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摘要

噴墨印製技術已經被證明在寬幅圖形、個人桌上型文件以及照片印製市場上，具有

最佳的成本性能比。噴墨印製市場與大型FPD(平面顯示器)製造有著同樣的優勢。噴墨

設備作為PLED技術以及大型玻璃尺寸TFT-LCD生產設備，將顯示出可行可靠且低成本製

程的廣闊前景。目前噴墨設備商正在研發系統設計概念滿足PLED製造生產線中製程與設

備的要求，主要表現在以下方面：機械精確度更高、噴頭的線上監控系統、高精度的噴

墨性能、合理的生產能力、高度的可靠性及易於維護且不產生微粒。

本文將討論機器的設計進程、技術特徵及其在PLED製程中的應用。

關鍵詞：聚合物發光顯示(PLED) 噴墨印刷(inkjet printing)

呂p圳

一、前言

有機EL顯示器在人們看起來與液晶顯

示器(LCD)相比較似乎是沒有太大的差別，

雖然都是屬於顯示影像的裝置，但是其他

平面顯示器(FPD)也是擁有差不多一樣的外

觀。為什麼有機EL在次世代的平面顯示器

當中會如此受到人們的重視呢？然而液晶

顯示器(LCD)就沒有如有機EL顯示器般幸

運了。若從最簡單的基本特徵作比較的

話，有機EL顯示器是屬於自行發光，而液

晶顯示器(LCD)必須要靠背光板(back light)

來提供光源，因有機EL無須依靠背光板的

光源而是屬於自行發光顯示器，故視角

大，可說是畫質非常清晰的一種新型平面

顯示器。

有機電激發光顯示器(Organic Electro-

Luminescence Display , OELD , 或 Organic

EL Display)又稱之為有機發光二極體顯示

面板(Organic Light Emitting Diode , OLED)。

它是一種自發光性的(Emissive)元件、亦為

一種點陣列模式的顯示器(Dots Matrix Type

Display)、具有直流低電壓驅動之特性(一般

激光元件的功率消耗叫CRT、PDP、以及

TFT-LCD等為低的)、高亮度的、高效率

的、輕薄(Light Weight & Slim)、高對比性

(High Effective Contrast Ratio)，而且其發光

的色澤可由紅綠藍(RGB)三原色乃至於白色

之變化自由度高的，被喻為下一世代之新

型平面面板顯示器。此一元件是使用螢光

性有機化合物的，而與一般所使用的無機

化合物之發光元件是不大相同的；在有激

發光材料方面，大致尚可分為所謂低分子

量螢光色素和金屬錯何物之高分子和含有

色素的聚合物系列等兩大類型有機物質。

依此一技術以及其系統的特性，而可將有

機電激發光元件分為小分子元件(Molecule-

based Device)以及高分子元件(Polymer-base

Device)；小分子元件或者低分子元件乃是

由美國柯達伊士曼公司(Kodak- Easton)於

1987年首次的發表此一新型的發光元件，

而高分子元件則是由英國劍橋顯示器技術

公司(CDT)於1990年正式地對外發表的；有

機電激發光元件具備有發光二極體的整流

(Rectification)以及發光(Lighting)特性，小分

子或低分子材料的有機電激發光元件稱之

為OLED(Organic Light Emitting Device)，而

高分子材料的有機電激發光元件則稱之為

PLED(Polymer Light Emitting Device)。

PLED (聚合物發光顯示) 技術?TFT-

LCD的很多顯示應用提供了一個可替代的

方案，而且，由於亮度高、視角寬闊、反

應時間快以及耗電低，具有獨特的吸引

力。2002年SID在波斯頓，以及CDT, 飛利

浦(Philips)、 杜邦(Dupont)、 精工-愛普生

(Seiko-Epson)、 TM (Toshiba-Matsushita)

