(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体分注システムにおいて、
第１エッジを画成する第１面を有する第１ダイ部分、
前記第１ダイ部分から間隔を空けて配置されるとともに、前記第１面に面して第２エッジを画成する第２面を有している、第２ダイ部分であって、このとき前記第１エッジおよび前記第２エッジが流体出口の開口を画成する、第２ダイ部分、
前記第１面と前記第２面との間の領域に流体を導入するための流体入口、
前記流体入口に流体連通しているとともに、前記第１面と前記第２面との間の前記領域に対して開口している、キャビティ、および、
前記第１ダイ部分および前記第２ダイ部分の間隔を空けた位置付けを維持するために前記第１ダイ部分と前記第２ダイ部分との間に配置されたシム、を備えており、
前記シムが、複数の指部を有してなり、
前記複数の指部の各々が、複数の異なる断面領域と、該複数の異なる断面領域間に設けられた移行領域と、自由端とを有し、
前記移行領域は、前記自由端に向かってテーパ状をなしており、
前記複数の指部の各々の複数の異なる断面領域が、前記指部の自由端に向かってより小さくなるよう構成されており、
前記断面領域の各々が、均一であり、
前記複数の指部は、前記第１面および第２面を境界としかつ前記キャビティから前記流体出口の方向へと延在している複数のチャネルを画成していることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記チャネルが、前記第１ダイ部分と前記第２ダイ部分との間の前記領域内の、複数の流体拡張ゾーンで終端するものであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記チャネルが、前記第１面と前記第２面との間の前記領域内を流れている流体の、少なくとも前記チャネルの位置での横断流を防止するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記複数のチャネルが、流体分注の間に前記流体出口に向かって流体の流れの方向に延在することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記指部が、前記シムのベース部分から延在し、かつ前記キャビティと少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が引用されその全体が参照により本書に組み込まれる、２０１０年７月２９日に出願された米国特許出願第１２／８４６，０３９号の優先権の利益を、米国特許法第１２０条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、流体を分注するためのシステムおよび方法に関する。特に本開示は、基材を被覆するためにスロットコーティングダイを用いて流体を分注するシステムおよび方法に関する。本開示は、さらにスロットコーティングダイ用のシムに関する。
【背景技術】
【０００３】
コーティングプロセスおよび印刷プロセスには、例えば紙、布、膜、ホイル、またはシート素材などの基材に、流体材料の薄膜（すなわち、コーティング）を塗布することを含むものがある。多くの場合コーティングは、基材の見た目、接着性、ぬれ性、耐腐食性、耐摩耗性、および耐引っ掻き性など、基材の表面特性を向上させるために塗布される。印刷プロセスや半導体製造を含めた種々の場合において、コーティングはさらに完成した製品の主要部分を形成することがある。
【０００４】
従来のスロットコーティングダイは、アプリケータスロットと流体連通しているキャビティを備えている。加圧流体がキャビティ内に導入され、その後この加圧流体がスロットから所望の基材上に押し出される。スロットから出てくる流体は、一般にダイと基材との間の狭い間隙内に現れて、コーティングビードを形成する。流体が単位スロット幅毎に均一な流量で現れれば、基板に塗布されるコーティングビードの形状（例えば、厚さ）は実質上均一になる。
【０００５】
したがって、スロットコーティングダイは、一般にスロットに沿って（すなわち、キャビティとスロット出口との間で）高圧に高めることができるように設計されて、スロットに流入し、またスロットから流出する、流体の流量を制御する。ダイは、ダイの流体入口からキャビティまでの流れの受ける圧力損失が、スロットに沿った流れ（すなわち、キャビティからスロット出口までの流れ）の受ける圧力損失よりも大幅に低くなるように設計され得る。したがって、流体流をスロットに沿った圧力損失で制御して、スロットから出る流体に対し、単位スロット幅毎に均一な流体流量を実現するようにしてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コーティング基材に付される流体が低粘度および／または超低流量である場合には、種々の課題がもたらされる。こういった流体と従来のスロットコーティングダイとを用いて実質上低速で基材を被覆する近年の試みでは、一般に異常な幅のコーティングがもたらされることになった。例えば従来のスロットコーティングダイを超低流動条件下で動作させると、供給されるコーティングは、中央が相対的に厚くかつエッジに沿って相対的に薄くなるような内側に引っ張られた、すなわち「括れ」た、非均一な厚さを有するものになり得、そのためエッジガイド（すなわち、分注された材料を実質的均一で予想可能な幅に戻すよう引き出すための機械的補助）の利用を要することがある。言い換えれば、エッジガイドを備えなければ、コーティングビードの幅がスロット幅よりも狭くなって、失敗となり得る弱いビードを形成する可能性がある。こういった問題により、コーティングを基板に最初に塗布するときにビードを確立させることが難しくなり、始動時間が遅くなって、コーティング材料や基材などの材料に無駄が生じることになる。
【０００７】
したがって、超低流動条件下でスロットに沿った圧力損失を相対的に高く維持するような、コーティング技術およびダイが必要である。さらに、低粘度および／または超低流量の流体を均一な流量で分注して、エッジガイドを必要とすることなく、その幅方向の均一性が維持された流体コーティングとその完全性が維持されたコーティングビードとを提供することができるような、コーティング技術およびダイが必要である。さらに、コーティングプロセスおよび印刷プロセスでの迅速な始動時間を実現させるようなスロットコーティングダイが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、１以上の上述の問題を解決し得、および／または１以上の上述の必要なものを示し得る。他の特徴および／または利点は以下の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
