TWI592312B - 噴嘴板、噴嘴板製造方法、噴墨頭、以及噴墨列印裝置 - Google Patents

噴嘴板、噴嘴板製造方法、噴墨頭、以及噴墨列印裝置 Download PDF

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中村有希
安部由希子
松本真二
曾根雄司
高田美樹子
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理光股份有限公司
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Description

噴嘴板、噴嘴板製造方法、噴墨頭、以及噴墨列印裝置
本發明係關於一種具有用於排出液體的噴嘴孔的噴嘴板、一種噴墨頭、一種噴墨列印裝置，以及一種製造該噴嘴板的方法。
在電子及顯示器的領域中，其電路及主動矩陣傳統上係利用光刻處理製造。近年來，所謂的印刷電子技術正發展中，用於利用印刷方式製造該等電子裝置。各種印刷法(如微接觸印刷、凹版印刷及絲網印刷)正被考慮用於印刷電子。噴墨列印為該等印刷法中的其中之一。噴墨列印法涉及從噴墨頭的噴嘴排出墨滴，並使墨滴落在即將印刷的基板上。噴墨頭通常包括一噴嘴板以及一液體腔形成板。該噴嘴板包括一排出口，以及一噴嘴孔，其中該排出口設置在噴嘴表面，而該噴嘴孔對應於與在厚度方向穿透該噴嘴板的排出口相連的中空部分。該液體腔形成板與該噴嘴板結合以形成一油墨液體腔，該油墨液體腔與對應於該噴嘴板的中空部分的噴嘴孔相連。該噴墨頭通過利用驅動裝置施加一力至在該排出口處形成的油墨彎月面，而能從排出口選擇性地排出墨滴。該驅動裝置可利用一系統加以實施，例如：利用靜電力的系統、利用壓電元件的系統或利用熱元件的系統。
在印刷電子中使用噴墨列印法時，因為電路的線路被印刷，因此需要從約次微米至10μm範圍的高解析度。鑒於該需求，該噴嘴板上形成的排出口的直徑需要小於或等於10μm。因此，已提出各種有關噴墨頭的噴嘴板的形狀及製造方法的技術。例如，日本特開專利公開第10-034365號 (專利文獻1)揭露一種製造噴嘴板的方法，該方法涉及將雷射光束照射在基板的表面上，在其厚度方向上即成為噴嘴板。通過在該基板的厚度方向上照射雷射光束，熔化了被雷射光束照射的基板的一些部分，從而形成到達該基板背面的通孔。如此，可製造一噴嘴板，該噴嘴板具有一排出口及一噴嘴孔，該排出口形成在該基板的表面，而該噴嘴孔對應於與在基板的厚度方向上穿透該基板至該基板背面的排出口相連的中空部分。
然而，在專利文獻1揭露的噴嘴板製造方法中，雷射光束連續照射在該基板的表面上，同時形成噴嘴孔，其對應於到達該基板背面的通孔。因此，靠近該基板表面的基板溫度變得高於靠近該基板背面的基板溫度，所以從該基板的表面至該基板的背面形成厚度方向上的溫度分佈。這使得該基板表面處的排出口的開口面積，大於該基板背面的噴嘴孔的開口面積。又，在通過掃描雷射光束形成噴嘴孔的情況中，可藉由提高該等噴嘴孔設置的密度以減小排出口的間距。然而，當間距減小，則形成現排出口時，來自形成前排出口的餘熱會殘留，從而靠近先前形成的排出口的區域的溫度會高於剩餘區域。因此，現排出口的形狀可能不同於所期望的目標形狀。因此，在該等排出口的開口區域中可能形成各種變化，使該等排出口的開口形狀是不規則且不穩定的。此外，在利用雷射光束形成噴嘴孔的情形，該等排出口的開口形狀限於圓形或橢圓形。當從具有該開口形狀的噴嘴板的排出口排出油墨時，會形成墨霧或油墨衛星(ink satellites)，從而妨礙高列印品質。
本發明一實施例的目的在於提供一種噴嘴板，該噴嘴板包括具有實現高列印品質的開口形狀的排出口，且該等排出口設置以具有減少變化的開口面積及穩定的開口形狀。本發明的另一目的在於提供一種製造該噴嘴板的方法。本發明的又一目的在於提供包括該噴嘴板的噴墨頭及噴墨列印裝置。
根據本發明的實施例，提供了一種噴嘴板，其具有在厚度方向上穿透該噴嘴板的噴嘴孔。該噴嘴板包括一排出口，該排出口形成在該 噴嘴孔處，以及當該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，該排出口的開口形狀配置為近似方程式R1=R2R3=R4≒0。
根據本發明的一方面，具有一槽形成於其上的第一基板的表面，與第二基板的表面結合以形成結合基板，以使該槽形成一噴嘴孔。然後，在實質上垂直於該槽縱向方向的方向上，切割該結合基板，以使一排出口形成在該結合基板的切割面。在一實施例中，藉由設置該槽的截面形狀，在縱向方向上貫穿其全體長度實質上相同，沿著該槽的縱向方向在給定位置處，通過在實質上垂直於該槽縱向方向的方向上，切割該結合基板，形成排出口的開口形狀及開口面積實質上可以是一致的。在一實施例中，該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，可形成該槽以使該排出口的開口形狀近似方程式R1=R2R3=R4≒0。因此，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板實現了具有減少墨霧和油墨衛星的高品質列印，其中，該等排出口的開口面積的變化減小，並且使該排出口的開口形狀穩定。
11‧‧‧第一基板
