JP7714830B2 - 塗布装置および塗布方法 - Google Patents

塗布装置および塗布方法

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Description

本発明の実施形態は、デバイス形成に用いることができる塗布装置および塗布方法に関するものである。
有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池や有機/無機ハイブリッド太陽電池は、活性層の形成に安価な塗布法を適用できることから、低コストの太陽電池として期待されている。有機薄膜太陽電池や有機/無機ハイブリッド太陽電池を低コストで実現するためには、有機活性層やその他の層を形成する塗布材料を均一に塗布することが求められる。各層の膜厚は数nmから数100nm程度であり、そのような非常に薄い層を大面積で均一性よく形成することが求められる。例えば、低コストで大面積に極薄い層を塗布可能なロール・ツー・ロール(R2R)塗布法としてメニスカス塗布法やスリット塗布法が知られている。しかし、従来知られているこれらの方法をそのまま採用しただけでは均一な膜厚を得ることが困難な場合があり、より均塗布バーを用いて液を塗布し、均一な塗布膜を形成できる塗布装置が望まれる。
特開2003-251256号公報
本発明の実施形態は、均一な塗布膜を形成できる塗布装置および塗布方法を提供するものである。
本発明によって提供される実施形態は以下のとおりである。
[1]
塗布バーと、基材を搬送する基材搬送部材と、前記塗布バーに塗布液を供給する塗布液供給部材と、を具備する塗布装置であって、前記塗布バーの塗布下流に均一化バーをさらに具備し、前記均一化バーが、前記均一化バーと前記基材との間に前記塗布液がメニスカスを形成する位置に配置された、塗布装置。
[2]
前記均一化バーと前記基材との間隔を制御する、均一化バー位置調整部材をさらに具備する、[1]に記載の塗布装置。
[3]
前記均一化バーが回転しないように配置されている、[1]または[2]に記載の塗布装置。
[4]
塗布バーの位置を制御する、塗布バー位置調整部材をさらに具備する、[1]~[3]のいずれかに記載の塗布装置。
[5]
前記塗布液を複数のノズルから供給する[1]~[4]のいずれかに記載の塗布装置。
[6]
複数ノズルの開口面が75度以上105度以下にカットされたニードル形状である、[5]に記載の塗布装置。
[7]
前記ノズルが取り外し可能である[5]まtがは[6]に記載の塗布装置。
[8]
前記均一化バーに前記塗布液を供給するノズルをさらに具備する、[5]~[7]のいずれかに記載の塗布装置。
[9]
前記塗布液をスリットダイヘッドから供給を行う、[1]~[4]のいずれかに記載の塗布装置。
[10]
前記均一化バーが湾曲している、[1]~[9]のいずれかに記載の塗布装置。
[11]
塗布バーを用いて基材の表面に塗布液と塗布して塗布膜を形成する塗布方法において、塗布バーの塗布下流に均一化バーを配置し、前記塗布バーによって形成された一次的塗布膜から供給される塗布液によって、前記基材と前記均一化バーとの間にメニスカスを形成させて二次的塗布膜を形成させる、塗布方法。
[12]
前記塗布バーの表面に複数のノズルから塗布液を供給し、前記表面から前記塗布バーと前記基材との間に前記塗布液を供給することで、前記一次的塗布膜を形成させる、[11]に記載の塗布方法。
[13]
前記の複数のノズルの位置を調整して、前記塗布バーと前記、複数のノズルとの距離を検出した後に、前記塗布液の供給を行なう、[12]に記載の塗布方法。
[14]
前記距離の検出を、前記ノズルと前記塗布バーと間の電気抵抗を測定することで行う、[13]に記載の塗布方法。
[15]
前記複数のノズルを、回転、水平移動、または垂直移動が可能な一つの片持ち固定板に設置する、[12]~[14]のいずれかに記載の塗布方法。
図1は、第1実施形態に係る塗布装置を例示する模式的側面図である。 図2は、第1実施形態に係る塗布装置を例示する模式的上面図である。 図3は、第2実施形態に係る塗布方法を例示するフローチャート図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る塗布装置を例示する模式側面図である。図2は、第1実施形態に係る塗布装置を例示する模式的上面図である。
