JP2017061127A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および導電性パターン形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い濃度の液体を用いても、機能性粒子を多く含む液滴を吐出することのできる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】 液体４を吐出する液体吐出ヘッド１０は、第１の電極１と、第２の電極２と、液体４を第１の電極１の端部に供給する流路３と、を有する。第１の電極１および第２の電極２は対向して配置され、それぞれが流路３の壁面の一部を構成している。第１の電極１と第２の電極２との間の距離は、第１の電極１の端部に近づくにつれて短くなっている。液体吐出ヘッド１０はさらに、第１の電極１と第２の電極２との間に電圧を印加する電圧印加手段６を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および導電性パターン形成装置等に関する。

静電気力を利用してインク等の液体を基材に向けて吐出させて記録を行う、いわゆる静電吐出方式のインクジェット記録装置が知られている。

静電吐出方式のインクジェット記録装置では、液体を吐出する液体吐出ヘッドと、液体吐出ヘッドと対向配置される対向電極との間に基材を配置して記録を行う。対向電極に所定の電位を与えて電界を発生させると、該電界によって、帯電した液体が吐出口や吐出電極から対向電極に向かって液滴として吐出される。この吐出された液滴を基材上に付着させることで、基材上に所定のパターンを形成することができる。

特開２００７−２８９８４５号公報

形成するパターンを微細化するためには、吐出される液滴を微細化する必要がある。特許文献１に記載のように、液体吐出ヘッドにノズルを設けてノズルを先端に向けて狭くすれば、吐出口のサイズを小さくすることができる。これにより、吐出される液滴を微細化することができる。

形成するパターンに所望の機能を発現させるためには、液滴に含まれる導電性粒子や色材などの機能性粒子を、所定の濃度以上の濃度で基材上に付着させる必要がある。しかしながら液滴を微細化すると、それに伴って液滴に含まれる機能性粒子の量も減少してしまう。そのため、液滴を同じ場所に何度も重ねて付着させる必要が生じ、スループットが低下してしまう。一方、あらかじめ濃度の高い液体を用いれば液滴に含まれる機能性粒子の量を増やすことはできるが、液体の粘性が増加して吐出性が低下してしまう。

そこで本発明は上述の課題に鑑み、低い濃度の液体を用いても、機能性粒子を多く含む液滴を吐出することのできる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、第１の電極と、第２の電極と、液体を前記第１の電極の端部に供給する流路と、を有し、前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記第１の電極および前記第２の電極は対向して配置され、それぞれが前記流路の壁面の一部を構成し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が、前記第１の電極の端部に近づくにつれて短くなっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、低い濃度の液体を用いても、機能性粒子を多く含む液滴を吐出することのできる液体吐出ヘッドを提供することができる。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの変形例の構造を模式的に示す図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を模式的に示す図である。 第３の実施形態に係る導電性パターン形成装置の構造を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明においては、その趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下に説明する実施形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものについても本発明の範囲に含まれる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド１０（以下、「ヘッド１０」と称する）の構造について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るヘッド１０の構造を模式的に示す断面図である。

ヘッド１０は、第１の電極１と、第２の電極２と、を有する。第１の電極１と第２の電極２とは対向して配置されており、第１の電極１と第２の電極２との間に流路３が形成されている。流路３の内部には、液体４が流れる。

本実施形態において、液体４は導電性粒子４１を含む液体である。導電性粒子４１の種類は特に限定はされないが、例えば金ナノ粒子や銀ナノ粒子、銅ナノ粒子など金属ナノ粒子や、樹脂粒子の表面に金属メッキを施した粒子、有機半導体粒子、炭素材料粒子などを用いることができる。なお、導電性粒子４１が金属ナノ粒子である場合は、金属ナノ粒子は平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の金属粒子であることが好ましく、平均粒子径が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の金属粒子であることがより好ましい。液体４は、導電性粒子４１を有機溶媒などの分散媒中に分散させた液体を用いることが好ましい。

第１の電極１と第２の電極２は、それぞれが流路３の壁面の一部を構成している。すなわち、第１の電極１および第２の電極２はそれぞれ、流路３の内部を流れる液体４と直接接触している。また、第１の電極１と第２の電極との間の距離は、吐出口５に近づくにつれて短くなっている。すなわち、該距離は第１の電極１の端部に近づくにつれて短くなっている。なお、本実施形態では図１のように第１の電極１が前記第２の電極よりも前記液体の吐出方向に突出している構成について説明するが、これに限定はされない。

