Выпуск #6/2015
Н.Разумнева
ПОСТАНОВКА ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ: ВЫБОР СТРУЙНОГО ПРИНТЕРА
ПОСТАНОВКА ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ: ВЫБОР СТРУЙНОГО ПРИНТЕРА
Просмотры: 1565
Основные технические аспекты, которые необходимо анализировать при выборе лабораторного принтера для отработки технологического процесса печати функциональных материалов.
Теги: compatability functional materials ink-jet printers inks/past properties printed electronics печатная электроника свойства чернил/пасты совместимость струйные принтеры функциональные материалы
К
ак отмечалось в предыдущей статье ("ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ", 2015, № 3 [1]), струйная печать имеет преимущество из-за возможности реализовать печать прямо из CAD/CAM файлов, минуя предварительную стадию подготовки трафаретов, печатных форм и т. п. Поэтому логично посвятить основные усилия освоению именно струйной печати. Очевидно, что нецелесообразно проводить прикладные исследования на дорогом промышленном принтере. Осваивать и отрабатывать технологию лучше на компактном лабораторном оборудовании.
Основой для всех решений по выбору лабораторного оборудования является изделие, технологию которого вы планируете или удешевить, или организовать с нуля. Поскольку мир изделий электроники многообразен, в технологическом цикле каждого конкретного изделия будут наноситься абсолютно разные материалы. Необходимо определиться заранее, для какого конечного изделия вы планируете отрабатывать технологию нанесения материалов струйной печатью, потому что некоторые характеристики наносимых печатью материалов должны быть согласованы с возможностями конкретного типа принтера. Как вариант для постановки прикладных исследований можно рассмотреть отработку технологий производства гибких осветительных декоративных панелей на органических светодиодах OLED (Organic Light Emitting Diode), например, аналогичных панелям, производимым компанией LG Chem (рис.1). Сейчас это, пожалуй, наряду с дисплеями, самое популярное направление исследований печатной электроники. Согласно публикациям, рядом компаний уже выполняются печатью как минимум следующие слои органических светодиодов (рис.2):
• проводящие соединения между катодами;
• слои органического диода ETL, EML, HIL, ELM.
Поэтому вполне логично направить прикладные исследования в области печатной электроники на создание производства отечественных недорогих осветительных гибких панелей, аналогичных LG Chem. К сожалению, в рамках одной статьи невозможно уместить и анализ материалов для производства органических светодиодов струйной печатью, и описание критериев выбора струйного принтера. Сосредоточившись в данной статье на теме выбора принтера, здесь лишь подчеркнем, что к нему можно переходить только после того, как вы определились с изделием и наносимыми печатью материалами.
Теоретическими исследованиями нанесения материалов электроники методами струйной печати давно занимаются, например, в Голландии. Разработаны хорошие теоретические модели, описывающие процесс нанесения материалов струйной печатью, на которые можно опереться при постановке плана экспериментов. На начальном этапе прикладных исследований, когда подтверждается принципиальная пригодность технологии, можно ограничиться экспериментальными исследованиями сокращенного набора результирующих параметров процесса печати, например, точности воспроизведения заданной в CAD/CAM топологии для разнонаправленных элементов; однородности напечатанных слоев по толщине.
Ниже мы рассмотрим основные факторы процесса печати функциональных материалов, которые могут повлиять на перечисленные нами характеристики. Таким образом, некоторые особенности технологии мы сможем учесть заранее и выбрать лабораторный принтер, оптимальный для планируемого прикладного исследования.
Выбор значения разрешения
и размера капли
При выборе разрешения и размера капли только на начальном этапе исследований необходимо руководствоваться теми же принципами, которые работают в полиграфии. В дальнейшем, в ходе отработки управляемого технологического процесса изготовления изделия электроники методом печати, необходимо руководствоваться исключительно требованиями к техническим характеристикам изделия в целом, требованиями стандартов в области производства электроники к допустимым значениям параметров формируемых слоев.
В табл.1 приведены соотношения между разрешением (общепринятая размерность – dpi, dot per inch – количество точек на дюйм) и расстоянием между центрами соседних капель; в табл.2 – соотношения между объемом капли и ее ориентировочным диаметром. Очевидно, если Вы планируете наносить печатью слои декоративной световой панели на органических светодиодах с размером светящегося элемента 500 мкм, неразумно выбирать лабораторный принтер с диапазоном размера капли 0,1 фл ÷ 10 пл, так как в этом случае время запечатывания площади пикселя будет неоправданно завышенным, а точность воспроизведения рисунка пикселя избыточной.
