JP5188351B2 - 微粒子塗布方法及び微粒子塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子塗布方法及び微粒子塗布装置に関し、特に、液晶表示装置にてセルギャップを維持するスペーサ部を形成するために用いることができるインクジェット式のものに関する。

近年、パーソナルコンピューターや携帯情報端末などの機器の表示手段として、例えばアクティブマトリックス方式の液晶パネルを用いた液晶表示装置が用いられている。この液晶表示装置では、カラーフィルタと液晶駆動側基板とを対向させて１〜１０μｍ程度の間隙部（セルギャップ）を設け、この間隙部内に液晶を充填してその周囲をシール材で密封している。そして、このような液晶表示装置において表示品質の良いものを得るには、上記セルギャップを一定かつ均一に維持することが必要となる。

セルギャップを一定かつ均一に維持する方法として、インクジェット式の塗布装置を用い、基板上の所定位置に、溶剤に粒状（球状）または棒粒状のスペーサを分散させた分散液を吐出し、複数個のスペーサの凝集体からなるスペーサ部を形成することが例えば特許文献１で知られている。上記特許文献１では、例えば基板上の画素を囲むように設けられた遮光膜がＴ字状又は十字状に交差する部分に分散液を滴下することや複数の塗布ヘッドから同時に分散液を吐出させて生産性を向上させることも提案されている。

上記インクジェット式の塗布装置に用いられる塗布ヘッドとしては、液滴吐出量の調節が容易であることから、塗工液通路内に圧電素子（ピエゾ素子）を設けた複数のノズルを備えたものが一般に使用される。また、塗布ヘッドの各ノズルからの液滴の吐出に先立っては、ノズルから吐出（滴下）される液滴の大きさ（液滴吐出量）が塗工液の滴下速度に比例し、また、ノズルからの塗工液の滴下速度が圧電素子に印加する駆動パルス電圧に比例することに着目し、各ノズルからの塗工液の滴下速度が所望の規定速度範囲内となるように、各ノズル毎に圧電素子への駆動パルス電圧及びパルス幅（駆動電圧印加時間）が調節される。

然し、上記のように液滴吐出量を調節しても、各液滴に含まれるスペーサの個数にばらつきがあるため、形成された各スペーサ部に含まれるスペーサの個数にばらつきが生じ、各スペーサ部の高さを均一に形成することが難しいという問題がある。
特開平１１−２４０８３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、処理対象物に液滴を滴下して乾燥させることで形成された各スペーサ部に含まれるスペーサの個数を実質的に一定かつ均一にすることができる微粒子塗布方法及び微粒子塗布装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、塗布ヘッドの少なくとも１個のノズルに対して微粒子を溶剤に分散させた分散液を供給し、前記ノズルからの液滴吐出量を調節する圧電素子に所定のパルス幅の駆動電圧を印加してノズルから処理対象物上に分散液を滴下する工程と、前記溶剤を乾燥させて複数個の微粒子を凝集配置する工程とを含む微粒子塗布方法において、前記圧電素子への一定のパルス幅に対する駆動電圧又は一定の駆動電圧に対するパルス幅を変化させて分散液を滴下したときの処理対象物上での微粒子の個数の変化率を予め取得しておき、所定のパルス幅の駆動電圧にて処理対象物上に分散液を滴下したときの微粒子の個数を実測し、前記実測値と前記変化率から前記圧電素子に印加すべき駆動電圧又はパルス幅を決定することを特徴とする。

本発明によれば、塗布ヘッドのノズルから分散液を処理対象物上の所定位置に滴下して塗布した後、当該位置における微粒子の個数を実測する。そして、この実測値と予め取得した駆動電圧に対する微粒子の個数の変化率とを基に、液滴吐出量を調節する圧電素子への駆動電圧を変えるため、基板上の各所に塗布された微粒子の個数を実質的に一定かつ均一にできる。

このように本発明においては、前記微粒子は、液晶表示装置にてセルギャップを維持するスペーサ部形成用のスペーサとすれば、各スペーサ部に含まれるスペーサの個数を実質的に一定かつ均一とすることができ、表示品位の高い液晶表示装置を生産性良く製造できる。

