JP2004148228A

JP2004148228A - 塗布装置のダイ設計方法及び塗布装置

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Publication number: JP2004148228A
Application number: JP2002317391A
Authority: JP
Inventors: Fumiyuki Yoshida; 史志吉田
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】本発明は、特に、低粘度塗工液を用いて基材の表面に高精度の均一な薄膜塗工が可能で、しかも多様な塗工対象物や塗工液に対応可能なエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置のダイ設計方法及びその設計に基づいた塗布装置を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも、塗工液材料データ、塗工条件データ、そして設計するスリット厚み分布形状データからなる入力データを基に、ダイ内の３次元流動計算を計算機により行い、その計算結果から求まるスリット方向の塗出量分布が最適塗出量分布となるまで、スリット厚み分布形状データを変えて繰り返し回計算を行うことにより、塗工液材料や塗工条件に適合する最適なスリット厚み分布を決定し、ダイ設計を行うことを特徴とする塗布装置のダイ設計方法及び塗布装置である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材表面に塗工液を塗工する技術に係わり、特に、低粘度塗工液を用いて基材の表面に高精度の薄膜塗工するのに好適なエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置のダイ設計方法及びその設計に基づいたダイヘッドスリット巾方向に高精度の均一塗工が可能なダイヘッド本体を有する塗布装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ダイ先端スリットより塗工液を基材面に直接塗工するダイ型塗布装置が実用化されている。
例えば、エレクトロニクス分野における１０μｍ以下の薄い膜の高精度（均一）塗工を、エクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置を用いて塗工する場合、一般に、ダイのスリット部の厚みは数１０μｍと薄く、さらに高い厚み精度が要求される。しかしながら、特に、近年の塗工対象物の大型化に伴うダイの大型化に伴い精度保証は技術的ハードルが高く、高い厚み精度のダイヘッド本体の製作が困難であり、塗布装置が高価なものとなる。また、塗工対象物、塗工液の多様化に伴い、多様な塗工対象物および塗工液に対して最適なスリットの厚み分布は異なる。
そこで、塗膜の薄型化、多様な塗工液への対応可能な、大型ダイヘッドにおけるダイスリット巾方向に均一塗工が可能なエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置が、特に、エレクトロニクス分野で要望されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の要望を満たすべくなされたものであって、特に、低粘度塗工液を用いて基材の表面に高精度の均一な薄膜塗工が可能で、しかも多様な塗工対象物や塗工液に対応可能なエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置のダイ設計方法及びその設計に基づいた塗布装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、基材に対してスリットから塗工液を塗出し、基材に塗工するエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置におけるダイ設計方法であって、
少なくとも、塗工液材料データ、塗工条件データ、そして設計するスリット厚み分布形状データからなる入力データを基に、ダイ内の３次元流動計算を計算機により行い、その計算結果から求まるスリット方向の塗出量分布が最適塗出量分布となるまで、スリット厚み分布形状データを変えて繰り返し回計算を行うことにより、塗工液材料や塗工条件に適合する最適なスリット厚み分布を決定し、ダイ設計を行うことを特徴とする塗布装置のダイ設計方法である。
【０００５】
また、請求項２に係る発明は、前記塗工液材料が、低粘度材料からなることを特徴とする請求項１記載の塗布装置のダイ設計方法である。
【０００６】
また、請求項３に係る発明は、前記塗工液材料データが、材料の粘度の歪速度依存データであることを特徴とする請求項１または２記載の塗布装置のダイ設計方法である。
【０００７】