В общем случае разрешение в конкретном направлении будет определяться:
• скоростью движения столика в данном направлении, если оно предусмотрено конструкцией;
• скоростью движения печатающей головки, если оно предусмотрено в данном направлении;
• расстоянием между соплами печатающей головки в данном направлении;
• частотой генерации капель;
• другими факторами.
Таким образом, задание алгоритма печати и выбор режимов печати необходимо будет отрабатывать с учетом конструкции печатающей головки и расположения отверстий, реализации механизма перемещений столика и головки. Очевидно, что, если в комплект лабораторного принтера для печати материалов входит программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выбор алгоритма печати, задача исследователя будет значительно упрощена.
Кроме этого, важно на этапе выбора лабораторного принтера учесть такой фактор, как отклонение капли в процессе пролета расстояния от печатающей головки до запечатываемой поверхности (рис.3), вносящий ошибку в точность воспроизведения топологии. Чем больше расстояние, которое пролетает капля до подложки, тем больше вероятность отклонения траектории капли.
Еще один существенный параметр – это воспроизводимость размера капли. Обычно производители лабораторных принтеров для печати функциональных материалов приводят данные по повторяемости размеров капли и точности попадания в узлы заданной координатной сетки в спецификации на оборудование. Знание этих величин поможет приблизительно оценить, сможете ли вы на данном принтере выполнить требования к предельным размерам топологического рисунка вашего изделия и допускам на отклонение соответствующих элементов рисунка, которые очень жестко регламентируются и российскими, и международными стандартами для производства электроники.
Чернила и принтер:
разрешенный диапазон вязкости чернил
Для каждого типа печати используются чернила с разным диапазоном вязкости. В табл.3 приведены данные предпочтительных диапазонов вязкости для различных технологий печати, включая струйную. Но и в рамках одного типа печати – струйного – разрешенная вязкость наносимого материала будет разной для разных принтеров.
Указанный в табл.3 диапазон динамической вязкости приведен в паскаль-секундах – Па·с (система CИ). Обычно производители принтеров для функциональной печати материалов указывают в спецификации на оборудование предпочтительный диапазон вязкости или в Па · с, или сантипуазах – сП (1 Па · c = 10 П).
Как правило, современные лабораторные струйные принтеры для нанесения материалов могут наносить вещества с вязкостью до 0,010 Па · с и даже больше. В некоторых конструкциях печатающих головок специально предусмотрен нагрев резервуара для чернил (наносимого материала), для того чтобы обеспечить возможность подстройки вязкости чернил регулировкой их температуры. В любом случае вязкость материала, который планируется наносить струйной печатью, указывается производителем в спецификации и должна быть согласована с разрешенным для данного принтера диапазоном вязкости чернил.
Обеспечение стабильной генерации капель наносимого вещества
Несмотря на то, что в России появились успешные разработки в области использования печатных технологий для производства электроники (в ЦНИИ "Циклон", в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, в Центре трансфера технологий МГУ им. М.В.Ломоносова и др.), доступной фундаментальной литературы о процессах струйной печати на русском языке пока нет. Русскоязычные описания струйной печати производителей полиграфических принтеров очень упрощены и часто даже некорректны, поэтому для целей постановки прикладных процессов производства электроники абсолютно непригодны. Ниже обозначены некоторые особенности струйной печати функциональных материалов, которые необходимо учесть при выборе струйного принтера.
Для нанесения функциональных материалов струйной печатью в электронике в основном используются печатающие головки типа DOD (Drop on Demand) и CIJ (Continuous Inkjet), что не исключает вероятность появления в ближайшем будущем новых типов, специально разработанных для нанесения функциональных материалов, так как интерес к нанесению материалов струйной печатью и финансирование исследований в этой области во всем мире огромны.
И в том, и в другом типе печатающих головок из сопла печатающей головки выходит разной длины и формы, но струя материала, из которой потом формируются капли (рис.4). В точке удара о запечатываемую поверхность капля имеет скорость 5–8 м/c для DOD принтера и 10–30 м/c для CIJ принтера. Независимо от типа печатающей головки, нестабильная генерация капель и различные вторичные эффекты после соприкосновения капли с поверхностью (например, разбрызгивание) могут привести к 100%-ному браку.