Display, 三星SDI(Samsung SDI) 和Delta等幾

家公司都在開發AM-PLED和 PM-PLED技

術，並且已經展示了PLED裝置。

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第二十二卷 第一期

斯坦福資源所做的OLED/PLED顯示尺

寸的市場預測顯示，2007年可望達到15億

美元，這證實了工業生產以及研究設備的

製程開發需求。為了使PLED技術在大規模

生產方面獲得成功，技術需求必須滿足兩

個條件。首先，需要開發並改善PLED材料

的壽命、效率以及?色協調性；其次，須合

乎使用低成本的製造技術的要求，如噴墨

技術。為了確立此PLED 基礎機構，美國

Litrex公司與英國CDT公司共同合作，提供

出了一個完整的噴墨技術方案。

自2001年起，為了進行POLED製造，

美國Litrex公司就開始著手與第二代噴墨設

備的設計製造有關的工作。包括那些正在

研究發展中的設備以及測試點生產線上使

用的設備，有50多台設備已經完成並使用

中。在這50台設備中，約有12台設備被用

在正進行的試驗中，該試驗試圖用噴墨技

術取代現有的LCD(液晶顯示器)製程。這些

LCD製程包括PI塗布、各層間材料以及彩

色濾光片。幾家油墨製造商已經開始開發

工業噴墨設備所用的專用油墨，從而對

FPD工業的這種需求做出回應。

Litrex開發專案的目標並不局限於以上

三種程序。對墨水液體處理及精確性的要

求，還需要將POLED、金屬佈線以及保護

性塗層技術結合使用。首台第七代機器已

在今年(2005年)4月完成並進行應用測試。

此設備系統的設計能力達到可以對2.5 x 2.5

公尺的玻璃進行加工。液滴位置的精確性

為15微米(3σ)，且生產線的單件產品生產

時間約為1分鐘，這須取決於產品的應用以

及顯示解析度。

在一台複雜的噴墨印刷機上大約存在

125個誤差源，其中一些來自基板特性，

能夠通過噴墨印刷機加以補償。噴墨

技術的主要優勢之一是可以用於很大的基

板；通過掩膜對準、熱膨脹以及厚度變化

可能補償一些誤差。另外的一個優勢在於

機器的“數位”本質，無需增加成本，可

以很容易地由一塊基板設計轉換到有重大

轉變的另一塊基板。

二、有關PLED的製程研發

高分子發光二極體之研究在英國劍橋

大學研究群於數年前即有，但使用的材料

並非共軛性高分子材料，其結果也未引起

大眾的注意。直至1990年英國劍橋大學

Friend等人發表PPV PLED在著名的Nature期

刊上，因而引發了後續的研究熱潮。

高分子有機電激發光材料具有共軛高

分子(發光)材料和高分子電洞注入材料。高

分子材料的特性是玻璃轉移點高，膜強度

高以及能使用濕式塗布製程。又近年有機

電激發光元件特性飛躍的改善提昇，但是

高分子材料的情況在銦錫氧化物玻璃基板

上圖案化後成膜之可能性以及在積層的情

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印　刷　科　技

況下由下層有機層溶出之問題產生。最近

則有噴墨列印法塗佈之試作實驗，若使用

材料的精製量產化、圖案化以及成膜氣氛

條件之整合等問題實現則非常有趣的材料

將發展出來。

相對於低分子色素系真空蒸著成膜

法，而高分子系則是塗佈成膜方式，由此

衍生之未來技術將是大面積輥輪對輥輪式

(Roll-to-Roll)成膜低成本顯示製造技術，並

以高分子系為主要目標。國內在高分子系

之研究不太積極研究，而在歐美則是捨低

分子色素系，而以高分子系元件為主流。

在1990年記載有使用PPV(Poly-1, 4-

phenylene Vinylene)製作單層型元件，而歐

美則以PPV系為中心，進而使用共軛系高

分子進行探討延至電激發光元件之可行

性。最初低分子之效率並不太好，但是數

年之後則有外部量子效率超過1%之研究結

果。有關發光色方面，PPV系可由綠色到

紅色之長波長的發光色，但是高效率的藍

色光則仍待研發。 1 9 9 8年美國D o w

Chemical 的研究小組使用高分子於發光

層，而成功地開發出5lm/W隻高效率積層

型元件，進而使高分子系備受注目，最近

探討比PPV系更有實用化之新系列高分子

材料。目前可合成外部量子效率2-4%之藍

至紅的發光色且濾光可達22lm/W；至於，

共軛系高分子已可達到實用化的階段。

在高分子系除了共軛系之外，PVK之

含有色素之高分子系材料也成為探討之主

題。含有色素之高分子是利用蒸著法把低

分子色素予以高分子化，色素基則附在高

分子的側鍵或主鍵，載體輸送和發光特性

與低分子色素基本上是相同的。又再低分

子材料則存有低玻璃轉移點等多項問題，

高分子化之後可使玻璃轉移點提高至150-

200℃。關於發光色則把色素在高分子中分

散可使發光色容易控制，例如由藍到紅等

數十種色素分散成單層型，則可得高亮度

4,000cd/m以上白色發光。採用積層構造之

元件，在含有色素之高分子系和用色素蒸

著法所得之元件均可達到同樣高效率的結

果，最近各家正積極研發高分子材料，以

便應用於基層構造。

就高分子系一般發光層的形成是使用

旋轉塗佈(Spin Coating)製程，而在多彩化

方面無法進行必要塗佈製程等問題存在，

因而最近種種高分子顯示器之多彩化製程

被提出。例如使用噴墨印刷(Inkjet Printing)

