JP2017109339A - 液滴の塗布方法と塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸のある基材に、インクを塗布してパターンを形成する場合でも、着弾位置精度を悪化させることなく、塗布形成可能な塗布方法を提供すること。【解決手段】上記の課題を解決するために、ノズルから対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得工程と、上記第１距離に応じて圧電素子を制御する制御工程と、上記ノズルから上記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布工程と、を含み、上記制御工程では、上記液滴は同じ着地速度で、上記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布方法を用いる。また、ノズルから凹凸を有する対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得部と、第１距離に応じて圧電素子を制御する制御部と、上記ノズルから上記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布部と、を含み、上記制御部では、第１距離に依存せず、上記液滴は同じ速度で、上記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布装置を用いる。【選択図】図８

Description

本発明は、凹凸のある基材に対する、インクジェットを用いた、液滴の塗布方法と液滴の塗布装置とに関する。

近年、インクジェット技術を用いて電子デバイスを製造する方法が注目を集めている。

インクジェット技術による製造は、蒸着技術などに比べ設備構成がシンプルで安価な製造が可能である。また、インクジェット技術は直接パターニング技術であるため、蒸着技術におけるマスクが不要となる。さらに、対象物の大型化が可能である。例えば、表示電子デバイスにおいては、大画面への市場要求が高まり、インクジェット塗布による電子デバイス製造技術への期待は高まっている。

また、配線形成や、加飾、生体物の塗布など、インクジェット技術は、近年様々なものに応用されようとしている。

特に、配線形成技術については様々な検討がなされており、平面基材への配線形成は、もちろんのこと、ＭＥＭＳセンサーデバイスと基板を直接電気的に接続するために、段差を乗り越えた配線形成技術が盛んに行われている。

図１（ａ）と図１（ｂ）とにインクジェットヘッドの構造を示す。

インクジェットヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル１００、ノズルに連通する圧力室１１０、異なるノズルに対応する圧力室を隔てる隔壁１１１、圧力室の一部をなすダイアフラム１１２、ダイアフラムを振動させる圧電素子１３０、隔壁を支える圧電部材１４０、圧電素子に電圧を印加する共通電極（図示せず）を有する。他に図示しない液体の導入口を有する。

また、液体を循環する種類のインクジェットヘッドにおいては、図示しない液体注入口と排出口とを有する。圧電素子１３０と隔壁を支える圧電部材１４０とは、一つの圧電部材からダイシングによって分離されている。インクジェットヘッドが有するノズル１００は、直径２０μｍ〜５０μｍで、１００μｍ〜５００μｍの間隔で１００穴〜３００穴並んでいる。

このように構成されたインクジェットヘッドは、次のように動作する。圧電素子１３０の裏側の共通電極（図示せず）と、圧電素子１３０の間に電圧を印加すると、圧電素子１３０が図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態に変形する。圧電素子１３０が変形する（圧電素子１３０の下部が変形）と、圧力室１１０の容積が小さくなり、液体に圧力を加えることができる。その圧力で液体を吐出させている。

インクジェットヘッドの構造としては、薄膜の圧電素子を用いた構造でもよい。図２は、薄膜型インクジェットヘッドの構造を示す図である。図２に液体を吐出するためのノズル２００、ノズルに連通する圧力室２１０、圧力室に液体を供給する共通圧力室２３０が繋がっている。圧力室の一部を成すダイアフラム２１２の上部に薄膜圧電素子２２０が構成されている。このように構成されたインクジェットヘッドは次のように動作する。薄膜圧電素子２２０に電圧を印加すると、薄膜圧電素子２２０が図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変形する。薄膜圧電素子２２０が変形すると、圧力室２１０の容積が小さくなり液体に圧力を伝達することができる。その圧力で液体を吐出させている。

高精度に配線パターンを形成する方法として、特許文献１では、レーザーを援用したインクジェット法で、高アスペクト比の配線パターンを、表面の荒れた基材にも形成できることを示している。

