DE102014010643A1

DE102014010643A1 - Tintenstrahldruckverfahren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102014010643A1
Application number: DE102014010643.8A
Authority: DE
Inventors: Alexey Yakushenko; Bernd Bachmann; Bernhard Wolfrum
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21
Also published as: JP2017527433A; EP3169523A1; US20180207934A1; EP3169523B1; CN106715128A; WO2016008464A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tintenstrahldruckverfahren, bei dem ein Druckkopf eines Tintenstrahldruckers in Richtung eines zu bedruckenden Substrats ausgerichtet ist und bei dem Tintentropfen im Druckkopf des Tintenstrahldruckers erzeugt werden, welche nach dem Austritt aus der Düse des Druckkopfs in eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur geleitet werden, so dass das Volumen der Tropfen während der Flugphase zum Substrat aktiv verringert wird. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist offenbart.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tintenstrahldruckverfahren sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Während des Tintenstrahldruckens (ink-jet) werden üblicherweise einzelne Tropfen Tinte in einer Düse des Druckkopfes erzeugt. 1a zeigt den diesbezüglichen Stand der Technik.
Die Tropfen werden entweder durch einen thermischen Prozess mit einer Luftblase erzeugt (Thermal Ink-Jet) oder mittels eines Druckpulses, der durch entweder einen Piezo-Kristall (Piezo Ink-Jet) oder elektrostatisch erzeugt wird (Super-Fine Ink-jet^®).
Man unterscheidet CIJ-Drucker (engl. Continuous Ink Jet) von DOD-Druckern (engl. Drop an Demand). Beim CIJ-Druck tritt der Tintenstrahl über eine Düse aus dem Druckkopf aus. Dieser Strahl wird über einen piezoelektrischen Wandler, der sich hinter der Düse befindet, moduliert, so dass ein gleichmäßiger Zerfall in einzelne Tropfen erreicht wird. Über eine Ladeelektrode werden die so gebildeten Tropfen nun mehr oder weniger stark elektrostatisch aufgeladen. Die 10 bis 40 m/s schnellen Tropfen durchfliegen anschließend eine größere Ablenkelektrode, wo sie – abhängig von ihrer spezifischen elektrischen Ladung – seitlich abgelenkt werden. Je nach Gerätetyp gelangen die geladenen oder die ungeladenen Tropfen auf das Substrat. Nicht benötigte Tropfen werden bereits am Druckkopf wieder aufgefangen und erneut dem Tintenkreislauf zugeführt. Im DoD-Verfahren verlässt im Gegensatz zu CIJ-Druckern nur der Tintentropfen die Düse, der tatsächlich gebraucht wird. Die Geräte werden zusätzlich danach unterschieden, mit welcher Technik die Tintentropfen ausgestoßen werden. a) Bubble-Jet-Drucker erzeugen winzige Tintentropfen mit Hilfe eines Heizelements, welches das Wasser oder Lösungsmittel in der Tinte erhitzt. Dabei bildet sich explosionsartig eine winzige Dampfblase, die durch ihren Druck einen Tintentropfen aus der Düse presst. b) Piezo-Drucker nutzen den Piezoelektrischen Effekt zum Pressen der Drucktinte durch eine feine Düse, wobei sich Keramikelemente unter elektrischer Spannung verformen. Die Tinte bildet Tropfen, deren Volumen sich über die Größe des angelegten elektrischen Impulses steuern lässt. c) Bei Druckventil-Druckern sind einzelne Ventile an den Düsen angebracht, die sich öffnen, wenn ein Tropfen die Düse verlassen soll.
In jedem Fall tritt der Tropfen aus der Düse, wird gejettet, und landet auf einem Substrat. Mehrere ausgejettete Tropfen, die auf dem Substrat landen, formen die gedruckte Struktur.
Die Auflösung der gedruckten Struktur wird durch die Größe einzelner Tropfen und dem Abstand zwischen einzelnen Tropfen definiert. Generell gilt, je kleiner ein einzelner Tropfen ist, desto größer ist die Auflösung beim Druck. Daher ist ein Bestreben kleinere Tropfen zu erzeugen.
In der Regel wird die Größe des Tropfens bei der Formation in der Düse beeinflusst. Verwendet man im Druckkopf beispielweise Düsen mit einem kleinen Durchmesser, so werden kleinere Tropfen erzeugt, als beim Druck mit größeren Düsen im Druckkopf. Bei einem Piezo-Druckkopf spielen die applizierte Spannungsform und die Zeit, bzw. die Temperatur des Druckkopfs und die Tinte selbst eine große Rolle. Durch die Modifizierung der Spannungsform und der Temperatur kann die Größe des Tropfens signifikant reduziert werden, wie aus Meier et al., (Phys. Status Solidi A (2009). Inkjet printed, conductive, 25 μm wide silver tracks on unstructured polyimide. Vol. 206, 1626–1630) bekannt ist.
Zusätzlich ist die Interaktion zwischen dem Tropfen und dem Substrat von großer Bedeutung. Wird beispielweise eine hydrophobe Tinte gedruckt, kann die hydrophile Modifizierung des Substrates zu einer signifikanten Reduktion in der Tropfengröße auf dem Substrat führen. Das erlaubt eine dichtere Platzierung der Tropfen, verbunden mit einer größeren Auflösung.
Aus der Veröffentlichung von Perelaer et al. (Macromolecular Chemistry and Physics (2009). Droplet tailoring using evaporative inkjet printing. Vol. 210, 387–393) ist bekannt, dass durch einen größeren Abstand zwischen dem Druckkopf (bzw. den Düsen) und dem Substrat, eine teilweise Verdampfung des Tintenlösungsmittels erfolgt, wodurch die Tropfen entsprechend kleiner werden. Das Verfahren berücksichtigt dabei neben dem Abstand auch die Zusammensetzung der Tinte. Nachteilig wird durch den größeren Abstand eine Streuung von einzelnen Tropfen erzeugt, wodurch Fehler bei der Platzierung einzelner Tropfen auftreten. Dies verringert die Auflösung der gedruckten Struktur.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2013/166219 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein Im-Flug-Trocknen von Tintentropfen erlaubt. Hierfür wird zwischen dem Druckkopf und dem zu bedruckenden Substrat eine Umgebung verschieden temperierter Zonen erzeugt. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl an Strukturen, wie Abstandhalter, die ein Hitzeschild vom Druckkopf trennen, weitere Abstandhalter, die den Hitzeschild von einem Kondensationsschild trennen sowie Energiequellen am Kondensationsschild. Die Temperatur am Druckkopf soll niedrig und zwischen Hitzeschild und Kondensationsschild sowie Kondensationsschild und Substrat hoch sein, damit vom Substrat aufsteigende Dämpfe nicht an den Druckkopf gelangen. Während des Vorgangs wird das Kondensationsschild auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Trägerflüssigkeit der Tinte erhitzt um die Kondensation der Dämpfe zu verhindern. Diese Anordnung ist nachteilig komplex aufgebaut.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2010/134072 A1 ist ein Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker bekannt, der in Richtung des Substrats mit einem Hitzeschild versehen wird, um den Transfer von Hitze zwischen einem aufgeheiztem Substrat und dem Druckkopf zu vermeiden. Auch diese Anordnung dient dazu einen Korrosionsschutz des Druckkopfs herbei zu führen, indem aufsteigende Dämpfe und Hitze von diesem ferngehalten werden.
Nachteilig ist es nicht möglich, mit irgendeinem der Verfahren oder bezeichneten Vorrichtungen zu einer signifikanten Verringerung des Tropfenvolumens zu gelangen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben bzw. bereit zu stellen, mit der eine signifikante Verkleinerung des Tropfenvolumens und damit eine höhere Auflösung beim Tintenstrahldruck erzielt werden kann.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst nach dem Verfahren und der Anordnung nach Patentanspruch 1 bzw. Anordnungen nach den Nebenansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Beschreibung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckverfahren ist ein Druckkopf eines Tintenstrahldruckers in Richtung eines zu bedruckenden Substrats ausgerichtet. Tintentropfen werden im Druckkopf des Tintenstrahldruckers erzeugt. Die Tropfen werden nach ihrem Austritt aus der Düse des Druckkopfs in eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur geleitet, so dass das Volumen der Tropfen während der Flugphase zum Substrat aktiv verringert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung erlauben die Verkleinerung von einzelnen Tropfen beim Tintenstrahldruckverfahren 'im Flug'. Die Verkleinerung folgt über das lokale schnelle Erhitzen des Tropfens und die damit erhöhte Evaporationsrate, welche in kurzer Zeit eine signifikante Tropfenvolumenverkleinerung verursacht. Die Erwärmung wird durch die lokale Zufuhr von Energie zu dem Tropfen realisiert. Die Energiezufuhr kann z. B. durch die Interaktion des Tropfens mit Licht oder mit mindestens einem Heizdraht erfolgen.
