基于格子Boltzmann的噴印OLED散點(diǎn)墨滴沉積仿真分析

黃萌萌，張不揚(yáng)*，魯 瑤，王雪峰,2

(1.季華實(shí)驗(yàn)室 新型顯示技術(shù)研究部，廣東 佛山 528200；2.復(fù)旦大學(xué) 工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433)

OLED技術(shù)是未來(lái)顯示產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。相比現(xiàn)有的OLED顯示發(fā)光層加工工藝——真空蒸鍍技術(shù)，新興的OLED噴墨打?。╥nkjet printing，IJP）技術(shù)能夠直接將發(fā)光材料注入顯示器件的像素槽內(nèi)，其因分辨率高、非接觸式、材料損耗小、液滴定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為更有前途的OLED制造技術(shù)[1]。

噴墨打印OLED發(fā)光層制備是通過(guò)在間隔的像素槽內(nèi)分別沉積R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）3種有機(jī)材料，經(jīng)過(guò)噴頭產(chǎn)生墨滴、墨滴飛行、墨滴撞擊像素凹槽、多墨滴在凹槽中融合及干燥固化5個(gè)過(guò)程后，最終完成發(fā)光層的制備[1-4]，墨滴定位或像素槽內(nèi)墨滴體積的微小變化，都有可能引起顯示屏像素槽發(fā)光亮度不均勻甚至短路完全不發(fā)光，從而導(dǎo)致OLED顯示屏出現(xiàn)大量Mura缺陷。目前，針對(duì)墨滴在像素槽沉積的微流體問(wèn)題主要采用仿真分析、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)等方法進(jìn)行分析。

液滴下墜撞擊壁面的現(xiàn)象（例如雨水墜落）在大自然中普遍存在，而在工業(yè)生產(chǎn)中存在對(duì)液滴與壁面的撞擊的控制，例如，噴淋冷卻[5]、噴涂、飛機(jī)部件除冰[6]、噴墨打印[7]等，因此，引起不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液滴撞擊壁面的問(wèn)題進(jìn)行研究，Yin[8]、Cimpeanu[9]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察及仿真研究了不同黏度、液體撞擊速度、無(wú)量綱常數(shù)We、Re、Oh數(shù)等、表面濕潤(rùn)性時(shí)液滴傾斜撞擊基板的擴(kuò)散、回彈及飛濺等動(dòng)態(tài)變化，Michel[10]、Ahmad[11]、Chen[12]等通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)液滴撞擊傾斜平面后的產(chǎn)生的鋪展、附著、流動(dòng)、滑移、滾動(dòng)、部分回彈、翻滾彈跳、破碎等的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析。

對(duì)于多液滴撞擊壁面或凹槽的問(wèn)題，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，并有了很多進(jìn)展。Bussmann等[13]采用VOF方法對(duì)液滴撞擊斜面和液滴撞擊臺(tái)階面進(jìn)行了3維數(shù)值仿真研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真模型的準(zhǔn)確性。Farhangi等[14]研究了兩個(gè)液滴撞擊超疏水基板的動(dòng)態(tài)融合過(guò)程，并得出增大碰撞速度、增大液滴尺寸、增大重疊比會(huì)降低復(fù)合液滴的恢復(fù)系數(shù)，更有利于液滴的平鋪成膜這一結(jié)論。Gong[15]、Castrejón-Pita[16]等采用改進(jìn)的LBM方法仿真了兩個(gè)液滴的在基板上撞擊融合過(guò)程，發(fā)現(xiàn)合適的基板濕潤(rùn)性梯度會(huì)加速液滴的融合。Zhang等[17]采用MRT-LBM（3維多重弛豫時(shí)間與格子玻爾茲曼模型）仿真了單液滴、雙液滴、三液滴、四液滴在撞擊凹槽及在凹槽內(nèi)沉積的過(guò)程，研究了潤(rùn)濕性、密度比、液滴黏度和沖擊速度等因素對(duì)液滴微腔相互作用的影響。

目前，學(xué)者們對(duì)于液滴撞擊壁面及液滴融合的問(wèn)題做了大量研究，但都是針對(duì)宏觀問(wèn)題分析，針對(duì)高精度噴印OLED發(fā)光層制備中像素槽內(nèi)的微流體墨滴沉積機(jī)理仍有待研究。數(shù)值仿真方法在對(duì)于體積過(guò)小、變化時(shí)間過(guò)短而造成的實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)的液滴撞擊與融合微觀流體運(yùn)動(dòng)中有成功的應(yīng)用，既克服了理論研究中過(guò)于復(fù)雜的計(jì)算，又解決了實(shí)驗(yàn)觀察條件局限、技術(shù)瓶頸、成本高昂等問(wèn)題。研究類似液滴撞擊壁面的兩相流問(wèn)題時(shí)，LBM具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此本文選擇LBM作為噴印OLED相關(guān)微觀流體機(jī)理分析的數(shù)值仿真方法。

本文基于現(xiàn)有噴墨打印OLED工藝參數(shù)，建立高效率、高精度的墨滴沉積融合3維格子Boltzmann數(shù)值仿真模型，對(duì)墨滴落點(diǎn)偏差引起的散點(diǎn)沉積缺陷進(jìn)行分析和抑制機(jī)理研究。本文的研究成果不僅可以應(yīng)用于噴墨打印OLED制造中，得到高分辨率、高質(zhì)量的OLED薄膜，還可以廣泛應(yīng)用于噴墨打印光學(xué)器件及電子器件中，使得噴墨打印具有更高的穩(wěn)定性及商用價(jià)值，且在噴墨打印的工程應(yīng)用上，也能節(jié)省資源、降低成本、提升質(zhì)量；同時(shí)，本研究對(duì)于具有極大潛力的電噴印工藝也有一定的參考價(jià)值，因此其具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 LBM數(shù)值模型建立

1.1 LBM基本原理

LBM是20世紀(jì)80年代中期建立和發(fā)展起來(lái)的一種介觀流場(chǎng)模擬方法，其繼承了格子氣自動(dòng)機(jī)（lattice gas automata，LGA）的主要原理并在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。LBM通過(guò)演化方程來(lái)描述具有離散速度的流體粒子分布函數(shù)在一個(gè)固定格子上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程[18]：

