(57)【要約】【課題】噴射時の液滴の径のみならず基体表面に着弾した後の径も正確な液滴配列方法および液滴配列装置を提供する。【解決手段】液滴１２を基体４の所望部位に噴射することで基体４表面に液滴１３を配列する液滴配列方法において、基体４周辺の雰囲気を大気から不活性ガスに置換することによって基体４表面と液滴１２との濡れ性の経時変化を防止する。液滴配列装置は、液体１１を保持する容器１と、音響エネルギーを発生する音響発生器９と、前記音響発生器９で発生した音響エネルギーを前記容器１内の液体１１に集束させる音響レンズ８と、前記液体１１表面から噴射された液滴１２が付着する基体４を保持する保持手段５と、前記基体４周辺の雰囲気を制御する手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を基体の所望部位に噴射することで基体表面に液滴を配列する液滴配列方法であって、基体表面と液滴との濡れ性の経時変化を防止することを特徴とする液滴配列方法。
【請求項２】
前記濡れ性の経時変化を防止するために基体周辺の雰囲気を大気から不活性ガスに置換する請求項１記載の液滴配列方法。
【請求項３】
前記基体表面を所定の濡れ性になるように処理してから、液滴を基体表面に噴射する請求項１または２記載の液滴配列方法。
【請求項４】
前記液滴が微粒子を分散させた分散液からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴配列方法。
【請求項５】
請求項４記載の液滴配列方法で配列された基体表面の液滴から液成分を除去して得られる微粒子配列物。
【請求項６】
液体を保持する容器と、音響エネルギーを発生する音響発生器と、前記音響発生器で発生した音響エネルギーを前記容器内の液体に集束させるレンズと、前記液体表面から噴射された液滴が付着する基体を保持する保持手段と、前記基体周辺の雰囲気を制御する手段とを備えている液滴配列装置。
【請求項７】
前記基体周辺の雰囲気を制御する手段が、少なくとも前記基体を内部に収容可能なケースと、当該ケース内に不活性ガスを供給するガス供給器とを備えている請求項６記載の液滴配列装置。
【請求項８】
前記基体周辺の雰囲気を制御する手段が、少なくとも基体を内部に収容可能なケースと、当該ケース内を減圧または加圧状態に維持する手段とを備えている請求項６記載の液滴配列装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を基体の所望部位に噴射することで基体表面に液滴を配列する液滴配列方法、当該方法によって得られる微粒子配列物、および当該方法を実施するための液滴配列装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基体表面に液滴または微粒子を配列する方法として、印刷用のインクジェット技術を応用し、基体上の所望部位に液滴を噴射する方法が知られている。中でも、液滴の小径化が容易であること、ノズルでの目詰まりが生じないこと、ノズル摩耗による異物混入や液滴の飛翔方向の狂いが生じないことなどから、圧電素子によって音響エネルギーを発生させ、当該エネルギーをレンズによって液面近傍に集束させ、当該液面から液滴を噴射するノズルレスインクジェット技術の開発が進められている。
【０００３】
ノズルレスインクジェット技術による基体表面での液滴、微粒子の配列技術として、回路基板製造に用いるもの（例えば特許文献１参照）、カラーフィルタの製造に用いるもの（例えば特許文献２参照）、生物学的検体の検出に用いるもの（例えば特許文献３、４参照）、マイクロレンズの製造に用いるもの（例えば特許文献５参照）などが知られている。
【０００４】
また、画像印刷用途に限定された技術ではあるが、インクを一旦、光触媒を有する画像担持体に噴射させた後、当該担持体から紙へインクを転写する技術（例えば特許文献６参照）も知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５７９６３号公報
【特許文献２】特開平７−３１４６６６号公報
【特許文献３】特開２００２−２２８６７２号公報
【特許文献４】特開２００３−１２１４４０号公報
