JP4987557B2 - 液晶材料吐出装置、ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶材料などを液滴として吐出させるための液体材料吐出ノズルおよびその製造方法に関する。

ブラウン管を使った表示装置は広く普及しているが、大画面になるに伴いその奥行きが大きくなってしまうという欠点があり、ノート型コンピュータや携帯電話、ＰＤＡといった各種携帯用電子機器の発展に伴って、これらに適用できる軽薄短小型の平板表示装置の開発が進んでいる。

例えば、液晶表示装置、プラズマディスプレイ、電界放出ディスプレイ、真空蛍光ディスプレイが挙げられ、この他にもエレクトロルミネセンス（ＥＬ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた手段も開発されてきている。この中で、液晶表示装置は高画質、消費電力および量産化の技術といった点で優位性が認められている。

液晶表示装置は液晶材料をガラス基板で挟み、さらに特定の偏光方向の光のみを透過させる偏光フィルタを前記ガラス基板の前後に配置する事で液晶パネルとし、映像を表示させる装置である。液晶材料は電圧を加える事によって液晶分子の配向が変化する特性を有し、この液晶材料の配向変化を光源からの光のシャッターとして利用する。複雑な映像を表示させる場合には、画素となるマトリクスを格子状に均等配列したドットマトリクスタイプの液晶パネルを用い、各画素に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような駆動素子を形成することで実現される。

このような液晶表示装置を作製する際に、液晶材料を二枚のガラス基板を貼り合わせた液晶セルに封止する方法として以下のような方法が考案されている。
二枚のガラス基板を貼り合わせ液晶セルとした後に液晶材料を注入する方法として、液晶材料注入口を備えた液晶セルで液晶セル内外の圧力差を用いて液晶材料を注入する方法や、液晶材料注入口および排気口を備えた液晶セルで液晶注入口から液晶材料を注入する方法（特開平７−２８１２００号公報）がある。

しかし、前記のような二枚のガラス基板を貼り合わせた液晶セルに液晶材料を注入する方法では、液晶セルに液晶材料注入口が設けてあるためにこれを紫外線硬化樹脂などの封止材を用いて封止する必要があり、また、封止材の汚染や封止部分からの気泡の混入が生じてしまう。

さらには大型基板での液晶セルでは均一な液晶注入は量産性に欠ける。そこで、ガラス基板上に形成されたシール剤の内側に液晶材料を滴下し、真空容器内でもう一枚のガラス基板を貼り合わせ液晶材料を封止する方法（特開昭６３−１７９３２３号公報）が考案されている。

この方法では基板サイズに対して液晶材料の封止精度が十分満たされ、さらには液晶材料注入口を備える必要がなく液晶表示装置の製造方法として有効な手段である。
ガラス基板上に形成されたシール剤の内側に液晶材料を滴下するための手段として、ガスの圧力を用いて液晶材料を液滴吐出ノズルから滴下する方法（特許公開２００３−２８７７３０号公報）、ピストンを用いて液晶材料自体に圧力をかけ液滴吐出ノズルから液晶材料を吐出する方法（特許公開２００１−２７２６４０号公報）さらには、マイクロシリンジを液滴吐出ノズルとし、液晶材料の計測および吐出を行う方法（特許公開２００６−１０６１５０号公報）等が考案されている。
特開平７−２８１２００号公報 特開昭６３−１７９３２３号公報 特許公開２００３−２８７７３０号公報 特許公開２００１−２７２６４０号公報 特許公開２００６−１０６１５０号公報

