JP6262151B2 - 印刷される基板上に導電性材料を流体形態で転写する方法及び構成 - Google Patents

Description

本発明は包括的には、印刷される基板上に導電性材料を転写する技術に関する。本発明は特に、基板に転写された瞬間において流体（すなわち固体ではない）形態である導電性材料の使用に関する。

ここ最近、印刷プロセスを用いることによって、紙、厚紙、布又はポリマーフィルム等の誘電体基板上に導電パターンを生成することが、ますます魅力あるものとなっている。プリンテッドエレクトロニクスの技術分野では、基板上に導電性エリア及び導電性トラック並びに場合によっては半導性エリア及び半導性トラックを生成することを伴い、多くの場合、導電性エリア又は半導性エリアの少なくとも一部に半導体チップ等の別個の電子部品を取り付けることによって拡張させる。

紙等の上に印刷すること自体は、１５世紀におけるグーテンベルグ印刷機の時代から知られている。しかしながら、単に従来の非導電性印刷インク又は非導電性印刷トナーの代わりに導電性印刷インク又は導電性印刷トナーを用いることは簡単にはいかない。従来技術の技法の固有の特性により、導電性インク又は導電性トナーに変更することが困難又は不可能となる可能性がある。プリンテッドエレクトロニクスの多くの意図した用途は、日用消耗品用のパッケージ等の使い捨て製品を含み、このことは経済的要因にかなりの要求を課す。すなわち、包装又はその印刷にはあまりコストをかけるべきでない。導電性ポリマー又は半導性ポリマーを液体溶液の形態で用いるとともに印刷機又はインクジェットプリンターにおいてインクとして用いることが可能であるが、本明細書の記載時点で知られている最も導電性が高いポリマーは、高価すぎるか又はインクとしての大量利用に処しにくい。多くの金属化合物は、それ自体としては比較的安価であり、小さな固体粒状物の形態で用いてペースト状にすることができるが、例えば、インクジェットノズルを通ってスムーズに流れるのに、又は、グラビア印刷に都合よく適するのに必要とされる粒径にまでそれらの金属化合物を微粒化することは、その価格を根本的に増大させる。

本発明の態様の有利な特徴は、大量生産に適用することに有利であるとともに様々な種類の導電性材料に適用可能なプロセスによって、印刷される表面上に導電性材料を転写する方法及び構成を提供することである。

本発明の目的は、基板を予熱することと、基板上に導電性材料を流体形態で噴霧することとによって達成される。基板を予熱することにより、基板への導電性材料の良好な付着が確実となる。

本発明に係る方法は、
基板を第１の温度に予熱することと、
流体導電性材料を生成することと、
所定の種類のパターンを形成するよう、前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧することと、
前記流体導電性材料が噴霧された前記基板を前記導電性材料の前記融点よりも低い第３の温度に冷却することと、
を含み、前記冷却することは、前記流体導電性材料が噴霧された前記基板の表面にローラーを押し当てることと、能動的に前記ローラーの表面温度を前記導電性材料の前記融点よりも低く保つこととを含み、前記ローラーを押し当てることは、前記基板の前記冷却を実施する、
ことを特徴とする。

本発明に係る構成は、
基板を保持するように構成されている基板ハンドラーと、
前記基板を第１の温度に予熱するように構成されている基板プレヒーターと、
流体導電性材料をつくり出すように構成されている材料ハンドラーと、
所定の種類のパターンを形成するよう、前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧するように構成されている噴霧ヘッドと、
前記流体導電性材料が噴霧された前記基板を前記導電性材料の前記融点よりも低い第３の温度に冷却するように構成されている冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、前記流体導電性材料が噴霧された前記基板の表面にローラーを押し当てるように構成されているニップと、能動的に前記ローラーの表面温度を前記導電性材料の前記融点よりも低く保つように構成されている温度制御手段とを有する、
ことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、導電性材料は、基板上に導電性材料を塗布する段階において流体（すなわち、液体若しくは蒸気、又は、ガス状担体中の液体の小滴若しくは小さな固体粒子のコロイド懸濁液）形態で扱われる。上記流体形態は、主として溶媒中に導電性材料を溶解させることによってではなく、導電性材料をその溶融温度よりも高く加熱することによって、及び／又は、導電性材料を霧化してエアロゾル形態にすることによって達成される。導電性材料が基板に衝当したときにあまりに速く固化することを防止するために、及び／又は、基板への適切な付着を確実にするために、基板が或る特定の温度に予熱され、それによって、固化が十分にゆっくりと行われ、導電性材料が基板に密着する。融点よりも低く冷却することは、対流及び放射等の受動プロセスにより行うことができるか、又は、導電パターンが印刷された基板を、例えばコールドニップにおいて能動冷却することができる。基板の、導電性材料が或るパターンを形成することになるエリアを、流体形態の導電性材料によって基板表面の湿潤を高める粘着剤又は他の作用物質によって予め処理しておくことができる。

本発明の態様の特定の類は、基板上に導電性材料を液体形態で塗布することを伴う。高温液体を吐出するのに用いられる技術は、プリント回路基板及び半導体チップ上にはんだバンプを形成するのに用いられる既知の技術と同様の特徴を有することができ、その場合、はんだを例えば摂氏２４０度の高温に保ちつつ、ピコリットルスケールの量の溶融はんだを高精度ではんだパッドに吐出することができる。しかしながら、既に自身が導電性である表面上に個別のはっきりと突出するはんだバンプを形成する既知の技術とは対照的に、本発明は、本来的に絶縁性の基板上に、導電性物質の比較的大きく均一で非常に薄い上塗層を含む所定の種類のパターンを生成することが可能である。

