JP2005125324A - 基体上への表面層又は構造物の配設 - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェットプリント法を用いて、基体上に表面層又は構造物を設ける方法の提供。
【解決手段】 基体（２）上に表面層又は構造物（６）を設ける方法である。この方法は、ａ）基体（２）上に表面層又は構造物材料の複数の離間された第１のセグメント（３）をインクジェットプリントし、該第１のセグメント（３）を乾燥又は硬化する工程と、ｂ）第１のセグメント間の間隙（４）に更なる材料セグメント（５）をインクジェットプリントし、該更なるセグメントを乾燥又は硬化する工程であって、材料並びに／又は硬化及び乾燥条件が工程ａ）とは異なる工程とを含み、全てのセグメントは乾燥又は硬化後に表面層又は構造物を形成し、セグメント材料並びに／又は硬化及び乾燥条件は、表面層の機械的特性を制御するように選択される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、基体上に表面層又は構造物を設ける方法に関する。

表面層を付着させる方法としてより一般的になっているものは、プリントプロセス、特にインクジェットプリント法を用いている。一般的に、基体上に表面層材料がプリントされ、乾燥又は硬化される。

これらのプロセスは、ラピッド・プロトタイピング構造物、点字及び触覚グラフィック用の三次元構造物、医療用のバイオアッセイ装置を含むマイクロフルイディクス（microfluidic）構造物、保護層、柔軟な基体のコーティング、織物のコーティングを含む、様々な装置の製造に用いられる。

特許文献１には、例えば、横方向に配列された複数の異なる色の領域で構成された、床のカバーリングとして用いられる装飾用シート材料を形成するために、ロータリースクリーン印刷装置を使用することが記載されている。
特許文献２には、ガラス製品等の品物にスクリーン印刷を施す装置が記載されており、複数の異なる画像がガラス製品にスクリーン印刷されて硬化される。
特許文献３には、基体にコーティングをプリントして、これらのコーティングを硬化する、フレキソ印刷システムが記載されている。これも装飾用である。
特許文献４は、シルクスクリーンプロセスを用いて品物を装飾する方法に関する。

これらの先行技術文献に記載されている技術は全て、装飾的プロセスに関するものであり、本発明が関わる上述のタイプのプロセスには関係しない。

これらの公知の技術では、乾燥又は一般的にＵＶ硬化である硬化によって付着層が収縮し、これによって層及び基体の双方に応力及び歪みを生じる可能性があり、ひび割れや他の問題を生じる場合もあることがわかり、問題が生じている。
米国特許出願公開第Ａ−４３７９１８５号明細書 国際公開第Ａ−９９／１９０７４号パンフレット 米国特許出願公開第Ａ−５４０７７０８号明細書 米国特許出願公開第Ａ−５５６２９５１号明細書

本発明によれば、基体上に表面層又は構造物を設ける方法は、
ａ）基体上に表面層又は構造物材料の複数の離間された第１のセグメントをインクジェットプリントし、該第１のセグメントを乾燥又は硬化する工程と、
ａ）第１のセグメント間の間隙に更なる材料セグメントをインクジェットプリントし、該更なるセグメントを乾燥又は硬化する工程であって、材料並びに／又は硬化及び乾燥条件が工程ａ）とは異なる工程とを含み、
全てのセグメントは乾燥又は硬化後に表面層又は構造物を形成し、
セグメント材料並びに／又は硬化及び乾燥条件は、表面層の機械的特性を制御するために選択される。

本発明では、単一のプリントパスで完全な表面層をプリントする代わりに、応力緩和、靱性、柔軟性及び多孔性等の局所的な機械的特性及び可能であれば化学的特性を制御するために、この層を分割する。

一般的に、ａ）及びｂ）の各工程を１回実行することによって完全な層が設けられるが、第１のセグメント間の間隙を徐々に埋めるために、工程ｂ）を２回以上繰り返すことも可能である。

