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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Auftrag von löslichen
Materialien und insbesondere den Auftrag von löslichen Materialien mithilfe
der Tintenstrahltechnologie.
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Hierin
wird der Ausdruck "feste
Oberfläche" verwendet, um eine
Oberfläche
eines Materials zu bezeichnen, das keine Kapillarkraft entfaltet.
Faserige Materialien einschließlich
Papier entfalten eine Kapillarkraft, und diese wird als ein wesentlicher
Teil des Druckvorgangs auf solchen Materialen genutzt, wie z. B.
das Drucken von Tinte auf Papier.
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In
den letzten Jahren hat es eine Zunahme in der Zahl von Produkten
gegeben, die als Teil ihres Fertigungsprozesses den Auftrag von
löslichen
Materialen wie z. B. Polymeren, Farbstoffen, Kolloidmaterialien und
dergleichen auf festen Oberflächen
erfordern. Ein Beispiel für
diese Produkte ist eine elektrolumineszente Anzeigevorrichtung.
Eine elektrolumineszente Anzeigevorrichtung erfordert den Auftrag
von löslichen
Polymeren auf ein festes Substrat. Das Substrat kann zum Beispiel
aus Glas, Kunststoff oder Silizium bestehen.
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In
der Herstellung von Halbleiteranzeigevorrichtungen sind konventionell
Fotolithografietechniken verwendet worden. Fotolithografietechniken
sind aber relativ komplex, zeitraubend und kostspielig zu implementieren.
Darüber
hinaus sind Fotolithografietechniken nicht ohne weiteres zur Verwendung
beim Auftrag von löslichen
Materialien geeignet. Dies hat die Entwicklung von Produkten wie
z. B. elektrolumineszenten Anzeigevorrichtungen behindert. Deshalb
wird vorgeschlagen, die Tintenstrahltechnologie zum Auftrag von
löslichen Materialien
zu anzuwenden, wie z. B. zum Auftrag von Polymeren bei der Fertigung
von elektrolumineszenten Anzeigevorrichtungen.
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Die
Tintenstrahltechnologie ist definitionsgemäß ideal zum Auftrag von löslichen
Materialien geeignet. Sie ist eine schnell und billig anzuwendende
Technik. Sie gewährleistet
eine sofortige Strukturierung, im Gegensatz zu Techniken wie z.
B. die Schleuderbeschichtung. Doch der Auftrag von löslichen
Materialen auf festen Oberflächen
mithilfe der Tintenstrahltechnologie unterscheidet sich von der
konventionellen Anwendung dieser Technologie, um Tinte auf Papier
aufzutragen, und stößt auf eine
Anzahl von Schwierigkeiten. Insbesondere die spezifischen Eigenschaften
der löslichen
Materialien, die verwendet werden sollen, unterscheiden sich oft
auf signifikante Weise von den Eigenschaften der Tinte, die zum
konventionellen Drucken verwendet werden. Wie bereits erwähnt, spielt
auch die Kapillarkraft, die einem Material wie z. B. Papier eigen
ist, eine signifikante Rolle im Tintendruckprozess, und dieser Aspekt
des Prozesses ist fehlt beim Auftrag auf eine feste Oberfläche.
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Beim
Auftrag von löslichen
Materialen auf eine feste Oberfläche
ist eine der Hauptanforderungen, eine homogene Schicht zu erhalten,
vor allem, wenn die aufzutragende Lösung zwei oder mehr verschiedene
Komponenten enthält.
Ein nicht unerhebliches Problem ist auch der Erhalt der gewünschten
Dicke der Auftragsschicht. Probleme wie z. B. die Homogenität und Schichtdicke
sind zwar nicht entscheidend beim Drucken von Tinte auf Papier,
sind aber für
die Fertigung von Vorrichtungen wie z. B. elektrolumineszenten Anzeigen
entscheidend, vor allem aufgrund der angestrebten gleichmäßigen Lichtleistung,
einheitlichen elektrischen Eigenschaften und der räumlichen
Beschränkungen,
die bei der Fertigung der Vorrichtung oft auferlegt werden. In der
Fertigung besteht eine Notwendigkeit, die Abweichung in der Morphologie
und den Eigenschaften zwischen Teilen der Vorrichtung zu minimieren.
Vor der vorliegenden Erfindung wurden diese Anforderungen allgemein
nicht erfüllt,
und daher ist die Anwendung der Tintenstrahltechnologie zum Auftrag
von löslichen
Materialen auf festen Oberflächen vorher
nicht auf einer praxistauglichen Basis implementiert worden.