方法把發光層製成圖案化的製程已被精工

愛普生、UCLA和普林斯頓大學的研究小組

檢討中。日本精工愛普生公司的研發小組

把RGB三種高分子利用噴墨列印方法噴印

於薄膜電晶體基板上試作小型高分子全彩

顯示器。

另一種多彩化法- 光罩感應方法也被提

出，此一方法乃是有機色素在氧的存在

下，利用光照射產生氧化作用，而使螢光

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第二十二卷 第一期

性喪失之特性。在光罩感應方法之中，高

分子發光層形成後置入光罩，並用特定波

長光照射於局部區域，在高分子中分散特

定的色素並使其氧化，同時使此一部分之

發光色產生變化，使用此一方法將使高分

子形成膜之後，並利用光照射使其多彩

化，則可達到最低的製造成本。

首先從元件特性方面來比較低分子系

和高分子系，在效率上現階段低分子高分

子已可達到實用化階段。有關於發光色之

三原色在低分子和高分子已達到實用化領

域，但是在低分子系效率高且色純度高的

紅色仍未研製。有關於白色方面，在低分

子系已有超過10lm/W之效率實驗結果，而

高分子系則有1-2lm/W。

另一方面，連續驅動壽命在高分子系

為低分子系之1/5-1/10為短，又即使高分子

的共軛高分子系材料的玻璃轉移點滴(80-90

℃)，而在高溫的安定性仍存有一些問題，

因此材料開發仍不斷的進行中，本質上無

太大不同的低分子系和高分子系的效率和

壽命將來差異性也不大。由成本面考量比

較，現在點陣式之局部彩色顯示器的製造

上，高分子系使用旋轉塗佈法，而低分子

系則是使用真空蒸著法。在全面塗佈之高

分子系因不能分開塗佈，而且為了實現局

部彩色，而必須使用彩色濾光片，至於在

低分子系則使用光罩蒸著法，而能實現局

部彩色；又在高分子系因利用旋轉塗佈法

而對角9吋型之小基板被使用，而在低分子

系則可使用300mm x 300mm，因此高分子

系量產性仍未降低塗佈製程成本的印象，

但是在現狀利用真空蒸著製造之低分子系

其成本並不低。在全彩化面板的情況中，

高分子系則依噴墨列印法，而可以分別地

塗佈RGB三原色，進而降低其製造成本是

有可能性的。

目前所知，Dai Nippon printing Co.已經

成功地驗證用Groove printing可得到100mm

寬之元件，且其元件效率與旋轉塗佈(spin-

coating)所得相當；美國Arizona大學的

Jabbour教授亦正在發展Screen printing 技

術，目前網印密度可達380mesh；最後，亦

是目前唯一已經成功開發全彩PLED顯示器

原型的噴墨列印(ink-jet printing，IJP)製程技

術，由於發展此技術需整合噴墨定位機

構、polymer ink材料及元件製程三方面，

其相對技術門檻較高，目前投入此技術開

發的PLED研究群僅有CDT與Seiko-Epson、

Philips、Covion與Litrex、Toshiba、工研

院。

CDT與Seiko-Epson採用的噴墨印表機

為壓電式之Epson CFP-Mark II，液滴噴出

的定位誤差為5mm，而負責基板傳送之X-

Y stage的定位精密度達±20μm，此將導致

液滴實際上落在基板的誤差將達±30μ

m，然而他們卻巧妙地以CF4氣體電漿之表

面處理，造成表面接觸角(contact angle)的

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印　刷　科　技

差異，使噴偏掉的墨滴能利用表面能量差

異自動地移動至適當的位置，墨滴定位之

精確度能大幅地提升至±1μm。

工業噴墨印刷(IIJ)技術已經被證實可以

用在平面顯示器製造業上，且已經引入了

世界上第一個生產性全彩POLED印製系

統，且具140個模組。美國Litrex公司是工

業噴墨印刷(IIJ)技術方面的主導者，已經有

多個系統交付使用了，用在研究以及試生

產線兩個方面。有幾家公司使用IIJ技術並

結合發光聚合物(LEP)技術，進行顯示器的

製造。採用此技術的廠家包括康橋顯示技

術公司(Cambridge Display Technology)、卡

西歐 ( C a s i o )、杜邦顯示器 ( D u p o n t

Displays)、菲利浦(Philips)、 三星電子

