JP2017104765A - 機能性膜の形成方法と機能性膜の形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体面でも、平面と同等な機能膜を形成するための膜形成方法と膜形成装置を実現すること。【解決手段】上記課題を解決するために、面と勾配面との表面改質をする表面改質工程と、表面改質工程の後、表面改質された平面と勾配面とに、インクジェットヘッドにてインクを塗布する塗布工程と、を含み、勾配面での表面改質の照射量は、平面における前記表面改質の照射量よりも大きい膜形成方法を用いる。対象物の表面改質する表面改質部と、表面改質された対象物にインクを塗布するインクジェット部と、対象物を保持する保持部と、を含み、対象物の表面の傾きに応じて、表面改質の照射量を変える制御部と、を有する膜形成装置を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、機能性膜の形成方法と機能性膜の形成装置に関する。特に、インクジェットヘッドを用いる機能性膜の形成方法と機能性膜の形成装置に関する。

医療現場やヘルスケア、流通や物流、農業、社会インフラなどのあらゆる部分に、様々なセンサーを付加し、センシングデータを生活、社会に役立てていこうとする「トリリオン・センサー社会」が実現しようとしている。

トリリオン・センサー社会とは、毎年、１兆個のセンサーを活用する社会のことを意味する。このようにセンサー数が増えると共に、センサー等の３次元形状を有する構造物の表面に導体配線を直接描画し、立体配線を行う技術が注目を浴びている。

従来例として、特許文献１の方法を図５の模式図で説明する。特許文献１の図５では、基材１の表面に撥水加工１１を行う。次に、レーザ装置１２ｂを用いて、Ｘ−Ｙテーブル１２ａの基材１にパターンを形成する。その後、基材１の洗浄１４を行い、乾燥１５させる。その後、Ｘ−Ｙテーブル１６ａ上に搭載した基材１のパターンにインクジェット１６ｂを用いて、インクを塗布する。結果、基材１上に配線形成を行うというものである。

特開２００３−１８８４９７号公報

上記従来技術では、基材に形成された撥水膜をレーザにより濡れ性を改善し、濡れ性を改善したパターン表面上に、インクを吐出し、均一な機能膜を実現している。

ところが、基材の表面が、勾配、曲面を有する立体面の場合、立体面にレーザ等を用いて、表面改質を行っても、平面と勾配面とで、均一な機能膜の形成を行うことができない場合がある。なぜなら、基材の表面の膜の種類、表面改質のレベル、インクの種類により大きく影響を受けるためである。それぞれの関係が合わないと、平面と勾配面とに均質な機能膜を形成できない。

そのため、本願課題として、立体面と平面とに均質な機能性膜を形成するための機能性膜の形成方法と機能性膜の形成装置を提供することとする。

上記課題を解決するために、基材の平面と勾配面とで、同じ表面膜の密度、又は、同じ表面凹凸の密度にする表面改質をする表面改質工程と、表面改質された平面と勾配面とに、インクジェットヘッドにてインクを塗布する塗布工程と、を含む機能性膜の形成方法を用いる。

また、対象物の表面改質する表面改質部と、表面改質された前記対象物にインクを塗布するインクジェット部と、対象物を保持する保持部と、対象物の表面の傾きに応じて、表面改質部の出力を変える、又は、表面改質部の移動速度を変える、制御部と、を有する機能性膜の形成装置を用いる。

本願発明では、基材の平面と勾配面とに、同じレベルの表面改質を行う。このことで、その上に形成される膜が均質となる。

また、立体形状に応じて、単位面積当たりの同じ表面処理のレベルを行うことにより、インクジェットにより塗布する面の濡れ性を均一にし、塗布、乾燥後に均一な機能膜を形成する。

実施の形態１の勾配への塗布を示す図 実施の形態１の勾配面の頂点へ塗布を示す図 （ａ）〜（ｆ）実施の形態１の勾配面の塗布と機能膜形成状態を示す図 （ａ）〜（ｅ）実施の形態２の曲面の塗布と機能膜形成状態を示す図 従来技術を説明する模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１を、図１を用いて説明する。実施の形態１では、基材４３が段差形状を有する場合に、インクジェットヘッド３０を用いて段差に均一な機能性膜（電極など機能を有する膜）を形成する場合である。

