JP2012504333A - 薄膜表面上の物質パターンを硬化せしめる装置及び方法 - Google Patents

Abstract

薄膜（２１０）の表面に設けられた物質パターンを硬化せしめる装置（２２０）が記述されている。該装置は：− 薄膜（２１０）を目的平面（Ｏ）内で輸送するための搬送手段（２３６，２３８）と、− 該目的平面の第１の側に配置され、前記薄膜が透明であるような波長領域の光子線を放射する光子放射源（２４０）と、− 光子放射源から目的平面中に放射される光子線をマッピングするために目的平面（Ｏ）の互に相反する側に配置された第１及び第２の凹面をなす反射面（２５２，２５４）と、を含んで構成される。該装置内で、光子放射源（２４０）は、第１の凹面をなす反射面と目的平面の間に配置されている。光子放射源から放射された光子線は、第１及び第２の凹面をなす反射面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４；３５２，３５４）によって目的平面中に集束される。
【選択図】 図面１

Description

本発明は、薄膜表面上の物質パターンを硬化せしめる装置に関する。
本発明はさらに、薄膜表面上の物質パターンを硬化せしめる方法に関する。

ＰＥＮやＰＥＴのような可撓性の基板上で導電性インクのような物質を硬化せしめる（あるいは焼結させる）ことは、該物質の硬化温度が比較的高く、しばしばポリマー系の基板に適合しないため、しばしば困難である。その結果、未硬化のインクの線を、ポリマー系基板を変形させることなく硬化させて導電性トラックとする有効な（良好な導電性を損なわず、迅速に、低コストで、かつ大面積に適合した）方法を見出すことは難しい。
特許文献１には、金属ナノインクを施された基板がコンベアーに導かれてストロボライト・ヘッドの下を通る光子硬化システムが記述されている。ナノインクは、粒径がナノメーター単位の金属微粒子の油中または水中分散物を含んで成る。これら微粒子に使用される金属は、導電性が高く容易に酸化されないという理由により銀が普通であるが、銅のような他の金属も使用可能である。粒径がナノメーター単位の微粒子を使用することにより、形成される導電性パターンの高い解像度を実現することができる。ストロボライト・ヘッドは、キセノン閃光ランプのような光子放射源を含んで成る。
特許文献２に、インクジェット印刷方法ならびに印刷装置が記述されていることが注目される。その図２に、印刷によるインク層を設けられた薄膜が、それぞれ反射鏡を有する第１及び第２の光源の間を輸送される装置が示されている。
しかるに、特許文献２には、それらの反射鏡が光源によって放射された光をどのようにしてマッピングするかが具体的に述べられていない。
前記装置の効率を改善して、ランプの出力を高めることなく高い処理量を可能ならしめることが望まれる。

国際公開第２００６／０７１４１９号パンフレット 特開２０００―１１７９６０号公報

本発明の一つの面により、薄膜表面上の物質パターンを硬化させる装置が提供される。この装置は：
− 目的平面内で該薄膜を輸送するための輸送手段と；
− 該目的平面の第１の側に配置され、該薄膜が透明であるような波長領域の光子線を放射する光子放射源と；
− 該光子放射源から該目的平面中に放射される該光子線をマッピングするために該目的平面の互に相反する側に配置された第１及び第２の凹面をなす反射面であって、該光子放射源が第１の凹面をなす該反射面と該目的平面の間に配置されている反射面と、を含んで構成され、
該光子放射源から放射された該光子線が第１及び第２の凹面をなす該反射面によって該目的平面内に集束される。
本発明のさらなる一つの面により、薄膜表面上の物質パターンを硬化させる方法が提供される。 この方法は：
− 目的平面内で薄膜を輸送する工程と；
− 該目的平面の第１の側から、該薄膜が透明であるような波長領域の光子線を放射する工程と；
− 放射された該光子線の第１の部分を、該目的平面に向けて反射することにより直接マッピングする工程と；
− 該放射された光子線の、該薄膜を透過した第２の部分を、該目的平面に向けて反射することによりマッピングする工程とを含んで構成され、
マッピングされる該光子放射源の該光子線の第１及び第２の部分が該目的平面内に集束される。
本発明の装置及び方法においては、光子放射源から放射された光子線は、反射面によってマッピングされる。「反射性」とは、表面で反射される光子線の分量が大であって、関係する波長領域における反射率が典型的には５０％より大、さらに典型的には８０％より大であることを意味する。
光子放射源から直接放射された光子線だけではなく、目的平面を透過して、他の方法では失われたであろうが、再度目的平面に向けて反射される光子線も、対象物質の照射に使用される。光子線は、硬化されるべき物質に吸収され尽くすまで、繰り返し反射され得る。基板が透明であるような波長を有する光子線を使用すれば、光子線はその波長によって目的平面を透過し得る。「透明である」とは、関係領域を透過する際の光子線の減衰が小であって、関係する波長における透過率が典型的には５０％より大、さらに典型的には８０％より大であることを意味する。
それによって、効率の増大、すなわち基板が単に両側から２個の放射源によって照射されただけで得られるよりも実質的に高い効率が得られる。実地の状況では、例えば光子線の１０％が硬化されるべき物質によって吸収され、残りは透過する。多数回の反射を利用する本発明の装置では、光子線の８０％が吸収され得る。したがって、８００％もの効率増大が達成される。

第１及び第２の凹面をなす反射面は、例えば２個の回転対称形の鏡によって形成され、一方光子線は１個の点光源によって供給され得る。この場合、凹面をなす反射面は、目的平面内の円形領域内をマッピングするであろう。反射面の曲率半径と、光子放射源の位置とに依存して、該円形領域の直径は小さくも、また大きくもなる。これは、目的平面内に固定配置されている基板にとって好ましいであろう。