【特許文献５】特開２００３−９０９０４号公報
【特許文献６】特開平１１−２６８２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの前提となっているノズルレスインクジェット技術は、如何に噴射時の液滴径を制御するか、あるいは如何に正確な位置に液滴を着弾させるかにのみ注目し、開発が進められている。しかし、例えば、液滴を用いて回路配線を描く場合、線幅を規定するのは噴射時の液滴径ではなく基体表面に着弾した後の液滴の径であり、単に噴射時の液滴径や着弾位置のみを制御しただけでは、正確な回路配線を描くという本来の目的を達成することが出来ない。
【０００７】
特許文献６のみは、液滴の着弾状態に着目した発明ではあるが、基体たる紙そのものに液滴を着弾させることができないため、液滴を基体表面に直接配列する技術として利用することが出来ない。
このため、基体表面に液滴を配列する場合、着弾した液滴径の変化を防止して所望の配列状態を得ることができる技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を鑑み、本願発明者らは、以下の発明を完成するにいたった。
第１発明は、液滴を基体の所望部位に噴射することで基体表面に液滴を配列する液滴配列方法であって、その特徴構成は基体表面と液滴との濡れ性の経時変化を防止する点である。
このように基体表面と液滴との濡れ性の経時変化を防ぐことで、着弾した液滴の濡れ性の変化による径の変化を防ぐことができる。その結果、基体表面に着弾した液滴の所望の配列状態が得られる。
【０００９】
第２発明は、第１発明において、前記濡れ性の経時変化を防止するために基体周辺の雰囲気を大気から不活性ガスに置換する点である。
このようにすれば、大気中に含まれる吸着物質の基体表面への付着を防ぐことができるため、基体表面と液滴との濡れ性の経時変化を防ぐ有効な方法が得られる。
【００１０】
第３発明は、第１または第２発明において、前記基体表面を所定の濡れ性になるように処理してから、液滴を基体表面に噴射する点である。
このように予め基体表面を所定の濡れ性になるように処理しておくと、着弾した液滴径の濡れ性による広がりを予め制御できるため、噴射時の液滴径を正確に制御することにより基体表面に着弾した液滴径が正確な所望の配列が得られる。
【００１１】
第４発明は、第１〜第３発明のいずれか1つにおいて、前記液滴が微粒子を分散させた分散液からなる点である。
このような分散液を用いることによって、本発明の液滴配列方法により微粒子を基体表面に所望の配列状態で配列することができる。
【００１２】
第５発明は、第４発明の液滴配列方法で配列された基体表面の液滴から液成分を除去して得られる微粒子配列物である。
【００１３】
第６発明は、液体を保持する容器と、音響エネルギーを発生する音響発生器と、前記音響発生器で発生した音響エネルギーを前記容器内の液体に集束させる音響レンズと、前記液体表面から噴射された液滴が付着する基体を保持する保持手段と、前記基体周辺の雰囲気を制御する手段とを備えた液滴配列装置である。
このような装置であれば、集束された音響エネルギーによって容器内の液体表面から基体表面に液滴を噴射させるとともに、基体周辺の雰囲気を制御して基体表面と液滴との濡れ性の経時変化を防ぐことができるため、基体表面に着弾した液滴の所望の配列物が得られる。
【００１４】
第７発明は、第６発明における前記基体周辺の雰囲気を制御する手段が、少なくとも基体を内部に収容可能なケースと、当該ケース内に不活性ガスを供給するガス供給器とを備えている液滴配列装置である。
このような装置であれば、ケース内部に収容された基体周辺を確実に不活性ガス雰囲気に置換することができるので、基体表面と液滴との濡れ性の経時変化に大きな影響を与える大気中に含まれる吸着物質の基体表面への付着を防ぐことができる具体的な手段が提供される。
【００１５】
第８発明は、第６発明における前記基体周辺の雰囲気を制御する手段が、少なくとも基体を内部に収容可能なケースと、当該ケース内を減圧または加圧状態に維持する手段とを備えている液滴配列装置である。
