JP6402019B2 - エレクトロスプレー装置 - Google Patents

Description

この発明は、エレクトロスプレー装置に関し、特に、ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積させるエレクトロスプレー装置に関する。

従来、ノズルから噴霧された溶液材料を基板に薄膜として堆積させるエレクトロスプレー装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、基板が載置されるプレートと、電圧が印加された状態の溶液材料を基板に噴霧するノズルとを備えるエレクトロスプレー装置が開示されている。このエレクトロスプレー装置では、ノズルは、先端が平坦な円筒形状を有する。そして、基板とノズルとの間に生じた電界により、ノズルの先端から基板に溶液材料が飛行することによって、基板に溶液材料が薄膜として堆積される。

一方、上記特許文献１に記載のような従来のエレクトロスプレー装置では、水のような表面張力の大きい溶媒を用いて塗布する場合、溶液材料の一部が表面張力によって小さな液滴にならずに、比較的大きな液滴が残存した状態でノズルの先端から基板に溶液材料が飛行し、薄膜の膜厚が不均一になるという不都合がある。この不都合を解消するために、従来では、直径の小さな円筒形状のノズルを用いることが提案されている。これにより、ノズルの先端に電界が集中するので、水のような表面張力の大きい溶媒を塗布する場合でも、比較的大きな液滴が残存することを抑制することが可能になる。

特開２０１４−１４７８９１号公報

しかしながら、直径の小さな円筒形状のノズルが用いられるエレクトロスプレー装置では、比較的大きな液滴が残存することを抑制することが可能である一方、ノズルの直径が小さい分、溶媒の吐出量が少なくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、比較的大きな液滴が残存することを抑制しながら、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制して塗布することが可能なエレクトロスプレー装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面によるエレクトロスプレー装置は、金属製のノズルに電圧を印加することにより、ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積させるエレクトロスプレー装置であって、溶液材料を噴霧するノズルを備え、ノズルの先端部は、先端に向かってノズルの直径が小さくなる形状を有し、ノズルの先端部の近傍には、溶液材料が吐出される吐出用穴部が設けられており、吐出用穴部は、ノズルの側面に設けられている。

この一の局面によるエレクトロスプレー装置では、上記のように、ノズルの先端部を、先端に向かってノズルの直径が小さくなる形状を有するように構成することによって、ノズルの先端において電界が集中するので、水のような表面張力の大きい溶媒を用いて塗布する場合でも、集中した電界により溶液材料を小さな液滴にすることができる。また、先端まで直径が均一なノズルの場合に比べ、比較的大きな穴径であっても所定の大きさの電界をノズルの先端に形成することができるため、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制することができる。これらにより、比較的大きな液滴が残存することを抑制しながら、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制して塗布することができる。

また、ノズルの先端部の近傍には、溶液材料が吐出される吐出用穴部が設けられている。これにより、ノズルの先端部の近傍に設けられる吐出用穴部から吐出される溶液材料が、ノズルの先端部の電界によりノズルの先端部側に移動するので、溶液材料をノズルの先端部に連続して供給することができる。その結果、溶液材料を連続して飛行させることができる。

また、吐出用穴部は、ノズルの側面に設けられている。これにより、ノズルの先端部が先端に向かって直径が小さくなる形状を有することに起因して、ノズルの先端部に吐出用穴部を形成することが困難な場合でも、容易に、吐出用穴部をノズルの側面に形成することができる。また、ノズルの先端部（先端）に吐出用穴部を形成する場合と異なり、ノズルの先端を尖らせることができるので、先端に電界をより集中させることができる。これにより、比較的大きな液滴が残存することをより抑制することができるとともに、電界がより集中する分、溶液材料の塗布範囲（スプレー径）を大きくすることができる。

本発明によれば、上記のように、比較的大きな液滴が残存することを抑制しながら、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制して塗布することができる。

本発明の一実施形態によるエレクトロスプレー装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 参考例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 比較例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 ノズルから噴霧された溶液材料のスプレー径の大きさについて行った実験の結果を示す図である。 電気力線の広がりを説明するための図である。 本発明の一実施形態の第１変形例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。 本発明の一実施形態の第４変形例によるエレクトロスプレー装置のノズルの断面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