通常では、インクジェットで塗布すると、塗布されたインクが乾燥するまでに、基材上で濡れ広がってしまい、塗布線幅が太くなってしまうが、特許文献１の技術を用いれば、塗布したインクをＣＯ_２レーザーで局所的に加熱することで、着弾したインク液滴のレオロジーを制御して、インクの濡れ広がりを精密制御することで、高アスペクト比の配線パターンを、表面の荒れた基材にも形成することを可能にしている。

国際公開第２０１４／０６９３５０号

特許文献１の塗布方法によれば、塗布液滴の濡れ広がりを抑えて高精度に配線形成することは可能である。しかし、図３の断面図に示すように、段差３０２のある基材３０４へ液滴３０１を塗布し、塗布膜３０３を形成する時には、問題がある。

この場合、ノズル３００から基材３０４までの距離が場所により異なる。このため、液滴３０１の着弾時の吐出液滴の速度のばらつきによる、着弾位置精度の悪化は避けられない。ノズル３００を場所により上下させる方法も考えられるが、ノズル３００を動かすと圧力室内のインクが揺れることにより、メニスカス位置が不安定になり、吐出性能の低下を招きかねない。このため、ノズル３００は固定しておくことが望ましい。

ノズル３００から基材３０４までの距離が長くなると、液滴３０１の着弾までの時間が長くなるだけでなく、空気抵抗や外環境の気流などによる速度低下が発生する。速度が低下すれば、気流などにより着弾位置精度に悪影響を及ぼし、塗布品質が低下してしまう。

図４のグラフには、基材３０４表面での液滴の速度と、ノズル３００から基材３０４表面までの距離との関係を示している。

液滴体積が４ピコリットルのヘッドＡと、液滴体積が１ピコリットルのヘッドＢとにより、ノズル３００からの基材３０４までの距離と液滴の速度との関係である。

液滴体積の小さなヘッドＢでは、ノズル３００からの距離が長くなることによる液滴の速度の低下が顕著に現れていることがわかる。

図５（ａ）には、ヘッドＡとヘッドＢで、駆動電圧と液滴の速度（ノズル３００から０．５ｍｍ離れた位置での速度）の関係、図５（ｂ）には、ヘッドＡとヘッドＢで、駆動電圧と液滴体積の関係を示している。駆動電圧を高く設定すれば、液滴の速度を上げることは可能であるが、駆動電圧を上げると、同時に液滴体積も大きくなってしまう。液滴体積が変わると、基材３０４に塗布される塗布量が変わる。この場合、配線パターンであれば、線幅や膜厚が変わってしまい、配線抵抗のばらつきに繋がってしまう。このため、液滴体積を一定にすることは必要不可欠である。

よって、本願の課題は、液滴体積を一定のまま、液滴の初期速度のみを変えることが可能な液滴の塗布方法と液滴の塗布装置とを提供することである。

上記の課題を解決するために、ノズルから対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得工程と、上記第１距離に応じて圧電素子を制御する制御工程と、上記ノズルから上記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布工程と、を含み、上記制御工程では、上記液滴は同じ着地速度で、上記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布方法を用いる。

また、ノズルから凹凸を有する対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得部と、上記第１距離に応じて圧電素子を制御する制御部と、上記ノズルから上記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布部と、を含み、上記制御部では、上記第１距離に依存せず、上記液滴は同じ速度で、上記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布装置を用いる。

本発明の塗布方法によれば、液滴体積を一定に保ち、吐出速度を変えることが可能となる。段差のある基材に塗布する場合でも、着弾位置精度を保ちつつ、均一な線幅、膜厚の塗布パターンを形成することができる。