液体４は流路３において、液体供給部３１から吐出口５へと流れ、第１の電極１の端部に流れる。すなわち、流路３は液体４を吐出口５に供給する流路であり、流路３は液体４を第１の電極１の端部に供給する流路でもある。液体４は吐出口５において表面張力によって液だまり４２を形成する。

吐出口５から液滴を吐出する際には、ヘッド１０の吐出口５と対向するように、対向電極（不図示）を配置する。不図示の電界発生手段によって対向電極との間に電界が形成され、この電界によって液だまり４２が吸引される。その結果、液だまり４２を形成していた液体４が、液滴となって飛翔する。このとき、対向電極にはパルス電位が印加されることが好ましい。

第１の電極１と第２の電極２は、電圧印加手段６に接続されている。電圧印加手段６は、第１の電極１と第２の電極２にそれぞれ異なる電位を印加する。すなわち、電圧印加手段６は第１の電極１と第２の電極２との間に電圧を印加する手段である。電圧印加手段６は例えば電極パッドなどであり、これに不図示の電源を接続することで、電圧を印加することができる。第１の電極１と第２の電極２は、それぞれ異なる電位が印加可能に構成されている。これにより、流路３内には電界が発生する。

一例として、第１の電極１に負の電位を与え、第２の電極２に正の電位を与えた場合について説明する。電圧印加手段６によって各電極に異なる電位が与えられることで、第１の電極１と第２の電極２との間に電界が形成される。導電性粒子４１はこの電界によって運動する。

導電性粒子４１の運動の向きは導電性粒子４１の電位によって変わるが、例えば、導電性粒子４１は第１の電極１のほうへと移動し、第１の電極１と接触する。導電性粒子４１が第１の電極１と接触すると電荷交換が生じ、導電性粒子４１の電位は第１の電極１と同じ負の電位となる。すると、導電性粒子４１は第２の電極２のほうへと移動していき、やがて第２の電極２と接触する。導電性粒子４１が第２の電極２と接触すると電荷交換が生じ、導電性粒子４１の電位は第２の電極２と同じ正の電位となる。

このように、導電性粒子４１は第１の電極１と第２の電極２との間に形成される電界によって、それぞれの電極との接触を交互に繰り返す反跳運動をする。本実施形態においては第１の電極１と第２の電極２との間の距離は、吐出口５に近づくにつれて短くなっている。それゆえ、第１の電極１と第２の電極２との間に形成される電界の強度は、吐出口５に近づくにつれて強くなっている。このことから、導電性粒子４１は反跳運動をしながら、吐出口５のほうへと移動していく。この結果、導電性粒子４１が液だまり４２に集まり、液だまり４２における液体４において導電性粒子４１の濃度が濃縮されることになる。

一般に液体吐出ヘッドにおいては、吐出口５を小さくすることで吐出される液滴のサイズを小さくすることができる。しかし、吐出される液滴のサイズを小さくすると、吐出された液滴が基材上に付着したときに形成される層の厚さも小さくなる。層の厚さが小さくなると、層に含まれる導電性粒子４１の量が少なくなる。

例えばプリンテッドエレクトロニクスなどのように、印刷によって金属配線を形成するような用途においては、所望の導電性を有する金属配線を形成するためには同じ場所に何度も液滴を吐出して付着させる必要が生じる。このため、スループットが低下してしまう。単純に印字を行う場合においても、所望の濃さの印字物を形成するために同様の課題が生じる。

この場合、吐出する液体４中の導電性粒子４１の濃度を高くすれば、スループットを向上させることができる。しかし、単純に液体４中の導電性粒子４１の濃度を高くすると、液体４の粘性が向上したり、導電性粒子４１の分散性が低下したりする。そのため、吐出性が低下したり、液体４中の導電性粒子４１の濃度にムラが生じたりするなど、別の課題が発生してしまう。

一方、本実施形態では第１の電極１と第２の電極２を上述のように配置することで、導電性粒子４１を流路３内で反跳運動させつつ吐出口５の近傍に濃縮することができる。この結果、液体４の導電性粒子４１の濃度を全体的に高くすることなく、液だまり４２における液体４の導電性粒子４１の濃度を選択的に高くすることができ、スループットを向上させることができる。

