JP7628713B2 - エアロゾルベース印刷カートリッジおよび装置におけるその使用およびその使用方法 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１９年９月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／９０５，５７１の優先権を主張するものであり、これは引用によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、エアロゾル印刷、特にエアロゾルベースの印刷を使用して、表面上に高密度、高解像度のトレースを堆積させるデバイスに関する。

ダイレクトライト印刷は、ワンステッププロセスで基板上に目立たないパターンをマスクレス印刷することとして定義され、リソグラフィや化学的および物理的蒸着法などの従来の印刷技術に多くの利点をもたらす。実際、エアロゾルベースの印刷などのダイレクトライトプロセスは、確立および維持するのにはるかに安価であり、従来の技術よりも高い柔軟性を提供する。

通常、エアロゾルベースの印刷では、空気力学レンズが使用される。エアロゾルストリームを集束させるための空気力学レンズの使用は、Ｐｅｎｇ Ｌｉｕ，Ｐａｕｌ Ｊ．Ｚｉｅｍａｎｎ，Ｄａｖｉｄ Ｂ．Ｋｉｔｔｅｌｓｏｎ，ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ｈ．ＭｃＭｕｒｒｙ，Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ： Ｉ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ Ｎｏｚｚｌｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎｓ，Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２２：３，２９３－３１３（１９９５）によって説明されているようによく知られている。空気力学レンズは、直径Ｄを有する円筒状のチャネルを通過するストリームが直径ｄのオリフィスを通過し、オリフィスの上流で１回収縮し、その後すぐにオリフィスの下流で膨張するフロー構成として定義される。エアロゾルストリームの収縮は、フローがオリフィスに近づいて通過するときに発生する。その後、フローが下流に向かってより幅広い断面積に伝播するときに、ガスは膨張する。オリフィスを通るフローは、粒子をフロー軸に向かって押し付け、その結果、エアロゾルストリームは狭くなり、コリメートされ、レンズの機能的属性を提供する。空気力学レンズシステムによってコリメートされたエアロゾルストリームは、医薬品エアロゾル送達や追加の製造など、多くの分野で使用できるように設計されている。典型的な空気力学レンズシステムでは、エアロゾルストリームは、粒子分布を一連の軸対称の収縮と膨張に通すことにより、フローセルの軸の周りにしっかりと閉じ込められる。フローチャネルおよびオリフィスで構成されるレンズシステムの各セクションは、ステージとして定義される。Ｌｉｕは、空気力学レンズシステムを使用してサブミクロン粒子を集束させるための方法および装置を提示した。Ｄｉ ＦｏｎｚｏらおよびＤｏｎｇらは、それぞれ１０～１００ナノメートルおよび１０～２００ナノメートルの範囲の直径を有する粒子を集束させるレンズシステムを設計した。Ｄｉ Ｆｏｎｚｏ，Ｆ．，Ｇｉｄｗａｎｉ，Ａ．，Ｆａｎ，Ｍ．Ｈ．，Ｎｅｕｍａｎｎ，Ｄ．，Ｉｏｒｄａｎｏｇｌｏｕ，Ｄ．Ｉ．，Ｈｅｂｅｒｌｅｉｎ，Ｊ．Ｖ．Ｒ．，ＭｃＭｕｒｒｙ，Ｐ．Ｈ．，Ｇｉｒｓｈｉｃｋ，Ｓ．Ｌ．，Ｔｙｍｉａｋ，Ｎ．，Ｇｅｒｂｅｒｉｃｈ，Ｗ．Ｗ．，ａｎｄ Ｒａｏ，Ｎ．Ｐ．，”Ｆｏｃｕｓｅｄ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ－ｂｅａｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７（６），９１０（２０００）。Ｄｏｎｇ，Ｙ．，Ｂａｐａｔ，Ａ．，Ｓ．Ｈｉｌｃｈｉｅ，Ｕ．Ｋｏｒｔｓｈａｇｅｎ ａｎｄ Ｓ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，”Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ｓｉｚｅｄ ｆｒｅｅ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ： Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ２２，１９２３（２００４）。

Ｗａｎｇは、３～３０ナノメートルの範囲の粒子を集束させるためのレンズシステムを設計した。Ｌｅｅは、複数のステージで構成される単一のレンズシステムを使用して、大気圧でミクロンサイズの粒子を集束させる方法を報告した。Ｌｅｅ，Ｊ－Ｗら．”Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｅｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｎｇｅ”，Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ３４（２００３）２１１－２２４。

米国特許第６，３４８，６８７号では、Ｂｒｏｃｋｍａｎｎは、１～１００ミクロンの直径を有する粒子のコリメートされたエアロゾルビームを生成するための装置を開示する。Ｂｒｏｃｋｍａｎｎの空気力学レンズシステムは、一連の固定されたレンズ、および粒子を詰め込んだキャリアガスを囲む環状シースガスを使用する。Ｂｒｏｃｋｍａｎｎのシステムは、１５ミクロンのアルミニウム粒子を直径８００ミクロンに集束させるために使用され、通常、同じエアロゾルとシースガスの流量を使用する。米国特許第７，６５２，２４７号では、Ｌｅｅは、直径５～５０ナノメートルのナノ粒子を空気中に集束させるための空気力学レンズシステムを開示している。米国特許第８，１１９，９７７号では、Ｌｅｅは、３０～３０００ナノメートルの２桁をカバーする粒子径の範囲に集束させるための、マルチステージマルチオリフィスの空気力学レンズを開示している。米国特許第６，９２４，００４号では、Ｒａｏは、空気力学レンズシステムを使用して集束されたナノ粒子ストリームからフィルムおよびコーティングを堆積するための方法および装置を開示している。Ｒａｏの装置は、基板上にナノ粒子を堆積させるために高速インパクションを使用する。空気力学レンズによって作製されたフローの連続的な膨張および圧縮を使用してガスフローから粒子を分離する方法は、米国特許第８，５６１，４８６号のＮｏｖｏｓｓｅｌｏｖによって議論される。

