JP2011521476A - 不定長ウェブを連続焼結するための方法 - Google Patents

Abstract

金属の導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法。この方法は、金属含有組成物をウェブ上に所定のパターンで適用する工程と、非常に低い熱質量を有するロールを提供する工程と、金属含有組成物に熱エネルギーを同時に適用し、それによって金属を導電性パターンに変換しながら、パターン形成されたウェブをロールの周囲で搬送する工程と、を含む。これは、可撓性回路を安価なロールツーロールプロセスで製造できるようにする。

Description

本発明は、導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法に関する。

電子回路を可撓性ポリマー基材上に調製する利点が存在する。可撓性回路は、空間及び折り畳み性が重要視される、例えば、携帯電話等の製造に特に便利である。当該技術分野の、微細な金属配線を有する可撓性材料を調製する能力における制限のうちの１つは、ポリマー基材の比較的低い耐熱性である。

本発明は、金属の導電性パターンをウェブ上に適用する方法を提供する。一態様では、本発明は、導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法であって、
パターン形成されたウェブを提供するために、金属含有組成物をウェブ上に適用する工程と、
パターン形成されたウェブを、非常に低い熱質量を有するロールの周囲で搬送する工程と、
金属を導電性パターンに変換するために、パターン形成されたウェブに熱を適用する工程と、
導電性パターンを冷却する工程と、を含み、
パターン形成されたウェブに熱を適用する工程、及び導電性パターンを冷却する工程は、パターン形成されたウェブをロールの周囲で搬送している間に実施される、方法を提供する。

別の態様では、本発明は、導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法であって、
パターン形成されたウェブを提供するために、金属含有組成物をウェブ上に適用する工程と、
パターン形成されたウェブを、非常に低い熱質量を有する接触層を含む搬送表面上で搬送する工程と、
金属を導電性パターンに変換するために、パターン形成されたウェブに熱を適用する工程と、
導電性パターンを冷却する工程と、を含み、
パターン形成されたウェブに熱を適用する工程、及び導電性パターンを冷却する工程は、パターン形成されたウェブを搬送表面上で搬送している間に実施される、方法を提供する。

本明細書に明示的に定義されていない限り、本発明の実施形態を説明するために使用される用語は、当業者によってそれらの属性であると考えられるものと同一の意味を有すると理解される。

本明細書で使用される場合、「非常に低い熱質量」を有するロールは、１ｃｍ^２のロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、約１ジュール以下のエネルギーを必要とするロールと定義される。

当業者は、「発明を実施するための形態」、「実施例」、及び添付の「特許請求の範囲」を含む、本開示の残りの部分を熟考することによって、本発明の本質をより完全に理解するであろう。

本発明の実施形態の説明では、様々な図面が参照され、図中、描写される実施形態の特長は、参照番号を用いて識別され、同様の参照番号は、同様の構造を指す。

本発明による方法を実施するための装置の概略図。 図１の装置の別の実施形態の概略図。 図１の装置の一部分の正面図。 本発明の別の実施形態による方法を実施するためのロール装置の部分正面図。 本発明の更に別の実施形態による方法を実施するためのロール装置の部分正面図。

本発明は、金属含有組成物をウェブの表面に所定のパターンで適用するための方法、組成物中の金属を導電性パターンに変換するために、高熱を金属含有組成物に同時に適用しながら、ウェブを非常に低い熱質量を有するロール若しくはベルト、又は機能的に同等の搬送基材上で搬送するための方法を提供する。基材は、基材が商業的に実現可能なライン速度で絶え間なく動いている際にさえ、変形を回避するために、急速に加熱され、冷却される。

図１を参照すると、本発明の方法を実施するための装置１０の概略図が図示されている。不定長の連続ウェブ２０は、金属含有組成物２４がウェブ２０の第１の主表面２３上に所定のパターンで適用される、適用ステーション２２を通過して搬送される。ウェブ２０は、任意の様々な材料で作製することができる。幾つかの実施形態では、ウェブ２０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、及びポリイミドの群から選択される、ポリマー材料である。本発明の実施形態では、適用ステーション２２は、金属含有組成物２４をウェブ２０の表面２３に適用するために、印刷技術を実施することができる、デバイスである。幾つかの実施形態では、適用ステーション２２は、インクジェット印刷を実施する（例えば、ステーション２２は、インクジェットプリンタである）。他の実施形態では、適用ステーション２２は、オフセット印刷によって、若しくは回転スクリーン印刷によって、又はフレックスグラビア印刷（flex gravure printing）等によって、金属含有組成物２４を適用する。金属含有組成物を適用するための他の技術は、本発明の範囲内であると考えられる。

