A method of forming a uniform line on a substrate

本発明は基板上でのトラックすなわち線の製造、特に平行な側部を有する直線状トラックの製造に関する。

コンシューマ向けプリンタ市場が成長していることで、画像を描画するように、少量の液体を表面に供給するインクジェットプリントは広範に応用可能な技術となっている。 必要に応じて滴下する装置も連続的に滴下する装置も両方とも考えられ、かつ製造されてきた。 インクジェットプリントに関する開発が基本的に、いくつかの溶媒ベースの系での応用を有する水ベースの系を目的として行われている一方で、その基礎となる技術はより広範な応用が可能である。 一のそのような応用は、導電性、半導体的、電子放出性又は他の性質を有するトラックを表面上にプリントすることである。 そのようなトラックにおいて鍵となる要求は、トラックが連続的でかつ、平行な側面を有するということである。

特許文献1は、幅が一定であること、及び液体が過剰に流れないことを保証する、液状の線を集める方法について開示している。 この方法は、関心材料を集めるために、二の付加的な液状線を形成する必要があるという欠点を有する。 しかも、二の付加的な線は幅内部で欠陥がない状態でなくてはならない。

特許文献2は同様な方法について開示している。 この方法では、プリントに用いられる液体が広がるのを制限するために疎水性パターニングが利用されている。 この方法でも、関心材料を集めるために、二の付加的な液状線を形成する必要があるという欠点を有する。 しかも、二の付加的線は幅内部で欠陥がない状態でなくてはならない。

プリントされる液体が広がるのを制限する代替方法は、不均一になってしまう前に液体を固化する方法である。 特許文献3は、上がプリントされる基板を、ヘッドとは異なる温度で保持し、プリント液体は熱的に処理される。 特許文献4（特許文献5と同じ）及び、特許文献6はそれぞれ、液滴が飛び出し、基板上を広がるときにUV光でその液滴を照射する方法について開示している。 材料は、不均一に広がる前に固化するようなものが選ばれる。 これらの各方法では、まっすぐで、平行な側面を有する線の活性剤(active material)が必要としていることが分かる。

従来の特許技術に加え、三の関連論文が存在する（非特許文献1、非特許文献2及び非特許文献3）。 それぞれの文献では、表面上における微細流中の液体流のモデルは、表面の濡れ性を非常に限定して計算されている。 上記参考文献のどれでも、著者らは、揮発性液体又は吸収性表面のいずれかで必要となる修飾について示唆又は開示していない。

国際公開第03/034130号パンフレット

国際公開第02/059985号パンフレット

国際公開第01/54903号パンフレット

欧州特許公開第1163552号明細書

国際公開第01/11426号パンフレット

英国特許公開第2352688号明細書

Duineveld.PC、" Journal of Fluid Mechanics "、2003年、第477巻、pp.175-200 Schiaffino.SとSonin.A、" Journal of Fluid Mechanics "、1997年、第343巻、pp.95-110 David.SH、" Journal of Fluid Mechanics "、1980年、第98巻、pp.225-242 A.Clarke, TDBlake, K. Carruthers, and A.Woodward、" Langmuir "、2002年、第18巻、pp.2980-2984

先にプリントされる付加的な'集めるための(corralling)'壁を利用せずにプリントされた線が平行側面を有することを保証する方法は現在のところない。

固体表面上に存在する、まっすぐな液体微細流(rivulet)は、基板の濡れ特性によって定義されるパラメータの範囲内では本質的に不安定である。 さらに、成長する微細流先端部に連続的に滴下することで微細流を連続的に作製する行為は、さらに不安定な液体流を生じさせる。 これらの機構は両方とも、プリントされた線を平行ではない側面を有する線にしてしまう。 本発明の目的は、不安定さを回避できる材料の特性及びプリント条件を特定することであって、それによってインクジェット法を用いて平行側面を有する線のプリントを成功させることである。

