跳到主要内容

话题

表面和界面

表面和界面

喷墨技术超越纸张

04 Jan 2006

喷墨打印机背后的技术已经发展得如此之快,现在可以在高街上拨打廉价价格抢购。但制造商热衷于将喷墨技术带到其他市场,包括电子,医学和能源,因为克里斯威廉姆斯解释说

eye

一目了然:喷墨印刷

  • 喷墨打印机有助于推动IT革命,现在可以在高街上购买,只需100美元就可以买到
  • 打印机主要通过使用压力或热量从喷嘴喷射彩色墨水的微小液滴工作
  • 虽然每年销售数百万个打印机,但喷墨技术的物理仍然是一个黑色艺术的东西:问题包括在离开喷嘴时液滴如何分裂以及它们如何从基板上反弹
  • 公司现在正在努力将喷墨技术扩展到其他市场,如制药,电子产品和可再生能源

每次购买新计算机时,您都知道在几个月内,它将被更快,更便宜的机器取代,更便宜,更容易拥有更多内存。然而,很容易忘记在印刷世界悄悄地发生类似的革命。桌面打印机,现在少于100美元的费用是科学和技术成就的奇迹。

从卑微的开始只有30 多年前,喷墨打印机以惊人的速度开发,并将卑微的DOT矩阵打印机寄往技术垃圾箱(见“喷墨印刷的简要历史”). More than 100 百万喷墨打印机每年制造 – 巧妙的销售情况使打印机本身廉价地定价,而是他们使用的墨水卖出高达1500美元的升。

鉴于喷墨印刷是如此有利可图的业务,您可能认为潜在技术现已完全理解。但尽管已经花费了数十亿美元,但已经在喷墨技术上进行了研究 – about 10 喷墨专利每天都在世界各地注册–对喷墨过程仍有令人沮丧的炼金术和魔法。

例如,即使两个墨水都似乎共享相同的特征,也可能简单地不打印墨水B.也可以简单地不打印墨水B.类似地,完美地打印到衬底X上的墨水将涂抹并模糊基板Y.确定为什么很少容易。它也很难测量打印机排出的墨水量的关键参数’S喷嘴或特定液滴将降落的地方。

但喷墨技术已经完成了不仅仅是支撑的“direct-writing”革命,它使我们所有人都在计算机控制下的纸上打印了非常高质量的文本,图像和照片。例如,它也可以在纺织品上创建图案或制作家具或地板瓷砖,看起来像木材,石头或陶瓷的一部分是真实的成本。

最有趣的是物理学家,喷墨技术是存放微小数量的好方法“smart”以微小液滴形式的材料。因此,研究人员使用它来开发从太阳能电池和医疗传感器到电子电路和药品的新方法。一些应用程序可能听起来很远,但它们完全是在原因的范围内。

使用喷墨打印机创建图像

所有喷墨打印机都通过在打印头中的喷嘴中喷射一系列墨水液滴来工作。这些液滴在计算机控制下逐行沉积线,形成聚集在一起的点构成图像。任何时间沉积的点数取决于打印头中的喷嘴总数。

大多数台式喷墨打印机有几百个喷嘴,每个喷嘴为20-30 μ米直径。然而,印刷速度不一定与喷嘴数量的直接比例增加。毕竟,如果您有四倍的喷嘴,则会有四倍的电气控制线来监控和管理。

在彩色打印的情况下,图像中的每个点由几个不同的液滴形成,每个液滴具有不同的颜色。从远处观看时,这些液滴显示为眼睛的单个颜色。大多数印刷的彩色图像是从只有四种单独的颜色建立的 – 青色,洋红色,黄色和黑色 – 以不同的量存放以模拟眼睛可以辨别的大多数颜色。

每个点(即每个像素)的色调和色调取决于每个彩色液滴的精确容积和位置。然而,只有四种颜色可以难以模仿人体肉体。旨在使印刷图像尽可能逼真,许多喷墨打印机现在使用五,六个,有时甚至八种颜色。

要创建顶级图像,打印的点需要大约50个 μ米直径,大小不等±2%。他们需要精确地放置,精度优于20 μm,虽然每滴墨水的体积小到3 picolitres (3 × 10-12l)并且只重约10 纳米图,取决于个体油墨的成分。如果液滴是错误的尺寸或不准确地放置,则眼睛会注意到不需要的模式,例如“Moiré images” – 在查看纯色块时,打火机和更暗的模糊条纹的交流带最明显。大多数打印机使用各种电子和软件技巧来欺骗眼睛忽略这些缺陷,尽管可以更便宜的设备省略他们省钱。

如果连续使用,大多数桌面打印机将运行大约24 打印头前的小时’S喷嘴断裂或被阻止并模糊打印图像。这相当于印刷几千张纸,这对家庭用户来说很好,但对工业打印机完全不可接受–那些曾经打印的人说,广告牌的海报(图1)。这些机器具有多于一个打印头,总共可包含多达30,000个喷嘴,每个喷嘴都能够每秒射击高达40,000液滴的墨水。

颜色液滴的数量和大小确定图像的分辨率和清晰度。但随着墨滴变得越来越小,我们现在可以用很高的分辨率打印图像,即它们超出人眼解决它们的能力。换句话说,现在可以使用比我们在正常的观看距离看到的更实际细节来打印图片!