また、請求項４に係る発明は、前記塗工条件データが、塗工速度とそれに伴う供給流量データであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法。
【０００８】
また、請求項５に係る発明は、前記３次元流動計算が、有限要素法を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法。
【０００９】
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法に基づいて決定されたスリット厚み分布を有するダイヘッド本体を有する塗布装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例としての実施形態について図面を参照して説明する。
先ず、本発明のおけるエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明におけるエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置の要部を示す説明図である。図１（ａ）に示すように、ダイ内部は対称面の片側（ｚ軸正方向）のみを示している。供給口３から塗工液４が供給され、マニュホールド５に液が溜められる。マニュホールド５からスリット６を通って塗工液が塗工対象物２に対して塗出される。ダイヘッド本体を有する塗布装置のダイヘッド１を塗工対象物２に対して相対移動させて塗工する。この図では、速度Ｖで相対運動させる。スリット方向とは図におけるｚ方向である。
【００１１】
図２は、本発明におけるエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置のダイヘッド部の断面図（図１におけるｙｚ断面図、ｘｙ断面図）であり、スリットが６、マニュホールドが５、供給配管が７である。
【００１２】
次に、上記のダイヘッド本体を有する塗布装置におけるダイ設計方法について説明する。
図１（ｂ）は、本発明のダイヘッド本体を有する塗布装置のダイ設計方法を説明する設計フロー図である。
図１（ｂ）に示すように、塗工材料データ８、塗工条件データ９そして設計（最適な値を求める）するスリット厚み分布形状データ１０を入力値とする。具体的には、塗工材料データ８には材料の粘度の歪速度依存データ、塗工条件データには、塗工速度とそれに伴う供給流量がある。これらの入力データを基に、例えば有限要素法によるダイ内の３次元流動計算を計算機１１により行う。計算結果、スリット方向の塗出量分布１２（図１のｚ方向）が求まる。この塗出量分布が目標の塗出量分布となるまで、スリット厚み分布形状データ１０を変えてｎ回計算を行う。これにより、材料や塗工条件に合ったスリット厚み分布が決まり、ダイ設計を行うことができる。
【００１３】
具体的な塗工液材料に対する均一塗工のための最適スリット厚の例を具体的に説明する。図３に示すように、均一塗工に支配的な材料物性のパラメータは、粘度のせん断速度依存であり、図３−１に例を三つ（Ａ，Ｂ，Ｃ）あげる。この図は横軸がせん断速度で縦軸が応力、傾きが粘度になる。例えば、この図で傾き（粘度）が一定で切片（降伏応力値）がある値以上である材料Ａでは、均一塗工のためのスリット厚は図３−２のようにスリット厚みｄが端にいくほど厚い方が最適である。一方、材料Ｂの場合、図３−３のようにスリット厚みｄが一定が最適である。この根拠の例となるスリット厚みの分布に対する塗出量分布の有限要素法による３次元数値流動解析結果を以下に示す。
【００１４】
ダイコートはその過程が▲１▼塗出までのダイ内流動▲２▼自由表面への塗出解析▲３▼乾燥固化の大きく三つに分けられる。多くの場合、▲１▼の塗出までの過程が支配的であり、この過程の制御により均一塗工が可能である。また、この過程では、数値解析が有効であることがわかっている。以下、スリット厚の分布に対する塗出性の評価数値解析について説明する。
【００１５】
＜解析条件＞
解析モデルはストレートマニュホールドの６８０（ｍｍ）幅の１／２対象モデルであり、解析領域は図１に示した内ダイ内部の塗りつぶし部分である。解析領域は１）供給管２）マニュホールド３）スリットの大きく三つに分けられる。本解析では、この内スリットの厚みの絶対値と厚みに分布がある場合のスリット方向の塗出量の分布に関して検討を行った。検討を行ったスリットは計６形状で、その内３形状がスリット厚み一定のもの（図４濃黒色部）で、厚みは３０，５０，８０（μｍ）である。一方、厚みに分布があるものは、対象中心に対して端部が直線的に５（μｍ）厚く、対称中心の厚みがそれぞれ３０，５０，８０（μｍ）のものである（図４薄黒色部）。スリット（ｘｚ）断面図を図４に示す。マニュホールドは断面が半円であり、その半径は２（ｍｍ）である。塗工液材料は、純粘性モデルで、例としてニュートン流体及びビンガム流体について示す。
【００１６】
＜解析結果＞
上記の解析結果のダイスリット形状について表１に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