Вязкость и поверхностное натяжение наносимого материала оказывают самое большое влияние на процесс каплеобразования и взаимодействие капель с запечатываемой поверхностью. Поэтому на этапе постановки процесса для обеспечения стабильной генерации капель необходимо будет согласовать некоторые физические свойства наносимого материала и особенности конструкции печатающей головки.
Эмпирическим путем установлены рекомендации для значений двух чисел.
Число Рейнольдса:
;
число Онезорге:
,
где
ρ – плотность наносимого материала,
d – характеристический размер капли (диаметр капли или сопла),
V – скорость струи из сопла печатающей головки,
η – вязкость наносимого материала,
σ – поверхноcтное натяжение наносимого материала.
Для DOD принтеров считается, если Оh ≥ 1,0, то большая вязкость препятствует образованию капель. Если Оh ≤ 0,1 – велико образование сателлитных капель. Это графически поясняется на рис.5. Сплошная диагональная линия на рис.5 соответствует уравнению Re = 2 / Oh и ограничивает область слева, в которой наносимая жидкость имеет недостаточную кинетическую энергию для образования капель. Пунктирная диагональная линия ограничивает область справа, в которой силен эффект разбрызгивания капли при ударе о запечатываемую поверхность.
Область стабильной генерации невелика, находится в центре рисунка. Очевидно, что в процессе прикладного исследования должна быть обеспечена возможность работы принтера в области стабильной генерации капель. Поэтому при выборе лабораторного принтера важно согласовать характеристики планируемого для исследований вещества и конструкции печатающей головки.
КОНТАКТ КАПЛИ С ЗАПЕЧАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ. РАСТЕКАНИЕ, ОТСКОК КАПЛИ, ФИКСАЦИЯ ФОРМЫ КАПЛИ
Ранее мы рассматривали только процессы до момента контакта капли наносимого материала с поверхностью. Когда капля касается поверхности, она как минимум расплющивается и изменяет форму (рис.6). Существует несколько моделей для предсказания геометрии капли. Самая известная – это статическая модель капли в равновесном состоянии на поверхности твердого тела, описываемая уравнением Юнга:
σsv = σls + σlv cos θeqm,
где:
σsv – поверхностная энергия на границе твердое тело – газ,
σls – поверхностная энергия на границе жидкость – твердое тело,
σlv – поверхностная энергия на границе жидкость – газ, или поверхностное натяжение жидкости,
θeqm – контактный угол.
По факту форма капли устанавливается в течение определенного времени, то есть этот процесс динамический и он сложнее, чем уравнение Юнга. Кроме поверхностных энергий σsv, σls, σlv на форму капли влияют дополнительные факторы: скорость падения, исходный вес капли, состояние поверхности после нанесения капли, взаимодействие с другими каплями, если есть накладывание контуров или печать в несколько слоев, "отскок" капли от запечатываемой поверхности, осцилляции жидкой капли, капиллярное впитывание чернил материалом запечатываемой поверхности, другие факторы.
На примере изменения диаметра капли во времени, приведенном на рис.7, можно составить первичное представление о явлениях, которые необходимо будет учесть при постановке прикладного исследования. Это значит, что анализатор формы капли должен входить в состав лабораторного принтера обязательно.
Химическая совместимость
Одни и те же модели лабораторных принтеров для нанесения функциональных материалов могут быть предназначены для прикладных исследований как в области электроники, так и в области медицины и биотехнологий. Необходимо обратить внимание на совместимость используемых вами материалов и химической стойкости элементов конструкции лабораторного принтера. Эти вопросы лучше всего задать производителю принтеров, опираясь на спецификации выбранных материалов.
Подготовка запечатываемой поверхности
Не всегда очень хорошая адгезия – благо в электронике. Из-за чрезмерного растекания капли в случае хорошей адгезии к поверхности воспроизведение заданной топологии может быть затруднено и в ряде случаев невозможно. Применяются различные техники для фиксации растекания капли:
• предварительное формирование углубленного рельефа, соответствующего топологии;
• предварительная обработка лазером или плазмой всей поверхности для достижения контролируемого растекания;
• предварительная обработка поверхности лазером или плазмой только в местах последующей печати функционального материала;
• быстрая сушка капли после нанесения, то есть предотвращение растекания за счет фиксации диаметра капли. Фактически такая сушка должна быть встроена в принтер.
