JP2013507267A - スクリーン印刷 - Google Patents

Abstract

ブリッジと交差点で分離された開口パターンを有し、スキージー側に平坦な表面を有し、スクリーンの印刷側にスクリーンがブリッジと交差点の間の厚さの差によって形成される山（Ｐ）と谷（Ｖ）を含む３−Ｄ構造を有するスクリーン、好ましくは電気鋳造によって作られた金属スクリーンを用いるスクリーン印刷の方法。ＲＦＩＤタグ、太陽光パネル、電子印刷基板への製造方法の使用。印刷される像のネガを備え、または備えない付属ステンシルを有する３−Ｄ印刷スクリーン。１つ以上のインク用の貯蔵部と組み合わせるか、またはローラーもしくはスキージーと組み合わせるかの少なくとも１つである、１つ以上の３−Ｄ印刷スクリーンを含む印刷機械。

Description

本発明はスクリーン印刷に関する。さらに詳細には、本発明は多量のインクでの印刷または高い解像度のスクリーン印刷の少なくとも１つを可能にし、幅１００マイクロメートル未満の線の印刷を可能にする新規の種類のスクリーンによる印刷に関する。

スクリーン印刷は、典型的にはインクを遮断するステンシルを支持する織られたメッシュから作られたスクリーンを用いる印刷技術である。取り付けられたステンシルはメッシュの開口領域を形成し、インクを基板上にエッジの鋭い像として転写する。ローラーまたはスキージーはインク遮断ステンシルを備えるスクリーンを横断して動き、開口領域中の織られたメッシュの線を通してインクを駆動または吐出する。今日、グラフィックスクリーン印刷は、ポスター、またはディスプレイスタンドなど、多くの大量または大きなバッチで作られたグラフィックを作成するために広く用いられる。フルカラー印刷はＣＭＹＫ（シアン、マジェンタ、イエロー、ブラック「キー」）で印刷することによって作成することができる。スクリーン印刷は、その低コストおよび多くの種類の媒体上に印刷できる理由で、染料昇華、またはインクジェット印刷などの他のプロセスよりも好まれることが多い。

スクリーン印刷の顕著な特徴は他の印刷技術よりも厚いインクを基板上に加えることができることである。したがって、スクリーン印刷は基板上の約５〜２０マイクロメートル以上の厚さのインク堆積が必要な場合に好ましく、これは他の印刷技術では（容易に）達成することができない。このことがスクリーン印刷を太陽電池、電子機器等の印刷に有用なものとしている。（この用途におけるインクの定義は溶剤および水系「着色」インク処方を含むだけでなく、「無色」ワニス、接着剤、金属質インク、導電性インク等も含む。）

一般に、スクリーンは、例えばアルミニウムまたは木材の枠上に張られた、一片の多孔質の微細に織られたメッシュと呼ばれる織物から作られる。現在、大部分のメッシュは鋼などの人工材料から作られる。上述のように、スクリーンの領域は、ステンシルを形成する非透過性材料で遮断され、これは印刷される像のネガであり、すなわち開放空間はインクが現れる領域である。

印刷プロセスにおいて、基板に面するステンシルを有するスクリーンは紙または織物などの基板上に置かれる。従来のフラットベッドスクリーン印刷において、インクはスクリーンの上に置かれ、充填棒（充満棒としても知られる）を用いてメッシュ開口部をインクで充填する。作業者は充填棒をスクリーンの背面、インク貯蔵部の後から始める。作業者はスクリーンを持ち上げて基板との接触を避け、次いで僅かに下方向の力を用いて充填棒をスクリーンの前方に引く。これはメッシュの開口部に効果的にインクを充填し、インク貯蔵部をスクリーンの前方に動かす。次に、作業者はスキージー（ゴムの刃）を用いてメッシュを基板の下に動かし、スクリーンの背面にスキージーを押し付ける。メッシュの開口部中のインクは制御された所定の量が毛管作用で基板に吐出または絞り出される。ウェットインクの堆積の理論値は、後述のようにメッシュまたはステンシルの厚さに等しい。スキージーがスクリーンの後部に向かって動くと、メッシュの張力はメッシュを基板の上方へ引っ張り（スナップオフと呼ばれる）、インクを基板の表面に残す。ロータリースクリーン印刷において、インクは典型的にシリンダースクリーンの内部から押し出される。今日、このプロセスは機械によって自動化されている。