12‧‧‧槽
21‧‧‧第二基板
22‧‧‧切割線
31‧‧‧噴嘴板
32‧‧‧排出口
33‧‧‧噴嘴孔
41‧‧‧流徑板
42‧‧‧電極
43‧‧‧電極薄膜
44‧‧‧排出室
51‧‧‧油墨入口板
52‧‧‧油墨入口
60‧‧‧結合板
80‧‧‧噴墨頭
81‧‧‧Zαβ方向位置調整機構
82‧‧‧板架
83‧‧‧XYZ平臺
90‧‧‧即將印刷的基板
100‧‧‧噴墨列印裝置
101‧‧‧XY平臺
102‧‧‧T軸調整機構
103‧‧‧Z軸調整機構
a、b‧‧‧排出口形狀參數
AA’、BB’‧‧‧切割平面線
R1、R2、R3、R4‧‧‧曲度
第1A圖至第1D圖為說明用於製造根據本發明第一實施例的噴嘴板的方法步驟的透視示意圖；第2A圖為藉由第一實施例的製造方法製造的噴嘴板的透視圖；第2B圖為沿著第2A圖中噴嘴板的切割平面線A-A’的剖視圖；第3圖為說明噴嘴板的排出口的示例開口形狀的示意圖；第4圖為顯示排出口的顯微圖；第5A圖和第5B圖為顯示噴嘴孔的顯微圖；第6A圖和第6B圖為顯示根據比較例的噴嘴板的排出口及噴嘴孔的顯微圖；第7A圖至第7C圖為說明根據本發明第二實施例組成噴墨頭內的板的結構；第8A圖為結合基板的平面圖； 第8B圖為沿著第8A圖中結合基板的切割平面線B-B’的剖視圖；第9圖為根據第二實施例的噴墨頭的示意圖；第10圖為根據本發明第三實施例的噴墨列印裝置的透視圖；第11A圖為噴墨列印裝置的右側視圖；第11B圖為噴墨列印裝置的前視圖；第12A圖和第12B圖為顯示藉由第三實施例的噴墨列印裝置使用根據第一實施例的噴嘴板印刷在基板上的點的顯微圖；以及第13圖為藉由第三實施例的噴墨列印裝置使用比較例的噴嘴板印刷在基板上的點的顯微圖。
以下，參考所附圖式描述根據本發明實施例的噴嘴板製造方法、噴嘴板、噴墨頭及噴墨列印裝置。
在傳統影像記錄中，不同顏色(如黃色、洋紅色和青色)油墨的油墨性質(如黏性和表面張力)大致相同。另一方面，在印刷電子中，根據即將印刷的圖案如佈線、半導體薄膜或絕緣薄膜，必須使用具有不同物理性質的油墨以適應各種薄膜厚度的印刷。又，因為油墨的溶劑可依據是否使用水性油墨、有機溶劑油墨或酸性油墨而改變，噴墨頭的材料需為化學耐久的。因此，根據本發明實施例的噴嘴板較佳由化學和物理耐久的基材製成，並具有平且光滑的表面。例如，可使用由二氧化矽玻璃或硼矽玻璃製成的氧化物玻璃基板，或由石英、藍寶石或矽製成的單晶基板。
第1A圖至第1D圖為說明用於製造根據本發明第一實施例的噴嘴板的方法步驟的透視示意圖。參考第1A圖，在第一方法步驟中，通過光刻處理，在第一基板11的表面上形成所期望圖案的槽12，其中，光罩上的槽圖案的間距係對應於噴嘴板的噴嘴間距。在一個較佳實施例中，用於校準噴嘴板的校準槽可形成在槽12的外側以形成噴嘴。由於該材料用於轉移光罩圖案，可使用例如光敏抗蝕膜或金屬膜如鎳(Ni)膜。在一實施例中，藉由施加、曝光及顯影感光性光阻如SU-8，可形成該光罩圖案，並且該第一基板11其後可被蝕刻。
作為蝕刻方法，可使用乾蝕刻法(如反應離子蝕刻，RIE)或濕蝕刻法。可藉由光罩圖案及蝕刻條件控制槽12的形狀。作為可選擇的步驟，若在噴嘴孔形成電極膜的情況中，可在第一基板11的表面上形成槽12後，藉由光刻處理在槽12內形成電極膜。例如，為了形成電極膜，可藉由濺鍍或真空蒸鍍，形成厚度20-150nm的單層或多層金屬(如Pt、Au、Ag、Cu、Ni、Cr、Mo、W、Nb或Ta)和其合金，或透明導電氧化物(如ITO、ATO或AZO)，之後即可執行圖案化製程。
然後，參考第1B圖，在第二方法步驟中，具有槽12形成於其上的第一基板11的表面，與第二基板21的平面結合。因為第二基板21的表面為平的，可不需要精確定位第一基板11與第二基板21。至於結合方法，可使用傳統技術如熱熔融結合、陽極結合、直接結合或電漿活化低溫結合。然後，參考第1C圖，在第三方法步驟中，沿著切割線22切割結合在一起的第一基板11和第二基板21的結合板(噴嘴板)31，其中，切割線22對應於形成在第一基板11上的槽12的校準方向(縱向方向)上的虛線。注意：已知的裝置(如切塊機或精密切割機)可用於切割結合板31。切割寬度係對應於噴嘴孔的流徑長度(噴嘴長度)L，並且可藉由改變切割寬度，自由調節噴嘴長度L。
參考第2A圖，通過第1A圖至第1D圖的方法步驟製造的噴嘴板的噴嘴面(切割面)，具有複數個排出口32。參考第2B圖，對應於沿著第2A圖中噴嘴板的切割平面線A-A’的剖視圖，與排出口32連接且在厚度方向上穿透噴嘴板31的噴嘴孔33，被排列形成並具有直的結構。該直的噴嘴孔33可在第1A圖所示的第一方法步驟所形成的槽12的寬度保持相同的情況下形成。
在某些較佳實施例中，需要或期望的話，可以在上述第一至第三方法步驟之前、之後或之間，執行額外的方法步驟，如拋光及清洗。又，可在噴嘴板的表面上執行疏液處理製程。此外，在第三方法步驟後，可在排出口的邊緣執行擴孔製程。又，儘管在上述實施例中，槽12僅形成在第一基板11上，但是在可選擇的實施例中，也可在第二基板21上形成槽，並且在第一基板11和第二基板21上的槽可結合在一起，以形成噴嘴板的單 槽。在這種情況下，第一基板11和第二基板21必須定位地更精確。此外，儘管在上述實施例中，槽12設為具有直的結構，但是在可選擇的實施例中，槽12可設為槽寬漸變的錐形結構，或者可將槽12設為階梯結構，使藉由切割結合板而產生的每一個噴嘴板具有不同的排出口直徑。
