EP3538373B1

EP3538373B1 - Verfahren zum bedrucken eines substrats mit variierendem muster von landezonen mittels ink-jet-druck

Info

Publication number: EP3538373B1
Application number: EP17838120.8A
Authority: EP
Inventors: Andreas DÖBELT; Rolf Schneider; Jan Schönefeld; Michael Doran
Original assignee: Plastic Logic Hk Ltd; Notion Systems GmbH
Current assignee: Plastic Logic Hk Ltd; Notion Systems GmbH
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: US20190337302A1; CN110167761A; CN110167761B; RU2736450C1; EP3538373A1; WO2018099583A8; US10981394B2; WO2018099583A1; PL3538373T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mittels Ink-Jet-Druck. Dabei sind auf dem Substrat Landezonen, die einem Landezonentyp entsprechen, in einem Landezonenraster, bestehend aus Landezonenzeilen und dazu senkrecht ausgerichteten Landezonenreihen, vorgegeben. Das Landezonenraster wird relativ zum Druckkopf derart ausgerichtet, dass die Landezonenreihen im Wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen, und die Ansteuerung des Druckkopfes derart erfolgt, dass ein oder mehrere Tropfen einer oder mehrerer Druckkopfdüsen ein Muster von Landepunkten innerhalb der Landezone erzeugen. Dabei erzeugen die Druckkopfdüsen fiktive Düsenlinien auf der Substratoberfläche mit einer den Abstand zwischen den Düsenlinien repräsentierenden Lateralauflösung.
Ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats ist in US 2014/184683 A1 offenbart.
Insbesondere betrifft die Erfindung das Bedrucken sowohl von starren als auch von flexiblen Substraten, bei welchem eine vorgegebene Menge funktionale Flüssigkeit (hier Tinte genannt) in mehrere Landezonen wie z.B. Sensorflächen, Pixel, Reaktionsflächen für Medizinanwendungen etc. dosiert werden soll.
Voraussetzung des Verfahrens ist natürlich, dass die Lage der Landezonen auf dem Substrat zumindest näherungsweise bekannt sein muss.
Zur Feststellung der Lage der Landezonen besteht bekanntermaßen die Möglichkeit, die Orientierung des Substrats relativ zu den Druckköpfen zu ermitteln, beispielsweise durch eine Kamera welche Ausrichtmarkierung auf dem Substrat aufnimmt und mit einem nachfolgendem Mustererkennungsverfahren die Koordinatenlage des Substrats bestimmt wird. Die Ausrichtmarkierungen wurden in vorangegangen Produktionsschritten auf das Substrat aufgebracht und repräsentieren somit die Geometrie des Substrats im Mustererkennungsprozess.
Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die Orientierung des Substrats und die Lage einzelner Landezonen direkt zu bestimmen, also nicht aus der durch vorherige Produktionsschritte aufgebrachte Ausrichtmarkierungen sondern beispielsweise durch eine Erkennung der Landezonen infolge einer Kennzeichnung derselben, beispielsweise durch eine physikalische Aktivierung.
Ein Substrat kann einen oder mehrerer Typen von Landezonen aufweisen. Unterschiedliche Typen von Landezonen können beispielsweise mit unterschiedlichen Tinten zu dosieren sein oder unterschiedliche Geometrien aufweisen. Weiterhin können mehrere Substrate gleichzeitig prozessiert werden.
Hierin wird von folgenden Begriffen ausgegangen.

