CN117215048A - 一种电润湿显示用基板的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电润湿显示用基板的制备方法和应用，属于电润湿显示技术领域。本发明提供的制备方法包括以基板半成品为阳极，以钼酸盐溶液为电解液进行电解修复处理；所述基板半成品包括叠加设置的阀金属电极、绝缘疏水层，所述电解修复处理的过程中，所述绝缘疏水层和所述电解液接触。该制备方法制得的基板在电润湿显示中应用时，几乎不产生气体，进而提升了基板的使用寿命和性能。本发明还提供了上述制备方法的应用。
Description
技术领域
本发明涉及电润湿显示技术领域，尤其是涉及一种电润湿显示用基板的制备方法和应用。
背景技术
电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角。电润湿的发现、发展历程包括以下阶段：1875年，科学家Lippmann观察到在汞和电解质之间加电压，会出现毛细下降现象，并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年，科学家Berge在电润湿模型中引入了介电层(液体和固体电极之间)，以尽量消除电解,这被称为介质上电润湿(electrowetting-on-dielectric,EWOD)。在电压V作用下，液滴的接触角满足电润湿方程：
式中ε为介电层的介电常数，d为介电层厚度，γsv为油和介电层之间的界面张力，γsl为水和介电层之间的界面张力，γlv为水油之间的界面张力。
目前的EWOD***的介电层相对较厚(10-6m)，其性能受到介电膜厚度的限制，根据上式，这需要较高的电压才能实现接触角的显著变化。为了获得大的接触角变化，实际的EWOD***需要还需要在介电层和液体之间设置疏水涂层。也就是说，传统的电润湿基板中，包括依次叠加设置的固体电极、介电层、疏水层和液体。
电润湿技术的一个重要应用领域是电润湿显示，电润湿显示装置中，利用电压调节可改变该表面的润湿效果，进而可以操控液滴。因此，利用电压调节，可在电润湿显示装置表面建立一个像素调制器。当不同像素被独立激活以创建影像时，油被染上一种颜色，从而形成显示功能。
一般电润湿限制装置的制备包括以下几个步骤：(1)自主设计基板，切割，清洗；(2)涂布功能材料及表面改性；(3)光刻工艺制备像素格，涂胶，前烘，对准，曝光，中烘，显影，后烘；(4)光刻后处理，最初疏水，表面改性后变为亲水，光刻改性后变为疏水；(5)油墨填充及封装；(6)切割成样品，模组化。也就是说，电润湿显示装置包括基板，以及被基板封装的油墨。
电润湿显示装置在使用时，存在以下问题：M.Mibus发现电解质/电介质接触在击穿特性上呈现明显的不对称性:阴极偏压导致低电压击穿，而在阳极偏压下，高电场离子传导在击穿发生之前开始。这些现象可以根据表面发生的电化学反应来解释:阴极过程会导致氧化物(电介质)溶解和失效，而阳极过程会在击穿前导致额外的氧化物生长。传统的ITO电极条件下，介电层的针孔会导致电化学反应(电解水)的发生。
为解决上述技术问题，M.Dhindsa给出了一种具有电介质击穿保护的电润湿***，具体选用阀金属(钝化电压范围较宽的一类金属)做阳极，之后使用专用涂层***实验室涂布机对电极涂覆的基片进一步涂覆300nm的二甲苯-c电介质(εr＝3.1)，然后将Parylene-C样品用30nm Dupont Teflon AF1600层浸涂在阳极电介质层表面作为疏水层。由此制得的基板在DC和某些交流电润湿条件下，该***在介电击穿后实际上表现出瞬时自愈(在100毫秒内)，原理则是利用阳极电解的金属氧化物起到降低漏电流的效果。氧化产物堵住针孔，使得液滴在后续电润湿过程中不产生气泡(不发生电解水)。
但是，上述方案提供的基板用于电润湿显示器中依然存在诸多问题：修复过程中，依然不可避免的会在100毫秒内会产生气泡，而电润湿显示***是封闭的，产生的气泡会对电润湿显示***的性能和安全产生非常不利的影响。因此，仍需研究制备一种可用于电润湿显示装置的基板，该基板在使用过程中不会产生气泡。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电润湿显示用基板的制备方法，能够有效避免基板在电润湿显示中应用时被腐蚀产生气体的过程，进而提升了基板的使用寿命和性能。
本发明还提供了上述制备方法的应用。