シースガスを使用する流体力学的集束は、一般に、異なるシースおよびエアロゾルガス流量を使用して、連続的に収束するノズルを通して環状シース／エアロゾルフローを伝播することによって達成される。集束の程度は、ガスのフローの比率に比例する。米国特許第７，１０８，８９４号では、Ｒｅｎｎは、エアロゾルを詰め込んだキャリアガスを取り囲む同軸シースガスフローを使用する粒子集束の方法を開示している。その後、組み合わせたフローは、収束型ノズルによって伝播される。Ｒｅｎｎは、シースエアロゾルストリームと単一の収束型ノズルを使用するフローシステムの動作範囲では、集束されたビームの直径は、エアロゾルガス流量に対するシースの比率の強力な関数であると教示する。

空気力学レンズのシステムを使用したエアロゾル粒子のストリームの集束は、上記のようにＬｉｕによって最初に報告された。Ｌｉｕのシステムを使用して、直径が約２５～２５０ナノメートルの球状粒子のビームを狭めてコリメートした。Ｌｉｕは、各レンズ全体で低い圧力損失を実現することに重点を置いて、３～５ステージのレンズシステムを使用した。Ｌｉｕの研究後、シングルおよびマルチオリフィスレンズ構成の空気力学効果を考慮して、多数の実験的および理論的研究が実施された。

多くの研究者が、固定マルチステージレンズシステムを使用したエアロゾルストリームの空気力学的集束の研究を報告している（Ｌｅｅ、Ｂｒｏｃｋｍａｎｎ、およびＬｉｕ）。Ｌｅｅは、直径が３０～３０００ナノメートルの範囲のナノ粒子を集束させるための空気力学レンズを開示する。Ｂｒｏｃｋｍａｎｎは、大きな固形粒子を集束させるマルチステージレンズシステムを記載している。Ｂｒｏｃｋｍａｎｎの装置は、さらに粒子がオリフィス表面に衝突するのを防ぐために、環状に流れるシースガスを使用する。Ｂｒｏｃｋｍａｎｎの装置は、マルチステージレンズシステム全体を介してシースガスフローを伝播する。Ｌｉｕは、３つのステージからなる空気力学システムを使用してナノ粒子を集束させるための装置を開示した。

エアロゾルベースの印刷における従来技術の試みは、点検修理の頻繁な要件のために、部分的には限られた成功しか収めていない。その結果、信頼性の高い製造規模の再現は、スループットの制限と再現可能な許容誤差の維持の欠如によって妨げられた。点検修理の必要性の１つの原因は、流路に沿った、特にガス入力、エアロゾル出力、および両方の組み合わせでの流体の蓄積であった。

したがって、ガスおよびエアロゾル輸送導管内の流体の蓄積を抑制するエアロゾルベースの印刷装置が必要とされている。さらに、一定の材料堆積速度で安定したエアロゾルストリームを基板に提供して、点検修理なしで８時間以上連続して高精細度、高解像度のトレースを提供することができるエアロゾルベースの印刷装置を動作する方法の必要性が存在する。

エアロゾル印刷インクジェットカートリッジが提供される。カートリッジは、ハウジング、エアロゾルインクを貯蔵するように適合したバイアル、および、ハウジングの内壁から延在し、かつ、エアロゾルチャンバーを画定するために取り外し可能なバイアルと流体連通状態にある少なくとも１つの内部バッフルを含む。ガス入口管は、入口ガスをエアロゾルチャンバーに提供するように適合され、またはエアロゾルチャンバーに隣接しており、および、エアロゾルインクが、粒子として出力される出口チャネルは、エアロゾルチャンバーと流体連通状態にある。少なくとも１つのバッフルは、単一バッフルであり、平面状、弓状、分割円筒状、鋭角のある形状、Ｓ字状、またはＹ字状である形状を有する。

上に記載されているようなエアロゾル印刷インクジェットカートリッジを利用するエアロゾルストリームを使用して、表面上で離散的、高解像度、高密度の特徴を印刷するための装置が提供される。装置は、エアロゾルインクを霧状にするよう位置づけられるアトマイザーと、少なくとも１つの空気力学レンズ、およびその周りにシースガスフローを有する１つの収束型流体分注ノズルを含むフローセルと、ノズルのストリームに選択的に干渉するよう位置づけられた、非接触型、空気圧シャッターアセンブリを有する。アトマイザーは、可変励起、継続励起、またはパルスされた励起を有する。

上に記載された装置を使用して、基板上でトレースを印刷する方法が提供される。方法は、バイアル中にエアロゾルインクを提供する工程、ガス入口管、またはガス入口ポートを介してカートリッジ内にエアロゾル輸送ガスを投入する工程、エアロゾルを詰め込んだガスを作製するためにアトマイザーの超音波トランスデューサを使用して、エアロゾルインクを霧状にする工程を含む。その後、シースガスは、組み合わせたフローを作製するために、エアロゾルを詰め込んだガスを用いて環状の共軸のフローを形成するべく、ポートを介してアトマイザーへ導入され、組み合わせたフローをフローセルに通過させ、エアロゾルを詰め込んだガスを、一定の流量で出力ポートから出力する。方法は８～２４時間継続して補助なしで印刷することを可能にする。

