超高精度喷墨打印设备

近日，季华实验室公众号发布消息称，朱云龙教授团队在高分辨率OLED喷墨打印成套装备研究中取得重大突破。OLED喷墨印刷技术与传统OLED面板蒸镀技术相比，由于其具有按需打印，材料利用率高（蒸镀工艺材料利用率15%,喷墨打印可提高到85%以上），无需高精度掩膜版、无需真空环境等优点，是制作大尺寸OLED面板最具潜力的发光层成形方法，正成为新型显示产业的一次重大技术革命，也被誉为是彻底改变目前OLED电子显示行业由“蒸镀工艺”向“喷墨打印”技术转变的颠覆性产业技术革命。然而，我国OLED喷墨打印技术面临技术瓶颈问题，核心装备一直未有突破。季华实验室朱云龙教授团队一直致力于研发高分辨率OLED喷墨打印成套装备，该团队历时3年多时间，先后突破宏量喷墨打印同步协同控制技术、大型腔体多物理场高稳定性可控技术、高精密对位系统、高精度循环供墨系统等多项关键核心技术，形成了独特的喷墨打印技术方案，成功研制了200mm×200mm OLED喷墨打印成套装备，并实现7吋137ppi基板全彩打印点亮、5吋254ppi、300ppi基板打印及UV测试，标志着我国自主装备首次实现了300ppi的高分辨率打印，性能达到国际先进水平。2023年8月，该团队研制的G4.5代高分辨率OLED喷墨打印成套装备已完成安装调试，导入试验线，目前运行稳定。该装备于近期成功实现31吋基板多色打印与图案化展示，为我国喷墨打印显示技术产业化发展提供了强有力的技术装备支撑，具有里程碑式的意义。图1. 200mm×200mm OLED喷墨打印成套装备图2. 7吋137ppi基板全彩打印及点亮测试图3. 254ppi/300ppi 基板打印及UV点亮测试图4. G4.5代高分辨率OLED喷墨打印成套装备图5. 31吋基板全彩打印点亮测试及图案化展示

