在交流等離子體顯示屏(ＡＣ ＰＤＰ)的制作過程中,厚膜印刷工藝得到了廣泛的應用,它具有工藝簡單、成本低廉、適合批量生產、材料浪費少、污染少等優(yōu)點。但它印刷圖形的精細程度不高,限制了其進一步的發(fā)展,尤其在透光率要求較高的ＰＤＰ上板制作中,較寬的顯示電極會影響ＰＤＰ的發(fā)光亮度。本文著眼于基板玻璃,提出一種用硅烷偶聯劑對基板玻璃進行表面改性的方法,降低其表面能,使得在同等條件下,漿料對玻璃的接觸角變小,在玻璃表面不易擴展,最終使得印刷的電極線條變窄(仍然滿足低電阻的要求),改善了發(fā)光亮度。

1　基本原理

1.1　硅烷簡介硅烷是一種特殊結構的有機硅化合物,可用通式Ｙ Ｒ ＳｉＸ3表示,它是有機和無機“雜交”的化合物,其中,Ｘ、Ｙ是兩類反應特性不同的基團,Ｘ易與無機物中的玻璃、ＳｉＯ2金屬等產生牢固結合(物理與化學的),Ｙ則易與有機物中的樹脂等產生良好的結合(物理與化學的),它能改善聚合物與無機物實際粘接強度,這既可能是指真正粘接力的提高,也可能是指浸潤性、流變性和其他操作性能的改進。表1為市售的一些典型硅烷商品。硅烷的用途很多,不同種類的差別也很大。本工作主要是將其作為ＰＤＰ基板玻璃的一種表面處理劑,用來改善玻璃表面性能、降低玻璃的表面張力、控制漿料對玻璃的浸潤性,從而提高印刷線條的精細程度。



1.2　理論根據表2為一些典型的構造材料與部分硅烷基化表面的臨界表面張力(γｃ),由表中數值可以看出,硅烷Ａ、Ｂ的γｃ遠低于普通玻璃,甚至比石蠟的γｃ還要小。若能降低基板玻璃的表面張力,則漿料對玻璃的接觸角減小,漿料擴展作用減弱,印刷的電極線條就會變窄。文獻[1]中曾簡單提到,以適當的水解性硅烷處理玻璃表面,可以控制對玻璃的浸潤性。但這只是理論上的想法,在實際應用中并非都能達到理想的效果。對一定的材料,即使是最好的偶聯劑,如使用不當,則效果甚微,甚至效果截然相反,由使用方法所控制的偶聯劑分子取向及其薄膜的物理性能(溶解度、可溶性及機械性能),與所選用的硅烷的化學性質同樣重要。

2　實驗結果及分析

2.1　硅烷溶液的配制只有很少幾種有機基三烷氧基硅烷能立即與水混合,大多數硅烷在它的烷氧基(Ｘ)水解之前是不溶于水的。本實驗結果見表3。三烷氧基硅烷ＲＳｉ(ＯＲ′)3在水中會逐漸水解成相應的硅醇,這些硅醇最終將縮合成硅氧烷,這兩個反應的速率極大程度上取決于水介質的ｐＨ值。但是在最適宜條件下,水解反應相對地較快(幾分鐘)而縮合反應則慢得多(數小時),較高級的烷氧基硅烷在水中水解得十分緩慢,因為它們是高度疏水性的。酸和堿都可以促進水解,在實驗中,把硅烷Ｂ與酸化后的水混合在一起劇烈搖晃,可使有機基三烷氧基硅烷溶解于水并生成硅醇,形成清澈透明的溶液。然而,隨著硅醇縮聚成低聚合度的硅氧烷醇,含硅烷三醇[ＲＳｉ(ＯＨ)3]的水解產物的溶解度降低,水解硅烷的清澈水溶液隨著放置時間的增長會逐漸變得混濁起來,最終以油滴狀析出。從實驗中可以看出,硅烷Ｂ的酸性水溶液更穩(wěn)定,且溶解度、溶解時間隨溶液的ｐＨ值以及純水加入方式的不同而有所不同。本工作選定了濃度小于1%的硅烷酸性水溶液和乙醇溶液對基板玻璃進行預處理,實驗結果比較如下:



(1)不同溶液的比較　硅烷Ｂ的乙醇溶液與水溶液相比更為穩(wěn)定,但由于乙醇易揮發(fā),故而用該溶液對基板進行表面處理的時間不易過長,而且與同等質量濃度的水溶液相比,乙醇溶液的處理效果略差些;(2)不同質量濃度水溶液的比較　質量濃度較高的硅烷Ｂ水溶液不太穩(wěn)定,若質量濃度再高些就不溶于水,質量濃度為1%的水溶液在10ｄ內就會變混濁,相比之下,質量濃度為0 5%的酸性水溶液穩(wěn)定性較好,實驗效果也較為明顯。