スクリーン印刷機には３つの種類がある。「フラットベッド」（おそらく最も広く用いられる）、「シリンダー」および「ロータリー」である。フラットベッド機およびシリンダー機は、両方とも平坦なスクリーンを用い、印刷作業の実行が３段階の往復工程である点で類似している。スクリーンは最初に基板上の位置に動かされ、次にスキージーはメッシュに対して押圧されて像領域上を引っ張られ、次にスクリーンは基板から持ち上げられてプロセスが完了する。フラットベッド機では、印刷される基板は典型的にスクリーンに平行な水平印刷ベッド上に置かれる。シリンダー機では、基板はシリンダー上に搭載される。像の安定性は織られたスクリーンの金属線の動きのため問題になることがある。他方、ロータリー機は連続的な高速の織布印刷のために設計される。ロータリー印刷機に用いられるスクリーンは、例えば、継ぎ目のない薄い金属シリンダーである。開放端部のシリンダーは両端部にキャップが付けられ、機械の側部のブロックに取り付けられる。印刷中、インクは新しい供給が常に保たれるようにシリンダーの一方の端部に吐出される。スキージーは、例えば、シリンダー内部の自由回転鋼棒であり、スキージーの圧力は、例えば機械のベッドの下に搭載された磁石によって維持され調節される。ロータリースクリーン機は織物、壁紙、および途切れることのない連続パターンを必要とする他の製品の印刷のために最も頻繁に用いられる。

スクリーン印刷は、従来の印刷技術よりも汎用性がある。表面はエッチングまたはリソグラフィとは異なり圧力下で印刷する必要がなく、平坦である必要もない。スクリーン印刷インクは、織物、セラミック、木材、紙、ガラス、金属およびプラスチックなどのさまざまな基板に用いることができる。その結果、スクリーン印刷は多くの異なる産業に用いられる。

米国特許第３７５９７９９号明細書 米国特許第４３８３８９６号明細書 米国特許第４４９６４３４号明細書

スクリーン印刷の興味深い領域の１つは、隆起した像、平滑に輝く塗りつぶした領域、または手触りと視覚的な感覚に訴える微細パターンを形成するために用いることのできるインクである。それらの印刷の品質に関する向上が望まれる。

特に実際の高品質印刷は点字印刷であり、プロセスはゴーストやスジのない極めて均一な比較的厚いインクのコーティングを要求する。したがって、基板上のインク量が多く、均一で、特に微細な細部のための堆積を改善できることは非常に有益である。これはフラットベッド、シリンダースクリーン印刷、および同様にロータリー印刷において有益である。

米国特許第３７５９７９９号明細書など、金属線系の織物メッシュをベースに作られたスクリーンに加えて、格子状の孔を備える硬質金属シートからスクリーンが開発された。例えば、米国特許第４３８３８９６号明細書または米国特許第４４９６４３４号明細書、および本出願人の後続の特許において、金属スクリーンはリブと開口部を含むことが説明される。このスクリーンは、第１の電解質浴中で分離材を備えるマトリックス上にスクリーン骨格を形成すること、形成されたスクリーン骨格をマトリックスから剥離し、スクリーン骨格を第２電解質浴中で電気分解して上記骨格上に金属を堆積することによる金属スクリーンの電解的な形成からなるプロセスによって調製される。この技術はさまざまなメッシュサイズ（例えば７５〜３５０以上）、厚さ（約５０〜３００マイクロメートル以上）、孔直径（２５マイクロメートル以上）、及びしたがってさまざまな開口面積（約１０〜約５５％）、ウェットインク堆積（厚さ約５〜３５０マイクロメートル以上）、および解像度（約９０〜３５０マイクロメートル）のスクリーン印刷のための金属スクリーンの調製に用いられた。実際に、これらのスクリーンは寿命、堅牢性、および安定性、しわに対する抵抗性の点で織ったスクリーンを凌駕し、実際に機械の設定または印刷中に破壊または損傷がない。さらに、そのような不織スクリーンの改善は、多量のインク堆積および鋭い像に関して有利である。したがって、これは本発明の目的の一つである。