Некоторые принтеры включают модули предварительной обработки поверхности.
Лабораторное оборудование
для печати "всего"
Чтобы определить возможность напечатать на одном принтере несколько функциональных слоев, для каждого слоя необходимо, во‑первых, определиться с поставщиком материала и знать как минимум его вязкость и ориентировочный химический состав для оценки совместимости с материалом печатающей головки. Во-вторых, знать геометрические размеры, которые будут использоваться для данного слоя (горизонтальные и вертикальные) и требования к их разбросу. После этого проверить намеченные типы принтеров, выяснив, какие из них подходят с точки зрения стабильной генерации капель данного типа чернил.
Если не удается все необходимые слои даже теоретически напечатать на одном типе принтеров, целесообразно подумать о закупке более сложного и дорогого, но универсального лабораторного оборудования.
Размер капли, рекомендуемый диапазон вязкости определяются не принтером в целом, а конструкцией печатающей головки. Если базовая платформа принтера предусматривает возможность установки разных печатающих головок, значит, можно поэкспериментировать с технологией печати самых разных материалов. Ряд производителей изготавливают лабораторное оборудование с несколькими печатающими головками по желанию заказчика.
Установка нескольких печатающих головок добавляет гибкость при проведении исследований:
• при использовании нескольких печатающих головок увеличивается производительность;
• есть возможность использовать более сложные алгоритмы нанесения капель вещества, например, grey scale;
• можно за один проход печатать разные материалы (в разные печатающие головки заправить разные материалы);
• можно за один проход напечатать два слоя материала.
Есть много других полезных возможностей, обеспечивающихся установкой двух и более печатающих головок. Это будет достаточно универсальная машина в сегменте более дорогого лабораторного оборудования, но ее можно после отработки процесса использовать как промышленную для мелкосерийного производства. Поэтому для изделий, в которых печатью можно производить несколько функциональных слоев, решение приобрести более дорогую, но универсальную машину, является оптимальным.
Заключение
Основные рекомендации при выборе оборудования для постановки прикладных исследований:
• согласовать характеристики планируемого для исследований вещества и конструкции принтера, то есть убедиться, что на приобретаемом принтере выбранный вами материал печатается стабильно;
• прояснить, какие задачи по выбору алгоритма печати можно автоматизировать с помощью поставляемого программного обеспечения;
• проверить, что лабораторный принтер оснащен системами анализа формы капли;
• убедиться, что резервуар, система подачи чернил, материалы печатающей головки совместимы с материалом выбранных чернил;
• оценить, соответствует ли размер капли и разрешение принтера вашим топологическим задачам;
• получить разъяснения производителя по процедуре очистки печатающей головки и частоте ее проведения;
• определиться с дополнительным оборудованием, необходимым для управления свойствами запечатываемой поверхности;
• определиться с оборудованием для дополнительной обработки наносимого вещества до приобретения им заданных функциональных характеристик (проводимость, электролюминесценция и т.д.);
• если поставлена задача отработать нанесение струйной печатью нескольких типов материалов с разными значениями вязкости или с кардинально отличающимися требованиями к минимальным топологическим размерам, необходимо проанализировать целесообразность приобретения более дорогого принтера с возможностью установки нескольких головок или смены типа печатающих головок.
Необходимо отметить глубокую проработку фундаментальных принципов струйной печати материалов за рубежом. Определены основные проблемные вопросы нанесения материалов струйной печатью, которым следует уделить внимание при отработке промышленных технологий. Это является еще одним аргументом в пользу принятия решения о возможности и своевременности начала серии прикладных исследований технологий печатной электроники в России. Значимые прикладные результаты прорывных технологий невозможно купить, их необходимо наработать самим. Если у вас есть понимание, как новые технологии и материалы могут быть применены, то подобрать эффективный механизм обеспечения финансирования прикладной разработки в России не только возможно, но, в свете реализации российской Национальной технологической инициативы, необходимо.
Литература
1. Разумнева Н. Прямая печать проводящих материалов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 3. С. 192–196.
2. http://www.lgoledlight.com.
3. http://www.lgchem.com/global/green-energy/oled-lighting.