根据本发明第一方面的实施例，提供了一种电润湿显示用基板的制备方法，所述制备方法包括以基板半成品为阳极，以钼酸盐溶液为电解液进行电解修复处理；
所述基板半成品包括叠加设置的阀金属电极、绝缘疏水层，所述电解修复处理的过程中，所述绝缘疏水层和所述电解液接触。
根据本发明实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：
(1)传统技术中，如果为尽可能的避免基板使用过程中析出气体，通常采用优化选材的思路；限于原材料的性能，这种思路的局限性较大。
本发明研究发现基板制备过程中，不可避免的在介电层或疏水层中会存在微孔，后期电解水发生的主要位点也是制备过程中残留的微孔，特别是不能缺省的疏水层，其采用有机聚合物组成，延展性好的同时也意味着其几何空间易受热或应力蠕变造成孔洞缺陷。因此本发明创造性的在基板使用之前，对基板半成品进行电解自修复处理，因此基板使用过程中不会产生气体，进一步的，电润湿显示装置的封闭空间内也不会封存气体，因此本发明提供的基板可显著提升电润湿限制装置的可靠性。
(2)本发明采用的电解修复处理中，采用含有钼盐的电解液，由于钼是典型的致钝金属，可以帮助(促进)在绝缘疏水层的孔隙中，氧化阀金属电极，生成对应的氧化物钝化膜，达到修复的目的。且由于修复所得的基板表面不包括裸露的阀金属电极(无明显薄弱位置)，由此可显著避免绝缘疏水层被击穿，进而可避免基板在电润湿显示中应用时的故障。
(3)传统技术中，还有直接在阀金属电极和绝缘疏水层之间设置氧化物钝化层的技术方案，但是现阶段基本上任何制备方法制得的氧化物钝化层，均不能满足无孔隙的要求，例如阳极氧化法在阀金属电极上生成阀金属氧化物时，由于氧化物薄膜的厚度具有自限性，大面积氧化时，不可避免的会在厚度薄弱处出现孔隙。因此当基板用于电润湿显示装置后，电润湿显示装置的电解质依然会渗透并和基板的电极接触，并破坏基板的电极。本发明提供的制备针对绝缘疏水层上的孔隙进行可控修复，特异性更强，修复效果更好。
(4)本发明提供的制备方法仅通过简单的电解即可实现基板的自修复，条件温和、操作简单，有望大规模推广应用。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘疏水层的材质包括含氟聚合物(简称FP)。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘疏水层的厚度为500～1000nm。例如具体可以是约800nm。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘疏水层的制备方法包括将包括含氟聚合物的浆料涂覆于所述阀金属电极表面并干燥。
根据本发明的一些实施例，所述涂覆的方法包括喷涂、刮涂、淋涂、旋涂和浸涂中的至少一种。
当所述绝缘疏水层的制备方法包括旋涂时，所述旋涂的转速为1200～1500rpm。例如具体可以是约1400rpm。所述旋涂的时长为50～70s。例如具体可以是约65s。
根据本发明的一些实施例，所述电解液中，钼酸盐的浓度为0.5～2moL/L。由此可提升电解修复处理的效果，所得基板中，绝缘疏水层中原有的孔隙被阀金属电极的氧化物封堵。
根据本发明的一些实施例，所述电解液的pH约为7。通常不需要进行干预。
根据本发明的一些实施例，所述钼酸盐包括钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵和钼酸钙中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述电解修复处理的过程中，所述阳极的电位为0.5～1.0V。所述电解修复处理为恒压氧化过程。通过阀金属电极/电解液的电流急剧增加，然后随着界面上绝缘氧化层的增长，电流呈指数衰减。氧化层的最终厚度与阳极氧化电压成正比，根据电解液浓度、组成的不同，其斜率(阳极氧化比)也有所区别。一般来说，大电流密度，如电润湿***的介质击穿，会在不到一秒的时间内形成致密的非导电氧化物层。因此，通过调整上述电位，可以精确控制阀金属电极氧化后所得氧化层的最终厚度。在上述电位范围内，所得基板中，绝缘疏水层中原有的孔隙被阀金属电极的氧化物封堵。
根据本发明的一些实施例，所述电解修复处理的处理时长≥200s。例如具体可以是5min～2h。进一步具体的可以是约1h。