本発明の態様の別の特定の類は、基板上に、導電性材料を蒸気の形態、又は、物理的に蒸気のように挙動する、ガス状担体中の液体の小滴若しくは小さな固体粒子のコロイド懸濁液の形態で塗布することを伴う。「エアロゾル」という名称は多くの場合、特にガス状担体が空気である場合のそのようなコロイド懸濁液を示すのに用いられる。ノズルを通しての断続的なバースト（印刷されるパターンの個別の性質が必要とする）として純粋な蒸気等を吐出することは、問題を伴う可能性があり、そのため、蒸気等の周囲のシースガスの同心流、及び／又は噴霧ノズルと吸引ノズルとの制御可能な組合体を用いることが好ましい場合がある。最後に述べた場合では、噴霧ノズルを用いて蒸気等の比較的連続的なストリームを吐出することができ、その一方、上記吸引ノズルは、蒸気が上記基板に付着する前に上記基板の近傍から上記噴霧ノズルによって噴霧されるこの蒸気を取り除くように選択的に動作可能である。

本発明の態様は従属請求項に更に記載される。

本発明の特性としてみなされる新規な特徴は、特に、添付の特許請求の範囲に示されている。しかしながら、本発明自体は、その構造及びその動作方法の両方に関して、その追加の目的及び利点とともに、特定の実施形態の以下の説明を添付図面と関連して読む時にそこから最もよく理解されるであろう。

本特許出願で提示される本発明の例示的な態様は、添付の特許請求の範囲の適用範囲に対して制限を加えるように解釈されるべきではない。本特許出願において、「備える、含む（to comprise）」という動詞は、列挙されていない特徴の存在を排除しない開かれた限定（open limitation）として使用されている。従属請求項で列挙されている特徴は、別段に明示的に述べていない限り、相互に自由に組合せ可能である。

印刷プロセスの原理を示す図である。 加熱ローラーを示す図である。 加熱輻射源を示す図である。 被加熱ガスのブロワーを示す図である。 噴霧ヘッドにおけるノズルの一例を示す図である。 噴霧ヘッドにおけるノズルの別の例を示す図である。 噴霧ヘッドにおけるノズルの別の例を示す図である。 噴霧ヘッドにおけるノズルの別の例を示す図である。 噴霧ヘッドにおけるノズルの別の例を示す図である。 再加熱の使用及びコールドニップを示す図である。 基板を予め調整する一例を示す図である。 印刷された導電性ブリッジを示す図である。

図１は、本発明に従って基板上に導電性材料を流体形態で転写することができるプロセスの概略的な主要な例示である。基板をプロセスに制御可能に導入するために、基板１０２を保持するように構成されているとともに、この例では基板１０２を本質的に連続的に又は個別シートの形態でプロセスに給送するようにも構成されている基板ハンドラー１０１がある。基板ハンドラー１０１によって給送された基板は、基板プレヒーター１０３に進み、基板プレヒーター１０３は、ここでは装置の別個の部品として示されているが、基板ハンドラーに少なくとも部分的に一体化させることもできる。基板プレヒーター１０３は、基板１０２を第１の温度に予熱するように構成されている。

導電性材料が、基板と接触する前は溶融形態である、本発明の実施形態では、基板を上記の第１の温度に予熱する目的は、溶融導電性材料があまりに速く固化しないことを確実にすることである。あまりに速い固化とみなされることは、関与する材料と印刷がなされる用途とに非常に大きく左右される。２つの説明的な例として、導電パターンを光沢紙及びフェルト上に印刷することを考えることができる。規定の光沢印刷紙の表面のＰＰＳ（パーカープリントサーフ）の粗さは、ほんの数マイクロメートル程度であるが、フェルトは、少なくとも２０倍又は３０倍も大きいはっきりとした巨視的な粗さを示すほど十分に多孔性であり得る。光沢紙の非常に平滑な表面上に本質的に連続的な導電パターンを印刷するには、また、その導電パターンを適切に付着させるには、マイクロメートルのオーダーの厚さを有する導電性材料層を生成するだけでよい。導電性材料は、光沢紙の表面に達した後、その紙の表面の最外層との間に適切な分子レベルの付着を確実にするほど十分に長く液体状態のままであればよく、また、ほんの数マイクロメートル厚とすることができる本質的に連続的な導電性層の堆積を可能にするだけでよい。

対照的に、フェルトの粗い多孔性表面上に本質的に連続的な導電パターンを印刷するには、噴霧される導電性材料層は、十分に厚いものでなければならず、表面の平面方向にその連続性をいかなる本質的な程度にも依然として損なうことなく、表面の無数の空隙に流れ込むほど十分に長く液体状態のままでなければならない。その後の再加熱（後でより詳細に記載する）が或る程度の助けを与えることができるが、粗い多孔性材料に関連する予熱要件は、非常に平滑な材料に関連する予熱要件よりもきわめて高い可能性があることは明らかである。さらに、流体導電性材料の特徴的な表面張力、並びに、基板表面上でのその流れに影響を及ぼす他のパラメーター及び流体導電性材料が基板表面に付着する能力を考慮する必要がある。場合によっては、十分に長い時間、基板が十分に高温であるままであることを確実にするために、装置の、導電性材料を流体形態で吐出する部品と、基板プレヒーター１０３の少なくとも幾つかの部品とを一体化させることが必要である場合がある。