実施の形態１では、平面４０と勾配面３８とを有する立体形状に対して、表面に表面膜として撥水膜、または、親水膜を形成し、その膜を表面改質部３１で除去し、インクジェットヘッド３０により、液滴３５を吐出させる。液滴３５が複数集まって、液滴群３７となり、機能膜となる。

表面膜と表面処理とインクの種類の組み合わせは、表１に示すように、タイプＡ〜タイプＤがある。

タイプＡでは、表面膜として撥水膜を基材４３に設ける。必要な部分の撥水膜の一部を表面処理で除く。その上から水性の液滴３５（インク）を塗布する。平面４０と勾配面３８との撥水膜の密度を同じにすることで、塗れ広がり性を同じにする。結果、液滴３５は均質に広がり、機能膜が平面、勾配面に均質に形成される。

タイプＢでは、撥水膜を基材４３に設ける。必要な部分の撥水膜の全てを表面処理で除き、さらに、基材４３の表面に凹凸を形成する。その上から水性の液滴３５を塗布する。平面と勾配面とで凹凸の密度を同じにする。機能膜が平面、勾配面に均質に形成される。なお、基材４３の凹凸により、水性、または、油性のどちらが増すかどうかは、基材４３の材質による。

たとえば、撥水性のプラスチックフィルム表面にナノ構造体の凹凸が付与されると撥水性から親水性に変化する。そのため、タイプＢでは、凹凸で、親水性が増加する基材４３の場合に用いられる。タイプＤは、凹凸で、撥水性が増加する基材４３の場合に用いられる。

タイプＣ、Ｄでは、上記タイプＡ，Ｂとインク、膜の種類が異なるだけであるので、説明を省略する。

なお、上記では、表面膜として、撥水膜、または、親水膜を形成したが、基材４３自体、基材４３上の自然膜、または、基材４３の表面の状態が、撥水性、または、親水性であれば、撥水膜、または、親水膜を形成する必要はない。

自然膜とは、特別な処理なく、基材表面に形成される酸化膜などである。

＜基材４３＞
基材４３は、シリコン材料、ガラス材料、ポリイミド材料、ＰＥＴ材料、ＰＥＮ材料等を用いることができる。基材４３上に、撥水材料をスピンコート、ダイコート、あるいはインクジェットを用いて、撥水コーティングを行う。撥水コーティングは、フッ素を含む材料でコーティングすることが好ましい。

＜撥水膜、親水膜＞
また、撥水膜、親水膜として単分子膜等を用いてもよい。単分子膜を用いることにより、分子単位でコーティングすることができ、表面改質部３１としてレーザを用いた時、膜を容易に除去することが可能となる。単分子膜は、主にシリコン材料、金でコーティングされた表面上に形成することができ、これらの材料の上にインクジェットで形成することが有効である。上記撥水コーティングの場合は数１０ｎｍのコーティング膜厚を有し、単分子膜の場合は０．１〜１ｎｍの膜厚を有している。

＜液滴３５＞
実施の形態１では、銀ナノインク、銀塩インク等を液滴３５として塗布してパターンを形成している。なお、インク材料に関しては、金ナノインク、銅ナノインク、ＩＴＯインク等を用いてもよい。インクは、上記のようにタイプに水性インク、油性インクを用いる。

銀ナノインクは、銀ナノ粒子の表面を有機材料でコーティングさせ、溶液中に分散させている。

また、銀塩インクは、銀をイオンとして溶液中に溶解させている溶液である。銀の濃度としては１０〜５０ｗｔ％のものを用いることが好ましい。好ましくは１０〜２０ｗｔ％のものを用いることが好ましい。

＜表面改質部３１＞
表面改質部３１は、基材４３の表面の状態を改質するものである。表面改質部３１として、レーザ、または、ランプを用いることができる。ＵＶランプ、エキシマランプを用いるのが好ましい。使用する波長は、１７２ｎｍ、２２２ｎｍ、３０８ｎｍのものが好ましい。波長が低いほど、分子同士の高い結合エネルギーを切断することができるために、不純物等が多く含まれている表面には短波長のレーザあるいはランプを照射することが好ましい。