本開示の種々の例示的な実施形態によれば、流体分注システムが、第１エッジを画成する第１面を有した第１ダイ部分と、第１ダイ部分から間隔を空けて配置され、さらに、第１面に面して第２エッジを画成する第２面を有している、第２ダイ部分とを備えてもよく、この第１エッジおよび第２エッジは、流体出口の開口を画成するものでもよい。流体分注システムはさらに、第１面と第２面との間の領域に流体を導入するための流体入口と、流体入口に流体連通しているキャビティとを備えてもよく、このときキャビティは第１面と第２面との間の領域に対して開口していてもよい。流体分注システムは、第１ダイ部分および第２ダイ部分の間隔を空けた位置付けを維持するために第１ダイ部分と第２ダイ部分との間に配置された、シムをさらに備えてもよく、このシムは、第１面および第２面を境界としかつキャビティから流体出口の方向へと延在する、複数のチャネルを画成する。
【００１０】
本開示の種々のさらなる例示的な実施形態によれば、スロットコーティングダイ用のシムが、エッジを画成しているベース部分と、複数の指部とを備えてもよく、各指部は、ベース部分のこのエッジから縦方向かつ同じ方向に、各指部の自由端まで延在し得、このときベース部分および複数の指部は実質上平面的な本体を画成してもよい。
【００１１】
本開示の種々のさらなる例示的な実施形態によれば、流体を分注する方法は、分注するための流体を、スロットコーティングダイのスロットに流体連通しているキャビティ内に導入するステップ、および、このキャビティから流体を、スロット内に配置された複数のチャネルに通して流すステップ、を含んでもよい。
【００１２】
さらなる目的および利点は、以下の説明の中に一部明記され、ある程度は、その説明から明らかであろうし、あるいは本開示を実施することにより分かるであろう。目的および利点は、添付の請求項およびその同等物の中で特に指摘された要素および組合せを用いて実現かつ達成し得る。
【００１３】
本開示は、以下の詳細な説明単独で、あるいは以下の詳細な説明および添付の図面から、理解することができる。図面は本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本開示の１以上の実施形態を示し、そしてその説明とともに、原理および動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示による流体分注システムの例示的な実施形態を示した分解斜視図
【図２】図１のシステム内に組み立てられたときの、本開示の少なくとも１つの実施形態によるシムの平面図
【図３ａ】本開示によるシムにおいて使用される指部の例示的な実施形態を示した平面図
【図３ｂ】本開示によるシムにおいて使用される指部の別の例示的な実施形態を示した平面図
【図４】従来のシムの平面図
【図５】本開示によるシムの別の例示的な実施形態を示した平面図
【図６】基材上に流体コーティングを分注するよう位置付けられた、流体分注システムの例示的な実施形態を示した斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示および説明のためのものであり、請求される本開示を限定するものではないことを理解されたい。本明細書を検討し本書において開示される実施形態を実施することによって、他の実施形態が通常の当業者には明らかになるであろう。本明細書および実施例は、単なる例示と考えられるよう意図されている。
【００１６】
本書では、単数形の使用は「少なくとも１つ」を意味し、明確に反対の指示がなければ「唯一」に限定されるべきではない。さらに、本書において使用される「含む」という用語およびその文法的に変形された用語は、非限定的であることを意図したものであり、そのためリストに項目が列挙された場合、その記載された項目に代わり得るまたは加え得る、他の同様の項目は除外されない。
【００１７】
本書で使用される「長さ」「幅」「高さ」および「厚さ」という用語は、図中に示されるその相対寸法とともに一貫性を持って使用される。ただし、図中の構成要素の種々の配向は例示的なものであって、上記の寸法用語の利用を変えることなく構成要素が他の配向を有することもあり得ることを理解されたい。
【００１８】
本開示は、流体を分注して基材を被覆するシステムおよび方法に関し、特にこの分注にスロットコーティングダイを使用するものに関する。コーティング層を基材に均一に塗布するために、コーティングビード幅はスロットコーティングダイのスロット幅（例えば、図２、４、および５に示されている２Ｗ）と実質上等しいべきである。通常の当業者には周知であるように、被覆膜の厚さとコーティングビード内の圧力とには関連がある。均一性を実現するためには、コーティングビードの周囲の力がこの圧力と釣り合ったものであるべきである。そうでない場合、ビードはこの力と釣り合うよう、異なった形（広がったり、括れたり、あるいは分裂したりするなど）になることがある。例えば括れはビードが分裂する前兆であり、これはビード内の圧力が大気圧より低くなり過ぎて力とのバランスを維持できなくなったときに生じ得る。その結果、コーティング流体がスロット内での横断流によってビード内でそれ自体再配置されることがあり、それによりビードの完全性は局所的に維持されるが、一方で均一性が犠牲になる。本開示の装置、システム、および方法は、キャビティ（マニホールディングを向上させる）内の背圧を増加させることおよびスロット内の横断流を制限することによって、この影響を遅らせることができる。
【００１９】
種々の例示的な実施形態において、流体分注システムは、スロットコーティングダイの第１ダイ部分と第２ダイ部分との間にシムを配置して備えてもよい。シムは、スロットコーティングダイ内部のスロットの側部エッジと、スロットの長さ方向に沿って（すなわち、流体分注キャビティからスロットの流体出口に向かう方向に）延在している複数のチャネルとを画成し得る。流体分注の際、スロットに入った加圧流体がチャネルを通って流れる。チャネルから出ると、流体は複数の流体拡張ゾーン内へと流入し、その後スロットから出て例えばスロット出口と垂直の方向に動いている（すなわち、スロットの外部エッジと垂直の方向に動いている）基材に移され得る。チャネルは、低粘度および／または超低流量の流体に対し、スロット内（すなわち、キャビティとスロット出口との間）に流れる流体を高圧に高めることができるような配置および寸法とすることができる。これにより、スロットから出て行く流体に対し、単位スロット幅（例えば、図２、４、および５に示されている２Ｗ）毎に均一な流体流量を実現することができ、かつ例えばエッジガイドを必要とせずに、幅方向の均一性を維持したコーティング層を得ることができる。
