CN115972769B - 一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法，属于喷墨打印技术领域。喷印装置包括阵列化喷印头和阵列化等离子体模块。阵列化喷印头由多个供墨喷嘴组成喷头组，供墨喷嘴上端与供墨单元连接；阵列化等离子体模块产生等离子体并形成等离子体气态环形电极；待打印的基板接地，并与等离子体气态环形电极之间形成电场，电场引导供墨喷嘴发生泰勒锥喷射，使高分辨率的墨液沉积在基板上。由等离子体构成的气态环形电极可由等离子体的放电气体或电压分别控制，阵列化的气态环形电极之间不会发生串扰，电喷印喷嘴可独立控制；能够在大面积显示面板像素阵列、传感器阵列等的高精度、高分辨率、高效率制造方面提供新的技术支撑。

Description

一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法

技术领域

本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法。

背景技术

喷墨打印技术作为一种增材制造技术，具有非接触、大面积、无需掩膜版、快速制造、成品低廉、可在平面/曲面基板上直接进行图案制造等优点，是将取代光刻/真空长流程工艺(显影、刻蚀、曝光和清洗等)的印刷电子主要制造技术，广泛应用于显示、传感、芯片、能源、航空航天等领域。传统的喷墨打印技术存在分辨率低、喷嘴易堵塞、喷印材料和液滴尺寸受限等缺点。电流体喷印技术是一种新兴的喷墨打印技术，通过结构化电场驱动以“拉”的方式在墨水喷嘴处发生泰勒锥喷射，可以实现微纳米尺寸的墨水液滴/射流喷印，兼容1-10000cp黏度范围的墨水材料，在延续传统喷墨打印技术优势的基础上，还具有分辨率高、打印模式多、材料应用范围更广等许多独特优势，在大面积微纳结构高精度制造方面具有突出的潜能。

对于电流体喷印，将喷墨喷头进行阵列化可以有效提高电流体喷印效率，实现大面积印刷电子器件的高分辨率高效率制备，具有十分重要的意义。目前阵列化电流体喷印研究还不够深入，存在较多问题。例如：(1)阵列化电流体喷印电场相互串扰。阵列化喷印头需在不同喷嘴间施加高压电场，存在严重的电场串扰现象，各喷嘴处的射流会出现不均匀、倾斜等现象，无法应对高精度的打印场合；(2)阵列化电流体喷印独立可控性差。根据喷墨性质的不同，电流体喷印的工作电压能达到数千伏，难以实现高频且多路独立的控制需求；(3)高精度、高密度喷嘴阵列的设计与制造复杂，阵列化电流体喷头需要制备数量庞大、高深宽比的喷嘴结构，需要重点考虑其内部元件的封装体积与集成程度，制备工艺困难。因此，亟待提出一种新的阵列化电流体喷印装置及方法，解决阵列化电流体喷印喷头都接高压电极而在联动控制或独立控制时相互串扰影响打印的问题，提高打印的一致性和可控性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法。其中阵列化电流体喷印装置通过设置阵列化喷印头和阵列化等离子体气态环形电极，能够利用等离子气态环形电极引导喷墨喷头发生泰勒锥喷射，使墨液准确沉积在基板上，由等离子体构成的环形电极可由等离子体的放电气体或电压分别控制，阵列化电极之间不会发生串扰，并且阵列化电流体喷印头提高了电流体动力喷印的打印效率，从而能够实现在大面积显示面板、传感器阵列等表面进行高精度、高分辨率、高效率的电流体动力喷墨打印。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，包括：阵列化喷印头和阵列化等离子体模块；

所述阵列化喷印头包括多个供墨喷嘴，各所述供墨喷嘴上端与供墨单元连接，墨液由所述供墨单元流出充满所述供墨喷嘴；

所述阵列化等离子体模块包括供气单元、高压电源和多个等离子体单元，每个等离子体单元包括等离子体发生装置和等离子体输送软管；

所述供气单元通过流量计与各等离子体发生装置连接，以单独控制每个等离子体单元中工作气体的输送；所述高压电源通过电气开关与各等离子体发生装置中的电极针连接，以单独控制每个等离子体发生装置产生等离子体；

所述等离子体输送软管一端连接所述等离子体发生装置，另一端围绕所述供墨喷嘴下端一周以形成等离子体气态环形电极；其中，所述等离子体气态环形电极用于与接地的待打印基板间形成电场，以使所述墨液弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液发生泰勒锥喷射并沉积到所述待打印基板上的指定位置。

