JP2018161769A - 積層構造体、その形成方法及び印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インク材料からミスト化してパターンを形成する手法において、二種の材料を精度良く組み合わせてパターニングを行う方法を提供する。【解決手段】パターン材料１０２とスペース材料１０３、１０４の二種のインク材料をミスト化し、それぞれの帯電状態を正と負、および無帯電の３種類の帯電状態からなるミスト粒子とすることで、パターン材料１０２部以外の部分にスペース材料１０３が位置合わせ不要で配置されることにより、高精度のインクパターン印刷を可能とした。【選択図】図１

Description

本発明は、インク材料から形成される積層媒体に関する。

インク材料から機能性の構造体を形成するには、主機能を有する第一の材料と、第一のパターン以外の部分のスペース部分を埋める第二の材料を交互に印刷パターニングすることで構成が可能となる。

例えば、従来の有版の印刷工法で積層構造体を形成する際には、主となる第一のインク材料からなるパターンと、主となるパターン以外のスペース部分を埋める第二のインク材料と版を準備して、それぞれの材料のインクを交互に印刷し、積層構造を形成する。

無版のインクジェットでは、版を必要としないが、第一材料と第二材料のインクジェットヘッドを準備して、第一の材料と第二の材料を交互に印刷して、積み上げることが出来る。

また、特許文献１には、印刷版やインクジェットヘッドのようなインクパターニング機器に頼らないパターニング技術として、自己組織化材料を利用した技術が提案されている。自己組織化材料は二種の性質の異なる高分子を共重合した材料であり、共重合のそれぞれを第一材料と第二材料と見立てる。

この手法では、まず、一般の印刷やフォトリソグラフィーによる、ガイドパターンを形成しておき、そのパターンに前記共重合体からなる自己組織化材料を形成した後、熱処理をすることで共重合分子が、例えば結晶相の一形態であるラメラ構造へ変化することで、ガイドパターンに則したラインパターンが形成される。この手法は、パターン形成作業として、第一と第二材料の位置合わせを必要としない手法である。

特許第４６７３２６６号

しかしながら、従来の有版印刷の手法では、第一材料目のパターンと第二材料のパターンは、それぞれの版を準備して、機械的な位置合わせによりそれぞれのパターン位置を調整して、所望のパターンの積層体を形成する必要があり、機械精度がアライメントの限界になる。無版印刷のインクジェットの手法では、版を必要としないが、ヘッドを移動してパターンを形成するため、移動のための搬送装置の位置精度によりアライメントの精度に制約があった。
また、特許文献１の手法よると、機械の位置合わせの精度を超えて、パターン形成が可能となるが、パターン形成にはブロック共重合体などの自己組織化の特殊材料に限定され、例えば金属材料と絶縁材料の組み合わせなどは不可能である。また、パターンのデザインも自己組織材料の取りうる結晶相の構造に制約される問題があった。

本発明はこのような問題を鑑みてなされたもので、位置合わせが機械精度に制約されず、二種のインク材料からなるパターン制約がない積層構造体と、その形成方法及び装置を提供するものである。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものである。

すなわち、本発明の請求項１に記載の発明は、正と負、ならびに無極性からなる帯電状態の異なる三種類の帯電ミスト粒子からなる積層構造体であって、正負いずれかに帯電できるミスト粒子を構成するパターン材料と、前記パターン材料とは逆の極性に帯電したミスト粒子と無極性のミスト粒子とが同じ材料であるスペース材料とからなり、前記パターン材料からなる前記帯電ミスト粒子が所望のポジパターンである第一の層を形成し、前記スペース材料からなり、前記パターン材料からなるミスト粒子とは逆の極性に帯電したミスト粒子が、前記第一の層と同一平面上にネガパターンである第二の層を形成し、前記スペース材料からなる無極性のミスト粒子が、前記第一の層と第二の層の全面を覆う第三の層を形成してなり、前記第一の層から第三の層までのうち、少なくとも２層以上を含む単位構造が、順次繰り返し積層されていることを特徴とする積層構造体である。