式中：x為格子系統(tǒng)中的一個(gè)格點(diǎn)； Δt為離散時(shí)間步長(zhǎng)，為便于計(jì)算本文中取值為1； Δx為離散空間步長(zhǎng)，為便于計(jì)算本文中取值為1；t為當(dāng)前時(shí)間步；i為粒子擴(kuò)散的方向；ci為流體粒子的離散速度分量；fi為以速度ci運(yùn)動(dòng)的速度分布函數(shù)； Ωi為碰撞算子，表示分子間的碰撞對(duì)速度分布函數(shù)的影響，碰撞算子與分布函數(shù)以不同概率向Maxwell平衡態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)。本文使用到的單松弛模型（BGK-LBM）中碰撞算子的表達(dá)式為[19]：

式中： τ為松弛時(shí)間， 1/τ為平均碰撞頻率，為保證模型的穩(wěn)定性，需滿足 τ/Δt＞0.5[19]，文中 τ取1以保證數(shù)值計(jì)算的效率；fieq為局部平衡態(tài)分布函數(shù)，其基礎(chǔ)表達(dá)式為：

本文中粒子的離散速度集合采用常見(jiàn)的速度分量D3Q19模型[19]，此模型表征了當(dāng)前格點(diǎn)下一時(shí)刻在何處出現(xiàn)的概率分布，模型中D表示速度維度、Q表示速度分量數(shù)，表1為D3Q19模型速度集設(shè)置[19]。

表1 D3Q19模型速度集設(shè)置[19]Tab.1 Parameters of velocity in D3Q19 model[19]

1.2 LBM多相流模型

為了實(shí)現(xiàn)多相流中氣相與液相的分離，Shan和Chen提出了粒子間相互作用力Fff[20]，而多相流間的作用力通過(guò)改變每次碰撞后的流體粒子動(dòng)量并驅(qū)使其在松弛時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的平衡態(tài)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，重新達(dá)到平衡態(tài)后的速度ueαq可以表示為：

式中：F為合力，F(xiàn)=Fint+Fext，其中，F(xiàn)int為內(nèi)力，F(xiàn)ext為外力[21]，文中由于墨滴尺度較小，重力加速度作用有限，因此忽略外力的作用；u′為宏觀流體速度，Shan等[22]提出宏觀流體速度u′的計(jì)算公式：

內(nèi)力Fint=Fff+Ffs，其中，F(xiàn)ff為粒子間相互作用力，表達(dá)式如下：

式中：G為格林?jǐn)?shù)，其決定了不同相之間的相互作用強(qiáng)度，文中G的主要作用是保證偽勢(shì)函數(shù) ψ根號(hào)下為正，因此G= -1； ψ為偽勢(shì)函數(shù)[23]，公式見(jiàn)式（7）；wα為力權(quán)重，對(duì)于D3Q19模型，有：

式（7）中，pEOS為非理想氣體狀態(tài)方程（equation of state，EOS），本文選擇Peng-Robinson EOS[24]，該狀態(tài)方程可以帶來(lái)高密度比，且模型中界面雜散速度較小。pEOS的表達(dá)式如下：

式中：a=2/49；b=2/21；R為氣體常數(shù)，一般取R=1；T為溫度，文中T=0.86Tc[24]，其中，Tc下標(biāo)c表示臨界條件； ?(T)為溫度T相關(guān)的序參量。

Ffs為流體與固體壁面的接觸面存在的流固附著力，使用較為廣泛的流固附著力表達(dá)式為[25]：

式中：指示函數(shù)s(x+ciΔt)是一個(gè)用來(lái)區(qū)分節(jié)點(diǎn)屬于固體還是流體的開(kāi)關(guān)函數(shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)為固體格點(diǎn)時(shí)其值為1，否則為0； ρw為虛擬固相密度，是一個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)接觸角的參數(shù)，但已有研究[26]與仿真結(jié)果表明，在接觸角較小時(shí)，式（9）所示Ffs會(huì)導(dǎo)致固體邊界處出現(xiàn)非物質(zhì)傳質(zhì)層，帶來(lái)較大的仿真結(jié)果偏差。因此本文采用Li等[26]提出的改進(jìn)的偽勢(shì)函數(shù)方法，則虛擬固體密度 ρw不再是常值，表達(dá)式為：

式中：φ和 Δρ 為常數(shù)，用來(lái)調(diào)節(jié)接觸角大小，當(dāng)φ=1或 Δρ=0 時(shí)則模型降到標(biāo)準(zhǔn)格式，此時(shí) θ 約為90°；ρa(bǔ)ve為過(guò)渡偽勢(shì)函∑數(shù)：

式中，sw(x+ciΔt)為格點(diǎn)流固相指示函數(shù)，在流體格點(diǎn)處其為1，固體格點(diǎn)處其為0。同時(shí)，還需要給 ρw增加限制，使得它的值在計(jì)算中不會(huì)超出兩相密度的區(qū)間。

1.3 BGK-LBM數(shù)值仿真模型

本文通過(guò)實(shí)際工藝參數(shù)的無(wú)量綱化結(jié)果搭建數(shù)據(jù)框架，再將式（1）所示的演化方程及式（2）～（11）所示的各參數(shù)表征方法及改進(jìn)后的偽勢(shì)函數(shù)方法應(yīng)用到數(shù)據(jù)框架中，最終基于BGK-LBM建立了針對(duì)噴印OLED像素槽附近墨滴落點(diǎn)偏差引起的散點(diǎn)沉積缺陷問(wèn)題分析的3維數(shù)值模型。

數(shù)值模型的可行性驗(yàn)證主要通過(guò)Laplace驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。Laplace定律用計(jì)算式表達(dá)為： Δp=2γ/R，其中，γ為表面張力，R為液滴半徑，該定律表明在兩相穩(wěn)定后，液滴內(nèi)外壓力差值與液滴半徑成反比。經(jīng)過(guò)5組不同液滴半徑的仿真，最終獲得液滴內(nèi)外壓力差值與液滴半徑倒數(shù)的關(guān)系，圖1是 Laplace模型驗(yàn)證結(jié)果，由圖1可知，當(dāng)前使用的格子Boltzmann模型中液滴內(nèi)外壓力差值與液滴半徑倒數(shù)呈正比，滿足Laplace定律，可用于多相流模擬。