特定の一実施形態においては、光子放射源は１個の長軸を有する管状の発光体であり、第１及び第２の反射面は、該長軸に沿って拡がる筒形面である。この方式では、光子線は前記長軸の方向に拡がる引き伸ばされた領域内に集束される。この実施形態では、薄膜の大きな表面を実質的に同一の放射線量、すなわち放射出力を時間で積分した線量で照射することができる。繰り出し・巻き取り方式に応用する場合、これは特に魅力的である。

円筒形面が楕円筒形面であるような本発明の装置では、目的平面内に高度に集束された照射ゾーンが得られる。このようにして、放射源から放射された光子線は、目的平面内に集束される。

装置の一実施形態においては、第１及び第２の凹面をなす反射面のそれぞれが第１及び第２の焦点線を持つが、第１及び第２の凹面をなす反射面の第２の焦点線は、目的平面内で、互に少なくとも実質的に一致し、かつ管状の発光体は、第１及び第２の凹形をなす反射面のいずれか一方の第１焦点線と、少なくとも実質的に一致する。

ある実施形態においては、前記装置はさらに１個の管状発光体を有し、該管状発光体は第１及び第２の凹面をなす反射面の別の一方の第１焦点線と、少なくとも実質的に一致する。

もし管状の発光体がある凹面をなす反射面の第１の焦点線を囲んでいるならば、この管状の発光体は実質的に該第１焦点線と一致すると見做される。ある実施形態においては、第１の焦点線は管状発光体の軸線と一致することもある。

第１及び第２の凹面をなす反射面の第２の焦点線は、それら相互間の距離が第１焦点線の間の距離の５分の１以下であるならば、目的平面内で相互に一致すると見做される。

本発明の装置の実用的な一実施形態においては、２個の筒形表面は１個の管の内側表面によって形成される。これらの筒形表面を１個の管の形に結合することにより、構造的一体性の高い大型の反射面が得られる。

ある実施形態においては、前記の管が長軸方向に伸びる少なくとも第１のスリット形をなす開口を備えており、この実施形態では、輸送手段が前記少なくとも第１のスリット形をなす開口を通じ、目的平面に沿って薄膜をガイドする１個の案内手段を形成する。この方式により、該装置は繰り出し・巻き取り方式で使用されるに好適なものとなる。

特定の一実施形態においては、第１及び第２のスリット形をなす開口が第１及び第２の反射面の間に定義され、該第１及び第２のスリット形をなす開口は相互に反対の位置にあって長軸の方向に伸びており、従ってこの実施形態では、輸送手段が、運転状態にある間は薄膜を第１のスリット形をなす開口を経由して第１及び第２の反射面の間にある目的平面に向けてガイドし、次いで第２のスリット形をなす開口を経由してそこから出て行くようにガイドする案内手段を形成する。この方式により、第１及び第２の凹面をなす反射面の間の空間は実質的に光子線を吸収する諸要素が存在しない状態に保たれ、それによって効率が改善される。

この実施形態の一実施形態においては、第１及び第２の凹面をなす反射面は、第１及び第２のスリット形をなす開口によって形成される面積の少なくとも５倍の合計面積を有する。このため、２／３よりも大きな透過率を有する物質の場合には、放射源から放射される光子線の吸収率を、多数回の反射が存在しない場合に比べて２倍以上も向上せしめることが可能である。

環境の効果的な調整は、特に、第１及び第２の筒形表面が、複数個の末端部品により、それら表面の末端で互に連結されている装置の一実施形態において得られる。任意に設けられるスリット形開口を別にすれば、第１及び第２の筒形表面及び複数個の末端部品は実質的な閉鎖系を形成する。これにより、ハイブリッド硬化のような、より複雑な硬化方法の実行が可能になる。例えば、装置が閉鎖系である故に、閃光焼結による被着の前、または後の表面を処理するために、雰囲気をプラズマで置換することができるであろう。あるいは、閉鎖系であれば、Ｎ２（窒素ガス）のような不活性雰囲気中で作業を行う機会が得られる。望まれるならば、スリット形の開口を雰囲気中に拡げて雰囲気減結合スロットを形成させても良い。本明細書中では、雰囲気減結合スロットは、薄膜の通過を許すに十分な高さと幅を有するが、ガス及び／または蒸気の前記筒形表面と末端部品によって閉鎖されている環境中への送入、あるいは該環境からの排出を実質的に妨げるに十分な狭さと、基板の輸送方向の長さを有する断面を持つスリットと定義される。

一実施形態においては、それぞれの末端部品は通気手段を備えている。該通気手段は、閉鎖された環境内の温度を調節するために使用することができる。例えば、光子放射源によって発生する余剰の熱を、閉鎖環境外に排出することができる。あるいは、基板が比較的耐熱性である場合、通気手段を通じて熱風を供給し、硬化されるべき物質の光子放射源による加熱を補足することが可能である。それに加えて通気手段は、硬化の過程中に放出される蒸気を系外に排出するために、あるいは適当な雰囲気（例えばＮ２の供給による不活性雰囲気）を供給するために使用され得る。

装置の構成部分、例えば光子放射源、案内手段、及び通気システムは、１基の制御ユニットによって制御されることが好ましい。該制御ユニットは、装置が新しい材料に容易に適応し得るように、プログラミング可能な制御ユニットであることが好ましい。

一実施形態においては、光子放射源が基板の、物質が含まれている側とは反対の側に配置されている。光子放射源がパルス的に作動する場合には、この配置によりパルスとパルスの間の物質の冷却が比較的緩慢になり、より迅速な硬化が達成される。

