未来を支える撥油技術

撥油技術は繊維(テキスタイル)、外壁用途だけでなく、エレクトロニクス分野では、半導体やディスプレイ、バイオ分野ではライフサイエンス、など日常に欠かせない技術となっており、今後は宇宙衛星や通信への応用も益々拡大していくと見込んでいます

撥油技術は幅広い分野で活用され、先進電子デバイスなど、未来をつくる分野とも深くかかわっています。

各分野での技術革新が進むなかで、撥油技術の可能性はますます広がっています。

このサイトでは、エレクトロニクスとライフサイエンス分野を中心に、撥油技術の応用事例を通じて ”撥 – はじく – “ 技術の可能性を発信していきます。

撥油技術は繊維(テキスタイル)、外壁用途だけでなく、エレクトロニクス分野では、半導体やディスプレイ、バイオ分野ではライフサイエンス、など日常に欠かせない技術となっており、今後は宇宙衛星や通信への応用も益々拡大していくと見込んでいます
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撥油技術の応用事例

撥油技術は、先進電子デバイスなどの分野で幅広く活用されています。
デバイスの高処理能力化、小型化により、基板の微細加工が進化しており、性能向上に加え、高耐久性も求められます。
これらのデバイスに水や油(油剤)をはじく力、すなわち、撥水撥油機能を付与することで、微細加工や高耐久性が実現可能です。
先進電子デバイスおよびライフサイエンスで活用される撥油技術の応用事例をご紹介します。

撥油フォトレジスト資料

撥油フォトレジストに関する資料はこちらからダウンロードいただけます。
具体的な活用例も記載しております。

撥水撥油技術とは

液体をはじくメカニズム

撥油技術の身近な応用事例は、フッ素加工されたフライパンで観察できます。
フライパンの表面に垂らされた油(液体)が、コロコロと転がるような丸い形状を作るのは、フライパン(固体)の表面張力が、油(液体)の表面張力および油とフライパン間に生じる界面張力と、つり合いの関係が生じているからです。

この状態の固体表面と液体接点からの接線の角度θを、濡れ性(接触角)と言います。この関係はYoungの式(図1)で表します。関係式にもある各項の表面(界面)張力が変化すれば、濡れ性(接触角)は変化します。例えば、固体の表面張力(γS)を小さくすれば、固体は濡れにくくなり、液体をはじきます。すなわち、撥油は固体側を加工し、表面張力を小さくする技術です。

撥油性を向上させる為には、撥油材をコーティングしたり、固体自体に表面張力の小さい基材を用いたりします。

AGCセイミケミカル株式会社
http://www.seimichemical.co.jp/product/fluoro/遷移先

撥水・撥油の技術と材料 シーエムシー出版
https://www.cmcbooks.co.jp/products/detail.php?product_id=7546遷移先

Youngの式を表す図となります。基板上に水や油を被膜した際の液滴挙動を濡れ性とし、防水や撥油の弾きの程度の考察に役立ちます

図1: 固体表面上での液体の濡れ性を表す図

Youngの式Youngの式
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CASE 01フォトレジストでの応用事例

ATX®シリーズ

撥油技術は、有機ELディスプレイ基板製造のフォトリソグラフィ工程において近年活用しています。背景には有機ELディスプレイの量産化・大型化への課題がありました。
フォトリソグラフィ工程で利用されるフォトレジストの従来の機能は、感光性を有し、任意の形状を形成するプロセス材としての役割でした。
ここに撥油技術が加わり、有機ELディスプレイの量産化と、大型化が実現しています。フォトリソグラフィ工程での撥油技術の活用事例をご紹介します。

CASE 01-1有機ELディスプレイ製造における応用事例

有機ELディスプレイ基板製造に
撥油性が必要となった背景

従来の有機ELディスプレイ基板製造方式には「白色蒸着+カラーフィルター方式」「RGB蒸着方式」がありました。これらの製造プロセスには、大型の真空装置や精細なマスクが必要でした。しかし、これら方式でのディスプレイ大型化は技術的に難易度が高く、低い生産効率に伴う製造コストの増加や、低い材料使用効率による材料コストの増加や環境負荷の観点から課題があります。 これに対し研究開発が進められてきた「RGB印刷方式」は、大型真空装置の工程を削減し精細なマスクを必要とせず、中型モニター向けディスプレイの量産化、高生産効率、製造コストのダウンを実現しました。株式会社JOLEDが「RGB印刷方式」による量産ラインの稼働を2021年より開始し、32型ディスプレイ(OLEDIO™)の生産がスタートしました。

