JP4862333B2

JP4862333B2 - 薄膜形成装置および薄膜形成方法

Info

Publication number: JP4862333B2
Application number: JP2005281481A
Authority: JP
Inventors: 治町田; 誠黒沢; 一夫清水
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2006122898A

Description

本発明は、塗布液を基板表面に塗布して薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法に関する。

インクジェットヘッドの液滴吐出原理を利用した液滴吐出機構を用い、液体を吐出して媒体上に液滴を塗布する液滴塗布方法は、正確な量の小液滴を決められた場所に精度良く塗布できる特性から、その応用範囲は広がり、紙類だけではなく有機材料のフィルムや金属への様々な溶液の塗布に使用されるようになった。

有機材料上への塗膜の形成方法として、気体からの汚染物質を除去する為の汚染物質処理装置に用いられる電解質膜上への触媒材料あるいは吸着材料の塗布方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００１−５０４７５５号公報

しかしながら、液滴吐出機構により触媒材料を塗布する場合には、スクリーン印刷などにより塗布する場合と比較して、溶液の粘度を低くする必要がある。そのため、電解質膜上に塗布した場合、溶剤の膜中への滲み込みによって電解質膜が膨潤し、しわが発生するなどの現象が起こって、均一な塗膜を作製できなかった。

また、膜を両面に塗布する場合には、片面塗布時の膨潤と乾燥により電解質膜の寸法変化が発生し、位置あわせが難しいという問題もあった。

上記課題を解決するために、本発明の薄膜形成装置は、フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する装置であって、前記基板上に前記塗布液を吐出する液滴吐出部を有する液滴吐出機構と、前記液滴吐出部と前記フィルム基板との位置を相対的に移動可能な移動機構と、所定の厚さを有し、前記フィルム基板のエッジ部すべてを固定可能な基板固定枠と、前記基板固定枠に設けた第１の穴と、第１の穴とはエッジからの距離が非対称となる位置に設けられた第２の穴と、ガイド穴よりなる位置決め機構と、前記基板固定枠と同等の厚さを有する段差を有し、前記基板固定枠の第１の穴、第２の穴及びガイド穴と嵌合するピンが配された基板ホルダとを備えたことを特徴とする。

更に、本発明の薄膜形成装置は、フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する装置であって、前記基板上に前記塗布液を吐出する液滴吐出部を有する液滴吐出機構と、前記液滴吐出部と前記フィルム基板との位置を相対的に移動可能な移動機構と、前記フィルム基板のエッジ部すべてを挟持するために設けられた所定の厚みを有する第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠と、前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に夫々設けた第１の穴と、第１の穴とはエッジからの距離が対称となる位置に設けられた第２の穴と、ガイド穴よりなる位置決め機構と、前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠と同等の厚さを有する段差を有し、前記フィルム基板を取付けた前記基板固定枠の穴及びガイド穴と嵌合するピンが配された基板ホルダとを備えたことを特徴とする。

また、上記請求項１記載の薄膜形成装置を用い、前記フィルム基板を前記基板固定枠に取付けた状態で前記ピンに前記第１の穴及び第２の穴を挿入して前記段差上に配し、前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第一面に塗布液を塗布し、前記フィルム基板を前記基板固定枠に取付けた状態で、前記ガイド穴とピンとの位置を調整しつつ上下方向に表裏反転させて、前記ピン上に前記基板固定枠が当接するようにして前記フィルム基板を前記段差上に配し、前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第二面に塗布液を塗布することを特徴とする。この方法により、フィルム基板上の膨潤の影響によるしわ等の発生を抑制することが可能であり、均一な塗布膜の形成が可能となる。

また、上記請求項２記載の薄膜形成装置を用い、前記フィルム基板を前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に取付けた状態で前記ピンに前記穴を挿入して前記段差上に配し、前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第一面に塗布液を塗布し、前記フィルム基板を前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に取付けた状態で、前記ガイド穴とピンとの位置を調整しつつ上下方向に表裏反転させて、前記ピンに穴を挿入するようにして前記フィルム基板を前記段差上に配し、前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第二面に塗布液を塗布することを特徴とする。この方法によりフィルム基板の両面に精度良く、均一な塗布膜の形成が可能となる。

以上説明したように、本発明の薄膜形成装置によれば、薄い基板のエッジ部すべてを保持する基板固定枠を用いているため、塗布時の膨潤による基板のしわの発生やパターンの変形を防ぐことが可能である。

