CN110167761B - 通过喷墨打印在基板上打印变化的结合区图案的方法 - Google Patents

Abstract

涉及借助于喷墨打印来打印基板的方法的本发明的目的是，将结合点矩阵移位、旋转或变形，特别是非线性变形，与理想的正交结合点矩阵相比，能够以较低的复杂度精确打印结合点矩阵。所述目的通过以下方式实现：因为将横向分辨率选择为足够大以使得喷嘴线之间的最小距离小于结合区行之间的最小距离，并且通过由基板指定的多种结合区线之间的相邻结合区行的距离的变化(变形)，结合区线的结合区相对于喷嘴线确定，并且因此仅根据喷嘴致动方案和相应的结合区类型致动具有与结合区相交的喷嘴线的打印头喷嘴。

Description

通过喷墨打印在基板上打印变化的结合区图案的方法

本发明涉及通过喷墨打印来打印基板的方法。在该过程中，在基板上存在结合区，其对应于结合区类型，由结合区线和与其垂直对准的结合区行组成。结合区矩阵相对于打印头而对准，使得结合区行基本上平行于打印方向延伸，并且打印头的致动发生使得一个或多个打印头喷嘴的一滴或多滴液滴在结合区内产生结合点的图案。在这样做时，打印头喷嘴在基板表面上产生假想的喷嘴线，横向分辨率表示喷嘴线之间的距离。

特别地，本发明涉及刚性和柔性基板的打印，其中旨在在多个结合区(例如传感器表面、像素、用于医疗应用的反应表面等)中计量预定量的功能液体(这里称为油墨)。

当然，该方法需要至少近似已知基板上的结合区的位置。

为了确定结合区的位置，已知可以确定基板相对于打印头的方向，例如使用记录基板上的对准标记的相机，以及用随后的图案检测过程确定基板的坐标位置。对准标记将在上游生产步骤中施加到基板上，因此表示图案检测过程中基板的几何形状。

然而，基本上也可以直接确定基板的方向和各个结合区的位置，这不是来自通过现有生产步骤施加的对准标记，而是例如通过由于指示结合区而对其进行检测，例如通过物理启动。

基板可具有一种或多种类型的结合区。可以计量不同类型的结合区，例如，使用不同的油墨或可以具有不同的几何形状。此外，可以同时处理多个基板。

本文推测以下术语。

----打印方向：

打印方向是打印头相对于基板移动的方向，其中通过打印头喷嘴输出液滴。

----喷嘴线：

打印头的移动通常作为线性移动而进行。打印头喷嘴移动的执行线在基板表面上的投影表征为喷嘴线。喷嘴线不是实际的线，而是假想的。

----结合区：

结合区是基板上的区，其中旨在计量预定量的功能液体(这里称为油墨)。所述结合区可以用于例如建立传感器表面、像素、用于医疗应用的反应表面等。结合区具有在打印之前定义的目标位置。

----结合区类型：

基板可具有一种或多种结合区类型。可以计量不同的结合区类型，例如，使用不同的油墨、油墨量、结合点等，或者具有不同的几何形状。

----结合区矩阵：

在基板上产生的图案由结合区矩阵创建，该结合区矩阵布置在结合区行和结合区线中。如果结合区矩阵相对于打印头的移动而对准，则在打印方向上一个接一个地定位的结合区形成结合区行，并且在垂直于打印方向上彼此相邻的结合区形成结合区线。

