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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 156 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wird erwartet, dass die Tintenstrahldrucktechnologie in Zukunft die Massenproduktionstechnologie für gedruckte Displays verbessern wird. Düsenanordnungs-Druckköpfe bilden die Grundlage für Anwendungen in der Massenproduktion gedruckter Displays. Eine große Herausforderung bei der Anwendung dieser Technologie ist jedoch die Strahlinstabilität, die durch Luftblaseneinschlüsse und Änderungen der Düsenbenetzbarkeit während des Druckprozesses verursacht wird. Um sich an mögliche Düsenanomalien anzupassen, wird in dieser Studie ein Düsenarray-Drucksystem mit hoher Anpassungsfähigkeit entwickelt, das auf einem SCPP-Modell (Set Covering Printing Planning) für die Herstellung gedruckter Displays basiert. Die Studie besteht aus zwei Teilen. Zunächst wird ein Drucksystem vorgeschlagen, das auf mehrstufiger visueller Inspektion und geschlossenem Feedback basiert, um abnormale Düsenpositionen genau zu erkennen und zu überprüfen. Insbesondere kann das Tintenstrahldrucksystem Düsen mit abnormalen Ausstoßeigenschaften identifizieren und sicherstellen, dass die übrigen Düsen präzise und stabil arbeiten. Anschließend wird ein SCPP-Modell für die Druckplanung mit Anzeigepixeln erstellt, indem die verbleibenden normalen Düsen am Düsenarray-Druckkopf verwendet werden. Dieses Modell kann den effizientesten Druckpfad und die effizienteste Düsendruckaktion ausgeben und sich an jedes Pixelmuster, jeden Düsentyp und jede abnormale Düsenverteilung anpassen. Das System und die Technologie sind äußerst anpassungsfähig und skalierbar für die Herstellung großflächiger gedruckter Anzeigegeräte.

Beim Tintenstrahldruck handelt es sich um eine Technologie, mit der eine Materiallösung direkt auf ein Substrat aufgetragen werden kann, um bei Raumtemperatur Muster zu bilden. Dieser Ansatz gilt aufgrund seiner geringen Kosten, der hohen Fertigungseffizienz und der Vorteile bei der Herstellung großflächiger flexibler Panels als Fertigungsmethode der nächsten Generation für die Herstellung gedruckter Displays1,2,3. Abbildung 1a zeigt die typische Struktur4 einer organischen Leuchtdiode (OLED), die gedruckt werden kann. Der Ablauf des Druckherstellungsprozesses für dieses gedruckte Display ist in Abb. 1b dargestellt. Die Machbarkeit der Tintenstrahldrucktechnologie bei der Herstellung gedruckter Displays wurde durch die Anwendung dieser Technologie im Labor überprüft. Beispielsweise wurden die Lochinjektionsschicht5 (HIL), die Lochtransportschicht6 (HTL), die Emissionsschicht7 (EML) und die Dünnfilmverkapselungsschicht8 (TFE) von OLEDs durch Drucken hergestellt.

Vereinfachtes Diagramm der OLED-Struktur und des Produktionsablaufs.

Eine der Schlüsseltechnologien für die Massenproduktion gedruckter Displays ist die Verwendung von Düsenanordnungs-Druckköpfen, die normalerweise aus einer oder mehreren Reihen mit mehreren Düsen bestehen. Die Düsen in derselben Reihe sind in gleichen Abständen angeordnet, und die Düsen in verschiedenen Reihen sind in einem versetzten Muster angeordnet, um die Druckdichte zu verbessern. Die meisten Produktionsdruckersysteme verwenden Düsenarray-Druckköpfe mit Tausenden von Düsen, um die Effizienz des Tintenstrahldrucks zu verbessern9. Beim Übergang des Tintenstrahldrucks von Forschung und Entwicklung (F&E) zur Massenproduktion besteht jedoch eine der größten Herausforderungen bei Düsenarray-Druckkopfanwendungen in der Instabilität des Düsenausstoßes, wie in Abb. 2a dargestellt. Es ist schwierig sicherzustellen, dass alle Düsen eines Druckkopfes während des gesamten Druckvorgangs stabile Strahlen liefern können. Auswurfprobleme, wie z. B. ausgefallene Düsen, ungleichmäßige Volumina und schräge Flugbahnen, können zu Druckfehlern auf gedruckten Panels und dann zu Mura-Fehlern10 führen, die letztendlich die Qualität der gedruckten Anzeige beeinträchtigen, wie in Abb. 2b dargestellt. Ausstoßprobleme können zahlreiche Ursachen haben, wie z. B. eine schlechte Strahlrichtung aufgrund der Benetzung der Düsenplatte, teilweise Flüssigkeitsverstopfungen innerhalb oder außerhalb einer Düse und Luftblaseneinschluss im Druckkopfsystem11. Die Ursachen dieser Probleme sind sehr komplex und schwer direkt zu identifizieren. Daher müssen Düsenarray-Drucksysteme mit gedruckter Anzeige in hohem Maße an mögliche abnormale Düsenausstoßbedingungen anpassbar sein.

Die Herausforderung beim Einsatz von Düsenarrays beim Display-Pixeldruck. (a) Tintenstrahldruck und typische Probleme. (b) Flexibler OLED-Bildschirm für den Tintenstrahldruck, der von TCL auf der Consumer Electronics Show 2020 vorgestellt wurde, und Beispielfehler in einem gedruckten Panel.

Um dieses Problem zu lösen, umfasst das herkömmliche Drucksystem hauptsächlich die folgenden drei Schritte. (1) Tröpfcheninspektion und Identifizierung abnormaler Düsen; (2) Druckkopfeinstellung, bis alle Düsen auf den normalen Ausstoßzustand eingestellt sind; und (3) Drehen des Düsenarray-Druckkopfs, um den Düsenabstand und den Pixelabstand anzupassen, und Verwenden des Druckplanungsalgorithmus, um den Druckpfad und die Düsenausstoßaktion zu ermitteln12. Zur Tröpfcheninspektion und Druckkopfeinstellung reduzieren herkömmliche Drucksysteme das Auftreten abnormaler Düsen durch hydrophobe Düsenbehandlung, Optimierung der Tintenformulierung und Wellenformanpassung des Druckkopfs. Han et al.13 verwendeten eine selektive hydrophobe Beschichtung der Tintenstrahlkopfplatte, um die Gleichmäßigkeit des Drucks zu verbessern. Huang et al.14 analysierten die Auswirkungen metallischer Nanopartikelgrößen in der Tintenformulierung anhand des Tröpfchenaufprallverhaltens und stellten fest, dass dieser Ansatz zur Optimierung der Tintenformulierung verwendet werden könnte. Jiang et al.15 schlugen ein rechnergestütztes Fluiddynamikmodell vor, um den Mechanismus des Druckprozesses zu untersuchen; Das Modell könnte die schnelle Bestimmung von Betriebsparametern für die gewünschte Druckauflösung unterstützen, wenn eine neue Tinte verwendet wird. Cao et al.16 kontrollierten die Tropfenvolumenabweichung innerhalb von 5 % durch Wellenformanpassung entsprechend den Tropfenbeobachtungsergebnissen eines Düsenarray-Tintenstrahldrucksystems und verwendeten dieses Drucksystem, um eine Fläche von 40 × 40 mm großen OLEDs mit hoher Gleichmäßigkeit zu drucken. Yun et al.17 fügten einem Düsenarray-Drucksystem einen Wellenformoptimierungsalgorithmus hinzu und kontrollierten die Abweichung der Tröpfchengeschwindigkeit innerhalb von 6 % durch Feedback-Anpassung auf der Grundlage von mit einer Kamera erhaltenen Messungen. Anschließend nutzte das Tintenstrahldrucksystem die angepassten normalen Düseninformationen, um die Bewegung und den Strahlvorgang des Druckvorgangs mithilfe eines Druckplanungsalgorithmus zu planen, und erreichte schließlich den OLED-Druck. Zu den häufig verwendeten Druckplanungsmethoden gehören Rasterdruckplanungsalgorithmen und Vektordruckplanungsalgorithmen. Lin et al.18 schlugen einen neuartigen Druckalgorithmus vor, der auf der Rotation des Druckkopfes und einem Interlaced-Druckverfahren für die Herstellung von OLED-Displays basiert. Chang et al.19 haben einen Interlace-Rotationsalgorithmus entwickelt, der den Druckpfad und die Düsenausstoßaktion durch Drehen des Druckkopfwinkels planen kann. Die Ergebnisse zeigten, dass die Druckauflösung kontinuierlich von 100 Punkten pro Zoll (DPI) bis 5080 DPI angepasst werden kann. Phung et al.20 entwickelten eine Encoder-Verarbeitungseinheit und einen Vektordruckalgorithmus, um X-Y-Druckbewegungen und Düsenausstoßaktionen zu planen, indem sie Tröpfchen in gleichmäßigen Abständen erzeugen, um eine ungleichmäßige Linienbreite in der Nähe der Endpunkte zu verhindern, an denen der Liniendruck beginnt und endet. Kim et al.21 präsentierten einen Algorithmus zur Neudefinition der Druckbildauflösung entsprechend dem Pixelabstand von OLEDs und planten dann den Druckprozess anhand eines Bitmap-Musters.

