WO2012080877A1 - Dispositif a jet d'encre comportant des moyens d'injection d'un gaz avec l'encre et procede de jet d'encre associe - Google Patents

Dispositif a jet d'encre comportant des moyens d'injection d'un gaz avec l'encre et procede de jet d'encre associe Download PDF

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WO2012080877A1
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ink jet
chamber
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Norbert Fabre
Véronique CONEDERA
Paul Fadel
Fabien Mesnilgrente
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Centre National De La Recherche Scientifique
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    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/02—Air-assisted ejection

Definitions

  • the present invention relates to inkjet techniques.
  • Inkjet techniques are used in particular in the field of printers and, more generally, in graphic applications.
  • the use of a known ink jet device is confronted with problems of resolution of the inkjet technique with respect to the resolution of the usual techniques in this field, such as the photolithography.
  • the known ink-jet devices do not make it possible to obtain a deposit of the ink on a substrate whose writing quality is as precise as that obtained with these techniques customary in the field of nanotechnologies.
  • An object of the invention is to provide an ink jet device capable of providing, in particular in other areas than graphics applications, an improved resolution compared to existing inkjet devices.
  • an object of the invention is to provide such an ink jet device for microtechnology and / or nanotechnology applications.
  • Another object of the invention is to provide such a reliable and inexpensive ink jet device.
  • the invention provides an ink jet device comprising a chamber having at least one ink jet head, an inlet for a gas having a molar mass less than the molar mass of the air and at least one outlet for this gas, said head being disposed in the chamber so that the gas can be injected around the head and discharged out of the chamber with the ink from the head.
  • the device may provide other technical characteristics, taken alone or in combination:
  • a support for the ink jet head comprising means for regulating its temperature, for example a heating resistor or a heating circuit;
  • the support comprises at least one fluid discharge groove
  • the chamber has a nozzle shape, in order to increase the speed of the gas around the ink jet head;
  • the invention further provides an inkjet method on a target surface comprising the following steps:
  • the method may provide other technical characteristics, taken alone or in combination:
  • the temperature of the target surface is regulated
  • the gas comprises an additive capable of modifying the contact angle between the ink deposited on the target surface and this target surface;
  • the gas comprises an additive capable of functionalizing the particles included in the ink, after evaporation of the solvent of the ink;
  • FIG. 1 (a) is a diagram in a sectional view of a first embodiment of an ink jet device according to the invention
  • Figure 1 (b) is a partial bottom view of the device shown in Figure 1 (a);
  • Figure 1 (c) is a diagram showing, in a view from below, the device shown in Figure 1 (a) at the orifice;
  • Fig. 1 (d) is a diagram showing a sectional view A-A of the part of the device shown in Fig. 1 (c);
  • FIG. 2 shows different lines of ink printed on a substrate with the device shown in FIGS. 1 (a) to 1 (d);
  • FIG. 3 (a) is a diagram in a sectional view of a second embodiment of an ink jet device according to the invention.
  • FIG. 3 (b) is a diagram of the device shown in Fig. 3 (a), in an enlarged view at the ink jet head;
  • FIG. 4 shows different lines of ink printed on a substrate with the device represented in FIGS. 3 (a) and 3 (b), injecting helium and hydrogen, for the same temperature of the substrate;
  • FIG. 5 represents the evolution of the speed of the ink drops coming from an ink jet head, as a function of the voltage applied to a piezoelectric actuator of this head.
  • the ink jet device 1 comprises an inkjet reservoir 110, which comprises a solvent capable of evaporating in contact with a substrate 100 on which this ink is intended to be deposited. It also comprises an inkjet head 10, fluidically connected at one of its ends to the ink tank 110 via a channel 11.
  • the other end of the ink jet head 10 terminates in an ink ejection nozzle 101 disposed opposite the target surface 100.
  • the inkjet head 10 is actuated by a system (not shown) for generating a succession of independent ink drops. It may in particular be a piezoelectric system for generating drop on demand ("drop on demand" in English terminology) by choosing the amplitude and the control frequency of this system, which allows to adjust the size and the flow of the drops.
  • a system for generating a succession of independent ink drops. It may in particular be a piezoelectric system for generating drop on demand ("drop on demand" in English terminology) by choosing the amplitude and the control frequency of this system, which allows to adjust the size and the flow of the drops.
  • the ink jet device 1 also includes a chamber 60 in which the ink jet head 10 is housed.
  • This chamber 60 is formed by the contours of a support 20 of the inkjet head 10, support 20 which in this case consists of several parts.
  • this support 20 comprises a support body 201, a vertical wall 202, mounted on the upper face 24 of the support body 201 and a cover 203 mounted on the vertical wall 202.
  • the ink jet head 10 is mounted at one end on the cover 203 and the weight of this head 10 is then transmitted from the cover 203 to the vertical wall 202 and then to the support body 201, which is mounted on a frame (no represent).
  • the ink jet head 0 thus extends into the chamber 60 through the support 20, and in particular the support body 201 which provides for this purpose a housing 23.
  • the chamber 60 is separated into two parts 60a, 60b sealed to each other by means of an O-ring 63 disposed both around the inkjet head 10 and against the inner part of the vertical wall 202.
  • the cover 203 may be mounted movably with respect to the vertical wall 202, so as to allow a translational movement of this cover with respect to the vertical wall 202. This movement is effected along the longitudinal axis A of the head 10. inkjet. It is represented by the arrow Fi in the appended figures.
  • the upper part 60a of this chamber 60 advantageously comprises an elastic means 65, such as a spring, disposed between a plate 64 mounted on the inner part of the cover 203 and the vertical wall 202.
  • This spring 65 allows against a force that may be exerted on the upper portion of the cover 203, which allows the inkjet head 10 to return to a reference position.
  • the lower part 60b of the chamber 60 comprises an inlet orifice 66 for a gas and an outlet orifice 21 for this gas, the head 10 being arranged in the chamber 60 so that the gas can be injected around the head 10 and discharged out of the chamber with the ink from the head.
  • the outlet orifice 21 is formed at the bottom wall 22 of the support body 201, this bottom wall 22 being opposite to the upper wall 24 of the support body 201.
  • the inlet orifice 66 of the chamber 60 is connected to a reservoir 30 comprising a pressurized gas, through various means.
  • the gas tank 30 is in fact connected by a channel 80 to a means 40, such as a pressure reducer, to put the gas in motion.
  • the gas contained in the reservoir has a molar mass lower than the molar mass of the air. It is recalled that the molar mass of the air is 29 g / mol.
  • This gas may for example be helium or hydrogen.
  • the gas contained in the reservoir 30 has a coefficient of diffusion of solvent vapors of the ink in said gas which is greater than the diffusion coefficient of these same solvent vapors in the air. This can be observed whatever the nature of the solvent, the latter acting in a secondary manner on the value of the diffusion coefficient of the vapors of this solvent in the gas in question.
  • the expander 40 is connected to a flowmeter 50 via a channel 81.
  • the flowmeter 50 is finally connected to the inlet orifice 66 leading to the lower part 60b of the chamber 60 via a channel 82. .
  • the flow meter 50 makes it possible to measure the gas flow rate from the gas reservoir 30 and to adjust this flow rate to a value chosen by the operator.
  • the gas After entering the lower part 60b of the chamber 60, the gas flows along the ink jet head 10, into the housing 23 of the support body 201, before exiting through the orifice 21 formed at the bottom wall 22 of the support body 201.