連続ウェブ２０は、図１の方向指示矢印によって示されるように、ロール３０の周囲を単一方向に移動する。ロール３０は、非常に低い熱質量を有する。図１に図示される本発明の実施形態では、空気ベアリング３２上に薄い金属シェル３１を実装することによって、非常に低い熱質量のロール３０が提供される。薄い金属シェル３１の材料の選択は、非常に低い熱質量を有するロール３０の提供において重要である。幾つかの実施形態では、薄い金属シェル３１は、主にニッケルで構成される。他の実施形態では、他の薄い金属材料を使用することができる。幾つかの実施形態では、薄い金属シェルは、約０．１２７ｍｍ（５ミル）〜０．３８１ｍｍ（１５ミル）の厚さを有するニッケルで構成される。空気ベアリング３２は、非回転鋼コアを含む。ロール３０は、１ｃｍ^２のロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、１．０ジュール未満のエネルギーを必要とするように構成される。幾つかの実施形態では、ロール３０は、１ｃｍ^２のロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、０．５ジュール未満のエネルギーを必要とする。幾つかの実施形態では、ロール３０は、１ｃｍ^２のロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、０．２ジュール未満のエネルギーを必要とする。

金属含有組成物２４は、ウェブ２０の表面２３に適用され、ロール３０の周囲を搬送される。金属含有組成物２４中の金属を変換する、焼結プロセスを開始して、最終導電性パターン３６を提供するために、加熱器３４によって、金属含有組成物２４に熱が適用される。本発明の実施形態では、加熱器３４は、放射加熱器である。幾つかの実施形態では、加熱器３４は、赤外線（ＩＲ）加熱器である。また、当業者が既知の抵抗加熱器、対流加熱器、誘導加熱器等に加えて、他の種類の放射加熱器が、本発明で使用されてもよい。

加熱器３４を用いた加熱に続き、ウェブ２０は、ウェブ２０をロール３０から分離する前に、そのガラス転移温度（Ｔ_ｇ）未満の温度に即座に冷却される。ウェブ２０の冷却は、加熱器３４の下流に、薄い金属シェル３０の外側表面と隣接して実装された、急冷システム３８を使用して達成される。描写される実施形態では、急冷システム３８は、少なくとも１つのエアーナイフを含む。当業者は、ノズル等の他のデバイス又は他のガスが、急冷システム３８で使用するのに好適であり得ることを理解するであろう。

幾つかの実施形態では、加熱器３４は、局所的な熱膨張によって薄い金属シェル３０を座屈させるのに十分な速度で、熱エネルギーを提供することができてもよい。予防措置として、本発明の実施形態は、加熱器３４によって金属シェル３１の表面に提供される追加熱が、薄いシェルの座屈力閾値を超過する局所膨張力を生じさせないように、薄い金属シェル３１を高温に予熱する能力を備える。幾つかの実施形態では、薄い金属シェル３１を、所定の基準温度又は所定の温度範囲内の温度に暖めるための基準加熱デバイスが提供される。幾つかの実施形態では、図１に示される形態で、即ち、空気ベアリング３２の内部に実装された複数個の抵抗加熱器４０として、基準加熱デバイスが提供される。また、基準加熱デバイスの他の構成も熟考され、当業者に理解されるであろう。

図１の装置の数学的モデリングは、加熱が実施されるバンドを制限内で狭くすることによって、ウェブ２０が座屈する傾向を更に低減することができることを示唆した。この点を考慮して、図１ａは、加熱領域の幅を減少させるための特定の手段を示す、図１の装置の別の実施形態を図示する。この実施形態では、両凸のレンズ４０によって集束され、開口４２によってウェブの狭い区域上に制限される、加熱器３４の出力が示される。当業者は、このように使用され得る他の手段を思いつくだろう。これらの手段を使用することによって、エネルギーは、薄いシェル３０の周囲を搬送される際、図中に角度θで指定される、ウェブ２０の狭められた区域に向けらる。これらの手段のうちの１つ以上の方法によって、角度θを、有利に、薄いシェル３０の円周の２度未満の弧に制限することができる。幾つかの実施形態では、加熱が実施される領域を更に制限するために、任意に、第２の急冷システム３９が存在してもよいことが熟考される。