研究背景全反应式喷墨打印（Full Reactive Inkjet Printing, FRIJP）是采用喷墨打印机将一种或多种反应物喷到基材上，利用它们之间产生物理或化学反应以原位形成产物的一种技术。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）是一种因其低成本、好的生物相容性和高的光学透明度而被广泛应用的硅酮弹性体。首次利用FRIJP成功将聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨打印出复杂的三维几何图形。通过使用制备的基底，可以显著提高PDMS的打印精度，打印的特征分辨率可以高达48 ± 2µ m（X，Y）。材料和方法一种市售的两组分硅酮（PolytekPlatSil71-Silliglass）被用作活性油墨的基础。PDMS油墨的两部分分别称为A（含氢化物）和B（含催化剂），反应结果如图1所示。该配方由A与B的比例为1：1（重量）组成，其中硅酮在铂催化剂的存在下发生交联。该反应不受氧气或水分的抑制，因此可以在没有控制气氛的情况下进行。 图1-PDMS在铂催化剂存在下的交联反应，硅酮氢化物键Si-H被一个额外的Si-C键取代。标记的是PDMS配方中每个组分中的化合物。用于打印的Dimatix材料打印头（DMP）（Dimatix，Fujifilm）的建议操作范围分别为粘度10-12 mPa.s和表面张力28-33 mN/m，但打印头可使用高达30 mPa.s粘度和70mN/m的表面张力。使用醋酸辛酯（octyl acetate, OA)(SigmaAldric O5500)作为粘度改性剂。喷墨打印的一个重要因素，同时也影响墨滴如何在基材形成，这就是油墨的表面张力。通过液滴形状分析仪（KRUSS DSA 100）悬滴法测试墨水的表面张力，同时用座滴法测试了制备的PDMS油墨与基底的接触角。 图2 DSA100 液滴形状分析仪结果与讨论PDMS组分、溶剂和最终油墨的粘度和表面张力值见表1。表1-油墨、溶剂和溶液的性质。通过使用无反应的稀释剂和打印头加热；达到了可打印范围内的粘度（30 mPa.s）。 采用三种材料基底物质，标准玻片、聚四氟乙烯和用1%1H、1H、2H、2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTS）对玻璃片进行化学改性，接触角的结果如表2所示。结果表明，玻璃表面被聚四氟乙烯和PFOTS处理后的接触角都高于玻璃。对固化后的PDMS的接触角进行了分析，显示出比PTFE和PFOTS的基底上更好的润湿性。表2-座滴法测试（KRÜ SS DSA100）墨水A在不同衬底上的接触角。 当使用成型技术时，PDMS能够在大多数材料表面上铺展，但对于喷墨打印，会降低特征分辨率。通过对比三种材料基板；玻璃、聚四氟乙烯涂层玻璃和PFOTS涂层玻璃的接触角，来分析油墨在基板上的打印分辨率。从接触角和打印网络测试结果结合来看，油墨在未经处理的玻璃表面完全铺展开，液滴尺寸达到了150μm，同时玻璃表面的接触角也是最小的。PFOTS涂层玻璃和聚四氟乙烯涂层玻璃的液滴尺寸相似，分别为48 ± 2µ m和64 ± 2µ m。油墨在PFOTS涂层玻璃上的接触角最大，使得PFOTS涂层玻璃上的液滴能够更小、更圆，因此使用PFOTS衬底可以获得最好的特征分辨率。 图3-(a)将一滴墨水a和b打印到未经处理的载玻片上的结果。（b）在制备好的聚四氟乙烯涂层载玻片打印组成墨水a和墨水b的印刷网格和(c)在PFOTS涂层玻璃上的网格结论本文研究了PDMS的反应式喷墨印刷技术，并且通过优化PDMS油墨在基底上的润湿性，来获得更好的打印分辨率。在印刷过程中，油墨与印刷介质之间的润湿性能对于印刷质量和油墨的附着力具有重要影响。因此，评估油墨在印刷介质上的润湿性能对于印刷质量的控制和油墨的选择具有重要意义。本文有删减，详细信息请参考原文：C.Sturgess, C.Tuck, I. A. Ashcroft and R. D. Wildman, J. Mater. Chem. C, 2017,DOI: 10.1039/C7TC02412F.

疫情之下，2020年摩方超高精度微尺度3D打印设备全球销量不降反增，尤其2μm打印精度设备S130远销欧美，其中包括美国汽车和航空领域、德国能源与生命科学领域的知名企业，以及美国、德国、英国等著名高校。（S130设备装机图）（S130部分案例图）nanoArch S130是BMF摩方可以实现超高精度的微尺度3D打印系统，拥有2μm的超高打印精度和5μm的超低打印层厚，可以兼顾微尺度和宏观样件的打印，从而实现超高精度大幅面的样件制作，非常适合高校和研究机构用于科学研究及应用创新。S130采用的是面投影微立体光刻（PμSL：Projection Micro Stereolithography）技术。该技术使用高精密紫外光刻投影系统，将需打印图案投影到树脂槽液面，在液面固化树脂并快速微立体成型，从数字模型直接加工三维复杂的模型和样件，完成样品的制作。该技术具备成型效率高、打印精度高等突出优势，被认为是目前最有前景的微纳加工技术之一。nanoArch S130部分应用案例：案例一中科院沈阳自动化所刘连庆研究员课题组《ACS Applied Materials & Interfaces》：利用气泡作为微型机器人实现零件的操纵和装配。文章链接：中科院沈阳自动化所刘连庆研究员课题组：利用气泡作为微型机器人实现零件的操纵和装配案例二哈利法大学张铁军教授团队《Soft Matter》：利用微尺度3D打印和矿物涂层技术助力功能性微流控研究。文章链接：《Soft Matter》：利用微尺度3D打印和矿物涂层技术助力功能性微流控研究案例三西南科技大学李国强教授课题组《Chemical Engineering Journal》：精密3D打印构建仿生麦芒分级系统用于高效雾水收集。文章链接：西南科大仿生微纳精密制造团队：精密3D打印构建仿生麦芒分级系统用于高效雾水收集