JP2009078248A - インクジェット印刷装置及びこれを用いたカラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡単に省スペースで、メニスカスの破壊及びエアー噛み込みにより生じる色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を防止し、かつ、生産性の良好なパターン形成方法及びカラーフィルタの製造方法を提供することができる。
【解決手段】
インク供給タンクに接続された単数もしくは複数のインク通路の内部に圧電素子を持ったインクジェットヘッドを設け、このインクジェットヘッドのノズルからインクを吐出させて印字する装置において、ポンプとインクジェットヘッドとの間に柔軟性のある緩衝材を有し、圧力の大きなブレをこの緩衝材が吸収することでインク供給タンクからインクを介してノズルに負荷されるインク圧力のばらつきによるメニスカスの破壊及びエアー噛み込みにより生じる色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を防止し、かつ、生産性の良好なパターン形成方法及びカラーフィルタの製造することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット印刷装置を用いた印刷物の製造方法及びパターン形成方法に関する。印刷物はインクジェット印刷装置を用いてパターン形成するものである。例えば、有機エレクトロルミネセンス素子（以下、有機ＥＬ素子）が例示でき、この有機ＥＬ素子の有機発光層をインクジェット印刷装置等により形成する。また、印刷物としてカラーフィルタも例示でき、この着色層をインクジェット印刷装置により形成する。また、この外、回路基板、薄膜トランジスタ、マイクロレンズ、バイオチップ等を印刷物として例示することができる。

従来から、塗工装置の液供給装置は、紙、建築材料、半導体、光学部材、液晶部材をはじめとした幅広い分野でそれぞれの用途に応じた各種の方式のものが使用されている。

中でも、半導体や液晶部材等のエレクトロニクス分野においては、塗膜の品質、例えば表面の平滑性や膜厚の均一性等に対する要求が厳しく、しかも年々その要求水準は高くなるばかりであり、これに対応して液供給装置にも精密な制御を行なうことが求められるようになっている。

上記したような塗膜に高い品質が求められる分野で使用される液供給装置は、精密吐出制御を実現するために、配管内部にシリンダー、定流量ポンプや弁などを備えるのが一般的である（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１では、半導体製造に用いるフォトレジストのスピンコータの配管内にシリンダーを設置して、フォトレジストの量を制御する方法が提案されている。特許文献２では、インクジェットヘッドを備えたインクジェット印刷装置において、ダイヤフラムによりインキの量を制御する方法が提案されている。また、特許文献３では、プラズマパネルディスプレイの蛍光体ペーストの塗工装置において、ポンプや弁で蛍光体ペーストの吐出量を制御する方法が提案されている。

カラー液晶ディスプレイは、時計・カメラ等の小面積のものから、コンピューター端末表示装置・テレビ画像表示装置などの大面積のものまで広く使用されており、近年では大面積の用途を中心としてカラー表示化が急速に進んでいる。カラーフィルタは液晶ディスプレイのカラー表示化には必要不可欠で、カラー液晶ディスプレイの性能を決める重要な部品であり、高精細な画像を表示するために様々な形に細かくパターンニングされたものが用いられている。

また、例えば液晶表示装置用カラーフィルタの製造には、フォトレジスト材を用いたフォトリソグラフィー法が採用されているが、画素材料である前記フォトレジスト材の大部分をスピンコートの時点で捨てることとなり、このフォトレジスト材の経済的な使用が図れないという問題がある。また、色毎に露光・現像などの工程を経ることから全体としての作業効率が低いとともに、露光装置、現像装置などの高価な光学機器を要しており、これによってコストを引き下げることが出来ないという問題もある。

このような背景から、特に近年カラーフィルタの着色層をインクジェット法で形成することが盛んに試みられている。インクジェット法によりカラーフィルタを形成する際、一般にＲＧＢの３色のインクを吐出することで着色を行ってカラーフィルタを形成する。

このインクジェット法では、通常各ノズルより数ピコリットルの着色液滴を画素内に射出する事で画素の色を形成する。この着色液滴の量により画素内の色度は決定する為、着色液滴の射出状態に差があればカラーフィルタ基板に色ムラを生じるのみならず、液滴が乱れ、吐出すべき箇所に液滴が吐出されない、または、液滴が全く射出されずに白抜けが発生する事になる。こうした欠陥の大きいカラーフィルタを用いて、例えば液晶パネルを製造した場合、著しく画像品位が低下するという問題があった。
そこで、インクジェット法を用いたカラーフィルタの製造方法においては、画像品位の高い液晶パネルを提供するため、液滴の射出状態を安定化させる事が必要であった。