  • This gas is then projected against the target surface 100, together with the ink from the nozzle 101 of the inkjet head 10. This gas thus flows around the ink drops coming from the nozzle 101 in the same direction and in the same direction, the ink being intended to be deposited on the target surface 100.
  • the gas path from the reservoir is represented by the arrows F.
  • the fluid contained in the volume located between the lower face 22 of the support body 201 and the upper face 105 of the target surface 100 is saturated with a fluid comprising, on the one hand, the gas from the tank 30 and secondly solvent vapors from the ink.
  • the ink used for these applications can be formed by a mixture of a powder, depending on the case of microparticles or nanoparticles, with a solvent.
  • the target surface 100 is generally a substrate.
  • the solvent contained in the drop evaporates to leave only the desired deposit, the solvent vapor then mixing with the fluid in the volume between the support 20 and the substrate 00.
  • the rapid evaporation of the solvent is an important aspect for the resolution of the deposit to be improved.
  • the device 1 advantageously comprises a means 104 for heating the substrate 100 to a desired temperature.
  • This means 104 will generally be disposed on the lower face 106 of the substrate 100, opposed to the so-called upper face 105 of said substrate 100 on which the ink 101 'is deposited.
  • the heating of the substrate 100 actually accelerates the evaporation of the solvent.
  • the orifice 21 may be in the form of a cross, the longitudinal axis of the nozzle 101 then advantageously passing through the center of this orifice 21, as shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c). .
  • the support and more precisely the support body 201 also comprises at least one groove 70, for example annular, opening on the bottom wall of the support body 201 and to reduce turbulence in the fluid included in the volume between the support body 201 and the substrate 100.
  • at least one groove 70 for example annular, opening on the bottom wall of the support body 201 and to reduce turbulence in the fluid included in the volume between the support body 201 and the substrate 100.
  • This groove 70 improves the quality of the deposition performed on the substrate 100, in particular by enabling quality deposits to be obtained over wider ranges of gas flow from the gas reservoir 30. Other means may be provided to limit these turbulence.
  • the support body 201 generally comprises heating means (not shown), with which it is possible to regulate the temperature of said support body 201 and consequently of the nozzle 101 to influence the size of the ink drops.
  • These means of heating may be a heating resistor, a circuit for circulating a fluid at the desired temperature or any other means capable of performing this function.
  • the device 1 according to the invention makes it possible to improve the resolution of the ink deposit obtained on the substrate 100 with respect to the known ink jet devices.
  • FIG. 2 shows four ink lines A, B, C and D deposited on the substrate substrate 100 with the device described in support of FIGS. 1 (a) to 1 (c), for partially different test conditions. .
  • lines A, B, C and D the following experimental conditions are the same.
  • the ink is formed of a mixture of zinc oxide nanoparticles at a concentration by weight of 10% in the solvent, namely ethylene glycol, and the same amount of ink is deposited.
  • the ejection nozzle used has a diameter of 50 ⁇ m and the temperature thereof is 47.degree.
  • the line is deposited in the form of a succession of drops, every 50 ⁇ .
  • the speed of movement of the nozzle relative to the substrate is 450 ⁇ / 5.
  • the speed of the drops from the nozzle 101 is 1.3 m / s. To determine this speed, a tromboscopic detector has been integrated into the device 1.
  • the substrate 100 used has a contact angle, previously measured with a drop of water, which is 40 °.
  • the distance between the nozzle 101 and the substrate 100 is about 1 mm.
  • the tests differ in the temperature of the substrate and / or the presence or absence of fluid from the gas reservoir 30.
  • Line A is not straight and has areas where the ink has spread, due to the temperature (65 ° C) too low substrate 100 which does not evaporate the solvent sufficiently quickly. As a result, the ink tends, in certain areas, to spread over the substrate 100.
  • the line B is rectilinear and well homogeneous, its width having moreover been measured at 56 ⁇ m.
  • this beneficial influence is related to the speed of the gas, in this case helium, which makes it possible to ventilate the solvent vapors around the ink deposited on the substrate.
  • Lines C and D thus represent the results obtained, in the absence of helium injection in the volume located between the support 20 and the substrate 100, for substrate temperatures of 90 ° C. and 95 ° C., respectively.
  • the line C deposited on the substrate is relatively straight, and has a width of the order of 70 ⁇ .
  • Line D present is a little more irregular than line C and has rings that make the deposit inhomogeneous.
  • the width of the line D is also of the order of 70 ⁇ .
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) A second embodiment is shown in Figures 3 (a) and 3 (b).
  • the device 1 ' is distinguished from the device 1 of the first embodiment by the shape of the side walls of the housing 23' and consequently by the shape of the housing 23 'itself, made in the support 20 '.
  • the shape of the chamber 60 ' is also modified.
  • the housing 23 'made in the support 20' has the shape of a nozzle. This shape makes it possible to generate a Venturi effect between the inkjet head and the walls of the housing 23 '.
  • the nozzle opens on the orifice 21 'which therefore has, in a view from below, the shape of a circle in which the nozzle 101 of the ink jet head 10 is located.
  • the housing 23 ' comprises a cylindrical portion 230', below which is provided another portion 231 ', in the form of a constriction.
  • the orientation of the walls of this narrowed portion 231 'of the housing 23' can be defined in the vertical sectional plane of Figure 3 (b) by an angle ⁇ , for example 120 °. This angle is chosen to limit turbulence.
  • the orifice 21 ' has meanwhile a first cylindrical portion 210', of diameter l 2 and height h 2 , below which there is another portion, of conical shape, of height h.
  • the angle ⁇ formed between the walls of this conical part, defined in the vertical section plane of FIG. 3 (b), is advantageously chosen to limit turbulence.
  • the orifice 21 'could provide a simpler shape, for example completely cylindrical.
  • FIG. 4 shows two ink lines A 'and B' deposited on the substrate 100 with the device 1 'described in support of FIGS. 3 (a) and 3 (b), for partially different test conditions.
  • the ink is formed of a mixture of zinc oxide nanoparticles at a concentration of 10% by weight in the solvent, namely ethylene glycol, and the same amount of ink is deposited.
  • the ejection nozzle used has a diameter of 50 ⁇ and the temperature thereof is 47 ° C.
  • the line is deposited in the form of a succession of drops, every 50pm.
  • the speed of movement of the nozzle relative to the substrate is 450 ⁇ / 5.
  • the speed of the ink drops from the nozzle 101 is 3.2 m / s. This speed was measured by a tromboscopic detector. It should be noted that the speed of the gas increases, for these tests, the speed of the drops that would be obtained in the absence of this gas. Indeed, in the absence of gas, this speed is 1, 3m / s, according to the tests carried out with the device 1 of the first embodiment.
  • the substrate 100 used has a previously measured contact angle with a drop of water of 40 ° and its temperature is set at 65 ° C.
  • the flow of fluid from the tank 3 is 510 ml / min.
  • the position of the inkjet head 10 has been adjusted so that the fluid passage section between the ink jet head 10 and its housing 23 'is equal to 4.7mm 2 . This adjustment is performed by translating the cover 203 relative to the vertical wall 202.
  • the distance between the nozzle 101 and the substrate 100 is between 2mm and 3mm. This greater distance than for the tests carried out with the device of the first embodiment comes from the fact that the advancement of the inkjet head 10 in the conical part of the housing 23 'is limited.
