CN1955000B - 一种使用喷墨打印制造平板显示器的方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于喷墨打印装置的传感器设备。该传感器设备可以包括：1)至少一个打印头，其适于将墨水沉积在衬底的顶表面上，其中所述衬底相对于所述打印头运动；2)至少一个传感器，其适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及3)控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整沉积在所述衬底上的墨水的轨迹。还提供了其他许多方面。

Description

一种使用喷墨打印制造平板显示器的方法、设备和系统
技术领域
本发明的实施例大体涉及诸如用于平板显示器处理设备(例如，LCD、OLED、以及其他类型的平板显示器)、半导体晶元处理、及太阳电池板处理等的设备及方法的衬底处理设备及方法。
背景技术
平板显示器工业一直以来都试图使用喷墨打印以制造显示装置，具体而言，制造玻璃或其他衬底上的彩色过滤器。现有设备及方法的实施例包括在可能不完善的运动衬底上精确并准确地喷射墨水或其他材料同时保持较高的生产率。因此，采用了各种方法及设备以有效并可靠地实现墨水在不完善衬底上的精确沉积。
发明内容
一方面，本发明提供了一种设备，其包括：1)至少一个打印头，其适于将墨水沉积在衬底的顶表面上，其中所述衬底相对于所述打印头运动；2)至少一个传感器，其适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及3)控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整沉积在所述衬底上的墨水的轨迹。
另一方面，本发明提供了一种设备，其包括：至少一个打印头，其适于将墨水沉积在衬底的顶表面上，其中所述衬底相对于所述打印头运动；至少一个传感器，其适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整打印参数。
另一方面，本发明提供了一种喷墨打印方法，其包括：感应从传感器到衬底的间距；基于所感应到的从所述传感器到所述衬底的间距，确定从一个或多个喷墨打印头到所述衬底的间距；并基于所确定的从调整所述一个或多个喷墨打印头到所述衬底的间距，调整打印参数。
另一方面，本发明提供了一种用于喷墨打印的系统，其包括：打印桥；至少一个打印头，其连接至所述打印桥，并适于将墨水沉积在衬底的顶表面上；载物台，其布置在所述打印桥以及所述至少一个打印头之下，并适于使所述衬底相对于所述至少一个打印头移动；至少一个传感器，其连接至所述打印桥，并适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整打印参数。
通过以下详细描述、所附权利要求及附图，本发明的其他特征及方面将变得更清楚。
本申请要求主张于2005年9月29日申请的发明名称为“METHODSAND APPARATUS FOR INKJET PRINTING COLOR FILTERS FORDISPLAY PANELS”的美国临时专利申请60/721,741的优先权，这里通过引用其整体而将其包含在本文中。
本申请相关于2004年12月22日申请的发明名称为“METHODSAND APARATUS FOR ALIGNING PRINT HEADS”的美国专利申请11/019,930，这里通过引用其整体而将其包含在本文中。
附图说明
图1A示出了根据本发明的喷墨打印系统的实施例的前视立体图。
图1B示出了根据本发明的喷墨打印系统的实施例的侧视图。
图2描绘了在本发明的示例性实施例中的喷墨打印头的放大立体图。
图3描绘了在本发明的替代示例性实施例中的喷墨打印头的放大立体图。
具体实施方式
本发明提供了利用喷墨打印组件以将墨滴精确定位在衬底上的系统及方法。衬底的速度可能足够大而使得衬底的不完善会影响喷墨打印的精确性。衬底中的不完善可能包括诸如衬底的厚度及平面度的改变的各种情况。因为墨水可能会沉积在其中及/或其上的象素特征(例如，象素井等)可能会特别小而不完善相对较大，故喷墨打印处理会带来缺陷的可能性会很大。
