JP2009028676A - インク充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、大気圧より低い圧力雰囲気において基板上に薄膜を塗布する際に、インクジェットヘッドの不具合の原因となるインク充填不良を解消することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、マニホールドに充填したインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドと、ノズルから滴り落ちたインクを受ける材料吸引ブロックと、インクジェットヘッドにインクを供給する材料タンクと、マニホールドから溢れたインクを再利用のために材料タンクに送り返す戻りタンクと、吸引ポンプで負圧状態にし材料吸引ブロック又は戻りタンクの廃インクを吸引するドレンタンクと、インクジェットヘッド、材料吸引ブロック、材料タンク、戻りタンク及びドレンタンクを内部に収容し、真空排気ポンプにより内部を減圧できる真空容器と、大気圧力中に設置され材料タンクにインクを補充する外部タンクとからなるインク充填装置の構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧より低い圧力雰囲気において基板上に薄膜を塗布する際に、インクジェットヘッドの不具合の原因となるインク充填不良を解消したインク充填装置及びその方法に関するものである。

インクジェット塗布は、大気圧力中で行われる薄膜形成方式であり、インクジェットによりインクを安定的に吐出するには、使用するインクジェットヘッドに合わせてインクの粘性や表面張力等の物性、インク供給系の抵抗及び圧力を調整した上で、インクジェットヘッド内をインクで満たし、連続的にインクを供給しながら吐出することが必要である。

インクジェットには低粘性のインクを用いる。フラットパネルディスプレイで用いるガラスやシート等の浸透性の殆どない塗布対象物に塗布する場合、低粘性のインクが塗布対象物に着弾付着した際に流動展開し、塗布形状が乱れやすい。

また、塗布後に昇温乾燥が進むと、未塗布部との境界において、不揮発成分が過剰に集まり隆起する、いわゆるコーヒーステイン現象が発生し、塗布膜端周囲の膜厚が変動してしまう。逆に、塗布対象物の流動展開を抑制すると、着弾付着した液滴が隣接する液滴と繋がらず、不均質な膜となってしまう。

特許文献１に記載されているように、昇温乾燥に依らずに溶媒の揮発とインクの流動展開を抑制するため、大気圧力より低い圧力雰囲気で塗布形成し、塗布膜の均質性を向上させる発明も公開されている。
特開２００６−２８９３５５号公報

大気圧力より低い圧力雰囲気で塗布形成する場合、インクジェットヘッドに大気圧力下でインクを充填した後、インクジェットヘッド、塗布対象物及び搬送駆動装置等の雰囲気圧力を所望の圧力に下げて行っていた。

図７は、従来のインク充填装置の図である。図８は、従来のインク充填装置による充填状態を示すグラフである。

インクジェットヘッド２内には管状の容器であるマニホールド２ａが設けられ、一端に供給口２ｃが連通し、他端に出口２ｄが連通しており、下方にはインクを吐出するノズル２ｂが形成される。

まず、真空容器圧力１９が大気圧力１６の状態で、マニホールド２ａ内にインクを材料充填１７ｆする。インクがノズル内充填１７ｇされたら真空容器９内を排気開始１７し、真空排気１７ａにより真空容器圧力１９が塗布時圧力１６ａまで下がったら塗布動作１７ｅに移る。

しかしながら、インクジェットによる薄膜形成を大気圧力より低い圧力雰囲気で行うと、送液系に残留した極微小な気泡が減圧により成長し管路を塞ぎ、材料供給に支障を来す虞がある。また、インクに極微量に含有する水分が減圧気化により気泡となり、これが成長することで、同様に材料供給に支障を来す虞がある。

そこで、本発明は、大気圧より低い圧力雰囲気において基板上に薄膜を塗布する際に、インクジェットヘッドの不具合の原因となるインク充填不良を解消したインク充填装置及びその方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の課題を解決するために、マニホールドに充填したインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドと、前記ノズルから滴り落ちたインクを受ける材料吸引ブロックと、前記インクジェットヘッドにインクを供給する材料タンクと、前記マニホールドから溢れたインクを再利用のために前記材料タンクに送り返す戻りタンクと、吸引ポンプで負圧状態にし前記材料吸引ブロック又は戻りタンクの廃インクを吸引するドレンタンクと、前記インクジェットヘッド、材料吸引ブロック、材料タンク、戻りタンク及びドレンタンクを内部に収容し、真空排気ポンプにより内部を減圧できる真空容器と、大気圧力中に設置され前記材料タンクにインクを補充する外部タンクとからなるインク充填装置の構成とした。

