一种电润湿光学器件及制备方法与流程

本发明属于电润湿技术领域，具体涉及一种电润湿光学器件及制备方法。

背景技术：

所谓润湿是指固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。液体在固体表面能铺展，固液接触面有扩大的趋势，即液体对固体表面的附着力大于其内聚力，就是润湿。液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，不润湿就是液体对固体表面的附着力小于其内聚力。电润湿（Electrowetting，EW）是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。

如图1所示，传统电润湿器件的基本结构由上下两个基板以及两个基板相对形成的密封腔中填充的两种不互溶的极性液体9’和非极性溶液7’组成，下基板包含结构有下支撑板4’、第一电极5’、疏水绝缘层（或在表面涂覆疏水材料的绝缘层）6’、像素墙7’。上基板包含的结构有1’上支撑板、第二电极2’、密封胶3’。像素墙之间的区域为显示区域，像素墙7’材料的疏水性低于疏水绝缘层6’的疏水性，并且像素墙7’对于极性液体9’和非极性溶液7’的亲疏性，极性液体9’在像素墙7’表面的润湿性更好，这样就可以控制非极性溶液7’填充在每个像素格内并且由于像素墙7’的亲水性将每个像素中的非极性油墨8’隔断开。电润湿器件中所用材料一般均为透明材料，除了非极性溶液7’多为彩色不透明材料或低透光性材料，这里材料的透光性一般取决于电润湿器件的应用方向。上述的电润湿器件结构的制备工艺是通过旋涂、丝网印刷、狭缝涂布等方法在带有第一电极5’的下支撑板4’上涂覆一层疏水绝缘层6’。然后在疏水绝缘层6’表面涂覆一层光刻胶，但是由于疏水绝缘层6’表面的表面能很低并且具有很低的接触角滞后，例如Teflon AF1600前进接触角124±2°，后退接触角113±2°，因此很难在疏水绝缘层6’表面涂覆一层均匀的光刻胶薄膜。目前大多数电润湿器件所采用的方法是通过等离子体改性的方法，改变疏水绝缘层6’表面的亲水性来使光刻胶更容易涂覆在其表面。如图2所示，通过反应离子刻蚀机在低功率下如30~35W、5s条件下，在50 mTorr氧气压力、氧气流量63sccm下轰击33疏水绝缘层表面32使薄膜表面增加了含氧的亲水性基团，同时增加了表面的粗糙度如改性后疏水绝缘层表面34，进而影响了表面的润湿性，前进和后退接触角都减小，如Teflon AF1600改性后前进接触角降为84±5°、后退接触角将为28±2°，后退接触角的变化更加明显，所以表面改性后，接触角滞后增大，表面粘附性增加，更加易于光刻胶在其表面成膜。等光刻胶成膜固化、光刻、显影一系列流程完成之后，为了恢复改性后疏水绝缘层表面34的疏水性，需要通过高温加热35使绝缘层底层新鲜的氟树脂材料36回流到表面，并将表面疏水性差的氟树脂材料37回流到下面，同时高温恢复表面的平整度来恢复疏水绝缘层38表面的疏水性。

目前基本的电润湿光学器件在制备过程中都需要涉及到疏水绝缘层6’表面的改性，进而保证光刻胶更加容易涂覆在疏水层的表面形成均匀薄膜，因此像素墙7’在完成之后需要高温回流的方法恢复疏水绝缘层6’表面的疏水性。通过将改性后的薄膜加热到熔点以上，薄膜中低表面能的组分就从主体向表面运动，含有氧原子的组分从表面向主体运动，这就导致新鲜的疏水基团暴露在表面，疏水性恢复。然而高温回流并不能将疏水绝缘层6’的疏水性恢复到改性前的特性，滞后角增大。这就导致了器件在打开和关闭的过程中非极性溶液7’的收缩和铺展产生问题。同时高温回流的温度较高，容易造成像素墙结构的变形进而影响器件的稳定性，同时光刻胶材料在高温环境下变黄，影响电润湿器件的光学性能；而且像素墙7’所覆盖的疏水绝缘层表面和暴露在腔体内的疏水绝缘层表面的特性差异，以及像素墙7’显影过程中残留下的杂质都能造成电润湿器件的失效。

