高い - 河北ハンドヘルドインクジェットグループ有限公司

Scientific Reports volume 13、記事番号: 156 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

インクジェット印刷技術は、将来的にプリントディスプレイの量産技術を向上させることが期待されています。ノズルアレイプリントヘッドは、プリントディスプレイの大量生産アプリケーションの基礎を形成します。ただし、印刷プロセス中の気泡の捕捉とノズルの湿潤性の変化によって引き起こされるジェットの不安定性は、この技術の適用における大きな課題です。起こり得るノズル異常に適応するために、本研究では、プリントディスプレイ製造用のセットカバー印刷計画(SCPP)モデルに基づく適応性の高いノズルアレイ印刷システムを設計する。この研究は 2 つの部分から構成されます。まず、異常なノズル位置を正確に検出してスクリーニングするために、多段階の視覚検査と閉ループフィードバックに基づく印刷システムを提案します。特に、インクジェット印刷システムは、異常な吐出特性を持つノズルを特定し、残りのノズルが正確かつ安定して動作することを保証できます。次に、ノズルアレイプリントヘッド上の残りの通常のノズルを使用して、ディスプレイピクセル印刷計画用の SCPP モデルが確立されます。このモデルは、最も効率的な印刷パスとノズル印刷動作を出力でき、あらゆるピクセルパターン、ノズルタイプ、および異常なノズル分布に適応できます。このシステムと技術は、大面積の印刷表示デバイスの製造に高度に適応性と拡張性を備えています。

インクジェット印刷は、材料溶液を基板上に直接塗布し、室温でパターンを形成できる技術です。このアプローチは、低コスト、高い製造効率、および大面積フレキシブルパネルの製造における利点により、プリントディスプレイ製造の次世代製造方法と考えられています 1、2、3。図 1a は、印刷可能な有機発光ダイオード (OLED) デバイスの典型的な構造 4 を示しています。この印刷ディスプレイの印刷製造プロセスの流れを図 1b に示します。印刷ディスプレイの製造におけるインクジェット印刷技術の実現可能性は、このような技術を実験室で適用することによって検証されています。たとえば、OLED の正孔注入層 5 (HIL)、正孔輸送層 6 (HTL)、発光層 7 (EML)、および薄膜封止層 8 (TFE) 層は印刷によって作成されています。

OLEDの構造と製造フローの簡略図。

印刷ディスプレイの大量生産のための重要な技術の 1 つは、通常、複数のノズルの 1 つ以上の列で構成されるノズルアレイプリントヘッドの使用です。同列のノズルは等間隔に配置され、異なる列のノズルは千鳥状に配置されており、印刷濃度を向上させている。ほとんどのプロダクションプリンタシステムは、インクジェット印刷の効率を向上させるために、数千のノズルを備えたノズルアレイプリントヘッドを使用しています9。ただし、インクジェット印刷が研究開発 (R&D) から量産に移行する場合、ノズルアレイプリントヘッドのアプリケーションにおける最大の課題の 1 つは、図 2a に示すように、ノズルの噴射が不安定であることです。印刷プロセス全体を通じて、プリントヘッドのすべてのノズルが安定したジェットを提供できるようにすることは困難です。図 2b に示すように、ノズルの故障、体積の不均一、斜めの軌跡などの吐出の問題は、印刷パネルに印刷欠陥を引き起こし、ムラ欠陥 10 を引き起こす可能性があり、最終的には印刷ディスプレイの品質に影響を与えます。噴射の問題は、ノズルプレートの濡れによるジェットの指向性の低下、ノズルの内側または外側の部分的な液体の詰まり、プリントヘッドシステム内の気泡の閉じ込めなど、さまざまな原因で発生する可能性があります11。これらの問題の原因は非常に複雑で、直接特定するのは困難です。したがって、印刷ディスプレイのノズルアレイ印刷システムは、起こり得る異常なノズル射出条件に高度に適応できる必要があります。

ディスプレイのピクセル印刷にノズルアレイを使用するという課題。 (a) インクジェット印刷と典型的な問題。 (b) 2020 年のコンシューマーエレクトロニクスショーで TCL が発表したフレキシブルインクジェット印刷 OLED スクリーンと印刷パネルの欠陥例。