Das Licht wie auch der oder die Heizdrähte erzeugen erfindungsgemäß im Strahlgang eines Tintenstrahldruckers eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur. Die Tropfen passieren erfindungsgemäß nach ihrem Austritt aus der Düse des Druckkopfs zunächst eine erste kalte Zone, sodann die Zone mit lokal erhöhter Temperatur und anschließend eine zweite kalte Zone, bevor sie auf das Substrat aufprallen. Der Druckkopf und das Substrat sind erfindungsgemäß nicht im Einfluss der Zone mit lokal erhöhter Temperatur. Daher erfolgt erfindungsgemäß mit dem Verfahren wie auch mit der Anordnung und der damit erzeugten Zone mit lokal erhöhter Temperatur eine lokal begrenzte Energiezufuhr zum Tropfen. Diese führt zu einer aktiven Volumenverkleinerung des Tropfens und damit zu einer Verbesserung der Auflösung im Druckverfahren.
Ein Tintentropfen kann z. B. durch ein kleines leitendes Gitter mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten, durch das Strom geleitet wird und dadurch eine lokale Temperaturerhöhung erzeugt wird, hindurchgeleitet werden. Es können also ein oder mehrere Heizdrähte verwendet werden, die die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen. Der oder die Heizdrähte werden von den hindurchtretenden Tropfen selbstverständlich nicht berührt.
Alternativ dazu oder in Kombination mit dem Gitter kann auch Licht mit einer geeigneten Wellenlänge auf den Tropfen gestrahlt werden, nachdem der Tropfen aus der Düse des Druckkopfs hinaus gejettet worden ist. Durch die Absorption der optischen oder der thermischen Energie durch die Tintenbestandteile des Tropfens, wird die Flüssigkeit innerhalb des Tropfens erhitzt und teilweise oder größtenteils verdampft. Die Evaporation ist dadurch aktiv erhöht. Dies führt zu der gewünschten Verkleinerung des Tropfenvolumens im Vergleich zu dem Volumen des Tropfens beim Ausgang aus der Druckkopfdüse. Auch andere Eigenschaften des Tropfens wie seine Form, seine Geschwindigkeit, die Viskosität, die Oberflächenspannung und/oder die Dichte können gezielt durch das aktive Verdampfen verändert werden.
Ziel der Energiezufuhr, wie z. B. durch optische oder thermische Verfahren realisiert, ist die Volumenverkleinerung und damit im Resultat ein kleinerer Tintentropfen als Druck (Pixel) auf dem Substrat. Dies erlaubt die gewünschte höhere Auflösung der durch das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren erzeugten Strukturen.
Durch das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren wird vorteilhaft eine signifikante Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens 10%, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, bzw. 19% bewirkt. Ein Tropfen mit beispielweise 1 pL Volumen hat nach dem Durchgang durch die Zone mit lokal erhöhter Temperatur dann höchstens noch ein Volumen von etwa 900 fL.
Mit dem erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckverfahren wird besonders vorteilhaft eine Verringerung des Volumens des Tropfens um mindestens 20%, besonders bevorzugt um mindestens 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, weiterhin bevorzugt um mindestens 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 oder sogar 99% oder eines beliebigen Zwischenwertes bewirkt.
Dadurch wird mit dem vorgestellten Tintenstrahldruckverfahren vorteilhaft eine Erhöhung der Auflösung um mindestens 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder sogar mindestens 10%, besonders bevorzugt um mindestens 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, weiterhin bevorzugt um mindestens 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 99,1, 99,2, 99,3, 99,4, 99,5, 99,6, 99,7, 99,8, 99,9 oder sogar 99,99%, oder aber eines beliebigen Zwischenwertes hiervon, bewirkt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Lichtquelle mit bestimmter Wellenlänge, Strahleigenschaften wie Durchmesser, Form, Leistung, gepulst oder kontinuierlich, verwendet. Die Lichtquelle wird derartig platziert, dass der Lichtstrahl lokal zwischen dem Druckkopf (thermische, Piezo-basierte Druckkopf, bzw., super-fine inkjet^® und Aerosol-Jet^® Druckkopf) eines Tintenstrahldruckers und dem Substrat strahlt. Dazu kann man die Lichtquelle vorteilhaft direkt neben dem Druckkopf platzieren oder das Licht mit einem Strahlleiter, z. B. einer optischen Faser, bzw. über Umlenkspiegel zum Druckkopf führen. Diese Druckköpfe können selbstverständlich auch mit dem erfindungsgemäßen Gitter mit Heizdraht oder Heizdrähten als Aufsatz verwendet werden.
Alternativ kann man einen Druckkopf einrichten, bei dem die Lichtquelle und/oder der Lichtleiter in dem Druckkopf integriert sind, so dass das Licht in den Raum zwischen dem Druckkopf und dem Substrat lokal strahlt. Die Lichtquelle kann nur einen Strahl oder mehrere Strahlen erzeugen, z. B. durch Splitten des Strahles einer Lichtquelle in mehrere mit optischen Fasern oder durch Benutzung von zwei oder mehreren Lichtquellen mit gleichen oder unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass Tropfen aus mehreren Düsen gleichzeitig oder die Tropfen aus einer Düse mit verschiedenen Farben zu bestrahlen sind.
Eine Lichtquelle als erste Alternative soll einen genügend großen Strahl erzeugen, so dass der Tropfen, der aus der Düse austritt, eine ausreichende Kontaktfläche mit dem Lichtstrahl und dadurch eine ausreichende Kontaktzeit mit dem Lichtstrahl hat. Der Strahl weist keinen Kontakt mit dem Druckkopf und dem Substrat auf, damit die Druckeigenschaften der Tinte nicht vor der Flugphase beeinflusst werden, bzw. auch keine Interaktion mit den gedruckten Strukturen entsteht.
Besonders vorteilhaft wird kollimiertes Licht einer kohärenten Lichtquelle verwendet. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Durchmesser des Lichtstrahls konstant über längere Abstände gehalten werden kann und nicht divergiert. Wenn längere Interaktionszeiten zwischen dem Tropfen und dem Strahl erwünscht sind, kann alternativ eine divergierende Lichtquelle benutzt werden, die eine größere Fläche beleuchtet und dadurch die Zeit, in der der Tropfen sich in dem beleuchteten Bereich befindet, erhöht. Dadurch wird vorteilhaft eine weitere Volumenverkleinerung des Tropfens bewirkt.
Eine Blockierung des durch den Tropfen hindurchgeleiteten Strahles kann z. B. durch Befestigung einer Strahlfalle an der der Lichtquelleaustritt vorhandenen Gegenseite des Druckkopfs realisiert werden.
Die Lichtquelle kann ein Laser sein, der gepulst oder kontinuierlich arbeitet. Eine LED oder ein anderes Licht erzeugendes System kann ebenfalls verwendet werden. Die Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen sollen so ausgewählt werden, dass deren Wellenlänge durch das Lösungsmittel oder mehrere Lösungsmittel der Drucktinte, oder den im Lösungsmittel gelösten Inhalt gut absorbiert werden.
Die Interaktionszeit zwischen dem Tropfen und dem Licht oder dem oder den Heizdrähten werden sehr kurz, weil die Geschwindigkeit des Tropfens in der Regel ziemlich hoch ist.
Normalerweise liegt die Geschwindigkeit des Tropfens im Bereich zwischen 100 m/s und 0,01 m/s. Das bedeutet, dass die Durchflugzeiten des Tropfens durch den Lichtstrahl bzw. an den Heizdrähten vorbei, d. h. die Interaktionszeiten, zwischen 1 ns bis 10 ms liegen, und dabei abhängig von der Tropfengröße und der Strahlbreite bzw. der Temperatur sind. Deswegen sollte die Lichtquelle und der oder die Heizdrähte eine genügende Leistung haben, um in den kurzen Interaktionszeiten von 1 ns bis 10 ms genug Lösungsmittel der Tinte aktiv zu evaporieren, aber andererseits auch nicht zu hoch sein, und insbesondere nicht die Temperatur des Druckkopfs oder des Substrats beeinflussen.
Die Lichtquelle und die Heizdrähte können, müssen aber nicht mit dem funktionalen Material der Tinte interagieren. Die Lichtquelle wie auch der oder die Heizdrähte können ein „im Flug-Sintern” von Metallnanopartikeln, oder ein „im Flug Cross-Linking” von einem Polymer in der Tinte bewirken.
Für unterschiedliche Tinten können unterschiedliche Systeme zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur benutzt werden.
Für wasserbasierte Tinten sind z. B. nahe dem Infrarot strahlende Lichtquellen besonders geeignet, da Wasser in diesem Wellenlängenbereich besonders gut absorbiert.
Die Zone mit lokal erhöhter Temperatur wird zwischen dem Substrat und dem Druckkopf erzeugt. Die Tintentropfen durchlaufen diese Zone, nachdem sie die Düse des Druckkopfs verlassen haben und bevor sie auf dem Substrat landen. Der Tropfen wird mittels eines Lichtstrahls und/oder durch Heizdraht oder Heizdrähte lokal erhitzt, und die Lösungsmittel innerhalb des Tropfens werden auf diese Weise aktiv zumindest teilweise oder aber vollständig verdampft bzw. evaporiert. Dies führt im Resultat immer zu einer Verkleinerung des Tropfenvolumens, oder auch zu einer Änderung anderer Tropfeneigenschaften, wie seiner Form, der Geschwindigkeit, der Viskosität, der Oberflächenspannung, der Dichte. Der resultierende, kleinere Tropfen wird auf das Substrat gedruckt.
Das Verfahren erlaubt erfindungsgemäß vorteilhaft auch eine dichtere Positionierung einzelner Tropfen zueinander, und entsprechend damit eine höhere Auflösung und kleinere minimale Strukturen.