(Samsung Electronics)、 三星SDI (Samsung

SDI)、精工愛普生(Seiko Epson)以及東芝

(Toshiba)等。液晶顯示器(LCD)製造商們已

經開始傾向於認為：在製造業生產中，IIJ

印刷技術能帶來技術以及經濟方面的好

處。LCD製作程序中可能使用到的IIJ技術

包括聚酰亞胺塗層、彩色濾光片沈積、層

間材結構以及眾多的與缺陷檢驗有關的修

整步驟。

旋轉塗布(spin-coating)是一般PLED

之高分子溶液塗膜時所需的步驟，此薄膜

製作程式雖然快速、簡易，但亦存在其先

天上的製程限制，其中最大的限制便是無

法達到全彩顯示所需的RGB位元畫素化要

求。 目前已驗證可行能實際製作出全彩的

OEL顯示器的全彩技術，有白光加color

filer技 術 、 藍 光 加 color conversion

medium(CCM)技術、以及RGB三原色 side-

by-side技術。雖然對PLED元件而言，白光

加color filer技術與藍光加CCM技術是最容

易達到製作全彩顯示器的方法，然而這兩

種方法皆存在著較高的製作成本與電量消

耗的缺點，特別不利於應用在低耗電要求

的掌上型電子產品之顯示面板，如mobile

phone、PDA、DSC、Notebook等。因此最

終大家仍希望能發展出PLED的新制程技

術，以解決高分子RGB溶液定位問題。

關於噴墨印刷IJP技術之微小液滴定

位功能的應用，在電子工業之製造上已有

一些既有的案例，如電子構裝之solder

bump、LCD背光模組之micro-reflector、面

板內之spacer bump 與color filter之RGB色料

的噴印製程。在應用於PLED制程上，噴墨

印刷IJP除了能解決 spin-coating無法RGB畫

素化的問題外，亦兼具其他製程優點，如

圖案與文字製作能力、適合製作大面積元

件、大幅地節省高分子溶液材料、適合塑

膠與玻璃軟硬兩種基板、元件各點EL光譜

(光色)一致化等。

為了適應PLED製造商的需要，Litrex

公司認為需要製造工業噴墨印刷IIJ印刷

機，其尺寸適合於加工PLED製造中所用的

巨大尺寸的基板。

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第二十二卷 第一期

目前由Litrex公司製造設計中使用了最

新的技術，使用的是噴墨技術中的多噴頭

方法。此與昂貴的在真空中加工成的設備

不同，這些系統很容易按比例生成更大、

更小或中間尺寸。且通過這些設備系統可

以得到的液滴均勻性以及位置精確性，以

及印製時所用的監測系統可檢查是否所有

的噴頭都正確地噴射墨滴。

三、噴墨印刷用於PLED的關鍵特性

噴墨印刷用於PLED的關鍵特性包括液

滴監控檢查系統、噴墨頭精密控制系統以

及可變的像素間距配置等，茲將分述如

下：

(一)、液滴檢查系統

由圖形列印(通過交錯技術和隨機掩

膜，得到的噴嘴故障為0.5 到1%)需改良跳

躍到可被接受的噴嘴故障率為0.001 到

0.005%的印製，這將構成了最大的挑戰。

桌上型噴墨印表機通過定期的噴嘴維護，

可控制噴嘴的這一故障率。一種方法是透

過將墨水由噴射結構中推出或拉出的一種

技術，對噴嘴注墨，從而將內部氣泡或微

粒除去。另外是將墨水經脫氣後，被封裝

在密封容器內，因為脫氣及密封包裝成本

與定期注墨相比成本太高，所以這種做法

會大大減少。脫氣還可以通過使用一台高

度真空容器以及一個只允許空氣通過、液

體卻不能通過的半多孔滲水的膜，在印表

機內進行脫氣，但是，對桌上型噴墨印表

機市場而言，仍然十分昂貴。

在注墨過程完成後，通常進行擦拭，

以便將殘留墨水從噴嘴板表面除去。為了

獲得良好的噴嘴噴墨的直線性，這種做法

是必要的，因為在噴嘴口處的任何殘留墨

水的表面張力，都會將小液滴拉向偏離軌

道的方向。

噴墨頭維護的頻率是根據對墨水配方的

經驗性測試確定的。開發這些維護程式，

是為了得到可以接受的列印品質，卻不會

浪費過量的墨水。事實上，有很多次維護

是不必要的，儘管所有的噴嘴運行良好，

但是根據統計值要求，需要進行維護。在

這些步驟後，還不能確定所有的噴嘴都在

運行，或者以小於1%的故障率運行。

噴墨印刷技術如果應用於PLED，則監

測維護過程對於產量是至關重要的，須採