圖1 Laplace模型可行性驗(yàn)證結(jié)果Fig.1 Laplace verification results of the feasibility of the model

2 噴印OLED墨滴有效沉積范圍仿真

2.1 仿真設(shè)計(jì)

目前，高精度噴印OLED發(fā)光層制備中的散點(diǎn)沉積缺陷是定位誤差造成的噴墨散點(diǎn)沉積在像素槽外的現(xiàn)象，圖2（a）是散點(diǎn)缺陷實(shí)物圖，圖2（b）展示了墨滴的3種落點(diǎn)狀態(tài)。

圖2 散點(diǎn)缺陷實(shí)物與示意圖Fig.2 Physical drawings and diagrams of scattered droplet defect

由圖2（b）可見(jiàn)：A落點(diǎn)狀態(tài)是最理想的定位狀態(tài)，墨滴的垂直映射在像素槽內(nèi)，撞擊后將準(zhǔn)確地鋪展在相應(yīng)顏色的像素槽內(nèi)； B落點(diǎn)狀態(tài)中墨滴的垂直映射在像素槽邊界處，盡管存在誤差，但撞擊鋪展后的墨滴正好位于親疏水壁面交界處，因此墨滴將在表面潤(rùn)濕度梯度作用下流入對(duì)應(yīng)的像素槽內(nèi)；C落點(diǎn)狀態(tài)中墨滴垂直映射在像素槽外，但在撞擊鋪展后墨滴的邊緣可能進(jìn)入像素槽內(nèi)并在一定的表面潤(rùn)濕性梯度作用下流入對(duì)應(yīng)的像素槽內(nèi)。最終3種墨滴落點(diǎn)狀態(tài)將組成噴印OLED墨滴的有效沉積區(qū)域。

本文中的仿真模型基于實(shí)際噴墨打印OLED生產(chǎn)工藝，而140 ppi是目前市場(chǎng)主流高清顯示器的分辨率需求，因此本文根據(jù)140 ppi噴印OLED制備的實(shí)際工況，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。圖3為針對(duì)上述有效沉積區(qū)域進(jìn)行的像素槽邊緣墨滴回流臨界條件仿真模型參數(shù)示意圖。如圖3所示，對(duì)于A、B、C 3種落點(diǎn)狀態(tài)墨滴撞擊基板后的鋪展及落點(diǎn)狀態(tài)為C的墨滴流入臨界條件問(wèn)題，模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?40 μm×140 μm×70 μm；底面及頂面設(shè)置為半反彈邊界，四周各面設(shè)置為周期邊界；接觸角 θ變化范圍為30°～120°； θ1為像素槽外接觸角， θ2為像素槽內(nèi)接觸角；初始時(shí)在區(qū)域中央設(shè)置半徑為R（10～15 μm）的液滴，同時(shí)賦予Z負(fù)向的初速度v（3～10 m/s），墨滴中心距離槽邊界處的X向距離為d，其在Y向及Z向均位于中心處，其余區(qū)域?yàn)闊o(wú)初速度的氣相，在數(shù)據(jù)處理時(shí)取氣相與液相密度的平均值為氣液分界線；本文模型中需保證各參數(shù)設(shè)置下奧內(nèi)佐格數(shù)Oh數(shù)在0.1～1.0范圍內(nèi)，以符合行業(yè)要求，在流體力學(xué)中Oh 用來(lái)度量黏性力與慣性力和表面張力的相互關(guān)系，在印刷顯示行業(yè)，Oh數(shù)用來(lái)表征墨水是否能從噴嘴噴出的能力。

圖3 像素槽邊緣墨滴回流臨界條件仿真模型參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model parameters for the critical conditions for edge droplet flowing into pixels

本文將根據(jù)上述仿真模型和參數(shù)對(duì)噴印OLED像素槽附近墨滴落點(diǎn)偏差引起的散點(diǎn)沉積缺陷問(wèn)題進(jìn)行分析。首先，研究墨滴撞擊平面基板最大鋪展半徑；然后，分析像素槽外散點(diǎn)的鋪展與回流；最后，得出接觸角對(duì)墨滴有效沉積區(qū)域的影響。

2.2 墨滴撞擊平面基板最大鋪展半徑研究

為了研究墨滴撞擊平面基板后的鋪展半徑，本文對(duì)墨滴撞擊在平面基板后的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬，主要分為撞擊、鋪展、回縮3個(gè)階段，模型中，墨滴直徑R為12 μm，撞擊速度v為6 m/s，Oh數(shù)為0.255 6。圖4是墨滴撞擊不同接觸角平面基板后隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程示意圖。文中時(shí)間t是由無(wú)量綱換算后的計(jì)算步表示，1計(jì)算步≈5.2×10-9s。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，液滴撞擊在平面后的鋪展與回縮主要與基板的接觸角、液滴的速度及表面張力等因素有關(guān)；在本文的研究中表面張力不變，因此主要分析速度與基板接觸角對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。如圖4（a）所示，當(dāng)基板接觸角較大（θ=120°）時(shí)，墨滴在撞擊后會(huì)迅速鋪展，達(dá)到最大鋪展半徑后又逐漸回縮，最終在墨滴表面張力和基板接觸角的共同作用下達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。如圖4（b）所示，當(dāng)基板接觸角較小（θ=30°）時(shí)，墨滴撞擊后會(huì)一直鋪展而不再有明顯的回縮過(guò)程。

圖4 墨滴撞擊不同接觸角平面基板后隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of time-varying dynamic processes after droplet impacting on substrate of different contact angles

圖5展示了基板接觸角對(duì)墨滴撞擊基板后鋪展變化過(guò)程的影響。

圖5 基板接觸角對(duì)墨滴撞擊基板后鋪展變化過(guò)程的影響Fig.5 Influences of the different contact angles on spreading process of ink droplet impacting on substrate

