(57)【要約】  基材上の金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置であって、基材を照射するための、円筒形の放射器管と放射器管長手軸線とを有する複数の赤外線放射器と、基材へと放射を反射するためのリフレクタとを有し、放射器と基材とは、搬送方向に互いに相対移動可能であり、赤外線放射器は、ＩＲ−Ｂ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも３０％であり、かつＩＲ−Ｃ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも５％である放射を放出し、各赤外線放射器は、各放射器管長手軸線が互いに平行となり、かつ搬送方向に対して横断方向に延在するように１つの放射器モジュール内に配置されており、基材の表面上に所定の照射野が、乾燥ゾーンと、搬送方向に見て乾燥ゾーンの下流側に配置された焼結ゾーンとに分割されるように照射され、乾燥ゾーンは、搬送方向の中心軸線に沿って焼結ゾーンよりも少なくとも１５％だけ低い照射密度に曝されている、装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上の金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置であって、
前記基材を照射するための複数の光放射器と、前記基材へと放射を反射するためのリフレクタとを有し、
前記放射器と前記基材とは、搬送方向に互いに相対移動可能である、
装置において、
前記光放射器は、円筒形の放射器管と、放射器管長手軸線とを有する赤外線放射器であり、
前記赤外線放射器は、ＩＲ−Ｂ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも３０％であり、かつＩＲ−Ｃ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも５％である放射を放出し、
各前記赤外線放射器は、該赤外線放射器の前記放射器管長手軸線が互いに平行となり、かつ前記搬送方向に対して横断方向に延在するように１つの放射器モジュール内に配置されており、
前記基材の表面上に所定の照射野が、乾燥ゾーンと、前記搬送方向に見て前記乾燥ゾーンの下流側に配置された焼結ゾーンとに分割されるように照射され、
前記乾燥ゾーンは、前記搬送方向に延在する中心軸線に沿って、前記焼結ゾーンよりも少なくとも１５％だけ低い照射密度に曝されている
ことを特徴とする、装置。
【請求項２】
複数の前記赤外線放射器は、１６００ｎｍと３０００ｎｍの間の波長範囲にある放射最大値を有する第１形式の赤外線放射器と、９００ｎｍと１６００ｎｍの間の波長範囲にある放射最大値を有する第２形式の赤外線放射器とを含む
ことを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
複数の前記第１形式の赤外線放射器と、複数の前記第２形式の赤外線放射器とが設けられており、
互いに隣り合う前記第１形式の赤外線放射器の相互の間隔は、互いに隣り合う前記第２形式の赤外線放射器の相互の間隔よりも大きい
ことを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記赤外線放射器は、前記放射を連続的に放出する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
前記赤外線放射器は、広帯域の放射スペクトルを有し、
前記放射スペクトルは、可視範囲とＩＲ−Ａ範囲とにおいて合わせて前記総放射器出力の少なくとも１０％の放射成分を有する
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
前記照射野は、８００ｃｍ２から６０００ｃｍ２の範囲の総面積を有し、
前記乾燥ゾーンの面積と前記焼結ゾーンの面積とは、それぞれ前記総面積の少なくとも３０％であり、好ましくは、前記乾燥ゾーンの面積は、前記総面積の３５％と６５％の間の範囲にある
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の装置。
【請求項７】
前記乾燥ゾーンと前記焼結ゾーンとは、同じ面積を有する
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
前記乾燥ゾーンは、前記中心軸線に沿って、５０ｋＷ／ｍ２より低い平均照射密度を有する
ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
前記焼結ゾーンは、前記中心軸線に沿って、５０ｋＷ／ｍ２より高い平均照射密度を有する
ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
前記放射器モジュールは、３０ｋＷ／ｍ２から２５０ｋＷ／ｍ２の範囲の平均照射密度を有する照射野を照射するために設計されている
ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項記載の装置。