（ａ）従来のバルク型インクジェットヘッドの構造、（ｂ）従来の圧電素子に電圧が印加されたときのヘッドの状態を示す図 （ａ）従来の薄膜型インクジェットヘッドの構造、（ｂ）従来の圧電素子に電圧が印加されたときのヘッドの状態を示す図 従来の方法で、段差のある基材に塗布する様子を示す図 従来のノズルで、ノズルからの距離（第２距離）と液滴の速度の関係を示す図 （ａ）従来のノズルでの駆動電圧と液滴の速度との関係を示す図、（ｂ）従来のノズルでの駆動電圧と液滴体積の関係を示す図 実施の形態の液滴の初期速度と液滴体積の関係を示す図 実施の形態の液滴の初期速度と飛翔角度の関係を示す図 実施の形態の駆動波形のスルーレートと体積１．２ｐＬ時の液滴の初期速度の関係を示す図 実施の形態の塗布装置を示す図

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）
実施の形態の液滴の塗布方法、液滴の塗布装置について説明する。実施の形態のインクジェットヘッドの構造は、図１で示したバルク型ピエゾのヘッド構造と同じである。ただし、制御部、プロセスが異なる。

圧電素子１３０に印加する電圧を変えることで、液滴の速度と液滴の体積が同時に変わることは、前述したとおりである。

圧電素子１３０の変位により、圧力室１１０の容積が変化し、その容積変化で、ある液滴の初期速度、体積で液滴が吐出される。

液滴の初期速度は、圧力室１１０の容積の時間当たりの変化量と、圧力室１１０の容積の変化量の絶対値で決まる。同じ駆動電圧を圧電素子１３０に印加した場合、時間当たりの電圧変化量が大きければ、液滴の初期速度は速くなり、逆に、時間当たりの電圧変化量が小さければ、液滴の初期速度は遅くなる。

よって、液滴の初期速度は、スルーレート（時間あたりの電圧変化量）と駆動電圧の大きさ（最大値）との二つのパラメータに寄与する。

一方、液滴体積は、圧力室１１０の変化量（駆動電圧の最大の大きさ）自体で決まり、圧力室１１０の容積の変化速度はあまり関係しない。よって、液滴体積は、スルーレートはあまり寄与せずに、ほぼ駆動電圧の大きさ（最大値）で決まる。今回、液滴体積は変化させないので、駆動電圧の最大値は変更しない。

以上のことから、駆動電圧の波形のスルーレートＳＲを適切に変えることで、液滴体積は一定のまま、液滴の初期速度のみを変えることが可能となる（表１）。

＜液滴の初期速度と液滴体積との関係＞
図６は、実施の形態における液滴の初期速度（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）と液滴の体積を示す図である。駆動電圧波形のスルーレートＳＲを、３０Ｖ／ｕｓ、３５Ｖ／ｕｓ、４０Ｖ／ｕｓと変えることにより、同じ液滴体積であっても液滴の初期速度が変わっていることがわかる。

例えば、駆動電圧波形のスルーレートＳＲを３０Ｖ／ｕｓにした場合は、液滴体積が１．１ピコリットルのときに液滴の初期速度が３．７ｍ／ｓであるのに対して、スルーレートＳＲを４０Ｖ／ｕｓにした場合は、液滴体積が１．１ピコリットルのときに液滴の初期速度が５．０ｍ／ｓとなっていることがわかる。

＜液滴の初期速度と液滴の飛翔角度の関係＞
また、図７は、液滴の初期速度（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）と液滴の吐出角度ばらつきとの関係を示す図である。液滴の初期速度が４〜５ｍ／ｓ程度を境に吐出角度のばらつきが悪化していっていることがわかる。図７は、同じ液滴体積（液滴量）でのデータである。

液滴の吐出角度は、吐出する液体の種類とインクジェットヘッドの構造によって決まる。

＜着弾位置を精度良く液滴を塗布する概略＞
図４のように、ノズル３００からの基材３０４（対象物）までの距離（第１距離）と液滴の速度との関係がわかっていれば、駆動電圧波形のスルーレートＳＲを調整して場所によって塗布条件を変える。このことで、段差のある基材３０４に対しても、着弾位置精度良く液体を塗布することが可能となる。