----打印头喷嘴的致动：

打印头喷嘴的致动导致从打印头喷嘴输出液滴。由于致动，还可以控制液滴体积和/或液滴数量。

----结合点：

结合点是基板表面的表面重心，其在与来自打印头喷嘴的一滴油墨接触时被润湿。

----横向分辨率：

横向分辨率是每单位长度的喷嘴线的数量，其在喷嘴线之间具有彼此最小的距离a。可以通过以下措施(单独地或组合)修改最小距离a：

a)通过增加打印头喷嘴线的每单位长度的打印喷嘴的数量和/或

b)通过布置至少一个第二打印头喷嘴线，该第二打印头喷嘴线横向于第一打印头喷嘴线，并相对于打印方向横向偏移和/或

c)通过打印头的静态变形，使其打印头喷嘴线形成>0°和<90°之间的角度和/或

d)通过使打印头相对于基板在基板上横向经过n次，其中，例如，对于每次通过，打印头以横向于打印方向移位量

其中i＝0、1、2、3…。

在这种情况下，横向分辨率的增加意味着距离a的减小。

----喷嘴致动方案：

可以规定，致动算法应用于对致动喷嘴的规范，其指定由于哪个打印头喷嘴的喷嘴线与结合区相交而实际上可以致动，但不将其致动。

用于计量基板上功能性液体的上述方法的现有技术是通过分配器，化学气相沉积，模拟打印方法以及喷墨打印来实现这种计量任务。本发明涉及喷墨打印。

在许多应用中，通常有利的是限制每个结合区类型的所计量的量的变化，例如以可再现的方式计量有源OLED材料或甚至用于显示器的滤色器，以及有源传感器材料，使得在成品中，基板内结合区的功能特性的变化不超过预定限制。这对于保持例如显示器内的发光强度变化以及作为母基板的一部分的传感器到传感器的信号的灵敏度在可容许的限度内是必要的。

当使用喷墨打印进行计量时，现有技术是将完全相同数量的喷墨液滴放置在应该实现相同功能的结合区中的结合点上。

进一步的现有技术是，通过打印头和/或基板的旋转，试图使横向分辨率有利地调整为结合区矩阵的横向分辨率。执行所述调整，使得可能的最大数量的喷嘴线与结合区相交。

在一些情况下，横向分辨率相对结合区矩阵的调整不能通过旋转来实现，但是，应该完全避免打印头和/或基板的复杂旋转，或者应该使用不允许通过旋转来连续地调整分辨率的打印头，例如具有多于一个喷嘴线的高性能现代打印头。

打印头和/或基板的旋转例如在以下情况中对于实施是不实际的：

a)基板相对于理想正交的结合区矩阵在结合区矩阵中具有与生产相关的变形，该矩阵不能使喷嘴线对准基板的大量结合区。例如，使用柔性基板就是这种情况。

b)结合区没有充分均匀地分布在矩阵上——无论是由于生产还是故意——因此无法找到实际的对准。

本发明涉及先前描述的情况，其中横向分辨率相对于结合区矩阵的调整不应或不能和/或不利地通过打印头相对于基板(或者，更确切地说，相对于打印方向)的旋转来实施。

因此，本发明的目的是提供一种借助于喷墨打印来打印基板的方法，与理想的正交结合点矩阵相比，移位、旋转或变形、特别是非线性变形的结合点矩阵的精确打印，能够利用该方法以较低的复杂度实现。

根据本发明，所述目的通过上述类型的方法实现，

1.选择横向分辨率足够大，使得喷嘴线之间的最小距离小于结合区行之间的最小距离，以及

2.通过基板指定的，各个结合区线之间的相邻结合区行的距离的变化(变形)，结合区线的结合区的位置相对于喷嘴线确定，因此根据喷嘴致动方案和相应的结合区类型而仅致动具有与结合区相交的喷嘴线的打印头喷嘴。

在该方法的一个实施例中，提供了通过选择在打印头喷嘴线中具有多个打印喷嘴的打印头来增加横向分辨率，该打印头喷嘴的距离小于结合区行之间的最小距离。

该方法可以体现为通过选择打印头来增加横向分辨率，其中至少一个第二打印头喷嘴线相对于第一打印头喷嘴线横向于打印方向偏移地布置。

还可以通过打印头相对于打印方向的旋转，使得其打印头喷嘴线相对于打印方向形成>0°和<90°之间的角度来增加横向分辨率。

另一种选择是通过打印头相对于基板的n次横向移动来增加横向分辨率，其中打印头在每次通过时横向于打印方向移位。

在这种情况下的一个变型的特点是，打印头每次通过时移位量x＝i*a+a/n，其中i＝0,1,2,3...。

为了补偿莫尔效应，规定结合点的位置在其结合区内随机化。因为结合点的位置是在允许的限度内随机选择的，所以避免了由于它们的重复结构而可见的重复图案。然后可以通过在位置坐标中添加或减去随机选择的值来进行结合点的定位。