传统电润湿光学器件通过像素墙7’结构将非极性溶液7’限定在单个像素内，对于传统电润湿光学器件像素墙7’是不可缺少的部分，但是像素墙在隔离非极性溶液7’的同时也降低了显示器件的对比度，如在像素大小为150×150μm的器件中，像素墙的宽度一般为10μm，在整个器件中像素墙的面积占比率为12%，像素墙材料如SU-8等一般为无色或高温回流制程之后的浅黄色，均降低了器件的光学性能。

技术实现要素：

基于以上传统电润湿光学器件所存在的问题，本发明提出一种新型电润湿光学器件结构，规避疏水材料表面改性及高温回流所带来的缺陷，完全保证疏水绝缘层表面的原始特性不被破坏，以此来提高电润湿光学器件的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电润湿光学器件，包括上基板、下基板，上基板和下基板对向形成的空腔内填充有封装液体，所述上基板包括第一基板，第一基板上设有辅助电极和像素电极，所述辅助电极和像素电极上设有疏水层；所述下基板包括第二基板，第二基板上设有公共电极，所述公共电极表面设置有支撑性非极性溶液收聚桩，支撑性非极性溶液收聚桩的上端设有疏水结构。

支撑性非极性溶液收聚桩代替了传统电润湿光学器件中的像素墙结构，其结构是阵列排布的圆柱状结构，作用是为了在电润湿器件打开状态下给非极性溶液提供收缩聚集点，同时对器件的上下基板起到支撑作用，防止器件塌陷。

支撑性非极性溶液收聚桩的上端通过涂覆或表面改性的方法增加了疏水结构，目的是为了在施加驱动电压在电润湿光学器件时，非极性溶液破裂更容易向支撑性非极性溶液收聚桩收缩，同时疏水结构的疏水性让非极性溶液更容易向支撑性非极性溶液收聚桩攀爬，减少非极性溶液的聚集面积，提高了像素开口率。

在第二基板和所述公共电极之间设有反射层；反射层可选择Al等，在透射式电润湿光学器件中反射层可以不存在。

在辅助电极和像素电极的上方、所述疏水层的下方设有绝缘层。绝缘层可选二氧化硅、氮化硅等材料，目的是为了保护辅助电极和像素电极在工作状态下不会被电压击穿造成器件失效，但这一结构并非是必须存在的，因为疏水层同样具有绝缘性，可以增加疏水层的厚度来提高其绝缘性来代替绝缘层结构，此时疏水层就同时兼顾绝缘层和疏水层的作用；疏水层可选Teflon 1600、Hyflon、Cytop等材料。

辅助电极和像素电极一般为ITO层或其他透明导电层。目前主流的透明导电电极是ITO材料，但是辅助电极和像素电极还可以用石墨烯、银纳米线等材料制备。

封装液体为极性电解质溶液和非极性溶液，两种溶液不互溶。

支撑性非极性溶液收聚桩顶部并未与上基板的疏水层完全接触，而是存在一个间距非常小的狭缝，该狭缝的作用增强了非极性溶液在破裂的时候更加容易向支撑性非极性溶液收聚桩收缩和聚集。

具体而言，狭缝的作用是器件在打开的状态下，非极性液体开始收缩的时候，通过狭缝所产生的毛细力将非极性液体向支撑性非极性溶液收聚桩吸引聚集，同时考虑到收聚桩的支撑性作用，因此狭缝的间距需要足够小，在器件的最终装配过程中控制狭缝间距在1μm以内。