在本實施例中，排出口的數量及排出口的間距在第一方法步驟中決定。例如，因為第一方法步驟涉及到光刻處理，其為高精密處理，與執行雷射打孔製程的情況不同，所以即使增加排出口的數量，也不會影響生產率。因此，在增加排出口的情況下，可有助於執行第一方法步驟。又，在本實施例中，通過第一方法步驟和第二方法步驟，確定排出口的開口面積S及噴嘴孔的結構。關於加工精度，其主要由蝕刻精度決定，因為槽的縱橫比(寬度/深度)最大約為1，所以在本實施例中可實現高加工精度。因此，噴嘴孔可設為直的結構。噴嘴孔的長度L，其對應於第三方法步驟中決定的切割寬度，可通過改變切割寬度而自由地調節。例如，在第一基板11具有形成於其上的長度100mm的槽12的情況中，當噴嘴孔長度L=100μm時，可製造1000個噴嘴板，以及當噴嘴孔長度L=1mm時，可製造100個噴嘴板。如此，在本實施例中可實現高生產率。然而，注意在上述實例中不考慮切割邊緣。
與排出口相連接的噴嘴孔的內壁以及排出口的邊緣，最好由具有高化學耐久性的介電材料製成。例如，在一較佳實施例中，噴嘴板本身可由氧化物材料製成，如二氧化矽玻璃、矽酸鹽玻璃或硼矽玻璃。例如，在另一實施例中，結構基底可由單晶矽製成，以及二氧化矽薄膜可通過熱製程形成在包括噴嘴流徑的表面上。特別注意：使用靜電力作為排出油墨的能量(驅動裝置)的情況中，較佳的噴嘴板可由能提供高絕緣的材料所製成，如二氧化矽玻璃、藍寶石或石英。
第3圖說明排出口的示例性開口形狀。如第3圖所示，排出口的開口形狀近似四邊形(quad)。在本實施例中，排出口的四邊形的四個角的曲度R1-R4設為近似方程式R1=R2R3=R4≒0，以及噴嘴孔設為具有直的結構。排出口的開口面積S設為不大於100μm2，以及噴嘴孔的直部(噴嘴流徑部分)的長度L，對排出口的開口面積S的比率L/S，設為至少2μm-1。 較佳比率L/S可設為至少4μm-1，且更佳為至少10μm-1。注意：排出口的開口形狀不限於如第3圖所示的四邊形，例如，還可選擇地設為具有三個角或五個角的多邊形。又注意：當R1=R2=a=b/2時，排出口的開口形狀可為半圓形。
在用於影像記錄的噴墨頭中，為了確保穩定地記錄，對於油墨設立嚴格的規格要求。例如，在Ricoh有限公司的壓電式噴墨頭中，油墨黏度η為10-12mPa．s，以及表面張力γ為28-35mN/m。另一方面，印刷電子中所用的油墨可具有廣泛變化的油墨黏度η，其範圍可從約幾mPa．s至幾百mPa．S。
在黏性液體流過圓管的情況中，給定有關該液體的某些條件，則液體的流速Q可自以下哈根-泊肅葉方程式(1)推導得出。
在上述的方程式中，「a」表示圓管的半徑，「△P」表示壓力差，「η」表示油墨黏度，以及「L」表示圓管的長度。
設「S」表示管的開口面積(截面面積)，以及「△F」表示外力差，則流速Q可由以下近似方程式(2)表示。
因此，當油墨黏度範圍較寬時，須適當地調節比率L/S以實現期望的流速Q。
注意：在用於影像記錄的傳統噴墨頭中，排出口的開口直徑約為20μm，噴嘴孔的直部的長度約為50μm，因此不能適當地控制比率L/S。
在進行各種實驗研究之後，本發明人發現，通過將噴嘴板的排出口設計為根據上述本實施例的開口形狀，可實現具有減少墨霧和油墨 衛星產生的高品質印刷。此外，在本實施例中，相對於傳統設計，噴嘴的孔截面面積可減小約1/4或更少，噴嘴孔長度L可從幾微米(μm)至幾毫米(mm)的範圍內自由調節，從而可製造能適用於有各種物理性質的油墨的噴嘴板。
此外，在根據本實施例的噴嘴板製造方法所製造的噴嘴板中，其中，複數個排出口形成在噴嘴板上，排出口的結構參數(如長度和面積)的標準偏差可保持在±3%內。為了增加排出口密度以提升印刷品的生產率，實現具一致性印刷以減少差異是重要的。注意：排出口結構參數的一致性在印刷電子中尤其重要，因為電學特性直接受印刷品的厚度以及面內方向所影響。
又，在利用靜電力作為排出能量的情況中，噴嘴孔的內壁面的全部或部分可被金屬或透明導電氧化物覆蓋。例如，可使用金屬(如Pt、Au、Ag、Cu、Ni、Cr、Mo、W、Nb或Ta)、其合金或透明導電氧化物(如ITO、ATO或AZO)。此外，可設置複數層該等材料以增強薄膜附著力。
在排出油墨時，最好使排出口的邊緣具有適當的疏液性。許多傳統技術可用於獲得疏液性，例如，可利用由氟樹脂或矽樹脂製成的疏液性薄膜形成在噴嘴板的整體排出面上或排出口的邊緣上。
當長時間印刷時，需要清洗噴嘴板的噴嘴面。在該情況下，例如，可使用傳統清洗技術，如使用橡膠擦拭噴嘴板的噴嘴表面以移除多餘油墨，或者利用真空清洗油墨。在使用刀片擦拭噴嘴面的情況中，通過在排出口的邊緣執行擴孔製程以形成一凹部，可進一步提高清洗效果。
以下將描述上述噴嘴板及噴嘴板製造方法的具體實施例。然而，本發明不限於該等具體實施例。
實施例1