このような装置であれば、液体の性状や着弾した液滴の乾燥速度、あるいは基体表面と液滴との濡れ性を、ケース内が常圧下にある場合とは異なった状態に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、単に噴射時の液滴径や基体表面への液滴の着弾位置が制御されるのみでなく、基体表面と液滴との濡れ性の変化により基体表面に着弾した液滴径が経時変化することを防ぎ、所望の液滴配列状態を得る方法および装置を提供し、もって液滴あるいは微粒子が正確に配列された基体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による液滴配列方法および装置の一実施形態について説明する。
図１を用いて本発明の液滴配列装置における液滴噴出機構を説明する。本装置におけるエジェクタ２は音響発生器９、音響レンズ体８を備えている。液滴１２として噴射される液体１１は容器１に保持され、容器１とエジェクタ２の間にはキャップ７によって音響伝達媒体１０が充填、保持されている。
【００１８】
音響発生器９は圧電素子と電極から構成され、圧電素子に高周波電圧を印加することで音響エネルギーを発生させる。音響発生器９は円筒形の音響レンズ体８と接合している。音響レンズ体８の容器１側の一端は凹面レンズとなっており、音響発生器９によって生じた音響エネルギーを音響伝達媒体１０に伝え、かつ当該エネルギーを液体１１の液体表面近傍に集束させている。音響伝達媒体１０から容器１の底部を通じて伝わった当該エネルギーによって、液体１１の液体表面から液滴１２が噴射される。
【００１９】
液体１１は水溶液、有機溶媒、溶融金属、あるいは微粒子を分散させた分散液など、液状であれば特段の制限はない。微粒子は必ずしも球形である必要はなく、不定形あるいは針状であってもよい。
【００２０】
音響発生器９は音響エネルギーを発生させうる構造ならば、圧電素子と電極との組み合わせに制限されるものではない。
音響レンズ体８の素材は音響速度が比較的高いものであれば特段の制限はないが、珪素または石英などの珪素化合物が好ましい。また凹面レンズのかわりとして、音響レンズ体８の一端にフレネルネンズを設けてもかまわない。
音響伝達媒体１０は、エジェクタ２で発生させた音響エネルギーを大きく減衰させることなく容器１から液体１１へと伝達できるものであれば、固体、液体、気体のいずれであってもよく、またその組成も限定されるものではないが、手軽に利用できるものは水である。
【００２１】
音響伝達媒体１０および容器１を介してエジェクタ２が液体１１へ非接触で音響エネルギーを伝える構造であれば、容器１ごと液体１１の種類を変えることで容易に液滴１２の種類を変更することができる。
ちなみにエジェクタ２が液体１１に浸漬していれば音響伝達媒体１０は必要ない。しかし、このような構造は噴射する液体１１が１種類であれば問題ないが、複数種類の液体１１を噴射させたい場合、液体１１の種類が変わるたびにエジェクタ２を洗浄せねばならない。
【００２２】
さらに図１を用いて本発明の液滴配列装置の概略構成を示す。
本装置は容器１、エジェクタ２、キャップ７に加え、基体４、基体支持機構５、エジェクタ支持機構３、ケース６、ガス供給器１４、圧力維持機構１５から構成される。
【００２３】
基体４は基体支持機構５によって支持され、エジェクタ２はエジェクタ支持機構３によって支持されている。図１において、基体支持機構５およびエジェクタ支持機構３は容器１をはさんでそれぞれ基体４およびエジェクタ２を支持しているが、液滴１２の基体４への着弾を妨げることがなければ、基体支持機構５およびエジェクタ支持機構３はどのような構造であってもよい。
また基体４の形状、材質に特に制限はなく、形状としては平板状、アレイ状、球状など、材質としてはガラス、金属、セラミックス、プラスチックなど任意に選択すればよい。
【００２４】
基体４表面に液滴１２の所望配列を得る、とは基体４表面に１個あるいは複数個の液滴１２を付着させることをいい、着弾した液滴１３が基体４表面に点として存在する場合のみでなく、点が連なって線として存在する場合をも含む。