4. Shin Dong-Youn and Brakke Kenneth A. “Issues in Color Filter Fabrication with Inkjet Printing”, Wiley, 2012.
5. Martin Graham D. and Hutchings Ian M. "Fundamentals of InkJet Technology", Wiley, 2013.
6. Stringer Jonathan, Derby Brian. "When the Drops Hits The Substrate", Wiley, 2013.
7. Данные открытых публикаций и технических спецификаций на выпускаемую продукцию.
ак отмечалось в предыдущей статье ("ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ", 2015, № 3 [1]), струйная печать имеет преимущество из-за возможности реализовать печать прямо из CAD/CAM файлов, минуя предварительную стадию подготовки трафаретов, печатных форм и т. п. Поэтому логично посвятить основные усилия освоению именно струйной печати. Очевидно, что нецелесообразно проводить прикладные исследования на дорогом промышленном принтере. Осваивать и отрабатывать технологию лучше на компактном лабораторном оборудовании.
Основой для всех решений по выбору лабораторного оборудования является изделие, технологию которого вы планируете или удешевить, или организовать с нуля. Поскольку мир изделий электроники многообразен, в технологическом цикле каждого конкретного изделия будут наноситься абсолютно разные материалы. Необходимо определиться заранее, для какого конечного изделия вы планируете отрабатывать технологию нанесения материалов струйной печатью, потому что некоторые характеристики наносимых печатью материалов должны быть согласованы с возможностями конкретного типа принтера. Как вариант для постановки прикладных исследований можно рассмотреть отработку технологий производства гибких осветительных декоративных панелей на органических светодиодах OLED (Organic Light Emitting Diode), например, аналогичных панелям, производимым компанией LG Chem (рис.1). Сейчас это, пожалуй, наряду с дисплеями, самое популярное направление исследований печатной электроники. Согласно публикациям, рядом компаний уже выполняются печатью как минимум следующие слои органических светодиодов (рис.2):
• проводящие соединения между катодами;
• слои органического диода ETL, EML, HIL, ELM.
Поэтому вполне логично направить прикладные исследования в области печатной электроники на создание производства отечественных недорогих осветительных гибких панелей, аналогичных LG Chem. К сожалению, в рамках одной статьи невозможно уместить и анализ материалов для производства органических светодиодов струйной печатью, и описание критериев выбора струйного принтера. Сосредоточившись в данной статье на теме выбора принтера, здесь лишь подчеркнем, что к нему можно переходить только после того, как вы определились с изделием и наносимыми печатью материалами.
Теоретическими исследованиями нанесения материалов электроники методами струйной печати давно занимаются, например, в Голландии. Разработаны хорошие теоретические модели, описывающие процесс нанесения материалов струйной печатью, на которые можно опереться при постановке плана экспериментов. На начальном этапе прикладных исследований, когда подтверждается принципиальная пригодность технологии, можно ограничиться экспериментальными исследованиями сокращенного набора результирующих параметров процесса печати, например, точности воспроизведения заданной в CAD/CAM топологии для разнонаправленных элементов; однородности напечатанных слоев по толщине.
Ниже мы рассмотрим основные факторы процесса печати функциональных материалов, которые могут повлиять на перечисленные нами характеристики. Таким образом, некоторые особенности технологии мы сможем учесть заранее и выбрать лабораторный принтер, оптимальный для планируемого прикладного исследования.
Выбор значения разрешения
и размера капли
При выборе разрешения и размера капли только на начальном этапе исследований необходимо руководствоваться теми же принципами, которые работают в полиграфии. В дальнейшем, в ходе отработки управляемого технологического процесса изготовления изделия электроники методом печати, необходимо руководствоваться исключительно требованиями к техническим характеристикам изделия в целом, требованиями стандартов в области производства электроники к допустимым значениям параметров формируемых слоев.
В табл.1 приведены соотношения между разрешением (общепринятая размерность – dpi, dot per inch – количество точек на дюйм) и расстоянием между центрами соседних капель; в табл.2 – соотношения между объемом капли и ее ориентировочным диаметром. Очевидно, если Вы планируете наносить печатью слои декоративной световой панели на органических светодиодах с размером светящегося элемента 500 мкм, неразумно выбирать лабораторный принтер с диапазоном размера капли 0,1 фл ÷ 10 пл, так как в этом случае время запечатывания площади пикселя будет неоправданно завышенным, а точность воспроизведения рисунка пикселя избыточной.