また、上記課題を解決するために、本発明は、処理対象物を保持した状態で１軸方向に移動自在なステージと、前記ステージの移動方向をＸ軸方向として、当該Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に設けられた少なくとも１個のノズルを有する塗布ヘッドとを備え、前記塗布ヘッドと処理対象物とを相対移動させながら、圧電素子に所定のパルス幅の駆動電圧を印加してノズルから微粒子を溶剤に分散させた分散液を処理対象物上に滴下して塗布する微粒子塗布装置において、前記ノズルから分散液を処理対象物上に滴下して塗布したときの微粒子の個数を実測する測定手段と、一定のパルス幅に対する駆動電圧又は一定の駆動電圧に対するパルス幅の変化に応じた処理対象物上の微粒子の個数の変化率が記憶され、測定手段での実測値と変化率からノズル毎に印加すべき駆動電圧又はパルス幅を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする。

以下に図面を参照して、処理対象物としてカラーフィルタ用のガラス等の基板Ｗ上の画素Ｇを囲むように遮光膜Ｐが設けられたものを用い、当該遮光膜ＰがＴ字状又は十字状に交差する部分に複数個（２〜１５個）のスペーサの凝集体からなるスペーサ部ＳＰを形成することに本発明の微粒子塗布方法及び微粒子塗布装置を適用した実施の形態について説明する。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の微粒子塗布装置Ｍは、インクジェット式のものであり、プラットホーム１を備える。プラットホーム１上には直方体形状のベース板２が配置され、ベース板２上には、基板Ｗを吸着保持するステージ３がベース板２の上面に固定したガイドレール４に沿って水平の１軸方向（Ｘ軸方向）に移動自在に支持されている。そして、図示省略したモータにより送りねじ機構を介してステージ３がＸ軸方向に往復動されるようにしている。なお、本実施の形態では、スペーサ部ＳＰを形成する際に図１中左側から右側へと基板Ｗが移動し、後述のフレームの上流側では、基板搬送手段Ｒによってステージ３上に基板Ｗを位置決め配置できるようになっている。

ベース板２上には、Ｘ軸方向に直交する水平方向（Ｙ軸方向）に長手の門型のフレーム５がステージ３の移動経路を跨ぐようにして配置されている。フレーム５には、インクジェット式の塗布ヘッド６が、図示省略の駆動手段によりＹ軸方向に沿って往復動自在に設けられている。塗布ヘッド６は、Ｙ軸方向に所定の間隔を存して列設された複数個のノズル７を有する。この場合、各ノズル７相互の間隔は、上記遮光膜Ｐの交差する部分の間隔に一致させて設定されるが、その間隔を微調整するために、Ｘ軸方向に直行するＺ軸方向の軸線周りに塗布ヘッド６を回転させる図示省略の回転機構を設ける構成を採用することが好ましい。

図３に示すように、各ノズル７は同一の構造を有し、塗工液通路７ａと、塗工液通路７ａの下端にチャンバ７ｂを介して連通するノズルヘッド７ｃとを備える公知のものであり、チャンバ７ｂに設けた圧電素子７ｄ（例えばピエゾ素子）に図示省略の電圧制御回路によりパルス状に駆動電圧を印加することで適宜駆動させて後述の分散液をノズルヘッド７ｃから吐出、滴下するように構成されている。

ここで、液晶表示装置の製造においてスペーサ部ＳＰ形成に用いられる塗工液としては、特に制限はなく、公知のものを用いることができ、例えば所定の粒子径を有するスペーサを溶媒中に分散させてなる分散液が用いられる。スペーサＳとしては、ガラス、アルミナ又はプラスチック等からなる球状又は棒状のものであって、その粒子径が１μｍ〜１０μｍ程度の公知のものが用いられる。また、溶剤としては、常温で液体であり、上記スペーサＳを分散させることができるものであれば、特に制限はないが、塗布ヘッド６から安定的に吐出可能なように、水または親水性の有機溶剤を用いることが好ましい。

また、上記溶剤は、基板Ｗ上に分散液を塗布した後、溶媒が低い温度で揮発するように、沸点（１気圧下）が１００°以下の親水性有機溶剤を含むことが好ましい。このような親水性有機溶剤としては、エタノール、ｎ−プロパノール、２−プロパノール等の低級モノアルコールやアセトンが例として挙げられ、これらは、単独または２種以上を併用するようにしてもよい。