用一種監測方法，所採用的這種方法只是

在檢測到故障時才對噴嘴實行維護，並且

只對已經檢測出故障的某個噴嘴實施。這

達到了兩個目的：一個是在基板印製前，

已經完全地檢測出了故障；另一個是改正

因故障所導致浪費的墨水最少。圖一是

Litrex公司所使用的光學系統的一個示意

圖，在每塊基板印製前，對所有的噴嘴進

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印　刷　科　技

行掃描，檢查它們是否在使用者所定義的

誤差窗口範圍內運行。

採用一個適當的LED發光系統和一個

高速幀接收器(240幀/秒)，以便在墨滴速率

超過20 kHz時，可捕捉到單個的墨滴圖

像。典型的128個噴嘴的噴墨頭可以用小於

600ms的速度進行掃描，如果是24個噴墨頭

的組合，則可以用小於15秒的速度掃描。

此程序是通過與基板裝載、對準以及?載比

較後做出的，所以不會對產量有任何影

響。

(二)、噴墨頭控制系統

如果檢測到了噴嘴的噴射故障，而且

不能通過一般的維護或者更為嚴格的沖洗

加以修正時，則必須將噴頭換掉。更換出

現故障的噴頭的時間不得超過15分鐘，在

工廠的產量未受到影響前，再次恢復生產

程序。更換噴頭時面臨兩種挑戰：

1) 連接墨線，並將所有的內部氣泡從

墨線或噴墨頭裝置中除去。

2) 將噴墨頭固定在支架結構上，且保

證對正精確度在2微米以內。

當使用的是多個顏色或液體的噴墨頭

時，保證同時滿足上面兩個要件就變得十

分地困難，這也是桌上型印表機只使用按

單一顏色的噴墨頭結構的原因。對C, M, Y,

K的四色噴墨印刷而言，若發生50微米內的

未對準是不會被察覺的。但對兩個黑色噴

墨頭，若噴墨輸出的未對準達5微米以上

時，則會容易的被注意到。

FPD工業所需的解決方案是為了製作

一個噴墨模組，包括了完整的墨水傳送系

統以及噴嘴排列活動架的噴墨模件，允許

對噴嘴排列配置進行機電調節。

The Litrex Smarthead(tm) 模件具有上面

所描述的特徵，而且它還包括一個圖像處

理器和噴頭噴嘴驅動電子部件，就是所謂

的Driver-per-Nozzle (DPN) 電子部件。

Smarthead(tm)包括了墨水輸送系統和驅動

電子部件，在將其安裝到印表機裏前，能

將其填充上油墨，並標度上"off-line"。此

時，能完全保證所有的空氣已經由噴墨頭

中清除，噴嘴板無任何缺陷，且噴射方向

對正良好。此外，墨滴的速度以及墨滴的

體積已經被用Smarthead(tm).內的Driver-per-

Nozzle (DPN)電子部件，調諧到了能滿足製

程技術規範的要求。

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第二十二卷 第一期

圖一、墨滴檢測模件

波形調諧是十分重要的，特別是與

PLED顯示器相關的。為了達到要求的層厚

公差，墨滴體積偏差須小於2%。對具有

128個噴嘴的最好的壓電型噴墨頭，通常所

得到的體積公差為5% 到 8%。

DPN電子部件使用來自墨滴分析模件

的資料，以便將每個噴嘴的波形，調諧到

使用者所指定的體積偏差範圍內。

下面圖二顯示的是針對128噴嘴的噴頭

的測試比較，藍色曲線是調諧前的噴嘴噴

墨速度，以及紅色曲線是使用DPN電子部

件對每個噴嘴進行調諧後的噴嘴噴墨速

度，結果顯示使用DNP技術所得到的的噴

嘴噴墨速度偏差在2%以內。

當噴墨技術用於LCD或PLED上時，其

噴頭噴出的每個墨滴均會附帶許多的墨

球，這些墨球的著落位置則變得至關重

要，必須保證每個墨球均不會落到圖元孔

徑外，而是仍留在遮光用的黑底 (BM)表

面。

溶劑蒸發後，直徑為3.1-4.5微米的聚

合物墨球仍留在此LCD顯示器的黑底層的

交叉點上。此LCD顯示器的矩陣層如圖三

所示。使用烘烤乾燥法將墨球“固定”在

所需的位置。透過改變墨球的聚集狀態，

可以滿足要求在每平方毫米內的墨球數

量。

在此種應用中，調諧速度要比體積更

為重要。下面圖四說明的是噴射出的每個

小墨滴中的墨球數量；因此在噴頭的模件

中的液體混合以及定期清洗是必要的，這

樣可以達到預期的分佈。

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圖三、BM上的墨球著落分佈圖