本発明は、大気圧力から充填時圧力まで下げた状態でインクを充填し、その後、塗布時圧力まで復圧させることにより、残留又は発生した気泡を収縮させ、安定した塗布を行うことができる。

また、インクを大気圧力下の外部タンクから減圧下の材料タンクに移してから、インクジェットヘッドに供給するので、水分が減圧気化しても材料タンクにおいて気泡が除去され、管路内で気泡が発生するのを防止することができる。

残留気泡を除去するためにインクの充填作業を繰り返し実施する必要はないので、無駄に消費するインクの量が大幅に低減される。

本発明は、大気圧より低い圧力雰囲気において基板上に薄膜を塗布する際に、インクジェットヘッドの不具合の原因となるインク充填不良を解消するという目的を、真空容器内を大気圧力から充填時圧力まで減圧し、外部タンクから材料タンクにインクを移してインク含有水分を減圧気化させて除去した上で、前記材料タンクからインクジェットヘッドにインクを供給した後、真空容器内を充填時圧力から塗布時圧力まで復圧してインク残留気泡を縮小させることにより実現した。

以下に、添付図面に基づいて、本発明であるインク充填装置について詳細に説明する。図１は、本発明であるインク充填装置の図である。

インク充填装置１は、インクジェットヘッド２、材料吸引ブロック３、ドレンタンク４、吸引ポンプ５、材料タンク６、外部タンク７、戻りタンク８、真空容器９、真空排気ポンプ１０、加圧源１１、圧力調整器１２、圧力調整器１３、及び圧力調整器１４等からなる。

尚、インクジェットヘッド２、材料吸引ブロック３、ドレンタンク４、材料タンク６、及び戻りタンク８等は、真空容器９内に設置され、真空排気ポンプ１０により減圧することが可能である。

インクジェットヘッド２は、マニホールド２ａ、ノズル２ｂ、供給口２ｃ、及び出口２ｄ等からなる。

マニホールド２ａは、インクジェットヘッド２内に設けられた横長の空間であり、一端がインクの供給口２ｃであり、他端が出口２ｄである。また、下側はインクの吐出口であるノズル２ｂに繋がる。

ノズル２ｂは、マニホールド２ａから複数の通路に分岐され、圧電効果を利用してインクの吸入及び吐出を行う。

供給口２ｃは、材料タンク６からインクが流入される部分である。出口２ｄは、マニホールド２ａが充填されて溢れたインクが出る部分であり、余分なインクは戻りタンク８に送られる。

材料吸引ブロック３は、マニホールド２ａ内のインクをノズル２ｂに充填するために、ノズル２ｂの下側からインクを吸引する。また、吸引に際して、ノズル２ｂから垂れたインクを受け止め、廃インクとしてドレンタンク４に送る。

ドレンタンク４は、材料吸引ブロック３及び戻りタンク８の廃インクを溜める槽である。吸引ポンプ５で槽内を負圧にすることで、廃インクを槽内に吸引する。

材料タンク６は、インクジェットヘッド２に供給するインクを溜める槽であり、真空容器９外の外部タンク７から適宜補充する。

戻りタンク８は、マニホールド２ａかた溢れたインクを材料タンク６に戻して再利用するための槽である。尚、再利用できないインクについては、廃インクとしてドレンタンク４に送る。

外部タンク７は、材料タンク６に補充するインクを溜める槽である。真空容器９の減圧による影響及び作業効率を考慮したものである。

加圧源１１は、外部タンク７、材料タンク６、及び戻りタンク８に圧力を加えるものであり、圧力調整器１２〜１４を介すことで、それぞれに加える圧力の大きさを変えることができる。

即ち、外部タンク７に加える圧力は、圧力調整器１２により調整され、材料タンク６に加える圧力は、圧力調整器１３により調整され、戻りタンク８に加える圧力は、圧力調整器１４により調整される。

インク及び気体の流れは、各流体の管路に設けた弁の開閉により制御される。尚、弁には、管路の断面積を変化させて流れる流体の量を制限することのできる絞り弁を組み合わせるものもある。

アウトレット弁２ｅは、インクジェットヘッド２の出口２ｄと戻りタンク８を繋ぐ管路に設けられ、インクジェットヘッド２から戻りタンク８へのインクの流れを制御する弁である。