如圖5所示：墨滴在相同速度（v=6 m/s）下撞擊不同接觸角平面基板后墨滴的鋪展半徑隨時(shí)間變化趨勢(shì)，當(dāng)基板接觸角極?。é?30°）時(shí)，墨滴撞擊平面基板后幾乎不再有鋪展及回縮的振蕩過(guò)程，因此隨著計(jì)算步持續(xù)增加墨滴的鋪展半徑也在持續(xù)增加，墨滴的最大鋪展半徑即為最終穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)基板接觸角θ=40°～120°時(shí)，墨滴撞擊平面基板后都會(huì)有鋪展及回縮的振蕩階段，因此墨滴的最大鋪展半徑均出現(xiàn)在墨滴撞擊鋪展階段的末端、最終靜止?fàn)顟B(tài)前；且隨著基板接觸角增大，墨滴的動(dòng)態(tài)鋪展振蕩幅度越大，即最大鋪展半徑與最終的靜態(tài)鋪展半徑比值越大。但由于平面基板的接觸角越大導(dǎo)致基板的潤(rùn)濕性越小，因此墨滴撞擊基板后的最大鋪展半徑最終還是隨著接觸角的增大而減小。

除了接觸角對(duì)墨滴撞擊基板的最大鋪展半徑存在影響，仿真還從不同速度和墨滴尺寸對(duì)墨滴撞擊基板后的最大鋪展半徑的影響進(jìn)行了研究，分別設(shè)置6種不同半徑（R=10、12、13、14、15 μm）以7種不同速度（v=3、4、5、6、7、8、9、10 m/s）撞擊3種不同接觸角的基板（θ=80°、100°、120°），共計(jì)126組仿真，仿真數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，接觸角越小、撞擊速度越大、墨滴尺寸越大，墨滴撞擊基板后的最大鋪展半徑越大，從而在噴印OLED制備中，其處于C落點(diǎn)狀態(tài)時(shí)能在更大的落點(diǎn)偏差下仍使墨滴撞擊像素槽外后動(dòng)態(tài)鋪展的邊緣重新進(jìn)入相應(yīng)的像素槽內(nèi)，因此存在更大的有效范圍的可能性。

2.3 像素槽外散點(diǎn)的鋪展與回流分析

墨滴撞擊基板像素槽外后動(dòng)態(tài)鋪展的邊緣能夠重新進(jìn)入相應(yīng)的像素槽并不意味著墨滴能順利地在像素槽內(nèi)外的潤(rùn)濕性梯度作用下將存在落點(diǎn)偏差的散點(diǎn)拽入像素槽內(nèi)，其還與墨滴鋪展后回彈的速度及像素槽內(nèi)外的接觸角差等因素有關(guān)。本文將以在像素槽外的墨滴沿X軸方向右側(cè)邊緣據(jù)像素槽邊界處的距離d1為指標(biāo)進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 墨滴沿X軸方向右側(cè)邊緣與像素槽邊界處距離d1的示意圖Fig.6 Schematic diagrams of d1, the distance between the right edge of the inkjet droplet along the X axis and the boundary of the pixel pits

圖7是散點(diǎn)回流像素槽內(nèi)的動(dòng)態(tài)示意圖，如圖7所示，當(dāng)處于C落點(diǎn)狀態(tài)下存在落點(diǎn)偏差的墨滴在動(dòng)態(tài)鋪展過(guò)程中左側(cè)邊緣進(jìn)入像素槽內(nèi)時(shí)，在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下，墨滴將重新進(jìn)入像素槽內(nèi)。

圖7 散點(diǎn)回流像素槽內(nèi)的動(dòng)態(tài)示意圖Fig.7 Dynamic diagrams of the scattered point flowing into pixels

2.3.1 不同尺寸散點(diǎn)的鋪展與回流分析

在噴印OLED制備工藝中，不同的噴頭及波形作用下墨滴的尺寸會(huì)產(chǎn)生差異，而墨滴尺寸大小對(duì)鋪展回流的影響主要體現(xiàn)在墨滴撞擊后的最大鋪展半徑上，因此采用圖3所示的LBM數(shù)值仿真參數(shù)，選擇R分別為10、11、12、13 μm的墨滴以速度v=6 m/s撞擊槽內(nèi)外接觸角分別為60°、110°的像素槽基板，墨滴的落點(diǎn)偏差d=15.5 μm；而由表2數(shù)據(jù)可知，半徑R分別為10、11、12、13 μm的墨滴以v=6 m/s的速度撞擊110°平面基板時(shí)的最大鋪展半徑分別為12.75、14.25、16.00、17.75 μm。

圖8是展示了C落點(diǎn)狀態(tài)的不同尺寸的墨滴撞擊像素槽基板后經(jīng)過(guò)800計(jì)算步后的鋪展示意圖，由仿真數(shù)據(jù)分析得到800計(jì)算步時(shí)墨滴近似達(dá)到最大鋪展或墨滴已經(jīng)進(jìn)入像素槽內(nèi)。由圖8可以看出：當(dāng)墨滴尺寸較小時(shí)，其落點(diǎn)偏差大于墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑，因此墨滴沿X軸方向的左側(cè)邊緣不會(huì)進(jìn)入像素槽內(nèi)，從而墨滴在像素槽外鋪展后會(huì)進(jìn)入振蕩回縮階段，最終在像素槽外穩(wěn)定，因此無(wú)法回到像素槽內(nèi)；當(dāng)墨滴尺寸較大時(shí)，其落點(diǎn)偏差小于或等于墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑，因此墨滴在鋪展階段沿X軸方向的左側(cè)邊緣會(huì)進(jìn)入像素槽內(nèi)，并最終在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下重新進(jìn)入像素槽內(nèi)。

圖8 不同尺寸墨滴撞擊像素槽基板的鋪展示意圖Fig.8 Schematic diagram of spreading processes of the droplets with different sizes impacting on pixel’s substrate