本発明は、本発明の特定の態様を示すことを意図しているが、本発明の実施の制限として解釈されるべきではない以下の図面に関してさらに詳細に説明されている。
図１Ａは、交換可能なインクカートリッジ、アトマイザー土台、コールドプレート、フローセル、および流体分注チップを含む本発明のプリントヘッドの平面図である。 図１Ｂは、円筒形状の単一内部バッフルとエアロゾルガス管を備えた図１Ａのインクカートリッジの断面図を示す。 図２Ａは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｂは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｃは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｄは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｅは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｆは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｇは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｈは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図２Ｉは、本発明で作動する様々なバッフルの底面図である。 図３Ａは、単一内部バッフルの実施形態を備えた図１Ａのインクカートリッジの断面図である。 図３Ｂは、単一バッフルのリブの方向を示す図３Ａの構成の底面図である。 図３Ｃは、サイドエントリーガス入口を備えた図１Ａの構成の図である。 図４Ａは、本発明の交換可能なインクカートリッジ、およびアトマイザー土台を含む本発明のプリントヘッドの別の実施形態の側面図である。 図４Ｂは、入れ子バッフル構成を示す図４Ａのインクカートリッジの断面図である。 図５Ａは、本発明に係る代替インクカートリッジの第１の斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａのエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの一部の斜視図である。 図５Ｃは、平面Ａ－Ａ’に沿った図５Ａのインサートの断面図である。 図５Ｄは、平面Ｂ－Ｂ’に沿った図５Ａのインサートの断面図である。 図６Ａは、インクカートリッジ内のエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの一部の別の実施形態の底面図である。 図６Ｂは、平面Ｃ－Ｃ’に沿った図６Ａのインサートの断面図である。 図６Ｃは、平面Ｄ－Ｄ’に沿った図６Ａのインサートの第２の斜視図である。 図７Ａは、エアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの別の実施形態の第１の斜視図である。 図７Ｂは、図７Ａのインサートの左下にある円の周りの部分的な断面図である。 図７Ｃは、図７Ａのエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの一部の第２の斜視図である。 図７Ｄは、本発明のインクカートリッジ中の図７Ａのエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの上部の底面斜視図である。 図７Ｅは、平面Ｅ－Ｅ’に沿った図７Ｄのインサートの断面図である。 図７Ｆは、平面Ｆ－Ｆ’に沿った図７Ｄのインサートの断面図である。 図８Ａは、エアロゾルチャンバーおよびバッフルインサートの一部の別の実施形態の斜視図である。 図８Ｂは、図８Ａのインサートの拡大した底面図である。 図８Ｃは、インクカートリッジのコンテキストにおける図８Ａのインサートの底面斜視図である。 図８Ｄは、８Ｃ図のカートリッジの底面図である。

本発明は、一定の速度でエアロゾルストリームを提供し、および基板に一定の材料を堆積させ、高精細度、高解像度のトレースを提供することができるエアロゾルベースの印刷装置としての有用性を有する。本発明の装置は、一定の速度で少なくとも８時間、およびその他の場合に２４時間を超える一定の動作期間にわたりエアロゾルストリームを生成し、輸送し、および送達する。本発明は、堆積したトレースの膨らみおよびネッキングを抑制することにより、優れた線幅の公差を達成し、そのような公差を長期間維持することができ、それによって複雑なトレースの堆積と、実稼働にわたって公差を維持する複製品の一貫した製造の両方を可能にする。本発明は、さらにエアロゾルおよびガス輸送導管内の流体の蓄積をなくすため、パージまたは洗浄サイクルの必要としなくなり、最低２４時間の中断なしの動作を可能にする。

本発明は、サブミクロンのエッジ精細度を有する細い線を印刷することができ、１０ミクロンの間隔で１０ミクロンのトレースの印刷を可能にする装置を提供する。装置は、基板で少なくとも２４時間一定のエアロゾル出力を生成し、輸送ガス入力ポートおよび流路、ならびにエアロゾル出力ポートおよび流路を、本発明の噴霧プロセスによって生成される攪拌流体から隔離することで従来技術の流体の蓄積の問題を克服する。

本発明を以下の実施形態を参照して説明する。これらの説明から明白になるように、本発明は、異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、かつ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、提供される。例えば、１つの実施形態に関して示される特徴は、他の実施形態に組み込まれ得、特定の実施形態に関して示される特徴は、実施形態から削除される場合もある。加えて、本明細書に示唆される実施形態への多数の変更および追加は、本発明から逸脱することなく、本開示に照らして当業者に明白となるであろう。従って、以下の詳述は、本発明のいくつかの特定の実施形態を示すように意図されるが、その全ての変形、組み合わせ、及び変更を徹底的に特定するようには意図されない。

値の範囲が提供される場合、その範囲は、範囲の終点値だけでなく、範囲内に明示的に含まれ、範囲の最後の有効数字で変化する範囲の中間値も包含することを意図していることを理解されたい。例として、１から４の記載された範囲は、１－２、１－３、２－４、３－４、および１－４を含むことを意図される。

他に特段の定義のない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語はすべて、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有している。本発明の明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを記載するためのものであり、本発明を制限するようには意図されていない。

特に明記されていない限り、明示的または文脈によって、以下の用語が以下に記載されているように本明細書で使用される。

本発明の説明および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が他に明白に示していない限り、同様に複数形を含むように意図される。

さらに、本明細書で使用されるように、「および／または」は、関連する列挙された項目の１つ以上のありとあらゆる可能な組み合わせ、ならびに代替的に（「または」）解釈される場合の組み合わせの欠如を指し、包含する。