これらの特徴及び他の特徴を、添付図面をもとに、さらに詳しく説明する。添付図面は以下の通りである。

本発明の装置の第１実施形態の、長軸Ｌを横切る断面図を示している。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図を示している。 本発明の装置の第２実施形態の、長軸Ｌを横切る断面図を示している。 本発明の装置の第３実施形態の、長軸Ｌを横切る断面図を示している。 図４の装置の斜視図を示している。 図４及び５に示す装置を含んで成る硬化システムを示している。 本発明の方法に従って行われた第１の実験の結果を示している。 本発明の方法に従って行われた第２の実験の結果を示している。 本発明の方法に従って行われた第３の実験の結果を示している。 本発明の装置の第３の実施形態の、長軸Ｌを横切る断面図を示している。 図１０の装置を使用して得られた硬化物の測定結果を示している。

以下の詳細な説明中には、本発明を十分に理解せしめるために、数多くの具体的な細目が記載されている。しかしながら、当業者には、本発明がこれら具体的な細目なしに実行され得ることが理解されるであろう。他の場合には、本発明の特徴を曖昧にしないように、よく知られた方法、手順、及び構成部分等は仔細に記述されていない。

添付図面中では、明確化のために、層や領域のサイズが誇張されている場合がある。

本明細書中では「第１の」、「第２の」、「第３の」等の用語が種々の要素、構成部分、領域、層、及び／または部分を説明するために使用される場合があるが、これらの要素、構成部分、領域、層、及び／または部分は、これらの用語によって限定されてはならないことを理解されたい。これらの用語は、単にある要素、構成部分、領域、層、または部分を、別の領域、層、または部分と区別するために使用されるに過ぎない。従って、第１の要素、構成部分、領域、層、または部分を、本発明の主旨から逸脱することなく、第２の要素、構成部分、領域、層、または部分と名付けることもできるであろう。

本明細書中では、本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態（及び中間的な構造）の模式図である断面図を用いて説明される。そのような事情から、例えば製作技術及び／または公差の結果、図面の形状からの変異を予想すべきである。それ故、本発明の実施形態は、本明細書中に図示されている領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば製作に起因する形状の逸脱を含めて解釈すべきである。

別の定義がなされない限り、本明細書中で使用されるすべての用語（技術用語及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野における通常の当業者によって共通に理解されると同一の意味を有する。さらに、一般に使用されている辞書中で定義されている用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と矛盾しない意味を解釈されるべきであり、本明細書中でそのように明示的に定義されていない限り、理想化された、あるいは過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。すべての刊行物、特許出願、特許、及び本明細書中で言及されている他の参考文献は、完全な形で参考文献に組み入れられる。見解上の不一致の場合には、定義を含み、本明細書が支配するものとする。また、材料、方法、及び例は、単に例示的なものに過ぎず、限定的な意図を有するものではない。

図１及び２は、薄膜１０表面の物質パターンを硬化せしめる装置２０の第１の実施形態を示す。図１は装置２０の、長軸Ｌに従う断面を示す。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す。適切な薄膜は、例えばＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＡ、ＰＩ等のポリマー薄膜であり、例えば７０〜５００μの範囲の厚さを有するもので良い。ポリマー薄膜の代わりに、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化インジウム錫（ＩＴＯ）のような他の基板を使用しても良い。

薄膜表面の物質は、例えば金属ナノ粒子を含むインクである。その一例は、カボット社（カボット・プリンティング・エレクトロニクス・アンド・ディスプレイズ、米国）によって供給されている、銀ナノ粒子のエチレングリコール／エタノール混合物中分散液である。この銀インクは２０重量％の銀ナノ粒子を含み、粒径範囲は３０〜５０ｎｍである。このインクの粘度及び表面張力は、それぞれ１４．４ｍＰａ．ｓ及び３１ｍＮ^−１である。

あるいは、物質として有機溶剤中または水系溶剤中の金属錯体を使用することもできる。例えば銀錯体インクは、例えばインクテック社製のインクのように、溶剤の混合物と銀アミドを含む。銀アミドは１３０と１５０℃の間のある温度で銀原子と、揮発性アミンと、二酸化炭素とに分解する。溶剤とアミンが蒸発除去されると、銀の原子が基板上に残る。他の金属、例えば銅、ニッケル、亜鉛、コバルト、パラジウム、金、バナジウム、あるいはビスマス等の錯体を銀錯体の代わりに、あるいは銀錯体と組み合わせて使用することもできる。

さらに種々の組成を有する導電性ペーストを、金属ナノ粒子含有インクもしくは金属錯体インクの代わりに使用することもできる。

図１及び図２に示すように、装置は薄膜１０を目的平面Ｏ内で輸送する輸送手段を含んで構成される。この場合、該輸送手段は薄膜１０を目的平面Ｏ内に安定させる複数個のクランプ３２，３４で構成されている。装置２０は、目的平面Ｏの第１の側に配置された１個の光子放射源４０を含んで構成される。この場合には、キセノン閃光ランプが使用される。キセノン閃光ランプの代わりに、この構成には他のランプも使用し得るし、他の電磁波スペクトル領域で放射を行うランプ、例えばマイクロウェーブ領域、ＩＲ領域、あるいはＵＶ領域で放射を行うランプさえも使用し得る。本実施例で使用されるランプはパルス発光ランプであるが、薄膜が透明であるような波長領域の光子線を放射する、ハロゲンランプまたは水銀灯のような連続発光ランプを使用することも可能である。図示されている実施形態における光子放射源４０は長軸Ｌを有する管状の発光体４０であり、第１及び第２の反射面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４）は長軸（Ｌ）に沿って拡がる楕円筒形表面である。

図１及び２に示すように、装置は互に目的平面Ｏの反対側に配置された第１及び第２の凹面をなす反射面５２，５４を含んで構成される。それらの反射面が、光子放射源４０から放射される光子線を目的平面Ｏ内に集束する。光子放射源４０は、第１の凹面をなす反射面５２と目的平面Ｏの間に配置されている。この実施形態に示されている光子放射源は、長軸Ｌを有する管状の発光体４０であり、第１及び第２の反射面５２，５４はこの長軸Ｌに沿って拡がる楕円筒形面である。