圖二、速度的驅動波形調諧

圖四、一個小液滴中的間隔球分佈

(三)可變的像素間距配置

在實際的顯示器業者的應用趨勢上，

是需要在一天24小時的生產裏達到三種不

同的顯示類型的製程。因此，固定式的噴

嘴間隔的噴墨印刷機器設備在應用上就成

了很大的問題，若將它視作為一種生產設

備的解決方案，實際上是不可行的。所以

採用可變的噴嘴間距配置就成為必要的

了，現今在生產此種可變的噴嘴間距配置

出現了許多固定式噴頭間隔技術中所沒有

的挑戰。

圖五舉例說明了一個可變動式的16個

噴頭陣列的配置，其中原來固定的噴嘴間

隔為508微米。在每個4X4陣列中，每行噴

頭與別的噴頭欄間分別有25%的交錯。如

果這種配置為0度，那麼有效的噴嘴間距則

為(508/4)或127微米。

在每一列噴頭做30度轉動的配置中，

有效的噴嘴間距被減小到110微米；而在圖

六所示的60度轉動配置中，有效的噴嘴間

距被減小到63微米；

經由透過提供0到60度角的噴頭轉動，

可以得到多種尺寸的噴嘴間距組合，如圖

七所示，噴嘴間距的交錯距離取決於噴頭

配置的連續轉動上。為了得到接近200ppi的

極高解析度的顯示器，有必要使用到2倍、

3倍甚至4倍的交錯，以便將噴嘴間距減

小。

如何保持噴嘴位置的精確性，最困難

的問題是在噴頭陣列的轉動配置時。為了

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第二十二卷 第一期

圖六、噴頭做60度轉動的配置，有效的噴嘴間距63微米

圖五、噴頭做30度轉動的配置，有效的噴嘴間距110微米

圖七、噴嘴交錯

達到15微米系統的整體精確度，在噴嘴對

準方面，只能允許有2到3個微米的誤差。

根據各噴頭噴嘴的偏差要求，每個噴頭只

能轉動到配置(裝置)所設定的每個角度。在

實務上可依據噴嘴本身的光學反饋，使用

微壓電調節器，對每個噴頭的橫向位置進

行調節。圖八表示的就是此種間距以及位

置修正的方式。

實施這些微米級調節所用的反饋資

料，可使用來自於安裝在機器基板軸上的

一個高解析度的照相機，圖九中的圖像就

來自這種“噴嘴校準照相機”，視角區域內

足以立即捕捉到三個噴嘴，並能在微米精

度內確定它們的位置。在對噴頭進行微對

準後，將噴嘴的位置保存下來，並且使用

於修改圖像文件檔來校正噴頭轉動的軸線

位置。

四、噴墨技術

Epson認為一般的發光高分子材料並不

適合用於噴墨製程，需再針對噴墨的規格

作調整，如分子量、使用溶劑、濃度與粘

度等。在面板顯示之均勻度方面，1998年

Epson采analog driver的方式，由灰階顯示的

均勻度受限於TFT電路conductance差異，故

此法所得的均勻度較差；1999年所發展出

2.2寸的高分子16灰階全彩顯示器，改采

digital driver 的方式，使用ARGS (Are Ratio

Gray Scale)方法來改善面板均勻度，此面板

每一個sub-pixel有四個小點，由四個小點的

明暗(24)來表現出16灰階；目前進一步採

TRGS (Time Ratio Gray Scale)加上ARGS來

增進面板的均勻度，此時每一個 sub-pixel

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印　刷　科　技

圖八、噴嘴間距及位置修正的方式

圖九、噴嘴

僅有三個小點，有助於提高面板的開口

率。

然而，噴墨印刷製程目前已為PLED技

術實現可靠且低成本製造顯示出了廣闊的

前景。此項技術還為TFT-LCD製程的各部

件提供了一個比傳統技術更為簡化的製造

程序。

(一)、縮小噴墨的公差範圍

美國Litrex公司所製造的140P型設備系

統能噴印加工尺寸達400x500mm的玻璃基

板。機器的總機械精確度的公差小於5.5微

米；整個系統考慮了被印基板的行進對正

問題、熱產生的副作用以及振動狀態所產

生的影響。此系統包括帶有兩個照相機的

裝置進行噴墨頭的線上監控，以保證所有

的噴頭噴嘴在印刷前都正確地射到基板

上。

由於噴墨印刷的設備體積小，所需的

室內空間小，因此允許更小的嵌入式配置

以及絕對無塵室設備的成本更低。140P型

設備是一種模組式的設計，更易於維護且

可靠性更高。噴墨液滴位置精確度約12微

米左右，液滴均勻性良好，誤差範圍小於