幾つかの実施形態では、本発明による方法に従う際、装置付近の周囲湿度は、プロセス窓に影響を及ぼすことができることが観測された。いかなる理論にも束縛されるものではないが、ウェブ２０が最初にロール３０に接触する場所に取り込まれる少量の空気の含水量は、急速加熱が実施される際、ウェブとロールとの間の良好な接触を妨害し、それによって伝熱率に影響を及ぼし得ると考えられる。幾つかの実施形態では、結果を改善するために、方法が実施される周囲の相対湿度を、３０％未満、２５％未満、又は更には２０％未満にすることができる。

図２を参照すると、空気ベアリング３２上に薄い金属シェル３１が実装された、図１のロール３０の正面図が示されている。典型的に、空気ベアリング３２は、コアの周辺の周囲に配設された複数個の穴と、第１の円形エンドキャップと、第２の円形エンドキャップとを有する、円筒形コアを含む。円筒形支持コアに、圧縮ガスの源が供給され、これは、穴から流出し、それによって、薄い金属シェル３１をコアを中心に回転させる。薄いシェル３１の外側縁部３１ａ及び３１ｂから出る、空気ベアリング３２からの空気流は、矢印「Ａ」によって示される。薄いシェル３１の幅は、シェルが、空気ベアリング３２の外側縁部３２ａ及び３２ｂ内に適合するような幅である。描写される実施形態では、薄いシェル３０は、空気ベアリング３２の外側縁部３２ａ及び３２ｂの境界内で、少なくともある程度、横方向に「さまよって」もよい。

ここで、図２ａを参照すると、本発明において有用なロール１３０の別の実施形態の断面図が示されており、ここで、説明される。前述の実施形態で説明されるように、薄い金属シェル１３１は、空気ベアリング１３２上に実装される。空気ベアリング１３２からの空気流は、矢印「Ａ’」によって示されるように、金属シェル１３１の下部からシェルの外側縁部に沿って出る。薄いシェル１３１の幅は、シェルが空気ベアリング１３２の外側縁部内に適合するような幅である。空気ベアリング１３２の外側縁部１３２ａ付近の円筒形コア上に、先細の段部１３３が提供される。類似する先細の段部が、空気ベアリング１３２の反対側上に提供される（図示せず）ことが理解される。このように、先細の段部１３３は、薄い金属シェル１３１が空気ベアリング１３２の縁部間で横方向にさまようのを防止し、薄いシェル１３１の縁部から出る横方向の空気流Ａ’が及ぼす力を平衡化し、したがって薄いシェルを空気ベアリング上の中心に保つ働きをする。

ここで、図２ｂを参照すると、本発明において有用なロール２３０の別の実施形態の断面図が示されており、ここで、説明される。薄い金属シェル２３１は、空気ベアリング２３２上に実装される。空気ベアリング２３２からの空気流は、矢印「Ａ”」によって示されるように、金属シェル２３１の下部からシェルの外側縁部２３１ａに沿って出る。薄いシェル２３１の幅は、シェルが空気ベアリング２３２の外側縁部内に適合するような幅である。空気ベアリング２３２の外側縁部２３２ａ付近の円筒形コア上に、階段状の段部２３３が提供される。類似する構造が、空気ベアリング２３２の反対側上に提供される（図示せず）ことが理解される。このように、階段状の段部２３３は、薄い金属シェル２３１が空気ベアリング１３２の縁部間で横方向に移動するのを防止し、薄いシェル２３１の外側縁部から出る横方向の空気流Ａ”が及ぼす力を平衡化し、薄いシェルを空気ベアリングの縁部内の中心に保つ働きをする。

前述の実施形態において、先細の段部１３３（図２ａ）及び階段状の段部２３３（図２ｂ）として描写される段部構造は、薄い金属シェルが空気ベアリングの境界内で過度に横方向に移動するのを防止する、本発明において有用な例示の構造である。段部１３３及び２３３と同一の機能を実施し、同一の結果を達成する、本発明の範囲内の他の構造が熟考され、本発明は、いかなる点でも、描写される段部構造に制限されると解釈されない。

