溶液性質與噴墨設備對衛星液滴的改善之影響

國

立

交

通

大

學

機械工程研究所

碩士論文

溶液性質與噴墨設備對

衛星液滴的改善之影響

The effects of the solution properties and ink-jet printing

apparatus on the improvement of the satellite droplet

研 究 生：李悅慈

指導教授：陳仁浩 教授

溶液性質與噴墨設備對衛星液滴的改善之影響

The effects of the solution properties and ink-jet printing

apparatus on the improvement of the satellite droplet

研 究 生：李悅慈 Student：Yueh-Tzu Lee

指導教授：陳仁浩 Advisor：Ren-Haw Chen

國 立 交 通 大 學 機 械 工 程 學 系

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

溶液性質與噴墨設備對衛星液滴之影響

研究生：李悅慈 指導教授：陳仁浩 教授 國立交通大學機械工程學系

摘要

在現今工業製造技術越來越趨向自動化、微小化、減少成本、降 低環境污染的趨勢下，噴墨列印技術佔有很大的優勢，所以對於現有 工業製造的程序，成為很重要且極具吸引力的代替技術。噴墨技術製 品品質的好壞可由本身材料與機器的精密度來決定，本研究藉由改良 噴墨設備以減少衛星液滴的產生。 本研究實驗上所採取的噴墨頭其驅動方式為擠壓收縮管型，利用 這個原理將墨滴噴出，之後在噴墨頭下方裝上一對擷取系統，當墨滴 滴下時，電磁閥隨即驅動，利用擷取衛星液滴的方法，即可減少原本 產生的零星液滴。 研究中我們使用高階數位攝影機來觀察液滴滴下的情形，並且讓 控制系統來監控且連結噴墨系統與擷取系統。研究結果顯示，黏度小 衛星液滴產生的數量越多﹔當改變驅動參數可以控制使黏度較高的 溶液只產生主液滴，但是對於黏度太小的溶液，還是無法藉驅動參數 之改變以避免衛星液滴顯示，此時，必須適當的擷取系統來隔絕衛星

The Simulation of Temperature and Stress on the Micro

Hot-Embossing Process

Student：Hsu-Chang Hsu Advisor：Dr. Ren-Haw Chen

Institute of Mechanical Engineering National Chiao Tung University

Abstract

Industrial manufacturing technology is tending towards automation, miniaturization, low cost and reduced environmental pollution these days. Inkjet printing offers several advantages over manufacturing technology, and thus has become a very important and attractive replacement technology. Product quality for inkjet printing can be determined by the materials themselves and instrument accuracy.

This thesis aims to reduce the satellite drop by improving the apparatus of the bend-mode inkjet printing experiment. The experiment conducted in this study used the piezoelectric principle to crimp the drop. Then, The cut-off system was then designed and placed beneath the inkjet printing

cut-off system can be used to cut off satellite drop. Experimental results show that the instrument designed in this study can successfully cut off satellite drop, thus significantly improving the quality of inkjet printing.

致謝

兩年的研究生活首先要感謝指導教授陳仁浩老師在這兩年來的 諄諄教誨，在研究方面對於學生許多不懂的事物提供許多建議與指 導，使得學生對於實驗方面得以順利完成，更重要的是體認到對於如 何解決一件事物該有的態度與看事情的方法，在此由衷的感謝指導教 授耐心的指教與講解。 在實驗方面感謝交大機械研究所林振德實驗室商借高階數位攝 影機以及李偉明學弟不辭辛勞的協助拍攝，感謝工研院的鄒淑貞技術 員對於使用表面張力儀以及溶液配置上面提供許多寶貴的意見，感謝 機械工廠的師傅對於儀器給予許多的幫助以及盧名初學長在儀器上 面的幫忙，因為有了這些，本實驗才得以完成。 感謝實驗室裡的所有成員，特別感謝劉安誠學長在實驗上提供許 多方向上的建議與改進，針對儀器設計上許多不懂的地方，給予指導 以及寶貴的意見經驗，對於實驗遇到頻頸，針對問題給予正確的方 向，使得問題得以解決。也感謝實驗室的每個成員，振家、春貴同學， 以及亞平、子敬、正剛、智翔學弟，謝謝他們陪伴我渡過研究所的二 年，希望你們都可以順利的達成自己的目標。 最後還要謝謝交大材料所郭正次實驗室的學長姊以及崇獻學 長、陳盈君與林宜學同學，雖然各自在不同的領域，但是卻不忘給予 彼此關心問候，在偶有低潮之時總能從你們獲得情緒上的抒發，鼓起 勇氣在出發。感謝我的朋友們，縱然大家都朝著不同的方向努力，但

