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   Piezoelecric型 DOD打印機墨水激發原理

能量波的傳導與反射

能量波的傳導與反射 能量波的傳導與反射 能量波的傳導與反射 能量波的傳導與反射當聲波從一種介質傳輸到另外一種介質時, 經過不連續界面的能量波有多少被反射而又有多少被穿透取決于兩個介質聲波阻抗的差異, 當聲波阻抗差大于0.1%時而假面有遠大于波長時, 則一部分波在基面發生反射的同時另外一部分波在界面相鄰介質中產生折射。

聲波阻抗差越大則反射越強, 但若界面比波長要小, 則此時能量波會在界面表面產生散射⁽⁴⁾。

由前文所知, 墨水的擠出主要靠能量波(聲波)的傳導, 而聲波在液體中傳導時需要克服液體對其傳輸的阻力即聲波阻抗。聲波阻抗(Acoustic Impedance)Z為：

其中p為聲波經過一介質時, 由震動產生的壓強改變量(聲壓), 而u為介質流過以面積下的速度, c為聲波在該介質中的速度而ρ為該介質的密度。聲波阻抗單位為 Rayles。

但當傳導液體置于一長管道內部時, 阻抗大小不僅僅和波速和媒介密度有關, 還和管徑的尺寸有關。則此時的聲波阻抗為特征聲波阻抗(Characteristic Acoustic Impedance)Z₀：

A為管道橫截面積而特征聲波阻抗5單位為Ns/m

如第1節所述, 在噴墨印刷開始時, 壓電板在電壓的作用下發生形變, 使得墨水向通道內部收縮從而產生產生能量波。該能量波在經過反射后會與第二次擠出墨水時產生的能量波重疊產生放大作用并向外擠出墨水。能量波的反射效果可以用反射系數來表示R(3)：

其中ar和ai為反射波和入射波的振幅。將上式展開, 可得反射系數完整表達式為⁽³⁾：

若入射角度為0(垂直入射), 則反射系數可以變化為³：

由此可見:

當Z2?Z1時, R→1, 反射面可視為一剛性表面, 則大部分能量波將會被反射且波的相位不會發生變化；

當Z2?Z1時, R→?1, 反射面可視為一柔性表面, 則大部分能量波將會被反射但波的相位會發生180°變化；

當Z2=Z1時, R=0, 則不會發生反射；

當?1?R?1時, 部分波會發生反射且其波的相位會發生一定的變化。

考慮兩種傳播路徑結構(如Fig 1.2.2), Fig 1.2.2 a路徑結構中, 反射面可視為一剛性表面, 則大部分能量波將會被反射且波的相位不會發生變化；

若路徑結構如Fig 1.2.2 b, 則能量波的反射還需考慮橫截面積A2和橫截面積A1之間的關系。在長管通道中, 若墨水為同一種材料, 則介質密度ρ和能量波在該介質內波速c相等, 將以下公式進行代換后有⁽²⁾：

若A2?A1, 則R→?1, 反射面可視為一柔性表面, 則大部分能量波將會被反射但波的相位會發生180°變化。

Fig 1.2.2 波的入射和反射⁽³⁾

Fig 1.2.3 兩種傳播路徑結構

Acoustic 反射型激發

在常見的桌面打印機(Fig 1.2.4) ^(2), 其原理結構可以被Herman Wijshoff(2)簡化為Fig1.2.5 所示。

Herman Wijshoff2 認為該類型噴頭在噴墨時, 墨水在腔體內的運動可以簡化為LongChannel 模型來解釋。同時該噴墨過程存在以下4 個階段：

壓電陶瓷在伏電壓向外鼓出并擴展墨水擠壓腔的體積, 在該過程中從噴頭向內不下產生一個內向波；

該波形在墨水擠壓腔后部進行反射；

在反射波到達壓電陶瓷部位時, 對壓電陶瓷施加正壓并壓縮墨水擠壓腔體積。該步驟主要目的是將反射波放大；

反射波到達噴嘴后將墨水擠出。

Fig 1.2.4 一般桌面型打印機噴頭的CAD制圖和結構⁽²⁾

Fig 1.2.5 桌面型打印機噴頭橫截面結構(2)