进一步地，所述待打印基板为导电基板时，将导电基板接地；所述待打印基板为绝缘薄基板时，需要在所述绝缘薄基板下方放置导电垫板，并将所述导电垫板接地。

进一步地，所述工作气体为氩气、氦气、氮气或空气。

进一步地，所述高压电源为脉冲电源或射频电源。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印方法，所述喷印方法是采用第一方面所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置进行喷印的。

进一步地，所述喷印方法包括如下步骤：

S1、将阵列化喷印头竖直放置在待打印基板上方，将各等离子体输送软管缠绕在对应的所述供墨喷嘴下端，并通过供墨单元向每一个供墨喷嘴输送墨液，所述墨液充满所述供墨喷嘴到达所述供墨喷嘴下端出口处；

S2、向需要工作的等离子体单元供给工作气体，并接通对应的电气开关，使高压电源将电压输送至等离子体发生装置的电极针，所述工作气体在所述电极针处放电产生等离子体；

S3、产生的等离子体在气流的吹动下沿着所述等离子体输送软管流动，在所述喷嘴下端一周形成等离子体气态环形电极，从而与接地的待打印基板间形成电场，当所述墨液弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液发生泰勒锥喷射并沉积到所述待打印基板上的指定位置，以此完成阵列化电流体喷印。

进一步地，当所述流量计控制所述工作气体停止供应，或者所述电气开关控制所述电极针与所述高压电源连接断开时，所述等离子体发生装置停止产生等离子体，从而所述供墨喷嘴停止喷出墨液，打印停止，以此实现各所述供墨喷嘴的独立控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明将等离子体与喷墨打印结合，利用等离子体自身所携带的正电荷，在等离子体气态环形电极区域与待打印的基板之间形成电场，从而引导供墨喷头发生电流体动力喷射出墨液并准确地沉积在待打印基板的指定位置，能够克服喷墨打印在基板上打印精度不高的问题，有效提高了喷墨打印的精度、分辨率和便捷度，能够很好地兼容连续直写、按需喷印和近场纺丝等典型的打印模式，实现高精度、高分辨率的喷墨打印；

(2)本发明喷墨喷头采取阵列化，可用于大面积结构件表面高分辨率喷印，对于提高电流体动力喷印的打印效率，实现印刷电子器件的高分辨率高效制备，具有十分重要的意义。电气开关可以控制高压电源和电极针连接断开，流量计可以控制工作气体停止供应，这两种方式都可以使供墨喷头停止打印，可以实现阵列化电流体喷印喷头组内各个喷墨喷头的独立控制。

(3)本发明阵列化喷印头都是以带有正电荷的等离子体作为电极，即等离子体射流在气流的吹动下沿着所等离子体输送软管发展，等离子体输送软管围绕所述供墨喷嘴下端一周，形成喷墨喷头的等离子体气态环形电极，各等离子体气态环形电极产生的电场之间不会相互影响，克服了传统电流体喷印中阵列化喷印头都接高压电极而在独立控制或联动同时控制时相互串扰影响打印的问题，提高打印的一致性和可控性。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的以导电基板作为待打印的基板的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例构建的以绝缘基板作为待打印的基板的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置的结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例构建的装置的打印结果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-高压电源；2-供气单元；3-流量计；4-电极针；5-等离子体；6-等离子体气态环形电极；7-墨液沉积；8-电气开关；9-等离子体发生装置；10-等离子体输送软管；11-供墨喷嘴；12-墨液；13-导电基板；14-绝缘基板；15-导电垫板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，包括：阵列化喷印头和阵列化等离子体模块，其中：

所述阵列化喷印头由多个供墨喷嘴11组成喷头组，工作时所述供墨喷嘴11上端与供墨单元连接，墨液12由所述供墨单元流出，所述墨液12沿着所述供墨喷嘴11内部的通道到达所述供墨喷嘴11下端出口处。