  • the tests differ in the nature of the fluid coming from the tank 30.
  • test leading to the ink line A ' was carried out with helium from the tank 30 and the test leading to the ink line B' was carried out with hydrogen.
  • the width of the lines A 'and B' is of the order of 58 ⁇ , the line A 'obtained with the helium being however slightly more rectilinear than the line B' obtained with hydrogen.
  • the lines A 'and B' are to be compared with the line A obtained without fluid injection and for the same substrate temperature of 65 ° C.
  • the nozzle used to obtain the lines A ', B' was different from that used to obtain the line A.
  • the device 1 makes it possible to obtain advantages similar to the advantages highlighted with the device. 1 corresponding to the first embodiment of the invention described above.
  • the device 1 'of the second embodiment also has additional advantages over the device 1 of the first embodiment.
  • the ink jet head when it is desired to deposit ink on target surfaces having an uneven surface, having elevations of several hundred microns or even several millimeters, the ink jet head is generally disposed at a relatively large distance of the target surface. Also, the speed of the ink drops is increased so that the ink jet is not deflected by external disturbances as soon as the head 10 is located at a greater distance from the substrate 100.
  • the known ink jet devices increase the piezoelectric voltage if the actuation of the ink jet head 0 is piezoelectric (or the heating power with a thermal actuator of this type). head). This is accompanied by an increase in the diameter of the drops and consequently a loss of the resolution of the ink deposit thus made.
  • the device 1 'of the second embodiment does not have these disadvantages.
  • the applicant has carried out tests showing the evolution of the speed of the drops coming from the nozzle 101, as a function of the voltage Vi of the piezoelectric actuator, in the absence of fluid injection on the one hand and with injection of fluid from the tank 30, in this case helium on the other hand.
  • a first curve Ci provides the evolution of the speed of the drops from the nozzle, as a function of the voltage of the piezoelectric actuator, in the absence of fluid injection.
  • a second curve C2 provides the evolution of the speed of the drops from the nozzle, as a function of the voltage of the piezoelectric actuator, with an injection of helium at a flow rate of 515 ml / min.
  • the position of the ink jet head 10 has been adjusted so that the fluid passage section between the ink jet head 10 and its housing 23 'is equal to 4.7 mm 2 .
  • a third curve C3 provides the evolution of the speed of the drops from the nozzle, as a function of the voltage of the piezoelectric actuator, with an injection of helium at a flow rate of 1100 ml / min.
  • the position of the ink jet head is identical to that used for the tests resulting in curves Ci and C 2 .
  • the ink is formed of the only solvent, namely ethylene glycol. This has no influence on the speed of the ink drops from the nozzle 101.
  • the ejection nozzle used has a diameter of ⁇ and the temperature thereof is 47 ° C.
  • the line is deposited in the form of a succession of drops, every 50pm.
  • the speed of movement of the nozzle relative to the substrate is 450 ⁇ / 8.
  • the substrate 100 used has a previously measured contact angle with a drop of water of 40 ° and its temperature is set at 65 ° C.
  • the distance between the nozzle 101 and the substrate 100 is between 2mm and 3mm. This greater distance than for the tests carried out with the device of the first embodiment comes from the fact that the advancement of the inkjet head 10 in the conical portion of the housing 23 'is limited.
  • test conditions are provided in order to be able to compare the results obtained with the device 1, according to the invention to a reference (no gas injection) under the same conditions, without defining limiting data for the operation of this device according to the invention.
  • the gas from the reservoir may comprise an additive that makes it possible to modify the contact angle between the ink deposited on the substrate 100 and this substrate.
  • the additive must be suitable for the substrate in question.
  • the additive may be hexadecanethiol for a gold substrate or having a gold surface layer.
  • This gas may also include an additive whose function is to modify the properties of the particles contained in the ink, after deposition on the target surface and evaporation of the solvent.
  • the addition of an additive such as the thiol in the gas coming from the tank 30 makes it possible to obtain a result of the same kind in a single operation.
  • the embodiments presented above have only one outlet port 21, 21 'around the inkjet head 10.
  • the device 1, according to the invention offers, through the injection of a suitable gas into the volume located between the support 20, 20 'and the target surface 100, numerous advantages over the devices. known.
  • One advantage is that it can print ink on target surfaces for reduced temperatures of this target surface.
  • the results shown in Figure 2 demonstrate a temperature gain of 25 ° C to 30 ° C on the temperature, for a similar resolution or even improved, with injection of a suitable gas.
  • the manufacture of the substrate holder and the accuracy of its positioning are facilitated, because the thermal expansion thereof is limited.
  • the life of the surface treatments that can be performed on the substrate is increased. Indeed, when it is desired to deposit an ink on a surface smaller than the diameter of a drop, a hydrophobic zone is delimited around this surface by photolithography and the hydrophobic zone is functionalized, for example with octadecyl trichlorosilane. if the substrate is silicon. The deposited drops then remain confined to the inner surface of the hydrophobic zone. But the life of this hydrophobic treatment strongly depends on the operating temperature of the substrate. The higher the temperature of the substrate, the shorter the life of the treatment.
  • Another advantage relates to the gain in resolution of the deposit thus made.
  • the device 1, V indeed makes significant gains in resolution of the ink line deposited on the target surface relative to known devices. For example, one can refer to the results presented in FIG.
  • the entrainment effect of the drops of ink generated by the speed of the gas coming from the tank 30 makes it possible to reduce the voltage of the piezoelectric actuator. and / or to obtain smaller drops for greater drop speeds and / or to work at greater distances between the support 20 'and the target surface 100, without losing resolution.
  • this makes it possible to print ink on target surfaces having relatively large geometric patterns in height. This is for example the case if it is desired to make a conductive track between a support and an electronic circuit chip.

Landscapes

  • Coating Apparatus (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif à jet d'encre et un procédé associé. Le dispositif (1) comprend une chambre (60) comportant au moins une tête (10) de jet d'encre, un orifice d'entrée (66) pour un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air et au moins un orifice de sortie (21) pour ce gaz, ladite tête (10) étant disposée dans la chambre (60) de telle sorte que le gaz puisse être injecté autour de la tête (10) et évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.

Description

DISPOSITIF A JET D'ENCRE COMPORTANT DES MOYENS D'INJECTION D'UN GAZ AVEC L'ENCRE ET PROCEDE DE JET D'ENCRE ASSOCIE.
La présente invention se rapporte aux techniques à jet d'encre.
Des techniques à jet d'encre sont notamment utilisées dans le domaine des imprimantes et, plus généralement, dans les applications graphiques.
On cherche aujourd'hui à étendre l'application des techniques à jet d'encre dans d'autres domaines que les applications graphiques, comme par exemple en microtechnologies et/ou nanotechnologies.
En effet, les dispositifs à jet d'encre connus sont peu coûteux et fiables. Il serait donc intéressant de bénéficier de ces avantages dans des domaines étrangers à celui des applications graphiques.
Certaines applications présentent cependant des contraintes particulières que les dispositifs à jet d'encre connus ne sont pas en mesure de surmonter.
Ainsi, dans le domaine des nanotechnologies, l'utilisation d'un dispositif à jet d'encre connu est confrontée à des problèmes de résolution de la technique du jet d'encre par rapport à la résolution des techniques usuelles dans ce domaine, comme la photolithographie. En effet, les dispositifs à jet d'encre connus ne permettent pas d'obtenir un dépôt de l'encre sur un substrat dont la qualité d'écriture est aussi précise que celle obtenue avec ces techniques usuelles dans le domaine des nanotechnologies.