像素电极为中心对称的形状，例如正方形、正三角形、正六边形，辅助电极根据像素电极的形状设计成若干个围绕在像素电极外围的电极。

辅助电极可以有两种表现方式：一种是隔断式，所有的辅助电极是不互相串联的，每个辅助电极可以单独控制打开和关闭，这种方式的好处在于当只需要打开电润湿光学器件中的部分像素格时，仅需要将此区域的辅助电极打开即可，其他区域的辅助电极处于关闭状态，避免因为其他区域的辅助电极同时打开而造成器件的光学性能损失，同时降低了器件的能耗；另一种方式是全串联方式，此方式是将所有的辅助电极全部串联在一起，当施加电压在辅助电极和公共电极时可全部打开辅助电极区域，这种方式的好处在于辅助电极和像素电极的制备可以在一个层面上完成，降低了器件制备的复杂程度。

一种制备上述的电润湿光学器件的方法，包括以下步骤：

S1、在上基板的第一基板上制备辅助电极和像素电极，在辅助电极和像素电极上涂覆疏水层，然后热固化；

S2、在下基板的第二基板上制备公共电极，在第二基板上通过光刻技术，或者丝网印刷，或者柔性版印刷制备支撑性非极性溶液收聚桩，通过红外辐射固化疏水材料或者等离子轰击在支撑性非极性溶液收聚桩上端得到疏水结构；

S3、在下基板周围添加围堰，在围堰所围起的区域添加极性电解质溶液，通过加热或真空挥发掉部分极性电解质溶液，使极性电解质溶液的水平高度低于支撑性非极性溶液收聚桩的高度，再添加非极性溶液，非极性溶液的水平高度要高于支撑性非极性溶液收聚桩的高度，最后将上基板盖在下基板上面完成封装。

通过旋涂、浸涂、丝网印刷、柔性版印刷等方法将疏水材料溶液涂覆在辅助电极和像素电极表面，形成疏水层。

所述光刻技术具体是：涂覆一层均匀的光刻胶材料在公共电极表面（涂覆方法有狭缝涂布、旋涂等），经过热固化之后在光刻胶表面覆盖一个掩膜版，通过紫外光进行曝光，最后通过显影得到支撑性非极性溶液收聚桩。

可以通过在极性电解质溶液中添加合适的有机物来改善挥发过程，例如在极性电解质溶液中添加部分乙二醇或甲醇等挥发性比极性电解质溶液好的有机物，在极性电解质溶液挥发不剧烈的情况下挥发掉有机成分，通过有机成分的含量来准确控制液面下降量，待挥发过程完成后，不会残留有机成分在极性电解质溶液中。

封装的过程具体是：上基板设有密封胶框，在密封胶框留有开口，按照以下两种方法中的一种进行：

A、将上基板的一端先接触非极性溶液，给先接触非极性溶液的一端施加压力，然后按照压力施加方向不停的给上基板的剩余部分施加压力，使上基板完全接触非极性溶液，同时将多余的非极性溶液通过开口挤压出去，最后密封开口，完成整个器件的封装；

B、将上基板与下基板水平放置，然后在上基板中心施加压力，上基板由于受力不均匀，中心会先接触非极性溶液，然后给上基板周围施加压力，上基板形变减小，与非极性溶液的接触面积增大，多余的非极性溶液通过开口流出器件，待上基板完全接触非极性溶液后，密封开口，完成整个器件的封装。

本发明用支撑性非极性溶液收聚桩代替了传统像素墙结构，电润湿光学器件结构中的非极性溶液在器件中是连续的，与传统的电润湿光学器件的非极性溶液隔离式结构不同。本发明在辅助电极和像素电极作用下，通过驱动电压程序来进行非极性溶液的分离和像素打开。

当未施加电压时，辅助电极区域和像素区域处于关闭状态，非极性溶液处于铺展状态。当施加电压在辅助电极和公共电极之间时，辅助电极打开，处于辅助电极表面的疏水层润湿性改变，极性电解质溶液润湿其表面，非极性溶液在破裂处进行分离，辅助电极区域被打开。当辅助电极处于打开状态时，施加电压在像素电极上，像素电极打开，位于像素电极表面的疏水层表面润湿性发生改变，极性电解质溶液润湿其表面，挤迫非极性溶液收缩，由于支撑性非极性溶液收聚桩的上端有疏水结构，因此非极性溶液向其聚集并攀爬，最后完成非极性溶液的收缩状态。当完成像素的打开过程之后，撤销掉像素电极上的电压，像素电极关闭，此时位于像素电极表面的疏水层的疏水性恢复，非极性溶液重新铺展，像素区域关闭。最后去掉辅助电压上的电压，辅助电极关闭，此时位于辅助电极表面的疏水层的疏水性恢复，非极性溶液重新铺展，辅助电极区域关闭。