但要注意广告,声称每英寸数以千计的点数的分辨率。如果打印机有六种彩色墨水,可以打印2400 每英寸点,实际分辨率仅为400 每英寸的像素,因为每个彩色点有六种不同的颜色“sub-pixels”。无论如何,分辨率为400-600 当打印文件时,每英寸的像素比令人满意。超越这只是增加了不必要的细节,尽管它可以有助于去除前面提到的一些带人工制品。

喷墨印刷的基础知识

有两种类型的喷墨技术:“continuous” and “drop-on-demand”。在连续喷墨印刷中,机械泵在高压下通过打印头上的喷嘴强制墨水,同时向每个液滴添加静电电荷(图2)。该过程产生稳定的带电墨水颗粒流,其在向前方向喷射。

通过将可变电压施加到水平和垂直电极,可以通过将每个液滴转向到基板上所需的位置。如果不需要墨水,则施加电压,以便向下将墨水的连续流程引导到a中“gutter”,收集,再循环和重复使用。该技术广泛用于将日期码戳到饮料罐上,但仅限于印刷低粘度和相对挥发的油墨。

触下需求 printing includes both “bubble-jet” and “piezoelectric”打印机,广泛用于家庭和办公室。两者都包括一个腔室,每个腔室都与单独的喷嘴连接。发送到致动器的电信号然后产生压力脉冲,该压力脉冲将墨滴喷射到基板上。 (这些设备不应该混淆“laser”打印机,甚至没有使用激光器,但基于发光二极管,并且完全是不同的技术。)

在泡沫喷射打印机的情况下,微小的电阻加热器用于在油墨内部产生小气泡,这通常是水基的。随着这些气泡膨胀,它们产生喷射墨滴所需的压力脉冲。然后将气泡折叠,压力下降,并且从储存器中吸入新鲜墨水。这种机制非常适合简单,小型设备,这就是泡泡喷射打印机如此便宜的原因。制造商通过将客户收取高价格来收回替换墨盒的高价格,即使墨水相对便宜。 (注意,新盒也可以包括替代喷墨打印头。)

相比之下,压电喷墨打印机使用基于锆钛酸铅的一类陶瓷。可以处理这些材料,使得它们在经过电场时稍微改变形状。当结合到墨水室中时,陶瓷将压力施加到流体上,这导致墨水被排出。压电打印机机制比泡沫喷射系统更具成本,但它们可以使用更广泛的墨水,并且在失败之前可以喷出更多滴。

主要原因是压电基打印机中的墨水不会加热,这意味着没有产生蒸汽或其他蒸气,这可能会破坏油墨的化学。因此,油墨可以包括高度挥发性溶剂,这使得公司可以尝试用于新的应用程序的不同墨水。特别感兴趣的是聪明,或“functional”由核心物质组成的墨水,该核心物质在沉积到基材上时将在基板上执行一些电气,化学,光学或机械功能。通过将该物质溶解在适当的溶剂中,然后可以通过喷墨打印机来通过流体。

例如,许多公司正在使用导电油墨来制造电子电路。这些油墨通常由纳米型薄片或颗粒组成的银,碳或其他导电材料溶解在合适的溶剂中。这导致可以是低粘度的液体“jetted”从打印头形成电路的导电条。结果,该过程比传统的制造技术更便宜,更好地为环境更好,因为它只打印在需要的地方,并且不需要有毒化学物质蚀刻不需要的金属区域。

不幸的是,功能性油墨通常是化学侵蚀性的,可以在打印头中腐烂材料。溶解在溶剂中的核心功能材料的混合物也可以产生阻挡打印头的不需要的材料块’S喷嘴并在印刷材料的图案中产生间隙。虽然桌面打印机中的堵塞喷嘴并不重要,但电路中的缺失点可能会使它失败。解决这些问题对于喷墨印刷进入新的市场区域,这是关键的,并且它将需要持续研究油墨过程中油墨的物理学。