Des problèmes similaires sont également rencontrés dans le domaine des microtechnologies.
Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif à jet d'encre capable d'apporter, en particulier dans d'autres domaines que les applications graphiques, une résolution améliorée par rapport aux dispositifs à jet d'encre existants. En particulier, un objectif de l'invention est de proposer un tel dispositif à jet d'encre, pour des applications de microtechnologies et/ou de nanotechnologies.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un tel dispositif à jet d'encre fiable et peu coûteux.
Pour atteindre l'un au moins de ces objectifs, l'invention propose un dispositif à jet d'encre comprenant une chambre comportant au moins une tête de jet d'encre, un orifice d'entrée pour un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air et au moins un orifice de sortie pour ce gaz, ladite tête étant disposée dans la chambre de telle sorte que le gaz puisse être injecté autour de la tête et évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.
Le dispositif pourra prévoir d'autres caractéristiques techniques, prises seules ou en combinaison :
- un support pour la tête de jet d'encre, ledit support comprenant un moyen pour réguler sa température, par exemple une résistance chauffante ou un circuit de chauffage ;
- le support comprend au moins une gorge d'évacuation de fluide ;
- un moyen pour réguler la température d'une surface cible sur laquelle l'encre issue de la tête de jet d'encre est destinée à être déposée ;
- la chambre présente une forme de tuyère, afin d'augmenter la vitesse du gaz autour de la tête de jet d'encre ;
- un moyen pour régler le débit de gaz.
Pour atteindre l'un au moins de ces objectifs, l'invention prévoit encore un procédé de jet d'encre sur une surface cible comprenant les étapes suivantes :
• déposer de l'encre sur la surface cible avec au moins une tête de jet d'encre disposée dans une chambre, ladite encre comportant un solvant susceptible de s'évaporer au contact de la surface cible ;
· injecter un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air dans la chambre, ladite tête étant disposée dans cette chambre de sorte que le gaz ainsi injecté s'écoule autour de la tête puis est évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.
Le procédé pourra prévoir d'autres caractéristiques techniques, prises seules ou en combinaison :
- la température de la surface cible est régulée ;
- le gaz comprend un additif capable de modifier l'angle de contact entre l'encre déposée sur la surface cible et cette surface cible ;
- le gaz comprend un additif capable de fonctionnaliser des particules comprises dans l'encre, après évaporation du solvant de l'encre ;
- le débit de gaz est régulé ;
- le gaz évacué hors de la chambre augmente la vitesse des gouttes d'encre, par effet d'entraînement.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention seront énoncés dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures suivantes :
- la figure 1(a) est un schéma selon une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif à jet d'encre conforme à l'invention ;
- la figure 1(b) est une vue partielle de dessous du dispositif représenté sur la figure 1(a) ;
- la figure 1(c) est un schéma représentant, selon une vue de dessous, le dispositif représenté sur la figure 1(a) au niveau de l'orifice;
- la figure 1(d) est un schéma représentant une vue en coupe A-A de la partie du dispositif représentée sur la figure 1(c) ;
- la figure 2 représente différentes lignes d'encre imprimées sur un substrat avec le dispositif représenté sur les figures 1(a) à 1(d);
- la figure 3(a) est un schéma selon une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif à jet d'encre conforme à l'invention ;
- la figure 3(b) est un schéma du dispositif représenté sur la figure 3(a), selon une vue agrandie au niveau de la tête de jet d'encre ; - la figure 4 représente différentes lignes d'encre imprimées sur un substrat avec le dispositif représenté sur les figures 3(a) et 3(b), en injectant de l'hélium et de l'hydrogène, pour une même température du substrat ;
- la figure 5 représente l'évolution de la vitesse des gouttes d'encre issues d'une tête de jet d'encre, en fonction de la tension appliquée à un actionneur piézoélectrique de cette tête.
Un premier mode de réalisation est représenté sur les figures 1(a) à 1(d).
Le dispositif 1 à jet d'encre comprend un réservoir 110 à jet d'encre, laquelle comprend un solvant susceptible de s'évaporer au contact d'un substrat 100 sur lequel cette encre est destinée à être déposée. Il comprend également une tête 10 à jet d'encre, fluidiquement reliée par l'une de ses extrémités au réservoir 110 d'encre par l'intermédiaire d'un canal 11.
L'autre extrémité de la tête 10 de jet d'encre se termine par une buse 101 d'éjection d'encre, disposée en vis-à-vis de la surface cible 100.
La tête 10 de jet d'encre est actionnée par un système (non représenté) permettant de générer une succession de gouttes d'encre indépendantes. Il peut notamment s'agir d'un système piézoélectrique permettant de générer des gouttes à la demande (« Drop on demand » selon la terminologie anglo-saxonne) en choisissant l'amplitude et la fréquence de commande de ce système, ce qui permet de régler la taille et le débit des gouttes.
On pourrait cependant envisager une tête de jet d'encre permettant de générer des gouttes sous d'autres formes, notamment sous forme de spray.
Le dispositif à jet d'encre 1 comprend également une chambre 60 dans laquelle la tête 10 de jet d'encre est logée.
Cette chambre 60 est formée par les contours d'un support 20 de la tête 10 de jet d'encre, support 20 qui est en l'occurrence constitué de plusieurs parties. En effet, ce support 20 comprend un corps de support 201 , une paroi verticale 202, montée sur la face supérieure 24 du corps de support 201 et, un couvercle 203 monté sur la paroi verticale 202.
La tête 10 de jet d'encre est montée par une extrémité sur le couvercle 203 et le poids de cette tête 10 est alors transmis du couvercle 203 à la paroi verticale 202 puis au corps de support 201 , lequel est monté sur un bâti (non représenté).
La tête 0 de jet d'encre s'étend ainsi dans la chambre 60 en traversant le support 20, et en particulier le corps de support 201 qui prévoit à cet effet un logement 23.
La chambre 60 est séparée en deux parties 60a, 60b étanches l'une à l'autre grâce à un joint torique 63 disposé à la fois autour de la tête de jet d'encre 10 et contre la partie interne de la paroi verticale 202.
Le couvercle 203 peut être monté mobile par rapport à la paroi verticale 202, de façon à autoriser un mouvement en translation de ce couvercle par rapport à la paroi verticale 202. Ce mouvement s'effectue selon l'axe longitudinal A de la tête 10 de jet d'encre. Il est représenté par la flèche Fi sur les figures annexées.
Ceci permet de régler la position de la tête 10 de jet d'encre par rapport à la surface cible 100.
Dans ce cas, la partie supérieure 60a de cette chambre 60 comprend avantageusement un moyen élastique 65, tel qu'un ressort, disposé entre une plaque 64 montée sur la partie interne du couvercle 203 et la paroi verticale 202. Ce ressort 65 permet d'aller à encontre d'un effort susceptible d'être exercé sur la partie supérieure du couvercle 203, ce qui permet à la tête 10 de jet d'encre de revenir dans une position de référence.
En variante, on pourrait avoir un dispositif plus simple, dans lequel la position de la tête 10 de jet d'encre ne peut pas être réglée.
Par ailleurs, la partie inférieure 60b de la chambre 60 comprend un orifice d'entrée 66 pour un gaz et un orifice de sortie 21 pour ce gaz, la tête 10 étant agencée dans la chambre 60 de sorte que le gaz puisse être injecté autour de la tête 10 et évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.