【００２０】
スロットコーティングダイには、典型的にはその中央から（すなわち、キャビティの中央に位置する流体入口を用いて）流体供給される。本書ではキャビティに沿った圧力損失を、流体入口とシムで露出されるキャビティの端部との間で測定する。これを例えば幅Ｗと定義する。すなわち、露出されるキャビティの（および流体コーティングの）合計幅は２Ｗである。しかしながら、ダイに一側面のみから流体が供給される場合、露出されるキャビティの（および流体コーティングの）幅は単にＷである。一貫性のため、ダイに入る総流量を、中央供給のダイに対しては２Ｑと定義し、さらに側面供給のダイ（すなわち、側面のみから供給されるダイ）に対してはＱと定義する。単に議論を簡単にするために、本開示ではダイが中央供給であると仮定する（すなわち、２Ｗおよび２Ｑを使用する）。しかしながら、通常の当業者は理解するであろうが、上の取り決めが守られれば、開示される方程式は側面供給のダイに対しても同様に有効である。
【００２１】
本書で使用される「ダイ」または「スロットコーティングダイ」という用語は、流体材料が押し出されるまたは引き出される１以上の部分を備えた、成形体またはブロックを称する。種々の例示的な実施形態において、例えば、ダイは２つのダイ部分（例えば、第１ダイ部分および第２ダイ部分）を備えたものでもよい。スロットは、本書においてシムと称される薄い実質上平面的な材料のシートをダイ部分間に置いてダイ部分間に小さな間隔を維持することによって、ダイ内に形成することができる。ダイ部分の適切な数および／または構成を含め、ダイの適切な形状および／または構成を決定することは通常の当業者の能力の範囲内である。
【００２２】
ダイおよびシムのための適切な材料を、例えば、所与の材料のコスト、強度、および／または耐腐食性などの性質を任意の特定の実施形態に関して考慮して選択することもまた通常の当業者の能力の範囲内である。本開示の種々の実施形態において、ダイおよびシムのための材料を、アルミニウム、セラミック、チタン、ニッケル、銅、スズ、タングステン、モリブデン、鋼、ステンレス鋼、合金、および／またはこれらの組合せから選択してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ダイおよびシムは鋼を含み得る。
【００２３】
種々の例示的な実施形態において、ダイはスロットと流体連通するキャビティを備え得る。キャビティは、流体入口からダイに流体を受け入れるよう構成されている。本書において使用される「流体」「流体材料」「流体コーティング」または「コーティング」という用語は、基材を被覆するための液体材料を称する。液体材料は、例えば液体内に固体粒子、あるいは液体内にガスポケットなど、別の相をさらに含んだものでもよい。非限定な例示的流体材料としては、例えば、インク付着性プライマーなどの溶剤中に溶解されたポリマー、モノマー、および種々の透明な保護コーティングを含む、均質なコーティング液や、限定するものではないが反応性および非反応性の格子、エマルジョン、およびスラリーを含む、不均質なコーティング液を挙げることができる。
【００２４】
種々の例示的な実施形態において、流体材料は低粘度かつ超低流量の流体を含み得る。本書において使用される「超低流量」または「超低流動条件」という用語は、低キャピラリー数の流れを伴う流体材料を称し、この流れは以下の関係式で特徴付けられる。
【数１】
0005931865.tif 000002
【００２５】
ここで、μbはコーティングビード内の流体の有効粘度、μsはスロット内の流体の特性粘度、Ｓは基材を被覆しているときに基材がスロットを通過する運動の速さ、σは液体−気体界面（すなわち、流体コーティング表面）の表面張力、ｈはスロットの高さ（すなわち、シムの厚さ）、Ｌはスロットの長さ（すなわち、キャビティとスロット出口との間の距離）、そしてδはウェット流体膜を基材上に被覆させるときの流体膜の厚さである。上記の関係は、例えば以下で方程式［６］のように導かれる。
【００２６】
通常の当業者には理解されるであろうが、コーティングビードは方程式［１］で表される流動条件が０．１以上であると「括れ」始め得る。この値が０．１から１までの範囲内のときは括れが懸念され得、一方１以上の値では、予防対策がない限り恐らく望ましくない括れが生じることになる。
【００２７】
超低流量を有する非限定的な例示的流体材料としては、例えば、ナノ粒子やナノチューブを含有した流体、ＤｕＰｏｎｔ（商標）から市販用に製造された、テフロン（登録商標）の商品名で市販されているＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）およびＤＥＬＲＩＮ（登録商標）の商品名で市販されているアセタールポリオキシメチレンを挙げることができる。他の流体材料としては、例えばテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化ビニル（ＶＦ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ）、２‐２‐ビストリフルオロメチル‐４、５ジフルオロ‐１、３‐ジオキソール（ＰＤＤ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＥ）、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、およびクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）などの基本モノマーを含んだ、フルオロポリマーなどの剥離ポリマーや、さらに、例えばフッ化エチレンプロピレン（表面エネルギー約１８〜２２ダイン／ｃｍ（約１８０〜２２０μＮ／ｃｍ））、ポリフッ化ビニル（表面エネルギー約２８ダイン／ｃｍ（約２８０μＮ／ｃｍ））、ポリエチレンコポリマー（表面エネルギー約２０〜２４ダイン／ｃｍ（約２００〜２４０μＮ／ｃｍ））、およびシリコーン（表面エネルギー約２４ダイン／ｃｍ（約２４０μＮ／ｃｍ））などのポリマーを挙げることができる。他の流体材料として、ゼラチン、グリセリン、およびシロップ（コーンシロップなど）が挙げられる。