このような分散液は、配管７ｅを介してノズル７の塗工液通路７ｂに通じる塗工液収納部８に収容されている。塗工液収納部８は、相互に隔絶され、流体ポンプ８ａを備えた配管８ｂを介して両槽間で分散液の移しかえを可能とする攪拌槽８ｃと超音波処理槽８ｄとを備えた公知のものである。そして、攪拌槽８ｃにて溶剤中のスペーサＳを攪拌しつつ、また、超音波処理槽８ｄにて脱気しながら超音波により振動を加えて分散液中でスペーサＳが凝集することを防止して、スペーサＳが均等に分散した分散液が常時各ノズル７に供給されるようにしている。なお、基板Ｗの所定位置に分散液を塗布した後、強制的に溶剤を蒸発させて乾燥するために、ステージ３に例えば抵抗加熱式のヒータを組み付け、基板Ｗを加熱できる構成を採用してもよい。

また、微粒子塗布装置Ｍは、マイコンやシーケンサ等を備えた公知の制御手段Ｃを有し、基板Ｗの吸着保持、ステージ３の移動、圧電素子７ｄへの駆動電圧の制御による液滴吐出量を統括制御できるようになっている。また、基板Ｗの移動方向下流側には、ＣＣＤカメラ９が設けられている。ＣＣＤカメラ９は、Ｙ軸方向に移動自在な支持板（図示せず）に吊持され、分散液が塗布された基板Ｗの当該塗布位置を撮像し、撮像された画像を図示省略した公知の画像解析装置で解析した後、その画像データを制御手段Ｃに送信するようになっている。この場合、ＣＣＤカメラと画像解析装置とが本実施の形態の測定手段を構成する。

以下に本発明の微粒子塗布方法によるスペーサ部ＳＰの形成について説明する。先ず、各塗布ヘッド６の各ノズル７によるガラス基板Ｗへの分散液の塗布に先立って、各ノズル７からの塗工液の吐出可能なメニスカスの形成した後この吐出準備は公知の方法で行われる。例えば、塗布装置Ｍにストロボ発光装置と、ノズルヘッド７ｃから吐出された液滴の位置を検出するＣＣＤカメラ等の観察装置とを設け、ストロボ発光間隔内における液滴の移動距離から液滴の吐出速度及びノズルヘッド７ｃからの延長線に対する液滴の飛翔角を検出する。そして、吐出速度及び飛翔角が所定の範囲に含まれるように、制御手段Ｃにより電圧制御回路を介して印加すべき駆動電圧またはパルス幅（駆動電圧印加時間）が調節される。各ノズル７からの液滴の滴下速度の調節（吐出準備）を行う。

この吐出準備は公知の方法で行われる。例えば、塗布装置Ｍにストロボ発光装置と、ノズルヘッド７ｃから吐出された液滴の位置を検出するＣＣＤカメラ等の観察装置とを設け、ストロボ発光間隔内における液滴の移動距離から液滴の吐出速度及びノズルヘッド７ｃからの延長線に対する液滴の飛翔角を検出する。そして、吐出速度及び飛翔角が所定の範囲に含まれるように、制御手段Ｃにより電圧制御回路を介して印加すべき駆動電圧またはパルス幅（駆動電圧印加時間）が調節される。

次に、図示省略のダミー基板を用い、少なくとも１個のノズル７において、パルス幅を一定にし、圧電素子７ｄに印加する駆動電圧を変化させたときのスペーサ部ＳＰを形成するスペーサＳの個数の変化率を取得する。即ち、ダミー基板への滴下位置をずらし、かつ、電圧制御回路によりパルス幅を一定に保持しつつ駆動電圧を段階的に増加させながら、１滴ずつ分散液を滴下していく。このとき、各駆動電圧に対して複数滴（好ましくは１００点以上）分散液を塗布することがよい。

そして、基板Ｗを自然乾燥または加熱乾燥して凝集させた後に、測定手段により各塗布位置でのスペーサＳの個数を実測する。即ち、各塗布位置において、ＣＣＤカメラ９により分散液を塗布した位置をそれぞれ撮像し、撮像された画像を図示省略した公知の画像解析装置で解析して、その画像データを制御手段Ｃに送信する。これにより、駆動電圧に対するスペーサＳの個数が測定され、これを基にスペーサの個数の変化率が算出され、その変化率が制御手段Ｃに記憶させるようになっている。