【請求項１１】
前記放射器モジュールは、冷却要素、好ましくは水冷式冷却装置を有し、
前記冷却要素は、前記リフレクタの、前記赤外線放射器とは反対側に配置されている
ことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上の金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置であって、前記基材を照射するための複数の光放射器と、前記基材へと放射を反射するためのリフレクタとを有し、前記放射器と前記基材とは、搬送方向に互いに相対移動可能である装置に関する。
【０００２】
本発明における金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置は、印刷膜を硬化させるために使用される。この装置は、例えば電子回路要素の製造に使用され、特にＲＦＩＤ、有機太陽電池、ＯＬＥＤ、又は印刷電池の製造に使用される。
【背景技術】
【０００３】
電子回路要素を印刷法によって簡単かつ低コストに製造できることが公知である。従って、このような電子回路要素は、プリンテッドエレクトロニクス、すなわち“Printed Functionalities”又は“Printed Electronics”とも呼ばれる。
【０００４】
プリンテッドエレクトロニクスの製造時には、まず第１方法ステップにおいて、金属含有インクが適当な基材、例えばプラスチックフィルム、紙、又はガラスの上に、印刷法によって薄膜として被着される。インク被膜厚は、一般的に０．３μｍと３．０μｍの間にある。インク被膜を被着させるためには、種々の印刷法を使用することができる。多くの場合、スクリーン印刷、ロールツーロール法、又はインクジェット印刷が使用される。インクジェット印刷の場合には、金属含有インクがインクジェットプリンタから液滴の状態で基材上に転写される。この方法では各複写がそれぞれ新しく作成されるので、デジタル印刷法の１つに数えられる。
【０００５】
プリンテッドエレクトロニクスの製造時に使用されるインクは、小さい金属粒子を高濃度で含み、この金属粒子の粒子サイズは、多くの場合、ナノメータ範囲にある。金属粒子は、水性又は有機性の分散剤の中に分散されている。インクはさらに、例えば粒子架橋性、溶解性、濡れ性を改善するために、又は凝集を防止するために、有機添加剤を含むことができ、若しくは、インクの加工性を改善するために水性添加剤を含むこともできる。
【０００６】
基材の被膜に導電性及び耐久性を付与するためには、第２方法ステップにおいて、インク被膜を乾燥及び焼結する必要がある。最初に実施される乾燥プロセスは、インクの揮発性成分、例えば有機添加剤又は分散剤の除去に寄与する。しかしながら、基材上に残った金属粒子被膜の中の金属粒子は、まずは個別の粒子として存在しており、これらの個別の粒子は、被膜に導電性を付与するために、その後の焼結プロセスによって互いに結合させなければならない。高い導電率は、例えば約５０％の固形分を有する銀ナノ粒子を含むインクによって実現される。
【０００７】
プリンテッドエレクトロニクスの製造時には、多数の乾燥方法及び焼結方法が使用される。インク被膜の乾燥は、例えば暖められたガスを使用することによって実施され得る。ガスとして例えば空気、窒素、又は希ガスが適している。しかしながらプリンテッドエレクトロニクスの製造には、基本的に、耐熱性が制限されたプラスチックからなる基材が使用されるので、暖められるガスの温度を任意に高温に選択することはできない。従って、多くの場合、暖められたガスの使用によって被膜の乾燥のみが実施される。さらには、被膜の乾燥用にガスを使用するためには大きなスペースが必要とされ、また処理時間が長くなる。
【０００８】
従って、迅速な乾燥プロセス及び焼結プロセスをそれでもなお保証するために、被覆された基材に光放射を照射するための放射源が使用される。この装置においては、ＵＶ放射源、例えば水銀蒸気放電ランプ又はＬＥＤ、及び、ＮＩＲ放射を放出する放射源、例えばパルス点灯型のキセノンフラッシュランプ又はクリプトンフラッシュランプ、若しくはＮＩＲレーザダイオードが使用される。
【０００９】
例えば、米国特許出願公開第２０１０／０００３０２１号明細書は、可視範囲、赤外範囲、及び／又はＵＶ範囲の波長を有する放射を放出するために適した、例えばキセノンフラッシュランプの形態の単一の放射源を用いて、金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置を開示している。この装置はさらに、硬化中の被膜の光学特性に基づいて放射を制御するための制御ユニットを含む。
【００１０】
しかしながら、キセノンフラッシュランプはいくつかの欠点を有する。すなわち、キセノンフラッシュランプは、規則的に高い出力密度の放射を形成し、比較的高価である。キセノンフラッシュランプを使用した場合にはさらに、照射野が一定に照射されない。特に、基材とフラッシュランプとが高速に相対移動する場合には、照射野が不均一に照明される可能性がある。このことは、金属含有インクの揮発性成分の均一な蒸発に影響を及ぼすおそれがある。
【００１１】
