JP6655844B2 - 均一膜厚かつ矩形断面を有するパターン膜形成方法、形成装置 - Google Patents
均一膜厚かつ矩形断面を有するパターン膜形成方法、形成装置 Download PDFInfo
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Description
後者はいずれもブランケットを用いることによりインクの粘弾性を調整している。後者のうち、グラビアオフセット印刷とフレキソオフセット印刷は、まず凹版または凸版にインクを塗布し、必要なパターン部のみをブランケットに転写する。しかしながら、ブランケットに転写される時点のインクは流動性を有するため、表面張力によって、印刷されるインク膜パターンはかまぼこ状またはお椀状になる。さらにフレキソオフセット印刷では、形成されるパターンの膜厚がパターンサイズによって不均一になってしまう。マイクロコンタクト印刷法は、凸版自体が溶媒吸収性をもつシリコーン樹脂からなることが特徴であり、したがって転写膜は半乾燥状態になった後に転写されるものであるが、マイクロコンタクト印刷版へのインキングは、流動性のあるインクが塗布されるため、結果形成されるインク膜表面は曲面になり、またパターンサイズによって膜厚が変化してしまう。
凸版印刷においても、インク膜が塗布されたステンレス鋼製等の無終端ベルトに凸版を押し当てることによって半乾燥状態でインキングする方法も提案されている(特許文献2参照)。
また印刷時にはブランケットと被印刷体が直接接するため、印圧によってブランケットが変形し、転写されるパターンも変形し、所望のパターン寸法が得られない場合がある。さらに、抜き版によってブランケットからインク膜の不要部分を除去する工程において、抜き版へのインク膜の移行が不完全であった場合、不要部分が被印刷体に転写されることになり不良の原因となる。特に導電性インクを用いる場合、このような不良転写部分はマイグレーションの原因となりうる。
さらに、反転転写印刷法では、不要部分を抜き版に移行させる方式であるため、パターン領域の面積にかかわらず、一回の印刷につき、ブランケット全面に一様な塗布をするために必要なインク量を消費する。特に、ブランケットの表面積に対して必要なパターン領域の面積が小さい場合、インクの使用効率が悪くなってしまう。
一方、凸版印刷において、インク膜が塗布されたステンレス鋼製等の表面に彫刻を有する無終端ベルトに凸版を押し当てることによって半乾燥状態でインキングする方法では、通常のアニロックスロールと同様の表面に彫刻を有する無終端ベルトを利用してインクを保持してインキングする機構であることから、印刷パターン表面の凹凸が生じることが回避できない。
<1>(ア)溶媒吸収性シリコーンゴムからなり、平滑な表面を有するブランケットにインクを塗布してインク膜を形成する工程、
(イ)ブランケットの平滑な表面に形成されたインク膜に凸版を押し当てることで凸版の凸部にインク膜を転写させる工程、
(ウ)凸版の凸部表面に転写したインク膜を被転写物に押し当てることでインク膜を被転写物表面に転写する工程、
を含むパターン膜形成方法。
<2>前記インクの溶媒が速乾性溶媒と遅乾性溶媒からなり、前記(ア)の工程において、ブランケットに塗布されたインク膜に含まれる速乾性溶媒の全部または大部分を、蒸発およびブランケットへの吸収によって消失させて、半乾燥状態の均一膜厚のインク膜を形成することを特徴とする、<1>に記載のパターン膜形成方法。
<3>前記(イ)、(ウ)工程の間に、インク膜を有する凸版を速乾性溶媒の蒸気雰囲気中に存在させる工程を含むことを特徴とする、<1>または<2>に記載のパターン膜形成方法。
<4>前記インクが導電性パターン膜形成用のものであることを特徴とする、<1>〜<3>のいずれか1項に記載のパターン膜形成方法。
<5>溶媒吸収性シリコーンゴムからなり、少なくとも一部に平滑な表面を有するブランケットと、ブランケットの前記平滑な表面にインク膜を形成するインク膜形成手段と、所定パターンの凸部を有する凸版とを具備するパターン膜形成装置であって、該凸版の凸部表面は、半乾燥後のインク膜に押し当てられることにより該インク膜が転写されるとともに、該凸部表面に転写されたインク膜が被転写物に押し当てられることにより、被転写物表面に該インク膜が転写されるよう構成されたパターン膜形成装置。
