JP2012057036A - インクの調製方法及びパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクからナノ粒子の集合体をより確実に取り除き、これによって機能性に優れたパターンを形成可能とする。
【解決手段】ナノ粒子を含むインクの調製方法であって、インクを遠心分離し、ナノ粒子の集合体を取り除くことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクの調製方法及びパターン形成方法に関するものである。

従来から、微細な配線パターン等のパターンを、印刷法によって形成する方法が提案されている。
具体的には、パターンの形成材料を１μｍ以下の粒径のナノ粒子として含むナノインクをインクとして基板上にパターニングし、このパターニングされたインクを焼成することによってパターンとしている。

近年は、上記印刷法によって、線幅が１０μｍ程度の微細パターンを形成する試みが行われている。ところが、インクに含まれるナノ粒子は、凝集している場合がある。このような凝集体が含まれるインクを用いて微細パターンを形成すると、凝集体の形状がパターンに残り、パターンの表面が滑らかにならず、突起する部分が生じる。

このような突起部は、導電性の悪化等のパターンの機能悪化に繋がるため、解消することが望ましい。
このため、特許文献１や特許文献２には、ナノ粒子の凝集体を分散させる技術が提案されている。

特開２００６−３１２１３０号公報 特開２００５−５１９８号公報 特開２００４−３１９１７２号公報

しかしながら、上述のナノ粒子の凝集体を分散させる方法を用いた場合であっても、十分にパターン表面の突起をなくすことができなかった。
これは、通常、融着を防ぐためにナノ粒子にコーティングされた保護コロイドが搬送過程等で剥がれ、ナノ粒子同士が融着しているためと考えられる。このように融着してしまったナノ粒子は、融着により一体化されているため、ナノ粒子の凝集体を分散させる方法で分散することはできない。

なお、特許文献３に示すように、インクを濾過することにより、ナノ粒子の凝集体や融着体等の集合体を除去する提案もなされているが、十分にナノ粒子の集合体を取り除くことができず、パターン表面の突起をなくすことはできなかった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、インクからナノ粒子の集合体をより確実に取り除き、これによって機能性に優れたパターンを形成可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、ナノ粒子を含むインクの調製方法であって、上記インクを遠心分離し、上記ナノ粒子の集合体を取り除くという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記遠心分離の回転数及び時間を、上記インクの粘度に応じて設定するという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記遠心分離に先立ち、上記インクの粘度を調節するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、遠心分離後の上記インクの上澄み液を調製済みインクとして回収し、残液を再び遠心分離してその上澄み液を調製済みインクとして回収するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明であるインクの調製方法によって調整されたインクを基板上にパターニングするパターニング工程と、上記パターニング工程において基板上に配置された上記インクを焼成することによりパターンとする焼成工程とを有するという構成を採用する。

第６の発明は、上記第５の発明において、上記パターニング工程が、上記インクを凹版の凹部に充填するインキング工程と、上記凹版の凹部に充填された上記インクをブランケットが受理する受理工程と、上記ブランケットが受理した上記インクを基板上に転写する転写工程とを有するという構成を採用する。

本発明によれば、遠心分離によって、ナノ粒子の集合体が取り除かれる。これによって、従来よりもナノ粒子の集合体を取り除くことが可能となり、表面に突起部がなくて機能性に優れたパターンを形成することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるパターン形成方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態におけるパターン形成方法で用いられる印刷装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態におけるパターン形成方法で用いられる印刷装置の電気的な接続を示すブロック図である。 従来法で形成した微細パターンと発明の一実施形態におけるパターン形成方法で形成した微細パターンの顕微鏡写真である。

以下、図面を参照して、本発明に係るインクの調製方法及びパターン形成方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態におけるパターン形成方法のフローチャートである。
この図に示すように、本実施形態におけるパターン形成方法は、遠心分離工程Ｓ１と、パターニング工程Ｓ２と、焼成工程Ｓ３とを有している。