技术挑战

所有喷墨研究人员的目标是从打印头到基板上的控制和一致的墨水流–是纸,塑料或其他材料–并防止打印头’S喷嘴堵塞。物理学家特别感兴趣的是墨水液滴如何留下喷嘴的问题,在此期间,液滴受到如此大的剪切力,即不能使用任何现有技术测量它。当它们穿过喷嘴时,该力可以从字面上撕裂复杂的墨水分子,这完全破坏液滴的功能部分。

另一个问题是如何准确预测液滴的轨迹,随着制造商寻求使用更高的分辨率制作打印机的制造商变得更轻,更小。控制这种液滴的放置,其具有少数猪肉的体积远远容易。最轻微的扰动–甚至打印头和基板之间的空气电流也是如此–可以使液滴转向落地路线和土地在错误的地方。

而且,当液滴离开喷嘴时,它通常由一个主滴和一系列较小的组成“satellite”滴(图3)。当喷嘴吸收液滴的最后一部分时,形成这些液滴,同时从储存器中绘制新的墨水。必须在将其落在基板上之前的主液滴结合这些卫星液滴,否则您最终会在主点周围围绕一系列较小的点,因此模糊图像。这可以通过调整在打印头中产生液滴的电信号来实现。工业喷墨打印机也配有高速摄像机,以验证液滴已成功合并。

但问题不会在打印头停止。当液滴在表面上落在表面上时,它可能会反弹并且甚至可以碎片。必须最小化以确保锐利图像。此外,如果液滴落在粗糙的表面上,例如“untreated”纸张,它可以在干燥时不均匀地传播–特别是如果有纤维或其他微观结构“wick”不同方向的墨水。实际上,纸张科学的目标是用纸“filled-in”表面使墨水可以均匀地干燥,差距很小。

超越纸张喷墨印刷

印刷彩色图像相当简单,因为人眼是非常容忍的错误。但在目标是非常准确地放置功能流体的应用中,而不是取悦眼睛,印刷错误可能是灾难性的。这是试图通过将功能流体喷射到塑料基材上的功能,而不是传统的玻璃纤维来创建电路,这是一个特殊问题,而不是恒定的玻璃纤维。

问题是躺在表面上的一张塑料–即使静止并受到外力–会略微摆动。如果在该表面上打印一系列点,则每个点的实际位置将随时间移动。虽然这种运动很小 – 通常不到5 μm – 它可以在由一系列需要施加在精确对准层的墨水序列制成的电子元件中灾难性。因此,研究人员必须实时监测基板的位置并补偿任何轻微的运动。

喷墨技术还可在显示器行业中具有应用,可以使用它来创建透明电极,该透明电极纵横交错计算机显示器的前表面和后表面。最具显示器的基材目前用掺杂锡掺杂的氧化铟(ITO)溅射并使用光刻图案化。然而,这需要几个制造步骤和令人不快的化学品。它也浪费了铟,其费用约为1000美元千克,并且变得越来越难以获得。

替代材料是掺杂的掺杂型氧化锡,或ATO,其对ITO具有相似的光学和导电性能,但更便宜,更丰富。不幸的是,它从未被广泛用于电子行业以制造透明导电轨道,因为它很难蚀刻到高分辨率模式。然而,现在,史蒂夫利康与诺丁汉特伦特大学和图案技术的研究人员一起加入了英国Eljet项目的力量’贸易和工业部(DTI)开发由纳米粉末制成的ATO油墨进行喷墨印刷。合作伙伴目前正在寻求优化油墨的电导率,同时确保它们保持光学透明。

还可以移动以将透明的导电聚合物作为金属氧化物的替代品。例如,默克,TWI和剑桥和曼彻斯特大学的科学家正在开发可以在溶液中加工的导电聚合物,因此是喷墨印刷。这些材料具有比金属更高的电阻率,因为当施加电压时电子可以沿着每个聚合物链的分子自由移动,但在空间中进一步进一步进一步进展。

喷墨技术甚至可以用于制造太阳能电池,使阳光转化为电力。目前,必须使用不同的设备进行这些装置;喷墨技术将允许立即创建设备的所有部分,这将更便宜。喷墨工艺也可用于铺设硬化以形成燃料电池壁的材料,该燃料电池壁通过与氧气反应氧气而产生电力。这些墙壁必须机械发出声音,因为燃料电池以小体积存储这种大量的能量。

这些电源可以集成到各种电子显示系统中,例如道路标志,手持设备,广告海报或电子书,其中潜在的电子设备,布线和显示器本身都是印刷到a上的喷墨合适的基材。这些设备将是“energy neutral”,产生他们需要运行的能量。