この問題を解決するために、従来の印刷システムは主に次の 3 つのステップを含んでいます。 (1) 液滴検査と異常ノズルの特定。（２）全てのノズルが正常な吐出状態になるまでプリントヘッドを調整する。 (3) ノズルアレイプリントヘッドを回転させてノズルピッチとピクセルピッチを一致させ、印刷計画アルゴリズムを使用して印刷経路とノズル射出動作を取得します12。液滴検査とプリントヘッド調整のために、従来の印刷システムは、ノズルの疎水性処理、インク配合の最適化、およびプリントヘッドの波形調整を通じて異常なノズルの出現を減らします。 Han et al.13 は、印刷の均一性を高めるためにインクジェットヘッドプレートの選択的疎水性コーティングを使用しました。 Huang ら 14 は、液滴の衝撃挙動を通じてインク配合物中の金属ナノ粒子サイズの影響を分析し、このアプローチをインク配合物の最適化に使用できると判断しました。 Jiang et al.15 は、印刷プロセスのメカニズムを調査するために数値流体力学モデルを提案しました。このモデルは、新しいインクを使用したときに、必要な印刷解像度の動作パラメータを迅速に決定するのに役立ちます。 Cao ら 16 は、ノズルアレイインクジェット印刷システムによる液滴観察結果に応じた波形調整により液滴体積の偏差を 5% 以内に制御し、この印刷システムを使用して 40 × 40 mm の領域を高い均一性で OLED を印刷しました。 Yun et al.17 は、ノズルアレイ印刷システムに波形最適化アルゴリズムを追加し、カメラで取得した測定値に基づくフィードバック調整を通じて液滴速度偏差を 6% 以内に制御しました。次に、インクジェット印刷システムは、調整された正常なノズル情報を使用して、印刷計画アルゴリズムを通じて印刷プロセスの移動と噴射動作を計画し、最終的に OLED 印刷を実現しました。一般的に使用される印刷計画方法には、ラスター印刷計画アルゴリズムとベクター印刷計画アルゴリズムが含まれます。 Lin et al.18 は、OLED ディスプレイ製造のためのプリントヘッドの回転とインターレース印刷法に基づく新しい印刷アルゴリズムを提案しました。 Chang et al.19 は、プリントヘッドの角度を回転させることで印刷経路とノズル吐出動作を計画できるインターレース回転アルゴリズムを開発し、その結果、印刷解像度を 100 ドット/インチ (DPI) から 5080 DPI まで連続的に調整できることが示されました。 Phung et al.20 は、ライン印刷の開始点と終了点付近での不均一な線幅を防ぐために等間隔の距離で液滴を生成することにより、X-Y 印刷動作とノズル射出動作を計画するためのエンコーダ処理ユニットとベクトル印刷アルゴリズムを設計しました。 Kim et al.21 は、OLED のピクセルピッチに従って印刷画像の解像度を再定義するアルゴリズムを提示し、ビットマップパターンに従って印刷プロセスを計画しました。

しかしながら、上記の印刷システムは、すべてのノズル吐出状態の精度と安定性に大きく依存します。これらの印刷システムは、異常なノズルを伴う印刷条件に適応できません。ノズルに異常吐出が発生すると、印刷された表示パネルに印刷不良が発生する可能性があります。さらに、ムラのない印刷ディスプレイの印刷結果には、すべてのピクセルの合計の厚さが均一であることが必要です。たとえば、各 OLED 層の厚さの変動は平均厚さの ± 0.6% 以内でなければなりません22。したがって、すべてのノズルの液滴体積偏差が 5% 以内では不十分です。波形調整やインク配合の最適化などにより、すべてのノズルを正常な状態に調整することは困難です22。基本的に、すべてのノズルが正常で安定したジェットを提供するには、研究開発型の動作条件が必要ですが、この条件は高スループットの量産には適していません。したがって、あらゆる噴射条件に適応できるディスプレイピクセル印刷システムは研究する価値があります。

この論文は、以前のノズルアレイインクジェット印刷システムからインスピレーションを得て、セットカバリング印刷計画 (SCPP) モデルに基づく表示ピクセルノズルアレイインクジェット印刷システムを紹介します。このシステムは、プリントヘッドのノズルに異常がある場合でも、あらゆる種類のピクセルパターンを安定して正確に印刷できます。特定され、閉鎖されました。提案したシステムは 2 つの部分から構成されます。まず、多段階の外観検査に基づくノズルアレイインクジェット印刷システムを設計し、プリントヘッド上のすべてのノズルとその検出結果に基づいた異常ノズルのスクリーニングについて、液滴の吐出から蒸着までのフルサイクルの監視とフィードバック制御を実現します。第二に、印刷ディスプレイ製造用の SCPP モデルを提案し、残りの通常のノズル位置とピクセルパターンに従って印刷経路とノズル吐出動作を計画します。ノズル射出の不安定性の問題は、提案されたシステムの 2 つのコンポーネントによって解決されます。この研究で提案した適応性の高いノズルアレイインクジェット印刷システムは、商品化および大規模印刷ディスプレイ製造の要件を満たすことができます。

ディスプレイピクセルの印刷プロセスは、プリントヘッドのノズルからの液滴の噴射から基板上のピクセルへの堆積まで多岐にわたります。このプロセスに関係する主なオブジェクトは、プリントヘッド、液滴、および基板です。正確で安定した印刷計画の基本は、(1) ノズルと印刷パターンの座標を決定すること、(2) 異常ノズルの位置を正確に特定することの 2 点です。したがって、プリントヘッド、液滴、および基板に対して、多段階の検出とフィードバック調整を正確に実行する必要があります。印刷システムには、プリントヘッドと基板の検査、異常ノズルのスクリーニング、印刷計画、パネル印刷、印刷結果の検査などの機能が含まれています。提案する印刷ディスプレイノズルアレイインクジェット印刷システムは、これらの機能に応じて、図3に示すように4つの部分に分割されます。

プリントヘッドと素材の位置の検査と校正プリントヘッドの取り付け位置は上向きカメラで決定され、素材の位置は下向きカメラで決定されます。取り付け位置の誤差が関連する制限を超える場合、プリントヘッドと素材の位置が校正されます。キャリブレーション後、ノズルとピクセルの座標セットは、印刷システムで使用されているものと同じ座標系で確立されます。

異常ノズルのスクリーニングまず、液滴監視カメラを使用して、各ノズルから吐出される液滴の体積、速度、角度を測定します。次に、プリントヘッドを用いて基板の空白位置に試し印刷を行い、見下ろしカメラを用いて実際の液滴の着弾位置と設計上の位置との誤差を測定する。測定結果に応じて、プリントヘッドの駆動波形を調整したり、印刷位置の補正を行ったりして、ノズルの吐出結果を向上させます。関連する制限を超える液滴パラメータを持つ異常なノズルのシリアル番号が記録されます。

