JP2016032780A - エレクトロスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のパターンに溶液材料を精度よく堆積させることが可能なエレクトロスプレー装置を提供する。【解決手段】ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積するエレクトロスプレー装置であって、溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧するノズルと、平面視において互いに離間して配置されたマスク部３１および３２と、基板から離間した位置に設けられ、マスク部３１および３２を接続する細長形状の連結部３３とを含む、ノズルと基板との間の基板の近傍に配置されたマスク３とを備える。【選択図】図２

Description

この発明は、エレクトロスプレー装置に関し、特に、溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧するノズルを備えるエレクトロスプレー装置に関する。

従来、溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧するノズルを備えるエレクトロスプレー装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧するノズルと、ノズルと基板との間の基板の近傍に配置され、所定のパターンの開口が形成されたマスクとを備えるエレクトロスプレー装置が開示されている。

特開２０１１−１７５９２１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のエレクトロスプレー装置では、中抜きのパターン（たとえば、ロ字状（Ｏ字状））に溶液材料を堆積させようとした場合、マスクの開口部の内側に別のマスクを配置して、溶液材料を噴霧していると考えられる。この場合、外側のマスクと内側のマスクとの相対位置を精度よく合わせることが困難であるという不都合がある。また、外側のマスクと内側のマスクとの相対位置を合わせるために、外側のマスクと内側のマスクとを連結させて一体のマスクにすることも考えられる。しかし、この場合には、溶液材料を塗布したい部分の一部がマスク同士の連結部分により覆われてしまうため、溶液材料を所望のパターンに堆積させることが困難であるという不都合がある。このため、互いに離間した複数のマスク部を用いて所望のパターンを形成する場合に溶液材料を精度よく堆積させることが困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、互いに離間した複数のマスク部を用いて所望のパターンを形成する場合に溶液材料を精度よく堆積させることが可能なエレクトロスプレー装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面によるエレクトロスプレー装置は、ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積するエレクトロスプレー装置であって、溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧するノズルと、平面視において互いに離間して配置された第１マスク部および第２マスク部と、基板から離間した位置に設けられ、第１マスク部および第２マスク部を接続する細長形状の連結部とを含み、ノズルと基板との間の基板の近傍に配置されたマスクとを備える。

この一の局面によるエレクトロスプレー装置では、上記のように、第１マスク部および第２マスク部を、基板から離間した位置に配置された連結部により接続することにより、第１マスク部および第２マスク部の相対位置を精度よく合わせることができる。また、基板から離間した位置に配置された連結部を細長形状に形成することによって、ノズルと基板との間の電気力線が細長形状の連結部を回り込みやすくなるので、基板の連結部に対向する部分にも溶液材料を堆積させることができる。これにより、互いに離間した複数のマスク部を用いて所望のパターンを形成する場合に溶液材料を精度よく堆積させることができる。

上記一の局面によるエレクトロスプレー装置において、好ましくは、連結部は、連結部から基板までの間隔が、連結部の幅よりも大きくなるように形成されている。このように構成すれば、連結部から基板までの間隔が大きくなる分、ノズルと基板との間の電気力線が連結部をより回り込みやすくすることができるので、基板の連結部に対向する部分に溶液材料を容易に堆積させることができる。

上記一の局面によるエレクトロスプレー装置において、好ましくは、連結部は、連結部の延びる方向に直交する断面において、ノズル側に向かって先が細くなる断面形状を有している。このように構成すれば、連結部のノズル側の先の幅を小さくすることができるので、ノズルと基板との間の電気力線が連結部をより回り込みやすくすることができる。

この場合、好ましくは、連結部は、連結部の延びる方向に直交する断面において、三角形状、涙滴形状またはひし形形状を有している。このように構成すれば、断面形状を三角形状、涙滴形状またはひし形形状にすることにより、ノズル側に向かって先が細くなる形状を得ながら、連結部の基板側が比較的大きな幅になるので、連結部の断面積を確保することができる。これにより、連結部の強度を確保しつつ、ノズルと基板との間の電気力線が連結部を回り込みやすくすることができる。

上記一の局面によるエレクトロスプレー装置において、好ましくは、連結部は、絶縁性の材料により形成されている。このように構成すれば、帯電した溶液材料が連結部に付着するのを抑制することができる。