【００２８】
本書において使用する「基材」という用語は、流体が分注される実質上平面的な表面を有した、流体コーティングを受ける支持体を称する。言い換えれば、基材はコーティングを必要とする任意の連続的なまたは個別の物品でもよい。基材は、例えば柔軟なウェブでもよいし、あるいは剛性のパネルでもよい。非限定的な例示的基材として、例えば、紙、布、膜、ホイル、またはシート素材が挙げられる。
【００２９】
ここで図１を参照すると、流体分注システム１００の例示的な一実施形態の分解斜視図が示されている。流体分注システム１００は、ダイ１０およびシム２０を備えている。種々の実施形態において、図１に描かれているように、ダイ１０は第１ダイ部分１１と第２ダイ部分１２とを備えている。図１に示したように、種々の実施形態において、第２ダイ部分１２はキャビティ１３を画成し得る。キャビティ１３はダイの幅方向に（例えば、以下でさらに説明するが、流体がキャビティ１３から流出する方向を横切る方向に）細長いものでもよい。キャビティ１３は、キャビティ１３の細長い方向に沿って延在する、第１キャビティエッジ１６および第２キャビティエッジ１７を境界とし得る。液体を分注する際、キャビティ１３は流体入口からダイ１０に流体を受け入れるが、例えば図１に示されているように、流体入口オリフィス１４は第２ダイ部分１２の中心孔１５から形成される。
【００３０】
キャビティ１３、入口１４、および孔１５に対する適切なサイズ、形状、および／または構成を、入口および対応する孔の適切な数を含めて決定することは、通常の当業者の能力の範囲内である。例えば、種々の実施形態において、ダイ１０はキャビティ１３内への複数の流体入口１４と複数の孔１５とを備え得る。したがって、キャビティ１３、入口１４、および孔１５は、特定の用途に応じて種々の形状およびサイズを備えることができ、かつ上で論じた例示的な実施形態によって多少なりとも制限されないものであることを、通常の当業者は理解するであろう。
【００３１】
流体分注システム１００を組み立てるとき、第１ダイ部分１１と第２ダイ部分１２との間にシム２０を置くことでスロットが生成される。図１に示したように、種々の実施形態において、ダイ部分１１および１２とシム２０は、組立ての際にダウェルピン３２を用いて正確に位置合わせすることができる。ダウェルピン３２は、例えば、シム２０、第１ダイ部分１１、および第２ダイ部分１２内の、対応するダウェルホール３３と位置合わせされ得る。第１ダイ部分１１は、例えばボルト３０などの締め金具を用いて第２ダイ部分１２に固定することができる。ボルト３０は、例えば、シム２０内と第１ダイ部分１１および第２ダイ部分１２内の、対応するボルト孔３１にねじ止めしてもよい。ただしダイ部分１１および１２を、限定するものではないが、種々の種類のねじ、ボルト、接着剤、および／または溶接機構などを含む種々の締結機構を用いて固定し得ることを通常の当業者は理解するであろう。
【００３２】
ダウェルピン３２およびボルト３０の適切な種類、数、および／または構成を、対応するダウェルホール３３およびボルト孔３１の適切な数および／または構成を含めて決定することも、当業者の能力の範囲内である。したがって、種々の種類、サイズ、数、および／または構成の、ピン、ボルト、および／または孔を、本開示の範囲から逸脱することなく使用し得ることを通常の当業者は理解するであろう。
【００３３】
ここで図２を参照すると、図１のシステム内に組み立てられたときのシム２０の切欠平面図が示されている。図２に示したようにシム２０は、全幅寸法（図２に描かれているｘ方向の）および全長寸法（図２に描かれているｙ方向の）を有する、実質上平面的な構造のものである。図２の例示的な実施形態において、シム２０は幅方向に細長い。シム２０は、ベース部分２１と、ベース部分２１から延在している両側部エッジ延長部２６とを備えている。種々の実施形態において、例えば、ダイ部分１１および１２とともに組み立てられたとき、側部エッジ延長部２６はベース２１からダイ１０の長さ方向に沿って実質上ダイ流体出口１８（図１参照）まで延在する。通常の当業者には理解されるであろうが、システム１００を組み立てると、シム２０とダイ部分１１および１２とが組み合わさって、スロット１９の寸法を画成する。側部エッジ延長部２６は内側エッジ２７を有し、内側エッジ間に複数の指部２２が配置されている。
【００３４】
図２に示されているように、指部２２はベース部分２１から側部エッジ延長部２６と同じ方向に（すなわち、シム２０の長さ方向に沿って）縦に延在している。指部２２は、その一端部でベース部分２１に接続され、かつ自由端２４で終端する。したがって、ベース部分２１および指部２２は実質上平面的な構造を画成する。
【００３５】
指部２２は、連続した指部２２がそれらの間に間隙を画成するように、互いに対して間隔を空けて配置してもよい。指部２２の形状次第で指部間の間隙は、非均一でもよいし、また指部２２の長さ方向に沿って変化してもよい。
【００３６】
すなわち、ダイ部分１１および１２の間に組み立てられたとき、スロット１９は、図２に太い曲線Ｂで示されているように、シムの内側側部エッジ２７と、指部２２が延びているベース部分２１のエッジと、さらにシム２０に面しているダイ部分１１および１２夫々の表面とによって画成される。図２の平面図では、スロット１９は単に２次元で描かれ、２つのダイ部分１１および１２間の間隔によって画成されるスロットの厚さは描かれていない。
【００３７】
種々の例示的な実施形態において、例えばスロット１９の幅（すなわち２Ｗ）は約０．５インチ（約１．２７ｃｍ）から約１０インチ（約２５．４ｃｍ）としてもよい。
【００３８】