また、本発明は、次のような態様を含むことができる。
<6>前記ブランケットの平滑な表面は、表面粗さRaが50nm以下であることを特徴とする、<1>〜<4>のいずれか1項に記載のパターン膜形成方法。
<7>前記シリコーンゴムは、ポリジメチルシロキサンからなり、硬さが0.5〜50MPaであることを特徴とする<1>〜<4>、<6>のいずれか1項に記載のパターン膜形成方法。
<8>前記速乾性溶媒がエタノール、メタノール、1−プロパノール、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、キシレンから選択される1種または2種以上であり、前記遅乾性溶媒が水、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、酸化プロピレンから選択される1種または2種以上であることを特徴とする、<1>〜<4>、<6>、<7>のいずれか1項に記載のパターン膜形成方法。
<9>速乾性溶媒の蒸気雰囲気であるチャンバーであって、転写されたインク膜を有する凸版を存在させるチャンバーを具備することを特徴とする、<5>に記載のパターン膜形成装置。
<10>前記ブランケットの平滑な表面は、表面粗さRaが50nm以下であることを特徴とする、<5>又は<9>に記載のパターン膜形成装置。
<11>前記シリコーンゴムは、ポリジメチルシロキサンからなり、硬さが0.5〜50MPaであることを特徴とする、<5>、<9>、<10>のいずれか1項に記載のパターン膜形成装置。
<12>前記インク膜形成手段が、スリット式コータ(キャップコータ、ギャップコータ、カーテンコータ等を含む)、スプレー式コータ、インクジェットコータから選択されるいずれかであることを特徴とする、<5>、<9>〜<11>のいずれか1項に記載のパターン膜形成装置。
本発明では、ブランケット上の必要部分のみを凸版の凸部に転写するので、反転転写印刷法のように、ブランケット上の不要部分を凸版との当接で除去する際の工程不良に基づくパターン不要部分への意図しないインク転写は起こり得ない。
また、本発明では、半乾燥状態となり、流動性が抑えられたインク膜が凸版の凸部にインキングされて印刷されるので、印刷されるインク膜に含まれる溶媒による下層への悪影響を極力抑えることができる。
本発明は凸版、ブランケット、インク、被転写物(以下、「被印刷体」とも言う。)を用いて実施されるものである。
凸版材質としては、ブランケットよりも弾性率が高く、ブランケットからインク膜を受理するときに、変形しにくいことが高解像度、高精度のパターンを形成する上で望ましい。さらに凸版の材質として要求されることとして、ブランケットから転写されるインク膜に含まれる残留溶媒によって膨潤しないことも高解像度、高精度のパターンを形成する上で望ましい。ブランケットと凸版とが当接する工程において、ブランケットまたは凸版自体の変形によって凸版の凹部がブランケットと接しない程度に凹凸部の段差が必要である。
インクに使用する溶媒の蒸発速度veは、所定の周囲環境下において、たとえば、表面積Aaのシャーレに密度ρの当該溶媒を投入し、一定時間Δtにおける重量変化Δmから算出することができる。すなわち、
ve=(Δm/ρ)/(Aa・Δt)
より計算される。一方、溶媒の吸収速度vuは、表面積Abが既知のシリコーンゴム片を、密度ρの溶媒中に一定時間Δt浸漬させ、前記シリコーンゴム片の浸漬前後の重量変化Δmを測定し、浸漬時間Δt、表面積Ab、溶媒密度ρより
vu=(Δm/ρ)/(Ab・Δt)
から算出できる。ブランケットの溶媒吸収能の指標として、ブランケットへの吸収速度vuを用いることができる。