將兩個二氧化矽玻璃基板(40mm2,3mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行超音波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在每一個二氧化矽 玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，將光阻旋塗在該等二氧化矽玻璃基板的其中之一上，接著利用預定的光罩，曝光並顯影光阻，而使抗蝕圖案形成在該二氧化矽玻璃基板上。形成64個具有寬度1μm和長度30mm的槽，以間距510μm作為光阻圖案。然後，利用40%的氫氟酸溶液蝕刻二氧化矽玻璃基板以形成深度2μm的槽。在用水沖洗二氧化矽玻璃基板後，移除光阻。然後，將經處理過，具有形成槽於其上的二氧化矽玻璃基板表面，與經紫外線-臭氧處理的另一個二氧化矽玻璃基板的表面結合在一起，並於1150℃下加熱30分鐘。然後，利用精密切割機切割結合的結構，並將切割面拋光以製造長度6mm、寬度40mm以及厚度0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.725mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的噴嘴板。
實施例2
將兩個二氧化矽玻璃基板(40mm2,3mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行超音波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，將光阻旋塗在該等二氧化矽玻璃基板的其中之一上，接著利用預定的光罩，曝光並顯影光阻，而使抗蝕圖案形成在該二氧化矽玻璃基板上。形成64個具有寬度2μm和長度30mm的槽，以間距510μm作為光阻圖案。然後，利用40%的氫氟酸溶液蝕刻二氧化矽玻璃基板以形成深度2μm的槽。在用水沖洗二氧化矽玻璃基板後，移除光阻。然後，將經處理過，具有形成槽於其上的二氧化矽玻璃基板表面，與經紫外線-臭氧處理的另一個二氧化矽玻璃基板的表面結合在一起，並於1150℃下加熱30分鐘。然後，利用精密切割機切割結合的結構，並將切割面拋光以製造長度6mm、寬度40mm以及厚度0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.725mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的噴嘴板。
實施例3
將兩個二氧化矽玻璃基板(40mm2,3mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行超音波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在每一個二氧化矽 玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，將第一光阻層旋塗在該等二氧化矽玻璃基板的其中之一上。之後，將第二光阻層旋塗在基板上，接著利用預定的光罩，曝光並顯影第一和第二光阻層，在二氧化矽玻璃基板上形成雙層的抗蝕圖案。然後，通過電子束蒸鍍沉積厚度為200nm的鎳薄膜。之後，執行剝離以形成間距510μm的64個具有寬度2μm和長度30mm的槽。然後，利用四氟化碳氣體通過反應離子蝕刻來蝕刻鎳光罩開口部分處的二氧化矽玻璃基板，以形成深度為1μm的槽。然後，用硝酸溶解鎳光罩，並用水沖洗二氧化矽玻璃基板。接著，將經處理過，具有形成槽於其上的二氧化矽玻璃基板表面，與經紫外線-臭氧處理的另一個二氧化矽玻璃基板的表面結合在一起，並於1150℃下加熱30分鐘。然後，利用精密切割機切割結合的結構，並將切割面拋光以製造長度6mm、寬度40mm以及厚度0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.725mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的噴嘴板。
實施例4
將兩個二氧化矽玻璃基板(40mm2,3mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行超聲波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在每一個二氧化矽玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，將光阻旋塗在該等二氧化矽玻璃基板的其中之一上，接著利用預定的光罩，曝光並顯影光阻，而使抗蝕圖案形成在二氧化矽玻璃基板上。形成64個具有寬度1μm和長度30mm的槽，以間距510μm作為光阻圖案。然後，利用三氟甲烷氣體通過反應離子蝕刻來蝕刻光阻開口部分處的二氧化矽玻璃基板，以形成深度3μm的槽。接著，將反應氣體變為氧氣以蝕刻並移除剩餘光阻。然後，將經處理過，具有形成槽於其上的二氧化矽玻璃基板表面，與經紫外線-臭氧處理的另一個二氧化矽玻璃基板的表面結合在一起，並於1150℃下加熱30分鐘。然後，利用精密切割機切割結合的結構，並將切割面拋光以製造長度6mm、寬度40mm以及厚度0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.725mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的噴嘴板。
比較例1