根据本发明的一些实施例，所述电解修复处理的阴极包括固态金属。例如具体可以是不锈钢、银和铂中的至少一种。试验证明，不同种类的阴极对所得基板的性能无明显影响，因此从经济性方面考虑，常选用不锈钢。
根据本发明的一些实施例，所述阀金属电极的材质包括钛、铌、钨、铋、钽、锆、铪和铝中的至少一种。具体是一种金属的单质、两种或以上金属的叠层结构、或者两种及以上种金属的合金结构。
这几种阀金属的氧化物具有较高的介电常数，因此即便介电疏水层的孔隙中有这些氧化物，依然可以发挥介电作用，不会对基板的电润湿性能产生负面影响。
根据本发明的一些实施例，所述阀金属电极的材质为铝。由此可降低所述基板的材料成本，并降低所述制备方法中电解修复处理的难度。
根据本发明的一些实施例，所述阀金属电极的材质为钛。
当所述阀金属电极的材质为钛时，所述电解修复处理过程中，可能发生的电化学过程如下
反应方程式(阳极)：Ti+2H2O＝＝TiO2+4H++4e-；
反应方程式(阴极)：4H++4e-＝＝2H2↑。
由此，电解修复处理过程即将所有的可能产生的反应进行完全。
根据本发明第二方面的实施例，提供了一种所述的制备方法在制备电润湿显示装置中的应用。
由于所述电润湿显示装置的制备采用了上述实施例的制备方法的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。具体的，所得电润湿显示装置具有优异的可靠性和较长的使用寿命。
根据本发明的一些实施例，所述电润湿显示装置包括所述基板，电解质和封装结构；所述电解质位于所述基板和封装结构围成的密闭空间内。
所述基板的绝缘疏水层和所述电解质直接接触。
根据本发明的一些实施例，所述基板和所述电解质接触的一侧表面设有像素格。
根据本发明的一些实施例，所述电润湿显示装置的制备，包括以下步骤：
S1.依次在基板表面进行表面改性、像素格制备和二次改性；
S2.油墨填充、封装和后处理。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述表面改性，为亲水性改性。由于所述像素格的像素墙，材质是亲水性的，因此进行亲水性改性，以方便所述像素格的制备。所述亲水性改性的方法包括反应离子刻蚀。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述像素格制备，方法为光刻法，具体的包括依次进行的涂覆光刻胶、前烘、对准、曝光、中烘、显影、后烘。其中曝光和显影相互配合，可去除像素格内部的光刻胶，保留像素格边框位置的光刻胶。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述二次改性包括依次进行的疏水改性。即将亲水性表面调整为疏水性表面，以方便后期进行电润湿控制。
步骤S2中，所述油墨填充，是指将所述油墨填充至所述像素格中。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述后处理包括依次进行的封装、切割和模组化。
根据本发明的一些实施例，所述电润湿显示装置包括反射式电流体显示器。和其他种类电润湿显示装置相比，反射式电流体显示器除所述像素墙之外的区域都是疏水区域，可实现电润湿响应。
若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。
若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是传统技术中不具备自修复功能和具备自修复功能的基板的工作机理示意图。
图2是本发明实施例1中电解修复处理的机理示意图。
图3是本发明实施例2中电润湿显示装置的制备过程示意图。
图4是本发明实施例2所得电润湿显示装置老化后的表观图。
图5是本发明对比例1所得电润湿显示装置老化后的表观图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
本例制备了一种电润湿显示用基板，具体过程如下:
参考图2的结构，本例以基板半成品作为阳极，以不锈钢作为阴极，以0.5mol/L的钼酸钠水溶液作为电解液，采用+0.5V的阳极电位，进行了1h的电解修复处理。
其中，基板半成品由叠加设置的阀金属电极(Ti)和绝缘疏水层组成；绝缘疏水层的材质为含氟聚合物(AF(Teflon 1600))。绝缘疏水层所在一侧表面和电解液直接接触。设置方法为旋涂法，转速为1400rpm，时长为65s。
