JP5012641B2 - 液体塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクなどの液体を対象物上の所定位置に塗布する液体塗布方法に関するものである。

有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）素子の発光層形成工程のような高精度な塗布が必要とされる高精細表示装置の製造工程に用いられる液体塗布装置としてインクジェット装置がある。インクジェット装置は、ピエゾ素子を精密に制御することでインク室からインク液滴を吐出する装置であって、高精度な塗布を実現する方法として広く用いられている。

ところがインクジェット装置は、ピエゾ素子による吐出機構の作り込みと、ピエゾ素子を精密に駆動するための制御系が必要であって非常に高価であった。そのため有機ＥＬの製造コストも高くなるという問題があった。また、インクジェット装置は、その複雑な機構のため装置の安定性が低いという問題があった。

そのため、特にライン状の塗布が必要とされる場合には、ノズルから連続的にインクを吐出するダイコートによる塗布への期待が高まっている。

さらにダイコートにおいて、高精細塗布を実現するために、インクと基板間に電界を印加することによってノズルから吐出されたインクの直径を絞り込む（テーラー・コーン現象）という技術が特許文献１に開示されている。
特開２００１−１３７７６１号公報

しかしながら、前記ダイコートにおいてインクと基板間に電界を印加してインクを絞り込む技術においては、テーラー・コーンがノズル先端で安定しないという問題があった。これはノズル先端から基板に至る途中の電界がインクや基板の帯電の影響を受け不安定になるためである。

この問題について図７を参照して説明する。

図７（ａ）はノズルと基板間に電界を印加していないダイコート塗布技術の説明図であって、１はノズル、２はノズル１と対向するように設置された基板、３は基板２を載置する基板ステージである。

図７（ａ）において、インク５はポンプ（図示せず）によって圧力を加えられ、ノズル孔４から吐出される。吐出されたインク５はノズル孔４付近でメニスカス６を形成した後、対向する基板２に対し塗布される。基板２を設置している基板ステージ３は、駆動機構（図示せず）により紙面垂直方向に運動して基板２上にラインパターンが形成される。これによりノズル孔４の直径と同等の幅のラインが形成される。

図７（ｂ）はノズルと基板間に電界を印加するダイコート塗布技術の説明図である。

図７（ｂ）において、電源７によってノズル１と基板ステージ３間に電圧を印加する。これにより、ノズル１と基板２間に電界が形成される。このときインク５も帯電し、メニスカス６の先端から基板２側に引っ張られる。その結果、テーラー・コーンと呼ばれる尖った先端をもつ紡錘状の形状部分８が発生し、ノズル１から基板２に向かうインク５の直径が絞り込まれる。テーラー・コーンの形成によって、ノズル孔４の径よりも細いラインの塗布が可能となる。

ところが、ノズル１の先端から基板２に至る途中の電界がインク５や基板２の帯電の影響を受けて不安定になりやすいため、これが原因して、図７（ｃ），（ｄ）に示すように、テーラー・コーン８の位置が安定せず、高精細な塗布において問題となる。

特に、今後の高品位有機ＥＬディスプレイなどの製造工程においては、高精細塗布が必要となり、この問題は顕著になってくる。

この問題に対処するため特許文献１には、図８に示したように、針状物２０をノズル２１と基板２２の間に設ける方法が開示されている。この方法では、針状物２０により電気力線を制御し、針状物２０にインク２３を引き寄せ、針状物２０を介してインク２３を塗布することによりテーラー・コーンの不安定性を補うようにしている。しかしながら、高精細塗布において、ノズル２１と基板２２の距離を近づける必要があるため、基板２２近傍にある針状物２０と基板２２との接触の可能性が高くなる。これにより製造工程の安定性が低くなり、製造コストが高くなるという問題がある。

前記問題の解決策として、ノズルの孔径を小さくして、テーラー・コーンの位置がばらついても、それが塗布精度に影響が及ばないようにする方法も考えられる。しかしながら、有機ＥＬディスプレイの発光層に使用されるインクのように、揮発性の高い有機溶剤系の液体を塗布する場合や、粒子分を含む液体を塗布する場合、ノズルの孔径を小さくすると極端にノズル孔のつまりが発生しやすくなり、安定した塗布ができなくなるという問題がある。

また、ノズルの孔径を小さくして高精細塗布に対応するためには、ノズルの孔径が１０〜３０μｍ程度になるため、特に多孔のノズルを製作する際、ノズル製作コストが高くなり、ひいては有機ＥＬディスプレイの製造コストが高くなるという問題がある。