上記一の局面によるエレクトロスプレー装置において、好ましくは、連結部は、噴霧される溶液材料に対する反発力が第１マスク部および第２マスク部よりも小さい材料により形成されている。このように構成すれば、連結部の噴霧される溶液材料に対する反発力が過度に大きくなるのを抑制することができるので、基板の連結部に対向する部分に溶液材料を容易に堆積させることができる。

本発明によれば、上記のように、互いに離間した複数のマスク部を用いて所望のパターンを形成する場合に溶液材料を精度よく堆積させることができる。

本発明の一実施形態によるエレクトロスプレー装置の概略の構成を示す全体図である。 本発明の一実施形態によるエレクトロスプレー装置のマスクの斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態によるエレクトロスプレー装置のノズルのマスクに対する相対移動を説明するための図である。 本発明の一実施形態の第１変形例によるエレクトロスプレー装置のマスクの平面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例によるエレクトロスプレー装置のマスクの接続部の断面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例によるエレクトロスプレー装置のマスクの接続部の断面図である。 本発明の一実施形態の第４変形例によるエレクトロスプレー装置のマスクの接続部の断面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４を参照して、本実施形態によるエレクトロスプレー装置１００の構成について説明する。

図１に示すように、エレクトロスプレー装置１００は、ノズル１と、アースプレート２と、ノズル１およびアースプレート２の間に配置されるマスク３と、ノズル１に溶液材料を供給するシリンジポンプ４とを備えている。また、溶液材料の噴霧時は、アースプレート２とマスク３との間には、ガラスなどからなる基板５が配置されている。そして、ノズル１からマスク３越しにアースプレート２に載置された基板５へ溶液材料を噴射することにより、マスク３の開口形状に応じて基板５に薄膜を形成する。つまり、エレクトロスプレー装置１００は、電圧が印加された状態のノズル１から基板５に溶液材料を噴霧して、基板５に薄膜として堆積させるように構成されている。

ノズル１は、電圧が印加された状態の溶液材料を噴霧するように構成されている。具体的には、ノズル１は、溶液材料に所定の電圧を印加した状態で噴霧して基板５に溶液材料を薄膜（図示せず）として堆積させるように構成されている。具体的には、ノズル１は金属製であり、このノズル１に電圧を直接印加することによって、シリンジポンプ４からノズル１の内部に供給される溶液材料にノズル１から電圧が印加されるように構成されている。なお、ノズル１がガラス製のキャピラリーや樹脂など非導電体の場合には、ノズル１の内部に挿入した電極（図示せず）に電圧を印加するようにしてもよい。

また、ノズル１は、マスク３の上方（Ｚ１方向側）に配置されている。つまり、ノズル１は、基板５に向かって先端が下方に向くように配置されている。また、ノズル１は、基板５に対して水平方向（ＸＹ方向）に相対移動しながら先端から基板５に溶液材料を噴霧して、所望の大きさおよび形状の薄膜を基板５に形成するように構成されている。

アースプレート２は、金属製であり、電気的に接地されている。また、アースプレート２は、上面（Ｚ１方向側の面）に載置された基板５を吸着可能に構成されている。ノズル１とアースプレート２との間で電位差を持たせることで、ノズル１から噴出する溶液材料はアースプレート２に向かって飛行する。これにより、基板５を直接接地して噴霧動作を行う必要がないので、非導電性の基板５へも溶液材料（塗布材料）の塗布（薄膜の形成）が可能である。

つまり、ノズル１（溶液材料）に電圧を印加することにより、溶液材料が基板５（アースプレート２）側に盛り上がり、円錐状のテーラーコーン（図示せず）が形成される。テーラーコーンの先端には、同符号のイオン（たとえば、プラスイオン）が集中し、イオン（電荷）同士の反発力が表面張力より大きくなると、溶液材料がテーラーコーンから霧状になって基板５側に飛行する。飛行した霧状の溶液材料は、その後レイリー***を繰り返して、ナノサイズの液滴になって、基板５に到達する。そして、基板５上に塗布された溶液材料から溶媒が蒸発して、基板５上に塗布材料が堆積される。また、霧状の溶液材料は、基板５に到達する電気力線（図３参照）上の範囲に着地する。つまり、ノズル１と基板５との間の電気力線が到達する範囲の基板５上に溶液材料が堆積する。

