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TWI482786B - 包含電絕緣層之電極塗層以及製品 - Google Patents

包含電絕緣層之電極塗層以及製品 Download PDF

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TWI482786B
TWI482786B TW099105382A TW99105382A TWI482786B TW I482786 B TWI482786 B TW I482786B TW 099105382 A TW099105382 A TW 099105382A TW 99105382 A TW99105382 A TW 99105382A TW I482786 B TWI482786 B TW I482786B
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TW099105382A
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TW201041916A (en
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Lenwood Lynell Fields
Arthur Winston Martin
Shawn Michael O'malley
Dean Michael Thelen
Original Assignee
Corning Inc
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Description

包含電絕緣層之電極塗層以及製品
本發明內容係關於電絕緣聚合物組成份以及包含其之塗層以及製品。
本發明為新穎的發明，無先前技術。
本發明揭示內容提供一種組成份，包含至少一種可交互連結單體、至少一種疏水性單體以及至少一種從介電增強單體、鐵電顆粒和電活性聚合物所組成之群組所選出的介電常數增強劑。
本發明揭示內容提供塗層，包含至少一種可交互連結單體、至少一種疏水性單體以及至少一種從介電增強單體、鐵電顆粒和電活性聚合物所組成之群組所選出之介電常數增強劑的聚合產物。
本發明揭示內容提供包含電絕緣層的製品，此電絕 緣層包含至少一種可交互連結單體、至少一種疏水性單體以及至少一種從介電增強單體、鐵電顆粒和電活性聚合物所組成之群組所選出之介電常數增強劑的聚合產物。
在不脫離本文所揭露的範圍或精神下可考慮本文特定討論之外的實施例。底下的詳細描述並非用來限制。所提供的定義是用來協助瞭解某些經常使用的名詞，並非用來限制本發明揭示內容。
除非特別說明，否則在本申請書和聲明中所有用來表示零件尺寸，數量，和實際特性的數字，如果使用「大約」一詞都表示可以修改。因此，除非特定指示，否則在前面的說明和附加聲明中所描述的數字參數都是近似值，會隨著熟悉此技術的人利用這裡所提出的教義所找到的預定特性而變動。
以邊界點列舉的數字範圍包含在此範圍內的所有數字(例如1至5包含1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)以及此範圍內的任何範圍。
除非在內文中有清楚指示，在本說明書和附加的申請專利範圍中的單數形式「一」和「該」涵蓋複數指示對象的實施例。除非在內文中有清楚指示，在此說明書中，使用單數形式的用語可以涵蓋包含超過一個此用語的實施例。例 如，片語「加入一溶劑」涵蓋加入一個溶劑，或超過一個溶劑，除非在內文中有清楚表示。在此說明書和申請專利範圍中，「或者」一詞通常用來代表包含「任何一或兩者」，除非在內文中有清楚指示。
「包含」或類似名詞意指涵蓋但不局限於此，也就是說包含且非排外的。
本發明揭示內容提供組成份、包含這些組成份的塗層、和包含這些組成份的製品。包含這些組成份的組成份，塗層，和製品可以有各種特性。在一些實施例中，這些組成份可以為電極和電子塗層提供實體隔絕，這些組成份具有高抗水滲透、高電壓擊穿、相當高的介電常數和高疏水性的結合特性。
電潤濕裝置通常利用無機薄膜和上疏水薄膜為電潤濕電極提供隔絕保護。然而，當直接接觸液體時，這種多層隔絕無法用來製造足夠堅固可以耐受電擊穿的裝置。本發明提供電絕緣塗層，同時也為水滲透提供實體隔絕，特別是在電潤濕應用中。
在一些實施例中，本發明揭示內容提供的組成份可以是預聚合物組成份或聚合組成份。預聚合物組成份通常是可以被聚合來形成聚合組成份的組成份。預聚合物組成份可以包含一或多個單體。在本說明書中所使用的單體含義，大致上如同熟悉此技術的人所認知的。具體的說，單體是相當小的分子可以跟其他單體作化學鍵結，形成可以稱為聚合物的較大分子。讓一種或多種單體跟一或多個其他單體作化學 鍵結來形成聚合物的過程可以稱為聚合作用。
一種組成份的例子可以包含至少一種可交互連結單體、至少一種疏水性單體和至少一個介電增強劑。組成份可以包含例如一種或多種可交互連結單體，一種或多種疏水性單體，和一種或多種介電增強劑。
