(57)【要約】  ナノ粒子材料を硬化させるための装置であって、ナノ粒子インクの層が配置された基板を収容するためのレセプタクルと、第１のバーダイオードレーザを含むレーザバーダイオードアレイであって、連続波としてレーザを放射するように、且つ堆積されたナノ粒子材料を硬化させるように構成されたレーザバーダイオードアレイと、を含む装置。
2015501369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ粒子材料を硬化させるための装置であって、
前記ナノ粒子インク又はペーストの層が配置された基板を収容するためのレセプタクルと、
第１のダイオードバーレーザを含むレーザバーダイオードアレイであって、前記堆積されたナノ粒子材料を硬化させる定常波としてレーザビームを放射するように構成されたレーザバーダイオードアレイと、を含む装置。
【請求項２】
前記レーザビームが、前記堆積されたナノ粒子インク層の幅にわたって延びる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザバーダイオードアレイと前記基板との間に配置可能な、且つ前記レーザバーダイオードアレイによって放射された波面を修正するように構成された光学アレイを更に含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記光学アレイが、前記放射されたレーザビームを合焦又は拡散するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光学アレイが、「トップハット」型の波面を生成するように構成された第１の開口部を含む、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記光学アレイが、第１のレンズを含む、請求項３〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
１つ又は複数の更なるダイオードバーレーザを更に含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のダイオードバーレーザが直列に配置される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ダイオードバーレーザの２つ以上が、異なる周波数で放射するように構成される、請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１０】
第２のダイオードバーレーザが、前記堆積された材料を乾燥又は「軟」焼結するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置を制御するように構成されたプロセッサを更に含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記プロセッサが、前記１つ又は複数のダイオードバーレーザを選択的に係合するように構成されたコントローラユニットの一部である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記プロセッサが、前記放射されたレーザビームの強度を制御するように構成される、請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記コントローラが、前記レーザバーダイオードアレイに供給される電流を更に制御する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置の温度を測定するように構成されたセンサを更に含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記センサが、前記プロセッサと通信し、前記プロセッサが、前記レーザビームの強度を選択的に調整することによって、温度を所定値未満に維持するように更に構成される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記堆積された材料及び／又は前記基板に関する情報を受信するように構成されたコンピュータを更に含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記コンピュータが、前記受信した情報に基づいて、前記レセプタクル、前記光学アレイ、及び前記レーザバーダイオードアレイ間の相対的分離を決定するように更に構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ヒートシンクを更に含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記レセプタクル及び前記レーザバーダイオードアレイが、互いに対して相対的に移動可能である、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記レーザバーダイオードアレイが、前記基板に対して透過性のある周波数で放射するように構成される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記ナノ粒子が硬化される際の不活性雰囲気を供給する不活性ガス源を更に含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
１つ又は複数の更なるレーザバーダイオードアレイを更に含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記レセプタクルが中に配置された、且つ前記レーザ光の反射を低減するように構成されたチャンバを更に含む、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記レーザバーダイオードによって放射される前記波長が、前記基板が透過的であるようにされる、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記基板を加熱するための加熱要素を更に含む、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記レセプタクルが真空ベッドである、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記真空ベッドが水冷式である、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