＜条件＞
本実施の形態は、インクジェットヘッド３０から吐出された液滴３５は、直径が１０〜３０μｍのものを用いることができる。パターン幅としては、ラインアンドスペースで３０μｍ以上のものを描画できる。本実施の形態で用いたパターン幅は３０μｍである。また、導電粒子２０ｗｔ％のインクを用いて描画したときの膜厚は５０〜２００ｎｍである。また、インクジェットヘッド３０と表面改質部３１の速度は、１０〜３００ｍｍ／ｓｅｃである。
なお、インクジェットヘッド３０と表面改質部３１と、基材４３とは、相対移動させればよい。相対移動速度で、どちらかを移動させる。

インクジェットヘッド３０と表面改質部３１とは同時（一体として）に動くようになっている。表面改質部３１の直後にインクジェットヘッド３０が移動する構成が必要である。

また、表面改質部３１は、平面４０あるいは、勾配面３８に対して一定の距離３２を保つようになっている。表面改質部３１は、平面に対して、一定の焦点距離を保つことにより、表面の改質状態を均一に実現することが可能となる。

表面改質では、上記表１で説明したように、基材４３の表面に形成した撥水膜、親水膜を全部除去、または、一部除去することである。または、すでに基材４３の表面に存在する自然膜を全部除去、または、一部除去することである。または、撥水膜、親水膜を除去し、膜が形成されていない場合、または、撥水膜、親水膜を形成しない場合は、基材４３の表面に凹凸を設けることである。表面に付着した自然膜、酸化物、不純物を除去し、親水性、親油性にすることを意味する。

表面改質部３１がレーザの場合、短波長ほど、表面に付着した結合状態を切断できるので短波長で処理することが望ましい。また、表面改質部３１を用いて、表面の撥水膜、単分子膜を除去する際の環境については、窒素雰囲気中、あるいは真空中で行うことがより望ましい。インクジェットヘッド３０と表面改質部３１は、操作方向３６に移動することができる。表面改質部３１により処理された表面状態の変化が生じないうちにインクを塗布する必要がある。

表面改質部３１は、インクジェットヘッド３０で液滴３５を打つ直前に平面４０、勾配面３８の表面改質を行う。表面改質状態が維持された状態で、インクが塗布されるようにするためである。そのため、表面改質部３１は、インクジェットヘッド３０の移動方向の前に取り付ける必要がある。表面改質部３１とインクジェットヘッド３０との距離３２は、１０ｍｍ以上開いていることが好ましい。

また、表面改質部３１の漏れ光がインクジェットヘッド３０に影響するのを抑制する必要がある。このために、インクジェットヘッド３０と表面改質部３１と間には敷居４１を設けることが好ましい。敷居４１はインクジェットヘッド３０と表面改質部３０（レーザ）との間にあり、焦点距離から５ｍｍ以下のところにあるのが好ましい。敷居の高さが高くなるとインクジェットヘッド３０表面に表面改質部３１の光が回りこみ、インクジェットヘッド３０表面がダメージを受けやすくなる。特に、ＵＶインクを用いている場合にはインクが硬化してしまいノズルが詰まりやすくなってしまう。硬化型インクの場合でも、インクがレーザで硬化してしまう。

＜タイプＡのプロセスを中心に説明＞
以下、表１のタイプＡについて説明する。つまり、基材４３の表面の撥水膜を一部除去する。勾配面３８と平面４０とで、均質に撥水膜を除去する。結果、均質な機能膜を形成する。表面膜は撥水膜、インクは水性である。

＜表面改質部３１の照射量＞
この実施の形態１では、インクを塗布させる表面の状態を、撥水性の状態から親水性の状態（接触角が３０°以下）へ変化させる。このことにより、インクジェットヘッド３０から吐出した液滴３５は、平面４０、勾配面３８上での塗れ広がり性を向上させることができる。なお、表面改質を行う際は、窒素雰囲気３９で行うことが好ましい。

