JP2005103416A

JP2005103416A - 塗布装置およびダイスリット厚み制御方法

Info

Publication number: JP2005103416A
Application number: JP2003339445A
Authority: JP
Inventors: Fumiyuki Yoshida; 史志吉田
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】スリット巾方向に高精度の均一薄膜塗工が可能なエクストルージョン型ダイヘッドを有する塗布装置で、特に、多様な塗工対象物及び塗膜の薄型化、多様な塗工液への対応可能な塗布装置及びそのダイスリット厚み制御方法の提供にある。
【解決手段】ダイスリット６の一方の側壁にスリット厚みｄを測定するスリット厚測定センサ１２及びそのスリット厚測定データの取得装置１３と、前記基材上の塗工膜の厚みｈを測定する塗工膜厚測定センサ１５及び塗工膜厚測定データの取得装置１６とを備え、前記スリット厚み測定データおよび塗工膜厚測定データの取得装置で取得された両データに基づいて、ダイスリット６の厚みｄを調整・制御の指令を行う制御装置１７を備えている塗布装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材表面に塗工液を塗工する技術に関するものであり、特に、低粘度塗工液を用いて基材の表面にダイヘッドのスリット巾方向に均一塗工が可能な高精度の均一な薄膜塗工に好適なエクストルージョン型のダイヘッドを有する塗布装置及びそのダイスリット厚み制御方法に関するものである。

従来、ダイヘッドの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て、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、その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、かつ塗布装置が高価なものとなり、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その塗工液に対して、最適なスリットの厚み分布は異なってくるものであった（例えば、特許文献１参照。）。

以下に、上記先行技術文献を示す。
特開平９−１７３９３９号公報

そこで、塗膜の薄型化、多様な塗工液への対応可能な、大型ダイヘッドで、その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を有する塗布装置及びそのスリット厚みの制御方法が、特に、エレクトロニクス分野で要望されていた。

本発明は、上記従来技術に対する要望点を満たすものであり、その課題とするところは、基材の表面にダイヘッドのスリット巾方向に高精度の均一薄膜塗工が可能なエクストルージョン型のダイヘッドを有する塗布装置において、特に、多様な塗工対象物及び塗膜の薄型化、多様な塗工液への対応可能な塗布装置およびその装置を用いてダイスリットの厚みを制御する制御方法を提供することにある。

本発明に於いて上記課題を達成するために、まず請求項１の発明では、ダイスリットから塗工液を吐出し、基材に塗工膜を形成するエクストルージョン型のダイヘッドを有する塗布装置において、前記ダイスリットの側壁に該ダイスリットの厚みを測定するスリット厚測定センサ及び該スリット厚測定センサにより測定されたスリット厚み測定データの取得装置と、前記基材上の塗工膜の厚みを測定する塗工膜厚測定センサ及び該塗工膜厚測定センサにより測定された塗工膜厚測定データの取得装置とを備え、前記スリット厚み測定データおよび塗工膜厚測定データの取得装置で取得された両データに基づいて、ダイスリットの厚みを調整・制御の指令を行う制御装置を備えていることを特徴とする塗布装置としたものである。

また、請求項２の発明では、上記スリット厚測定センサは、圧電センサでなることを特徴とする請求項１記載の塗布装置としたものである。

また、請求項３の発明では、上記ダイスリットの厚みの測定と厚みの調整・制御は、同一の圧電材料で成されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の塗布装置としたものである。

また、請求項４の発明では、上記圧電材料は、高分子圧電材料でなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の塗布装置としたものである。

また、請求項５の発明では、上記塗布膜を形成する塗布液は、低粘度材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の塗布装置としたものである。

また、請求項６の発明では、上記塗布液の物性データは、材料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乃至４のいずれかに記載の塗布装置としたものである。