2.2　硅烷偶聯劑與玻璃表面的反應硅烷溶液中的硅醇基團在偶聯過程中起著重要的作用,當把低質量濃度的水溶液涂敷到玻璃上時,大量的硅醇基團朝玻璃取向,在較高溫度下干燥時,硅醇會高度縮合成硅氧烷(直鏈、環(huán)鏈、球狀)。聚硅氧烷能與玻璃表面羥基反應,生成共價的(Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ—)—鍵。干燥玻璃表面硅烷結構如圖1所示,硅烷處理后的玻璃表面理想硅烷結構如圖2所示。

　　因為聚硅氧烷分子間作用力十分微弱,所以處理過的玻璃表面張力比較低,有利于抑制漿料的擴展。為了使偶聯劑與玻璃表面的反應更加充分,用硅烷處理的時間和處理后的干燥方式都是較為重要的?，F分別敘述如下:(1)不同浸泡時間ｔ的影響　實驗中考察硅烷偶聯劑的表面處理效果主要是看基板玻璃在處理前后印刷圖形線條寬度的改善率ｋ,即同時還要考慮到操作時是否方便可行。圖3是根據實驗結果繪出的基板玻璃在不同溶液中浸泡時間ｔ對線寬改善率ｋ的影響曲線,其中曲線1是在質量濃度1%水溶液中的浸泡結果,曲線2是在質量濃度2%乙醇溶液中的浸泡結果。從圖中曲線可以看出,乙醇溶液的處理效果不及水溶液,并且由于乙醇溶液的易揮發(fā)特性也給實際操作帶來了一些困難;而水溶液浸泡時間稍長會更有益處,不過從效率來考慮,水溶液的浸泡時間保持在24ｈ以內為妥。另外,在實驗過程中也發(fā)現,使用配制時間過長的硅烷Ｂ的水溶液,效果會有所減弱,因此溶液的放置時間一般不要超過7ｄ。(2)干燥方式的影響　由于較高的溫度現有利于偶聯劑溶液中硅醇與玻璃表面發(fā)生反應,降低其表面張力,減少厚膜印刷時漿料在基板表面的擴展,提高圖形線寬的改善率,因此,浸泡后經干燥爐高溫處理的基板表面比室溫下自然干燥的效果要好得多。根據本工作的經驗,選擇合適的溫度進行高溫干燥處理比在室溫下延長浸泡時間更有效。

2.3　性能指標性能指標是指在同一塊基板玻璃上,浸過硅烷溶液的部分與未浸過硅烷的另一部分之間進行的比較,因此各種外界條件的干擾較小,且由于玻璃性質不同而產生的影響也很小。(1)線寬改善率　將一塊基板玻璃的一半用硅烷水溶液進行浸泡處理,而另一半不作任何處理,然后按照常規(guī)厚膜工藝印刷顯示電極,再進行干燥、燒結。結果發(fā)現:用硅烷偶聯劑處理過的基板玻璃上的印刷線條與未經處理的基板上的線條相比,線寬改善率平均為20%以上。印刷線條的電極截面如圖4所示,其中(ａ)為浸過部分的電極,(ｂ)為未浸過部分的電極。(2)電阻　基板表面處理后,顯示電極雖然線寬變細,但電阻卻并未增大反而減小了。由于兩種情況下印刷的電極線寬不同,ｄ1<ｄ2,而實際上有效的導電截面積也不同,Ｓ1>Ｓ2,所以細化后的電極反而電阻更小。這不僅符合顯示電極的制作要求,而且還有助于降低ＰＤＰ的功耗。(3)斷線率　由于硅烷與有機物(漿料中的有機溶劑)能夠牢固結合,所以,盡管印刷的電極線條變細,卻不會因此而增加斷線率。

3　結論用硅烷偶聯劑對基板玻璃進行預處理的最佳方法是:將玻璃浸泡在質量濃度小于1%的酸性硅烷水溶液中大約十幾個小時(加胺類催化劑效果會更好),再在150～200℃的溫度下干燥十幾分鐘。此時用厚膜工藝印刷ＰＤＰ的顯示電極,線寬改善效果最為明顯,燒結后的線寬改善率平均達到20%以上,而且這種預處理的方法簡單,造價低廉,效果明顯。實驗結果表明,用硅烷處理玻璃表面的方法的確能降低玻璃的表面能,以達到控制浸潤性的目的,減少顯示電極對有效發(fā)光面積的遮擋,從而改善了ＰＤＰ的發(fā)光亮度。