モデル計画記録された異常ノズルの状況と印刷された表示パターンの要件に従って、提案された SCPP モデルを使用して印刷プロセスを計画します。モデルの出力には、印刷動作ルート、プリントヘッドの噴射動作、ノズルとピクセル間のマッピングが含まれます。最初の 2 つの出力は、素材の印刷を実行するために使用されます。 3 番目の出力は、印刷後に欠陥が見つかった場合に、欠陥の原因となる異常なノズル位置を見つけるために使用されます。

パネル印刷と結果検査計画された印刷ルートとノズル吐出動作に従って、ノズルアレイプリントヘッドを使用して基板上のすべてのピクセルの印刷を完了します。印刷完了後、自動光学検査（AOI）カメラで印刷結果を検査します。検査された印刷欠陥の位置とノズルとピクセル間のマッピングに従って、異常なノズルが再スクリーンされ、次の印刷で閉じられます。

ディスプレイピクセルインクジェット印刷システムの原理の概略図。

図 3 のディスプレイピクセル印刷プロセスの設計に基づいて、システムには次のモジュールが含まれる必要があります。(1) 液滴を安定して吐出するための印刷モジュール。（２）すべてのノズルおよびピクセルの位置情報を取得するためのプリントヘッドおよび基板検査モジュール。（３）液滴の体積、速度、角度、サテライト液滴の有無など、各ノズルから噴射される液滴のパラメータを正確に検出するための液滴測定モジュール。 (4) 印刷結果を評価し、印刷欠陥情報を収集する AOI モジュール。 (5) 印刷アクションの実行およびさまざまなモジュールの移動のためのモーションモジュール。ディスプレイピクセルノズルアレイ印刷システムのプロトタイプを図4に示します。これには、上記の機能モジュールと可能な機器レイアウトが含まれています。レイアウト上の利点は次のとおりです。(1) 印刷プロセス中のモジュール転送シーケンスに従ってモジュールが右から左に配置され、このプロセスでのさまざまなモジュールの変換効率が向上します。（２）液滴の吐出を必要とする液滴測定モジュールは、吐出された液滴が基板を汚染しないように印刷領域とは別に配置される。 (3) システムスペースを節約するために、さまざまな動作軸の使用が最大化されます。

印刷システムの簡略図。

印刷モジュールには、プリントヘッド、印刷制御システム、およびインク供給システムが含まれます。インク供給システムは、ホースとポンプを通してインクを導き、インクカートリッジからノズルまでの安定した流れを実現し、インク圧力が小さな定常状態誤差範囲内にあることを保証します。印刷制御システムは、ホストコンピュータから送信されるプリントヘッド吐出信号を受信し、インクジェットを実現します。プリントヘッドと基板の検査モジュールには、それぞれ上向きカメラと下向きカメラが含まれています。これら 2 台のカメラを通じて、プリントヘッドと基板の位置を検出できます。印刷システムの 2 台のカメラの位置座標に従って、プリントヘッド上のすべてのノズルと基板上のすべてのピクセルの位置座標が印刷システムの座標系で確立されます。液滴測定モジュールは、自社開発の正確な立体視ベースの液滴測定システム 23 を使用します。これには、同じ水平面上で異なる角度にある 2 台の液滴監視カメラ、同期トリガーストロボライト、および複数の画像処理アルゴリズムが含まれており、高速で飛翔する液滴の高品質の 3 次元画像を取得し、その体積、速度、速度を正確に測定します。角度。 AOI モジュールには、複数の産業用カメラと同軸光源のセット、および印刷欠陥の自動認識アルゴリズムが含まれています。印刷結果の画像を迅速に収集し、画像処理により印刷欠陥の種類や位置情報を取得するモジュールです。モーションモジュールは多軸モーションプラットフォームで構成され、Y 軸モーションプラットフォームがプリントヘッドモジュール、基板検査モジュール、および AOI モジュールを作業位置に移動します。 X 軸モーションプラットフォームは、液滴測定モジュール、プリントヘッド検査モジュール、および基板が置かれる吸着プラットフォームを搬送します。 Z 軸モーションプラットフォームはプリントヘッドモジュールと AOI モジュールを持ち上げます。 θ軸運動プラットフォームは基板吸着プラットフォームを回転させます。

印刷されたディスプレイ機能層の厚さと均一性の要件、および印刷システムの製造効率に基づいて、この印刷システムの性能指標は次のとおりです。(1) 印刷速度 ≥ 100 mm/s。（２）打滴位置誤差≦±１０μｍ。（３）ムラのない印刷結果。したがって、提案されたプロセスの各ステップでは、印刷システムの精度と安定性を向上させ、プロセスの計画と印刷の次のステップでプリントヘッド上の異常なノズル位置の正確なスクリーニング結果を提供するために、閉ループの検出とフィードバック調整が必要です。流れ。

印刷プロセスフローの閉ループは図 5 に示すように設計されており、提案プロセスのさまざまなステップにある 4 つの内側閉ループと、印刷プロセス全体の 1 つのバッチ閉ループが含まれています。それぞれの内側の閉ループにより、対応するプロセスステップの精度を向上させることができます。完全なプロセスフローのバッチ閉ループはすべての内部閉ループで構成され、印刷バッチサイズが増加するにつれて印刷結果を繰り返し最適化できます。