また、飛行時間、すなわち、導電性材料が流体形態で導電性材料のアプリケーターの能動的に温度調節される部品から基板の表面上に飛行する行程に費やす時間を、導電性材料が基板と接触する前は溶融形態である本発明の実施形態では特に考慮せねばならない。導電性材料は途中で冷却する傾向があり、この冷却は、導電性材料を基板に向けて噴射する前に十分に加熱することによって、若しくは基板を十分に予熱することによって、又はそれらの双方によって補償せねばならない。

流体導電性材料がガス状担体中の固体粒子のコロイド懸濁液である本発明の実施形態では、基板を上記第１の温度に予熱する目的は、予熱した基板に導電性材料の固体粒子が衝当したときにその固体粒子が溶融することを確実にすることである。その場合、第１の温度は、導電性材料の融点よりも高いだけでなく、基板上に噴霧される導電性材料の総量に対して必要とされる特定の融解潜熱を移すことを可能にするほど十分に高いものとするのが妥当である。

図１に概略的に示されている次の部品は、材料ハンドラー１０４であり、この材料ハンドラー１０４は、流体導電性材料を生成するように構成されている。第１の代替形態によれば、材料ハンドラー１０４は、ここでは上記導電性材料の融点よりも高い第２の温度と呼ばれる温度に導電性材料を加熱するように構成されている。第２の温度は、基板プレヒーター１０３が基板１０２を予熱した第１の温度と同じであっても異なっていてもよい。材料を十分に加熱することによって、材料ハンドラー１０４は、流体導電性材料をつくり出し、この場合、「流体」という記述はここでは、導電性材料が、液体状態若しくは蒸気状態、又はガス状担体中の液滴のコロイド懸濁液の状態であるか、或いはこれらの何らかの混合物を含むことを意味する。熱力学現象の場合に常に見られるように、温度に加え、材料ハンドラー１０４によって生成される、及び／又は制御される圧力もまた、導電性材料を流体形態で出現させる役割を有し得る。材料ハンドラー１０４は、独立した部品とすることができるか、又は、プレヒーター１０３と少なくとも部分的に一体化させるか又は連結させることができ、例えば、材料ハンドラー１０４及びプレヒーター１０３は同じ熱源を用いることができる。

第２の代替形態によれば、材料ハンドラー１０４は、導電性材料をガス状担体中の固体粒子のコロイド懸濁液の形態に変えるように構成される。またこの場合、コロイド懸濁液を発生させることを意味する、いわゆる霧化手順は、導電性材料が、ガス状担体中に十分に維持されることを可能にするほど十分に微粒化した形態の微粒子で予め供給されていない限り、導電性材料を初めに溶融させることを伴い得る。上記の第１の代替形態との相違点として、霧化手順の後、又は霧化手順に関連して、導電性材料の粒子は、最終的に基板に衝当する前は固体状態であるものとすることが意図的に可能である。

本発明に従って導電性材料として用いることができる有利な材料として、ビスマス、鉛、錫、インジウム、カドミウム及びそれらの様々な合金が挙げられるがそれらに限定されない。例えば、Indium Corporation（ニューヨーク所在）が公開している表によれば、インジウムが５１％、ビスマスが３２．５％及び錫が１６．５％の共晶合金は摂氏＋６０度で溶融し、インジウムが６６．３％及びビスマスが３３．７％の別の共晶合金は摂氏＋７２度で溶融し、ビスマスが５８．０％及び錫が４２．０％の別の共晶合金は摂氏＋１３８度で溶融し、また、鉛が３７％及び錫が６３％の共晶合金は摂氏＋１８３度で溶融する。特定クラスの材料は非共晶合金からなり(consists of)、これらの合金は、厳密な融点を有するのではなく、いわゆる固相線温度及び液相線温度を有し、固相線温度と液相線温度との間で、材料は低融点相の溶融物中に固体粒子が含まれるペーストとして存在する。例えば、錫が６０．０％及びビスマスが４０．０％の非共晶合金は、摂氏１３８度の固相線温度及び摂氏１７０度の液相線温度を有する。インジウムが９０．０％及び錫が１０．０％の別の非共晶合金は、摂氏１４３度の固相線温度及び摂氏１５１度の液相線温度を有する。

非共晶合金の場合、どの温度を融点としてみなすべきかが必ずしもはっきりしていない。固相線温度と液相線温度との間で存在するペーストの特徴は、合金中の構成成分の相対量を含むがこれに限定されない多くの因子に応じて決まる。液相線温度よりも高くなると合金の全ての構成成分は溶融形態となり、そのため、少なくとも液相線温度を超えると、合金は流体のように挙動する。しかしながら、固相線温度と液相線温度との間で粘性が十分に低い合金が存在し、そのため、流体のように挙動すると言うことができ、その場合、固相線温度を融点とみなすことができる。

鉛及びカドミウムは毒性を有するため、鉛又はカドミウムを有しない合金がより好ましい。プリントされた電子回路が有利にプリントされる基板の多くは高温耐性がほんの少ししかないため、比較的低い融点を有する金属及び合金が好ましい。さらに、プロセスは通常、プロセスの最高温部と最低温部との温度差があまり大きくない場合、より容易に制御され、エネルギー効率がよりいっそう高い。

