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技術 インクジェットプリントヘッド及びインクジェットプリントヘッドの製造法

出願人 ゼロックスコーポレイション
発明者 ホンツァオコック-イーロウ
出願日 2015年6月22日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2015-124603
公開日 2015年10月29日 (5年1ヶ月経過) 公開番号 2015-186925
状態 特許登録済
技術分野 インクジェット(粒子形成、飛翔制御)
主要キーワード 波状凹凸 レーザアブレーション技術 自己組織化層 波状構造 ピラー構造体 自己組織化技術 稼働コスト ポリテトラフルオロエチレンコーティング
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

インクジェットプリンタに用いられる超疎油性、または、超疎油性と超疎水性の両方である可撓性デバイスを提供する。

解決手段

インクジェットプリンタに用いられ、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスの製造法は、可撓性基材12を準備する工程と、可撓性基材12の上にシリコン層10を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、可撓性基材12の上のシリコン層10に、ピラー16の配列から成る組織化したパターンを形成する工程と、組織化表面上に適合性の疎油性コーティングを堆積させて、前記組織化表面を化学的に修飾する工程と、によって超疎油表面を備えた可撓性デバイスを製造する製造法である。

概要

背景

一般に液体インクジェット装置は、記録媒体に向けて液滴を射出する複数のインク噴出口を備えた1つ以上のプリントヘッドを備えている。プリントヘッドのインク噴出口は、プリントヘッド内インク供給チャンバまたはマニホルドからインクを受け、これらは更に、溶融インクリザーバインクカートリッジなどのインク源からインクを受ける。それぞれのインク噴出口には、一端がインク供給マニホルド流通した流路がある。インク流路の他端は、インクの液滴を射出するためのオリフィスまたはノズルとなっている。インク噴出口のノズルは、開口部内に、または、インク噴出口のノズルに一致する孔を持つノズルプレートに形成されている。稼働中、液滴射出信号がインク噴出口内のアクチュエータを作動させて、インクジェットノズルから記録媒体へ液滴を吐出させる。記録媒体および/またはプリントヘッド組み立て品を互いに相対的に動かしながら、インク噴出口のアクチュエータを選択的に作動させて液滴を射出することにより、堆積させた液滴で正確にパターンを描き、特定の文字図形画像を記録媒体上に形成することができる。全幅配列プリントヘッドの例は、米国特許公開第20090046125号に述べられており、その内容は全て本件に引用して援用する。このようなプリントヘッドから噴射可能な紫外線硬化性ゲルインクの例は、米国特許公開第20070123606号に述べられており、その内容は全て本件に引用して援用する。このようなプリントヘッドから噴射可能な固体インクの例は、ゼロックスコーポレーション(Xerox Corporation)製の、Xerox ColorQube(登録商標シアン固体インクである。その内容を全て本件に引用して援用する、米国特許第5,867,189号は、プリントヘッドの出口側に、電解研磨したインク接触面またはオリフィス面を組み込んだ、インク射出コンポーネントを備えたインクジェットプリントヘッドを述べている。

概要

インクジェットプリンタに用いられる超疎油性、または、超疎油性と超疎水性の両方である可撓性デバイスを提供する。インクジェットプリンタに用いられ、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスの製造法は、可撓性基材12を準備する工程と、可撓性基材12の上にシリコン層10を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、可撓性基材12の上のシリコン層10に、ピラー16の配列から成る組織化したパターンを形成する工程と、組織化表面上に適合性の疎油性コーティングを堆積させて、前記組織化表面を化学的に修飾する工程と、によって超疎油表面を備えた可撓性デバイスを製造する製造法である。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ノズル前面プレートと、前記ノズル前面プレート上に位置を合わせて接着固定され超疎油性表面を有する可撓性デバイスと、を備え、前記可撓性デバイスは、プラスチックフィルムから成る可撓性基材と、前記可撓性基材上に堆積させたシリコン層より形成された周期的凹凸波状側壁を有するピラー構造体の配列と、前記波状側壁を有するピラー構造体の表面に適合するように堆積させた疎油性コーティングと、を含むことを特徴とするインクジェットプリントヘッド

請求項2

請求項1に記載のインクジェットプリントヘッドにおいて、前記可撓性デバイスの前記波状側壁は、周期的凹凸の周期が100nmから1000nmであることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。