第１のレーザが、第２のレーザより低い電力で放射するように構成され、それによって、前記第１のレーザが、前記堆積されたナノ粒子インクを軟焼結する、請求項７に従属する場合は請求項１〜２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記定常レーザが、連続又は準連続レーザである、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子を硬化させるための装置に関する。特に、ナノ粒子を硬化させるためにダイオードバーレーザを使用するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粒子から大規模な構造を作製するためにナノ粒子を硬化又は焼結することが知られている。ナノ粒子を硬化させる利点は、ナノ粒子を硬化させるために必要とされる温度が、同じ材料のより大きな粒子のバルク硬化に対してよりも著しく低いということである。
【０００３】
ナノ粒子を硬化させるための既知の市販されているシステムは、典型的には、対流炉又はキセノンフラッシュランプに基づいたシステムの使用を伴う。かかるシステムにおいて、キセノンランプは、硬化されるナノ粒子の膜上に導かれるパルス光を放射する。ランプによって放射された光は、ナノ粒子を硬化させるために十分なエネルギーである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる先行技術のシステムは、多くの欠陥に悩まされている。例えば、キセノンランプによる放射光源の波長における自然な拡散ゆえに、ピークを外れたエネルギー波長からの寄与は、望ましくない効果に帰着する可能性がある。例えば、波長の拡散は、望ましくない有機種を残りの構造に閉じ込める一層厚い膜又はシーリング上面層への限られた光の浸透に帰着する可能性がある。これが発生するのは、エネルギー分布のテール（tail）からのより高い周波数、及びその結果としてより高いエネルギーの光が、表面近くの領域に容易に吸収され、この領域を焼結させるからである。従って、結合剤又は有機懸濁液、即ち、その中にナノ粒子が典型的に保持されている結合剤又は有機懸濁液は、部分的にのみ除去されて、導電率を制限する。エネルギー強度の非対称分布はまた、焼結プロセスにおいて使用されないエネルギーを生成し、従って硬化の効率を低下させる。これはまた、使用される基板を加熱し損傷する可能性がある。
【０００５】
ランプ又は実際には他の光源のパルシングの影響は、更に、焼結プロセスをもたらすのではなく膜を除去すると分かった高エネルギーピークを生成する傾向がある。従って、硬化された生成物の構造は、所望の構造を有しない可能性がある。
【０００６】
先行技術はまた、使用できる基板、特にアルミニウム、シリコン及びセラミックなどの高熱伝導材料の数に対する制限という難点がある。何故なら、焼結が起こり得る前に、熱が、入射光のエリアから離れるように伝達されるからである。高熱質量材料が、効率的なヒートシンクシステムの一部として、ＬＥＤシステムなどの用途において日常的に使用される。更に、ランプの波長の幾つかは、これらの光波長が基板によって容易に吸収され且つ熱損傷を引き起こすため、ある基板に対して損傷を引き起こすことが知られている。これは、重合体膜及びＩＴＯ膜に対して発生することが知られており、従ってある材料に対する硬化方法の適合性に影響する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記で詳述された問題の少なくとも幾つかを克服するために、ナノ粒子を硬化させる連続又は準連続ビームを放射する、好ましくは直列に配置された１つ又は複数のダイオードバーレーザのアレイを含む硬化装置が提供される。各ダイオードバーレーザは、放射されたレーザビーム又はレーザ「カーテン」が、基板の幅にわたって延びるように構成され、それが材料の大きな表面エリアを非常に急速に硬化可能にするように配置された広域エミ
ッタの１次元アレイを含む。
【０００８】
本明細書において、粒子のサイズは、粒子の直径を指すために用いられる。連続波という用語は、当該技術分野において受け入れられているように、連続出力ビーム、即ちパルス化されていないビームとして生成されるレーザビームを指す。かかるビームは、定常ビームであり、典型的には一定振幅及び周波数を有する。準連続レーザは、当該技術分野において受け入れられているように、パルス化されるが、しかし連続出力を有する、即ち一定振幅及び周波数であるレーザを（放射段階中に）放射するレーザビームを指す。かかる準連続ビームは、ある期間にわたってオンにされるだけであり、その期間は、レーザが定常状態（即ち一定振幅及び周波数）で放射するために十分に長い。従って、定常ビームは、連続及び準連続ビームなど、一定振幅及び周波数を有するレーザを指すと理解される。
【０００９】
有利なことに、装置は、硬化プロセスにおける効率の維持を支援する硬化ダイオードバーレーザの高レベルの制御を可能にする。硬化ビームの均一な性質ゆえに、本発明は、ナノ粒子の堆積膜における下層が硬化されることの保証を支援するアレイを用いて、硬化される材料へのより良い浸透を可能にすることが分かる。有利なことに、アレイが単色ダイオードバーレーザを使用するので、硬化光は、前述の問題の多くを引き起こす、先行技術システムにおいて見出されるような高いエネルギーテールを有しない。
【００１０】
本発明の更なる利点は、堆積されたナノ材料に存在する有機結合剤／溶剤のより高い割合を除去することが分かったことである。本発明が、波長／エネルギー及びエネルギー分布の点で、材料を硬化させるために使用される光のより高度な制御を可能にするので、使用される硬化レーザビームは、有機結合剤／溶剤の除去を保証するように適合することができる。
【００１１】