Die oben genannten Drucksysteme hängen jedoch in hohem Maße von der Genauigkeit und Stabilität aller Düsenausstoßzustände ab. Diese Drucksysteme können sich mit abnormalen Düsen nicht an Druckbedingungen anpassen. Wenn eine Düse abnormal ausstößt, kann dies zu Druckfehlern auf den bedruckten Anzeigetafeln führen. Darüber hinaus ist es für murafreie Druckergebnisse auf Displays erforderlich, dass die Gesamtdicke aller Pixel gleichmäßig ist. Beispielsweise muss die Dickenschwankung jeder OLED-Schicht ≤ ± 0,6 % der mittleren Dicke betragen22; Daher ist eine Abweichung des Tropfenvolumens innerhalb von 5 % für alle Düsen unzureichend. Es ist schwierig, alle Düsen durch Wellenformanpassung und Optimierung der Tintenformulierung auf den Normalzustand einzustellen22. Im Wesentlichen ist für alle Düsen ein F&E-Betriebszustand erforderlich, um normale und stabile Strahlen zu liefern, und dieser Zustand ist für die Massenproduktion mit hohem Durchsatz nicht geeignet. Daher lohnt es sich, ein Display-Pixel-Drucksystem zu studieren, das an alle Druckbedingungen angepasst werden kann.

Inspiriert von früheren Düsen-Array-Tintenstrahl-Drucksystemen stellt dieser Artikel ein Display-Pixel-Düsen-Array-Tintenstrahl-Drucksystem vor, das auf einem SCPP-Modell (Set Covering Printing Planning) basiert und bei abnormalen Druckkopfdüsen jede Art von Pixelmuster stabil und genau drucken kann identifiziert und geschlossen. Das vorgeschlagene System besteht aus zwei Teilen. Erstens ist ein Düsenarray-Tintenstrahldrucksystem, das auf einer mehrstufigen visuellen Inspektion basiert, darauf ausgelegt, eine vollständige Zyklusüberwachung und Feedback-Steuerung vom Tröpfchenausstoß bis zur Ablagerung für alle Düsen am Druckkopf zu realisieren und abnormale Düsen basierend auf den Erkennungsergebnissen zu überprüfen. Zweitens wird ein SCPP-Modell für die Herstellung gedruckter Displays vorgeschlagen, um den Druckpfad und die Düsenausstoßaktionen entsprechend der verbleibenden normalen Düsenposition und dem Pixelmuster zu planen. Das Problem der Düsenausstoßinstabilität wird mit den beiden Komponenten des vorgeschlagenen Systems gelöst. Das in dieser Studie vorgeschlagene hochgradig anpassungsfähige Düsenarray-Tintenstrahldrucksystem kann die Anforderungen der Kommerzialisierung und der Herstellung gedruckter Displays in großem Maßstab erfüllen.

Der Prozess des Display-Pixeldrucks reicht vom Ausstoßen von Tröpfchen aus den Düsen des Druckkopfs bis zur Ablagerung in Pixeln auf einem Substrat. Die wichtigsten an diesem Prozess beteiligten Objekte sind Druckköpfe, Tröpfchen und Substrate. Die Grundlage eines genauen und stabilen Druckplans umfasst zwei Punkte: (1) die Bestimmung der Koordinaten der Düse und des Druckmusters und (2) die genaue Identifizierung der Position abnormaler Düsen. Daher müssen mehrstufige Erkennung und Feedback-Anpassung für den Druckkopf, die Tröpfchen und die Substrate genau durchgeführt werden. Das Drucksystem umfasst Funktionen wie Druckkopf- und Substratinspektion, abnormale Düsenprüfung, Druckplanung, Paneldruck und Druckergebnisprüfung. Das vorgeschlagene Tintenstrahldrucksystem mit gedruckter Anzeige und Düsenanordnung ist gemäß diesen Funktionen in vier Teile unterteilt, wie in Abb. 3 dargestellt.

Prüfung und Kalibrierung der Druckkopf- und Substratposition. Die Installationsposition des Druckkopfs wird mit einer nach oben gerichteten Kamera und die Substratposition mit einer nach unten gerichteten Kamera bestimmt. Wenn der Installationspositionsfehler den relevanten Grenzwert überschreitet, werden die Druckkopf- und Substratpositionen kalibriert. Nach der Kalibrierung werden die Koordinatensätze für Düsen und Pixel im gleichen Koordinatensystem festgelegt, das auch vom Drucksystem verwendet wird.

Überprüfung abnormaler Düsen Zunächst wird eine Tröpfchenüberwachungskamera verwendet, um das Volumen, die Geschwindigkeit und den Winkel der aus jeder Düse ausgestoßenen Tröpfchen zu messen. Dann wird der Druckkopf verwendet, um einen Probedruck an der leeren Position des Substrats durchzuführen, und die nach unten gerichtete Kamera wird verwendet, um den Fehler zwischen den tatsächlichen Ablagerungspositionen der Tröpfchen und den geplanten Positionen zu messen. Entsprechend den Messergebnissen wird die Druckkopf-Antriebswellenform angepasst und eine Druckpositionskompensation durchgeführt, um die Düsenausstoßergebnisse zu verbessern. Die Seriennummern abnormaler Düsen mit Tropfenparametern, die die relevanten Grenzwerte überschreiten, werden erfasst.

Modellplanung Entsprechend der aufgezeichneten abnormalen Düsensituation und den Anforderungen an das gedruckte Anzeigemuster wird ein vorgeschlagenes SCPP-Modell zur Planung des Druckprozesses verwendet. Die Ausgabe des Modells umfasst die Druckbewegungsroute, die Druckkopfauswurfaktion und die Zuordnung zwischen Düsen und Pixeln. Die ersten beiden Ausgänge werden für den Substratdruck verwendet. Der dritte Ausgang wird verwendet, um die abnormale Düsenposition zu finden, die Fehler verursacht, wenn der Fehler nach dem Drucken festgestellt wird.