可交互連結單體通常代表可以被聚合，同時可以讓所產生的聚合物交互連結在這個單體上的分子。一般來說，交互連結代表將一種聚合物鏈連結到另一種聚合物鏈的鍵結，或者將聚合物鏈的一部分連結到相同聚合物鏈另一個部分的鍵結。可交互連結單體包含可以被聚合之分子的一部分，和可以跟聚合物的某個其他部分形成化學鍵結之分子的一部分。可以跟分子(或不同聚合物鏈)的某個其他部分形成化學鍵結的分子部分可以稱為可交互連結官能基。交互連結可以發生在例如聚合作用期間，或聚合作用之後。
可交互連結官能基可以跟用來形成聚合物的分子部分(可聚合官能基)相同或不同。在一些實施例中，可交互連結官能基可以跟可聚合官能基相同。在一些實施例中，可交互連結官能基可以跟可聚合官能基不同。可交互連結單體可以包含一種可交互連結官能基，或超過一種可交互連結官能基。
在一些實施例中，可交互連結單體包含可聚合官能基和至少一個可交互連結官能基。包含可聚合官能基和一種可交互連結官能基的可交互連結單體，可以稱為雙官能單體。在一些實施例中，可交聯單體包含可聚合官能基和至少兩個可交互連結官能基。包含可聚合官能基和兩個可交互連 結官能基的可交互連結單體可以稱為三官能單體。在一些實施例中，可交互連結單體包含含有至少三個可交互連結官能基的可聚合官能基。包含可聚合官能基和三個可交互連結官能基的可交互連結單體可以稱為四官能單體。在一些實施例中，可交互連結單體包含可聚合官能基和至少四個可交聯官能基。包含可聚合官能基和四個可交互連結官能基的可交聯單體可以稱為五官能單體。在一些實施例中，可交互連結單體包含可聚合官能基和至少五個可交互連結官能基。包含可聚合官能基和五個可交互連結官能基的可交互連結單體可以稱為六官能單體。
在一些實施例中，可交互連結單體可以包含任何類型的官能基(functional moiety)。官能基的例子包括有機官能基例如丙烯酸酯官能基、環氧官能基、胺甲酸乙酯官能基和醯亞胺官能基。官能基的例子也可以包括無機官能基，例如矽氧烷官能基和磷氮烯(phosphazene)官能基。在一些實施例中，可交互連結單體可以包含丙烯酸酯官能基。
在一些實施例中，組成份可以包含超過一種類型的可交互連結單體。例如，組成份可以包含至少兩種類型的可交互連結單體。在一些實施例中，組成可以包含一種種類的可交互連結單體和也可交互連結的疏水性單體(包含可聚合官能基和至少一種可交互連結官能基)，以調整此組成份的溶混性。例如，可交互連結單體(或多個可交互連結單體)可能比組成份的其他成分較不溶混，因此可以加入疏水性單體(也是可交互連結)來增加此組成份的整體溶混性。
特定的可交互連結單體類型例子可以包含例如乙氧基丙烯酸酯單體，像乙氧基丙烷三丙烯酸酯單體和乙氧基季戊四醇四丙烯酸酯。可以使用的特定可交互連結單體包含例如，乙氧基(15)三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基(5)三羥甲基丙烷四丙烯酸酯、乙氧基(5)季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、甲基丙烯多面體矽氧烷寡聚物(POSS®)和類似的單體或它們的組合。
組成份可以包含一種或多種各種含量的可交互連結單體。較高含量的可交互連結單體可以產生較高度交互連結因此可能相對堅硬的聚合物(聚合組成份)。在一些實施例中，組成份可以包含總組成份(不含溶劑)重量大約5%到大約30%的可交互連結單體。在一些實施例中，組成份可以包含總組成份(不含溶劑)重量大約15%到大約25%的可交互連結單體。在一些實施例中，組成份可以包含總組成份(不含溶劑)重量大約20%的可交互連結單體。
如上面所討論的，組成份也包含至少一種疏水性單體。在本說明書中所使用的疏水含義，大致上如同熟悉此技術的人所了解的。具體的說，疏水意指對抗水，即使在任何相當大量的水中大部分仍無法溶解，或者被水排斥。疏水分子大多是非極性，因此喜歡其他中性分子和非極性溶劑。疏水性單體的例子一般包括含氟分子、烷類、油、脂肪、和油脂物質。
疏水性單體可以包含可聚合官能基和至少一種疏水官能基，例如非極性官能基。疏水性單體的例子可以包括例 如，氟化官能基或烷基。在一些實施例中，疏水性單體包含五個或更多氟原子，八個或更多氟原子，十六個或更多氟原子，或二十三個或更多氟原子。在一些實施例中，疏水性單體包含烷基鏈，含有至少六個碳原子，至少十二個碳原子，或至少十八個碳原子。
特定類型的疏水性單體類型例子包括全氟化合物，或長鏈烷基化合物。特定的全氟化物疏水性單體例子包括例如，五氟苯甲基甲基丙烯酸酯、五氟苯基甲基丙烯酸酯、2,2,3,3,3-五氟丙基丙烯酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5-八氟戊基甲基丙烯酸酯、4,4,5,5,6,7,7,7-八氟-2-羥基-6-(三氟甲基)庚基甲基丙烯酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚基丙烯酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-十六氟壬基丙烯酸酯、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,12-二十氟-11-(三氟甲基)十二烷甲基丙烯酸酯、和它們的組合。特定的長鏈疏水性單體例子包括例如，甲基丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十八烷基酯、和它們的組合。