ところで、インクジェット法でカラーフィルタを製造する場合、ピエゾ型マルチノズルヘッドで顔料インクを長時間連続吐出する方法が一般的である。しかし、従来提案されてきたインク供給タンクからインクを供給する方式では、インク供給タンクからインクを通じてノズルに付加されるインク圧力にばらつきが生じ、このばらつきによってインク吐出量、速度、タイミング等が変化し、色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥の発生原因となっていた。この問題を解決するため、ピエゾ素子の吐出圧力や吐出体積を制御し色ムラを低減しようとする方法が知られている（特許文献４〜６）。しかし、いずれの方法を用いてもインク供給タンクからインクを通じてノズルに負荷されるインク圧力のばらつきを完全に制御できるものではなく、またこのインク圧力のばらつきを一様に制御しようとすると生産性に低下する問題が生じていた。
特開平６−３２６０１５号公報 特開平１０−５２９２３号公報 特開平１１−３３３３５２号公報 特開平１０−３６７２９号公報 特開平１０−３９１３０号公報 特開２００４−５８３００号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、特にカラーフィルタ製造の際に用いるインクジェット印刷装置に於いて、インク供給タンクからインクを介してノズルに負荷されるインク圧力のばらつきによるメニスカスの破壊及びエアー噛み込みにより生じる色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を防止し、かつ、生産性の良好なパターン形成方法及びカラーフィルタの製造方法を提供することである。

ところで本発明者らの検討によると、インクジェット法を用いてカラーフィルタを製造する際にノズルに負荷されるインク圧力を測定しそのばらつき（幅）を求め、このインク圧力のばらつき（幅）と液滴の乱れ・白抜け等の欠陥発生頻度を対比した。するとインク圧力のばらつきが大きくなると、ノズル内インクがメニスカスを保持できなくなり、メニスカスの破壊・エアーの噛み込み等が発生し、これが原因で液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を発生することを見出した。そしてこの欠陥は下記の方法で解消できることを見出した。

請求項１に記載の発明は、少なくともインク供給タンクと、前記インク供給タンクに接続されたポンプと、前記インク供給タンクと前記インクジェットヘッドを前記ポンプを解して接続する単数又は複数のインク通路と、前記インク供給タンクと、前記インク通路を介して接続された複数のインク吐出ノズルから構成されるインクジェットヘッドと、前記インク通路の内部に圧電素子を備えたインクジェット印刷装置において、前記インク通路の少なくとも内部に柔軟性のある緩衝材を有することを特徴とするインクジェット印刷装置である。

請求項２に記載の発明は、前記ポンプが、ダイヤフラムポンプであることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット印刷装置である。

請求項３に記載の発明は、前記ポンプが、プランジャーポンプであることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット印刷装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のインクジェット印刷装置を用いて着色層を形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

インクジェット法を用いたパターン形成方法及びカラーフィルタの製造方法に於いて、インク供給タンクからインクを介してノズルに負荷されるインク圧力のばらつきによるメニスカスの破壊及びエアー噛み込みにより生じる色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を防止し、かつ、生産性の良好なパターン形成方法及びカラーフィルタの製造方法を提供することができた。

本発明に係る印刷物は、表示ディスプレイの表示画面を構成する光学部品として好適に利用できる。光学部品としては、例えば、カラー液晶ディスプレイの表示画面を構成するカラーフィルタが例示でき、インク皮膜は透過光を着色する着色層を構成し、この着色層は前記領域ごとに異なる色彩を有する複数色のものである。
また、光学部品として、有機エレクトロルミネセンス素子を例示することもでき、この場合には、インク皮膜は有機発光材料層を構成する。また、前記領域ごとに異なる色彩を有する複数色の有機発光材料層である。なお、この外、本発明に係る印刷物として、回路基板、薄膜トランジスタ、マイクロレンズ、バイオチップ等を例示することができる。以下ではカラーフィルタの製造方法を例に本発明のパターン形成方法を説明する。