目錄

摘要... I Abstract ...II 致謝... IV 目錄...V 表目錄... VII 圖目錄...VIII 第一章 序論...1 1.1 研究背景...1 1.2 文獻回顧...2 1.3 研究動機...3 1.4 研究方法...3 第二章 實驗原理與噴墨現象 ...9 2.1 噴墨技術種類...9 2.1.1 連續型噴墨...9 2.1.2 控制產生型噴墨...10 2.2 噴墨現象...12 2.2.1 液滴生成...12 2.2.2 主液滴分離...12 2.2.3 衛星液滴的生成...12 第三章 實驗儀器與步驟 ...21 3.1 噴頭及噴液選擇...21 3.1.1 噴頭...21 3.1.2 墨水...21 3.2 實驗儀器製備...25 3.3 實驗步驟...26 第四章 結果與討論 ...40

4.1.1 噴頭尺寸對噴墨特性之影響...40 4.1.2 墨水黏度對噴墨特性的影響...40 4.1.3 表面張力對噴墨特性的影響...41 4.2 擷取液滴...42 第五章 結論與建議 ...54 5.1 結論...54 5.2 未來展望...55 參考文獻...56

表目錄

表一 實驗用噴頭之規格 ...21 表二 實驗墨水材料之特性 ...23 表三 旋轉塗佈法與噴墨製程之比較 ...27

圖目錄

圖 1-1 dripping...5 圖 1-2 jetting ...5 圖 1-3 no break up ...6 圖 1-4 產生一個液滴 ...6 圖 1-5 產生衛星液滴 ...7 圖 1-6 連續產生多個液滴 ...7 圖 1-7 離心技術設備 ...7 圖 1-8 離心技術所產生三種不同形式液滴...8 圖 2-1 噴墨技術的分類 ...13 圖 2-2 雙向偏移噴墨系統 ...14 圖 2-3 多向偏移噴墨系統 ...14 圖 2-4 頂部熱氣泡噴墨技術 ...15 圖 2-5 側邊熱氣泡噴墨技術 ...15 圖 2-6 彎曲型壓電陶瓷噴墨技術 ...16 圖 2-7 推擠型壓電陶瓷噴墨技術 ...16 圖 2-8 剪切型壓電陶瓷噴墨技術 ...17 圖 2-9 液滴生成圖 ...18 圖 2-10 液滴生成圖(c)(d) ...19 圖 2-11 液滴生成圖(e)(f)...20 圖 3-1 噴頭的剖面圖 ...27

圖 3-9 儀器設計圖(C)...32 圖 3-10 儀器設計圖(D)...32 圖 3-11 儀器設計圖(E) ...33 圖 3-12 儀器設計圖(F) ...33 圖 3-13 儀器設計圖(G)...34 圖 3-14 儀器設計圖(H)...34 圖 3-15 儀器設計圖(H)...35 圖 3-16 儀器實物圖 ...36 圖 3-17 儀器示意圖 ...36 圖 3-18 擠壓噴管近照圖 ...37 圖 3-19 改善擠壓噴頭之形狀 ...37 圖 3-20 加裝擷取系統後的儀器 ...38 圖 3-21 電路示意圖 ...38 圖 3-22 Omron HC5X-A ...39 圖 3-23 X-Stream XS-4 ...39 圖 4-1 溶液 D 噴頭一 ...44 圖 4-2 溶液 D 噴頭二 ...44 圖 4-3 溶液 D 噴頭三 ...45 圖 4-4 溶液 D 噴頭四 ...45 圖 4-5 溶液 D 噴頭二噴出主液滴 ...46 圖 4-6 溶液 D 噴頭三噴出主液滴 ...46 圖 4-7 溶液 D 噴頭四噴出主液滴 ...47 圖 4-8 溶液 C 噴頭一相同驅動參數 ...47 圖 4-9 溶液 B 噴頭一相同驅動參數 ...48 圖 4-10 溶液 A 噴頭一相同驅動參數 ...48 圖 4-11 溶液 C 噴頭一噴出主液滴 ...49 圖 4-12 溶液 B 噴頭一噴出一個主液滴一個衛星液滴 ...49