本発明の実施形態は、離散的パターンのエアロゾルベースの直接印刷のための方法および装置であって、マルチレンズ空気力学集束アセンブリ、および上記装置のプリントヘッドの内部である材料シャッターアセンブリを使用する方法および装置を提供する。本発明の装置は、空気圧シャッターを使用してエアロゾル粒子の連続的なストリームを止めることによって離散的パターンを生成する。実施形態によれば、装置は、印刷モジュール、プロセスビジョンモジュール、部品アラインメントモジュール、シャッターアセンブリ、プロセス制御モジュール、および運動制御モジュールを含む。印刷モジュールは、エアロゾル化ソース、圧力ソース、およびプリントヘッドを含む。プロセスビジョンモジュールは、堆積プロセスのリアルタイム表示を提供する。アラインメントモジュールは、アラインメントカメラの軸と１つまたは複数のプリントヘッドの間のベクトル距離を画定するため、および基盤のアラインメントのために使用される。プロセス制御モジュールは、ガス流量およびプロセス温度のコンピュータ制御およびモニタリング、ならびにシステム圧力のモニタリングを提供する。運動制御モジュールは、基板のコンピュータ制御された多軸運動およびエアロゾルストリームの調整されたシャッターを提供する。Ｒａｏ，Ｎ．Ｐ．，“Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｖｉｓｃｏｕｓ ｊｅｔｓ，”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２４，Ｉｓｓｕｅ ７，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９３，Ｐａｇｅｓ ８７９－８９２。

本発明は、約５～５００ミクロンの特徴を印刷することができ、いくつかの実施形態では、１０ミクロンの幅で、わずか１０ミクロン離れて、約１０ミリ秒もの速さのシャッター速度で印刷することができる。

実施形態によれば、本発明は、エアロゾル輸送ガス入口ポートおよびガス送達経路をインク流体から隔離する。噴霧プロセスは、エアロゾル化されたインク液滴を輸送するために使用されるガスの流路にインクを混入させる可能性のあるインクの攪拌をもたらす。インク流体からのガス流路の隔離は重要であり、内部インクカートリッジバッフルを使用して本発明に従って達成される。

高精細度、高密度エアロゾル印刷のもう１つの重要な態様は、エアロゾル化されたインクをインクカートリッジからシステムのフローセルに安定して輸送することである。インクカートリッジのポートおよびチャネルに流体が混入すると、エアロゾル流路およびエアロゾル出力ポートの遮断および除去が交互に行われ、エアロゾルの堆積速度が変動する可能性がある。本発明によれば、エアロゾル流路内の流体の混入が排除されることで安定した印刷がもたらされ、インクおよび入力ガスの供給が維持されるという条件で、点検修理に中断することなく印刷が最低２４時間動作できる。いくつかの本発明の実施形態では、安定した印刷は４０時間超生じる。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、概して１０で示され、インクカートリッジ（１）、アトマイザー土台（２）、コールドプレート（３）、フローセル（４）、および流体分注チップ（５）を含む印刷モジュールの本発明の実施形態を示す。超音波トランスデューサ（６）は、インクサンプルを霧状にし、エアロゾルを形成し、これがアトマイザー土台（２）からフローセル（４）に輸送される。シースガスは、ポート（８）を通ってアトマイザー土台（２）に入り、エアロゾルを詰め込んだガスと環状同軸フローを形成し、組み合わせたフローがフローセルを通過する。Ｌｉｕ，Ｐ．“Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ：ＩＩ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ Ｎｏｚｚｌｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎｓ”，Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌｕｍｅ ２２，１９９５。

図１Ｂは、図１Ａのインクカートリッジ（１）の断面図を示す。インクカートリッジ（１）は内面（１３）を有する。インクサンプルは取り外し可能なバイアル（１１）中に保持される。エアロゾル輸送ガスは、ガス入口管（１２）を介してカートリッジに入る。エアロゾル化されたインクは、米国特許第１０，０８６，６２２ Ｂ２号に詳述されているように、傾斜チャネル（１５）および垂直チャネル（１６）を介してエアロゾルチャンバー（１７）からフローセル（４）に輸送される。

本発明の実施形態によれば、エアロゾルガス管（１２）およびエアロゾル出力ポートを介して傾斜チャネル（１５）へ提供されるエアロゾルガス入力は、エアロゾル化プロセス中に形成されるインク取出口から隔離される。入力ポートまたは出力ポートのいずれかに形成されたインクフィルムは、エアロゾルの断続的な供給を引き起こし、基板にパルス状の堆積をもたらす。図１Ｂの実施形態では、図１に示されるように、エアロゾルガス管（１２）は、その管を通るガス入力がインク取出口から遮蔽され、かつ取り外し可能なバイアル（１１）に保持されたサンプルインクが、内部バッフル（１４）によって傾斜チャネル（１５）から隔離されるように、配置される。エアロゾルを詰め込んだガスの一定のフローは、エアロゾル印刷に適合したポート（１６）でカートリッジを出る。インクカートリッジおよびバッフルは、典型的にアルミニウムから形成されるが、ステンレス鋼やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのより化学的耐性の高い材料からも容易に形成されてもよい。内部バッフル（１４）は、一般的に、エアロゾル出力チャネル（１５）をインク取出口から隔離するように機能する円筒状のシェルである。本発明で動作する内部バッフルは、修正されたガスフローＧを生成することが理解される。