図１を参照して説明する。本発明のインクジェット印刷装置は、少なくともインク供給タンク１と、ポンプ５と、複数のインク吐出ノズルを含むインクジェットヘッド４とを備えている。インク供給タンクとインクジェットヘッド４はインク通路７により接続されている。インクジェットのインク２は、供給タンク１に供給されており、インク通路７を通ってポンプ５の供給源側へと通じる。ポンプ５は、インク供給源側７をインクを強制吸引する吸引側とし、インクジェットヘッド４側を、インクを強制送出する送出側８とする。
インク送出手段にはポンプ５の駆動させるサーボモータ６が接続されていて、このサーボモータの動作によってインクの吐出を正確に行うためのポンプが駆動制御されている。
上記ポンプの一例として、ダイヤフラムポンプ又はプランジャーポンプを挙げることができる。

また、インクジェットヘッド４内部において、インク通路が分流し、インク吐出ノズルに均等にインクが供給される構造となっている。インク吐出ノズル部分のインク通路の内に圧電素子が設けられ、この圧電素子に電圧が印加されることによりインクが吐出される。インク吐出ノズルとポンプと間にインク圧力を検出する圧力センサを備えていて、インク吐出ノズル（圧電素子部分）にかかるインク圧力の負荷が常に測定される。

本発明ではさらに、上記装置内に柔軟性のある緩衝材を有し、圧力の大きなブレをこの緩衝材が吸収することでインク供給タンクからインクを介してノズルに負荷されるインク圧力のばらつきによるメニスカスの破壊及びエアー噛み込みにより生じる色ムラ・液滴の乱れ・白抜け等の欠陥を防止し、かつ、生産性の良好なパターン形成方法及びカラーフィルタの製造することが出来る。

柔軟性のある緩衝材の取り付ける位置は、ポンプとインク吐出ノズルの間であれば、どこでも設置可能である。この際、設置位置により緩衝材の圧の吸収能力は変化するが、メニスカスの破壊及びエアー噛み込みに要する圧を吸収出来さえすればいずれの場所に柔軟性のある緩衝材の取り付けた場合であっても本発明を適用することができる。特にカラーフィルタを製造する場合において、好ましくは、ノズル内部、ノズル直前の配管部及び、分配器中に緩衝材を設けることが好ましい。

また柔軟性のある緩衝材の種類はメニスカスの破壊及びエアー噛み込みに要する圧を吸収出来さえすればどんな種類の柔軟性のある緩衝材の取り付けた場合であっても本発明を適用することができ、例えば柔軟性のある緩衝材としてゴム系のものを装置内に取り付けても良いし、またはインク通路自体に柔軟性のあるチューブ等を使用してもよい。特にカラーフィルタを製造する場合において、好ましくは、シリコーンゴムチューブ・タイガーフロンチューブ等をチューブとして設けることが好ましい。

（装置の詳細な実施形態）
図２には、本発明の実施に使用することができるインキジェット印刷装置および周辺設備の一例の全体図を示す。インキジェット印刷装置は、基板搬送ステージ２０、インキジェットヘッドユニット１４、インキジェットヘッドユニット移動軸４０、メインコントローラ１０、吐出制御部９０で構成されている。インキジェットヘッドユニットは、単一の又は複数のインキジェットヘッドを搭載している。図１には複数のインキジェットヘッドを搭載したインキジェットヘッドユニット１４の例を示す。インキジェットヘッドは、特定の方向に略配列された多数のノズル（図示せず）を備えてなる。
基板搬送ステージ２０には塗工対象となる基板を搭載する。基板としてカラーフィルタ、有機エレクトロルミネセンス素子などの光学素子の他、配線回路基板、バイオチップなど精細なパターンを有する素子等を挙げることができる。基板搬送ステージ２０は、所定の基板搬送ステージ搬送方向１１に沿って移動する。基板搬送ステージ搬送方向１１は主走査方向と平行である。
インキジェットヘッドユニット１４はインキジェットヘッドユニット移動軸４０上を主走査方向に沿って移動する。インキジェットヘッドユニット移動軸４０は、インキジェットヘッドユニットの走査方向１１と直交している。インキジェットヘッドユニットは、このインキジェットヘッドユニット移動軸に沿って副走査される。
以下、インキジェットヘッドユニットが副走査される方向を第１の方向とし、インキジェットヘッドユニットが主走査の方向を第２の方向とする。
基板搬送ステージ２０は、基板１０を固定するための真空吸着穴を備え、基板表面より突出するものなく基板を固定することができる。これによって、基板１とインキジェットヘッド１３のギャップを極小に近づけられる。
吐出制御部９０には、インキジェットヘッドユニット移動の軌跡の直線性の測定値を記憶する記憶部（図示しない）が内蔵されている。
これによって、インキジェットヘッドユニットの第１の方向軸上の任意の位置での直線性を把握することができ、仮にインキジェットヘッドユニット１４が所望の位置において、第１の方向軸に対し直線でないとしても、その位置での直線性（ズレ）に応じてノズルの吐出タイミングを変えることで、塗工精度を補正することができる。