圖 4-15 溶液 F 噴頭一相同參數...51

圖 4-16 溶液 G 噴頭一相同參數 ...51

圖 4-17 擷取裝置在頂端 ...52

圖 4-18 溶液 A 擷取液滴之後 ...52

第一章 序論

1.1 研究背景

噴墨在製程上面有很多的好處，例如降低成本、減少列印的噪 音、而且是一個更簡單、更輕的、更便宜的噴墨儀器[1]，所以被用 來使用在工業方面的許多用途，例如：有機發光二極體(Organic Light Emitting Diodes ;OLED)[2，3]、高分子發光二極體(Polymer Light Emitting Diodes ;PLED)[4，5]、高分子電子設備[6，7]，[8]、奈米探 管的催化劑[9]、DNA 的分析[10，11]和其他生物分子[12]以及其他應 用等等[13，14]。 噴墨製程現今最常被應用在製作平面顯示器，尤其最是 PLED 上。雖然 PLED 也可以使用傳統的旋轉塗佈的方法來製作，但是這只 限於單一顏色的製作，我們若使用噴墨列印的技術可以直接將紅 (R)、藍(B)、綠(G)噴在我們所需要的地方上，且製程上，噴墨列印的 技術比傳統的旋轉塗佈更為方便且經濟[15，16]。 目前在印刷電路板上製作配線的過程極為複雜，需要經過微影蝕 刻製程[17]，最後才會在基板上出現我們想要的配線，且目前的微影 技術已經到達線寬的極限，無法再提高。但若使用噴墨列印技術來噴 金屬粒子將可以克服這個問題，而且不需要使用微影製程和蝕刻製程 就可以形成配線的圖案，這樣即可以簡化製程的步驟。若使用之前傳 統的技術來製作配線，當配線的形狀改變時則我們也必須改變微影製 程所使用的光罩，這樣不止會增加光罩製作的時間和成本，連印刷電 路板的種類或是生產線都必須要改變。相對之下，使用噴墨列印技 術，不需做生產線的改變和元件的準備，只要將 CAD 資料輸入噴墨 列印裝置，就可以達到改變配線圖案的目的[18]。 由以上的敘述可以知道噴墨製程具有自動化程度高、材料利用率 高、製程步驟減少、成本降低及降低對環境的傷害等優點，且噴墨列 印為非接觸式，更適合應用在非平面的基材。此外，若是要製作三維

1.2 文獻回顧 對於噴墨液滴的理論與實驗研究上，最早是在 1878 年，Lord Rayleigh 在實驗上使用一個初始為靜止狀態的圓柱非黏滯性液體，給 予施加週期性的微擾振動，圓柱液滴受到這微擾以及表面張力的作用 下，變成許多微小液滴，而之後 Lord Rayleigh 便應用這個結果使噴 嘴口噴出液滴[20]。Bruce(1976)在實驗方面以水或者其他高分子溶液 來進行噴墨的實驗，探討不同溶液對於液滴的速度、分離長度與穩定 性的影響，實驗結果發現高分子溶液的穩定性比較差，並且與高分子 溶液的濃度成反比 [21]。 Pimbley 和 Lee(1977)利用實驗和理論來探討噴出的液滴所產生 的衛星液滴的形成和噴墨的行為，在不同的實驗數據、條件操作之 下，由閃頻觀測器(strobescope)去觀察量測衛星液滴斷裂的距離，並 且可以發現，當波長為 5 到 6.5 倍噴口直徑大小時，可以減少衛星液 滴的形成 [22]。 Osman(2002)藉由細微觀察發現一開始液滴的形成，可以分成三 個部分，分別為 dripping，一次只有產生一次的液滴，如圖 1-1;jetting， 產生連續的液滴，如圖 1-2 和 no break，沒有液滴產生，如圖 1-3。而 如果是形成一顆一顆液滴的話，又可分成三個不同的行為，分別為 (a)Main drop 如圖 1-4、(b)Main drop and satellite drop 如圖 1-5、(c) drops 如圖 1-6，而會影響這些行為的參數為 Reynolds number、capillary number 和 gravitational Bond number，而這些也都可以用數值計算去 證明出來[23]。

行為[26]，[27]，[28]，並且 Wilkes 和 Ambravaneswaran 也使用有限 元素法去分析液滴形成與之後破裂的情形[29]，[30]，實驗發現因為 加入高分子所以導致液體黏度變黏，所以驅動的電壓也要比較大，並 且液滴會先斷裂之後再形成主液滴，高分子的含量越多，主液滴的速 度越慢[31]。 Stefan Haeberle 等人開發了一個新的離心技術方法，如圖 1-7， 可以再油質裡連續的產生一連串的液滴，藉由改變結構的幾何形狀、 轉速、流體的特性可以影響其所流出的是單一分散的乳狀液或分割 流、液滴的尺寸和所製造出來液滴的頻率，這裡做了三種不同的結 構，可分成(a)isolated droplets、(b)squeezed droplets(c)segmented flow， 如圖 1-8，這三種形式，最重要的就是可以得到連續流出的液滴，而 且這裡也證實兩相流的可能性 [32] 。 1.3 研究動機 現今無論在圖像列印、微機電製程、光學組件、平面顯示器等各 方面應用的需求，由於噴墨製程具有許多優點和很大的發展性，將可 能成為這些應用的新一代技術的關鍵，因此更加的改善噴墨的品質， 以建構出完整的噴墨製程技術乃是相當重要的。而會影響噴墨的品質 的因數有許多，包括了噴印速度、墨水品質、墨水大小、噴墨控制和 衛星液滴的多寡等，其中衛星液滴佔了很重要的一部份，因此本研究 特別針對衛星液滴的產生以及防止對策來進行探討。 1.4 研究方法 本研究擬發展一種瞬間擷取液滴的方法，其目的是要減少形成衛 星液滴。此方法是利用電磁閥特殊的電學-機械特性，給予一偏電壓， 則電磁閥會形成一瞬間的力，而噴管的另一面使用平板擋住，使得電 磁閥擠壓噴管，即可產生液滴。液滴的產生可由電磁閥擠壓的體積與