材料ハンドラー１０４は、流体導電性材料を噴霧ヘッド１０５に送出するように構成されており、噴霧ヘッド１０５がさらに、所定の種類のパターンを形成するよう、予熱した基板上に流体導電性材料を制御可能に噴霧するように構成されている。本明細書に関して、噴霧とは、流体材料を所定の方向に噴射することを意味する。通常、噴霧ヘッドは、１つ又は複数のノズルと、噴霧ヘッドの内部の流体材料を或る圧力に維持するか又は噴霧ヘッドの内部の流体材料を外部の圧力よりも高い圧力に一時的に晒す手段と、噴霧ヘッドの内部から外部へと上記ノズル（複数の場合もある）を通る流体材料の流れを調節する幾つかの調節手段とを備える。噴霧ヘッドからの流体材料の流れは、本質的に連続的に発生することができ、そのため、流体導電性材料の連続的な射出ストリームによって基板上にパターンが描かれるか、又は、短い個々のバーストとして行うことができ、そのため、各バーストが基板上に導電性材料の「画素」を形成する。バーストモードと連続モードとを交互に行うことも可能である。

噴霧ヘッドからの流体材料の流れは、酸化及び／又は不慮の冷却から流体材料を保護する高温ガスの流れによって維持することができる。酸化の防止が望まれる場合、ガスは酸素を含有すべきではない。例えば、高温窒素流（この場合、「高温」とは、窒素が、流体材料が基板に十分に付着するほど十分に長く流体であり続けるのに有意に役立つほど十分に高温であることを意味する）を用いることができるが、その理由は、窒素が酸化を有効に妨げるからである。高温窒素流は、流体導電性材料と同じ噴霧ヘッドから噴射することができるか、又は、別個の高温窒素分配器から噴射することができる。

所定の種類の上記パターンを形成するために、流体インクが噴霧される既知の印刷用途におけるように幾つかの手法をとることができる。例えば、圧胴及び／又はガントリを用いて、基板に対して噴霧ヘッドのノズル（単数若しくは複数）（又は噴霧ヘッド全体）を移動させること、及び／又は噴霧ヘッドに対して基板を移動させることが可能である。一列の又はアレイ状の個々に制御可能なノズルを噴霧ヘッド内に有することも、また、基板及び噴霧ヘッドの相対移動時に個々のノズルの動作を制御することも可能であり、そのため、個々のノズルによって形成される融合成分パターンによる組合せの結果としてパターンが形成される。パターンが所定の種類であるということは、基板と噴霧ヘッドとの相対移動、ノズル（複数の場合もある）のオンオフタイム（複数の場合もある）、導電性材料が噴霧される率、及び他の関連パラメーターのような因子が予め決定されていることを意味し、そのため、作業者は、パターンの形成が完了する際、パターンの各部分がどんな外形、厚さ及びサイズを有するかを適切な確信をもって予測することができる。

基板の表面上の導電性材料の生成パターンを歪めないようにするとともに汚さないようにするには、導電性材料をその流体状態から固化させねばならない。導電性材料をその融点よりも高く加熱することによって予め流体にしておくものとするため、固化は、導電性材料をその融点よりも低く冷却することを伴うものとするのが当然である。このため、図１のプロセスは、基板と基板上に噴霧された導電性材料とを導電性材料の融点よりも低いか又はその融点に等しい第３の温度に冷却するように構成されている冷却部１０６を含む。冷却は、受動冷却（この場合、対流及び熱伝導によって、基板と基板上に噴霧された導電性材料とがそれらの周囲と熱エネルギーを自由に交換することがまさに可能になる）、及び／又は能動冷却（この場合、基板と基板上に噴霧された導電性材料との温度の変化率、及び／又は基板と基板上に噴霧された得られる導電性材料の最終的な（result）温度を制御するように能動的な措置がとられる）を含むことができる。

プロセスは、例えば、印刷導電パターンの質及び外観を向上させる、及び／又はその質及び外観を検査することを目的とする他のステップも含むことができる。最終的に、完成した印刷基板がワークピースハンドラー１０７に入り、ワークピースハンドラー１０７は、完成した基板ピースを収集し、それらを同じプロセス又は異なるプロセスの更なる部での使用のために保管する。終了時点のワークピースハンドラーは、プロセスの必要部品ではなく、その理由は、前の部品によって実施される印刷ステップをより大きな製造プロセスに統合させることができるからであり、そのため、印刷基板は、冷却直後に何らかの更なる処理に進み続ける。

以下、プロセスの種々の部を実施する幾つかの例示的なやり方をより詳細に検討する。１つの部の種々の物理的な実施は、別段に明示的記載のない限り、プロセスの他の部の任意の物理的な実施に自由に組み合わせ可能である。

本発明は、ロールツーロール処理によく適しており、このことは、本方法が、基板プレヒーター１０３において基板を予熱する前に（及び／又はその予熱とともに）、プロセスの、基板ハンドラー１０１として上述した部において、ロールから基板を繰り出すこと、並びに、プロセスの、ワークピースハンドラー１０７として上述した部において、流体導電性材料が噴霧された基板を冷却後にロールに巻くことを含むことができることを意味する。ロールツーロール処理に対する代替形態として、基板をシート等の個別の部片として扱うことができる。