遠心分離工程Ｓ１は、本発明のインクの調製方法を用いてインクの調製を行う工程であり、インクを遠心分離することによって、インクに予め含まれたナノ粒子の集合体を取り除く工程である。

より詳細には、インクを、例えば水平ロータ型やアングルロータ型の遠心分離機にかけて遠心分離する。この結果、ナノ粒子が集合した集合体の重量が重いために遠心分離機の回転中心から遠くに移動する。このため、遠心分離後の上澄み液にはナノ粒子の集合体が含まれておらず、この上澄み液を調製済みのインクとして回収する。

なお、インクとしては、例えば、ナノ粒子が銀粒子であり、分散媒がアルコール系の銀ナノインクを用いることができる。ただし、これに限定されるものではなく、ナノ粒子として、銅粒子、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）粒子、スズ粒子、シリコン粒子、合金粒子等のうち１種類あるいは複数種類を含むインクを対象とすることができる。さらに、インクの分散媒は、アルコール系に限られず、水系や有機溶媒系であっても良い。

なお、本実施形態におけるナノ粒子の集合体とは、ナノ粒子同士が融着した融着体に限らず、ナノ粒子が凝集した凝集体を含むものである。

また、本実施形態において遠心分離の回転数及び時間は、インクの粘度に応じて設定する。
遠心分離における粒子の沈降（分離）時間Ｔは、下式（１）で表される。

なお、（１）式において、ＫはＫファクタを示し、下式（２）において、Ｓは比較定数を１０^１３倍した値を示し、下式（３）で表される。

ここで、式（２）において、Ｎが遠心分離の際の回転数、Ｒｍａｘが遠心チューブの最大回転半径、Ｒｍｉｎが遠心チューブの最小回転半径を示している。
また、式（３）において、ｄが粒子直径（除去したいナノ粒子の集合体）の直径、σが粒子の密度、ρが溶液の密度、ηが溶液の粘度を示している。

式（１）〜式（３）から分かるように、遠心分離の回転する及び時間は、インクの粘度をパラメータとするものである。したがって、遠心分離の回転数及び時間は、インクの粘度に応じて設定することができる。

なお、遠心分離機における回転数には限度があるため、粘度が高すぎると、式（１）〜（３）から分かるように、ナノ粒子の集合体を除くために非常に長い時間が必要となってしまう。
このため、遠心分離に必要な時間を短縮するためのみであれば、インクの粘度は低いほど好ましい。

しかしながら、あまりにも粘度が低いインクは、印刷法を用いてパターニングすることができない。つまり、あまりにも粘度が低いインクは、後のパターニング工程Ｓ２で使用することができない。
このため、インクの粘度は、印刷法を用いてパターニング可能な範囲の中でできるだけ低いことが好ましい。

そこで、遠心分離に先立ち、インクの粘度を調節することが好ましい。具体的には、インクの分散媒の量を調節することによってインクの粘度を調節することができる。例えば、分散媒を足すことによりインクの粘度は低下し、分散媒を揮発させることによりインクの粘度を増加させることができる。

なお、遠心分離の時間を１時間とし、かつ、印刷方式でパターン形成が可能な粘度は、０．１（Ｐａ・ｓ）〜１（Ｐａ・ｓ）である。

なお、遠心分離後の上澄み液を調製済みのインクとして回収することは上述した通りであるが、残液に含まれる全ての粒子がナノ粒子の集合体であることはなく、当該残液には集合体となっていない単体のナノ粒子が含まれている。
このため、当該残液を再び遠心分離してその上澄み液を調製済みインクとして回収することが好ましい。このように複数回遠心分離を行うことによって、インクの利用効率を高めることができる。

パターニング工程Ｓ２及び焼成工程Ｓ３は、調製後のインクを用い、印刷法の１つであるグラビアオフセット印刷法にてパターンを形成する工程である。なお、グラビアオフセット印刷法にてパターンを形成する場合には、水系の分散媒が後述のブランケットのなじまないため、有機溶媒系の分散媒を用いることが好ましい。