図１においては説明を簡略化するために第１の電極１および吐出口５が１つであるヘッド１０について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態に係るヘッド１０は、図２に示すように第１の電極１および吐出口５を複数有していてもよい。

ヘッド１０は図２のように、第１の電極１および第２の電極２が交互に複数配置された一次元アレイ状の構造を有していてもよい。これにより、それぞれの電極間に流路３が形成され、吐出口５も複数形成される。なお、第１の電極１および第２の電極２のアレイは、１対の基板１７によって挟むことで、各流路３を独立させることができる。なお図２においては片方の基板１７については描いていない。

図２に示す構造は、一般のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で作製できる。例えば、半導体シリコン基板をフォトリソグラフィによって加工して、流路３を形成する。流路３を形成することにより、図２に示すような形状の第１の電極１および第２の電極２も同時に形成される。加工したシリコン基板を２枚のガラス基板で挟むことで、図２に示すようなヘッド１０を形成できる。ＭＥＭＳ技術によって形成することで、吐出口５同士の間隔が２０μｍ程度の超高密度（解像度１２００ｄｐｉ相当）の液体吐出ヘッドを形成できる。

なお、上述のような半導体プロセス以外の方法、例えば電解メッキ、ガラス基板への印刷などによってヘッド１０を作製することも可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る液体吐出ヘッド１０１（以下、「ヘッド１０１」と称する）の構造について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係るヘッド１０１の構造を模式的に示す断面図である。ヘッド１０１の基本的な構造は第１の実施形態に係るヘッド１０と同様であるので、ヘッド１０との差異についてのみ説明する。

本実施形態に係るヘッド１０１では、第１の電極１の先端が高抵抗膜１１によって被覆されている。高抵抗膜１１は半導体材料または絶縁体材料であり、絶縁体材料であることが好ましい。

流路３内における導電性粒子４１の濃度を高めると導電性粒子４１同士が近接する。ある一定の濃度を超えると、複数の導電性粒子４１が連なることで第１の電極１と第２の電極２との間で短絡が生じる可能性がある。一方、本実施形態によれば第１の電極１の、流路３の壁面を構成する面の少なくとも一部が高抵抗膜１１によって被覆されているため、上述のような短絡を抑制することができる。

なお、ここでは第１の電極１を高抵抗膜１１によって被覆した例を示したが、これに限定はされない。すなわち、第２の電極２を高抵抗膜１１で被覆してもよいし、両方の電極を高抵抗膜１１で被覆してもよい。

第１の電極１または第２の電極２を被覆する箇所は、両電極の先端付近であることが好ましい。本実施形態においては電極の先端付近において、両電極間の距離が短くなるため、その部分を被覆しておくことで、より効果的に短絡を抑制することができる。

図３に示す構造は、上述のＭＥＭＳ技術で作製できる。具体的には、例えば熱酸化膜、もしくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）酸化膜を、第１の電極１または第２の電極２の所定の位置に成膜することで、高抵抗膜１１を形成することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る導電性パターン形成装置１００（以下、「形成装置１００」と称する）の構造について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る形成装置１００の構造を模式的に示す断面図である。

形成装置１００は、ヘッド１０と、対向電極８と、プラズマ照射手段９０と、を有する。なお、ここではヘッド１０を用いた構成を示すが、これに限定はされず、例えばヘッド１０１を用いた構成としてもよい。

対向電極８は、ヘッド１０と対向して配置される電極である。対向電極８には不図示の電圧印加手段によって電位が印加される。対向電極８に電位が印加されると、対向電極８と第１の電極１または第２の電極２との間に電界が形成される。電界が形成されると、液だまり４２が吸引され、液だまり４２を形成していた液体４が、液滴４３となって飛翔する。なお、対向電極８に印加される電位は、パルス電位であることが好ましい。

ヘッド１０と対向電極８との間には、対向電極８上に載置される形で、基材７が配置される。これにより、対向電極８に向かって飛翔した液滴４３が基材７状に着弾する。対向電極８は水平方向に移動可能に構成されており、対向電極８を水平方向に移動させることで、基材７上の任意の位置に液滴４３を着弾させることができる。これにより、液滴４３を基材７上にパターン状に付着させ、液体４による任意の形状のパターンを基材７上に形成することができる。