楕円筒は、筒の長手方向に伸び、筒の楕円形断面の一方の焦点を通る第１の焦点線と、筒の長手方向に伸び、筒の楕円形断面のもう一方の焦点を通る第２の焦点線を定義する。

しかしながら、別の実施形態も可能である。例えば、半楕円球形の第１及び第２の凹面をなす反射面と組み合わせて、１個の球形放射源を使用しても良い。放射源の位置及び目的平面の位置を選ぶことにより、基板の被照射領域を調節することができる。光子放射源と目的平面の相互位置を決めることにより、放射源が放射する光子線は、基板上に正確に集束される。その場合、光子線は図１及び２の実施形態では基板の焦点線内に集束され、２個の反射面に半楕円球面が使用される場合には、１個の焦点として集束される。あるいは、低強度の放射を用いてもより大きな領域が照射されるように、光子放射源または目的平面の少なくとも一方を、この位置から移動させることも可能である。

図１及び２に示されている装置２０の実施形態においては、筒形表面５２，５４は楕円筒形表面である。楕円筒形表面５２，５４は、１個の管５０の内表面によって形成される。図示されている実施例では、その管は、放射源４０から放射される光子線に対して９８％の反射率を有するアルミニウムで作られている。しかしながら、管５０には、アルミニウムの代わりに鋼鉄やタンタルのような他の金属を含むいかなる反射性材料を使用しても良い。あるいは、この管の内表面に、例えば金属層のような、もしくはブラッグ反射面の形態の反射性被覆を設けても良い。管５０の両端５６，５７は閉鎖されている。図１及び２に示す装置は、バッチ式運転用として意図されている。硬化されるべき物質を被着された基板１０は複数個のクランプ３２，３４によって目的平面Ｏ内に装着され、物質が硬化するまでその場所に保たれる。

図３は第２の実施形態を示す。図中の部品で、図１及び２中のそれらに対応するものは、１００だけ大きな参照番号を有する。図３に示す装置は、繰り出し・巻き取り方式に適している。図３の実施形態では、装置は複数個のローラ１３５ａ〜ｄの形の輸送手段を含んで構成される。装置１２０の運転中、薄膜１１０は第１のスリット１５８を経てローラ１３５ａに沿って供給され、次いでローラ１３５ｂを経て、薄膜１１０に物質を被着させるプリントヘッド１９０に沿って搬送され、さらに目的平面に沿って搬送されて、そこで物質は放射源１４に照射されることによって硬化せしめられる。その後、薄膜１１０はローラ１３５ｃ及びローラ１３５ｄを経て管１５０の外に送り出される。

図４及び５は第３の、改良された実施形態を示す。図中の部品で、図３のそれらに対応するものは、さらに１００だけ大きな参照番号を有する。図４，５に示す装置の実施形態では、第１及び第２のスリット状開口２５８，２５９の間に、第１及び第２の反射面２５２，２５４が定義されている。図４は、装置２５０の長軸に従う断面図を示し、図５は該装置の斜視図を示す。第１及び第２のスリット状開口２５８，２５９は、互に反対側にあって、第１及び第２の反射面２５２，２５４の間を長軸方向に伸びている。輸送手段は、ローラの形の案内手段２３６，２３８によって構成される。運転状態の間、ローラ２３６，２３８は薄膜２１０を第１のスリット状開口２５８を通して第１及び第２の反射面２５２，２５４の間にある目的平面Ｏへ、次いでそこから第２のスリット状開口２５９を通して装置外へとガイドする。この実施形態においては、輸送手段２３６，２３８ならびにプリントヘッド２９０は第１及び第２の反射面２５２，２５４の間にある硬化環境の外に配置されているので、これらの手段による光子線の吸収は回避される。さらに図５に示されているように、末端部品２５６，２５７のそれぞれには通気手段２６１，２６２が設けられている。

図６は、図４及び５に示されている装置２２０を含んで構成されたシステムを示す。図６に示すシステムは、さらに基板である薄膜を供給するための供給ローラ２７２、及びプリントされた基板薄膜２１０を収容するための収容ローラ２７４を含む。それに加えて、該システムは光子放射源２４０を信号Ｃｒａｄによって制御する１基の制御装置２８０を含む。制御装置２８０により、ランプの強度、パルスの持続時間、インターバル時間、及びパルス数等の設定を変えて、硬化に最適の設定を見出すことができる。制御装置２８０はさらに、信号Ｃｒｏｌｌ１によって供給ローラ２７２を動かすアクチュエータ（図示されていない）を制御し、信号Ｃｒｏｌｌ２によって収容ローラ２７４を動かすアクチュエータ（図示されていない）を制御し、信号Ｃｖｅｎｔによって通気システム２６１，２６２を制御する。

前記システムの運転中：
− 薄膜２１０を目的平面Ｏ内で輸送する工程と；
− 目的平面Ｏの一方の側から、薄膜２１０が透明である波長領域の光子線を放射する工程と；
− 放射された光子線の第１の部分を直接目的平面Ｏに向けて反射することによりマッピングする工程と；
− 薄膜を透過した光子線の第２の部分を目的平面Ｏに向けて反射することによりマッピングする工程と；
を含んで構成される方法が実行される。マッピングされる光子放射源の光子線の第１部分及び第２部分は、目的平面内に集束される。

本発明の方法を、導電性インクで幅５００μｍの線が複数本あるパターンを施した厚さ１２５μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）薄膜に適用した。導電性インクとして、カボット社（カボット・プリンティング・エレクトロニクス・アンド・ディスプレイズ、米国）から購入した、銀ナノ粒子のエチレングリコール／エタノール混合物中分散液を使用した。この銀インクは、粒径範囲３０〜５０ｎｍの銀ナノ粒子２０重量％を含有するものであった。このインクの粘度及び表面張力は、それぞれ１４．４ｍＰａ．ｓ及び３１ｍＮｍ^−１であった。