墨滴在像素槽外沿X軸方向右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1也可以很好地反映墨滴撞擊像素槽基板后隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。圖9是不同尺寸墨滴撞擊像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)。如圖9所示，當(dāng)墨滴尺寸較?。≧=10、11 μm）時(shí)：墨滴沿X軸方向的右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1先增大再減小至趨于穩(wěn)定，符合墨滴撞擊平面基板后先鋪展再振蕩回縮并最終穩(wěn)定的特點(diǎn)，最終墨滴未能克服散點(diǎn)沉積缺陷沉積在像素槽外，如圖9中綠色框線所示；同時(shí)，兩種尺寸（R=10、11 μm）墨滴在最終穩(wěn)定后d1有一定差距，這主要與墨滴尺寸造成的最終穩(wěn)定狀態(tài)下墨滴鋪展差距有關(guān)。當(dāng)墨滴尺寸較大（R=12、13 μm）時(shí)，墨滴沿X軸方向的右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1先增大再減小至0，d1先增大是墨滴撞擊平面基板的鋪展階段，隨后d1減小至0反映墨滴逐漸流入像素槽內(nèi)至完全流入的過(guò)程，最終墨滴克服散點(diǎn)沉積缺陷成功流入像素槽內(nèi)，如圖9中藍(lán)色框線所示。

圖9 不同尺寸墨滴撞擊像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.9 Time-varying trends of d1 after the droplets with different sizes impacting on pixel’s substrate

仿真結(jié)果反映出：在散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差、像素槽基板接觸角、墨滴撞擊速度一定時(shí)，墨滴尺寸會(huì)對(duì)散點(diǎn)撞擊像素槽基板后是否存在散點(diǎn)沉積缺陷產(chǎn)生影響，其影響主要體現(xiàn)在撞擊后的鋪展動(dòng)態(tài)過(guò)程中，墨滴尺寸越大撞擊像素槽后的最大鋪展半徑越大；當(dāng)最大鋪展半徑大于或等于散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差時(shí)，將在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下重新進(jìn)入像素槽內(nèi)，從而抑制散點(diǎn)沉積缺陷。

2.3.2 不同撞擊速度散點(diǎn)的鋪展與回流分析

撞擊速度對(duì)墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑存在重要影響，且還將影響墨滴撞擊平面基板后的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如擴(kuò)散后反彈回縮的速度等，采用圖3所示的LBM數(shù)值仿真參數(shù)，選擇R為12 μm的墨滴分別以速度v=3、4、6、10 m/s撞擊槽內(nèi)外接觸角分別為60°、110°的像素槽基板，墨滴的落點(diǎn)偏差d=15.5 μm；由表2數(shù)據(jù)可知，半徑R為12 μm的墨滴以v=3、4、6、10 m/s的速度撞擊110°平面基板時(shí)的最大鋪展半徑分別為14.0、14.5、16.0、18.0 μm。

圖10展示了C落點(diǎn)狀態(tài)的不同撞擊速度的墨滴撞擊像素槽基板后的鋪展示意圖。圖10（a）～（d）中，t是由仿真數(shù)據(jù)分析得到墨滴近似達(dá)到最大鋪展半徑或者墨滴左側(cè)邊緣開(kāi)始進(jìn)入像素槽的時(shí)刻。由圖10可以看出：當(dāng)墨滴速度較小時(shí)，其落點(diǎn)偏差大于墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑，因此墨滴沿X軸方向的左側(cè)邊緣不會(huì)進(jìn)入像素槽內(nèi)，從而墨滴在像素槽外鋪展后會(huì)進(jìn)入振蕩回縮階段，最終在像素槽外穩(wěn)定，因此無(wú)法回到像素槽內(nèi)；當(dāng)墨滴撞擊速度較大時(shí)，其落點(diǎn)偏差小于或等于墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑，因此在鋪展階段墨滴沿X軸方向的左側(cè)邊緣會(huì)進(jìn)入像素槽內(nèi)，并最終在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下重新進(jìn)入像素槽內(nèi)。

圖10 不同速度墨滴撞擊像素槽基板的鋪展示意圖Fig.10 Schematic diagram of spreading processes of the droplets with different velocities impacting on pixel’s substrate

圖11是不同速度墨滴撞擊像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)。

圖11 不同速度墨滴撞擊像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.11 Time-varying trends of d1 after the droplets with different velocities impacting on pixel’s substrate

由圖11可知：當(dāng)墨滴速度較小（v=3、4 m/s）時(shí)，墨滴沿X軸方向的右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1先增大再減小，這符合墨滴撞擊平面基板后先鋪展再振蕩回縮的特點(diǎn)，但d1最后有一個(gè)緩慢減小的階段；對(duì)比圖11虛線框中示意圖可知，在振蕩回縮階段的后段，墨滴沿X軸方向的左右側(cè)邊緣與像素槽邊界的距離都在減小，即墨滴在逐漸向左側(cè)移動(dòng)并逐漸靠近像素槽邊界處；與表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，R=12 μm的墨滴以v=4 m/s速度和R=11 μm的墨滴以v=6 m/s速度撞擊基板時(shí)最大鋪展半徑近似，分別為14.25、14.50 μm，但前者在振蕩回縮階段沒(méi)有明顯的墨滴左移的現(xiàn)象，因此，撞擊速度除了影響墨滴撞擊后的最大鋪展半徑外，還影響其回縮階段的回縮速度，撞擊速度越小，回縮越慢，墨滴會(huì)受到潤(rùn)濕性梯度的影響而被牽引向潤(rùn)濕度高的一側(cè)；當(dāng)墨滴尺寸較大（v=6、10 m/s）時(shí)，墨滴右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1先增大再減小至0，d1先增大是墨滴撞擊平面基板的鋪展階段，隨后d1減小至0反映了墨滴逐漸流入像素槽的過(guò)程。

上述結(jié)果反映出：在散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差、像素槽基板接觸角、墨滴尺寸一定時(shí)，墨滴撞擊速度會(huì)影響撞擊像素槽基板后的鋪展回流，其影響主要體現(xiàn)在撞擊后的鋪展動(dòng)態(tài)過(guò)程中，墨滴撞擊速度越大撞擊像素槽后的最大鋪展半徑越大；當(dāng)最大鋪展半徑大于或等于散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差時(shí)，散點(diǎn)將在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下重新進(jìn)入像素槽內(nèi)，從而抑制散點(diǎn)沉積缺陷；撞擊速度除了影響墨滴撞擊后的最大鋪展半徑外，還影響其回縮階段的回縮速度，撞擊速度越小，回縮越慢，因此墨滴會(huì)受到潤(rùn)濕性梯度的影響而被牽引向潤(rùn)濕度高的一側(cè)。