材料吸引弁３ａは、材料吸引ブロック３とドレンタンク４を繋ぐ管路に設けられ、材料吸引ブロック３からドレンタンク４への廃インクの流れを制御する弁である。

吸引弁４ａは、ドレンタンク４と吸引ポンプ５を繋ぐ管路に設けられ、ドレンタンク４から吸引ポンプ５への気体の流れを制御する弁である。

ドレンタンク開放弁４ｂは、ドレンタンク４と吸引ポンプ５を繋ぐ管路から分岐して真空容器９内に抜ける管路に設けられ、真空容器９内からドレンタンク４への気体の流れを制御する弁である。

外部供給弁７ａは、外部タンク７と材料タンク６を繋ぐ管路に設けられ、外部タンク７から材料タンク６へのインクの流れを制御する弁である。

戻り弁８ａは、戻りタンク８と材料タンク６を繋ぐ管路に設けられ、戻りタンク８から材料タンク６への再利用インクの流れを制御する弁である。

ドレン弁８ｂは、戻りタンク８とドレンタンク４を繋ぐ管路に設けられ、戻りタンク８からドレンタンク４への廃インクの流れを制御する弁である。

排気弁９ａは、真空容器９と真空排気ポンプ１０を繋ぐ管路に設けられ、真空容器９から真空排気ポンプ１０への気体の流れを制御する弁である。

リーク弁９ｂは、真空容器９と真空排気ポンプ１０を繋ぐ管路から分岐して外部に抜ける管路に設けられ、外部から真空容器９への外気の流れを制御する弁である。

圧力調整器１３と材料タンク６を繋ぐ管路には、真空容器９外に材料タンク加圧弁１３ａが設けられ、真空容器９内に材料タンク加圧開放弁１３ｃが設けられる。

また、材料タンク加圧弁１３ａの材料タンク６側においては、管路が分岐し、材料タンク外部開放弁１３ｂが設けられる。

材料タンク加圧開放弁１３ｃの材料タンク６側においては、管路が３分岐し、一の分岐には材料タンク開放弁１３ｄが設けられ、他の分岐には材料タンク絞り開放弁１３ｅが設けられる。

材料タンク加圧弁１３ａは、圧力調整器１３から材料タンク６への気体の流れを制御する弁であり、絞り弁により流れる気体の量を調整することができる。

材料タンク外部開放弁１３ｂは、材料タンク６から外部への気体の流れを制御する弁であり、絞り弁により流れる気体の量を調整することができる。

材料タンク加圧開放弁１３ｃは、材料タンク６から材料タンク外部開放弁１３ｂへの気体の流れを制御する弁である。

材料タンク開放弁１３ｄは、材料タンク６から真空容器９内への気体の流れを制御する弁である。

材料タンク絞り開放弁１３ｅは、材料タンク６から真空容器９内への気体の流れを制御する弁であり、絞り弁により流れる気体の量を調整することができる。

圧力調整器１４と戻りタンク８を繋ぐ管路には、真空容器９外に戻りタンク加圧弁１４ａが設けられる。

また、戻りタンク加圧開放弁１４ｂの戻りタンク８側においては、管路が３分岐し、真空容器９外に戻りタンク加圧開放弁１４ｂが設けられ、真空容器９内に戻りタンク開放弁１４ｃが設けられる。

戻りタンク加圧弁１４ａは、圧力調整器１４から戻りタンク８への気体の流れを制御する弁であり、絞り弁により流れる気体の量を調整することができる。

戻りタンク加圧開放弁１４ｂは、戻りタンク８から外部への気体の流れを制御する弁であり、絞り弁により流れる気体の量を調整することができる。

戻りタンク開放弁１４ｃは、戻りタンク８から真空容器９内への気体の流れを制御する弁である。

図２は、本発明であるインク充填装置を用いた充填方法による充填状態を示すグラフである。図３は、本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空排気を示す図である。図４は、本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空脱泡を示す図である。図５は、本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における材料一括充填を示す図である。図６は、本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空リーク昇圧を示す図である。

インク充填方法は、真空排気１７ａ、真空脱泡１７ｂ、材料一括充填１７ｃ、真空リーク昇圧１７ｄ、及び塗布動作１７ｅ等の工程からなり、インク充填装置１は、真空排気１７ａ、真空脱泡１７ｂ、材料一括充填１７ｃ、真空リーク昇圧１７ｄ、及び塗布動作１７ｅ等の手段を備える。

初期状態においては、真空容器圧力１５は大気圧力１６であり、インクジェットヘッド２及び材料タンク６にはインクが入っていない状態である。

また、材料タンク開放弁１３ｄ、アウトレット弁２ｅ、戻りタンク開放弁１４ｃ、及びドレンタンク開放弁４ｂは開放し、その他の弁は閉じる。排気開始１７により真空排気１７ａの工程を始める。