請求項3

請求項1に記載のインクジェットプリントヘッドにおいて、前記可撓性デバイスの前記ピラー構造体は、0.3μmから5μmの高さを有することを特徴とするインクジェットプリントヘッド。

請求項4

請求項1に記載のインクジェットプリントヘッドにおいて、前記可撓性デバイスの前記超疎油性表面は、ヘキサデカン接触角が130°以上175°までとなることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。

請求項5

請求項1に記載のインクジェットプリントヘッドにおいて、前記可撓性デバイスの前記ピラー構造体は、軸方向に垂直な断面が、円形楕円形正方形長方形三角形、または星形のいずれか1であることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。

請求項6

ノズル前面プレート上に位置を合わせて接着固定され超疎油性表面を有する可撓性デバイスを備えるインクジェットプリントヘッドの製造法であって、前記可撓性デバイスを製造する手順は、可撓性基材を準備する工程と、前記可撓性基材上にシリコン層を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、前記可撓性基材上の前記シリコン層に、周期的凹凸の波状側壁を有するピラー構造体の配列を形成する工程と、前記波状側壁を有するピラー構造体の表面に適合するように疎油性コーティングを堆積させる工程と、を含むことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造法。

請求項7

請求項6に記載のインクジェットプリントヘッドの製造法において、前記フォトリソグラフィは、エッチングサイクルを複数回用いて、垂直方向エッチングを行い、前記複数のエッチングサイクルのそれぞれは、a)保護用不動態層の堆積、b)ピラー構造体の側壁に対応する箇所を除き、複数のピラー構造体の間の谷底に対応する箇所の不動態層を除去するための指向性エッチング、c)波状凹凸の周期に対応するエッチング時間でシリコン層を等方的にエッチング、d)所望のピラー高さとなるまで工程a)からc)の繰り返しを含むことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造法。

請求項8

請求項6に記載のインクジェットプリントヘッドの製造法において、疎油性コーティングを堆積させる工程は、分子蒸着技術化学蒸着技術または溶液コーティング技術のいずれか1を用いて、フルオロシランコーティングを行うことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造法。

請求項9

請求項6に記載のインクジェットプリントヘッドの製造法において、前記シリコン層を堆積する工程は、スパッタリングにより非晶質シリコンを前記可撓性基材上に堆積することを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造法。

請求項10

請求項6に記載のインクジェットプリントヘッドの製造法において、前記可撓性基材を準備する工程は、可撓性プラスチックロールを準備し、前記シリコン層を堆積する工程は、前記可撓性プラスチックロール上に前記シリコン層を堆積し、前記フォトリソグラフィを用いる工程は、フォトレジストによるスロットダイコーティングと、マスキング暴露現像と、エッチングと、クリーニングを順次行って、前記可撓性プラスチックロール上の前記シリコン層に周期的凹凸の波状側壁を有するピラー構造体の配列を形成し、前記可撓性プラスチックロール上の前記波状側壁を有するピラー構造体の表面に適合するように疎油性コーティングを堆積させることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造法。

技術分野

0001

本件では、超疎油性表面を備えた可撓性材料と、その製造法の関連について述べる。より詳細には、本件では、超疎油性デバイスを備えるインクジェットプリントヘッド及びその製造法について述べる。実施の形態においては、薄膜、更に詳細な実施の形態において、ピラーの配列から成る組織化した(textured)シリコン層と、組織化シリコン層上に堆積した適合性の(conformal)疎油性コーティングとを含む、超疎油性および超疎水性の両方である薄膜と、その製造法を用いることについて述べる。

背景技術

0002

一般に液体インクジェット装置は、記録媒体に向けて液滴を射出する複数のインク噴出口を備えた1つ以上のプリントヘッドを備えている。プリントヘッドのインク噴出口は、プリントヘッド内インク供給チャンバまたはマニホルドからインクを受け、これらは更に、溶融インクリザーバインクカートリッジなどのインク源からインクを受ける。それぞれのインク噴出口には、一端がインク供給マニホルド流通した流路がある。インク流路の他端は、インクの液滴を射出するためのオリフィスまたはノズルとなっている。インク噴出口のノズルは、開口部内に、または、インク噴出口のノズルに一致する孔を持つノズルプレートに形成されている。稼働中、液滴射出信号がインク噴出口内のアクチュエータを作動させて、インクジェットノズルから記録媒体へ液滴を吐出させる。記録媒体および/またはプリントヘッド組み立て品を互いに相対的に動かしながら、インク噴出口のアクチュエータを選択的に作動させて液滴を射出することにより、堆積させた液滴で正確にパターンを描き、特定の文字図形画像を記録媒体上に形成することができる。全幅配列プリントヘッドの例は、米国特許公開第20090046125号に述べられており、その内容は全て本件に引用して援用する。このようなプリントヘッドから噴射可能な紫外線硬化性ゲルインクの例は、米国特許公開第20070123606号に述べられており、その内容は全て本件に引用して援用する。このようなプリントヘッドから噴射可能な固体インクの例は、ゼロックスコーポレーション(Xerox Corporation)製の、Xerox ColorQube(登録商標シアン固体インクである。その内容を全て本件に引用して援用する、米国特許第5,867,189号は、プリントヘッドの出口側に、電解研磨したインク接触面またはオリフィス面を組み込んだ、インク射出コンポーネントを備えたインクジェットプリントヘッドを述べている。