更に、本発明は、空気ベアリング及び薄い金属シェルからなるロールの形態の搬送表面に制限されると解釈されない。記載されるロールの代わりに、例えば、無限金属ベルト等の別の搬送表面が熟考される。更に、当業者は、薄い接触層のみが非常に低い熱質量を有し、接触層が、例えば、接触層の直下に置かれる超断熱材料の層によって、搬送表面の残りの部分から熱的に分離されている、搬送表面を提供することができることを理解するであろう。前述の別の構成は、明確に、本発明の範囲内であると見なされる。

（実施例１）
概して図２ｃに描写されるように機構を安定化する軸位置で、図１に描写されるものと類似する、実験用の設備を準備した。ＳＴ５０４フィルムとしてＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥのＤｕｐｏｎから市販される、幅が２０．３ｃｍ（８インチ）、及び厚さが０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）の不定長のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のウェブが装着された。ロールは、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣのＳｔｏｒｋ Ｐｒｉｎｔｓ ＡｍｅｒｉｃａからＮｉｃｋｅｌ Ｓｌｅｅｖｅとして市販される、直径が２１．９０６ｃｍ（８．６５８インチ）、及び厚さが０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の主にニッケルの薄いシェルを含んだ。この組成物のシェルは、１ｃｍ^２のロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、約０．１ジュールのエネルギーを必要とする。

ニッケルシェルは、空気ベアリングとして働く、非回転鋼支持コアの周囲に実装された。この非回転鋼支持コアに、基準加熱器として、１５〜６５ワットのストリップ加熱器（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮのＭｉｎｃｏからＴｈｅｒｍｏｆｏｉｌ加熱器として市販される）がコアの内径に取り付けられた。コアの３つの特定の熱領域設定を可能にするために、基準加熱器の熱制御は、抵抗熱検出器（ＲＴＤ）フィードバックを含んだ。薄いシェルへの支持空気供給は、空気が鋼コア内に提供される穴を通過する際、コアからの熱をシェルに伝達する役割を果たした。シェルを支持するために、９．９ｋＰａの気圧（４０インチの水（０．１０ｋｇ／ｃｍ^２））がコアに提供された。この観測は、一般的ガイドラインであり、ウェブが流れている際の定常状態温度差は、ウェブ厚さ及び幅、並びにライン速度の関数であることが留意されるが、これらの設定で、コア温度とニッケルシェルの表面温度との間の通常の温度差は、約１０℃であったことが留意された。

ウェブが１．２２ｍ／分（４フィート／分）のライン速度で前進される間、媒体中に懸濁された銀ナノ粒子を含有するインク組成物（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＭＮのＣａｂｏｔ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＣＣＩ−３００として市販される）が、Ｌｅｂａｎｏｎ，ＮＨのＤｉｍａｔｉｘからモデルＳＥ１２８として市販されるインクジェット印刷ステーションから、ウェブ上に所定のパターンで分注された。２つの１６００ワットのＩＲ加熱器（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮのＲｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｃ．からランプ及びホルダモデル５１９３−１６−ＳＰ７３５として市販される）の形態の加熱器が提供された。幅が約１．３ｃｍ（０．５インチ）のクロスウェブラインにエネルギーを集束させるために、ＩＲ加熱器に、放物面反射鏡が取り付けられた。ＩＲ加熱器への電力は、電力コントローラキャビネット（モデル９１０−Ａ−２４０−４０−００、Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｃ．）を用いて制御された。この装置の赤外線波長は、主に、１〜２μｍであり、これは、約１０００〜２０００℃のバルブ「温度」と同じである。インク組成物を放射線に暴露することによって、銀ナノ粒子は、銀の導電層に焼結され、これは、本質的に図１に示され、本明細書の他の場所に説明されるように、ＩＲ加熱器の下流に配置されるエアーナイフの形態で提供される急冷システムを用いて冷却された。動作中、ＰＥＴウェブは、熱変形されず、ニッケルシェルは、座屈しなかった。