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Beispiele
früherer
Auftragsverfahren sind in
EP-A-0568272 ,
EP-A-0306341 und
US-A-5528271 zu
finden. Doch keine dieser Patentschriften offenbart ein Verfahren
zum Auftrag eines Materials, das die oben angeführten Probleme überwindet.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Auftrag eines Materials auf ein Substrat bereitgestellt, umfassend
die Schritte des: Ausstoßens
eines ersten Punkts eines Materials aus einer Düse in einem Tintenstrahldruckkopf
zum Substrat hin; Ausstoßens
eines zweiten Punkts des Materials aus einer Düse in einem Tintenstrahldruckkopf
zum Substrat hin, derart, dass er den ersten Punkt partiell überlappt,
bevor der erste Punkt ganz getrocknet ist; und Vorsehens eines Gasstroms
zwischen dem Tintenstrahldruckkopf und dem Substrat oder benachbart
dazu.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist auch die Erwärmung
des Substrats während
des Auftrags vorgesehen. In einer meistbevorzugten Ausführungsform
wird der Auftrag zusätzlich
auf der Basis der kontinuierlichen Formung einer Folge sich partiell überlappender
Punkte durchgeführt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und
Bezug nehmend auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines konventionellen Tintenstrahldruckkopfs
ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Tintenstrahlauftrags unter Verwendung
eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckkopfs ist;
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3 einen
Vergleich zwischen dem konventionellen Tintenstrahlauftrag und der
Schleuderbeschichtung gibt;
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4 ein
Graph "Fotolumineszenz
(PL)-Stärke
versus Wellenlänge" ist, um den Einfluss
verschiedener Lösungsmittel
zu veranschaulichen;
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5 ein
Plot "Peakhöhenverhältnis (Grün/Blau)
versus Siedepunkt" für hoch-
und niedermolekulargewichtige Versionen verschiedener Lösungsmittel
ist;
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6 eine
Anordnung von tintenstrahlaufgetragenen Punkten aus fotolumineszentem
Material zeigt und damit einhergehende Probleme veranschaulicht;
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7 das
Phänomen
des ringförmigen
Auftrags veranschaulicht;
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8 verschiedene Anordnungen zeigt, die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind, und andere Anordnungen, die zur
Erläuterung
der Ausführungsformen
hilfreich sind;
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9 die Wirkung der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zeigt, die in 8 gezeigt
werden;
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10 eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die eine partielle Überlappung
sequenziell aufgetragener Materialpunkte anwendet;
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11 eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 die
Herstellung einer Vollfarbanzeige mithilfe der Ausführungsform
von 11 darstellt;
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13 die
Strukturierung von leitenden Elektroden für die Anzeigevorrichtung von 12 mithilfe
der Ausführungsform
von 11 veranschaulicht; und
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14 ein
Verfahren zur Vermeidung der praktischen Auswirkungen von Anfangs-
und Endregionen des Materialauftrags in einer Anzeigevorrichtung
veranschaulicht.
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Verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun hinsichtlich der Herstellung
von elektrolumineszenten und fotolumineszenten Anzeigevorrichtungen
beschrieben, insbesondere auf den Auftrag der lichtemittierenden
Materialien, der damit verbunden ist. In Bezug auf Anzeigevorrichtungen
kann die Erfindung zum Beispiel bei der Formung der lichtemittierenden
Flächen,
der Formung von Elektroden und/oder der Formung von Farbfiltern
angewandt werden. Dich es versteht sich, dass die erfindungsgemäßen Techniken viel
allgemeiner anwendbar sind und durch die Bezugnahme auf die Anzeigevorrichtungen
nicht eingeschränkt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die praxistaugliche Implementierung
der Tintenstrahltechnologie beim Auftrag von löslichen Materialien. Es gibt
zwei Haupttypen von Tintenstrahltechniken, die eine verwendet einen
Thermodruckkopf (den sogenannte "Bubble-jet-Kopf") und die andere
verwendet einen piezoelektrischen Druckkopf. Der Aufbau und die
Arbeitsweise eines Thermotintenstrahldruckkopfs wird in
1 veranschaulicht,
und der Aufbau und die Arbeitsweise eines piezoelektrischen Druckkopfs
wird in
2 veranschaulicht. Einige der
Eigenschaften der zwei Typen von Tintenstrahltechniken werden in
der folgenden Tabelle verglichen:
| | Piezo-Typ | Thermo-Typ |
| Lebensdauer | 2
Mia. Punkte | 0,1
Mia. Punkte |
| Tintenlösungsmittel | jede
Flüssigkeit | Wasser |
| Wärmeschäden | nein | ja > 200°C |
| Punktform | rund | spritzerförmig |
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Das
Merkmal der Wärmeschäden ist
im obigen Vergleich eingeschlossen. Wie erwähnt, kann der Thermodruckkopf
Schäden
am aufgetragenen Material verursachen. Potenzielle Wärmeschäden an den
aufgetragenen Materialien stellen ein Hauptproblem dar. Normale
Drucktinten beim konventionellen Tintenstrahldruck erfordern relativ
wenig Begrenzungen, doch bei den Anwendungen, die von der vorliegenden
Erfindung in Betracht gezogen werden, ist die Funktionalität des aufgetragenen
Materials – wie
seine Isolationseigenschaften oder seine Lichtemissionseigenschaften – äußerst wichtig.
Es ist notwendig, zu sicherzustellen, dass die Funktionalität des Materials
während
des Auftragsvorgangs nicht z. B. durch eine zu hohe Temperatur beschädigt wird.
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2 veranschaulicht
die Verwendung eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckkopfs, um
ein Material auf ein Substrat aufzutragen. Bei der Formung von elektrolumineszenten
Vorrichtungen ist der Einschluss der elektrolumineszenten Polymer
eine wichtige Angelegenheit. Dies kann durch Verwendung eines sogenannten
Bankmaterials gehandhabt werden, um die Flächen zu definieren, in denen
das elektrolumineszente Polymer enthalten sein soll, wie in 2 gezeigt.
Das Bankmaterial weist eine nicht benetzende Oberfläche auf,
wogegen die "wells" bzw. Vertiefungen,
die vom Bankmaterial definiert werden, benetzende Oberflächen aufweisen.
Dadurch kann ein guter Einschluss des Polymers erreicht werden.