ブランケットへの塗布完了から凸版への転写までにかかる時間をt、インクを塗布した直後の膜厚、すなわちウエット膜厚をhとしたとき、ブランケットの単位面積当りの速乾性溶媒の損失速度vはh/t以上であり、遅乾性溶媒のそれはh/t未満であり、所望のhおよびtに対して、適宜溶媒を選定すればよい。たとえば、ウエット膜厚hが1μmであって、ブランケットへの塗布からブランケットと凸版が当接しインク膜の転写を行う工程までに要する時間tを1分とした場合、速乾性溶媒および遅乾性溶媒の損失速度vは、それぞれ1μm/min以上とそれ未満である。遅乾性溶媒の損失速度は0.1μm/min未満であることが好ましい。この例における速乾性有機溶媒としては、たとえばエタノール、メタノール、1−プロパノール、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、キシレンなどが挙げられ、遅乾性溶媒には水やジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、酸化プロピレンなどが挙げられる。なお、たとえばプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールノルマルプロピルエーテル、プロピレングリコールノルマルブチルエーテル、3メトキシ−3メチル−ブチルアセテート等の溶媒は高沸点でありveは小さいものの、ブランケットへの吸収速度vuが高いため、ここでいう遅乾性溶媒には分類されない点に注意が必要である。また、速乾性溶媒の全部または大部分(当初速乾性溶媒量の90重量%以上、好ましくは95重量%以上)が失われ、インク膜の成分が主として遅乾性溶媒とインク含有固形分のみからなる状態を半乾燥状態という。
さらに、ブランケット上でインクが撥かれないことが必要であり、通常はインクに界面活性剤を加えることで、これを回避できる。ただし、ブランケット上における溶媒の損失速度が撥水核成長速度よりも大きい場合は、界面活性剤を加えない場合においても、望ましい均一インク膜を形成することができる。
また、本発明におけるブランケットは、表面彫刻を有しないものであり、その表面粗さRa〔JISB0601−2001に準拠〕は、通常、Ra=50nm以下、好ましくはRa=10nm以下であり、Ra=10nm程度以下の場合、より良好な転写が可能である。また形成されるインク膜表面の平滑性をよくする上で、ブランケットの表面粗さは小さいほど望ましい(たとえば、Ra=5nm程度)。
ブランケットの表面は、均一な厚みのインク膜が形成されるように、シート状ブランケットの場合には平坦に、ロール状ブランケットの場合には円筒状周面に形成され、しかも、表面粗さRaが50nm以下(好ましくは10nm以下)の平滑面に形成される。
導電性インクとして主溶媒であるエタノールに銀ナノ粒子が分散した顔料インク(DIC会社製ナノ銀インク)を用いた。ブランケット材料としてシリコーンゴム(信越化学性KE106を常温硬化させたもの)を用いた。凸版として日本電子精機製の樹脂凸版(JemFlex DGX170)を用いた。凸版は0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1mm幅のラインパターンを有している。本実施例にて使用したシリコーンゴムに対するエタノールの吸収速度vuは0.9μm/min程度であった。またエタノールの蒸発速度veは約10μm/minであった。
印刷は下記の手順により、PEテスター−100G(MHIソリューションテクノロジーズ株式会社製)を用いて行った。まず、ガラス製スリットコータを用いて、溶媒吸収性シリコーンゴムブランケット(2)の平滑な表面(表面粗さRa=5nm程度)にナノ銀インク(3)を一様塗布した〔図1(a)〕。その後、一定時間待機し溶媒の消失を待った後に、凸版(4)と当該インク膜を当接させることで凸版にインク膜を転写した〔図1(b)〕。つぎに、当該凸版をガラス板に当接させることでインク膜を被印刷体のガラス(5)に転写し〔図1(c)〕、印刷を完了した〔図1(d)〕。最後にオーブン中で加熱焼成することでガラス表面上のインク膜(3)を硬化させた。
触針式段差計(小坂製作所製Surfcorder ET4000L)を用いて、加熱焼成を行った当該インク膜パターンの膜厚を測定した。ラインパターン幅0.5mmと1.0mmの断面形状について、本発明の実施例1を図2の左図に、比較例1を図2の右図に示す。図2の左図より、本発明によって、膜厚がパターンサイズによらずほぼ一定であり、かつ断面形状が矩形であるインク膜のパターニングが可能となることが示された。一方、ステンレス鋼をブランケットとして用いた場合は、パターンサイズにより膜厚が大きく変化したし、良好な矩形断面形状を得ることもできなかった。