パターニング工程Ｓ２は、上述のインクの調製方法を用いて行われた遠心分離工程Ｓ１後のインクを基板上にパターニングする工程であり、図１に示すように、インキング工程Ｓ２ａと、受理工程Ｓ２ｂと、転写工程Ｓ２ｃとを有している。

インキング工程Ｓ２ａは、凹版の凹部に遠心分離工程Ｓ１で調製されたインクを充填する工程である。
受理工程Ｓ２ｂは、凹版の凹部に充填されたインクをブランケットが受理する工程である。
転写工程Ｓ２ｃは、ブランケットが受理したインクを基板上に転写する工程である。

図２は、本パターニング工程Ｓ２を行うための印刷装置Ｓの概略構成図である。また、図３は、印刷装置Ｓの電気的な接続を示すブロック図である。
本実施形態の印刷装置Ｓは、図２及び図３に示すように、架台１と、凹版ステージ装置２と、基板ステージ装置３と、インキング装置４と、転写装置５と、アライメント装置６と、制御装置７（図２においては不図示）とを備えている。

架台１は、その上面に凹版ステージ装置２と基板ステージ装置３とにおいて兼用されるレール１０が敷設されると共に、当該レール１０に沿ってインキング装置４と転写装置５とアライメント装置６とを支持している。
なお、以下の説明において、上記レール１０の延在方向をＸ方向、当該Ｘ方向に直交する上下方向をＺ方向として説明を行う。

凹版ステージ装置２は、インクパターンに応じた凹部を備える凹版Ｘを支持し、当該凹版ＸをＸ方向に移動するものであり、上記レール１０を固定子とするリニア装置２ａと、凹版ステージ２ｂとを備えている。なお、本実施形態において、凹版Ｘは、平板形状を有している。

リニア装置２ａは、レール１０と、当該レール１０に沿って電磁誘導にて移動する移動子２ａ１とを有し、制御装置７の制御の下、移動子２ａ１をレール１０に対して任意の位置に移動可能とするものである。

凹版ステージ２ｂは、上記凹版Ｘが載置されると共にリニア装置２ａの移動子２ａ１に対して固定されており、移動子２ａ１の移動によってＸ方向に移動可能とされている。

基板ステージ装置３は、インクがパターニングされる基板Ｙを支持し、当該基板ＹをＸ方向に移動するものであり、上記レール１０を固定子とするリニア装置３ａと、基板ステージ３ｂとを備えている。

リニア装置３ａは、レール１０と、当該レール１０に沿って電磁誘導にて移動する移動子３ａ１とを有し、制御装置７の制御の下、移動子３ａ１をレール１０に対して任意の位置に移動可能とするものである。

基板ステージ３ｂは、上記基板Ｙが設置されると共にリニア装置３ａの移動子３ａ１に対して固定されており、移動子３ａ１の移動によってＸ方向に移動可能とされている。

インキング装置４は、凹版ステージ装置２によって移動される凹版Ｘの凹部に対してインクを配置するものであり、複数のドクターブレード４ａと、各ドクターブレード４ａに対して設けられる昇降装置４ｂと、インク供給装置４ｃとを備えている。

ドクターブレード４ａは、凹版Ｘ上に配置されたインクを凹版Ｘ上において移動させるものであり、凹版の凹部に対してインクを押し込む押込ブレード４ａ１と、余剰分のインクを掻き取る掻取ブレード４ａ２と、インクを初期位置に戻すための戻しブレード４ａ３とによって構成されている。
これらのドクターブレード４ａは、下端が凹版Ｘの上面と摺動することによってインクの移動を行い、上記機能を達成可能とする傾斜角度で配置されている。

昇降装置４ｂは、制御装置７の制御の下、ドクターブレード４ａを昇降するものであり、押込ブレード４ａ１を昇降する押込ブレード昇降装置４ｂ１と、掻取ブレード４ａ２を昇降掻取ブレード昇降装置４ｂ２と、戻しブレード４ａ３を昇降する戻しブレード昇降装置４ｂ３とによって構成されている。