本発明は、前記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、有機ＥＬの発光層を形成するインクのような液体材料を高精度にかつ安定して、しかも低い製造コストで塗布することを可能にした液体塗布方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、液体を塗布対象物に塗布する液体塗布方法であって、液体を吐出するノズルと、前記液体と前記塗布対象物間に所定電圧を印加する電源とを備え、前記ノズルの先端面のノズル孔から前記ノズル孔の半径方向にずれた位置に、対向する前記塗布対象物に向けて突出する先端が配設される突起を用い、前記ノズルから前記突起に沿わせて液体を吐出させる際、前記ノズルを前記突起が形成された方向に運動させながら前記突起の先端に液溜まりを作り塗布することを特徴とし、突起に沿わせて液体を吐出させながら塗布するので、突起の先端にテーラー・コーンが形成され、テーラー・コーンの位置を安定化させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の液体塗布方法において、前記塗布対象物への液体塗布終了後に、前記液体において使用される溶媒を前記突起に隣接して配置される吐出孔から吐出することにより、突起において液体が固まることを抑制することができる。

本発明によれば、液体を吐出するノズルの先端面のノズル孔中心からずれた位置に、対向する塗布対象物に向けて突出する突起を設け、この突起に沿わせて液体を吐出させながら液体塗布を行うことにより、突起の先端にテーラー・コーンが形成され、テーラー・コーンの位置を安定化させることができる。

その結果、製造コストを低減できるダイコートを用いて有機ＥＬの発光層を形成するインクのような液体材料を高精度にしかも安定に塗布することが可能になる。

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。なお、以下の説明において、図７にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付した。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における液体塗布装置の構成図であって、以下の実施の形態の説明では有機ＥＬの発光層塗布工程を例にして説明する。

図１（ａ）は本液体塗布装置の正面断面図であってノズルと基板の相対的な移動方向Ａに対して垂直な方向から見た図、図１（ｂ）はノズルと基板の相対的な前記移動方向Ａから見た側面図である。本実施の形態において、図７に示す構成と異なるのは、ノズル孔４の中心からずれた位置に、対向する塗布対象物である基板２に向けて突出する突起１０を設けた点である。

本液体塗布装置における塗布方法について説明する。

液体であるインク５はポンプ（図示せず）によって圧力を加えられ、ノズル孔４から吐出される。吐出されたインク５はノズル孔４付近でメニスカス６を形成した後、突起１０の先端まで濡れ広がり、微小な液溜まりを形成する。

同時に、電源７によってノズル１と基板ステージ３間に電圧を印加する。これにより、ノズル１と基板２間に電界が形成される。このときインク５も帯電し、突起１０の先端から基板２側に引っ張られる。その結果、突起１０の先端の液溜まりにテーラー・コーン８が発生し、ノズル１から基板２に向かうインク径が絞り込まれる。径が絞り込まれたインク５は、突起１０の先端から基板２に向かう電界に沿って、突起１０の先端のほぼ真下に精度良く到達して、基板２上に塗布される。

このとき、基板ステージ３は駆動機構（図示せず）によって、ノズル１と相対運動されているので、微細なラインを形成できる。

有機ＥＬの発光層の塗布工程において、基板２はガラス基板に駆動用のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）などを形成したものあって、その設定条件例としては、ノズル１と基板２間の距離は１００〜８００μｍであり、ノズル孔４の直径は３０〜２００μｍである。このとき円錐状の突起１０を設置すると、その円錐の底面の直径は５０〜２００μｍであり、高さはノズル−基板間距離の１／４程度である。また電源（直流電源）７で印加する電圧は０．５ＫＶ〜６ＫＶである。

有機ＥＬの発光層の塗布工程で使用されるインクにおいて、溶質としては、ポリフルオレン系，ポリアリーレン系，ポリアリーレンビニレン系，アルコキシベンゼン，アルキルベンゼンなどの高分子材料が挙げられ、溶媒としては、トルエン，キシレン，アセトン，アニソール，メチルエチルケトン，メチルイソブチルケトン，シクロヘキシルベンゼンなどの単独または混合溶媒が挙げられる。ノズル１と基板２の相対的な運動速度は５０〜５００ｍｍ／ｓである。

前記塗布方法によれば、対向する基板２に向けて突出する突起１０の先端にできた微小な液溜まりからテーラー・コーン８が形成されるので、ノズル径４のメニスカス６にできたテーラー・コーン８よりインク径を絞り込むことができ、微細なラインを塗布することができる。

また、突起１０の先端の微小な液溜まりからテーラー・コーン８が形成されるので、ノズル孔４のメニスカス６に形成されるテーラー・コーン８よりも位置の不確定性が小さく、高精度に塗布することができる。