距離（第１距離）は、塗布する基材３０４の高さ方向の寸法データから求める。もしくは、レーザー変位計などでノズル３００から基材３０４までの距離（第１距離）を随時測定しながら、その測定値に応じて、上記塗布をすることもできる。

＜着弾位置精度良く液体を塗布する詳細＞
（１）ノズル３００から基材３０４の表面までの距離（第１距離）から液滴の吐出初期速度を求める。

図３のような０．５ｍｍの段差がある基材３０４に対して、液滴を塗布する時を例にして、詳細な条件を説明する。面Ａはインクジェットヘッドからの距離（第１距離）が０．５ｍｍである面を、面Ｂはインクジェットヘッドからの距離（第１距離）が１．０ｍｍである面を示す。面Ｃはある傾斜角で斜面になって、距離が変化している面を示している。使用したインクジェットのノズル３００は、液滴体積がおおよそ１．０ｐＬであるヘッドＢを用いた。

面Ａでは、駆動波形のスルーレートＳＲは３０Ｖ／ｕｓに設定して、液滴体積が１．２ｐＬになるような条件で、液滴を吐出させた。この時の液滴の初期速度は４．７ｍ／ｓであった。

図４で、ヘッドＢでのノズルからの距離（第２距離）（Ｘ）と液滴の速度（Ｙ）とのデータより、これらを線形近似すると、式１のような第１関係になる。

Ｙ＝−２．２７２４Ｘ＋６．４３５５・・・（式１）
ノズル３００からの距離（第２距離）に対して、液滴の速度は、初速によらず、一定の傾き（比例係数、−２．２７２４）で低下していくことがわかっているため、ヘッドＢと、実施の形態で使用しているインクとの組合せにおいては、ノズル３００からの距離（第２距離）が１ｍｍ離れると、２．２７２４ｍ／ｓの割合で速度が低下していく。

よって、面Ａに対して、ノズルからの距離（第１距離）が０．５ｍｍ大きくなっている面Ｂでは、ＳＲが３０Ｖ／ｕｓの駆動波形を用いた場合、面Ｂに着弾するときの液滴の速度は、面Ａに対してより、式２のように、速度が減少する。２．２７２４ｍ／ｓは上記の比例係数である。

２．２７２４×０．５＝１．１３ｍ／ｓ・・・（式２）
面Ａと面Ｂとで着弾時の液滴の速度をどちらも同じにするためには、面Ｂを塗布するときは、ノズルから吐出する液滴の初期速度（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）を１．１３ｍ／ｓ速くなるように駆動波形のスルーレートＳＲを設定する必要がある。つまり、４．７ｍ／ｓに１．１３ｍ／ｓを足して、５．８３ｍ／ｓとする。

なお、上記は差分で、比例計算したが図４から、基材３０４上で同じ速度となるように初期速度を求めてもよい。

（２）液滴の初期速度からスルーレートを求める。

図８には、ヘッドＢを用いたときの駆動電圧波形のスルーレートＳＲと液滴体積１．２ｐＬ時の液滴の初期速度Ｖ（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）の関係を示した。スルーレートＳＲと液滴の初期速度Ｖの関係は式３で示される。比例係数が０．１３である。

Ｖ＝０．１３ＳＲ＋０．８８３３・・・（式３）
面Ｂに着弾時の液滴の速度が面Ａと同じになるように、面Ｂに塗布時の初期速度（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）を５．８３ｍ／ｓにするためには、式３より駆動電圧波形のスルーレートＳＲは３８Ｖ／ｕｓにすれば良いことがわかる。

斜面である面Ｃ塗布時も、レーザー変位計などでノズルからの距離（第１距離）を随時測定して、その距離（第１距離）に応じて、着弾時の液滴の初期速度を算出し、それに応じた駆動波形のスルーレートＳＲを設定することで、場所によらずに一定の液滴の速度で塗布することが可能となる。