勾配面３８の勾配角度θの場合、平面４０を通過するときの表面改質部３１（レーザなど）の照射量を照射量Ｗ１とすると、勾配面３８での照射量Ｗ２は、式１のように書き表すことができる。

Ｗ２＝Ｗ１／ｃｏｓ（θ）・・・（式１）
このように、勾配面で表面改質部３１の照射量を上昇させることにより、表面の撥水膜の量（密度）は、平面４０と勾配面３８とで同じになる。平面４０と勾配面３８と同じレベルの密度で、表面改質を実現することが可能となる。つまり、平面４０と勾配面３８とで、同じ撥水膜の密度となる。ここで、タイプＢの場合では、表面処理部分の撥水膜は完全に除去され、基材４３の表面凹凸の密度を同じにする。平面４０と勾配面３８とで、同じ凹凸密度の表面改質性を有する。

なお、この例の図１では、勾配面３８の勾配角度θが正の傾きの場合の図となっているが、勾配面３８の勾配角度θが負の傾きになっている場合においての照射量をＷ３とすると、式２のように演算することができ、勾配角度正の場合でも、負の場合でも照射量Ｗ３は同様となる。

Ｗ３＝Ｗ１／ｃｏｓ（−θ）＝Ｗ１／ｃｏｓ（θ）・・・（式２）
ここで、平面４０に対して、勾配面３８の傾きθは０°〜８５°までが望ましい。平面４０に対しての勾配角度が８０°〜９０°の場合は、基材４３を傾けて塗布してもよい。基材４３を傾ける場合は、基材４３を図２に示したように、ステージ４４に取り付けてある回転軸４５の回りに、４５°程度回転させ、斜面４６に液滴３５をインクジェットヘッド３０にて塗布することが好ましい。

ここで表面改質部３１の照射量は、表面改質部３１の出力である。

＜プロセス＞
図３（ａ）〜図３（ｆ）は、インクジェットヘッド３０から液滴３５を吐出させ、機能膜を形成しているプロセスを示す。図３（ａ）、図３（ｃ）、図３（ｅ）は、平面図を示す。図３（ｂ）、図３（ｄ）、図３（ｆ）は、断面図を示す。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、表面改質部３１により表面改質をしなかった場合のインクジェットヘッド３０から吐出された液滴３５を示す。つまり、表面改質をしなかった場合、撥水膜が表面にあり、水性インクは、弾かれ、液滴は濡れ広がりにくくなる。このために、液滴３５の乾燥後、ドット状の形状がつながった状態になる。本実施の形態で用いた液滴の大きさは直径２０μｍのものを用い、レーザの照射幅は３０μｍの幅で照射している。この時、インクジェットヘッド３０から吐出された液体は、照射幅が３０μｍの範囲で濡れ広がり、銀ナノインクで２０ｗｔ％の液体を用いた場合には、１００ｎｍの膜厚を形成することが可能になる。

次に、平面４０と勾配面３８を表面改質用の表面改質部３１から同じ照射量で表面改質してから、インクジェットヘッド３０で液滴３５の塗布を行うと、図３（ｃ）、図３（ｄ）のようになる。これは、表面改質部３１の勾配面３８に対する照射量を平面４０で照射するのと同等の照射量で照射したために、勾配面３８における表面改質が十分にできなかったためである。つまり、タイプＡでは、撥水膜の密度、タイプＢでは、表面凹凸の密度が平面４０と勾配面３８とで異なる。

勾配面３８の表面の改質が十分にできていないために、平面４０ではインクジェットヘッド３０で塗布した液滴３５が濡れ広がることができるが、勾配面３８では、インクジェットヘッド３０で塗布した液滴３５が濡れ広がりにくいということを表している。

ところが、図３（ｅ）、図３（ｆ）では、式１で示されたように勾配面３８に照射量を上げた。すると、液滴塗布後、膜厚の均一化を実現することが可能となった。つまり、タイプＡでは、撥水膜の密度、タイプＢでは、表面凹凸の密度が、平面４０と勾配面３８とで同じ。

なお、勾配面３８におけるインクジェットヘッド３０のドット数（液滴数）は勾配面３８の長さに応じて、ドット数を変化させることが好ましい。つまり、勾配面３８の距離に応じて、液滴３５の数を変化させることが好ましい。