分割は、インクジェットの個々の液滴（一般的に直径４０〜５０ミクロン）から１ミリメートル以上の寸法までの様々なスケールで行うことができる。

分割の軸は、ジオメトリに応じて変更されてよい。例えば、基体は、特定の方向に撓む又は曲がるように設計されてもよく、その場合には、プリントされる層の構造及び分割において、そのことを考慮できる。

単一の表面層で十分な場合が多い。しかし、より厚い層又は三次元構造物を設けることが望ましい場合もあり、これは、各表面層に対して工程ａ）及び工程ｂ）を繰り返すことで、１つの表面層上に１つ以上の更なる表面層を重ねて設けることによって、最も簡便に達成できる。この場合には、生じ得る応力線の垂直方向長さを最小限にするために、各表面層のセグメントの配列を、直近の表面層のセグメントの配列と異なるものとすることが、特に好ましい。

一般的に、セグメントは規則的なアレイ状に配列されるが、不規則なアレイ状に配列することも可能である。

複数の個別のプリントパスで表面層又は構造物を設けることで特に長所となるのは、硬化又は乾燥処理（例えば、ＵＶ、ＩＲ強度及び／又は照射量）を各パス毎に変えられる点である。例えば、異なるプロセス及び／又は持続時間である。このようにして、同一層内の異なるセグメントに異なる機械的特性を付与できる。或いは、又はそれに加えて、第１のセグメントの材料は、更なるセグメントの少なくとも一部の材料と異なってもよい。即ち、異なるプリントパスで、異なる材料（インク）が用いられる。これにより、特定の特性の多様化が達成できるようになる。セグメント間の特性の多様化の例としては、以下のものが含まれる。
・別様では脆弱になる層内に、「ひび止め」領域として作用するセグメントが含まれる。
・プリント層がエッチングマスクを構成する場合、基体から層を除去する際に層がセグメント境界に沿って小さな部分に壊れるような、物理的及び化学的抵抗が異なる複数の材料を製造できる。このことは、以下によって達成され得る。
・除去に際してより容易に壊れる、層内の低照射量のＵＶで照射されたセグメント。例えば、セグメント間の程度を変えたＵＶ照射によりＵＶ硬化されたアクレート系インク。
・除去の際の化学反応に対して異なる耐性を有する材料で製造されたセグメント。例えば、相変化インクの領域を散在させた、ＵＶ硬化されたアクレート系インク。

装置性能の制御に使用可能な、異なる表面特性、粗さ及び表面エネルギーを有するセグメントを製造してもよい。これは、マイクロフルイディクス構造物における多様な湿潤特性を含み得る。

同一材料の１つの層内に、例えばマット領域及び光沢領域等の、異なる表面形態を有するセグメントを製造して、これらの領域の光学性能に影響を与えてもよい。

これらのセグメントは一続きのプリント工程で形成される場合もあり、必要に応じて、各工程後に一部のセグメントが（部分的に）硬化される。これにより、厚いセグメントの形成が可能になる。

基体は、剛性、柔軟性又は犠牲的（プリント後に除去されて自由形状構造を残す）であり得る。本発明は、誘発された応力による基体の湾曲防止、及び、いかなる基体の変形に際しても付着層の機械的一体性の向上のために使用できるので、柔軟な基体に特に有用である。

本発明は、多くの長所を有することを認識されたい。その一部は既に上述した。更なる長所としては、以下のものが含まれる。
１）乾燥、相変化又は硬化に際して収縮する特性を有する、当然ながら、層及び基体に応力を生じる、インクの使用が可能になる。
２）大きく異なる膨張特性（例えば温度係数）を有する基体及び付着層の使用が可能になる。
３）複数のプリント又は層が必要な三次元構造物の製造。
４）エッチング後の層又は膜の除去が改良された、エッチングマスクとしての付着層の使用。セグメント微細構造が、層が小さな部分に壊れるのを補助する。
５）付着材料マトリックス内に高度に硬化され固められたラインを含むことにより、「繊維補強」層と同等のものを製造する能力。