Plattendruck und Ergebnisprüfung Entsprechend der geplanten Druckroute und den Düsenauswurfaktionen wird ein Düsenarray-Druckkopf verwendet, um den Druck aller Pixel auf dem Substrat abzuschließen. Nach Abschluss des Druckvorgangs werden die Druckergebnisse mit einer automatischen optischen Inspektionskamera (AOI) überprüft. Abhängig von den Positionen der überprüften Druckfehler und der Zuordnung zwischen Düsen und Pixeln werden abnormale Düsen beim nächsten Druck erneut überprüft und geschlossen.

Schematische Darstellung der Prinzipien des Display-Pixel-Tintenstrahldrucksystems.

Basierend auf dem Design für den Display-Pixel-Druckprozess in Abb. 3 muss das System die folgenden Module umfassen: (1) ein Druckmodul für den stabilen Ausstoß von Tröpfchen; (2) ein Druckkopf- und Substratinspektionsmodul zum Erhalten von Positionsinformationen für alle Düsen und Pixel; (3) ein Tröpfchenmessmodul zur genauen Erkennung von Parametern für von jeder Düse ausgestoßene Tröpfchen, einschließlich Tröpfchenvolumen, Geschwindigkeit, Winkel und ob Satellitentröpfchen vorhanden sind; (4) ein AOI-Modul zur Bewertung der Druckergebnisse und zur Erfassung von Informationen zu Druckfehlern; und (5) ein Bewegungsmodul für die Ausführung von Druckaktionen und die Bewegung verschiedener Module. Ein Prototyp des Display-Pixel-Düsen-Array-Drucksystems ist in Abb. 4 dargestellt und umfasst die oben genannten Funktionsmodule und ein mögliches Gerätelayout. Zu den Layoutvorteilen gehören die folgenden: (1) Module werden während des Druckvorgangs entsprechend der Modulübertragungsreihenfolge von rechts nach links angeordnet, um die Konvertierungseffizienz verschiedener Module in diesem Prozess zu verbessern; (2) das Tröpfchenmessmodul, das den Tröpfchenausstoß erfordert, ist getrennt vom Druckbereich angeordnet, um sicherzustellen, dass die ausgestoßenen Tröpfchen das Substrat nicht verunreinigen; und (3) die Nutzung unterschiedlicher Bewegungsachsen wird maximiert, um Platz im System zu sparen.

Vereinfachtes Diagramm des Drucksystems.

Das Druckmodul umfasst den Druckkopf, das Drucksteuerungssystem und das Tintenversorgungssystem. Das Tintenversorgungssystem leitet die Tinte durch den Schlauch und die Pumpe, um einen stabilen Fluss von der Tintenpatrone zu den Düsen zu erreichen und sicherzustellen, dass der Tintendruck innerhalb eines kleinen stabilen Fehlerbereichs liegt. Das Drucksteuersystem empfängt das vom Host-Computer gesendete Druckkopfauswurfsignal, um den Tintenstrahl auszulösen. Die Druckkopf- und Substratinspektionsmodule umfassen jeweils eine nach oben gerichtete Kamera und eine nach unten gerichtete Kamera. Durch diese beiden Kameras können die Positionen des Druckkopfes und des Substrats erfasst werden. Anhand der Positionskoordinaten der beiden Kameras im Drucksystem werden die Positionskoordinaten aller Düsen am Druckkopf und aller Pixel auf dem Substrat im Koordinatensystem des Drucksystems ermittelt. Das Tropfenmessmodul verwendet ein selbst entwickeltes, präzises, auf Stereovision basierendes Tropfenmesssystem23; Es umfasst zwei Tröpfchenbeobachtungskameras in unterschiedlichen Winkeln auf derselben horizontalen Ebene, synchronisiert auslösende Stroboskoplichter und mehrere Bildverarbeitungsalgorithmen, um hochwertige dreidimensionale Bilder von mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Tröpfchen zu erhalten und deren Volumen, Geschwindigkeit und Genauigkeit genau zu messen Winkel. Das AOI-Modul enthält mehrere Sätze von Industriekameras und koaxialen Lichtquellen sowie einen automatischen Erkennungsalgorithmus für Druckfehler. Dieses Modul kann schnell Bilder der Druckergebnisse sammeln und durch Bildverarbeitung die Art und Position von Druckfehlern ermitteln. Das Bewegungsmodul besteht aus einer mehrachsigen Bewegungsplattform, bei der die Y-Achsen-Bewegungsplattform die Druckkopfmodule, das Substratinspektionsmodul und das AOI-Modul in die Arbeitsposition bewegt; Die X-Achsen-Bewegungsplattform transportiert das Tröpfchenmessmodul, das Druckkopfinspektionsmodul und die Adsorptionsplattform, auf der das Substrat platziert wird. die Z-Achsen-Bewegungsplattform hebt das Druckkopfmodul und das AOI-Modul an; und die θ-Achsen-Bewegungsplattform dreht die Substratadsorptionsplattform.

Basierend auf den Dicken- und Gleichmäßigkeitsanforderungen der gedruckten Display-Funktionsschicht und der Fertigungseffizienz des Drucksystems lauten die Leistungsindizes dieses Drucksystems wie folgt: (1) Druckgeschwindigkeit ≥ 100 mm/s; (2) Positionsfehler der Tröpfchenablagerung ≤ ± 10 μm; und (3) murafreies Druckergebnis. Daher erfordert jeder Schritt im vorgeschlagenen Prozess eine geschlossene Erkennung und Feedback-Anpassung, um die Genauigkeit und Stabilität des Drucksystems zu verbessern und genaue Screening-Ergebnisse für abnormale Düsenpositionen am Druckkopf für den nächsten Planungs- und Druckschritt im Prozess bereitzustellen fließen.

Die geschlossenen Kreisläufe im Druckprozessablauf sind wie in Abb. 5 dargestellt aufgebaut und umfassen vier innere geschlossene Kreisläufe in verschiedenen Schritten des vorgeschlagenen Prozesses und einen Batch-geschlossenen Kreis für den gesamten Druckprozess. Jeder innere geschlossene Regelkreis kann die Genauigkeit des entsprechenden Prozessschrittes verbessern. Ein geschlossener Batch-Kreislauf für den gesamten Prozessablauf besteht aus allen inneren geschlossenen Kreisläufen und kann die Druckergebnisse iterativ optimieren, wenn die Druckchargengröße zunimmt.

Vereinfachtes Diagramm des geschlossenen Rückkopplungssystems im Drucksystem.