図1に示すように、実施形態に係る塗布装置100は、塗布バー101と、基材を搬送する基材搬送部材102と、前記塗布バーに液溜112に貯留された塗布液103を供給する塗布液供給部材104と、均一化バー105とを具備している。均一化バー105は、均一化バーと基材との間に塗布液がメニスカスを形成する位置に配置されている。そして、この例では、塗布バーを用いて、いわゆるメニスカス法によって一次的な塗布膜を形成するものである。塗布バー101の表面に対してノズル106から塗布液103を供給し、塗布バーの表面から塗布バー101と基材107との間に塗布液が流入してメニスカス103Maを形成し、基材が矢印方向に搬送されることで、一次的な塗布膜108aが形成されるように、各部材が配置されている。
実施形態において、塗布バー101の断面形状は、任意である。断面形状は、例えば、円形、偏平円形または多角形である。断面形状の、メニスカス形成部分に対応する一部が曲線状で、他の部分が直線状でもよい。例えば、塗布バー101の、基材107に対向する面の断面形状は曲線状でも良い。
塗布バーは回転しないように配置することができる。塗布バーをローラーのように回転させないことによって、メニスカスの安定性が向上する。
塗布バー101は、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、チタンおよびガラスよりなる群から選択された少なくとも1つを含む。これにより、塗布バー101を準備するときの加工が容易になる。1つの例において、塗布バー101の表面は鏡面である。別の例において、塗布バー101の表面は、凹凸構造を含んでもよい。
そして、図1および図2に示すように、均一化バー105は塗布バー101の塗布下流に設置される。
塗布バー101により基材107にはほぼ全面に塗布液103が塗布されて塗布膜108aが形成されるが、塗布膜108aは均一性が不十分である場合がある。本実施形態において形成された塗布膜108aは、基材が搬送されることによって、塗布バーの下流に配置された均一化バー105に接触する。図1に示すように、基材107と均一化バー105との間に塗布液103のメニスカス103Mbが形成可能である。塗布液の表面張力によって均一化バー105と基材107の隙間の横方向に広がり、均一なメニスカス103Mbが作成される。メニスカス103Mbが基材107と接することで、基材107に、塗布103による均一の性の高い、二次的な塗布膜108bが形成される。塗布膜108bを、例えば乾燥することによって固体化させることで、目的とする膜(固体膜)が得られる。例えば均一化バーの下流に、乾燥部材109を配置することで可能となる。
このように、例えば、基材107を移動方向(図中の矢印方向)に沿って移動させることで、基材107に大きな面積の塗布膜108bを形成可能である。
図1および図2に例示した塗布装置は、メニスカス法によって、一次的な特膜を形成するものであるが、一次的な塗布膜の均一性を改善するために、ノズル106の位置を調整するノズル位置調整部材110や、塗布バー101とノズル106の距離を検出するノズル位置検出部材111などをさらに具備することができる。
一次的な塗布膜を形成するのにノズルを用いる場合には、図2に示すように、ノズル106を複数としたり、ポンプ104を複数とすることができる。複数のノズル106は、塗布バー101と対向可能である。図2に示すように、複数のノズル106は、塗布バー101に向けて塗布液103を供給することが可能である。なお、均一化バー105に塗布液を供給するさらなるノズルをさらに具備することもできる。このようなさらなるノズルを配置しておくことで、塗布開始前に一次的塗布膜を形成する前に、基材と均一化バーとの間にメニスカスを形成させることができる。
図2に示すように、複数のノズル106は、第1方向に沿って並ぶ。第1方向は、例えば、Y軸方向である。Y軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。基材の移動方向はX軸に一致することができる。Y軸方向およびX軸方向に対して垂直な方向をZ軸方向とする。塗布バー101は、例えば、Y軸方向に沿って延びる。
実施形態においては、複数のノズル106の数は、3以上とすることができる。これにより、大きな面積の一次的な塗布膜108aを、安定して形成できる。図2の例では、複数のノズル106の数は、4である。実施形態において、数は、3以上の任意の整数で良い。
実施形態において、ノズルとしてはスロットダイとすることができるし、針状とすることができる。複数の針状のノズル106を用いることで、例えば、塗布液103の排出量を高い精度で制御できる。ノズルが針状であると、例えば、複数のノズルの先端が塗布バー101に接触させ易い。針状のノズルにおいて、高い柔軟性が得られる。高い柔軟性により、例えば、塗布バー101の振動などによりノズルが損傷することが抑制できる。針状のノズルにおいて、ノズルの長さは、例えば10mm以上100mm以下であり、ノズルの内径は、例えば0.5mm以上2mm以下である。ノズルの先端の端面とノズルの延びる方向との間の角度は、例えば約90度(例えば75度以上105度以下)である。このような形状により、例えば、塗布バー101に傷が生じることが抑制できる。