つまり、平面４０、勾配面３８での水平方向の移動距離ｄ１、その区間を塗布するために必要なインクジェットヘッド３０から吐出される液滴３５の数ｎ１、勾配面３８での吐出される液滴３５の数ｎ２とすると、均質な膜形成するには以下の式３となる。

ｎ２＝ｎ１×（ｄ１／ｃｏｓ（θ））／ｄ１＝ｎ１／ｃｏｓ（θ）・・・（式３）
つまり、勾配面３８の単位距離あたりのインクジェットノズルからの液滴３５の数は、平面４０の単位距離あたりのインクジェットノズルからの液滴３５の数と同じである。

なお、実施の形態１では、勾配面３８に応じて、表面改質部３１の照射強度をリアルタイムで変更を行った。平面４０での単位面積当たりの照射時間をｔ０とすると、勾配面３８での照射時間ｔ１は、式４に示したように勾配面３８での照射時間を変更してもよい。

ｔ１＝ｔ０×（Ｗ１／ｃｏｓ（θ））／Ｗ１＝ｔ１／ｃｏｓ（θ）・・・（式４）
つまり、勾配面３８での単位面積当たりの照射時間は、ｔ１／ｃｏｓ（θ）となる。このために、勾配面３８では、インクジェットヘッド３０のドットは平面４０よりも時間をかけて打つことになる。本実施例では、導電性のあるインクの液体の塗布方法について適用したが、導電性のない液体についても適用できる。本実施例では、配線、抵抗、半導体等の機能膜を勾配面、曲面に均一に形成することを目的として開発したが、導電性のない液体（例えばＵＶインク等）についても、勾配面、曲面に均一な機能膜を形成することにより、ムラのデザインを形成することが可能となる。

上記では、表面改質部３１の移動速度を一定として、表面改質部３１の照射量を変化させたが、単位表面積あたりの照射量を同じにしてもよい。すなわち、照射量を同じにして、表面改質部３１の移動速度を変化させてもよい。勾配面３８の移動速度は、平面４０の移動速度のｃｏｓ（θ）倍としてもよい。

なお、塗布装置には、制御部４７があり、上記制御を行う。

また、上記は、タイプＡを中心にタイプＢも説明したが、同様に、タイプＣ、Ｄの場合も同様である。破水膜を親水膜へ、水性インクを油性インクへ、変更すれば同様である。

（実施の形態２）
以下、タイプＡの場合で説明する。他のタイプの場合も同様である。

図４（ａ）〜図４（ｅ）は、実施の形態３のプロセスを示す図である。図４（ａ）、図４（ｃ）、図４（ｅ）は、断面図を示す。図４（ｂ）、図４（ｄ）は、平面図を示す。

平面４０と曲面５０を有する立体形状にインクジェットヘッド１０により、機能膜を形成させるプロセスである。なお、曲面５０は、勾配面３８の一種とする。曲面５０は、傾きが変化する勾配面３８である。

曲面５０をインクジェットヘッド３０により塗布する場合、表面改質部３１により照射するポイントにおける曲面の角度αとポイントの接線における角度βとは等しく、角度θとなる。このため、曲面５０における表面改質部３１の照射量Ｗ４は、式５で計算できる。

Ｗ４＝Ｗ１／ｃｏｓ（θ（ｔ））・・・（式５）
ここで、θ（ｔ）は、ｔ秒後の曲面における接線における角度βを表している。

表面改質部３１の一定速度での移動とともに、角度θが変化する。この変化に合わせて、表面改質部３１の照射量（出力）を変化させる。または、表面改質部３１の照射量を一定にし、角度θの変化に応じて、表面改質部３１の移動速度を変化させてもよい。２点間の角度θの変化量に応じて、移動速度をｃｏｓ（θ）倍としてもよい。