さらには、金属含有インクの乾燥と焼結とを同時に実施するために単一の放射源を使用することにより、焼結プロセスが不完全に進行する可能性があることが判明している。乾燥プロセスと焼結プロセスとを同時に進行させることにより、表面では焼結が既に完了しているが、その一方で、被膜の深部に位置する膜からは揮発性成分が完全には蒸発されないままとなることがある。この揮発性成分が乾燥及び焼結の共同プロセス中にさらに加熱された場合には、微視的な爆発が生じる可能性があり、これによって、既に焼結されている膜が損傷するおそれがある。このような爆発は、規則的に被膜の導電性を阻害する。
【００１２】
この欠点を回避するために、冒頭に述べた上位概念の装置が開示される米国特許出願公開第２０１３／００４３２２１号明細書では、揮発性成分を蒸発させるために、低い照射出力を有する第１フラッシュランプを設け、基材の搬送方向に見て前記第１フラッシュランプの下流側に、被膜を焼結するための比較的高い放射出力を有する別個の第２フラッシュランプを配置することが提案される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
技術課題
第２放射源を別個に配置することは、この第２放射源が配置される大きな構造スペースを前提としている。すなわち、第２放射源は、装置のコンパクトな構造を阻害している。さらには、複数のランプを備える装置は製造に手間が掛かり、製造コスト増加の一因となる。フラッシュランプはさらに、上述した欠点を有する。すなわち、フラッシュランプは高価であり、規則的に高い照射密度のために設計されている。
【００１４】
従って、本発明の課題は、基材を均一に照射することができ、コンパクトな構造を有し、さらには簡単かつ低コストに製造することができる、金属含有インクを乾燥及び焼結するための効果的な装置を提供することである。
【００１５】
発明の概要
上記課題は、頭に述べた上位概念に記載の、金属含有インクを乾燥及び焼結するための冒装置から出発して、前記光放射器は、円筒形の放射器管と、放射器管長手軸線とを有する赤外線放射器であり、前記赤外線放射器は、ＩＲ−Ｂ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも３０％であり、かつＩＲ−Ｃ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも５％である放射を放出し、各前記赤外線放射器は、該赤外線放射器の前記放射器管長手軸線が互いに平行となり、かつ前記搬送方向に対して横断方向に延在するように１つの放射器モジュール内に配置されており、前記基材の表面上に所定の照射野が、乾燥ゾーンと、前記搬送方向に見て前記乾燥ゾーンの下流側に配置された焼結ゾーンとに分割されるように照射され、前記乾燥ゾーンは、前記搬送方向に延在する中心軸線に沿って、前記焼結ゾーンよりも少なくとも１５％だけ低い平均照射密度に曝されている、ようにしたことによって解決される。
【００１６】
上位概念に記載の、金属含有インクを乾燥及び焼結するための装置から出発して、本発明によれば２つの修正が提案される。そのうちの一方は、光放射器の形式に関するものであり、他方は、照射野に対応付けられた放射器モジュールの内部に光放射器を配置することに関する。
【００１７】
一般的な見解では、金属含有インクを乾燥及び焼結する際には、このために可視範囲又はＩＲ−Ａ範囲の狭帯域の又は離散的な放射スペクトルを形成する光放射器を使用すると、良好な結果が達成されるとされる（参考文献：Z. Radivojevic et al.: Optimised curing of silver ink jet based printed traces, Proceedings of 12th International Workshop on Thermal Investigations of ICs -Therminic 2006, Nice: France (2006); R. Cauchois et al.: Impact of variable frequency microwave and rapid thermal sintering on microstructure of inkjet-printed silver nanoparticles, J. Mat. Sci 47, (2012), p. 20; J. West et al.: Photonic Sintering of Silver Nanoparticles: Comparison of Experiment and Theory, in Volodymyr Shatokha [Ed.]: Sintering-Methods and Products. InTech: 2012; A. Khan et al.: Laser sintering of direct write silver nano-ink conduetors for microelectronic applications. Proc. SPIE 6879 (2008)）。
【００１８】