内部バッフルはエアロゾルチャンバー内にあり、本発明によれば、底面図または断面図によって定義されるような様々な形状を有する。バッフルの形状は、エアロゾル出力チャネルがインク取出口からある程度隔離され、その隔離は、エアロゾルの沈降および流体の蓄積を、インクカートリッジと輸送導管内の流体の蓄積が少なくとも８時間パージする必要がない程度まで抑えるように、選択される。その結果、印刷が中断されることなく少なくとも８時間起こり得る。

本明細書で動作可能な内部バッフル形状は、例示的に、平面状（図２Ａ）、弓状（図２Ｂ）、分割円筒状（図２Ｃ－２Ｅ）、鋭角のある形状（図２Ｆ）、およびＳ字状の複雑な形状（図２Ｇ）、およびＹ字状（図２Ｈ－２Ｉ）を含む。図２Ａー２Ｉに関して、これらの形状は典型的に、示されているように５～１８０度変動する角度αを画定する。内部バッフルの所定の形状を選択することに関連する要因は、エアロゾル液滴サイズ、インク表面張力、温度、入口ガス流量、およびガスフローＧに沿ったギャップ寸法を含む。

本明細書で使用されるように、「連続印刷」は、パージサイクルが自動であるか手動で実行されるかに関係なく、パージサイクルに頼らずに少なくとも８時間基板上にインク液滴を印刷堆積することとして定義される。これに対して、従来のエアロゾルベースのインクカートリッジは、約３０分の連続印刷しかできない。

本発明の別の実施形態が図３Ａに示されており、ここでは、同様の参照番号がそれに関して前述の意味を有する。単一バッフル（２２）と、入力ポート（１９）を介してバッフル（２２）の外側に沿ってカートリッジに入るエアロゾルガス入力部を含むインクカートリッジ（１）が提供される。図３Ｂに示されるように、リブ（２３）のセットは、エアロゾルガスを、バッフル（２２）に沿って、エアロゾルチャンバー（１７）の底部に下方に向ける。図３Ａ―３Ｃの構成は、ガス入力ポート（１９）およびエアロゾル出力ポート（１６）での流体の混入を防止する。エアロゾルを詰め込んだガスの一定のフローがポート（１６）でカートリッジを出る。本発明において、安定したエアロゾル輸送は、噴霧プロセスによって生成された流体取出口をインクカートリッジの入力ポートおよび出力ポートから隔離することによって達成される。超音波エネルギーがインクに結合されると、インクの表面が振動し始め、流体の中心近くに取出口が形成される。図３Ａ－３Ｃに示されるように、入力ポートおよび出力ポートからの取出口の隔離は、単一バッフルおよびエアロゾルガスをインクカートリッジの下部に下向きに流すように強制する一連の垂直リブを使用して達成される。実施形態によれば、エアロゾル化された液滴は、輸送ガスに混入され、インクカートリッジからフローセルに輸送される。図３Ｃは、図３Ａの構成と同様のカートリッジの構成を示し、ここでは、エアロゾルガスは、カートリッジの側面かつエアロゾルチャンバーの底部近くのポート（１９）を介してエアロゾルチャンバーに入る。エアロゾルはポート（１６）でカートリッジを出る。図３Ｃの構成は、リブのない内部バッフルとともに使用されてもよい。

図４Ａに示されるような実施形態によれば、本発明の装置はアトマイザー土台（３８）、インクカートリッジ（３４）およびインクカートリッジキャップ（３６）を含む。入力エアロゾルガスおよびエアロゾルを詰め込んだ出力ガスの流路は、一般的に図４Ｂの断面図に示されている。図４Ｂに示されるように、装置は、インク取出口から、ガスの入力および出力を隔離するために、入れ子になったバッフル（３０）および（３２）のセットを含む。エアロゾル輸送ガスは、エアロゾルチャンバー軸およびインク取出口に対して軸外に配置された入力ポート（１９）でカートリッジに入る。エアロゾルガスは、エアロゾルチャンバー（１７）内に下向きに流れ、バッフル（３０）および（３２）の底部に流れる。内部バッフル（３０）は、傾斜出力チャネル（１５）への流体の混入を防ぎ、ガス入力をインク取出口から隔離し、外部バッフル（３２）は、エアロゾルガスをエアロゾルの最も密度の高い領域に下向きに流す。エアロゾルを詰め込んだガスの一定のフローはポート（１６）でカートリッジを出る。２つの同心の円筒状の内部バッフル（３０）および（３２）は、インク取出口をインクカートリッジのガス入力部およびエアロゾル出力ポートから隔離するために使用される。入れ子になったバッフル構成により、ガスおよびエアロゾルの流路への流体の混入がなくなる。

以下の図に示されるように、取り外し可能なバイアル（１１）は、図の矢印によって示されるように、内部バッフルおよびエアロゾルガス流路に対するその影響をよりよく説明するために示されていない。図５Ａは、エアロゾルガス入口（４２）、エアロゾルチャンバー（４４）、およびバッフルインサート（４６）を示す代替インクカートリッジ（４０）の第１の斜視図である。図５Ｂは、複雑な形状のエアロゾルガスダイバータ（４８）および逆方向ガス流を示す図５Ａのエアロゾルチャンバー（４４）およびバッフルインサート（４６）の一部の斜視図である。図５Ｃは、エアロゾルガス入力（４２）およびエアロゾルガスダイバータ（４８）を示す、図５Ａのインサートの、平面Ａ－Ａ’に沿った断面図である。図５Ｄは、エアロゾルガス流路が傾斜出力チャネル（１５）を上って進み、ガス入力（４２）をインク取出口（１６）から隔離するときの流路を示す図５のインサートの平面Ｂ－Ｂ’に沿った断面図である。