Die spezifischen Aktionen und Funktionen des Closed-Loop-Druckprozesses sind wie folgt. Innerer geschlossener Regelkreis 1: Wie in Teil A von Abb. 5 dargestellt, muss nach Abschluss der Druckkopfinstallation die Düsenposition von der nach oben gerichteten Kamera erkannt werden. Wenn der Druckkopfwinkelfehler den Schwellenwert überschreitet, wird der Druckkopf neu installiert. Innerer geschlossener Regelkreis 2: Wie in Teil B von Abb. 5 gezeigt, ist es notwendig, die Substratplatzierung mit einer nach unten gerichteten Kamera zu erkennen, da der Substrattransfermanipulator im Allgemeinen nicht die Präzision der Substratplatzierung im Mikrometerbereich erreichen kann. Wenn der Platzierungsfehler des Substrats außerhalb des angegebenen Bereichs liegt, verwendet das System den rotierenden Motor der Substratadsorptionsplattform zur Kalibrierung. Innerer geschlossener Regelkreis 3: Wie in Teil C von Abb. 5 dargestellt, wird das Tröpfchenmessmodul verwendet, um das Volumen, die Geschwindigkeit und den Winkel aller vom Druckkopf ausgestoßenen Tröpfchen zu erfassen. Wenn die gemessenen Tropfenparameter die zulässigen Fehlerbereiche überschreiten, werden die abnormalen Düsen geschlossen und ihre Positionen werden aufgezeichnet. Innerer geschlossener Regelkreis 4: Wie in Teil D von Abb. 5 gezeigt, wird ein Probedrucktest durchgeführt, um den Positionsfehler der Tröpfchenablagerung zu bestimmen. Das Druckmuster ist eine Tröpfchenmatrix mit einem bestimmten Abstand. Nach dem Drucken wird die nach unten gerichtete Kamera verwendet, um ohne Wiederholung Bilder von mehreren Stellen in der Tröpfchenmatrix zu sammeln. Anschließend erhält das System durch Bildverarbeitung alle tatsächlichen Koordinaten der Tröpfchenposition. Diese Koordinaten werden mit den idealen Tröpfchenpositionskoordinaten verglichen, um die Tröpfchenablagerungsgenauigkeit zu berechnen und eine Kompensation durchzuführen. Batch-Closed-Loop 5: Wie in Teil E von Abb. 5 dargestellt, werden die Druckergebnisse nach dem Plattendruck mit AOI-Kameras überprüft. Anschließend werden die Fehlerursachen anhand der untersuchten Fehlerarten und -orte ermittelt. Basierend auf der spezifischen Ursache oder den spezifischen Ursachen werden die Druckprozessparameter, abnormalen Düsenpositionen, Druckkopf- und Substratpositionen in der nächsten Charge angepasst und optimiert. Durch mehrstufige geschlossene Kreisläufe kann das Drucksystem die verschiedenen Gerätefehler genau bestimmen und für jeden Schritt im Prozess eine Kalibrierung durchführen. Darüber hinaus bildet die vollständige Überprüfung abnormaler Düsen am Druckkopf die Grundlage für den nächsten Schritt in der Druckplanung und verbessert die Anpassungsfähigkeit an die Arbeitsbedingungen für abnormale Düsen.

Um ein Drucksystem mit hoher Anpassungsfähigkeit zu schaffen, das auf der Erzielung abnormaler Düsenpositionen am Druckkopf durch einen mehrstufigen geschlossenen Regelkreis basiert, müssen die verbleibenden normalen Düsen verwendet werden, um den Druck aller Pixel auf dem Substrat abzuschließen. Daher wird ein Druckplanungsmodell erstellt, um den Bewegungspfad des Druckkopfs und die Düsenausstoßaktion so zu planen, dass alle Pixel in kürzester Zeit vollständig gedruckt werden können.

Der Druckvorgang ist wie folgt. Nachdem sich die Düse zum Startpunkt des Drucks bewegt hat, beginnt sich das Substrat in X-Richtung zu bewegen. Wenn der druckbare Bereich des Pixels auf dem Substrat unter einer normalen Düse hindurchläuft, werden Tröpfchen aus der Düse ausgestoßen und abgelagert, um Pixel zu bilden. Nach unseren anderen Forschungsergebnissen ist der druckbare Bereich der größte Bereich, in dem ein Tröpfchen schließlich fließen kann, um ein Pixel zu bilden, nachdem es auf einem Substrat abgeschieden wurde24. Wenn alle Pixel in derselben Spalte in X-Richtung gedruckt wurden, ist der One-Pass-Druck abgeschlossen. Anschließend kehrt das Substrat in seine ursprüngliche Position zurück und der Druckkopf bewegt sich eine bestimmte Strecke in Y-Richtung, sodass die normalen Düsen mit anderen unbedruckten Pixeln ausgerichtet werden, um den nächsten Druckvorgang in einem Durchgang zu starten. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Pixel auf dem Substrat gedruckt sind.

Daher ist das Druckplanungsproblem wie folgt definiert. Abbildung 6 zeigt das Layout und die Parameter des Display-Pixel-Düsen-Array-Drucksystems. L und m sind der Düsenabstand bzw. die Anzahl der Düsen am Druckkopf. P und n sind der Abstand bzw. die Anzahl der Pixelspalten in der Y-Richtung des Substrats. S ist die Größe der Pixel in Y-Richtung und e ist der Tropfenablagerungsfehler in Y-Richtung. S und e definieren zusammen den zulässigen Druckbereich des Pixels in Y-Richtung. Wenn die normale Düsenposition innerhalb des Bereichs liegt, können die von dieser Düse ausgestoßenen Tröpfchen im Pixel abgelagert werden. Andernfalls könnte sich das Tröpfchen außerhalb des Pixels ablagern und Druckfehler verursachen.

Das Layout des Display-Pixel-Drucksystems.

Gemäß dem Pixeldruckverfahren besteht der Prozess aus mehreren Druckdurchgängen. Die normalen Düsen werden bei jedem Durchgang auf unterschiedliche Pixel ausgerichtet, und während sich das Substrat während eines Durchgangs in X-Richtung bewegt, werden alle Pixel in der Spalte, in der sich die ausgerichteten Pixel befinden, gedruckt. Wenn also die Position des Druckkopfs für einen Durchgang anhand der Ausrichtung der normalen Düse und der Positionen nicht gedruckter Pixel bestimmt wird, können die Indizes der Düsen ermittelt werden, die in diesem Durchgang verwendet werden müssen. Daher ist die pro Durchgang gedruckte Druckkopfposition die Entscheidungsvariable des Druckplanungsproblems. Darüber hinaus besteht die zu lösende Herausforderung darin, den Substratdruck bei Vorhandensein abnormaler Düsen zu erwarten. Daher ist es eine starke Einschränkung für das Modell, dass der Substratdruck unabhängig von der Anzahl abnormaler Düsen normal abgeschlossen werden kann. Für Optimierungsziele ist bei der Bestimmung der Druckgeschwindigkeit und der Anzahl der Pixel in X-Richtung die erforderliche Druckzeit für einen Durchgang bekannt. Je geringer die Anzahl der Druckdurchgänge ist, desto kürzer ist die Zeit, die für die Fertigstellung des Druckauftrags benötigt wird. Daher besteht das Optimierungsziel des Druckplanungsproblems darin, die Anzahl der Druckdurchgänge zu minimieren.

Zusammenfassend lässt sich das Druckplanungsproblem anhand des Druckprozesses wie folgt definieren. Stellen Sie sich ein Drucksystem vor, das einen oder mehrere Druckköpfe mit bestimmten relativen Düsenpositionen und ein Substrat mit einem bestimmten Pixelmuster umfasst. Der Druckkopf beginnt mit dem Drucken des ersten Durchgangs ab einer bestimmten Position auf dem Substrat. Jeder normalen Düse kann ein Strahl zugewiesen werden oder nicht, wenn sie innerhalb des Pixelbereichs liegt, und alle abnormalen Düsen werden unter keinen Umständen ausgestoßen. Wenn sich im Pixelbereich eine Düse befindet, werden in diesem Durchgang alle Pixel in derselben Spalte auf dem Substrat entlang eines linearen Pfads in X-Richtung gedruckt. Anschließend bewegt sich der Druckkopf eine bestimmte Strecke in Y-Richtung, um weitere Pixelspalten zu drucken, und führt den nächsten Durchgang durch. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Pixel gedruckt sind. Das Ziel des Druckplanungsproblems besteht darin, die Anzahl der Druckdurchgänge zu minimieren, die zum Drucken aller Pixel erforderlich sind.