しかし、複数のノズルがある場合、塗布バー101と各ノズルの先端の距離にはバラツキが生じやすい。バラツキがあると各ノズルから形成されるメニスカス103Maに乱れが生じやすくなり、結果として塗布膜108aが不均一になりやすい。
図1および2に示すように、各ノズルの位置を調整する、ノズル位置調整部材110と塗布バー101と各ノズル106の距離を検出するノズル位置検出部材111.を設ければ、各ノズル先端と塗布バーの位置や距離のバラツキを低減することができ、均一な塗布が可能になる。
実施形態において、塗布バーと各ノズルが接触したことを検知する部材をさらに有することができる。接触は例えばノズルと塗布バーとの間の電気的抵抗を測定するなどの方法で簡便に検出しやすいので、それに基づいて塗布条件を調整することでバラつきを低減することができる。接触していると、塗布液が塗布バーに直接塗布でき、塗布液のハジキが起こりにくい。
実施形態においては、塗布バーと各ノズルが接触したことを検出する部材として、各ノズルと塗布バー間の電気抵抗を測定する部材を有することができる。各ノズルと塗布バーが導電性のステンレス等で作製され、かつ各ノズル間が絶縁されていれば塗布バーと各ノズル間の電気抵抗を測定すれば接触した瞬間に電気抵抗が激減する。また接触状態が変化することにより電気抵抗は変化するため接触の状態をモニターすることが可能になる。例えばあまりにノズルが大きく湾曲するほど強く塗布バーに押し付けられた状態ではノズルの先端だけではなく、その側面にも塗布バーが接触して、電気抵抗は非常に小さくなる。この場合にはノズルの先端から塗布液が塗布バー以外のところにも吐出されやすくなり不均一な塗布が起こりやすい。最適な電気抵抗はノズルや塗布バーの形状や材質によって変化するため、事前に測定しておくことが望ましい。
各ノズル間と塗布バーには予め電気抵抗測定器と接続する配線を設置することが望ましい。配線には開閉部を設けておき、塗布の前に各ノズルを移動させ塗布バーとの接触を確認しておくことができる。また塗布中にも電気抵抗を測定しておけばノズルと塗布バーとの接触に異常があった場合を検出することができる。電気抵抗測定器は塗布装置とは別個の外付け装置とすることもできる。
なお、実施形態による塗布装置において、ノズルは取り外しが可能となっていることが好ましい。ノズルは、開口が小さいことに起因して詰まりが起こりやすい。実施形態による塗布装置では、そのような詰まりが起こったときに、塗布液供給部材や塗布液供給量調整部材によって、各ノズルの吐出量を調整することができるが、詰まりが顕著になったり、吐出が完全にできなくなった場合には、洗浄または交換をする必要がある。このような場合に、ノズルが取り外し可能となっていることで、メンテナンスが容易となるので好ましい。
以上の説明は、図1および図2に示した、複数のノズルから塗布液を供給して、一次的な塗布膜108aをメニスカス法で形成する場合について説明したが、一次的な塗布膜は、別の方法で形成してもよい。例えば、複数のノズルに代えて、塗布バーをスリット塗布に用いる、内部にマニホールドを有し、そのマニホールドからスリットを経由して基材表面に塗布液を供給するスリットダイヘッドとすることもできる。さらに、図1および2におけるノズルに代えてスリットダイヘッドを用いて、塗布バーに塗布液を供給することもできる。
塗布装置100は、乾燥部剤109をさらに含んでも良い。乾燥部材109は、基材107に塗布された塗布膜108bを乾燥させることが可能である。乾燥部材109は、例えば、エアノズルや遠赤外ランプを具備するものであってよい。
塗布バー101と均一化バー105の距離は自由に変えることもできる。
また、均一化バー105と基材107の間隔を制御する部材を具備することが好ましい。このためにはギャップリングやマイクロメーター等を使用することができる。
均一化バーは直線状であってもよいし、湾曲した形状であってもよい。直線状であると塗布膜の厚さの均一性が得られやすい。湾曲していると例えば中央を厚くなど厚みを変化させやすくなるが塗布方向での均一性は得られやすい。
実施形態において、均一化バー105の断面形状は、任意である。塗断面形状は、例えば、円形、偏平円形または多角形である。断面形状の一部が曲線状で、他の部分が直線状でも良い。例えば、均一化バー105の、基材107に対向する面の断面形状は曲線状でも良い。
均一化バーは回転しないように配置することができる。均一化バーをローラーのように回転させないことによって、メニスカスの安定性が向上する。