図６Ａは、インクカートリッジ（５０）内のエアロゾルチャンバー（４４）およびバッフルインサート（４８）の一部の別の実施形態の底面図である。図６Ｂは、平面Ｃ－Ｃ’に沿った図６Ａのインサートの断面図である。図６Ｃは、平面Ｄ－Ｄ’に沿った図６Ａのインサートの第２の斜視図である。

図７Ａは、エアロゾルチャンバー、および鋭角のあるバッフル（６２）を備えたエアロゾルガスダイバータとして機能するバッフルインサート（６０）の別の実施形態の第１の斜視図である。図７Ｂは、図７Ａのインサート（６０）の左下にある点線の円の周りの部分的な切り取り図である。図７Ｃは、図７Ａのエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサート（６０）の一部の第２の斜視図である。図７Ｄは、本発明のインクカートリッジ（７０）中の図７Ａのエアロゾルチャンバーおよびバッフルインサート（６０）の上部の底面斜視図である。図７Ｅは、平面Ｅ－Ｅ’に沿った図７Ｄのバッフルインサート（６０）の断面図である。図７Ｆは、平面Ｆ－Ｆ’に沿った図７Ｄのバッフルインサート（６０）の断面図である。

図８Ａは、エアロゾルチャンバーおよびバッフルインサート（８０）の一部の別の実施形態の斜視図である。図８Ｂは、エアロゾルチャンバーがエアロゾルガス入力領域（８２）、エアロゾル生成チャンバー（８４）、およびエアロゾルインクを詰め込んだ出力領域（８６）に分割されていることを示す図８Ａのバッフルインサート（８０）の拡大底面図である。図８Ｃは、インクカートリッジ（９０）のコンテキストにおける図８Ａのバッフルインサートの底面斜視図である。図８Ｄは、図８Ｃのインクカートリッジ（９０）の底面図である。

インクカートリッジ（１、４０、５０、７０、９０）の実施形態のフットプリントは同等であり、印刷機での交換可能な使用を可能にすることを理解されたい。

本発明の実施形態は、周囲条件で基板上に高密度、高精細度の特徴を直接印刷するための方法および装置を提供する。リジッドおよびフレキシブル基板の金属化、センサー用途の無機サンプルおよび有機サンプルの堆積、太陽電池金属化や燃料電池製造などのグリーンエネルギー用途の各種インクの堆積を含むが、これらに限定されない追加の製造用途の基板への液体の安定かつ再現性のある堆積を実現するプロセスおよび装置の提供は、特に関心の高い事項である。実施形態によれば、本発明の装置は、１０ミクロン間隔で１０ミクロン幅の線を印刷することができ、相互接続の再分布などの高密用途を可能にする。

実施形態によれば、一定のエアロゾル出力が表面に供給され、高精細度、高密度パターンの印刷を可能にする。表面へのエアロゾル出力速度は、インクカートリッジのエアロゾル出力ポートでのエアロゾル流の脈動を最小限に抑え、カートリッジとの間のガス流量を一定に維持し、エアロゾルがカートリッジから抽出される領域でエアロゾル密度を一定に維持することにより、一定に保持される。実施形態によれば、本発明は、エアロゾルがインクカートリッジを出るために移動しなければならない水平距離を最小化する。一般的なアトマイザーによって生成されるエアロゾル液滴径分布については、エアロゾルの沈降は、水平方向に約５～１０ミリメートル移動した後に発生する。エアロゾルの沈降により、インクカートリッジ内に液体が蓄積し、エアロゾルの出力速度に変動が生じる可能性がある。したがって、本発明は、実施形態によれば、エアロゾルを詰め込んだガスの水平方向の移動を約１０ミリメートル以下に制限する。

インクカートリッジのガス入力またはエアロゾル出力におけるインクの混入は、表面へのエアロゾル出力のパルス化または変動につながる可能性がある。出力ポートまたは入力ポートに混入されたインクは、ポートを部分的または完全にブロックするフィルムを形成し得る。インクカートリッジの入力ポートと出力ポートにインクが混入すると、ポートが交互にブロックされてクリアされるため、エアロゾルの出力速度に変動が生じる。それに応じて、カートリッジの内圧は増減する。したがって、表面に供給されるエアロゾルの質量流束の変動は、印刷されたトレースライン幅の変動をもたらし、堆積されたトレースの電気的および機械的特性に悪影響を与える可能性のあるトレースの膨らみまたはネッキングにつながる。閉塞状態は、エアロゾル出力の瞬間的な減少を引き起こし、その後、圧力が上昇するにつれてエアロゾル出力速度が増加し、圧力が臨界値を超えて上昇すると、閉塞状態は解消される。本発明によれば、エアロゾル出力のパルス化または変動は、バッフルの組み合わせ、またはバッフルと、ガス入力ポートおよびエアロゾル出力ポートを超音波エアロゾル化プロセスによって生成されるインク取出口から隔離する一組の垂直リブを使用することによって回避される。

本発明の実施形態に従って提供される別の特徴は、一定のエアロゾル出力を生成するための一定のエアロゾルガス流量である。本発明は、マスフローコントローラを使用して、エアロゾルガス流量を設定されたエアロゾルガス流量値の約２パーセント以下に維持する。同様に、エアロゾルガスの出力速度は、インクカートリッジの容量内で飽和またはほぼ飽和のエアロゾル密度を達成することによって一定に保持される。飽和エアロゾル密度の条件に達すると、エアロゾルの生成にわずかな変動が生じても、インクチャンバーのエアロゾル密度はほとんどまたはまったく変化せず、一定のエアロゾル出力が可能になる。