Die Problemparameter für das Planungsproblem für den Anzeigepixeldruck sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Problem kann mathematisch als folgendes Satzabdeckungsmodell formuliert werden:

wobei Gl. (1) ist eine Zielfunktion zur Minimierung der Anzahl ausgewählter Stopppunkte, was bedeutet, dass die Anzahl der Druckdurchgänge minimiert wird. Gleichung (2) ist eine Einschränkung, um sicherzustellen, dass jede Pixelspalte mindestens einmal gedruckt wird. Gleichung (3) stellt die Grenze der Entscheidungsvariablen dar, was bedeutet, dass jeder Stopppunkt höchstens einmal ausgewählt wird.

Der Schlüssel zur Festlegung von Modellbeschränkungen ist die Berechnung von \({a}_{i,j}\). Die entsprechende Formel lautet wie folgt:

Dabei ist \({y}_{i}^{px}\) die Positionskoordinate in Y-Richtung eines Pixels in der \(i\)-ten Spalte und \({y}_{j,q}^{ph }\) ist die Positionskoordinate in Y-Richtung der \(q\)-ten Normaldüse am Druckkopf, wenn die erste Düse am Druckkopf mit einem Pixel in der \(j\)-ten Spalte ausgerichtet ist. Die Positionskoordinaten der abnormalen Düsen werden nicht zu \({y}_{j,q}^{ph}\) hinzugefügt. Der Startpunkt der Positionskoordinate \({y}_{j,q}^{ph}\) ist die Position, an der die erste normale Düse am Druckkopf mit dem Pixel in der ersten Spalte auf dem Substrat ausgerichtet ist. Die linke Seite der Bedingung in Gl. (4) stellt die Positionsabweichung zwischen der Düse und dem Pixelmittelpunkt dar. Die rechte Seite ist die Fehlergrenze dieser Abweichung. Wenn sich die Düsenposition am Stopppunkt \(j\) befindet und sich in der Fehlergrenze des Pixels in Spalte \(i\) eine normale Düse befindet, beträgt der Wert von \({a}_{i,j}\ ) ist 1; andernfalls ist es 0.

Das Prinzip des SCPP-Modells ist wie folgt:

Entsprechend der Anzahl der Pixelspalten werden im bedruckten Pixelbereich des Substrats mehrere Stopppunkte für den Druckkopf in Y-Richtung festgelegt.

Die Ausrichtung normaler Düsen und Pixel an jedem Stopppunkt wird durch \({a}_{i,j}\) ausgedrückt. Nachdem alle Werte von \({a}_{i,j}\) erhalten wurden, werden einige Haltepunkte ausgewählt, indem die Entscheidungsvariable \({x}_{i}\) des SCPP-Modells gelöst wird, um sicherzustellen, dass sie vorhanden sind ist mindestens eine normale Düse in der Fehlergrenze jeder Pixelspalte auf dem Substrat im gesamten Druckprozess, wie in Gleichung gezeigt. (2).

Da Gl. (2) hat normalerweise viele Lösungsgruppen, Gl. (1) wird verwendet, um die Lösung auszuwählen, die die Stopppunkte im Druckprozess minimiert, und diese Lösung als Ergebnis der Modellausgabe zu verwenden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Druckzeit minimal ist, während alle Pixel gedruckt werden.

Wenn also im mathematischen Sinne die Eingabevariablen bestimmt und das SCPP-Modell für diesen Druck erstellt wurde und das Modell eine Lösung hat, bedeutet dies, dass die normale Düse auf der Düse den Druck aller Pixel auf dem Substrat erreichen kann. und die Ausgabezielfunktion \(Z\) stellt die minimale Anzahl von Stopppunkten dar, die erforderlich sind, um den Druck aller Pixel abzuschließen. Die erforderliche Mindestanzahl der Stopps entspricht der Mindestanzahl der Druckdurchgänge, also der Mindestdruckzeit. Wenn es keine Lösung für das Modell gibt, können die normalen Düsen am Druckkopf nicht alle Pixel auf dem Substrat drucken und die Druckbedingungen müssen verbessert werden, um ein neues lösbares SCPP-Modell zu erstellen.

Gemäß der Zielfunktion \(Z\) und der Entscheidungsvariablen \({x}_{i}\), die durch Lösen des Modells erhalten werden, können die für diesen Druck erforderliche Mindestanzahl an Durchgängen und der für den Abschluss des Druckvorgangs ausgewählte Stopppunkt festgelegt werden erhalten. Durch die Kombination des ausgewählten Stopppunkts \({x}_{i}\) und der Matrix \({a}_{i,j}\) kann die Ausstoßwirkung aller Düsen an jedem ausgewählten Stopppunkt der Düse bestimmt werden erhalten. Die Route der Druckbewegung kann anhand der Position jedes ausgewählten Stopppunkts ermittelt werden. Entsprechend der Druckkopfauswurfaktion und der Druckbewegungsroute können das Düsenmodul und das Bewegungsmodul der Druckausrüstung so geführt werden, dass der Druck aller Pixel auf dem Substrat abgeschlossen wird.

Da das SCPP-Modell außerdem normale Düsenkoordinaten, Pixelkoordinaten und Fehlergrenzen des Pixels als Eingabevariablen verwendet, kann das Modell durch Ändern auf verschiedene Druckkopftypen, verschiedene abnormale Düsennummern und -positionen sowie verschiedene gedruckte Anzeigepixelmuster angewendet werden die Werte dieser Variablen. Darüber hinaus ist das SCPP-Modell ein ganzzahliges Programmiermodell, sodass garantiert werden kann, dass die durch den exakten Algorithmus erhaltene Lösung die global optimale Lösung ist25,26, was bedeutet, dass das Druckschema mit der kürzesten Druckzeit über das SCPP-Modell erhalten werden kann Vervollständigen Sie den gesamten Pixeldruck.

Um das Problem der Anzeigepixeldruckplanung zu lösen, wurde ein Lösungsprogramm entwickelt. Die Modellierung des Anzeigepixeldruckplanungsproblems basiert auf dem klassischen Set-Covering-Modell, einem klassischen nichtdeterministischen polynomialen harten (NP-harten) Problem in der Ganzzahlprogrammierung. Zur Lösung dieser Art von Problemen wurden verschiedene Algorithmen angewendet, beispielsweise die Methode der inneren Punkte27, die Methode der Spaltengenerierung28, der heuristische Algorithmus29,30 und einige kommerzielle Optimierer31,32. Aufgrund der großen Druckfläche müssen für die Druckplanung viele Stopppositionen eingestellt werden, was in tatsächlichen Anwendungsfällen zu einem großen Problemumfang führt. Daher wird zur Lösung des Modells der beliebte Allzweck-0–1-Ganzzahl-Programmieroptimierer Gurobi ausgewählt, der sich besonders zur Lösung umfangreicher linearer Probleme eignet31.