Druckrichtung:
Die Druckrichtung ist die Richtung in der der Druckkopf relativ zum Substrat unter Ausbringung von Tropfen mittels Druckkopfdüsen bewegt wird.
Düsenline:
Die Bewegung des Druckkopfes erfolgt in der Regel als eine Linearbewegung. Die Projektion auf die Oberfläche des Substrats einer dabei vollzogenen Bewegungslinie einer Druckkopfdüse wird als Düsenlinie bezeichnet. Dabei ist die Düsenlinie nicht physisch vorhanden; sie ist vielmehr fiktiv.
Landezonen:
Als Landezonen werden Bereiche auf dem Substrat bezeichnet, in denen eine vorgegebene Menge funktionaler Flüssigkeit (hier Tinte genannt) dosiert werden soll. Diese Landezonen können beispielsweise dem Aufbau von Sensorflächen, Pixel, Reaktionsflächen für Medizinanwendungen etc. dienen. Die Landezonen haben eine vor dem Drucken bereits definierte Sollposition.
Landezonentyp:
Ein Substrat kann einen oder mehrere Landezonentypen aufweisen. Unterschiedliche Landezonentypen können beispielsweise mit unterschiedlichen Tinten, Tintenmengen, Landepunkten oder dgl. zu dosieren sein oder unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Landezonenraster:
Das auf dem Substrat zu erzeugende Muster wird aus einem Landezonenraster, das in Landezonenreihen und Landezonenzeilen geordnet ist, erzeugt. Wird das Landezonenraster relativ zur Bewegung des Druckkopfes ausgerichtet, so bilden die in Druckrichtung hintereinanderliegenden Landezonen die Landezonenreihen und die senkrecht zur Druckrichtung nebeneinanderliegenden Landezonen die Landezonenzeilen.
Ansteuern einer Druckkopfdüse:
Das Ansteuern einer Druckkopfdüse bewirkt das Ausbringen eines Tropfens aus der Druckkopfdüse. Durch das Ansteuern kann weiterhin das Tropfenvolumen und/oder die Tropfenzahl gesteuert werden.
Landepunkt:
Als Landepunkt wird der Flächenschwerpunkt einer Fläche auf dem Substrat bezeichnet, die durch das Auftreffen eines Tropfens Tinte aus einer Druckkopfdüse benetzt wird.
Lateralauflösung:
Unter der Lateralauflösung wird die Anzahl der Düsenlinien pro Längeneinheit verstanden, die zueinander einen kleinsten Abstand a zwischen den Düsenlinien aufweisen. Der kleinste Abstand a kann durch folgende Maßnahmen einzeln oder in Kombination verändert werden:
1. a) durch eine Erhöhung der Anzahl von Druckdüsen pro Längeneinheit einer Druckkopfdüsenzeile und/oder
2. b) durch Anordnung mindestens einer zu einer ersten Druckkopfdüsenzeile quer zur Druckrichtung versetzten zweiten Druckkopfdüsenzeile und /oder
3. c) durch eine statische Verdrehung des Druckkopfes derart dass seine Druckkopfdüsenzeile(n) einen Winkel zwischen >0° und <90° zur Druckrichtung einschließen und/oder
4. d) durch ein n-faches Überfahren des Druckkopfes relativ zum Substrat, wobei der Druckkopf bei jeder Überfahrt beispielsweise um einen Betrag $x = i * a + \frac{a}{n},$
  mit i = 0, 1, 2, 3... quer zur Druckrichtung verschoben wird. Eine Erhöhung der Lateralauflösung bedeutet dabei eine Verringerung des Abstandes a.
Düsenansteuerschema:
Es kann vorgesehen werden, dass der Vorgabe zur Ansteuerung der Düsen eine Ansteuerungsalgorithmus überlagert wird, der festlegt welche der Druckkopfdüsen, die eigentlich angesteuert werden könnten, da ihre Düsenlinie eine Landezone schneiden, nicht angesteuert werden.

Stand der Technik des eingangs genannten Verfahrens zum Dosieren von funktionalen Flüssigkeiten auf Substraten ist es, dass eine solche Dosieraufgabe mittels Dispensern, Chemischer Gasphasenabscheidung, analogen Druckverfahren sowie dem Inkjet-Druck durchgeführt wird. Die Erfindung bezieht sich auf den Inkjet-Druck.
Es ist generell in vielen Anwendungen vorteilhaft, die Variation der dosierten Menge pro Landezonetyp zu begrenzen, beispielsweise um aktives OLED Material oder auch Farbfilter für Displays, aber auch aktive Sensormaterialien reproduzierbar zu dosieren, so dass im fertigen Produkt die Variation der funktionalen Eigenschaften der Landezonen innerhalb eines Substrats vorgegebene Grenzen nicht überschreitet. Dies ist notwendig, um beispielsweise die Leuchtstärkenvariation innerhalb eines Displays aber auch die Variation der Sensitivität eines Signals von Sensor zu Sensor als Teil eines Muttersubstrats innerhalb der tolerierbaren Grenzen zu halten.
Bei der Anwendung des Inkjet-Drucks zur Dosierung ist es Stand der Technik, dass in den Landezonen, welche die gleiche Funktion erfüllen sollen die exakt selbe Anzahl von Inkjet-Tropfen auf den Landepunkten platziert wird.
Es ist weiterhin Stand der Technik, dass durch die Rotation der Druckköpfe und/oder des Substrats versucht wird, die Lateralauflösung vorteilhaft an jene des Landezonenrasters anzupassen. Diese Anpassung wird durchgeführt, damit eine möglichst große Anzahl der Düsenlinien die Landezonen schneidet.
Es gibt Situationen, in denen die Anpassung der Lateralauflösung durch Rotation auf das Landezonenraster nicht durchführbar ist, oder aber die aufwändige Rotation von Druckköpfen und/oder Substraten gänzlich vermieden werden soll oder aber ein Druckkopf zum Einsatz kommen soll, welcher keine kontinuierliche Anpassung der Auflösung durch Rotation zulässt, wie beispielsweise leistungsfähige moderne Druckköpfe mit mehr als einer Düsenzeile.
Nicht praktikabel durchführbar ist die Rotation der Druckköpfe und/oder des Substrats beispielsweise in folgenden Situationen:

a) Das Substrat weist einen produktionsbedingten Verzug des Landezonenrasters zur einem ideal orthogonalen Landezonenraster auf, der eine Ausrichtung der Düsenlinien an eine große Zahl von Landezonen des Substrats nicht erlaubt. Dies ist beispielsweise bei flexiblen Substraten der Fall.
b) Die Landezonen sind nicht hinreichend gleichmäßig auf einem Raster verteilt - entweder produktionsbedingt oder absichtlich - so dass keine praktikable Ausrichtung gefunden werden kann.

