CN108016135A - 一种点状图形喷墨打印系统及喷墨打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点状图形喷墨打印系统及喷墨打印方法。该系统包括打印基底、喷嘴装置以及转轴，所述的喷嘴装置设在打印基底上方，所述的喷嘴装置包括墨水打印喷嘴、溶剂打印喷嘴和打印喷嘴移动组件，所述的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴装载在打印喷嘴移动组件上，所述的转轴与打印喷嘴移动组件连接。本发明依据蒸发微环境控制形貌的机制，通过同时打印墨水和溶剂图形，最终溶剂蒸发，只留下墨水打印图形，利用溶剂蒸发去影响墨水蒸发，最终能达到形貌控制的目的，解决喷墨打印点状图形遇到的“咖啡环”问题，满足不同墨水均匀形貌的打印需求。

Description

一种点状图形喷墨打印系统及喷墨打印方法

技术领域

本发明属于印刷电子器件制备领域，特别涉及一种点状图形喷墨打印系统及喷墨打印方法。

背景技术

现有喷墨打印薄膜形貌控制技术，多基于对单个液滴“咖啡环”效应的抑制，使干燥后的液滴形貌发生变化。在液滴三相线钉扎前提下，液滴边缘溶剂蒸发量远大于其液体体积损失量，因此溶剂从中心区域向边缘补充，形成外向毛细流，使溶质在边缘聚集，形成“咖啡环”。其调控方式多种，包括通过改变墨水成分、基底状态以及增加特殊设备，在形成的各个过程抑制以及消除“咖啡环”；具体方式为：(a)调控墨水化学与组成，如增加表面活性剂，十二硫醇，高沸点低表面张力溶剂，高分子凝胶，甚至改变溶质形状；(b)基底处理，如表面疏水，基底降温(17℃)，预图形化以及电润湿；(c)辅助设备，如加入带有微孔的蒸发遮板以及浸入液滴的毛细针尖；(d)快速固化，如通过光子烧结技术控制固化时间在毫秒甚至微秒级别。

但现有技术调控“咖啡环”效应难度大：(1)墨水组分的调节涉及复杂的物理化学过程，需要保证调控后的墨水可稳定喷射、可稳定打印以及打印薄膜高性能的实现，对其探索将耗费大量研究成本；(2)基底处理往往涉及额外的工艺过程，削弱了喷墨打印方式的优势；(3)辅助设备的添加，沉膜均匀受到人为因素的干扰，对于微米尺度的打印图形装备要求过高，且不同打印图形对辅助设备需求不同，将会很大程度提升调节过程的成本和复杂性；(4)快速固化，如其所需的光子烧结设备价格昂贵，且其快速固化功能需要与打印设备集成才能尽可能发挥其优势，目前情况下实现难度较高。因此，亟需一种喷墨打印设备，以解决墨打印点状图形遇到的“咖啡环”问题。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种点状图形喷墨打印系统。

本发明的另一目的在于提供一种点状图形喷墨打印方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种点状图形喷墨打印系统，包括打印基底、喷嘴装置以及转轴，所述的喷嘴装置设在打印基底上方，所述的喷嘴装置包括墨水打印喷嘴、溶剂打印喷嘴和打印喷嘴移动组件，所述的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴安装在打印喷嘴移动组件上，所述的转轴与打印喷嘴移动组件连接。

所述的打印基底的形状可为正方形、长方形、圆形、或三角形等。

所述的转轴连接到打印喷嘴移动组件的上部，墨水打印喷嘴设置在打印喷嘴移动组件的下部，墨水打印喷嘴与转轴设置在同一轴线方向上。

所述的溶剂打印喷嘴设置在墨水打印喷嘴的外侧，可以根据需要调节溶剂打印喷嘴与墨水打印喷嘴之间的距离。

所述的溶剂打印喷嘴的个数为1个或多个；优选为2个；多个喷嘴间的距离可以在微米级别精准控制，且喷嘴距离在微米级别连续可调，实现多个圆环环绕打印点，不同喷头也可以使用不同喷射参数。

所述的打印喷嘴移动组件可沿着空间直角坐标系x，y，z轴移动。

所述的转轴用于驱动打印喷嘴移动组件旋转，可顺时针或逆时针旋转360°，带动打印喷嘴移动组件绕转轴按顺时针或逆时针旋转360°，进而带动装载在打印喷嘴移动组件上的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴绕转轴按顺时针或逆时针旋转360°。