さらに、前述のように、スクリーン印刷はウェーハベースの太陽光ＰＶセルの調製に理想的である。そのようなセルの調製は前面の「フィンガー」および銀のバス、および裏面に印刷された銀のバスの印刷を含む。バスおよびフィンガーは電荷を伝えるために必要である。他方、バスおよびフィンガーは太陽光ＰＶセルの表面をできるだけ小さくする必要があり、したがって、比較的厚くなる傾向がある。大きく変化させることができ適切に制御できる要因の一つが印刷の厚さであるので、スクリーン印刷は理想的である。

太陽光ウェーハはより薄く大きくなり、破壊率を低く維持するために注意深い印刷が要求される。他方、印刷段階での高い生産量はセル生産ライン全体の生産量を高める。

ロータリースクリーン印刷は典型的にロール−ロール技術であり、連続的な大量および高速生産を可能にする。さらに、利点はインクおよび化学的な廃棄物の低減、多いインク堆積、高い製造柔軟性、（さまざまな繰り返しサイズおよび織布幅）を含み、優れた品質、再現性のある結果、および信頼性の高い性能を備える。

ロータリースクリーン印刷を用いて、紙、フィルム、および織物などの通常の基板上に電子部品を加えることは比較的新しい。ロータリー印刷技術は無線周波数識別タグ（ＲＦＩＤタグ）などの印刷された電子部品の低コスト生産を可能にする。

例えば、Ｓｔｏｒｋ Ｐｒｉｎｔｓは特に印刷電子部品用途のためにさまざまなロータリースクリーン印刷機を設計した。彼らの機械部品は具体的には（熱）感受性のある基板上に高精度で印刷するために開発された。例えば、ＰＤ−ＲＳＩ６００／９００ロータリースクリーン印刷機（Ｓｔｏｒｋ Ｐｒｉｎｔｓのパンフレット１０１５１０９０７）の設計では時間当たり５０，０００ユニットを超える速度でＲＦＩＤタグ全体を１回の運転で製造が可能である。

しかしながら、部品が小型化し、生産性の高い製造プロセスの要求が強くなっているので、グラフィック用および特に印刷電子部品用途のスクリーン印刷形態の要求が増加している。高いインク転写、堅牢な印刷形状、および優れた再現性と組み合わされて、８０マイクロメートル未満の印刷線幅が一般になっている。不織スクリーン、特にロータリースクリーン印刷によるスクリーン印刷の多くの利点にもかかわらず、非常に高解像度の印刷にはやはりフラットベッド織物スクリーン材料が優れた解像度と鋭さを提供する。実際に、（非常に）高い開口領域を備え、メッシュを構成する小さなブリッジを備えるスクリーンを使用しても、ロータリースクリーン印刷による１００マイクロメートル未満の印刷線幅を有する印刷は、最善のフラットベッドの織られた金属スクリーンを用いる印刷よりも鋭さが低くインク転写が少ない。したがって、Ｓｔｏｒｋ Ｐｒｉｎｔｓによって開発された不織スクリーンの強度と堅牢性の全てを有するだけでなく、高解像度印刷の調製のために改善された鋭さとインク転写能力を備える改善されたスクリーンを見出すことは有益である。さらに、織られた金属スクリーンを使用できないロータリースクリーン印刷に適用できる不織スクリーンを見出すことは有益である。