根据本发明，可以在喷墨打印系统中设置能够检测衬底及/或喷墨打印组件中的改变并控制喷墨处理以确保沉积在衬底上的墨水的位置准确性的检测系统。沉积在衬底上的墨水的位置不精确性可能由衬底的不完善(例如，皱纹、翘曲、高地、谷底等)及喷墨打印系统中的机械不完善等导致。本发明的传感器系统可以包括能够对衬底及/或喷墨打印系统中的不完善进行检测的传感器系统。在一些实施例中，传感器系统可能能够向喷墨打印机的控制器提供信息以允许控制器通过改变诸如墨滴尺寸、墨滴沉积速度、墨滴沉积时机、喷墨喷嘴/打印头位移及/或对准、喷墨打印系统载物台运动的特性及/或其他性能特性来补偿这些位置不精确性。
在相同或其他实施例中，所述设备还可包括一个或多个带有喷嘴的喷墨打印头。可以利用距离传感器(例如，间距传感器等)来确定从喷嘴到衬底的顶表面及/或衬底上的其他点(例如，象素或子象素井的底部)的间距。例如，该传感器测量的间距可以传输至会分析数据的控制器(例如，运行算法等的计算机)。利用所分析的数据，该控制器可以调整从喷墨打印头进行墨水沉积的时机。墨水沉积的时机可以由控制器调整以确保墨水可落入任意合适的象素井或子象素井中。
图1A及1B分别说明了本发明的喷墨打印系统100(其由参考标号100总体表示)的实施例的前视立体图及侧视图。在示例性实施例中，本发明的喷墨打印系统100可以包括打印桥102。打印桥102可以布置在载物台104之上并/或与载物台104连接。载物台104可支撑衬底106。打印头108、110、112可以支撑在打印桥102上。打印桥102还可以支撑成像系统114。传感器116也可支撑在打印桥102上。打印头108-112、成像系统114、及/或传感器116可以(例如，逻辑地及/或电学地)连接至系统控制器120。
在图1A及1B的示例性实施例中，打印桥102可以以有利于喷墨打印的方式被支撑在载物台104之上。打印桥102及/或载物台104每个都可独立的在由图1A及1B中的Y方向箭头及在图1A中的X方向箭头所表示的正及负X及Y方向上移动。在相同或替代实施例中，打印桥102及/或载物台104可旋转。打印桥102能够支撑并移动任意数量的打印头108-112及/或传感器(例如，多个成像系统114、多个传感器116等)。在某些实施例中，衬底106可能布置在可移动载物台104之上或连接至可移动载物台104。
尽管在图1A及1B中示出在打印桥102上存在三个打印头108-112，但需要注意的是任意数量的打印头(例如，1、2、4、5、6、7...个打印头)都可以安装在打印桥102上并/或与打印桥102结合使用。打印头108-112每个都能够分配单一颜色的墨水，或者在一些实施例中能够分配多种颜色的墨水。喷墨打印头108-112可以在垂直和水平方向上移动并/或对准由此以实现精确的喷墨滴布置。喷墨打印头的移动及/或对准可自动及/或手动进行。此外，尽管喷墨打印头108-112的定向被描绘为以大体竖直方式定向，但也可以采用其他定向及/或定位。打印桥102也可移动及/或可旋转以为精确喷墨打印来布置打印头108-112。在操作时，喷墨打印头108-112可以(例如从喷嘴)以滴状(例如，液滴、喷雾、微粒等)方式分配墨水。
成像系统114可以朝向衬底106对准并能够捕获衬底106的静止及/或运动图像。用在喷墨打印系统中的示例性成像系统在2004年12月22日申请的发明名称为“METHODS AND APARATUS FOR ALIGNING PRINTHEADS”的美国专利申请11/019,930中进行了描述，这里通过引用其整体而将其包含在本文中。类似的，成像系统114可以包括一个或多个高分辨率数码线扫描摄像机、基于CCD的摄像机、及/或任何其他合适的摄像机。
依然参考图1A及1B，尽管示出在打印桥102上存在单一传感器116，但可以有多个传感器连接至打印桥102。传感器116可以以多种不同的方式连接至打印桥102。例如，多个传感器116可以直接地及/或经由喷墨打印头108-112及/或成像系统114而连接至打印桥102。多个传感器116可以沿打印桥102布置在不同位置。在一些实施例中，传感器116可以布置接近打印头108-112，由此布置在喷墨打印头108-112与打印桥102之间的间隙中。此外，尽管描绘的传感器116以大体竖直方式定向，但也可以采用其他合适的定向及/或定位。
传感器116能够检测从喷墨打印头108-112到衬底106的距离(例如，间距等)。传感器116还能够确定衬底106的高度(例如，厚度等)。此外，可以采用传感器116以检测从传感器116及/或打印头108-112的一个或多个喷嘴到载物台104的表面及/或衬底106(例如，衬底的顶部、象素井的底部等)的间距。传感器116可以是能够完成这些功能或其他有关功能的任何合适的传感器。