本発明は、基板の選択を限定しないが、導電パターンをプリントされた電子回路の一部として用いることが予測されるため、基板の、少なくとも流体導電性材料が噴霧される表面は絶縁性であるものとすることが適切である。基板として、紙、板紙、厚紙、薄葉紙、ポリマーフィルム又はこれらの何らかの組合せを用いることは、これらが製品カバー及び製品パッケージを製造するのに一般的に用いられるため、本発明が、製品カバー及び製品パッケージとプリントされた電子回路とを一体化させる特に有利なやり方を提供するという利点を伴う。基板として、不織布、織布、フェルト又はこれらの何らかの組合せを用いることは、本発明が衣類及び織物とプリントされた電子回路とを一体化させる特に有利なやり方を提供するという利点を伴う。紙、板紙、厚紙、薄葉紙、ポリマーフィルム、不織布、織布及びフェルトのリストからの構成基板の任意の組合せを、その組合せが、基板を予熱するとともに基板上に流体導電性材料を噴霧する瞬間に熱に一時的に晒されることに耐えさえすれば、基板として用いることができる。

図２、図３及び図４は、基板を予熱する種々のやり方を概略的に示す。図２は基板を加熱ローラー２０１に押し当てるところを示し、図３は基板を加熱輻射源３０１からの加熱輻射に晒すところを示し、図４は基板を被加熱ガスのブロワー４０１からの加熱ガス流に晒すところを示す。また、例えば、基板を平坦なベース、少なくともヒーターを含む部分にわたって移動させる、他の物理的な実施が可能である。

図５、図６及び図７は、いわゆるはんだ噴流に何らかの類似点を有することを概ね特徴とすることができる、本発明の実施形態における噴霧ヘッドの部分を実施する種々のやり方を概略的に示す。従来の電子回路及び集積回路を製造する技術から、プリント回路基板又は半導体チップの表面の金属パッド上に溶融はんだの小滴を正確に吐出することによって、はんだバンプを形成する技術が知られている。図５は、本発明の目的に適用される、ドロップオンデマンドとして知られている原理に従って組み立てられた制御可能なノズルを示す。

流体導電性材料は、材料ハンドラー（図示せず）から制御可能なノズルへ矢印５０１の方向に液体形態で送出される。ノズル本体５０３によって画定されているリザーバー５０２内に、流体導電性材料が通常、本質的に周囲圧力に保持されており、このことは、流体導電性材料の重力と、毛細管現象と、内部凝集力との組合せにより、流体導電性材料が、図５においてノズル本体５０３の下端に見られるオリフィス５０４を通って漏出しないようにすることを意味する。圧電アクチュエーター５０５が、ノズル本体５０３の一方の側、通常、オリフィス５０４とは反対側に位置付けられている。ノズルに接続される制御信号は、圧電アクチュエーター５０５に印加されるとリザーバー５０２内の流体導電性材料中に圧力及び速度の減衰状態（transients）をつくり出す電圧パルスの形態をとる。電圧パルスにより、オリフィス５０４を通って流体導電性材料の滴が噴射される。ノズル及び基板（図示せず）の相対移動と電圧パルスの送出とを同調させることによって、基板上に既に噴霧された導電性材料と融合する噴射滴により、段階的に堆積する所定の種類のパターンをつくり出すことが可能である。当然ながら、導電性材料の固化によりオリフィス５０４が詰まることがないようにノズル本体５０３が動作時に常に十分に高温であることを確実にする必要がある。

図６は、いわゆる連続モードの実施形態を示しており、この実施形態では、多くの部品及び機能は、図５の部品及び機能、例えば、矢印５０１に係る、液体形態の流体導電性材料の送出及び周囲圧力、ノズル本体５０２、リザーバー５０３並びに圧電アクチュエーター５０５と同様とすることができる。しかしながら、変化する制御信号の代わりに、定常列の電圧パルスが圧電アクチュエーター５０５に接続される。これにより、定常ストリームの滴をオリフィスから噴射させる。図５とは対照的に、これらの滴は、充電電圧（図６に＋＋として示されている）がノズル本体５０２に接続されていることにより、帯電される。一対の偏向電極６０１がオリフィス近くに位置付けられており、そのため、流体導電性材料の噴射された帯電滴は、偏向電極６０１間を通過せねばならない。偏向電極に接続された制御信号の瞬間極性及び瞬間値に応じて、噴射された帯電滴は、基板に向かって（すなわち、図６の右側の下方へ）移動するか又は再循環ビン６０２内に捕集されることが可能になる。

図７は、別の代替的な実施形態を示しており、この実施形態では、流体導電性材料は同様に、制御可能なノズルへ液体形態で送出されるが、今度は周囲圧力よりも高い圧力で送出される。圧電弁又は他の微小電気機械弁７０１がオリフィスに位置付けられており、オリフィスを通って流体導電性材料が基板（図示せず）に向かって流れることができる。制御信号は、所定の制御信号値に応答した際にのみ、弁７０１を開いて流体導電性材料の一部をオリフィスを通して噴射させるように弁を駆動する。

図８及び図９は、いわゆるエアロゾル噴流に何らかの類似点を有することを概ね特徴とすることができる、本発明の実施形態における噴霧ヘッドの部分を実施する種々のやり方を概略的に示す。本発明のこれらの実施形態の共通の特徴は、流体導電性材料がガス担体中の液滴又は固体粒子のコロイド懸濁液の蒸気の形態で噴霧ヘッドの少なくとも一部を通って流れることである。

図８では、噴霧ヘッドがノズルを備えており、このノズルに、流体導電性材料が、ガス担体中の液滴又は固体粒子のコロイド懸濁液の蒸気の形態で矢印８０１の方向に流入する。シースガスが矢印８０２及び８０３の方向にノズルへ供給される。ノズル本体８０５によって画定されている内部チャンバー８０４において、シースガス及び流体導電性材料の流れが合流する結果、軸方向に対称な合成流が噴射され、その場合、流体導電性材料を含有する中心部分がシースガスの同心流によって囲まれる。遮断動作を実施するために、すなわち、流体導電性材料の流れを制御可能に許可及び阻止するために、制御信号に応答するとともに、流体導電性材料が生成される場所（図示せず）にノズルを接続するラインに沿って位置付けられたピンチ弁８０６がある。制御可能なピンチ弁（又は一般の制御可能な弁）の使用により、図８のノズルが制御可能なノズルとなる。