また、請求項７の発明では、上記請求項１乃至６のいずれかに記載の塗布装置を用い、ダイスリットの厚みを調整・制御するダイスリット厚み制御方法であって、上記スリット厚み測定データと塗工膜厚測定データおよび塗布液材料の物性データに基づいて、ダイ内３次元流動計算を行い、ダイスリット厚みの調整・制御を行う制御装置により所望の塗工膜厚範囲が得られるまでダイスリット厚みの調整を繰り返し行い、ダイスリット厚み分布を制御することを特徴とするダイスリット厚み制御方法としたものである。

さらにまた、請求項８の発明では、上記ダイ内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７記載のダイスリット厚み制御方法としたものである。

本発明は以上の構成であるから、下記に示す如き効果がある。

即ち、上記本発明の塗布装置によれば、ダイスリット側壁に圧電センサでなるスリット厚測定センサ及びスリット厚み測定データの取得装置と、基材上の塗工膜を測定する塗工膜厚測定センサ及び塗工膜厚測定データの取得装置とを備え、前記スリット厚み測定データおよび塗工膜厚測定データの取得装置で取得された両データに基づいて、ダイスリットの厚みを調整・制御の指令を行う制御装置を備えている塗布装置とすることによって、ダイスリットの厚みの測定と厚みの調整・制御を、同一の高分子圧電材料で成すことができ、かつ、塗布膜を形成する塗布液の物性データを、材料粘度の歪速度依存データとすることによって、塗布液の材料ごとにスリット厚みのスリット方向への分布を調整することができるようになり、よって膜厚の制御つまり均一塗工を可能にする塗布装置とすることができる。

また、上記塗布装置を用い、ダイスリットの厚みを調整・制御するダイスリット厚み制御方法において、上記スリット厚み測定データと塗工膜厚測定データおよび塗布液材料の物性データに基づいて、有限要素法を用いたダイ内３次元流動計算を行い、ダイスリット厚みの調整・制御を行う制御装置により所望の塗工膜厚範囲が得られるまでダイスリット厚みの調整を繰り返し行い、ダイスリット厚み分布を制御することことによって、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になり、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を有する塗布装置のダイスリット厚み制御方法を提供することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて詳細に説明する。

先ず、本発明を構成するエクストルージョン型のダイヘッドを有する塗布装置について
説明する。

図１（ａ）は、本発明を構成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の要部を示す説明図であり、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。このマニュホールド５からスリット６を通って塗工液が塗工対象物２に対して吐出される。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１（ａ）では、速度Ｖで相対運動させる。スリット方向とは、図１（ａ）におけるｚ方向である。

また、図２は、本発明を構成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のダイヘッド部の断面図（図１（ａ）のｙｚ面断面図とｘｙ面断面図）であり、スリット６と、マニュホールド５と、供給配管７とで構成されている。

次に、本発明の塗布装置の構成を説明する。本発明の塗布装置は、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であって、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、ダイスリット６の厚みを測定するスリット厚み測定センサ１２及び測定されたスリット厚み測定データの取得装置１３と、スリット厚みを調節・制御するスリット厚制御装置１４と、さらに、塗工膜厚測定センサ１５及び該塗工膜厚測定データの取得装置１６と、前記取得装置で取得したスリット厚み、塗工膜厚データ及び所定の塗工液材料データに基づいて、ダイスリット厚み等を調整・制御の指令を行う制御装置１７とを具備した塗布装置である。

次に、上記本発明の塗布装置を用い、ダイスリットの厚みを調整・制御するダイスリット厚み制御方法について以下に説明する。

例えば図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、所定の塗工液材料を用いて、ダイスリット６の厚みｄを測定するスリット厚み測定センサ１２及びこのスリット厚み測定データの取得装置１３で得られるスリット厚みデータ、塗工膜厚測定センサ１５及びこの塗工膜厚測定データの取得装置１６で得られる塗工膜厚データ及び塗工液材料データに基づいて、ダイ内３次元流動計算を計算機により行い、ダイスリット厚み等の調整・制御の指令をおこなう制御装置１７により、目的の塗工膜厚範囲が得られるまでダイスリット厚みｄ及び塗工膜厚ｈの調整を繰り返し行い、均一塗工が可能となるように最適なダイスリット厚み分布を制御する。