Um die Anpassungsfähigkeit des vorgeschlagenen Modells und Lösungsprogramms an verschiedene Drucksituationen zu überprüfen, werden verschiedene Druckfälle zum Testen verwendet. Die in Tabelle 2 aufgeführten Standardtestparameter ergeben sich aus dem Herstellungsprozess von Anzeigetafeln mit 72 Pixel pro Zoll (PPI) bis 400 PPI, die häufig in Fernsehgeräten und Mobiltelefonen verwendet werden. Bei Tests mit unterschiedlichen Parameterfällen werden die Anpassungsergebnisse für alle neuen Parameter nicht angegeben, da die meisten Parameter mit Ausnahme der besprochenen gleich sind. Im Folgenden werden in allen Fällen die in Tabelle 2 aufgeführten Parameter verwendet, sofern nicht anders angegeben. Alle Eingabeparameter stammen aus den tatsächlichen Daten des Anzeigefelds.

Die Ergebnisse für verschiedene Fälle sind in Abb. 7 dargestellt. Da alle Simulationsergebnisse garantiert die Bedingung erfüllen, dass alle Pixel auf dem Substrat den Druck abgeschlossen haben, wird die Zielfunktion \(Z\) als Anzeigeergebnis ausgewählt. Um das Verständnis zu erleichtern, wird die Anzahl der Durchgänge verwendet, um die Bedeutung von \(Z\) in der Abbildung darzustellen. Um die hohe Anpassungsfähigkeit des Modells an verschiedene Druckköpfe zu überprüfen, werden drei Arten von Druckköpfen getestet, die üblicherweise im industriellen Druck verwendet werden, darunter der Druckkopf FUJIFILM Dimatix QS-256 (256 Düsen, 100 DPI), der Druckkopf FUJIFILM Dimatix SG-1024 (1024 Düsen, 400 DPI) und FUJIFILM Dimatix Samba-G3L Druckkopf (2048 Düsen, 1200 DPI). Durch die Verwendung verschiedener Druckkopftypen zum Drucken unter unterschiedlichen Bedingungen, wie z. B. unterschiedlichen Substratgrößen, Pixeldichten und Anteilen abnormaler Düsen am Druckkopf, kann sich das SCPP-Modell an unterschiedliche Arbeitsbedingungen anpassen und den Display-Pixeldruck durchführen.

Simulationsergebnisse verschiedener Parameter zur Anzahl der Druckdurchgänge. (a) Einfluss der Substratgröße (im Fall eines 72-PPI-Substrats). (b) Auswirkung der Druckpixeldichte. (c) Auswirkung des abnormalen Düsenanteils auf den Druckkopf (im Fall von 72 PPI-Substrat).

Der Einfluss von Druckparametern auf das SCPP-Modell wird numerisch untersucht. Wie in Abb. 7a gezeigt, ist die Druckzeit normalerweise umso länger, je größer das Substratformat ist. Die Anzahl der Durchgänge ist bei einem Druckkopf mit niedriger DPI deutlich höher als bei einem Druckkopf mit hoher DPI, da sich nur wenige Düsen am Druckkopf an der Fehlergrenze der Pixel ausrichten können. Für das Ergebnis von 7 Durchgängen sorgt der High-DPI-Druckkopf. Wenn beispielsweise beide Druckvorgänge 7 durchlaufen werden, ist die von der Düse mit hohem DPI-Wert gedruckte Substratgröße mehr als dreimal so groß wie die von der Düse mit niedrigem PPI gedruckte. Allerdings ist die DPI des Druckkopfes nicht umso höher, je besser. Wenn bei den Druckköpfen mit hohem PPI die Größe des bedruckten Substrats 200 mm überschreitet, kann ein Druckkopf mit einer größeren Druckbreite, wie z. B. SG-1024, den Anzeigepixeldruck schneller abschließen als ein Druckkopf mit einer höheren DPI, aber schmalerer Druckbreite, wie z als Samba-G3L. Wie in Abb. 7b dargestellt, benötigen verschiedene Druckköpfe mit hoher DPI ähnliche Druckzeiten, wenn sie Substrate mit einem PPI von weniger als 200 bedrucken. Wenn jedoch auf einem Substrat mit einem höheren PPI gedruckt wird, kann der Druckkopf mit einer höheren DPI den Druckvorgang in kürzerer Zeit abschließen. Wie in Abb. 7c dargestellt, liefern die Ergebnisse einen Parameterraum für den Anteil abnormaler Düsen, in denen die verschiedenen Druckköpfe den Druck des Substrats in akzeptabler Zeit abschließen können. Druckköpfe mit niedrigem DPI-Wert reagieren empfindlicher auf Änderungen im Anteil abnormaler Düsen, da weniger Druckkopfdüsen am Druck beteiligt sein können. Wenn der Anteil abnormaler Düsen mehr als 25 % beträgt, wird empfohlen, den QS-256-Druckkopf auszutauschen oder zu warten, da die Druckzeit doppelt so hoch ist wie im Fall ohne abnormale Düsen. Bei Druckköpfen mit hohem PPI wie SG-1024 und Samba-G3L hat ein Anteil von weniger als 5 % keinen Einfluss auf die Druckzeit. Bei einem Anteil von mehr als 35 % erhöht sich die Druckzeit erheblich und der Druckkopf empfiehlt einen Austausch oder eine Wartung.

Die numerischen Ergebnisse bestätigen die Anpassungsfähigkeit des SCPP-Modells an unterschiedliche Düsentypen, unterschiedliche PPI-Substrate und unterschiedliche Anteile abnormaler Düsen am Druckkopf. Darüber hinaus zeigt es auch, dass das SCPP-Modell zur Simulation der Druckergebnisse der Druckbedingungen verwendet werden kann und das System den geeigneten Düsentyp auswählen und die abnormale Düsenabschirmungsgrenze entsprechend der Art des Substrats bestimmen kann.

Alle Experimente wurden in MATLAB 2019b programmiert und auf einem Personal Computer durchgeführt (CPU: Intel Core i7-9750H 2,6 GHz; RAM: 16 GB; Betriebssystem: Windows 10).

Um den praktischen Druckeffekt und die Anwendungsleistung der vorgeschlagenen Methode zu bewerten, werden selbst entwickelte Druckgeräte unter Verwendung des Display-Pixel-Düsen-Array-Tintenstrahldrucksystems und des SCPP-Modells entworfen und gebaut. Wie in Abb. 8 dargestellt, besteht die Druckausrüstung aus drei Druckkopfmodulen, einem mehrachsigen Bewegungsmodul, mehreren visuellen Inspektionsmodulen, Handschuhkästen und anderem Zubehör, das beim Drucken hilft. Wie in Abb. 8a dargestellt, ist der Tintenstrahldrucker das Hauptgerät zum Abschluss des Druckvorgangs und ist mit unterstützenden Komponenten wie Handschuhkästen und anderen Geräten ausgestattet, die zum Abschluss der nachfolgenden Prozesse verwendet werden. Wie in Abb. 8b dargestellt, wurde entsprechend den relevanten Anforderungen an Tröpfchenvolumen und Ausstoßfrequenz im Display-Pixel-Druckprozess ein FUJIFILM Dimatix QS-256-Druckkopf verwendet, der aus 256 Düsen mit 100 DPI und einem Tropfenvolumen von 4–12 pl besteht , wurde ausgewählt. Das Tröpfchenmessmodul umfasste zwei Tröpfchenbeobachtungskameras und es wurde eine hohe Messgenauigkeit erreicht; Insbesondere weist das Tropfenmesssystem eine maximale Abweichung der Volumenmessung von 3 % auf, was eine höhere Genauigkeit als andere Tropfenmesssysteme des gleichen Typs darstellt. Wie in Abb. 8c gezeigt, wurde die nach unten gerichtete Kamera neben dem Druckkopfmodul und die nach oben gerichtete Kamera in der Nähe der X-Achse installiert. Wie in Abb. 8d dargestellt, verwendeten die X-Achsen- und Y-Achsen-Bewegungssysteme Linearmotoren, um die horizontale lineare Bewegung der verschiedenen Module und des Substrats zu realisieren, und die θ-Achse wurde zum Drehen der Substratträgerplattform verwendet, um Abweichungen zu korrigieren der Platzierungswinkel des Substrats. Die AOI-Kameras könnten sich unabhängig voneinander entlang der Y-Achse bewegen, um die Druckergebnisse zu scannen und zu überprüfen. Das Display-Pixel-Drucksystem kann einen Druckgeschwindigkeitsbereich von 0–450 mm/s, eine maximale Substratgröße von 200 × 200 mm und eine maximale Tröpfchenausstoßfrequenz von 50 kHz erreichen; Daher kann es an unterschiedliche Pixelmusteranforderungen und industrielle Druckherstellungsbedingungen angepasst werden.