如上面所討論的，疏水性單體也可以包含可交互連結官能基。如果組成份的溶混性是一項考量的話，這會是有利的。可交互連結而且可加入來改變組成份溶混性的疏水性單體例子包括，例如六氟雙酚A二甲基丙烯酸酯、1H,1H,6H,6H-八氟-1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、1H,1H,5H,5H-六氟-1,4-戊二醇二甲基丙烯酸酯、季戊四醇二丙烯酸單硬脂酸酯、五氟苯甲基甲基丙烯酸酯、五氟苯基甲基丙烯酸酯、和它們的組合。
在一些實施例中，組成份可以包含超過一種類型的疏水性單體。例如，組成份可以包含至少兩種類型的疏水性單體(例如，疏水性單體和可交互連結疏水性單體)。包含疏水官能基但是可交互連結的單體(例如，包含可聚合官能基和至少一種可交互連結官能基)可視為疏水性單體。組成份可以包含一種或多種各種含量的疏水性單體。較高含量的疏水性單體可以產生更疏水性，因此可以跟水有更高接觸角的聚合物(經聚合的組成份)。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約20%到大約85%的疏水性單體。在一些實施例中，組成份可以包含，例如總組成份(不含溶劑)重量大約50%到大約80%的疏水性單體。在一些實施例中，組成可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約60%到大約80%的疏水性單體。
如上面所討論的，組成份也包含至少一個介電常數增強劑。介電增強劑可以包含例如介電增強單體、鐵電顆粒、電活性顆粒(例如，電活性聚合物和導電奈米金屬顆粒)，和類似藥劑、或它們的組合。組成份可以包含一種或多種種類的介電增強劑，例如組成份可以包含一種或多種介電增強單體和一種或多種鐵電顆粒。組成份可以包含一種或多種特定種類的介電增強劑，例如組成可以包含至少兩種介電增強單體，或至少兩種介電增強單體和一種或多種電活性聚合物。
介電增強單體是包含可聚合官能基和偶極官能基的單體。偶極官能基通常包括含有相反電荷(全部或部分電荷)的原子或原子團，彼此分隔原子間或分子間的距離。偶極官 能基的極化強度是基團陰電性的結果。陰電性是原子吸引電子的傾向，而基團陰電性是多原子基團吸引電子的傾向。在一些實施例中，可以使用的介電增強單體，可以有至少大約2.4的基團陰電性。分子例如單體的基團陰電性是一種計算特性。單體的基團陰電性通常不管它是否包含在聚合物中都可以計算。說明例子包括五溴苯基甲基丙烯酸酯(Poly Sciences,Inc.，型錄# 04253)的基團陰電性為3.00；而乙氧基雙酚二甲基丙烯酸酯(Sartomer SR348)的基團陰電性為2.74。這些單體的基團陰電性是使用DMol3(Accelrys Software,Inc.,San Diego,CA)來計算。使用DMol3計算每個分子的電子親和力和游離能。然後使用這些數值，透過Mulliken’s公式(EA+IE)/2來決定基團陰電性。
特定的介電增強單體類型包括含鹵素分子的單體，或含(IV)族元素的單體，像鋯和鉿。含(IV)族元素的單體例子包括，例如丙烯酸鋯、溴降莰烷內酯羧酸三丙烯酸鋯(zirconium bromonorbornanelactone carboxylate triacrylate)、羧乙基丙烯酸鋯60%(正丙醇)，60%的羧乙基丙烯酸鉿於1-丁醇、和類似單體或它們的組合。其他特定的介電增強單體例子包括，例如五溴苯基甲基丙烯酸酯、乙氧基雙酚二甲基丙烯酸酯、三(2-羥乙基)三聚異氰酸、甲基丙烯酸糠酯、甲基丙烯酸苯甲基酯、2-乙基氰基丙烯酸酯、乙烯基二茂鐵，甲基丙烯酸丙炔基酯、和類似單體或它們的組合。
在一些實施例中，組成份可以包含超過一種類型的介電增強單體。例如，組成份可以包含至少兩種類型的介電 增強單體。包含偶極官能基但是可交互連結的單體(例如，包含可聚合官能基和至少一個可交互連結官能基)可視為介電增強單體。組成份可以包含一種或多種各種含量的介電增強單體。較高含量的介電增強單體可以產生具有較高介電常數，因此是較好之電絕緣體的聚合物(經聚合的組成份)。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約10%到大約60%的介電增強單體。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約20%到大約60%的介電增強單體。
鐵電顆粒也可以作為介電增強劑。鐵電顆粒可以單獨作為組成份中唯一的介電增強劑，或者可以跟組成份中一種或多種其他的介電增強劑一起使用。鐵電顆粒是具有高介電常數的物質。在一些實施例中，鐵電顆粒是介電常數至少大約10、至少大約20、至少大約70、或至少大約160的物質，包含中間的介電常數值和範圍。
鐵電顆粒的類型例子可以包括例如鈦酸鹽類、鋯酸鹽類、和其他類似的無機陶瓷顆粒或它們的組合。特定的鐵電顆粒例子包括鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鋁(AlTiO3)、鋯酸鋇(BaZrO3)、氧化鋁(Al2O3)、Y3N5O12、鋇鍶鋯鈦(「BSZT」)((Ba1-xSrx)(ZrxTi1-x)O3)、富勒烯、和類似的鐵電顆粒或它們的組合。