前記薄膜を、全長４２ｃｍで、長径７ｃｍ、短径５．８ｃｍの楕円形断面を有する楕円筒を含んで構成される本発明の装置の、目的平面内に取り付けた。目的平面は、第１の焦点線と、短径に平行な１本の線によって定義した。この装置はさらに、楕円筒の第２の焦点線に沿って設置された、３０００ＷのＬＮＯＥＧ９９０２−１（Ｈ）管形キセノンランプを含むものであった。

第１の実験を、本発明の方法に従って実行した。実験では、温度１１０℃で２分間予備乾燥した第１の薄膜試料を用意した。また、予備乾燥されていない第２の薄膜試料を用意した。両方の試料を、大気圧下、キセノンランプで照射することにより硬化せしめた。各試料の、キセノンランプが配置されている側と反対側に、硬化されるべき物質が被着された。キセノンランプはパルス方式によって操作され、２つの隣接するパルス間のインターバル時間は１秒であり、各パルスは持続時間１０ｍｓの閃光１０回から成るものであった。図７に、各パターン構造の電気抵抗の、時間による変化を示す。図７中では、予備乾燥された試料のパターン構造で測定された電気抵抗を白抜きの四角形で、予備乾燥されていない試料のパターン構造で測定された電気抵抗を黒の四角形で示してある。図７で見られるように、予備乾燥された試料のパターン構造は当初の抵抗が低く、１０^２Ωのオーダーであるのに比べ、予備乾燥されていない試料は１０^８Ωという初期抵抗値を有する。しかしながら、予備乾燥されていない試料のパターン構造も、５秒以内で予備乾燥された試料と同一の、すなわち約２０Ωという抵抗値を有するに至る。さらに図中の三角形の点が示すように、筒内の温度は適度を保っている。１４秒間の照射後でさえ、温度は３５℃以下である。したがって、本発明によれば、導電性インクをごく穏やかな熱負荷しか伴わずに迅速に硬化せしめることができる。

図８は、本発明の方法による第２の実験の結果を示す。この第２の実験では、図７との関連で説明した第１の試料と同じ薄膜試料を、パルス当たりの閃光回数を変えて硬化せしめた。装置のそれ以外の設定は、第１の実験と同様であった。この実験でも、各薄膜試料の、キセノンランプが配置されている側と反対の側に、硬化されるべき物質を配置した。図８に、導電性パターン構造の電気抵抗と時間の関係を示す。図中では、パルス当たり３０回、１５回、及び５回の閃光回数で硬化せしめた薄膜試料の抵抗値を、それぞれ四角形、円形及び三角形の点で示す。

図９は、本発明の方法による第３の実験の結果を示す。この第３の実験では、図７との関連で説明した第１の試料と同じ薄膜試料を、２個用意した試料の一方は硬化されるべきパターン構造が放射源と同じ側に来るように位置決めされ（白抜きの四角形で示す）、もう一方は硬化されるべきパターン構造が、薄膜の放射源とは反対の側に来るように位置決めされたこと以外は、第１の実験と同一の設定で硬化せしめた。

驚いたことには、後者の試料が前者の試料よりも、測定された抵抗値の著しく速やかな減少を示した。これは、後者の試料が硬化された配置の方が、温度低下がより緩慢であることに起因すると推測される。基板は、筒内の空間を、基板によって断熱された互に異なるサイズの２部分に効果的に分離する。ランプのパルス１回の間に、大部分のエネルギーは物質によって吸収され、筒、または筒内の雰囲気、または基板によっては吸収されないため、物質は急速に加熱され、次いで２回のパルスの間の期間に周囲の空間へと伝熱が起こって温度が低下する。物質が基板のランプに背を向けた側に存在する配置では、物質は筒内空間の２部分の小さい方に位置しており、その環境内に失われる熱量は小さい。

これに加え、次の表に示す種々のＣｕ錯体を、図６の装置を用いて焼結する実験を行った。比較のために、同じ試料をオーブンを用いて加熱焼結した。錯体は、ピペットを用いてポリイミド薄膜２１０上に付着させた。かくして得られた試料を、装置内で光子放射源２４０を最大出力の７５％（すなわち３０００Ｗの７５％）、閃光回数毎秒１０回で１０秒間作動させて照射することにより焼結した。反射面２５２，２５４の内面反射により、薄膜に付着しているＣｕ錯体で形成されたパターンは、両面から露光される。
上の表に示す結果は、加熱焼結では全く導電性を得ることができないことを示している。これは多分、加熱プロセスの間に生ずる金属化合物の酸化に起因するのであろう。図６の装置を用いる閃光焼結によれば、このプロセスはきわめて迅速であってＣｕの酸化される量はごく限られているので、導電性の明らかな改善が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態を示す。図中の構成部分は、図４中の対応する構成部分よりも１００だけ大きい参照番号を有する。この第３の実施形態では、第１の反射面３５２は第１及び第２の焦点線３５２ａ，３５２ｂを有する。第２の凹面をなす反射面３５４も、第１及び第２の焦点線３５４ａ，３５４ｂを有する。第１及び第２の凹面をなす反射面３５２，３５４の第２の焦点線３５２ｂ，３５４ｂ相互は、目的平面Ｏ内で実質的に一致している。管状の発光体３４０の位置は、第１の凹面をなす反射面３５２の第１の焦点線３５２ａと実質的に一致している。すなわち、管状の発光体３４０は、第１の凹面をなす反射面３５２の第１の焦点線３５２ａを囲んでいる。この実施形態では、該第１焦点線３５２は管状発光体３４０の軸線と公差１ｍｍで一致している。もう１個の管状発光体３４０ａは、第２の凹面をなす反射面３５４の第１の焦点線３５４ａと実質的に一致する位置に存在する。すなわち、管状の発光体３４０ａは、第１の凹面をなす反射面３５４の第１の焦点線３５４ａを囲んでいる。この実施形態では、該第１焦点線３５４ａは管状発光体３４０ａの軸線と実質的に一致する。