また、曲面５０におけるインクジェットヘッド１０のドット数は、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示したように、平面４０、曲面５０に対してインクジェットヘッド３０から吐出する液滴３５の間隔は、円弧の接線の角度βが大きいほど、インクジェットヘッド３０から吐出させる液滴３５の数は増加することが好ましい。また、このようにインクジェットヘッド３０から液滴３５を吐出させることにより、図４（ｄ）、図４（ｅ）に示したように液滴３５の乾燥後、均一な機能膜を形成することが可能となる。

なお、上記方法を実現できる装置としては、表面改質部と、表面改質された被対象物にインクを塗布するインクジェット部と、被対象物を保持する保持部と、を含み、被対象物の表面性に応じて、前記表面改質部の出力、又は、移動速度を変える制御部と、を有する膜形成装置となる。

なお、塗布装置には、制御部４７があり、上記制御を行う。

また、上記実施の形態は、組み合わせることができる。

本願発明の装置、方法は、各種基材上へ各種ペーストを塗布する回路基材の分野、電子部品の分野、電子機器の分野などで広く利用される。

１ 基材
１０ インクジェットヘッド
１１ 撥水加工
１２ａ Ｘ−Ｙテーブル
１２ｂ レーザ装置
１４ 洗浄
１５ 乾燥
１６ａ Ｘ−Ｙテーブル
１６ｂ インクジェット
２０ 直径
３０ インクジェットヘッド
３１ 表面改質部
３２ 距離
３５ 液滴
３６ 操作方向
３７ 液滴群
３８ 勾配面
３９ 窒素雰囲気
４０ 平面
４１ 敷居
４３ 基材
４４ ステージ
４５ 回転軸
４６ 斜面
４７ 制御部
５０ 曲面
α 角度
β 角度
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ 照射量
ｔ１ 照射時間

Claims (12)

1. 基材の平面と勾配面とで、同じ表面膜の密度、又は、同じ表面凹凸の密度にする表面改質をする表面改質工程と、
   前記表面改質された前記平面と前記勾配面とに、インクジェットヘッドにてインクを塗布する塗布工程と、を含む機能性膜の形成方法。
2. さらに、前記基材の表面に、前記表面膜として、撥水膜、又は、親水膜を形成する膜形成工程を、有する請求項１記載の機能性膜の形成方法。
3. 前記表面改質工程では、前記基材の表面の自然膜、または、前記表面膜の一部を除去する請求項１記載の機能性膜の形成方法。
4. 前記表面改質工程では、前記基材の表面改質部分の前記自然膜、または、前記基材の表面改質部分の前記表面膜の全部を除去する請求項１または２記載の機能性膜の形成方法。
5. 前記表面改質工程において、
   前記勾配面の前記平面に対する傾斜角度がθの場合、前記勾配面での前記表面改質部の出力は、前記平面での前記表面改質部の出力を１／ｃｏｓθ倍にした請求項１から４のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
6. 前記表面改質工程において、
   前記勾配面の前記平面に対する傾斜角度がθの場合、前記勾配面での前記表面改質部の相対移動速度を、前記平面での前記表面改質部の相対移動速度のｃｏｓθ倍にし、前記表面改質部の出力を一定にする請求項１から４のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
7. 前記勾配面が、曲面であり、
   前記曲面の各地点での傾きに応じて、前記表面改質部の出力、または、前記表面改質部の相対移動速度を変化させる請求項１から４のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
8. 前記勾配面の単位距離あたりの前記インクジェットノズルからの液滴数は、前記平面の単位距離あたりの前記インクジェットノズルからの液滴数と同じである請求項１から７のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
9. 前記勾配面の傾きが大きいほど、前記インクジェットヘッドから吐出させる液滴の水平方向の間隔を短くする請求項１から８のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
10. 前記表面改質部は、レーザを使用する請求項１〜９のいずれか１項に記載の機能性膜の形成方法。
11. 対象物の表面改質する表面改質部と、
    前記表面改質された前記対象物にインクを塗布するインクジェット部と、
    前記対象物を保持する保持部と、
    前記対象物の表面の傾きに応じて、前記表面改質部の出力を変える、又は、前記表面改質部の移動速度を変える、制御部と、を有する機能性膜の形成装置。
12. 前記表面改質部と前記インクジェット部とは、一体として移動する請求項１１記載の機能性膜の形成装置。
    

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