印刷システムの閉ループフィードバックシステムの簡略図。

クローズドループ印刷プロセスの具体的なアクションと機能は次のとおりです。内部閉ループ 1: 図 5 の A 部分に示すように、プリントヘッドの取り付けが完了した後、上向きカメラによってノズル位置を検出する必要があります。プリントヘッドの角度誤差がしきい値を超えると、プリントヘッドが再取り付けされます。内部閉ループ 2: 図 5 の B に示すように、一般に基板搬送マニピュレータはミクロンレベルの基板配置精度を達成できないため、見下ろしカメラで基板配置を検出する必要があります。基板の配置誤差が所定の範囲外の場合、システムは基板吸着プラットフォームの回転モーターを使用してキャリブレーションを行います。内部閉ループ 3: 図 5 のパート C に示すように、液滴測定モジュールは、プリントヘッドから射出されたすべての液滴の体積、速度、および角度を検出するために使用されます。測定された液滴パラメータが許容誤差範囲を超えた場合、異常なノズルが閉じられ、その位置が記録されます。内側閉ループ４：図５のＤに示すように、打滴位置誤差を求めるための試し刷りテストを行う。印刷パターンは、指定された間隔を持つ液滴のマトリックスです。印刷後、下向きカメラを使用して、液滴マトリックスの複数の位置から画像を繰り返しなく収集します。次に、システムは画像処理を通じて実際の液滴位置座標をすべて取得します。これらの座標を理想的な液滴位置座標と比較して、打滴精度を計算し、補正を行います。バッチ閉ループ 5: 図 5 の E 部分に示すように、パネル印刷後、印刷結果が AOI カメラで検査されます。次に、検査された欠陥の種類と位置に基づいてエラーの原因を追跡します。特定の原因に基づいて、印刷プロセスのパラメータ、異常なノズル位置、プリントヘッド、および素材の位置が調整され、次のバッチで最適化されます。複数ステップの閉ループを通じて、印刷システムはさまざまな機器エラーを正確に判断し、プロセスの各ステップでキャリブレーションを実行できます。さらに、プリントヘッド上の異常ノズルを完全にスクリーニングすることにより、印刷計画の次のステップの基礎が提供され、異常ノズルに対する動作条件の適応性が向上します。

適応性の高い印刷システムを作成するには、多段階の閉ループを通じてプリントヘッド上の異常なノズル位置を取得することに基づいて、残りの正常なノズルを使用して基板上のすべてのピクセルの印刷を完了する必要があります。したがって、すべてのピクセルが可能な限り最短時間で完全に印刷できるように、プリントヘッドの移動経路とノズル吐出動作を計画する印刷計画モデルが確立されます。

印刷の手順は以下の通りです。ノズルが印刷開始点に移動した後、基板は X 方向に移動を開始します。基板上のピクセルの印刷可能領域が通常のノズルの下を通過すると、液滴がノズルから噴射され、堆積してピクセルが形成されます。私たちの他の研究結果によると、印刷可能領域は、液滴が基板上に堆積された後、最終的に流れてピクセルを形成できる最大の領域です24。Ｘ方向の同一列の全ての画素が記録されると、１パスの記録が完了する。その後、基板は元の位置に戻り、正常なノズルが他の未印刷ピクセルと位置合わせされるように、プリントヘッドが Y 方向に一定距離移動して、次の 1 パス印刷プロセスを開始します。このプロセスは、すべてのピクセルが基板上に印刷されるまで繰り返されます。

そこで、印刷計画問題を次のように定義する。図 6 は、ディスプレイピクセルノズルアレイ印刷システムのレイアウトとパラメータを示しています。 L と m は、それぞれプリントヘッドのノズルピッチとノズルの数です。Ｐおよびｎは、それぞれ基板のＹ方向のピクセル列のピッチおよび数である。 S は Y 方向のピクセルのサイズ、e は Y 方向の打滴誤差です。 S と e は、ピクセルの Y 方向の印刷許容範囲を定義します。正常なノズル位置がこの範囲内にある場合、このノズルから吐出された液滴を画素内に着弾させることができる。そうしないと、液滴が画素の外側に付着し、印刷不良が発生する可能性があります。

ディスプレイピクセル印刷システムのレイアウト。

ピクセル印刷プロセスによれば、プロセスは複数の印刷パスで構成されます。通常のノズルは各パス中に異なるピクセルと位置合わせされ、パス中に基板が X 方向に移動すると、位置合わせされたピクセルが位置する列内のすべてのピクセルが印刷されます。したがって、１パスのプリントヘッドの位置が決定されると、正常なノズルの配列と印刷されないピクセルの位置に従って、このパスで使用する必要があるノズルのインデックスが得られる。したがって、パスごとに印刷されるプリントヘッドの位置は、印刷計画問題の決定変数となります。さらに、解決すべき課題は、異常ノズルの存在下での基板印刷を期待することであるため、異常ノズルの数に関係なく基板印刷が正常に完了できるというモデルにとっての強い制約となります。最適化の目標として、印刷速度と X 方向のピクセル数が決まると、1 パスに必要な印刷時間がわかります。印刷パスの数が少ないほど、印刷ジョブの完了にかかる時間は短くなります。したがって、印刷計画問題の最適化目標は、印刷パスの数を最小限に抑えることです。

要約すると、印刷計画の問題は、印刷プロセスに基づいて次のように定義できます。ノズルの相対位置が決定された 1 つまたは複数のプリントヘッドと、特定のピクセルパターンを備えた基板を含む印刷システムを考えてみましょう。プリントヘッドは、素材上の特定の位置から最初のパスの印刷を開始します。正常ノズルは画素範囲内であれば噴射するか否かを設定でき、異常ノズルはいかなる場合でも噴射されない。ピクセル範囲内にノズルがある場合、基板上の同じ列内のすべてのピクセルは、このパスで X 方向の直線パスに沿って印刷されます。次に、プリントヘッドは Y 方向に一定距離移動してピクセルの他の列を印刷し、次のパスを実行します。このプロセスは、すべてのピクセルが印刷されるまで繰り返されます。印刷計画の問題の目的は、すべてのピクセルを印刷するのに必要な印刷パスの数を最小限に抑えることです。