なお、図４には、スペーサの個数の変化率を取得したときの一例として、ノズル径が２７μｍ、スペーサとして、積水化学工業社製で平均粒子径が３．６μｍ、溶剤としてイソプロピルアルコール、エチレングリコール等の混合液を用い、これに上記スペーサを分散させた分散液を用い（濃度１．８重量％）、駆動電圧に対するスペーサＳの個数を測定したときの結果が示され、これから変化率が算出される。このような変化率の取得作業は、例えば塗布ヘッド６のメンテナンスを行った後等に適宜実施すればよい。また、スペーサＳの個数は、液晶表示装置の種類に応じて適宜設定され、その目標とする個数が制御手段に入力できるようになっている。

次に、各ノズル７の圧電素子７ｄに印加する駆動電圧を個々に設定する。先ず、基板Ｗ上の画素Ｇを囲むように遮光膜Ｐが設けられたものを用い、当該遮光膜がＴ字状又は十字状に交差する部分に、設定された目標個数のスペーサの凝集体からなるスペーサ部ＳＰを形成する。

即ち、スペーサＳの個数を相互に調節するために用いる基板Ｗをステージに位置決め配置した後、吸着保持させる。この状態でステージ３をＸ軸方向に沿って移動させると共に、このステージ３の移動に同期して塗布ヘッド６を走査移動させながら、上記交差部分にそれぞれに分散液を１滴ずつ滴下して塗布していく。そして、基板Ｗを自然乾燥または加熱乾燥して凝集させると、上記位置にスペーサ部ＳＰが形成される。

このとき、塗布ヘッド６の下流側に位置する測定手段により各塗布位置でのスペーサ部ＳＰを形成するスペーサＳの個数を実測する。即ち、各塗布位置において、ＣＣＤカメラ９により分散液を塗布した位置をそれぞれ撮像し、撮像された画像を図示省略した公知の画像解析装置で解析して、その画像データを制御手段Ｃに送信する。制御手段Ｃに画像データが入力されると、実測値と上記変化率とから各塗布ヘッドに印加するのに最適な駆動電圧が決定され、これにより、量産用のガラス基板へのスペーサ部形成準備が終了する。

即ち、実測したスペーサの個数をＮｃ、目標とするスペーサの個数をＮｒ、現在の駆動電圧をＶｃ（Ｖ）、補正すべき駆動電圧をＶｒ（Ｖ）とすると、ΔＮ＝Ｎｃ−Ｎｒ（式１）、ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖｒ（式２）から定まり、このΔＮ／ΔＶが予め取得した駆動電圧に対するスペーサの個数の変化率に一致することとなる。

ここで、変化率ΔＮ／ΔＶ＝１．７（図４参照）である場合を例として説明すれば、Ｎｃが１３、Ｎｒが１１及びＶｃが１４とすると、式（１）よりΔＮ＝２となり、これを式（３）に代入すると、ΔＶが１．２Ｖとなる。その結果、この値と式（２）よりＶｃが１２．８Ｖと判る。このようにしてノズル７毎に駆動パルス電圧を決定していく。

なお、スペーサ部形成準備においてはダミー基板を用いることができ、また、このスペーサＳの個数の実測は全てのノズル７に対して行われる。この場合、１個のノズル７に対して複数回（好ましくは１００点以上）、分散液を吐出させて測定手段によりスペーサＳの個数を実測し、その平均値を実測したスペーサの個数とするのがよい。

そして、上記と同じ手順で、ステージ３に、製品たるガラス基板Ｗを吸着保持させてＸ軸方向に移動させると共に、同期して塗布ヘッド６を作動させ、上記交差部分それぞれに分散液を１滴ずつ滴下して塗布し、基板を自然乾燥または加熱乾燥して凝集させると、基板各所において、スペーサＳの個数が一定かつ均一なスペーサ部ＳＰが形成される（図５参照）。

このように本実施の形態によれば、塗布ヘッド６の各ノズル７から分散液をガラス基板Ｗ上の所定位置に滴下して塗布した後、当該位置におけるスペーサＳの個数を実測し、この実測値と変化率を基に各ノズル７毎に駆動電圧を変えるため、スペーサＳの個数を実質的に一定かつ均一にでき、液晶表示装置にてセルギャップを維持するスペーサ部ＳＰを形成する際に、各スペーサ部ＳＰに含まれるスペーサＳの個数を実質的に均等とすることができ、表示品位の高い液晶表示装置を生産性良く製造できる。

なお、上記実施の形態では、駆動電圧の変化率を予め取得するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、駆動電圧を一定の値に保持しつつ、パルス幅（駆動電圧印加時間）を段階的に変化させてスペーサの個数の変化率を取得するようにし、パルス幅を調節してスペーサの個数の均一化を図るようにしてもよい。また、スペーサ部を形成するスペーサの個数を実測するためにＣＣＤカメラを設けたものを例として測定手段を説明したが、上記スペーサの個数を実測できるものであれば特に制限はない。