5%，在印製過程中，其機械特性不會產生

潛在粒子，從而對基板造成污染。

(二)、有效的液滴分析系統

140P型設備液滴分析系統包括一個雙

照相機系統以及一個頻閃監測LED系統，

並且與系統軟體同步運作，在印製前，對

每個噴嘴進行快速的查驗，檢查液滴體

積、液滴速度以及角度偏差以及發覺噴射

不良噴嘴等其他缺陷。此系統是用於校正

噴墨系統，並提高裝置的生產良率。對

PLED裝置以及其他應用(TFT-LCD)的材料

開發以及製程開發也非常有用。

(三)、友善的操作環境

Litrex 工 業 噴 墨 (IIJ)系 統 是 由

LCL(Litrex 控制語言)印表機系統軟體控制

的，將其用於驅動單獨的印表機XY位置進

程以及其他硬體部件、噴墨頭和基板的自

動光學校正、噴嘴故障檢查、噴墨頭維

護、噴嘴液滴圖像分析(體積位置及校正)、

印表機操作的圖形使用者介面(GUI)。

下面是Litrex 系統的一個螢幕顯示畫面

(圖十)，其所表示的是正在飛行中的噴墨液

滴。它能使使用者生成其自身的列印型

式，並且無需改寫軟體，就能改變製程設

50

第二十二卷 第一期

圖十、(A) 各行印製狀況

計。這與一個固定式的照相印刷的掩膜方

式不同，列印型式是一個數位文件，可以

很容易加以改變。

(四)、在圖案化上(Patterning)的噴墨方

向性的精確度

根據Litrex公司的140P型系統的設計概

念，基板上液滴位置的精確度在15微米左

右。為了製作一個PLED裝置，比如解析度

為117 ppi(圖元寬57微米)和一個20皮升(pl)

的噴頭，在考慮了基板位置精確度、玻璃

對正精確度、噴頭裝配/間距精確度、液滴

方向性、玻璃平直度和諸如各種圖樣化結

構(patterning structure)等其他誤差源後，噴

墨製程在每個井型結構(well structure)的兩

側均留有一個約12微米的寬容度。

Litrex公司與其他開發商一起研製出一

種液滴體積更小的噴頭，以得到更大的噴

墨印刷的製程寬容度，從而製作出高解析

度的PLED裝置。另外一個需要特別注意的

是，透過對基板表面進行濕性及非濕性的

處理，液滴位置的精確度將會大大地提

高。與噴頭設備精確度結合，包括新噴頭

及表面處理，則液滴位置的精確度會更

好，從而製作出解析度高達200ppi的PLED

裝置。

(五)、形成平整薄膜的條件要求

為了使用噴墨技術得到所要求的結

果，我們需要考慮三個方面：

(1) 墨滴的噴射能力：這取決於油墨配

方

(2) 接觸角度：這取決於專用油墨配方

的表面處理以及表面張力

(3) 乾燥特性：取決於乾燥條件以及油

墨配方。

下面圖十一表示的是使用合適的油墨

配方和表面加工所生成的一個平面PEDOT

膜。

Litrex 140P型系統已經被應用在PLED

產品的試生產上。

此系統具有噴印400mm x 500mm尺寸

的玻璃基板的能力，並且裝置“液滴分析

系統”。這可使得使用者能對液滴體積、液

滴速度以及每個噴嘴噴墨的偏離角度進行

51

印　刷　科　技

圖十、(B) 印製完成圖

圖十一、PEDOT的薄膜形成

檢驗。

為了進一步滿足嚴格的墨滴體積以及

噴墨墨滴位置方面的限制，Litrex公司研製

出了“按噴嘴噴墨驅動(DPN)系統”。該系

統包括了一個自主軟體和電子裝置元件，

對每個噴嘴通過修正其各自的波形進行控

制。使用DPN後，可以得到的液滴體積和

速度分別?(V ±3%)pL 和 ± 0.2m/s，偏差

為5σ。

圖十二顯示的是DPN是如何改善聚酰

亞胺在噴墨印刷機中(各種噴嘴數)液滴體積

性能的差別。這種改善可以用數據說明如

下(表一)：

噴墨液滴速度和體積均勻性還直接與

液滴分佈的精確度有關。此外，另外一個

影響液滴分佈精確度的因素是液滴方向

性，在噴射PEDOT同時，所測得的量級為

10mrad。

目前的技術可以允許使用者按照117ppi

量級的解析度進行噴墨的製程。然而，某

些使用者要求的製程解析度估計要在200ppi

或以上。這就要使用目前最新的噴墨技術

且經過生產檢驗過的噴頭 (角度偏移<

5mrad，精度10μm)，以保證噴墨液滴不會

接觸到格子的框緣(見圖十四及表二)。到

2006年，Litrex公司的設備系統有能力，在

下一代的輸出解析度上的基板需求上實現

此性能。

在該領域中所使用的開發和試製系統?