ディスプレイピクセル印刷計画問題の問題パラメーターを表 1 に示します。この問題は、次の集合カバーモデルとして数学的に定式化できます。

ここで、式 (1) は、選択された停止点の数を最小にする目的関数です。これは、印刷パスの数が最小になることを意味します。式 (2) は、すべてのピクセル列が少なくとも 1 回印刷されることを保証するための制約です。式 (3) は決定変数の境界を表しており、各停止点が最大 1 回選択されることを意味します。

モデル制約を確立する鍵となるのは、\({a}_{i,j}\) の計算です。対応する式は次のとおりです。

ここで、 \({y}_{i}^{px}\) は \(i\) 番目の列のピクセルの Y 方向の位置座標であり、 \({y}_{j,q}^{ph }\) は、プリントヘッドの最初のノズルが \(j\) 番目の列のピクセルと位置合わせされている場合の、プリントヘッドの \(q\) 番目の通常のノズルの Y 方向の位置座標です。 \({y}_{j,q}^{ph}\) には異常ノズルの位置座標は加算されません。 \({y}_{j,q}^{ph}\) 位置座標の開始点は、プリントヘッドの最初の通常ノズルが基板上の最初の列のピクセルと位置合わせされる位置です。式の条件の左辺は次のようになります。 (4) はノズルと画素中心点の位置ずれを表します。右側は、この偏差の誤差限界です。ノズル位置が停止点 \(j\) にあるとき、列 \(i\) のピクセルの誤差境界内に正常なノズルがあれば、 \({a}_{i,j}\ の値) ) は 1; それ以外の場合は 0 です。

SCPP モデルの原理は次のとおりです。

ピクセル列の数に応じて、プリントヘッドのいくつかの Y 方向停止点が基板の印刷ピクセル領域に設定されます。

各停止点における通常のノズルと画素の配置は \({a}_{i,j}\) で表されます。 \({a}_{i,j}\) のすべての値が取得された後、SCPP モデルの決定変数 \({x}_{i}\) を解くことによっていくつかの停止点が選択されます。式（１）に示すように、印刷プロセス全体における基板上の各ピクセル列の誤差範囲内の少なくとも１つの正常なノズルである。 (2)。

式以来。 (2) には通常、多くの解のグループがあります。 (1) は、印刷プロセスの停止点を最小限に抑えるソリューションを選択し、このソリューションをモデル出力の結果として取得するために使用されます。これにより、すべてのピクセルが印刷される間、印刷時間が最小限に抑えられます。

したがって、数学的な意味では、入力変数が決定され、この印刷の SCPP モデルが確立された後、モデルに解がある場合、ノズル上の通常のノズルが基板上のすべてのピクセルの印刷を達成できることを意味します。出力目的関数 \(Z\) は、すべてのピクセルの印刷を完了するために必要な停止点の最小数を表します。必要な最小停止数は、最小印刷パス数、つまり最小印刷時間を意味します。モデルに解決策がない場合、プリントヘッドの通常のノズルでは基板上のすべてのピクセルの印刷を完了できず、新しい解決可能な SCPP モデルを確立するには印刷条件を改善する必要があります。

モデルを解くことで得られる目的関数 \(Z\) と決定変数 \({x}_{i}\) に応じて、この印刷に必要な最小パス数と印刷を完了するために選択される停止点は次のようになります。得られた。選択した停止点 \({x}_{i}\) と行列 \({a}_{i,j}\) を組み合わせることで、選択したノズルの各停止点におけるすべてのノズルの噴射動作を次のようにすることができます。得られた。選択した各停止点の位置から印刷動作ルートを求めることができます。プリントヘッドの噴射動作と印刷動作ルートに従って、印刷機器のノズルモジュールと動作モジュールをガイドして、基板上のすべてのピクセルの印刷を完了することができます。

さらに、SCPP モデルは正常なノズル座標、ピクセル座標、ピクセルのエラー境界を入力変数として受け取るため、このモデルを変更することで、さまざまなプリントヘッドのタイプ、さまざまな異常なノズルの数と位置、およびさまざまな印刷表示ピクセルパターンに適用できます。これらの変数の値。さらに、SCPP モデルは整数計画モデルであるため、正確なアルゴリズムによって得られる解は大域的最適解であることが保証されます 25,26。これは、SCPP モデルを通じて最短の印刷時間を持つ印刷スキームを取得できることを意味します。すべてのピクセルの印刷を完了します。

ディスプレイのピクセル印刷計画の問題を解決するために、解決プログラムが開発されました。ディスプレイピクセル印刷計画問題のモデリングは、整数計画法における古典的な非決定性多項式ハード (NP ハード) 問題である古典的なセットカバリングモデルに基づいています。この種の問題を解決するには、内点法 27、列生成法 28、ヒューリスティックアルゴリズム 29、30、および一部の商用オプティマイザ 31、32 などのさまざまなアルゴリズムが適用されています。印刷領域が大きいため、印刷計画を立てる際に多くの停止位置を設定する必要があり、実際のアプリケーションでは問題の規模が大きくなります。したがって、このモデルを解くために、人気のある汎用の 0–1 整数計画法オプティマイザー Gurobi が選択されます。これは、大規模な線形問題を解くのに特に適しています 31。