複数の液滴１２を基体４表面の２次元的あるいは３次元的に異なる部位に付着させるには、基体４またはエジェクタ２の少なくとも一方が２次元的または３次元的に動かなければならない。このため基体支持機構５またはエジェクタ支持機構３の少なくとも一方には、それぞれが支持する基体４またはエジェクタ２を動かし、基体４とエジェクタ２を所望の位置関係に位置付ける機能をもたせることが好ましい。
【００２５】
ケース６は容器１、エジェクタ２、キャップ７、基体４、基体支持機構５、エジェクタ支持機構３をその内部に収容しており、ガス入口６ａおよびガス出口６ｂを備えている。ケース６は、ガス供給器１４から供給される不活性ガスを、ガス入口６ａから取り込みガス出口６ｂから排出することで、ケース内の大気を不活性ガスに置換することができる。また圧力維持機構１５はケース６内の雰囲気を外部に排出してケース６内を減圧状態に維持する、あるいはケース６内に外部から加圧ガスを流入させ当該ガスを閉じ込めることでケース６内を加圧状態に維持することができる。ガス供給器１４と圧力維持機構１５は、必要に応じて一方のみを備えていても両方を備えていてもよい。
【００２６】
基体４に着弾した液滴１３はその端部域から乾燥していくため、乾燥過程において着弾した液滴１３の径はほとんど変化せず、基体４に対する液滴１３の高さのみが減じていく。従って基体４表面に液滴を配列する場合、着弾した液滴１３の径を制御することが重要である。
【００２７】
基体４表面に着弾した液滴１３の径は、基体４表面と液滴１２との濡れ性に大きく依存する。ここで濡れとは、基体４表面への液滴１２の着弾により、基体４表面が消失し新たに基体４と着弾した液滴１３の界面が生成する現象をさし、図２に示す如く、基体４表面と着弾した液滴１３の接触点において、液滴１３に引いた接線と基体４とのなす角である接触角θが小さいほど濡れ性が高く、逆に接触角θが大きいほど濡れ性が低いという。同じ容量の液滴１２であれば、接触角θが小さければ着弾した液滴１３は大きく濡れ広がり、逆に接触角θが大きければあまり濡れ広がらない。
【００２８】
基体４表面と液滴１２との濡れ性は基体４の固体表面張力から液滴１２の表面張力を引いた差によって決定付けられる。この差が正であれば液滴１２は表面エネルギーを減らすために完全に濡れ広がり、負であれば着弾した液滴１３が特定の接触角θをもつ。液滴１２の表面張力が一定であっても基体４の固体表面張力が一定しない場合、接触角θは一定しない。噴射時の液滴１２の個々の径が一定であっても、基体４と液滴１２との濡れ性が変わってしまえば、着弾した液滴１３の個々の濡れ広がり方が変わってしまうため、着弾時の液滴１３の径は一定しない。液滴１２を基体４表面に配列するにはある程度の作業時間が必要なため、着弾した液滴１３の径を一定にするには基体４表面と液滴１２との濡れ性の経時変化を防止することが必要である。噴射時の液滴１２の径を一定に保ち、かつ着弾した液滴１３の濡れ広がりを一定に保てば、図３の如く着弾した液滴１３の径が変化しない所望の配列が得られる。
【００２９】
基体４表面の固体表面張力は基体４そのものの特性に依存するが、固体表面張力の経時変化に大きな影響を与えるのは、基体４表面への吸着物質の付着である。大気中には有機物質、水分、微粒子など様々な吸着物質が存在している。基体４を大気中に放置した場合、基体４表面にこれら吸着物質が付着していき、基体４の表面状態が経時的に変化する。これにともなって基体４の固体表面張力が経時的に変化し、基体４表面と液滴１２との濡れ性が経時的に変化していく。
【００３０】
液滴１２を配列する際、基体４周辺の雰囲気を制御すれば、このような問題を回避することができる。例えば吸着物質の１つである有機物質濃度は基体４周辺の雰囲気において１％以下に制御することが好ましい。このようにすれば、基体４表面と液滴１２との濡れ性に大きな影響を与える吸着物質の１つである有機物質の基体４表面への経時的な付着を防ぐことができるため、基体４表面に着弾した液滴１３の径が変化しない所望の配列が得られる。
【００３１】