Die Erfindung betrifft die oben beschriebenen Situationen, in welchen die Anpassung der Lateralauflösung an das Landezonenraster durch eine Rotation von Druckkopf relativ zum Substrat oder - genauer gesagt - zur Druckrichtung nicht durchgeführt werden soll oder nicht durchführbar ist bzw. nicht vorteilhaft ist.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mittels Ink-Jet-Druck anzugeben, mit dem ein genaues Bedrucken eines gegenüber einem ideal orthogonalen Landepunktraster verschobenen, verdrehten oder verzerrten, insbesondere nicht linear verzerrten Landepunktrasters mit geringem Aufwand zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art

1. die Lateralauflösung so groß gewählt wird, dass der kleinste Abstand der Düsenlinien kleiner ist als der minimale Abstand zwischen den Landezonenreihen und
2. dass bei einer durch das Substrat vorgegebenen Variation des Abstandes benachbarter Landezonenreihen zwischen verschiedenen Landezonenzeilen (Verzerrung) die Lage der Landezonen einer Landezonenzeile relativ zu den Düsenlinien ermittelt wird und daraus nur die Druckkopfdüsen, deren Düsenlinie eine Landezone schneiden, entsprechend einem Düsenansteuerschema und dem entsprechenden Landezonentyp angesteuert werden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lateralauflösung durch die Wahl eines Druckkopfes mit einer Anzahl von Druckdüsen in einer Druckkopfdüsenzeile, deren Abstand geringer ist, als der minimale Abstand der Landezonenreihen, erhöht wird.
Das Verfahren kann dadurch ausgestaltet werden, dass die Lateralauflösung durch die Wahl eines Druckkopfes erhöht wird, bei dem mindestens eine zu einer ersten Druckkopfdüsenzeile quer zur Druckrichtung versetzten zweiten Druckkopfdüsenzeile angeordnet ist.
Es ist auch möglich, dass die Lateralauflösung durch eine Verdrehung des Druckkopfes relativ zur Druckrichtung erhöht wird, derart dass seine Druckkopfdüsenzeile(n) einen Winkel zur Druckrichtung zwischen >0° und <90° einschließen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Lateralauflösung durch ein n-faches Überfahren des Druckkopfes relativ zum Substrat erhöht wird, wobei der Druckkopf bei jeder Überfahrt quer zur Druckrichtung verschoben wird.
Eine Variante ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf bei jeder Überfahrt um einen Betrag x=i*a+a/n,mit i=0,1,2,3... verschoben wird.
Zum Ausgleich eines Moire-Effekts ist vorgesehen, dass die Position der Landepunkte innerhalb ihrer Landezonen randomisiert wird. Da die Positionen der Landepunkte damit innerhalb der zulässigen Grenzen zufällig gewählt werden, werden Wiederholungsmuster, die aufgrund ihrer Wiederholungsstruktur sichtbar würden, vermieden. Die Positionierung der Landepunkte kann dann durch Addition oder Subtraktion eines zufällig gewählten Wertes in den Lagekoordinaten erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Muster von Landepunkten in einer einzelnen Landezone durch mehr als eine, vorteilhaft mehrere Düsen bedruckt wird. Auch dadurch kann eine Wiederholstruktur vermieden werden.
Eine weitere Möglichkeit der Vermeidung von Wiederholungsstrukturen besteht darin, dass das Muster der Landepunkte von Landezone zu Landezone um ein oder mehrere Lateralauflösungsschritte zufällig verschoben wird.
Hierbei ist es möglich, dass die Ansteuerung der Düsen für eine jeweilige Landezone zufällig oder pseudozufällig erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Muster der Landepunkte durch eine Kombination von Düsen mit unterschiedlichen Tropfenvolumina so gewählt wird, dass die in gleichartige Landezonen abgesetzte Tintenmenge um maximal 10% abweicht.
Zur Einstellung der Tintenmenge in einer Landezone ist es möglich, dass die Dosierung von Tropfen in eine Landezone so erfolgt, dass diejenigen Düsen, welche die entsprechende Landezone in Folge der Relativbewegungen überstreichen, eine definierte Anzahl von Tropfen auf einen oder mehrere Landepunkte innerhalb der Landezone aufbringen.
Dabei ist es möglich, dass die Anzahl der Tropfen in dem Düsenansteuerschema oder in dem Landezonentyp festgelegt wird.
Zur Bestimmung der Lage und der Verzerrung ist vorgesehen, dass die Lage der Landezonen bestimmt wird, indem Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat gescannt werden, dass deren Istpositionen mit Sollpositionen eines unverzerrten Substrats verglichen werden, dass daraus über lineare Lageabweichungen und Winkelabweichungen des Substrats hinausgehende Verzerrungen innerhalb des Substrats ermittelt werden und dass mittels eines mathematischen Modells die Lage der Landezonen entsprechend der Verzerrungen des Substrat berechnet werden.
Es ist möglich, dass Landezonen als Ausrichtmarkierungen verwendet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1: ein Beispiel eines RGB(W)-Pixels, bestehend aus vier Landezonen,
Fig. 2: ein Beispiel RGB-Pixels, bestehend aus drei Landezonen,
Fig. 3: ein Beispiel eines RGB-Pixels auf einem flexiblen EPD,
Fig. 4: eine Darstellung der Toleranzen für die Farbpixelposition im TFT-Pixelbereich mit vier Landezonen,
Fig. 5: eine longitudinale Druckauflösung in Druckrichtung gesteuert durch die Strahlfrequenz,
Fig. 6: eine Lateralauflösung (in y-Richtung), gesteuert vom Druckkopfwinkel,
Fig. 7: ein einfarbiges Tröpfchen auf einem Landeplatz innerhalb einer Landezone,
Fig. 8: eine Farbpixelmatrix mit 3x3 Landeplätzen innerhalb einer Landezone,
Fig. 9: eine typische nichtlineare Verzerrung von Pixelpositionen in flexiblen Displays nach dem Lösen vom starren Träger, blau = Designpositionen, rot = aktuelle Positionen,
Fig. 10: Designdaten von Ausrichtungsmarken und Pixelpositionen,
Fig. 11: eine Darstellung der Messung von Ausrichtungsmarken,
Fig. 12: eine Darstellung einer Rotationskorrektur,
Fig. 13: eine Darstellung einer Vergrößerungskorrektur,
Fig. 14: eine Darstellung einer Berechnung von Pixelpositionen (Landezonen) entlang Polynomen basierend auf der Ermittlung von Ausrichtungsmarkenpositionen,
Fig. 15: ein schematisches Beispiel der Verzerrungskompensation,
Fig. 16: eine schematische Darstellung der Wirkungsweise von gesteuerten Druckkopfdüsen während des linearen Druckbandes zur Korrektur der Verzerrung,
Fig. 17: eine Darstellung, dass eine größere Lücke zwischen den Pixeln eine systematische optische Kontraständerung erzeugt, und
Fig. 18: eine randomisierte Pixelverschiebung in y-Richtung.