將二氧化矽玻璃基板(20×40mm,0.3mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在二氧化矽玻璃基板上，執行超音波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在二氧化矽玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，在二氧化矽玻璃基板上，沉積厚度100nm的鋁，並且通過正規的光刻製程形成對準標記。然後，利用聚焦光學系統，通過將Nd：YAG雷射的三次諧波(波長355nm，脈衝寬度10ps，頻率1kHz，脈衝能量50μJ)聚焦於二氧化矽玻璃基板上，在二氧化矽玻璃基板上，執行穿孔製程。如此，製造出具有32個噴嘴孔的噴嘴板，而該等噴嘴孔具有5μm的噴嘴孔直徑且以1020μm的間距排列。
比較例2
將二氧化矽玻璃基板(20×40mm,0.7mm厚)製備為基材。利用中性洗滌劑、純水及異丙醇，在二氧化矽玻璃基板上，執行超音波清洗處理。在乾燥二氧化矽玻璃基板後，於90℃下在二氧化矽玻璃基板上，執行10分鐘的紫外線-臭氧處理。然後，在二氧化矽玻璃基板上，沉積厚度100nm的鋁，並且通過正規的光刻製程形成對準標記。然後，利用聚焦光學系統，通過將Nd：YAG雷射的三次諧波(波長355nm，脈衝寬度10ps，頻率1kHz，脈衝能量50μJ)聚焦於二氧化矽玻璃基板上，在二氧化矽玻璃基板上，執行穿孔製程。如此，製造出具有32個排出口的噴嘴板，而該等排出口具有8μm的直徑且以1020μm的間距排列。
以下表1顯示根據上述實施例1-4(E1-E4)以及比較例1-2(C1-C2)所製造的噴嘴板的評估結果。
注意：上述表1中所示的排出口形狀參數「a」、「b」、「R1」、「R2」、「R3」和「R4」，係對應於第3圖所示的參數。可以理解的是，在實 施例1-4中，所製造出的噴嘴板，其具有64個形狀及大小基本上一致(即基本上無變化)的排出口。又，實施例1-4中所製造出的噴嘴板，其無論噴嘴孔長度L多長，噴嘴流徑部分都具有直結構而非錐形結構。例如，關於實施例1中製造的噴嘴板，第4圖顯示實施例1之噴嘴板的排出口開口的顯微圖；第5A圖顯示實施例1之噴嘴板的噴嘴孔的顯微圖；以及第5B圖顯示由點虛線所圍繞第5A圖的部分的放大圖。如這些圖式，噴嘴板的排出口的開口形狀對應於期望的目標形狀，並且噴嘴孔也具有期望的直結構。另一方面，在比較例1中，排出口直徑D可偏離目標約8%的較高誤差。此外，當如比較例2中的噴嘴孔長度L增至0.7mm時，穿孔噴嘴孔使具有直徑接近5μm變得困難，使得排出口直徑D增大，並且誤差也增加約30%。又，在比較例1和2中，噴嘴孔的噴嘴流徑部分為錐形且不穩定。例如，如第6A圖和第6B圖所示，第6A圖和第6B圖顯示在比較例1中所製造之噴嘴板的噴嘴流徑截面及噴嘴面的顯微圖，其排出口的邊緣及噴嘴面為粗糙且部分破碎，並且流徑具有錐形結構而非直結構。
以下，根據本發明的第二實施例描述噴墨頭的製造方法。
在本實施例中，上述實施例1-4的噴嘴板可用於製造噴墨頭。第7A圖至第7C圖說明包括在本實施例之噴墨頭內的板的結構。注意：所示噴墨頭使用靜電力作為驅動方式。第7A圖說明噴嘴板31具有複數個排出口32。在本實施例中，氟基的疏液材料旋塗在噴嘴板31的噴嘴面上。然後，將噴嘴板31置於烘箱中於60℃下乾燥30分鐘，以在表面上執行疏液處理製程。第7B圖說明對應於液體腔板的流徑板41。利用直流濺鍍，通過金屬掩模，在流徑板41上形成厚度200nm的鉬薄膜，用以形成電極42。在該製程中，電極薄膜43，其電性連接至電極42，形成在排出室44的內壁。第7C圖說明油墨入口板51，該油墨入口板51包括油墨入口52，用於將油墨從外部引入排出室44。噴嘴板31沿著流徑板41上形成的對準標記排列，並利用紫外線固化樹脂與流徑板41結合。此外，利用紫外線固化樹脂將油墨入口板51結合至流徑板41，以製造如第8A圖和第8B圖所示的結合板60。
然後，通過將結合板60安裝至板架82，其安置在Zαβ方向位置調整機構81中，並將結合板60的電極連接至高壓脈衝放大器(未顯示)， 以製造第9圖所示的噴墨頭80。注意：油墨可預先從油墨入口52引入至排出室44。例如，油墨入口52可經由管與油墨槽連接，並且油墨可從油墨槽輸送至排出室44。基於來自高位準裝置的信號，可將來自高壓脈衝放大器的電壓施加至結合板60內的電極。接著，帶電墨滴可藉由靜電力從噴嘴孔排出，並且墨滴可落在即將印刷的基板90的表面上，其設置在XYZ平臺83上。
本實施例的噴墨頭包括噴嘴板31以及流徑板41。噴嘴板31係根據上述第一實施例的噴嘴板製造方法所製造。流徑板41(結合至噴嘴板31)對應於液體腔形成板，其形成油墨流徑，如排出室和貯液槽，該等油墨流徑設置為藉由與噴嘴板31結合，而與噴嘴板31的噴嘴孔連接。利用驅動裝置施加力到形成在對應噴嘴的頂端處的彎月面，配置本實施例的噴墨頭從所選擇的排出口排出墨滴。例如，壓電元件可用作驅動裝置。在該情況下，壓電元件可設置在排出室內，而連接至壓電元件的電極可抽出到排出室的外部，以便連接至脈衝電源電路。在另一例中，靜電力可用作驅動裝置。在該情況下，如上所述，電極薄膜如上所述可形成該噴嘴孔的內壁，或者電極薄膜可形成在噴嘴板的背面上。電極薄膜可替換地從排出室取出，以便電連接至脈衝電源電路。在又一實例中，熱電轉換元件可用作驅動裝置。在該情況下，熱電轉換元件可設置在排出室內，並且可將連接至熱電轉換元件的電極抽出到排出室的外部，而連接到脈衝電源電路。本實施例的噴墨頭也包括Zαβ方向位置調整機構81，用於調整噴嘴板31的噴嘴面與即將印刷的基板90的表面之間的距離並使之平行。此外，本實施例的噴墨頭可包括用於清洗噴嘴板31其噴嘴面的清洗機構。