また、突起１０の先端から基板２に向かう電界は、突起１０の電界集中により強化される。インク５は、この電界に沿って基板２に向かうことになるため高精度に塗布される。

これらの効果によって、例えば、有機ＥＬの発光層形成に使用するインクでは、１０〜５０μｍの幅の細線を高い±２μｍの位置精度で塗布することができる。

さらに、突起１０はノズル孔４からずれた位置にあるため、上記のような揮発性の高い有機溶剤系のインクや、粒子分を含む液体に対してもインク詰まりが発生しないよう十分なノズル孔４の大きさを確保することができる。よって、長時間でも安定に塗布することができる。

図１（ａ）に示すように、突起１０が基板２に対するノズル１の移動方向Ａに配置されるように、ノズル１と基板２を相対運動させながら塗布することが望ましい。このようにすることにより、突起１０が塗布中に風除けのように作用し、インク５が乾燥してインク５の粘度が変化してしまい塗布が不安定になるのを防ぐことができる。さらに、乾燥したインク５によって突起１０の形状が変化し、塗布位置にずれが生じることを防ぐことができる。

さらに、ノズル孔４から繋がるインク５の表面張力によってインクが引っ張られるため、インク５が基板２からの力によって引きちぎられることを防ぐことができる。このことは、特に、連続線を塗布するときに重要である。

図２（ａ）は実施の形態１におけるノズル先端部分を基板側から見た底面図、図２（ｂ）に図２（ａ）に示す底面においてインクに対する親液処理と撥液処理を施す部分を示す図である。

図２（ｂ）に示す突起１０の周部とノズル孔４とがなす領域、すなわち、図２（ｂ）で横線で示した領域Ｍには親液処理を施し、それ以外の部分Ｎには撥液処理を施している。この場合、有機ＥＬの発光層形成工程に使用するインクで、かつノズル材料がステンレス鋼である場合には、親液処理は超音波洗浄やオゾン洗浄などが、また撥液処理はフッ化物塗布やフッ化ガスによるプラズマ処理などが適用できる。

これによってノズル孔４から吐出したインク５を確実に突起１０へ導くことができるため塗布の安定性を確保することができる。

本実施の形態では、ノズル１を電源７に接続してインク５を帯電させる方法を用いて説明したが。ノズル１をＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化））などの絶縁物で構成し、インク５中に配置した電極によってインクを帯電させてもよい。この場合、ノズル１の前記撥液処理が簡略化できるというメリットがある。

前記実施の形態ではノズル孔４が１つ設けられたノズル１について説明したが、有機ＥＬディスプレイの製造における塗布工程では、図３（ａ）に示すような多数のノズル孔４を有するノズル１が使用される。また、特に今後発展する高精細ディスプレイに対応するためには、図３（ｂ）のように、千鳥状配置でノズル孔４を設ける構成にすることも考えられる。このような場合でも、本実施の形態の突起１０を具備する構成にすることにより、隣のノズル孔４の影響を受けにくく、安定した塗布を行うことができる。

なお、本実施の形態ではノズル１の電位を基板より高くしたが、その逆の極性であってもよい。

（参考例）
図４（ａ）は本発明の参考例である液体塗布装置の正面断面図であって、ノズルと基板の相対的な移動方向Ａに対して垂直な方向から見た図、図４（ｂ）は参考例におけるノズル部分の斜視図である。

参考例において、ノズル孔４の中心からずれた位置に対向する基板２に向けて突出する実施の形態１における突起１０を、パイプ状のノズル１１を傾斜をもって切断して形成した先端部１１ａとした点が実施の形態１と異なる。

このような構成にすると、パイプ状のノズル１１から容易に突起を製作することができるため、ノズル１１の製造コスト、ひいては本塗布技術を使用して製造する有機ＥＬディスプレイのような電子デバイスのコストを低減することに寄与できる。特に、図４（ｂ）に示すようなノズル孔４が複数の場合、突起としてのノズル１１の先端部１１ａを一括研削や一括切断により容易に形成することができる。

また、ノズル１１の加工法としては放電加工で斜めに加工するのが望ましく、放電加工で加工するとカエリができず、高さも揃えることができる。

また、研削加工の用いた場合は、その後、電解研磨するのがよく、電解研磨することによりカエリがなくなり、吐出液体の直進性を向上することができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２である液体塗布装置の外観斜視図である。

実施の形態２において、ノズル１をノズル孔４を有する第１ノズルパーツ１ａと、突起１０を有する第２ノズルパーツ１ｂとに分割して製造し、第１ノズルパーツ１ａと第２ノズルパーツ１ｂとを組み付けてノズル１を完成させている。