凹面をなす反射面３５２，３５４は、いずれもそれぞれの楕円筒の一部分で構成され、その内面がアルミニウム箔で被覆されていて、９８％の反射率を有する。該部分は、楕円筒の長軸に沿って横断面の先端部を切り取ることによって形成される。楕円筒の切り取られた部分は、点線で示してある。この特異な構成においては、凹面をなす反射面３５２，３５４を構成する一端が切り取られた楕円筒の間に１０ｍｍ幅の隙間Ｈが存在する。この隙間によって、基板は目的平面を通過することができる。楕円筒の切り取られた部分が小さいほど、一致している焦点面の方向に反射される光量は多くなるであろう。もし楕円筒の５０％以上が切り取られるならば、本発明の利点は消失するであろう。それ故、一部切り取られた楕円筒の間の隙間が小さいほど、この反射器構造の効果は大きくなるであろう。この特異な構成においては、一部切り取られない元の形の楕円形は、１４０ｍｍの長径２ａと、１１４．８ｍｍの短径２ｂを有する。したがって、それらの第１焦点線と第２焦点線の間の距離は８０ｍｍである。第２の焦点線は、それらの間の距離が第１焦点線間の距離の５分の１（３２ｍｍ）未満ならば、実質的に一致する。特に、その距離は第１焦点線間の距離の１０分の１（１６ｍｍ）未満である。この場合には、第２の焦点線は、公差１ｍｍで一致する。

示されている実施形態では、装置は第２の凹面をなす反射面３５４の第１の焦点線３５４ａと実質的に一致する位置に、別の１個の管状発光体３４０ａを有する。

管状発光体３４０，３４０ａは、直径が約１ｃｍのフィリップスＸＯＰ−１５型キセノンランプ（１０００Ｗ、全長３９．５ｃｍ）である。処理されるべき薄膜の寸法によっては、直径が同じく約１ｃｍであって長さが異なる管状発光体、例えばフィリップスＸＯＰ−２５型キセノンランプ（１０００Ｗ、全長５４．０ｃｍ）を使用しても良い。また、他の種類のガスが充填された閃光ランプ、例えばＫｒランプもしくはＸｅ／Ｋｒランプを使用することもできる。放射源がパルス方式の運転で高エネルギーの照射量を供給する能力を有するか否かだけが重要である。必要ならば、管状発光体３４０，３４０ａの代わりに他の放射源を使用しても良い。

管状発光体３４０，３４０ａは、互に関係なく発光させることも、同時に発光させることもできる。応用によって、閃光の持続時間、パルス当たりの閃光回数、毎秒のパルス数、及びエネルギーは、すべて調整可能である。この応用では、約１０００Ｊ／秒のエネルギー束が適切であることが分かった。

図１０の装置を使用して、さらに一連の実験を行った。これらの実験では、基板として厚さ１２５μｍの、デュポン帝人製ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）薄膜を使用した。試料は、薄膜のより平滑な側に印刷を施したものであった。

別の一連の実験では、２種の印刷技術、すなわちインクジェット技術とスクリーン印刷法を使用した。

インクジェット印刷は、圧電方式のダイマティクスＤＭＰ２８００（米国ダイマティクス・富士フィルム社製）に１０ｐＬカートリッジ（ＤＭＣ−１１６１０）を備えたものを使用して行った。印刷ヘッドは、直径３０μｍの並列正方形ノズル１６個を含むものであった。電圧２８Ｖで、周波数１０ｋＨｚ、カスタマイズされた波形を用いて、分散液を印刷した。印刷の高さは０．５ｍｍに設定し、ドット間隔２０μｍを使用した。２種のインクジェット用インク、すなわちカボット社のＡＧ−ＩＪ−Ｇ−１００−Ｓ１インク（別称Ｉ１）、及びインクテック社のＴＥＣ−ＩＪ−０４０インクを使用した。インクテック社のインクを使用した時には、インクテック社のインクの焼結を可能にするために、プレート温度を６０℃に設定した。カボット社のインクで印刷を行う間、インクジェット・プリンタのプレート温度は室温に設定した。焼結後の被着層の厚さは、カボット社のインクでは約４００ｎｍ、インクテック社のインクでは約３００ｎｍと評価された。

スクリーン印刷は、ガルウィング型の蓋と、メッシュの目が４０μｍ、ワイヤの太さが０．０２５ｍｍのスクリーンを有するＤＥＫホライゾン・スクリーン印刷機（米国ＤＥＫインターナショナルＧｍｂＨ）を使用して行った。２種のスクリーン印刷用インク、すなわちデュポン社の５０２５インク（Ｓ０）及びインクテック社のＴＥＣ−ＰＡ−０１０インク（Ｓ２）を使用した。焼結後の層の厚さは、デュポン品では約８０００ｎｍ、インクテック品では約２４６７ｎｍと評価された。

インク線の抵抗を４点で測定することにより、測定時に配線と接点の抵抗を無視し得る測定プローブを設計した。キースリー２４００ソースメーター［をＰＣに接続し、電流源兼電圧計として使用した。これによってデータをリアルタイムで捉え、次いでさらに解析するために、Ｅｘｅｌテンプレートに送り込むことができた。上記測定プローブを乾燥し焼結するために、メメルト４００型［オーブンを使用した。プリントされた測定プローブを上記オーブンを用い、温度１３５℃で３０分間焼結した。次いで複数個の接点上に、幅１００μｍ、長さ２５ｍｍの未乾燥のインク線をプリントした。