以下，作為本發明的第三實施例，描述噴墨列印裝置，其包括根據上述第二實施例的噴墨頭。第10圖為根據本實施例之噴墨列印裝置100的透視圖。第11A圖為噴墨列印裝置100的右側示意圖，以及第11B圖為噴墨列印裝置100的前視圖。如第10圖所示，噴墨列印裝置100包括XY平臺101、橋、T軸調整機構102以及Z軸調整機構103。XY平臺101配置以支持置於其上即將印刷的基板。橋設置以跨越XY平臺101，如：閘。T軸調整機構102，設置在橋，具有接設其上的Z軸調整機構103。如第11A圖和第11B圖所示，噴墨頭80由Z軸調整機構103的垂直(Z軸)驅動平臺所支承。橋和 XY平臺101設置在平面板上。即將印刷的基板設置在XY平臺101上。在較佳實施例中，也提供基板抽吸機構以及溫度調節機構。XY平臺101電連接至驅動電路，並通過運動控制器驅動，其中運動控制器對應於連接至驅動電路的高位準裝置。噴墨頭80電連接至驅動脈衝電源電路(未顯示)，並與XY平臺結合驅動。將列印資料登錄至電腦程式，並且通過列印資料的對應輸出資料，控制運動控制器及驅動脈衝電源電路。在另一實施例中，例如，可提供照相機，用於監控排出及/或校準。
注意：儘管以上已描述橋式噴墨列印裝置，但是本實施例不限於該類型的噴墨列印裝置，只要通過電腦程式協同控制噴墨頭的排出操作及基板的位置，能在基板上列印期望的資料的裝置即可。
利用上述方式製造的噴墨列印裝置，排出各種類型的油墨以測試排出性能。在使用上述實施例1-4的噴嘴板排出油墨的情況中，無論油墨黏度，通過選擇具有合適的噴嘴長度L的噴嘴板，可成功排出小於1pL的微滴。也可執行基本上不含墨霧及油墨衛星的高品質列印。另一方面，利用上述比較例1和2的噴嘴板，因為不能適當地增加比率L/S，所以即使使用推薦黏度的油墨，排出體積也不能減少至低於1pL，並且不能排出微滴，同時會有油墨衛星的產生。第12A圖為顯示利用實施例1的噴嘴板(L=0.725)，排出油墨的示例性結果的顯微圖。在該例中，具有熱氧化薄膜的矽基板當作即將印刷的基板使用，並且使用Harima化學公司的金奈米漿NPG-J作為油墨。藉由具有700V施加電壓的50Hz矩形波驅動噴墨頭，並以1mm/s的階段速度掃描噴墨頭。結果，形成以噴嘴間距510μm的間隔依次排出的點。第12B圖為第12A圖的顯微圖的放大圖。從這些附圖可理解，未觀察到墨霧或油墨衛星，並且形成一致性的橢圓形點。注意：在本例中，點半徑為2.8μm，點高度為110nm，以及排出體積為14fL。第13圖為顯示利用比較例1的噴嘴板排出油墨的示例性結果的顯微圖。在該例中，排出條件與第12A圖和第12B圖中所示實例相同。在第13圖中，因為排出體積大於第12A圖和第12B圖的實例，因此點直徑增大，並且在點的周圍產生油墨衛星。
儘管以上已參考某些較佳實施例描述本發明，但是本發明不限於這些實施例，且在不脫離本發明的範圍內可進行各種變更及修改。
以下描述本發明的各種方式及其優點。
方式1
噴嘴板具有噴嘴孔，該噴嘴孔在厚度方向上穿透該噴嘴板。噴嘴板包括形成在噴嘴孔處的排出口，其中，假定排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則排出口的開口形狀配置為近似R1=R2R3=R4≒0。因此，如以上第一實施例的相關描述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板實現了具有減少墨霧和油墨衛星產生的高品質列印效果，以及穩定的墨滴排出操作。
方式2
噴嘴板具有噴嘴孔，該噴嘴孔在厚度方向上穿透該噴嘴板。噴嘴板包括：一第一基板，其包括結合表面，有槽形成在結合表面上；一第二基板，其包括結合至第一基板該結合表面的表面；以及一排出口，其形成在噴嘴孔處。第一基板和第二基板結合在一起，並在實質上與形成在第一基板的結合面上的槽的縱向方向相垂直的方向上切割。排出口形成於相結合的第一基板和第二基板的切割表面上，且假定排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則排出口的開口形狀配置為近似方程式R1=R2R3=R4≒0。因此，如以上第一實施例的相關描述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板實現了具有減少墨霧和油墨衛星產生的高品質列印效果，以及穩定的墨滴排出操作。
方式3
方式1或方式2的噴嘴板由具有化學耐久性的介電材料製成。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板具有適當的化學耐久性，可實現高品質列印以及穩定的墨滴排出操作。
方式4