インク供給装置４ｃは、ドクターブレード４ａの前段において凹版Ｘ上にインクを吐出するものである。

転写装置５は、凹版Ｘの凹部にインクが充填されることによって形成されたインクパターンを凹版Ｘから受理すると共に基板Ｙに転写することで、基板Ｙ上にインクをパターニングするものであり、ブランケットロール５ａ（ブランケット）と、回転装置５ｂと、昇降装置５ｃとを備えている。

ブランケットロール５ａは、凹版Ｘに当接することによってインクを受理すると共に基板Ｙに当接することによってインクを転写する円柱形状の部材であり、芯部５ａ１と、ブランケットクッション５ａ２とを有している。

芯部５ａ１は、回転装置５ｂ及び昇降装置５ｃによって直接移動される部位であり、円柱形状を有している。
ブランケットクッション５ａ２は、芯部５ａ１よりも柔軟な材料によって芯部５ａ１の周面に巻回され、芯部５ａ１に対して接着されている。

回転装置５ｂは、制御装置７の制御の下、ブランケットロール５ａを回転駆動するものであり、ブランケットロール５ａの回転角度及び回転方向を任意に設定可能に構成されている。
昇降装置５ｃは、制御装置７の制御の下、ブランケットロール５ａを上下方向（Ｚ方向）に昇降するものである。

アライメント装置６は、凹版Ｘあるいは基板Ｙを撮像し、撮像結果から凹版Ｘ及び基板Ｙのズレ量を検出するものであり、複数の撮像センサ６ａを備えている。

制御装置７は、本実施形態の印刷装置Ｓの動作全体を統括するものであり、図３に示すように、凹版ステージ装置２、基板ステージ装置３、インキング装置４、転写装置５及びアライメント装置６と電気的に接続されており、これらの電気的に接続された各々の装置の制御を行うことによって、基板Ｙに対してインクをパターニングする。

このように構成された本実施形態の印刷装置Ｓでは、制御装置７の制御の下、基板Ｙに対してインクがパターニングされる。具体的には、まず凹版ステージ装置２の凹版ステージ２ｂに対して凹版Ｘがセットされ、さらにインク供給装置４ｃによって当該凹版Ｘ上にインクが塗布される。

続いて、凹版Ｘの凹部にインクを充填することによってインクパターンが形成される。
より詳細には、まずインキング装置４の押込ブレード４ａ１によって凹版Ｘの凹部にインクが押込まれ、次に凹版Ｘの凹部から食み出したインクを掻取ブレード４ａ２によって掻取ることで凹部の形成領域の外部に押しやる。これによって、凹版Ｘの凹部のみにインクが配置され、インクパターンが形成される。

続いて、凹版Ｘによってパターニングされたインクが転写装置５に受理される。
より詳細には、凹部にインクが配置された凹版Ｘが凹版ステージ装置２によって転写装置５まで搬送される。そして、シリコンブランケット２０が凹版Ｘに押圧された状態で凹版Ｘの移動に同期してブランケットロール５ａが回転されることによって、凹版Ｘからブランケットロール５ａにインクが移り、これによって凹版Ｘにてパターニングされたインクがシリコンブランケット２０の表面に受理される。

なお、インクが転写装置５に受理された後の凹版Ｘは、凹版ステージ装置２によって再びインキング装置４に戻されて、一端部側に寄せられたインクが戻しブレード４ａ３によって初期位置に戻された後、インクの供給位置にて待機することとなる。

続いて、転写装置５が受理したインクが基板Ｙに転写される。
より詳細には、基板Ｙが基板ステージ装置３によって転写装置５まで搬送される。そして、シリコンブランケット２０が基板Ｙに押圧された状態で基板Ｙの移動に同期してブランケットロール５ａが回転されることによって、ブランケットロール５ａから基板Ｙにインクが移り、これによってシリコンブランケット２０の表面から基板Ｙの表面にパターニングされたインクが転写される。

図１に戻り、焼成工程Ｓ３は、パターニング工程Ｓ３にてインクがパターニングされた基板Ｙを焼成炉内で焼成することによって、インクの分散媒を蒸発し、これによってパターンとする工程である。

