外壳之间的空间111 导电性电极112 电介质材料具体实施方式
兹谨就本发明的结构组成，及所能产生的功效与优点，配合图式，举一较佳实施例详细说明如下。请参考图1及图2。本发明的电浆可产生在任一运作的气体里，更实用于在不包含氦气 或其它惰性气体的运作气体中，如氮(N2)、氧(02)、水(H20)、 二氧化碳(C02)，和光晕碳氢化合物(halo-hydrocarbon)分子。本发明 电浆于其它工业应用上而言也可产生在空气里并加入其它运作气体的组 合譬如水气。从本发明应用上而言，电浆由氮及水气产生。本发明电浆 发生的气体压力范围可从1 kPa至1000 kPa，更实用于在大气压力，而 其运作的气体流程速度则不大于10米/秒(m/s)。本发明的电浆层发生在一个电介质材料的表面，导电性电极则位于 在电介质材料里面，在这种情况下电极表面并不与电浆接触。此外，电 介质层阻挡直接电流产生因而消弥可能在操作期间危及人员安全的发 生。电极由交流或脉冲电压的电力供应所须的电源，其操作的频率范围 从50赫兹对l千兆赫，而应用电压范围从100伏特至100千伏特。最 小的电极间极距离是少于5毫米但长于0.05毫米。本装置电极所摆放于电介质材料中的位置使得大部分从电极发出的 电场线(大于50%)在这种情况下不透过被处理的物质表面。使用上述的方法产生的扩散不平衡电浆是可能达到100 W/cr^大功 率密度，并且在增加功率之下电浆会变得更均匀和较不容易产生丝状放电(filamentation)。这些独特的特点，消灭电浆丝状放电(filamentation)和发火花的问题。此外本发明的重大好处是由于它是可能使用较高的电 浆功率处理待处理表面，因此清洁时间可短至O.l至1秒等级，而且没 有使用氦气或Ar气体及高流量的工作气体。另外本发明的重大好处是在 没有任一外加工作气体下，本电浆可被直接使用在待处理表面上，因此 工作气体和电源消耗量可大幅地减少。这些独特的特征清楚地区分它与 其它电浆方法，并更适用于各种物质的表面处理。根据此发明电浆，均匀的电浆和功率密度发生于被处理的材料表面 从0.05毫米到2毫米之间，在一大气压下其最佳化电浆的工作距离为从 电介质材料表面0.2毫米到0.3毫米之间。此发明的另一好处是，对电浆 的暴露时间短于10秒并不会导致任何材料表面的粗化，这点可由电子力 显微镜(AFM)观测得以证实。因为应用这样特性的浅层电浆源， 一种在喷墨打印制程之前有效处 理黑色矩阵表面的方法被研发出来。本方法使用一个由金属或玻璃材料 制成的固体屏蔽(solid mask)，其表面拥有与黑色矩阵井同样表面形状 的孔洞并被使用在黑色矩阵上面，而和黑色矩阵形状一样没有打孔的区 域是用于在电浆处理期间遮掩固体屏蔽的顶端表面部分，使其在电浆处 理期间不受电浆的影响。电浆被使用来修改特定黑色矩阵材料表面从疏水性变成亲水性。电 浆产生在一个运作的气体环境里。该运作的气体环境可包含空气与氮气、 氧气、光晕碳氢化合物和水混合物。更精确而言，运作的气体环境包含 氮气和水。本发明在使用电浆处理表面改质期间以固体屏蔽遮盖黑色矩阵顶 面，而黑色矩阵内墙壁因电浆的表面改质会从疏水性转移为亲水性，以固体屏蔽遮盖住的黑色矩阵顶面区域则被保存为疏水性。这种电浆处理 过的黑色矩阵在应用亲水墨水的喷墨打印制程之中，喷出的RGB墨水能 有完全贴上黑色矩阵墙壁的内墙且不留空隙。并且，溢满的墨水材料则 由于黑色矩阵顶面疏水性和亲水墨水不同的化学亲合力而被保留于黑色 矩阵井内，不会与邻近的不同颜色混合。以这创新方法可使喷墨打印制 程达到非常优越的产出良率。本发明的电浆表面改质装置概要地的被描述在附图上。这种电浆装 置(10)被使用为上述黑色矩阵表面改质应用具体化包括以下组成请参考图1 (A)、 (B)、及(C)，本发明的电浆装置IO是一个电浆 电极系统，包含电极111被埋置在陶瓷或玻璃基板112里。电极111的剖面可能是任一形状但最好是长方形和三角形状。在电极系统11和外壳之间的空间12可使混合气流均匀化并且被使用为电极系统发热的冷却之 用。在电极系统外围的一个微小的穿孔被使用为补充入电浆反应区域气 流的空气渠道。电浆2被点燃在电极系统的表面和位于在电极之上。本发明的制程方法的例子概要地被显示在附图2中。在附图2中， 在发明背景中所有三个可能的情节A对C与当前发明D —起被描述。