インクジェットプリント法を用いることの具体的な長所としては、以下のものが含まれる。
・インクジェットプリントの「デジタル」性により、分割パターンやサイズを非常に容易に変更でき、１回のプリント毎の変更も可能になる。これにより、（複数のスクリーンを生成してセットアップすると共に既に存在する画像に対して位置決めする必要性があるのとは対照的に）セットアップ時間無しで、形成された構造物の各材料又は層に対する、複数の異なるセグメントパターンが可能になる。
・従って、インクジェットは、ラピッド・プロトタイピングや任意の「回転の速い（fast turn）」ジョブに特に有用である。
・インクジェットは、例えば、缶のような局面や携帯電話の本体等の、三次元の面に直接適用できる。これらの非平面は、特に、インクの硬化に際して誘発される類の応力を受けやすく、従って、この方法は特に適用可能性が高い。

以下、添付の図面を参照し、本発明による方法の幾つかの例を説明すると共に公知の例と比較する。

図１は、従来のプロセスで生じる問題を示している。このプロセスでは、マイラー基体２等の基体に、表面層１がインクジェットプリントされる。次に、表面層１は硬化され、この硬化プロセスにより、付着層１に収縮が生じる。これにより、層１及び基体２の双方に応力及び歪みが生じることがあり、これは明らかに望ましくない。

図２及び図３には、本発明による方法の第１の例が示されている。図からわかるように、第１のプリントパスでは、基体２に１組のセグメント３がインクジェットプリントされる。次に、これらは硬化され、比較的サイズが小さい（一般的に個々のインク液滴である）ことから、生じる応力は遙かに小さい。セグメント３間の間隙４は、更なるセグメント５（図３）で埋められ、続いてセグメント５が硬化される。その結果、従来技術の応力及び歪みの問題が大きく低減された連続層６が得られる。この例では、単一の第２のプリントパスが実行される。別の例では、１つ以上のパスで間隙４を埋めてもよい。

理論上は、様々な厚さを有する単一層を構成できるが、特に厚い層が必要な場合には、図２及び図３に関して説明したプロセスを１回以上繰り返すことができる。図４は、層６上に第２の層７を設けた例を示している。図からわかるように、層７のセグメント５は、層６のセグメント５からオフセットされている。

上述したように、異なるセグメント３、５に用いられる硬化条件は異なっていてもよく、実際、プリントされるインクとして異なる材料を用いることもできる。

例えば図４では、平面を得るために、最上層７の上に更なる連続層８がプリントされている。

図５は、公知の技術を用いて形成された表面層の一例を示す顕微鏡写真である。このケースでは、多くのインクジェットプリントパスを用いて、柔軟なマイラー基体上にＵＶ硬化材料の厚い（〜１ｍｍ）層が付着された。必要な厚さを形成するために、複数の連続層が順次プリント及び硬化された。断面の顕微鏡写真（図５）は、表面からの層剥離を生じさせるために膜を故意に曲げた後の、破損した面を示している。層の底部領域が、基体界面の膜の全領域にわたって脆性破壊を示していることが、明らかにわかる。そこでは、接着力の急激且つ完全な損失が生じていた。

これとは対照的に、図６〜図８を参照して、本発明による方法を用いて構成された別の表面層を説明する。このケースでは、変形された画像パターンを用いて、膜厚を形成した。１つのプリントパスにおける「ブロック」１０（画像１、図６）と、別のプリントパスにおける、その結果生じる間隙の充填物１１（図７）とを構成するために、画像に正方形グリッドを重ねた。画像２（図７）に対し、各画像の複数のプリントパスを低レベルの硬化（即ち、低レベルのＵＶ照射量）と共に用いることにより、架橋の程度が低いセグメントを設け、それによって、層内応力の低減及びより強靱な全体構造を可能にした。平面を得るために、最後工程として、最後のパスで連続層（図示せず）をプリントした。