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Bedrucken von flexiblen Substraten.
Das Drucken von Farbfiltern direkt auf die Oberfläche einer aktiven Matrixanzeige ist eine bekannte Technologie. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, werden üblicherweise drei Farben (RGB = rot, grün, blau) auf Subpixel eines hochauflösenden Pixelarrays gedruckt, was zu einer RGB-Anzeige führt. Dabei stellen die Subpixel im Sinne der Erfindung Landezonen dar. Folglich werden die Pixelarrays mittels Landezonen-Arrays erzeugt.
Übliche Pixelanzahlen in einer aktiven Matrixanzeige liegen zwischen einigen Tausend und einigen Millionen Pixeln pro Anzeige. Übliche Bildschirmauflösungen liegen zwischen 50ppi und über 300ppi.
Übliche Farbfilter-Arrays sind RGB oder RGBW (RGBW = rot, grün, blau, weiß, wobei W nicht gedruckt wird). Während in diesem Ausführungsbeispiel jede Farbe nur eine Geometrie der Landezone aufweist und insbesondere die Geometrie der Landezonen R,G und B im Beispiel gleich gewählt ist, kann im Allgemeinen die Geometrie der Landezonen auch unterschiedlich sein und mehr als eine Geometrie d.h. mehr als ein Landezonentyp pro Farbe existieren.
Als Beispiel eines flexiblen Substrats soll ein flexibles EPD (EPD = electronic paper display) dienen. Wie in Fig. 3 dargestellt, beträgt dabei die ursprüngliche s/w-Auflösung (s / w = schwarz / weiß) 150 ppi mit jeweils 170 µm TFT-Pixelgröße (TFT = Thin Film Transistor). Um eine Farbanzeige zu erzeugen, wird ein RGB-Filter oben auf das s/w-TFT-Pixel gedruckt, wobei jedes Farbpixel gewöhnlich etwas kleiner ist als die TFT-Pixelgröße (z.B. 150 µm). Die resultierende Farbanzeigeauflösung liegt hier bei 75 ppi.
Ein wichtiges Kriterium ist die Platzierung von Farbpixeln, die aus Landepunkten von Ink-Jet-Tropfen bestehen, in jedem TFT-Pixel, d.h. jeder Landezone, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Während andere Kriterien ebenso gelten könnten, ist es eine Bedingung, dass das Farbpixel innerhalb des TFT-Pixels nicht in benachbarte TFT-Pixel übergreifen darf, sondern für alle Pixel über eine aktive Matrixanzeige innerhalb des TFT-Pixelbereichs liegen muss.
Typischerweise hat ein Druckfarbfilter, welches mittels Ink-Jet erzeugt wird, die folgenden Verfahrensschritte:

