JP2010534925A - 熱成形ポリマー基板上に薄膜電子デバイスを形成するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

ポリマー基材の上に電子デバイスを製作するための装置及び方法は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束すること、及び拘束されたポリマー基材を、ポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱することを提供する。拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

Description

本発明は、熱加工可能なインクを用いてポリマー基板の上に電子デバイスを製作するための装置及び方法に関する。

従来の方法による電子デバイスの製作は通常、高解像度フォトリソグラフィプロセスを用いて、多層デバイスを形成することを含む。この高解像度プロセスでは、比較的平らかつ剛性である、基材上の正確な層間アラインメントを実現するための設備にかなり相当額の投資が必要となる。

従来のフォトリソグラフィー技術のプロセス及び要件は、可撓性かつ伸縮性の基材上にデバイスを製作する際、特に基材がポリマーである場合に、成功率が低くなる。薄膜トランジスタのような電子デバイスを可撓性基材の上に製作するには、概して、デバイスの層間において、あまり厳格ではない位置合わせ許容度が必要となる。具体的には、ポリマー基材は、熱加工により、収縮及び／若しくは膨張のような変形を起こしやすく、並びに／又は、水若しくはその他の溶媒を吸収若しくは脱離しやすく、従来の製作技法を用いて層間アラインメントを行うのが困難になる場合がある。

可撓性又は伸縮性である基材上に電子デバイスを形成するのが望ましい。また電子デバイスの製作中に、かなりの程度の変形を起こしやすい低コストのポリマー基材を用いてこのようなデバイスを製作するのも望ましい。本発明はこれらの及び他のニーズを満たす、そして先行技術より優れた他の利点を提供する。

本発明の実施形態は、ポリマー基材の上に１つ又は複数の電子デバイスを製作するための装置及び方法を目的とする。様々な実施形態によれば、本発明の製作法は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱することを含む。この拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

本発明の別の実施形態は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、このポリマー基材が、ポリマー基材のガラス転移温度よりも低温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布することと、熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、ポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成することを含む。

本発明の実施形態は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、拘束されたポリマー基材を、そのポリマーのガラス転移温度よりも低いが、そのガラス転移温度に近い温度まで加熱することとを含む。この温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布する。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、少なくともそのポリマー基材のガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

本発明の別の実施形態によれば、ポリマー基材上に電子デバイスの少なくとも一部を形成するための装置は、ポリマー基材を受容するように設計されたプラテンと、プラテンの上にポリマー基材を拘束するように設計された配置素子を備える。熱源は、拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱するために設けられている。プリンタは、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成するように設計されている。

いくつかの実施形態では、プリンタは、ポリマー基材が、そのポリマー基材のガラス転移温度よりも低い温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布するように設計されている。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、熱源によって、少なくともそのポリマー基材のガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

別の実施形態では、拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材のガラス転移温度よりも低温であるが、そのガラス転移温度に近い温度まで加熱するために、熱源を設けると共に、その温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布するようにプリンタを設計する。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成するために、前記と同じ又は異なる熱源を設ける。

上記の課題を解決するための手段は、本発明の各実施形態又はあらゆる実施の説明を行うことを意図していない。本発明の利点及び効果、並びに本発明に対する一層の理解は、以下に記載する発明を実施するための形態及び特許請求の範囲を、添付図面と併せて参照することによって明らかになり理解し得るであろう。

本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための様々なプロセスを示すフローチャート。 本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための装置の図。 本発明の実施形態による、プラテンの上に拘束されたポリマー基材を加熱するためのプラテンと配置素子の図。 本発明の実施形態による、プラテンの上に拘束されたポリマー基材の熱成形を容易にするプラテンの曲線構造の図。 本発明の実施形態による、プラテンの中に組み込み得る構造化要素、又は機構。 本発明の実施形態による、プラテンの中に組み込み得る構造化要素、又は機構。 本発明の実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図。 本発明の別の実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図。 本発明の更なる実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図。 本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための装置の図。

本発明は様々な変更例及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すと共に詳細に説明する。ただし本発明は記載している特定の実施形態に限定していないことを理解しておく必要がある。逆に、添付の請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更、均等物、及び代替物が含まれることを意図している。

以下に示す実施形態の説明において、本明細書の一部をなすとともに、本発明を実施するための各種の実施形態を示す添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用し得、また構造的変更が行なってもよいことを理解しておくべきである。