マスク３は、ノズル１と基板５との間の基板５の近傍に配置（基板５の上方に密着）されている。また、マスク３には、平面視において（Ｚ方向から見て）、所定の開口パターンを有する開口部が形成されている。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、マスク３は、平面視において互いに離間して配置されたマスク部３１および３２と、基板５（マスク部３１および３２の基板５側の面）からノズル１側（Ｚ１方向側）に離間した位置に配置され、マスク部３１および３２を接続する細長形状の連結部３３とを含む。つまり、マスク３には、平面視において外側に配置されたマスク部３１と、マスク部３１の内側に島状に配置されたマスク部３２とにより、中抜き（ロ字状（Ｏ字状））の開口パターンが形成されている。なお、マスク部３１は、本発明の「第１マスク部」の一例であり、マスク部３２は、本発明の「第２マスク部」の一例である。

外側のマスク部３１は、枠形状に形成されている。つまり、マスク部３１には、矩形形状の開口が形成されている。また、図３に示すように、マスク部３１の開口部側の端面３１１は、傾斜するように形成されている。具体的には、マスク部３１の端面３１１は、基板５側（Ｚ２方向側）からノズル１側（Ｚ１方向側）に向かって開口が広がるように形成されている。また、マスク部３１は、絶縁性の材料により形成されている。たとえば、マスク部３１は、プラスに帯電しやすい絶縁性の樹脂材料により形成されている。また、マスク部３１は、Ｚ方向において厚さＴを有するように形成されている。

図２に示すように、内側のマスク部３２は、矩形形状に形成されている。また、マスク部３２は、平面視において、マスク部３１の開口内に配置されている。また、マスク部３２の端面３２１は、傾斜するように形成されている。具体的には、マスク部３２の端面３２１は、基板５側（Ｚ２方向側）からノズル１側（Ｚ１方向側）に向かって開口が広がるように形成されている。また、マスク部３２は、マスク部３１と同じ絶縁性の材料により形成されている。また、マスク部３２は、Ｚ方向においてマスク部３１と同じ厚さＴを有するように形成されている。

また、本実施形態では、連結部３３は、外側のマスク部３１と、内側のマスク部３２とを連結するように構成されている。具体的には、連結部３３は、複数設けられている。複数の連結部３３は、矩形形状のマスク部３２の一辺につき２つずつ計８つ設けられている。つまり、連結部３３は、それぞれ、マスク部３２のＸ１方向側の辺に２つ、Ｘ２方向側の辺に２つ、Ｙ１方向側の辺に２つ、Ｙ２方向側の辺に２つ配置されている。また、連結部３３は、水平方向（Ｘ方向またはＹ方向）に延びる細長形状に形成されている。また、連結部３３は、マスク部３１および３２のノズル１側（Ｚ１方向側）の面にそれぞれ接続されている。つまり、連結部３３は、マスク部３１および３２のノズル１側の面にそれぞれ接着されている。

また、本実施形態では、図２に示すように、連結部３３は、連結部３３の延びる方向（Ｘ方向またはＹ方向）に直交する断面（ＹＺ平面またはＸＺ平面）において、ノズル１側に向かって先が細くなる断面形状を有するように形成されている。具体的には、図３に示すように、連結部３３は、連結部３３の延びる方向に直交する断面において、三角形状を有するように形成されている。また、連結部３３の断面の三角形状は、略正三角形に形成されている。また、連結部３３の断面の三角形状は、一辺が基板５と対向するように配置され、基板５と対向する一辺の対角（反対側の角）がノズル１と対向するように配置されている。

また、連結部３３は、絶縁性の材料により形成されている。また、連結部３３は、電荷が帯電して噴霧される溶液材料に対する反発力がマスク部３１および３２よりも小さい材料により形成されている。つまり、連結部３３は、マスク部３１および３２よりも帯電しにくい絶縁性の材料により形成されている。これにより、連結部３３は、帯電した溶液材料が付着することがないものの、過度に溶液材料をはじくことがないように構成されている。

また、図３に示すように、連結部３３は、連結部３３から基板５までの間隔Ｈが、連結部３３の幅Ｗよりも大きくなるように形成されている。具体的には、連結部３３から基板５までの間隔Ｈは、マスク部３１および３２の厚さＴと略等しい。また、連結部３３から基板５までの間隔Ｈは、連結部３３の幅Ｗの略３倍である。なお、連結部３３から基板５までの間隔Ｈは、連結部３３の幅Ｗの３倍以上であることが好ましい。つまり、連結部３３の下側（Ｚ２方向側）に溶液材料を回り込ませるために、連結部３３と基板５との距離をある程度あける必要がある。ただし、連結部３３を基板５から離してノズル１に近づけすぎると、電界反発が強くなって溶液材料が連結部３３により弾かれて、マスク３の開口に溶液材料がスプレーされづらくなる。