在该方法的另一个实施例中，提供了通过一个以上、有利地多个喷嘴打印单个结合区中的结合点的图案。由此也可以避免重复结构。

防止重复结构的另一种选择在于，从结合区到结合区的结合点的图案被一个或多个横向分辨率步骤随机地移位。

在这样做时，喷嘴的致动可以随机地或伪随机地对于相应的结合区而进行。

在该方法的另一个实施例中，提供了通过具有不同液滴体积的喷嘴的组合来选择结合点的图案，使得沉积在类似结合区中的油墨量的偏差不超过10％。

为了调整结合区中的油墨量，可以对结合区中的液滴进行计量，使得由于相对运动而经过相应结合区的那些喷嘴将限定数量的液滴提供给结合区内的一个或更多结合点。

在这样做时，可以指定喷嘴致动方案或结合区类型中的液滴数量。

为了确定位置和变形，规定通过扫描基板上的对准标记而确定结合区的位置，即它们的实际位置与非变形基板的目标位置进行比较，由此确定基板内超过线性位置偏差的变形以及基板的角度偏差，并且借助于数学模型根据基板的变形计算结合区的位置。

结合区可以用作对准标记。

下面借助于示例性实施例更详细地解释本发明。相应的附图显示如下：

图1 RGB(W)像素的一个例子，由四个结合区组成；

图2 RGB像素的一个例子，由三个结合区组成；

图3柔性EPD中的RGB像素的例子；

图4具有四个结合区的TFT像素区域中的彩色像素位置的公差的表示；

图5通过喷射速率在打印方向上控制的纵向打印分辨率；

图6由打印头角度控制的横向分辨率(在Y方向上)；

图7结合区内结合点上的单色液滴；

图8结合区内具有3×3结合点的彩色像素矩阵；

图9从刚性载体分离后柔性显示器中像素位置的典型非线性变形，蓝色＝设计位置，红色＝当前位置；

图10对准标记和像素位置的设计数据；

图11对准标记的测量的表示；

图12旋转校正的表示；

图13放大校正的表示；

图14基于对准标记位置的确定沿多项式计算像素位置(结合区)的表示；

图15变形补偿的示意图；

图16在线性打印条带中校正变形的受控打印头喷嘴的功能方法的示意图；

图17系统光学对比度变化在像素之间产生较大间隙的表示；以及

图18Y方向的随机像素位移；

示例性实施例涉及用于打印柔性基板的方法。

将滤色器直接打印到有源矩阵显示器的表面上是已知技术。如图1和图2所示，通常将三种颜色(RGB＝红色，绿色，蓝色)打印到高分辨率像素阵列的子像素上，这产生RBG显示。根据本发明，在该过程中子像素表示结合区。因此，像素阵列是通过结合区阵列产生的。有源矩阵显示器中的常规像素数在每个显示器几千到几百万像素之间。通常的屏幕分辨率在50ppi和超过300ppi之间。

通常的滤色器阵列是RGB或RGBW(RGBW＝红色、绿色、蓝色、白色；其中W未被打印)。虽然在该示例性实施例中，每种颜色仅具有一个结合区几何形状，并且特别是在该示例中结合区R、G和B的几何形状被一致地选择，但是结合区的几何形状通常也可以是不同的并且每种颜色可能存在多于一种几何形状，即多于一种结合区类型。

柔性EPD(EPD＝电子纸显示器)可以是柔性基板的示例。如图3所示，在这种情况下，原始b/w(b/w＝黑/白)分辨率是150ppi，具有170μm TFT像素尺寸(TFT＝薄膜晶体管)。为了产生彩色显示器，在b/w TFT像素上方打印RGB滤光器，其中每个彩色像素通常略小于TFT像素尺寸(例如150μm)。在这种情况下，最终的彩色显示分辨率为75ppi。一个重要的标准是在每个TFT像素即每个结合区中放置由喷墨液滴的结合点组成的彩色像素，如图4所示。虽然也可以应用其他标准，但要求TFT像素内的彩色像素不得扩散到相邻的TFT像素，而是必须在有源矩阵显示器上的所有像素的TFT像素区域内。