本発明は、電子デバイスの製作、更に具体的には、ポリマー基材に塗布した熱加工可能なインクを用いて、そのポリマー基材の上に電子デバイスを形成する製作技法及び装置を目的とする。本発明の実施形態によれば、ポリマー基材を位置的に拘束して、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度であるが、できればその基材の融解温度よりも低い温度まで加熱を施す。位置的に拘束したポリマー基材に、熱加工可能なインクを塗布して、電子デバイス又はその一部を画定する１つ以上の層を形成する。ポリマー基材の上に形成された電子デバイスの層は、例えば、導電層、非導電層、及び半導体層のうちの１つ以上を含み得る。

これに対して、従来の製作技法は通常、ポリマー基材を加熱することが、その基材のガラス転移温度よりも低い温度までに制限される。基材は、ガラス転移温度に到達又は超過すると、通常収縮により変形を起こす。例えば、拘束していないポリマーフィルムを、ガラス転移温度以上の温度まで加熱すると、そのフィルム材料は、熱収縮のために、実質的に非平面になる。

ポリマー基材の変形は、従来の技法を用いて基材上に印刷された第１の層の焼結中に起こるため、第１の層以降の層では、基材の収縮に対応する適切な位置合わせを確実に行うように、位置調整が必要となる。製作段階間に基材に対して行われる位置調整により、位置合わせエラーが生じる。基材の収縮が、Ｘ方向、Ｙ方向の双方において均一でないときには、追加の電子デバイス層を構築するために、加熱済のポリマー基材を適切に再配置して、適切な位置合わせを確実に行うのは、更に複雑である。例えば２軸配向フィルムは、Ｘ方向とＹ方向で異なる収縮を示す。

本発明に従ってポリマー基材を位置的に拘束すると、その位置的に拘束した形体からポリマー基材を除去又は阻害する必要なしに、ポリマー基材上に多数の電子デバイス構造体及び層を形成可能になる。加熱、印刷、焼結、乾燥、及び冷却のプロセスは、例えば、ポリマー基材をプラテンの上に拘束したまま、かつ、前記製作段階の間にプラテンから基材を外さずに実行してよい。

本発明に従ってポリマー基材を位置的に拘束すると、有益なことに、ポリマー基材に、そのポリマー基材のガラス転移温度又はそれ以上の温度のような高温で、熱加工可能なインクを塗布するのが容易になる。このため通常１５５℃未満のガラス転移温度を有する低コストのポリマーフィルムを容易に使用できる。銀ナノ粒子インクのような熱加工可能なインクの焼結は、時間−温度プロセスである。本発明に従って実現可能である加工温度が高いほど、従来の製作アプローチに付随する前記よりも低い加工温度の場合よりもインクが早く焼結される。ポリマー基材のガラス転移温度よりも低温又は高温の様々な加工温度で、熱加工可能なインクをポリマー基材に塗布してよいことを理解すべきである。

続いて図１を参照すると、本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための様々なプロセスのフローチャートが示されている。図１によれば、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束する１１。拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱する１３。拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する１５。本発明の実施形態に従ってポリマー基材を加熱及び拘束すると、プラテンの形を帯びるように、ポリマー基材を熱成形するのが可能になる。このプラテンの形は、平面の曲線形であり得、及び／又は、１つ以上の構造化要素又は機構を含み得る。

ポリマー基材の位置的拘束１１は、真空状態又は静電荷を生み出して、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することを含み得る。ポリマー基材の位置的拘束１１は、ポリマー基材をプラテンの上に機械的に拘束することを含み得る。曲線状のプラテンは、機械的クランプをしやすくするのに特に有益である場合がある。

拘束されたポリマー基材の加熱１３は、拘束されたポリマー基材の赤外線加熱を含んでよい。１つの方法によれば、プラテンの他の部分から断熱された、プラテンの熱吸収構造体の上に、ポリマー基材を位置的に拘束してもよく１１、拘束されたポリマー基材の加熱１３は、プラテンの他の部分が、基材のガラス転移温度よりも低い温度（周囲温度など）である間に、プラテンの熱吸収構造体を、基材の少なくともガラス転移温度まで加熱することを含み得る。別の方法によれば、好適な熱源（例えば、加熱オーブン、又は、一体型の電気若しくは流体加熱素子）を用いて、プラテン構造体を加熱してもよく、このプラテン構造体は、別個又は一体型の熱吸収構造体を含む必要はない。