2.3.3 不同像素槽內(nèi)接觸角下散點(diǎn)的鋪展與回流分析

對(duì)于處于C落點(diǎn)狀態(tài)的墨滴如何在潤(rùn)濕性梯度的作用下克服落點(diǎn)偏差流入像素槽，以減少散點(diǎn)沉積缺陷，像素槽內(nèi)外的接觸角是重要的影響因素。像素槽外基板的接觸角能對(duì)墨滴撞擊后的最大鋪展半徑存在重要影響，而像素槽內(nèi)的接觸角還將決定像素槽內(nèi)外的潤(rùn)濕性梯度。

采用圖3所示的LBM數(shù)值仿真參數(shù)，選擇R為12 μm的墨滴以速度v=6 m/s撞擊槽外接觸角110°及槽內(nèi)接觸角分別為30°、50°、70°、90°的像素槽基板，墨滴的落點(diǎn)偏差d=15.5 μm；由表2可知，速度R為12 μm的墨滴以v=6 m/s的速度撞擊110°平面基板時(shí)的最大鋪展半徑為16 μm。圖12展示了C落點(diǎn)狀態(tài)的墨滴撞擊不同像素槽內(nèi)接觸角的像素槽基板后的鋪展示意圖。理論上墨滴的最大鋪展半徑略大于墨滴的落點(diǎn)偏差d，因此墨滴在撞擊后的鋪展階段沿X軸方向的左側(cè)邊緣能成功進(jìn)入像素槽邊界處。由圖12（a）～（d）中t=700時(shí)間步的墨滴鋪展?fàn)顟B(tài)來(lái)看，像素槽外接觸角θ1相同時(shí)，墨滴最大鋪展半徑理論相同，其墨滴左側(cè)邊緣都已進(jìn)入像素槽邊界處。由圖12可知：當(dāng)像素槽內(nèi)接觸角θ2較大，使得像素槽內(nèi)外接觸角差值較小、潤(rùn)濕性梯度較小時(shí)，即使墨滴邊緣已經(jīng)進(jìn)入像素槽邊界處，由于槽內(nèi)外的潤(rùn)濕性梯度不能克服墨滴鋪展后的回縮力，因此墨滴仍然在像素槽外基板上繼續(xù)振蕩回縮至穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)法回到像素槽內(nèi)；當(dāng)像素槽內(nèi)接觸角θ2較小時(shí)，像素槽內(nèi)外接觸角差值較大、潤(rùn)濕性梯度較大時(shí)，在鋪展階段墨滴沿X軸方向的左側(cè)邊緣進(jìn)入像素槽內(nèi)后，槽內(nèi)外足夠的潤(rùn)濕性梯度能克服墨滴鋪展后的回縮力，最終將墨滴牽引入像素槽內(nèi)。同時(shí)，槽內(nèi)接觸角越小、槽內(nèi)外接觸角差值越大時(shí)，壁面潤(rùn)濕性梯度的牽引效果越明顯，能使墨滴左側(cè)邊緣更快進(jìn)入像素槽邊界處，也能使墨滴更快進(jìn)入像素槽內(nèi)。

圖12 墨滴撞擊不同θ2像素槽基板后的鋪展示意圖Fig.12 Schematic diagram of spreading processes of the droplet impacting on the pixel’s substrates with different θ2

圖13是墨滴撞擊不同像素槽內(nèi)接觸角θ2的像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)。由圖13可知：在墨滴鋪展階段（0～700計(jì)算步），墨滴沿X軸方向的右側(cè)邊緣與像素槽邊界處的距離d1變化逐漸增大；像素槽內(nèi)接觸角θ2較大時(shí)，d1減小并最終趨于穩(wěn)定，即墨滴進(jìn)入振蕩回縮狀態(tài)并最終靜止，未能成功在像素槽內(nèi)外潤(rùn)濕性梯度作用下流入像素槽內(nèi)，缺陷抑制失敗，如圖13中紅框內(nèi)所示；像素槽內(nèi)接觸角θ2較小時(shí)，d1逐漸減小并最終減小至0，即墨滴在像素槽內(nèi)外潤(rùn)濕性梯度作用下成功流入像素槽內(nèi)，散點(diǎn)沉積缺陷得到了抑制，如圖13中藍(lán)框內(nèi)所示；同時(shí)，θ2越小，d1減小的速度越快，即像素槽內(nèi)外接觸角差值越大，潤(rùn)濕性梯度越大，進(jìn)而牽引墨滴流入像素槽內(nèi)的速度越快。

圖13 墨滴撞擊不同θ2像素槽基板后d1隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.13 Time-varying trends of d1 after the droplet impacting on the pixel’s substrates with different θ2

上述結(jié)果反映出：當(dāng)散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差、墨滴撞擊速度、墨滴尺寸、像素槽外接觸角一定時(shí)，墨滴撞擊像素槽內(nèi)接觸角會(huì)影響對(duì)撞擊像素槽基板后的鋪展回流，其影響主要體現(xiàn)在墨滴撞擊像素槽內(nèi)接觸角越小，撞擊像素槽內(nèi)外接觸角差值越大、潤(rùn)濕性梯度越大，對(duì)處于疏水側(cè)的墨滴牽引作用越大。只有當(dāng)像素槽內(nèi)外接觸角造成的潤(rùn)濕性梯度足夠時(shí)，在撞擊鋪展后左側(cè)邊緣進(jìn)入像素槽邊界處的墨滴才能被牽引重新流入像素槽內(nèi)，散點(diǎn)沉積缺陷即得到抑制。同時(shí)，像素槽內(nèi)外接觸角造成的潤(rùn)濕性梯度越大，墨滴能更快地流入像素槽內(nèi)。由此可知，C狀態(tài)下的墨滴撞擊后邊緣進(jìn)入像素槽邊界處只是其能流入像素槽內(nèi)的充分條件，像素槽內(nèi)外基板的潤(rùn)濕性梯度才是影響其是否流入的最重要因素。