得衛星液滴減少。研究終將設計、架構一個噴墨實驗裝置，包括噴墨 頭單元、噴液擷取單元、液滴行為觀察單元等。藉由精確的噴液觀察， 以適當的調節噴液擷取單元的設計與動作，期能消除衛星液滴之形 成。

圖 1-1 dripping

圖 1-3 no break up

圖 1-5 產生衛星液滴

圖 1-6 連續產生多個液滴

第二章 實驗原理與噴墨現象

2.1 噴墨技術種類 噴墨技術的分類如圖 2-1 所示，基本上可分為兩大類 : (1)連續產 生型(continuous)， (2)控制產生型(drop-on-demand)。如同字面上所 示，連續產生型是以 50K~100KHz 的高頻率驅動，而墨滴則以每秒五 萬到十萬個的速度不斷地從噴嘴噴出，就好像澆花的水管只有將水龍 頭關掉，否則墨水會不斷的從噴嘴中流出，所以需要使用墨水回收盒 回收墨水。而控制產生型則是當需要噴墨的時候利用壓力脈衝噴出墨 滴。 2.1.1 連續型噴墨 連續式主要適用在工業方面,例如標籤、車票紙箱等粗糙的表 面，以及金屬表面、塑膠表面上的文字或圖案之打印，它的優點是速 度快，物質表面的平滑度不是很重要，噴頭和物質之間有相當大的距 離，所以我們所需要印出來的材料厚度不受影響。缺點是解析度不 高，通常用在粗糙，不很注重解析度的物質表面。目前發展出雙向偏 移(Binary Deflection)和多向偏移(Multiple Deflection)兩種方法，都是 利用電壓產生偏斜的原理。 兩 向 偏 壓 如 圖 2-2 所 示 ， 墨 滴 不 斷 的 產 生 ， 然 後 通 過 電 極 （electrode）將之帶電或不帶電。帶電的墨滴受到偏壓板作用可直直 地朝紙張飛去，但是不帶電的墨滴則朝水漕(gutter)飛去。而水槽中的 墨水可以回收再被使用。而多向偏壓則是當墨滴通過電極帶電或不帶 電，帶電的墨滴飛經偏壓板，但有不同程度的偏壓，不再是有或沒有 偏壓兩種形式，因此偏壓方向則因偏壓大小而有不同的改變，然後朝 向紙張射出，而不帶電的墨滴則朝水槽飛去。如圖 2-3，同樣的墨水 可以回收再利用。

2.1.2 控制產生型噴墨 控制產生型和連續產生型相反，噴印速度慢，但解析度非常好， 噴頭跟被印物間的距離很短，所以被印材料的厚度就因此受到了限 制，而且被印材料的表面必須很光滑，不然噴印的效果將會大打折 扣。控制產生型噴墨又可依驅動方式的不同分為四種:(1) 熱氣泡式 (thermal)、(2)壓電式(piezoelectric)、(3)靜電式(electro-static)、(4) 音 波式 (acoustic)；目前市場上則以熱氣泡式、壓電式為主流，我們在 這裡分別介紹這兩種類型。 熱氣泡式，是利用加熱器瞬間將墨水燒開瞬間氣化形成氣泡，產 生高壓並推擠氣泡周邊的墨水向噴孔噴出，之後加熱器快速冷卻，讓 墨 滴 脫 離 飛 出 。 而 其 噴 頭 又 可 依 位 置 的 不 同 而 分 成 兩 種 形 式 ： [A]roof-shooter mode：噴嘴(orifice)的位置在加熱器之上如圖 2-4； [B]side-shooter mode: 加熱器位置在噴嘴的側邊，如圖 2-5。 壓電式是利用電壓驅動壓電陶瓷 (piezo-ceramic)元件使之變 形，擠壓液體，當瞬間的壓力大於噴墨的表面張力，墨水即向噴孔射 出，然後壓電陶瓷反方向的應力大於墨滴的內聚力，則導致液滴脫 離。因此根據壓電產生的不同變形的機構情形可分為[A]彎曲型(bend mode)，[B]推擠型(push mode)，[C]剪切型(shear mode)，[D]收縮管型 (squeeze tube mode) 等 。 而 整 個 機 構 包 含 了 壓 電 陶 瓷 片 (piezo-ceramic)、振膜(diaphragm)、壓力艙(pressure chamber)、入口管 道(inlet&manifold)及噴嘴(orifice)等。以下介紹四種形式的壓電噴墨系