図８の破断面の断面顕微鏡写真では、「ブロック」における脆性破壊が示されているが、より強靱な充填領域の影響により、層の機械的特性は向上している。基体から分離すると、マイラー上に、接着力が向上した充填画像領域に対応する、残存線のグリッドが見られた。

詳細には、図６〜図８に関して用いたプロセスは、ジェットマスク（Jetmask）ＤＬＰ２４４プリントシステムで、ザール（Xaar）ＸＪ５００プリントヘッド及び１６０Ｗ／ｃｍまでの出力を有するＨｇアークＵＶランプを用いて行われた。プリント解像度は７２０×７２０ｄｐｉであり、直線プリント速度は１１インチ／秒までであった。

実験条件は以下の通りである。

セグメント＃１領域は複数の「ブロック」で構成され、２段階プロセスを用いてプリントされた。プリント中に、最大出力の３０〜５０％のＵＶ出力レベルで部分的な硬化が行われた。画像が完成したら、画像を全出力のランプでもう一度走査することにより、最終的な硬化サイクルが実行された。必要な厚さを形成するために多数の層がプリントされた。必要な特性を得るために、各層に対するコンディションを、部分硬化サイクル及び最終硬化サイクルの組み合わせを用いて制御した。

次に、非常に低い（３０％）硬化を用いて充填領域をプリントすることにより、セグメント＃２を設けた。部分硬化を全く行わない場合もあり得る（ランプシャッターは閉鎖される）。低出力（５０％まで）の最終硬化も用いた。これにより、材料が流れてブロック間で均衡することが可能になった。セグメント＃１領域と同じ厚さを設けるには、多数の層が必要であり、各層を完成する際に、（全体に十分な硬化を与えるために）低出力の最終硬化を用いたが、これは任意である。

全セグメントにわたって平坦な最上面及び均一な層厚さを設けるために、連続的な全領域被覆で構成される最後層を用いた。この層は、プリント中に良好なインクの融合を可能にして、平滑な面を得るために、低レベル（３０〜５０％）で部分硬化された。次に、完全に硬化した不粘着性の最上面が確実に設けられるように、最大ＵＶ出力で最終硬化を行った。

これらの全ての例において、基体２は以下の任意のもので構成され得る。
剥離フィルム：マイラー、ＰＴＦＥ、
柔軟性基体：ＰＴＦＥ、ＰＥＴ、ポリカーボネート、ポリアミド、織物、紙、ボール紙、例えばＰＣＢ製造で用いられるような柔軟性材料の銅薄層、及び
剛性基体：ガラス、ＦＲ４の銅薄層。

基体２にプリントされ得る材料の例としては、以下のものが含まれる。
フリーラジカル、カチオン性又はハイブリッドＵＶ硬化インク、
アクリレート又はエポキシド等のモノマー、
ウレタンアクリレート、エポキシ、ポリエステル又はアクリル類等のオリゴマー、
相変化インク（ホットメルトワックス）、
フォトレジスト、
はんだマスク材料、
金属、酸化物（ＩＴＯ、ＡＴＯ）等の無機粒子又はナノ粒子、及び
蛍光物質。

公知の方法を示す模式図である。 本発明による方法の一例の異なる段階における、基体及びその上に重ねられた付着層の模式的断面図である。 本発明による方法の一例の異なる段階における、基体及びその上に重ねられた付着層の模式的断面図である。 第２の例を示す、図３と同様の図である。 公知のプロセスを用いた付着された層の一例の一部の顕微鏡写真を示す図である。 第４の例のセグメントアレイを示す模式図である。 第４の例のセグメントアレイを示す模式図である。 図６及び図７の方法を用いて製造された表面層の一部の顕微鏡写真を示す図である。