（実施例２）
以下を除き、実施例１と同様に、実験用の設備を準備した。１６００ワットのＩＲ加熱器、並びにそれらの集束及び制御機械設備を、１５００ワット、２５〜５０ｋＨｚの誘導加熱器で置換した。２．５４ｃｍ（１インチ）の直径を有する、この誘導加熱器コイルは、薄いシェルから２ｍｍの距離に配置され、フィルムは、０．６１ｍ／分（２フィート／分）の速度で前進された。インク組成物を、誘導加熱器によって生成される熱に暴露することによって、銀ナノ粒子は、銀の導電層に焼結され、これは、本明細書の他の場所に説明されるように、誘導加熱コイルの下流に配置されるエアーナイフの形態で提供される急冷システムを用いて冷却された。動作中、ＰＥＴウェブは、熱変形されず、ニッケルシェルは、座屈しなかった。

本発明について、それらの様々な実施形態に関連して示し説明してきたが、当業者であれば、形状及び細部における様々な他の変更が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その分野においてなされ得ることが理解されよう。

Claims (20)

1. 導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法であって、
   パターン形成されたウェブを提供するために、金属含有組成物を前記ウェブ上に適用する工程と、
   前記パターン形成されたウェブを、非常に低い熱質量を有するロールの周囲で搬送する工程と、
   前記金属を導電性パターンに変換するために、前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程と、
   前記導電性パターンを冷却する工程と、
   を含み、前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程及び前記導電性パターンを冷却する工程が、前記パターン形成されたウェブを前記ロールの周囲で搬送している間に実施される、方法。
2. 前記ロールが、空気ベアリング上に実装された、薄い金属シェルを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記薄い金属シェルが、主にニッケルで構成される、請求項２に記載の方法。
4. 前記薄い金属シェルを所定の基準温度で維持するための、基準加熱デバイスを更に備える、請求項２に記載の方法。
5. 前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程が、赤外線エネルギー源を用いて達成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記ウェブが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、及びポリイミドからなる群から選択されるポリマーを含むフィルムを備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記導電性パターンを冷却する工程が、前記パターン形成されたウェブを前記ロールの周囲で搬送している間に、前記ウェブをそのガラス転移温度未満の温度に冷却する工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記冷却する工程が、前記薄い金属シェルの外側表面に隣接して実装された、急冷システムを使用して達成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記急冷システムが、少なくとも１つのエアーナイフを備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記金属含有組成物が、媒体中に懸濁された銀粒子を備え、前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程が、前記銀粒子を前記導電性パターンに焼結する、請求項１に記載の方法。
11. 前記薄い金属シェルの厚さが、約０．１２７ｍｍ（５ミル）〜０．３８１ｍｍ（１５ミル）である、請求項３に記載の方法。
12. 前記空気ベアリングが、非回転コアの周囲で、前記薄い金属シェルを支持する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ロールが、１ｃｍ^２の前記ロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、０．５ジュール未満のエネルギーを必要とする、請求項１に記載の方法。
14. 前記ロールが、１ｃｍ^２の前記ロールの表面を１°Ｋだけ変化させるのに、０．２ジュール未満のエネルギーを必要とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程が、前記ロールの円周の２度以下の弧にわたって実施される、請求項１に記載の方法。
16. 前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程が、誘導エネルギー源を用いて達成される、請求項１に記載の方法。
17. 前記赤外線エネルギー源が、前記ウェブが前記ロールの周囲を搬送されている間、レンズによって、前記ウェブの区域上に集束される、請求項５に記載の方法。
18. 前記レンズが、両凸のレンズを備え、前記両凸のレンズと前記ウェブとの間に開口が配置される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程中の周囲相対湿度が、３０％未満である、請求項１に記載の方法。
20. 導電性パターンを不定長の材料のウェブ上に適用する方法であって、
    パターン形成されたウェブを提供するために、金属含有組成物を前記ウェブ上に適用する工程と、
    前記パターン形成されたウェブを、非常に低い熱質量を有する接触層を備える搬送表面上で搬送する工程と、
    前記金属を導電性パターンに変換するために、前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程と、
    前記導電性パターンを冷却する工程と、
    を含み、前記パターン形成されたウェブに熱を適用する工程及び前記導電性パターンを冷却する工程が、前記パターン形成されたウェブを前記搬送表面上で搬送している間に実施される、方法。

Images