本発明の態様に従って、ナノ粒子材料を硬化させるための装置であって、ナノ粒子インクの層が配置された基板を収容するためのレセプタクルと、第１のダイオードバーレーザを含むレーザアレイであって、連続又は準連続波としてレーザビームを放射するように、且つ堆積されたナノ粒子材料を硬化させるように構成されたレーザアレイと、を含む装置が提供される。
【００１２】
任意選択的に、レーザは、堆積されたナノ粒子インク層の幅にわたって延びる。任意選択的に、装置は、レーザアレイと基板との間に配置可能な、且つレーザアレイによって放射された波面を修正するように構成された光学アレイを更に含む。好ましくは、光学アレイは、放射レーザビームを合焦又は拡散するように構成される。好ましくは、光学アレイは、均一な波面を生成するように構成された第１の開口部を含む。
【００１３】
任意選択的に、光学アレイは、第１のレンズを含む。任意選択的に、１つ又は複数の更なるダイオードレーザを更に含む。好ましくは、複数のダイオードレーザは、直列に配置される。好ましくは、レーザの２つ以上が、異なる周波数で放射するように構成される。好ましくは、第２のレーザが、堆積された材料を乾燥するように構成される。任意選択的に、装置を制御するように構成されたプロセッサを更に含む。好ましくは、プロセッサは、１つ又は複数のレーザを選択的に係合するように構成されたコントローラユニットの一部である。好ましくは、プロセッサは、放射レーザの強度を制御するように構成される。好ましくは、コントローラは、レーザアレイに供給される電流を更に制御する。任意選択的に、装置の温度を測定するように構成されたセンサを更に含む。好ましくは、センサは、プロセッサと通信し、プロセッサは、レーザ強度を選択的に調整することによって、温度を所定値未満に維持するように更に構成される。任意選択的に、堆積された材料及び／又は基板に関する情報を受信するように構成されたコンピュータを更に含む。好ましくは、コンピュータは、受信した情報に基づいて、レセプタクル、光学アレイ、及びレーザ間
の相対的分離を決定するように更に構成される。
【００１４】
任意選択的に、レセプタクル及びレーザアレイは、互いに対して移動可能である。任意選択的に、ヒートシンクを更に含む。サンプルホルダ又はレセプタクルはまた、基板を平坦に保持するように要求される。これは、真空ベッドの使用を介して達成することができる。焼結がより均一であるように処理中に基板が一定の温度に維持されることを保証するために、ベッドが水冷式あるようにベッドは設計することができる。代替として、基板は、より低いレーザ電力によって焼結プロセスを完了するように、加熱されてもよい。任意選択的に、レーザアレイは、基板に対して透過性のある周波数で放射するように構成される。任意選択的に、ナノ粒子が硬化される際の不活性雰囲気を供給する不活性ガス源を更に含む。これは、焼結レーザチャンバが不活性又は還元雰囲気を含むことを保証することによってか、又は焼結中に基板の両端にわたってアルゴンなどの不活性ガスを送風することによって行うことができ、これはまた、どんな有機材料も基板から除去することを支援する。任意選択的に、１つ又は複数の更なるレーザバーダイオードアレイを更に含む。任意選択的に、レセプタクルが中に配置された、且つレーザ光の反射を低減又は使用するように構成されたチャンバを更に含む。反射の場合に、後方散乱光は、例えばＰＥＴ上の膜又は他の透過膜を硬化させる場合に、基板の後側面を焼結するのを支援するために使用されても良い。任意選択的に、レーザダイオードによって放射される波長は、基板が透過性であるように、且つ加熱効果がないか又は最小限の加熱効果しか、基板に対するレーザの直接的影響によって引き起こされないようにされる。
【００１５】
任意選択的に、装置は、基板を加熱するための加熱要素を更に含む。任意選択的に、レセプタクルは、真空ベッドである。好ましくは、真空ベッドは、水冷式である。任意選択的に、多数のレーザを備えた実施形態において、第１のレーザが、第２のレーザより低い電力で放射するように構成され、それによって、第１のレーザは、堆積されたナノ粒子インクを軟焼結する。
【００１６】
本発明の他の態様は、添付の請求項セットから明白になろう。
【００１７】
ここで、本発明の実施形態が、添付の図面を参照して単に例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の態様に従って使用される装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の態様によるレーザアレイの概略図である。
【図２Ｂ】本発明の態様によるレーザアレイの概略図である。
【図３Ａ】複数のレーザを含むレーザアレイの概略図である。
【図３Ｂ】複数のレーザを含むレーザアレイの概略図である。
【図４】本発明の態様に従って材料を硬化させるプロセスの流れ図である。
【図５】レーザバーダイオードの電力分布曲線のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の態様に従って、ナノ粒子を硬化させる装置が提供される。特に、ナノ粒子のバルク硬化用である。本明細書で説明されるプロセスは、ワークトップインプリメンテーションから産業インプリメンテーションへの拡大に適している。
【００２０】
図１は、硬化装置１０の概略図を示す。装置が中に保持されるチャンバ１２が示されている。装置１０は、ダイオードバーレーザアレイ１４を含み、ダイオードバーレーザアレイ１４は、ダイオードバーレーザアレイ１４からの光が、ヒートシンク２０を備えたホルダ又はレセプタクル１８上に進む際に通過する光学アレイ１６を有し、ホルダ又はレセプタクル１８上に基板２２が配置される。基板２２は、（焼結又は硬化によって）変形され
ることになるナノ粒子インク層２４を有する。装置は、レーザ電流源２８及び光学コントローラ３０を制御するコンピュータ２６によって制御される。コンピュータ２６はまた、温度センサ３２から入力を受信する。
【００２１】