先行技術

0003

米国特許公開第20090046125号
米国特許公開第20070123606号
米国特許第5,867,189号

発明が解決しようとする課題

0004

液体インクジェット装置の直面しているひとつの課題は、プリントヘッド前面でのインクの濡れ、液だれ(drooling)、または液漏れ(flooding)である。プリントヘッド前面のこのような汚れは、インクジェットノズルや流路を詰まらせ、またはその原因となることがある。これは単独で、あるいは前面の濡れや汚れと複合して、液滴の発射不全(non-firing)や散逸(missing)、小さすぎる、または誤った大きさの液滴、飛沫(satellites)、あるいは記録媒体に対する液滴の方向の逸脱などを起こし、またはその原因となって、印刷品質を低下させることがある。現在のプリントヘッド前面コーティングは一般に、スパッタリングしたポリテトラフルオロエチレンコーティングである。プリントヘッドを傾けた場合、約75℃の温度のUVゲルインク(75℃は、UVゲルインクの一般的な噴射温度)と、約105℃の温度の固体インク(105℃は、固体インクの一般的な噴射温度)は、プリントヘッド前面から容易には滑り落ちない。むしろ、これらのインクはプリントヘッド前面に沿って流れ、噴射を妨害しかねないインク薄膜残留物をプリントヘッド上に残す。このような理由で、UVおよび固体インクプリントヘッドの前面は、UVおよび固体インクで汚れ易い。一部のケースでは、汚れたプリントヘッドをメンテナンスユニット再生または清掃することができる。しかしこのような方法は、装置を複雑にし、ハードウエアコストを上げ、しばしば信頼性の問題を生じることがある。

0005

超疎油性特性のみを備えた、あるいは超疎油性と超疎水性の特性を併せ持ったデバイスを製造するための材料および方法が求められている。更に、インクジェットプリントヘッド前面として現在使用可能なコーティングは、その意図された目的には適しているが、プリントヘッド前面のUVまたは固体インクによる濡れ、液だれ、液漏れ、または汚れの少ない、または無い、改良されたプリントヘッド前面の構造が求められている。インクが馴染まない、つまり、疎油性で、プリントヘッド前面のワイピング(wiping)などのメンテナンス処置に耐える頑強さを持つ、改良されたプリントヘッド前面の構造も求められている。超疎油性であり、実施の形態においては、超疎油性と超疎水性の両方である、改良されたプリントヘッド前面の構造も求められている。容易に清浄化でき、つまり自浄式であるため、メンテナンスユニットを付けるなどハードウエアを複雑にする必要が無く、稼働コストが低く、装置信頼性の高い、改良されたプリントヘッドも求められている。

課題を解決するための手段

0006

本件は、インクジェットプリントヘッドに用いられ、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスの製造法を開示するものであって、この方法は、可撓性基材を準備する工程と、可撓性基材上に適合性で疎油性の層を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、基材上に、ピラーの配列から成る組織化パターンを形成する工程と、その上にフルオロシランのコーティングを堆積して組織化表面を化学的に修飾する工程とによって、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスを製造するものである。具体的な実施の形態において、可撓性で超疎油性のデバイスは、インクジェットプリントヘッドの前面として使用することができる。

0007

本件に述べられているものは、インクジェットプリントヘッドに用いられ、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスの製造法である。この方法は、可撓性基材を準備する工程と、可撓性基材上にシリコン層を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、基材上のシリコン層に、ピラーの配列から成る組織化パターンを形成する工程と、その上に適合性の疎油性コーティングを堆積させて、組織化表面を化学的に修飾する工程とにより、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスを製造するものである。

