喷墨打印微制造技术：液滴体积改变的印制带

一个喷墨打印头或多个喷墨打印头中穿过喷嘴的液滴体积变化影响颜色均匀性^[23]。如果更多液滴体积是放置在一个像素中，这个亚像素与相邻亚像素相比会出现一个密集的颜色。这实际上是热颜色认知问题，这决定了对颜色变化的可接受的容错度，也就是对液滴体积变化的可接受的容错度。同步穿过喷嘴的液滴体积的传统方法主要是使用视觉系统，如图13.9所示。直接方法是用检测到的液滴边缘来计算它们的体积或者液滴面积与其他液滴进行比较。另一种方法是同步穿过喷嘴的液滴体积。第三种方法是测量在基板上沉积的液滴的表面轮廓，用激光共聚焦显微镜、白光干涉仪等仪器可获得它们的体积。

图13.9 不同液滴体积的校准方法

通常，液滴体积是用CCD照相机和LED闪光灯获取的（见图13.10），其中LED脉冲与喷射触发信号同步。LED通常的脉冲时间是几微秒，因此在如此短的时间内不足的光落在CCD传感器上。另一方面，CCD通常的快门速度是几十毫秒。实际上，液滴在几到几十千赫下喷出的一幅冰冻图像是来自几十到几百个图像的叠加。重叠补充了光的不足，但是每个喷出液滴的细微差别影响了全部图像的质量。结果，因为捕获的液滴的多幅图的叠加，液滴的边缘模糊。如图13.10f所示。图像污点的另一个来源是液滴的动力。当一个液滴喷出喷嘴，它的速度是几到十几米每秒。因为LED通常脉冲时间是几微秒，在LED闪光期间液滴移动几到几十微米。

LED闪光灯的光强也影响了液滴的尺寸测量。如图13.11所示，虽然使用同样的注射条件，但随着LED闪光灯光强的改变测量的液滴尺寸不同。在使液滴体积标准化上最关键的不确定性问题是长度测量发现异常液滴体积。如果假设颜色改变可接受的限度是±2%且液滴直径为35μm，然后可接受的液滴直径范围为34.8～35.2μm，这意味着长度测量需要检测超出±2%的液滴体积，这几乎比得上紫外线波长，即232～235nm，这远远超出了视觉系统的最好为几微米实际上为几十微米的光学分辨率极限。在这种情况下，表面形貌测量使用共焦的激光扫描显微镜或者白光干涉仪可能在计算基板上固着液滴的体积上是个更好的选择。然而，虽然垂直分辨率是几十纳米高，但是值得注意的是横向分辨率是和CCD基础视觉系统一样差。此外，在陡峭边缘表面轮廓测量是不准确的，而且测量速度比较缓慢。

上面提到的所有不确定性的来源使得当前基于视觉系统检测和校准喷出喷嘴的液滴体积不准确，以至于要匹配它们。因此，使用固有的更好的体积一致性的喷墨打印头是关键性的。此外，喷嘴直径的减小需要将喷出的液滴置于一个小的亚像素中，对于飞利浦公司polyLED的小尺寸聚合物发光二极管（PLED）显示器，宽度和长度分别为45μm和120μm^[24]。为了在有足够间隙的小亚像素中沉积液滴，液滴的尺寸应该小于或等于27μm。结果，近年来，喷墨打印头制造上试图去改善喷墨打印头的质量，当前的硅微机电系统（MEMS）被使用在喷墨打

图13.10 CCD照相机的视觉捕获图像

图13.11 LED闪光灯光强度对检测液体体积的影响

印头的制造上^[25]。随着制造工具的改善，喷嘴直径变得更小，如图13.12所示^[26]。

图13.12 液滴尺寸和体积的下降趋势(www.xing528.com)

图13.13 不同尺寸屏幕的亚像素尺寸比较

在大面积TFT LCD滤色器的制造上，以前对喷嘴直径减少的需求需要被改变。甚至对最小的32in屏幕，TFT LCD的亚像素尺寸是大到足够忽视液滴的位置误差，如图13.13所示。如果喷出喷嘴的液滴体积较小，那么就需要更多的液滴来填满亚像素。如果印制速度是相同的，那么对更小的喷嘴来说在同样的印制长度下必须喷出更多的液滴，这就意味着喷射频率增加。随着喷射频率的增加，复杂的声学共振和反共振行为出现^[27，28]，这可能会使喷墨打印更难。而且，更小喷嘴的喷墨打印头的成本更高，它的维护也更难。

因此，在TFT LCD滤色器的制造上，体积浓度、生产率、成本和维护等方面发展有更小喷嘴的喷墨打印头是否是个更好的选择，这需要重新评估。因为没有方法制造具有给定公差的喷嘴，所以在0.25μm增量下范围涵盖-2～2μm，用喷嘴直径为30μm、40μm和50μm的MicroFab喷墨打印头（MicroFab Technol-ogies公司，普莱诺，德克萨斯州，美国）进行了数值模拟^[23]。操作条件是上升和下降时间为3μs，停顿时间为15μs，驱动电压为30V，喷射频率为2kHz。用作数值模拟的墨水的乙二醇的物理性能有表面张力为50mN/m，动态黏度为20mPa，密度为1113kg/m³，在室温下声速为1680m/s。

如图13.14所示，随着喷嘴直径增加，喷嘴对液滴体积变化的公差趋向于降低。另一方面，随着喷嘴直径增加，液滴速度变化趋向于增加。这意味着如果有大的喷嘴直径，在液滴体积上的任何异常都更容易被检测到。这些结果表明，以前的用有小喷嘴的喷墨打印头制造大面积TFT LCD滤色器的方法需要重新考虑。应当扩大喷嘴直径而不是减小喷嘴直径，因为在液体体积上大的喷嘴直径有更好的一致性，并且速度测量能更好地检测到异常液滴。这样的喷墨打印头不仅更便宜，而且更容易维护且具有更长的寿命。

图13.14 喷嘴公差的归一化误差

a）液滴体积

图13.14 喷嘴公差的归一化误差（续）

b）液滴速度