さまざまな印刷状況における提案されたモデルとソリューションプログラムの適応性を検証するために、さまざまな印刷ケースがテストに使用されます。表 2 にリストされているデフォルトのテストパラメータは、テレビや携帯電話で広く使用されている 72 ピクセル/インチ (PPI) から 400 PPI のディスプレイパネルの製造プロセスから得られます。さまざまなパラメーターのケースを含むテストでは、説明されているパラメーターを除いてほとんどのパラメーターが同じであるため、すべての新しいパラメーターの調整結果は示されません。以降、特に指定がない限り、表 2 にリストされているパラメータがすべての場合に使用されます。すべての入力パラメータは実際のディスプレイパネルデータから取得されます。

さまざまなケースの結果を図 7 に示します。すべてのシミュレーション結果は、基板上のすべてのピクセルが印刷を完了しているという制約を満たすことが保証されているため、目的関数 \(Z\) が表示結果として選択されます。理解を容易にするために、図では \(Z\) の意味をパス数で表しています。さまざまなプリントヘッドに対するモデルの高い適応性を検証するために、FUJIFILM Dimatix QS-256 プリントヘッド (256 ノズル、100 DPI)、FUJIFILM Dimatix SG-1024 プリントヘッド (1024 ノズル、 400 DPI）および FUJIFILM Dimatix Samba-G3L プリントヘッド（2048 ノズル、1200 DPI）。さまざまな基板サイズ、ピクセル密度、プリントヘッド上の異常ノズルの割合など、さまざまな条件下での印刷にさまざまなタイプのプリントヘッドを使用することで、SCPP モデルはさまざまな作業条件に適応し、ディスプレイのピクセル印刷を完了できます。

印刷パス数に関するさまざまなパラメーターのシミュレーション結果。 (a) 基板サイズの影響（72 PPI 基板の場合）。 (b) 印刷ピクセル密度の影響。 (c) 異常なノズル比率のプリントヘッドへの影響 (72 PPI 基板の場合)。

SCPP モデルに対する印刷パラメータの影響を数値的に調査します。図 7a に示すように、通常、基板サイズが大きくなるほど、印刷時間は長くなります。プリントヘッド上の少数のノズルのみがピクセルの誤差範囲に位置合わせできるため、低 DPI プリントヘッドのパス数は高 DPI プリントヘッドのパス数よりも大幅に多くなります。 7 パスの結果、高 DPI プリントヘッド。たとえば、両方の印刷が 7 パスする場合、高 DPI ノズルで印刷される基板サイズは、低 PPI ノズルで印刷されるサイズの 3 倍を超えます。ただし、プリントヘッドの DPI は高ければ高いほど良いというわけではありません。高 PPI プリントヘッドの場合、印刷対象物のサイズが 200 mm を超える場合、SG-1024 などのより広い印刷幅を備えたプリントヘッドは、高 DPI ではあるが印刷幅が狭いプリントヘッドよりも速くディスプレイピクセルの印刷を完了できます。 Samba-G3Lとして。図 7b に示すように、PPI が 200 未満の素材に印刷する場合、さまざまな高 DPI プリントヘッドでも同様の印刷時間がかかります。ただし、PPI が高い素材に印刷する場合は、DPI が高いプリントヘッドの方がより短い時間で印刷を完了できます。図7cに示すように、結果は、さまざまなプリントヘッドが許容可能な時間内で基板の印刷を完了できる異常ノズルの割合のパラメータ空間を示します。 DPI が低いプリントヘッドは、印刷に参加できるプリントヘッドのノズルが少ないため、異常ノズルの割合の変化に敏感です。異常ノズルの割合が25%を超える場合は、異常ノズルがない場合に比べて印刷時間が2倍かかるため、QS-256 プリントヘッドの交換またはメンテナンスをお勧めします。 SG-1024 や Samba-G3L などの高 PPI プリントヘッドの場合、比率が 5% 未満の場合、印刷時間は影響を受けません。この割合が 35% を超えると、印刷時間が大幅に増加し、プリントヘッドは交換またはメンテナンスを提案します。

数値結果は、さまざまな種類のノズル、さまざまな PPI 基板、およびプリントヘッド上の異常なノズルのさまざまな割合に対する SCPP モデルの適応性を検証します。さらに、SCPP モデルを使用して印刷条件の印刷結果をシミュレーションできること、およびシステムが適切なノズルタイプを選択し、基材のタイプに応じて異常なノズルスクリーニング境界を決定できることも示しています。

すべての実験は MATLAB 2019b でプログラムされ、パーソナルコンピューター (CPU: Intel Core i7-9750H 2.6 GHz、RAM: 16 GB、OS: Windows 10) で実行されました。

提案した方法の実際の印刷効果と適用パフォーマンスを評価するために、表示ピクセルノズルアレイインクジェット印刷システムとSCPPモデルを使用した自社開発の印刷装置を設計および構築しました。図 8 に示すように、印刷装置は 3 つのプリントヘッドモジュール、多軸モーションモジュール、複数の外観検査モジュール、グローブボックス、および印刷を支援するその他のアクセサリで構成されています。図 8a に示すように、インクジェットプリンタは印刷プロセスを完了するために使用される主要なデバイスであり、後続のプロセスを完了するために使用されるグローブボックスやその他の機器などのサポートコンポーネントが装備されています。図8bに示すように、ディスプレイピクセル印刷プロセスにおける関連する液滴量と吐出周波数の要件に従って、100 DPIの256個のノズルと4〜12 plの液滴量で構成されるFUJIFILM Dimatix QS-256プリントヘッドが使用されます。、が選ばれました。液滴測定モジュールには2台の液滴監視カメラが含まれており、高い測定精度が達成されました。特に、液滴測定システムの最大体積測定偏差は 3% であり、これは同じタイプの他の液滴測定システムよりも正確です。図 8c に示すように、下向きカメラはプリントヘッドモジュールの隣に設置され、上向きカメラは X 軸の近くに設置されました。図8dに示すように、X軸とY軸の運動システムはリニアモーターを使用してさまざまなモジュールと基板の水平直線運動を実現し、θ軸は基板搬送プラットフォームを回転させて基板のずれを補正するために使用されました。基板の配置角度。 AOI カメラは、印刷結果のスキャンと検査のために Y 軸に沿って独立して移動できます。ディスプレイピクセル印刷システムは、印刷速度範囲 0 ～ 450 mm/s、最大基板サイズ 200 × 200 mm、最大液滴吐出周波数 50 kHz を実現できます。したがって、さまざまなピクセルパターン要件や工業グレードの印刷製造条件に適応できます。