このように構成することにより、突起１０を平面的な加工で容易に作成することができるため、ノズル１の製造コスト、ひいては本塗布技術を使用して製造する有機ＥＬディスプレイのような電子デバイスのコストを低減することに寄与できる。

本実施の形態では、ノズル１を２つのパーツに分けたが、ノズルパーツの数としては３つ以上でもよい。

（実施の形態３）
図６（ａ）は本発明の実施の形態３である液体塗布装置の正面断面図であって、ノズルと基板の相対的な移動方向Ａに対して垂直な方向から見た図である。

実施の形態３において、ノズル１に、突起１０に隣接してインク５にて使用されている溶媒１３を吐出する吐出孔１２を設けた点が実施の形態１と異なる。

図６（ｂ）に示すように、塗布終了後、この溶媒吐出用の吐出孔１２から溶媒１３を吐出することでインク５が突起１０上で固まることを抑制することができる。これによってインク５が突起１０上で固まり、突起形状が変化し塗布位置がずれてくることを抑制することができる。よって、高精度塗布を維持することが可能となる。

インク５を吐出し続け突起１０上で固まるのを防ぐという方法も考えられるが、特に、有機ＥＬの発光層形成に使用されるインクのように高価なインクを使用する場合は、本実施の形態の構成を用いることで製造コストを低減することができる。

（参考例）
参考例を使用した実施例により、より詳細に説明する。

図４に示した注射針タイプのノズル１１において、そのパイプ状のノズル１１の内径５０〜３００μｍ、外径１５０〜５００μｍ、先端部１１ａの傾斜角度５〜２０°とし、インクにポリフルオレン系、溶媒にシクロヘキシルベンゼンを使用し、温度２０℃、吐出量２０〜１００ｎＬ／ｓ、ノズル・基板移動スピード５０〜１５０ｍｍ／ｓ、印加電圧０．５〜２ＫＶの条件でテストした結果、基板２上においてバンク幅５０〜８０μｍの間からはみ出すことなく安定的にインクを塗布することができた。また、ノズル詰まりやインク途切れも発生しなかった。

また、突起１０をノズル孔４の塗布方向（移動方向Ａ）の後方に配置すると、ノズル先端に大きな液球が形成され、塗布が６００μｍ間隔で不連続になるが、本実施の形態のように前方に配置することにより、そのような液球が形成されず連続的に塗布できることが確認された。

本発明は、製造コストが低い方式で高精度な塗布を可能とすることができるため、有機ＥＬやＰＤＰなどのラインデバイス構造を持つ高精細表示装置などの印刷製造工程に適用できる。

（ａ）は本液体塗布装置の正面断面図、図１（ｂ）はノズルと基板の相対的な移動方向から見た側面図 （ａ），（ｂ）は実施の形態１におけるノズル先端部分を基板側から見た底面図 （ａ），（ｂ）は実施の形態１における複数ノズル孔構造の変形例を示す斜視図 （ａ）は本発明の参考例である液体塗布装置の正面断面図、（ｂ）は実施の形態２におけるノズル部分の斜視図 本発明の実施の形態２である液体塗布装置の外観斜視図 （ａ）は本発明の実施の形態３である液体塗布装置の正面断面図、（ｂ）は実施の形態４におけるノズル部分の断面図 （ａ）〜（ｄ）は従来の液体塗布技術の問題点の説明図 （ａ）〜（ｃ）は従来の液体塗布技術の一例の説明図

符号の説明

１，１１ ノズル
２ 基板
３ 基板ステージ
４ ノズル孔
５ インク
６ メニスカス
７ 電源
８ テーラー・コーン
１０，１１ａ 突起
１２ 吐出孔
１３ 溶媒

Claims (2)

1. 液体を塗布対象物に塗布する液体塗布方法であって、液体を吐出するノズルと、前記液体と前記塗布対象物間に所定電圧を印加する電源とを備え、前記ノズルの先端面のノズル孔から前記ノズル孔の半径方向にずれた位置に、対向する前記塗布対象物に向けて突出する先端が配設される突起を用い、前記ノズルから前記突起に沿わせて液体を吐出させる際、前記ノズルを前記突起が形成された方向に運動させながら前記突起の先端に液溜まりを作り塗布することを特徴とする液体塗布方法。
2. 前記塗布対象物への液体塗布終了後に、前記液体において使用される溶媒を前記突起に隣接して配置される吐出孔から吐出することを特徴とする請求項１記載の液体塗布方法。

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