液晶表示装置の高精度化に伴い、液晶材料の改善に伴う高粘度化や表面張力が低い材料に変わってきており、さらには滴下量、滴下位置の高精度化が求められている。しかし、前述したようなノズルを介して液晶材料を滴下する手段においては液晶材料がノズル先端部に回り込み不均一な液溜りが生じたり、吐出時に気泡を含んでしまったりすることで、結果として液晶材料の吐出の滞り、吐出位置精度が満たされないといった問題が生じている。
そこで、本発明では長期にわたって安定した液滴の精度を保つための技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ノズル本体に貫通孔が形成され、液晶材料が前記貫通孔を通って、前記貫通孔先端の吐出口から吐出される液晶材料吐出装置であって、前記ノズル本体の表面には撥液被膜が形成され、前記撥液被膜の表面にはダイヤモンドとダイヤモンドライクカーボンのいずれか一方又は両方を含有するダイヤモンド薄膜が露出し、前記貫通孔の内壁面には前記ノズル本体が露出する液晶材料吐出装置である。
本発明は液晶材料吐出装置であって、前記貫通孔の内壁面にはセラミック材料が露出する液晶材料吐出装置である。
本発明は液晶材料吐出装置であって、前記撥液被膜は、表面にダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンの結晶が成長可能な下地膜を有し、前記下地膜は前記ノズル本体表面に形成され、前記ダイヤモンド薄膜は前記下地膜の表面に形成された液晶材料吐出装置である。
本発明は、ノズル本体に形成された貫通孔に吐出液を通し、前記貫通孔先端の吐出口から前記吐出液を吐出するノズルの製造方法であって、前記貫通孔が形成された状態の前記ノズル本体の表面にスパッタ法又は蒸着法により下地膜を形成した後、前記下地膜が形成された前記ノズル本体を、真空雰囲気に配置した状態で、前記真空雰囲気中で炭化水素ガスを含む原料ガスをプラズマ化させ、前記下地膜の表面に、ダイヤモンドとダイヤモンドライクカーボンのいずれか一方又は両方を含有するダイヤモンド薄膜を成膜するノズルの製造方法である。
本発明はノズルの製造方法であって、前記ノズル本体として、前記貫通孔の内壁面にセラミック材料が露出するものを用い、前記下地膜として、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンの結晶が成長可能な材料の膜を形成するノズルの製造方法である。

本発明は上記のように構成されており、下地膜の成膜は、スパッタ法や蒸着法等、スパッタ粒子や蒸着材料の蒸気等の微粒子を真空雰囲気中に放出させ、該微粒子をノズル本体の表面に到達させる方法で行われる。
微粒子はノズル本体の表面には到達して下地膜が形成されるが、貫通孔の内壁面はノズル本体の影となって、原料微粒子がノズル本体で遮蔽され、下地膜が形成されない。従って、貫通孔の内壁面はノズル本体が露出する状態が維持される。

ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンは、合金、鉱物、無機物等のセラミック材料（例えば、ガラス、シリコン、ルビー、サファイア、酸化アルミニウム（アルミナ）、ステンレス等の剛性材料）の表面に対して密着性が乏しく、安定した膜が得られない。しかし、TiやＣｒ等の金属表面に対しては密着性が高く、安定した膜が得られる。

従って、ノズル本体全部を該セラミック材料で構成するか、少なくとも貫通孔の内壁面に露出する部分を該セラミック材料で構成しておき、下地膜を金属や炭化物等のダイヤモンド薄膜を成膜可能な材料で構成すれば、ダイヤモンド薄膜はノズル本体の表面上には形成されるが、貫通孔の内壁面には形成されない。
ダイヤモンド薄膜は、上述したセラミック材料に比べて、液晶材料等の吐出液に対する撥液性が高く、ノズル本体の表面（ノズル本体の先端及び側面を含む）に吐出液の液溜りができない。

貫通孔の内壁面はセラミック材料が露出しているから、吐出液は貫通孔の内壁面で弾かれずに貫通孔内を流れる。従って、本発明により製造されたノズルは吐出性に優れている。
本発明に用いるノズル本体は、上述したセラミック材料に、機械加工やレーザ加工といった加工手段によって直線状の貫通孔を形成し、その先端を吐出口とする。これにより、液滴吐出位置および位置精度を十分満たす事ができる。

尚、液晶材料のノズル表面への回り込みを防ぐためにはノズルの先端部分の形状も重要である。液晶材料吐出口であるノズル先端部の肉厚は、吐出口のサイズに比べ３／４以下である事が好ましい。また、ノズル形状として、吐出開口部からの角度が４５°以上である事が望ましい。

本発明の液晶材料吐出装置のノズルは、表面にダイヤモンド薄膜が露出する撥液被膜が形成されており、ノズル先端の吐出口から液晶材料が液滴となって吐出する際に、液滴がノズルの表面に接触しても拡がらないので、ノズル先端に液溜まりが生じず、吐出不良や吐出方向不良が生じない。この結果、吐出される液状材料液滴の位置精度および液滴特性が十分満足されるノズルを提供することが可能となる。ダイヤモンド薄膜は物理的衝撃に強いので、本発明のノズルは耐久性にも優れている。

本発明の液晶材料吐出装置を説明する。
図１は、本発明の液晶材料吐出装置を示しており、ノズル１０３を有している。ノズル１０３の構造については後述する。
この液晶材料吐出装置はシリンジ１０１内に溜めた液晶材料をピストン１０４にてシリンジ１０１内の液晶材料に圧力をかけ、ノズル接続部１０２に接続しているノズル１０３から液晶材料を吐出する機構となっている。