高出力、ガス低流量のアトマイザーは、非常に安定しており、集束アセンブリの最適またはほぼ最適なサイズ範囲に調整された、高密度かつ狭分散のエアロゾル分布の生成を可能にする。実施形態によれば、調整可能または固定周波数アトマイザー、交換可能かつ調整可能なシングルステージまたはマルチステージの空気力学レンズシステム、および環状に流れるシースガスが使用される。同軸シースフローおよび空気力学レンズの使用の組み合わせは、約０．５～５ミクロンの範囲の直径を有する粒子のストリームをコリメートして堆積させるハイブリッド流体力学的／空気力学的集束装置を形成する。

流体力学的集束では、内部流体またはエアロゾルを詰め込んだガスストリームは、共伝播する環状シース流体またはガスに囲まれる。組み合わせたストリームがオリフィスまたは一連のオリフィスを介して流れるとき、内部のフローに利用可能な体積は、外部のシースフローによって占められる体積によって減少する。流体力学的集束は、内部流量の減少が内部ストリームの直径の減少を引き起こすときに発生し、内部ストリームの直径の減少は、エアロゾルとシースガスの流量の比率に比例する。

空気力学レンズは、円筒形状チャネルを通過する粒子を詰め込んだガスがオリフィスを通過し、ガスがオリフィスの上流で１回収縮し、その後すぐに、オリフィスの下流で１回膨張するフロー構成である。エアロゾルストリームの収縮は、フローがオリフィスに近づいて通過する際に発生する。その後、フローが下流に向かってより広い断面積に伝播する際に、ガスは膨張する。フローはオリフィスを介して粒子をフロー軸に向けるため、エアロゾルのストリームは狭くなり、コリメートされる。

ガスストリームに混入された液滴を集束させる性能は、液滴のストークス数Ｓｔに関連する。Ｓｔが１に等しい場合、エアロゾルの最適な集束が得られることが一般的に認められている。集束されない液滴は、一般的に、オーバースプレーまたはサテライト堆積として分類され得る。オーバースプレー堆積は、アセンブリのどの段階でも１に近いストークス数を達成せずに、小さな液滴が小さなストークス数でレンズアセンブリを通過するときに発生する。逆に、ストークス数が１をはるかに超える大きな液滴がアセンブリの各段階を通過すると、サテライト液滴が生成される。

本発明のさらに別の独特の態様は、高密度回路を二次元または三次元で印刷する性能である。特に、導電層が絶縁層によって隔離され、導電層間で電力と信号を送る相互接続ビアを備えた高精細高密度３Ｄ回路を印刷することができる。

印刷モジュールの交換可能なインクカートリッジを使用して、絶縁された導電層の間に垂直相互接続が形成される多層多材料回路を印刷することができる。実施形態によれば、本発明の装置は、単一のツールであるフローセルが各層を印刷するために使用されるため、多層垂直回路の印刷を容易にする。導電層は、絶縁層にビアを直接印刷し、ビアに相互接続を印刷して２つの連続する導電層を接続することによって接続される。

本発明の別の独特の態様は、単層または多層の多材料回路の印刷間のツールオフセット定義の要件を排除することである。多層印刷プロセスでは、ツール（フローセル）は固定されたままであり、交換可能なインクカートリッジを使用して印刷物が変化する。このような方法では、各層に同じ基準点が割り当てられ、２つ以上の印刷ツール間のベクトル距離を決定する必要がないため、高精度の印刷を実行できる。

実施形態によれば、基板は、機械的にまたは真空を使用してプラテンに取り付けられる。プラテンは、多軸運動制御システムに接続されているため、エアロゾルシャッタープロセスと組み合わせると、アトマイザー、フローセル、運動制御、およびプラテンアセンブリにより、基板上の控えめなパターンや構造の印刷と材料処理が可能になる。プラテンは約１５０℃に加熱され得、堆積された材料のリアルタイムの硬化または焼結を可能にする。

実施形態によれば、装置は、マルチノズルアレイを含む。マルチノズル構成では、シースフローを備えた複数の出口ノズルを含むアセンブリが、たとえば、線形アレイで製造されるため、各ノズルからの同時堆積が可能になる。

実施形態によれば、本発明はさらに、層ごとのプロセスを使用して三次元構造を構築するために使用され得、単純および複雑な物体は、コンピュータ自動図面（ＣＡＤ）ファイルから直接印刷される。３Ｄ印刷プロセスでは、レーザーアシスト堆積または粘弾性インクを使用して、剛性または半剛性の構造を形成するのに十分な粘度の液体フィラメントを堆積し、その上に後続の層が堆積される。３Ｄ印刷技術では、物体のデジタルモデルは水平面によって交差される。水平面は、物体の断面表現またはスライスを形成する。各スライスの情報はコンピュータ化された運動制御システムにアップロードされるため、積層造形プロセスを使用して固体物体を製造できる。このプロセスは、金属、セラミック、およびプラスチックを含むが、これらに限定されない材料から三次元物体を製造するために使用され得る。

本発明の装置は、多層高精細度回路、またはパターンの印刷をさらに可能にする。高精細度高密度印刷された回路またはパターンは、線幅が約３０ミクロン以下、間隔が約５０ミクロン以下のトレースのアセンブリとして画定される。本発明は、交換可能なインクカートリッジまたは多材料プリントヘッドを使用して、高精細高密度回路またはパターンを印刷する。

本明細書で言及される特許文献および公報は、本発明が関係する当技術分野の当業者のレベルを示している。これらの文献および公報は、個々の文献または公報が参照により具体的かつ個別に本明細書に組み込まれたかのように、参照により本明細書に組み込まれる。