プリントディスプレイの量産用インクジェット印刷システム。 (a) グローブボックスと補助装置を備えたシステム。 (b) プリントヘッドモジュールと液滴測定カメラ。 (c) 下向きカメラと上向きカメラ。 (d) AOI カメラとモーションモジュール。

印刷プロセスの信頼性を確保するため、印刷装置はインク供給システムの設計、プリントヘッド波形の最適化、印刷ギャップのメンテナンス動作を通じて印刷システムの安定性を向上させます。これらの設計と動作により、装置は長期間正常な動作状態を維持することができます。 AOI カメラが印刷結果に欠陥を検出しない場合、装置は同じ素材を印刷しながら、定期的にプリントヘッドの検出と印刷計画を実行できます。 AOI カメラが印刷結果の欠陥を検出すると、印刷システムは欠陥の位置に応じて印刷計画によって作成されたマッピングを通じて特定の異常なノズル位置を追跡できます。正常なノズルの現在の割合に基づいて、システムは印刷を一時停止して異常なノズルを閉じて印刷計画を再実行するか、異常なノズルのスクリーニングのために印刷を停止するかを自動的に選択できます。

液滴の付着精度は、ディスプレイのピクセル印刷システムの重要な指標です。ピクセルサイズは基板によって決まるため、式(1)のようになります。 (4) は、液滴の付着精度が小さい場合、ピクセルの誤差限界が大きくなり、より多くのノズルがピクセルと位置合わせして印刷に参加できることを示しています。したがって、提案されたディスプレイピクセル印刷システムの液滴付着精度をテストするために実験が設計されました。インクは、疎水性処理が施された非ピクセル酸化インジウムスズ (ITO) ガラス基板上に印刷されました。印刷パターンは６×６のインク滴の長方形配列であり、ドット間のピッチは１００μｍであり、印刷速度は１００ｍｍ／秒であった。提案された印刷システムと計画モデルに従って、多段階の目視検査と異常なノズルのスクリーニング後に液滴付着精度実験が実行されました。図9aに示すように、液滴の位置は下向きカメラで検査され、液滴の座標が理論上の位置と比較されました。統計結果を図９ｂに示す。 X方向の打滴精度は±4.9μm以下、Y方向の打滴精度は±4.4μm以下です。これらの液滴付着精度は、200 PPI 未満のディスプレイの印刷要件を満たすことができます。したがって、このシステムは、市場にあるほとんどの TV およびディスプレイ画面のピクセル密度要件を満たすことができます。携帯電話のパネルなど、パネルのピクセル密度が 200 PPI を超える場合、ピクセルサイズは 30 μm より小さくなる場合があります。この場合、打滴精度±5μmでは印刷プロセスの安定性を確保するのに十分ではありません。

液滴の付着精度。 (a) 打滴位置。 (b) X方向とY方向の打滴精度。

提案されたインクジェット印刷システムと SCPP モデルのパフォーマンスを検証するために、SCPP モデルを使用した場合と使用しない場合の比較デバイス印刷実験がテストされました。比較印刷実験の印刷パラメータを表 3 に示します。多段階の目視検査により、プリントヘッドに 12 個の異常ノズルが見つかりました。結果を図 10 に示します。図 10a と図 10b は、従来の印刷方法による印刷と照明の結果を示しています。図１０ａでは、印刷ピクセルの欠落や印刷基板上のピクセルの外側に付着した液滴など、多数の印刷欠陥が見られる。これらの欠陥は、図10bに示すように、パネルが点灯した後にムラ欠陥を引き起こします。欠陥の原因は、印刷プロセスに含まれる異常なノズルがあることです。例えば、ノズルから吐出される液滴の軌道が傾くと、液滴が誤った位置に着弾し、画素内に液滴を着弾できなくなる。比較として、図 10c と d に、同じ印刷条件下での SCPP による印刷と照明の結果を示します。異常ノズルのシールドと印刷モデルの設計により、印刷欠陥やムラ欠陥は検出されません。上記の比較実験は、提案された印刷計画モデルとシステムが印刷欠陥を減らす上で有効であることを示しています。

従来の印刷法とSCPP法によるパネルの印刷と照明の結果。 (a) 従来の印刷方法に起因する印刷欠陥。 (b) 従来の印刷方法に起因する照明欠陥。 (c) SCPP 方式による欠陥のない印刷結果。 (d) SCPP 法による欠陥のない照明。