1. Eine Funktionserkennungskamera erkennt mehrere Ausrichtungsmarkierungen (normalerweise 4) innerhalb der aktiven Matrix oder außerhalb der aktiven Matrix (Ausrichtungsmarkierungen, die normalerweise während des Prozessablaufs des TFT-Arrays erzeugt werden). Alle TFT-Pixelpositionen der aktiven Matrixanzeige in Bezug auf die Ausrichtungsmarkierungen sind durch die Gestaltung der Anzeige bekannt.
2. Abhängig von der Platzierung des Display-Substrats auf einem Haltetisch der Ink-Jet-Druckmaschine kann diese einen x- und y-Offset kompensieren, indem sie den Haltetisch oder den Druckkopf zur Korrektur der Startposition bewegt und die Drehung normalerweise durch Drehen des Haltetischs in die gewünschte Position ausgleicht.
3. Die Ink-Jet-Druckmaschine beginnt mit dem Drucken mit linearen Druckkopfstreifen über das Substrat (normalerweise bewegt sich der Haltetisch in Druckrichtung (x-Richtung in Richtung der Druckstreifen) und die Druckköpfe bewegen sich quer zur Druckrichtung (y-Richtung).
4. Die Steuerung der Landepunkte (Longitutinalauflösung) in x-Richtung (Druckrichtung) erfolgt durch Steuerung der Ausstoßfrequenz von Druckkopf und Haltetischgeschwindigkeit, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
5. Die Auflösung in y-Richtung wird durch die native Auflösung des Druckkopfes angegeben. Die Auflösung in y-Richtung kann erhöht werden, indem der Druckkopf entsprechend gedreht wird, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.
6. Wie in Fig. 7 und 8 dargestellt, kann die Erzeugung von Farbpixeln in jedem TFT-Pixel durch ein einfarbiges Tintentröpfchen oder durch Ausstoßen einer Matrix von mehreren Farbtintentröpfchen innerhalb jedes TFT-(Sub-)Pixelbereichs (Landezone) erfolgen.

Typische FarbInk-Jetdrucker für den Farbfilterdruck auf einer Aktivmatrixanzeige verwenden Druckköpfe mit einer nativen Auflösung von bis zu 600 ppi und einer Einzeltröpfchengröße von > 30 µm.
Aktivmatrix-Anzeigearrays weisen üblicherweise eine orthogonale (lineare/rechteckige) Anordnung von TFT-Pixeln über den Anzeigebereich auf. Der oben beschriebene Farbfilterdruckprozess beruht auf der genauen Position jedes Subpixels und äußerer Justiermarken, die nur geringe Abweichungen zulassen (maximal einige um). Dies ist kein Problem, da typischerweise aktive Display-Arrays auf starren Glassubstraten erzeugt werden.
Auch der Druckprozess einer flexiblen Anzeige mit hoher Auflösung wird üblicherweise durchgeführt, während das flexible Substrat mit einem starren Glasträger verbunden ist. Solange das Substrat Glas ist oder mit Glas verbunden ist, bleibt die Anordnung starr und das folgende Farbfilterdruckverfahren kann sich auf bekannte Subpixelpositionen in Bezug auf die Ausrichtungsmarkierungen stützen, wie sie durch das Design vorgegeben sind.
Für einen Herstellungsprozess von Display auf flexiblen Substraten kann der Herstellungsfluss ein Farbfilterdrucken erfordern, nachdem das flexible Substrat (mit dem fertiggestellten TFT-Array-Verfahren) von dem starren Glasträger gelöst ist. Während jedes flexible Substrat (z. B. PEN, PI, PET, ...) von seinem starren (Glas-)Träger gelöst wird, erfährt das flexible Substrat eine signifikante Verzerrung. Sowohl die Ausrichtungsmarkierungen als auch die TFT-Pixelpositionen des Anzeigefelds werden sich nichtlinear verschieben.
Die Größe der Verschiebung, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, nimmt mit zunehmender Anzeigegröße zu. Auch jede Temperaturänderung hat eine signifikante Expansions-/Retraktionswirkung des flexiblen Substrats zur Folge. Folglich stimmen die Ausrichtungsmarkierungen nicht mehr mit der Entwurfsposition überein, die TFT-Pixelposition in Bezug auf Ausrichtungsmarkierungen stimmt nicht mehr mit der Entwurfsposition überein und alle TFT-Pixelpositionen in der Anordnung werden ebenfalls von den Entwurfspositionen abweichen. Offsets können 5 µm bis zu einigen hundert µm betragen. Die Versatzwerte (Verzerrung) sind für jede Anzeige unterschiedlich. Aber der Farbfilterdruck erfordert eine präzise Pixelposition, jede Abweichung von > 5-10 µm würde das Farbfilterverfahren unmöglich machen, da Farbpixel nicht mehr exakt in TFT-Pixel gedruckt werden können. Diese maximal zulässige Abweichung wird überschritten, indem das flexible Substrat vom starren Träger gelöst und das flexible Substrat verzerrt wird.
Infolgedessen würde die Ink-Jet-Druckmaschine Ausrichtungsmarkierungen mit einer Merkmalserkennung (z. B. an den vier Ecken einer Anzeige) scannen und eine nicht rechteckige Positionierung dieser Ausrichtungsmarkierungen finden. Nichtlinear verschobene TFT-Pixelpositionen können nicht ermittelt, berechnet und kompensiert werden. Nur ein durchschnittliches rechteckiges Gitter kann berechnet und für die Druckpositionsberechnung verwendet werden. Die tatsächlichen TFT-Pixelpositionen weichen jedoch um mehr als 5-10 µm für den größten Teil der Anzeigefläche ab, an der das Druckergebnis leiden wird.
Der Ansatz zur Überwindung des Problems besteht in der Kombination zweier Konzepte. Zuerst wird ein mathematisches Modell verwendet, um die Pixelposition auf einem verzerrten Anzeigesubstrat vorherzusagen (Ermittlung der Landezonen). Zweitens wird ein hochauflösender Ink-Jet-Druckkopf für den Farbfilterdruck verwendet, der Verzerrungen unter Beibehaltung eines hohen Produktionsdurchsatzes ausgleicht.
Die Prozesssequenz, wie sie in den Figuren 10 bis 14 dargestellt ist, ist dabei folgende:

1. Eine Erkennungs-Kamera scannt 4 Ausrichtungsmarkierungen. Abhängig von der Anzeigegröße, der erforderlichen Genauigkeit und der Verzerrung. Je nach Art und Größe der Verzerrung kann sich die Anzahl der abzutastenden Ausrichtungsmarkierungen erhöhen. Für eine typische ∼10" Displaygröße sind 8 Ausrichtungsmarkierungen ausreichend.
Die Auswahl der Ausrichtungsmarkierungen sollte so erfolgen, dass die Anzeigeverzerrung gut genug erfasst werden kann. Dies wären typischerweise 4 Ausrichtungsmarkierungspositionen an der Ecke der Anzeige und 4 Ausrichtungsmarkierungen an der Seite der Anzeige. Je näher die Ausrichtungsmarkierungen an der aktiven Fläche liegen, desto besser ist das spätere Berechnungsergebnis. Auch Ausrichtungsmarkierungen innerhalb der aktiven Matrix können verwendet werden (Ausrichtung am obersten Pixel der TFT-Matrix; wenn EPD-Medien vorhanden sind, können Ausrichtungsmerkmale direkt in die Anzeige eingetrieben werden).
2. Ein mathematisches Modell wird angewendet, um alle Pixelpositionen der Anzeige vorherzusagen, wobei alle 8 (oder mehr) Ausrichtungsmarkierungen berücksichtigt werden und die beste Anpassung berechnet wird. Die resultierende Matrix der x- und y-Position von Pixeln in der Anzeige ist kein lineares Gitter, sondern eine Matrix von Polynomlinien. Hierbei wird angenommen, dass die Verzerrung innerhalb der aktiven Matrix im Allgemeinen der Verzerrung folgt, die an den Ausrichtungsmarkierungen gemessen wird. In der Realität wird immer noch ein gewisser Versatz zwischen berechneter und tatsächlicher Pixelposition vorhanden sein. Dies ist akzeptabel, solange die Abweichung für alle Pixel klein genug ist.
3. Die Ink-Jet-Druckmaschine erhält nun die berechneten Pixelmittelpositionen (Landezonen) und ein Druckbild für jedes zu druckende Farbpixel (Landezonentyp). Die Verwendung von hochauflösenden Druckköpfen mit einem kleinen Tropfenvolumen ermöglicht es, ein Farbpixel als eine Matrix aus vielen kleinen Farbpunkten (auf den Landepunkten) zusammenzusetzen. Für die hier besprochene Anwendung ist eine typische Tropfengröße 15-20µm. Um beispielsweise ein Farbpixel von 150x150 um zu erzeugen, kann eine Farbmatrix aus 12x12-Tröpfchen aufgetragen werden, während sich die Tröpfchen überlagern. Ein typisches zu druckendes Farbpixelbild ist quadriert. Aber mit hoher Auflösung und kleinen Tröpfchen können auch andere Formen gedruckt werden, um die optische Leistung des Farbfilters zu beeinflussen und Prozessbetrachtungen (wie Düsenausstoßabweichungen) zu kompensieren.
4. Beim Ink-Jet-Drucken kann jeder Streifen nur einer linearen Bewegung folgen. Die Verzerrungskompensation wird jetzt angewendet, indem die hohe Auflösung des Druckkopfs und die Maschinengenauigkeit verwendet werden. Zum Beispiel wird hier ein nativer 1200 dpi-Druckkopf verwendet, der bei 2400 dpi betrieben wird. Dies ermöglicht eine Tröpfchenplatzierung aller ∼10 µm innerhalb von nur 2 Druckbändern. Eine solche Auflösung ist hoch genug, um jeden Farbbereich ausreichend zentriert auf jedem TFT-Pixel anzuordnen. Eine höhere Auflösung ist möglich, wenn mehr Farbbänder für den Farbpixeldruck ausgeführt werden. Dadurch wird allerdings der Durchsatz in der Produktionsumgebung beeinträchtigt.
Wie in den Fig. 15 und 16 dargestellt, erfolgt die tatsächliche Kompensation während des linearen Druckbandes durch Steuern der einzelnen Strahldüsen, die während der linearen Bandbewegung ein- und ausschaltet werden. Ein gegebener Satz von Düsen wird die Farbpixel entlang des Bandes drucken, solange die Mittenposition innerhalb von ∼5µm der Farbpixelmatrix liegt. Wenn die Mittelposition die 5µm-Grenze überschreitet, wird eine Düse der Matrix ausgeschaltet und die nächste Düse auf der gegenüberliegenden Seite der Matrix wird eingeschaltet. Auf diese Weise bleibt die Farbpixelmatrix gleich, aber das Farbpixel springt um ∼10µm (Lateralauflösung). Das Farbpixel befindet sich immer noch innerhalb des erlaubten TFT-Pixelbereichs. Dies wird kontinuierlich entlang der Druckrichtung durchgeführt, wodurch alle Farbpixel genau genug entlang des berechneten Polynoms platziert werden können.
5. Mit einem derartigen Verzerrungskompensationsansatzes wird die Ink-Jet-Maschine keine mechanische Drehung der Vakuumspannvorrichtung oder des Druckkopfs mehr benötigen. Die Drehung des Haltetisches wird normalerweise ausgeführt, um den Rotationsversatz während des Platzierens des Substrats zum Einspannen zu kompensieren. Mit dem hier besprochenen Ansatz wird auch eine leichte Rotation des Substrats mit der gleichen Methode kompensiert.
Die Drehung des Druckkopfs ist normalerweise nicht erforderlich, um die native Auflösung des Druckkopfs an die erforderliche Druckauflösung anzupassen. Mit dem hier besprochenen Ansatz wird die erforderliche Druckauflösung erreicht.