たとえば、連結部３３の断面を一辺１ｍｍの正三角形として、マスク３（マスク部３１および３２）の厚さを３ｍｍとして、マスク３の開口の幅を２０ｍｍとして、基板５からノズル１までの距離を５０ｍｍとして、スプレー径（基板５に噴霧される溶液材料の範囲）を４０〜５０ｍｍの条件とした場合において、連結部３３から基板５までの間隔Ｈを、マスク部３１および３２の厚さＴ（３ｍｍ）と等しくした場合に最も良好な膜厚均一性を得ることが本願発明者の実験により確認できた。また、連結部３３から基板５までの間隔Ｈを、マスク部３１および３２の厚さＴ（３ｍｍ）より小さくした場合にも良好な膜厚均一性を得ることが本願発明者の実験により確認できた。

また、図３に示すように、隣接する連結部３３の距離Ｄは、連結部３３の高さ位置でのスプレー径（電気力線の範囲）Ｌよりも大きい。これにより、隣接する連結部３３の間に容易に溶液材料を噴霧することが可能である。

また、マスク３の連結部３３近傍に溶液材料を塗布する場合、図４に示すように、連結部３３の延びる方向に平行にノズル１を相対移動させながら溶液材料を噴霧させる方が、連結部３３を横切る方向にノズル１を相対移動させながら溶液材料を噴霧させる場合よりも、溶液材料が連結部３３を回り込みやすいことが本願発明者の実験により確認できた。つまり、連結部３３に平行な方向にノズル１を相対移動させながら溶液材料を噴霧させることにより、連結部３３に対向する部分を含む基板５の塗布領域に均一の膜厚で溶液材料を塗布することが可能である。

シリンジポンプ４は、溶液材料が充填され、ノズル１の先端に溶液材料を供給するように構成されている。具体的には、シリンジポンプ４は、溶液材料に圧力をかけて、溶液材料をノズル１に送り出すように構成されている。

本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、マスク部３１および３２を、基板５から離間した位置に配置された連結部３３により接続することにより、マスク部３１および３２の相対位置を精度よく合わせることができる。また、基板５から離間した位置に配置された連結部３３を細長形状に形成することによって、ノズル１と基板５との間の電気力線が細長形状の連結部３３を回り込みやすくなるので、基板５の連結部３３に対向する部分にも溶液材料を堆積させることができる。これにより、互いに離間した複数のマスク部３１および３２を用いて所望のパターンを形成する場合に溶液材料を精度よく堆積させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結部３３を、連結部３３から基板５までの間隔Ｈが、連結部３３の幅Ｗよりも大きくなるように形成する。これにより、連結部３３から基板５までの間隔が大きくなる分、ノズル１と基板５との間の電気力線が連結部３３をより回り込みやすくすることができるので、基板５の連結部３３に対向する部分に溶液材料を容易に堆積させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結部３３を、連結部３３の延びる方向に直交する断面において、ノズル１側に向かって先が細くなる断面形状を有するように形成する。これにより、連結部３３のノズル１側の先の幅を小さくすることができるので、ノズル１と基板５との間の電気力線が連結部３３をより回り込みやすくすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結部３３を、連結部３３の延びる方向に直交する断面において、三角形状を有するように形成する。これにより、断面形状を三角形状にすることにより、ノズル１側に向かって先が細くなる形状を得ながら、連結部３３の基板５側が比較的大きな幅になるので、連結部３３の断面積を確保することができる。これにより、連結部３３の強度を確保しつつ、ノズル１と基板５との間の電気力線が連結部３３を回り込みやすくすることができる。なお、連結部３３の断面形状を三角形状を有するように形成することにより、四角形状の断面を有する連結部に比べて溶液材料が回り込みやすいということは、本願の発明者による実験により確認済みである。

また、本実施形態では、上記のように、連結部３３を、絶縁性の材料により形成する。これにより、帯電した溶液材料が連結部３３に付着するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結部３３を、噴霧される溶液材料に対する反発力がマスク部３１および３２よりも小さい材料により形成する。これにより、連結部３３の噴霧される溶液材料に対する反発力が過度に大きくなるのを抑制することができるので、基板５の連結部３３に対向する部分に溶液材料を容易に堆積させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、外側のマスク部３１の開口内に１つのマスク部３２が配置されているマスク３の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図５に示す第１変形例のマスク６のように、平面視において外側のマスク部６１の開口内に複数のマスク部６２を配置してもよい。この場合、外側のマスク部６１と、マスク部６２とを連結部６３により接続してもよい。また、内側に配置された隣接するマスク部６２を互いに連結部６３により接続してもよい。なお、マスク部６１は、本発明の「第１マスク部」の一例であり、マスク部６２は、本発明の「第１マスク部」および「第２マスク部」の一例である。