これに対して本発明による装置は、複数の赤外線放射器を有し、これらの赤外線放射器の放射スペクトルは、実質的にＩＲ−Ｂ範囲の放射成分とＩＲ−Ｃ範囲の放射成分とを含む。
【００１９】
金属含有インクは、分散剤の中に固体の金属粒子が分散された分散液である。金属粒子自体は、入射したＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射に対して高い反射率を有する。赤外線放射器から放出されたＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射と、金属粒子から拡散的に反射された放射とは、乾燥すべき膜の内部で分布し、従って、主に金属含有インクの別の成分を照射するために使用することができる。
【００２０】
当該別の成分には、多くの場合、上記範囲の波長を有する放射に対して良好な吸収特性を有する有機化合物が含まれる。ＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射は、規則的に分散剤及び揮発性物質によって吸収され、これにより、前記別の成分は蒸発することができる。従って、ＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射は、焼結プロセスにおいて金属粒子が互いに結合される前に、インクの良好な乾燥に寄与する。それゆえＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射を使用すると、後続の焼結プロセスにおける微小爆発の発生も減少する。
【００２１】
総放射器出力は、放射器管アレイの放射面積に関連した、積分された照射出力であり、単位はＷである。赤外線放射器が、ＩＲ−Ｂ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも３０％であり、かつＩＲ−Ｃ放射の放射成分が総放射器出力の少なくとも５％である放射を放出する場合には、良好な結果が達成される。
【００２２】
この関連において赤外線放射器がさらに、可視範囲の放射成分と、ＩＲ−Ａ範囲の放射成分とを放出すると有利であることが判明している。上記範囲の波長を有する放射は、ＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射に比べてより高い放射エネルギを有し、特に金属粒子を焼結するために適している。ＩＲ−Ａ放射は、０．７８μｍから１．４μｍの範囲の波長を有し、ＩＲ−Ｂ放射の波長は、１．４μｍから３．０μｍの範囲にあり、ＩＲ−Ｃ放射の波長は、３μｍから１０００μｍの範囲にある。
【００２３】
本発明によればさらに、複数の赤外線放射器が、１つの共通の放射器モジュール内に配置されている。複数の別個の放射器とは異なり、このような放射器モジュールは、複数の赤外線放射器のためにただ１つの共通のケーシングしか必要とせず、従って、本発明の装置のコンパクトな構造に寄与する。
【００２４】
さらには、円筒形の放射器管を備える赤外線放射器を使用することによって、複数の赤外線放射器を１つの共通の放射器モジュール内にコンパクトに配置することが可能となる。本発明によって各赤外線放射器が、該赤外線放射器の放射器長手軸線が互いに平行になるように１つの放射器モジュール内に配置されていることが、このために寄与する。それと同時に、各放射器管を平行に配置することによって、基材を高い照射密度で平面的に照射するために適した平面型の放射器が得られる。各赤外線放射器が、各赤外線放射器の放射器長手軸線が搬送方向に対して横断方向に延在するように配置されていることも、このために寄与する。この関連において、放射器長手軸線が、搬送方向に対して４５°から９０°の角度範囲で傾斜して延在していると有利であることが判明している。最も簡単なケースでは、放射器モジュールは、各赤外線放射器の放射器長手軸線が、搬送方向に対して垂直に延在するように配置されている。
【００２５】
放射器モジュールは、照射野が２つの異なるゾーンによって、すなわち乾燥ゾーン及び焼結ゾーンによって形成されるように構成されている。照射野という用語は、基材によって画定された平面上における、放射器モジュールの同じ大きさの直交投影であると理解される。
【００２６】
乾燥ゾーンと焼結ゾーンとは、照射密度の点で異なる。これら２つのゾーンの照射密度は、金属含有インクの乾燥時に進行するプロセスと、焼結時に進行するプロセスとに適合されている。これら２つのゾーンはさらに、相異なる最大温度及び温度プロフィールを有することができる。
【００２７】
乾燥ゾーンと焼結ゾーンとは、直接相接しているか、又は、互いに間隔を置いている。乾燥ゾーンと焼結ゾーンとの間には、移行ゾーンを配置することができ、この移行ゾーンの照射密度は、乾燥ゾーンの照射密度と焼結ゾーンの照射密度の間の範囲にある。
【００２８】
放射器モジュールと基材とが搬送方向に互いに相対移動可能であることにより、基材は、乾燥ゾーンも焼結ゾーンも通過する。放射器モジュールは、基材がまず乾燥ゾーンを通過し、その後焼結ゾーンを通過するように構成されている。
【００２９】