符号の説明

１ 表面層
２ 基体
３ セグメント（第１のセグメント）
４ 間隙
５ セグメント（更なるセグメント）
６ 連続層

Claims (21)

1. 基体上に表面層又は構造物を設ける方法であって、
   ａ）基体上に表面層又は構造物材料の複数の離間された第１のセグメントをインクジェットプリントし、該第１のセグメントを乾燥又は硬化する工程と、
   ｂ）第１のセグメント間の間隙に更なる材料セグメントをインクジェットプリントし、該更なるセグメントを乾燥又は硬化する工程であって、材料並びに／又は硬化及び乾燥条件が工程ａ）とは異なる工程と、
   を含み、
   全てのセグメントは乾燥又は硬化後に表面層又は構造物を形成し、
   セグメント材料並びに／又は硬化及び乾燥条件は、表面層の機械的特性を制御するように選択される、
   基体上に表面層又は構造物を設ける方法。
2. 全ての更なるセグメントが単一のプリントパスでプリントされる、請求項１記載の方法。
3. 全ての第１のセグメントが単一のプリントパスでプリントされる、請求項１または２記載の方法。
4. 第１のセグメント及び更なるセグメントの少なくとも一部が複数のプリントパスで設けられる、請求項１記載の方法。
5. １つの表面層の形成に続き、該１つの表面層の上に、各表面層に対して工程ａ）及び工程ｂ）を繰り返すことによって１つ以上の更なる表面層を設けることを更に含む、請求項１乃至４のいずれか一項記載の方法。
6. 各表面層のセグメントの配列が、直近の表面層のセグメントの配列と異なる、請求項５記載の方法。
7. セグメントが規則的なアレイ状に配列される、請求項１乃至６のいずれか一項記載の方法。
8. 基体が柔軟性を有する、請求項１乃至７のいずれか一項記載の方法。
9. 工程ａ）及び工程ｂ）で行われる硬化プロセスがそれぞれ異なる、請求項１乃至８のいずれか一項記載の方法。
10. 第１のセグメントの材料が、更なるセグメントの少なくとも一部の材料と異なる、請求項１乃至９のいずれか一項記載の方法。
11. セグメントのサイズが、単一のインク液滴から１ミリメートルの最大横方向寸法までの範囲内である、請求項１乃至１０のいずれか一項記載の方法。
12. 全セグメントがプリントされた後に、表面層の上に更なる連続仕上げ層をプリントすることを更に含む、請求項１乃至１１のいずれか一項記載の方法。
13. 第１のセグメント及び更なるセグメントの機械的特性が互いに異なる、請求項１乃至１２のいずれか一項記載の方法。
14. 機械的特性が、応力、靱性、脆性及び接着力の１つ以上を含む、請求項１乃至１３のいずれか一項記載の方法。
15. 基体が平面状である、請求項１乃至１４のいずれか一項記載の方法。
16. 基体が曲面状である、請求項１乃至１４のいずれか一項記載の方法。
17. 乾燥又は硬化工程が、ＵＶ硬化及びＩＲ硬化の一方を用いて行われる、請求項１乃至１６のいずれか一項記載の方法。
18. 乾燥又は硬化工程が、工程ａ）及び工程ｂ）においてそれぞれ異なる持続時間で行われる、請求項１乃至１７のいずれか一項記載の方法。
19. 工程ａ）及び工程ｂ）において、それぞれ異なる乾燥又は硬化プロセスが行われる、請求項１乃至１８のいずれか一項記載の方法。
20. 第１のセグメント及び／又は更なるセグメントが、一続きの部分的セグメントを重ねてプリントすることによって見出される、請求項１乃至１９のいずれか一項記載の方法。
21. 部分的セグメントが、プリント後であり且つその上に次の部分的セグメントがプリントされる前に、少なくとも部分的に硬化される、請求項２０記載の方法。