興味深いことに、改善されたインク堆積とより鋭い印刷の課題は新規なスクリーンの適用によって解決された。

したがって、本発明は、ブリッジと交差点によって分離された開口部のパターンを有し、スキージー側に平坦な表面を有するスクリーン、好ましくは電気鋳造によって作られた金属スクリーンを用いるスクリーン印刷の方法を主張し、スクリーンは、スクリーンの印刷側にブリッジと交差点の間の厚みの相違によって形成された山と谷を含む３−Ｄ構造を有する。さらに、本発明は、印刷される像のネガを備える、またはネガを備えない付属のステンシルを有する３−Ｄ構造を含む印刷スクリーンの権利を主張する。さらに、本発明は、１つ以上のインク用の貯蔵部と組み合わせられるか、またはローラーもしくはスキージーと組み合わせられるかの少なくとも１つである本発明による１つ以上の印刷スクリーンを含む印刷機械の権利を主張する。

さらに詳細には、スクリーンは、それによって開口部の範囲を定める、交差点によって互いに接続されたブリッジの網目を含む、平坦な側部を有するメッシュ数１５０〜１０００のメッシュ、好ましくは１９０〜８００メッシュを備える金属スクリーン材料であり、交差点の厚さは、平坦なスキージー側とは反対側のスクリーン材料の印刷側のブリッジの厚さと等しくない。好ましくは、ブリッジと交差点の間の厚さの差は５〜１００マイクロメートルである。

ロータリースクリーン印刷の原理の概要を表す図である。Ａはスクリーンである。Ｂはスキージーである。Ｃは加圧ローラーである。Ｄは基板である。 電気鋳造によって製造された本発明の好ましい実施形態によるスクリーンの概要図を見出すことができる。したがってこれらは不織スクリーンである。交差点を接続するいわゆるブリッジを備えるスクリーン開口部（「ハニカム」孔形状）の六角形構造が示される。また、電気鋳造は他の構造、例えば矩形を備えるスクリーンの製造にも用いることができる。ここに示されるのは（左上から右下へ（ａ）〜（ｇ）の標識）、（ａ）メッシュ／線形インチ、（ｂ）厚さ、（ｃ）開口領域、（ｄ）孔直径、（ｅ）理論的なウェットインク堆積、（ｆ）最大粒子サイズ、（ｇ）解像度を示す。メッシュ／線形インチはスクリーンの線形インチ当たり開口部の数である。厚さはスクリーン厚さである。開口領域はスクリーン総面積に対する開口部のパーセントである。孔直径は開口部の２つの対向壁の間の最小距離である。理論的なウェットインク堆積は理論的なインク容積を用いて算出され、これは基板の単位面積当たりのメッシュ開口部中のインクの容積であり、開口面積％×メッシュ厚さとして計算される。それは典型的にマイクロメートル、またはｃｍ^３／ｍ^２の等価として記録される。最大粒子サイズは、最善のインク通路として孔直径の１／３である。 光学顕微鏡によって作成された写真の概要図であり、本発明による３−Ｄ構造を備える矩形スクリーン材料の印刷側の平面図を示し、孔直径は概略４０マイクロメートルである。このスクリーン（Ｓ）は矩形孔形状（Ｈ）を有する。また、拡大図も示される。楕円はブリッジによって形成される谷（Ｖ）を示す。円は交差点によって形成される山（Ｐ）を示す。

電気メッキ浴中でマンドレルを用いて、ブリッジで分離された開口パターンを有する金属製品を作る電気鋳造方法は、例えば国際公開第９７４０２１３号パンフレットから知られている。