図９は、噴霧ノズル９０１と吸引ノズル９０２との制御可能な組合体を含む噴霧ヘッドのより概略的な例示である。材料ハンドラー（図示せず）が、流体導電性材料を蒸気又はコロイド懸濁液の形態で噴霧ノズルへ矢印９０３の方向に送出するように構成されている。噴霧ノズルへの蒸気又はコロイド懸濁液の流れを調節する幾つかの制御手段が必要であることは明白であるが、これらの制御手段はこの実施形態では、本来、パターンの印刷時に基板に向けて流体導電性材料を噴霧することを遮断するのに用いられない。代わりに、吸引ノズル９０２が、蒸気又はコロイド懸濁液が上記基板に付着する前に、基板の近傍から噴霧ノズルによって噴霧された蒸気又はコロイド懸濁液を取り除くことによって、「印刷停止」の類の制御信号に応答するように構成されている。より詳細には、吸引ノズル９０２は、制御可能な弁９０４を介してシースガス出口に接続されており、そのため、上記弁が開いている場合、噴霧ノズル及び吸引ノズルのオリフィス近くにある流体材料が、噴霧ノズル９０１から噴射されたいかなる流体導電性材料も一緒に引き寄せるほど十分強大に吸引ノズル９０２に流れ込む。

上述した「真空掃除機」効果を、吸引ノズル９０２と対向して位置付けられているとともに別の制御可能な弁９０６を介してシースガス源に接続されているブロワーノズル９０５からシースガスを同時に吹き付けることによって、増大させることができる。制御可能な弁９０４及び９０６が開いている場合、その結果生じる、噴霧ノズル９０１のすぐ正面の領域内のシースガスの強力な層状流が、噴霧ノズル９０１から噴射されたいかなる流体導電性材料も一緒に取り込む。導電性材料の過剰な廃棄を生じさせないようにするために、吸引ノズル９０２を通して入ってくる全ての物がセパレーター装置９０７に進み、このセパレーター装置９０７は、分離した導電性材料を再循環させて使用のために戻す。分離した導電性材料の回収が、図９においてセパレーター装置９０７から上方を指し示す矢印によって概略的に示されている。

蒸気又はコロイド懸濁液が基板に付着する前に、基板の近傍から噴霧ノズルによって噴霧された上記の蒸気又はコロイド懸濁液を取り除く原理は、図９に概略的に示されている構成とは異なる、吸引ノズル及び場合によってはブロワーノズルの構成によっても実施することができる。例えば、吸引ノズルは、噴霧ノズルの周囲に環状形態を有することができるか、又は、より広い範囲の一般的な吸引ノズルを用いて、多数の個々の噴霧ノズルによって噴霧された蒸気又はコロイド懸濁液を制御可能に取り除くことができる。

導電性材料を流体形態に維持する上で熱が有意な役割を果たす本発明の実施形態の全てにおいて、噴霧ヘッド及び／又はそのノズルが、導電性材料の固化が不所望な詰まりを引き起こさないように導電性材料を十分に高い温度に保つように構成されている必要な加熱構成を有するとみなすことができる。

パターンの平滑性、基板への付着、外観及び／又は他の特性の有利な効果は、予熱した基板上に流体導電性材料を噴霧することと基板を冷却することとの間に、又は冷却ステップの後であっても更なる処理ステップを用いることによって達成することができる。図１０は、冷却前のそのような更なる処理ステップの一例を概略的に示す。この実施形態では、本方法は、基板の表面上に導電性材料によって形成されたパターンを導電性材料の融点よりも高いか又はその融点に近い温度に再加熱することを含む。本発明のこの実施形態では、冷却ステップは、いわゆるコールドニップにおいて実施され、コールドニップは、基板の、導電性材料が塗布される側に、冷却ローラー１００１と、基板のもう一方の側に、対応するローラーとを備える。コールドニップの前に、基板のトラックに沿ってリヒーター（reheater：再加熱器）１００２が位置付けられており、リヒーター１００２は、早期のプロセスステップ（図示せず）において基板上に噴霧された導電性材料１００３を加熱するように構成されている。この図示の実施形態では、プレヒーター１００２は輻射ヒーターであるが、任意の他の加熱技法も用いることができる。導電性材料１００３を再加熱することにより、導電性材料１００３を溶融させるか又は少なくとも易展延性状態に至らしめる。導電性材料を圧力に晒し、その直後にコールドニップにおいて低温に晒すことにより、パターンの表面を平滑化し、印刷品質において残存している可能性のあるムラの少なくとも一部をなくす。