Doch die Verwendung des Bankmaterials ist nicht einfach. Mit der
Tintenstrahltechnologie ist es möglich,
eine Struktur auf das Substrat zu zeichnen, indem die Benetzungseigenschaften
des Auftragsmaterials geregelt werden. Der Einschlussvorgang wird
dadurch erleichtert.
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Ein
signifikantes Problem ist das der Gewährleistung der Qualität der aufgetragenen
Materialschicht. Wie oben erwähnt,
sind die Homogenität
und die Schichtdicke kritisch.
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3 veranschaulicht
zwei substanzielle Probleme, die im Vergleich zur Schleuderbeschichtung
in der praxistauglichen Implementierung des Tintenstrahlauftrags überwunden
werden müssen.
Wie gezeigt, neigt der Tintenstrahlauftrag dazu, eine im Wesentlichen
inhomogene Schicht zu erzeugen. Ferner ist beim Tintenstrahlauftrag
ein substanzielles Problem mit der Phasentrennung der Komponenten
während
des Auftrags oder danach vorhanden. Beim konventionellen Auftrag
durch Schleuderbeschichtung eines Lösungsgemischs (aus einem Lösungsmittel
und z. B. zwei Komponenten) ist festzustellen, dass sehr oft eine
feine Phasentrennung der zwei Komponenten auftritt. Dies auf einer
mikroskopischen Ebene, typischerweise über Entfernungen in der Größenordnung
von 10–8 Meter
hinweg. Doch wenn das Lösungsgemisch
mit der Tintenstrahltechnologie aufgetragen wird, ist festzustellen,
dass die Phasentrennung makroskopisch wird, mit großen Domänen jeder
Komponente, die über
Entfernungen in der Größenordnung
von 10–6 Meter
hinweg geformt werden. Dies ist eine ungewöhnlich starke Trennung der
aufgetragenen Komponenten und im Hinblick auf die Schichthomogenität eindeutig
sehr unerwünscht.
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Die
praktische Bedeutung der Phasentrennung wird Bezug nehmend auf ein
Beispiel der Herstellung einer grünen Fotolumineszenzanzeige
demonstriert. In solch einer Anzeige wird eine Polymermischung auf
ein Substrat aufgetragen, um eine Vorrichtung zu formen, die mit
Ultraviolettstrahlung beleuchtet wird, um in den aufgetragenen Polymermaterialien
Fotolumineszenz zu stimulieren. Die Polymermischung kann typischerweise
F8/F8BT/TFB sein, wobei F8 [poly(9,9-dioctylfluoren)], F8BT [poly(9,9-dioctylfluoren-co-2,1,3-benzothiadizol)]
und TFB [poly(9,9-dioctylfluoren-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamin)] ist. Die
emissionsaktiven Komponenten sind die F8- und die F8BT-Materialien.
Das F8-Material
an sich ergibt eine blaue Ausgabe mit einer Wellenlänge von
etwa 420-450 nm, und das F8BT-Material an sich ergibt eine grüne Ausgabe
mit einer Wellenlänge
von etwa 550 nm. Es ist festzustellen, dass eine Energieübertragung
zwischen dem F8-Material und dem F8BT-Material stattfindet, sodass
sich in einer guten Polymermischung aus der Fotolumineszenz nur
eine grüne
Ausgabe ergibt. Die Energieübertragung
tritt nur an den Domänengrenzflächen zwischen
den F8- und F8BT-Materialien auf und tritt nicht in den Grundmaterialien
auf. Wenn die Mischung durch Schleuderbeschichtung aufgetragen wird,
tritt die Phasentrennung über
Entfernungen von Nanometern hinweg auf und die Energieübertragung
ist voll wirksam, sodass nur eine grüne Ausgabe erhalten wird. Wenn
die Mischung aber durch Tintenstrahlauftrag aufgetragen wird, tritt
die Phasentrennung über
Entfernungen von Mikrometern hinweg auf und die Energieübertragung
ist nicht wirksam, sodass separate blaue und grüne Ausgaben sichtbar sind.
Dieses Beispiel des Phasentrennungsproblems ist hilfreich, da es
auch benutzt werden kann, um die Wirkungen verschiedener Lösungsmittel
zu demonstrieren.
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Die
Frage der Wärmeschäden an den
aufgetragenen Materialien wurde oben erwähnt. Es ist auch notwendig,
anzumerken, dass der Thermodruckkopf nicht zur Verwendung mit organischen
Lösungsmitteln
mit hohem Siedepunkt geeignet ist, wobei diese Materialien beim
Auftrag von löslichen
Materialien auf eine feste Oberfläche oft von Belang sind. Es
ist wünschenswert,
im Tintenstrahlauftragsprozess Lösungsmittel
mit hohem Siedepunkt zu verwenden, weil solche Materialien die Gefahr
der Verstopfung der Düsen
des Tintenstrahlkopfs wesentlich verringern. Dies ist eine besonders
wichtige Überlegung,
da die funktionellen Materialien, die hier aufgetragen werden sollen,
viel größere Molekularstrukturen
aufweisen als die Farbstoffe, die im konventionellen Tintenstrahldruck
verwendet werden. Die Materialwahl muss aber auf ihre gewünschte Funktion
nach dem Auftrag hin optimiert sein, und die Frage der geringeren
Tendenz, eine Verstopfung der Tintenstrahldüsen zu verursachen, ist daher
als zweitrangig zu betrachten.