本発明によれば、乾燥ゾーンは、搬送方向に延在する中心軸線に沿って、焼結ゾーンよりも低い平均照射密度を有する。乾燥ゾーンの照射密度が焼結ゾーンに比べて低いことに伴って、乾燥ゾーンにおけるエネルギ入力はより小さくなり、これによって乾燥中には、焼結プロセスは生じ得なくなる。焼結ゾーンの平均照射密度は、金属粒子を焼結するために設計されている。被膜が既に乾燥ゾーンを通過済みであることにより、焼結ゾーンにおいて効果的な焼結プロセスが可能となる。
【００３０】
乾燥ゾーンの照射密度及び焼結ゾーンの照射密度は、例えば、隣り合う放射器の間の間隔を適切に選択することによって、及び、相異なる放射器形式を使用することによって、及び、相異なる動作パラメータ（例えば動作電流、動作電圧）で放射器を動作させることによって、達成することができる。
【００３１】
乾燥ゾーン及び焼結ゾーンは、１つの共通の放射器モジュールによって形成されるので、これら２つのゾーンは、互いに比較的小さい間隔を有する。こうすることにより、基材を乾燥ゾーンから焼結ゾーンへと搬送する間に生じ得る冷却プロセスが減少する。従って、放射器モジュールは、本発明の装置の高いエネルギ効率に寄与する。
【００３２】
本発明の装置の有利な実施形態では、複数の前記赤外線放射器は、１６００ｎｍと３０００ｎｍの間の波長範囲にある放射最大値を有する第１形式の赤外線放射器と、９００ｎｍと１６００ｎｍの間の波長範囲にある放射最大値を有する第２形式の赤外線放射器とを含む。
【００３３】
相異なる放射最大値を有する赤外線放射器によって、規則的に基材への相異なるエネルギ入力が引き起こされる。従って、複数の異なる赤外線放射器を使用することは、乾燥ゾーン及び焼結ゾーンのような相異なる複数のゾーンを有する１つの照射野を形成するために寄与し得る。第１形式の赤外線放射器は、特に金属含有インクの揮発性成分によって吸収される放射成分を放出する。従って、第１形式の赤外線放射器は、乾燥ゾーンの照射に適している。第２形式の赤外線放射器は、９００ｎｍと１６００ｎｍの間の放射最大値を示し、従って、規則的に基材への比較的高いエネルギ入力を引き起こす。第２形式の赤外線放射器によって放出される放射は、金属粒子によっても吸収される。従って、第２形式の赤外線放射器は、焼結プロセスを促進するために適している。第２形式の赤外線放射器は、焼結ゾーンの照射のために設けられることが好ましい。
【００３４】
本発明の装置のさらなる有利な実施形態では、複数の前記第１形式の赤外線放射器と、複数の前記第２形式の赤外線放射器とが設けられており、互いに隣り合う前記第１形式の赤外線放射器の相互の間隔は、互いに隣り合う前記第２形式の赤外線放射器の相互の間隔よりも大きい。
【００３５】
隣り合う赤外線放射器の相互の間隔は、照射野の照射密度に影響を与える。間隔が大きくなれば照射密度は低くなり、これに対して間隔が小さくなれば照射密度は高くなる。好ましくは、第１形式の赤外線放射器は、照射野の乾燥ゾーンに割り当てられており、第２形式の赤外線放射器は、照射野の焼結ゾーンに割り当てられている。第１形式の赤外線放射器の相互の間隔が、隣り合う第２形式の赤外線放射器の相互の間隔よりも大きいことにより、第１形式の赤外線放射器は、より低い照射密度を形成する。本発明によればこのことは、特に乾燥ゾーンにおいて有利である。
【００３６】
前記赤外線放射器が、前記放射を連続的に放出すると有利であることが判明している。
【００３７】
特に、断続的に動作する放射器、例えばフラッシュランプの場合には、インクを乾燥及び焼結するための装置において基材と放射源とが互いに相対移動可能であることによって、照射密度に変動が生じる。従って、特に基材を均一に照射するためには、放射を連続的に放出する赤外線放射器が適している。このような赤外線放射器を備える放射器モジュールは、時間的に一定の照射野を形成する。
【００３８】
本発明の装置の好ましい実施形態では、前記赤外線放射器は、広帯域の放射スペクトルを有し、前記広帯域の放射スペクトルは、可視範囲及びＩＲ−Ａ範囲において合わせて前記総放射器出力の少なくとも１０％の放射成分を有する。
【００３９】
広帯域の放射スペクトルを有する放射器は、金属含有インクの乾燥のためにも焼結のためにも使用することができる。特に可視範囲の波長を有する放射及びＩＲ−Ａ放射は、ＩＲ−Ｂ放射及びＩＲ−Ｃ放射に比べて高い放射エネルギを有し、特に金属粒子を焼結するために適している。しかしながらこの場合の焼結効率は、照射密度に依存している。ＩＲ−Ａ放射の放射成分が３０％より小さい放射器を使用すると、乾燥ゾーン及び焼結ゾーンにおける各照射密度を、隣り合う放射器の相互の間隔を適切に適合することによって調整することができる。
【００４０】
本発明の装置のさらなる好ましい修正形態では、前記照射野は、８００ｃｍ２から６０００ｃｍ２の範囲、特に好ましくは１５００ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲の総面積を有し、前記乾燥ゾーンの面積と前記焼結ゾーンの面積とは、それぞれ前記総面積の少なくとも３０％であり、好ましくは、前記乾燥ゾーンの面積は、前記総面積の３５％と６５％の間の範囲にある。
【００４１】