個別の再加熱を用いるかどうかにかかわらず、噴霧された導電性材料は、導電性材料が噴霧された基板が冷却ステップにくると、少なくとも部分的に溶融した状態となり得る。本明細書において以前に、冷却ステップの当然の要件は導電性材料が制御式に固化することを確実にすることであることを既に指摘した。コールドニップを冷却に用いる場合、これにより、冷却ローラーの温度が、導電性材料の融点よりも低く又は高くともその融点に等しく能動的に保たれるという当然の仮定につながる。しかしながら、あまりに低く保たれる必要はない。冷却ローラーが導電性材料の融点よりもあまりに低温であれば、コールドニップから幾らかの距離のところで既に強力な熱吸収が生じることにより、導電性材料が実際にニップにくる前に既に導電性材料を完全に固化させてしまうであろう。この固化がさらに、固化が生じなければニップにおいて得られる可能性がある有利な効果の一部を失わせることにつながり得る。「冷却」ローラーの温度を導電性材料の融点よりも幾らかだけ低い温度又はその融点よりも数十倍だけ低い温度に能動的に保つことができることが有利である。一例として、導電性材料が、例えば、融点が摂氏１３８度である、錫が４２％及びビスマスが５８％の共晶合金である場合、「冷却」ローラーの制御温度は、基板の駆動速度及び周囲温度のような因子に応じて、摂氏１１０±数度の程度とすることができる。

コールドニップの「冷却」ローラーが実際に加熱されており、周囲温度に対して冷却されていない場合であっても、導電性材料が固化することを確実にすることに加え、導電性材料の温度がその融点よりも低いままであることを確実にすることにより、少なくとも２つの更なる利点が与えられる。圧力も印加されるゾーンにおける比較的迅速な固化により、導電性材料の、依然として溶融状態にある部分が、パターンが実際に覆うべきエリアから著しく流出する傾向がないことを確実にする。他の利点は、溶融した導電性材料が「冷却」ローラーの表面にくっつく傾向がないことである。後者の利点、すなわち、ローラー表面にくっつくことのない印刷パターンは、ローラー温度が実際により高い場合であってもローラー表面材料の適した選択によって達成することもできることに留意すべきである。

第１の（予熱）温度、第２の（導電性材料を流体にする）温度及び第３の（コールドニップ）温度の選択は、基板の駆動速度、種々のプロセスステップ間で基板が沿う距離、流体形態で噴射される導電性材料の飛行時間、周囲温度、シースガス流を用いる可能性等のような因子も考慮せねばならない最適化問題である。一般に、基板が予熱される第１の温度は、コールドニップの温度である第３の温度よりも高いと考えられる（ただし、その必要はない）。そのような推奨は、理解することが直観的に容易であり、その理由は、第３の温度は導電性材料を固化させることを意味するが、第１の温度は、導電性材料を必要な限り長く流体に保つ上で役立つことを意味するからである。

図１１は、これまで記載した本発明の全ての実施形態において行うことができる追加を概略的に示す。導電性材料が最終的に基板表面の所望の部分を満たすやり方を向上させるために、図１１に概略的に示されている方法及び装置は、基板上での流体導電性材料の展延を促す作用物質で基板を予め調整することを含む。本明細書中、そのような作用物質を湿潤剤と呼ぶ。予め調整することは、上記の作業を行うように構成されているいわゆる湿潤剤アプリケーターによって実施される。基板１０２の移動方向において、湿潤剤アプリケーターは、参照符号１１０１によって示されているようにプレヒーター１０３の前に位置付けることができるか、又は、参照符号１１０２によって示されているようにプレヒーター１０３の後に位置付けることができる。

本発明は、湿潤剤アプリケーターを実施するのに用いる技術の選択を限定しない。一例では、湿潤剤アプリケーターは、インクジェット印刷ヘッドの外観を有することができ、基板１０２に対するその動きは、各場合で符号１１０１及び１１０２の矢印によって示されているように、正確に制御することができる。他の例では、湿潤剤アプリケーターは、印刷ロール、塗装ヘッド、マスクを有する噴霧ヘッド等の外観を有することができる。

本発明は、湿潤剤として用いられる物質が、基板上での流体導電性材料の展延を促すという所望の特性を有する限り、その物質の選択を限定しない。当然ながら、湿潤剤として用いる物質は、選択したアプリケーター技術によって基板上に展延するとともに流体導電性材料の熱に耐えるのに容易に適用可能であるべきである。図１１の右側の部分的な拡大は、湿潤剤のパッチ１１０３が基板の表面上にどのように適用されているかを示す。結果として、流体導電性材料の滴１１０４が容易に展延し、そのため、接触角度（概ねの定義では、流体導電性材料が固体表面と接触する角度である）は小さい。展延を促す作業に加えて又はその代替として、湿潤剤は、導電性材料が固化すると基板と導電性材料との間の粘着を高める作用を有することができる。

図１２は、本発明の一実施形態による方法によって行うことができる導電性ブリッジ構造の断面を示す。基板１０２は、導電パターン、例えば螺旋形状アンテナでパターンが形成されており、その連続的なラウンドが、ハッチ線で描かれた矩形１２０１として図１２に見られる。パターンが形成された基板の少なくとも幾つかの部分上に一部の誘電体材料を展延した後、図１２では、誘電体パッチ１２０２がラウンド１２０１を覆うものと仮定される。基板を予熱することは、誘電体パッチを形成する誘電体材料を展延する前又は展延した後（プロセスが全く異なる場所及び機械において続行する場合、展延してからさらにずっと後）に行うことができる。予熱した基板上に流体導電性材料を噴霧して所定の種類のパターンを形成することによって、導電性ブリッジ１２０３が印刷されている。この場合、パターンは、誘電体パッチ１２０２を横断し、導電パターン１２０４及び１２０５をともに接続する。流体形態で噴霧することによってブリッジ１２０３を形成する導電性材料を塗布することは、印刷導電性パターンを提供する多くの他のより従来的な技法に比べて特に有利であるが、その理由は、生成されたパターンが幾分三次元性を有することを可能にするからである。また、誘電体パッチ１２０２は、所望のエリア上に液体形態で誘電体材料を噴射することによって生成することができ、そのため、誘電体材料がいかなる空隙も満たし、固化して比較的平滑な表面にし、その表面上に導電性材料を流体形態で塗布することができる。