L'orifice de sortie 21 est formé au niveau de la paroi inférieure 22 du corps de support 201 , cette paroi inférieure 22 étant opposée à la paroi supérieure 24 de ce corps de support 201.
L'orifice d'entrée 66 de la chambre 60 est relié à un réservoir 30 comprenant un gaz sous pression, par l'intermédiaire de divers moyens.
Le réservoir de gaz 30 est en effet relié par un canal 80 à un moyen 40, tel qu'un détendeur, pour mettre le gaz en mouvement.
Le gaz contenu dans le réservoir présente une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air. On rappelle que la masse molaire de l'air vaut 29 g/mol.
On peut ainsi qualifier le gaz contenu dans le réservoir de « léger ». Ce gaz peut par exemple être de l'hélium ou de l'hydrogène.
Du fait de sa masse molaire, le gaz contenu dans le réservoir 30 présente un coefficient de diffusion des vapeurs du solvant de l'encre dans ledit gaz qui est supérieur au coefficient de diffusion de ces mêmes vapeurs de solvant dans l'air. Ceci peut être constaté quelle que soit la nature du solvant, celle-ci agissant de manière secondaire sur la valeur du coefficient de diffusion des vapeurs de ce solvant dans le gaz considéré.
Le détendeur 40 est quant à lui relié à un débitmètre 50 par l'intermédiaire d'un canal 81. Le débitmètre 50 est enfin relié à l'orifice d'entrée 66 menant à la partie inférieure 60b de la chambre 60 par un canal 82.
Le débitmètre 50 permet de mesurer le débit de gaz issu du réservoir de gaz 30 et d'ajuster ce débit à une valeur choisie par l'opérateur.
D'autres moyens pour mettre en mouvement le gaz pourraient être employés.
Après être entré dans la partie inférieure 60b de la chambre 60, le gaz s'écoule le long de la tête 10 de jet d'encre, dans le logement 23 du corps de support 201 , avant de sortir par l'orifice 21 formé au niveau de la paroi inférieure 22 de ce corps de support 201.
Ce gaz est alors projeté contre la surface cible 100, en même temps que l'encre issue de la buse 101 de la tête 10 de jet d'encre. Ce gaz s'écoule donc autour des gouttes d'encre issues de la buse 101 selon la même direction et le même sens, l'encre étant destinée à être déposée sur la surface cible 100.
Le parcours du gaz issu du réservoir est représenté représenté par les flèches F.
En fonctionnement, pour des applications en microtechnologies ou nanotechnologies, le fluide contenu dans le volume situé entre la face inférieure 22 du corps de support 201 et la face supérieure 105 de la surface cible 100 est saturé avec un fluide comprenant, d'une part le gaz provenant du réservoir 30 et d'autre part, des vapeurs de solvant provenant de l'encre.
En effet, l'encre utilisée pour ces applications peut être formée par un mélange d'une poudre, selon le cas de microparticules ou de nanoparticules, avec un solvant. Pour ces applications, la surface cible 100 est généralement un substrat.
Aussi, lorsqu'une goutte 101 ' d'encre est déposée sur le substrat 100, le solvant contenu dans la goutte s'évapore pour ne laisser que le dépôt désiré, les vapeurs de solvant se mélangeant alors au fluide compris dans le volume situé entre le support 20 et le substrat 00.
La rapidité de l'évaporation du solvant est un aspect important pour que la résolution du dépôt soit améliorée.
Or, il s'avère, comme cela sera expliqué par la suite, que l'injection d'un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air permet d'améliorer sa résolution.
Le dispositif 1 comprend avantageusement un moyen 104 pour chauffer le substrat 100 à une température souhaitée. Ce moyen 104 sera généralement disposé sur la face inférieure 106 du substrat 100, opposée à la face 105 dite supérieure dudit substrat 100 sur laquelle est déposée l'encre 101 '. Le chauffage du substrat 100 accélère en effet l'évaporation du solvant.
L'orifice 21 peut se présenter sous la forme d'une croix, l'axe longitudinal de la buse 101 passant alors avantageusement par le centre de cet orifice 21 , comme cela est représenté sur les figures 1(b) et 1(c).
Avantageusement, le support et plus précisément le corps de support 201 comprend également au moins une gorge 70, par exemple annulaire, débouchant sur la paroi inférieure du corps de support 201 et permettant de réduire les turbulences dans le fluide compris dans le volume situé entre le corps de support 201 et le substrat 100.
Cette gorge 70 améliore la qualité du dépôt effectué sur le substrat 100, en permettant notamment d'obtenir des dépôts de qualité sur de plus larges gammes de débit de gaz provenant du réservoir de gaz 30. D'autres moyens peuvent être prévus pour limiter ces turbulences.
Enfin, le corps de support 201 comprend généralement un moyen (non représenté) de chauffage, avec lequel il est possible de réguler la température dudit corps de support 201 et par suite, de la buse 101 pour influer sur la taille des gouttes d'encre issues de la buse 101. Ce moyen de chauffage peut être une résistance chauffante, un circuit permettant de faire circuler un fluide à la température souhaitée ou tout autre moyen susceptible de remplir cette fonction.
Le dispositif 1 selon l'invention permet d'améliorer la résolution du dépôt d'encre obtenu sur le substrat 100 par rapport aux dispositifs à jet d'encre connus.
Le demandeur a en effet effectué des tests permettant de mettre en évidence l'intérêt de l'invention. Les résultats de ces tests sont représentés sur la figure 2.
La figure 2 représente quatre lignes d'encre A, B, C et D déposées sur le substrat substrat 100 avec le dispositif décrit à l'appui des figures 1(a) à 1(c), pour des conditions de test en partie différentes. Pour les lignes A, B, C et D, les conditions expérimentales qui suivent sont les mêmes.
L'encre est formée d'un mélange de nanoparticules d'oxyde de zinc à une concentration en poids de 10% dans le solvant, à savoir de l'éthylène glycol, et une même quantité d'encre est déposée.
La buse d'éjection utilisée présente un diamètre de 50μιη et la température de celle-ci est de 47°C.
La ligne est déposée sous la forme d'une succession de gouttes, tous les 50μπι.
La tête de jet d'encre est actionnée par un actionneur piézoélectrique, à la tension V-i = 35 Volts.
La vitesse de déplacement de la buse par rapport au substrat est de 450μΓη/5.
La vitesse des gouttes issues de la buse 101 est de 1 ,3m/s. Pour déterminer cette vitesse, un détecteur tromboscopique a été intégré dans le dispositif 1.
Le substrat 100 utilisé présente un angle de contact, préalablement mesuré avec une goutte d'eau, qui est de 40°.
L'orifice 21 présente donc une forme en croix, avec une longueur L = 5mm et une largeur I = 1mm, les paramètres L et I étant représentés sur la figure 1(c). Cet orifice 21 reçoit en son centre la buse 101 , dont le diamètre externe est d'environ 500μηι.
Enfin, la distance entre la buse 101 et le substrat 100 est d'environ 1 mm.
En revanche, les tests diffèrent par la température du substrat et/ou par la présence ou l'absence de fluide provenant du réservoir de gaz 30.