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Deshalb
ist der Wahl des verwendeten Lösungsmittels
mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Konventionelle Lösungsmittel
wie z. B. Chloroform formen leicht eine Ablagerung um die Tintenstrahldüsen herum,
und solche Ablagerungen können
schnell eine Verschlechterung der Tintenstrahlleistung zur Folge
haben, zum Beispiel, indem sie eine Ablenkung des ausgestoßenen Materials
von der beabsichtigten Richtung verursachen. Infolgedessen besteht
ein starker Wunsch, Lösungsmittel
mit hohem Siedepunkt zu verwenden, um diese Probleme zu vermeiden.
Doch die Lösungsmittel
mit hohem Siedepunkt neigen aber dazu, Ungleichmäßigkeiten in den aufgetragenen
Schichten zu erzeugen.
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Das
Lösungsmittelproblem
wird wieder Bezug nehmend auf die oben beschriebene fotolumineszente Polymermischung
näher erläutert. Diesbezüglich folgt
eine Liste von Lösungsmitteln,
die potenziell mit der Polymermischung verwendet werden können, um
ein Material für
den Tintenstrahlauftrag bereitzustellen; für jedes Lösungsmittel sind bestimmte
relevante Eigenschaften {Siedepunkt (BP), Schmelzpunkt (MP), Oberflächenspannung
(ST)} gegeben:
| | BP
(°C) | MP
(°C) | ST | (mN/m) |
| Chloroform | 61 | –63 | 27,1 | (20°C) |
| Toluen | 111 | –95 | 27,9 | (20°C) |
| p-Xylen | 138 | 13 | 27,7 | (20°C) |
| Mesitylen | 165 | –45 | 28,3 | (20°C) |
| Limoneen | 177 | –97 | | |
| p-Cymen | 177 | –73 | | |
| Diethylbenzen | 182 | –42 | 29,0 | (20°C) |
| Terpinolen | 184 | | | |
| Dimethylimidazolidinon
(DMI) | 226 | 8 | 41,0 | (20°C) |
| Cyclohexylbenzen | 239 | 7 | | |
| Dodecylbenzen | 331 | | | |
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4 ist
ein Graph, der die Fotolumineszenz (PL)-Stärke gegenüber der Wellenlänge zeigt
und den Einfluss der Austauschs der verschiedenen obigen Lösungsmittel
mit der F8/F8BT/TFB-Mischung zum Auftrag veranschaulicht. 5 ist
ein Plot des Peakhöhenverhältnisses
(Grün/Blau)
gegenüber
dem Siedepunkt, wobei hoch- und niedermolekulare Versionen der verschiedenen
Lösungsmittel
mit der F8/F8BT/TFB-Mischung verwendet
werden. 4 belegt, dass die Wahl des
Lösungsmittels
einen signifikanten Einfluss auf die Fotolumineszenzstärke des
aufgetragenen Materials hat. 5 belegt,
dass die Phasentrennung der Polymere bei Lösungsmitteln mit hohem Siedepunkt
am schlechtesten ist. Wie oben erwähnt, ergeben die Lösungsmittel
mit niedrigem Siedepunkt keine gute Ausstoßstabilität des Materials beim Auftrag.
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Eine
andere Schwierigkeit ist, dass der Tintenstrahlauftrag die Nukleation
zu begünstigen
scheint. Selbst bei Einkomponententinten beim konventionellen Tintenstrahldruck
ist eine Tendenz zum Wachstum eines Kerns in der aufgetragenen Tinte
vorhanden. Diese Nukleation ist von der Trocknungsgeschwindigkeit
des aufgetragenen Materials abhängig.
Sie verursacht eine schwere praktische Schwierigkeit bei der Implementierung
einer Matrixanzeige, die aus tintenstrahlaufgetragenen Punkten aus
fotolumineszentem Material geformt wird. Diese Schwierigkeit ist
aus 6 zu ersehen. 6 zeigt
eine Anordnung von tintenstrahlaufgetragenen Punkten aus fotolumineszentem
Material. Die Punkte um den Rand der Anordnung herum (in 6 grau schattiert)
trocknen schneller als die im Zentrum der Anordnung (in 6 schwarz
schattiert). Die Nukleation tritt in den langsamer trocknenden Punkten
in größerem Maße auf.
Die Nukleation verschärft
das Phasentrennungsproblem und hat eine Abweichung in der Spektralausgabe
zwischen den Punkten am Rand der Anordnung und jenen im Zentrum
der Anordnung zur Folge. Diese Wirkung wird durch die Graphen "PL-Stärke versus
Wellenlänge" gezeigt, die in 6 enthalten
sind.
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Es
ist offensichtlich, dass diese Wirkung bei einer Matrixanzeige sehr
unerwünscht
ist.
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Die
obige Erläuterung
betraf hauptsächlich
die Schwierigkeiten in Bezug auf die Formung einer homogenen Schicht
aus Auftragsmaterial. Das andere Hauptproblem ist das Erreichen
einer gewünschten
Dicke für die
Schicht aus Auftragsmaterial. Diesbezüglich tritt das Phänomen des
ringförmigen
Auftrags auf, wenn die Tintenstrahltechnologie angewandt wird, um
lösliche
Materialien auf eine feste Oberfläche aufzutragen. 7 veranschaulicht
das Phänomen
anhand von drei Beispielen. Die ersten zwei Beispiele zeigen den
Auftrag von F8 auf eine Schicht aus PEDOT (Poly-3,4-EthylenDiOxyThiophen),
wobei in der aufgetragenen Lösung
verschiedene Lösungsmittel
(Xylen und Cyclohexylbenzen) verwendet werden. Das dritte Beispiel
zeigt Cyclohexylbenzen als das Lösungsmittel
und Glas als das Substrat. Allgemein ist die Materialwahl des Substrats
weitgehend irrelevant, doch hier weist sie einen Einfluss auf.