所述的打印喷嘴移动组件的形状为正方体、长方体、圆柱体等。

一种点状图形喷墨打印方法，包括如下步骤：

(1)清洗打印基底，然后分别将墨水与墨水溶剂注入所述的点状图形喷墨打印系统的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴中；

(2)确定点状图形释放位置，调节墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴之间的间距；

(3)设置打印参数进行打印，打印喷嘴移动组件沿着空间直角坐标系x，y， z轴移动，将液滴释放到打印基底上，在液滴喷射的同时，打印喷嘴移动组件沿着转轴旋转，得到墨水打印点和溶剂打印圆环；

(4)采用热烧结方式，去除墨水打印点中墨水中的溶剂部分和溶剂打印圆环，得到点状图形。

步骤(1)中所述的溶剂打印喷嘴的个数为1个或多个；优选为2个，2个溶剂打印喷嘴之间的距离∣d₁-d₂∣<m，其中，d₁，d₂分别为两个溶剂打印喷嘴打印的圆环的半径，m为打印线可以保持互不融合的最小距离。

步骤(3)中所述的旋转为旋转绕中心轴按顺时针或者逆时针旋转360°。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明意在设计一种喷墨打印系统，可以直接打印无“咖啡环”的点状图形，其具备以下优势：(1)不需要专门考虑墨水沉膜均匀性问题，只需要考虑墨水稳定喷射与打印，以及打印薄膜高性能的实现，使墨水组分设计相对简单； (2)对基底表面润湿性要求不高，不需要基底表面预图形化；(3)只对打印系统进行简单改进，可行性高；(4)系统改进只需要少量材料与设备成本。

2、现有的打印系统主要实现液滴定位喷射的功能，通过液滴依次喷射到达基底形成打印图形，但其不能实现墨水与溶剂同时喷射，因此不能通过溶剂打印图形设计精确控制墨水打印图形的干燥过程，其功能(墨水打印)图形最终形貌平整性的实现需要借助墨水化学调控、基底处理与新设备引入。本发明依据的蒸发微环境控制形貌的机制，通过同时打印墨水和溶剂图形，最终溶剂蒸发，只留下墨水打印图形，利用溶剂蒸发去影响墨水蒸发，最终能达到形貌控制的目的。

3、本发明重点从喷墨打印设备的改进出发，解决喷墨打印点状图形遇到的“咖啡环”问题。直接对喷墨打印系统进行改进，墨水、基底都不需要专门进行改善，也不引入新的设备与新的工艺过程，就可以实现无“咖啡环”的点状图形，具有普遍适用性。

4、利用本发明的喷墨打印系统打印点形貌可以实现从凹型形貌(受“咖啡环”效应影响)到凸型形貌的连续可调。

5、本发明中喷墨打印系统中所有系统均绕转轴旋转，可绕中心轴按顺时针或者逆时针旋转360；多个喷嘴间距可以根据实际打印需求设定，根据内环境控制理论(理论计算部分)，打印系统应该具备喷嘴距离可调节性，满足不同墨水均匀形貌的打印需求。

附图说明

图1是利用现有的喷墨打印系统打印薄膜时单个液滴干燥后的截面形貌图；其中，图a为“咖啡环”，图b为均匀薄膜；c表示墨水、基底和设备调控过程。

图2是本发明中喷墨打印系统的打印示意图；其中，1为打印基底，2为墨水打印喷嘴，3为墨水打印点，4为溶剂打印喷嘴，5为溶剂打印圆环，6为打印喷嘴移动组件，7为转轴。

图3是喷墨打印点和圆环时，圆环与打印点距离、圆环个数、圆环线宽调整示意图；其中，图a为打印点与单个圆环，图b为多个圆环环绕打印点，图c 为调整两个墨水溶剂喷嘴之间的距离，使得圆环线宽增加。

图4是本发明所述喷墨打印系统控制“咖啡环”效应的两种方式的示意图；其中，图f和g为两种不同打印方式；h₁表示d减小，h₂表示打印圆环线宽增加。

图5是采用热烧结方式结获得无“咖啡环”点状图形的示意图，；其中，h表示热烧结。

图6是两个液滴之间的蒸气浓度计算结果图；其中，A、B表示两个液滴。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

1、对单个液滴“咖啡环”效应的抑制，可通过墨水、基底和设备进行调控(图 1)。本发明实现无“咖啡环”点状打印图形的方式为，在打印点外侧同时打印多个打印圆环(以两个圆环为例)，打印点干燥后形貌由外侧墨水溶剂打印圆环与之距离和各圆环的线宽决定，因此对喷嘴系统提出了设计要求：