国際公開第２００４０４３６５９号パンフレットにおいて、３−Ｄ表面構造を備える金属スクリーン材料は、例えば、米国特許第６０２４５５３号明細書から知られる方法および装置に類似した、プラスチックフィルム等を穿孔する穿孔ステンシルとして用いるために特に提案される。３−Ｄ表面構造はブリッジと交差点間の厚さの差によってスクリーンの一方の側にのみ形成される。国際公開第２００４０４３６５９号パンフレットにはスクリーン印刷のための主張されたスクリーン材料の使用についての教示はない。

ここで、塗りつぶされた領域および隆起した像の印刷のために、新規な３−Ｄスクリーンがより多くのインク堆積と鋭い堆積を提供することが判明した。

さらに、非常に高い解像度のスクリーン印刷のために、新規な３−Ｄスクリーンは、平坦なスキージー側およびスクリーン材料の印刷側上に山と谷の網目を有する、メッシュ数１５０〜１０００のメッシュ、好ましくは１９０〜８００メッシュが理想的であることが判明した。これらのスクリーンは、それらの３−Ｄ表面構造のないスクリーン材料に比べて、はるかに微細な線の印刷を可能にする。

得られた印刷品質は、はるかに大きな開口面積およびより小さなブリッジを備えるスクリーンで得られるものよりも驚くほど良好である。印刷側に山と谷を備える３−Ｄ表面構造は、「山」によってスクリーンを通るインクの転写を高め、基板上により多量のインクの堆積を可能にし、他方、谷はインクの鋭い堆積を可能にするものと推測される。これは、基板上に均一に印刷された塗りつぶし部、および／または隆起像を生成するインクを堆積するときだけでなく、鋭い縁部の連続的な微細線を生成するときの両方で有利である。さらに、これらの利点は、スクリーン強度、安定性、および耐久性を大きく損なうことなく達成される。

スクリーン材料の作製方法は、本発明の部分ではない。実際、米国特許第４３８３８９６号明細書または米国特許第４４９６４３４号明細書から知られる方法は平坦なスクリーンの調製に用いることができるが、前述の国際公開第２００４０４３６５９号パンフレットに開示された方法と同様に、強制的な流れ条件によってスクリーン材料の印刷側３−Ｄ構造を作ることができる。さらに、３−Ｄ表面構造を備える金属スクリーン材料は異なる技術および異なる材料で作ることができる。したがって、３−Ｄ構造はレーザー彫刻、エッチング、またはＥＣＭ（電気化学的機械加工）によって作ることもできる。また、それらのスクリーンをポリマー上のエンボス加工、またはＣＶＤ（化学気相蒸着）によるメッシュの被覆、ＰＶＤ（物理気相蒸着）、プラズマ噴霧または他の被覆技術によってそれらのスクリーンを調製することは本発明の範囲内である。また、３−Ｄ表面構造はスクリーン上の別のラッカーの層で製造することもできる。

この新規な３−Ｄスクリーンはフラットベッドおよびシリンダースクリーン印刷、およびロータリースクリーン印刷に用いることができる。

塗りつぶした領域および隆起像を印刷するためには、多量のウェットインク堆積を伴うスクリーン（６ミクロンより大きい、好ましくは１０ミクロンより大きい）が好ましい。ここで、ウェットインク堆積の量は本明細書で前に定義した理論的ウェットインク堆積で表現される。適切なスクリーンは３５〜５００メッシュ、好ましくは７５〜４５０メッシュを有する。厚さは３５〜２００マイクロメートル、好ましくは６０〜１５０マイクロメートルに変動することができる。孔直径は１０〜６５０マイクロメートル、好ましくは１５〜４００マイクロメートルで変動することができる。

１００マイクロメートル未満の高解像度印刷を生成するには、メッシュ数１５０〜１０００のメッシュ、好ましくは１９０〜８００メッシュを備えるスクリーンが好ましい。厚さは２０〜２００マイクロメートル、好ましくは３５〜１６０マイクロメートルで変動することができる。孔直径は５〜１３０マイクロメートル、好ましくは１５〜１０５マイクロメートルで変動することができる。