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Es
ist festzustellen, dass das Phänomen
des ringförmigen
Auftrags nicht einfach durch wiederholten Auftrag überwunden
werden kann, um die Dicke des Auftragsmaterials zu erhöhen. Solch
eine Maßnahme würde die
Höhe des
nukleierten Rings erhöhen,
ohne das Zentrum des Rings zu füllen.
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Zunächst könnte angenommen
werden, dass das Phänomen
des ringförmigen
Auftrags mit den Düsen
des Tintenstrahlkopfs im Zusammenhang steht, doch dies ist nicht
der Fall. Statt dessen wurde festgestellt, dass das Phänomen das
Ergebnis der Trockungseigenschaften des aufgetragenen Materials
ist. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis der Abstufung der
Dampfkonzentration durch den Punkt des aufgetragenen Materials hindurch
ist. Die niedrige Oberflächenspannung
von organischen Lösungsmitteln
verschärft
dieses Problem. Das heißt,
der Rand des Punkts trocknet schnell und "heftet" den Rand des Punkts dadurch an die
Oberfläche
des Substrats. Im Zentrum des Punkts liegt eine hohe Dampfkonzentration
(Lösungsmittel/Mischung)
vor, was die Trocknung behindert. Dadurch wird ein interner Materialfluss
zum nukleierten äußeren Ring
hergestellt. Infolgedessen wächst
die nukleierte Ringform weiter, bis das ganze Material getrocknet
ist. Die Wirkung wird in den jeweiligen Querschnittsabtastungen
veranschaulicht, die unter jedem der Beispiele in 7 gezeigt
werden. Dieses Problem tritt auch selbst dann auf, wenn das Material
auf ein Substrat aufgetragen wird, das mit einer Bankstruktur versehen
ist. Das heißt,
statt die Bankstruktur auf einen einheitlichen Füllstand zu füllen, haftet
das aufgetragene Material an den Wänden der Bank, die auf gleiche
Weise wirken wie der oben beschriebene Nuklationsrand, und im zentralen
Bereich bleibt bestenfalls eine dünne Schicht des Auftragsmaterials übrig. Das
Problem ist sehr gravierend, und typischerweise macht die Menge
des Materials im Zentrum weniger als 17% (eventuell gar nur 10%)
von der am Nukleationsrand aus [dies kann als effektives Polymerverhältnis bezeichnet
werden]. Das heißt,
es ist das Material im Zentrum, das in der fertigen Vorrichtung
als aktives Material dient, und das an den Wänden haftende Material wird
effektiv verschwendet. Wenn das effektive Polymerverhältnis erhöht werden
kann, dann wird es zusätzlich
dazu, dass der sehr hohe Verschwendungsprozentsatz vermieden wird,
möglich,
eine stärker
verdünnte
Lösung
zu verwenden, was wiederum einen stabileren Tröpfchenausstoß aus den
Düsen des
Kopfs zur Folge hat.
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Die
oben beschriebenen Probleme können
durch die vorliegende Erfindung, die für eine Zunahme in der Trocknungsgeschwindigkeit
des aufgetragenen Materials sorgt, gelindert oder abgestellt werden.
Die Erfindung sieht einen Gasstrom zwischen dem Tintenstrahlkopf
und dem Substrat (oder benachbart dazu) vor, auf welches das Material
vom Kopf aufgetragen wird. Bemerkenswerterweise wurde festgestellt,
dass diese einfache Lösung
die oben beschriebenen Probleme wie z. B. die makroskopische Domänentrennung überwinden
kann, und dass die anderen Schwierigkeiten, die konventionell auftreten, überwunden
werden können. Normalerweise
wird davon ausgegangen, dass jede Störung des Tintenstrahlauswurfvorgangs
vermieden werden sollte, vor allem in Bezug auf den tatsächlichen
Ausstoß des
Materials und seine Bahn zur Oberfläche, auf der es aufgetragen
wird. Es wäre
anzunehmen, dass durch Vorsehen eines Gasstroms zwischen dem Kopf und
der Oberfläche,
auf der das Material aufgetragen wird, die Flugbahn des ausgeworfenen
Materials leicht beeinflusst werden könnte. Es wäre auch anzunehmen, dass das
Vorsehen eines Gasstroms dazu neigt, die Lösungsmittel zu verdampfen,
um die Verstopfung der Düsen
des Kopfs zu bewirken (was ein gängiges
Problem beim Tintenstrahldruck ist). Daher stellt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die mit der
natürlichen
Denkweise des Fachmanns im Widerspruch stehen. In der Tat wurde
herausgefunden, dass der Tintenstrahlprozess weit weniger empfindlich
gegenüber
Störungen
des erläuterten
Typs ist, als zu erwarten wäre.
Natürlich
ist es möglich,
die erwähnten
Störungen
unter Extrembedingungen herzustellen, doch es ist festzustellen,
dass geradezu ein vorsätzlicher
Versuch vorliegen muss, solch ein Ergebnis zu erreichen, ehe unerwünschte Störungen auftreten.
