一种基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置及喷印方法

技术领域

本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置及喷印方法。

背景技术

喷印技术是一种无接触、无需模板的直接制造技术，能在常温、常压、非洁净环境下将溶液实现数字化柔性印刷，可大面积批量化制造，是实现印刷电子制造的有效途径之一。近年来，采用喷印技术来制备印刷电子功能元器件已经成为一个热门研究领域。传统喷墨打印按液滴的生成方式可分为连续式(continuous ink-jetting，CIJ)和按需式(drop-on-demand，DOD)两类。

电流体喷印技术(Electrohydrodynamic Printing)作为目前最新的喷印技术，相较于传统喷墨打印，具有以下独特的优势：高分辨率，能达到微米甚至纳米级；粘度范围广(1～10000mPa·s)，适应多种功能材料；打印特征尺寸比喷嘴尺寸小，为实现较高的打印分辨率可使用较大尺寸的喷嘴，降低了喷嘴的制造难度；不易堵喷嘴，电场作用下流体的流动性增强。因此，电流体动力喷印工艺在印刷电子制造中具有广泛的应用前景，如电喷印、电纺丝、电喷雾可分别用于制备印刷电子器件的电极、互联层、薄膜层。

阵列化电流体喷头是实现电流体喷墨打印工业化的关键。而目前采用喷嘴阵列的实验装置大多难以实现独立可控喷射和自动化喷印，仅能简单的并行喷印图案，难以进一步提升系统喷印复杂图案的能力。专利CN201410289239.5提出了喷头独立可控打印的实现方法，但需要在喷孔下方外加提取电极，墨液易偏斜至提取电极上，使喷头损坏，且结构复杂，制造困难。专利CN201510299992.7提出了一种微型的电喷雾芯片器件及制作方法，但其喷雾芯片无法实现对每个喷孔的喷印状态进行独立调控。专利CN202111078207.7提出了一种独立可控打印的电流体喷头，但也增加了喷嘴结构的复杂度。

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偏转电极的阵列化电流体喷印装置及喷印方法，通过在喷嘴侧面增设偏转电极，对带电射流的运动轨迹进行控制，使得需要墨滴的位置带电射流能够顺利滴落到基板表面；而不需要墨滴的位置，带电射流受偏转电场的作用发生偏转落至墨滴收集盒中，间接实现喷嘴的独立控制。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置，包括电流体喷头、高压电源以及控制模块；

所述电流体喷头包括墨盒、喷孔板、喷嘴、偏转电极以及绝缘支架；其中，所述墨盒用于储存墨液；所述喷孔板为带通孔的平板且设置于所述墨盒底部，所述通孔用于引导墨液流入所述喷嘴；所述绝缘支架固定安装于所述墨盒或喷孔板上，包括侧壁及延伸部分；多个所述偏转电极设置在所述侧壁上，并与多个所述喷嘴一一对应，所述延伸部分形成墨滴收集盒，用于收集在偏转电极作用下发生偏转的墨滴；

所述高压电源用于产生电流体喷头的工作电压以及偏转电极上的偏转电压；

所述控制模块用于控制所述高压电源输出的电压信号。

进一步地，所述偏转电极表面设置绝缘层，防止不同偏转电极之间通过墨液导通；所述绝缘层表面做亲水处理，防止发生偏转的墨滴在进入所述墨滴收集盒时发生飞溅。

进一步地，所述喷嘴为凸台结构，且凸台表面做绝缘及疏水处理，防止喷印时喷嘴端部液体发生蔓延。

进一步地，所述墨滴收集盒的底部接地，以便将收集的墨滴中所带的电荷及时导出。

进一步地，所述墨滴收集盒中的收容槽和回收池相连，通过墨滴收集盒回收的墨滴通过自重流到所述回收池。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置实现的阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，包括以下步骤：

所述控制模块接收打印指令，并转化为相应的逻辑控制信号输出给所述高压电源；

所述高压电源向所有的喷嘴施加工作电压，使墨液以带电射流的形式喷出；

所述高压电源向所有下落过程中需要发生偏转的带电射流所属喷嘴对应的偏转电极施加偏转电压，使该部分带电射流发生偏转进入墨滴收集盒中，其余带电射流垂直下落于基板上。

进一步地，所述墨滴收集盒中收集的墨滴过滤杂质后，进入回收池中，然后在回收池进行稀释处理，以补偿其在运动过程中蒸发的溶剂，最后通过泵压的方式回流入所述墨盒中实现重复利用。

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：

相较于现有的在喷嘴下放置金属环来控制墨滴的滴落；本发明通过偏转电极的作用使得不需要墨滴位置处的带电射流偏转进入到墨滴收集盒中，从而间接实现对各个喷嘴的独立控制喷射。如此，本发明的稳定性更高，偏转电极侧置相较于放置于喷嘴下的金属圆环，电极被墨滴污染的可能性大大降低，同时相较于传统的电流体喷印设备，喷嘴的结构以及控制方法更简单。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电流体喷头两种不同工作模式的二维结构示意图；其中(a)为带电射流垂直下落于基板上的情形，(b)为带电射流发生偏转进入墨滴收集盒中的情形。

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。

本发明提供了一种基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置，如图1所示，包括电流体喷头、高压电源以及控制模块。

(1)电流体喷头包括墨盒、喷孔板、喷嘴、偏转电极以及绝缘支架阵。

1)墨盒包括进墨口、出墨口和安装孔；进墨口和出墨口设置于墨盒的上端，进墨口用于加注墨液，出墨口用于排出多余的墨液及气泡；安装孔设置于墨盒两侧，用于安装、固定喷头的位置。