本发明具有以下有益效果：

本发明的优点在于疏水层在成膜固化之后没有再进行任何表面改性和恢复处理，传统电润湿器件为了增强光刻胶在疏水层表面的粘附性，对疏水层表面进行了离子刻蚀改性增强其表面亲水性，最后通过高温回流方式恢复其表面的疏水性，但疏水层表面的性质并没有完全恢复。因此本发明完全保护了疏水层表面的疏水特性，使疏水层表面滞后角保持最小，有利于电润湿器件像素打开和关闭过程。

其次，本发明用支撑性非极性溶液收聚桩代替传统像素墙结构，规避了传统像素墙面积占比率高造成的器件光学性能下降的问题。支撑性非极性溶液收聚桩还可以起到器件隔垫物的作用，防止上下基板变形造成的塌陷问题，传统电润湿器件中像素墙不能起到相同作用，因为像素墙顶部是第二电极，两者接触时会将非极性溶液粘附到第二电极上，并且相邻像素之间非极性溶液聚集，造成器件的失效。

支撑性非极性溶液收聚桩上端具有疏水结构，在像素打开状态下非极性溶液在其表面收缩攀爬，减少了非极性溶液的收缩体积，提高了像素开口率。

本发明将支撑性非极性溶液收聚桩构建在下基板上，没有破坏疏水层的表面结构，且不会因为显影过程残留杂质在疏水层表面，因此降低了器件的失效风险。

综上所述，本发明提出的全新结构中，取消了传统的像素墙结构，通过辅助电极和像素电极进行非极性溶液的分离和收缩，解决传统像素墙结构面积占比率过高所造成的光学性能下降问题，以及像素墙结构构建在疏水绝缘层表面破坏了其原有特性所带来的器件失效风险。

附图说明

图1是传统电润湿器件的结构示意图；

图2是疏水层表面改性和高温回流恢复过程；

图3是本发明电润湿光学器件的结构示意图；

图4是支撑性非极性溶液收聚桩的俯视图；

图5是本发明电润湿光学器件打开状态下非极性溶液收缩示意图；

图6是极性液体和非极性溶液填充与封装过程的示意图；

图7是上基板密封胶框结构示意图；

图8是本发明电润湿光学器件的驱动程序；

图9是本发明电润湿光学器件像素打开方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

电润湿又名电湿润，本发明同样适用于电湿润光学器件。

实施例1

一种电润湿光学器件，如图3所示，包括上基板17、下基板18，上基板17和下基板18对向形成的空腔内填充有极性电解质溶液8和非极性溶液7。

上基板包括第一基板1，第一基板1上设有辅助电极2-a和像素电极2-b，辅助电极2-a和像素电极2-b上设有疏水层4。

下基板18包括第二基板9，第二基板9上设有公共电极11，公共电极11表面设置有支撑性非极性溶液收聚桩12，支撑性非极性溶液收聚桩12的上端设有疏水结构6。

优选地，第一基板1和第二基板9为玻璃基板。

优选地，辅助电极2-a和像素电极2-b为ITO层或其他透明导电层。

优选地，第二基板9和公共电极11之间设有反射层10。

优选地，在辅助电极2-a和像素电极2-b的上方、疏水层4的下方设有绝缘层3。

支撑性非极性溶液收聚桩12代替了传统电润湿光学器件中的像素墙7’结构，其结构是阵列排布的圆柱状结构，图4是支撑性非极性溶液收聚桩的俯视图，其作用是为了在电润湿器件打开状态下给非极性溶液7提供收缩聚集点，图5是电润湿光学器件打开状态下非极性溶液收缩示意图；同时支撑性非极性溶液收聚桩12对器件的上下基板起到支撑作用，防止器件塌陷。