なお、対向電極８の下部にヒーター８１を設けて加熱し、基材７を加熱することで、液体４に含まれる溶媒４４を除去して基材７を乾燥させてもよい。溶媒４４を除去することで、基材７上に導電性粒子４３による任意の形状のパターンが形成される。このようにして基材７上に導電性パターンを形成することができる。

導電性粒子４３の種類によってはヒーター８１によって加熱を行うことで、導電性粒子４３同士を焼結させて結着させることもできる。導電性粒子４３同士を結着させることで導電性粒子４３間の抵抗を低減させ、パターンの導電性を向上させることができる。これにより、導電性パターンを形成することができる。例えば導電性粒子４３として銀ナノ粒子を用いた場合には、ヒーター８１によって１００℃程度に加熱することで導電性パターンを形成することができる。

一方、銅ナノ粒子は空気中で酸化されやすく、かつ焼結温度が比較的高いため、窒素、アルゴン気流等の不活性雰囲気下、または水素気流等の還元雰囲気下で３５０℃程度まで加熱する必要がある。そのため、ヒーター８１による加熱によって低抵抗化するためには上述のような条件下で加熱を行う必要がある。還元雰囲気下で焼成を行うために、プラズマ照射装置９０を設けてもよい。プラズマ照射装置９０から照射されたプラズマ９１中でヒーター８１による加熱を行うことで、上述のような条件下で加熱を行うことができる。

また、プラズマ９１を照射することで、基材７の表面の濡れ性を調整することもできる。基材７上に着弾した液滴４３の濡れによる広がりはパターンの線幅や定着性に影響する。したがって、例えば液滴４３を着弾させる前に基材７にプラズマ９１を照射しておくことで基材７の濡れ性を予め調整しておいてもよい。なお、ヒーター８１による加熱は行わずにプラズマ照射装置９０によってプラズマ９１を照射することで、パターンの導電性を向上させることもできる。

１ 第１の電極
２ 第２の電極
３ 流路
４ 液体
５ 吐出口
６ 電圧印加手段
１０ 液体吐出ヘッド

Claims (13)

1. 第１の電極と、第２の電極と、液体を前記第１の電極の端部に供給する流路と、を有し、前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記第１の電極および前記第２の電極は対向して配置され、それぞれが前記流路の壁面の一部を構成し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が、前記第１の電極の端部に近づくにつれて短くなっており、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極のうち、一方に正の電位が印加され、もう一方に負の電位が印加されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記液体が導電性粒子を含む液体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１の電極の端部が前記第２の電極よりも前記液体の吐出方向に突出していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１の電極または前記第２の電極の、前記流路の壁面を構成する面の一部が、半導体材料または絶縁体材料で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第１の電極の端部の少なくとも一部が、半導体材料または絶縁体材料で被覆されていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第１の電極および前記第２の電極を複数有し、前記第１の電極および前記第２の電極が列を形成して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記導電性粒子が、平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の金属粒子であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 第１の電極と、第２の電極と、液体を前記第１の電極の端部に供給する流路と、を有する液体吐出ヘッドと、
   前記液体吐出ヘッドと対向して配置される対向電極と、
   前記第１の電極と前記対向電極との間に電界を発生させる電界発生手段と、を有する液体吐出装置であって、
   前記第１の電極および前記第２の電極は対向して配置され、それぞれが前記流路の壁面の一部を構成し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が、前記第１の電極の端部に近づくにつれて短くなっており、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする液体吐出装置。
10. 前記電界によって前記第１の電極の端部から前記液体を吐出することを特徴とする請求項９に記載の液体吐出装置。
11. 請求項９または請求項１０に記載の液体吐出装置を有し、
    前記対向電極と前記液体吐出ヘッドとの間に配置した基材上に前記液体をパターン状に付着させ、前記基材上に導電性粒子から形成される導電性パターンを形成する導電性パターン形成装置。
12. 前記基材上に付着した前記液体を加熱する加熱手段をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の導電性パターン形成装置。
13. 前記基材上に付着した前記液体にプラズマを照射するプラズマ照射手段をさらに有することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の導電性パターン形成装置。

Images