在一些實施例中，組成份可以包含超過一種類型的鐵電顆粒。例如，組成份可以包含至少兩種類型的鐵電顆粒。組成份可以包含一種或多種各種含量的鐵電顆粒。較高含量 的鐵電顆粒可以產生具有較高介電常數且是優越電絕緣體的聚合物(經聚合的組成份)。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約5%到大約50%的鐵電顆粒。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約20%到大約40%的鐵電顆粒。
電活性聚合物也可以用來作為介電增強劑。電活性聚合物是當施加電壓時會產生形狀改變的一類聚合物。電活性聚合物可以分類為例如介電電活性聚合物或離子電活性聚合物。介電電活性聚合物的形狀變形可以透過，例如將聚合物放在兩個電極之間由靜電力來引起。而離子電活性聚合物的形狀變形，可以由例如，聚合物內離子的位移來引起。不管是介電電活性聚合物、離子電活性聚合物或它們的組合都可以使用。電活性聚合物可以單獨使用作為組成份中唯一的介電增強劑，或者可以跟組成份中一個或多個其他的介電增強劑一起使用。例如，組成份可以包含電活性聚合物(EAP)，和介電增強單體，或者組成份可以包含EAP和鐵電顆粒。在一些實施例中，電活性聚合物可以是介電常數至少大約5的物質。
在一些實施例中，可以使用之電活性聚合物的化學特性可以跟組成份中的單體成分共軛。這讓電活性聚合物可以被交互連結到整個聚合物中。在一些實施例中，電活性聚合物可以包含懸垂疏水官能基以協助分散，維持薄膜的整體疏水性，或兩者。電活性聚合物類型的例子包括聚噻吩和聚苯胺。特定的電活性聚合物例子包括導電聚苯胺、銅(II)酞 青、聚吡咯、聚乙炔、聚芴(polyfluorene)，聚苯硫醚、聚萘、聚四硫富瓦烯、噻吩聚合物ADS 306 PT-EG(American Dye Source,Inc.)、和類似聚合物或它們的組合。
在一些實施例中，組成份可以包含超過一種類型的電活性聚合物。例如，組成份可以包含至少兩種類型的電活性聚合物。組成份可以包含一種或多種各種含量的電活性聚合物。較高含量的電活性聚合物可以產生具有較高介電常數，是優越電絕緣體的聚合物(經聚合的組成份)。在一些實施例中，組成份可以包含例如總組成份(不含溶劑)重量大約2%到大約20%的電活性聚合物，總組成份(不含溶劑)重量大約6%到大約20%的電活性聚合物，或總組成份(不含溶劑)重量大約6%到大約10%的電活性聚合物，包含中間值和範圍。
組成份也可以包含其他選用的成分。例如，組成份可以包含一種或多種引發劑。熱和光引發劑都可以使用。在一些實施例中，可以選用光引發劑。光引發劑的例子包括Ciba Specialty Chemicals(Basel,Switzerland)公司的IRGACURE®和DAROCUR®引發劑產品線。在一些實施例中，當選用引發劑時，引發劑的使用含量如一般所知的。例如，引發劑的添加含量可以是總組成份(溶劑除外)的大約1%到大約5%。在一些實施例中，引發劑的添加含量是總組成份(溶劑除外)的大約2%。
其他選用成分也可以加入組成份中。這些其他的選用成分可以包括例如光學添加劑，像著色劑、染料、電發光劑、發光劑、量子點、PDOT、奈米金屬聚合物合成物、摻雜 螢光的矽石奈米顆粒、穩定劑、和類似成分或它們的組合。
組成份可以透過將單體加入或不加入額外成分，例如溶劑，來形成。在一些實施例中，可以將一種或多種單體結合一種或多種溶劑。在包含相對較多疏水性單體的實施例中，可以將條件(也就是溶劑含量、單體的添加次序、或其他條件)調整以維持組成份的溶混性。在一些實施例中，可以將介電增強單體結合可交互連結單體，然後根據例如單體的本質和含量，伴隨或不伴隨適當溶劑來加入疏水性單體。
這裡所提出的組成份可以是未聚合、部分聚合或完全聚合。至少部分聚合的組成份可以稱為聚合組成份。本文所提出的組成份可以塗佈到基板上形成塗層或層。一般來說，組成份的塗層會被聚合化。
在閱讀了本說明書之後，熟悉此技術的人可以如他所熟知的來形成所提之組成份的塗層。利用所提出的組成份來形成塗層的特定方法，包括獲得或形成上面所提的組成份，將此組成份塗佈到基板上，並且將此組成份固化來形成塗層。
所選用的特定塗佈方法，可以至少部分決定於欲塗佈的特定基板、想要的塗層厚度、其他這裡未提及的考量、或它們的組合。選用的特定塗佈方法也可以至少部分規定是否有溶劑會加到此組成份中，如果有的話所加入的溶劑量。選用的特定塗佈方法也可以至少部分規定是否有其他成分會加到組成份中，如果有的話所加入的成份量。塗佈組成份的特定方法包括例如旋轉塗佈、浸塗、噴塗、超音波噴塗、蒸 氣塗佈、靜電紡絲法、刀片刮除、有線電動塗覆、射頻磁控濺鍍、擠壓塗佈、淋幕塗佈、液面彎曲式塗佈、軟版快乾沉積、和類似方法或它們的組合。
固化組成份的步驟可以如熟悉此技術的人所知，在閱讀了本說明書之後來執行。固化方法的例子包括例如熱固化和電磁固化，包括紫外線(UV)、可見光、微波、紅外線(IR)、和類似的光化輻射來源。
由所提組成份所形成的塗層，可以提供產品各種有利的特性包括水滲透的實體隔絕、高介電常數、高電壓擊穿、和類似特性或它們的組合。可以有效實體隔絕水滲透的塗層，可以讓基板不含小孔、具有高疏水性、相對高強度或勁度或它們的組合。