そして、このようなパターン形成方法によれば、インクとして、導電性のナノ粒子を用いることにより、配線パターンを形成することができる。

そして、本実施形態において用いられたインクの調製方法によれば、遠心分離によって、ナノ粒子の集合体が取り除かれる。これによって、従来よりもナノ粒子の集合体を取り除くことが可能となり、表面に突起部がなくて機能性に優れたパターンを形成することが可能となる。

図４は、パターン形成インクに対して遠心分離を行わない従来のパターン形成方法にて形成された微細パターン（線幅１２μｍの配線パターン）と、本実施形態のパターン形成方法にて形成された微細パターンとを比較するための写真であり、（ａ）が従来法にて形成された微細パターンの写真であり、（ｂ）が本実施形態のパターン形成方法にて形成された微細パターンの写真である。なお、図中において黒色の部分は微細パターンと微細パターンとの間を示し、灰色の部分が微細パターンを示している。また、図４（ａ）において、微細パターン上に見える黒い点全てが１μｍ以上の突起である。

なお、図４に示す写真を撮影するにあたり、本実施形態のパターン形成方法では、インクとして分散媒がアルコール系の銀ナノインクを用い、銀ナノインクの粘度を０．５（Ｐａ・ｓ）に調節し、水平ロータ型の遠心分離機を用い、回転数を５０００ｒｐｍ、運転時間を１ｈとし、遠心分離後の上澄み液（１．５〜３．０ｍｌ）を回収した。
また、従来法は、インクに対して遠心分離を行わない以外は、本実施形態のパターン形成方法と同様の工程を行っている。

そして、図４に示すように、従来法では微細パターンに１μｍ以上の突起が複数形成されているのに対し、本実施形態のパターン形成方法によれば、微細パターンの突起を皆無とすることができた。
なお、遠心分離を、アングルロータ型の遠心分離機を用い、回転数１５０００ｒｐｍ、運転時間１ｈとした場合も、図４（ｂ）に示すように突起が皆無の微細パターンを形成することができた。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、グラビアオフセット印刷法によって調整後のインクをパターニングする方法について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。調整後のインクは、他の印刷法（例えば、凸版印刷法）に用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、インクを配線パターンの形成に用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の機能パターンの形成に用いるインクの調製に適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、印刷装置Ｓにおいて凹版Ｘが平板形状を有する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、円筒形状の凹版を用いることも可能である。

１……架台、２……凹版ステージ装置、３……基板ステージ装置、４……インキング装置、５……転写装置、５ａ……ブランケットロール（ブランケット）、６……アライメント装置、７……制御装置、Ｓ……印刷装置、Ｘ……凹版、Ｙ……基板

Claims (6)

1. ナノ粒子を含むインクの調製方法であって、
   前記インクを遠心分離し、前記ナノ粒子の集合体を取り除くことを特徴とするインクの調製方法。
2. 前記遠心分離の回転数及び時間を、前記インクの粘度に応じて設定することを特徴とする請求項１記載のインクの調製方法。
3. 前記遠心分離に先立ち、前記インクの粘度を調節することを特徴とする請求項２記載のインクの調製方法。
4. 遠心分離後の前記インクの上澄み液を調製済みインクとして回収し、残液を再び遠心分離してその上澄み液を調製済みインクとして回収することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のインクの調製方法。
5. 請求項１〜４いずれかに記載のインクの調製方法によって調整されたインクを基板上にパターニングするパターニング工程と、
   前記パターニング工程において基板上に配置された前記インクを焼成することによりパターンとする焼成工程と
   を有することを特徴とするパターン形成方法。
6. 前記パターニング工程は、
   前記インクを凹版の凹部に充填するインキング工程と、
   前記凹版の凹部に充填された前記インクをブランケットが受理する受理工程と、
   前記ブランケットが受理した前記インクを基板上に転写する転写工程と
   を有することを特徴とする請求項５記載のパターン形成方法。