好ましい実施形態において、装置は、硬化装置１０が配置されるチャンバ１２を設ける。チャンバ１２は、レーザアレイ１４から放射された光を吸収する、且つレーザアレイ１４からの反射を最小限にする塗料でコーティングされる。チャンバ１２はまた、不活性雰囲気（即ち、高濃度の不活性ガスを備えた雰囲気）又は還元雰囲気（即ち、アルゴンにおける０〜１０％の水素など、酸素及び他の酸化ガスが除去された雰囲気）の中に装置を含む。有利なことに、不活性又は還元雰囲気は、硬化プロセスが最小又はゼロの酸化物含有量を備えた膜の生成に帰着することを保証し、それによって不活性又は還元雰囲気は、製造プロセスの純度を向上させる。他の実施形態においてコストを低減するために、チャンバ１２は、省略しても良い。
【００２２】
ダイオードバーレーザアレイ１４は、レセプタクル１８の上方に配置され、且つレセプタクル１８上にレーザビームを放射するように配置される。光学アレイ１６は、レーザアレイ１４による放射波形の強度を選択的に変更するために、レーザアレイ１４とレセプタクル１８との間に配置される。レーザアレイ１４は、コンピュータ２６によって制御される電流源２８によって電力を供給される。コンピュータ２６は、適切な光学系を選択して光学アレイ１６に配置できるようにされる。
【００２３】
使用において、レーザアレイ１４によって放射されたレーザは、より大きな構造を形成するために、個別の粒子を焼結することによってナノ粒子を硬化させる。更に、レーザは、ナノ材料に関連する多くの有機化合物を除去する効果があり、それによって、高純度の構造を作る。硬化が、不活性又は還元雰囲気を備えたチャンバ１２で行われるのが好ましいので、形成される構造の酸化は、最小限にされる。
【００２４】
使用において、硬化されるナノ材料２４でコーティングされた基板２２は、レセプタクル１８上に配置される。基板２２は、印刷などの周知の方法を介して、ナノ粒子材料２４でカバーされる。ナノ粒子材料２４は、銅、銀、シリコン、ニッケル、タンタル、チタン、白金、パラジウム、モリブデン、又はアルミニウムなどの金属又は半金属であっても良い。ナノ粒子材料２４は、基板２２上に配置され、基板２２は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などのプラスチック、又は窒化ケイ素（ＳｉＮ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガラス、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、セラミック、ＦＲ４、ＧＸ１３若しくは紙などの他の適切な材料であっても良い。
【００２５】
基板２２は、硬化テーブルなどのレセプタクル１８上に配置されるが、基板２２を保持するための任意の適切なレセプタクルが使用されても良い。好ましい実施形態において、レセプタクル１８及びレーザアレイ１４は、より大きなカバレッジを可能にするために、互いに対して移動可能である。好ましい実施形態において、レセプタクル１８は、ｘ−ｙ平面図において平行移動できるテーブルであり、それによってレーザアレイ１４のカバレッジを増加させる。更なる実施形態において、レーザアレイ１４及びレセプタクル１８は、相対的位置に固定され、レーザアレイ１４によって放射されたビームは、光学アレイ１６によって制御され、それによって、レーザアレイ１４によって放射されたビームが、基板２２全体、従って堆積されたナノ材料２４をカバーできるようにする。
【００２６】
基板２２は、ダイオードバーレーザアレイ１４からのビームによって照明される。ダイオードバーレーザアレイ１４は、１つ又は複数のダイオードバーレーザを含む。複数のダ
イオードバーレーザを備えた実施形態において、レーザは、直列に配置されるのが好ましい。ダイオードバーレーザは、市販されており、且つ第１の軸（遅軸として知られている）において数センチメートル延び、第２の軸（速軸として知られている）において数ミリメートル延びるほぼ１次元のビームを放射する。本発明は、非常に規則的な矩形形状を有するビームを供給するために、ダイオードバーレーザ出力の自然な形状を利用する。ダイオードバーレーザは、連続又は準連続波ビーム、即ち一定振幅及び狭スペクトルのビームを放射する。従って、レーザは、定常状態で放射する。従って、キセノンシステムとは異なり、光源の振幅にも周波数にも変動がない。好ましい実施形態において、レーザは、３ｎｍ未満のＦＷＨＭで、８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９３８ｎｍ、９７５ｎｍ、又は９７６ｎｍで放射する。しかしながら、他の周波数が用いられても良く、実際には硬化される材料、及び基板に依存して、使用される波長は、最適な浸透及び有機種の除去を保証するために、異なるのが好ましい。６００ｎｍから２μｍを超える範囲で動作するレーザバーダイオードを使用することができ、より高いレーザ波長は、より厚く堆積された層を硬化させるのに適している。
【００２７】
図５は、単一レーザバーダイオードの典型的な電力分布を示す。２つのデータ系列（runs）Ｒ１（ダイヤモンドとして示されている）及びＲ２（正方形として示されている）用の電力分布が示されている。
【００２８】
図５に示されているように、レーザバーダイオードは、バーの両端にわたる半導体ダイオードにおける温度変動又は差ゆえに、幾らかの不均一性を示す。図５に示されているように、ビームの形状は、データ系列ＲＩ及びＲ２にわたって一定であり、従って、ビームの均一性は、放射光が重なるように配置された幾つかのレーザバーダイオードアレイを使用することによって改善され得る。各レーザビームの形状が知られているので、レーザバーダイオードは、全体的な効果が、放射される電力を平均化し、且つ強度においてレーザ波面をより均一にすることであるように、配置される。
【００２９】
レーザアレイにおいて多数のレーザバーダイオードを使用する本発明の実施形態において、第１のレーザは、他のレーザバーダイオードの１つ又は複数より低い電力／長い波長で動作しても良い。従って、第１のレーザは、より多くの有機含有物を追い払い、それによって、乾燥要件を低減又は除くように働く。更に、より低い電力の第１のレーザの使用は、（他のレーザを用いた、より高い電力における）最終焼結プロセスステージ中に、粒子を一緒に「軟」焼結し、構造の密度を高めて粒子の移動度を低減する。これは、粒子が表面丸まり（全体的な表面エネルギーを低下させる）を引き起こすほど十分に移動性であるオストワルド熟成などの効果の低減を支援する。同様に、同じレーザは、基板がレーザカーテンを何度も通過するが、しかしレーザバーダイオードのバー電力が各通過用に調整される状態で使用されても良い。