2.4 接觸角對(duì)墨滴有效沉積區(qū)域的影響分析

由第2.3節(jié)仿真結(jié)果可知，像素槽基板的接觸角大小和像素槽內(nèi)外的接觸角差值對(duì)墨滴的鋪展及散點(diǎn)流入像素槽內(nèi)有重要的影響，像素槽外的基板接觸角影響C落點(diǎn)狀態(tài)的墨滴在撞擊后的鋪展回縮過(guò)程及最大鋪展半徑，像素槽內(nèi)外的接觸角差影響槽內(nèi)外的潤(rùn)濕性梯度大小，從而影響墨滴在潤(rùn)濕性梯度下的自發(fā)流動(dòng)，最后對(duì)墨滴邊緣進(jìn)入像素槽邊界處的散點(diǎn)產(chǎn)生不同的牽引力，最終成為散點(diǎn)最終是否流入像素槽內(nèi)的重要影響因素。采用圖3所示的LBM數(shù)值仿真參數(shù)，選擇R分別為12 μm的墨滴以速度v=6 m/s撞擊不同接觸角（θ1=80°、90°、100°，θ2=30°、40°、50°、60°、70°、80°）像素槽基板進(jìn)行共30組仿真，以墨滴在接觸角為θ1的平面基板上的最大鋪展半徑為參考設(shè)置落點(diǎn)偏差d，每次仿真實(shí)驗(yàn)落點(diǎn)偏差變化0.5 μm，通過(guò)觀察計(jì)算10 000時(shí)間步后的仿真結(jié)果，得到能使得C落點(diǎn)狀態(tài)的墨滴流入像素槽內(nèi)的落點(diǎn)偏差。圖14是不同槽外接觸角下像素槽內(nèi)接觸角變化時(shí)墨滴落點(diǎn)偏差的相圖。

圖14 不同槽外接觸角θ1下像素槽內(nèi)接觸角θ2變化時(shí)墨滴有效落點(diǎn)偏差的相圖Fig.14 Phase diagrams of effective droplet deviations of varying θ2 under different θ1

圖14（a）～（e）中：黑色折線為墨滴落點(diǎn)偏差d有效性的臨界線；白色區(qū)域在有效分界線的上方，即白色區(qū)域?yàn)槟蔚穆潼c(diǎn)偏差d大于臨界值，當(dāng)前的槽內(nèi)外接觸角下，墨滴的落點(diǎn)偏差d不能使得C落點(diǎn)狀態(tài)下的墨滴流入像素槽內(nèi)，從而不能成功抑制散點(diǎn)沉積缺陷；灰色區(qū)域在有效分界線的下方，即灰色區(qū)域?yàn)槟蔚穆潼c(diǎn)偏差d小于臨界值，當(dāng)前槽內(nèi)外接觸角下，墨滴的落點(diǎn)偏差d能使得C落點(diǎn)狀態(tài)下的墨滴流入像素槽內(nèi)，從而成功抑制散點(diǎn)沉積缺陷；橫向藍(lán)色直線為墨滴在接觸角為θ1的平面基板上的最大鋪展半徑。由圖14（a）～（e）都可以看出：槽外接觸角θ1不變的情況下，落點(diǎn)偏差d的臨界值即有效落點(diǎn)偏差值隨槽內(nèi)接觸角θ2增大而減小，這是因?yàn)棣?的增大導(dǎo)致內(nèi)外接觸角差值減小，因此，槽內(nèi)外潤(rùn)濕性梯度減小，對(duì)墨滴產(chǎn)生的吸引力減小，使得墨滴的有效落點(diǎn)偏差值隨之減小，則C落點(diǎn)狀態(tài)墨滴流入像素槽內(nèi)的落點(diǎn)要求更高，有效落點(diǎn)范圍變小。同時(shí)，橫向藍(lán)色直線與落點(diǎn)偏差d有效臨界線的交點(diǎn)隨著θ1增大逐漸右下移動(dòng)，即表示θ1越大，墨滴在接觸角為θ1的平面基板上的最大鋪展半徑越小，最大鋪展半徑作為落點(diǎn)偏差理論值所對(duì)應(yīng)的像素槽內(nèi)接觸角θ2越大。

圖15是拓展后的有效沉積區(qū)域示意圖，其由像素槽內(nèi)區(qū)域及沿像素槽邊界向外擴(kuò)展dint的區(qū)域（如圖15中陰影區(qū)）構(gòu)成。dint為落點(diǎn)偏差臨界值。

圖15 拓展后的有效沉積區(qū)域示意圖Fig.15 Schematic diagrams of the extended effective deposition area

由圖14和15可知：C落點(diǎn)狀態(tài)下墨滴的有效落點(diǎn)范圍是在像素槽邊界基礎(chǔ)上，向外以落點(diǎn)偏差臨界值dint寬度延展一圈，這也驗(yàn)證了有效落點(diǎn)范圍內(nèi)的墨滴是不存在散點(diǎn)沉積缺陷的。同時(shí)，當(dāng)像素槽內(nèi)外角度差較大（ ≥50°）時(shí)，墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑可以作為理論值來(lái)確定dint，從而拓寬C落點(diǎn)狀態(tài)下墨滴的有效落點(diǎn)范圍作為噴印OLED制備中打印精度控制的參考，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中采用的200型噴印設(shè)備是面向大面積顯示器件工業(yè)制造工藝的實(shí)驗(yàn)級(jí)樣機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)OLED薄膜圖案精細(xì)、高均勻度打印需求，在200型設(shè)備上進(jìn)行的工藝主要包括：HIL、HTL和EML的噴墨打印、真空干燥成膜及熱烘烤成膜。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)墨滴基本狀態(tài)觀測(cè)與墨滴沉積缺陷抑制措施的驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：

1）墨滴撞擊疏水基板觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)視覺(jué)觀測(cè)中的下視系統(tǒng)完成墨滴撞擊在疏水基板的觀測(cè)，下視系統(tǒng)采用兩個(gè)相機(jī)（高倍、低倍），微觀觀測(cè)主要由高倍相機(jī)完成。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)于墨滴在親水基板上的沉積形態(tài)很難觀察，因此選擇在疏水基板上進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)，基板的接觸角約為140°，分別在基板上打印3、4、6滴墨滴，由墨滴觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)得打印墨滴體積的平均值為11.23 pL。