第１ダイ部分１１と第２ダイ部分１２との間にシム２０を位置付けてダイ１０が組み立てられると、例えば指部２２間の間隔によって複数のチャネル２３を画成することができる。チャネル２３は、以下でさらに詳細に説明するが、キャビティ１３から流れる流体を受け入れ、その流体を被覆基材までダイに通して流すよう構成することができる。キャビティ１３は、スロット１９と流体連通し、かつ流体分注時に流体をスロット１９に供給する。例えば、種々の実施形態においてチャネル２３は、キャビティ１３と直接流体連通し、かつ流体分注時に流体流がスロット１９を通過する方向に（すなわち、シム２０の長さ方向に）延在している。図２に示されているように、種々の実施形態では、例えばシム２０がダイ１０内に組み立てられた構成において、チャネル２３は第１キャビティエッジ１６から延びてキャビティ１３を超え、さらに流体出口１８に達する前に複数の流体拡張ゾーン２５で終端する（すなわち各チャネルは、チャネルを通って流れた流体を拡張させることができる地点で途切れる）。チャネル２３の長さｌcは、第２キャビティエッジ１７から流体拡張ゾーン２５の始点までを測定したものである。種々の実施形態において、複数のチャネル２３はスロット１９の幅（すなわち２Ｗ）を横切って配置され、それにより流体分注時のスロット１９内における流体の横断流を防ぐ。すなわち、スロット１９内の流体は、少なくともチャネル２３の長さに沿って分離され、かつ各チャネル２３内に含有されて、スロット１９内における流体の横断流を抑制する。言い換えれば、指部２２がキャビティ１３と少なくとも部分的に重なり得、かつこの指部２２が流体出口１８の方へと延びてスロット１９内の流体の横断流に対するバリアとして働くため、流体がスロット１９を通って移動する際にその均一性をより失い難くなる。
【００３９】
本開示の種々の例示的な実施形態では、例えば、指部２２をできる限り流体出口１８近傍まで延ばすと同時に、流体流内に生じる跡（wake）を最小にするおよび／または防ぐために、自由端２４から流体出口１８まで適当な距離を維持することが考慮される。種々の実施形態では、流体流内の跡を最小にするおよび／または防ぐために、指部２２の自由端２４と流体出口１８（すなわち、ダイ１０の流体出口）との間の距離ｄ（図２参照）を、指部２２の隣接する自由端２４間の距離ｂ（図２参照）以上とする。
【００４０】
本開示の種々の例示的な実施形態において、指部２２の断面は指部２２の長さに沿って変化している。例えば、指部２２のある長さ沿いの間では、その領域内での指部２２間の間隙が小さくなるよう、断面を実質上均一でありかつ相対的に大きいものとしてもよい。次いで断面を、指部２２の長さに沿ったある部分から指部の自由端２４まで、相対的に小さくなるように変化させてもよい。通常の当業者は理解するであろうが、１以上の減少する断面領域（例えば、先の尖ったまたは内側にテーパした指部）を与えると、指部２２間に流体拡張ゾーン２５が作り出されることによって、流体流内の跡を減少させることができる。
【００４１】
図２、３ａ、３ｂ、および５は指部の種々の構成を示したものであり、ベース２１から自由端２４までの指部２２の異なる長さ領域に沿って、指部の断面寸法は減少している。種々の例示的な実施形態では、各指部の異なる断面寸法の領域間に、２以上の断面間において徐々に移行できるようテーパ領域を設けることが望ましいであろう。図２の例示的な実施形態において、例えばテーパ領域２８は、ベース２１に位置する指部２２端部よりも指部２２の自由端２４に近い。図２に示されているように、各指部２２は２つの異なる断面領域６４および６６を有し、このとき各個別の領域は均一である。種々の他の実施形態において、２つの異なる断面領域６４および６６は、各指部２２の自由端２４に向かってより小さくなる（すなわち、指部２２は流体出口１８に近づくにつれてより細くなる）。図２に示されているように、指部２２は、例えば２つの異なる断面領域間にテーパ状の移行領域２８を有してもよい。また断面領域６６と自由端２４との間に、テーパ状の移行領域６７を設けてもよい。
【００４２】
図３ａおよび３ｂは、３つの異なる断面領域３４、３６、および３８を有している、指部２２の他の例示的な実施形態を示したものであり、このとき各個別の領域は均一である。種々の実施形態において、３つの異なる断面領域３４、３６、および３８は、各指部２２の自由端２４に向かってより小さくなる（すなわち、指部２２は流体出口１８に近づくにつれてますます細くなる）。図３ａおよび３ｂに示されているように、指部２２は、例えば３つの異なる断面領域３４、３６、および３８間にテーパ状の移行領域３５、３７、および３９を有している。図５は、１つの均一な断面領域５４と１つのテーパ状移行領域５５とを有している、指部２２のさらなる例示的実施形態を示している。テーパ状移行領域５５は各指部２２の自由端２４に向かって内側にテーパし、チャネル５３を通って流れた流体が徐々に広がることを可能にする。
【００４３】
指部２２（およびその結果として得られる流体拡張ゾーン２５）の適切な形状および／または構成を、異なった断面領域およびテーパ状移行領域の適切な数および／または構成を含めて特定の用途に対して決定することは、当業者の能力の範囲内である。したがって、本開示の範囲から逸脱することなく、断面領域およびテーパ領域に関して種々の形状、サイズ、数、および／または構成を使用し得ることを通常の当業者は理解するであろう。図３ａに示されているように、例えば種々の実施形態において、テーパ状移行領域３５、３７、および３９は鋭いエッジで輪郭がとられる。一方、種々のさらなる実施形態では、図３ｂに示されているように、テーパ状移行領域３５、３７、および３９は湾曲したエッジでより緩やかに輪郭がとられる。
【００４４】
ここで、図１および２の例示的な実施形態を参照し、本開示によるダイの使用について説明する。ただしシムの指部の構成は、説明したような変更形態を含め、本書において説明する任意の構成とし得ることを理解されたい。流体分注の際、キャビティ１３からスロット１９に入った加圧流体は、チャネル２３を通って複数の流体拡張ゾーン２５内へと押し出される（すなわち、チャネル２３は流体拡張ゾーン２５で終端する）。流体は、流体拡張ゾーン２５からスロット１９の出口１８を介して流出することができ、この位置で流体が、図６に説明のために示したように、例えばスロット１９の流体出口１８（すなわち、スロット１９からの流体流の方向に実質上平行）に実質上垂直な方向Ａに動いている基材７０へと移ることで、コーティング７１を塗布することができる。チャネル２３は、超低流量を有する流体材料に対し、スロットに沿って（すなわち、キャビティ１３の第２エッジ１７と流体出口１８との間で）高圧に高めることができるように構成され、それによりスロット１９から出る流体に対し、単位スロット幅（すなわち２Ｗ）毎に実質上均一な流体流量を実現することができ、さらに幅方向の均一性を維持したコーティング層を得ることができる。本開示の種々の実施形態において、例えば、チャネル２３は方程式［１］に関連して上で定義した流動条件下で実質上均一な流体流量を実現するように構成される。
【００４５】
図４に示したシム４０などの従来のシムを使用した従来の流体分注システムにおいては、スロットコーティングダイから均一な流れを供給するための主な基準が、キャビティに沿った（すなわち、キャビティの第１エッジおよび第２エッジ間の）圧力損失ΔＰcをスロットに沿った（すなわち、キャビティの第２エッジと流体出口との間の）圧力損失ΔＰsよりも確実に大幅に小さくすることであることは周知である。この圧力損失の比率は以下のように計算することができる。