真空排気１７ａの工程では、真空容器圧力１５を大気圧力１６から充填時圧力１６ｂまで下げる。リーク弁９ｂを閉じ、排気弁９ａを開けて、真空排気ポンプ１０で真空容器９内を減圧する。

インク材料が有機溶媒系材料であって、溶媒の飽和蒸気圧が水に比べて十分に高く、水の含有が好ましくない材料（例えば、液晶表示素子の製造において配向膜として使われるポリイミド系材料など）の場合、周囲及びインク材料温度における水の飽和蒸気圧力を下回っている状態が好ましい。

具体的には、周囲及びインク材料温度が２４℃とすると、水の飽和蒸気圧力が約−０．０８ＭＰａであるので、塗布時圧力１６ａを約−０．０７ＭＰａとすると、充填時圧力１６ｂは約−０．０９ＭＰａとするのが良い。

真空脱泡１７ｂの工程では、大気圧力１６下の外部タンク７から充填時圧力１６ｂ下の材料タンク６にインクを補充する。

外部タンク７は、圧力調整器１２で調圧された加圧空気により加圧されているので、外部供給弁７ａを開けることで、外部タンク７から押し出されたインクが、材料タンク６に送り込まれる。

供給されたインクは充填時圧力１６ｂの雰囲気下に置かれ、含有する水分が減圧沸騰により気化して気泡を生じる場合もあるが、材料タンク６において気泡は放出されるので、インク中に残存することはない。

材料タンク６のインクが所要の量となったら、外部供給弁７ａを閉じる。尚、発生した気泡により真空容器９内の圧力が変動したら、排気弁９ａ又はリーク弁９ｂにより圧力を調整する。

材料一括充填１７ｃの工程では、充填時圧力１６ｂ下で、材料タンク６からインクジェットヘッド２にインクを供給する。

材料タンク開放弁１３ｄを閉じ、材料タンク加圧弁１３ａを開けてから、材料タンク加圧開放弁１３ｃを開け、圧力調整器１３の加圧空気により材料タンク６を加圧する。尚、材料タンク加圧弁１３ａの絞り弁により加圧を調整する。

インクは材料タンク６からインクジェットヘッド２の供給口２ｃからマニホールド２ａ内に送られる。

アウトレット弁２ｅは、マニホールド２ａ内のインクの充填率を上げるために開放されており、マニホールド２ａ内が一杯になると、インクは出口２ｄから押し出されて、戻りタンク８に送られる。

同時に、マニホールド２ａ内のインクはノズル２ｂにも流入し、ノズル２ｂから噴出したインクについては、材料吸引ブロック３で受け止める。

ノズル２ｂにもインクが通ったら、材料タンク加圧開放弁１３ｃを閉じ、材料タンク開放弁１３ｄを開放して、材料タンク６の圧力を真空容器９内の雰囲気圧力に戻す。

ドレンタンク開放弁４ｂを閉じ、吸引弁４ａを開き、吸引ポンプ５でドレンタンク４内を負圧にした状態で、材料吸引弁３ａを開放すれば、材料吸引ブロック３の廃インクをドレンタンク４に吸い込むことができる。

続いて、材料タンク開放弁１３ｄ及びアウトレット弁２ｅを閉じて、材料タンク加圧弁１３ａを閉じ、材料タンク外部開放弁１３ｂを開放した後、材料タンク加圧開放弁１３ｃを開放することで、インクがノズル２ｂから染み滴る程度の加圧を行う。

次に、材料タンク加圧開放弁１３ｃを閉じ、材料タンク絞り開放弁１３ｅを開放して、真空容器９の雰囲気圧力に到達したら、材料タンク開放弁１３ｄを開放してインクの充填が完了する。

材料タンク６の圧力は、１秒程度で真空容器９の雰囲気圧力との差圧が０．０１ＭＰａ前後となるよう、材料タンク外部開放弁１３ｂの絞り弁の開度を調整する。また、材料タンク６の雰囲気圧力への復圧が徐々に行われるように、材料タンク絞り開放弁１３ｅの開度を調整する。

ドレン弁８ｂ、アウトレット弁２ｅ及び戻りタンク開放弁１４ｃを閉じ、戻り弁８ａを開放した後、戻りタンク加圧開放弁１４ｂを開放し、戻りタンク加圧開放弁１４ｂの絞り弁で空気量を調整しながら戻りタンク８を加圧してインクを材料タンク６に戻すことにより、再利用することができる。