本発明は、液体に対する基板の濡れ性を適切に制御すること及び、プリントパラメータを適切に制御することによって、他の装置を利用しなくても又は複雑にならずに、平行な端部を有するまっすぐな線が実現可能となる。 本発明に従うと、液滴を使用することによって、基板上に線を作製する方法が提供される。 当該方法は以下の工程を有する。

a)基板表面上の液体組成物の後退接触角が10°未満であることを保証する工程；
b)r/Rで定義される滴下物の拡がりSが、r ₀ /Rで定義される滴下物の拡がりS ₀よりも大きいことを保証する工程；
ここで、r[m]は最初に表面に接触した後である約τ[s]の時点で測定された、表面上に付着する滴下物の底面半径で、τ=5R/uで、u[m/s]は滴下物の衝突時速度で、R[m]は表面と衝突する直前の液滴半径で及び、r ₀ [m]は接触角が静的前進接触角であるときの表面上に付着する滴下物の底面半径である。

c)滴下物によって形成される微細流の接触角が、τ以降では前進接触角よりも小さいことを保証する工程；及び、
d)基板表面で測定される、連続する滴下物の中心間距離が0より大きく滴下物の直径よりも小さくなるようにその滴下物を配置する工程。 それらの工程により、プリント線は平行端部を有するように作製される。

表面上の液体組成物の後退接触角は5°未満であることが好ましい。

本発明の方法は、インクジェットプリンタによって作製される隣接する線がくっついてしまうのを回避する。 インクジェット法を使用して、マスク中又は、導電性、半導体的特性又は誘電特性を有する活性剤の使用のいずれかで従来の回路パターンを作製するとき、本発明は、補助的ハードウエア又は付加的工程を必要とせずに作製される平行側面を有するまっすぐな線を供する。

本発明はまた、補助的ハードウエア又は付加的工程を必要とせずにインクジェット法で作製される平行側面を有するまっすぐな線を有するディスプレイライン素子を作製する工程を供する。

不均一な線を作製する原因となる不安定性に影響を与えるパラメータは多数ある。 そのようなパラメータには、線をプリントするのに使用される液体に関するもの、プリントされる基板に関するもの及び、液体と基板又は両者の成分間の相互作用が含まれる。 パラメータは：
液体の静的表面張力；
滴下物形成後約1[ms]と25[ms]の間に生じる、液体の動的表面張力変化；
静的前進接触角；
動的前進接触角；
静的後退接触角；
液滴サイズ-これは使用されるインクジェットヘッドによって決まる；
液滴の衝突時における速度-これは使用されるインクジェットヘッドによって決まる；
液体の粘性-これは使用されるインクジェットヘッドによって限定される；
表面から液体が除去される速度（多孔性吸収若しくは拡散的吸収、又は蒸発のいずれか）又は固化速度；
滴下物の到達速度；
基板表面上の連続する液滴間の間隔；
表面粗さ；
である。

局所的接触角が常に前進角よりも小さくかつ、後退角が常に可能な限り0に近い場合に不安定性を回避することが可能となる。 しかし如何なるプリント状況でも、上記12のパラメータの動的バランスが局所的接触角を決定する。 よって実際には、接触角が常に前進角よりも小さいことを保証するためには12のパラメータ範囲を特定する必要がある。

デービス(Davis)及び、後にシュアフィノ(Schiaffino)とソニン(Sonin)によって、固定された濡れ線(wetting line)つまり、濡れ線の位置を変動させることなく接触角が如何なる値を自由にとるような線では、接触角が90°未満であると仮定すると微細流は本質的には安定であることを示した。 自由な濡れ線つまり、接触角が平衡値で固定されかつ、濡れ線が自由に移動できるような線では、接触角の値に関係なく微細流は本質的には不安定である。 一般的には、液体と接している表面はヒステリシスを示す。 つまり濡れ線が特定の位置にある場合には、濡れ線が移動しない接触角の範囲が存在する。 デービス及び、後にシュアフィノとソニンがした解析は一般的な場合については言及していない。 デュインヘルド(Duinheld)は後退角が0つまり、濡れ線が表面上を前進することができるが、収縮はできないような特定の場合の流れのモデルを発展させた。 上記どの論文中でも、著者らは、吸着、蒸発又は他の如何なる手段によって表面から除去される液体の効果について検討していない。 また著者らは誰一人として表面上での漸進的固化についても検討しない。