Ein Lichtstrahl als erste Alternative zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur sollte vorteilhaft eine justierbare Leistung haben, damit die Evaporationsrate und damit die resultierende Tropfengröße reguliert werden kann. Wird alternativ ein oder mehrere Heizdrähte verwendet, so sollten diese mit Strom aus einer regulierbaren Strom- oder Spannungsquelle beaufschlagt werden.
Eine Lichtquelle sollte auch einen Schalter haben, damit nach Bedarf Licht ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Lichtstrahl sollte erfindungsgemäß auch einen Mechanismus haben, der die Position des Strahles in X-, Y- und in der Z-Richtung justieren kann. Das kann erforderlich werden, um den Strahl mit den Tropfen besser treffen zu können.
Als Alternative zu oder in Kombination mit einer oder mehrerer Lichtquellen für die lokale Erhitzung der Tropfen wird besonders vorteilhaft ein leitendes Gitter vorzugsweise aus Metall oder aus anderem leitenden Material benutzt. Das Gitter hat Öffnungen, die groß genug sind, um einzelne Tropfen durch die Zwischenräume zwischen den Heizdrähten passieren zu lassen. Ein Gitter kann auch nur einen Heizdraht umfassen. Dann passiert der Tropfen in unmittelbarer Nähe den Heizdraht und die durch diesen erzeugte Zone mit lokal erhöhter Temperatur.
Das leitende Gitter umfasst vorzugsweise zwei elektrisch leitende Platten z. B. aus einem elektrisch leitenden Metall, die beide elektrisch voneinander isoliert sind und auf einem Substrat angeordnet sind. Das Substrat dient als Hitzeschild. Zwischen den beiden Platten ist der mindestens eine Heizdraht aufgespannt und verbindet die beiden Platten miteinander. Der elektrische Widerstand im Heizdraht oder in den Heizdrähten ist dabei um mindestens eine Größenordnung also 10-fach, vorzugsweise 20-fach, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- oder 100-fach oder sogar bis zu 1000-fach oder vorzugsweise sogar bis zu 10000-fach oder irgendeines beliebigen Zwischenwertes hiervon höher als in den zuleitenden Platten. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass mit der Energiezufuhr nur der oder die Heizdrähte, nicht aber die Platten selbst erhitzt werden. Hierdurch wird die Zone mit lokal erhöhter Temperatur in unmittelbarer Umgebung des oder der Heizdrähte nicht aber in den Platten erzeugt. Je höher das Widerstandsverhältnis zwischen dem oder den Heizdrähten und den Platten ist, desto besser. Das Verhältnis wird maßgeblich beeinflusst durch die Materialien und die Geometrie der Platten und dem oder den Heizdrähten.
Wenn ein adäquater Strom durch dieses Gitter bzw. seine Heizdrähte geleitet wird, so werden der oder die Heizdrähte erwärmt und erzeugen dadurch eine lokale Temperaturerhöhung in der unmittelbaren Umgebung seines oder seiner Heizdrähte. Wenn die Tropfen entlang des oder der Heizdrähte fliegen ohne diese(n) zu berühren, werden sie durch die dort vorhandene erhöhte Temperatur erhitzt und auf diese Weise aktiv die Evaporationsrate vorzugsweise des Lösungsmittels der Tinte erhöht. Durch diese aktive Verdampfung wird im Resultat das Tropfenvolumen kleiner.
Es wird so viel Energie zugeführt, dass die Temperatur des Tropfens beim Durchlauf der Zonen mit lokal erhöhter Temperatur die Siedetemperatur des Tropfens bzw. seiner Bestandteile nicht überschreiten soll. Die Temperatur des oder der Heizdrähte bzw. im Lichtstrahl muss hoch genug sein, um in diesen kurzen Interaktions- bzw. Durchflugzeiten von nur 1 ns bis 10 ms genug Lösungsmittel der Tinte zu verdampfen. Sie darf andererseits aber nicht zu hoch sein und darf auch die Temperatur des Druckkopfs und des Substrats nicht beeinflussen.
Die Anordnung kann in diesem Sinne einen Aufsatz mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten für ein thermisches Verdampfen von vorzugsweise der Lösungsmittel der Tinte aufweisen. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch den lokalen Temperaturgradienten aufgeheizt und verdampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch die Erwärmung eines Gitters oder durch Erwärmung beispielweise zwei parallel zueinander laufender Heizdrähte oder alternativ oder in Kombination mit einer oder mehrerer Lichtquellen erzeugt.
Die Anordnung kann in diesem Sinne auch einen Aufsatz mit mindestens einer oder mehreren Lichtquellen für ein thermisches Verdampfen von vorzugsweise der Lösungsmittel der Tinte aufweisen. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch den lokalen Temperaturgradienten aufgeheizt und verdampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch die Erwärmung der Tinte im Lichtstrahl einer Lichtquelle oder alternativ oder in Kombination mit einem oder mehreren Heizdrähten erzeugt.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz für ein bestehendes Druckkopfsystem wird hierzu bereitgestellt.
Der Aufsatz für die Erzeugung des lokalen Temperaturgradienten kann zweiteilig sein. Ein erster Teil ist fest und wird an oder auf dem Druckkopf bzw. dem Druckkopfhalter befestigt. Das andere Teil wird auf dem ersten Teil starr oder reversibel befestigt, z. B. durch Kleben oder durch einen magnetischen Mechanismus.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfasst vorzugsweise:

– ein zum Substrat auszurichtendes Hitzeschild mit einer Öffnung für die Tinte,
– zwei unmittelbar am Hitzeschild angeordnete, zum Substrat auszurichtende, und mit elektrischen Zuleitungen versehene elektrisch leitende Platten, die für sich betrachtet voneinander elektrisch durch einen Zwischenraum getrennt sind,
– wobei der Zwischenraum zwischen den Platten unterhalb der Öffnung des Hitzeschildes angeordnet ist, und
– mindestens einem Heizdraht, der die beiden Platten miteinander verbindet,
– wobei die elektrischen Zuleitungen Strom über die Platten in den mindestens einen Heizdraht zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur leiten.

Der elektrische Widerstand im Heizdraht oder in den Heizdrähten kann dabei im Betrieb um mindestens eine Größenordnung also 10-fach, vorzugsweise 20-fach, 30-fach, 40-fach, 50-fach, 60-fach, 70-fach, 80-fach, 90-fach oder 100-fach oder sogar bis zu 1000-fach oder vorzugsweise sogar bis zu 10000-fach oder irgendeines beliebigen Zwischenwertes hiervon höher als in den zuleitenden Platten sein. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Zone mit lokal erhöhter Temperatur nur an dem Heizdraht nicht aber an den Platten erzeugt wird.
Der erfindungsgemäße Aufsatz für einen Druckkopfhalter umfasst somit insbesondere ein Hitzeschild. Der Hitzeschild ist aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, wie z. B. aus eloxiertem Aluminium. Der Hitzeschild weist eine kleine Öffnung für die Tintentropfen auf. Der Hitzeschild schützt den Druckkopf vorteilhaft vor erhöhter Temperatur.
Unmittelbar auf dem Hitzeschild, das heißt ohne weitere Abstandhalter zum Hitzeschild, sind zwei dünne elektrisch leitende Platten am Hitzeschild angeordnet. Die Platten sind elektrische Leiter, z. B. dünne metallische Platten oder Folien aus Stahl. Die beiden Platten können auf dem Hitzeschild aufgeklebt sein oder anders unmittelbar auf dem Hitzeschild angeordnet sein. Die beiden Platten auf dem Hitzeschild sind für sich betrachtet voneinander elektrisch isoliert. Das heißt, dass die beiden Platten einen Zwischenraum zwischen sich aufweisen, so dass sie keinen physischen Kontakt zueinander haben. Dieser Raum ist direkt gegenüber der Öffnung im Hitzeschild angeordnet, so dass die aus der Düse austretenden Tropfen den Aufsatz in Richtung des Substrats ohne eine Berührung mit dem Hitzeschild, den Platten oder den dazwischen aufgespannten Heizdrähten durchtreten.
Selbstverständlich können andere Materialien für das Hitzeschild und/oder die Platten verwendet werden. Als Material für den Hitzeschild kommen z. B. aber nicht ausschließlich Glas, Quarz und Keramiken in Betracht. Diese Materialien sind vorteilhaft gut prozessierbar und preiswert. Die Öffnung im Hitzeschild kann z. B. 0,5 mm breit sein.
Als Material für die Platten kommen neben dem erwähnten Stahl z. B. aber nicht ausschließlich auch Karbon und Kupfer sowie z. B. Indium Titan Oxid (ITO) in Betracht.
Der Fachmann kann diese Materialien frei kombinieren um den erfindungsgemäßen Aufsatz für den Druckkopf herzustellen.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar 0,5 mm dicke Stahlplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird wie beschrieben mit leitendem Silberkleber zwischen an den Stahlplatten geklebt und gebacken.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Karbonplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitender Karbonpaste an den Karbonplatten geklebt.
Beispielweise kann eine Keramik mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Kupferplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitendem Silberkleber an den Karbonplatten geklebt.