下一代機器提供了無比珍貴的資訊。各時

期的設備試驗顯示，在2005年，Litrex公司

第七代機器已可達到130ppi的解析度要求，

其中液滴著陸與格子框緣的距離分佈為10

μm，偏差為3σ。

然而，為了滿足200ppi的噴墨目標，

52

第二十二卷 第一期

液滴體積　單位pL(皮升)

DPN後 DPN前

最小 21.1 19.1

最大 21.8 28.2

平均 21.4 20.2

範圍 3.1% 45%

表一、DPN前後的液滴體積

● Spectra SX128 -12pl（28μ直徑）

● CDT 由Baytron 配製（2％固態）

●乾燥後的墨滴直徑=35um

● 空間的內圍尺寸：50um×160um

圖十二、DPN 在液滴體積上的效果

圖十三、PEDOT (1和3個液滴/像素)

正在採用一些創新的技術。Litrex的下一

代?品是將由多個製造商所生產的多個噴墨

頭集成起來，根據應用的類型，採用固定

間距或可變間距配置。如果使用者更為關

注塗層表面，如聚醯亞胺的應用，則固定

間距的配置更為合適。可變間距配置將被

用於需要在同一台設備上使用、但解析度

卻不相同的顯示器製造上。這種靈活的印

刷 適 用 性 可 以 用 智 慧 型 的

Smarthead(tm)(Litrex公司製作)概念來實

現。他是一個具四噴頭的一組裝置，且可

以很容易地將其中的一個噴頭由這組裝置

中拆掉。

Smarthead(tm)是整合PC噴墨頭、液體

運送、控制系統以及噴墨頭驅動電子裝置

的集成，可以進行複雜的交錯列印。這種

類型的印刷包括了均勻的噴墨液滴、可以

更換的像素解析度，使用者可以設定程

式：例如在第一次噴頭列印過程中將其故

意略去，在隨後的列印過程中再實際的噴

墨，如此便能改變像素解析度。交錯印刷

可以延長液滴的乾燥時間，相應地會增強

薄膜以及所形成的邊緣的平滑度。

由於具備動態的光學補償(校正)系統，

所以還可以得到精度更高的液滴配置與噴

射。此監視系統檢查玻璃基板、所有噴頭

噴嘴的位置以及從噴嘴配置的陣列中噴射

出的每個小液滴的飛行特點，因此在噴墨

印刷過程中，對所有的誤差源所造成偏差

進行補償。

正常的生產線所採用標準的+/- 2 oC工

廠溫度控制，則一塊2.4公尺的基板可能增

長或縮短48μm。因此須透過將來自高速

的光學圖像採集系統所得到的資訊進行運

算，以及高精確度的微調節器，來控制點

陣式(bit map)的圖像資料的縮放比例及多個

噴墨頭的定位。如果沒有高精確度測量以

及動態的對噴墨頭噴嘴進行重新配置的能

力，是不可能得到10μm的標準精確度

的。

另外面臨的一個主要挑戰是，如何在

對每個基板進行印製前，對所有噴嘴的液

滴噴射的精確度進行檢查。因為噴墨的方

53

印　刷　科　技

解析度(ppi)-R,G,B 基板上每一格子的內圍寬度(微米)

200 35

150 49

117 65

90 87

表二、液滴在基板上之寬度

圖十四、在每一格子內良好的液滴著陸位置

向性以及油墨性質在使用時都會有變化，

所以要按常規對所有的噴射進行檢查，並

採取適當的修正補償措施。此一檢查監控

系統為一個新的光學模組，它須借助一個

獨立的高速X-Y進程系統，以致於能夠相

對於所有的噴頭做高速運動。

此外，使用多噴頭Smartheads(tm)的噴

墨設備可完全的降低生產時間。在一些應

用中，已經證實了達到了60秒的TACT時

間，期採用的是四個Smarthead(tm)噴頭的

一組裝置，它的噴射頻率為10kHz。

五、結論

將噴墨技術由辦公室所使用的桌上型

印表機轉移到無塵室的生產線房間內，必

須面臨著許多的挑戰，工業噴墨技術正成

為平面顯示器製造業中的一個可靠的製

程，其應用是可以多種多樣的。其為實現

可靠而低成本的PLED技術製造程序展現了

廣闊的前景。使用噴墨技術進行PLED的生

產製造，目前的設備系統設計是十分可靠

而精確的，並且在TFT-LCD業界降低製造

成本方面也是十分有用的，目前很多的技

術方案可以用於得到15微米的製程能力以

及提高基板的噴印尺寸以和高可靠性，而

且噴頭的噴墨品質和性能還在不斷地提

高，因此相關的設備製造業界正積極的研

發出能製作更大尺寸的被印基板的機器，

而且將可以達到所要求的噴墨墨滴的位置

精確度，並提高解析度以及生產良率等性

能，甚至研發包括帶有大型噴墨頭配置的

最大系統，並將解析度提高到達200ppi。

參考資料

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與技術，全華科技圖書股份有限公

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呂p圳/南華大學講師

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第二十二卷 第一期