照射野の面積は、基材の単位面積当たりの乾燥期間及び焼結期間に影響を与える。照射野の面積が８００ｃｍ２より小さい場合には、単位時間当たりに乾燥される基材面積が比較的小さくなり、従って、乾燥コストが増加する。６０００ｃｍ２より大きい総面積と、それと同時に良好な照射密度とを有する照射野を有する装置は、高コストにしか製造できない。
【００４２】
さらには、乾燥ゾーン及び焼結ゾーンの面積が、総面積のできるだけ大部分を占めることが基本的に望ましい。従って、効果的な乾燥プロセスのためには、乾燥ゾーン及び焼結ゾーンが総面積の少なくとも３０％であると有利であることが判明している。基材と放射器モジュールとが互いに相対移動可能であるので、基材の有効な照射期間は、乾燥ゾーン又は焼結ゾーンの面積に依存している。ゾーンの面積が大きければ、基材の照射にかかる時間が長くなる。効果的な乾燥プロセス及び焼結プロセスを保証するために、照射期間を適合させることができる。このことは、乾燥ゾーン及び焼結ゾーンの面積を適切に選択することによって実施することができる。乾燥ゾーン／焼結ゾーンが、総面積の３５％と６５％の間の範囲の面積を有する場合には、乾燥ゾーンの照射期間と焼結ゾーンの照射期間の比率を、１：２と２：１の間の範囲に適合することができる。
【００４３】
前記乾燥ゾーンと前記焼結ゾーンとが同じ面積を有していると有利であることが判明している。
【００４４】
乾燥ゾーンと焼結ゾーンとが同じ面積を有する場合には、これら２つのゾーンにおいて基材の有効な照射を同等の期間に亘って保証することができる。
【００４５】
前記乾燥ゾーンは、前記中心軸線に沿って、５０ｋＷ／ｍ２より低い平均照射密度を有することが好ましい。
【００４６】
平均照射密度が５０ｋＷ／ｍ２より高い場合には、乾燥ゾーンにおいて既に焼結プロセスが開始されてしまい、これによって焼結結果が阻害されるおそれがある。
【００４７】
前記焼結ゾーンが、前記中心軸線に沿って、５０ｋＷ／ｍ２より高い照射密度を有していると有利であることが判明している。
【００４８】
５０ｋＷ／ｍ２より高い照射密度は、金属粒子を焼結するために適している。
【００４９】
本発明の方法の好ましい実施形態では、前記放射器モジュールは、３０ｋＷ／ｍ２から２５０ｋＷ／ｍ２の範囲の平均照射密度を有する照射野を照射するために設計されている。
【００５０】
照射野に関連する平均照射密度は、装置のエネルギ効率に影響を与える。照射野全体に関して、基本的にできるだけ低い照射密度が望ましい。しかしながら３０ｋＷ／ｍ２より低い平均照射密度は、金属含有インクを焼結するためには限定的にしか適さない。２５０ｋＷ／ｍ２より高い照射密度は、装置のエネルギ効率を阻害する。
【００５１】
前記放射器モジュールが、冷却要素、好ましくは水冷式冷却装置を有し、前記冷却要素が、前記リフレクタの、前記赤外線放射器とは反対側に配置されていると有利であることが判明している。
【００５２】
リフレクタ及び赤外線放射器の過熱は、装置の寿命の短縮に寄与する。冷却要素、特に水冷式冷却装置によって、赤外線放射器及びリフレクタの有効な冷却が可能となる。さらには、プリンテッドエレクトロニクスの製造に使用される基材は、基本的に制限された耐熱性しか有さない。従って、冷却要素によって、基材の過熱及び損傷が回避される。
【００５３】
実施例
以下、本発明を、複数の実施例と３つの図面とに基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】金属含有インクを乾燥及び焼結するための本発明の装置の第１実施形態の断面図である。
【図２】本発明の装置の第２実施形態の立体図である。
【図３】図２の本発明の装置の第２実施形態に関する、照射強度のレイトレーシング・シミュレーションを示す図である。
【００５５】
図１は、全体として参照符号１００が付された本発明の装置の第１実施形態を概略的に示す。装置１００は、基材１０３の上の金属含有インクを乾燥及び焼結するために使用される。装置１００は、特に、ロールツーロール法で製造されるプリンテッドエレクトロニクス要素においてインクを乾燥及び焼結するために適している。
【００５６】
装置１００は、光放射１０５を放出するための赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂが中に配置された放射器モジュール１０１と、リフレクタ１０７と、放射器モジュール１０１から放出された放射１０５の一部を基材１０３へ反射するためのミラー１０４とを含む。
【００５７】
赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂは、連続運転用に設計されている複管式放射器である。すなわち、これらの赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂは、放射器管長手軸線を有する円筒形の放射器管を有する。赤外線放射器１０２ａは、１２００℃の色温度を有する炭素繊維放射器である。各赤外線放射器１０２ａは、乾燥ゾーンに割り当てられており、約１．９μｍの波長において放射最大値を有する。赤外線放射器１０２ｂは、約２２００℃の色温度を有する短波長の赤外線放射器である。各赤外線放射器１０２ｂは、実質的に焼結ゾーンを形成するために寄与する。各赤外線放射器１０２ｂの放射最大値は、約１．２μｍの波長にある。これら２つの形式の赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂは、ＩＲ−Ｂ放射の放射成分が総放射器出力の３０％より多く、かつＩＲ−Ｃ範囲の放射成分が総放射器出力の５％より多い放射を放出する。これら２つの形式の赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂはさらに、ＩＲ−Ａ範囲と可視範囲とにおいて総放射器出力の１０％より多くを放出する。