Tintenstrahldrucksystem für die Massenproduktion gedruckter Displays. (a) Das System mit Handschuhfach und unterstützender Ausrüstung. (b) Druckkopfmodul und Tröpfchenmesskamera. (c) Nach unten gerichtete Kamera und nach oben gerichtete Kamera. (d) AOI-Kamera- und Bewegungsmodul.

Um die Zuverlässigkeit des Druckprozesses sicherzustellen, verbessert die Druckausrüstung die Stabilität des Drucksystems durch die Gestaltung des Tintenversorgungssystems, die Optimierung der Druckkopfwellenform und den Wartungsvorgang im Druckspalt. Diese Konstruktionen und Betriebsabläufe ermöglichen es dem Gerät, über einen langen Zeitraum einen normalen Betriebszustand aufrechtzuerhalten. Wenn die AOI-Kamera keine Fehler im Druckergebnis feststellt, kann das Gerät regelmäßig eine Druckkopferkennung und Druckplanung durchführen, während dasselbe Substrat bedruckt wird. Wenn die AOI-Kamera Fehler im Druckergebnis erkennt, kann das Drucksystem die spezifische abnormale Düsenposition anhand der von der Druckplanung erstellten Zuordnung entsprechend der Position der Fehler verfolgen. Basierend auf dem aktuellen Anteil normaler Düsen kann das System automatisch entscheiden, den Druck zu unterbrechen, um die abnormalen Düsen zu schließen und die Druckplanung erneut auszuführen, oder den Druck wegen abnormaler Düsensiebung zu stoppen.

Die Genauigkeit der Tröpfchenabscheidung ist ein wichtiger Index des Display-Pixel-Drucksystems. Da die Pixelgröße durch das Substrat bestimmt wird, gilt Gl. (4) zeigt, dass bei geringerer Tröpfchenablagerungsgenauigkeit die Fehlergrenze des Pixels größer sein kann und sich mehr Düsen an Pixeln ausrichten und am Drucken teilnehmen können. Daher wurde ein Experiment entwickelt, um die Genauigkeit der Tröpfchenablagerung des vorgeschlagenen Display-Pixel-Drucksystems zu testen. Die Tinte wurde auf ein Nicht-Pixel-Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Glassubstrat gedruckt, das einer hydrophoben Behandlung unterzogen wurde. Das Druckmuster war eine rechteckige Anordnung von 6 × 6 Tintentröpfchen, der Abstand zwischen den Punkten betrug 100 μm und die Druckgeschwindigkeit betrug 100 mm/s. Gemäß dem vorgeschlagenen Drucksystem und Planungsmodell wurde das Experiment zur Genauigkeit der Tröpfchenablagerung nach einer mehrstufigen visuellen Inspektion und einem abnormalen Düsenscreening durchgeführt. Wie in Abb. 9a dargestellt, wurde die Position der Tröpfchen mit einer nach unten gerichteten Kamera untersucht und die Koordinaten der Tröpfchen mit den theoretischen Positionen verglichen. Die statistischen Ergebnisse sind in Abb. 9b dargestellt. Die Genauigkeit der Tröpfchenabscheidung in X-Richtung beträgt ≤ ± 4,9 μm und die Genauigkeit der Tröpfchenabscheidung in Y-Richtung beträgt ≤ ± 4,4 μm. Diese Tröpfchenabscheidungsgenauigkeiten können die Druckanforderungen des Displays unter 200 PPI erfüllen; Somit kann das System die Pixeldichteanforderungen der meisten Fernsehgeräte und Bildschirme auf dem Markt erfüllen. Wenn die Pixeldichte eines Panels mehr als 200 PPI beträgt, beispielsweise bei Mobiltelefonpanels, kann die Pixelgröße kleiner als 30 μm sein. In diesem Fall würde eine Tropfenabscheidungsgenauigkeit von ± 5 μm nicht ausreichen, um die Stabilität des Druckprozesses zu gewährleisten.

Genauigkeit der Tröpfchenabscheidung. (a) Tröpfchenablagerungspositionen. (b) Genauigkeit der Tröpfchenabscheidung in X-Richtung und Y-Richtung.

Um die Leistung des vorgeschlagenen Tintenstrahldrucksystems und des SCPP-Modells zu überprüfen, wurde ein vergleichendes Gerätedruckexperiment mit und ohne das SCPP-Modell getestet. Die Druckparameter der vergleichenden Druckexperimente sind in Tabelle 3 aufgeführt. Durch mehrstufige visuelle Inspektion wurden 12 abnormale Düsen am Druckkopf gefunden. Die Ergebnisse sind in Abb. 10 dargestellt. Abbildung 10a und b zeigen die Druck- und Beleuchtungsergebnisse der herkömmlichen Druckmethode. In Abb. 10a sind zahlreiche Druckfehler zu finden, wie z. B. fehlende gedruckte Pixel und Tröpfchen, die sich außerhalb der Pixel auf dem bedruckten Substrat ablagern. Diese Defekte verursachen Mura-Defekte, nachdem das Panel beleuchtet wurde, wie in Abb. 10b dargestellt. Der Grund für die Mängel liegt darin, dass am Druckvorgang fehlerhafte Düsen beteiligt sind. Beispielsweise führt die geneigte Flugbahn der aus den Düsen ausgestoßenen Tröpfchen dazu, dass die Tröpfchen an den falschen Positionen abgelagert werden, sodass die Tröpfchen nicht in den Pixeln abgelagert werden können. Zum Vergleich zeigen Abb. 10c und d die Druck- und Beleuchtungsergebnisse mit SCPP unter gleichen Druckbedingungen. Durch die Abschirmung abnormaler Düsen und die Druckmodellplanung werden in den Ergebnissen keine Druckfehler oder Mura-Fehler festgestellt. Die oben genannten Vergleichsexperimente zeigen die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Druckplanungsmodells und -systems bei der Reduzierung von Druckfehlern.

Druck- und Beleuchtungsergebnisse für Panels mit der traditionellen Druckmethode und der SCPP-Methode. (a) Das fehlerhafte Druckergebnis des herkömmlichen Druckverfahrens. (b) Defekte Beleuchtung aufgrund der herkömmlichen Druckmethode. (c) Das fehlerfreie Druckergebnis der SCPP-Methode. (d) Das fehlerfreie Beleuchtungsergebnis der SCPP-Methode.