（本実施形態）
図１および図２を参照して、本実施形態によるエレクトロスプレー装置１００の構成について説明する。

図１に示すように、エレクトロスプレー装置１００は、ノズル１と、アースプレート２とを備えている。また、ノズル１とアースプレート２との間には、図示しないマスクが設けられている。また、アースプレート２の表面上（Ｚ２方向側の表面上）には、基板２００が配置されている。

ノズル１は、金属製である。そして、金属製のノズル１に電圧を印加することにより、溶液材料に電圧が印加されて、溶液材料が下方（Ｚ２方向）から上方（Ｚ１方向）に向かって噴霧される。これにより、ノズル１から噴霧された溶液材料が、基板２００に薄膜（図示せず）として堆積される。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、ノズル１の先端部１１は、先端１２に向かってノズル１の直径Ｄ１が小さくなる形状を有する。具体的には、ノズル１は、先端部１１と、先端部１１以外の根元部１３とを含む。ノズル１は、先端部１１と根元部１３とが溶接されることにより形成されている。

先端部１１は、直径Ｄ１が一定である第１部分１１ａと、先端１２に向かって直径Ｄ１が小さくなる円錐形状を有する第２部分１１ｂとを含む。また、先端部１１には、溶液材料が流通する後述する流路１４は設けられていない。また、円錐形状の先端部１１を、先端１２を通るＸ−Ｚ平面に沿って切断した断面において、先端部１１の角度θ１は、略６０度である。

また、根元部１３は、円筒形状を有し、内部に、溶液材料が流通する流路１４が設けられている。根元部１３は、直径Ｄ２を有するとともに、流路１４は、直径Ｄ３を有する。また、根元部１３の直径Ｄ２および流路１４の直径Ｄ３は、Ｚ１方向側からＺ２方向側にわたって一定である。たとえば、根元部１３の直径Ｄ２は、０．５１ｍｍであり、流路１４の直径Ｄ３は、０．２５ｍｍである。

また、本実施形態では、ノズル１の先端部１１の近傍には、溶液材料が吐出される吐出用穴部１５が設けられている。具体的には、吐出用穴部１５は、Ｘ方向から見た吐出用穴部１５の中心が先端部１１の先端１２からＺ方向に沿って距離Ｌだけ隔てるように配置されている。たとえば、距離Ｌは、１．０ｍｍである。また、吐出用穴部１５は、流路１４に連通するように設けられている。

また、本実施形態では、吐出用穴部１５は、ノズル１（根元部１３）の側面１６に設けられている。また、吐出用穴部１５は、流路１４が延びる方向であるＺ方向に直交するＸ方向に開口するように２つ設けられている。また、吐出用穴部１５の直径Ｄ４は、流路１４の直径Ｄ３と略等しい。そして、ノズル１に電圧が印加されることにより、先端部１１（先端１２）に電界が生じる。この電界により、図１に示すように、吐出用穴部１５から溶液材料が先端部１１（先端１２）側に移動する（吐出される）。

アースプレート２は、たとえば金属板から構成されており、平板形状を有する。アースプレート２は、薄膜の形成時に、基板２００に接触して基板２００を支持するとともに接地するように構成されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、上記のように、ノズル１の先端部１１を、先端１２に向かってノズル１の直径Ｄ１が小さくなる形状を有するように構成することによって、ノズル１の先端１２において電界が集中するので、水のような表面張力の大きい溶媒を用いて塗布する場合でも、集中した電界により溶液材料を小さな液滴にすることができる。また、先端まで直径が均一なノズルの場合に比べ、比較的大きな穴径であっても所定の大きさの電界をノズル１の先端１２に形成することができるため、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制することができる。これらにより、比較的大きな液滴が残存することを抑制しながら、溶液材料の吐出量が少なくなることを抑制して塗布することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ノズル１の先端部１１の近傍に、溶液材料が吐出される吐出用穴部１５を設ける。これにより、ノズル１の先端部１１の近傍に設けられる吐出用穴部１５から吐出される溶液材料が、ノズル１の先端部１１の電界によりノズル１の先端部１１側に移動するので、溶液材料をノズル１の先端部１１に連続して供給することができる。その結果、溶液材料を連続して飛行させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、吐出用穴部１５を、ノズル１の側面１６に設ける。これにより、ノズル１の先端部１１が先端１２に向かって直径Ｄ１が小さくなる形状を有することに起因して、ノズル１の先端部１１に吐出用穴部１５を形成することが困難な場合でも、容易に、吐出用穴部１５をノズル１の側面１６に形成することができる。また、ノズル１の先端部１１（先端１２）に吐出用穴部１５を形成する場合と異なり、ノズル１の先端１２を尖らせることができるので、先端１２に電界をより集中させることができる。これにより、比較的大きな液滴が残存することをより抑制することができるとともに、電界がより集中する分、溶液材料の塗布範囲（スプレー径）を大きくすることができる。