Ein solcher Ansatz, wie oben beschrieben, kann ein weiteres Problem haben, dessen Lösung nachfolgend und wie in Fig. 17 dargestellt, aufgezeigt wird.
Mit einem hochauflösenden Druckkopf zur Korrektur von Pixelpositionen in y-Richtung wird eine Lateralauflösung verwendet. Die Lateralauflösung beträgt beispielsweise 1200 dpi und beim Drucken mit 2400 dpi (in zwei Durchgängen) beträgt der Abstand a zwischen den Punkten 10,58333333 µm. Das TFT-Pixel-Design des Displays hat eine exakte Größe von 170 µm (Pixel zu Pixel). Der Effekt ist, dass die Lateralauflösung des Druckkopfs nicht gleichmäßig durch die Auflösung der Pixelgröße geteilt werden kann.
Zum Beispiel ergeben 16 Punkte in y-Richtung 16 x 10,58333333 µm = 169,33333333, das einen Rest von 0.6666666 µm hat. Dies ist ein kleiner Versatz, der für ein TFT-Pixel akzeptabel ist. Aber alle 15 TFT-Pixel addiert sich der Rest zu ∼10um. Daher muss das Sub-Farbpixel nach 15 TFT-Pixeln um eine Düsendistanz (10,5 µm) zur Kompensation "springen".
Da Positionen von Düsen festgelegt sind (gegeben durch die Lateralauflösung), wird dieser "Sprung" regelmäßig entlang der y-Richtung stattfinden und gleichmäßig über die Anzeige entlang der x (Druck) -Richtung verteilt sein. Das Ergebnis ist, dass alle 15 TFT-Pixel in y-Richtung die Lücke zwischen zwei benachbarten Farb-Subpixeln im Vergleich zu allen anderen Lücken unterschiedlich ist (∼ 10 µm). Diese größere Lücke befindet sich auf der gesamten y-Position entlang der Druckrichtung und wiederholt sich alle 15 TFT-Pixel. Für das menschliche Auge ist dieser systematische Versatz als lokale Kontrastdifferenz sichtbar, die stark genug ist, um als hellere und dunklere Linien entlang der Druckrichtung gesehen zu werden. Der optische Eindruck (ähnlich dem Moire-Effekt) stört die optische Gleichmäßigkeit der Helligkeit über das Display und ist nicht akzeptabel.
Abhängig von der Substratplatzierung (Rotation) auf der Vakuumspannvorrichtung können diese sich wiederholenden Linien in der Winkelrichtung über die Anzeige anstatt von geraden Linien entlang der Druckrichtung sein. Dies ist auf die oben diskutierte Rotationskorrektur zurückzuführen, die nun die Auflösungskompensation überlagert.
Um den Effekt zu reduzieren, kann die Druckauflösung auf 4800 dpi (4swaths) erhöht werden. Der resultierende "Sprung" wird nun alle 8 TFT-Pixel passieren und der "Sprung" beträgt jetzt nur ∼ 5m. Dadurch wird der optische Effekt reduziert, aber nicht beseitigt. Außerdem erhöht es die Prozesszeit um den Faktor 2, was in der Massenproduktionsumgebung nicht erwünscht ist.
Die bessere und hier in Fig. 18 gezeigte Lösung ist eine zufällige Änderung der "Sprung" -Positionen in y-Richtung entlang der Druckrichtung. Das Ergebnis ist eine Unterbrechung der systematischen Linien, wodurch der Offset für die Auflösungskompensation für das menschliche Auge nicht erfassbar ist.