Es kann auch Glas oder Quarz mit den Verfahren der optischen Lithographie prozessiert werden. Das Glas bzw. der Quarz werden als Hitzeschild verwendet und weisen eine Öffnung von 0,5 mm auf. Zwei ITO-Platten (Indium Tin Oxide) werden 1 μm dick hierauf abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert. Zwischen den Platten werden der Heizdraht bzw. ein Gitter aus Wolfram 10 μm breit auf das Glas bzw. Quarz und zwischen die ITO-Platten abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert, so dass die beiden ITO-Platen mit den Wolframdrähten überbrückt werden.
Ein Fachmann kann weitere Abscheidungsverfahren aus der optischen Lithographie anwenden, um einen erfindungsgemäßen Aufsatz herzustellen.
Zwischen den beiden Platten ist als Verbindung entsprechend mindestens ein dünner Heizdraht angeordnet.
Der Aufsatz umfasst dann den Hitzeschild, die darauf angeordneten Platten sowie den dazwischen angeordneten Heizdraht sowie elektrische Zuleitungen an den beiden leitenden Platten, so dass diese an eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle angeschlossen werden können, der den Heizdraht erhitzt.
Es liegt kein zusätzlicher Abstand zwischen dem Hitzeschild und den leitenden Platten vor. Der Aufsatz aus Hitzeschild und Platten ist vorteilhaft also sehr dünn und kann ohne Weiteres platztechnisch zwischen einer Düse eines Druckkopfs und dem Substrat angeordnet werden. Die Anordnung aus Hitzeschild und elektrisch leitenden Platten mit Heizdrähten ist insgesamt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 mm dick. Die Befestigung des Aufsatzes am Druckkopf verbraucht ebenfalls keinen weiteren Platz in Strahlrichtung der Tinte. Dies gewährleistet ebenfalls, dass die Anordnung ohne Probleme zwischen einem Druckkopf und dem Substrat angeordnet bzw. befestigt werden kann.
Die Befestigung des erfindungsgemäßen Aufsatzes am Druckkopf erfolgt z. B. durch Ankleben, Klemmvorrichtungen oder eingefügten Schlitzen in dem Druckkopf, in die die Anordnung aus Hitzeschild und Platten hineingeschoben werden kann. Selbstverständlich soll die Art der Befestigung, die im Rahmen des Fachwissens eines Fachmanns liegt, auch auf andere Art erfolgen können, z. B. durch einen oder mehrere im Material des Druckkopfs versenkbare Magnete, sofern der Aufsatz magnetisches Material umfasst wie z. B. die erwähnten Stahlplatten. Der Aufsatz kann auch angeschraubt oder anders am Druckkopf befestigt vorliegen. Die Art der Befestigung soll keinen Einfluss auf die Dicke des Aufsatzes haben. Nach der Befestigung sind die Heizdrähte sehr nahe am Substrat angeordnet.
Ein erfindungsgemäßer zweiter Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfasst somit:

– ein zum Substrat auszurichtendes Hitzeschild mit einer Öffnung für die Tinte,
– mindestens eine Lichtquelle, die in den Strahlgang unterhalb der Öffnung des Hitzeschilds strahlt, und eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur für die Tintentropfen erzeugen.

Auch dieser Aufsatz ist entsprechend sehr dünn.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz sollte am Druckkopf so befestigt werden, dass eine Feinjustierung erfolgen kann. Die Justierung erfolgt in der Ebene, so dass die Tropfen den Lichtstrahl passieren bzw. an dem oder den Heizdrähten entlangfliegen und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur durchtreten müssen.
Es können mit den erfindungsgemäßen Aufsätzen beliebige Druckköpfe, insbesondere solche von Industriedruckern modifiziert werden.
Ein derartiger erfindungsgemäßer Aufsatz kann in einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Druckkopf mit Düse angeordnet werden, z. B. indem an dem Druckkopf kleine versenkbare Magnete angeordnet vorliegen, die die metallischen Platten des erfindungsgemäßen Aufsatzes durch den Hitzeschild hindurch anziehen und festhalten. Auch andere Arten der Befestigung sind möglich. Zu beachten ist dabei, dass das Platzangebot im Strahlgang in der Regel begrenzt ist. Die Befestigungsmittel haben hieran angepasst zu werden, das heißt sie sollten in der Richtung des Tintenstrahls keinen weiteren Platz beanspruchen.
Die Art der Befestigung ist derartig, dass der erfindungsgemäße Aufsatz nach seiner Befestigung am Druckkopf vorteilhaft auch noch in der Ebene ausgerichtet werden, so dass die Tropfen unmittelbar entlang des oder der Heizdrähte hindurch auf das Substrat gejettet werden ohne diese zu berühren, bzw. durch den Lichtstrahl fliegen. Zur Ausrichtung des Aufsatzes können Justierschrauben benutzt werden.
Die Befestigung des Aufsatzes erfolgt derartig, dass die Dicke des Aufsatzes durch die Befestigungsmittel vorteilhaft nicht erhöht wird, denn das Platzangebot zwischen dem Substrat und einem Druckkopf ist in der Regel sehr begrenzt.
Der Aufsatz kann entsprechend auch aus einem Hitzeschild und hieran angeordneten Lichtquellen bestehen, die in den Raum zwischen Druckkopf und Substrat strahlen und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen.
Ein Tropfen aus der Düse eines Druckkopfs muss den Aufsatz in Richtung des Substrats durchfliegen. Hierzu wird er nach seinem Austritt aus der Düse zunächst die Öffnung im Hitzeschild passieren und unmittelbar danach an dem Heizdraht oder den Heizdrähten vorbeifliegen oder den Lichtstrahl passieren, ohne dass er hierzu noch einen Zwischenraum zwischen dem Hitzeschild und den beiden Platten passieren muss.
Vorteilhaft ist dieser Aufsatz aus Hitzeschild und vorzugsweise metallischen Platten mit Heizdraht oder Heizdrähten bzw. Lichtquelle insgesamt sehr dünn, z. B. nur 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 oder 1 mm, oder 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 mm oder einen Zwischenwert annehmenden Wert dünn. Dies bewirkt vorteilhaft die Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur zwischen Druckkopf und Substrat, so dass im Strahlgang des Druckers eine kalte Zone am Druckkopf, sodann die Zone mit lokal erhöhter Temperatur und eine zweite kalte Zone am Substrat erzeugt werden.
Der Strahlgang im Druckkopf besteht dann aus dem Druckkopf mit Düse, dem erfindungsgemäßen Aufsatz für den Druckkopf und dem zu bedruckenden Substrat. Der Aufsatz weist in Druckrichtung bzw. Flugrichtung den Hitzeschild zum Schutz des Druckkopfs und der Düse sowie der Tinte auf. Unterhalb des Hitzeschilds sind in einer Alternative die beiden Platten, vorzugsweise Metallplatten, die den oder die Heizdrähte tragen und/oder alternativ die Mittel zur Erzeugung des Lichts angeordnet.
In dem Hitzeschild und gegebenenfalls den Platten des Aufsatzes sind deckungsgleich Öffnungen zur Passage der hindurchfliegenden Tropfen auf das Substrat angeordnet.
In der Alternative mit lediglich einem oder mehreren Heizdrähten, weist der Strahlengang des Druckers den Druckkopf mit der Düse, sowie vorzugsweise ein Hitzeschild mit Öffnung, sowie hieran in Richtung Substrats angeordnet die Platten mit dem oder den beheizbaren Heizdrähten, die die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen, auf.
Die beiden Metallplatten sind demnach miteinander durch einen oder mehrere dünne, das heißt im Durchmesser z. B. 1 μm, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101 ..., 398, 399 oder 400 μm Dicke oder einen beliebigen Zwischenwert annehmende Drähte aus metallischen Leitern wie z. B. Gold, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Karbon, Konstantan, Manganin, Chrom, Titan, oder andere metallische Verbindungen elektrisch miteinander verbunden. Die Platten sind ohne den oder die Heizdrähte elektrisch voneinander isoliert.
Durch den oder die Drähte fließt der angelegte Strom. Beispielweise kann der Strom eine Stromstärke von 1 μA, 1 mA bis 150 A oder irgendeinen beliebigen Zwischenwert aufweisen, solange er nur den Temperaturgradienten erzeugt. Der Strom erzeugt die Joul-Erwärmung des oder der Heizdrähte. Erfindungsgemäß ist der elektrische Widerstand des oder der Drähte im Vergleich zu den beiden (Metall-)platten groß, wodurch die Drähte durch den Strom viel stärker erhitzt werden, als die (Metall-)platten selbst. Auf diese Weise wird die lokale Erzeugung des Temperaturprofils erzeugt und zudem der Druckkopf und das Substrat vorteilhaft vor der Temperatur geschont.