上述した本発明は、絶縁基板上にプリントされた電子回路を実施するのに適用することができることが有利である。しかしながら、このことは、他の目的へもの本発明の適用性を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (16)

1. 基板上に金属又はその合金からなる導電性材料を流体形態で移送する方法であって、
   前記基板を第１の温度に予熱することと、
   前記金属又はその合金からなる前記導電性材料を該導電性材料の融点よりも高い第２の温度に加熱することであって、したがって、流体導電性材料を生成することと、
   所定の種類のパターンを形成するよう、前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧し、前記流体導電性材料を噴霧した基板の表面は少なくとも電気的に絶縁性であることと、
   前記流体導電性材料が噴霧された前記基板を前記導電性材料の前記融点以下の第３の温度に冷却することと、を含む方法において、
   前記冷却することは、前記流体導電性材料が噴霧された前記基板の表面をローラーに押し当てることと、能動的に前記ローラーの表面温度を前記導電性材料の前記融点よりも低く保つこととを含み、前記ローラーに押し当てることは、前記基板の前記冷却を実施し、
   前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧することは、前記流体導電性材料を蒸気又はコロイド懸濁液の形態で所定の形態のエリア上に噴霧することを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記基板の前記予熱は、加熱ローラーに押し当てることと、加熱輻射に晒すことと、加熱ガス流に晒すこととのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記予熱の前に前記基板をロールから繰り出すことを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記流体導電性材料が噴霧された前記基板を冷却後にロールに巻くことを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記基板は、紙、板紙、厚紙、薄葉紙、ポリマーフィルム、不織布、織布、及びフェルトのうちの１つであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記流体導電性材料を生成することは、前記導電性材料を該導電性材料の融点よりも高い第２の温度に加熱することを含み、
   前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧することは、制御可能なノズルを用いることによって前記流体導電性材料を液体形態で所定の形態のエリア上に噴霧することを含み、前記制御可能なノズルは、前記流体導電性材料の一部を前記基板に向けて噴射することによって、前記制御可能なノズルに接続されている制御信号に応答する、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 噴霧ノズルと吸引ノズルとの制御可能な組合せを用いることを含み、前記吸引ノズルは、動作時、前記噴霧ノズルによって噴霧された蒸気又はコロイド懸濁液を、該蒸気又は該コロイド懸濁液が前記基板に付着する前に該基板の近傍から取り除くことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧することと、前記基板を冷却することとの間に、前記基板の前記表面上に前記導電性材料によって形成されたパターンを再加熱することを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. プリントされた電子回路を絶縁基板上に生成することを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記基板上での流体導電性材料の拡散剤で前記基板を前処理することを含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 基板上に金属又はその合金からなる導電性材料を流体形態で移送する構造体であって、
    基板を保持するように構成されている基板ハンドラーと、
    前記基板を第１の温度に予熱するように構成されている基板プレヒーターと、
    流体導電性材料を生成するように構成されている材料ハンドラーと、
    所定の種類のパターンを形成するよう、前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧し、前記流体導電性材料を噴霧した基板の表面は少なくとも電気的に絶縁性であるように構成されている噴霧ヘッドと、
    前記流体導電性材料が噴霧された前記基板を前記導電性材料の前記融点以下の第３の温度に冷却するように構成されている冷却部と、を備える構造体において、
    前記冷却部は、前記流体導電性材料が噴霧された前記基板の表面をローラーに押し当てるように構成されているニップと、能動的に前記ローラーの表面温度を前記導電性材料の前記融点よりも低く保つように構成されている温度制御手段とを有し、
    前記予熱した基板上に前記流体導電性材料を噴霧することは、前記流体導電性材料を蒸気又はコロイド懸濁液の形態で所定の形態のエリア上に噴霧することを含むことを特徴とする構造体。
12. 前記基板プレヒーターは、加熱ローラー、加熱輻射源及び加熱ガスのブロワーのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の構造体。
13. 前記噴霧ヘッドは、前記流体導電性材料の一部を前記基板に向けて噴射することによって、前記制御可能なノズルに接続されている制御信号に応答するように構成されている制御可能なノズルを備え、
    前記材料ハンドラーは、前記流体導電性材料を液体、蒸気又はコロイド懸濁液の形態で前記制御可能なノズルに送出するように構成されている、
    ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の構造体。
14. 前記噴霧ヘッドは、噴霧ノズルと吸引ノズルとを含み、
    前記材料ハンドラーは、前記流体導電性材料を蒸気又はコロイド懸濁液の形態で前記噴霧ノズルに送出するように構成されており、
    前記吸引ノズルは、前記噴霧ノズルによって噴霧された蒸気又はコロイド懸濁液を、該蒸気又は該コロイド懸濁液が前記基板に付着する前に該基板の近傍から取り除くことによって、制御信号に応答するように構成されている、
    ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の構造体。
15. 前記材料ハンドラーは、前記導電性材料を該導電性材料の融点よりも高い第２の温度に加熱するように構成されていることを特徴とする、請求項１１又は１４のいずれか１項に記載の構造体。
16. 流体導電性材料の拡散剤で前記基板上を前処理する湿潤剤アプリケーターを備えることを特徴とする、請求項１１又は１５のいずれか１項に記載の構造体。

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