この「RGB印刷方式」の実現には撥油技術が不可欠となります。

撥油技術が解決した
有機ELディスプレイの大型化
への課題

有機ELは発光材料に有機化合物(インク)を用いています。また、図2のように有機ELディスプレイ基板内には幅10〜30μmのRGBピクセル(画素)が並んでいます。

大型有機ELディスプレイ製造に有効な「RGB印刷方式」とは、有機ELディスプレイ基板内にあるRGBピクセルへ発光材料をインクジェットによって塗布する技術です。
ピクセルに発光材料となるインクを塗布する際に、隣同士のピクセルのインクが混色しないよう、ピクセルを隔てる壁(バンク)には、撥油性が要求されます。
フォトリソグラフィ工程では、RGBピクセルを隔てる壁(バンク)の頂上部分(図2参照)にのみ撥油層を形成し、混色を防いでいます。
有機ELディスプレイ基板 RGBピクセルの図。バンク頂上のみに撥油性が発現する構造。バンク頂上にインクが塗布されても、撥油(オイルバリヤ)により、インクが滑落して正しい位置に収まるメカニズム。オイルバリヤの形成にはフッ素の表面移行性、配向特性が利用される。図2: 有機ELディスプレイ基板 RGBピクセル

撥油フォトレジストは、インクジェット塗布時の発光材料の動きを制御して、RGBピクセル内の正確な位置に発光材料を収めるというわけです(図3参照)。

撥油フォトレジスト 撥油層の働きを示す断面図。基板上に形成されたバンク材とも呼ばれる撥油フォトレジストのトップには、フッ素成分による撥油(オイルバリヤ)層が形成されており、撥油層上にインクが滴下しても滑落してピクセル内に収まるメカニズム。撥油層の形成にはフッ素の表面移行性、配向特性が利用される。図3: 撥油フォトレジストに於ける撥油層の働き
フォトレジストの用途として、フォトリソグラフィ工程後に除去されるプロセス用レジストもありますが、有機ELディスプレイ製造で利用される撥油フォトレジストは除去されず、永久材として製品の一部となります。
なお、撥油フォトレジストにはフッ素化合物を利用しています。フッ素特有の空気界面への表面移行、配向特性を利用し、バンク頂上のみに撥油性を発現する仕組みです。

有機ELディスプレイ基板用 フォトレジストに求められる仕様

  • 接触角水:100° キシレン:46°
  • 膜厚0.5〜2μm
  • 解像度10μm
  • 感光波長i線、 ih線、ghi線

CASE 02インプリントでの応用事例

NIF-M

インプリントでの撥油技術は、インプリントプロセスの型(モールド)の作製に利用されています。
インプリントとは、ナノ、またはマイクロサイズの精密転写技術で、ガラス、シリコンウェハなどの基材表面に微細加工する技術です。
フォトリソグラフィの代替技術として評価され、実用への研究が進んでいます。ここでは、ナノインプリントリソグラフィーでの撥油技術の応用事例についてご紹介します。

CASE 02-1光ナノインプリント レプリカモールドでの応用事例

撥油技術は、光ナノインプリントリソグラフィー レプリカモールド作成時に活用されます。インプリントはモールドを利用した精密転写技術です。レプリカモールド作製は、基板などに滴下された樹脂の上にマスターモールド(原版)を押しつけ、樹脂を硬化させてマスターパターンを転写します。この硬化した樹脂がレプリカモールドとなります。転写されて硬化する素材が紫外線硬化性樹脂の場合は光インプリント、熱硬化性・熱可塑性樹脂の場合は熱インプリントと呼ばれています。

熱可塑性樹脂を用いたナノインプリント

マイクロ・ナノインプリントリソグラフィーの解説図。無機のガラス基板へのナノインプリントリソグラフィー開発の事例。(熱可塑性樹脂を用いたナノインプリント)

紫外線硬化樹脂を用いたナノインプリント

マイクロ・ナノインプリントリソグラフィーの解説図。無機のガラス基板へのナノインプリントリソグラフィー開発の事例。(紫外線硬化樹脂を用いたナノインプリント)

図4: ナノインプリントにおける工法

光ナノインプリント
レプリカモールドに
撥油技術が必要な背景

光ナノインプリント レプリカモールドにおいて、2つの離型工程で撥油性能が活用されています。
ひとつめは、マスターモールド(原版)からレプリカモールドへの転写後の剥離過程で活躍します。撥油性、離型性に優れたレプリカモールドが必要です。
ふたつめは、インプリントプロセスによる基板作製工程です。レプリカモールドから基板を剥離する際にも撥油性・離型性が求められます。