塗層的完整性可以透過各種技術觀察塗層的微表面或奈米來評估。技術的例子包括例如掃瞄電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、橢圓儀、掃瞄式熱差分儀(DSC)、動態機械分析儀(DMA)、奈米壓痕分析儀、傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)、和其他類似形式的光學顯微術。使用這些技術可以評估塗層的多種特性，包括完整性、熱穩定性、化學均質性、在一些情況下可以測定小孔的大量消除。塗層可以看起來不含小孔，而在施加電壓時仍然會被液體穿孔。如果在電潤濕應用中選用這裡所提的塗層的話，不含小孔的塗層會是有利的，因為液體滲透到電潤濕顯示器或電潤濕裝置中會使系統短路。
組成份或由組成份形成之塗層的疏水性可以量化例 如藉由測量物質塗層上水的接觸角。接觸角是液體/氣體介面碰上固體表面的角度。接觸角可以使用測角儀來測量。在一些實施例中，所提出的組成份一旦形成塗層之後，可以有至少大約65度的接觸角、至少大約90度的接觸角、至少大約100度的接觸角、至少大約110度的接觸角、和至少大約114度的接觸角，包含中間值和範圍。
包含含有較多可交互連結官能基之可交互連結單體的組成份可以產生較高度交互連結的聚合物。或者，包含較多可交互連結單體的組成份，跟包含較少可交互連結單體的組成份相比較可以產生較高度交聯的聚合物。較高度交互連結的聚合物會比較少交互連結的聚合物還強固。在一些實施例中，動態機械分析儀(DMA)可以提供量化方式，來測定薄膜交互連結的程度。聚合物中的交互連結量可以透過測量此聚合物的交互連結密度來評估。聚合物的交互連結密度可以定義成每個主鏈上交互連結單體單元的數目。交互連結密度 (Γ)可以定義成：，其中是未交互連結聚合物的數目平均分子量，而是交互連結之間的數目平均分子量。交互連結密度越高，聚合物會越硬且通常越強固。在一些實施例中，所提出之聚合物的交互連結密度至少大約10%或至少大約20%。
較高度交互連結的聚合物會比較少交互連結的聚合物還堅硬。聚合物的勁度可以藉由測量聚合物的彈性模數來計算。彈性模數是指當對它施加力時，物質會彈性變形的傾 向。特定的模數類型是楊式模數(E)。楊式模數指的是抗張彈性，或是當沿著它的軸施加相反力時，物質沿著此軸變形的傾向，定義為抗張應力對拉伸應變的比。用來測量物質模數例如物質之楊式模數的普遍方法都可以使用。楊式模數可以透過奈米壓痕分析儀、動態機械分析儀或它們的組合來測量。
在多個實施例中，所揭示塗層具有楊氏模數例如由約1Mpa至約200GPa，或至少約為100Mpa，或至少約為1GPa。
所提出的塗層可以具有相當高介電常數的優點。物質的介電常數(k)是一個有關物質載運交流電的能力與真空載運交流電的能力相比較的數值。物質的介電常數可以使用測試電容器來測量。測量兩片板之間為真空之測試電容器的電容量，以及板子之間含有研究物質之測試電容器的電容量。介電常數就是含測試物質之電容量對含真空之電容量的比值。
在多個實施例中，所揭示塗層具有介電質常數至少約為1.5。在多個實施例中，所揭示塗層具有介電質常數至少約為2。在多個實施例中，所揭示塗層具有介電質常數至少約為4。在多個實施例中，所揭示塗層具有介電質常數至少約為7。在多個實施例中，所揭示塗層具有介電質常數至少約為10。
所提出的塗層具有相當高電壓擊穿的優點。物質的擊穿電壓是指穿過此物質的電流突然增加時的電壓。災難性擊穿是指物質產生物理和化學改變，且伴隨不可逆之損壞時的電壓。所提之塗層的電壓擊穿可以使用金屬-絕緣體-金屬結構來測量，其中所提的塗層被夾在兩個金屬電極之間。電壓 可以逐步增加，直到發生災難性故障。災難性故障可以透過例如介電物質的弧擊穿、爆裂、破碎或它們的組合觀察到。所提出之薄膜的擊穿電壓可以高到1800V/μm。
不同物質的電壓擊穿值可以使用加速電壓擊穿規範來作比較。加速擊穿是指當水在相當高電壓下(例如大約125V RMS)接觸絕緣電極，而在一段預定時間內水滲透到此電極，使得所提的塗層發生擊穿。在一些實施例中，所提之塗層的電壓擊穿在120V下至少大約為20分鐘，或在120V下至少大約40分鐘。在相同條件下TEFLON®普遍使用的未交聯疏水聚合物在9秒內擊穿。
在一些實施例中，如果塗層具有大介電常數或高電壓擊穿的話，它可以有利地使用在某些應用中。在一些實施例中，塗層具有大介電常數和高電壓擊穿。然而，相對較大的介電常數可以彌補較低的電壓擊穿。同樣的，相對較高的電壓擊穿可以彌補較低的介電常數。
所提出的組成份可以使用在例如電子裝置、光學裝置或光電裝置中。可以有利地使用這些組成份的特定光電應用類型有電潤濕和介電泳領域。電潤濕裝置可以用在廣大範圍的應用中，包括例如顯示器、數位微流體、基因組DNA定序、細胞分選、藥品運送裝置、相機影像穩定器、MEMS裝置、三維顯示器、電池、投影裝置、鏡頭、反射顯示器、感測器、平版印刷裝置、光束分裂器、光伏打、可程式流體處理器、觸摸感應裝置、微定位裝置、和化學微反應器、和類似應用或它們的組合。電潤濕技術在顯示領域上是有利的， 因為它具有例如高切換速度、低電源消耗和明亮的反射色再現。