Ainsi, la ligne A correspond au dépôt de l'encre avec une température de substrat TSU strat = 65°C, sans injection de fluide provenant du réservoir de gaz 30. La ligne B correspond au dépôt de l'encre avec une température de substrat TSUbstrat = 65°C, avec injection d'hélium provenant du réservoir 30 au débit de 374 ml/mn. La ligne C correspond au dépôt de l'encre avec une température de substrat TSUbstrat = 90°C, sans injection de gaz provenant du réservoir 30. La ligne D correspond au dépôt de l'encre avec une température de substrat Tsubstrat = 95°C, sans injection de gaz provenant du réservoir 30.
La ligne A n'est pas rectiligne et présente des zones où l'encre s'est étalée, en raison de la température (65°C) trop faible du substrat 100 qui ne permet pas d'évaporer le solvant suffisamment rapidement. Par suite, l'encre a tendance, dans certaines zones, à s'étaler sur le substrat 100.
En revanche, pour une température identique (65°C) du substrat 00, la ligne B est rectiligne et bien homogène, sa largeur ayant été par ailleurs mesurée à 56μιη.
En comparant les lignes A et B, on note donc l'influence bénéfique de l'injection d'hélium dans le volume formé entre le support 20 et le substrat 100.
Cette influence bénéfique est liée au fait que le coefficient de diffusion des vapeurs de solvant, en l'occurrence des vapeurs d'éthylène glycol, dans l'hélium est plus élevé que le coefficient correspondant dans l'air. Ceci est lié à la faible masse molaire de l'hélium, si bien qu'un résultat de même nature serait obtenu avec un autre type de solvant.
Par ailleurs, les inventeurs considèrent également que cette influence bénéfique est liée à la vitesse du gaz, en l'occurrence de l'hélium, laquelle permet de ventiler les vapeurs de solvant autour de l'encre déposée sur le substrat.
Après avoir effectué les tests correspondant aux lignes A et B, plusieurs tests ont été effectués, sans injection d'hélium dans le volume situé entre le support 20 et le substrat 100, en augmentant la température du substrat 100 de 5°C à chaque fois et ce, afin d'identifier à partir de quelle température du substrat il était possible de retrouver approximativement la qualité du dépôt obtenu avec le test ayant conduit à la ligne B. Les lignes C et D représentent ainsi les résultats obtenus, en l'absence d'injection d'hélium dans le volume situé entre le support 20 et le substrat 100, pour des températures du substrat de 90°C et 95°C respectivement.
La ligne C déposée sur le substrat est relativement rectiligne, et présente une largeur de l'ordre de 70μιη.
La ligne D présente est un peu plus irrégulière que la ligne C et comporte des anneaux qui rendent le dépôt non homogène. La largeur de la ligne D est également de l'ordre de 70μΐη.
A des températures strictement inférieures à 90°C, l'évaporation du solvant compris dans l'encre est trop lente, si bien que la ligne d'encre déposée sur le substrat n'est pas rectiligne. Par ailleurs, à des températures strictement supérieures à 95°C, l'évaporation du solvant contenu dans l'encre est trop rapide et la qualité du dépôt n'est pas acceptable.
De ces tests, on déduit donc que l'injection d'hélium dans le volume situé entre le support 20 et le substrat 100, permet d'obtenir une résolution (largeur de la ligne déposée de 56μιη) meilleure que la résolution susceptible d'être obtenue en l'absence d'injection d'hélium (largeur de la ligne de l'ordre de 70μΐη), tout en diminuant la température de chauffage du substrat de 25°C à 30°C.
Un test additionnel a également été effectué en remplaçant l'hélium par de l'hydrogène, le débit de l'hydrogène et la température de substrat étant identiques au test effectué avec l'hélium et les autres conditions de test étant les mêmes et conformes aux conditions mentionnées ci-dessus.
Ce test a montré que l'hydrogène permettait d'obtenir une qualité de dépôt comparable à celle obtenue avec l'hélium. En particulier, la ligne déposée dans ces conditions avec l'hydrogène est rectiligne et présente une largeur de l'ordre de 56μηη.
Un deuxième mode de réalisation est représenté sur les figures 3(a) et 3(b). Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif 1 ' se distingue du dispositif 1 du premier mode de réalisation par la forme des parois latérales du logement 23' et par suite, par la forme du logement 23' lui- même, réalisé dans le support 20'.
Ainsi, la forme de la chambre 60' est également modifiée.
C'est également le cas de la forme de l'orifice 21'.
En effet, le logement 23' réalisé dans le support 20' présente la forme d'une tuyère. Cette forme permet de générer un effet Venturi entre la tête de jet d'encre et les parois du logement 23'.
La tuyère débouche sur l'orifice 21 ' qui présente donc, selon une vue de dessous, la forme d'un cercle dans lequel se situe la buse 101 de la tête 10 de jet d'encre.
Un exemple pour la forme du logement 23' et celle de l'orifice 21 ' est montré de façon plus détaillée sur la figure 3(b).
Le logement 23' comprend une partie cylindrique 230', en dessous de laquelle est prévue une autre partie 231 ', se présentant sous la forme d'un rétrécissement. L'orientation des parois de cette partie rétrécie 231 ' du logement 23' peut être définie, dans le plan de coupe vertical de la figure 3(b) par un angle a, par exemple de 120°. Cet angle a est choisi pour limiter les turbulences.
L'orifice 21 ' présente quant à lui une première partie cylindrique 210', de diamètre l2 et de hauteur h2, en dessous de laquelle se situe une autre partie, de forme conique, de hauteur h . L'angle ai formé entre les parois de cette partie conique, défini dans le plan de coupe vertical de la figure 3(b) est avantageusement choisi pour limiter les turbulences. Cependant, l'orifice 21 ' pourrait prévoir une forme plus simple, par exemple complètement cylindrique.
Les autres caractéristiques du dispositif V selon ce deuxième mode de réalisation sont les mêmes que les caractéristiques présentées pour le dispositif 1 du premier mode de réalisation, des références identiques entre les deux modes de réalisation se rapportant aux mêmes éléments. Le demandeur a effectué des tests permettant de mettre en évidence l'intérêt de ce deuxième mode de réalisation de l'invention. Les résultats de ces tests sont représentés sur la figure 4.
La figure 4 représente deux lignes d'encre A' et B' déposées sur le substrat 100 avec le dispositif 1 ' décrit à l'appui des figures 3(a) et 3(b), pour des conditions de test en partie différentes.
Pour les deux lignes A', B', les conditions expérimentales qui suivent sont les mêmes.
L'encre est formée d'un mélange de nanoparticules d'oxydes de zinc à une concentration en poids de 10% dans le solvant, à savoir de l'éthylène glycol, et une même quantité d'encre est déposée.
La buse d'éjection utilisée présente un diamètre de 50μιτι et la température de celle-ci est de 47°C.
La ligne est déposée sous la forme d'une succession de gouttes, tous les 50pm.
La tête de jet d'encre est actionnée par un actionneur piézoélectrique, à la tension Vi = 50 Volts.
La vitesse de déplacement de la buse par rapport au substrat est de 450μηι/5.
La vitesse des gouttes d'encre issues de la buse 101 est de 3,2 m/s. Cette vitesse a été mesurée par un détecteur tromboscopique. Il convient de noter que la vitesse du gaz augmente, pour ces tests, la vitesse des gouttes qui seraient obtenues en l'absence de ce gaz. En effet, en l'absence de gaz, cette vitesse est de 1 ,3m/s, conformément aux tests effectués avec le dispositif 1 du premier mode de réalisation.