光ナノインプリント
レプリカモールドに
求められる撥油機能

上記のように光ナノインプリント レプリカモールドに求められる機能は撥油性、離型性です。さらに、インプリントプロセスは量産技術であり、性能耐性も問われます。
これらの課題を解決するのが、フッ素ポリマー含有のフッ素系UV硬化樹脂です。この樹脂は、インプリントプロセスにおいて、リソグラフィのレジストとしての利用や、永久材用(レンズや回折格子など最後までインプリントパターンが残るもの)としても利用されています。

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CASE 03コーティングでの応用事例

SURECO®

サイトップ®

コーティングとして活用される撥油技術の応用事例に、耐指紋性コーティング、防汚コーティング、産業用インクジェットノズルなどがあります。
利用用途に応じて、撥油機能の他に、撥水、防水、防湿、耐酸、絶縁、などの性能が必要な場合もあります。

CASE 03-1耐指紋性コーティングでの応用事例

SURECO®

耐指紋性コーティングでの撥油の応用事例に、メガネレンズ、自動車のディスプレイ、スマートフォン、PC、保護フィルムなどがあります。フッ素化ポリエーテル化合物を含有した表面処理剤が利用され、塗布方法に応じた希釈溶媒が使用されます。
スプレー、ディップ、スピンなどのウェットコートや、真空蒸着などのドライコートで塗布し、基材に薄膜コートがつくられます。コーティング被膜は皮脂をはじき、指紋付着を低減し、指紋ふき取り性を向上させます。塗布可能な基材は、ガラス、金属、樹脂などです。

耐指紋性コーティングに
求められる撥油機能

各製品への耐指紋性コーティング剤に求められる機能は、撥水撥油性、滑水性、防汚性、指紋防汚性(汚れ拭き取り性)、薄膜(乾燥膜で10nm前後)、低摩擦係数、高い耐摩耗性などです。各製品において、耐指紋性コーティングに求められる機能を紹介します。

製品ごとに求められる性能

  • メガネレンズ

    リンク

    耐摩耗性
    撥水性

    (nmオーダーの薄膜、100°以上)
  • 自動車用ディスプレイ

    自動車用ディスプレイ

    耐摩耗性
    耐UV
    撥水性(nmオーダーの薄膜、100°以上)

  • タッチパネル(スマートフォン・PC)

    タッチパネル

    耐摩耗性
    撥水性(nmオーダーの薄膜、100°以上)

CASE 03-2防汚コーティングでの応用事例

SURECO®

防汚コーティングの撥油の応用事例に、家電のガラス部、PCの筺体、スクリーンマスクなどがあります。
フッ素化ポリエーテル化合物を含有した表面処理剤が利用されており、塗布方法に応じた希釈溶媒を用意します。スプレー、ディップ、スピンなどのウェットコートや、真空蒸着などのドライコートで塗布し、基材に薄膜コートがつくられます。コーティングは油(油剤)をはじき、基材の汚れを低減します。塗布可能な基材は、ガラス、金属、樹脂、などがあります。

防汚コーティングに
求められる撥油機能

各製品への防汚コーティングに求められる機能に、撥水撥油性、滑水性、防汚性、指紋防汚性(汚れ拭き取り性)、薄膜(乾燥膜で10nm前後)、低摩擦係数、高い耐摩耗性などがあります。各製品において、防汚コーティングに求められる機能を紹介します。

製品ごとに求められる性能

  • 家電(ガラス部)

    家電(ガラス部)

    撥水性(nmオーダーの薄膜、100°以上)耐摩耗性

  • PC筐体

    PC筐体

    撥液コーティング

  • スクリーンマスク

    スクリーンマスク

    撥水性(nmオーダーの薄膜、100°以上)耐摩耗性

CASE 03-3産業用インクジェットノズルでの応用事例

サイトップ®

産業用インクジェットノズルでの撥油の応用事例に、テキスタイル印刷があります。高精細インクジェット技術により、繊維への複雑なデザイン印刷が可能です。
産業用印刷機器として求められるのが、インク(塗料)の高速かつ連続吐出の耐久性です。この解決に撥油技術が利用されています。インクジェットノズルのノズル先端へ撥油コーティング溶剤(表面改質)を付与することで、ノズルの液切れ性能、耐久性向上を実現しています。

産業用インクジェットノズルに
求められる撥油機能

テキスタイル印刷に用途に利用される産業用インクジェットノズルに求められる性能に、撥水性、耐アルカリ性、耐溶剤(インク、塗料)性、耐摩耗性等があります。インクジェットノズルに求められる撥油機能を紹介します。