通常，使用喷墨创建的打印滤色器具有以下处理步骤：

1.功能检测相机检测有源矩阵内或有源矩阵外的多个对准标记(通常为4个)(对准标记，通常在TFT阵列的处理序列期间产生)。

参考对准标记，有源矩阵显示器中的所有TFT像素位置通过显示器的设计而已知。

2.根据显示基板在喷墨打印机的保持台上的放置，它可以补偿X和Y偏移，因为它移动保持台或打印头以校正起始位置并通常通过旋转保持台进入理想位置而补偿旋转。

3.喷墨打印机在基板上开始用线性打印头条纹打印(保持台通常在打印方向上移动(沿打印条纹方向的X方向)，并且打印头横向于打印方向(Y方向)移动。

4.通过控制打印头的输出频率和保持台速度来控制X方向(打印方向)上的结合点(纵向分辨率)，如图5所示。

5.Y方向的分辨率由打印头的原始分辨率指定。可以增加Y方向上的分辨率，因为打印头相应地旋转，如图6所示。

6.如图7和8所示，可以通过单色油墨液滴或通过任何TFT(子)像素区域(结合区)内的多个彩色油墨液滴的矩阵输出，在任何TFT像素中创建彩色像素。

用于在有源矩阵显示器上进行滤色器打印的典型彩色喷墨打印机使用具有高达600ppi的原始分辨率和>30μm的单滴尺寸的打印头。有源矩阵显示器阵列通常在显示区域上方具有TFT像素的正交(线性/矩形)排列。先前描述的滤色器打印过程基于每个子像素和外部调整标记的精确位置，其仅允许轻微偏差(最多几微米)。这不是问题，因为有源显示器阵列通常在刚性玻璃基板上创建。

当柔性基板连接到刚性玻璃载体时，通常还进行具有高分辨率的柔性显示器的打印过程。只要基板是玻璃或连接到玻璃，阵列保持刚性，并且随后的滤色器打印过程可以基于参考对准标记的已知子像素位置，如设计所指定的。

对于柔性基板上的显示器的生产过程，在柔性基板(具有完成的TFT阵列工艺)与刚性玻璃载体分离之后，生产流程可能需要滤色器打印。虽然任何柔性基板(例如PEN、PI、PET等)与其刚性(玻璃)载体分离，但柔性基板经过显著的变形。对准标记和显示场的TFT像素位置都非线性地移位。

如图9所示，位移的大小随着显示尺寸的增加而增加。因此，任何温度变化对柔性基板也具有显着的膨胀/收缩效果。因此，对准标记不再与设计图位置匹配，相对于对准标记的TFT像素位置不再与设计图位置匹配，并且阵列中的所有TFT像素位置同样将偏离设计图位置。偏移可以从5μm到几百μm。每个显示器的偏移值(变形)是不同的。然而，滤色器打印需要精确的像素位置；任何偏差>5-10μm都会使滤色器处理变得不可能，因为彩色像素不能再精确地打印在TFT像素中。超过该最大允许偏差，因为柔性基板与刚性载体分离并且柔性基板变形。

结果，喷墨打印机将利用特征检测(例如，在显示器的四个角处)扫描对准标记，并且将发现所述对准标记的非矩形定位。无法确定，计算和补偿非线性位移的TFT像素位置。只能计算平均矩形网格并将其用于打印位置计算。然而，对于显示表面的最大部分，实际的TFT像素位置偏差超过5-10μm，打印结果将受到影响。

克服问题的方法存在于两个概念的组合中。首先，使用数学模型来预测变形显示基板上的像素位置(确定结合区)。其次，高分辨率喷墨打印头用于滤色器打印，这补偿了变形，同时保持高产量。