支撑性非极性溶液收聚桩12的上端通过涂覆或表面改性的方法增加了疏水结构6，目的是为了在施加驱动电压在电润湿光学器件时，非极性溶液7破裂后更容易向支撑性非极性溶液收聚桩12收缩，同时疏水结构6的疏水性让非极性溶液7更容易向支撑性非极性溶液收聚桩12攀爬，减少了非极性溶液7的聚集面积，提高了像素开口率。

优选地，支撑性非极性溶液收聚桩12顶部并未与上基板17的疏水层4完全接触，而是存在一个间距非常小的狭缝5，该狭缝的作用增强了非极性溶液7在破裂的时候更加容易向支撑性非极性溶液收聚桩12收缩和聚集。

实施例2

按照以下步骤制备电润湿光学器件：

1、在上基板的第一基板上制备辅助电极和像素电极，在辅助电极和像素电极上涂覆疏水层，然后热固化；电极成膜在工业生产中广泛化，不再赘述；可以通过旋涂、浸涂、丝网印刷、柔性版印刷等方法将疏水材料溶液涂覆在辅助电极和像素电极表面，形成疏水层。

2、在下基板的第二基板上制备公共电极，公共电极的成膜方法在工业生产中广泛化，不再赘述；支撑性非极性溶液收聚桩制备可以采用光刻技术：涂覆一层均匀的光刻胶材料在公共电极表面（涂覆方法有狭缝涂布、旋涂等），经过热固化之后在光刻胶表面覆盖一个掩膜版，通过紫外光进行曝光，最后通过显影得到支撑性非极性溶液收聚桩；支撑性非极性溶液收聚桩也可以通过丝网印刷，或者柔性版印刷等方法直接得到。

疏水结构的制备：可以将支撑性非极性溶液收聚桩浸入到几微米厚的疏水材料溶液薄膜中，然后通过红外辐射方式固化得到；也可以通过等离子体方法，在CF₄环境下轰击支撑性非极性溶液收聚桩上端得到疏水结构；还可以选用具有疏水性的光刻胶二次光刻制备。

在优选方案中，在第二基板上先制备反射层，反射层的成膜方法在工业生产中广泛化，不再赘述。

在优选方案中，在辅助电极和像素电极上先制备绝缘层，绝缘层成膜在工业生产中广泛化，不再赘述。

3、极性液体和非极性溶液填充和封装，如图6所示：

在下基板周围添加一个临时性的围堰19，然后在围堰19所围起的区域添加极性电解质溶液8，通过加热或真空等方式挥发掉部分极性电解质溶液20，因为挥发过程是在整个液面上同时进行的，所以当挥发掉一部分极性电解质溶液20时，整个液面还是水平的。在优选方案中，可以通过在极性电解质溶液8中添加合适的有机物来改善挥发过程，例如在极性电解质溶液中添加部分乙二醇或甲醇等挥发性比极性电解质溶液8好的有机物，在极性电解质溶液8挥发不剧烈的情况下挥发掉有机成分，通过有机成分的含量来准确控制液面下降量，待挥发过程完成后，不会残留有机成分在极性电解质溶液8中。

挥发完成后，极性电解质溶液8的水平高度低于支撑性非极性溶液收聚桩12的高度，此时添加非极性溶液7在极性电解质溶液8的表面，非极性溶液7的水平高度要高于支撑性非极性溶液收聚桩12的高度，确保非极性溶液7的容量对于电润湿光学器件是足够的。

添加完非极性溶液7后需要将上基板17盖在下基板上面完成封装过程，封装过程中注意的问题是如何避免残留气泡在电润湿光学器件中，针对此问题，本发明提供两种方法，如图6中方法A和方法B，两种方法中的上基板17均具有密封胶框26，密封胶框的结构如图7所示，密封胶框26可采用压敏胶材料，并且密封胶框在不同位置留有开口27，目的是在上基板17的封装过程中可以让多余的非极性溶液通过开口27流出。