Daher wird lediglich an und zwischen den Drähten bzw. durch die Lichtquelle ein Temperaturgradient im Bezug zu dem restlichen Raum rund um den Druckkopf erzeugt. Der Temperaturgradient zwischen zwei Drähten hängt von dem Abstand der Drähte zueinander ab. Der Abstand der Drähte wird vorzugsweise so eingerichtet, dass der Gradient am stärksten ist, und dass die Tropfen durch die Drähte fliegen können, ohne die Drähte zu berühren. Der Abstand wird z. B. zwischen 10 μm und 1 mm und am besten zwischen 50 μm bis 100 μm eingerichtet. Der Temperaturgradient oder ein hohes Temperaturfeld wird für den Durchflug von erzeugten Tropfen genutzt. Die aus der Düse des Druckkopfs ausgejetteten Tropfen werden dabei durch die Drähte auf dem Weg zum Substrat beschleunigt. Bei dem Durchflug werden die Tropfen erhitzt und die Lösungsmittel der Tinte werden teilweise bis vollständig verdampft. Durch dieses Verdampfen wird die Größe der Tropfen nach dem Durchflug im Vergleich zu der Größe vor dem Durchflug drastisch verkleinert. Dies erlaubt die Platzierung von kleineren Tropfen auf dem Substrat und dadurch die Erreichung einer höheren Auflösung bei dem Tintenstrahldruckverfahren.
In beiden vorgestellten Alternativen, das heißt Verwendung einer oder mehrerer Lichtquellen bzw. einer oder mehrerer Heizdrähte kann besonders vorteilhaft ein Abzug um den Druckkopf für die Abführung von Lösungsmitteldämpfen vorgesehen sein bzw. verwendet werden. Dieser Abzug kann z. B. als ein Aufsatz für den Druckkopf realisiert vorliegen und verwendet werden. Dazu werden entlang des Druckkopfs von beiden Seiten Abzugsröhrchen aus Metall, oder aus Kunststoff oder einem anderen für Tintenlösungsmittel inertem Material aufgebaut. Das ausgewählte Material kann auf diese Weise einen guten Korrosionsschutz für den Aufsatz gegen das Lösungsmittel erzielen. Diese Röhrchen werden mittels Schläuchen mit einer Pumpe, einem Abzug oder einem anderen Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks verbunden. Der durch den Unterdruck entstehende Luftstrom soll stark genug sein, um das verdampfte Lösungsmittel aus dem Druckbereich zu entfernen, allerdings nicht so stark sein, dass der Flugweg des gejetteten Tropfens beeinflusst würde. Der Abzug dient somit nur zur Entfernung von ausgedampftem Lösungsmittel aus dem Druckbereich und damit die nachfolgenden Tropfen, bzw. deren physikalische Eigenschaften nicht beeinflusst werden. Der Abzug kann entweder in einem existierenden Druckkopf integriert werden, oder er kann als an ein Teil des Designs für einen neuen Druckkopf verwendet werden. Alternativ kann sich der gesamte Drucker in einer geschützten bzw. abgesaugten Atmosphäre befinden.
In der Zone mit lokal erhöhter Temperatur wird eine Temperatur im Tropfen erzeugt, die unterhalb der Siedetemperatur der Lösungsmittel oder der Lösungsmittelmischung der Tinte liegt. Andererseits würde das Druckbild auf dem Substrat nicht mehr zu kontrollieren sein, da die Tropfen sonst zerplatzen würden.
Ein Fachmann wird in Abhängigkeit von den Bestandteilen und insbesondere der Lösungsmittel der verwendeten Tinte die Temperatur in der Zone mit lokal erhöhter Temperatur so mittels Heizdraht und/oder Lichtquelle erhöhen, dass das gewünschte Druckbild erzeugt und gleichzeitig die Auflösung, im Vergleich zu einem Standardtintenstrahldruckverfahren ohne eine aktive Verkleinerung des Volumens durch Temperaturerhöhung der Tintentropfen, signifikant erhöht wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eine Tinte verwendet werden, dessen Lösungsmittel Licht oder Temperatur besonders stark absorbiert und dadurch die Evaporation und Verkleinerung vom Tropfen im Flug mit geringer Energie in kürzerer Zeit verläuft. Eine oder alle Lösungsmittel der Tinte sollen dann eine starke Absorption bei der verwendeten Wellenlänge des Lichts haben.
Der verwendete Heizmechanismus selbst darf nicht den Druckkopf erhitzen, und soll auch nicht die physikalischen Eigenschaften der Tinte ändern und das Jetting-verhalten der Tinte aus den Düsen beeinflussen. Hierzu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zwischen dem Druckkopf und der Zone mit lokal erhöhter Temperatur ein Hitzeschild angeordnet ist.
Für das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren sollte der Druckkopf vorteilhaft durch ein Hitzeschild von der Zone lokal erhöhter Temperatur geschützt werden. Dadurch wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass die physikalischen Eigenschaften der Tinte sich nicht durch erhöhten Temperatureintrag vor Austritt aus der Düse bereits verändern. Ferner wird dadurch auch ein Verstopfen der Düse des Druckkopfs in besonders geeigneter Weise verhindert.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Düse auf. Die Anordnung weist zudem mindestens einen mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagenden Heizdraht bzw. ein metallisches Gitter oder alternativ oder in Kombination hierzu eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Strahls zwischen der Düse des Tintenstrahldruckkopfes und einem zu bedruckendem Substrat auf.
Der oder die Heizdrähte bzw. die Lichtquelle werden zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur bzw. lokalen Erhitzung der aus der Druckkopfdüse austretenden Tinte genutzt, wodurch sich das Volumen des Tropfens, der die Zone auf dem Weg zum Substrat passiert, aktiv verkleinert.
Für diese Variante können die beiden Enden eines Heizdrahts an zwei metallischen Leitern z. B. als metallisches Gitter befestigt vorliegen.
Besonders vorteilhaft werden die beiden elektrischen Leiter z. B. die metallischen Platten, mit denen elektrischer Strom in die Heizdrähte geleitet wird, unmittelbar an einem zum Druckkopf ausgerichteten Hitzeschild angeordnet. Das heißt es liegen zwischen den Metallplatten und dem Hitzeschild keine Abstandhalter vor.
Unabhängig von der Art der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. Aufsatz, das heißt mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten oder mit mindestens einer Lichtquelle, wird besonders vorteilhaft zwischen dem Druckkopf und dem Substrat eine Zone erhöhter Temperatur mit einem Temperaturprofil erzeugt.
Der erfindungsgemäße Aufsatz bzw. die erfindungsgemäße Anordnung mit Heizdraht oder Lichtquelle erzeugt die Zone mit lokal erhöhter Temperatur. In der Zone wird ein Temperaturprofil erzeugt, dass auf einer Weglänge von etwa 1 mm einen Temperaturunterschied von mindestens 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30°C, weiterhin bevorzugt um mindestens 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 oder sogar 90°C, ebenfalls bevorzugt mindestens 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, oder 200°C oder eines beliebigen Zwischenwertes aufweist.
Der durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Aufsatz erzeugte Temperaturgradient in der Zone mit lokal erhöhter Temperatur weist Bereiche unterschiedlicher Temperatur auf.
Diese liegen zwischen etwa 25°C im Randbereich der Zone und 225°C unmittelbar an dem oder den Heizdrähten bzw. im Spot der Lichtquelle.
Auf einer freien Weglänge entlang der y-Achse des Druckstrahls, das heißt im Strahlgang des Druckers, von 0 mm, an der der oder die Heizdrähte oder der Lichtstrahl positioniert sind bis zu etwa 0,5 mm werden Temperaturunterschiede von bis zu 150°C erzeugt. Auf einer Weglänge entlang der y-Achse zwischen 0 mm und 1 mm werden Temperaturunterschiede von gegebenenfalls bis zu etwa 200°C erzeugt.
Das während des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Temperaturprofil ist besonders vorteilhaft durch einen Hitzeschild asymmetrischer Art, was bedeutet, dass der Druckkopf im Kühlen liegt während der Tropfen die heiße Zone durchläuft bevor er auf das kühle Substrat fällt.
Folgende Tinte kann z. B. aber nicht ausschließlich während des erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckverfahrens zur Anwendung gelangen. Die Tinte kann vorzugsweise aus mindestens zwei Lösungsmitteln bestehen, die unterschiedliche Siedepunkte und Dampfdrücke und optional auch unterschiedliche Viskositäten und Oberflächenspannungen haben. Die Tinte kann vorzugsweise aus mindestens einem aktiven Material, das heißt sie soll dann ein Polymer, Metallnanopartikel, Karbonnanopartikel oder dergleichen aufweisen. Die Tinte kann, muss aber nicht zusätzliche Bestandteile enthalten wie beispielweise Tenside, Adhäsionsmittel, Entschäumer. Durch die Erwärmung im Flug wird ein erstes Lösungsmittel mit niedrigerem Siedepunkt und Dampfdruck viel stärker verdampft als ein weiteres. Auf diese Weise wird bewirkt, dass beim Druck auf dem Substrat der Tropfen im Wesentlichen aus dem Lösungsmittel mit höherem Siedepunkt und niedrigerem Dampfdruck besteht. Wenn das verbleibende Lösungsmittel eine höhere Viskosität hat, dann ist die Gesamtviskosität des Tropfens höher als zuvor. Das führt dazu, dass der Tropen auf dem Substrat weniger zerfließen wird und kleiner bleibt, als bei einem Tropfen mit niedrigerer Viskosität. Wenn das im Tropfen verbleibende Lösungsmittel eine höhere Oberflächenspannung hat, dann ist die Gesamtoberflächenspannung des Tropfens höher. Dies führt dazu, dass der Tropfen mit dem Substrat einen großen Kontaktwinkel formt und insgesamt einen kleineren Spot auf dem Substrat benetzt, als ein Tropfen mit niedrigerer Oberflächenspannung. Allerdings soll erfindungsgemäß die Oberflächenspannung nicht höher als 40–50 mN/m sein, um die Wiederansammlung der Tropfen auf dem Substrat und eine Schmierung der gedruckten Strukturen zu vermeiden. Die Konzentration von aktivem Material wie z. B. Polymer, Metallnanopartikel, Karbonnanopartikel oder anderen Materialien, darf im Vergleich zu einem Tintenstrahldruckverfahren nach dem Stand der Technik niedrig gehalten werden. Durch das Verdampfen von Lösungsmittel im Flug wird der Gewichtsanteil von dem aktiven Material in dem Tropfen steigen. Dies erlaubt die Beigabe eines geringeren Anteils von aktivem Material bei der Tintenherstellung. Zusätzlich ermöglicht eine kleinere Konzentration von dem aktiven Material eine geringere Dicke der gedruckten Strukturen und Schichten auf dem Substrat im Vergleich zu den Tinten mit höherer Konzentration an aktivem Material. Durch eine größere Konzentration von dem aktiven Material in dem Tropfen wird der sogenannte Coffee-Ring bzw. Coffee-Stain Effekt reduziert. Falls die Viskosität des Lösungsmittels mit der höheren Siedetemperatur auch höher ist, so wird dies noch weiter die Reduktion des Coffee-Ring bzw. Coffee-Stain Effekt fördern.