基体４周辺の雰囲気を制御することができるのであれば制御方法に特段の制限はないが、吸着物質濃度の低い窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスによって基体４周辺の雰囲気を大気から置換することが好ましい。雰囲気の置換は、ガス供給器１４から常時ガスをケース６へ供給し続ける、あるいは大気と不活性ガスとの置換が終了した時点でケース６を密閉するといった方法を用いることができる。また後述する基体４の表面処理手段、例えば液滴１２を配列する際に紫外線照射を行うといった方法を用いてもよい。ケース６内の雰囲気置換をより完全に行うには予め大気圧での不活性ガスによる予備置換を行った後、圧力維持機構１５を用いて脱気置換を行うことが好ましい。なお大気圧での不活性ガスによる予備置換をせずに脱気すると、断熱膨張により大気中の水分が凝縮し、かえって雰囲気中の吸着物質濃度を上げてしまうことになるので注意を要する。
【００３２】
さらに本装置に基体４を設置する場合は、予め基体４の表面処理を行い、基体４表面と液滴１２との濡れ性を制御しておくことが好ましい。このようにすれば、着弾した液滴径の濡れ性による広がりを予め制御できるため、噴射時の液滴径を正確に制御することにより基体表面に着弾した液滴径が正確な所望の配列が得られる。また、予め着弾位置ごとに濡れ性を制御しておけば、噴射時の径が同じ液滴１２を噴射しても、図４の如く着弾した液滴１３の径が異なる配列が得られる。また、基体表面の各部の濡れ性を一定とし、噴射時の液滴１２の径を変化させても着弾した液滴１３の径が異なる配列が得られる。
基体４の表面処理方法として、基体４に紫外線やオゾンガス、プラズマガスを照射する、基体４を過酸化水素水で洗浄する、シランカップリング剤で基体４表面を処理するといった方法を用いることができる。基体４と液滴１３との接触角は必ずしも大きいほど良い、あるいは小さいほど良いということはなく、液滴の配列目的に応じて任意に選択すればよい。
【００３３】
ケース６内は、圧力維持機構１５を用いて減圧または加圧状態に維持することもできる。圧力維持機構１５は通常、ポンプや圧力弁などから構成されるが、ケース６内を減圧または加圧状態に維持できるならば、その構成に特段の限定はない。また図１において圧力維持機構１５はガス出口６ｂ側に設置されているが、設置部位に特段の制限はなく、また一箇所にまとめて設置する必要もない。
ケース６内を減圧または加圧状態に維持すると、液体１１の性状や着弾した液滴１３の乾燥速度、あるいは基体４表面と液滴１２との濡れ性をケース６内が常圧下にある場合とは異なった状態に制御することができるので、ケース６内の圧力は所望の液滴配列に応じて任意に設定すればよい。
【００３４】
本発明によれば、液滴１３の配列のみならず、基体４表面に微粒子を配列することも可能である。液体１１として微粒子を分散させた分散液を用いれば微粒子が内包された液滴１２が生じる。微粒子が内包されているとは、液滴１２の表面あるいは内部に１個または複数の微粒子が存在している状態をいう。微粒子を内包した液滴１２を基体４表面に噴射し各液滴１２を配列させ、液滴１３の液成分を除去することによって微粒子を基体４表面に配列することができる。液滴１３の液成分の除去は、例えば乾燥によって行うことができる。
【００３５】
液滴１２の中に複数の微粒子を内包させた場合、基体４と液滴１３との接触角θにより液滴１３の液成分の乾燥速度およびそれにともなう液分移動の内部流速が決定される。着弾した液滴１３は、その乾燥過程において径がほとんど変化しないため、接触角θと液体１１の特性、固体微粒子の形状を組みかえることで、液滴１３の径の範囲内に様々な構造の微粒子集合体を基体４表面に残すことができる。
【００３６】
微粒子は液中に比べ気中では分散が困難である。このため気中で微粒子１つ１つを任意に配置した集合体を作ることは大変難しいが、本発明による方法を用いれば、液体１１中に分散していた微粒子で、密で整然とした集合体、あるいは疎でランダムな集合体などを容易に作ることができる。集合体の構造制御は、分散液の性状に加え、着弾した液滴１３の液成分の乾燥によって生じる内部流の制御によって行うことができる。液成分の乾燥速度は着弾した液滴１３の接触角θに大きく依存するため、基体４表面と液滴１２との濡れ性を制御することは重要である。