在 图上的(a)部分，四个在彩色滤光片上喷墨打印方法其RGB墨水硬化 以后的理想情况被显示。而之上描述四个方法在打印以后，墨水在黑矩 阵内硬化的实际情况被标记在图上的(b)部分。部分(c)则显示了之 上描述四个方法在CMP研磨以后彩色滤光片的实际横剖面。概要图A 的(a)部分显示在打印以后亲水性墨水在疏水性黑色矩阵硬化后的理想 情况。但是，玻璃在黑色矩阵网印以后会有翘曲情形发生，因此墨水在 硬化过程中不会聚集在黑色矩阵的正中央。在CMP研磨以后，RGB混 合的残滓会被填入硬化的墨水和黑矩阵墙壁的空隙。所以，这个方法会导致光穿透量降低且不均匀。使用疏水性墨水于疏水性黑色矩阵的制程被显示在概要图B，这个方法会导致邻近墨水混合。在CMP研磨以后， 与方法A所描述相类似的光学损失也会发生。方法C使用疏水性墨水与 双层黑色矩阵制程(亲水性黑色矩阵在下而疏水性黑色矩阵在上)，这个 方法和早先二个方法(A&B)相比可减少光学损失。但是，和当前发明 相比光穿透量仍然是偏低的。当前发明，由于使用选择性电浆表面处理 使得RGB墨水得以完全与黑色矩阵的内边阵墙壁完全贴合，同时也防止 墨水溢出与邻近墨水混合。当前发明使得彩色滤光片上的喷墨打印制程 达到完善的良率及光穿透性。综上所述，本发明人性化的体贴设计，相当符合实际需求。其具体 改进现有缺失，相较于习知技术明显具有突破性的进步优点，确实具有 功效的增进，且非易于达成。且本发明未曾公开或揭露于国内与国外的 文献与市场上，己符合专利法规定。上列详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，但该实施 例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等 效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。
权利要求
1. 一种适合黑色矩阵聚合材料表面改质的大气压电浆装置，包括电极系统(11)，电极系统由电介质材料(112)及植于电介质材料里面至少两导电性电极(111)所组成；电极间的间距是少于5毫米但至少超过0.05毫米；一电浆层位在电介质材料(112)表面的部分，此电浆的电场线大部分均流动在电极(111)之间，被处理的物质一律放置在电浆之下；而电介质材料(112)与被处理的物质表面之间的工作距离是少于5毫米，由于有电介质材料保护，电极系统(11)是永远不与被处理的物质表面接触，因此绝不会对使用者或是被处理物有电击情形产生。
2、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于该电浆层位在电介 质材料表面，导电性电极(111)之上。
3、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于该电浆的电场线中 大于50%位在电极(111)之间且不相交于被电浆处理的物质或材料表面。
4、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于电极系统(11)中， 在电极(111)之间的电压源的频率介于50赫兹至1兆。
5、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于于所有电极(111) 之间的电压介于500伏特至100千伏特之间。
6、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于电浆发生的电介质 材料(112)表面处于工作的气体之中，其气体压力适用的范围可从压力 1 kPa至500kPa的区间。
7、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于工作压力为一大气 压，而工作的气体为空气、氮气、氧气、水气或上述的气体混合物。
8、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于电浆装置的反应气体由整合于上述的电介质物质的微小管道被强制导入电浆反应区域，在 流动入电浆反应区域之前，其加压气流可冷却电极系统(11)的背面， 此方式可帮助降低电介质材料(112)的工作温度。