Ausführungsbeispiele
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von einigen Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll. Vielmehr soll der Fachmann bei verständiger Würdigung der Ausführungsbeispiele diese auch miteinander kombinieren dürfen, um dadurch zu Gegenständen zu gelangen, die zweifellos ebenfalls von der Erfindung umfasst sind.
Sofern nicht anders angegeben bezeichnen identische Bezugszeichen in den Figuren baugleiche Gegenstände.
Es zeigen:
1 Schematische Wiedergabe eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung (B–E) sowie des Stand der Technik (A).
2 Schematische Wiedergabe eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung.
3 Zone mit lokal erhöhter Temperatur und Temperaturprofil.
Folgende Zusammensetzung der Tinte kann verwendet werden. Die Tinte weist Thiolstabilisierte Goldnanopartikel mit 2 bis 10 nm im Durchmesser auf. Die Goldpartikel haben 2 wt% Gewichtanteil an der Tinte; Die Tinte weist 90% v/v Toluol, das heißt einen 90%-igen Volumenanteil. 10% v/v ist a-Terpineol (10% Volumenanteil).
Auf Grund der hohen Dichte kann man das Volumen der Goldnanopartikel in dem Tropfen vernachlässigen. Ein Volumen von 1 pL des Tropfens von dieser Tinte wird daher volumenanteilig nahezu nur aus Lösungsmittel bestehen. Das Gewicht des Tropfens besteht zu 98% aus dem Lösungsmittel und nur zu 2% aus Goldnanopartikeln. V_Toluol = 0,90 pL; V_a-Terpineol = 0,10 pL; m_Toluene = V_Toluol·ρ_Toluol = 0,90 pL·870 g/L = 783 pg m_a-Terpineol = V_a-Terpineol·ρ_a-Terpineol = 0,10 pL·930 g/L = 93 pg m_{Goldnanopartikel} = 18 pg m_Tropfen = 783 + 93 + 18 = 894 pg
Eine derartige Tinte kann durch die Erwärmung im Flug nach Austritt aus der Düse und passieren der Zone mit lokal erhöhter Temperatur bis zu 90% des Lösungsmittels verlieren. Das heißt, dass das Tropfenvolumen von 1 pL auf 100 fL gesenkt werden kann. Auf Grund des Unterschieds im Siedepunkt zwischen Toluol (Siedepunkt = 111°C) und a-Terpineol (Siedepunkt = 218°C) und auf Grund des höheren Dampfdrucks wird hauptsächlich das Toluol verdampft. Das heißt, dass die Masse des gedruckten Tropfens nur noch aus der Masse des a-Terpineols und der Goldnanopartikel bestehen wird. m'_Tropfen = 93 + 18 = 111 pg
Die erzeugte neue Konzentration der Goldnanopartikel in dem Tropfen beträgt dann C_{Goldnanopartikel} = 18/111·100% = 16,2 wt%.
Der Durchmesser des Tropfens sinkt, sofern man eine sphärische Tropfenform annimmt, durch das Verdampfen von etwa 90% des Lösungsmittels von 6,2 μm (1 pL Tropfen) auf 2,9 μm (100 fL Tropfen).
Dank der höheren Viskosität und Oberflächenspannung von a-Terpineol wird der verkleinerte Tropfen auch weniger zerfließen und dadurch viel kleiner auf das Substrat gedruckt, was im Endeffekt die größere Auflösung bei dem Druck erzielt. Dadurch wird vorliegend eine Erhöhung der Auflösung um mehr als den Faktor 2 erzielt.
Diese oder andere Tinten können ohne Weiteres während des Tintenstrahldruckverfahrens verwendet werden.
Der in den Figuren bezeichnete Abzug bzw. die Dampffalle für die Absaugung der entstehenden Lösungsmitteldämpfe wird z. B. aus Aluminium gefertigt und als ein Teil des Gesamtaufsatzes um den Druckkopf angeordnet. Hierzu können einfache magnetische pads verwendet werden. Grundsätzlich wird der Abzug bzw. die Dampffalle als ein Schlitz an zwei oder an allen vier Seiten entlang des Druckkopfs in dem Aluminiumgehäuse gefertigt. Dieser Schlitz wird mit einem hohlen Kanal in dem Aufsatz verbunden und nach außen durch einen Schlauch abgeführt. Am Ende des Schlauchs kann ein Ventilator oder eine kleine Vakuumpumpe angeordnet sein, die den Unterdruck erzeugt und dadurch den Fluss von Lösungsmitteldampf, der sich unterhalb des Druckkopfs bildet, nach außen bewirkt. Dieser Fluss ist nicht zu hoch, um die gejetteten Tropfen nicht von einer geraden Flugbahn abzulenken. Er soll aber stark genug sein, um die Lösungsmitteldämpfe nach außen abzusaugen. Der Abzug ist optional bei geringer Druckfrequenz, das heißt bei insgesamt sehr kleinen Volumen an Lösungsmitteldämpfen nicht zwingend notwendig, da die Tropfen passiv durch eine Diffusion und eine Konvektion in der Luft nach außen und damit weg von dem Druckkopf geführt werden. Für die vorliegenden Ausführungsbeispiele ist er allerdings teilweise genannt.
Als Druckkopf werden für die Ausführungsbeispiele Druckköpfe von Dimatix^TM (Fujifilm) benutzt, z. B. ein DMC und ein DMCLCP 1 und 10 pL. Die Druckköpfe werden in einem Tintenstrahldrucker OJ300 von der Firma UniJet montiert. Als Material für den Aufsatz, für die Strahlfalle und für die Dampffalle wird eloxiertes Aluminium verwendet.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft einen gepulsten Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 780–5000 nm, bei einer Pulsdauer von 1 μs–1 fs sowie mit einer Leistung von 1 mW bis 10 W. Dieser wird an dem Druckkopf wie beschrieben montiert und erzeugt als Lichtquelle die Zone mit lokal erhöhter Temperatur.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft einen weiteren Aufsatz, der mit zwei Heizdrähten für ein thermisches Verdampfen der Lösungsmittel der Tinte ausgestattet ist. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch einen lokalen Temperaturgradienten aufgeheizt und verdampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch Erwärmung von einem Gitter oder durch Erwärmung von zwei parallel zueinander laufenden Heizdrähten erzeugt. Der Aufsatz für die Erzeugung des lokalen Temperaturgradienten ist zweiteilig. Ein Teil ist fest und wird auf dem Druckkopf bzw. dem Druckkopfhalter befestigt. Das andere Teil wird auf dem ersten Teil befestigt, kann aber auch entfernt werden. Der zweite Teil besteht aus zwei großflächigen Metalplatten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die beiden Metallplatten sind miteinander durch dünne, das heißt im Durchmesser z. B. 1 μm, 12,5 μm, 25 μm, 50 μm bis 200 μm dicke oder einen Zwischenwert annehmende Drähte aus z. B. Gold, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Karbon, Konstantan, Manganin, Chrom, Titan, oder andere metallische Verbindungen elektrisch verbunden. Durch diese zwei Drähte fließt der Strom. Beispielweise kann der Strom eine Stromstärke von 1 μA, 1 mA bis 100 A aufweisen. Der Strom erzeugt die Joul-Erwärmung der Heizdrähte. Weil die Drähte im Vergleich zu den beiden Metalplatten einen viel höheren Widerstand aufweisen, werden sie viel stärker erhitzt als die Metalplatten selbst. Auf diese Weise wird die lokale Erzeugung des Temperaturprofils erzeugt.