Le substrat 100 utilisé présente un angle de contact préalablement mesuré avec une goutte d'eau de 40° et sa température est fixée à 65°C.
Le débit de fluide provenant du réservoir 3 est de 510 ml/mn. Par ailleurs, la position de la tête de jet d'encre 10 a été réglée de sorte que la section de passage du fluide entre la tête de jet d'encre 10 et son logement 23' soit égal à 4,7mm2. Ce réglage est effectué en translatant le couvercle 203 par rapport à la paroi verticale 202.
Pour ces tests, la distance entre la buse 101 et le substrat 100 est comprise entre 2mm et 3mm. Cette distance plus importante que pour les tests effectués avec le dispositif du premier mode de réalisation vient du fait que l'avancement de la tête 10 de jet d'encre dans la partie conique du logement 23' est limité.
Enfin, l'orifice 21 ' présente les caractéristiques géométriques suivantes : hi = 2,5mm ; = 1 ,5mm ; b = 2,5mm et a, = 15°.
En revanche, les tests diffèrent par la nature du fluide provenant du réservoir 30.
En effet, le test conduisant à la ligne d'encre A' a été effectué avec de l'hélium provenant du réservoir 30 et le test conduisant à la ligne d'encre B' a été effectué avec de l'hydrogène.
Dans les deux cas, la largeur des lignes A' et B' est de l'ordre de 58μιη, la ligne A' obtenue avec l'hélium étant cependant légèrement plus rectiligne que la ligne B' obtenue avec de l'hydrogène.
Les lignes A' et B' sont à comparer avec la ligne A obtenue sans injection de fluide et pour une même température de substrat de 65°C. La buse utilisée pour l'obtention des lignes A', B' était différente de celle utilisée pour l'obtention de la ligne A. Pour cette raison, la tension du piézoélectrique a été réglée à V-ι = 50V pour les tests relatifs aux lignes d'encre A' et B', afin d'obtenir, en l'absence de tout débit de gaz, une vitesse des gouttes d'encre de 1 ,3m/s identique à la vitesse des gouttes d'encre pour le test relatif à la ligne d'encre A.
On obtient donc une résolution améliorée avec l'injection d'hélium ou d'hydrogène, par rapport au test conduisant à la ligne A. Plus généralement, le dispositif 1 ' permet d'obtenir des avantages similaires aux avantages mis en évidence avec le dispositif 1 correspondant au premier mode de réalisation de l'invention décrit précédemment. Le dispositif 1 ' du deuxième mode de réalisation présente par ailleurs des avantages supplémentaires, par rapport au dispositif 1 du premier mode de réalisation.
Ainsi, la mise en œuvre d'un effet d'entraînement des gouttes d'encre issues de la tête 10 par le gaz issu du réservoir 30 est particulièrement avantageuse.
En effet, dans les dispositifs à jet d'encre connus, il peut s'avérer nécessaire d'augmenter la vitesse des gouttes d'encre.
Par exemple, lorsque l'on souhaite déposer de l'encre sur des surfaces cibles ayant une surface irrégulière, présentant des dénivelés de plusieurs centaines de microns, voire plusieurs millimètres, la tête de jet d'encre est généralement disposée à une distance relativement importante de la surface cible. Aussi, la vitesse des gouttes d'encre est augmentée pour que le jet d'encre ne soit pas dévié par des perturbations extérieures dès que la tête 10 se situe à plus grande distance du substrat 100.
Pour augmenter la vitesse des gouttes d'encre, les dispositifs à jet d'encre connus augmentent la tension du piézoélectrique si l'actionnement de la tête de jet d'encre 0 est piézoélectrique (ou la puissance de chauffage avec un actionneur thermique de cette tête). Ceci s'accompagne d'une augmentation du diamètre des gouttes et par suite, d'une perte de la résolution du dépôt d'encre ainsi effectué.
Le dispositif 1 ' du deuxième mode de réalisation ne présente pas ces inconvénients.
Le déposant a effectué des tests montrant l'évolution de la vitesse des gouttes issues de la buse 101 , en fonction de la tension Vi de l'actionneur piézoélectrique, en l'absence d'injection de fluide d'une part et avec injection de fluide provenant du réservoir 30, en l'occurrence de l'hélium d'autre part.
Les résultats sont représentés sur la figure 5. Une première courbe Ci fournit l'évolution de la vitesse des gouttes issues de la buse, en fonction de la tension de l'actionneur piézoélectrique, en l'absence d'injection de fluide.
Une deuxième courbe C2 fournit l'évolution de la vitesse des gouttes issues de la buse, en fonction de la tension de l'actionneur piézoélectrique, avec une injection d'hélium à un débit de 515ml/mn. Par ailleurs, la position de la tête de jet d'encre 10 a été réglée de sorte que la section de passage du fluide entre la tête de jet d'encre 10 et son logement 23' soit égal à 4,7 mm2.
Une troisième courbe C3 fournit l'évolution de la vitesse des gouttes issues de la buse, en fonction de la tension de l'actionneur piézoélectrique, avec une injection d'hélium à un débit de 1100ml/mn. La position de la tête de jet d'encre est identique à celle utilisé pour les tests aboutissant aux courbes Ci et C2.
Les autres conditions de tests, identiques, sont les suivantes.
L'encre est formée du seul solvant, à savoir de l'éthylène glycol. Ceci n'a pas d'influence sur la vitesse des gouttes d'encre issues de la buse 101.
La buse d'éjection utilisée présente un diamètre de δθμιτι et la température de celle-ci est de 47°C.
La ligne est déposée sous la forme d'une succession de gouttes, tous les 50pm.
La vitesse de déplacement de la buse par rapport au substrat est de 450μηι/8.
Le substrat 100 utilisé présente un angle de contact préalablement mesuré avec une goutte d'eau de 40° et sa température est fixée à 65°C.
Pour ces tests, la distance entre la buse 101 et le substrat 100 est comprise entre 2mm et 3mm. Cette distance plus importante que pour les tests effectués avec le dispositif du premier mode de réalisation vient du fait que l'avancement de la tête 10 de jet d'encre dans la partie conique du logement 23' est limité.
En comparant les différentes courbes Ci à C3, on note que l'évolution est sensiblement linéaire. En revanche, pour une même tension V1, on note effectivement que l'augmentation du débit d'hélium permet d'augmenter la vitesse des gouttes.
Cela caractérise l'effet d'entraînement des gouttes d'encre généré par l'écoulement d'hélium.
Les tests présentés précédemment ne sont que des exemples pour illustrer les avantages liés à l'invention. En particulier, les conditions de tests qui sont détaillées sont fournies afin de pouvoir comparer les résultats obtenus avec le dispositif 1 , l' selon l'invention à une référence (absence d'injection de gaz) dans les mêmes conditions, sans pour autant définir des données limitatives pour le fonctionnement de ce dispositif selon l'invention.
Le gaz issu du réservoir peut comprendre un additif permettant de modifier l'angle de contact entre l'encre déposée sur le substrat 100 et ce substrat. A cet effet, l'additif doit être approprié pour le substrat considéré. Par exemple, l'additif peut être de l'hexadecanethiol pour un substrat en or ou comportant une couche de surface en or.
On modifie ainsi les propriétés de contact entre l'encre et le substrat. Plus précisément, la résolution du dépôt d'encre effectué augmente quand l'angle de contact entre l'encre et le substrat augmente.