（参考例）
次に、図３を参照して、参考例によるエレクトロスプレー装置１１０の構成について説明する。参考例では、吐出用穴部１５がノズル１の側面１６に設けられていた上記本実施形態と異なり、吐出用穴部３５がノズル３の先端３２に設けられている。

参考例では、エレクトロスプレー装置１１０のノズル３の先端部３１は、先端３２に向かってノズル３の直径Ｄ５が小さくなる形状を有する。具体的には、ノズル３は、先端部３１と、先端部３１以外の根元部３３とを含む。ノズル３は、円筒形状のノズル３の先端３２側の部分を、テーパ状に加工することにより形成されている。これにより、根元部３３の直径Ｄ６および流路３４の直径Ｄ７は、Ｚ１方向側からＺ２方向側にわたって一定である一方、先端部３１の直径Ｄ５は、先端３２に向かって小さくなる。たとえば、根元部３３の直径Ｄ６は、０．５１ｍｍであり、流路３４の直径Ｄ７は、０．２５ｍｍである。また、先端部３１は、Ｚ方向に対して約６度の角度θ２で傾斜している。また、先端部３１の先端３２における直径Ｄ５（直径が最も小さくなった位置における直径Ｄ５）は、０．３８ｍｍである。

そして、参考例では、吐出用穴部３５は、ノズル３の先端３２に設けられている。具体的には、吐出用穴部３５は、流路３４に連通するように、ノズル３のＺ１方向側の端面に設けられている。これにより、先端部３１は、円錐台形状を有する。

なお、参考例のその他の構成は、上記実施形態と同様である。

次に、参考例の効果について説明する。

参考例では、上記のように、吐出用穴部３５を、ノズル３の先端３２に設ける。これにより、容易に、溶液材料を電界が集中するノズル３の先端３２に供給することができる。

なお、参考例のその他の効果は、上記本実施形態と同様である。

次に、図４〜図６を参照して、ノズルから噴霧された溶液材料のスプレー径の大きさについて行った実験を、比較例によるエレクトロスプレー装置３００と比較しながら説明する。なお、ノズルから噴霧された溶液材料は、噴霧方向から見て、略円形状に基板に噴霧される。そして、スプレー径とは、基板に噴霧された略円形状の溶液材料の直径を意味する。

図４に示すように、比較例によるエレクトロスプレー装置３００では、ノズル３０１は、先端３０２が平坦な円筒形状を有する。そして、上記実施形態および参考例と同様に、ノズル３０１の直径Ｄ８は、０．５１ｍｍであり、流路３０３の直径Ｄ９は、０．２５ｍｍである。

そして、実験では、ノズル（本実施形態のノズル１、参考例のノズル３、比較例のノズル３０１）の基板２００に対する高さｈ（図１参照）を変化させた場合における、スプレー径Ｄ１０（図１参照）の大きさの変化を測定した。なお、ノズルに印加する電圧は、６．５ｋＶ〜１２ｋＶの範囲で調整した。図５に示すように、高さｈがいずれの場合（３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍ）においても、本実施形態のノズル１、参考例のノズル３、比較例のノズル３０１の順にスプレー径Ｄ１０が大きくなることが判明した。