プリント線が不均一になりうる別な理由は、動的マランゴニ力(Marangoni force)が表面上で液体流を駆動させることができるためである。 動的マランゴニ力は、表面張力の勾配を介することで発生する。 その勾配は微細流に沿って表面の生成経過時間(age)の違いによって生じる。 液滴がプリントされる際には、その液滴の生成経過時間は基本的には0で、バルク液体の表面張力を有する。 時間の経過に従って、さらに滴下物が微細流に加えられ、それと同時に局所的表面が古くなる。 従って、表面張力は減少し、微細流前方へ向かって表面張力の勾配が生じ、液体をこの方向へ駆動する。

本発明の方法は、接触角を常に前進角より小さくし、従って不安定モードを抑制するような材料パラメータ及びプリントパラメータの選択に帰着する。 不安定モードを抑制することで、均一な断面を有する液体微細流線のプリントが可能となる。

本発明に従って不安定モードを抑制するために必要又は好適な条件は多数存在する。 そのような条件について以降で説明する。

均一な断面を有する液体微細流線を実現するため、プリントされる基板表面と液体との後退接触角は可能な限り低くなくてはならず、0であることが好ましい。 これは、たとえばコロナ放電の使用及び/又はインク中に固体表面に吸着する成分の付加によって、固体表面の化学的性質を制御することで実現可能である。 また、拡がる液体を一の電極として利用して固体表面を帯電させることによっても実現可能である。 各場合では、多少強く相互作用する位置によって、濡れ線が後退できないことが保証される。

液滴の衝突後、接触角はできる限り迅速に静的前進角に到達する。 これは衝突時に液滴が十分な運動エネルギーを有することに加え、表面を粗くする及び/又は、平均として基板と弱く相互作用させることによって実現可能である。 液滴は続いて衝突の慣性によって拡がり、その慣性が十分大きいと仮定すると、静的前進接触角と釣り合うよりも大きな半径に拡がる。

前進接触角は可能な限り小さく、前の段落で説明した条件と一致しなくてはならない。 接触角を小さくすればするほど、平衡に到達する時間が長くなる。

表面張力の勾配は最小に抑えられなくてはならない。 これは、液体から表面活性な成分を除去する又は、液体の大部分が低表面張力成分であることを保証することによって実現可能である。 後者の場合では、液体の表面張力は十分迅速に平衡状態に到達するので、表面張力の勾配が回避される。

液体が液滴の衝突領域から離れるように移動する速度は、液体の到達速度よりも大きくなくてはならない。 衝突領域から離れるように移動する速度は、接触角、粘性、蒸発速度及び吸着速度によって決定される。 液滴サイズ、連続する液滴間の間隔及び、液滴の到達周波数は、単位領域あたりの液体到達速度を決定する。

接触角が前進接触角未満である状態で維持されない場合、滴下物はまだ液体の微細流上部にプリントされてはならない。

たとえ基板表面と液体との後退接触角を可能な限り小さくすることが必要であるとしても、これだけでは不安定性を回避するには十分ではない。 この条件と、常に前進接触角よりも小さい接触角とが組み合わせられる場合に微細流は必ず安定となる。

前進接触角を可能な限り小さくして上述の条件と一致させることによって、存在する残った不安定性が最小限に抑えられ、不安定な成長が減少する。 これによって成長時間が長くなり、蒸発、吸着又は液体の位置を固定するための処理の時間が供される。

表面張力を最小限に抑えることは本発明の本質的な特徴ではないが、接触角の制御及び、意図しないマランゴニ流(Marangoni flow)を最小限に抑えるために検討される必要がある。