【数２】
0005931865.tif 000003
【００４６】
ここで、μcおよびμsは夫々キャビティおよびスロット内の流れの特性粘度であり、ＷおよびＬは夫々、コーティングの１／２幅、およびキャビティの外縁から流体出口までのスロットの長さとして、図４に示したものであり、Ａはスロット内の主流に平行でありかつスロットの側壁に垂直な平面内の、キャビティを横切る断面積、そしてｈはシムの厚さによって画成される（およびこれと同じである）スロットの高さである。この方程式の比例係数は、主としておよそ１の未定義の定数のことを言う。
【００４７】
上記方程式により与えられる基準を基にして想定されているのは、スロットコーティングダイ内の主な圧力損失がスロットに沿った（すなわち、キャビティとスロット出口との間のスロットの長さに沿った）圧力損失とキャビティに沿った（すなわち、入口からキャビティのエッジまでの間の）圧力損失であって、かつ前者は一般に後者よりもかなり大きいということである。そのため、コーティングメニスカス（すなわち、コーティングビードの自由表面）に亘る圧力の変化は極僅かであることが一般に暗に想定される。しかしながら、同じく与えられるものとして、コーティングメニスカスに亘る圧力差に関するヤング・ラプラスの式、被覆した流体膜における質量保存、さらにメニスカスの曲率半径とウェット流体膜の厚さとの関係、を組み合わせて、以下に示すようにメニスカスに亘る圧力について見積もることができる。
【数３】
0005931865.tif 000004
【００４８】
ここで、Ｓは被覆される基材表面の速さ、δは被覆されている時点でのウェット流体膜の厚さ、σは液体−気体界面の表面張力、μbはコーティングビードでの有効粘度、そしてΔＰbはビードの湾曲界面に亘る圧力損失（すなわち、空気／液体界面でのコーティングメニスカス上部に亘る圧力損失）である。
【００４９】
通常の当業者は理解するであろうが、スロットコーティングダイのスロット内の流れは、２つの平行板間の流れ（すなわち、当技術において周知の流れのうち最も簡単な種類の１つ）と表すことができる。したがって、スロットに沿った圧力損失は以下の既知の関係を用いて表現することができる。
【数４】
0005931865.tif 000005
【００５０】
ここで、２Ｑはキャビティに入って流体出口から現れる総流量、そしてΔＰsはスロットに沿った圧力損失（すなわち、キャビティと流体出口との間の圧力損失）である。通常の当業者はさらに理解するであろうが、次いで質量保存によって、ウェット流体膜（すなわち、流体コーティング）内の総流量はダイの流体入口から入った総流量と等しいものである必要がある。
【数５】
0005931865.tif 000006
【００５１】
したがって、方程式［３］、［４］、および［５］を組み合わせて、ビードにおける圧力損失ΔＰb（すなわち、コーティングメニスカス上部に亘る圧力損失）とスロットにおける圧力損失ΔＰs（すなわち、キャビティと流体出口との間の圧力損失）との比率を生成することができる。
【数６】
0005931865.tif 000007
【００５２】
ただし上で論じたように、種々のコーティング流体は超低流動条件を呈し、このとき粘度、膜の厚さ、およびコーティング速さは、従来のコーティング流体の場合よりも実質上低い。いかなる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本発明者はその結果、このような流体を使用すると、ビード界面（すなわち、コーティングメニスカス）に亘る圧力損失の比率がスロットに沿った圧力損失に比べて著しくなり、異常な幅のコーティングをもたらし得ると考えている。
【００５３】
本開示は、スロットコーティングダイで使用するためのシムの設計を教示する。このシムの設計によれば、スロットに沿った圧力損失ΔＰs（例えば、キャビティ１３の第２エッジ１７と流体出口１８との間の圧力損失）の制御の役割を回復させ、それによりマニホールドとしてのシムの性能を回復させて、超低流動条件下の流体流を制御することができる。上で詳細に論じたが、シムの中に、このシムが画成するスロットの幅（例えば、図２、４、および５に示されている２Ｗ）を横切って配置される、複数の分離した流動チャネルを形成することによって（すなわち、いくつかの図に示されているように、スロットの幅（例えば、図２、４、および５に示されている２Ｗ）を横切って、シムの長さ方向に細長い指部を組み込むことによって）、超低流量の流体材料をスロットに沿って高圧に高めるのを維持することができる。例えば図１および２で説明したように、種々の実施形態においてチャネル２３は、互いに等しい間隔を空けて配置してもよく、かつ等しい幅を有したものでもよい。
【００５４】
ここで、本開示によるシム５０の例示的な一実施形態を示した図５を参照する。スロット５９の幅（すなわち２Ｗ）を横切って、夫々幅Ｗcおよび有効長ｌcのｎ個のチャネル５３が存在している場合、スロット５９に沿った圧力損失ΔＰsは、以下の式で定義されるチャネル２３に沿った圧力損失ΔＰ’sよりも大きくなる。
【数７】
0005931865.tif 000008
【００５５】
ここで、上記のように、μcはチャネル２３内の有効粘度、２Ｑはキャビティに入って流体出口から現れる総流量、ｈ’はシムの厚さによって画成される（およびこれと同じである）チャネルの高さ、そしてダイが中央供給である場合にはα＝１、ダイが側面供給である場合にはα＝１／２である。
【００５６】
したがって、スロットに沿った圧力損失ΔＰsが、従来のシム（例えば、図４のシム４０）でのスロットに沿った圧力損失よりも大きくなるのは以下のときである。
【数８】
0005931865.tif 000009
【００５７】
ここで、ΔＰ’sはチャネルに沿った圧力損失、ΔＰsはチャネルなしの（すなわち、図４に示したような従来のシム４０を使用した）スロットに沿った圧力損失、そしてダイが中央供給である場合にはα＝１、ダイが側面供給である場合にはα＝１／２である。
【００５８】
すなわち、本開示の種々の実施形態においては、流体分注時にスロットに沿った圧力損失がチャネルに沿った圧力損失よりも大きくなるようにチャネルは構成される。言い換えれば、液体分注時に、チャネルに沿った圧力損失が、スロットの流体入口からスロットの流体出口までの圧力損失よりも少なくなるようにチャネルは構成される。種々の実施形態においては、液体分注時に、例えばスロットに沿った圧力損失がコーティングメニスカスに亘る圧力損失よりも大きくなるようにチャネルは構成される。