Deswegen wird zwischen den Drähten ein Temperaturgradient im Bezug zu dem restlichen Raum rund um den Druckkopf erzeugt. Der Temperaturgradient zwischen zwei Drähten hängt von dem Abstand der zwei Drähte zueinander ab. Der Abstand der Drähte wird so eingerichtet, dass der Gradient am stärksten ist, und dass die Tropfen durch die Drähte fliegen können ohne die Drähte zu berühren. Der Abstand wird zwischen 10 μm und 1 mm, am besten zwischen 50 μm oder 100 μm eingerichtet. Der Temperaturgradient oder ein hohes Temperaturfeld wird für den Durchflug von erzeugten Tropfen genutzt. Die aus der Düse des Druckkopfs ausgejetteten Tropfen werden dabei durch die Drähte auf dem Weg zum Substrat beschleunigt. Bei dem Durchflug werden die Tropfen erhitzt und die Lösungsmittel der Tinte werden teilweise bis vollständig verdampft. Durch dieses Verdampfen wird die Größe der Tropfen nach dem Durchflug im Vergleich zu der Größe vor dem Durchflug drastisch verkleinert. Dies erlaubt die Platzierung von kleineren Tropfen auf dem Substrat und dadurch die Erreichung einer höheren Auflösung bei dem Tintenstrahldruckverfahren.
Drittes Ausführungsbeispiel
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Tropfen aus der Tinte in dem Druckkopf durch ein Piezo-Element erzeugt und erreichen barrierefrei das Substrat nach einer Flugphase. Ein Aufsatz für das „im Flug”-Verdampfen von Tropfen mit Lichtenergie wird am Druckkopf montiert. Er umfasst die Lichtquelle, die die erzeugten Tropfen nach ihrem Austritt aus der Düse mittels eines dünnen Strahls aus der Lichtquelle bestrahlt. Durch die lokale Erwärmung wird das Lösungsmittel des Tropfens teilweise verdampft. Nach der Interaktion mit dem Strahl landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat.
Eine Strahlfalle ist gegenüber der Lichtquelle für das Licht im Aufsatz angeordnet. Die Strahlfalle blockiert das Licht und unterdrückt ungewünschte Streuung. Die Strahlfalle besteht hierbei aus eloxiertem Aluminium.
Ferner weist der Aufsatz auch eine Dampffalle für die Absaugung von Lösungsmitteldämpfen auf. Die erzeugten Tropfen werden durch einen dünnen Strahl aus der Lichtquelle bestrahlt. Durch die lokale Erwärmung in dem Strahl wird das Lösungsmittel des Tropfens teilweise verdampft. Die Lösungsmitteldämpfe werden in der Dampffalle mittels eines geringen Unterdrucks abgesaugt. Nach der Interaktion mit dem Strahl landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat.
Viertes Ausführungsbeispiel
1 zeigt eine schematische Beschreibung von einem Tintenstrahldruckkopf an dem erfindungsgemäß Heizdrähte zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur angeordnet sind.
Die Tropfen 7 werden aus der Tinte in dem Druckkopf 5 durch ein Piezoelement erzeugt und erreichen nach Austritt aus der Düse 1 barrierefrei das Substrat 4 nach einer Flugphase. Dieser Vorgang ist als Stand der Technik in der 1A gezeigt.
1B zeigt die Seitenansicht von dem Tintenstrahldruckkopf 5 mit dem Aufsatz 8 für ein „im Flug” Verdampfen von Tropfen 7 durch Erwärmung der Tropfen mittels Heizdrähten. Die erzeugten Tropfen 7 treten aus der Düse 1 aus, fliegen zwischen den Drähten hindurch, die zwischen zwei Metallplatten befestigt sind (nicht dargestellt in 1). Von einer Metallplatte zur anderen wird durch die zwei dünnen Drähte ein Strom geleitet. Der Strom erzeugt die erforderliche Joul-Erwärmung in den Drähten, aber nicht in den Metallplatten 3, weil deren Fläche viel größer und ihr elektrischer Widerstand geringer ist. Die Erwärmung erzeugt einen Temperaturgradienten zwischen der Umgebung um die Drähte herum und den restlichen Raum um den Druckkopf. Die Metallplatten sind am Hitzeschild (nicht dargestellt) angeordnet, der zum Druckkopf ausgerichtet ist.
Die Tropfen 7 passieren den oder die Heizdrähte und verdampfen. Der Dampf 7' wird über die Dampffalle (nicht dargestellt) im Aufsatz 8 abgesaugt.
Im Ergebnis wird dadurch das Volumen des Tropfens verkleinert und Tropfen 7'' auf das Substrat gedruckt.
1C zeigt schematisch die Ansicht von unten eines derartigen Tintenstrahldruckkopfs 5 mit dem Aufsatz 8 für ein aktives „im Flug” Verdampfen von Tropfen durch Erwärmung durch lokales Verdampfen mit einem Heizdraht 6. Dargestellt sind die beiden Metallplatten 3a, 3b. Die Metallplatten sind am Hitzeschild angeordnet und wie dieser Bestandteile des Aufsatzes 8 für den Druckkopf, der wegen der Ansicht von unten nicht dargestellt ist. Die Metallplatten sind selbstredend mit Mitteln zum Anlegen eines Stroms versehen (nicht dargestellt). Es kann daher ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom an den Platten angelegt werden. Dieser erhitzt einen dünnen Draht 6 der sich unterhalb der Düse 1 befindet. Zwei horizontale Schlitze 9 sind im Aufsatz als Dampffalle für das verdampfte Lösungsmittel 7' vorgesehen. An der Dampffalle 8 liegt ein geringer Unterdruck an, der den Dampf 7' aus der kritischen Zone zwischen Druckkopf und Substrat absaugt.
1D ist eine Seitenansicht, die um 90° gedreht ist im Vergleich zu der 1B. An dem Druckkopf 5 ist der Aufsatz 8 angeordnet. Die Dampffalle 9 ist als umlaufende Rinne realisiert, die im Randbereich des Aufsatzes 8 angeordnet ist. Die Lösungsmitteldämpfe werden in die Dampffalle durch einen kleinen Unterdruck abgesaugt. Nach der Interaktion mit den Drähten landet der Volumenkleinere Tropfen 7'' auf dem Substrat 4.
1E zeigt schematisch eine Ansicht von unten des zweiten Teil des Aufsatzes 8 für ein „im Flug” Verdampfen von Tropfen mit Erwärmung durch lokales Verdampfen mit alternativ zwei Drähten 6a, 6b. Der zweite Teil des Aufsatzes umfasst die zwei Metallplatten 3a und 3b, die durch die zwei dünnen Drähte 6a und 6b elektrisch miteinander verbunden sind. Jeweils zwei Silberpunkte 7a und 7c bzw. 7b und 7d sind hierbei für die Heizdrähte zur Befestigung an den Metallplatten vorgesehen. Die Metallplatten weisen einen Zwischenraum zwischen sich auf, so dass sie ohne die Heizdrähte elektrisch voneinander isoliert sind.
Durch die zwei Drähte 6a und 6b fließt ein Strom und erzeugt die Erwärmung der Drähte 6a und 6b und dadurch den erwünschten Temperaturgradienten unterhalb des zum Substrat ausgerichteten Druckkopfes und zum Rest der Druckkopfumgebung. Die erzeugten Tropfen fliegen aus der Druckkopfdüse 1 zwischen den Heizdrähten 6a und 6b hindurch und werden dabei durch den Temperaturgradienten teilweise verdampft. Nach der Interaktion mit den Drähten landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat 4.
Bezugszeichen 9 bezeichnet die Öffnung zwischen den Metallplatten, in denen die Heizdrähte aufgespannt sind.
In Erweiterung der 1 zeigt die 2 in ihrem oberen Teil A im Querschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung bzw. Aufsatz zur Durchführung des Verfahrens. Die Anordnung ist an der Stelle der Düse 21 des Druckkopfs 25 geschnitten und zeigt deren Ausrichtung oberhalb der Öffnungen im Hitzeschild 22 und der Metallplatten 23a, 23b.
Der erfindungsgemäße Aufsatz umfasst dabei das Hitzeschild und die beiden metallischen Platten 23a, 23b.
Der Hitzeschild 22 besteht an der Oberfläche aus nicht leitendem eloxiertem Aluminium und weist die Abmessungen B × H × T von 100 × 0,5 × 20 mm auf. Zwei darunter angeordnete Metallplatten sind elektrisch voneinander isoliert (siehe 2B) und weisen die Bezugszeichen 23a und 23b auf. Die Metallplatten 23a und 23b bestehen aus Stahl. Sie weisen jeweils eine Abmessung von 45 × 0,5 × 20 mm (B × H × T) auf. Die gesamte Höhe aus Hitzeschild 22 und Metallplatten 23 beträgt entsprechend vorteilhaft nur etwa 1 mm. Die beiden Platten 23a und 23b sind mit Zuleitungen zur Anlegung eines elektrischen Stroms versehen. Dies ist in der B im unteren Teil von 2 dargestellt. Die beiden Heizdrähte 26a, 26b haben einen Durchmesser von jeweils 25 bis 80 μm und eine Länge von etwa 5 mm, da die Öffnung entsprechende Maße hat. Die Drähte sind mit jeweils zwei Silberklebertropfen 27a, 27b an den metallischen Platten 23a und 23b befestigt. Nur die Silberklebertropfen auf der linken Metallplatte sind mit Bezugszeichen versehen, im Übrigen entspricht die Anordnung aber der in der 1E.
Dieser erfindungsgemäße Aufsatz aus Hitzeschild 22 und metallischen Platten 23 nebst Heizdraht oder Heizdrähte und elektrischen Zuleitungen wird zur starren Befestigung der Heizdrähte bei etwa 150°C für etwa eine ½ Stunde gebacken. Die beiden Drähte 26a, 26b weisen danach einen Abstand zwischen 50 bis 200 Mikrometer auf, je nach ihrer Positionierung zueinander.