プラテンからポリマー基材を外すことなく、拘束されたポリマー基材に、１つ以上の追加の熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの１つ以上の追加の層の少なくとも一部を形成し得る。熱加工可能なインクとしてはできれば、導電性粒子又は非導電性粒子を含むインクが挙げられる。例えば、好適な熱加工可能なインクは銀ナノ粒子インクである。ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束したまま、ポリマー基材に塗布した１つ又は複数の熱加工可能なインクに、乾燥プロセスを施してもよい。

本発明の別の実施形態は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、ポリマー基材が、そのポリマー基材のガラス転移温度よりも低い温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布することと、熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱して、基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成することを含む。本発明の更なる実施形態は、ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、拘束されたポリマーを、そのポリマーのガラス転移温度よりも低いが、そのガラス転移温度に近い温度まで加熱することを含む。この温度である間に、拘束されたポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布する。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

図２は、本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための装置の図である。図２に示している装置は、ポリマー基材３０を受容するように設計されたプラテン１２を備える。プラテン１２は実質的に平らであってよい。プラテン１２は、曲線であってもよく、単純曲線又は複素曲線（例えば、１つ又は複数の偏向点）を含んでもよい。プラテン１２は、１つ以上の構造化要素を含んでもよい。プラテン１２の構造化要素としては、電子キーパッド用の機械的触覚機能のような機能を薄膜電子デバイスに付与する非平面形を挙げてよい。あるいは、構造化要素は、静止摩擦を向上させて真空状態の形成を補助するか、又はデバイスのハンドリング若しくはパッケージングを可能にする表面機構で、デバイスを更に加工するのを助けてよい。

配置素子３２は、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に拘束するように設計されている。熱源５０は、拘束されたポリマー基材３０を、そのポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱するように設計されている。プリンタ４０は、拘束されたポリマー基材３０に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成するように設計されている。

いくつかの実施形態では、熱源５０は、拘束されたポリマー基材３０を、ポリマー基材３０のガラス転移温度よりも低い温度まで加熱するように設計されており、プリンタ４０は、この温度である間に、拘束されたポリマー基材３０に熱加工可能なインクを塗布するように設計されている。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材３０を熱源５０（又はその他の熱源）によって、ポリマー基材３０の少なくともガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成する。

別の実施形態では、拘束されたポリマー基材３０を、ポリマー基材３０のガラス転移温度よりも低温であるが、そのガラス転移温度に近い温度まで加熱するために、熱源５０を設けると共に、この温度である間に、拘束されたポリマー基材３０に熱加工可能なインクを塗布するように、プリンタ４０を設計する。熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材３０を、ポリマー基材３０の少なくともガラス転移温度まで加熱して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成するために、前記と同じ又は異なる熱源５０を設ける。

図３は、本発明の実施形態による、プラテン１２の上に拘束したポリマー基材３０を加熱するための配置素子を示している。一般に、図３に示されている配置素子によって、薄膜ポリマー基材を高温まで素早く加熱可能になる一方で、基材の温度が、その基材のガラス転移温度Ｔ_ｇ以上になると、ポリマー基材の形が拘束される。図３の配置素子は、ポリマー基材３０の形を指示及び制御する構造体を提供する。

図３に示されている配置素子によれば、プラテン１２は、ポリマー基材を受容するように設計された熱吸収構造体１０２を支持する。断熱材１０４はできれば、熱吸収構造体１０２とプラテン１２の支持面との間に配置する。断熱材１０４は、ゴム、プラスチックフォーム、セラミック物質、繊維ガラス、又は木材のような様々な断熱材料から形成してよい。プラテン１２は、プラテン１２の熱吸収構造体１０２の上にポリマー基材３０を位置的に拘束するように設計された配置素子３２を更に含む。