本発明の請求項２に記載の発明は、正と負、ならびに無極性からなる帯電状態の異なる三種類の帯電ミスト粒子からなる積層構造体の形成方法であって、静電潜像を形成する工程と、正負いずれかに帯電できるミスト粒子用のパターン材料を含むインクをミスト化し、帯電工程を経た帯電ミストを発生するステップと、前記パターン材料からなる帯電ミストにより、前記静電潜像を現像するステップとからなる第一の層形成工程と、前記パターン材料とは異なる成分からなるスペース材料を含むインクをミスト化し、前記パターン材料からなる帯電ミストとは逆の極性とする帯電工程を経たスペース材料からなる帯電ミストを発生するステップと、前記パターン材料からなる帯電ミストにより現像したパターン以外の部分を現像するステップとからなる第二の層形成工程と、前記スペース材料を含むインクをミスト化するステップと、前記ミスト化されたスペース材料を、帯電工程を経ずに無極性で全面をコートするステップとからなる第三の層形成工程とを有し、前記第一の層形成工程から第三の層形成工程のうち、少なくとも２層以上の層形成工程を実施した後、前記形成された各層を、印刷基材に対して転写する工程とからなり、前記静電潜像形成工程から前記転写工程を、順次、繰り返し実施することを特徴とする積層構造体の形成方法である。

本発明の請求項３に記載の発明は、静電潜像を形成可能な中間転写体上で、パターン材料の帯電ミスト発生装置、スペース材料の帯電ミスト発生装置と、無極性のミスト発生装置が同一搬送系路上に連続的に設置されていることを特徴とする積層構造体を形成する印刷装置である。

本発明の正負極性のミスト粒子と無極性のミスト粒子を組み合わせと、積層手法を用いることで、第一のインク材料からなるパターンと第二のインク材料からなるスペース部分の位置合わせが機械の搬送限界に限定されず成されるため、高精細なパターン積層構造体が容易に形成できる。また、電気的作用から第一材料のパターン部分以外に第二の材料のスペース材料が自動的に形成されことから、積層構造体は材料の隙間なく埋めることができる。

本発明のミスト粒子からなる層構成の例を示す模式図である。 本発明の積層構造体の例を示す断面図である。 本発明の積層構造体を形成するための手法の工程図である。 本発明のミスト粒子からなる層構成の別の例を示す模式図である。 本発明の積層構造体の別の例を示す断面図である。 本発明の積層構造体を形成するための印刷装置の構成図である。 本発明の積層構造体を形成する際の印刷装置の別の形態である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、図中共通する項目については、同一の番号を附している。また、各図面は本発明の実施形態の１例を示すもので、これらに限定されるものではない。

図１は、本発明で形成される積層体の構成図である。二種類の材料と、それぞれ正負の帯電ミスト粒子１０２と１０３、無極性のミスト粒子１０４で構成され、単位構造１００を形成している例を示している。

また図２では、前記単位構造１００を逐次積層し、積層構造体１２０とした例を示しており、二種類の材料が組み合ったパターンを積層した形態をしている。例えば、一方を導電材料、他方を絶縁材料とすれば、立体的な導電パターン回路を形成できることになる。

図３は、図２で示した前記積層構造体１２０を構成するための手法である。中間転写体１０５上に、正の電荷からなるネガパターンの静電潜像１３０を形成し、同極性に帯電させたパターン材料からなる帯電ミスト粒子１０２を搬送して静電潜像１３０に吹き付けることで、静電潜像１３０の正帯電以外の部分に帯電ミスト粒子が付着しネガポジの反転現像によるポジパターンとして、パターン材料からなる第一の層が形成される。

次に、負極性に帯電したミスト粒子１０３を中間転写体１０５上に形成された静電潜像１３０に吹き付けることで、前記パターン材料で現像されたポジパターン以外の部分における静電潜像１３０の正極性帯電と、スペース材からなる負極性の帯電ミスト粒子１０３が引き合い付着する。