所述阵列化等离子体模块包括供气单元2、高压电源1和多个等离子体单元，每个等离子体单元包括等离子体发生装置9和等离子体输送软管10；所述供气单元2通过流量计3可单独控制每个等离子体单元中工作气体的输送，所述工作气体可以是氩气、氦气、氮气或空气；所述高压电源1可以是脉冲电源或射频电源，所述等离子体发生装置9内部安置电极针4，电气开关8可以统一控制各个所述电极针4与所述高压电源1的连接与断开。当所述供气单元2向需要工作的等离子体单元供气时，所述工作气体沿着气管到达所述等离子体发生装置9，开启所述高压电源1，通过所述电气开关8的控制使电压到达所述电极针4处，所述工作气体在所述电极针4处放电产生等离子体5，所述等离子体5在气流的吹动下沿着等离子体输送软管10流动，所述等离子体输送软管10围绕所述供墨喷嘴11下端一周以形成等离子体气态环形电极6。

所述待打印的基板可以是导电基板13(如图1)，也可以是绝缘基板14(如图2)。当所述待打印的基板是所述导电基板13时，只需要将所述导电基板13接地；当所述待打印的基板是所述绝缘基板14时，需要在所述绝缘基板14下方垫一块导电垫板15，并将所述导电垫板15接地，并且所述绝缘基板14厚度不能太大。

工作时，所述待打印的基板与所述等离子体气态环形电极6之间形成强电场，当所述墨液12弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液12发生泰勒锥喷射，所述墨液12沉积到所述待打印的基板上的指定位置形成墨液沉积7，以此完成打印。

进一步地，所述电气开关8控制所述电极针4与所述高压电源1连接断开，所述工作气体停止放电，或者所述流量计8控制所述工作气体停止供应，这两种方式都会使所述等离子体5停止产生，从而所述供墨喷嘴11内部的所述墨液12停止喷出，打印停止，以此实现了阵列化电流体喷印喷头组内各个所述供墨喷嘴11的独立控制。

进一步地，所述阵列化喷印头均采用所述等离子体5作为气态电极，因此避免了传统电流体喷印中阵列化喷印头都接高压电极而在独立控制或联动同时控制时相互串扰影响打印的问题。即当相邻的两个阵列化单元，其中左边的所述阵列化单元的所述等离子体发生装置9通入所述工作气体并将所述电极针4接通所述高压电源1，产生所述等离子体5形成等离子体气态环形电极6，从而产生电场引导左边的供墨喷嘴11发生泰勒锥喷射进行打印；而右边的所述阵列化单元的所述等离子发生装置9内没有通入所述工作气体或者所述电极针4没有接通所述高压电源1，所述等离子体输送软管10内没有等离子体5无法形成等离子体气态环形电极6，从而不进行打印。左边阵列化单元的所述等离子体气态环形电极6内的等离子体5产生的电场不会影响右边阵列化单元的电极区域，即右边阵列化单元依旧没有产生电场，保持停止打印的状态。在本阵列化电流体喷印装置中，每一个阵列化单元工作状态的启停和喷墨喷头间距的远近都不会对其他阵列化单元工作状态产生影响，提高了阵列化电流体喷印的可控性。

按照本发明的另一方面，如图1及图2所示，提出了一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印方法，该方法包括如下步骤：

S1、将由多个供墨喷嘴11组成的阵列化喷印头竖直放置在待打印的基板上方，所述待打印的基板可以是如图1所示的导电基板13，也可以是如图2所示的绝缘基板14。当所述待打印的基板采用所述导电基板13时，应将所述导电基板13接地；当所述待打印的基板采用所述绝缘基板14时，应将下方垫一块接地的导电垫板15。将等离子体输送软管10缠绕在所述供墨喷嘴11下端，并通过供墨单元向每一个所述供墨喷嘴11输送墨液12至所述供墨喷嘴11出口处；

S2、供气单元2通过流量计3向需要使用的等离子体发生装置9输送工作气体，所述工作气体可以是氩气、氦气、氮气或空气。所述等离子体发生装置9内部安置电极针4，通过电气开关8控制所述电极针4与高压电源1连接，所述高压电源1可以是脉冲电源或射频电源。开启所述高压电源1，电压到达所述电极针4处，所述工作气体在所述电极针4处放电产生等离子体5；

S3、所述等离子体5在气流的吹动下沿着所述等离子体输送软管10流动，所述等离子体输送软管10围绕所述供墨喷嘴11下端一周，形成所述等离子体气态环形电极10，从而与接地的所述待打印基板间形成电场，所述电场诱导所述供墨喷嘴11发生泰勒锥射流，实现驱动所述墨液12喷射与沉积。当所述墨液12弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液12发生泰勒锥喷射并沉积到所述待打印的基板上的指定位置形成墨液沉积7，以此完成阵列化电流体喷印。