如图2所示，本发明中的喷墨打印系统，包括打印基底1和喷嘴装置，所述的喷嘴装置设置在打印基底1上方，所述的喷嘴装置包括墨水打印喷嘴2、溶剂打印喷嘴4和打印喷嘴移动组件6；所述的墨水打印喷嘴2与溶剂打印喷嘴4 装载在打印喷嘴移动组件6上；所述的打印喷嘴移动组件6可以沿着空间直角坐标系x，y，z轴移动；所述的打印喷嘴移动组件6中设有转轴7；

所述的墨水打印喷嘴2对应转轴7的轴线方向设置在打印喷嘴移动组件6 的下部(转轴7位于打印喷嘴移动组件6的上部，墨水打印喷嘴2位于打印喷嘴移动组件6的下部)；所述的转轴7可顺时针或者逆时针旋转360°，带动打印喷嘴移动组件6绕转轴7按顺时针或者逆时针旋转360°，进而带动装载在打印喷嘴移动组件6上的墨水打印喷嘴2和溶剂打印喷嘴4绕转轴7按顺时针或者逆时针旋转360°；

所述的溶剂打印喷嘴4沿着圆周方向分布在墨水打印喷嘴2的外侧，可以根据需要调节溶剂打印喷嘴4与墨水打印喷嘴2之间的距离；溶剂打印喷嘴4 中的喷嘴可设置一个或多个；多个喷嘴间的距离应该可以在微米级别精准控制，且喷嘴距离在微米级别连续可调，实现多个圆环环绕打印点，不同溶剂打印喷嘴也可以使用不同喷射参数；

所述的打印基底1的形状可以为正方形、长方形、圆形、或三角形等；

所述的打印喷嘴移动组件6的形状可以为正方体、长方体、圆柱体等。

2、采用本发明所述喷墨打印系统进行打印，具体包括如下步骤：

(1)清洗打印基底1(可采用清洗剂异丙醇、丙酮、去离子水等超声清洗)，分别将墨水与墨水溶剂(粘度8～20cp，表面张力对有机墨水为26～36dynes/cm，对于水基墨水可到60dynes/cm)注入墨水打印喷嘴2和溶剂打印喷嘴4中，其中，溶剂打印喷嘴的个数为2个；

(2)确定打印点释放位置，调节墨水打印喷嘴2和溶剂打印喷嘴4之间的间距；

(3)采用本发明的喷墨打印系统打印点状图形：设置打印参数进行打印，打印喷嘴移动组件6可以沿着空间直角坐标系x，y，z轴移动，以在不同位置将液滴释放到打印基底1上，液滴喷射的同时，打印喷嘴移动组件6沿着转轴7 按照一定速率旋转，以使打印圆环连续，结果见图2，中间打印点所用材料为墨水(即墨水打印点3)，外侧打印圆环所用材料为墨水溶剂(即墨水溶剂打印圆环5)；

(4)采用热烧结(热烧结温度需大于墨水固化与实现功能的最低温度) 方式，一方面去除中间墨水打印点3中的溶剂部分，实现材料功能，一方面去除使用溶剂为材料的墨水溶剂打印圆环5，即可以获取无“咖啡环”点状图形(图 5)。

喷嘴距离与打印参数的调节依赖于实际使用墨水，需要不断调试，以最终获得最佳打印点形貌。其总体趋势为，喷嘴距离越小(两个溶剂打印喷嘴分别与墨水打印喷嘴之间的距离)，打印点越倾向于凸型形貌，反之倾向于凹型形貌 (“咖啡环”)。

打印圆环与打印点距离时通过控制喷嘴距离实现，而打印圆环线宽的控制则需要考虑喷嘴使用何种喷射机制，而本发明所提设备不对喷射机制做出限定，但无论是热、压电、超声等喷射机制，都可以通过喷嘴直径、喷射速率、基板表面能、墨水组分去调节其打印线宽。

3、采用本发明喷墨打印系统进行打印，半径为d的圆环打印需要与转轴7 距离为d的喷嘴顺时针或者逆时针旋转360°，因此，打印喷嘴移动组件6应该具备可绕转轴7按准确角度旋转的功能，喷嘴距离应该可以在微米级别精准控制。图3是喷墨打印点和圆环时，圆环与打印点距离、圆环个数、圆环线宽调整示意图；图3a为打印点与单个圆环，图3b使用多个喷嘴，实现了多个圆环环绕打印点，图3c则调整两个溶剂打印喷嘴之间的距离∣d₁-d₂∣<m，m为打印线可以保持互不融合的最小距离，使得圆环线宽增加。