【００５９】
ここでもいかなる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本開示のシム設計の指部は、超低流量の流体を使用したときに、相対的に遅いヘレ・ショウ型の流れの速さに基づき、スロット内を流れている流体に著しい跡を生じさせないと本発明者は考えている。通常の当業者には理解されるであろうが、スロット内のヘレ・ショウ型の流れは２次元の理想的な非粘性流と実質上一致する。したがってこの流れは、障害物の下流で非常に迅速に均一性を回復し得る。
【００６０】
さらに、図３ａおよび３ｂのものを含めた種々の指部の構成を組み込み得る、図１、２、および５の例示的シムのようなシムは、自由端２４のすぐ下流の流量がチャネル２３のすぐ下流（すなわち、流体拡張ゾーン２５内）の流量よりも低いため、より均一な（および所望の幅の）流体コーティングを提供することができる。すなわち、流体膜厚さδは、チャネル２３の下流よりも自由端２４の下流で薄くなるであろう。しかしながら、方程式［３］が示すように、コーティングメニスカスに亘る圧力損失ΔＰbはδに反比例する。したがって、流体分注の際、スロット内の流体は自由端２４のすぐ下流の流体出口に沿った地点の方へと（すなわち、流体膜厚さδが薄いエリア内へと）引っ張られることで、流体コーティングの均一性を自己修正する。
【００６１】
したがって、上で詳細に論じたように、種々の例示的な実施形態において、チャネル（例えば指部などの障害物によってスロット内に画成された）は超低流動条件下で実質上均一な流体流量を供給するよう構成される。
【００６２】
種々のさらなる例示的な実施形態において、本開示は本書において説明した流体分注システムおよびシムを用いて流体を分注する方法に関する。より具体的には、図１および２を参照すると、流体を分注する方法は、分注するための流体を、スロットコーティングダイ１００のスロット１９に流体連通しているキャビティ１３内に導入するステップ、および、キャビティ１３から流体を、スロット１９内に配置された複数のチャネル２３に通して流すステップ、を含み得る。例えばキャビティ１３に流体連通している流体入口１４などの１以上の流体入口に流体を通すことを含め、分注するための流体をキャビティ１３内に導入する適切な方法を選択することは、当業者の能力の範囲内である。さらに、キャビティ１３からの流体を、スロットコーティングダイ１００のスロット１９内に配置された複数のチャネル２３に通して流す適切な方法を選択することも、当業者の能力の範囲内である。種々の実施形態において、例えば、流体を複数のチャネル２３に通して流すステップは、流体をスロット１９内の複数の指部２２により画成されたチャネル２３に通して流すステップを含んでもよい。
【００６３】
種々の例示的な実施形態において、流体を複数のチャネル２３に通して流すステップは、流体を超低流動条件下で流すステップを含んでもよい。種々の実施形態において、例えば、流体を複数のチャネル２３に通して流すステップは、方程式［１］で表現された流動条件下で流体を流すステップを含んでもよい。したがって、種々の実施形態において、流体を複数のチャネルに通して流すステップは、とりわけナノ粒子、ナノチューブ、ポリテトラフルオロエチレン、アセタールポリオキシメチレン、および／またはフルオロポリマーを含む流体を、複数のチャネル２３に通して流すステップを含み得る。
【００６４】
種々の例示的な実施形態において、チャネル２３から流れる流体は複数の流体拡張ゾーン２５内に拡張し得、その結果、流体流はスロット１９の流体出口１８に到達する前に均一になり得る。
【００６５】
ここで図６を参照すると、種々のさらなる例示的な実施形態において、流体を分注する方法は、スロット１９の流体出口１８に隣接している基材７０を動かして、これに流体７１を塗布するステップをさらに含み得る。例えば、コーティングロールまたはドラム（図６参照）を回転させること、あるいは当業者には周知の種々のウェブ搬送系を用いることによるものを含め、スロットに隣接している基材を動かす適切な方法を選択することは、当業者の能力の範囲内である。
【００６６】
本開示による流体分注システムおよび方法の有効性を検証および確認するために、従来のシム（図４参照）と本開示によるシム（図５参照）を用いて塗布した例示的流体コーティングを論証する実験的試験を行った。表１および２を参照して以下で示しかつ説明する。
【実施例１】
【００６７】
第１の試験中、通常の当業者には理解されるであろうが、第１流体コーティングをパッチスロットコーターから基材に塗布した。流体の物理的性質、スロットの幾何学的寸法、およびコーティング条件を含めた、この試験において使用したパラメータを以下の表１に示す。
【表１】
0005931865.tif 000010
【００６８】
この試験では、流体はニュートン流体様であり、また全ての有効粘度を同一かつ測定粘度と等しいと仮定した（すなわち、μ＝０．６ｍＰａ・ｓ）。方程式［２］を使用し、スロットに対するキャビティの圧力損失の従来の比率を計算して
0005931865.tif 000011
【００６９】
を得、これにより従来の流体分注システム（例えば、図４に示したような従来のシム設計を利用）が均一なコーティングを提供するはずであることが示された（すなわち、比率が１に比べて相対的に小さい数を示したため）。しかしながら、従来のスロットダイによるコーティング流体分注システムを用いて流体を分注したとき、流体コーティングの括れが認められた。方程式［６］を使用してスロットに沿った圧力損失に対するコーティングメニスカスに亘る圧力損失の比率をさらに算出し、ΔＰb／ΔＰs＝０．１５であることを見出した。この相対的に大きい数（６．２×１０-6と比較して）により、ビード内の圧力変動がスロット沿いと同等になり得ることが示された。
【００７０】
次に、流体分注システムで利用するシムを本開示によるシム（例えば、図５に示したシム）に交換した。シムの寸法は、ｌc＝１０ｍｍ、Ｗc＝０．５ｍｍ、およびｎ＝２０であった。方程式［８］を使用して、スロットの圧力損失の比率ΔＰ’s／ΔＰs≧５を計算し、これにより新たなシム設計がスロット内の背圧を効果的に増加させるはずであることが示された（すなわち、比較的大きい比率５で示されたため）。したがって、方程式［６］を使用すると、ΔＰb／ΔＰ’s≦０．０３ということになり（ΔＰb／ΔＰs＝０．１５から大幅に減少した）、より高い圧力損失によってコーティングビードの「括れ」が阻止されるはずであった。予想された通り、本開示の流体分注システムを用いて流体を分注すると、流体コーティングは均一な厚さで（すなわち、「括れ」を含まずに）塗布された。