また、位置決め機構を有する基板固定枠を用いているため、両面の同じ位置に同一パターンを形成することも容易となり、電解質膜上への触媒塗布などの機能性皮膜の性能を向上させることが可能となる。

さらに、装飾等の分野においても、透明フィルムへの絵や文字の両面印刷を安易に効率よく形成することも可能となる。

以下、本発明の実施の形態として、触媒装置等で用いられる電解質膜への触媒溶液の塗布方法について説明する。

図１は、本発明の薄膜形成装置の概要を示す概略斜視図である。本装置は、触媒溶液を塗布するフィルム基板１を保持する吸着機能を有する基板ホルダ２があり、その上部に溶液を塗布するための液滴吐出機構３（以下、インクジェットヘッド部という）が取付けられている。インクジェットヘッド部３には複数のノズルを有する液滴吐出部（以下、インクジェットヘッドという）及びインクジェットヘッドを駆動させるための駆動ドライバが格納されている。

図６は、本発明に係るインクジェットヘッドの内部、すなわち液滴吐出ノズル部の構成の一実施例を示す断面図である。１０１はオリフィス、１０２は加圧室、１０３は振動板、１０４は圧電素子、１０５ａと１０５ｂは信号入力端子、１０６は圧電素子固定板、１０７は共通液体供給管１０８と加圧室１０２とを連結し、加圧室１０２への液体流入を制御するリストリクタ、１０８は共通液体供給路、１０９はフィルタ、１１０は振動板１０３と圧電素子１０４とを連結するシリコン接着剤等の弾性を有する接着剤、１１１はリストリクタ１０７を形成するリストリクタプレート、１１２は加圧室１０２を形成する加圧室プレート、１１３はオリフィス１０１を形成するオリフィスプレート、１１４は振動板１０３を補強する支持板、１１５は共通液体供給管１０８を有するハウジング、１１６はフィルタ１０９を形成するフィルタプレートである。

振動板１０３、リストリクタプレート１１１、加圧室プレート１１２、支持板１１４は、例えばステンレス材から作られ、オリフィスプレート１１３はニッケル材あるいはステンレス材から作られている。これらの各プレートはそれぞれ全面をポリイミド被膜１２１で覆われている。また、圧電素子固定板１０６は、セラミックス、ポリイミドなどの絶縁物から作られている。塗布する液体は、上流から下流へ向かって、共通液体供給管１０８の途中で、フィルタ１０９を通過して、リストリクタ１０７、加圧室１０２、オリフィス１０１の順に流れる。圧電素子１０４は信号入力端子１０５ａと１０５ｂの間に電位差が印加されたときに伸縮し、信号入力端子１０５ａと１０５ｂ間に電位差が無くなれば伸縮前の形に戻る。この圧電素子１０４の変形によって、加圧室１０２内の液体に圧力が加わり、オリフィス１０１から液滴が吐出する。

インクジェットヘッド部３は、図に示すＸ及びＺ方向に可動可能なＸガイド４及びＺガイド５に取付けられており、さらに基板ホルダ２はＹ方向に駆動できるため、ヘッド駆動ドライバからの信号により、任意の距離からフィルム基板１上の任意の位置に触媒溶液を塗布可能である。なお、触媒溶液は、液体供給パイプ６を通して、図示されていない触媒溶液タンクより連続的に供給される。また、フィルム基板の交換時や、装置休止時には、インクジェットヘッド部３は液体の乾燥防止のためにヘッド保全部７に移動し、表面のクリーニング及びキャップ、場合によっては古い液体を廃棄するためのダミー吐出等の操作が行われる。

なお、基板ホルダ２には、膨潤を防ぐために加熱機構を取付けるほうが望ましい。本装置においては、基板ホルダ２にテープヒータを取付けており、最大１００℃まで基板を加熱できる構造となっている。

次に、本薄膜形成装置を用いて電解質膜に触媒溶液を塗布する工程について説明する。電解質膜は一般的にはパーフルオロスルホン酸膜が用いられることが多い。本実施例ではナフィオン（商品名：デュポン社製）の５０μｍのフィルムを用いた。パーフルオロスルホン酸系の膜はイオン交換容量は大きいが、触媒溶液の主溶媒である水やアルコールに膨潤しやすく、特にインクジェット方式で塗布する場合は粘度を１〜３０ｍＰａ・ｓに下げる必要があり、この現象が顕著に表れる。