図１に示す装置を、下記の３種の作業モードで使用した。
Ｆ：インク線の表側だけから照射
Ｂ：インク線の裏側だけから照射
Ｆ＋Ｂ：インク線の表側と裏側から同時に照射
作業モードＦは、図のＩＩ−ＩＩ線の右側にある上下の反射面を光子線吸収層で覆い、薄膜を楕円筒の長軸Ｌと上記ＩＩ−ＩＩ線によって定義される平面内に、該薄膜１０の印刷された表面を左に向けて位置決めすることによって実現した。同様にして、作業モードも、同じ実験装置内で薄膜１０の印刷された表面を右に向けることによって実現された。

これら３種の作業モードにおいて、エネルギー束は実質的に同一である。これは、放射源の閃光頻度を調節することによって実現される。インク線の両側を照射するには毎秒５回の閃光頻度、片側だけを照射する場合には毎秒１０回の閃光頻度を用いた。楕円筒内の温度が基板の品質に影響を及ぼし得る温度を超えないことを保証するために、閃光照射装置内に通風システムを設置した。許容上限温度は使用する基板によって異なり、例えばＰＥＴ薄膜では１２０℃、ＰＥＮ薄膜では１４０℃であり、ポリイミド薄膜の場合には更に高くなる。また反射率９８％のアルミニウム反射層を、反射を強めるために楕円筒の内部に接着した。ランプの設定、例えば光の強度を調節するためにコンピュータプログラムが作られ、同時にそのプログラムによって実験中にインク線の抵抗値を測定することも可能になった。表側照射と裏側照射の違いを作り出すために、楕円筒形鏡面の反対側の半分に黒い覆いを掛けた。

実験の結果を、以下の三つの表にまとめて示す。表中の符号Ｆ、Ｂ及びＦ＋Ｂは、それぞれ表側照射、裏側照射、表裏両側の照射を表わす。
変数ＴＳは、照射の結果インクが導電性を示し始める時間を示す。従ってＴＳ＝０ならば、インク線は照射されると直ちに抵抗値を減じ始める。実験１及び３の用語Ｒ３０は、３０秒間の照射後に得られた抵抗値を指す。３０秒間の照射は、両側から照射されたインク線（Ｆ＋Ｂ）が焼結し始める時点から始まる。実験２の用語Ｒ６０は、６０秒間の照射後に得られた抵抗値を指す。
変数γは、両側からの照射によって得られる改善を示す。この変数γは、次式によって算出される：

次の表は、銀ナノ粒子と銀フレークの焼結挙動の測定によって実施した実験Ａ１の結果を示す。

両側からの照射を用いる場合、銀フレークを含むタイプＳ０のインクでは僅かな改善結果しか得られないのに対し、タイプＩ１及びＳ１のインクでは、いずれも８倍のオーダーの改善結果が得られることが注目される。後者のインク２種は、いずれも銀ナノ粒子ベースの配合である。これらの印刷方法で得られるインク線の厚さが異なる（すなわちインクジェット印刷による場合は約４００ｎｍ、スクリーン印刷による場合は約２５００ｎｍ）にも関わらず、改善効果は用いられた印刷方法とは実質的に無関係である。例として、図１１に、タイプＩ１のインクをインクジェット印刷して形成したインク線の時間による抵抗値の変化を、片側照射と両側照射の両方について示す。この場合にも、両側照射（（Ｂ＋Ｆ）、ランプ２個）の場合の方が、片側だけを照射した場合（Ｆ、ランプ１個）よりも短い焼結時間及び／または低い最終抵抗値Ｒ３０が得られることを見て取れる。

次の表は、銀錯体と銀フレークの焼結挙動の測定によって実施した実験Ａ２の結果を示す。

この場合にも、両側からの照射は、銀フレークを含むタイプＳ０のインクには僅かな改善結果をもたらしたに過ぎないのに対し、銀錯体ベースであるタイプＩ２のインクの場合には、統計学的に有意なγ値の改善が得られる。

実験Ａ３では、タイプＳ０及びタイプＳ１の２種のインクについて、層の数（ｎ＝１、ｎ＝２、ｎ＝３）と焼結の関係を調べた。それぞれの場合、インクは上述のスクリーン印刷法によって印刷した。

この場合にも、両側からの照射が銀フレークを含むタイプＳ０には僅かな改善効果をもたらしたに過ぎないのに対し、銀ナノ粒子ベースであるタイプＳ１のインクの場合には、統計学的に有意なγ値の改善が得られ、これは層の厚さすべてに共通していることを確認し得る（層の厚さＳ０，ｎ＝１〜層の厚さＳ１，ｎ＝３）。

特許請求範囲で用いられる用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は、他の要素もしくは工程を排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除しない。１個の構成部分もしくは他のユニットが、複数の請求項中で説明されている他の品目の機能を満たすことがあり得る。単に幾つかの手段が相互に異なる請求項中で説明されているという事実だけでは、これら手段を組み合わせて有利に使用し得ないことを示すものではない。請求項中のいかなる参照記号も、範囲を限定するものと解釈されてはならない。

