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噴墨打印技術背后的波形淺析

  • 發布日期:2019-05-17 瀏覽次數160
  依稀記得前段時間的重磅新聞,京東方成功研制中國首款采用噴墨打印技術的55英寸4K超高清Oled顯示屏,此次為該領域的一項重大突破。噴墨打印技術生產Oled顯示屏可以極大提高有機材料的利用率,京東方上述這款顯示屏材料利用率能達到90%,同時還能有效降低成本,實現更好的畫質表現,尤其在大尺寸OLED領域具有很好的應用前景。
 
  由此可見,噴墨打印技術很大程度上已經成為微電子產業不可或缺的一環。但是如何實現高效率,高良率的電子打印依舊是當下最棘手的問題。本文將從噴墨打印中最關鍵的一環——波形入手,帶你解開噴墨打印的奧秘。
 
  噴頭構造
 
  為了幫助解釋波形的用途,讓我們看一下噴頭的噴嘴腔。下圖描述了一種被稱為“填充-開火”的噴射過程,這種噴射過程被廣泛應用于噴頭的構造設計中。在這種情況下,壓電陶瓷材料PZT(壓電陶瓷材料)在施加電壓時發生變形,改變墨室的體積,導致墨室內的油墨移動,最終噴射出去。將這個電壓準確的施加到PZT上的調控程序就是波形。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  噴墨原理描述
 
  在噴頭的設計上,各類品牌大致相同,都是基于疊層壓電陶瓷(PZT)設計而成。PZT只有在施加電壓的情況下才會被擴展,所以在插入打印頭之前不會有變形。一旦供電,噴頭保持一個特定的電壓,導致PZT拉長并保持其非噴射位置(左)。如果電壓降低,PZT縮回并在腔內產生膨脹,將油墨吸進腔內(中心)。為了噴射出一個液滴,電壓恢復到原來的值,腔體縮小,多余的墨水被擠出(右)。這個過程每秒重復數千次。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  市面上常見的幾類噴頭設計
 
  需要注意的是,打印頭可以由正向脈沖或反向脈沖驅動,這取決于不同公司的技術考量。不管基于何種設計,波形中最重要的是波形傾斜部分的計時與保持計時。即電壓保持在那個水平(高或低)多久后才回到起始位置。脈沖計時決定了當腔體的體積恢復到穩定狀態時噴嘴處的噴墨狀態,這是構建波形的第一步。
 
  脈沖時間
 
  通過以上介紹,我們已經大致了解墨水是如何被噴出來的,在脈沖電壓的作用下,形變的墨水腔擠壓墨水,這種壓力的傳播實際上是以聲波的形式傳導的,此過程接近以聲速快速進行。
 
  如果打印時你站在打印頭旁邊,你甚至可能會聽到它“唱歌”,這取決于打印使用的頻率。你能聽到它的原因是因為驅動器產生聲波。當然,這里面最重要的是墨水本身產生的聲波,因為噴射壓力的變化是由其來定義的。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  聲波隨著電壓脈沖的變化
 
  當電壓降低時,墨水腔收縮導致聲波產生,此聲波振幅會隨著時間而消失。此過程伴隨著墨水的補充。當新的脈沖來臨時,腔體壓力變大,聲波的信號重新增強,最終墨水被成功噴射出來。但此時也伴隨著新的問題,如果新的脈沖信號在錯誤的時間被引入,墨水很有可能會在即將噴射的瞬間,被重新引入腔體,導致不能夠順利噴射或效果極差。因此,我們要充分考慮脈沖持續時間(pulsewidth),它太短或太長,那么PZT的產生的聲波、壓力和運動就會不同步。如果油墨在壓力增加的時候沒有向正確的方向移動,那么就不會平穩地增加沖量,沖量可能會被抵消。這就像推秋千上的孩子一樣。如果你在正確的時間推動秋千,動量就會增加,它們就會擺動得更高。如果你在錯誤的時間推他們,他們會猛烈地停下來。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  聲波震蕩時間與脈沖時間比較
 
  聲波持續時間因墨水的不同而不同。但通常情況下,一個聲波持續的時間大約為100微秒,在設置新的波形時要充分考慮此條件,并進行優化。
 
  共振情況
噴墨打印技術背后的波形淺析
  共振現象描述
 
  在一種打印頻率下工作良好的波形在另一種頻率下可能工作不好,這是很常見的。這一切都歸結于墨水在腔內來回移動時脈沖的時間。隨著頻率的增加,由給定脈沖產生的聲波和運動開始與前一個脈沖相互作用。在一定的頻率下,這種是增強噴墨的共振,就像圖中最上面的例子。當打印頻率越高,下一個液滴和壓力波出現時,前一個壓力越有可能尚未衰減到零,造成噴墨不良的可能性也就越大。如果油墨仍在移動,先前的脈沖也可能會增加壓力(更高的速度與潤濕)。如果需要打印速度是靈活多變的,那就必須對墨滴在一定頻率下的噴墨情況進行優化,以確保最終打印速度不落在發生共振的頻率范圍內。
 
  多重脈沖
 
  在硬件設備允許的條件下,也可以使用多脈沖信號以實現更高效的噴墨打印。多脈沖的波形通常依賴于壓力波中的第一或第二共振。這意味著當油墨向噴嘴移動時,第一個脈沖會增加油墨的壓力。一些墨水會噴出來,其余的會從噴孔彈出去,回到腔體內。一旦墨水再次向噴嘴移動,第二個脈沖將增加其動量。脈沖應仔細調諧,因為這種二次增強,動量很大,能夠極大的提高墨滴體積與噴墨效果。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  多重脈沖描述
 
  多重脈沖的優點遠不僅限于增大墨滴體積,在低粘度溶劑打印的過程中,溶劑會不由自主滴落。這種多重脈沖,可以有效控制低粘度溶劑在施加脈沖前(單一脈沖)的滴落問題。另外,多重脈沖可以改善在單一脈沖條件下,半月板形變的問題。這樣可以允許用戶去提高滴墨頻率與打印速度。下圖為一多重脈沖波形的專利描述,供大家發散思維。
噴墨打印技術背后的波形淺析
  相信大家對波形已經有了初步的認識,如果想進一步學習,可以參閱更多資料。
 
關鍵詞: 噴頭 噴墨打印 噴墨打印技術

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