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Bevorzugt
wird im erfindungsgemäßen Gasstrom
ein Inertgas wie z. B. Stickstoff oder Argon benutzt. In den meisten
Fällen
wird es wohl wünschenswert
sein, die Oxidation zu vermeiden, das zu verwendende Gas kann aber
den Eigenschaften des aufgetragenen Materials entsprechend gewählt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Erfindung durch eine Kombination des Vorsehens eines Gasstroms
zwischen dem Tintenstrahlkopf und dem Substrat und der Erwärmung des
Substrats während des
Auftrags des Materials aus dem Tintenstrahlkopf implementiert. Auch
hier stehen die Konzepte der vorliegenden Erfindung darin mit der
konventionellen Denkweise im Widerspruch, dass das Anlegen von Wärme aufgrund
der Verstopfungsgefahr des Kopfs durch die schnelle Verdampfung
der Lösungsmittel
im ausgestoßenen
Material sehr unerwünscht
sei. In der Tatsächlich
sind die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung in dieser bevorzugten
Ausführungsform
völlig
im Gegensatz zu dem, was konventionell zu erwarten gewesen wäre. Konventionell
müsste
die Erwärmung
die Verstopfung des Kopfs zur Folge haben. Tatsächlich aber bewirkt die Erwärmung des
Substrats, dass der Dampf vom aufgetragenen Material zum Kopf zurückgetrieben
wird. Die Wirkung hat sich als stark genug erwiesen, damit statt
der erwarteten Verstopfung, die auf Lösungsmittelmangel an den Ausstoßdüsen (durch
erhöhte
Verdampfung) zurückzuführen ist,
Lösungsmittel
aus dem aufgetragenen Material in solch einem Maße auf dem Kopf kondensiert,
dass es den Ausstoßvorgang
stören
kann. Die beschriebenen Umstände
hängen
vom Sättigungsdampfdruck
des Gases und der Temperatur des Kopfs ab. Dennoch ist es bemerkenswert,
dass anstelle der erwarteten Verstopfung des Kopfs eine Lösungsmittelkondensation
am Kopf festzustellen ist. Das Problem, das durch diese Kondensation
verursacht wird, wird jedoch durch den erfindungsgemäßen Gasstrom
vermieden. Deshalb wird die Erwärmung
des Substrats während
des Auftrags von Material aus dem Tintenstrahlkopf ohne die Verwendung
eines Gasstroms zwischen dem Tintenstrahlkopf und dem Substrat oft
zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis führen. Dies impliziert, dass
die Temperatur des Kopfs niedriger gehalten werden sollte als die
des Substrats, um das Austrocknen der Düsen zu verhindern.
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Dementsprechend
wird sich die Verwendung eines Gasstroms ohne Erwärmung des
Substrats bei löslichen
Materialien, die Lösungsmittel
mit mittlerem Siedepunkt enthalten, oft als zufriedenstellend erweisen. Wenn
Lösungsmittel
mit hohem Siedepunkt benutzt werden, ist es wahrscheinlich notwendig,
die Substraterwärmung
zusätzlich
zum Gasstrom zu verwenden, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten.
Doch die Erwärmung
des Substrats auf solch eine Weise, dass seine Temperatur höher ist
als die des Kopfes, bedeutet, dass bei Verwendung von Lösungsmitteln
mit niedrigem Siedepunkt gute Ergebnisse erhalten werden können.
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8 veranschaulicht das Vorsehen eines Gasstroms
zwischen dem Tintenstrahlkopf und dem Substrat. 8a zeigt
den Auftrag ohne das Vorsehen eines Gasstroms. In diesem Fall ist
um den Kopf und das Substrat herum und dazwischen eine Dampfatmosphäre (Lösungsmittel/Mischung)
vorhanden, wie in der Zeichnung angezeigt. Die Abmessungen des Kopfs
sind im Vergleich zum Kopf/Substrat-Zwischenraum groß. Der Kopf
entfaltet daher einen Verkappungseffekt und die Dampfatmosphäre ist direkt
zwischen dem Kopf und dem Substrat am dichtesten und am beständigsten.
Aufgrund des Verkappungseffekts des Kopfs wird das Vorhandensein
dieser dichten Dampfatmosphäre
durch die Bewegung des Kopfs während
des Auftragsvorgangs nicht signifikant beeinflusst. In 8b wird
gezeigt, dass diese Dampfatmosphäre
durch den Gasstrom entfernt wird, d.h., die Atmosphäre um den
Kopf und das Substrat herum und dazwischen wird erneuert. Mit der in 8b gezeigten
Anordnung wird eine schnelle und gleichmäßige Trocknung erreicht. Die
bevorzugte Ausführungsform,
die sowohl einen Gasstrom als auch die Erwärmung des Substrats verwendet,
wird in 8c gezeigt. Wie in 8c gezeigt,
wird das Substrat erwärmt,
indem Heißluft
auf seine Unterseite geblasen wird. Auch andere Anordnungen sind
möglich,
zum Beispiel kann eine Heizplatte benutzt werden, um das Substrat zu
erwärmen. 8d veranschaulicht
das Problem der Lösungsmittelkondensation
auf der Düsenplatte
des Kopfs, wenn die Erwärmung
des Substrats ohne Verwendung eines Gasstroms zwischen dem Tintenstrahlkopf und
dem Substrat vorgesehen wird.