本装置ではこれらを防ぐために、図２に示すフィルム基板１のサイズに合わせて製作された基板固定枠８にフィルム基板１の外周部全体をテープ等により貼り付ける。基板固定枠８には、装置の基板ホルダ２に位置あわせが可能な位置決め穴９が加工されており、基板ホルダ２の位置決めピン１０に挿入することにより固定される。基板ホルダ２上に固定されたフィルム基板１は、後述する吸引機構によりさらに強固に固定される。

次に、触媒溶液をインクジェットヘッド部３に充填し、任意のパターンでフィルム基板上の第一面に塗布を行う。塗布量は触媒溶液の物性によって変わるが、本実施例では３０ｍｇ／ｃｍ２の密度で塗布を行った。必要量の触媒を塗布する時間や塗布回数は、インクジェットヘッドのノズル数や１ノズルあたりの液滴重量、吐出周波数、さらには基板ホルダ２の移動速度によって変化する。本実施例では、ノズル数１９２ノズル、吐出周波数４ｋＨｚ、液滴重量４５ｎｇの吐出条件において、基板速度が２００ｍｍ／ｓの塗布条件で上記の触媒密度を得ることができた。

図３に、インクジェットヘッドを用いて均一なベタ膜を形成する際の塗布方法の一例を示す。１回の塗布においては、ノズルピッチの間隔Ｌｎで溶液のドット１１が形成されるが、２回目以降の塗布で、ドット間に適当な間隔で塗布することにより所定の密度で塗布可能である。また、本実施例では、長方形のパターンで触媒を塗布したが、パターンは任意に設定可能であり、塗布する場所によって塗布回数を変えたり、塗布密度を変えることも可能である。

第一面に設定重量の触媒を塗布した後に、フィルム基板１を基板固定枠８に取付けたまま反転し、第一面の反対側の第２面に塗布を行う。これにより、片面に触媒溶液を塗布した状態においても、膨潤によるしわ等の発生を防ぐことが可能となる。また、触媒性能を確保するには、第一面に形成したパターンの裏側の同位置に第２面のパターンを形成する必要がある。これはフィルム基板１を電極として、両側に触媒が存在することで電子の流れが発生し、電池性能が発揮されるためであり、第一面と第二面の同じ位置に触媒が塗布されることが重要となる。

図２に示すように、基板固定枠８にはガイド１２と５個の位置決め穴９があけられている。一方、図４に示すように基板ホルダ２上には基板固定枠８の厚さと同じ高さの段差１３が設けられており、図４で示す上図の基板固定枠８の上面側にフィルムが貼り付けられているためフィルム基板１のフィルム面と基板ホルダ２の段差１３上面は同一面に位置することになる。また、フィルム基板１を図の上下方向に表裏反転させた場合には、基板固定枠８のエッジから夫々距離C1、距離C2の位置、すなわち非対称に設けられた左右の位置決め孔は、基板ホルダ２の位置決めピン１０とずれることにより、基板固定枠８は位置決めピン１０上に位置する。また、基板ホルダ２の位置決めピン１０と段差１３の高さは同じに加工されており、フィルム基板１は位置決めピン１０の上に位置するため、図４で示す下図の基板固定枠８の下面に位置するフィルム基板１のフィルム面と段差１３は同一面となる。

図８に吸引機構の構成を示す。段差１３の内部には、吸引パイプ１６を介して吸引ポンプ１５に接続された共通吸引路１３ｃと、共通吸引路１３ｃに連通する複数の吸引孔１３ｂが設けられている。なお、複数の吸引孔１３ｂはフィルム基板１の全域に相当する領域に所定の間隔で設けられている。また、段差１３の表面にはメッシュ板１３ａが装着されている。以上の構成により、吸引ポンプ１５が吸引動作を開始すると、メッシュ板１３ａを介して複数の吸引孔１３ｂがフィルム基板１を吸引することにより、フィルム基板１の全面を固定することができる。

図５に、基板固定枠の別の実施例を示す。２つの基板固定枠１４ａ、１４ｂでフィルム基板１を挟み込む構造とすることで、フィルム基板の取り付け、取り外しが容易となる。このような構造の場合には、図７に示すように基板固定枠１４ａ、１４ｂを上下方向に表裏反転しても、フィルム基板１の位置は変えないため、位置決め孔９は夫々エッジからの距離Ｃ１の対称となる位置に加工して常に位置決めピン１０が挿入される状態にする必要がある。

このような基板ホルダおよび基板固定枠を用いることにより、フィルム基板の第一面に塗布された触媒は常に同じ位置に来るため、第二面にも第一面と同じパターンを同じ位置に再現性良く塗布することが可能となる。