【００５８】
各赤外線放射器１０２は、放射器モジュール１０１内にて互いに平行に、かつ搬送方向１０８に対して垂直に配置されている。
【００５９】
互いに隣接する赤外線放射器１０２ａは、相互に５５ｍｍの間隔１１１を有し、互いに隣接する赤外線放射器１０２ｂは、相互に３８ｍｍの間隔を有する。赤外線放射器１０２ａ，１０２ｂの放射器下側と基材との間の間隔ａは、６０ｍｍである。この間隔ａは、調整ユニット（図示せず）によって３５ｍｍから１８５ｍｍの範囲に簡単に調節することができる。
【００６０】
放射器モジュール１０１は、２つの側が屈曲されたケーシング１０６を有し、このケーシング１０６は、赤外線放射器に対向する面を備える。この面には、リフレクタ１０７が被着されている。このリフレクタ１０７が、１つのベースリフレクタ１０７ａと２つのサイドリフレクタ１０７ｂ，１０７ｃとを含むことにより、赤外線放射器１０２から放出された赤外線放射の大部分が基材１０３へと入射することとなる。リフレクタ１０７は、アルミニウムから製造されており、８００ｎｍから５０００ｎｍの範囲の波長を有する赤外線放射を反射するために適している。これに代わる実施形態（図示せず）では、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、又はクロムからなる高反射性被膜がケーシングに被着されている。
【００６１】
放射器モジュール１０１は、基材１０３の表面上に所定の照射野を照射する。この照射野は、乾燥ゾーン１０９と、搬送方向１０８に見て前記乾燥ゾーン１０９の下流側に配置された焼結ゾーン１１０とを有する。放射器モジュール１０１は、約１５０ｋＷ／ｍ２の平均照射密度を有する照射野を照射するために設計されている。照射野は、１８００ｃｍ２の総面積を有し、乾燥ゾーンの面積と焼結ゾーンの面積は、それぞれ約７５０ｃｍ２である。乾燥ゾーン１０９の平均照射密度と焼結ゾーン１１０の平均照射密度は、相異なっている。搬送方向に延在する中心軸線に沿って、乾燥ゾーン１０９の平均照射密度は５０ｋＷ／ｍ２であり、焼結ゾーン１１０の平均照射密度は２５０ｋＷ／ｍ２である。
【００６２】
基材１０３は、膜厚０．１ｍｍのＰＥＴからなるプラスチックフィルムであり、このプラスチックフィルムは、搬送装置（図示せず）から放射器モジュール１０１に向かって搬送方向１０８に移動される。基材１０３は、一定の供給速度で移動する。
【００６３】
ケーシング１０６の内部には、リフレクタ１０７及び赤外線放射器１０２を冷却するための冷却要素（図示せず）が設けられている。この冷却要素は、水冷式冷却装置である。水冷式冷却装置は、装置の寿命、特に放射器及びリフレクタ膜の寿命を延長させるために寄与する。これに代わる実施形態では、この冷却要素は、空気式冷却装置である。基材１０３の熱質量は小さいので、この場合の冷却要素は、放射器モジュール１０１から出る空気流によって基材１０３が冷却されないように設計されている。このことは例えば、特別な空気導管と側方の空気出口とを備える、赤外線放射器１０２及びリフレクタ１０７の空気式冷却装置によって、又は、リフレクタ１０７の空気還流式冷却装置によって達成される。
【００６４】
図２は、金属含有インクを乾燥及び焼結するための本発明の装置において使用される放射器モジュール２００を立体図で概略的に示す。
【００６５】
放射器モジュール２００は、１２個の赤外線放射器（図示せず）と、複数のプレート２０２，２０３，２０４から製造されたケーシング２０１とを含む。放射器モジュール２００の外寸は、６５０ｍｍ×４５０ｍｍ×１６０ｍｍ（長さ×幅×高さ）である。さらには、内側リフレクタ２０５が設けられており、この内側リフレクタ２０５は、放射器モジュールケーシング２０１の内側表面に被着されている。内側リフレクタ２０５は、プレート２０３，２０４，２０８の内側表面を被覆している。端面にはさらに、リフレクタ薄板２０７が取り付けられている。リフレクタ２０５によって、特にプレート２０３，２０４とリフレクタ薄板２０７とに被着された側方のリフレクタによって、赤外線放射器によって放出された放射のできるだけ大部分を、基材の照射のために使用することが可能となる。内側リフレクタ２０５は、赤外線放射器の加熱される範囲に割り当てられている。赤外線放射器の加熱されない端部は、リフレクタ２０５の範囲から突出している。放射器モジュール２００は、６００ｍｍ×３５０ｍｍ（長さ×幅）の寸法を有する照射野を照射するために設計されている。赤外線放射器の下側は、基材に対して５０ｍｍの間隔ｈを有する。
【００６６】