異なる PPI 基板を印刷するための提案されたシステムの適応性を検証するために、SCPP モデルを備えた提案されたジェット印刷システムを使用して、異なるピクセルパターンを持つ ITO 基板上で実験が実行されました。基材と印刷プロセスのパラメータを表 4 に示します。印刷結果を図 11 に示します。図 11a ～図 11c は、下向きカメラで記録された 80 PPI、135 PPI、および 200 PPI パネルの印刷結果を示しています。それぞれ。結果は、提案された印刷システムおよび計画モデルを使用して印刷された 400 cm2 OLED デバイスの HIL 層が印刷欠陥を示さないことを示しています。印刷パス数は 50、80、90 で、最大印刷時間は 240 秒を超えず、ディスプレイ印刷プロセスの時間要件を満たしています。これらの発見は、提案された方法のさまざまな種類のピクセル基板への高い適応性を証明します。

異なるピクセル密度のパネルの印刷結果。 (a) 85 PPI。 (b) 144 PPI。 (c) 200 PPI。

図 12 は、提案されたシステムとモデルを使用した印刷デバイスの照明効果を示しています。印刷されたデバイスには欠陥は見られず、図 12a に示すように、ピクセルはインクで均一に満たされています。照明結果を図 12b と図 12c に示します。このデバイスは、顕著なピクセル損傷を与えることなく、均一に光を発しました。図 12d ～ f は、電流密度 - 電圧 (J-V) 曲線、電流効率 - 電流密度 (CE-J) 曲線、およびエレクトロルミネッセンススペクトル (EL スペクトル) を含む印刷デバイスの特性を示しています。デバイスの電流効率は、4.2 V の電圧下で 127 cd/A を達成できます。波長のピークは 526 nm です。印刷されたデバイスの特性評価は、ディスプレイの品質要件を満たしていました。この結果により、提案した印刷システムと印刷計画モデルの適用効果がさらに検証されました。

400 cm2、85 PPI OLED パネルの印刷と照明の結果。 (a) 結果の印刷。 (b) 照明の結果。 (c) 5 倍の顕微鏡下で照明されたピクセル。 (d) 印刷されたデバイスの J-V 曲線。 (e) 印刷されたデバイスの CE-J 曲線。 (f) 印刷されたデバイスの EL スペクトル。

この論文では、SCPP モデルに基づいた適応性の高い表示ピクセルノズルアレイインクジェット印刷システムを提案します。このシステムと計画モデルは、異常なノズル吐出の問題を克服し、プリントディスプレイの工業生産に適用される印刷技術の適応性と拡張性を向上させることができます。まず、多段階の視覚検査と閉ループフィードバックプロセスに基づく表示ピクセルノズルアレイインクジェット印刷システムは、印刷前から印刷後までの全プロセス中に液滴の状態を監視してフィードバックを提供し、異常なノズルの位置を正確に特定するように設計されています。次に、SCPP モデルを提案します。このモデルは、異常なノズル位置、印刷パターン、およびあらゆる種類のノズル状態の印刷計画に適用できます。このモデルは、異常なノズルスクリーニングの結果と印刷パターンを、マルチパス印刷パスとノズル射出動作の入出力として使用します。これらの計画結果に基づいて、このシステムは、ノズル配列プリントヘッドを使用することにより、高精度、高適応性、高効率の表示ピクセル印刷を実現できます。さらに、提案されたシステムとモデルに従ってディスプレイピクセル印刷装置が確立され、その装置で一連の実験が行われます。実験結果は、提案されたディスプレイピクセル印刷システムと印刷計画モデルが±5μm以下の液滴付着精度を達成できることを示しています。この装置を使用すると、さまざまなピクセル密度の基板の印刷と、400 cm2、85 PPI OLED デバイスの印刷と照明が実現します。印刷および照明の結果は満足のいくものであり、このシステムはディスプレイ印刷および製造業界の現在のアプリケーション要件を満たすことができます。この技術は適応性と拡張性が高く、プリントヘッドの数を増やすことで、大面積の印刷ディスプレイパネルの工業グレードの印刷製造に使用できます。この技術は、プリンテッドエレクトロニクス製造の他の分野にも応用できます。

OLED HIL、HTL、および EML インク材料は DuPont 社から購入されました。

NEJ-PR200 印刷装置は、Wuhan National Innovation Technology Optoelectronics Equipment Company が自社開発および製造したものです。印刷には、FUJIFILM Dimatix 社の QS256 プリントヘッドが選択されています。この印刷装置は、高精度の視覚的位置決め、正確な立体視ベースの飛沫測定、プロセスパラメータの適応制御、およびオンライン AOI 欠陥自動監視を実現できます。これらの機能により、提案した印刷システムの構築とSCPPモデルの運用が実現した。

ＯＬＥＤ印刷デバイスの輝度およびスペクトルデータは、５軸光学測定装置（ＣＳ２０００、コニカミノルタ）を使用して測定した。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、広東省主要地域研究開発プログラム (2019B010924005)、中国国家自然科学財団 (51975236)、および中国国家重点研究開発プログラム (2018YFA0703203) によって財政的に支援されています。

華中科学技術大学機械科学工学部デジタル製造機器および技術国家重点実験室、武漢、430074、中華人民共和国

Yixin Wang、Jiankui Chen、Zhouping ying、Yiqun Li

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著者全員が研究の構想と設計に貢献しました。資料の準備、データ収集、分析は YW、JC、ZY、YL によって行われました。原稿の初稿は YW によって書かれ、すべての著者が原稿の以前のバージョンにコメントしました。著者全員が最終原稿を読んで承認しました。

陳建奎への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Wang, Y.、Chen, J.、Yin, Z. 他プリントディスプレイ製造向けの印刷計画モデルを網羅したセットに基づく適応性の高いノズルアレイ印刷システム。 Sci Rep 13、156 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-24135-3

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受信日: 2022 年 7 月 17 日

受理日: 2022 年 11 月 10 日

公開日: 2023 年 1 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24135-3

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