推擠型如圖 2-7，桿狀(rod)壓電陶瓷元件向噴嘴方向變形，由底 部(foot)直接施力推擠，非常類似玩具水槍。此一方式可以降低墨滴 的衛星現象(satellite)以及噴出不同的大小墨滴量，因此可以調變出 20pl 與 10pl 的墨滴量。 剪切型不像前面所說的壓電陶瓷變形方向與噴嘴一致，由噴嘴正 後直接施力而得。而是變形方向與噴嘴成垂直，因此稱為“shear＂， 其缺點是比較佔空間，解析度為一半，參考圖 2-8。 我們若拿壓電式和熱氣泡式來做比較，則壓電式有下列優點：(1) 反應速度快，可以提升列印速度，熱氣泡式則因為熱傳導所以速度比 較慢；(2)可以控制液滴的大小，提升列印品質；(3) 不會因為高溫氣 化而產生化學變化，影響液滴本質；(4)因為沒有反覆的高熱應力， 所以具有耐久性；而它的缺點：(1)因為壓電陶瓷佔空間，比熱氣泡 式面積大；(2)因為沒有熱的效應所以比較容易阻塞噴頭；(3)壓電式 的驅動與熱氣泡的比起來較為複雜[33]。

2.2 噴墨現象 2.2.1 液滴生成 當噴嘴處的液滴因為擠壓或者使用其他方法使得液滴噴出時，液 滴會先在噴嘴處形成一個突起的半圓形液滴，如圖 2-9(a)所示，之後 因為受到表面張力的影響，會在前端凝聚成球型，即形成如圖 2-9(b) 的圖形，而這段過程我們稱之 ”液滴生成”(drop formation)。 2.2.2 主液滴分離 當液滴噴出經過一段時間之後，圓柱狀的液滴最前面與液滴在噴 頭快結束的那一端的速度不同，所以導致圓柱狀的液滴會被拉開，在 圓柱狀液體被拉申的過程中，圓柱狀液體的尾端會變的狹窄，一直到 如絲狀的液滴在噴頭的前端斷裂，如圖 2-10(c)，前端所形成的球狀 液 滴 稱 為 主 液 滴 (main droplet) ， 後 端 被 拉 長 的 稱 為 尾 液 滴 (tail droplet)。除了受到速度的影響之外，表面張力也是其中的一項主要 的因素，表面張力的影響使得液滴凝聚成球狀。當主液滴與尾液滴因 為速度的差異而使得整個液滴越拉越長時，液滴就有可能會斷裂成兩 個部分或者產生更多的液滴，如圖 2-10(d)所示。在這裡，液滴只有 斷裂成兩個部分，而這段過程稱為”主液滴分離”(droplet breaking)。 2.2.3 衛星液滴的生成 在液滴斷裂之後，前面的主液滴繼續以比較快的速度往前行進， 而斷裂的尾液滴則會慢慢的由長條形，如圖 2-11(e)，同樣的因為表

Ink Jet Technology

Continuous

_{Drop On-Demand}

Binary

Deflection

Hertz

Multipe

Deflection

Micro dot

Termal

_{Piezo-electric}

_{Electro-static}

Acoustic

Roof-shooter

Side-shooter

Squeeze

mode

Bend

mode

Shear mode

Push mode

圖 2-1 噴墨技術的分類

圖 2-4 頂部熱氣泡噴墨技術

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(d)

(c)

(d)

(e)

(f)

(e)

(f)

第三章 實驗儀器與步驟

3.1 噴頭及噴液選擇 3.1.1 噴頭 本研究所使用的噴頭是使用鎳合金(nickel alloy)做成的中空管， 規格如表一所示： 表一 實驗用噴頭之規格 噴頭一 噴頭二 噴頭三 噴頭四 長度 (mm) 10.0 10.0 10.0 10.0 內徑 (mm) 0.08±0.005 0.10±0.005 0.20±0.005 0.30±0.005 外徑 (mm) 2.50±0.005 2.50±0.005 2.50±0.005 2.50±0.005 這裡使用不同內徑大小的噴頭分別用以觀察噴出液滴所產生的 現象，而噴頭的形狀如圖 3-1。目前市面上應用的噴墨噴頭已經可以 做到 30~100μm 的噴口徑，所以我們這裡最後針對 80μm 的噴頭， 改變噴液參數來做探討，圖 3-1 為噴頭內部形狀。 3.1.2 墨水 現今噴墨列印技術在工業上最常使用的地方是在顯示器上，尤其 是 PLED，這是因為 PLED 具有下列優點：自發光視角廣達 165°以上、 反應時間快(~1μs)、高亮度(100-14000 cd/m2)、高流明效率(16-38 lm/W)、低操作電壓(3-9V DC)、面板厚度薄(2 mm)、可製作大尺寸與

且 OLED 是朝高單價、高附加價值及大量資訊的產品發展，而 PLED 是朝量大、單價低及小量資訊的產品發展並且與 OLED 相比其熱穩 定性質與機械性質較佳。在製程方面，PLED 驅動電壓較低；設備投 資方面，PLED 比 OLED 便宜，所以 PLED 對於工業界還有很大的發 展空間。