В общем случае разрешение в конкретном направлении будет определяться:
• скоростью движения столика в данном направлении, если оно предусмотрено конструкцией;
• скоростью движения печатающей головки, если оно предусмотрено в данном направлении;
• расстоянием между соплами печатающей головки в данном направлении;
• частотой генерации капель;
• другими факторами.
Таким образом, задание алгоритма печати и выбор режимов печати необходимо будет отрабатывать с учетом конструкции печатающей головки и расположения отверстий, реализации механизма перемещений столика и головки. Очевидно, что, если в комплект лабораторного принтера для печати материалов входит программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выбор алгоритма печати, задача исследователя будет значительно упрощена.
Кроме этого, важно на этапе выбора лабораторного принтера учесть такой фактор, как отклонение капли в процессе пролета расстояния от печатающей головки до запечатываемой поверхности (рис.3), вносящий ошибку в точность воспроизведения топологии. Чем больше расстояние, которое пролетает капля до подложки, тем больше вероятность отклонения траектории капли.
Еще один существенный параметр – это воспроизводимость размера капли. Обычно производители лабораторных принтеров для печати функциональных материалов приводят данные по повторяемости размеров капли и точности попадания в узлы заданной координатной сетки в спецификации на оборудование. Знание этих величин поможет приблизительно оценить, сможете ли вы на данном принтере выполнить требования к предельным размерам топологического рисунка вашего изделия и допускам на отклонение соответствующих элементов рисунка, которые очень жестко регламентируются и российскими, и международными стандартами для производства электроники.
Чернила и принтер:
разрешенный диапазон вязкости чернил
Для каждого типа печати используются чернила с разным диапазоном вязкости. В табл.3 приведены данные предпочтительных диапазонов вязкости для различных технологий печати, включая струйную. Но и в рамках одного типа печати – струйного – разрешенная вязкость наносимого материала будет разной для разных принтеров.
Указанный в табл.3 диапазон динамической вязкости приведен в паскаль-секундах – Па·с (система CИ). Обычно производители принтеров для функциональной печати материалов указывают в спецификации на оборудование предпочтительный диапазон вязкости или в Па · с, или сантипуазах – сП (1 Па · c = 10 П).
Как правило, современные лабораторные струйные принтеры для нанесения материалов могут наносить вещества с вязкостью до 0,010 Па · с и даже больше. В некоторых конструкциях печатающих головок специально предусмотрен нагрев резервуара для чернил (наносимого материала), для того чтобы обеспечить возможность подстройки вязкости чернил регулировкой их температуры. В любом случае вязкость материала, который планируется наносить струйной печатью, указывается производителем в спецификации и должна быть согласована с разрешенным для данного принтера диапазоном вязкости чернил.
Обеспечение стабильной генерации капель наносимого вещества
Несмотря на то, что в России появились успешные разработки в области использования печатных технологий для производства электроники (в ЦНИИ "Циклон", в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, в Центре трансфера технологий МГУ им. М.В.Ломоносова и др.), доступной фундаментальной литературы о процессах струйной печати на русском языке пока нет. Русскоязычные описания струйной печати производителей полиграфических принтеров очень упрощены и часто даже некорректны, поэтому для целей постановки прикладных процессов производства электроники абсолютно непригодны. Ниже обозначены некоторые особенности струйной печати функциональных материалов, которые необходимо учесть при выборе струйного принтера.
Для нанесения функциональных материалов струйной печатью в электронике в основном используются печатающие головки типа DOD (Drop on Demand) и CIJ (Continuous Inkjet), что не исключает вероятность появления в ближайшем будущем новых типов, специально разработанных для нанесения функциональных материалов, так как интерес к нанесению материалов струйной печатью и финансирование исследований в этой области во всем мире огромны.
И в том, и в другом типе печатающих головок из сопла печатающей головки выходит разной длины и формы, но струя материала, из которой потом формируются капли (рис.4). В точке удара о запечатываемую поверхность капля имеет скорость 5–8 м/c для DOD принтера и 10–30 м/c для CIJ принтера. Независимо от типа печатающей головки, нестабильная генерация капель и различные вторичные эффекты после соприкосновения капли с поверхностью (например, разбрызгивание) могут привести к 100%-ному браку.
Вязкость и поверхностное натяжение наносимого материала оказывают самое большое влияние на процесс каплеобразования и взаимодействие капель с запечатываемой поверхностью. Поэтому на этапе постановки процесса для обеспечения стабильной генерации капель необходимо будет согласовать некоторые физические свойства наносимого материала и особенности конструкции печатающей головки.