パターンの幅をw、パターンの最大膜厚をhmax、断面積をaとしたとき、a/(hmax×w)を断面矩形度sと定義する〔なお、パターンの平均膜厚をhavとすると、s=hav/hmax、である〕。断面矩形度sは完全に四角形のときに最大値1をとり、sの値が下がるほど断面の矩形性が低下し、たとえば、断面が半円形状である場合、sはπ/4≒0.785である。
本発明の実施例1について、各ラインパターン幅wに対して形成されたパターンの最大膜厚hmaxと断面矩形度sを表1に示す。表1より、本発明では、断面矩形度s>0.9のパターン形成が可能であることがわかる。すなわち、ラインパターン幅によらずほぼ一定膜厚(全てのパターン幅の断面矩形度平均値に対する各パターン幅の断面矩形度の差が15%以下、好ましくは10%以下、より好ましくは6%以下)が得られることがわかった。なお、本実施例1においてパターンの最大膜厚はパターン幅に対して最大70nm変化したものの、これは本実施例1で用いたコータによって塗布される塗布膜厚精度以内に入っており、本発明による方法によって悪化したものではない。製造時に要求される精度に応じて適切なコータ方式を用いることで適宜改善できる。
導電性インクとして主溶媒であるエタノールに銀ナノ粒子が分散した顔料インク(DIC会社製ナノ銀インク)を用いた。ブランケット材料と凸版材料として3種類の信越化学製KE106の調整品であるシリコーンゴムA、BおよびC、ならびに、VUV(真空紫外線)処理したシリコーンゴムBを用いた。Owens-Wendt法によって推定された表面自由エネルギーは、それぞれ16.4、12.7、8.6、49.9mJ/m2であった。また本実施例にて使用したシリコーンゴムに対するエタノールの吸収速度vuはすべて0.9μm/min程度であった。またエタノールの蒸発速度veは約10μm/minであった。凸版は1、2、4、8μm幅のラインパターンを有しているものを用いた。シリコーンゴム表面の親水化処理にはVUV処理装置(オーク製作所VUS−3150)を用い、酸素濃度0.1%以下の条件下で20秒間照射を行った。なお、ここで推定された表面自由エネルギーは水、ジヨードメタン、エチレングリコールをプローブ液体として用いて算出された値であり、表面付着性の相対評価のための指標として示したものであって、その絶対値の妥当性についてはここでは考慮しない。
実施例2では、上記材料のうち、シリコーンゴムBをブランケット材料として用い、VUV処理したシリコーンゴムBを凸版材料として用いた場合の、凸版へのインク膜の受理の可否、および凸版に受理されたインク膜のガラス基板への受理の可否を検討した。
まず、ガラス製スリットコータを用いて、溶媒吸収性シリコーンゴムブランケットの平滑な表面(表面粗さRa=5nm程度)にナノ銀インクを一様塗布した。その後、一定時間待機し溶媒の消失を待った後に、凸版と当該インク膜を当接させることで凸版にインク膜を受理した。つぎに、当該凸版をガラス板に当接させることでインク膜を被印刷体のガラスに転写し、印刷を完了した。インクパターンが転写されたガラス基板をオーブン中で加熱焼成することでインク膜を硬化させた。
なお、実施例2において述べなかった材料及び印刷の条件については、実施例1と同様にしてガラス表面上のインク膜を形成させた。
実施例2及び3の結果を表2に示す。表2より、実施例2及び3のすべての組み合わせにおいて、1、2、4、8μm幅のラインパターンの印刷ができた。
触針式段差計(小坂製作所製Surfcorder ET4000L)を用いて、加熱焼成を行った当該インク膜パターンの膜厚を測定した。ここではシリコーンゴムBからなるブランケットと、シリコーンゴムBに20秒間VUV処理を行った凸版の組み合わせ(実施例2)と、シリコーンゴムCを用いたブランケットと、シリコーンゴムAを用いた凸版の組み合わせ(実施例3)の2通りの実験について、それぞれのパターンの断面プロファイルを図3、図4に示す。どちらの条件においても、本発明によって、膜厚がパターンサイズによらずほぼ一定であり、かつ断面形状が矩形であるインク膜のパターニングが可能となることが示された。すなわち、ブランケットと凸版が同一材料であってもVUV処理を行うことにより本発明に係るパターン膜形成が良好に行えること(実施例2)、および、ブランケットと凸版として組成の異なる(表面エネルギーの異なる)材料を用いても本発明に係るパターン膜形成が良好に行えること(実施例3)がわかった。