圖 3-2 是 PLED 的基本結構，其發光原理類似發光二極體，同樣 利用材料的特性，將電子傳輸層(Electron Transportation Layer，ETL)、 電洞傳輸層(Hole Transportation Layer，HTL)和發光材料(Emitting Material Layer，EML)結合。發光機制是施加電壓在導電共軛性高分 子(conjugated polymer)可使高分子材料發光。當陰極提供的電子與陽 極提供的電洞在高分子材料結合使材料由基態(ground state)提高到激 態(exciting state)，當材料能量由激態跳回基態時，將多餘的能量以光 波的形式釋出，因而達到不同波長發光元件的產生，如圖 3-3。我們 從陽極注入電洞，陰極注入電子然後在發光層再結合即可依材料的發 光特性發不同的光。一般為了增加電子與電洞的結合效率，會在陽極 材料上在增加一層電洞傳導層。 為了滿足高解析度全彩顯示的需求，PLED 發光色層精確定位的 成膜技術是 PLED 發展的關鍵，其中噴墨製程技術為 PLED 發展之最 重要者，提供一個新的解決方案。噴墨製程利用裝有不同顏色的高分 子發光材料，最普遍常見的就是紅綠藍(RGB)三種顏色，依序將各色 高分子精確定位於所設計好的位置(圖 3-4)，其技術的挑戰在於是否

光電池、反充式電池、半導體元件(FET、LEDs、Photoconductors、 Photovoltaic Cell..)、化學偵檢器、顯示器、太陽能電池、超導體上許 多方面上，所以本研究就選用此材料來做為我們所研究的對象。 本 研 究 所 選 用 的 導 電 高 分 子 的 材 料 是 PEDOT/PSS （Poly(2,3-dihydrothieno-1,4-dioxin)-poly(styrenesulfonate)），這是一 個很普遍使用在以上所有提到可應用的材料，在很多方面也有很廣泛 的研究，並且這是一個水溶性的化學用品，將其當作研究對象既方便 又實際，故我們在此研究中，選取 PEDOT/PSS 來當作我們研究的對 象。 在此研究當中，我們所調配的墨水黏度、表面張力、密度如下表 三： 表二 實驗墨水材料之特性 黏 度 (mPa-s) 表 面 張 力 (mN/m) 密度 (g/ml) A 3 72.28 0.9874 B 10 72.28 0.9876 C 15 72.28 0.9919 D 20 72.28 0.9949 E 20 45.57 0.9966 F 20 37.13 0.9952 G 20 30.20 0.9951 在這裡原本 PEDOT/PSS 的黏度是 77.33 mPa-s、表面張力 72.28 mN/m，實驗中使用 RO 水來調配所需黏度，並使用旋轉式黏度計(如 圖 3-5)來測量黏度，運用在旋轉過程中作用於液體切應力的大小來完 成測定並調整，即可得到所需黏度。

候，表面活性劑分子在水-空氣界面產生定向排列，親水基團會朝向 溶液而親油基團朝向空氣。當溶液較稀時，表面活性劑幾乎完全集中 在表面形成單分子層，溶液表面層的表面活性劑濃度會大大高於溶液 中的濃度，表面活性劑在溶液表面層聚集的現象稱為正吸附，正吸附 改變了溶液表面的性質，在最外層會呈現出碳氫鏈性質，而表現出較 低的表面張力，即可達到需求。 至於表面張力的測量是使用圖 3-6 的表面張力儀器來進行，當白 金片進入被測液體後，白金板周圍就會受到表面張力的作用，液體的 表面張力會將白金板盡量的往下拉，當液體表面張力與其他相關的力 與平衡力達到平衡時，感測白金板就會停止，此時，儀器裡的感測器 就會測得其深度，進而轉換成表面張力數據。

3.2 實驗儀器製備 此研究利用壓電陶瓷電能與機械能互換的特性，使得壓電陶瓷互 相擠壓軟管使得液滴噴出，而如今我們使用電磁閥來取代市面上一般 的壓電陶瓷，因為電磁閥是利用通電時，電磁線圈產生電磁力驅使物 件向前推進，這是一個瞬間的動作，與壓電陶瓷的效用相同，故我們 藉以取代，這裡我們選用的電磁閥可供給 98N 的力擠壓噴管使得液 滴噴出。 我們先設計一個機台，機台各個部分的設計圖如圖 3-7 到圖 3-15 所示，實物圖如圖 3-16，示意圖如圖 3-17，可以承載電磁閥，並且 在另一端可以固定噴管，使得噴管因受到擠壓而噴出液滴，如圖 3-18。原本一開始電磁閥前端擠壓噴管的地方是類似弧狀的，一開始 試驗時，發現擠壓出的液體過多，但是我們必須去控制出來的液滴只 有一滴或者兩滴，我們也有試過控制電磁閥的遠近但是還是無法改善 噴出液體過多的現象，所以我們另外設計擠壓的形狀與尺寸，如圖 3-19，經過這樣的測試後，可已經由控制電磁閥的遠近，不管噴頭與 噴液在何種的狀態下，發現可以擠壓出一滴或兩滴的液滴，所以我們 最終使用改善後的儀器設備來測試我們的實驗。 擷取系統與噴墨系統具有同樣的原理，使用電磁閥會瞬間前進的 原理，產生衛星液滴時使用兩個電磁閥互相驅動，即可攔截之後的衛 星液滴，所以必須設計製作機台可以放置兩個電磁閥，並且高度與前 後距離可以依實驗需求而改變，如圖 3-20。 此設備包括了噴墨系統、擷取液滴系統與影像擷取系統，使用圖 3-21 的電路示意圖，來結合噴墨系統與擷取液滴系統，其中利用數位 式的 Timer，如圖 3-22 來控制擠壓液滴的時間與擷取的時間，這樣即 可結合此兩個系統並且達到我們的需求。