0008

本件に述べられているものはまた、インクジェットプリントヘッドに用いられ、超疎油性表面を備えた可撓性デバイスであって、この可撓性デバイスは、プラスチックフィルムから成る可撓性基材と、可撓性基材上に堆積した、ピラーの配列から成る組織化パターンを含むシリコン層と、組織化表面上に堆積した、適合性の疎油性コーティングと、を含むものである。

0009

本件に述べられているものは更に、プラスチックフィルムから成る可撓性基材と、可撓性基材上に堆積した、ピラーの配列から成る組織化パターンを含むシリコン層と、組織化表面上に堆積した、適合性の疎油性コーティング、実施の形態においては、フルオロシランコーティング、とを含む、前面を備えたインクジェットプリントヘッドである。

発明の効果

0010

超疎油性であり、または、超疎油性と超疎水性の両方である、改良されたプリントヘッド前面の構造が提供される。また、容易に清浄化でき、つまり自浄式であるため、メンテナンスユニットを付けるなどハードウエアを複雑にする必要が無く、稼働コストが低く、装置信頼性の高い、改良されたプリントヘッドが提供される。

図面の簡単な説明

0011

本発明に従って、可撓性基材上に、波状側壁を持つピラーの配列から成る、フッ素化した組織化表面を形成するための、工程スキームを示す図である。
本発明に従って、可撓性基材上に、オーバーハング構造を持つピラーの配列から成る、フッ素化した組織化表面を形成するための、工程スキームを示す図である。
組織化表面での液滴の状態を示す図である。
組織化(波状)側壁を持つピラー構造体の配列から成る、フルオロシランを被覆した組織化表面を示す顕微鏡写真である。
波状側壁ピラー構造を詳細に示す、図4の表面の一部の拡大図である。
オーバーハング構造を持つピラー構造体の配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面を示す顕微鏡写真である。
オーバーハングの形状を詳細に示す、図6の表面の一部の拡大図である。
1.1μmのピラー高さを持つピラーの配列から成る、超疎油性組織化表面を示す顕微鏡写真である。
3.0μmのピラー高さを持つピラーの配列から成る、超疎油性組織化表面を示す顕微鏡写真である。
組織化(波状)側壁を持つピラーの配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面と、フルオロシラン被覆平滑面とにおける、水とヘキサデカンの静的接触角を示す写真である。
オーバーハング構造を持つピラーの配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面における、水とヘキサデカンの静的接触角を示す写真である。

0012

本件に述べられているものは、インクジェットプリントヘッドに用いられ、高疎油性表面または超疎油性表面を備えた可撓性デバイスの製造法であって、この方法は、可撓性基材を準備する工程と、可撓性基材上にシリコン層を堆積する工程と、フォトリソグラフィを用いて、基材上に、ピラーの配列から成る組織化パターンを形成する工程と、その上に適合性の疎油性コーティングを堆積させて、組織化表面を化学的に修飾する工程とによって、高疎油性表面または超疎油性表面を備えた可撓性デバイスを製造する、また、実施の形態において、インクジェットプリントヘッドに用いられ、超疎油性および超疎水性の両方である表面を備えた可撓性デバイスを製造するものである。

0013

“高疎油性”とは、炭化水素系液体、例えば、ヘキサデカンまたはインクの液滴が表面と高い接触角、例えば、130°または130°以上から175°、あるいは135°から170°の接触角を成すことであると言える。“超疎油性”とは、炭化水素系液体、例えば、インクの液滴が表面と高い接触角、例えば、150°以上、150°から175°、または150°から160°の接触角を成すことであると言える。

0014

“超疎油性”とはまた、炭化水素系液体、例えば、ヘキサデカンの液滴が表面と、1°から30°以下または1°から25°以下の滑り角、25°以下の滑り角、15°以下の滑り角、あるいは10°以下の滑り角を成すことであると言える。

0015

高疎水性”とは、水滴が表面と高い接触角、例えば、130°から180°の接触角を成すことであると言える。“超疎水性”とは、水滴が表面と高い接触角、例えば、150°以上、または150°から約180°の接触角を成すことであると言える。