着弾した液滴１３は乾燥過程でその径がほとんど変化しないため、微粒子集合体の大きさは着弾した液滴１３の径にほぼ等しい。液滴１３を配列し液成分を除去することによって、様々な集合構造をもつ微粒子集合体を任意の大きさで基体４表面に配列することができる。
【実施例１】
【００３７】
図１に示す装置を用いて、基体の表面処理の有無が基体表面と液滴との濡れ性にどのように影響するか実験した。基体にはコーニング１７３７ガラス（コーニング社製）を、液体には純水を用いた。１．１ピコリットルの液滴を噴射することで噴射時の径が約１００μｍの液滴の配列物を得た。接触角は基体に着弾した液滴をＣＣＤカメラで撮影し画像解析することで測定した。
購入した基体をそのまま用いたところ、着弾した液滴の接触角は約４０°であった（図５参照）。一方、購入した基体を過酸化水素水に浸漬させ５０Ｈｚで１０分間超音波洗浄を行った後、基体から１ｃｍの距離で低圧水銀ランプによる２０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を３０秒照射した基体を用いたところ、着弾した液滴の接触角は５°未満で殆ど完全に濡れ広がり、液滴としての形状を視認できなかった（図６参照）。
【実施例２】
【００３８】
図１に示す装置を用いて、基体表面に液滴を配列する際の雰囲気制御の有無が接触角にどのような影響を及ぼすか実験した。実施例１と同じ方法で基体に表面処理を施した後、純水液滴を基体に噴射し液滴配列物を得た。
ケース内の雰囲気を大気のままにした場合と、ケース内に高純度アルゴンガスを１分あたり１リットルの速度で３０分間吹き込み続けた後ケースを密閉した場合との、着弾した液滴の接触角の測定結果を図７に示す。前者は実線、後者は破線で示されている。前者の接触角が経時的に増加しているのに対し、後者の接触角はほとんど変化していないことが分かる。
【実施例３】
【００３９】
図１に示す装置を用いて、基体に微粒子集合体の配列物を作製した。ヘキサメタリン酸０.０５ｗｔ％溶液に粒径が１μｍのポリスチレン微粒子（インターフェイシャルダイナミックス社製）を５ｖｏｌ％となるよう添加し、超音波ホモジナイザを用いて３分処理した分散液を液体として用いた。２.５マイクロリットルの液滴をガラス基体に噴射し液滴配列物を得た後、２５℃で乾燥することで微粒子集合体の配列物を得た。得られた微粒子集合体を図８に示す。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、液滴を基体の所望部位に噴射し着弾した液滴の径を制御することで、基体表面に液滴を所望配列する方法、装置および任意の集合構造をもつ微粒子配列物を提供し、もって回路基板の製造等、様々な産業に資するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る液滴配列装置の概略構成図
【図２】液滴と基体との接触角を示す図
【図３】液滴配列状態の１例を示す図
【図４】液滴配列状態の１例を示す図
【図５】表面処理をしない基体と液滴との接触角を示す写真（実施例１）
【図６】表面処理をした基体と液滴との接触角を示す写真（実施例１）
【図７】雰囲気制御による接触角の違いを示すグラフ（実施例２）
【図８】微粒子集合体の写真（実施例３）
【符号の説明】
【００４２】
１    容器
２    エジェクタ
３    エジェクタ支持機構
４    基体
５    基体支持機構
６    ケース
６ａ  ガス入口
６ｂ  ガス出口
７    キャップ
８    レンズ体
９    圧電素子
１０  音響伝達媒体
１１  液体
１２  液滴
１３  着弾した液滴
１４  ガス供給器
１５  圧力維持機構
θ    接触角
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005270929.tif 000005
【図４】
2005270929.tif 000006
【図５】
2005270929.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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