本実施例では、膨潤し易い電解質膜への塗布について述べたが、フィルム以外にも紙、ガラス、金属への様々な溶液の塗布にも利用可能である。

本発明の薄膜形成装置の概略斜視図である。本発明の基板固定枠の平面図である。本発明の溶液塗布方法を示す模式図である。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の他の例となる基板ホルダ周辺部の断面図（図７のＢ−Ｂ断面）である。本発明の液滴吐出機構の断面図である。本発明の他の例となる基板固定枠の平面図である。本発明の吸引機構の断面図である。

符号の説明

１はフィルム基板、２は基板ホルダ、３は液滴吐出機構、４はＸガイド、５はＺガイド、６は液体供給パイプ、７はヘッド保全部、８は基板固定枠、９は位置決め穴、１０は位置決めピン、１１はドット、１２はガイド、１３は段差部、１３ａはメッシュ板、１３ｂは吸引孔、１４ａ、１４ｂは第２の実施例の基板固定枠、１５は吸引ポンプ、１０１はオリフィス、１０２は加圧室、１０３は振動板、１０４は圧電素子、１０５ａと１０５ｂは信号入力端子、１０６は圧電素子固定基板、１０７はリストリクタ、１０８は共通液体供給路、１０９はフィルタ、１１０は接着剤、１１１はリストリクタプレート、１１２は加圧室プレート、１１３はオリフィスプレート、１１４は支持板、１１５は共通液体供給路部材、１１６はフィルタプレート、１１７は貫通孔、１１８はＳＵＳ薄板、１１９はドライフィルムレジストである。

Claims

フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する装置であって、
前記基板上に前記塗布液を吐出する液滴吐出部を有する液滴吐出機構と、
前記液滴吐出部と前記フィルム基板との位置を相対的に移動可能な移動機構と、
所定の厚さを有し、前記フィルム基板のエッジ部すべてを固定可能な基板固定枠と、
前記基板固定枠に設けた第１の穴と、第１の穴とはエッジからの距離が非対称となる位置に設けられた第２の穴と、ガイド穴よりなる位置決め機構と、
前記基板固定枠と同等の厚さを有する段差を有し、前記基板固定枠の第１の穴、第２の穴及びガイド穴と嵌合するピンが配された基板ホルダと、
を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する装置であって、
前記基板上に前記塗布液を吐出する液滴吐出部を有する液滴吐出機構と、
前記液滴吐出部と前記フィルム基板との位置を相対的に移動可能な移動機構と、
前記フィルム基板のエッジ部すべてを挟持するために設けられた所定の厚みを有する第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠と、
前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に夫々設けた第１の穴と、第１の穴とはエッジからの距離が対称となる位置に設けられた第２の穴と、ガイド穴よりなる位置決め機構と、
前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠と同等の厚さを有する段差を有し、前記フィルム基板を取付けた前記基板固定枠の穴及びガイド穴と嵌合するピンが配された基板ホルダと、
を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
前記段差部に設けられた共通吸引路と及び当該共通吸引路に連通する複数の吸引孔と、
前記共通吸引路と接続された吸引手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の薄膜形成装置。
前記基板ホルダに設けられた前記フィルム基板を加熱する加熱機構を更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の薄膜形成装置。
フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する方法であって、
請求項１記載の薄膜形成装置を用い、前記フィルム基板を前記基板固定枠に取付けた状態で前記ピンに前記第１の穴及び第２の穴を挿入して前記段差上に配し、
前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第一面に塗布液を塗布し、
前記フィルム基板を前記基板固定枠に取付けた状態で、前記ガイド穴とピンとの位置を調整しつつ上下方向に表裏反転させて、前記ピン上に前記基板固定枠が当接するようにして前記フィルム基板を前記段差上に配し、
前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第二面に塗布液を塗布する
ことを特徴とする薄膜形成方法。
フィルム基板上に塗布液を塗布して薄膜を形成する方法であって、
請求項２記載の薄膜形成装置を用い、前記フィルム基板を前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に取付けた状態で前記ピンに前記穴を挿入して前記段差上に配し、
前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第一面に塗布液を塗布し、
前記フィルム基板を前記第１の基板固定枠及び第２の基板固定枠に取付けた状態で、前記ガイド穴とピンとの位置を調整しつつ上下方向に表裏反転させて、前記ピンに穴を挿入するようにして前記フィルム基板を前記段差上に配し、
前記液滴吐出機構及び前記移動機構を駆動して前記フィルム基板の第二面に塗布液を塗布する
ことを特徴とする薄膜形成方法。