また、上記実施形態では、マスクの連結部の断面が三角形状を有する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図６に示す第２変形例のように、連結部を、連結部の延びる方向に直交する断面において、涙滴（ティアドロップ）形状を有するように形成してもよい。つまり、第２変形例では、連結部は、断面形状において、ノズル側の先が細くなるように形成されており、基板側が円弧状に形成されていてもよい。

また、図７に示す第３変形例のように、連結部を、連結部の延びる方向に直交する断面において、ひし形形状を有するように形成してもよい。つまり、第３変形例では、連結部は、断面形状において、ノズル側の先が細くなるように形成されているとともに、基板側の先も細くなるように形成されていてもよい。

また、図８に示す第４変形例のように、連結部を、連結部の延びる方向に直交する断面において、正方形形状を有するように形成してもよい。つまり、第４変形例では、連結部は、断面形状において、ノズル側および基板側に辺が配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、内側のマスク部の４方向（Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１およびＹ２方向）に連結部が設けられている構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１マスク部と第２マスク部とを２方向（たとえば、Ｘ１方向およびＸ２方向）に連結部を設けて接続してもよい。また、１方向、３方向または５方向以上に連結部を設けて第１マスク部と第２マスク部とを接続してもよい。

また、上記実施形態では、マスク部と、連結部とを接着して接続する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１マスク部および第２マスク部と、連結部とを一体的に形成してもよい。この場合、第１マスク部、第２マスク部および連結部を同じ材料により形成してもよい。

また、上記実施形態では、連結部から基板までの間隔が、マスク部の厚さと略等しい構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、連結部から基板までの間隔が第１マスク部および第２マスク部の厚さよりも小さくしてもよい。また、連結部から基板までの間隔が第１マスク部および第２マスク部の厚さよりも大きくてもよい。この場合、連結部に脚部を設けて、連結部をノズル側に近づけて配置してもよい。

また、上記実施形態では、溶液材料が上方から下方に向かってノズルから噴霧される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、溶液材料が下方から上方に向かってノズルから噴霧されるようにしてもよい。また、溶液材料が横方に向かってノズルから噴霧されるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、マスクが基板に密着して配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、マスクが基板に密着していなくてもよい。たとえば、マスクは、基板と離間して配置されていてもよい。この場合、マスクと基板との間隔は、連結部と基板との間隔より小さくしてもよい。これにより、溶液材料が連結部を回り込むことが可能である一方、溶液材料がマスクと基板との間に回り込むことを抑制することが可能である。

１ ノズル
３、６ マスク
５ 基板
３１、６１ マスク部（第１マスク部）
３２ マスク部（第２マスク部）
３３、６３ 連結部
６２ マスク部（第１マスク部、第２マスク部）
１００ エレクトロスプレー装置

Claims (6)

1. ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積するエレクトロスプレー装置であって、
   溶液材料に電圧を印加した状態で噴霧する前記ノズルと、
   平面視において互いに離間して配置された第１マスク部および第２マスク部と、前記基板から離間した位置に設けられ、前記第１マスク部および前記第２マスク部を接続する細長形状の連結部とを含み、前記ノズルと前記基板との間の前記基板の近傍に配置されたマスクとを備える、エレクトロスプレー装置。
2. 前記連結部は、前記連結部から前記基板までの間隔が、前記連結部の幅よりも大きくなるように形成されている、請求項１に記載のエレクトロスプレー装置。
3. 前記連結部は、前記連結部の延びる方向に直交する断面において、前記ノズル側に向かって先が細くなる断面形状を有している、請求項１または２に記載のエレクトロスプレー装置。
4. 前記連結部は、前記連結部の延びる方向に直交する断面において、三角形状、涙滴形状またはひし形形状を有している、請求項３に記載のエレクトロスプレー装置。
5. 前記連結部は、絶縁性の材料により形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトロスプレー装置。
6. 前記連結部は、噴霧される溶液材料に対する反発力が前記第１マスク部および前記第２マスク部よりも小さい材料により形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエレクトロスプレー装置。

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