【実施例２】
【００７１】
第２の試験中、通常の当業者には理解されるであろうが、連続的なスロットコーティングを用いて第２流体コーティングを基材に塗布した。流体の物理的性質、スロットの幾何学的寸法、およびコーティング条件を含めた、この試験において使用したパラメータを以下の表２に示す。
【表２】
0005931865.tif 000012
【００７２】
この試験では、コーティング液はスラリーであった。そのため、スロットの高さが１２７μｍよりも低い場合には、粒子を捕捉してスロットを塞いでしまうことが分かった。従来の分注システム（例えば、図４に示したような従来のシム設計を利用）に対して実施例１の計算を繰り返すと、
0005931865.tif 000013
【００７３】
およびΔＰb／ΔＰs＝０．５３となり、上記と同じ結果となることが分かった（すなわち、流体コーティングに「括れ」が認められた）。
【００７４】
上記と同様に、次いで流体分注システムで利用するシムを本開示によるシム（例えば、図５に示したシム）に交換した。シムの寸法は、ｌc＝１０ｍｍ、Ｗc＝１．０ｍｍ、およびｎ＝２０（すなわち、幅２Ｗに亘り）であった。方程式［８］を使用して、スロットの圧力損失の比率ΔＰ’s／ΔＰs≧２．５を計算し、これにより新たなシム設計がスロット内の背圧を効果的に増加させるはずであることが示された（すなわち、比較的大きい比率２．５で示されたため）。したがって、方程式［６］を使用すると、ΔＰb／ΔＰ’s≦０．２５ということになり（ΔＰb／ΔＰs＝０．５３からいくらかの改善を示した）、より高い圧力損失によってコーティングビードの「括れ」が阻止されるはずであった。ここでも予想された通り、本開示の流体分注システムを用いて流体を分注すると、流体コーティングは均一な厚さで（すなわち、「括れ」を含まずに）塗布された。
【００７５】
すなわち、実施例１および２で示された結果は、複数のチャネルを画成するシムを備えた流体分注システムが、低粘度かつ超低流量の流体をスロットに沿って高圧に高め得ることを示している。したがって、本開示による流体を分注するシステムおよび方法を実施すると、例えばエッジガイドを必要とせずに、その幅方向の均一性が維持されたコーティング層を実現することができる。本開示による流体を分注するシステムおよび方法は、したがってコーティングビードの破損を低減させて、それにより低粘度かつ超低流量の流体を用いたコーティングプロセスおよび印刷プロセスのための準備時間を素早くすることを可能にし得る。
【００７６】
上述しかつ試験において使用した、流体の性質、幾何学的寸法、およびコーティング条件は、単なる例示であって、他の性質、寸法、および／または動作条件を、種々の要素に応じて本開示から逸脱することなく選択し得ることを通常の当業者は理解するであろう。
【００７７】
本書において説明した種々の例示的な実施形態は、流体を例えば動いているウェブなどの動いている基材に、スロットコーティングダイを介して分注するシステムおよび方法に関するものであるが、その用途の教示は、例示的な流体分注の手法を与えるものであって、本開示または請求項を限定することを意図していなことを通常の当業者は理解するであろう。したがって、本開示のシステムおよび方法が、例えば限定するものではないが、スロットダイコーティング、押出コーティング、パッチコーティング、連続的コーティング、カーテンコーティング、およびスライドビードコーティングなどの、任意のプロセスおよび／または方法を介した流体コーティングの分注を意図していることを、通常の当業者は理解するであろう。この流体分注システムを使用して、単一層構造または複数層構造の最上層（例えば、最終層）を形成してもよい。本開示の例示的な実施形態において開示されたシム設計は、使用されるコーティング技術に無関係である。
【００７８】
本明細書および添付の請求項においては、他に示されていなければ、本明細書および請求項の中で使用される、量、割合または比を表現している全ての数、および他の数値は、全ての事例において「約」という用語により修飾されていると理解されたい。したがって、その反対が示されていなければ、本明細書および添付の請求項の中に明記されている数値パラメータは、本開示により得ることが求められる所望の性質に応じて変化し得る近似値である。最低でも、請求項の範囲に対する均等論の適用を制限しようとするものではないが、各数値パラメータは報告された有効数字の数を考慮しかつ通常の丸め手法を適用して少なくとも解釈されるべきである。
【００７９】
本開示の広範な範囲を明記している数値範囲およびパラメータは近似値であるが、具体的な実施例の中で明記した数値はできる限り正確に報告されている。しかしながら、任意の数値は、その夫々の試験用測定において見られる標準偏差によって必然的に生じる一定の誤差を本質的に含んだものである。さらに、本書において開示される全ての範囲は、その中に含まれる任意および全ての部分的範囲を包含すると理解されるべきである。
【００８０】
本開示を、その特定の例示的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本開示はこれらに限定されると考えられるべきではなく、添付の請求項の幅広い範囲から逸脱することなく多くの改変が可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００８１】
１０    ダイ
１１    第１ダイ部分
１２    第２ダイ部分
１３    キャビティ
１４    流体入口
１６    第１キャビティエッジ
１７    第２キャビティエッジ
１８    流体出口
１９    スロット
２０    シム
２１    ベース部分
２２    指部
２３    チャネル
２４    自由端
２５    流体拡張ゾーン
７０    基材
１００    流体分注システム
【図１】
0005931865.tif 000014
【図２】
0005931865.tif 000015
【図３ａ】
0005931865.tif 000016
【図３ｂ】
0005931865.tif 000017
【図４】
0005931865.tif 000018
【図５】
0005931865.tif 000019
【図６】
0005931865.tif 000020