进一步地，所述电气开关8控制所述电极针4与所述高压电源1连接断开，所述工作气体停止放电，或者所述流量计8控制所述工作气体停止供应，这两种方式都会使所述等离子体5停止产生，从而所述供墨喷嘴11内部的所述墨液12停止喷出，打印停止，以此实现了阵列化电流体喷印喷头组内各个所述供墨喷嘴11的独立控制。

图3是按照本发明优选实施例构建的装置的阵列化打印结果图。

本发明将等离子体与喷墨打印结合，利用等离子体自身所携带的正电荷形成电场，从而引导喷墨喷头发生电流体动力喷射打印出墨液并准确地沉积在待打印基板的特定位置，有效提高了喷墨打印的精度、分辨率和便捷度。阵列化的设计可用于大面积结构件表面高分辨率喷印，对于提高电流体动力喷印的打印效率，实现印刷电子器件的高分辨率高效制备，具有十分重要的意义。并且通过电气开关和流量计可以实现阵列化电流体喷印喷头组内各个喷墨喷头的独立控制。以带有正电荷的等离子体作为电极，各等离子体气态环形电极产生的电场之间不会相互影响，克服了传统电流体喷印中阵列化喷印头都接高压电极而在独立控制或联动同时控制时相互串扰影响打印的问题，提高打印的一致性和可控性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，其特征在于，包括：阵列化喷印头和阵列化等离子体模块；

所述阵列化喷印头包括多个供墨喷嘴，各所述供墨喷嘴上端与供墨单元连接，墨液由所述供墨单元流出充满所述供墨喷嘴；

所述阵列化等离子体模块包括供气单元、高压电源和多个等离子体单元，每个等离子体单元包括等离子体发生装置和等离子体输送软管；

所述供气单元通过流量计与各等离子体发生装置连接，以单独控制每个等离子体单元中工作气体的输送；所述高压电源通过电气开关与各等离子体发生装置中的电极针连接，以单独控制每个等离子体发生装置产生等离子体；

所述等离子体输送软管一端连接所述等离子体发生装置，另一端围绕所述供墨喷嘴下端一周以形成等离子体气态环形电极；其中，所述等离子体气态环形电极用于与接地的待打印基板间形成电场，以使所述墨液弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液发生泰勒锥喷射并沉积到所述待打印基板上的指定位置。

2.根据权利要求1所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述待打印基板为导电基板时，将导电基板接地；所述待打印基板为绝缘薄基板时，需要在所述绝缘薄基板下方放置导电垫板，并将所述导电垫板接地。

3.根据权利要求1所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述工作气体为氩气、氦气、氮气或空气。

4.根据权利要求1所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述高压电源为脉冲电源或射频电源。

5.一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印方法，其特征在于，所述喷印方法是采用权利要求1-4任一项所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置进行喷印的。

6.根据权利要求5所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印方法，所述喷印方法包括如下步骤：

S1、将阵列化喷印头竖直放置在待打印基板上方，将各等离子体输送软管缠绕在对应的所述供墨喷嘴下端，并通过供墨单元向每一个供墨喷嘴输送墨液，所述墨液充满所述供墨喷嘴到达所述供墨喷嘴下端出口处；

S2、向需要工作的等离子体单元供给工作气体，并接通对应的电气开关，使高压电源将电压输送至等离子体发生装置的电极针，所述工作气体在所述电极针处放电产生等离子体；

S3、产生的等离子体在气流的吹动下沿着所述等离子体输送软管流动，在所述喷嘴下端一周形成等离子体气态环形电极，从而与接地的待打印基板间形成电场，当所述墨液弯液面表面的电场强度突破泰勒极限时，所述墨液发生泰勒锥喷射并沉积到所述待打印基板上的指定位置，以此完成阵列化电流体喷印。

7.根据权利要求6所述的基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印方法，当所述流量计控制所述工作气体停止供应，或者所述电气开关控制所述电极针与所述高压电源连接断开时，所述等离子体发生装置停止产生等离子体，从而所述供墨喷嘴停止喷出墨液，打印停止，以此实现各所述供墨喷嘴的独立控制。