スプレー径Ｄ１０が、本実施形態のノズル１、参考例のノズル３、比較例のノズル３０１の順に大きくなる理由は、以下のように考えられる。本実施形態のノズル１の先端部１１は、先端１２に向かってノズル１の直径Ｄ１が小さくなる形状を有するので、比較例のノズル３０１の先端３０２に比べて電界が集中すると考えられる。これにより、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、本実施形態における電気力線の広がりが、比較例における電気力線の広がりよりも大きくなると考えられる。その結果、本実施形態のスプレー径Ｄ１０が、比較例のスプレー径Ｄ１０よりも大きくなったと考えられる。また、参考例のノズル３の先端部３１も、先端３２に向かってノズル３の直径Ｄ５が小さくなる形状を有するので、参考例のスプレー径Ｄ１０が、比較例のスプレー径Ｄ１０よりも大きくなったと考えられる。

また、本実施形態のノズル１は、参考例のノズル３に比べて、ノズル１の先端部１１が尖った形状を有する。すなわち。本実施形態のノズル１は、円錐形状を有し、参考例のノズル３は、円錐台形状を有する。これにより、本実施形態のノズル１の先端部１１は、参考例のノズル３の先端部３１に比べて電界がより集中すると考えられる。その結果、本実施形態のスプレー径Ｄ１０が、参考例のスプレー径Ｄ１０よりも大きくなったと考えられる。

なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、吐出用穴部がノズルの側面にのみ設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図７に示す本実施形態の第１変形例によるエレクトロスプレー装置１２０のように、ノズル４の側面４６の吐出用穴部４５に加えて、ノズル４の先端部４１に流路４３に連通する吐出用穴部４４を設けてもよい。これにより、吐出用穴部４４からも溶液材料が吐出されるので、流路４３の吐出用穴部４５よりも先端４２側（Ｚ１方向側）の部分４７に、溶液材料が滞留するのを抑制することが可能になる。

また、上記実施形態では、先端部が円錐形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図８に示す本実施形態の第２変形例によるエレクトロスプレー装置１３０のように、ノズル５の先端部５１を、円錐形状（図８の点線参照）よりも直径Ｄ１１が緩やかに小さくなる形状（Ｚ方向に直交する方向に膨らんだ形状）にしてもよい。また、図９に示す本実施形態の第３変形例によるエレクトロスプレー装置１４０のように、ノズル６の先端部６１を、円錐形状（図９の点線参照）よりも直径Ｄ１２が急激に小さくなる形状（Ｚ方向に直交する方向に窪んだ形状）にしてもよい。

また、上記実施形態では、吐出用穴部がノズルの側面に２つ設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、吐出用穴部をノズルの側面に１つまたは３つ以上設けてもよい。

また、上記実施形態および参考例では、溶液材料が流通する流路の直径と、吐出用穴部の直径とが略等しい例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、溶液材料が流通する流路の直径と、吐出用穴部の直径とを異ならせてもよい。

また、上記実施形態では、吐出用穴部をノズルの根元部の側面に設けて、参考例では、吐出用穴部をノズルの先端に設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１０に示す本実施形態の第４変形例によるエレクトロスプレー装置１５０のように、吐出用穴部７３を、ノズル７の先端部７１（先端部７１の直径Ｄ１３が先端７２に向かって小さくなる部分）に設けてもよい。

また、上記実施形態および参考例では、溶液材料が下方から上方に向かって噴霧される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、溶液材料を上方から下方に向かって噴霧してもよいし、側方に向かって噴霧するようにしてもよい。

１、３、４、５、６、７ ノズル
１１、３１、４１、５１、６１、７１ 先端部
１２、３２、４２、７２ 先端
１５、３５、４５、７３ 吐出用穴部
１６、４６ 側面
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ エレクトロスプレー装置
２００ 基板
Ｄ１、Ｄ５、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３ （ノズルの）直径

Claims (1)

1. 金属製のノズルに電圧を印加することにより、前記ノズルから噴霧された溶液材料を、基板に薄膜として堆積させるエレクトロスプレー装置であって、
   前記溶液材料を噴霧する前記ノズルを備え、
   前記ノズルの先端部は、先端に向かって前記ノズルの直径が小さくなる形状を有し、
   前記ノズルの前記先端部の近傍には、前記溶液材料が吐出される吐出用穴部が設けられており、
   前記吐出用穴部は、前記ノズルの側面に設けられている、エレクトロスプレー装置。

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