在根據方式1-3的任一方法的噴嘴板中，噴嘴孔包括噴嘴流徑部分，該噴嘴流徑部分與排出口相連通，並且噴嘴流徑部分設置為具有直的結構。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式5
在根據方式1-4的任一方法的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L，則S≦100μm2以及比率L/S≧2μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式6
在根據方式1-5的任一方法的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L，則S≦100μm2以及比率L/S≧4μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式7
在根據方式1-6的任一方法中的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L，則S≦100μm2以及比率L/S≧10μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可提供一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式8
一種製造噴嘴板的方法，其具有在厚度方向上穿透噴嘴板的噴嘴孔，該方法包括以下步驟：在第一基板的表面上形成槽，將第二基板的表面結合至形成該槽於其上的該第一基板的表面，以形成結合基板，以及在實質上與槽的縱向方向相垂直的方向上，切割結合基板。因此，如以上第一實施例的相關敘述，藉由將第一基板11和第二基板21結合在一起，通過第一基板11的表面上所形成的槽12，噴嘴孔33可形成在這些基板的結合面之間。藉由在實質上與槽12的縱向方向相垂直的方向上，切割結合基板，排出口32可形成在結合基板的切割表面上。藉由縱向方向上整個長度實質上相同的截面形狀的槽12的設置，沿著槽的縱向方向在給定位置處，在實質上與槽的縱向方向垂直的方向上，切割結合基板而形成的排出口的 開口形狀及開口面積，實質上可為一致的。因此，可製造具有變化減小的開口面積及穩定的開口形狀的排出口的噴嘴板。
方式9
在藉由方式8的方法所製造的噴嘴板中，噴嘴孔包括排出口，其形成在結合基板的切割表面上，且假定排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則排出口的開口形狀配置為近似方程式R1=R2R3=R4≒0。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板可實現具有減少墨霧和油墨衛星產生的高品質列印效果，以及穩定的墨滴排出操作。
方式10
藉由方式8或方式9的方法所製造的噴嘴板，由具有化學耐久性的介電材料製成。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板具有適當的化學耐久性，可實現高品質列印以及穩定的墨滴排出操作。
方式11
在藉由方式8-10的任一方法所製造的噴嘴板中，該噴嘴孔包括噴嘴流徑部分，該噴嘴流徑部分與排出口相連通，並且噴嘴流徑部分設置為具有直的結構。如以上第一實施例的相關敘述，藉由設置槽12的截面形狀在縱向方向上的整個長度實質相同，噴嘴孔可設置為具有直的結構。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式12
在藉由方式8-11的任一方法所製造的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L，S≦100μm2以及比率L/S≧2μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式13
在藉由方式8-12的任一方法所製造的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流程部分的長度表示為L，S≦100μm2以及比率L/S≧4μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印以及穩定的墨滴排出操作。
方式14
在藉由方式8-13的任一方法所製造的噴嘴板中，假定排出口的開口面積表示為S，以及與排出口相連通的噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L，S≦100μm2以及比率L/S≧10μm-1。因此，如以上第一實施例的相關敘述，可製造一種噴嘴板，該噴嘴板可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式15
噴墨頭包括根據方式1-7的任一方法中的至少一個噴嘴板，或通過方式8-14的任一方法所製造的噴嘴板，以及油墨流徑，其連接至形成在噴嘴板的噴嘴孔處的噴嘴流徑部分，並配置以提供油墨至噴嘴流徑部分。因此，如以上第二實施例的相關敘述，可提供一種噴墨頭，該噴墨頭可實現高品質列印，以及穩定的墨滴排出操作。
方式16