包含所提之塗層組成份的製品可以包括，例如含有這裡所提之聚合物產物的電絕緣層。此製品也可以包含其他選用元件。例如，電絕緣層可以鄰接電極。在一些實施例中，電絕緣層可以直接鄰接電極。在一些實施例中，電絕緣層可以放在或直接在電極上。可以包含在所提之製品中的電極，可以由例如導電聚合物、金屬、含無機和有機導電劑之混合材料、半導體像矽、超導體材料、和類似材料以及它們的組合來製造。
在一些實施例中，製品可以包含助黏劑。助黏劑可以放在電極(或其他元件)和電絕緣層之間。助黏劑的例子包括，例如DYNASYLAN®材料，像DYNASYLAN® Glymo或DYNASYLAN® DAMO-T(Evonik Degussa GmbH,Essen,Germany)，以及含有黏合功能性的矽烷，例如丙烯酸酯、胺、硫、乙烯、或甲基丙烯酸酯基(例如，縮水甘油醚基丙基三甲氧基矽烷(glycidoxypropyltirmethoxysilane)Z-6040)。
製品也可以包含多個塗層，由所提出的組成份形成。這裡描述的塗層也可以施加到可以固定到底板的「獨立式」前板顯示裝置上。
在一些實施例中，由所提之組成份形成的薄膜或塗層也可以在塗層上包含表面紋理。這種奈米或微結構可以進一步透過「荷葉」效應增進塗層的疏水性。同樣的，所提的薄膜或塗層可以含有一般施加到塗層之曝露表面的疏水材料 以便進一步增進塗層的疏水特性。在一些實施例中，微切削、蝕刻、激分子雷射剝蝕或它們的組合，都可以用來將表面特性引到薄膜上。
電潤濕裝置的功能是根據介電薄膜將電容電荷累積在絕緣層上，而改變液體表面交互作用的能力。介面液體接觸角的改變，跟薄膜的介電常數成正比，而跟介電薄膜的厚度成反比。為了這個原因，實施例可以利用具有高介電常數的相當薄聚合物薄膜。
有利的實施例可以包含相當大介電常數的相當薄塗層以便盡可能達到符合平行板電容器方程式的大電容值： 其中εo是自由空間的介電係數，εr是物質的相對介電常數，A是板的面積，而t是薄膜厚度。電容越大，欲達到相同接觸角所需要的電壓就越小。要注意的是，串聯電容器的有效電容等於各別電容器之倒數總和的倒數： 其中Ceff是有效電容，而n是電容器數目。這顯示出，為了讓聚合物薄膜跟其他薄膜使用時，不會限制電容量，聚合物薄膜的電容量應該要比另一個薄膜的電容大很多。在一些實施例中，聚合物薄膜可以作為隔絕層，而另一個薄膜作為疏水薄膜。
電容儲能是電潤濕驅動的能量來源。電容儲能是1/2C eff *V2，其中V是施加電壓。當單層薄膜的介電常數增加G 倍時，所需要的施加電壓可以降低1除以G的平方根倍。我們的絕緣材料的相對介電常數測出來大約是7，比較起來Teflon®的介電常數大約是1.9。這相當於大約可以減半所需要的電壓。
所提出的薄膜可以用來製造使用電潤濕技術的裝置。如上面所描述的，具有較高介電常數和較高電壓擊穿(允許較薄薄膜)的絕緣隔絕薄膜需要較少電壓，因此有機會完成低電耗的反射顯示器。這樣的裝置對於發展以電潤濕技術為主的低電耗反射顯示器來說是需要的。此外，由於具有高電壓擊穿，因此上面描述的薄膜可以用來提供在高電壓下運作，而不會故障的數位微流體裝置。
範例 材料與方法
所有化學品都由Sigma-Aldrich,Milwaukee,WI取得。其中有一些單體是由Dajac,Sartomer,American Dye Sources Inc.或Polymer Sciences取得。所有單體和化學品都如原狀使用，沒有進一步的純化。
電壓擊穿的測量。將這些薄膜跟原子層沉積(ALD)製造的50奈米(由原子層沉積處理的控制循環來測定)二氧化鋯無機薄膜作比較。使用薄膜形成在鋁電極上，而第二個鋁電極形成在薄膜上的三明治組合來測量薄膜的電壓擊穿。施加連續的交流電壓，直到用眼睛觀察到薄膜擊穿。
介電常數。介電常數是結合薄膜厚度(使用Zygo白 光干涉儀(Zygo Corporation,Middlefield,CT)來測量)，跟使用LF阻抗分析儀型號HP4192A(Hewlett Packard,Palo Alto,CA)測得的電容值來推斷。
水的接觸角。水的接觸角是在經旋轉塗佈的玻璃樣本上測量。標準的接觸角測量是在每個樣本上五個不同位置記錄，然後取平均值來獲得接觸角值。接觸角是利用Connelly Applied Research(Nazareth,PA)的儀器來測量。同時也使用不濡液滴法測量前進和後退接觸角，連續增加液滴大小來測量前進角，相反的降低液滴大小來測量後退接觸角。每個測量是從樣本上不同的點取得以保留水表面接觸角的完整性。從所獲得的資料決定每個樣本的滯後現象。滯後現象(H)是前進(θa)和後退接觸角(θr)之間的差；H=θa-θr。
透過電潤濕和介電泳來執行液滴驅動的能力。我們也檢查薄膜透過使用電潤濕和介電泳的特製電壓定址電極裝置來用於液滴驅動的能力。在這個裝置中，一連串的脈衝A、B和C跟各別電極同步，使接觸電極的液體可以作脈衝式的移動。為了讓液滴在平面電極墊之間前進，液滴懸垂的實驗確定度是必要的。在此研究中的裝置組合成三明治形式，參看例如Muggle,F.等人的「電潤濕：從基礎到應用」，J.Phys.：Condens.Matter,17(2005)：R705-R774中的圖25。
透過「水解時間」測試的加速故障測試。這是用來測量水通過薄膜隔絕層而接觸電極，透過水解在電極產生氣泡的時間。在特定電壓下，此故障發生(「水解時間」)的時間可以提供介電薄膜隔絕層故障的定性目測。使用上面描述的 單一液滴三明治電極液滴驅動裝置，曝露到125伏特rms的交流電壓可以觀察到所提出之聚合物薄膜配方所需要的水解時間超出TEFLON®超過200倍。