１０ 薄膜
１０ 基板
１４ 放射源
２０ 装置
３２ クランプ
３４ クランプ
３４ 輸送手段
４０ 光子放射源
４０ 発光体
４０ 放射源
５０ 管
５２ 反射面
５２ 第１反射面
５２ 筒形表面
５２ 楕円筒形表面
５４ 反射面
５４ 第２反射面
５４ 筒形表面
５４ 楕円筒形表面
５６ 両端
５６ 末端部品
５７ 両端
５７ 末端部品
１１０ 薄膜
１２０ 装置
１３５ 案内手段
１４０ 光子放電源
１４０ 発光体
１５０ 管
１５２ 反射面
１５２ 筒形表面
１５４ 反射面
１５４ 筒形表面
１５８ 第１スリット
２１０ 薄膜
２２０ 装置
２３６ ローラの形の案内手段
２３６ ローラ
２３６ 輸送手段
２３８ ローラの形の案内手段
２３８ ローラ
２３８ 輸送手段
２４０ 発光体
２４０ 光子放電源
２５０ 装置
２５０ 管
２５２ 反射面
２５２ 第１反射面
２５２ 筒形表面
２５４ 反射面
２５４ 第２反射面
２５４ 筒形表面
２５６ 末端部品
２５７ 末端部品
２５８ 第１スリット状開口
２５９ 第２スリット状開口
２６１ 通気手段
２６２ 通気手段
２７２ 供給ローラ
２７４ 収納ローラ
２８０ 制御装置
２９０ プリントヘッド
３４０ 発光体
３５２ 第１反射面
３５２ 筒形表面
３５４ 第２反射面
３５４ 筒形表面
３５８ 第１スリット状開口
３５９ 第２スリット状開口
２ａ 長径
２ｂ 短径
１３５ａ ローラ
１３５ｂ ローラ
１３５ｃ ローラ
１３５ｄ ローラ
３４０ａ 管状発光体
３５２ａ 第１焦点線
３５２ｂ 第２焦点線
３５４ａ 第１焦点線
３５４ｂ 第２焦点線
Ｃｒｏｌｌ１ 信号
Ｃｒｏｌｌ２ 信号
Ｃｖｅｎｔ 信号
Ｈ 隙間
Ｌ 長軸
Ｏ 平面

Claims (14)

1. 薄膜（１０；１１０；２１０）表面上の物質パターンを硬化せしめるための装置（２０；１２０；２２０）であり：
   − 目的平面（Ｏ）内で該薄膜を輸送するための輸送手段（３２，３４；１３５；２３６，２３８）と；
   − 該目的平面の第１の側に配置され、該薄膜が透明であるような波長領域の光子線を放射する光子放射源（４０；１４０；２４０）と；
   − 該光子放射源から放射される該光子線を該目的平面中にマッピングするために該目的平面の互に相反する側に配置された第１及び第２の凹面をなす反射面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４）であって、該光子放射源が第１の凹面をなす該反射面と該目的平面の間に配置されている反射面と、を含んで構成され、
   該光子放射源から放射された該光子線が第１及び第２の凹面をなす該反射面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４；３５２、３５４）によって該目的平面中に集束されることを特徴とする装置。
2. 該光子放射源が１個の長軸（Ｌ）を有する管状の発光体（４０；１４０；２４０；３４０）であり、第１及び第２の凹面をなす該反射面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４；３５２，３５４）が該長軸（Ｌ）に沿って拡がる筒形面であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 該筒形面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４；３５２，３５４）が楕円筒形面であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 第１及び第２の凹面をなす該反射面（３５２，３５４）がそれぞれ第１及び第２の焦点線（３５２ａ，３５２ｂ，３５４ａ，３５４ｂ）を有し、第１及び第２の凹面をなす該反射面の第２の該焦点線（３５２ｂ，３５４ｂ）相互が、該目的平面（Ｏ）内で少なくとも実質的に一致し、及び管状の該発光体（３４０）が第１及び第２の凹面をなす該反射面（３５２，３５４）の一方（３５２）の第１の該焦点線（３５２ａ）と少なくとも実質的に一致することを特徴とする、請求項２または３のいずれか１項に記載の装置。
5. 第１及び第２の凹面をなす該反射面（３５２，３５４）のもう一方（３５４）の第１の該焦点線（３５４ａ）と少なくとも実質的に一致する、さらに１個の管状の発光体（３４０ａ）を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 該筒形表面（５２，５４；１５２，１５４；２５２，２５４）が管（５０；１５０；２５０）の内側表面によって形成されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 該筒形表面が、それらの末端で末端部品（５６，５７）によって連結されており、該筒形表面及び該末端部品が実質的に閉鎖された環境を形成することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 該管が、該長軸（Ｌ）方向に伸びる少なくともひとつの第１のスリット形の開口（１５８）を備え、該輸送手段が、該目的平面（Ｏ）に沿って少なくとも該スリット形の開口を通し、該薄膜（１１０）をガイドする案内手段（１３５）を形成することを特徴とする、前出請求項４または５のいずれか１項に記載の装置。
9. 第１及び第２のスリット形の開口（２５８，２５９；３５８，３５９）が第１及び第２の該反射面（２５２，２５４；３５３，３５４）の間に定義されており、第１及び第２のスリット形の該開口（２５８，２５９；３５８，３５９）は互に反対側の位置に長軸の方向に伸び、該輸送手段は運転状態中、第１のスリット形の該開口（２５８；３５８）を経由して第１及び第２の該反射面の間にある該目的平面（Ｏ）へと該薄膜をガイドし、そこから第２のスリット形の該開口（２５９；３５９）を経由して送り出される案内手段（２３６、２３８）を形成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
10. 第１及び第２の凹面をなす該反射面が、第１及び第２のスリット形の該開口によって形成される面積の少なくとも５倍の総面積を有することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 該末端部品（２５６，２５７）が、それぞれ１個の通気手段（２６１，２６２）を備えていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
12. 基板の物質が被着されている側と反対側の基板の側に配置されている１個の単一光子放射源を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
13. 前出請求項のいずれか１項に記載の装置１基を含み、さらに少なくとも該光子放射源を制御するための１基の制御装置を含むことを特徴とするシステム。
14. 薄膜表面上の物質パターンを硬化せしめる方法であって：
    − 薄膜を１個の目的平面内で輸送する工程と；
    − 該目的平面の一方の側から、該薄膜が透明である波長領域の光子線を放射する工程と；
    − 放射された該光子線の第１の部分を直接該目的平面に向けて反射することによりマッピングする工程と；
    − 該薄膜を透過した該光子線の第２の部分を該目的平面に向けて反射することによりマッピングする工程と、を含んで構成され、
    マッピングされる該光子放射源の該光子線の第１部分と第２部分が該目的平面内に集束されることを特徴とする方法。