産業用インクジェットノズル(テキスタイル印刷用途)に実用化されるコーティング剤の仕様例

  • コート厚

    0.1~1um

  • 必要特性

    撥水性
    耐アルカリ性
    耐溶剤(インク、塗料)性
    耐摩耗性等

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CASE 04マイクロ流路での応用事例

サイトップ®

マイクロ流路は、樹脂・ガラス・シリコンなどの基材平面へ、ナノメートルからミリメートルオーダーの微細加工を施す技術です。ライフサイエンス、化学、分析などの分野で利用されています。
例えば、マイクロ流路はバイオチップ(細胞・DNA・タンパク質検出用)デバイスにも利用され、コロナ渦で注目されるPCR検査にも利用されています。バイオチップにおいては、検査サンプルなどの液滴を動的制御するために、撥油技術が利用されています。

CASE 04-1バイオチップでの応用事例について

バイオチップの撥油応用事例は、基材の表面改質に用いられます。バイオチップとは、特定の分子や化合物の濃度を測定出来る人工的な基板です。基板上の微細なパターニングにDNA、タンパク質、糖鎖などを固定化し、生体分子や化合物を接触させ、その相互作用を測定します。バイオチップ上の表面改質には、フッ素樹脂の薄膜コーティングを付与します。

バイオチップに
求められる撥油機能

バイオチップには、検体の蛍光観察を行うために撥油機能が活躍しています。バイオチップ上の微細パターニングに撥水撥油と親水構造の機能を持たせることで、検体を親水部内に移動させ蛍光観測を行うことができます。
また、撥油コーティング上の検体液滴への電圧印加による動的制御も可能です。液滴への電圧印加により、エレクトロウェッティング現象を発生させ、濡れ性(接触角)が変化し、液滴の移動・分離・混合が行えます。

撥水撥油コーティングにより親撥パターニングを作り出すメカニズム。撥油(オイルバリヤ)は濡れ性を利用し液体の静的制御(滑落、移動、分離、混合)を可能にする。撥水撥油性は生体分子や化合物の付着抑制を作り出す。親水部内の検体の反応の蛍光観察、測定を容易にする。

図5: バイオチップ上の微細な親撥パターニングイメージ

無機のガラス基板のバイオチップの基板側にマイナス電極、液体側にプラス電極を配置し、電圧の印加により、液体の表面張力、固体の表面張力、固体と液体との界面張力を変化させ接触角「濡れ性」を変えるメカニズム。このメカニズムが液体の移動をコントロールする。すなわち、動的制御が可能となる。

図6: 電気制御による微小液滴の動的制御

バイオチップで利用される
フッ素樹脂コーティング材の例

バイオチップで利用される様々なフッ素樹脂コーティングや、樹脂の性能などについてご紹介します。

コーティングの有無による表面接触角の比較
基材 ノマルヘキサデカン
コーティング 無 ガラス基板 44° 21°
コーティング 有
/サイトップ®
ガラス基板 112° 53°

※バイオチップは高い撥水撥油性能が求められます。

樹脂ごとの臨界表面張力 性能比較
サイトップ® PTFE PMMA
19mN/m 18mN/m 39mN/m

※バイオチップは低い臨界表面張力が必要です。

樹脂ごとの吸収率 性能比較
サイトップ® 高密度ポリエチレン ポリイミド
0.01%以下 0.01%以下 0.5%

※バイオチップは極めて低い吸水率が必要です。

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AGCが選ばれる理由

AGCでは撥油技術の応用について、主に2つの事例があります。

  • チェック電子デバイス製造プロセスなどでの、目的に応じたカスタマイズ品のご提案。
  • チェック撥油性能を備えた標準品のラインナップのご紹介。

AGCのカスタマイズ品

電子デバイス製造プロセスや、基材などへのコーティングなど、撥油目的に合わせた提案をいたします。
フォトレジスト、インプリント、各種コーティング、マイクロ流路・バイオチップ各分野での提案実績がございます。

AGCの標準品

撥油関連のAGCプロダクトとして、以下ラインナップがございます。

アクリルポリマーのアルキル鎖部分をパーフルオロアルキル基に置き換えたフッ素系のコーティング剤などもご相談ください。

AGCのカスタマイズ品

AGCはフッ素樹脂を原料から製造し、優れた弾く力にて強み発揮するメーカーであり、
お客様の要求性能に合わせ、お客様理解とソリューションを提案し、実用化に繋げたいと願っております。
エレクトロニクス(ナノレベルも含む)、ライフサイエンス、 自動車(モビリティ)分野を中心に幅広い用途のお問合せを頂いております。

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    • (推奨処理条件のご案内)
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    • 材料/プロセス面の課題整理
    • 開発方向性協議
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※一部製品につきましては開発対応を行っておりません、個別にご相談くださいませ