図３には、上記インキジェットヘッドユニット１４およびその周辺機構図の詳細を示す。
インキジェットヘッドユニット１４は複数のインキジェットヘッドを備えている。インキジェットヘッドは、インキを吐出する複数のノズルを備えている。このノズルは、第１の方向に沿った位置が、所定の等間隔になるように配置する。
インキジェットヘッドの配向が所定の向きからずれることをインキジェットヘッドの回転ズレという。このため、インキジェット塗工装置は回転方向（以下、θ方向ともいう）のズレを補正するためのθ調整機構１５を備えている。θ調整機構１５により、インキジェットヘッドユニットが複数のインキジェットヘッドを搭載する際、当該複数のインキジェットヘッドの全体の大まかな方向を調整することができる。
図２にはこのインキジェットヘッドの回転ズレを検出するための検出手段（倒立顕微鏡７）が２つ示されている。また、インキジェットヘッドが傾き、上下方向（第３の方向）のズレが生じる場合がある。この第３の方向のずれを修正するため、ギャップ調整機構（図示せず）を設けることが効果的である。

以下、本発明によるインクジェット印刷装置の実施例を説明する。
（実施例１）
本例では、インク供給タンクと、ポンプと、複数のインク吐出ノズルを含むインクジェットヘッドと、前記インク供給タンクと前記インクジェットヘッドを前記ポンプを解して接続する単数又は複数のインク通路と、前記インク通路の内部に設けられた圧電素子とから構成されるインクジェット印刷装置を用い、このインク通路として、柔軟性のある緩衝材として弾力性があり伸び縮み可能なゴム素材のチューブをポンプとインク吐出ノズルの間の一部分のみ設けて使用した。このインクジェット印刷装置を用いて、カラーフィルタを作製した場合、ノズル穴のインクのメニスカスは安定し、白抜けは全く無く、ムラも無いサンプルが作製できた。またその後のノズル内部のエアー状態を確認したところ、エアーは全く発生しなかった。
（比較例１）
本例では、インク供給タンクと、ポンプと、複数のインク吐出ノズルを含むインクジェットヘッドと、前記インク供給タンクと前記インクジェットヘッドを前記ポンプを解して接続する単数又は複数のインク通路と、前記インク通路の内部に設けられた圧電素子とから構成されるインクジェット印刷装置を用い、ここインク通路には柔軟性のある緩衝材を全く使用せず、硬い素材であるＰＦＡのチューブを使用して、カラーフィルタを作製した。するとこのインクジェット印刷装置を用いて製造したカラーフィルタは数十箇所に白抜けが発生しており、基板は目視でスジが多数あるのが発見された。またその後のノズル内部のエアー状態を確認したところ、多数のノズル穴中にエアーが入っていることが確認できた。

インクジェット印刷装置の概略図である。 インクジェット印刷装置の概略図である。 インクジェット印刷装置の概略図である。

符号の説明

１・・・インク供給タンク
２・・・インク
３・・・圧力センサ
４・・・インクジェットヘッド
５・・・ダイヤフラムポンプ
６・・・サーボモータ
７・・・吸引側の管路
８・・・送出側の管路

Claims (4)

1. 少なくともインク供給タンクと、
   前記インク供給タンクに接続されたポンプと、
   前記インク供給タンクと前記インクジェットヘッドを前記ポンプを解して接続する単数又は複数のインク通路と、
   前記インク供給タンクと、前記インク通路を介して接続された複数のインク吐出ノズルから構成されるインクジェットヘッドと、
   前記インク通路の内部に圧電素子を備えたインクジェット印刷装置において、前記インク通路の少なくとも内部に柔軟性のある緩衝材を有することを特徴とするインクジェット印刷装置。
2. 前記ポンプが、ダイヤフラムポンプであることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット印刷装置。
3. 前記ポンプが、プランジャーポンプであることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット印刷装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のインクジェット印刷装置を用いて着色層を形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。