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Oben
wurde die bevorzugte Ausführungsform
beschrieben, in welcher ein Gasstrom zwischen dem Kopf und dem Substrat vorgesehen
ist. Das Lösungsmittel
verdampft und wird durch Diffusion verteilt. Diese Diffusion wird
durch den Verkappungseffekt des Kopfs stark behindert. Auch wenn
bevorzugt wird, dass der Gasstrom zwischen dem Kopf und dem Substrat
vorgesehen ist, kann es in einigen Fällen auch genügen, den Gasstrom
benachbart zum Kopf/Substrat-Zwischenraum anzuordnen, statt tatsächlich zwischen
dem Kopf und dem Substrat.
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Wie
oben erwähnt,
ist das Material des Substrats oft transparent. Die Ausrichtung
des Materialauftrags mit einer vorgeformten Bank ist daher von der
Unterseite des Substrats aus sichtbar. In solchen Fällen wird
die Verwendung eines Heißgases
zur Erwärmung
des Substrats bevorzugt, weil die Sicht durch das Substrat nicht versperrt
wird. Die Verwendung einer Heizplatte zur Erwärmung des Substrats würde diese
Sicht versperren. Die Verwendung eines Heißgases wird auch bevorzugt,
weil es leichter ist, die Wärmezuführung zum
Substrat zu regeln. Die Verwendung einer Heizplatte kann dem Substrat
eine zu hohe Temperatur verleihen, und dadurch dem Kopf; dies führt zur
Verstopfung der Düse.
Dementsprechend wird bevorzugt, dass das Heißgas auf die Unterseite des
Substrats angelegt wird, und durch das Richten des Heißgases auf
die Oberseite des Substrats (zum Beispiel durch Vereinen des Gasstroms
und der Gaserwärmung)
wird oft ein weniger vorteilhaftes Ergebnis erzielt.
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Die
Wirkung des Vorsehens eines Gasstroms zwischen dem Tintenstrahlkopf
und dem Substrat wird in den Querschnittsansichten von 9 veranschaulicht, die die Situationen
vergleicht, die mit oder ohne das Vorsehen eines Gasstroms erreicht
werden. 9a zeigt Materialpunkt, wenn
er zuerst aufgetragen ist, und 9b zeigt
den Materialpunkt, wenn er getrocknet ist. Im Grundriss wird das
getrocknete aufgetragene Material ringförmig sein (wie oben erläutert),
wenn kein Gasstrom vorgesehen wird. Wenn ein Gasstrom vorgesehen
ist, wird die ringförmige
Nukleation und das Wachstum auf der Seite gefördert, von welcher der Gasstrom kommt,
und auf der Gegenseite gemindert. In der Praxis ist festzustellen,
dass die Höhe
und die seitliche Ausdehnung des Rings auf der Seite entgegengesetzt
zur Richtung des Gasstroms beide im Wesentlichen reduziert werden.
Auf der Seite, von welcher der Gasstrom kommt, wird die seitliche
Ausdehnung signifikant (in Richtung des Gasstroms) vergrößert, wogegen
die Höhe
nicht dazu neigt, größer zu werden.
Das Ergebnis ist, im Grundriss, eine Halbmondform aus trockenem
Material auf der Seite, von welcher der Gasstrom kommt, wobei der
Rest des Rings im Vergleich zum Ergebnis, wenn kein Gasstrom vorgesehen
ist, eine sehr stark reduzierte Höhe und seitliche Dicke aufweist.
Die Halbmondform ist sehr vorteilhaft, wie erläutert werden wird, und die
Oberseite des Halbmonds ist im Wesentlichen eben, im starken Kontrast
zum Profil des Rings, der aufgetragen wird, wenn kein Gasstrom vorgesehen
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der oben beschriebene halbmondförmige Auftrag
verwendet, um eine erweiterte Schicht des Auftragsmaterials mit
einheitlicher Dicke herzustellen. Hier wird die im Wesentlichen
ebene Oberseite des halbmondförmig
aufgetragenen Materials besonders vorteilhaft ausgenutzt. Kurzgefasst,
in dieser Ausführungsform
werden sequenziell aufgetragene Punkte angeordnet, um sich einander
partiell zu überlappen.
Die Halbmondform wird in seitlicher Richtung dem Gasstrom folgend
gezüchtet
und der Rest des Rings mit reduzierter Größe wird vom nachfolgenden Auftrag überdeckt.
Nachfolgende Punkte werden am besten aufgetragen, bevor der vorherige
Punkt ganz getrocknet ist, wie in der Zeichnungsfolge von 10 angezeigt.
Wie in 10 gezeigt, füllen aufeinanderfolgend
aufgetragene Punkte den Raum zwischen der Halbmondform und dem verkleinerten
Rest des Rings des vorherigen Punkts aus. Wenn der nachfolgende
Punkt aufgetragen wird, bevor der vorherige Punkt getrocknet ist,
kann der verkleinerte Rest des vorherigen Rings wieder gelöst werden
und vom nachfolgenden Punkt absorbiert werden. Das Wachstum der
Halbmondform in der seitlichen Richtung dem Gasstrom folgend formt
eine einheitliche Schicht des aufgetragenen Materials. Das Konzept
dieser Ausführungsform
kann ausgeweitet werden, um den kontinuierlichen Auftrag von Material
durch den Tintenstrahlkopf zu gewährleisten. 11 veranschaulicht
die meistbevorzugte Anordnung, in welcher ein Gasstrom vorgesehen
ist, das Substrat erwärmt
wird und das Material kontinuierlich aufgetragen wird.