結果としてパターン材料からなる正極性の帯電ミスト粒子１０２が付着した部分を除く、それ以外の部分にスペース材料からなる帯電ミスト粒子１０３が付着し、第二の層が形成される。

さらに、スペース材料からなる無帯電のミスト粒子１０４を前記パターン上に全面にコーティングすることで、第三の層が形成され、単位構造体１００が形成される。

この単位構造体１００を中間転写体１０５から印刷基材１１５へ、繰り返し形成と転写を行うことで、積層体１２０を得ることができる。

図３では、ネガ静電潜像でポジ現像の反転現像であったが、ポジ静電潜像での逆極性の帯電ミスト粒子によるポジ現像でも同様な結果が得られる。

また、現像できる組み合わせであれば、静電潜像と帯電ミスト粒子の帯電極性も正負逆転しても特に問題はない。

図４は、単位構造１０１として、パターン材料からなる帯電ミスト粒子１０２によって形成された第一の層と、スペース材料からなる帯電ミスト粒子１０３によって形成された第二の層とからなる単位構造の構成とした場合を例示している。

図５は、図４に例示した単位構造１０１を積層した積層構造体１２１の例を示している。図４に示すような単位構造１０１を積層した構成とすることにより、例えば、各単位構造１０１中に形成されているパターン材料からなる帯電ミスト粒子１０２によって形成された第一の層１２２同士を接続させることが可能となり、複雑な立体回路などの形成が可能となる。

図６は、図３で示した手法を実現するための装置の模式図である。

図６の装置では、ドラム状の中間転写体３０２が回転することにより各工程を経て積層体が形成される仕組みになっている。

まず静電潜像形成機３０３により、中間転写体３０２上に静電潜像が形成され、パターン材料がミスト発生装置３０４によりミスト現像ヘッド３０６に供給されミスト粒子を帯電しながら、静電潜像が形成された中間転写体ドラム３０２に供給され、所望のパターンに現像がされる。

次に、スペース材料のミスト発生器３０５からミスト現像ヘッド３０７へ、ミスト化されたスペース材料が供給され、パターン材料とは逆の極性に帯電させて供給することにより、前記パターン材料が現像された部分以外が現像される。

さらに、スペース材料のミスト発生器３０５からミストコートヘッド３０８に無帯電のスペース材のミスト粒子が供給され、前記現像部分をオーバーコートすることで、単位構造１００が中間転写ドラム３０２上に形成される。

形成された単位構造１００を印刷基材１１５に転写することで、印刷基材１１５に、パターン材料とスペース材料からなる構造体が形成される。

中間転写体ドラム３０２に残ったインク材料をクリーニング機３１１により取り除き、除電装置３１２により帯電を取り除き、次の周回工程に移る。また、一通りの工程を繰り返し行い、転写を繰り返すことにより積層構造体１２０を形成することもできる。

本発明に用いるインク材料としては、例えば材料が溶媒に溶解した溶解型や材料粒子が溶媒に分散した分散型など様々な形態のインクを用いることができる。インクから物理的細分化したミスト液滴が形成できれば、どのような形態のインクであっても構わない。

本発明では、パターン形成を行うパターン材料と、スペース部分を埋めるスペース材料の二種類の材料を組み合わせることで積層体を形成することができる。

例えば、第一材料として導電インク、第二材料として絶縁インクを組み合わせることで立体回路を形成することが可能となり、第一材料と第二材料に屈折率の異なる材料を組み合わせることでメタマテリアル構造体を形成することが可能となる。

本発明では、材料の組み合わせについて限定されることはなく、目的に合わせて適宜選択することができる。

ミスト粒子は、インク材料を物理的に細分化して、概ねμｍ以下の液滴粒子にすることで、文字通り霧状態にしたものである。

従って、重力による降下が遅くなるので、ミスト化により材料の気相での搬送が可能となる。

ミスト化の状態は気体ではなく微細な液体であり、材料的には細分化しているがインク材料と変わりない。これは、細分化したインク材料を印刷技術やインク流動に頼らず、パ
ターニングできることを意味している。また、材料を蒸発させ、気体にしてから基材に付着させる蒸着法とは原理的に異なる。