また、液晶材料はタンクへ接続されている配管１０５により供給される。ピストン１０４は、ステッピングモータ１０６により駆動するボールネジ１０７によってピストンコネクタ１０８部が上下に動作し駆動する機構となっている。これらは架台１０９によって一体型となっている。

ノズル１０３はルビー製で、図２、図３は、その構造を説明するための拡大図である。ノズル１０３の吐出口３０２の反対にはネジ部２０２が配置されており、シリンジ１０１のノズル接続部１０２とネジ接続される。
ノズル１０３は、ルビーで構成されたノズル本体３０１を有しており、ノズル本体３０１には液晶材料を吐出するための直線状の貫通孔が形成されている。

図２に点線で示しているのはφ０．３ｍｍのノズル孔（貫通孔）２０３で、ここではレーザ加工により形成されている。
貫通孔２０３は一端の開口がノズル１０３のネジ部２０２と反対側の先端に位置し、他端はシリンジ１０１に接続されており、上述したように液晶材料に圧力がかかると、液晶材料は貫通孔２０３内部を通って、ノズル１０３先端の開口（吐出口）から吐出される。

図３(ａ)は、ノズル１０３の拡大断面図であり、同図(ｂ)は、ノズル１０３を吐出口３０２側から見た平面図である。
ここでは、吐出口３０２の開口径は０．３ｍｍ、ノズル本体３０１の肉厚は０．１ｍｍである。また、ノズル１０３の外形形状として、吐出口３０２に接続された傾斜面の貫通孔２０３の中心軸線と成す傾斜角度は１０°である。ノズル本体３０１の先端の面と貫通孔２０３とは垂直である。

このノズルには、図４に示すように、撥液被膜４０２が形成されている。図４は図３（ａ）の符号Aに示すノズル先端部の拡大断面図であり、同図符号４０１は、ノズル本体３０１の先端部分である。

撥液被膜の成膜方法の一例を説明すると、撥液被膜４０２が形成されておらず、ノズル本体３０１が露出する状態のノズル１０３を、スパッタ装置の真空槽内部に搬入し、真空雰囲気に配置する。
真空槽内部を真空排気しながら、Ar、Kｒ等のスパッタガスを供給し、真空槽内部で金属ターゲット（ここではTiターゲット）をスパッタし、下地膜（ここではチタン薄膜）を形成する。

図４の符号４０３は下地膜を示しており、下地膜４０３はノズル本体３０１の貫通孔２０３外部に露出する表面（先端表面、側面等）には形成されるが、上述したように貫通孔２０３の内壁面４０６には形成されず、内壁面４０６にはノズル本体３０１の構成材料であるルビーが露出している。

下地膜４０３が形成された状態のノズル１０３をCVD装置の真空槽内部に搬入し、真空雰囲気に置く。該真空槽内部を真空排気しながら、原料ガス（例えばメタンと水素の混合ガス、文献：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄ（ａ）（２００６）２０３，Ｎｏ．１３，３２４５−３２７２を参照）を真空槽内部に導入し、真空槽を接地電位に置いた状態で、真空槽内部に配置された電極に電圧を印加し、該原料ガスをプラズマ化する。

下地膜４０３はＴｉやＣｒ等、原料ガスのプラズマが到達したときに、ダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボンが結晶成長可能な材料で構成されているため、下地膜４０３の表面にダイヤモンド薄膜４０５が成長する。
このとき、原料ガスのプラズマは貫通孔２０３内部にも入り込むが、貫通孔２０３の内壁面４０６にはルビー等、ダイヤモンドもダイヤモンドライクカーボンも結晶成長しないセラミック材料が露出しているから、ダイヤモンド薄膜は形成されず、内壁面４０６が露出する状態が維持される。

ここでは、Tiからなる下地膜４０３（膜厚３０ｎｍ）と、ダイヤモンドからなるダイヤモンド薄膜４０５（膜厚２００ｎｍ）とで撥液被膜４０２を構成し、撥液被膜４０２が形成された状態のノズル１０３と、ルビー製のノズル本体３０１が露出する未処理のノズルを、それぞれ図１に示した液状液滴吐出装置に備え、液晶材料の吐出試験結果おこなった。

ここでは、液晶材料としてネマチック液晶を用いて１８６ｍ秒間隔で２μＬの吐出を２４９回連続吐出する吐出試験を行った。
この結果、撥液被膜を備えていないノズルでは、図５（ａ）に示すように、液晶材料がノズルの側面に接触したときに、液晶材料がルビー製のノズル本体５０２表面に吸着してしまい、液溜り５０３ができてしまう。図６はルビー製のノズル本体５０２の表面に液溜り５０３ができた状態を撮影した写真である。液溜り５０３によってノズルの吐出口が覆われると、液晶材料の液滴を吐出できなくなる。