0016

“超疎水性”とは、水滴が表面と、例えば、1°から30°以下、1°から25°、15°以下、または10°以下の滑り角を成すことであると言える。

0017

本件の超疎油性表面を備えた可撓性材料は、適当であればどのような方法で製造しても良い。図1を参照するならば、本件の超疎油性表面を備えた可撓性デバイスは、スパッタリングなどで、シリコン薄層非晶質シリコン10を、可撓性基材12の大きな面積上に堆積することにより調製できる。シリコンの薄層は、どのような適当な厚さでも良い。シリコン層は、約500から約5,000nm、または約3,000nmの厚さで、可撓性基材上に堆積できる。シリコン層は、1から5μmの厚さで堆積させた非晶質シリコンから成るものでも良い。

0018

本件の可撓性基材としては、プラスチックフィルムなど、適当な材料を選ぶことができる。可撓性基材は、ポリイミドフィルムポリエチレンナフタレートフィルムポリエチレンテレフタレートフィルムポリエーテルスルホンフィルム、またはポリエーテルイミドフィルム、あるいはこれらの組み合わせから成る群より選ぶことができる。

0019

可撓性基材は、適当であればどのような厚さでも良く、例えば、5から100μmまたは10から50μmである。

0020

シリコン層10は、適当であればどのような方法で可撓性基材12上に堆積させても良く、例えば、特に、スパッタリングまたは化学蒸着超高周波プラズマ化学蒸着マイクロ波プラズマ化学蒸着、プラズマ化学蒸着、インライン処理における超音波ノズルの使用などで堆積できる。

0021

ピラーの配列から成る組織化パターンは、可撓性基材上に形成することができる。ピラーの配列は、組織化した、または、波状パターンを付けた垂直側壁を持つピラー、ピラー頂部に設けたオーバーハングリエントラント構造を持つピラー、またはこれらを組み合わせて持つピラーの配列とすることができる。“組織化した、または波状の側壁”とは、側壁にサブミクロンレベル凹凸があることを意味すると言える。波状側壁は、それぞれの波が後に述べるエッチングサイクルに対応する、250nmの波状構造を持つことができる。

0022

ピラーの配列から成る組織化パターンは、シリコンを被覆した基材にフォトリソグラフィ技術を用いて形成可能である。可撓性基材12上のシリコン層10は、公知のフォトリソグラフ法に従って調製および清浄化する。次に、フォトレジスト材料14をスピンコーティングスロットダイコーティングなどで塗布して、シリコン層10上にフォトレジスト14を塗布する。ロームアンドハース(Rohm and Haas)製の、Mega(登録商標)Posit(登録商標)SPR(登録商標)700フォトレジストなど、適当なフォトレジストを選ぶことができる。

0023

次に、フォトレジスト14を、一般的には、紫外光に当てて、あるいは、水酸化ナトリウムを含む現像剤などの有機現像剤、または水酸化テトラメチルアンモニウムなどの金属イオンを含まない現像剤に曝露して、露光および現像する。

0024

ピラー16の配列から成る組織化パターンは、適当な方法でエッチングすることができる。一般に、エッチングは、液体またはプラズマ化学剤を用いて、マスク14で保護されていないシリコンの層を除く工程を含む。深掘り反応性イオンエッチング法を用いてピラー16の配列を生成しても良い。

0025

エッチング処理後、フォトレジストは、液体レジスト除去剤またはプラズマを含む酸素など、適当な方法を用いて除くことができる。フォトレジストは、GaSonics Aura 1000灰化装置などの、O2プラズマ処理を用いて剥離しても良い。剥離後、基材を、熱ピラニアクリーニング処理(hot piranha cleaning process)などで清浄化しても良い。

0026

可撓性基材上に表面組織を形成した後、表面組織を化学的に修飾することができる。組織化基材の化学修飾には、組織化表面を疎油性とする、または疎油性を高めるなど、基材の適当な化学的処理が含まれる。組織化基材表面の化学修飾としては、組織化シリコン表面へのパーフルオロ化アルキル鎖から成る自己組織化層の堆積が挙げられる。分子蒸着、化学蒸着、溶液コーティングなどの様々な技術を用いて、パーフルオロ化アルキル鎖から成る自己組織化層を組織化シリコン表面に堆積することができる。組織化基材の化学修飾は、分子蒸着、化学蒸着、または溶液自己組織化技術を用いて、組織化表面に適合するよう、フルオロシランコーティングを自己組織化させる化学修飾であっても良い。具体的な実施の形態において、組織化基材の化学修飾は、分子蒸着または溶液コーティングを用いて、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリメトキシシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリエトキシシランヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリエトキシシラン、またはこれらの組み合わせで組織化させた層の堆積である。