4、利用本发明所述打印系统控制“咖啡环”效应：

图4是两种抑制“咖啡环”效应的方式，反之则促进“咖啡环”生成。减小打印打印圆环与打印点距离d或者增加打印圆环线宽时，打印点“咖啡环”效应被抑制；增大打印打印圆环与打印点距离d或者减小打印圆环线宽时，“咖啡环”效应被增强。同样，如果采用多圆环代替单圆环的方式，打印点“咖啡环”效应同样会得到抑制。利用这种连续调控“咖啡环”效应的方式，最终实现打印点均匀。欲实现该功能，要求：(1)打印喷嘴移动组件应该可绕中心轴按准确角度旋转；(2) 喷嘴距离可以精准控制的功能；(3)不同溶剂打印喷嘴的喷射参数可以分别控制。

5、基本原理

假设扩散系数恒定，且无穷远处蒸气浓度为0，经过计算，单个液滴周围浓度分布为：c＝rc₀/ρ，其中r为液滴直径，ρ为离液滴中心的距离，c₀为ρ＝r处的蒸气浓度。

根据单个液滴的蒸气扩散，可计算两个液滴中间的蒸气浓度分布，即：

c＝c_ρ+c_d-ρ＝(drc₀)/(ρ(d-ρ))

式中，c_ρ表示x＝ρ处蒸气浓度、c_d-ρ表示x＝d-ρ处蒸气浓度、d表示圆环直径。

如图6所示，如果在两个液滴的中间位置放置一个小液滴，其所处位置原蒸气浓度：

小液滴中心位置c_m＝(4rc₀)/d，当ρ＝d/2

小液滴边缘位置c_e＝(4drc₀)/(d²-w²)

式中，d表示圆环直径。

其蒸气浓度的差值Δc＝c_e-c_m＝(4drc₀)/(d²-w²)-(4rc₀)/d＝(4rc₀w²)/(d(d²-w²))

计算Δc相对于r，d，w的偏微分：

式中，w表示中间打印点的半径。

可知，r增大，d减小，w增大，会导致Δc增大，即小液滴边缘位置浓度与中心位置蒸气浓度差值增大(见图6)，因此其边缘处蒸发速率相对于中心位置处被显著削弱了，从而达到抑制“咖啡环”效应的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种点状图形喷墨打印系统，其特征在于：包括打印基底、喷嘴装置以及转轴，所述的喷嘴装置设在打印基底上方，所述的喷嘴装置包括墨水打印喷嘴、溶剂打印喷嘴和打印喷嘴移动组件，所述的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴安装在打印喷嘴移动组件上，所述的转轴与打印喷嘴移动组件连接。

2.根据权利要求1所述的点状图形喷墨打印系统，其特征在于：所述的转轴连接到打印喷嘴移动组件的上部，墨水打印喷嘴设置在打印喷嘴移动组件的下部，墨水打印喷嘴与转轴设置在同一轴线方向上。

3.根据权利要求1所述的点状图形喷墨打印系统，其特征在于：所述的溶剂打印喷嘴设置在墨水打印喷嘴的外侧。

4.根据权利要求1所述的点状图形喷墨打印系统，其特征在于：所述的溶剂打印喷嘴的个数为1个或多个。

5.根据权利要求3所述的点状图形喷墨打印系统，其特征在于：所述的溶剂打印喷嘴的个数为2个。

6.根据权利要求1所述的点状图形喷墨打印系统，其特征在于：所述的打印基底的形状为正方形、长方形、圆形或三角形；所述的打印喷嘴移动组件的形状为正方体、长方体或圆柱体。

7.一种点状图形喷墨打印方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)清洗打印基底，然后分别将墨水与墨水溶剂注入权利要求1～6任一项所述的点状图形喷墨打印系统的墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴中；

(2)确定点状图形释放位置，调节墨水打印喷嘴和溶剂打印喷嘴之间的间距；

(3)设置打印参数进行打印，打印喷嘴移动组件沿着空间直角坐标系x，y，z轴移动，将液滴释放到打印基底上，在液滴喷射的同时，打印喷嘴移动组件沿着转轴旋转，得到墨水打印点和溶剂打印圆环；

(4)采用热烧结方式，去除墨水打印点中墨水中的溶剂部分和溶剂打印圆环，得到点状图形。

8.根据权利要求7所述的点状图形喷墨打印方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂打印喷嘴的个数为2个。