电解修复处理过程中，氢离子流向阴极，氢氧根离子流向阳极，而电压源提供恒定的电压。氢离子阴极结合生成氢气，而氢氧根离子与Ti反应生成阳极氧化钛。阳极化过程非常快地阻挡电流，以至于气泡停止产生。在电解修复处理中形成的氢气直接进入空气。在阀金属电极/氧化物界面，高电场驱动移动的和氢氧根离子在氧化物内部与阳极继续反应，并继续氧化钛生长。
本例的制备流程如图3所示。
实施例2
本例提供了一种电润湿显示装置，制备过程参考图3所示，具体步骤为：
S1.依次在基板表面进行表面改性、像素格制备和二次改性；其中，
表面改性是亲水性改性，方法为反应离子刻蚀。
像素格制备，方法为光刻法，具体的包括依次进行的涂覆光刻胶、前烘、对准、曝光、中烘、显影、后烘。
二次改性包括疏水改性。
S2.油墨填充、封装和后处理。其中，后处理包括依次进行的封装、切割和模组化。
对比例1
本例制备了一种电润湿显示装置，具体和实施例2的区别在于：
直接采用实施例1中所用基板半成品作为基板。即不进行电解自修复处理。
测试例
本例测试了实施例2和对比例1所得电润湿显示装置的可靠性，具体测试方法为在老化测试机中经过24h的老化后，并观察电润湿显示装置中是否会产生气泡，老化的条件为50℃，50％相对湿度；17.87V方波电压(占空比50％)，频率为5Hz。结果显示：
实施例2所得电润湿显示装置中未产生肉眼可见的气泡，而对比例1中产生了大量的气泡，进而影响了电润湿显示装置的显示性能。具体测试结果如图4～5所示。
由此说明，本发明提供的制备方法，通过对基板进行提前的电解修复处理，显著避免了其使用过程中产生气体，和对比例1或传统技术中的基板(如图1所示)相比，提升了包括上述基板的电润湿显示装置的使用寿命以及运行稳定性。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种电润湿显示用基板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以基板半成品为阳极，以钼酸盐溶液为电解液进行电解修复处理；
所述基板半成品包括叠加设置的阀金属电极、绝缘疏水层，所述电解修复处理的过程中，所述绝缘疏水层和所述电解液接触。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阀金属电极的材质包括钛、铌、钨、铋、钽、锆、铪和铝中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液中，钼酸盐的浓度为0.5～2moL/L；和/或，所述钼酸盐包括钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵和钼酸钙中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解修复处理的过程中，所述阳极的电位为0.5～1.0V。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解修复处理的处理时长≥200s。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的制备方法在制备电润湿显示装置中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述电润湿显示装置包括所述基板，电解质和封装结构；所述电解质位于所述基板和封装结构围成的密闭空间内。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述电润湿显示装置的制备，包括以下步骤：
S1.依次在基板表面进行表面改性、像素格制备和二次改性；
S2.油墨填充、封装和后处理。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤S1中，所述二次改性包括疏水改性。
10.根据权利要求6～9任一项所述的应用，其特征在于，所述电润湿显示装置包括反射式电流体显示器。
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| CN202311001983.6A CN117215048A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种电润湿显示用基板的制备方法和应用 |
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