0027

具体的な実施の形態において、パルス化または時分割したエッチングから成る、Bosch深掘り反応性イオンエッチング法を用いて、ピラーの配列から成る組織化表面を形成する。Bosch法は、1)保護用不動態層の堆積、2)エッチング1:谷底などの所望箇所の不動態層を除去するためのエッチングサイクル、3)エッチング2:等方的にシリコンをエッチングするエッチングサイクルの、1回のサイクル内に3つの異なる工程を含むエッチングサイクルを複数回用いて、垂直方向にエッチングを行うものである。それぞれの工程は、数秒間行う。不動態層は、Teflon(登録商標)と同じ、C4F8で形成し、基材全体を更なる化学的腐食から守り、更にエッチングされるのを防ぐ。しかし、エッチング1層の間、基材に衝突させた指向性イオンは、谷底の不動態層を破壊する(しかし、ピラーの側壁に沿っては当たらない)。イオンは不動態層に衝突して、これを飛散させ、エッチング2の間、基材上の谷底を化学エッチング剤に曝露する。エッチング2は、短時間(例えば、約5から約10秒間)、シリコンを等方的にエッチングするよう作用する。エッチング2工程が短いと波の周期が短くなり(5秒間で約250nmとなる)、エッチング2が長いと波の周期が長くなる(10秒間で約880nmとなる)。このエッチングサイクルは、所望のピラー高さとなるまで繰り返すことができる。この工程で、それぞれの波がひとつのエッチングサイクルに対応する、組織化された、または、波状の側壁を持つピラーを形成することができる。

0028

周期的“波”構造の大きさは、適当であればどのような大きさでも良い。実施の形態において、波状側壁のそれぞれの“波”の大きさは、100nmから1,000nmまたは250nmである。

0029

図2戻り参考実施形態としての方法は、オーバーハングリエントラント構造を持つピラーの配列から成る、組織化表面を可撓性基材上に形成する工程を含む。この方法は、2つのフッ素エッチング法の組み合わせ(CH3F/O2およびSF6/O2)を用いる、類似の方法でも良い。図2において、本方法は、堆積し、清浄化したシリコン層をその上に備えた可撓性基材200を準備する工程と、清浄化シリコン層201上に、スパッタリングまたはプラズマ化学蒸着などでSiO2薄膜202を堆積する工程と、可撓性基材200上の酸化ケイ素202被覆シリコン層201に、フォトレジスト材料204を塗布する工程と、SPR(登録商標)700-1.2フォトレジストを用いた5:1フォトリソグラフィなどで、フォトレジスト材料204を曝露および現像する工程と、フッ素系反応性イオンエッチング(CH3F/O2)を用いて、ピラー206の配列から成る組織化パターンの輪郭をSiO2層に刻み込む工程と、第2のフッ素系(SF6/O2)反応性イオンエッチング法を用い、次に、熱剥離(hot stripping)を行い、ピラニアクリーニングを行って、オーバーハングリエントラント構造210を持つ、組織化ピラー208を形成する工程と、を含むことができる。次に、パターン化した配列に適合性の疎油性コーティング212を被覆して、真っ直ぐな側壁とオーバーハングリエントラント構造210を持つピラーの組織化パターンを含む超疎油性可撓性デバイスを製造することができる。

0030

ある実施の形態では、本件の超疎油性表面を備えた可撓性デバイスを、ロールトゥロールウェブ(roll-to-roll web)製造技術を用いて製造する。この方法は、可撓性プラスチックロール上に超疎油性表面を備えた可撓性デバイスを製造するものである。例えば、可撓性基材から成るロールを、化学蒸着またはスパッタリングなどで可撓性基材上に非晶質シリコンの層を堆積する第1工程に、次に、フォトレジストによるスロットダイコーティングに、次いで、マスキングおよび曝露/現像工程から成る第2の工程に、次に、エッチング工程に、次いで、クリーニング工程に通す。組織化した可撓性基材を、次に、コーティング工程に通し、組織化した可撓性基材を適合性の疎油性コーティングで修飾することができる。

0031

図3は、粗面と液滴との間の複合的な液−固界面を示すために一般的に用いられる2つの状態を示したものである。シリコンピラー300で修飾された表面が示されており、Cassie-Baxter状態と、Wenzel状態にある液滴302が示されている。Cassie-Baxter状態(θCB)およびWenzel状態(θW)における液滴302の静的接触角はそれぞれ、方程式(1)および(2)で与えられる。