【００３０】
他の実施形態において、材料は、ＩＲ及びＵＶランプなどの代替の周知の乾燥方法を用いて処理することができる。導電率の改善は、ナノ材料のより大きな移動度を可能にする「ウェット」形態で金属を硬化させて、より高密度の構造を形成し、且つより高い導電率を達成可能にすることによって、得ることができる。
【００３１】
好ましい実施形態において、光学レンズ又はアレイ１６が、レーザアレイ１４とレセプタクル１８との間に配置される。光学レンズ１６は、サンプル上にビームを合焦させるために使用される。焦点位置に対するサンプル位置に依存して、ビームは、エネルギー密度を制御できるようにする可変高さである（一方で固定幅を維持する）。実施形態において、バーダイオード（これは分散する）又は直列の幾つかのバーダイオードの出力を包含する長さの単レンズが使用される。所与のビーム幅に対して、ビームの作用高さは、ビームをコリメートする追加レンズを組み込むことによって、増加されてレーザアレイ１４に対
する基板位置に対してより大きな許容誤差を可能にすることができる。実施形態において、光学アレイ１６は、放射レーザビームの高レベルの制御を提供するために、複数のレンズ、開口部、マスク、及び回折格子を含む。
【００３２】
ビームの合焦は、より高い強度のビームを要求する高い熱伝導率を備えた材料及び基板が、硬化を介して構造変化を受けるために特に有用である。ビームを合焦させることによって、ビームの有効温度は、上昇され、より高い熱伝導材料の硬化を可能にすることができる。
【００３３】
光学レンズアレイの形状及び機能が、図４に関連して更に詳細に説明される。
【００３４】
更なる実施形態において、レーザアレイ１４は、異なる波長の複数のダイオードバーレーザを含む。放射レーザ光と物質（堆積されたナノ材料、基板等）との間の相互作用が、放射された光子によるエネルギーによって支配されるので、本発明の実施形態において、異なる波長で放射する、且つ従って異なるエネルギーの光子を放射する複数のダイオードバーレーザを含むレーザアレイ１４が設けられる。使用されるナノ材料２４、及びナノ材料２４が配置される基板２２の材料に依存して、コンピュータ２６によって選択されるレーザ（単複）は、基板２２の材料への損傷を回避しながら、ナノ材料２４の硬化を保証するように最適に選択される。任意選択的に、多数のナノ材料２４が、基板２２に堆積される場合、及び／又は多数の基板２２が使用される場合に、多数のレーザが、レーザアレイ１４によって放射され得る。
【００３５】
光学アレイ１６は、更に、所望の波形に依存して、多くの異なるレンズ又はマスクの選択を可能にする。特に、開口部又はマスクは、一定のエネルギーを備えた均一な波形を生成するように選択することができる。有利なことに、波形は、非硬化状態から硬化状態、又は非乾燥状態から乾燥状態への非常に高速な遷移を可能にする。有利なことに、本発明は、キセノンランプの広帯域の波長放射に関連する問題の多くを克服する。例えば、本発明は、単色光源を用い、従って上部層において多量に吸収される、且つ従って上部層をシールする一層低波長の光などの他の波長からの寄与を除去する。有利なことに、使用されるレーザバーダイオードは、前駆体ナノ材料における、有機結合剤などの材料のより大きな部分の除去を可能にする。これは、先行技術におけるように上部層をシールしない波形の結果であり、従ってレーザがより大きな深さまで浸透することを可能にする。
【００３６】
更なる利点は、定常状態又は連続／準連続波レーザの使用である。何故なら、トップハット波形を備えた連続波を用いることによって、キセノンランプに関連する高エネルギーピークが回避されることが分かったからである。キセノンランプにおけるこれらのピークは、焼結ではなく前駆体材料の除去を引き起こすことが分かり、従って、パルスランプは、本発明において使用される単色連続波ほど効率的ではない前駆体材料の変換に帰着する。更に、キセノンランプの中心波長によって影響／損傷されない基板もあるが、高エネルギーピークが、基板を損傷する可能性があることが分かる。アルミニウム、シリコン、及びセラミックなどの高い熱伝導率の基板が、焼結が起こり得る前に、入射光のエリアから熱を伝導することがまた分かる。有利なことに、本発明は、レーザアレイ１４を用いること、及び光学レンズ又はアレイ１６でビームを修正することによって、これらの制限を克服する。これらの利点はまた、コーティングされたプラスチック層、例えばＩＴＯでコーティングされたプラスチック基板の処理の際に観察される。ＩＴＯは、構造的損傷を引き起こすある波長を吸収することが知られており、単色光源の使用は、コーティングへのどんな損傷も制限するか又は打ち消しながらナノ粒子の焼結を最適化するレーザ波長の選択を可能にする。
【００３７】
好ましい実施形態において、レーザバーダイオードアレイ１４によって供給される電力
は、レーザ電流源２８によって制御される。レーザバーダイオードに供給されるアンペアを増加させることによって、レーザの出力は、変化させることができる。光学アレイ１６はまた、ビームを合焦／脱焦（defocusing）させることによって強度に影響を及ぼすことができ、光学アレイ１６の制御は、（図１を参照して説明された）光学コントローラ３０によって実行される。好ましい実施形態において、レーザ電流源２８及び光学コントローラ３０の両方とも、中央コンピュータ２６によって制御される。中央コンピュータ２６は、放射ビームを修正するためにそれぞれのコンポーネントを選択的に係合／分離するために、レーザ電流源２８及び光学コントローラ３０と通信する。使用において、ユーザは、キーボードなどの周知の入力手段を用いて、基板２２の材料及びタイプ、堆積されたナノ材料２４の幅及び深さをコンピュータ２６に入力する。コンピュータ２６は、一種の書き込み可能なメモリを有するか、又はメモリにアクセスできるようにされ、メモリは、最適な光学構成及びレーザ電力が選択され得るように、ルックアップテーブルを含む。上記で説明されたように、光学アレイ１６を用いてレーザビームを合焦又は脱焦させることによって、単一のダイオードレーザを多くの異なる材料用に使用することができる。入力から、コンピュータ２６はまた、レーザビーム用に必要とされる合焦、及び／又は基板の幅にわたって延びるビームを生成するために必要とされるダイオードレーザの数を決定する。硬化プロセスにおける効率の維持を支援するために、レーザビームは、堆積された材料の幅にわたって延びるのが好ましい。従って、コンピュータ２６は、システムの制御が入力パラメータによって決定されるので、容易に自動化されるシステムを提供する。