如图10-14所示，处理顺序如下：

1.检测相机扫描4个对准标记。取决于显示器尺寸，所需的精确度和变形。根据变形的类型和大小，可以增加要扫描的对准标记的数量。对于典型的～10"显示器尺寸，8个对准标记就足够了。

应该执行对准标记的选择，以便可以充分地检测显示变形。这通常是显示器角落上的4个对准标记位置和显示器侧面上的4个对准标记。对准标记越接近有源表面，随后的计算结果越好。对准标记也可以用在有源矩阵内(在TFT矩阵的最上面的像素处对准；当EPD介质可用时，对准特征可以直接驱动到显示器中)。

2.数学模型用于预测显示器中的所有像素位置，其中考虑所有8个(或更多个)对准标记并计算最佳调整。在显示器上得到的像素的X和Y位置的矩阵不是线性网格而是多项式线的矩阵。在该过程中，假设有源矩阵内的变形通常遵循在对准标记处测量的变形。实际上，计算的和实际的像素位置之间总是存在一定的偏移。只要所有像素的偏差足够小，这是可以接受的。

3.然后，喷墨打印机接收计算出的像素中间位置(结合区)和每个要打印的彩色像素的打印图像(结合区类型)。使用具有小油墨液滴体积的高分辨率打印头使得彩色像素能够由许多小色点(在结合点上)组成为矩阵。对于此处讨论的应用，典型的液滴大小为15-20μm。例如，为了产生150×150μm的彩色像素，可以应用包括12×12滴的彩色矩阵，同时覆盖液滴。要打印的典型彩色像素图像是方的。然而，在高分辨率和小液滴的情况下，也可以打印其他形式以影响滤色器的光学性能并补偿工艺考虑因素(例如喷嘴输出偏差)。

4.使用喷墨打印，每个条纹只能跟随一个线性运动。然后应用变形补偿，因为使用了打印头的高分辨率和打印机精度。例如，使用原生的1200dpi打印头，其以2400dpi操作。这使得在仅2个打印条带内每隔～10μm就可以放置一滴。这样的分辨率足够高，以便将每个彩色区域布置成在每个TFT像素上充分居中。当为彩色像素打印实施更多彩色条带时，可以实现更高的分辨率。但是，产量会受到生产环境的影响。

如图15和16所示，在线性打印条带期间实际补偿通过控制各个喷墨喷嘴进行，喷墨喷嘴在线性条带运动期间接通和断开。只要中间位置在彩色像素矩阵的～5μm范围内，给定的一组喷嘴将沿着条带打印彩色像素。如果中间位置超过5μm限制，则关闭矩阵中的喷嘴，并打开矩阵相对侧的下一个喷嘴。以这种方式，彩色像素矩阵保持均匀，但是彩色像素跳跃～10μm(横向分辨率)。彩色像素始终在允许的TFT像素区域内。这是沿着打印方向连续实施的，从而可以沿着计算的多项式精确地放置所有彩色像素。

5.利用这种类型的变形补偿方法，喷墨打印机不再需要真空夹紧装置或打印头的任何机械旋转。通常进行保持台的旋转用于补偿在放置基板以进行夹紧期间的旋转偏移。利用这里描述的方法，甚至可以用相同的方法补偿基板的轻微旋转。通常不需要打印头的旋转，以使打印头的原始分辨率适应所需的打印分辨率。使用此处描述的方法，可实现所需的打印分辨率。

如前所述，这种方法可能具有另一个问题，其解决方案在下面和图17中示出。

通过高分辨率打印头来校正Y方向上的像素位置，使用横向分辨率。横向分辨率是例如1200dpi，并且当以2400dpi(两次通过)打印时，点之间的距离a是10.58333333μm。显示器的TFT像素设计具有170μm(像素到像素)的精确尺寸。效果是打印头的横向分辨率不能被像素尺寸的分辨率整除。

例如，Y方向上的16个点导致16×10.58333333μm＝169.33333333，其余量为0.6666666μm。这是一个很小的偏移，对于TFT像素是可以接受的。然而，所有15个TFT像素通过加法使余量增加～10μm。因此，彩色子像素必须在15个TFT像素之后“跳跃”一个喷嘴距离(10.5μm)以进行补偿。