Um die Anpassungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systems zum Drucken verschiedener PPI-Substrate zu überprüfen, wurden Experimente an ITO-Substraten mit unterschiedlichen Pixelmustern unter Verwendung des vorgeschlagenen Jet-Drucksystems mit dem SCPP-Modell durchgeführt. Die Parameter des Substrats und des Druckprozesses sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Druckergebnisse sind in Abb. 11 dargestellt. Abbildung 11a–c zeigt die mit der nach unten gerichteten Kamera aufgezeichneten 80-PPI-, 135-PPI- und 200-PPI-Panel-Druckergebnisse. jeweils. Die Ergebnisse zeigen, dass die HIL-Schicht des 400 cm2 großen OLED-Geräts, das mit dem vorgeschlagenen Drucksystem und Planungsmodell gedruckt wurde, keine Druckfehler aufweist. Die Anzahl der Druckdurchgänge beträgt 50, 80 und 90, und die maximale Druckzeit beträgt nicht mehr als 240 s, was den Zeitanforderungen der Display-Druckprozesse entspricht. Diese Ergebnisse bestätigen die hohe Anpassungsfähigkeit der vorgeschlagenen Methode an verschiedene Arten von Pixelsubstraten.

Druckergebnisse für Panels mit unterschiedlichen Pixeldichten. (a) 85 PPI. (b) 144 PPI. (c) 200 PPI.

Abbildung 12 zeigt den Lichteffekt des gedruckten Geräts unter Verwendung des vorgeschlagenen Systems und Modells. Das gedruckte Gerät weist keine Mängel auf und die Pixel sind gleichmäßig mit Tinte gefüllt, wie in Abb. 12a dargestellt. Das Beleuchtungsergebnis ist in Abb. 12b und c dargestellt. Das Gerät emittierte gleichmäßig Licht ohne auffällige Pixelschäden. Abbildung 12d–f zeigt die Charakterisierungen des gedruckten Geräts, einschließlich der Stromdichte-Spannungs-Kurve (J–V), der Stromeffizienz-Stromdichte-Kurve (CE–J) und des Elektrolumineszenzspektrums (EL-Spektrum). Die Stromeffizienz des Geräts kann bei einer Spannung von 4,2 V 127 cd/A erreichen. Die Wellenlängenspitze liegt bei 526 nm. Die Charakterisierungen des gedruckten Geräts entsprachen den Qualitätsanforderungen der Anzeige. Dieses Ergebnis bestätigte den Anwendungseffekt des vorgeschlagenen Drucksystems und Druckplanungsmodells weiter.

Druck- und Beleuchtungsergebnisse für ein 400 cm2 großes OLED-Panel mit 85 PPI. (a) Ergebnisse drucken. (b) Beleuchtungsergebnisse. (c) Beleuchtete Pixel unter einem 5-fach-Mikroskop. (d) J-V-Kurve des gedruckten Geräts. (e) CE-J-Kurve des gedruckten Geräts. (f) EL-Spektrum des gedruckten Geräts.

In diesem Artikel wird ein hochgradig anpassungsfähiges Display-Pixel-Düsen-Array-Tintenstrahldrucksystem basierend auf einem SCPP-Modell vorgeschlagen. Dieses System und Planungsmodell kann abnormale Probleme beim Düsenausstoß überwinden und die Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit der Drucktechnologie verbessern, die in der industriellen Produktion gedruckter Displays eingesetzt wird. Erstens ist ein Tintenstrahldrucksystem mit Display-Pixel-Düsenanordnung, das auf einer mehrstufigen visuellen Inspektion und einem Feedback-Prozess mit geschlossenem Regelkreis basiert, darauf ausgelegt, den Tröpfchenzustand zu überwachen und während des gesamten Prozesses vom Vordruck bis zum Nachdruck Feedback zu geben und die Positionen abnormaler Düsen genau zu identifizieren. Zweitens wird ein SCPP-Modell vorgeschlagen, das bei der Druckplanung für jede abnormale Düsenposition, jedes Druckmuster und jede Art von Düsenzustand angewendet werden kann. Das Modell verwendet die Ergebnisse einer abnormalen Düsenabschirmung und des Druckmusters als Eingaben und Ausgaben des Multipass-Druckpfads und der Düsenausstoßaktionen. Basierend auf diesen Planungsergebnissen kann das System mithilfe eines Düsenarray-Druckkopfs einen hochpräzisen, anpassungsfähigen und hocheffizienten Anzeigepixeldruck realisieren. Darüber hinaus werden Display-Pixel-Druckgeräte gemäß dem vorgeschlagenen System und Modell eingerichtet und eine Reihe von Experimenten mit den Geräten durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Display-Pixel-Drucksystem und das Druckplanungsmodell eine Tröpfchenablagerungsgenauigkeit von ≤ ± 5 μm erreichen können. Mit dieser Ausrüstung wird das Bedrucken von Substraten mit unterschiedlichen Pixeldichten sowie das Drucken und Beleuchten eines 400 cm2 großen OLED-Geräts mit 85 PPI erreicht. Die Druck- und Beleuchtungsergebnisse sind zufriedenstellend und das System kann die aktuellen Anwendungsanforderungen der Displaydruck- und Fertigungsindustrie erfüllen. Die Technologie ist hochgradig anpassungsfähig und skalierbar und kann durch die Erhöhung der Anzahl der Druckköpfe bei der industriellen Druckherstellung von großflächig bedruckten Anzeigetafeln eingesetzt werden. Diese Technologie kann auch in anderen Bereichen der Herstellung gedruckter Elektronik angewendet werden.

Das OLED HIL-, HTL- und EML-Tintenmaterial wurde von der Firma DuPont bezogen.

Die Druckausrüstung NEJ-PR200 wurde von der Wuhan National Innovation Technology Optoelectronics Equipment Company selbst entwickelt und gebaut. Für den Druck wurde ein QS256-Druckkopf der Firma FUJIFILM Dimatix ausgewählt. Die Druckausrüstung kann eine hochpräzise visuelle Positionierung, eine genaue stereovisionbasierte Messung fliegender Tröpfchen, eine adaptive Steuerung der Prozessparameter und eine automatische Online-AOI-Defektüberwachung realisieren. Durch diese Funktionen wurden der Aufbau des vorgeschlagenen Drucksystems und der Betrieb des SCPP-Modells realisiert.

Die Luminanz- und Spektrumsdaten der OLED-gedruckten Geräte wurden mit einem fünfachsigen optischen Messgerät (CS2000, Konica Minolta) gemessen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Forschung wird finanziell vom Research and Development Program in Key Areas of Guangdong Province (2019B010924005), der National Natural Science Foundation of China (51975236) und dem National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703203) unterstützt.

State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, Volksrepublik China

Yixin Wang, Jiankui Chen, Zhouping Yin und Yiqun Li

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Die Materialvorbereitung, Datenerfassung und Analyse wurden von YW, JC, ZY und YL durchgeführt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von YW verfasst und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Jiankui Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, Y., Chen, J., Yin, Z. et al. Ein Düsenarray-Drucksystem mit hoher Anpassungsfähigkeit, das auf einem umfassenden Druckplanungsmodell für die Herstellung gedruckter Displays basiert. Sci Rep 13, 156 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24135-3

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Eingegangen: 17. Juli 2022

Angenommen: 10. November 2022

Veröffentlicht: 04. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24135-3

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