実施例１では、図１に示すインクヘッド式の微粒子塗布装置Ｍを用い、また、基板として、サイズが３７０×４７０ｍｍで６４列の画素を囲むように遮光膜Ｐが設けられたものを用いて、当該遮光膜がＴ字状又は十字状に交差する部分に、スペーサの凝集体からなるスペーサ部を形成した。この場合、微粒子塗布装置Ｍの１個の塗布ヘッド６のノズル本数は６４本、各ノズルのノズル径が２７μｍとした。さらに、スペーサとして、積水化学工業社製で平均粒子径が３．６μｍ、溶剤としてイソプロピルアルコール、エチレングリコール等の混合液を用い、これに上記スペーサを分散させた分散液を用いた（濃度１．８重量％）。

そして、液滴の吐出速度を４ｍ／ｓ、吐出液滴の体積を１５ｐｌに設定し、塗布ヘッド６の各ノズル７から分散液を基板上に滴下して塗布した後、当該位置におけるスペーサＳの個数を実測し、この実測値と変化率を基に各ノズル７毎に駆動電圧を変えて調節した。

図６は、１列当たりの液滴１００個のスペーサの個数の平均値及び標準偏差値を測定したときの結果（本実施例１）を、各ノズルの駆動電圧を調節しない状態で塗布したもの（比較例１）と共に示す表である。これによれば、比較例１と比較して本実施例１の方が、各ノズルの個数のばらつきが小さくなることが確認できた。

本発明のインクジェット式の微粒子塗布装置を示す側面図。 図１の微粒子塗布装置を用いたスペーサ分散液の塗布を説明する平面図。 ノズルの構成を模式的に説明する図。 圧電素子への駆動電圧とスペーサの個数の実測値との関係を示すグラフ。 基板へのスペーサ部形成を説明する部分拡大図。 実施例１として本発明の効果を示すための実験結果を示す表。

符号の説明

Ｍ インクジェット式の塗布装置
３ ステージ
６ 塗布ヘッド
７ ノズル
７ｄ 圧電素子
９ ＣＣＤカメラ（測定手段）
Ｇ 画素
Ｐ 遮光膜
Ｓ スペーサ（微粒子）
ＳＰ スペーサ部
Ｗ 基板（処理対象物）

Claims (3)

1. 塗布ヘッドの少なくとも１個のノズルに対して微粒子を溶剤に分散させた分散液を供給し、前記ノズルからの液滴吐出量を調節する圧電素子に所定のパルス幅の駆動電圧を印加してノズルから処理対象物上に分散液を滴下する工程と、前記溶剤を乾燥させて複数個の微粒子を凝集配置する工程とを含む微粒子塗布方法において、
   前記圧電素子への一定のパルス幅に対する駆動電圧又は一定の駆動電圧に対するパルス幅を変化させて分散液を滴下したときの処理対象物上での微粒子の個数の変化率を予め取得しておき、所定のパルス幅の駆動電圧にて処理対象物上に分散液を滴下したときの微粒子の個数を実測し、前記実測値と前記変化率から前記圧電素子に印加すべき駆動電圧又はパルス幅を決定することを特徴とする微粒子塗布方法。
2. 前記微粒子は、液晶表示装置にてセルギャップを維持するスペーサ部形成用のスペーサであることを特徴とする請求項１記載の微粒子塗布方法。
3. 処理対象物を保持した状態で１軸方向に移動自在なステージと、前記ステージの移動方向をＸ軸方向として、当該Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に設けられた少なくとも１個のノズルを有する塗布ヘッドとを備え、前記塗布ヘッドと処理対象物とを相対移動させながら、圧電素子に所定のパルス幅の駆動電圧を印加してノズルから微粒子を溶剤に分散させた分散液を処理対象物上に滴下して塗布する微粒子塗布装置において、
   前記ノズルから分散液を処理対象物上に滴下して塗布したときの微粒子の個数を実測する測定手段と、一定のパルス幅に対する駆動電圧又は一定の駆動電圧に対するパルス幅の変化に応じた処理対象物上の微粒子の個数の変化率が記憶され、測定手段での実測値と変化率からノズル毎に印加すべき駆動電圧又はパルス幅を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする微粒子塗布装置。

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