Bezugszeichenliste

1: Landezone
2: Landeplatz
3: Druckkopf

Claims

Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mittels Ink-Jet-Druck, wobei auf dem Substrat Landezonen (1), die einem Landezonentyp entsprechen, in einem Landezonenraster, bestehend aus Landezonenzeilen und dazu senkrecht ausgerichteten Landezonenreihen, vorgegeben sind, das Landezonenraster relativ zu einem Druckkopf (3) derart ausgerichtet wird, dass die Landezonenreihen im Wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen, und die Ansteuerung des Druckkopfes derart erfolgt, dass ein oder mehrere Tropfen einer oder mehrerer Druckkopfdüsen ein Muster von Landepunkten innerhalb der Landezone erzeugen, wobei die Druckkopfdüsen fiktive Düsenlinien auf der Substratoberfläche mit einer den Abstand zwischen den Düsenlinien repräsentierenden Lateralauflösung erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralauflösung so groß gewählt wird, dass der der kleinste Abstand der Düsenlinien kleiner ist als der minimale Abstand zwischen den Landezonenreihen und dass bei einer durch das Substrat vorgegebenen Variation des Abstandes benachbarter Landezonenreihen zwischen verschiedenen Landezonenzeilen die Lage der Landezonen einer Landezonenzeile relativ zu den Düsenlinien ermittelt wird und daraus nur die Druckkopfdüsen, deren Düsenlinie eine Landezone schneiden, entsprechend einem Düsenansteuerschema und dem entsprechenden Landezonentyp angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralauflösung durch die Wahl eines Druckkopfes mit einer Anzahl von Druckdüsen in einer Druckkopfdüsenzeile, deren Abstand geringer ist, als der minimale Abstand der Landezonenreihen, erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralauflösung durch die Wahl eines Druckkopfes erhöht wird, bei dem mindestens eine zu einer ersten Druckkopfdüsenzeile quer zur Druckrichtung versetzten zweiten Druckkopfdüsenzeile angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralauflösung durch eine Verdrehung des Druckkopfes relativ zur Druckrichtung erhöht wird, derart dass seine Druckkopfdüsenzeile(n) einen Winkel zur Druckrichtung zwischen >0° und <90° einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralauflösung durch ein n-faches Überfahren des Druckkopfes relativ zum Substrat erhöht wird, wobei der Druckkopf bei jeder Überfahrt quer zur Druckrichtung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf bei jeder Überfahrt um einen Betrag $x = i * a + \frac{a}{n},$
mit i = 0, 1, 2, 3 ... verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Landepunkte innerhalb ihrer Landezonen randomisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster von Landepunkten in einer einzelnen Landezone durch mehr als eine, vorteilhaft mehrere Düsen bedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der Landepunkte von Landezone zu Landezone um ein oder mehrere Schritte zufällig verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Ansteuerung der Düsen für eine jeweilige Landezone zufällig oder pseudozufällig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der Landepunkte durch eine Kombination von Düsen mit unterschiedlichen Tropfenvolumina so gewählt wird, dass die in gleichartige Landezonen abgesetzte Tintenmenge um maximal 10% abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Dosierung von Tropfen in eine Landezone so erfolgt, dass diejenigen Düsen, welche die entsprechende Landezone in Folge der Relativbewegungen überstreichen, eine definierte Anzahl von Tropfen auf einen oder mehrere Landepunkte innerhalb der Landezone aufbringen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Tropfen in dem Düsenansteuerschema oder in dem Landezonentyp festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Landezonen bestimmt wird, indem Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat gescannt werden, dass deren Istpositionen mit Sollpositionen eines unverzerrten Substrats verglichen werden, dass daraus über lineare Lageabweichungen und Winkelabweichungen des Substrats hinausgehende Verzerrungen innerhalb des Substrats ermittelt werden und dass mittels eines mathematischen Modells die Lage der Landezonen entsprechend der Verzerrungen des Substrat berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Landezonen als Ausrichtmarkierungen verwendet werden.