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Wenn
konventionelle Tintenstrahltechniken verwendet werden, um Materialstreifen
aufzutragen (mit dem konventionellen Verfahren des Auffüllens einer
Struktur des Bankmaterials), tritt das oben beschriebene Problem
der Nukleation auf den Bankwänden
auf, und eine einheitliche Dicke kann nicht erhalten werden. Ein zufriedenstellendes Öffnungsverhältnis kann
nicht erhalten werden. Das Problem wird durch die Notwendigkeit einer
zweidimensionalen Bankstruktur verschärft, und dadurch, dass diese
dazu neigt, rund geformte Ecken zu haben. Eine Schwierigkeit ergibt
sich auch aufgrund der Oberflächenspannung
des aufgetragenen Materials. Die Oberflächenspannung neigt dazu, die
Form des Auftrags zu verformen. Das heißt, die Oberflächenspannung
wirkt, um den Oberflächenbereich
zu minimieren, was eher zu einer Gruppe von Tröpfchen als zu einem beabsichtigten
Streifen führt.
Dieses Problem ist besonders ausgeprägt, wenn Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt
verwendet werden.
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Mit
der Ausführungsform
von 11 ist es möglich,
eine Schicht mit Streifenstruktur zu erhalten, die ein gutes Dickenprofil
hat. Solch eine Schicht mit Streifenstruktur ist bei der Fertigung
einer Vollfarbanzeige besonders sinnvoll. Der vorliegenden Erfindung
gemäß werden
oberflächenspannungsinduzierte
Verformungsprobleme gemindert, weil der Gasstrom den Oberflächenspannungseffekt
stört und
das aufgetragene Material schnell trocknet.
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Die
Verwendung von Schichten mit Streifenstruktur zur Bereitstellung
einer Vollfarbanzeige wird in 12 veranschaulicht.
Wie in 12 durch Schattierung angezeigt,
und wie leicht zu ersehen ist, werden aufeinanderfolgende Streifen
mit Auftragsmaterialien geformt, das Lichtemissionseigenschaften
verschiedener Wellenlängen
aufweisen – zum
Beispiel so, dass eine sich wiederholende Folge von Rot-, Grün- und Blaulicht
emittierenden Streifen vorgesehen wird. Die Ausführungsform von 11 kann
auch verwendet werden, um anstelle der oben erläuterten lichtemittierenden
Materialien ein leitfähiges
konjugiertes Polymermaterial aufzutragen. Dadurch kann die Strukturierung
von leitenden Elektroden für
die Anzeigevorrichtung erreicht werden. Dies wird in 13 veranschaulicht.
Die Anordnung der Elektroden kann auf wirksame Weise genutzt werden,
um die aufgetragenen Streifen des lichtemittierenden Materials in
Einzelpixel aufzuteilen. Das konjugierte Polymer kann zum Beispiel
aus PEDOT, Polyanilin, Polypyrrol oder einem Metallkolloid (An,
Ag usw.) bestehen.
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Beim
Auftrag der Schicht mit Streifenstruktur von 12 und 13 mithilfe
der Ausführungsform
von 11 hat sich erwiesen, dass der Anfang jedes Streifens
die Tendenz aufweist besteht, eine etwas kleinere Dicke als der
Hauptteil des Streifens zu haben, und das Ende jedes Streifens,
eine etwas größere Dicke
als der Hauptteil des Streifens zu haben. Diese Merkmale entsprechen
dem Start und dem Ende des kontinuierlichen Auftragsvorgangs. Die
potenziellen Wirkungen dieser dickeren oder dünneren Abschnitte der aufgetragenen
Streifen können
vermieden werden, indem eine Fläche
aufgetragen wird, die größer ist
als die der beabsichtigten oder aktiven Vorrichtung. Dies wird in 14 veranschaulicht.
In 14 ist die dunkle zentrale Fläche die Endanzeigefläche, und
der hellere Rand zeigt die volle Ausdehnung des tatsächlich aufgetragenen Materials
an.
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Der
Gasstrom zwischen dem Kopf und dem Substrat kann durch eine einfache
Düse erzeugt
werden. Es wird aber bevorzugt, dass der Gasstrom „laminar" ist, das heißt, bevorzugt
keine Punktquelle, sondern eine Quelle, die mindestens so breit
ist wie ein aufgetragener Streifen oder noch bevorzugter so breit
ist wie das Gesamtsubstrat. Wenn eine Düse in Form eines ausgedehnten
Schlitzes benutzt wird, die so breit wie das Substrat ist, kann
die Düse
relativ zum Substrat feststehend sein. Eine Alternative, vor allem
bei einer weniger breiten Düse,
ist, die Gasstromdüse
so anzuordnen, dass sie sich mit dem Kopf bewegt. Meistbevorzugt
wird der Gasstrom in derselben Richtung wie die Bewegungsrichtung
des Kopfs vorgesehen. In manchen Fällen kann es akzeptabel sein,
den Gasstrom in der Gegenrichtung zu haben. Allgemein führt ein
Gasstrom in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Kopfs
wahrscheinlich zu einer asymmetrischen Trocknung entlang der Breite
eines aufgetragenen Streifens, auch wenn solch eine Gasstromrichtung
in manchen Fällen
geeignet sein kann.
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Die
obige Beschreibung ist lediglich beispielhaft und für den Fachmann
geht hervor, dass Modifikationen vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.