ただし、実際のデバイスにおいては、斜面は極めて短い幅であることが多いため、斜面塗布時は、面Ａもしくは面Ｂと同じ吐出条件で塗布しても、塗布膜の品質には大きな悪影響は及ぼさないと想定される。

なお、液滴の初期速度（ノズルから吐出した時点での液滴の速度）を基準としたが、ノズルから一定の距離の位置を基準にしてもよい。

＜液滴の塗布装置＞
図９に塗布装置９０の構成を示す。塗布装置９０は、ノズル３００から凹凸を有する基材３０４の表面までの距離（第１距離）を取得する距離取得部９１と、その距離（第１距離）に応じて圧電素子１３０を制御する制御部９２と、ノズル３００から圧電素子１３０により液滴を基材３０４へ塗布する塗布部９３と、を含む。

制御部９２では、上記距離（第１距離）に依存せず、液滴は同じ速度で、基材３０４上に着地する制御をする制御機器である。

距離取得部９１は、ノズル３００と基材３０４と間の距離（第１距離）を、レーザー計測器で測定して計算してもよい。また、基材３０４のＣＡＤデータなどを利用してデータ処理により求める制御装置でもよい。

塗布部９３は、ノズル３００である。

さらに、図４、図８のようなデータを保存するデータ部９４があってもよい。１つの制御装置内部に、 距離取得部９１、制御部９２、データ部９４があってもよい。

動作は、上記で示した動作をこの塗布装置９０で行うことができる。

本発明の液滴の吐出方法と塗布装置は、凹凸ある基材への加飾印刷や、配線パターンなどの機能性膜の形成に適用することができる。

９０ 塗布装置
９１ 距離取得部
９２ 制御部
９３ 塗布部
９４ データ部
１００ ノズル
１１０ 圧力室
１１１ 隔壁
１１２ ダイアフラム
１３０ 圧電素子
１４０ 圧電部材
２００ ノズル
２１０ 圧力室
２１２ ダイアフラム
２２０ 薄膜圧電素子
３００ ノズル
３０１ 液滴
３０２ 段差
３０３ 塗布膜
３０４ 基材

Claims (6)

1. ノズルから対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得工程と、
   前記第１距離に応じて圧電素子を制御する制御工程と、
   前記ノズルから前記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布工程と、を含み、
   前記制御工程では、前記液滴は同じ着地速度で、前記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布方法。
2. 前記制御工程では、前記第１距離に応じて、前記圧電素子へ印加する駆動電圧の波形のスルーレートを調整する請求項１に記載の液滴の塗布方法。
3. 前記制御工程では、事前に、前記ノズルからの第２距離と前記液滴の速度との第１関係と、前記スルーレートと前記液滴の速度との第２関係を求め、
   前記第１距離と前記第１関係とから、前記液滴の速度を求め、前記液滴の速度と前記第２関係とから、前記スルーレートを求める請求項２に記載の液滴の塗布方法。
4. 前記第１関係では、前記第２距離と前記液滴の速度との第１比例係数を求め、
   前記第２関係では、前記スルーレートと前記液滴の速度との第２比例係数を求め、
   前記第１比例係数と前記第２比例係数とから、比例計算で前記第１距離から前記スルーレートを求める請求項３記載の液滴の塗布方法。
5. 前記制御工程では、前記第１距離の変化に対して、前記駆動電圧の値を変更しない請求項２〜４のいずれか１項に記載の液滴の塗布方法。
6. ノズルから対象物の表面までの第１距離を取得する距離取得部と、
   前記第１距離に応じて圧電素子を制御する制御部と、
   前記ノズルから前記圧電素子により液滴を対象物へ塗布する塗布部と、を含み、
   前記制御部では、前記第１距離に依存せず、前記液滴は同じ速度で、前記対象物の上に着地する制御をする液滴の塗布装置。
   

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