0032

[数1]
cosθCB=Rffcosθγ+f−1 ・・・(1)

0033

[数2]
cosθW=rcosθγ ・・・(2)

0034

式中、fは、推定(projected)濡れ面積面積率(area fraction)、Rfは、濡れ面積上の粗さ比、Rffは、実面積率(solid area fraction)、rは、粗さ比、θγは、平面との液滴の接触角である。

0035

Cassie-Baxter状態(カシー・バクスター状態)において、液滴は、非常に大きな接触角(θCB)で、殆どが空中に“ある”。液体と表面との疎性が高ければ(例えば、θγ≧90°の場合)、方程式に従って、液滴はCassie-Baxter状態にある。

0036

実施の形態において、本件の組織化表面を備えたデバイスは、150°以上と非常に高い水接触角と、10°以下の低い滑り角とを持つ、超疎水性である。

0037

炭化水素系液体、例えば、ヘキサデカンに代表されるようなインクに関して、ピラーの頭頂面に形成されたオーバーハングリエントラント構造を持つ、ピラーの配列から成る組織化表面は、十分に“疎性の”表面(つまり、θγ=73°)となり、ヘキサデカン液滴は、組織化した疎油性表面の液−固界面において、Cassie-Baxter状態となる。しかし、表面コーティングの疎油性が低下するにつれ、組織化表面は、Cassie-Baxter状態からWenzel状態(ウェンゼル状態)に実質的に変化する。実施の形態において、表面組織と化学修飾とを組み合わせ、例えば、組織化表面上にFOTSコーティングを堆積すると、組織化表面は超疎油性となる。平面上において、疎油性コーティングとは、コーティングが100°以上の水接触角と50°以上のヘキサデカン接触角を持つことを意味する。実施の形態において、疎油性とは、θγ=73°を意味する。

0038

“超疎水性”とは、水滴または液滴が表面と高い接触角、例えば、130°から180°、または150°以上の接触角を成すことであると言える。

0039

図4に、組織化(波状)側壁を持つピラー構造体の配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面の顕微鏡写真を示す。図5に、波状側壁ピラー構造を詳細に示す、図4の表面の一部の拡大図を示す。

0040

参考実施形態として、図6に、ピラーの頂部に形成したオーバーハングリエントラント構造を持つピラーの配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面の顕微鏡写真を示す。図7に、オーバーハングリエントラントの形状を詳細に示す、図6の表面の一部の拡大図を示す。

0041

ピラー配列は、適当であればどのような間隔またはピラー密度、あるいは実面被覆率であっても良い。実施の形態において、ピラーの配列は、0.5%から40%または1%から20%の実面積被覆率である。ピラー配列は、適当であればどのような間隔またはピラー密度であっても良い。具体的な実施の形態において、ピラー配列のピラー中心間距離は6μmである。

0042

ピラー配列は、どのような適当な形であっても良く、例えば、円形楕円形正方形長方形三角形星形などである。

0043

ピラー配列は、どのような適当な直径または相当直径を有しても良く、例えば、0.1から10μmまたは1から5μmである。

0044

ピラーは、どのような適当または所望の高さとしても良い。実施の形態において、組織化表面を、0.3から10μm、0.3から4μm、または0.5から3μmのピラー高さを持つピラーの配列とすることができる。

0045

図8において、顕微鏡写真は、1.1μmのピラー高さを持つピラーの配列から成る、超疎油性組織化表面を示している。図9において、顕微鏡写真は、3.0μmのピラー高さを持つピラーの配列から成る、超疎油性組織化表面を示している。

0046

フッ素化した組織化表面の表面特性を、静的および動的接触角の両方の測定値を求めることにより調べた。図10は、本件に記載の方法に従ってシリコンウェハ(可撓性基材の代わりにシリコンウェハを使用)上に形成した、組織化(波状)側壁を持つピラーの配列から成るフルオロシラン被覆組織化表面と、比較用のフラットなFOTS表面とにおける、水とヘキサデカンの静的接触角を示す、ひと組の写真である。滑らかなFOTS表面での水とヘキサデカンの接触角は、それぞれ107°と73°である。これに対し、組織化FOTS表面は、水と油の両方に対し極めて高い撥水(油)性を示し、水とヘキサデカンの接触角は、それぞれ156°と158°である。理論によって拘束しようとするものではないが、FOTS組織化表面の水とヘキサデカンで観測された高い接触角は、表面の組織化とフッ素化の組み合わせによるものである。具体的な実施の形態において、本件の組織化デバイスは、波状側壁の特徴またはピラー頂部のオーバーハングリエントラント構造の少なくとも一方を持つことで、可撓性の超疎油性デバイスとなる。