赤外線放射器は、放射器モジュール２００によって形成される照射野上の照射プロフィールが乾燥ゾーンと焼結ゾーンとを含むように選択されており、かつ放射器モジュール２００内に配置されている。赤外線放射器の加熱されない端部は、該赤外線放射器の位置が長手方向Ｌに調整可能となるように、ひいては照射野の複数の異なる照射プロフィールが設定可能となるように、プレート２０２に固定されている。
【００６７】
ケーシング２０１の各プレート２０２，２０３，２０４の内部には、内側リフレクタ２０５及び赤外線放射器を冷却するための、水冷式冷却装置２０６の形態のそれぞれ１つの冷却要素が配置されている。
【００６８】
冷却要素を備えるプレート２０２，２０３，２０４は、種々の方法で製造することができる。例えば、平坦な基板の上にメアンダ形のＵ字溝を溶接又はろう接することによって製造することができ、又は、平坦な基板の上に半割管を溶接又はろう接することによって製造することができ、又は、基板内にチャネルをフライス削りした後、このチャネル内に銅管を圧入することによって製造することができる。
【００６９】
図３は、本発明の装置の第２実施形態の照射強度のレイトレーシング・シミュレーションを示す。線図３００には、ＰＥＴフィルムからなる基材の表面上の、３００ｍｍ×６００ｍｍの寸法を有する照射野における赤外線照射密度が、単位Ｗ／ｍｍ２で示されている。装置の放射器モジュールへのＰＥＴフィルムの搬送方向は、図３では矢印３０５によって示されている。
【００７０】
このレイトレーシング・シミュレーションは、放射器モジュール２００、すなわち３５０ｍｍの照射幅Ｂと、６００ｍｍの照射長さＬと、５０．５ｍｍの高さＨとを特徴とする放射器モジュール２００を基礎としている。
【００７１】
放射器モジュール２００には、８つの複管式の赤外線照射器が装備されており、これらのうちの４つは、２×２．７２５Ｗの出力を有し（焼結ゾーン）、他の４つは、２×１２００Ｗの出力を有し（乾燥ゾーン）、それぞれ一方のチャネルだけが活性化されている。乾燥ゾーンにおける互いに隣接する赤外線放射器は、相互に７０ｍｍの間隔を有し、焼結ゾーンにおける互いに隣接する赤外線放射器は、相互に４５ｍｍの間隔を有する。
【００７２】
ＰＥＴ表面と放射器下側との間隔は、５０ｍｍである。放射器モジュール２００の、ＰＥＴフィルムに対向する面には、金被膜の形態のリフレクタが被着されている。
【００７３】
線図３００の横軸３０１上には、ｘ方向における照射野の寸法が単位ｍｍで示されており、縦軸３０２は、ｙ方向における照射野の寸法を示している。線図３００は、照射野における照射強度の分布をグレースケール表現で示す。
【００７４】
照射野は、搬送方向３０５に延在する中心軸線３０４と、該中心軸線３０４に対して垂直に延在する垂直軸線３０３とによって、同じ大きさの４つの部分面に区分される。
【００７５】
このレイトレーシング・シミュレーションは、２つの照射ゾーン、すなわち乾燥ゾーン３０７と焼結ゾーン３０９とを含む１つの照射野を示す。乾燥ゾーン３０７は、中心軸線３０４に沿って、約５０ｋＷ／ｍ２の平均照射密度を有する。焼結ゾーン３０９では、中心軸線３０４に沿った照射密度は、１３５ｋＷ／ｍ２である。
【００７６】
さらに、線図３１０は、垂直軸線３０３の方向における照射強度の推移を単位Ｗ／ｍｍ２で示す。線図３１１は、中心軸線３０４に沿った照射強度の推移を示す。
【００７７】
実施例
１００μｍの膜厚を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなるプラスチックフィルムに、インクジェットプリンタ（Dimatix DMP283；液滴間隔２５／３０μｍ）を用いて金属含有インクが印刷される。インクとして、有機溶剤中に銀ナノ粒子（２０重量％）が分散された分散液が使用される（Suntronic（登録商標）Jet Silver U5603）。
【００７８】
その後、印刷されたプラスチックフィルムは、円筒形の放射器管を備える２×２個の短波長の赤外線放射器を備える放射器モジュールを含む装置によって乾燥される。放射器管の加熱される長さは、１５０ｍｍである。放射器管の、被覆とは反対側には、金リフレクタが被着されている。赤外線放射器は、広帯域の波長スペクトルと、２５００℃未満の色温度とを有する。赤外線放射器は、４×０．７ｋＷの電力のために設計されている。放射器モジュールの単位面積当たりの出力は、５０ｋＷ／ｍ２である。放射器とフィルムとの間隔は、約５０ｍｍである。フィルムの裏面には、セラボードの放射変換器が配置されている。放射変換器とフィルムの裏面との間隔は、約１２０ｍｍである。
【００７９】
フィルムは、インク被膜を乾燥及び焼結するために、搬送方向に放射器モジュールへと４ｃｍ／秒のテープ速度で移動される。処理時間は１０秒である（参照：温風（１４０℃）による処理時間は４０秒）。
【００８０】
焼結された被膜は良好な導電性を有し、その抵抗は３Ωである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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