9、 如权利要求l所述的电浆装置，其特征在于被处理的黑色矩阵 基板材料于表面处理时相对运动于电极系统(11)之下。
10、 一种使用电浆以使黑色矩阵聚合材料表面改质的方法，其中电 浆发生于电极系统(11)之上，该电极系统包括至少二个导电性电极(111)置于一个电介质材料(112)里面，藉由一个频率从50赫兹至 1兆赫以及电压强度从500伏特至100千伏特的电源应用在电极系统(11) 的电极(111)间以产生电浆，电压所产生的电场线大部分流动在电极(111)之间，更精确而言大于50%总电场线分布在电极(111)之间， 并且不与被处理的材料相交，电极(111)不与电浆层接触，而被电浆层 包附的电介质材料(112)，其表面与被处理的物质表面之间距离是少于
11、 如权利要求10所述的方法，其特征在于其中用电浆改变黑色 矩阵聚合材料的表面性质，而这些材料表面暴露于电浆影响范围内。
12、 如权利要求IO所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，而黑色矩阵聚合材料的表面暴露于包含 氮、氧、光晕碳氢化合物和水分子的大气电浆影响范围内。
13、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，而黑色矩阵聚合材料的表面更适合暴露 于包含氮和水分子的大气电浆影响范围内。
14、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，而此电浆使用的气态反应物质包含被氮和OH极性反应离子，这些气态反应物质则用于黑色矩阵聚合材料的表 面改质。
15、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变 黑色矩阵聚合材料的表面性质，当黑色矩阵材料暴露在了电浆时， 一个拥有与黑色矩阵同样表面形状的固体屏蔽(solidmask)坐在黑色矩阵数 组的玻璃基板上面和在电浆之下。
16、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，在黑色矩阵表面的电浆化学反应将改变黑色矩阵表面的本质，这变动可能是从疏水性(hydrophobic)变成亲水 性(hydrophilic)或从亲水性变成疏水性。
17、 如权利要求IO所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变 黑色矩阵聚合材料的表面性质，表面改质会导致黑色矩阵材料顶面和内 在墙壁不同的亲水或疏水性。
18、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变 黑色矩阵聚合材料的表面性质，从商业喷墨打印机喷出的墨水黑色矩阵 内墙有相同的化学亲合力但与同一黑色矩阵的顶面有相反的化学亲合 力。
19、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，固体屏蔽可由玻璃、金属或金属合金材 料制作。
20、 如权利要求10所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，固体屏蔽在与黑色矩阵井相同位置和区 域穿孔，而此穿孔区域允许电浆物质通过。
21、 如权利要求15所述的方法，其特征在于本方法可用电浆改变黑色矩阵聚合材料的表面性质，固体屏蔽有效的将黑色矩阵上面遮蔽住， 所以黑色矩阵上方表面区域不会受电浆影响或与任何电浆物质起反应。
22、如权利要求15所述的方法，其特征在于本方法可用电桨改变 黑色矩阵聚合材料的表面性质，压在有黑色矩阵玻璃基板上面的固体屏 蔽其重量可降低玻璃基板在黑色矩阵制程以后的变形。
全文摘要
本发明公开一种薄层大气压电浆装置及一种在彩色滤光片上提高喷墨打印产出量率的制程方法，这个电浆装置将改变黑色矩阵(blackmatrix)的表面物理性质，与固体屏蔽(solid mask)一起在喷墨打印生产过程中使用，彩色滤光片制造业的生产良率损失可达到大幅改善。
文档编号G02B5/23GK101277575SQ20071008881
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者赖中平 申请人:赖中平