在说明性实施例中，可以采用激光传感器。激光传感器可以以较高的取样率及精确性测量衬底106及/或载物台104的厚度及/或高度。类似的，激光传感器可以测量任何其他高度，诸如从衬底的底面到象素或子象素井的底部的间距。
适合用作位移计量器/传感器116的可商购传感器的示例包括由新加坡Omron Electronics Pte.Ltd.公司所制造的ZS-Series Smart Sensor(2D CMOS激光型)以及由日本大阪Keyence Corp.公司所制造的LC-series激光位移计量器。在替换实施例中，传感器116可以是另一种类型传感器或计量器，例如超声波距离传感器。需要理解的是，可以使用任何合适的测量高度(例如，竖直位移)及/或跨距的装置。
打印桥102、载物台104、喷墨打印头108-112及/或传感器116可以(例如，以数字方式、电学方式等)连接至系统控制器120。在喷墨打印操作中，系统控制器120可适于控制打印桥102、载物台104、喷墨打印头108-112及/或传感器116的运动。系统控制器120还可以控制喷墨打印头108-112的启动脉冲信号并/或完成其他关联于喷墨打印的控制功能。系统控制器120可以是诸如一个或多个微处理器、微控制器、专用硬件、及其结合等任何合适的结构，并如这里所述可以被设置并利用(例如，编程)来控制喷墨打印系统100的操作。
图2描绘了在本发明的打印系统200的示例性实施例中的喷墨打印头108、110及112的放大立体图。喷墨打印头108-112可以连接至打印桥102。打印桥102可布置在载物台104及衬底106之上。衬底106可布置在载物台104的上表面上。传感器116可以布置得与喷墨打印头108-112非常接近。喷墨打印头108-112、打印桥102、载物台104及/或传感器116可以与系统控制器120通信。尽管在一些实施例中传感器116被描绘为在打印方向Y上位于打印头108、110及112后方，但传感器116也可以其他位置及定向布置。例如，在打印方向Y上，传感器116可额外地或替代地位于打印头108-112的前方及/或附近。在一些实施例中，传感器116可以倾斜以检测打印头108-112正下方的间距或高度。
在图2所示的实施例中，衬底106及/或载物台104在形状上可能不完善。例如，衬底106及/或载物台104两者可能形成有波状起伏从而影响衬底106的顶表面的平面度。此外，打印桥102可能不是理想地平整，使得当打印头108-112沿打印桥102移动时打印头108-112与衬底106之间的间距可能会改变。类似的，载物台104在其上移动的轨道(未示出)可能不是理想地平整，使得当载物台104移动时打印头108-112与衬底106之间的间距可能会改变。
依然参考图2，在根据示例性实施例进行喷墨打印处理期间，墨滴可从喷墨打印头108-112沉积至衬底106上。在喷墨打印处理期间，打印桥102及/或载物台104可能会运动。因此，当墨滴经过喷墨打印头108-112的喷嘴与衬底106的顶表面之间的间距时，墨滴的最终位置202可能会受到衬底106顶表面不完善的影响。为了处理衬底106的顶表面的不完善，系统控制器120可利用由传感器116、喷墨打印头108-112、打印桥102及/或载物台104提供的信息来调整从喷墨打印头110喷出的墨滴的轨迹(例如，墨滴沉积/喷出的时机、墨滴的速度及墨滴的轨道等)及/或尺寸(例如，体积、形状、分布及尾迹等)。因此，墨滴位置202可被布置在正确的位置(例如，象素井及顶表面上的座标等)，由此在打印处理期间不会造成彩色过滤器的缺陷。在一些实施例中，当基于间距信息调整时机时，着陆点间距的改变可通过以下示例性等式来确定：
dD＝Vs*dH/Vd
其中dD表示着陆点间距的改变、Vs表示载物台速度、dH表示衬底高度间距的改变、而Vd表示墨滴速度。
在一些实施例中，可以在一个或多个初始打印通过期间存储衬底的外形图或轮廓，然后在随后的打印通过中利用外形图。例如，在打印通过期间，系统控制器120可利用由传感器116、喷墨打印头108-112、打印桥102及/或载物台104提供的信息来建立表示衬底表面在不同点处的相对高度的数据库。例如在下一次打印通过中，系统控制器120可以基于数据库中的信息对打印头108-112的高度进行调整。该信息可与来自传感器116的新信息一同使用或替代来自传感器116的新信息使用。在一些实施例中，可仅对载物台形成外形图并用于不同的衬底。