【００３８】
ひとたび適切なレーザ波長、ビームサイズ、及び電力が選択されると、コンピュータ２６は、レーザアレイ１４及び光学アレイ１６を適切に構成する。多波長レーザ、電圧及び電流の変動、並びにレンズの使用を用いる能力を介する本発明の非常に調整可能な性質は、高レベルの制御を可能にする。この制御は、材料が、除去されるのとは対照的に焼結されることを保証するために使用され、且つキセノンランプシステムと比較された場合に、より高い純度の、改善された導電率及び粘度を備えた金属又は半金属構造を生成することが分かる。
【００３９】
更なる実施形態において、レセプタクルは、ヒートシンク２０及び１つ又は複数の温度センサ３２を更に含む。ヒートシンクは、レーザビーム（単複）によって生成された熱が、ナノ材料２４及び基板２２から離れるように伝達されるのを可能にする。幾つかのナノ材料が、高い硬化温度を有するので、余熱の規制及び除去は、他の機構、特に基板２２に悪影響を及ぼす可能性がある過熱を防ぐために望ましい。
【００４０】
レセプタクル１８が、基板を平坦に保持することが好ましいので、レセプタクルは、真空ベッドである。好ましくは、ベッドは、焼結がより均一であるように、基板が、処理中に一定の温度に維持されることを保証するために、水冷式である。
【００４１】
本発明の更なる例において、基板は、より低いレーザ電力が、焼結プロセスを完了するために必要とされるように加熱される。
【００４２】
余熱の蓄積を防ぐために、装置１０は、有利なことに、コンピュータ２６と通信する温度センサ３２を更に含む。温度センサ３２は、焼きなまし炉及び硬化装置において使用される市販のセンサであっても良い。センサ３２は、装置１０の温度を監視するコンピュータ２６と通信する。中央コンピュータ２６のメモリには、所与の基板２２及びナノ材料２４の組み合わせ用の所定の温度限度が記憶されるのが好ましい。測定された温度が、所定の温度限度に近づいた場合に、コンピュータ２６は、（レーザ電源を通して）レーザのエネルギーを低減するが、それは、その後、装置１０の温度の低下に帰着する。ある実施形態において、温度が、（出火などの危険に関連する）臨界限度を超えた場合に、コンピュータ２６は、レーザ電流源２８を分離する。従って、温度センサ３２は、最適な硬化条件
が維持されることを保証するモニタとしてと同様に、安全手段として働く。好ましい実施形態において、温度センサ３２は、装置が、１５℃〜３５℃の動作温度内に維持されることを保証するために使用される。
【００４３】
図２ａ及び２ｂは、本発明の態様による、レーザ及び光学アレイ１４及び１６の概略図を示す。ダイオードバーレーザアレイ１４、光学アレイ１６、レセプタクル１８、基板２２、及び硬化されることになる堆積されたナノ材料２４が示されている。
【００４４】
図２ａは、装置の平面図であり、図２ｂは、図２ａの上面図である。
【００４５】
図２ａにおいて、数ミリメートル程度延びるレーザビームの速軸が示されている。レーザアレイ１４から放射されたレーザビームは、それが合焦される光学レンズ１６に伝わる。図示の実施形態において、レセプタクル１８は移動可能であり、移動方向が、図２ａにおいて矢印によって示されている。
【００４６】
レセプタクル１８が、光学レンズ１６の方へ移動するにつれて、レーザビームの強度は変化する。図２ａに示されているように、最大強度のビームを得るために、ナノ材料層２４は、レーザアレイ１４の焦点に配置され、従って、図２ａに示されている位置において、レーザビームは、ナノ材料層２４に対して最大強度である。
【００４７】
破線として表されている、レセプタクル１８の可能な位置にＡ、Ｂ、及びＣがまた、図２ａに示されている。レセプタクル１８が、位置ＡからＣに進むにつれて、レーザビームは、より分散し、従ってレーザビームの強度は低下する。従って、レーザアレイ１４に対するレセプタクル１８の相対的移動によって、レーザビームの強度は、本発明の要件に従って変化させることができる。
【００４８】
更なる実施形態において、レセプタクル１８は、静止しており、光学レンズ１６が、レーザアレイ１４及びレセプタクル１８に対して移動されるか、又は光学レンズ１６及びレセプタクル１８の両方が、互いに対して移動可能である。従って、所与のレンズを通るレーザビームの焦点は、可変であり、従ってサンプル上のレーザ強度は可変である。
【００４９】
アレイ１４及びレセプタクル１８を移動する場合に重要なのは、レーザカーテンが基板上の適切な焦点にあることを保証する焦点深度である。装置は、高さセンサ（図示せず）を含んでも良い。最終レンズに対する基板２２の高さを検出することによって、この高さにおける自動調整は、レーザアレイ１４とレセプタクル１８との間の分離を調整することによって達成され、同じ焦点が達成されることを保証することができる。従って、アレイ１４によって放射されたレーザビームの強度を調整することと同様に、装置は、適切な焦点が基板２４上に放射されることを保証するように構成される。
【００５０】
図２ｂは、図２ａに示されている装置の平面図を示す。図２ｂに示されているレーザアレイ１４の光路は、レーザの遅軸を表す。図２ｂに示されているように、レセプタクル１８が、光学レンズ１６に対して移動する一方で、遅軸におけるレーザビームのサイズは不変のままであり、従ってレーザビームは、レーザアレイ１４及び光学レンズ１６の相対的位置にかかわらず、堆積されたナノ材料層２４の幅全体に入射するままである。従って、（図２ａに示されているように）レセプタクル１８が、光学レンズ１６に対して移動される間にレーザビームの強度は変化するが、レーザビームのカバレッジは、不変のままである。