进入医学和生物学

喷墨技术也开始在生物科学中找到应用。例如,来自曼彻斯特大学的Brian Derby,Swansea University和同事使用它来制作可以测试,例如怀孕或糖尿病的传感器。传感器由一种纸条或塑料条组成,其中一种或多种酶的液滴被印刷的喷墨。由合适的缓冲材料包围的酶,使它们不暴露于空气中的污染物,可以监测唾液,尿液或其他液体的性质。传统妊娠试剂盒上的优点是电路可以是印刷到传感器上的喷墨,这可用于在灯泡或小显示器上给用户提供清晰的是或否。如果这项技术起飞,这种传感器可能变得如此便宜,患者可以使用专用喷墨机器在家里印刷自己的条带。

令人惊讶的是,德比’S团队还表明,可以通过喷墨打印机通过活动植物 – 当它们到达基板时,细胞保持活力(图4)。根据这一发现,工作已经开始建造由活皮细胞组成的材料“scaffolds”生物兼容纤维。然后将营养物射入结构以允许细胞’DNA控制细胞倍增和加入的过程。一旦所需的材料准备就绪,就溶解了支架纤维,留下斑片“skin”可以应用于烧伤或溃疡。由于这种皮肤是现实的,身体拒绝它的机会大大减少了。

Claypole和Derby还在调查喷墨技术是否可用于制造药物。它可能听起来像科幻小说,但有一天你可以把你的处方拿到当地的药剂师,他们会把所需的配方拨打到喷墨打印机,它将当场打印丸。该过程将涉及喷墨微克化学物质进入富含流体的化学物质以产生活性药物。然后将该药物注入一系列层中的药丸体中。如果服用需要在一定时间内或必须靶向身体的特定区域的药物,那么这些活性组分可以在主要丸中内置于可溶性胶囊中,以提供所需的释放特性。

由于最小的设置和工具成本,因此这些技术将让公司以相对低的价格为中等批量产品。此外,它们不必储存从未使用的药丸,这将有助于降低药物的成本。然而,这项技术是在一个很早期的阶段,并且在达到市场之前至少需要五年或更长时间。不幸的是,少数关于这项工作的细节可以释放到公众的商业原因。

另一个商业敏感的研究领域涉及使用喷墨技术来汇集微小的液体以执行例如在DNA测试中使用的组合试验。这将涉及将一系列一系列的微小液滴印刷到基板上,每列由不同的试剂组成。然后可以以行印刷第二组化学物质,使得2D阵列中的每个点代表试剂的独特组合。然后可以光学地分析反应结果,例如通过测量反应发出的光。由于每个液滴只需要具有少量猪肉体积,因此反应将是快速和有效的。

未来

据估计,彩色印刷业估计在全球范围内有超过3000亿美元,而喷墨技术可能会通过从传统的模拟印刷技术接管来继续进入这个市场。它还表现出具有很大的希望,作为能够在表面上沉积的少量智能材料的一种方式,从而实现一系列产品和装置–从太阳能电池到药物丸–不使用任何其他方式使用。

鉴于台式喷墨打印机的成功,喷墨设备可以在其他应用中,有一天可以是常见的,特别是在电子行业中。但是,我们需要逼真,并记住最好的喷墨打印机目前可以实现最大分辨率25 μM,而电子电路上的组件需要小于10 μm in size.

尽管有这些艰难的挑战,喷墨印刷仍然具有商业上有吸引力,因为它是环保的,使用相对廉价的部件,并且不需要昂贵的制造设施。如果我们有一个正在进行的研究程序,为什么以及这项技术如何运作的原因以及如何运作,每次散步都会受到这项技术的影响 – 仅限于科学家和工程师的想象力。

喷墨印刷的简要历史

1867
威廉汤姆森(后来Kelvin领主)被授予他提出使用静电力来控制墨水释放的提案的专利。然而,没有计算机,他无法控制液滴的模式。
1951
西门子生产第一家商业“continuous”喷墨打印机。这些主要用于食品和包装行业,在那里它们用于印刷产品的销售日期和条形码。
1973
桌面打印机诞生于剑桥顾问的本发明“drop-on-demand”喷墨过程。它允许控制丢弃的液滴,这对于打印文件至关重要。
1979
Hewlet-Packard和佳能独立地发明了这种初始泡沫喷射印刷现象的自身变化。
1987
剑桥顾问专利使用压电晶体进行替代形式的按需印刷。
1993
EPSON与第一个商用压电台式打印机进入市场。
1994
爱普生,佳能和惠普推出彩色喷墨打印机。
c.2000
墨水喷射印刷移位常规“screen printing”,通过将各个彩色油墨通过一系列仔细的图案掩模挤压到基板上,通常通过将各个彩色的墨水挤压到基板上,以至于,通常纸张。

更多关于:喷墨印刷

Inca Digital: www.incadigital.com.

英国显示网络: www.ukdisplay.net.

XAAR: www.xaar.co.uk.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者