而影像擷取系統所使用的 CCD(Charge Couple Device)，如圖 3-23，一秒鐘可以擷取到 5000 張的影像，放大倍率為一倍，在拍攝

成，便可觀察整個噴墨過程液滴滴下的情形。 3.3 實驗步驟 首先經由開關開啟後，電磁閥隨即因為電磁效應驅動作動軸擠壓 噴管，噴管經擠壓過後隨即產生液滴，記錄液滴產生以及破裂時間， 並且觀察液滴落下之情形，以進行實驗。當液滴已經無法由噴墨系統 去控制產生只有一顆液滴的情形下，此時，觀察噴墨狀態，取得最佳 擷取時間，設定時間參數並使用擷取系統驅使兩個電磁閥互相靠近以 擷取之後的衛星液滴，此時 CCD 會依照所設定之張數進行拍攝，即 可觀察實驗之過程以利於研究之探討。

圖 3-1 噴頭的剖面圖

表三 旋轉塗佈法與噴墨製程之比較

製程特性 Spin-Coating Ink-Jet Printing

圖案化能力 無，是整個基板表 面的塗佈 圖案化能力可至微米級 多 彩 顯 示 製 程 能 力 無多彩圖案化能力 相當理想的多彩圖案化製 程 大 面 積 元 件 製 程 能力 對於基板缺陷和微 粒相當敏感，不適 合大面積製程 對於基板缺陷不敏感，擁 有較佳的大面積元件製程 能力 材料利用率 浪 費 超 過 99 ％ 的 Polymer 溶液 僅有少於 2％的 Polymer 溶 液被浪費 顏色亮度均勻性 EL 光譜會隨區域改 變 每一畫素的 EL 光譜是一致 的 封裝及接線 在邊緣的膜須被移 除 不須移除的動作（少一步 驟）

圖 3-4 共軛高分子噴墨情形

圖 3-11 儀器設計圖(E)

(b)

圖 3-18 擠壓噴管近照圖

第四章 結果與討論

4.1 擷取液滴前 4.1.1 噴頭尺寸對噴墨特性之影響 本研究建構裝置可以使用不同電磁閥的推桿行程來控制噴出液 滴的多寡，所以先使用相同驅動參數，相同黏度μ＝20，表面張力σ ＝72.28 的溶液 D 去測試不同噴頭尺寸的噴液特性，以探討不同的噴 頭尺寸對液滴的產生有何相對關係。由圖 4-1 到圖 4-4 的實驗都是使 用同一種噴液，使用 0.08mm 口徑的噴頭，控制噴出的液滴只有主液 滴，作為一個基準，之後使用相同條件但是變更不同的噴頭尺寸來做 實驗。發現噴頭尺寸越大，噴出的液體越多，形狀如圓柱狀墨水的直 徑也越大。我們可從圖 4-2 觀察出噴液從產生液滴、液滴斷裂與產生 衛星液滴的過程與情形。 其後改變電磁閥的推桿行程，即改變驅動參數，最後發現不管何 種溶液都可以改善噴液現象，如圖 4-5 到圖 4-7，使得原本會產生衛 星液滴或者液滴過多的現象，調整到只產生一個主液滴，不會有衛星 液滴的產生，即達到最佳狀態。 4.1.2 墨水黏度對噴墨特性的影響 同樣地，以圖 4-1 為一個基準，作為一個參考值，使用溶液 A、 B、C 做為黏度不同的比較，使用相同噴頭，相同驅動參數去觀察不 同黏度會有何差別。如圖 4-8 到 4-10，我們可以發現黏度越小，尾液

除此之外，在實驗中也有使用黏度較大的溶液，如黏度 40 mPa-s 者來做實驗，但是結果發現因為黏度大，所需驅動的力量較大，若要 噴出一顆主液滴則需要很大的力，而實驗結果顯示，過大的力量導致 噴管受到壓迫破裂，所以此實驗裝置在過大黏度的液體上不敷使用。 4.1.3 表面張力對噴墨特性的影響 我們使用溶液 D、E、F、G 來觀察，相同地，以圖 4-1 溶液 D 產生主液滴為基準，使用相同的驅動參數去觀察不同表面張力的影 響。如圖 4-14 到 4-16，產生液滴的結果都可以直接產生一顆主液滴， 因為影響液滴成形的因素有很多，包括噴頭形狀、噴頭尺吋、黏度、 表面張力等等，而本研究裝置所設計的這些參數，恰好可以使我們所 設計的溶液達到只產生一顆主液滴的目的。