括弧内の割合（％）は、端部の厚み増分（５（μｍ））に対する対称中心の厚みの比であり、スリット厚みの均一さを示すものである。評価は塗出口での塗出量分布で行った。塗出量分布は、ここで例にとる材料の場合、塗出後の自由表面への流出・乾燥過程でのスリット方向への膜厚の変化が少なく、ほぼ膜厚分布に相当する。
【００１９】
次に、塗工液材料がニュートン流体（粘度数ｍＰａ・ｓ）の場合の解析結果を図５、６に示す。図から明らかに、このように、スリット厚みが一定であれば、この厚み範囲ではスリット厚によらず塗出量は一定である。
【００２０】
次に、塗工液材料の種を変えて、ビンガム流体の塑性粘度数（ｍＰａ・ｓ）、降伏応力数（Ｐａ）の結果を図７、８に示す。
【００２１】
これらの代表例のように、スリット厚み、スリット厚み分布そして材料物性により、膜厚均一性が異なる。これらの結果をまとめるため、対称中心と端部での塗出量の比を下記に示す式（１）で定義し、均一性を示す指標とする。
Ｑｃ＝端部の吐出量／中心部の吐出量（１）
よって、均一な場合、Ｑｃ＝１．００となり、端部塗出量が多い場合、Ｑｃ＞１．００となり、中心部塗出量が多い場合、Ｑｃ＜１．００となる。このＱｃを、図５〜８までに示した結果に基づいて、図９、１０に示す。
【００２２】
これらの代表例のように、スリット厚み、スリット厚み分布そして材料物性により、膜厚均一性が異なり、この内スリット厚み（分布）が支配的。よって、材料ごとにスリット厚み比つまりスリットの厚みのスリット方向への分布を調整することで、膜厚の制御つまり、均一塗工することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により、所定の塗工データに基づいてダイ内の３次元流動計算を計算機により、塗工液材料や塗工条件に適合する最適なスリット厚み分布を決定し、ダイ設計を行うことで、低粘度塗工液を用いて基材の表面に高精度の均一な薄膜塗工が可能で、しかも多様な塗工対象物や塗工液に対応可能なエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明におけるエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置の要部を示す説明図である。
（ｂ）は、ダイヘッド設計フロー図である。
【図２】本発明におけるダイヘッドのＹＺ断面図である。
【図３】本発明における塗工材料に対するスリット厚分布の決め方を説明する説明図である。
【図４】本発明におけるダイスリットのＸＺ断面図である。
【図５】本発明におけるスリット厚み一定の場合の厚みに対する塗出量分布を示す図である。
【図６】本発明におけるスリット厚み分布がある場合の塗出量分布を示す図である。（端＞対称中心）
【図７】本発明におけるスリット厚み一定の場合の厚みに対する塗出量分布を示す図である。（図５の塗工液材料を変えた場合）
【図８】本発明におけるスリット厚み分布がある場合の塗出量分布を示す図である。（端＞対称中心）（図６の塗工液材料を変えた場合）
【図９】本発明におけるスリット厚み及び厚み比に対する塗出量分布を示す図である。
【図１０】本発明におけるスリット厚み及び厚み比に対する塗出量分布を示す図である。（図９の塗工液材料を変えた場合）
【符号の説明】
１・・・ダイヘッド
２・・・塗工対象物
３・・・供給口
４・・・塗工液
５・・・マニホールド
６・・・スリット
７・・・供給配管
８・・・塗工材料データ
９・・・塗工条件データ
１０・・・スリット厚み分布形状データ
１１・・・計算機
１２・・・検出量分布

Claims

基材に対してスリットから塗工液を塗出し、基材に塗工するエクストルージョン型のダイヘッド本体を有する塗布装置におけるダイ設計方法であって、
少なくとも、塗工液材料データ、塗工条件データ、そして設計するスリット厚み分布形状データからなる入力データに基づいて、ダイ内の３次元流動計算を計算機により、スリット方向の塗出量分布が最適塗出量分布となるまで、スリット厚み分布形状データを変えて繰り返し計算を行うことにより、塗工液材料や塗工条件に適合する最適なスリット厚み分布を決定し、ダイ設計を行うことを特徴とする塗布装置のダイ設計方法。
前記塗工液材料が、低粘度材料からなることを特徴とする請求項１記載の塗布装置のダイ設計方法。
前記塗工液材料データが、材料の粘度の歪速度依存データであることを特徴とする請求項１または２記載の塗布装置のダイ設計方法。
前記塗工条件データが、塗工速度とそれに伴う供給流量データであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法。
前記３次元流動計算が、有限要素法を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の塗布装置のダイ設計方法に基づいて決定されたスリット厚み分布を有するダイヘッド本体を有する塗布装置。