前述の記載は、本発明の特定の実施形態を例示するものであるが、その実施を制限することを意味するものではない。以下の特許請求の範囲は、そのすべての同等物を含み、本発明の範囲を定義することを意図する。

Claims (30)

1. エアロゾル印刷インクジェットカートリッジであって、
   エアロゾルチャンバーを画定する内壁を有するハウジングと、
   エアロゾルインクを貯蔵するように適合し、前記ハウジングの前記エアロゾルチャンバーと流体が連通するように構成された取り外し可能なバイアルと、
   前記ハウジングの前記内壁から延在し、前記ハウジングの前記エアロゾルチャンバー内に配置された少なくとも１つの内部バッフルであって、エアロゾルチャンバーを分けるために、取り外し可能な前記バイアル中に少なくとも部分的に延在するように構成された内部バッフルと、
   入口ガスを前記エアロゾルチャンバーに供給するように適合されたガス入口管と、
   前記エアロゾルチャンバーと流体が連通する状態にあり、前記エアロゾルインクが粒子として出力される出口チャネルであって、前記少なくとも１つの内部バッフルによって、取り外し可能な前記バイアル内の前記エアロゾルインクから隔離される出口チャネルと、を含む、エアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
2. 少なくとも１つのバッフルは、単一バッフルである、請求項１に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
3. 少なくとも１つのバッフルの底面は、平面状、弓状、分割円筒状、鋭角のある形状、Ｓ字状、またはＹ字状である形状を有する、請求項１に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
4. 前記底面の形状は、前記底面の開いている角度αが５～１８０度である、請求項３に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
5. 前記単一バッフルの底面は平面状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
6. 前記単一バッフルの底面は弓状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
7. 前記単一バッフルの底面は分割円筒状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
8. 前記単一バッフルの底面は鋭角のある形状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
9. 前記単一バッフルの底面はＳ字状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
10. 前記単一バッフルの底面はＹ字状である、請求項２に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
11. 前記少なくとも１つのバッフルから外側に突出する１セットのリブをさらに含む、請求項１に記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
12. 前記ガス入口管は、前記入口ガスを、前記エアロゾルチャンバー内であって、少なくとも１つの前記内部バッフルの内側に供給する、請求項１～１１のいずれか１つに記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
13. 前記ガス入口管は、前記入口ガスを、前記エアロゾルチャンバー内であって、少なくとも１つの前記内部バッフルの外側に供給する、請求項１～１１のいずれか１つに記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
14. 前記出口チャネルは、ポートを接合する傾斜チャネルを含む、請求項１～１１のいずれか１つに記載のエアロゾル印刷インクジェットカートリッジ。
15. エアロゾルストリームを使用して、表面上で離散的、高解像度、高密度の特徴を印刷するための装置であって、
    請求項１に記載のカートリッジと、
    エアロゾルインクを霧状にするよう位置づけられるアトマイザーと、
    少なくとも１つの空気力学レンズ、およびその周にシースガスフローを有する１つの収束型流体分注ノズルを含むフローセルと、
    前記ノズルのストリームに選択的に干渉するよう位置づけられた、非接触型、空気圧シャッターアセンブリと、を含む、装置。
16. 前記アトマイザーは、可変励起、継続励起、またはパルスされた励起を有する、請求項１５に記載の装置。
17. 前記アトマイザーは、インクを霧状にするように構成された超音波トランスデューサを含む、請求項１５に記載の装置。
18. 前記バイアルは取り外し可能である、請求項１５～１７のいずれか１つに記載の装置。
19. 少なくとも１つの空気力学レンズは、中型粒子をコリメートする目的でアトマイザーエアロゾル分布の平均径と一致する動作上の範囲を有する、請求項１５～１８のいずれか１つに記載の装置。
20. 空気力学レンズアセンブリおよび出口ノズルを通る流体のシース流量は、いずれかのサイズに粒子を集束させる目的で、エアロゾル分布に大型粒子および小型粒子を収容するように設定される、請求項１５～１８のいずれか１つに記載の装置。
21. 非接触型、空気圧シャッターアセンブリは、内部にあり、１０ミリ秒もの速さのシャッター時間を達成するように構成される、請求項１５～１８のいずれか１つに記載の装置。
22. 数個の出口ノズルを含むマルチノズルアレイをさらに含む、請求項１５～１８のいずれか１つに記載の装置。
23. 請求項１５に記載の装置を使用して、基板上でトレースを印刷する方法であって、
    バイアル中にエアロゾルインクを提供する工程と、
    ガス入口管を介してカートリッジ内にエアロゾル輸送ガスを投入する工程と、
    エアロゾルを詰め込んだガスを作製するために前記アトマイザーの超音波トランスデューサを使用して、エアロゾルインクを霧状にする工程と、
    組み合わせたフローを作製するために、エアロゾルを詰め込んだガスを用いて環状の共軸のフローを形成するべく、ポートを介してシースガスをアトマイザーへ導入する工程と、
    前記組み合わせたフローをフローセルに通過させる工程と、
    エアロゾルを詰め込んだガスを、一定の流量で出力ポートから出力する工程と、を含む、方法。
24. ８～２４時間継続して印刷する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記インクジェットカートリッジを第２のインクジェットカートリッジに交換する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
26. 前記基板は、積層造形用途基板である、請求項２３に記載の方法。
27. 前記基板は、センサー用途基板である、請求項２３に記載の方法。
28. 前記基板は、太陽電池金属化、または燃料電池基板である、請求項２３に記載の方法。
29. 出力は、標準気温および圧力の周囲条件下にある、請求項２３～２８のいずれか１つに記載の方法。
30. 二次元または三次元で高密度回路を印刷するために使用される、請求項２３に記載の方法。