【００５１】
有利なことに、レセプタクル１８、光学レンズ１６、及びレーザアレイ１４の相対的な分離を変化させるによりレーザ光の強度を変更することによって、システムは、光学レン
ズ１６及びレセプタクル１８がレーザアレイ１４に対して移動可能でない場合より、初期セットアップへの依存がはるかに少なくなる。従って、装置に関連する初期セットアップコストは、装置が装置の初期較正にそれほど敏感ではないので、大幅に低減される。
【００５２】
更に、サンプル又はレンズを移動させる能力は、印刷された３Ｄ画像（3D image）を単一ステップで硬化させることによる３Ｄ形状（3D shapes）の硬化を可能にする。レーザが、堆積された材料を硬化させるために基板の両端にわたって走査するので、堆積の深さは、３Ｄ特徴（3D feature）に従って変化する。（図４を参照して詳細に説明されるが）装置を制御するように構成された中央コンピュータに、堆積された材料のサイズ、形状、及び深さを入力することによって、３Ｄ印刷された形状（3D printed shape）のための走査パターンを決定することができる。レーザアレイ１４が、堆積された材料の両端にわたって走査し、それによって材料を硬化させるので、レーザがサンプルの両端にわたって走査するにつれて光学レンズ１６及びレセプタクル１８の相対的な分離を変更することによって、堆積された材料の深さにおける変化は、処理することができる。実施形態において、レーザビームの強度は、レーザアレイ１４がサンプルの両端にわたって走査するにつれて変更することができ、より高い強度のビームは、材料のより厚い堆積用に使用される。別の実施形態において、システムは、次のように構成される。即ち、レーザビームの焦点が、堆積された材料の上面に常に入射し、従って、堆積された材料の両端にわたってレーザアレイ１４が走査するにつれて位置焦点が変更されるか、又は焦点が固定され、レセプタクル１８の位置が変化するように構成される。
【００５３】
図３ａ及び３ｂは、本発明の態様に従って使用できるダイオードバーレーザアレイ１４の様々な構成を示す。
【００５４】
複数のダイオードバーレーザ３１、３３、３４、及び３６を含むダイオードバーレーザアレイ１４が示されている。ナノ材料層２４、基板２２、及びレセプタクル１８もまた示されている。図３ａ及び３ｂにおける矢印は、レーザアレイ１４に対するレセプタクル１８の移動方向を表す。
【００５５】
図３ａにおいて、レーザアレイ１４は、「水平」の多重レーザアレイ配置で構成される。かかる配置において、レーザアレイ１４は、直列に配置された複数のダイオードレーザを含む。レーザバーダイオード３１、３３、３４、及び３６の配置は、部分的に重なり、それによって、Ｘ方向に延びるレーザビームを供給する。総有効ビームフロントは、Ｘ’として図３に示されている。図３ａに示されているように、レーザバーダイオードアレイ１４における多数のレーザ３０〜３６の使用は、基板２２上に堆積されたようなナノ材料２４の大規模カバレッジを可能にする。従って、工業環境において、レーザアレイ１４は、Ｘ方向において拡張されたエリアをカバーすることができる。
【００５６】
図３ｂは、レーザアレイ１４の「垂直」配置を示す。かかる配置において、個別のレーザバーダイオード３１、３３、３４、及び３６は、Ｘ方向において同じエリアをほぼカバーし、Ｙ方向に延びる。かかる配置は、幾つかのサンプルを同じ時間に同時に硬化させるために使用することができる。
【００５７】
更に、レセプタクル１８（及び従ってサンプル）がＹ方向に移動する場合に、多数の異なる周波数のレーザバーダイオードの使用は、更なる設定可能性をシステムに提供する。第１のバーダイオードレーザ３１が材料を焼結できるのに対して、続くレーザ３４及び３６は、堆積された材料を乾燥するために使用される。従って、レーザアレイ１４及び装置１０に対して、より大きな制御をもたらすことができる。
【００５８】
有利なことに、図３に関連して説明したかかる配置において、各レーザバーダイオード
アレイは、同じか又は異なる波長のレーザを有し、かつプロセスシーケンスにおいて隣接して配置される。従って、硬化プロセスは、可変電力密度における離間されたダイオードアレイの前記シーケンスを用いて、且つ制御された方法でコーティング材料を有利に硬化させるために異なる焼結効果を生成するような方法で実行することができる。例えば、長波長のバーダイオードレーザアレイが、コーティングの深部における材料を硬化させるために最初に使用されても良い。同じ部分的に硬化されたコーティングは、より低い波長で、更なる第２、第３等のレーザバーダイオードに露出することができる。より低い波長は、より浅い深さの材料を優先的に硬化させるように選択される。更なる実施形態において、コーティングにおける多層の深さ全体にわたって異なる焼結程度を備えた材料の多層が、多数の界面及び特性が結果として生じ得るように、かかる選択的波長を用いて与えられ得る。従って、本システムは、深さの点ではるかに高レベルの制御を提供し、且つ焼結を類別するのと同様に、基板が無傷のままであることを保証する。
【００５９】
図４は、本発明の態様に従って、ナノ材料を硬化させるプロセスの流れ図を示す。
【００６０】
ステップＳ１０２には、ナノ材料及び基板タイプを入力するステップが示されている。ステップＳ１０４において、基板のサイズを入力する。ステップＳ１０６において、使用される光学アレイ及びレーザアレイを決定する。ステップＳ１０８において、レーザに電力を供給する。ステップＳ１１０において、温度をチェックする。ステップＳ１１２において、温度が許容範囲内にあるかどうかを判定する。ステップＳ１１４において、レーザアレイに供給される電力を低減する。ステップＳ１１６において、プロセスを終了する。
【００６１】