0047

図11は、真っ直ぐで滑らかな側壁と、ピラー頂部にオーバーハングリエントラント構造を形成している、厚さ300nmのSiO2層とを備えたピラーの配列から成る、フルオロシラン被覆組織化表面における、水とヘキサデカンの静的接触角を示す、一対の写真を示している。水とヘキサデカンの接触角は、それぞれ153°と151°である。水とヘキサデカンの滑り角(示されていない)は、それぞれ14°と20°である。これは、組織化表面で両方の液体が、Cassie-Baxterの、濡れていない状態にあることを示している。理論によって拘束しようとするものではないが、ピラー頂部のリエントラント構造は、超疎油性を与える大きな要因である。

0048

本発明の発明者らは、超疎油性表面(例えば、ヘキサデカン液滴が表面と、150°以上の接触角と、10°以下の滑り角を成す)を、簡単なフォトリソグラフィと表面修飾技術によって、シリコンウェハ上に製造できることを示した。製造した超疎油性表面は非常に“疎インク性”であり、インクジェットプリントヘッドの前面として非常に好ましい表面の性質、例えば、インクの接触角が高いため極めて濡れにくく、保持圧力が高く滑り角が低いため自浄性で清掃が容易であるなどの性質を備えている。一般に、インク接触角が大きいほど保持圧力は良好である(高い)。保持圧力は、インクタンク(リザーバ)の圧力が高まった際にノズル開口部からインクが漏れ出すのを防止する、開口プレートの性能の指標である。表1に、いくつかの関連する表面について、水、ヘキサデカン、固体インク、および紫外線硬化性ゲルインクの接触角データをまとめた。試料1は、米国特許第5,867,180号に記載のプリントヘッドから成るものである。試料2は、滑らかなポリテトラフルオロエチレン表面であり、試料3は、本発明に従って製造した、直径3μm、高さ7μm、中心間距離約6μmの、波状側壁を持つピラーの配列から成る組織化表面を備えた超疎油性表面である。

0049

本件に記載の超疎油性表面は、インクジェットプリントヘッドの前面材料としての使用に特に適している。実施の形態において、本件のインクジェットプリントヘッドは、プラスチックフィルムから成る可撓性基材と、可撓性基材上に堆積した、ピラーの配列から成る組織化パターンを含むシリコン層と、組織化表面に堆積したフルオロシランコーティングとから成る前面を含んでいる。接触角および滑り角は、4から10μlの供試液体の液滴で測定する。

0050

ロールトゥロールウェブ製造法により、フォトリソグラフィを用いて製造した、本件に記載の、可撓性シリコン薄膜上のピラーの組織化パターンから成る超疎油性薄膜は、インクジェットプリントヘッドの部品として使用するため、加工することができる。次に、ノズルを、例えば、レーザアブレーション技術機械的手段穿孔など)を用いて、薄膜に形成することができる。プリントヘッド大の薄膜を裁断し、インクジェットプリントヘッド用のノズル前面プレート上に位置を合わせ、接着などにより固定する。この組織化したノズル前面は超疎油性であり、現在使用されている一部のプリントヘッドで課題となっている、濡れや液だれの問題を解決すると考えられる。所望であれば、ピラーの高さを3μmとしても良い。更に、超疎油性は、1μmほどの低いピラー高さでも保つことができる。ピラーを低くすると、浅い組織化パターンの機械頑健性は大きくなる。このような超疎油性パターンを手で擦っても、表面の損傷はごく僅かか、ないと言えるほどである。

0051

0052

表2に、直径3μm、中心間距離6μmの、波状側壁構造を持つピラーの配列から成る一連のFOTS組織化表面の、水とヘキサデカンの接触角データを示す。

実施例

0053

0054

10,201シリコン層、12,200 可撓性基材、14,204フォトレジスト材料(マスク)、16,206ピラー、202 SiO2薄膜、208組織化ピラー、210オーバーハングリエントラント構造、212 疎油性コーティング、300シリコンピラー、302 液滴。

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