範例1-10
將表1所列的單體以範例1到10的重量百分比結合製造單體混合物。一般來說，這些混合物是將可交互連結單體加到介電增強單體中，然後加入疏水性單體來製成。
將10個表面蝕刻鋁電極陣列的2.5英吋玻璃基板(Eagle XG玻璃，1.1公釐)塗佈上這些組成份。塗層是透過在基板上施加1毫升溶液，然後放在保持真空的旋轉塗佈儀器上方來進行。然後以5秒的1800RPM/秒上升速率，在2500RPM下執行60秒將溶液作旋轉塗佈。
使用「Xenon Model RC-801高強度脈衝紫外光固化系統」來固化樣本，此系統應用波長在300到400奈米之間的單一光源。將整個組合圍在一個腔室內，周圍圍繞厚的紅色簾幕(抗紫外線輻射)。此腔室包圍支撐基板的沖洗盒，確定基板可以持續用氮氣沖洗，在固化期間產生惰性環境(為了塗層)。一旦玻璃基板放在充滿氮氣的沖洗盒內後，執行60秒的沖洗時間，然後將紫外線腔室封閉將塗層固化大約60秒。在固化之後，檢查基板確定它們有適當固化。如果需要的話，可再次固化以確定適當固化。
範例1到10的單體百分比顯示在底下的表1中。
1M200=乙氧基(15)三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(Sartomer,CN435)
2M300=2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,474428)
3M104=苯甲基甲基丙烯酸酯(Poly Sciences,cat.# 02000)
4M301=3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,12-二十氟-11-(三氟甲基)十二烷甲基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,474312)
5M100=五溴苯基甲基丙烯酸酯(Poly Sciences,cat.# 04253)
6M302=2,2,3,3,4,4,5,5-八氟戊基甲基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,470988)
7M102=乙氧基雙酚二甲基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,156329)
8M303=2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-十六氟壬基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,474436)
9M201=乙氧基(5)季戊四醇四丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,408263)
10M304=4,4,5,5,6,7,7,7-八氟-2-羥基-6-(三氟甲基)庚基甲基丙 烯酸酯(Sigma-Aldrich,474266)
11M305=2,2,3,3,3-五氟丙基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,470961)
12M103=甲基丙烯酸糠酯(Sigma-Aldrich,411760)
13M101=三(2-羥乙基)三聚異氰酸(Sigma-Aldrich,309001)
14M202=二季戊四醇五丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,407283)
根據包含在範例中的特定疏水性單體及其含量來估計接觸角。根據非高度氟化，但是可相比擬之其他聚丙烯酸薄膜的實驗測定來估計模數。範例1到10的預測值顯示在底下的表2中。
對範例10作進一步研究。如同上面所討論的，所測定的平均標準接觸角是71.8度。所測得的平均前進接觸角是 71.4度，而所測得的平均後退接觸角是68.9度。適度疏水聚合物薄膜的滯後現象是2.5度。作比較，TEFLON®跟水的接觸角在114到118度之間，而無機ZrO2薄膜的接觸角接近90度。ZrO2薄膜表面的疏水性在跟水接觸短時間內就會顯著降低。這可以從最先測量的後退接觸角(78.17度)以及之後在很短時間內的測量值(64.18度)的降低比較來確認。這暗示了某些無機陣列的初始疏水性，對於那些需要持續高疏水性的應用來說可能並不理想。
如上面所描述的，我們也評估範例10薄膜透過電潤濕和介電泳來執行液滴驅動的能力。我們發現，範例10的薄膜可以提供液滴驅動。
範例11