上記ダイスリットの厚み調整・制御は、図５（ａ）の断面図及びこの図５（ａ）のＢ−Ｂ面を表す図５（ｂ）に示すように、圧電材料１１を用いて調整・制御するもので、まず、ｚ方向へのダイスリットの厚み調節・制御方法は、図５（ａ）を用いて説明すると、圧電材料１１は、スリット６の一方のベース材料８に沿ってｚ方向に複数配置する。まず、第一にスリット厚ｄの分布は、それぞれの圧電材料１１を用いて超音波測定する。このとき、スリット６には音速が既知である液体を充填しておく。そして、これらの圧電材料１１をスリットの厚み方向（ｘ）に伸縮させ、スリット厚みｄを調節する。

上記スリット断面の材料構成は以下の通り。ベース材料８は金属などの通常のダイを構成する材料を用いる。圧電材料１１は電極１０で挟む。液との接触面には保護膜（層）９を設ける。この膜には、伸縮性があり耐薬品性などがある高分子フィルムなどを用いる。同様に、ｙ方向へのダイスリットの厚み調節・制御方法を図５（ｂ）を用いて説明すると、圧電材料１１は、スリットのｙ方向に複数配置する。そして、スリット厚の分布は、それぞれの圧電材料１１を用いて超音波測定する。このとき、スリットには音速が既知である液体を充填しておく。そして、これらの圧電材料１１をスリット厚み（ｘ）方向に伸縮
させ、スリット厚みを調節する。

上記で説明した本発明の塗布装置を用いて、そのダイスリット厚み制御方法により、均一塗工を行うフローを以下に説明する。

図３のフロー図に示すように、塗工液材料が決まると最適スリット厚ｄ＊（ｙ，ｚ）が決まる。実際のスリット厚ｄｎ（ｙ，ｚ）をｄ＊（ｙ，ｚ）に近づけるようスリット厚測定とスリット厚の調整をｎ回行う。このｄｎ（ｙ，ｚ）により、塗工を行う。次にこのｄｎ（ｙ，ｚ）のスリット厚分布を持つダイにより塗工された塗工膜厚ｈ（ｘ，ｚ）を測定する。ｈ（ｘ，ｚ）が目的とする範囲内に収まるまで、ｍ回ｄｎ（ｙ，ｚ）を調整する。これは、ダイコートの三つの過程において、多くの場合吐出までのダイ内流動が支配的であるが、この他の二つの過程の影響も考慮するため、最適スリット厚ｄ＊（ｙ，ｚ）の微調整を行い、最終的に均一塗工可能なスリット厚ｄ＊’（ｙ，ｚ）を求め、均一塗工を行う。

以下に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４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、塗工液材料としてＡ，Ｂ，Ｃの３つの例をあげる。塗工液材料の流動特性は、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、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スリット厚みｄが端部にいくほど厚い方が最適である。一方、材料Ｂの場合、スリット厚みｄが一定である方が最適である。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。

ダイスリットによる塗布過程が、１）吐出までのダイ内流動、２）自由表面への吐出解析、３）乾燥固化の大きく３つに分けられる。多くの場合、１）の吐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吐出性の評価数値解析について説明する。

＜解析条件＞
解析モデルはストレートマニュホールドの６８０ｍｍ幅の１／２対象モデルであり、この解析領域は、図１に示した供給管７、マニュホールド５、スリット６の大きく三つに分けられる。本解析では、この内スリット６の厚みｄの絶対値と厚みに分布がある場合のスリット方向の吐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、図６に示すように、その内３形状がスリット厚み一定のもので、その厚みは３０，５０，８０μｍ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５μｍ厚く、対称中心の厚みがそれぞれ３０，５０，８０μｍのものである。マニュホールドは断面が半円であり、その半径は２ｍｍ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。