一方、比較例2として、シリコーンゴムBからなる凸版に直接バーコータにてインキングした後ガラスに転写したときの、パターンの断面プロファイルを図5に示す。図5より、パターンサイズにより膜厚が大きく変化し、良好な矩形断面形状を得ることもできなかった。とくにパターン幅が小さくなるにつれて膜厚が低下し、良好な導通性能が担保されないことがわかった。
紫外線照射等の親水化処理を用いることで、ブランケットと凸版の材料のどちらにも同じシリコーンゴムを用いることができ、材料調達・管理が容易になる。
2 ブランケット
3 インク(インク膜)
4 凸版
5 被印刷体(被転写体)
20 幅0.5mmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例1)
21 幅1.0mmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例1)
30 幅0.5mmパターンの膜厚プロファイル(比較例1)
31 幅1.0mmパターンの膜厚プロファイル(比較例1)
41 幅1μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例2)
42 幅2μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例2)
43 幅4μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例2)
44 幅8μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例2)
51 幅1μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例3)
52 幅2μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例3)
53 幅4μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例3)
54 幅8μmパターンの膜厚プロファイル(本発明の実施例3)
61 幅1μmパターンの膜厚プロファイル(比較例2)
62 幅2μmパターンの膜厚プロファイル(比較例2)
63 幅4μmパターンの膜厚プロファイル(比較例2)
64 幅8μmパターンの膜厚プロファイル(比較例2)
Claims (4)
- (ア)溶媒吸収性シリコーンゴムからなり、平滑な表面を有するブランケットにインクを塗布してインク膜を形成し、該インク膜が半乾燥状態になるまで待機する工程、
(イ)ブランケットの平滑な表面に形成されたインク膜に凸版を押し当てることで凸版の凸部にインク膜を転写させる工程、
(ウ)インク膜を有する凸版を該インク膜に含まれる速乾性溶媒の蒸気雰囲気中に存在させる工程、
(エ)凸版の凸部表面に転写したインク膜を被転写物に押し当てることでインク膜を被転写物表面に転写する工程、
を含むパターン膜形成方法。 - 前記インクの溶媒が速乾性溶媒と遅乾性溶媒からなり、前記(ア)の工程において、ブランケットに塗布されたインク膜に含まれる速乾性溶媒の全部または大部分を、蒸発およびブランケットへの吸収によって消失させて、半乾燥状態の均一膜厚のインク膜を形成することを特徴とする、請求項1に記載のパターン膜形成方法。
- 前記インクが導電性パターン膜形成用のものであることを特徴とする、請求項1または2に記載のパターン膜形成方法。
- 溶媒吸収性シリコーンゴムからなり、少なくとも一部に平滑な表面を有するブランケットと、ブランケットの前記平滑な表面にインク膜を形成するインク膜形成手段と、所定パターンの凸部を有する凸版と、インク膜を有する凸版を該インク膜に含まれる速乾性溶媒の蒸気雰囲気中に存在させる手段とを具備するパターン膜形成装置であって、該凸版の凸部表面は、ブランケットの前記平滑な表面上の半乾燥後のインク膜に押し当てられることにより該インク膜が転写されるとともに、該凸部表面に転写されたインク膜が被転写物に押し当てられることにより、被転写物表面に該インク膜が転写されるよう構成されたパターン膜形成装置。
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