また、真空容器９内が大気圧力雰囲気中の場合は、戻りタンク加圧弁１４ａを開放し、圧力調整器１４で調圧された加圧空気を、戻りタンク加圧弁１４ａの絞り弁で調整しながら戻りタンク８を加圧してインクを材料タンク６に戻す

尚、戻りタンク８に残った廃インクは、ドレン弁８ｂを開放してドレンタンク４に送ることができる。

真空リーク昇圧１７ｄの工程では、真空容器圧力１５を充填時圧力１６ｂから塗布時圧力１６ａまで復圧する。

塗布時圧力１６ａまでの復圧レートは、例えば０．０１ＭＰａ／分程度でゆっくり行うことが望ましい。減圧状態を真空に近い状態から少し緩めることで、インク内の残留気泡２ｆが圧力により縮小し、管路を塞いでしまうのを防止することができる。

塗布動作１７ｅの工程では、塗布時圧力１６ａ下で、インクジェットヘッド２から基板にインクを塗布する。

本発明であるインク充填装置の図である。 本発明であるインク充填装置を用いた充填方法による充填状態を示すグラフである。 本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空排気を示す図である。 本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空脱泡を示す図である。 本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における材料一括充填を示す図である。 本発明であるインク充填装置を用いた充填方法における真空リーク昇圧を示す図である。 従来のインク充填装置の図である。 従来のインク充填装置による充填状態を示すグラフである。

符号の説明

１ インク充填装置
２ インクジェットヘッド
２ａ マニホールド
２ｂ ノズル
２ｃ 供給口
２ｄ 出口
２ｅ アウトレット弁
２ｆ 残留気泡
３ 材料吸引ブロック
３ａ 材料吸引弁
４ ドレンタンク
４ａ 吸引弁
４ｂ ドレンタンク開放弁
５ 吸引ポンプ
６ 材料タンク
７ 外部タンク
７ａ 外部供給弁
８ 戻りタンク
８ａ 戻り弁
８ｂ ドレン弁
９ 真空容器
９ａ 排気弁
９ｂ リーク弁
１０ 真空排気ポンプ
１１ 加圧源
１２ 圧力調整器
１３ 圧力調整器
１３ａ 材料タンク加圧弁
１３ｂ 材料タンク外部開放弁
１３ｃ 材料タンク加圧開放弁
１３ｄ 材料タンク開放弁
１３ｅ 材料タンク絞り開放弁
１４ 圧力調整器
１４ａ 戻りタンク加圧弁
１４ｂ 戻りタンク加圧開放弁
１４ｃ 戻りタンク開放弁
１５ 真空容器圧力
１６ 大気圧力
１６ａ 塗布時圧力
１６ｂ 充填時圧力
１７ 排気開始
１７ａ 真空排気
１７ｂ 真空脱泡
１７ｃ 材料一括充填
１７ｄ 真空リーク昇圧
１７ｅ 塗布動作
１７ｆ 材料充填
１７ｇ ノズル内充填
１８ インク充填装置
１９ 真空容器圧力

Claims (5)

1. マニホールドに充填したインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドと、
   前記ノズルから滴り落ちたインクを受ける材料吸引ブロックと、
   前記インクジェットヘッドにインクを供給する材料タンクと、
   前記マニホールドから溢れたインクを再利用のために前記材料タンクに送り返す戻りタンクと、
   吸引ポンプで負圧状態にし前記材料吸引ブロック又は戻りタンクの廃インクを吸引するドレンタンクと、
   前記インクジェットヘッド、材料吸引ブロック、材料タンク、戻りタンク及びドレンタンクを内部に収容し、真空排気ポンプにより内部を減圧できる真空容器と、
   大気圧力中に設置され前記材料タンクにインクを補充する外部タンクとからなることを特徴とするインク充填装置。
2. 真空容器内を大気圧力から充填時圧力まで減圧し、
   外部タンクから材料タンクにインクを移してインク含有水分を減圧気化させて除去した上で、
   前記材料タンクからインクジェットヘッドにインクを供給した後、
   真空容器内を充填時圧力から塗布時圧力まで復圧することにより、
   インク残留気泡を縮小させることを特徴とする請求項１に記載のインク充填装置。
3. 材料タンク内のインクから気泡が発生した際に、真空容器内の圧力に復圧させるために、材料タンク絞り開放弁の絞り弁で調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインク充填装置。
4. 材料タンクにインクを戻すために戻りタンクを加圧する加圧空気の量を、戻りタンク加圧弁又は戻りタンク加圧開放弁の絞り弁で調整することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のインク充填装置。
5. 請求項１乃至請求項４に記載のインク充填装置を用いてインクを充填することを特徴とするインク充填方法。

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