2）墨滴沉積缺陷抑制措施的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)打印波形設(shè)置控制墨滴直徑和撞擊速度，像素槽內(nèi)外接觸角是基板預(yù)處理后形成的。通過(guò)在距離像素槽長(zhǎng)邊一定距離的位置打印墨滴，觀察其最終是否會(huì)落入像素槽內(nèi)來(lái)進(jìn)行有效沉積區(qū)域的驗(yàn)證。像素槽頂接觸角約為140°，像素槽內(nèi)接觸角約為20°，墨滴撞擊速度約為6 m/s。圖16是墨滴有效沉積區(qū)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖。如圖16所示，新增變量D1，D1是噴頭校準(zhǔn)后當(dāng)前噴孔與左側(cè)像素槽長(zhǎng)邊最右端的距離。先根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)未笮〖八俣?，設(shè)定Dmax；再按照D1每次減小1 μm進(jìn)行打??；打印完采用下視系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)并保存當(dāng)前圖像，直至墨滴進(jìn)入像素槽內(nèi)停止實(shí)驗(yàn)。

圖16 墨滴有效沉積區(qū)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig.16 Schematic diagrams of experiment design of the droplet’s effective deposition area

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的分析如下：

1）墨滴撞擊疏水基板觀測(cè)結(jié)果

圖17是不同體積墨滴在疏水基板上的沉積圖像，是打印后利用觀測(cè)系統(tǒng)的下視相機(jī)拍攝到的多墨滴在接觸角較大的疏水基板上融合后的最終靜止?fàn)顟B(tài)。

圖17 不同體積墨滴在疏水基板上的沉積圖像Fig.17 Deposition on hydrophobic substrate of the droplets with different volumes

通過(guò)上述觀測(cè)實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)前設(shè)備具備對(duì)墨滴最終靜止?fàn)顟B(tài)的圖像捕捉和測(cè)量的能力。

2）墨滴沉積缺陷抑制措施的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)前200型噴印設(shè)備上的定位誤差為X≤±7.5 μm，Y≤±7.5 μm，這是由于光柵與大理石膨脹系數(shù)較大，當(dāng)溫度、濕度等環(huán)境變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定位誤差。利用高精度激光干涉儀與環(huán)境補(bǔ)償單元對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合測(cè)量結(jié)果修正控制器相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以減少定位誤差。同時(shí)，使用墨滴觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)墨滴飛行狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整噴頭平面度、平行度及波形控制墨滴撞擊速度和方向，使得補(bǔ)償后測(cè)得的穩(wěn)定狀態(tài)打印誤差僅為±1 μm，因此本次實(shí)驗(yàn)中墨滴的落點(diǎn)在沿像素槽長(zhǎng)軸方向的最大誤差為1 μm。

圖18是墨滴有效沉積區(qū)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖18可以看到：當(dāng)當(dāng)前噴孔與左側(cè)像素槽長(zhǎng)邊最右端的距離d＞16 μm時(shí)，存在打印定位誤差的墨滴最終穩(wěn)定在像素槽外，且不能進(jìn)入鄰近像素槽；而在當(dāng)前噴孔與左側(cè)像素槽長(zhǎng)邊最右端的距離d≤16 μm時(shí)，打印墨滴盡管存在一定的定位誤差，但依然可以順利進(jìn)入鄰近像素槽內(nèi)。因此，實(shí)際的沉積有效范圍比預(yù)估的像素槽形狀大，且具有16 μm可向外擴(kuò)展的空間。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：有效范圍的拓展可以指導(dǎo)生產(chǎn)時(shí)如何避開(kāi)散點(diǎn)沉積缺陷，從而達(dá)到抑制缺陷的效果；在出現(xiàn)散點(diǎn)缺陷時(shí)也可根據(jù)缺陷確定當(dāng)前的定位誤差已經(jīng)超過(guò)一定值，給生產(chǎn)時(shí)的缺陷原因的確定提供參考。

圖18 墨滴有效沉積區(qū)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Experiment results of the droplet’s effective deposition area

4 結(jié) 論

本文利用LBM 3維數(shù)值仿真對(duì)散點(diǎn)沉積缺陷進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了擴(kuò)大墨滴有效沉積區(qū)域的方法來(lái)抑制散點(diǎn)沉積缺陷。對(duì)不同參數(shù)下墨滴撞擊平面基板后鋪展動(dòng)態(tài)過(guò)程中的最大鋪展半徑進(jìn)行了研究，對(duì)不同參數(shù)下墨滴撞擊像素槽基板后的鋪展回流動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析，可以得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)LBM研究不同參數(shù)下墨滴撞擊基板后的鋪展?fàn)顟B(tài)，發(fā)現(xiàn)接觸角越小、撞擊速度越大、墨滴尺寸越大，墨滴撞擊基板后的最大鋪展半徑越大。

2）墨滴撞擊后的鋪展動(dòng)態(tài)過(guò)程中，當(dāng)最大鋪展半徑大于或等于散點(diǎn)的落點(diǎn)偏差時(shí)，將在足夠的像素槽基板內(nèi)外接觸角差值引起的潤(rùn)濕性梯度牽引下重新進(jìn)入像素槽內(nèi)，從而抑制散點(diǎn)沉積缺陷。撞擊速度還影響其回縮階段的回縮速度，撞擊速度越小，回縮越慢，因此墨滴會(huì)受到潤(rùn)濕性梯度的影響而被牽引向潤(rùn)濕度高的一側(cè)。

3）當(dāng)像素槽內(nèi)外接觸角造成的潤(rùn)濕性梯度足夠時(shí)，在撞擊鋪展后邊緣進(jìn)入像素槽邊界處的墨滴才能被牽引重新流入像素槽內(nèi)，從而抑制散點(diǎn)沉積缺陷。

4）本文提出的墨滴撞擊平面基板后的最大鋪展半徑可以作為理論值來(lái)確定落點(diǎn)偏差臨界值從而拓寬墨滴的有效落點(diǎn)范圍，作為噴印OLED制備中打印精度控制的參考，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

未來(lái)還將針對(duì)噴印OLED制備中打印中的實(shí)際問(wèn)題，如像素槽內(nèi)多墨滴的沉積成膜、干燥成形等進(jìn)行更深入的數(shù)值仿真分析，將仿真分析融入生產(chǎn)制造的指導(dǎo)中。