特別なプリントパラメータについては、液滴の衝突領域から離れるように液体が移動する速度と液体が到達する速度との差異が最大化されなくてはならない。 これはしかし、後退接触角が可能な限り小さいこと及び、接触角が常に前進接触角よりも小さいことと一致しなくてはならない。

本発明に従った、端部の線を作製するのに採用される手順を図示したフローチャートである。

工程1では、後退接触角が10°未満に設定される。 好適には5°未満である。 これはたとえば、コロナ放電処理を介することで、材料表面に低密度の高エネルギー位置を形成することによって実現可能である。

工程2では、前進接触角が決定される。 これはたとえば、DAT又はPISA装置を使用することによって実現可能である。 DAT1100は、スエーデンのヘーゲルステンにあるフィブロシステムAB(FibroSystem AB)社で製造されている。 PISA装置に関する情報は、非特許文献4で見つけることができる。

工程3では、滴下物の拡がりが計算される。 滴下物の拡がりはr/Rによって定義される。 ここで、rは最初に表面に接触した後である約τ[s]の時点で測定された、表面上に付着する滴下物のベース半径で、τ=5R/uで、uは滴下物の衝突時速度で、Rは表面と衝突する直前の液滴半径である。

すべての単位はSI単位系である。

工程3ではまた、ウエーバー数を計算することも可能である。 ウエーバー数から滴下物の拡がりSを決定することが可能だが、これは好ましい方法ではない。 ウエーバー数W _eは、ρuR/γで定義される。 ここで、ρは液体の密度、uは滴下物の衝突時速度、Rは表面と衝突する直前の液滴半径で、及びγは液体の表面張力である。

工程4では、滴下物の拡がりSに関連する接触角が前進接触角より小さいか否かが決定される。 Yesの場合には、液体を材料又は基板上にプリントすることが可能である。 Noの場合には、処理は工程5へ続く。

工程5では、線がプリントされる材料表面を変化させることが可能か否かが決定される。 Yesの場合には、固体-液体の界面エネルギーが減少する。 これはたとえば、基板の組成を変化させる又は、表面処理によって表面の化学的性質を変化させることによって実行することが可能である。 表面は、その粗さを増大させることによって変化させることが可能である。 これが一旦実行されると、処理は工程2へ戻る。

表面が変化しない場合には、処理は工程6へ続く。 工程6では、液体を変化させるべきか否かが決定される。

その答えがyesの場合には、液体-気体の表面張力が減少又は、液体の粘性が減少する。 あるいはその代わりに、固体-液体界面で吸着することによって固体-液体の界面エネルギーを減少させる成分が付加されて良い。 一旦これらの工程のうちの一が実行されると、処理は工程2へ戻る。

液体が変化しない場合には、処理は工程7へ続く。 工程7では、プリントパラメータが変更される。 プリントが速くなっても良いし又は、プリントされる液体が少なくなっても良い。 あるいはその代わりに、プリントを十分ゆっくり実行させることで、これ以上の流れが生じないように、表面上の液体を吸着、蒸発又は固化させても良い。

本発明の方法は、特にプリント回路基板製造用若しくはプリント板用のマスク製造、又は導電性トラック及び電子回路を直接作製するのに有効である。 隣接するプリント線に拡がらないまっすぐな平行線を有することが望まれているインクジェットプリントの分野でも同様に応用可能である。 本発明は、レンチキュラーレンズの作製、立体画像の作製、コーティング技術でのマスク及び、ミクロの“バーコード”への利用も可能である。 これらは単ある例であり、本発明は、液体を滴下して線を作製するような用途であれば如何なる用途でも利用できることは明らかである。

本発明はその好適実施例を参照することで詳細に説明された。 本発明の技術的範囲から逸脱することなく変更及び修正を行うことが可能であることは当業者には明らかである。

本発明に従った、端部の線を作製するのに採用される手順を図示したフローチャートである。