Эмпирическим путем установлены рекомендации для значений двух чисел.
Число Рейнольдса:
;
число Онезорге:
,
где
ρ – плотность наносимого материала,
d – характеристический размер капли (диаметр капли или сопла),
V – скорость струи из сопла печатающей головки,
η – вязкость наносимого материала,
σ – поверхноcтное натяжение наносимого материала.
Для DOD принтеров считается, если Оh ≥ 1,0, то большая вязкость препятствует образованию капель. Если Оh ≤ 0,1 – велико образование сателлитных капель. Это графически поясняется на рис.5. Сплошная диагональная линия на рис.5 соответствует уравнению Re = 2 / Oh и ограничивает область слева, в которой наносимая жидкость имеет недостаточную кинетическую энергию для образования капель. Пунктирная диагональная линия ограничивает область справа, в которой силен эффект разбрызгивания капли при ударе о запечатываемую поверхность.
Область стабильной генерации невелика, находится в центре рисунка. Очевидно, что в процессе прикладного исследования должна быть обеспечена возможность работы принтера в области стабильной генерации капель. Поэтому при выборе лабораторного принтера важно согласовать характеристики планируемого для исследований вещества и конструкции печатающей головки.
КОНТАКТ КАПЛИ С ЗАПЕЧАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ. РАСТЕКАНИЕ, ОТСКОК КАПЛИ, ФИКСАЦИЯ ФОРМЫ КАПЛИ
Ранее мы рассматривали только процессы до момента контакта капли наносимого материала с поверхностью. Когда капля касается поверхности, она как минимум расплющивается и изменяет форму (рис.6). Существует несколько моделей для предсказания геометрии капли. Самая известная – это статическая модель капли в равновесном состоянии на поверхности твердого тела, описываемая уравнением Юнга:
σsv = σls + σlv cos θeqm,
где:
σsv – поверхностная энергия на границе твердое тело – газ,
σls – поверхностная энергия на границе жидкость – твердое тело,
σlv – поверхностная энергия на границе жидкость – газ, или поверхностное натяжение жидкости,
θeqm – контактный угол.
По факту форма капли устанавливается в течение определенного времени, то есть этот процесс динамический и он сложнее, чем уравнение Юнга. Кроме поверхностных энергий σsv, σls, σlv на форму капли влияют дополнительные факторы: скорость падения, исходный вес капли, состояние поверхности после нанесения капли, взаимодействие с другими каплями, если есть накладывание контуров или печать в несколько слоев, "отскок" капли от запечатываемой поверхности, осцилляции жидкой капли, капиллярное впитывание чернил материалом запечатываемой поверхности, другие факторы.
На примере изменения диаметра капли во времени, приведенном на рис.7, можно составить первичное представление о явлениях, которые необходимо будет учесть при постановке прикладного исследования. Это значит, что анализатор формы капли должен входить в состав лабораторного принтера обязательно.
Химическая совместимость
Одни и те же модели лабораторных принтеров для нанесения функциональных материалов могут быть предназначены для прикладных исследований как в области электроники, так и в области медицины и биотехнологий. Необходимо обратить внимание на совместимость используемых вами материалов и химической стойкости элементов конструкции лабораторного принтера. Эти вопросы лучше всего задать производителю принтеров, опираясь на спецификации выбранных материалов.
Подготовка запечатываемой поверхности
Не всегда очень хорошая адгезия – благо в электронике. Из-за чрезмерного растекания капли в случае хорошей адгезии к поверхности воспроизведение заданной топологии может быть затруднено и в ряде случаев невозможно. Применяются различные техники для фиксации растекания капли:
• предварительное формирование углубленного рельефа, соответствующего топологии;
• предварительная обработка лазером или плазмой всей поверхности для достижения контролируемого растекания;
• предварительная обработка поверхности лазером или плазмой только в местах последующей печати функционального материала;
• быстрая сушка капли после нанесения, то есть предотвращение растекания за счет фиксации диаметра капли. Фактически такая сушка должна быть встроена в принтер.
Некоторые принтеры включают модули предварительной обработки поверхности.