噴墨列印裝置包括：方式15的噴墨頭；驅動裝置，用於驅動噴墨頭；掃描單元，配置以支承即將印刷的基板，並在相對於噴墨頭的XYZ方向上掃描基板；以及控制單元，配置以處理印刷圖案資料，並基於印刷圖案資料，控制驅動裝置和掃描裝置。因此，如以上第三實施例的相關敘述，可提供一種噴墨列印裝置，其藉由控制噴墨頭的排出操作及基板的位置，能在即將印刷的基板上準確地印刷所期望的資料。
本申請基於並要求2012年7月31日所提交的日本專利申請第2012-170502號的優先權的權益，其全部公開內容通過引用結合到本文中。
a、b‧‧‧排出口形狀參數
R1、R2、R3、R4‧‧‧曲度

Claims (12)

  1. 一種噴嘴板，具有在厚度方向上穿透該噴嘴板的噴嘴孔，該噴嘴板包含：一排出口，該排出口形成在該噴嘴孔處，其中，該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則該排出口的開口形狀被配置為近似R1=R2R3=R4≒0，其中，該排出口的開口面積表示為S，以及與該排出口相連通的該噴嘴孔的該噴嘴流徑部分的長度表示為L時，則S≦100μm2以及L/S≧2μm-1。
  2. 一種噴嘴板，具有在厚度方向上穿透該噴嘴板的噴嘴孔，該噴嘴板包含：一排出口，該排出口形成在該噴嘴孔處，其中，該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則該排出口的開口形狀被配置為近似R1=R2R3=R4≒0，其中，該排出口的開口面積表示為S，以及與該排出口相連通的該噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L時，則S≦100μm2以及L/S≧4μm-1。
  3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述的噴嘴板，進一步包含：一第一基板，該第一基板包括一結合表面，一槽形成在該結合表面之上；一第二基板，該第二基板包括結合至該第一基板該結合表面的一表面；以及一排出口，該排出口形成在該噴嘴孔處，其中，該第一基板和該第二基板結合在一起，並在實質上與該第一基板該結合面上形成的該槽的縱向方向相垂直的方向上被切割；該排出口形成在結合在一起的該第一基板和該第二基板的切割表面上；以及該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則該排出口的開口形狀被配置為近似R1=R2R3=R4≒0。
  4. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述的噴嘴板，其中，該噴嘴板的材 料包括具有化學耐久性的介電材料。
  5. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述的噴嘴板，其中，該噴嘴孔包括一噴嘴流徑部分，該噴嘴流徑部分與該排出口相連通，並且該噴嘴流徑部分設置為具有一直的結構。
  6. 一種製造噴嘴板的方法，該噴嘴板具有在厚度方向上穿透該噴嘴板的噴嘴孔，該方法包括以下步驟：在一第一基板的一表面上形成一槽；將一第二基板的一表面結合至形成該槽於其上的該第一基板的表面以形成一結合基板；以及在實質上與該槽的縱向方向相垂直的方向上切割該結合基板，其中，該排出口的開口面積表示為S，以及與該排出口相連通的該噴嘴孔的該噴嘴流徑部分的長度表示為L時，則S≦100μm2以及L/S≧2μm-1。
  7. 一種製造噴嘴板的方法，該噴嘴板具有在厚度方向上穿透該噴嘴板的噴嘴孔，該方法包括以下步驟：在一第一基板的一表面上形成一槽；將一第二基板的一表面結合至形成該槽於其上的該第一基板的表面以形成一結合基板；以及在實質上與該槽的縱向方向相垂直的方向上切割該結合基板，其中，該排出口的開口面積表示為S，以及與該排出口相連通的該噴嘴孔的噴嘴流徑部分的長度表示為L時，則S≦100μm2以及L/S≧4μm-1。
  8. 依據申請專利範圍第6項或第7項所述之製造噴嘴板的方法，其中該噴嘴孔包括一排出口，該排出口形成在該結合基板的切割表面上；以及該排出口的開口形狀的四個角部分的曲度表示為R1、R2、R3和R4時，則該排出口的開口形狀被配置為近似R1=R2R3=R4≒0。
  9. 依據申請專利範圍第6項或第7項所述之製造噴嘴板的方法，其中，該噴嘴板的材料包括具有化學耐久性的介電材料。
  10. 依據申請專利範圍第6項或第7項所述之製造噴嘴板的方法，其中，該噴嘴孔包括一噴嘴流徑部分，該噴嘴流徑部分與該排出口相連通，並且該噴嘴流徑部分被設置為具有一直的結構。
  11. 一種噴墨頭，包含：如申請專利範圍第1項或第2項所述的噴嘴板及藉由申請專利範圍第6項或第7項所述的方法製造的噴嘴板的至少其中之一；以及一油墨流徑，該油墨流徑連接至形成在該噴嘴板的該噴嘴孔處的一噴嘴流徑部分，並配置以提供油墨至該噴嘴流徑部分。
  12. 一種噴墨列印裝置，包含：如申請專利範圍第11項所述的噴墨頭；一驅動裝置，用於驅動該噴墨頭；一掃描單元，配置以支承即將印刷的基板，並在相對於該噴墨頭的XYZ方向上掃描該即將印刷的基板；以及一控制單元，配置以處理一印刷圖案資料，並基於該印刷圖案資料控制該驅動裝置和該掃描單元。
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