方法A是将上基板17的一端先接触非极性溶液7，给先接触非极性溶液7的一端一个压力21，然后按照压力施加方向22不停的给上基板17的剩余部分施加压力，使上基板17完全接触非极性溶液7，同时将多余的非极性溶液通过开口27挤压出去，最后用环氧树脂胶等密封开口17，完成整个器件的封装。

方法B是将上基板17与下基板18水平放置，然后在上基板17中心施加一个较大压力24，上基板17由于受力不均匀，中心会先接触非极性溶液7，然后给上基板17周围施加较小压力23和较小压力25，上基板17形变减小，与非极性溶液7的接触面积增大，多余的非极性溶液通过开口27流出器件，等上基板完全接触非极性溶液后，用环氧树脂胶等密封开口17，完成整个器件的封装。

实施例3

电润湿光学器件的驱动方法

本发明用支撑性非极性溶液收聚桩12代替了传统像素墙7’结构，电润湿光学器件结构中的非极性溶液7在器件中是连续的，与传统的电润湿光学器件的非极性溶液7’隔离式结构不同。本发明通过在辅助电极2-a和像素电极2-b作用下，通过驱动电压程序来进行非极性溶液7的分离和像素打开。

器件中包含三种电极，分别为辅助电极2-a、像素电极2-b和公共电极11，其中公共电极11的作用是连接极性电解质溶液8，辅助电极2-a的作用是帮助非极性溶液7的分离，像素电极2-b的作用是使非极性溶液7收缩。

其中，像素电极2-b的形状不限定于正方形，可以为正三角形、正六边形等各种中心对称的形状，辅助电极2-a根据像素电极2-b形状的不同而设计成若干个围绕在像素电极2-b外围的电极，优选的，辅助电极2-a设计成三个或六个。

根据如图8所示的驱动程序，当未施加电压情况下，辅助电极区域39和像素区域40处于关闭状态，非极性溶液7处于铺展状态，如图9所示的关闭状态。当施加电压在辅助电极2-a和公共电极11之间时（图8中的辅助电极打开），处于辅助电极2-a表面的疏水层4润湿性改变，极性电解质溶液8润湿其表面，非极性溶液7在破裂处13（图3所示）进行分离，此时器件打开状态为图9所示的辅助电极打开，辅助电极区域39被打开。当辅助电极2-a处于打开状态时，施加电压在像素电极2-b上（如图8中的像素电极打开），位于像素电极2-b表面的疏水层4表面润湿性发生改变，极性电解质溶液8润湿其表面，挤迫非极性溶液收缩，由于支撑性非极性溶液收聚桩12的上端有疏水结构6，因此非极性溶液7向其聚集并攀爬，最后完成非极性溶液7的收缩状态41，如图9所示的像素电极打开。

当完成像素的打开过程之后，撤销掉像素电极2-b上的电压（图8中的像素电极关闭），此时位于像素电极2-b表面的疏水层4的疏水性恢复，非极性溶液7重新铺展，像素区域40关闭。最后去掉辅助电压2-a上的电压（图8中的辅助电极关闭），此时位于辅助电极2-a表面的疏水层4的疏水性恢复，非极性溶液7重新铺展，辅助电极区域39关闭。

需要说明的是器件中的辅助电极2-a可以有两种表现方式：一种是隔断式，如图4所示，所有的辅助电极2-a是不互相串联的，每个辅助电极2-a可以单独控制打开和关闭，这种方式的好处在于当只需要打开电润湿光学器件中的部分像素格时，仅需要将此区域的辅助电极2-a打开即可，其他区域的辅助电极2-a处于关闭状态，避免因为其他区域的辅助电极2-a同时打开而造成的器件的光学性能损失，同时降低了器件的能耗。另一种方式是辅助电极2-a全串联方式，此方式是将所有的辅助电极2-a全部串联在一起，当施加电压在辅助电极2-a和公共电极11时可全部打开辅助电极区域39，这种方式的好处在于辅助电极2-a和像素电极2-b的制备可以在一个层面上完成，降低了器件制备的复杂程度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。