喷墨打印技术背后的波形浅析

依稀记得前段时间的重磅新闻，京东方成功研制中国首款采用喷墨打印技术的55英寸4K超高清OLED显示屏，此次为该领域的一项重大突破。喷墨打印技术生产OLED显示屏可以极大提高有机材料的利用率，京东方上述这款显示屏材料利用率能达到90%，同时还能有效降低成本，实现更好的画质表现，尤其在大尺寸OLED领域具有很好的应用前景。

由此可见，喷墨打印技术很大程度上已经成为微电子产业不可或缺的一环。但是如何实现高效率，高良率的电子打印依旧是当下最棘手的问题。本文将从喷墨打印中最关键的一环——波形入手，带你解开喷墨打印的奥秘。

喷头构造

为了帮助解释波形的用途，让我们看一下喷头的喷嘴腔。下图描述了一种被称为“填充-开火”的喷射过程，这种喷射过程被广泛应用于喷头的构造设计中。在这种情况下，压电陶瓷材料PZT(压电陶瓷材料)在施加电压时发生变形，改变墨室的体积，导致墨室内的油墨移动，最终喷射出去。将这个电压准确的施加到PZT上的调控程序就是波形。

喷墨原理描述

在喷头的设计上，各类品牌大致相同，都是基于叠层压电陶瓷（PZT）设计而成。PZT只有在施加电压的情况下才会被扩展，所以在插入打印头之前不会有变形。一旦供电，喷头保持一个特定的电压，导致PZT拉长并保持其非喷射位置(左)。如果电压降低，PZT缩回并在腔内产生膨胀，将油墨吸进腔内(中心)。为了喷射出一个液滴，电压恢复到原来的值，腔体缩小，多余的墨水被挤出(右)。这个过程每秒重复数千次。

市面上常见的几类喷头设计

需要注意的是，打印头可以由正向脉冲或反向脉冲驱动，这取决于不同公司的技术考量。不管基于何种设计，波形中最重要的是波形倾斜部分的计时与保持计时。即电压保持在那个水平(高或低)多久后才回到起始位置。脉冲计时决定了当腔体的体积恢复到稳定状态时喷嘴处的喷墨状态，这是构建波形的第一步。

脉冲时间

通过以上介绍，我们已经大致了解墨水是如何被喷出来的，在脉冲电压的作用下，形变的墨水腔挤压墨水，这种压力的传播实际上是以声波的形式传导的，此过程接近以声速快速进行。

如果打印时你站在打印头旁边，你甚至可能会听到它“唱歌”，这取决于打印使用的频率。你能听到它的原因是因为驱动器产生声波。当然，这里面最重要的是墨水本身产生的声波，因为喷射压力的变化是由其来定义的。

声波随着电压脉冲的变化

当电压降低时，墨水腔收缩导致声波产生，此声波振幅会随着时间而消失。此过程伴随着墨水的补充。当新的脉冲来临时，腔体压力变大，声波的信号重新增强，最终墨水被成功喷射出来。但此时也伴随着新的问题，如果新的脉冲信号在错误的时间被引入，墨水很有可能会在即将喷射的瞬间，被重新引入腔体，导致不能够顺利喷射或效果极差。因此，我们要充分考虑脉冲持续时间（pulse width），它太短或太长，那么PZT的产生的声波、压力和运动就会不同步。如果油墨在压力增加的时候没有向正确的方向移动，那么就不会平稳地增加冲量，冲量可能会被抵消。这就像推秋千上的孩子一样。如果你在正确的时间推动秋千，动量就会增加，它们就会摆动得更高。如果你在错误的时间推他们，他们会猛烈地停下来。

声波震荡时间与脉冲时间比较

声波持续时间因墨水的不同而不同。但通常情况下，一个声波持续的时间大约为100微秒，在设置新的波形时要充分考虑此条件，并进行优化。

共振情况

共振现象描述

在一种打印频率下工作良好的波形在另一种频率下可能工作不好，这是很常见的。这一切都归结于墨水在腔内来回移动时脉冲的时间。随着频率的增加，由给定脉冲产生的声波和运动开始与前一个脉冲相互作用。在一定的频率下，这种是增强喷墨的共振，就像图中最上面的例子。当打印频率越高，下一个液滴和压力波出现时，前一个压力越有可能尚未衰减到零，造成喷墨不良的可能性也就越大。如果油墨仍在移动，先前的脉冲也可能会增加压力(更高的速度与润湿)。如果需要打印速度是灵活多变的，那就必须对墨滴在一定频率下的喷墨情况进行优化，以确保最终打印速度不落在发生共振的频率范围内。

多重脉冲

在硬件设备允许的条件下，也可以使用多脉冲信号以实现更高效的喷墨打印。多脉冲的波形通常依赖于压力波中的第一或第二共振。这意味着当油墨向喷嘴移动时，第一个脉冲会增加油墨的压力。一些墨水会喷出来，其余的会从喷孔弹出去，回到腔体内。一旦墨水再次向喷嘴移动，第二个脉冲将增加其动量。脉冲应仔细调谐，因为这种二次增强，动量很大，能够极大的提高墨滴体积与喷墨效果。

多重脉冲描述

多重脉冲的优点远不仅限于增大墨滴体积，在低粘度溶剂打印的过程中，溶剂会不由自主滴落。这种多重脉冲，可以有效控制低粘度溶剂在施加脉冲前（单一脉冲）的滴落问题。另外，多重脉冲可以改善在单一脉冲条件下，半月板形变的问题。这样可以允许用户去提高滴墨频率与打印速度。下图为一多重脉冲波形的专利描述，供大家发散思维。

相信大家对波形已经有了初步的认识，如果想进一步学习，可以参阅以下资料，或等下一期的推文之‘如何调节波形’。