现参考图3，在一些实施例中，本发明的打印系统300可以包括利用可调整安装系统安装在打印桥102上的打印头108、110及112。可调整安装系统对应于每个打印头108-112可以具有一个或多个致动器302，由此允许在打印期间对打印头108、110及112在衬底106的表面之上的高度进行单独的独立调整。在一些实施例中，不管衬底的厚底或平面度如何改变，都可以通过可调整安装系统在打印期间将打印头108-112在衬底106的顶表面之上的高度维持为恒定间距。例如，可调整安装系统可以直接连接至传感器116(并/或通过系统控制器120间接连接，见图1A及1B)以接收传感器到衬底的顶表面间距信息作为反馈信号。可调整安装系统可利用该反馈信号来调整打印头108-112的高度以保持打印头108-112在打印期间距离衬底106的顶表面间距恒定。换言之，如果一个打印头112接近衬底106中比此前打印的区域以及其他打印头108、110下方的区域都高的区域，则传感器116可向可调整安装系统致动器302(及/或系统控制器120)发出反馈信号，使得可调整安装系统致动器302提升打印头112，提升量大体等于衬底106的较高区域升高的量(同时保持其他打印头108、110的高度)。因此，通过动态调整打印头108、110及112的高度以跟随衬底106的外形，可以保持一致的打印高度。
在相同或其他实施例中，打印头108-112、打印桥102、传感器116、控制器120、及致动器302可协同使用以调整喷墨时机及/或微调墨滴位置。即，如果(例如，通过传感器116及/或成像系统114(图1A))确定一个打印头(例如，打印头112)分配的墨滴与其他打印头(例如，打印头108及110)分配的墨滴的尺寸及/或速度不同，并/或确定需要对墨滴进行其他控制，则可以通过致动器302来调整打印头112的高度以使得打印头112以与打印头108及110大体相同的方式分配墨水。例如，如果打印头112早于打印头108及110喷射并接近衬底106中比此前打印的区域以及其他打印头108、110下方的区域都高的区域，则传感器116可向可调整安装系统致动器302(及/或系统控制器120)发出反馈信号，使得可调整安装系统致动器302提升打印头112，提升量大体等于衬底106的较高区域升高的量(同时保持其他打印头108、110的高度)。以此方式，打印头108-110可以移动以使得从一些或全部打印头108-110分配的墨滴在相同时间或以任何有利于喷墨打印的合适间隔到达衬底106。因此，通过动态调整打印头108、110及112的高度以跟随衬底106的外形，可以保持一致的打印参数(例如，高度、墨滴时机及墨滴尺寸等)。
在一些实施例中，可利用马达、气动滑块、液压活塞及/或压电器件作为致动器302。此外，除了对应于每个打印头108、110及112的各个独立致动器302之外，还可以使用致动器304以利用额外支架306来同时调整全部打印头108、110及112的高度。在一些实施例中，可以对每个打印头108-112使用超过一个致动器302。例如，一个致动器302可被布置在各个打印头108、110及112的任意端部以允许对打印头进行进一步的调整/倾斜，以保持喷嘴到衬底的间距。在图3中，可调整安装系统包括致动器302及304以及支架306。在其他实施例中，打印头108-112可以附装至打印桥102，该打印桥102仅有致动器302而没有致动器304或支架306。在该实施例中，可调整安装系统可仅包括致动器302。
上述描述仅揭示了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员可以容易地想到对上述揭示的设备及方法的改变，这些改变依然落在本发明的范围内。例如，可以采用将径向座标打印桥及超声波传感器结合使用的喷墨打印系统。此外，本发明还可以被应用于间隔器成形(spacerformation)、偏光器涂覆及纳米级微粒电路成形。
因此，虽然已经结合其示例性实施例揭示了本发明，但需要理解的是其他实施例也可以落入由所附权利要求界定的本发明的实质及范围内。

Claims (25)

1.一种用于制造平板显示器的设备，包括：
至少一个打印头，其适于将墨水沉积在衬底的顶表面上的象素井中，其中所述衬底相对于所述打印头运动；
至少一个传感器，其适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及
控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整打印参数。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个传感器还适于检测所述衬底的厚度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个传感器是激光传感器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个传感器是超声波间距传感器。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：