Ce gaz peut également comprendre un additif dont la fonction est de modifier les propriétés des particules contenues dans l'encre, après dépôt sur la surface cible et évaporation du solvant.
L'intérêt de l'ajout d'un tel additif est expliqué ci-dessous à l'aide d'un exemple.
Avec les dispositifs connus, il est possible de déposer des nanoparticules d'argent (ou de cuivre) sur une surface à partir d'une encre contenant des nanoparticules d'argent (ou de cuivre) en suspension dans un solvant pour réaliser, par exemple, une ligne conductrice. L'argent ou le cuivre s'oxydent à l'air. On peut les protéger de cette oxydation en les fonctionnalisant par un thiol. Avec ces dispositifs connus, il y a alors deux opérations successives. Une première opération de dépôt de l'encre sur le substrat et une deuxième opération de fonctionnalisation des nanoparticules contenues dans l'encre, après évaporation du solvant.
Dans le cadre de l'invention, l'ajout d'un additif comme le thiol dans le gaz provenant du réservoir 30 permet d'aboutir à un résultat de même nature, en une seule opération.
Le procédé est ainsi beaucoup plus simple à mettre en œuvre.
Les modes de réalisation de l'invention présentés précédemment sont donnés à titre d'exemples. D'autres variantes peuvent être envisagées.
En particulier, les modes de réalisation présentés précédemment ne comportent qu'un orifice de sortie 21 , 21' autour de la tête 10 de jet d'encre. On pourrait cependant envisager plusieurs orifices de sortie disposés autour de la tête.
En particulier également, plusieurs têtes de jet d'encre avec un ou plusieurs orifices pourraient également être envisagées.
Finalement, le dispositif 1 , l' selon l'invention offre, par l'intermédiaire de l'injection d'un gaz adapté dans le volume situé entre le support 20, 20' et la surface cible 100 de nombreux avantages par rapport aux dispositifs connus.
Un avantage est de pouvoir imprimer de l'encre sur des surfaces cibles pour des températures réduites de cette surface cible. Par exemple, les résultats représentés sur la figure 2 mettent en évidence un gain en température de 25°C à 30°C sur la température, pour une résolution voisine voire même améliorée, avec injection d'un gaz adapté.
On peut ainsi imprimer sur des substrats en polymères ne supportant pas des températures élevées, tout en maintenant la résolution du dépôt effectué. On peut également imprimer des matériaux, dilués dans le solvant de l'encre, ne supportant pas des températures élevées, tels que des encres comportant des composés biologiques.
Par ailleurs, ce gain en température sur le substrat limite les coûts de fabrication et d'utilisation du dispositif.
En particulier, dans le domaine des nanotechnologies ou des microtechnologies, la fabrication du porte-substrat et la précision de son positionnement sont facilitées, du fait que la dilatation thermique de celui-ci est limitée.
De plus, la durée de vie des traitements de surface susceptibles d'être réalisés sur le substrat est augmentée. En effet, lorsque l'on souhaite déposer une encre sur une surface plus petite que le diamètre d'une goutte, on délimite une zone hydrophobe autour de cette surface par photolithographie et on fonctionnalise la zone hydrophobe, par exemple avec de l'octadécyl trichlorosilane si le substrat est en silicium. Les gouttes déposées restent alors confinées sur la surface interne à la zone hydrophobe. Mais la durée de vie de ce traitement hydrophobe dépend fortement de la température de fonctionnement du substrat. Plus la température du substrat est élevée, plus la durée de vie du traitement diminue.
Un autre avantage concerne le gain en résolution du dépôt ainsi effectué.
Le dispositif 1 , V permet en effet des gains importants en résolution de la ligne d'encre déposée sur la surface cible par rapport aux dispositifs connus. On peut par exemple se référer aux résultats présentés sur la figure 2.
Par ailleurs, il est possible de choisir des buses de plus grand diamètre que les buses connues, pour éviter des problèmes de colmatage, sans perdre en résolution.
De plus, dans le cas particulier du dispositif l', l'effet d'entraînement des gouttes d'encre généré par la vitesse du gaz issu du réservoir 30 permet de diminuer la tension de l'actionneur piézoélectrique et/ou d'obtenir des gouttes plus petites pour de plus grandes vitesses de gouttes et/ou de travailler à des distances plus importantes entre le support 20' et la surface cible 100, sans perdre en résolution.
En particulier, cela permet d'imprimer de l'encre sur des surfaces cibles comportant des motifs géométriques relativement importants en hauteur. C'est par exemple le cas si l'on souhaite réaliser une piste conductrice entre un support et une puce de circuit électronique.
L'utilisation de telles encres, à point d'ébullition élevée, diminue le risque de colmatage des buses durant les phases d'arrêt et de démarrage du dispositif à jet d'encre.
Le fait de travailler sous atmosphère saturée avec un tel gaz, comme l'hélium ou l'hydrogène, permet par ailleurs de s'affranchir des conditions environnementales extérieures et en particulier, du taux d'humidité de l'air ambiant. Par suite, on améliore la reproductibilité des conditions de dépôt de l'encre sur la surface cible.
Enfin, il convient de noter que les tests présentés ont été effectués avec de l'hélium ou de l'hydrogène. Ces gaz présentant une masse molaire très faible, les inventeurs estiment qu'ils sont particulièrement avantageux.
Pour autant, l'utilisation d'autres gaz comme le néon, le fluor, le méthane, l'éthane voire même l'azote (N2) pourrait être envisagée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1 , 1 ') à jet d'encre comprenant une chambre (60, 60') comportant au moins une tête (10) de jet d'encre, un orifice d'entrée (66) pour un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air et au moins un orifice de sortie (21 , 21 ') pour ce gaz, ladite tête (10) étant disposée dans la chambre (60, 60') de telle sorte que le gaz puisse être injecté autour de la tête (10) et évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel il est prévu un support (20, 20') pour la tête (10) de jet d'encre, ledit support (20, 20') comprenant un moyen pour réguler sa température, par exemple une résistance chauffante ou un circuit de chauffage.
3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le support (20, 20') comprend au moins une gorge (70) d'évacuation de fluide.
4. Dispositif à jet d'encre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu un moyen (104) pour réguler la température d'une surface cible (100) sur laquelle l'encre issue de la tête (10) de jet d'encre est destinée à être déposée.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la chambre (60') présente une forme de tuyère, afin d'augmenter la vitesse du gaz autour de la tête (10) de jet d'encre.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu un moyen (50) pour régler le débit de gaz.
7. Procédé de jet d'encre sur une surface cible (100) comprenant les étapes suivantes : déposer de l'encre sur la surface cible avec au moins une tête (10) de jet d'encre disposée dans une chambre (60, 60'), ladite encre comportant un solvant susceptible de s'évaporer au contact de la surface cible;
injecter un gaz présentant une masse molaire inférieure à la masse molaire de l'air dans la chambre (60, 60'), ladite tête étant disposée dans cette chambre de sorte que le gaz ainsi injecté s'écoule autour de la tête puis est évacué hors de la chambre avec l'encre issue de la tête.
8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la température de la surface cible (100) est régulée.
9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le gaz comprend un additif capable de modifier l'angle de contact entre l'encre déposée sur la surface cible et cette surface cible.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel le gaz comprend un additif capable de fonctionnaliser des particules comprises dans l'encre, après évaporation du solvant de l'encre.
11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel le débit de gaz est régulé.
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