2)喷孔板为带通孔的平板且设置于墨盒底部。

作为进一步优选的，喷孔板可用激光烧蚀、光刻、喷砂等工艺在硅或玻璃等平板上加工出通孔得到，通孔用于引导墨液流入喷嘴。

3)喷嘴设置于喷孔板底部，并与喷孔板的通孔一一对应。墨液由墨盒流经喷孔板通孔，进入喷嘴，最后从喷嘴尖端处喷出。

作为进一步优选的，喷嘴为凸台结构，且凸台表面做绝缘及疏水处理，可以选用硅或者玻璃材料加工后，再沉积绝缘、疏水层，或直接选用疏水材料来加工喷嘴的凸台结构，便于墨滴顺利从喷嘴处喷射。

喷嘴直径可在5～100μm的范围变化，喷嘴间距可在300～500μm内变化。

4)偏转电极用于控制特定位置的带电射流发生偏转，偏转电极通过单电极偏置在喷嘴下方一侧，使得相应位置的墨滴受力偏转。

作为进一步优选的，偏转电极应阵列化设置，其数量要与喷嘴数目相同，其布置位置应与阵列喷嘴在空间上一一对应。此外，偏转电极表面设置绝缘层，防止不同偏转电极之间通过墨液导通；绝缘层表面做亲水处理，防止发生偏转的墨滴在进入墨滴收集盒时发生飞溅，同时便于墨滴顺着墨滴收集盒表面进入到收容槽中。

偏转电极的制备方法。首先侧壁可以选用玻璃衬底，玻璃衬底具有绝缘性好和材料获取简单的特点，然后选择物理气相沉积(PVD)的方式将导电电极溅射在侧壁上，引线可以通过玻璃通孔(TGV)的方式从玻璃衬底背面引出，可大大减少对正面喷嘴阵列化控制的影响。

偏转电极的偏转电压。在喷头的工作电压为高电压的情况下，偏转电极的电压有两个要求，一个是高压状态，应确保偏转电极对带电射流不产生影响，使墨滴垂直下落于基板上，如图2中(a)所示；另一个是低压状态，应保证墨滴能发生偏转，进入到墨滴收集盒中，如图2中(b)所示。同时为降低偏转电极对原有的电流体喷印阵列的影响，偏转电极信号的控制频率应控制和喷嘴的开启电压的频率和占空比一致，并在偏转电极的开断上相比喷嘴的开启电压有一定的滞后，从而使得偏转电极仅在喷嘴处墨滴喷射后开启，而在其他时刻处于关断状态，以减少偏转电极对喷嘴处弯月面的影响。

5)绝缘支架固定安装于墨盒或喷孔板上，包括侧壁及延伸部分。多个偏转电极设置在侧壁上，并与多个喷嘴一一对应；延伸部分形成墨滴收集盒，用于收集在偏转电极作用下发生偏转的墨滴。

作为进一步优选的，墨滴收集盒的底部即墨滴在墨滴收集盒汇集的通道处应通过导线接地，以便将收集的墨滴中所带的电荷及时导出。

作为进一步优选的，墨滴收集盒中的收容槽和相应的回收池相连，通过墨滴收集盒回收的墨滴通过自重流到回收池。收集的墨滴在进入回收池前会先通过过滤器过滤掉其中的杂质，然后在回收池中通过各种传感器检测(如粘度传感器或浓度传感器)后，对混合后的溶液进行相应的稀释处理，以补偿其在运动过程中蒸发的溶剂，处理后的溶剂可通过泵压的方式回流入墨盒中实现重复利用。

(2)高压电源用于产生电流体喷头的工作电压以及偏转电极上的偏转电压。

作为进一步优选的，高压电源具体可由信号发生器和信号放大器组合输出，其参数可手动调节。其中输出的电压信号用来控制喷嘴处溶液发生喷射，以及控制偏转电场使特定的墨滴发生偏转。

(3)控制模块用于控制高压电源输出的电压信号，以数字化调控喷嘴的开关状态。

具体地，控制模块由上位机和数字主控模块组成。

上位机是人机交互的界面如个人电脑PC，可以主要是所需打印的图案转化为打印数据发送给数字主控模块，并且能通过软件对高压电源的输出参数进行调控。

数字主控模块为单片机。其主要负责打印数据的接收、处理、缓存、输出和时序逻辑控制，在接收到所需的打印数据后，控制模块将其转化为偏转电极动作所需要的逻辑控制信号，随后根据给定的时序将其输出给高压电源。

本发明还提供了一种采用如上述的基于偏转电极的阵列化电流体喷印装置实现的阵列化电流体喷头独立喷射控制方法，包括以下步骤：

控制模块接收打印指令，并转化为相应的逻辑控制信号输出给高压电源；

高压电源向所有的喷嘴施加工作电压，使喷嘴处墨滴弯月面所受的电场力大于表面张力，从而墨液以带电射流的形式喷出，此时所有的喷嘴都处于喷射状态；

高压电源向所有下落过程中需要发生偏转的带电射流所属喷嘴对应的偏转电极施加偏转电压，使该部分带电射流发生偏转进入墨滴收集盒中，其余带电射流垂直下落于基板上。

具体地，整个装置的图形打印过程主要为，首先，个人电脑PC会对待打印的图形进行解析和处理，解析后的图形数据会被转换成一系列控制电流体喷头各个喷嘴相对应的偏转电极是否动作的指令，然后这些打印指令会被传输给数字主控模块，由数字主控模块将打印指令转化为偏转电极动作所需要的逻辑控制信号，最后数字主控模块将逻辑控制信号输出给高压电源从而实现对偏转电极的控制，并完成整个图案的打印过程。

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。