將200毫克的六氟雙酚A二甲基丙烯酸酯粉末(Dajac,cat.#9386)(14重量%)溶解在0.6毫升的丙酮中，並加上0.2毫升的五氟苯甲基甲基丙烯酸酯(Dajac,cat.#8988)(14重量%)。將此混合物溫和地加熱到40℃大約30分鐘，或者直到完全混合。然後將0.2毫升的二季戊四醇五/六丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,407283)(16重量%)加到上面混合物，並溫和地渦旋直到混合。接著加入0.2毫升的甲基丙烯酸糠酯(14重量%)，渦旋直到混合。然後將0.6毫升的2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-十六氟壬基丙烯酸酯(Sigma-Aldrich,424266)(42重量%)加入。然後將40毫克Irgacur 818溶於0.15毫升N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的溶液加入，溶解在此混合物中。最終溶液的顏色是透明淡琥珀色。
如範例1中一樣將此溶液塗佈並固化。然後如範例1一樣測量此薄膜的接觸角。所測得的平均標準接觸角是114.4度。所測得的平均前進接觸角是115.5度，而所測得的平均後退接觸角是111.8度。此高疏水薄膜的滯後現象是3.7度。
範例12
加入聚苯胺粉末(以不含聚苯胺的總組成份重量為準的6重量%)，修改上面的範例10。如範例1一樣將此溶液塗佈並固化。然後如範例1一樣測量薄膜的介電常數，我們發現結果是7。
我們也測量此薄膜的電壓擊穿，大約是1800伏特/微米。50奈米原子層沉積ZrO2薄膜的擊穿電壓結果是，平均介電擊穿強度為386伏特/微米，而報導(並測量)的TEFLON®薄膜電壓擊穿大約接近60伏/微米。此外，「水解時間」測試的定性測量，在125伏特RMS下遠超過30分鐘產生水解。作比較，在相同的加速電壓擊穿測試下，使用市售的TEFLON®(DuPont)，所測得的水解時間大約是9秒。
上面所描述的實施例和其他實施例，都在底下申請專利範圍的範圍內。熟悉此技術的人會瞭解到，目前的發表可以在除了這裡所提出之外的實施例中來實行。所提出的實施例是用來作說明，而非限制。

Claims (11)

  1. 一種包含一聚合化產物之電極塗層，該聚合化產物包含：至少一種可交互連結單體，含量為5重量%至30重量%，該至少一種可交互連結單體是選自下列化學物質所組成之群組：乙氧基(15)三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基(5)三羥甲基丙烷四丙烯酸酯、乙氧基(5)季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、甲基丙烯多面體矽氧烷寡聚物以及前述化學物質的組合；至少一種疏水性單體，含量為20重量%至85重量%，該至少一種疏水性單體是選自下列化學物質所組成之群組：五氟苯甲基甲基丙烯酸酯、2,2,3,3,3-五氟丙基丙烯酸酯；2,2,3,3,4,4,5,5-八氟戊基甲基丙烯酸酯、4,4,5,5,6,7,7,7-八氟-2-羥基-6-(三氟甲基)庚基甲基丙烯酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚基丙烯酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-十六氟壬基丙烯酸酯、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,12-二十氟-11-(三氟甲基)十二烷甲基丙烯酸酯、六氟雙酚A二甲基丙烯酸酯、以及前述化學物質之組合；以及至少一種介電常數增強劑，其係選自由下列物質所構成的群組：介電增強單體，含量為10重量%至60重量%，該介電增強單體包含一可聚合官能基及一偶極官能基，且該介電增強單體是選自下列化學物質所組成之群組：五溴苯基甲基 丙烯酸酯、乙氧基雙酚二甲基丙烯酸酯、三(2-羥乙基)三聚異氰酸、甲基丙烯酸糠酯、以及苯甲基甲基丙烯酸酯；電活性聚合物，含量為2重量%至20重量%，該電活性聚合物包含聚苯胺；以及上述物質之組合物，其中該塗層具有高介電常數為1.5至10，以及高擊穿電壓為每微米1800伏特。
  2. 依據請求項1所述之電極塗層，其中該聚合化產物具有至少10%的交互連結密度。
  3. 依據請求項1所述之電極塗層，其中該塗層與水之接觸角度為至少65度。
  4. 依據請求項1所述之電極塗層，其中該塗層具有至少2的介電常數。
  5. 依據請求項1所述之電極塗層，其中：該至少一種可交互連結單體為二季戊四醇五丙烯酸酯；該至少一種疏水性單體為2,2,3,3,3-五氟丙基丙烯酸酯；以及該少一種介電常數增強劑為甲基丙烯酸糠酯。
  6. 依據請求項1所述之電極塗層，其中該介電常數增強劑包含一第一介電常數增強劑及一第二介電常數增強劑的一混合物。
  7. 依據請求項1所述之電極塗層，其中該介電常數增強劑包含由聚苯胺所構成的一電活性聚合物及由甲基丙烯酸糠酯構成的一介電增強單體的一混合物，該混合物在該塗層中與該至少一種疏水性單體及該至少一種可交互連結單體共聚合。
  8. 依據請求項7所述之電極塗層，其中以該塗層組成份的總重量計，該聚苯胺含量為6重量%以及該甲基丙烯酸糠酯含量為20重量%。
  9. 一種包含一電絕緣層的製品，該電絕緣層在該製品的一表面上，該電絕緣層包含依據請求項1所述之電極塗層。
  10. 依據請求項9所述之製品，其中該製品包含一電極。
  11. 依據請求項9所述之製品，更進一步包含一助黏劑，位於該電極與該電絕緣層之間。
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