さらに、ミスト状態では電荷の逃げ道がないので、インク材料によらず帯電が維持されるため、導電材料や絶縁材料を同様に扱うことが可能となる。帯電の極性も自由に選択することができる。

インク材料をミスト化する手法としては、空気流方式、超音波方式、エレクトロスプレー方式などが挙げられる。空気流方式は、霧吹きやスプレーに用いられる手法で液面に空気を流して液面から材料を物理的に引き剥がし液滴を形成し、ミスト化する手法である。

超音波方式は、インク液に超音波による刺激を与え液面から液滴を形成する手法である。

エレクトロスプレー法は、スプレーノズルに電位を加えて帯電した液滴を形成する手法で、液滴形成から同極電荷起因斥力が働くことでレーリー分散が発生して、ノズルから発生した液滴から逐次細分化した液滴を形成するミスト化手法である。

前二つの手法では、マイクロオーダー径のミストの形成が可能であり、エレクトロスプレー法では、ナノオーダー径のミストの形成が可能である。本発明では、目的のパターン形成に合わせてミスト形成手法を選択することが出来る。

ミスト材料を帯電させる手法としては、コロナ帯電器をミスト発生器とミスト現像ヘッドの経路に設ける手法や、電極を兼ねる反射板に電位をかけながらミスト粒子を反射させつつ帯電させる手法などがある。電子写真のミスト現像法で用いられる公知の技術を用いることが出来る。

また、前記のミスト化手法の一つであるエレクトロスプレー法は、ノズルにミスト化と同時にミスト粒子を帯電することが可能な方式である。本発明では、帯電したミスト粒子の形成が必要であるため、エレクトロスプレー法を用いることにより、簡便な装置で、より微細な積層構造体を形成することが可能となる。

図７では、本発明の装置形態の一つとしてエレクトロスプレーを用いた装置の概略を示している。図７を用いて別形態の装置を簡単に説明する。

まず、中間転写体１０５上に静電潜像形成機３０３により静電潜像を形成し、エレクトロスプレー４０３、４０４の直下に移動する。

静電潜像の極性にあわせて、パターン材料のエレクトロスプレーノズル４０３から帯電ミスト粒子を吐出し静電潜像を現像する。

次に、スペース材料のエレクトロスプレーノズルから、パターン材料の場合とは逆の極性電位を加えた逆極性の帯電ミスト粒子を吹き付けることで、パターン材料以外の部分にスペース材料が形成される。

次に、スペース材料をミストコートヘッド３０８により全面コーティングすることで、中間転写体１０５上に単位構造１００が形成される。

図７では、図示していないが、装置から取り出したあとに印刷基材１１５に転写することで、積層構造体１２０が形成される。

中間転写体と静電潜像形成機は、一般的な電子写真法で用いられる光導電体とコロナ帯電器とレーザー露光機の組み合わせや、中間転写体に誘電体を用いて、陰極線ビームにより直接電荷をパターニングする手法や、針状の接触方式による摩擦帯電や電位印加により帯電パターンを直接形成する手法、中間転写体に圧電材料を用いて加熱パターンにて圧電帯電パターンを形成する手法などが挙げられる。

これらの組み合わせについては、本発明では制限されることなく、目的の静電潜像の極性や解像度に合わせて適宜選択することができる。組み合わせによれば、ナノオーダーの静電潜像形成も可能である。

一旦形成した単位構造１００や積層構造体１２０では、乾燥工程を適宜入れても良く、乾燥方式は、特に限定されることはないが、公知のインク乾燥方法を用いることが出来る。

このように本発明によれば、正負極性のミスト粒子と無極性のミスト粒子を組み合わせた材料構成と装置を用いることで、パターン部分とスペース部分のアライメントが自動的にとることができ、パターン状の積層構造体が容易に形成できる。