Der Aufsatz wird vorzugsweise in ein bestehendes Druckkopfsystem mit einem oder mehreren Düsen über in dem Druckkopf versenkte Magnete eingefügt. Die metallischen Stahlplatten werden zur Befestigung des Aufsatzes am Druckkopf 25 zum Substrat ausgerichtet und der Hitzeschild entsprechend zum Druckkopf. Der Aufsatz wird durch die im Material des Druckkopfs versenkten Magnete (nicht dargestellt) in besonders einfacher Weise angeordnet. Diese befestigen den Aufsatz am Druckkopf, so dass dieser noch justiert werden kann.
Die 3 zeigt ein erfindungsgemäß erzeugtes Temperaturprofil, welches mit dem Programm Comsol (Comsol Inc., USA) simuliert wurde.
In der 2D Simulation (Querschnitt) sind zwei Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 25 μm nebeneinander mit dem Abstand von 100 μm angeordnet. 500 μm von den Drähten entfernt ist ein Hitzeschild 32 aus Aluminium mit einer Öffnung unterhalb der Düse angeordnet. Die Öffnung hat eine Länge von 500 μm. Der Hitzeschild hat eine Dicke von ebenfalls etwa 500 μm. Durch die Drähte wird Strom mit der Stärke von 150 mA geleitet um die Joul-Erwärmung der Heizdrähte zu erzeugen. Die Raumtemperatur wird bei 20°C festgesetzt und der durch die Joul-Erwärmung erzeugte Temperaturgradient wird mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß Auffüllungen auf der 3 als 2D-Temperaturprofil aufgezeichnet.
Gezeigt sind schematisch das Hitzeschild 32 und die Düse 31. Diese wie auch das Substrat 34 sind von der lokalen Temperaturerhöhung ausgespart, wie die Simulation zeigt.
Es wird deutlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Anordnung aus Druckkopf und Hitzeschild, wie angegeben, das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur in verschiedene Temperaturbereiche erzeugt und untergliedert werden kann.
Der in der 3 gezeigte Temperaturgradient weist beispielhaft daher Bereiche unterschiedlicher Temperatur auf. Diese liegen zwischen etwa 25°C am Randbereich und etwa 105°C unmittelbar an den Heizdrähten und werden durch die beiden für die Simulation verwendeten Heizdrähte bei einer Stromstärke von 150 mA erzeugt.
Der Temperaturgradient wird dabei auf einer freien Weglänge von etwa 3 mm angegeben. Auf der freien Weglänge der y-Achse von 0 mm (Positionierung der Heizdrähte) bis zu etwa 0,5 mm werden im vorliegenden Fall Temperaturunterschiede von etwa 68–105°C erzielt, was einen Temperaturunterschied von fast 40°C ergibt. Auf der Weglänge der Y-Achse zwischen 0 mm und 1 mm werden Temperaturunterschiede von sogar etwa 80°C erzielt. Das Temperaturprofil ist dabei, bedingt durch einen Hitzeschild 32, asymmetrischer Art, was bedeutet, dass der Druckkopf im Kühlen liegt, während der Tropfen die heiße Zone durchläuft und auf das kalte Substrat fällt.
Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung bzw. dem erfindungsgemäßen Aufsatz, wie in den 1B–1E sowie der 2 dargestellt, ist es entsprechend möglich, einen durch die Öffnungen der Hitzeschilde und Platten hindurch geleiteten Tintentropfen lokal zu erhitzen und zu einer Volumenreduktion des Tropfens zu gelangen, die mindestens 10% des ursprünglichen Volumens umfasst.
Es versteht sich, dass diese Simulation beispielhaft ist. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich andere Temperaturgradienten zu erzeugen. Hierzu wird ein Fachmann das Material der Heizdrähte, der Platten, und des Hitzeschilds an die Gegebenheiten am Druckkopf anpassen und die gewünschte Volumenverkleinerung des Tropfens erreichen.
Es versteht sich ferner, dass ein Fachmann die Materialien frei wählen und miteinander kombinieren kann. So ist es möglich die Materialien wie folgt zu kombinieren.
Ausführungsbeispiele 5 bis 9
Beispielsweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar zwei 0,5 mm dicke Stahlplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird wie beschrieben mit leitendem Silberkleber an die Stahlplatten geklebt und gebacken.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar zwei 0,1 mm dicke Karbonplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitender Karbonpaste an die Karbonplatten geklebt.
Beispielweise kann eine Keramik mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Kupferplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitendem Silberkleber an die Kupferplatten geklebt.
Ein Fachmann kann lithographische Verfahren nutzen, um den Aufsatz zu prozessieren.
So kann auch Glas oder Quarz als Hitzeschild mit den Verfahren der optischen Lithographie prozessiert werden. Das Glas bzw. der Quarz werden als Hitzeschild verwendet und weisen eine Öffnung von 0,5 mm auf. Zwei ITO-Platten (Indium Tin Oxide) werden 1 μm dick hierauf abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert. Zwischen den Platten werden der Heizdraht bzw. ein Gitter aus Wolfram 10 μm breit auf das Glass bzw. Quarz und zwischen die ITO-Platten abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert, so dass die beiden ITO-Platen mit den Wolframdrähten überbrückt werden.
Ein Fachmann kann weitere Abscheidungsverfahren aus der optischen Lithographie anwenden, um einen erfindungsgemäßen Aufsatz herzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/166219 A1 [0010]
WO 2010/134072 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Meier et al., (Phys. Status Solidi A (2009). Inkjet printed, conductive, 25 μm wide silver tracks on unstructured polyimide. Vol. 206, 1626–1630) [0007]
Perelaer et al. (Macromolecular Chemistry and Physics (2009). Droplet tailoring using evaporative inkjet printing. Vol. 210, 387–393) [0009]

Claims

Tintenstrahldruckverfahren, bei dem ein Druckkopf (5) eines Tintenstrahldruckers in Richtung eines zu bedruckenden Substrats (4) ausgerichtet ist und bei dem Tintentropfen (7) im Druckkopf des Tintenstrahldruckers erzeugt werden, welche nach dem Austritt aus der Düse (1) des Druckkopfs in eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur geleitet werden, so dass das Volumen der Tropfen während der Flugphase zum Substrat aktiv verringert wird.
Tintenstrahldruckverfahren nach vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine signifikante Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens 10% erfolgt.
Tintenstrahldruckverfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens um mindestens 20%, weiterhin bevorzugt um mindestens 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder bis zu 99,99% oder eines beliebigen Zwischenwertes hiervon erfolgt.
Tintenstrahldruckverfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zone lokal erhöhter Temperatur durch mindestens einen Heizdraht oder durch mindestens eine Lichtquelle erzeugt wird.
Tintenstrahldruckverfahren nach vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone lokal erhöhter Temperatur durch eine Anordnung aus mindestens zwei Heizdrähten erzeugt wird, zwischen denen die Tropfen geleitet werden.
Tintenstrahldruckverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen (7) durch eine Zone lokal erhöhter Temperatur geleitet werden, die auf 1 mm Weglänge einen Temperaturunterschied von mindestens 10°C vorzugsweise mindestens 200°C aufweist.
Tintenstrahldruckverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (5) durch ein passiv oder aktiv gekühltes Hitzeschild (2) von der Zone lokal erhöhter Temperatur geschützt wird.
Anordnung aus einem Tintenstrahldruckkopf (5, 25) mit einer Düse (1, 21) und mindestens einem mit elektrischem Strom zu beaufschlagenden Heizdraht (26a, 26b) oder einer Lichtquelle zwischen der Düse des Tintenstrahldruckkopfes und einem zu bedruckendem Substrat (4, 24) zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur und Erhitzung der aus der Druckkopfdüse austretenden Tinte (7).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Heizdrähte, zwischen denen die Tinte in Richtung eines Substrats geleitet wird.
Anordnung nach vorherigem Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass die Enden (7a, 7c) des Heizdrahts an zwei elektrisch voneinander isolierten Platten (3a, 3b; 23a, 23b) befestigt sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die beiden Platten (3a, 3b; 23a, 23b) unmittelbar an einem zum Druckkopf (25) ausgerichteten passiv oder aktiv gekühlten Hitzeschild (22) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Heizdrähte oder die Lichtquelle zwischen dem Druckkopf und dem Substrat eine Zone erhöhter Temperatur mit einem Temperaturprofil erzeugen können, welches auf einer Weglänge von 1 mm einen Temperaturunterschied von mindestens 10°C aufweist.
Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfassend – ein Hitzeschild mit einer Öffnung, – zwei unmittelbar am Hitzeschild angeordnete, zum Substrat auszurichtende, und mit elektrischen Zuleitungen versehene leitende Platten, die voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind, – wobei der Zwischenraum zwischen den Platten unterhalb der Öffnung des Hitzeschildes angeordnet ist, und – mindestens einem Heizdraht, der die beiden Platten miteinander verbindet, – wobei die Zuleitungen Strom über die Platten in den mindestens einen Heizdraht zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur leiten.
Druckkopf mit Mitteln zur Befestigung eines Aufsatzes nach vorherigem Anspruch.