図では実質的に平らに示されているが、熱吸収構造体１０２、及びできれば断熱材１０４は、図４Ａに示されているように、曲線（例えば凸状又は凹状）であってもよい。熱吸収構造体１０２及び断熱材１０４に付与される曲線は、単純曲線（例えば、偏向点が１つ）であっても、複素曲線（例えば、偏向点が複数）であってもよい。図４Ｂ及び４Ｃは、１つ以上の構造化要素が組み込まれた熱吸収構造体１０２を示している。図４Ｂに示されている熱吸収構造体１０２には、例えば、上述のように薄膜電子デバイスに機能を付与することのできる一連の窪み又は凹部１０５が組み込まれている。図４Ｃは、例えば、熱成形及びその他の製造プロセス中に、基材の縁を位置的に拘束するのを容易にするか又は強化することのできる溝１０７が組み込まれた熱吸収構造体１０２を示している。

様々な実施形態によれば、熱吸収構造体１０２は、赤外線（ＩＲ）吸収体、又は、低い熱膨張係数を有するその他の熱吸収構造若しくは材料（例えば、カーボンブラックの裏面コーティングを有する石英）を含んでもよい。ポリマー基材３０の熱収縮が最小限になるように、低い熱膨張係数を有する熱吸収材を用いるのが望ましい。例えば、ＩＲエネルギーの吸収を高めるために、断熱材１０４に隣接する、熱吸収構造体１０２の表面を炭素でコーティングしてもよい。断熱材１０４を含めると、熱吸収構造体１０２から離れる方向への熱エネルギーの伝導が軽減される。ＩＲ放射線が存在すると、ポリマー基材材料３０は軟化する。拘束配置素子３２と対向している加熱済ポリマー基材３０に拘束力を加えて、基材３０が、熱吸収構造体１０２の形になるようにする。

この時点で、ポリマー基材材料３０のガラス転移温度Ｔ_ｇを超える温度で、銀ナノ粒子インクのような熱加工可能なインクの赤外線焼結を行うことができる。冷却すると、ポリマー基材材料３０は、熱吸収構造体１０２、及びできれば拘束配置素子３２の形を保持する。図３の実施形態に示されているようなこれらの構造体のいずれも、実質的に滑らかかつ平面であるからである。ポリマー基材３０の非平面区域は、削り取って再利用できる。

図５は、本発明の実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図である。図５に示されている拘束配置素子３２は、多孔質金属（例えばアルミニウム）製プラテン１２を含む。例えばこのプラテン１２は、プラテン１２を貫通するように分布している穴７０又は細穴を含んでよい。穴７０は、プラテン１２の様々な位置に置いてよいが、典型的には、プラテン１２の周辺縁部に近接させて配置する。

真空源７２は、穴７０に流体連結されている。真空源７２が作動すると、穴７０に近接する、プラテン１２の表面で負圧状態が作られる。ポリマー基材３０の一部が穴７０を覆うか、又は穴７０に直接近接するように、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に置くと、負圧状態が、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に位置的に抑える拘束力をもたらす。ポリマー基材３０の加工後、真空装置７２を取り外すか、又は正圧状態を生成して、ポリマー基材３０をプラテン１２から取り外しやすくする。

図６は、本発明の別の実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図である。図６に示されている形体によれば、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に位置的に拘束するのに、静電ピニング配置素子３２が採用されている。図６の拘束配置素子３２は、接地に連結されたプラテン１２と、典型的には電圧制御素子を含む発電機８２に連結された正極８０を備える。

発電機８２によって電極８０と接地プラテン１２との間に電位を加えると静電場が生じ、その静電場の強さは、電圧制御素子によって調整してよい。ポリマー基材３０がプラテン１２の上に置かれていると共に、発電機８２が動作中であるとき、静電場は、プラテン１２とポリマー基材３０との間に表面電荷の格差を生み出す。この表面電荷の格差によって、基材３０をプラテン１２の上に位置的に拘束する引力が生じる。加工後に発電機８２を停止させると、ポリマー基材１２をプラテン１２から外しやすくなる。

図７は、本発明の更なる実施形態による、ポリマー基材をプラテンの上に拘束するための配置素子の図である。図７に示されている形体によれば、機械的拘束配置素子３２は、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に位置的に拘束するのを可能にする。保持装置９０は、保持装置とポリマー基材３０の縁部との間の機械的係合を可能にする。保持装置９０とポリマー基材３０の縁部との間の機械的係合によって、基材３０をプラテン１２に拘束する圧縮力が生じる。