Лабораторное оборудование
для печати "всего"
Чтобы определить возможность напечатать на одном принтере несколько функциональных слоев, для каждого слоя необходимо, во‑первых, определиться с поставщиком материала и знать как минимум его вязкость и ориентировочный химический состав для оценки совместимости с материалом печатающей головки. Во-вторых, знать геометрические размеры, которые будут использоваться для данного слоя (горизонтальные и вертикальные) и требования к их разбросу. После этого проверить намеченные типы принтеров, выяснив, какие из них подходят с точки зрения стабильной генерации капель данного типа чернил.
Если не удается все необходимые слои даже теоретически напечатать на одном типе принтеров, целесообразно подумать о закупке более сложного и дорогого, но универсального лабораторного оборудования.
Размер капли, рекомендуемый диапазон вязкости определяются не принтером в целом, а конструкцией печатающей головки. Если базовая платформа принтера предусматривает возможность установки разных печатающих головок, значит, можно поэкспериментировать с технологией печати самых разных материалов. Ряд производителей изготавливают лабораторное оборудование с несколькими печатающими головками по желанию заказчика.
Установка нескольких печатающих головок добавляет гибкость при проведении исследований:
• при использовании нескольких печатающих головок увеличивается производительность;
• есть возможность использовать более сложные алгоритмы нанесения капель вещества, например, grey scale;
• можно за один проход печатать разные материалы (в разные печатающие головки заправить разные материалы);
• можно за один проход напечатать два слоя материала.
Есть много других полезных возможностей, обеспечивающихся установкой двух и более печатающих головок. Это будет достаточно универсальная машина в сегменте более дорогого лабораторного оборудования, но ее можно после отработки процесса использовать как промышленную для мелкосерийного производства. Поэтому для изделий, в которых печатью можно производить несколько функциональных слоев, решение приобрести более дорогую, но универсальную машину, является оптимальным.
Заключение
Основные рекомендации при выборе оборудования для постановки прикладных исследований:
• согласовать характеристики планируемого для исследований вещества и конструкции принтера, то есть убедиться, что на приобретаемом принтере выбранный вами материал печатается стабильно;
• прояснить, какие задачи по выбору алгоритма печати можно автоматизировать с помощью поставляемого программного обеспечения;
• проверить, что лабораторный принтер оснащен системами анализа формы капли;
• убедиться, что резервуар, система подачи чернил, материалы печатающей головки совместимы с материалом выбранных чернил;
• оценить, соответствует ли размер капли и разрешение принтера вашим топологическим задачам;
• получить разъяснения производителя по процедуре очистки печатающей головки и частоте ее проведения;
• определиться с дополнительным оборудованием, необходимым для управления свойствами запечатываемой поверхности;
• определиться с оборудованием для дополнительной обработки наносимого вещества до приобретения им заданных функциональных характеристик (проводимость, электролюминесценция и т.д.);
• если поставлена задача отработать нанесение струйной печатью нескольких типов материалов с разными значениями вязкости или с кардинально отличающимися требованиями к минимальным топологическим размерам, необходимо проанализировать целесообразность приобретения более дорогого принтера с возможностью установки нескольких головок или смены типа печатающих головок.
Необходимо отметить глубокую проработку фундаментальных принципов струйной печати материалов за рубежом. Определены основные проблемные вопросы нанесения материалов струйной печатью, которым следует уделить внимание при отработке промышленных технологий. Это является еще одним аргументом в пользу принятия решения о возможности и своевременности начала серии прикладных исследований технологий печатной электроники в России. Значимые прикладные результаты прорывных технологий невозможно купить, их необходимо наработать самим. Если у вас есть понимание, как новые технологии и материалы могут быть применены, то подобрать эффективный механизм обеспечения финансирования прикладной разработки в России не только возможно, но, в свете реализации российской Национальной технологической инициативы, необходимо.
Литература
1. Разумнева Н. Прямая печать проводящих материалов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 3. С. 192–196.
2. http://www.lgoledlight.com.
3. http://www.lgchem.com/global/green-energy/oled-lighting.
4. Shin Dong-Youn and Brakke Kenneth A. “Issues in Color Filter Fabrication with Inkjet Printing”, Wiley, 2012.
5. Martin Graham D. and Hutchings Ian M. "Fundamentals of InkJet Technology", Wiley, 2013.
6. Stringer Jonathan, Derby Brian. "When the Drops Hits The Substrate", Wiley, 2013.
7. Данные открытых публикаций и технических спецификаций на выпускаемую продукцию.
Отзывы читателей