Fig 1.2.6 Long Channel模型和波在各個階段波傳導的過程⁽²⁾

該過程可被簡化為Fig 1.2.6。

Helmholtz Resonance型激發和 Acoustic Terminator

Helmholtz Resonance

在印刷電子工業上用的打印機結構和一般商用型打印機結構不同。在印刷OLED工業中使用的打印機噴頭結構如Fig 1.2.8所示。在該種結構下, 波在噴頭內的傳導和出墨原理可以用亥姆霍茲共鳴器(Helmholtz Resonance)模型(7) (8) 來解釋。

最原始的亥姆霍茲共鳴器( Helmholtz Resonance)為一兩端有瓶頸通道開口, 而中部存有腔室的器具(Fig 1.2.9)。 該器具可以在削弱其他聲波的同時, 對特定頻率的聲波起到諧振放大效果。

理論上亥姆霍茲共鳴器為由理想剛體建立起來的一剛性腔體和一剛性通道的密閉空腔。剛性的空腔就叫做“亥姆霍茲共振腔”, 在空腔的表面開一個面積相對于空腔表面積很小的孔, 在孔上插入一根空心剛體管道, 組成的結構就稱為“亥姆霍茲共鳴器”。

對于一個亥姆霍茲共鳴器而言, 當其內部空氣受到外界波動的強制壓縮時(無論強制力施加于空腔內的空氣還是管道內的空氣, 施加的外力是來自聲波還是腔體振動), 管道內的空氣會發生振動性的運動, 而空腔內的空氣對之產生恢復力。此時該共鳴器可以視作一個彈簧, 且對施加作用的波動有共振現象, 其固有頻率 fH 可以大致簡化為(7)：

其中 v 為聲波速度和 V 為腔體靜態體積, 且此時器件固有振動波長為 λH?？紤] Closed End 的噴頭結構(Fig 1.1.6), 高精度印刷DOD 噴頭來說, 其亥姆霍茲頻率 fH 可寫為(8)：

其中 c 為波速。

Fig 1.2.8 亥姆霍茲共鳴器(Helmholtz Resonantor) ⁽⁷⁾

Fig 1.2.9 Helmholtz Resonantor 結構(9)

Fig 1.2.10 采用Helmholtz Resonantor 設計的噴頭結構⁽⁸⁾

在不了解打印機噴頭結構缺乏的情況下, 噴墨打印波形可以多次試驗的方式摸索出來。

Sphen D. Hoath(8)認為在此類型噴頭中, 其噴墨印刷波形調試的參數為：

對Unipolar 的波形：

對Bipolar 的波形：

V1 和V2 值需要在實驗中進行具體調整。

Fig 1.2.11 波形調整⁽⁸⁾

Acoustic Terminator

(a) 側壓型Piezoelecric噴頭結構 (b) Acoustic Terminator

Fig 1.2.12 Spectra?, Inc公司(10) (a) 噴頭結構;(b) Acoustic Terminator結構

由前文得知, 壓電陶瓷在激發時會產生一聲波, 該聲波會同時向噴頭內側和噴嘴處運動。在印刷過程中, 供墨端的墨水有可能會受到該聲波的影響, 從而導致印刷的精度和可靠性下降。Spectra?, Inc公司在其Bend Mode側壓型Piezoelecric噴頭中通過制作Acoustic Terminator結構的方式來消除該反向波的影響10。

入射波在通過該結構時, 首先會被分散為多個小波, 其后該殘余波在Acoustic Terminator內往復反射中衰減。該結構不僅僅能避免壓電陶瓷形變時產生的聲波對后方供墨通道中墨水流動產生串擾, 同時也能使得連續供墨時墨水的流動更加穩定。

憑借大面積、低成本、柔性、綠色環保等突出的優勢，印刷OLED成為下一代顯示產業發展的方向，韓國三星、LG，德國默克、美國杜邦、日本住友化學等國際顯示領域終端、器件和材料巨頭均已開始在此領域布局。

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