スペース部分とパターン部分との位置合わせの必要がなく、隙間なく埋めることができる。また、転写を繰り返すことで、複数層からなる積層構造体を形成することが可能となった。

１００、１０１… 単位構造
１０２ … パターン材料からなる帯電ミスト粒子（＋）
１０３ … スペース材料からなる帯電ミスト粒子（−）
１０４ … スペース材料からなる無帯電ミスト粒子
１０５ … 中間転写体
１１５ … 印刷基材
１２０、１２１ … 積層構造体
１２１ … 第一の層
１２２ … 第二の層
１２３ … 第三の層
１３０ … 静電潜像
３０１ … 装置
３０２ … 中間転写ドラム
３０３ … 静電潜像形成機
３０４ … パターン材料ミスト発生器
３０５ … スペース材料ミスト発生器
３０６ … ミスト粒子現像ヘッド（パターン材料）
３０７ … ミスト粒子現像ヘッド（スペース材料）
３０８ … ミスト粒子コートヘッド（スペース材料）
３１１ … クリーニング機
３１２ … 徐電装置
４０１ … パターン形成装置
４０３ … エレクトロスプレーノズル（パターン材料）
４０４ … エレクトロスプレーノズル（スペース材料）

Claims (3)

1. 正と負、ならびに無極性からなる帯電状態の異なる三種類の帯電ミスト粒子からなる積層構造体であって、
   正負いずれかに帯電できるミスト粒子を構成するパターン材料と、前記パターン材料とは逆の極性に帯電したミスト粒子と無極性のミスト粒子とが同じ材料であるスペース材料とからなり、
   前記パターン材料からなる前記帯電ミスト粒子が所望のポジパターンである第一の層を形成し、
   前記スペース材料からなり、前記パターン材料からなるミスト粒子とは逆の極性に帯電したミスト粒子が、前記第一の層と同一平面上にネガパターンである第二の層を形成し、
   前記スペース材料からなる無極性のミスト粒子が、前記第一の層と第二の層の全面を覆う第三の層を形成してなり、
   前記第一の層から第三の層までのうち、少なくとも２層以上を含む単位構造が、順次繰り返し積層されていることを特徴とする積層構造体。
2. 正と負、ならびに無極性からなる帯電状態の異なる三種類の帯電ミスト粒子からなる積層構造体の形成方法であって、
   静電潜像を形成する工程と、
   正負いずれかに帯電できるミスト粒子用のパターン材料を含むインクをミスト化し、帯電工程を経た帯電ミストを発生するステップと、
   前記パターン材料からなる帯電ミストにより、前記静電潜像を現像するステップとからなる第一の層形成工程と、
   前記パターン材料とは異なる成分からなるスペース材料を含むインクをミスト化し、前記パターン材料からなる帯電ミストとは逆の極性とする帯電工程を経たスペース材料からなる帯電ミストを発生するステップと、
   前記パターン材料からなる帯電ミストにより現像したパターン以外の部分を現像するステップとからなる第二の層形成工程と、
   前記スペース材料を含むインクをミスト化するステップと、
   前記ミスト化されたスペース材料を、帯電工程を経ずに無極性で全面をコートするステップとからなる第三の層形成工程とを有し、
   前記第一の層形成工程から第三の層形成工程のうち、少なくとも２層以上の層形成工程を実施した後、前記形成された各層を、印刷基材に対して転写する工程とからなり、
   前記静電潜像形成工程から前記転写工程を、順次、繰り返し実施することを特徴とする積層構造体の形成方法。
3. 静電潜像を形成可能な中間転写体上で、パターン材料の帯電ミスト発生装置、スペース材料の帯電ミスト発生装置と、無極性のミスト発生装置が同一搬送系路上に連続的に設置されていることを特徴とする積層構造体を形成する印刷装置。

Images