＜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。

括弧内の割合（％）は、端部の厚み増分（５μｍ）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。

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７、８に示す。図から明らかなように、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吐出量は一定である。

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９、１０に示す。

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、端部吐出量が多い場合、Ｑｃ＞１．００となり、中心部吐出量が多い場合、Ｑｃ＜１．００となる。このＱｃを、図７から１０までに示した結果に基づいて、図１１、１２にニュートン流体およびビンガム流体の例として示す。

これら代表例のように、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。

上記のように本発明によれば、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行い、塗工液材料や塗工条件に適合する最適なスリット厚み制御を行うことで、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を有する塗布装置及びそのダイスリット厚み制御方法を提供することができる。

本発明の塗布装置の一実施の形態を説明するもので、（ａ）は、その斜視図であり、（ｂ）は、その側断面図であり、（ｃ）は、そのシステム図である。本発明の塗布装置を構成するダイスリットの一実施の形態を側断面と正面で表した説明図である。本発明の塗布装置を用いて、そのダイスリット厚み制御方法により塗工を行う一事例を説明するフロー図である。本発明の塗布装置を用いて、そのダイスリット厚み制御の具体例を示すフロー図である。本発明の塗布装置を構成するダイスリット厚み制御方法の一実施の形態を説明するもので、（ａ）は、ダイスリットの厚み方向の側断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ面を表す圧電センサの断面図である。本発明の塗布装置を構成するダイスリットの断面図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み一定の場合の厚みに対する吐出量分布を示すグラフ図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み分布がある場合の吐出量分布を示すグラフ図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み一定の場合の厚みに対する吐出量分布を示す他のグラフ図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み分布がある場合の吐出量分布を示す他のグラフ図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み及び厚み比に対する吐出量分布を示すニュートン流体の例のグラフ図である。本発明のダイスリット厚み制御方法におけるスリット厚み及び厚み比に対する吐出量分布を示すビンガム流体の例のグラフ図である。

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‥‥ベース材料
９‥‥保護膜
１０‥‥電極層
１１‥‥圧電材料
１２‥‥スリット厚測定センサ
１３、１６‥‥データ取得装置
１４‥‥スリット厚制御装置
１５‥‥膜厚測定センサ
１７‥‥制御装置

Claims

ダイスリットから塗工液を吐出し、基材に塗工膜を形成するエクストルージョン型のダイヘッドを有する塗布装置において、前記ダイスリットのの側壁に該ダイスリットの厚みを測定するスリット厚測定センサ及び該スリット厚測定センサにより測定されたスリット厚み測定データの取得装置と、前記基材上の塗工膜の厚みを測定する塗工膜厚測定センサ及び該塗工膜厚測定センサにより測定された塗工膜厚測定データの取得装置とを備え、前記スリット厚み測定データおよび塗工膜厚測定データの取得装置で取得された両データに基づいて、ダイスリットの厚みを調整・制御の指令を行う制御装置を備えていることを特徴とする塗布装置。
上記スリット厚測定センサは、圧電センサでなることを特徴とする請求項１記載の塗布装置。
上記ダイスリットの厚みの測定と厚みの調整・制御は、同一の圧電材料で成されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の塗布装置。
上記圧電材料は、高分子圧電材料でなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の塗布装置。
上記塗布膜を形成する塗布液は、低粘度材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の塗布装置。
上記塗布液の物性データは、材料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乃至４のいずれかに記載の塗布装置。
上記請求項１乃至６のいずれかに記載の塗布装置を用い、ダイスリットの厚みを調整・制御するダイスリット厚み制御方法であって、上記スリット厚み測定データと塗工膜厚測定データおよび塗布液材料の物性データに基づいて、ダイ内３次元流動計算を行い、ダイスリット厚みの調整・制御を行う制御装置により所望の塗工膜厚範囲が得られるまでダイスリット厚みの調整を繰り返し行い、ダイスリット厚み分布を制御することを特徴とするダイスリット厚み制御方法。
上記ダイ内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７記載のダイスリット厚み制御方法。