均一化バー105は、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、チタンおよびガラスよりなる群から選択された少なくとも1つを含む。これにより、均一化バー105を準備するときの加工が容易になる。1つの例において、均一化バー105の表面は鏡面である。別の例において、均一化バー26の表面は、凹凸構造を含んでも良い。
(第2実施形態)
第2実施形態は、塗布方法に係る。実施形態に係る塗布方法においては、例えば、第1実施形態に関して説明した塗布装置10(およびその変形)を用いて塗布が行われる。
図3は、第2実施形態に係る塗布方法(S30)を例示するフローチャート図である。塗布液のメニスカスを形成して塗布する塗布方法において、塗布バーおよびメニスカス均一化バーと、基材と、の距離を検出し、調整する工程(S31)、塗布バーと各ノズルとの距離を検出し、調整する工程(S32)、基材と均一化バーとの間にメニスカスを作成する工程(S33)、塗布液を供給して、基材への塗布を行なう工程(S34)を有する。ここでS33の工程をS34の工程より先に行うことによりメニスカスM22が塗布過程において安定的に生成する。このように塗布開始の前に基材と均一化バーとの間にメニスカスを形成させるために、均一化バーに塗布液を供給する、さらなるノズルを配置しておくことが好ましい。
実施形態において、塗布バーと各ノズルとの距離を、塗布バーとノズルとの間の電気抵抗を測定することによって検出することができる。また、各ノズルを回転、水平移動、または垂直移動が可能な一つの片持ち固定板に設置することができる。このような配置によって、すべてのノズルの位置を同時に調整することが可能となる。
以下、実施形態に係る塗布装置および塗布方法の具体例について説明する。
例えば、塗布装置100による塗布により、太陽電池を形成することができる。1つの例において、ポンプの数は、4である。1つのポンプに接続された管は、4つのノズルに接続される。ノズルの総数は、16である。ノズルは一本の片持ちバーに設置されている。各ノズルには移動のためのアクチュエータと電気抵抗を測定するための配線が設置されている。配線は電気抵抗測定器に接続される。ノズルと塗布バーの位置関係を観測するためのノズル位置検出部材、例えばカメラが設置されている。
例えば、基材107は、ロール状のPETフィルムである。PETフィルムの幅は、例えば、330mmである。PETフィルム上にロールtoロール対応のスパッタ装置により光透過性で、幅が300mmの電極が作成される。電極のシート抵抗は、例えば、10Ω/□である。電極は、例えば、ITO膜/Ag合金/ITO膜の積層構造を有する。例えば、複数の電極が設けられる。複数の電極の1つの長さは、例えば、約10mmである。複数の電極どうしの間隔は、例えば50μmである。
塗布バー101および均一化バー105の断面は、円状である。円の半径は、10mmである。塗布バー101および均一化バー105の長さは、300mmである。塗布バー101および均一化バー105は、例えば、ステンレス(例えばSUS303)を含む。
ノズルは、ステンレス製のロック基を含む。ノズルの長さは、50mmである。塗布液の配管は、ポリテトラフルオロエチレン製チューブである。ノズルと管とは、着脱可能なジョイントにより接続される。管がポンプに接続される。
1つの例において、塗布液103により、ホール輸送層が形成される。この場合、塗布液103は、PEDOTおよびPSSを含む水溶液である。
例えば、ギャップリングやアクチュエータにより、塗布バー101および均一化バー105と、基材107と、の間の相対的な位置関係が制御される。
例えば、ノズルを水平状態にする。このような状態において、塗布液103が供給され、ノズル中の空気が排出される。
この後、ニードルノズルの先端を下げて水平から20°傾ける。片持ちバーを塗布バーに近づける。次に各ノズルを塗布バーに一本づつ近づけて接触させ電気抵抗が10~50Ωになるようにする。
均一化バー105にシリンジで塗布液を供給して均一化バーと基材107の間にメニスカス103Mbを作成する。
基材107を搬送しながら、ポンプにより塗布液103を連続的に供給する。基材107の移動速度は、例えば、5m/minである。乾燥部材109により、塗布された塗布液103に、加熱した乾燥空気を吹き付ける。塗布液103から固体化された塗布膜が得られる。
実施形態において、上記の塗布の後に、別の塗布液がさらに塗布されても良い。別の塗布液は、例えば、半導体材料を含む。別の塗布液は、例えば、PTB7([ポリ{4,8-ビス[(2-エチルヘキシル)オキシ]ベンゾ[1,2-b:4,5-b’]ジチオフェン-2,6-ジイル-1t-alt-3-フルオロ-2-[(2-エチルヘキシル)カルボニル]チエノ[3,4-b]チオフェン-4,6-ジイル}])と、PC70BM([6,6]フェニルC71ブチル酸メチルエスター)と、を含む。PTB7は、例えばp形半導体である。PC70BMは、例えば、n形半導体である。別の塗布液は、例えば、モノクロロベンゼンをさらに含む。1mLのモノクロロベンゼンに対して、PTB7の量は8mgである。1mLのモノクロロベンゼンに対して、PC70BMの量は12mgである。別の塗布液は、有機半導体を含む分散液である。