様々な機械的配置素子が考えられる。例えば、保持装置９０は、ポリマー基材３０の多数の周辺縁部の少なくとも一部で係合するように設計された多数の縁部材を含んでよい。いくつかの構成では、保持装置９０の縁部材は、旋回又は回転して、ポリマー基材３０との係合を確立及び解除してよい。別の形体では、保持装置９０の縁部材は、ポリマー基材３０の面と垂直な面内で移動可能であると共に、縁部材を上下させることによってポリマー基材３０を係合してもよい。保持装置９０の移動は、コンピュータで制御しても、手で行ってもよい。個々の縁部材は、相互から独立して移動可能であっても、相互に協働し合って移動可能であってもよい。

図８は、本発明の実施形態による、ポリマー基材の上に電子デバイスを形成するための装置の図である。図８に示されている装置は、プラテン１２と、上記のタイプの拘束配置素子３２とを備える。ポリマー基材３０は、プラテン１２の上に拘束された状態で示されている。プラテン支持体１９は、プラテン１２から延びていると共に、位置決めシステム１６に連結されている。位置決めシステム１６は、プラテン支持体１９の移動、すなわち、図８に示されているようなｘ軸沿い及びｙ軸沿いを含む多数の方向へのプラテン１２の移動を容易にする。

位置決めシステム１６は、電動式のリニア位置決めテーブル１４と、プラテン１２をｘ方向及びｙ方向に移動させるように配列された２つ以上のモーター１８、２０を備え得る。所望に応じて、プラテン１２をｚ方向に移動させるように、その他のモーターも配列してよい。コントローラ２２を備え得る位置決めシステム１６は、できればシステムコントローラ４６に連結する。プラテン１２をｙ軸沿いに移動させるための好適なリニアモーター２０は、トリロジーリニアモーター（Trilogy Linear Motor）のモデルＴ３ＤＳ４３−２ＮＣＪＳである。プラテン１２をｘ軸沿いに移動させるための好適なリニアモーター１８は、トリロジーリニアモーター（Trilogy Linear Motor）のモデルＴ２ＤＳ４３−２ＮＣＪＳである。好適な電動式リニア位置決めテーブル１４は、パーカーディーダル（Parker Daedal）のモデル５０００００ＥＴである。好適な位置決めシステムコントローラ２２は、デルタタウ（Delta Tau）ＵＭＡＣという位置制御装置である。

プリンタ４０は、プラテン１２の上に位置するように示されている。プリンタ４０は、プラテン１２の上に位置的に拘束されたポリマー基材３０に近接して配置されるように示されているプリントヘッド４２を備える。プリンタ４０は、導電性粒子を含むインク、及び非導電性粒子を含むインクのような熱加工可能なインク４４をポリマー基材３０に塗布するように設計されている。好適なプリンタ４０としては、ピエゾ式インクジェットヘッド及び支持電子素子を用いるような様々なインクジェットプリンタが挙げられる。このようなプリンタ４０の１つは、スペクトラ（Spectra）ＳＥ−１２８という噴射アセンブリであり、このアセンブリは、個別にアドレス可能な１２８個のインラインノズルと、３０ピコリットルのインク滴体積を可能にする。

プリントヘッド４２に対してプラテン１２を位置合わせしやすくする１つ以上のカメラによって、位置決めシステム１６を補助してもよい。カメラベースの位置合わせシステムをもたらすように、１つ以上のカメラを配置してもよい。好適な視覚ベースの位置合わせシステムは、ＤＶＴ社（DVT Corporation）から入手可能なレジェンド５３０マシンビジョンセンサーシステム（Legend 530 Machine Vision Sensor System）である。図８に示されている形体では、１つのカメラ６０が、プリントヘッド４２と同じ直線軸上に置かれている。プラテン１２に対して拘束された位置に別のカメラ６２を置いてもよい。

熱源５０は、プリンタ４０に近接して位置する。熱源５０はできれば、（例えば楕円形の反射体を用いて）高強度の赤外線エネルギーを特定の標的区域に集中させることのできるＩＲランプのようなＩＲ熱源である。好適なＩＲ熱源は、ミネソタ州イーデンプレーリー（Eden Prairie）のリサーチ社（Research Inc.）から入手可能なＩＲ５１９４−０４というモデル（１０．２ｃｍ（４インチ）、２０００ Ｗ ＩＲランプ）であり、このＩＲ熱源は、リサーチ社（Research Incorporated）の５４２０ｍａのパワー（Power）コントローラによって作動する。２５４ｎｍの「殺菌用」ＵＶランプのような任意の紫外線ランプ（図示せず）も搭載してよい。