因为喷嘴位置是限定的(由横向分辨率给出)，所以这种“跳跃”通常沿Y方向发生并沿X方向(打印方向)均匀地分布在显示器上。结果是，对于Y方向上的所有15个TFT像素，两个相邻彩色子像素之间的间隙与所有其他间隙(～10μm)相比是不同的。在沿打印方向的整个Y位置上发现这个较大的间隙，并且每15个TFT像素重复一次。对于裸眼来说，这种系统偏移由于局部对比度差异而可见，其强度足以被视为沿着打印方向的更亮和更暗的线。光学印象(类似于莫尔效应)负面地影响显示器上的亮度的光学均匀性并且是不可接受的。

取决于真空夹紧装置上的基板放置(旋转)，这些重复线可以在显示器上的角度方向上而不是沿着打印方向的直线。这是由于先前讨论的旋转校正，该旋转校正然后覆盖分辨率补偿。

为了降低该效应，打印分辨率可以增加到4800dpi打印4行。然后每8个TFT像素产生所得的“跳跃”，然后该“跳跃”仅约5米。这降低了光学效应，但并未消除它。此外，它将处理时间增加了2倍，这在大规模生产环境中是不希望的。

更好的解决方案，也在图18中示出，是沿着打印方向在Y方向上的“跳跃”位置的随机变化。结果是系统线的中断，由此分辨率补偿的偏移对于裸眼是无法检测到的。

Claims (16)

1.通过喷墨打印而打印基板的方法，其中在基板上，结合区矩阵中指定对应于结合区类型的结合区，结合区矩阵包括结合区线和与其垂直对准的结合区行；结合区矩阵相对于打印头对准，使得结合区行基本上平行于打印方向延伸，并且执行打印头的致动，使得一个或多个打印头喷嘴的一滴或多滴液滴创建结合区内的结合点的图案，其中打印头喷嘴在基板表面上创建假想的喷嘴线，横向分辨率表示喷嘴线之间的距离，其特征在于，将横向分辨率选择为足够大以使喷嘴线之间的最小距离为小于结合区行之间的最小距离，并且通过由基板指定的多种结合区线之间的相邻结合区行的距离的变化，结合区线的结合区的位置相对于喷嘴线确定，并且因此仅根据喷嘴致动方案和相应的结合区类型致动具有与结合区相交的喷嘴线的打印头喷嘴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选择在打印头喷嘴线中具有多个打印喷嘴的打印头来增加横向分辨率，所述打印头喷嘴的距离小于结合区行之间的最小距离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过选择打印头来增加横向分辨率，其中至少一个第二打印头喷嘴线相对于第一打印头喷嘴线横向于打印方向偏移地布置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过打印头相对于打印方向的旋转来增加横向分辨率，使得其打印头喷嘴线相对于打印方向形成>0°和<90°之间的角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过打印头相对于基板的n次横向移动来增加横向分辨率，其中打印头在每次通过时横向于打印方向移位。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，打印头随着每次通过移位量

其中i＝0、1、2、3…，a为在喷嘴线之间彼此的最小的距离，n为使打印头相对于基板在基板上横向经过的次数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合点的位置在其结合区内随机化。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一个以上喷嘴打印单个结合区中的结合点的图案。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的数量为多个。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从结合区到结合区的结合点的图案被一个或多个步骤随机地移位。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷嘴的致动对于相应的结合区随机地或伪随机地进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过具有不同液滴体积的喷嘴的组合来选择结合点的图案，使得沉积在结合区中的油墨量的偏差不超过10％。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对结合区中的液滴进行计量，使得由于相对运动而经过相应结合区的那些喷嘴将限定数量的液滴提供给结合区内的一个或更多个结合点。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，指定喷嘴致动方案或结合区类型中的液滴数量。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过扫描基板上的对准标记而确定结合区的位置，将它们的实际位置与非变形基板的目标位置进行比较，由此确定基板内超过线性位置偏差的变形以及基板的角度偏差，并且借助于数学模型根据基板的变形计算结合区的位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，结合区用作对准标记。

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