別の塗布液は、例えば、太陽電池の半導体膜となる。別の塗布液の塗布において、塗布バー101と基材107との間の最小間隙距離は、300μmである。基材107の移動速度は、例えば、5m/minである。塗布後に、乾燥部材109により乾燥が行われる。
例えば、有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池、または、有機/無機ハイブリッド太陽電池がある。これらの太陽電池を塗布法により作製することで高性能な太陽電池が作製できる。
実施形態において、基材107が垂直方向に搬送される位置で、塗布液103が基材107に塗布されても良い。これにより、例えば、重力の効果がメニスカスに加わり、高速でも均一な膜が得やすくなる。
実施形態によれば、均一な塗布膜を形成できる塗布装置および塗布方法が提供される。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、塗布装置に含まれる、管、ポンプ、ノズルおよび保持部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した塗布ヘッド、塗布装置および塗布方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての塗布装置および塗布方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100…塗布装置
101…塗布バー
102…基材搬送部材
103…塗布液
104.…塗布液供給部材
105…均一化バー
106…ノズル
107…基材
108a…一次的塗布膜
108b二次的塗布膜
109…乾燥部材
110…ノズル位置調整部材
111…ノズル位置検出部材
112…液溜

Claims (15)

  1. 塗布バーと、基材を搬送する基材搬送部材と、前記塗布バーに塗布液を供給する塗布液供給部材と、を具備する塗布装置であって、前記塗布バーの塗布下流に均一化バーをさらに具備し、前記均一化バーが、前記均一化バーと前記基材との間に前記塗布液がメニスカスを形成する位置に配置され、かつ、前記均一化バーと前記基材との間隔を制御する、均一化バー位置調整部材をさらに具備する塗布装置。
  2. (削除)
  3. 前記均一化バーが回転しないように配置されている、請求項1に記載の塗布装置。
  4. 塗布バーの位置を制御する、塗布バー位置調整部材をさらに具備する、請求項1または3に記載の塗布装置。
  5. 前記塗布液を複数のノズルから供給する、請求項1または3に記載の塗布装置。
  6. 複数ノズルの開口面が75度以上105度以下にカットされたニードル形状である、請求項5に記載の塗布装置。
  7. 前記ノズルが取り外し可能である請求項5に記載の塗布装置。
  8. 前記均一化バーに前記塗布液を供給するノズルをさらに具備する、請求項5に記載の塗布装置。
  9. 前記塗布液をスリットダイヘッドから供給を行う、請求項1または3に記載の塗布装置。
  10. 前記均一化バーが湾曲している、請求項1または3に記載の塗布装置。
  11. 塗布バーを用いて基材の表面に塗布液と塗布して塗布膜を形成する塗布方法において、塗布バーの塗布下流に均一化バーを配置し、前記塗布バーによって形成された一次的塗布膜から供給される塗布液によって、前記基材と前記均一化バーとの間にメニスカスを形成させ、かつ前記均一化バーと前記基材との間隔を制御しながら、二次的塗布膜を形成させる、塗布方法。
  12. 前記塗布バーの表面に複数のノズルから塗布液を供給し、前記表面から前記塗布バーと前記基材との間に前記塗布液を供給することで、前記一次的塗布膜を形成させる、請求項11に記載の塗布方法。
  13. 前記の複数のノズルの位置を調整して、前記塗布バーと前記、複数のノズルとの距離を検出した後に、前記塗布液の供給を行なう、請求項12に記載の塗布方法。
  14. 前記距離の検出を、前記ノズルと前記塗布バーと間の電気抵抗を測定することで行う、請求項13に記載の塗布方法。
  15. 前記複数のノズルを、回転、水平移動、または垂直移動が可能な一つの片持ち固定板に設置する、請求項12に記載の塗布方法。
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