システムコントローラ４６は、プリンタ４０、位置決めシステム１６、及びカメラ６０、６２に通信可能に結合されている。システムコントローラ４６は、本発明に従ってポリマー基材３０の上に電子デバイス構造体を製作するためのプログラム命令を実行する。

例えば、システムコントローラ４６は、ｙ軸沿いのプラテン１２の移動を調整して、プログラム命令に従ってポリマー基材３０をプリンタ４０の下及び熱源５０の下に配置する。好ましい製作方法に従って、ポリマー基材３０をプラテン１２の上に置き、拘束配置素子３２を作動させる。ポリマー基材３０のプラテン１２への着脱は、手で行っても、当該技術分野において既知のようなコンピュータ制御型ピックアンドプレイス装置を用いて行ってもよい。ポリマー基材３０をプラテン１２の上に拘束した状態で、プラテン１２を熱源５０の下で移動させる。

ポリマー基材３０の温度は、できればポリマー基材３０の少なくともガラス転移温度、更にできればポリマー基材３０のＴ_ｇを超える温度まで上昇させる。上述のように、プラテン１２は、プラテン１２の他の部分から断熱された熱吸収構造体を含んでよく、それによって、プラテン１２の他の部分を周囲温度に保ったままで、ポリマー基材３０を所望の加工温度まで急速に加熱可能にできる。ポリマー基材３０を少なくともＴ_ｇまで加熱した後、プラテン１２をプリンタ４０の下に移動させ、拘束されたポリマー基材３０に熱加工可能なインクを塗布して、そのポリマー基材の上に電子デバイスの１つ以上の層の少なくとも一部を形成する。上述のように、Ｔ_ｇよりも低温度（例えばＴ_ｇに近い温度）で加熱しながら、拘束されたポリマー基材３０に熱加工可能なインクを塗布してよく、続いて、熱加工可能なインクを塗布した拘束されたポリマー基材３０を少なくともＴ_ｇで加熱してよい。

図８に示されている装置を制御して、ドロップオンデマンド印刷によって、薄膜電子デバイスコンポーネントを製作するプロセスのサブプロセスを実行してもよい。具体的には、図８の装置を制御して、銀ナノ粒子インクを焼結するなど、熱成形ポリマー基材の上に金属ナノ粒子を焼結して、熱成形ポリマー基材の上に導電性回路を形成するサブプロセスを実行してよい。

図８のシステムを用いて、電子デバイスの各層を画定するパターンで、インクジェットプリントヘッドによって液体を付着させることによって、電子デバイスを製作してもよい。以下の論議では、図８のシステムを用いて、ボトムゲート型及びボトムコンタクト型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構築する実例的なプロセスについて説明する。このシステム及びプロセスを用いて、その他のデバイスを製作してよいこと、並びに説明済みのプロセスの一部を省き、別のプロセスを含み得ることを理解すべきである。下記のプロセスフローでは、全ての材料溶液及び画像ファイルは既に準備されているものと想定される。画像ファイルは、多数のデバイスに必要な機能を含み得る。

この非限定的な実例に従って、溶液から全付加型ＴＦＴを構築するプロセスは、以下を含む。

１．ポリマー基材３０をプラテン１２の上に置く。

２．基材の表面を洗浄する。

３．基材３０の左下角部の位置をカメラ６０と合わせる。

４．ゲート層を付着させる。

４．１．熱源５０及び拘束配置素子３２（真空、静電ピニング、又は機械によるもの）を用いて基材３０を予熱及び熱成形する。

４．２．基材３０の左下角部の位置をカメラ６０と再度合わせる。

４．３．プリンタ４０を用いてゲート層をインクジェット印刷する。

４．４．印刷済画像の全体的寸法を測定して記録する。

４．５．銀（Ａｇ）製ゲート層を乾燥させて焼結する。

５．誘電体層を付着させる。

６．ソース−ドレイン層を付着させる。

７．半導体層を付着させる。

８．基材３０、及び基材の上に形成された電子デバイスをプラテン１２から外す。

図８に示される装置を用いて、下記の複数の実験を実施した。その様々なプロセスについて以下で説明する。実験で用いたポリマー基材は、ＰＥＮ及びＰＥＴフィルムを有していた。実験で用いたＰＥＮフィルムは、帝人デュポンフィルム（Teijin DuPont Films）から入手可能なＰＥＮフィルムＱ６５Ｆ１２７マイクロメートル（５ミル）Ａ５０７２であった。実験で用いたＰＥＴフィルムは、ＰＥＴフィルム−１（５１マイクロメートル（２ミル）のＰＥＴ）及びＰＥＴフィルム−２（１２７マイクロメートル（５ミル）のＳＴ５０４ ＰＥＴ）であった。実験で用いた熱加工可能なインクは、キャボット社（Cabot Corporation）から入手可能な銀インクＡＧ−ＩＪ−Ｇ−１００−Ｓ１であった。