これに対し、撥液被膜４０２が形成されたノズル１０３では、吐出口に近い外周表面（ノズル先端及び先端部分の側面）でノズル本体３０１が露出せず、撥液被膜４０２で覆われているため、図５（ｂ）に示すように、ノズル１０３表面に液晶材料の液溜りや不均一な付着が生じず、液晶材料の吐出量およびその位置精度が十分満たされる事が分かった。
撥液被膜４０２を供えた本発明のノズル１０３を用い、上記吐出試験と同じ吐出条件で、６時間連続して液晶材料の吐出を行ったところ、液晶材料の吐出の滞りや不均一な液量での吐出は見られず、安定した液晶材料の吐出が認められた。

以上は原料ガスとしてメタンガスと水素ガスの混合ガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＣＨ₄と、Ｃ₆Ｈ₆と、Ｃ₂Ｈ₂とからなる炭化水素ガス群より選択される少なくとも１種類の炭化水素ガスを含有し、必要に応じてＨ₂ガス等の添加ガスが添加された原料ガスを用いることができる。

下地膜はTi膜に限定されず、Ti以外の金属膜（例えばＣｒ）等を用いることが可能である。また、その成膜方法もスパッタ法に限定されず、吐出口内部に下地膜が形成されないのであれば、蒸着法で成膜することもできる。
ダイヤモンド薄膜の成膜方法はＣＶＤ法に限定されず、スパッタ法で成膜することができる。いずれも真空雰囲気中でノズルに原料微粒子を付着させて成膜する方法である。

以上は、撥液被膜４０２が下地膜４０３とダイヤモンド薄膜４０５で構成される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。ノズル本体が、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンを結晶成長可能な材料で構成されている場合には、下地膜４０３を設けずダイヤモンド薄膜４０５を直接形成することができる。しかし、この場合は、予め貫通孔２０３の内壁面４０６を、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが結晶しない材料の膜で覆っておく必要がある。

本発明の液晶材料吐出装置を説明するための図 ノズルを説明するための図 （ａ）、（ｂ）：そのノズルの吐出口を説明するための断面図と平面図 そのノズルの撥液被膜を説明するための拡大断面図 ノズルに、(ａ)：液溜まりが生じた場合の模式図 (ｂ)：液溜まりが生じない場合の模式図 ルビーから成るノズルの液溜まりが生じた場合の写真

符号の説明

１０３……ノズル、３０１…ノズル本体 ３０２……吐出口 ４０２……撥液被膜 ４０３……下地膜 ４０５……ダイヤモンド薄膜

Claims (5)

1. ノズル本体に貫通孔が形成され、液晶材料が前記貫通孔を通って、前記貫通孔先端の吐出口から吐出される液晶材料吐出装置であって、
   前記ノズル本体の表面には撥液被膜が形成され、
   前記撥液被膜の表面にはダイヤモンドとダイヤモンドライクカーボンのいずれか一方又は両方を含有するダイヤモンド薄膜が露出し、
   前記貫通孔の内壁面には前記ノズル本体が露出する液晶材料吐出装置。
2. 前記貫通孔の内壁面にはセラミック材料が露出する請求項１記載の液晶材料吐出装置。
3. 前記撥液被膜は、表面にダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンの結晶が成長可能な下地膜を有し、
   前記下地膜は前記ノズル本体表面に形成され、
   前記ダイヤモンド薄膜は前記下地膜の表面に形成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の液晶材料吐出装置。
4. ノズル本体に形成された貫通孔に吐出液を通し、前記貫通孔先端の吐出口から前記吐出液を吐出するノズルの製造方法であって、
   前記貫通孔が形成された状態の前記ノズル本体の表面にスパッタ法又は蒸着法により下地膜を形成した後、
   前記下地膜が形成された前記ノズル本体を、真空雰囲気に配置した状態で、前記真空雰囲気中で炭化水素ガスを含む原料ガスをプラズマ化させ、前記下地膜の表面に、ダイヤモンドとダイヤモンドライクカーボンのいずれか一方又は両方を含有するダイヤモンド薄膜を成膜するノズルの製造方法。
5. 前記ノズル本体として、前記貫通孔の内壁面にセラミック材料が露出するものを用い、
   前記下地膜として、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンの結晶が成長可能な材料の膜を形成する請求項４記載のノズルの製造方法。