4.2 擷取液滴 由於前面所做的實驗顯示出只有溶液 A 與溶液 B 在噴頭一的情 形下，不論如何改變驅動參數都無法改善產生衛星液滴的情況，所以 必須使用擷取系統以擷取在主液滴之後的衛星液滴，以改善噴墨品 質。實驗時，首先改善驅動參數，控制電磁閥的推桿行程，使得溶液 A 與溶液 B 產生極少的衛星液滴，甚至除了主液滴外，只產生一顆衛 星液滴，之後使用 CCD 拍攝，即可觀察液滴落下之情形以及計算適 當的擷取時間。 在這過程當中，一開始原本的想法是直接在噴頭最開端使用擷取 系統攔截衛星液滴，但是最後所設計固定噴管的裝置，必須把噴頭固 定，使得噴頭不會因為壓力過大而跑出，以致我們無法從一開始就切 斷尾液滴，所以我們嘗試在噴液一噴出來的同時攔截衛星液滴。然而 實驗結果顯示，如圖 4-17(B)，可以看出有一個衛星液滴因為擷取速 度太慢所以導致衛星液滴落下，無法快速的擷取到。此乃因噴液現象 是一個瞬間的行為，一開始出來的速度非常快，而這裡所使用的計時 器的解析度不夠微細，同時電磁閥的致動速度也不夠快，所以此方法 要實行起來有一定的難度，必須改善擷取系統的解析度與速度。 經由實驗觀察，溶液 A 與溶液 B 所產生的衛星液滴最後都會與 主液滴分開一段距離，相對的速度較慢。我們嘗試著降低擷取裝置的 高度，此時經由先前的實驗可取得最佳擷取液滴的時間，即可擷取到 衛星液滴，以改善噴墨品質。 此實驗中，在擷取液滴時，我們設定驅動軸的時間參數為 0.001

要求。而溶液 B 也是與上面溶液 A 的步驟相同，經由實驗觀察出來 的結果，主液滴在 0.277 時會經過擷取裝置，設定好驅動軸與擷取裝 置的時間參數，經由實驗，驅動裝置即可達到我們的需求，其擷取過 程如圖 4-19。

圖 4-3 溶液 D 噴頭三

圖 4-7 溶液 D 噴頭四噴出主液滴

圖 4-11 溶液 C 噴頭一噴出主液滴

圖 4-15 溶液 F 噴頭一相同參數

第五章 結論與建議

5.1 結論 本研究設計、製作一個包括有液滴擷取機構的噴墨實驗裝置，初 步探討了噴嘴口徑，墨水黏度，表面張力等對衛星液滴形成的影響， 以及液滴擷取機構對攔截衛星液滴的有效性，其結果歸納如下： (1)在相同的驅動下，黏度越小，產生的尾液滴越長，相對而言， 產生的衛星液滴也越多，而黏度大的則相反，在這也可觀察到 產生液滴，液滴斷裂與產生衛星液滴之過程，在此，因為影響 液滴生成的因素很多，包括黏度，表面張力，噴孔尺寸等等， 而此研究中，使用不同表面張力所觀察的結果並沒有特別明 顯。 (2)藉由控制電磁閥的推桿行程，盡量使得每一種不同的溶液只產 生主液滴，而實驗結果顯示，只有溶液 A 與溶液 B 不管如何 調整電磁閥的推桿行程，都會有衛星液滴的產生，而其他溶液 皆可調整到只有主液滴的出現，此時，無法再藉由改變驅動參 數來控制液滴的產生，隨即使用設計的擷取裝置，藉由電壓驅 動使得一對電磁閥互相靠近，已得以擷取液滴，而實驗證明， 在主液滴經過擷取系統後，隨即驅動電壓，即可擷取到所不需 要的衛星液滴，以達到改善噴墨性質之目的，所以這項裝置確 實可以幫助我們改善衛星液滴產生之情形。

5.2 未來展望 本研究設計這項噴墨裝置是使用電磁閥在瞬間產生很大的力 量，擠壓噴管導致噴液噴擠出液滴，因為驅動為很大的力量，所以導 致液滴會因為震動而偏向一邊，雖然在這對於我們的實驗沒有太大的 影響，但是若要運用在工業或商業上，液滴必須要有很穩定的彈道， 才不至於導致液滴的偏移。 加裝擷取裝置後，經由實驗觀察可以發現，擷取裝置電磁閥驅動 的速度太慢，導致若沒有很精準抓到主液滴經過的時間，就會無法擷 取衛星液滴；再者，研究中所使用控制驅動計時器時間的範圍只可到 0.001 秒，經由 CCD 觀察，對於溶液 B 而言，很多主液滴與衛星液 滴之間的時間差的範圍介於 0.0004 到 0.0006 之間，若沒有控制得精 準，就會增加實驗失敗的機率。 期望以後能夠改善儀器震動的現象、擷取裝置的擷取速度以及控 制時間的精密度，則會使得這項裝置更為精確、穩定，更可以達到我 們的需求。

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