プラテン１２は、図３に示されている構成のもので、カーボンブラックの裏面コーティング及び断熱材（例えばマツ材）を有する石英ガラスプレートを有していた。真空状態を利用して基材を拘束しやすくするために、多孔質アルミニウム製プラテン１２を構築した。ポリマー基材３０をプラテン１２上に配置し、真空状態を作り出して、基材３０をプラテン１２上に位置的に拘束した。ＩＲランプ５０を用いて、５．１ｃｍ（２インチ）／秒、１００％の出力で４回通過させることによって（１回の通過で２．５４ｃｍ（１インチ）前進）、基材３０のガラス転移温度又はガラス転移温度を超える温度まで、基材３０を加熱した。

拘束された基材３０をプリンタ４０の下に移動させた。以下の設定を用いて、基材３０の上に画像を印刷した。

ｉ）水平ピクセル増分１１、又はサーベル角５．１９度
ｉｉ）パルス振幅１００Ｖ
ｉｉｉ）ファイヤーパルス幅５μ秒
ｉｖ）上下時間１．５μ秒
ｖ）速度５．１ｃｍ（２インチ）／秒
ｖｉ）加速度１０．２ｃｍ（４インチ）／秒＾２
ｖｉｉ）メニスカス真空度１２．７〜１５．２ｃｍ（５〜６インチ）Ｈ２０
印刷後、ＩＲランプ５０を用いて、５．１ｃｍ（２インチ）／秒、１００％の出力で８回通過させることによって（１回の通過で１．３ｃｍ（１／２インチ）前進）、銀ナノ粒子インクを焼結した。焼結に続いて、目視検査に備えて、かつ印刷済画像の電気的性質を測定するために、基材３０をプラテン１２から外した。

ＰＥＮ、ＰＥＴフィルム−１、及びＰＥＴフィルム−２の基材３０を用いた実験では、基材３０がプラテン１２の形になり、銀インクが完全に乾いたことが示された。電気計測によって、印刷された構造体の非常に良好な電気的特性が明らかになった。

本発明に従って薄膜ポリマー基材の上に電子デバイスを製作することで、従来の製作方法を上回るいくつかの利点がもたらされる。例えば、平面（平ら又は曲線状の表面）にポリマー基材を熱成形することによって、基材のガラス転移温度を超えるプロセス温度を用いて、銀ナノ粒子インクのような熱加工可能なインクを焼結することが可能になる。ＩＲ放射線によって素早く加熱できるプラテン又は金型を用いることによって、実質的に、従来よりも短い硬化時間を得られる。従来よりも高いプロセス温度（例えばポリマー基材のＴ_ｇ、又はＴ_ｇを超える温度）で、インクが湿った青色フィルムから乾いた銀色フィルムに変質するときに、従来よりも高い導電性を実現できる。基材は、例えばプラテンの石英シートに熱成形するため、基材の収縮が軽減される。基材は、加工段階間でプラテンから外す必要がなく、それゆえ従来の製作方法に関連する再度のアラインメントによるエラーが軽減又は排除される。

本発明の様々な実施形態の上述の説明を例証及び説明を目的として提示してきた。これまでの記述は、包括的であることも、開示されたそのままの形態に本発明を限定することも意図しない。以上の教示を考慮すれば、多くの修正形態及び変形形態が可能である。例えば本発明の実施形態は、多種多様な用途で実行してよい。本発明の範囲は、この発明を実施するための形態ではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。

Claims (24)

1. ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、
   拘束された前記ポリマー基材を、前記ポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱することと、
   拘束された前記ポリマー基材に、熱加工可能なインクを塗布して、前記ポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成すること、を含む、方法。
2. 前記ポリマー基材を位置的に拘束することが、真空状態又は静電荷を生み出して、前記ポリマー基材を前記プラテンの上に位置的に拘束すること、又は前記ポリマー基材を前記プラテン上に機械的に拘束すること含む、請求項１に記載の方法。
3. 拘束された前記ポリマー基材を加熱することが、拘束された前記ポリマー基材を赤外線加熱することである、請求項１に記載の方法。
4. 前記プラテンの他部分から断熱されている、前記プラテンの熱吸収構造体の上に、前記ポリマー基材を位置的に拘束すると共に、拘束された前記ポリマー基材を加熱することが、前記プラテンの前記他の部分が前記ガラス転移温度よりも低い温度である間に、前記プラテンの前記熱吸収構造体を、少なくとも前記ガラス転移温度まで加熱することである、請求項１に記載の方法。
5. 前記ポリマー基材を拘束すること及び加熱することが、前記ポリマー基材を熱成形して、前記のプラテンの形にすることである、請求項１に記載の方法。
6. 熱加工可能な前記インクが導電性粒子又は非導電性粒子である、請求項１に記載の方法。
7. 熱加工可能な前記インクが銀ナノ粒子インクである、請求項１に記載の方法。
8. 前記プラテンから前記ポリマー基材を外すことなく、拘束された前記ポリマー基材に、１つ以上の追加の熱加工可能なインクを塗布して、前記ポリマー基材の上に前記電子デバイスの１つ以上の追加の層の少なくとも一部を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 拘束された前記ポリマー基材に、１つ以上の追加の熱加工可能なインクを塗布して、前記ポリマー基材の上に前記電子デバイスの１つ以上の追加の層の少なくとも一部を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ポリマー基材の上に形成された前記電子デバイスの層が、導電層、非導電層、及び半導体層のうちの少なくとも２つを含む、請求項１１に記載の方法。
11. ポリマー基材上に電子デバイスの少なくとも一部を形成するための装置であって、
    前記ポリマー基材を受容するように設計されたプラテンと、
    前記ポリマー基材を前記プラテンの上に拘束するように設計された配置素子と、
    拘束された前記ポリマー基材を、前記ポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱するように設計された熱源と、
    拘束された前記ポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布して、前記ポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成するように設計されたプリンタを備える、装置。
12. 拘束する前記配置素子が前記プラテンに流体連結された真空源である、請求項１１に記載の装置。
13. 拘束する前記配置素子が静電ピニング配置素子である、請求項１１に記載の装置。
14. 拘束する前記配置素子が前記ポリマー基材を前記プラテンの上に位置的に拘束するように設計された機械的配置素子である、請求項１１に記載の装置。
15. 前記熱源が赤外線熱源である、請求項１１に記載の装置。
16. 前記プリンタがインクジェットプリンタである、請求項１１に記載の装置。
17. 前記プラテンが、第１の表面と第２の表面とを有する熱吸収材であって、前記熱吸収材の前記第１の表面が、前記ポリマー基材を受容するように設計された熱吸収材と、
    第１の表面と第２の表面とを有する断熱材であって、前記断熱材の前記第１の表面が、前記熱吸収材の前記第２の表面と面接触する断熱材と、を含む、請求項１１に記載の装置。
18. 前記熱吸収材が赤外線熱吸収材である、請求項１７に記載の装置。
19. 前記プラテンが、実質的に平面であり、又は曲線を含むことを含む、請求項１１に記載の装置。
20. 前記プラテンが１つ以上の構造化素子を含む、請求項１１に記載の装置。
21. 熱加工可能な前記インクが導電性粒子又は非導電性粒子である、請求項１１に記載の装置。
22. 熱加工可能な前記インクが銀ナノ粒子インクである、請求項１１に記載の装置。
23. ポリマー基材をプラテンの上に位置的に拘束することと、
    拘束された前記ポリマー基材に熱加工可能なインクを塗布することと、
    熱加工可能な前記インクが塗布されている拘束された前記ポリマー基材を、前記ポリマー基材の少なくともガラス転移温度まで加熱して、前記ポリマー基材の上に電子デバイスの層の少なくとも一部を形成することを含む、方法。
24. 熱加工可能な前記インクを、前記ポリマー基材のガラス転移温度よりも低温であり、ガラス転移温度に近い温度で、拘束された前記ポリマー基材に塗布する、請求項２３に記載の方法。

Images