一个或多个致动器，其连接至所述一个或多个打印头，并适于调整所述衬底到喷嘴间距。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印参数是墨滴的轨迹。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印参数是墨滴的速度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印参数是墨滴的尺寸。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印参数是位于所述衬底的所述顶表面上的座标。
10.根据权利要求1或5所述的设备，其中所述打印参数是所述衬底到喷嘴间距。
11.一种用于使用喷墨打印制造平板显示器的方法，包括：
感应从传感器到衬底的间距；
基于所感应到的从所述传感器到所述衬底的间距，确定从一个或多个喷墨打印头到所述衬底的间距；并
基于所确定的从所述一个或多个喷墨打印头到所述衬底的间距，调整打印参数；并
基于调整过的打印参数将墨水沉积在衬底上的象素井中。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过所述传感器来检测所述衬底的厚度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个传感器是激光传感器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个传感器是超声波间距传感器。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过连接至所述一个或多个打印头的一个或多个致动器调整所述一个或多个打印头。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述打印参数是墨滴的轨迹。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述打印参数是墨滴的速度。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述打印参数是墨滴的尺寸。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述打印参数是位于所述衬底的所述顶表面上的座标。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述打印参数是衬底到喷嘴间距。
21.根据权利要求11所述的方法，还包括存储所述衬底的外形图。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括基于所述外形图调整所述一个或多个打印头。
23.一种用于使用喷墨打印制造平板显示器的系统，包括：
打印桥；
至少一个打印头，其连接至所述打印桥，并适于将墨水沉积在衬底的顶表面上的象素井中；
载物台，其布置在所述打印桥以及所述至少一个打印头之下，并适于使所述衬底相对于所述至少一个打印头移动；
至少一个传感器，其连接至所述打印桥，并适于检测从所述衬底的所述顶表面到所述至少一个传感器的间距；及
控制器，其适于基于从所述传感器到所述衬底的所述顶表面的所述间距来确定衬底到喷嘴间距，并适于基于所述衬底到喷嘴间距来调整打印参数。
24.根据权利要求23所述的系统，还包括：
可调整安装系统，其包括连接至所述一个或多个打印头的一个或多个致动器，并适于调整所述衬底到喷嘴间距。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述可调整安装系统还包括：
支架致动器，其连接至所述打印桥；
支架，其连接至所述支架致动器，并连接至被连接到所述一个或多个打印头的所述一个或多个致动器，其中所述支架致动器适于调整衬底到支架间距，且连接至所述一个或多个打印头的所述一个或多个致动器适于调整所述一个或多个打印头中每一个的所述衬底到喷嘴间距。
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