スクリーンはロータリースクリーンであるのが好ましい。

さらに、本発明は、印刷される像のネガを備える、またはネガを備えない付属ステンシルを有する３−Ｄ構造を含む印刷スクリーンの権利を主張する。この３−Ｄスクリーンとステンシルの組み合わせは新規であり、上記改善された印刷の本質的な利点を有する。

さらに、本発明は、１つ以上のインク用の貯蔵部と組み合わせるか、またはローラーもしくはスキージーと組み合わせるかの少なくとも１つである本発明による１つ以上の３−Ｄ印刷スクリーンを含む印刷機械の権利を主張する。

Claims (17)

1. ブリッジと交差点で分離された開口パターンを有し、スキージー側に平坦な表面を有するスクリーンを用いてスクリーン印刷する方法であって、
   前記スクリーンは前記スクリーンの印刷側に前記ブリッジと前記交差点の間の厚さの差によって形成された山と谷を含む３−Ｄ構造を有することを特徴とする方法。
2. 電気鋳造によって作られた金属スクリーンを用いることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記交差点が前記山を形成し、前記谷を形成する前記ブリッジよりも厚さが大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ブリッジと前記交差点間の厚さの前記相違が５〜１００マイクロメートルであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 隆起像又は塗りつぶし領域の少なくとも１つを印刷するための、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. スクリーンが、ウェットインク堆積の理論値として表現され、６マイクロメートルより大きく、好ましくは１０マイクロメートルより大きく、前記ウェットインク容積の理論値を用いて算出され、基板の単位面積当たりのメッシュ開口部中のインクの容積であり、開口面積％×メッシュ厚さとして計算される量のウェットインク堆積と共に用いられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記スクリーンが、３５〜５００メッシュ、好ましくは７５〜４５０メッシュ、および／または３５〜２００マイクロメートル、好ましくは６０〜１５０マイクロメートルの厚さ、および／または１０〜６５０マイクロメートル、好ましくは１５〜４００マイクロメートルの開口部の２つの対向する壁の間の最小距離（「開口部の孔直径」）を有することを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. １００マイクロメートル未満の解像度の高解像度スクリーン印刷のための、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
9. フラットベッド、シリンダーまたはロータリースクリーンが用いられることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. ロータリースクリーン、好ましくは継ぎ目のないスクリーンが用いられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. １００マイクロメートル未満の解像度の高解像度スクリーン印刷のために１５０〜１０００メッシュのロータリー金属スクリーンが用いられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. １９０〜８００メッシュ、好ましくは３００〜６５０メッシュのロータリー金属スクリーンが用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. １００マイクロメートル未満の解像度の高解像度スクリーン印刷のための方法であって、前記スクリーンが２０〜２００マイクロメートル、好ましくは３５〜１６０マイクロメートルの厚さ、および／または５〜１３０マイクロメートル、好ましくは１５〜１０５マイクロメートルの開口部の孔直径を有することを特徴とする、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ＲＦＩＤタグ、太陽光パネル、電子印刷基板の製造に用いられる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. ブリッジと交差点で分離された開口パターンを有し、スキージー側に平坦な表面を有する３−Ｄ印刷スクリーンであって、
    前記スクリーンが、前記スクリーンの印刷側に前記ブリッジと前記交差点の間の厚さの差を有し、印刷される像のネガを備え、または備えない付属のステンシルを有する、スクリーン。
16. 電気鋳造によって作られることを特徴とする、請求項１５に記載の３−Ｄ印刷スクリーン。
17. １つ以上のインク用の貯蔵部と組み合わせられるか、またはローラーもしくはスキージーと組み合わせられるかの少なくとも１つである、請求項１５または１６に記載の１つ以上の３−Ｄ印刷スクリーンを含む印刷機械。

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