ステップＳ１０２において、本発明のユーザは、硬化されることになるナノ材料、及びナノ材料が堆積される基板の材料を、キーボードなどのインターフェースを介して入力する。ステップＳ１０４において、ユーザはまた、基板のサイズを入力する。好ましい実施形態において、ナノ材料は、基板の幅にわたって延びる。堆積された材料が、３Ｄ形状に配置された場合に、ユーザは、硬化されるナノ材料の堆積における形状及び深さを入力する。好ましくは、ユーザは、このステージで、堆積されたナノ材料の厚さを入力する。従って、ステージＳ１０２及びＳ１０４において、ユーザは、本発明を初期化し、且つ使用される材料のタイプ及び堆積されたナノ材料の厚さを中央コンピュータに明確にした。
【００６２】
ステップＳ１０６において、中央コンピュータは、明確にされたナノ材料を硬化させるために、最適なレーザ構成及び光学アレイ構成を決定する。特に、光学アレイにおいて使用されるレンズ及び／又は開口部の選択は、レーザアレイによって放射されたレーザが、堆積された材料の幅全体をカバーすること、及びレーザビームの波長及び強度が、堆積されたナノ材料の深さ全体を硬化させるのに十分であるが、しかし基板に悪影響を及ぼさないことを保証するように決定される。
【００６３】
ステップＳ１０２及びＳ１０４において装置を構成するための、且つステップＳ１０６においてシステムが最適な構成を計算するための能力は、３Ｄ印刷（3D printing）において特に有益である。ユーザが印刷された材料の形状及び深さを定義できるようにすることによって、レーザビームは、単一ステップで材料の硬化を可能にするように構成することができる。特に、レセプタクル及び／又はレンズは、３Ｄ印刷された形状の単一ステージでの硬化を保証するために、材料の厚さに従って移動することができる。
【００６４】
ステップＳ１０８において、コンピュータは、最適なレーザ強度を決定し、レーザに電力を供給する。上記で説明されたように、レーザ強度は、堆積された材料の量と同様に、材料のバルク硬化温度に依存する。従って、ステップＳ１０８において選択されるレーザビームの電力は、選択された材料及び堆積された材料の量の両方の点から、堆積された材料を最適に硬化させるように選択される。
【００６５】
入射レーザは、装置の加熱に帰着する。装置が安全な限度内で機能することを保証するために、且つ装置が基板に悪影響を及ぼさないことを更に保証するために、装置の温度は、ステップＳ１１０において測定され、必要ならばステップＳ１１２において変更される。ステップＳ１１０、Ｓ１１２、及びＳ１１４に関連して説明されたプロセスは、１秒に一度行われるのが好ましい。中央コンピュータは、所与のナノ材料及び基板の組み合わせに対する許容可能な温度限度を表す一連の所定値を含むデータベースを含む。許容可能な限度は、測定された温度に基づいた、基板及び／又はナノ材料への損傷の可能性に基づいており、且つまた出火などの出来事につながる可能性がある許容できない高温の危険を表す安全限度を含むのが好ましい。測定された温度は、ステップＳ１１０において、これらの所定の限度と照合される。
【００６６】
ステップＳ１１２において、コンピュータは、測定された温度が、許容可能な限度内にあるかどうかを判定する。測定された温度が確かに許容可能であるとコンピュータが判定した場合に、プロセスは、ステップＳ１１０に戻る。それに応じ、プロセスは、従って、どんな急速な温度上昇も中央コンピュータによって識別されることを保証するために、１秒の間隔で繰り返す。ステップＳ１１２において、測定された温度が許容できないか、許容できない限度に近づいていると考えられる場合に、プロセスは、測定された温度を下げるためにステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４において、中央コンピュータは、レーザ電流源への電力供給を低減し、それによって、レーザビームの出力強度を低下させる。有利なことに、レーザに対するナノ材料の反応が、量子効果によって支配されるので、レーザ強度の低減は、装置の温度を下げながら、やはりナノ材料の硬化に帰着する。ステップＳ１１４において、温度が、安全限度に近づいている場合に、コンピュータは、レーザ電流源に供給される全ての電力を分離し、全ての硬化レーザをオフにする。
【００６７】
ステップＳ１１６において、プロセスは終了し、全てのナノ材料は、成功裏に硬化された。従って、本発明は、システムの条件に従って調整できる高度に調整可能なシステムを提供する。特に、本発明は、堆積される材料及びその材料が配置される基板の選択に従って構成することができる。有利なことに、連続又は準連続波として定常状態で放射されるレーザの周波数及び／又は強度を調整する能力は、堆積された材料の全体が硬化され、且つ基板が損傷されないことを保証する。
【００６８】
従って、説明された方法及び装置は、ナノ粒子インク及びペーストの高速な硬化を可能にする。システムは、コスト効率が良く、非常にスケーラブルであり、印刷された電子導電面など硬化された構造の低コストな多量生産を可能にする。
【００６９】
有利なことに、レーザバーダイオードアレイの使用は、厚い層の浸透を可能にする。深さで３０マイクロメートルを超える層が、十分に硬化され、それによって高度な導電面を生成することが分かる。更に、厚い堆積物用の硬化時間は、周知のシステムと比較して低減され、且つ堆積されたナノ粒子インク及びペーストが、ミリ秒程度の時間尺度で硬化され得ることが分かる。
【００７０】
レーザバーダイオードアレイはまた、ビーム幅、強度、及び電力出力の点で高度に調整可能である。従って、堆積されたナノ粒子材料を硬化させるために放射されるレーザは、選択された基板及び使用されるインク又はペーストに依存してシステムの効率を最大限にするように選択し、硬化プロセス中に修正することができる。有利なことに、使用されるレーザの連続波の性質ゆえに、使用されるレーザのパラメータは、基板の加熱を最小限にし、且つ基板への損傷を防ぐように選択される。
【図１】
2015501369.tif 000003
【図２Ａ】
2015501369.tif 000004
【図２Ｂ】
2015501369.tif 000005
【図３Ａ】
2015501369.tif 000006
【図３Ｂ】
2015501369.tif 000007
【図４】
2015501369.tif 000008
【図５】
2015501369.tif 000009
【国際調査報告】
2015501369.tif 000010
2015501369.tif 000011