一种用于喷墨打印的真空干燥系统及其压力控制方法

1.本发明属于喷墨打印技术领域，具体公开了一种用于喷墨打印的真空干燥系统及其压力控制方法。


背景技术：

2.喷墨打印是一种增材制造工艺，其凭借较高的材料利用率、简单的工艺流程和适用于大尺寸柔性化生产的优势，被视为新型显示制造中的关键技术。目前，已有诸多面板制造企业开始研发喷墨打印相关设备，并开展了系列打印oled生产实验。在工艺路线探索的初步阶段，碰到了一些急需解决的难题。例如，墨滴在ito基板上蒸发后，干膜表面出现“咖啡环”现象，这将损坏最终显示器件的显示效果以及寿命。针对这类问题，工业界提出了让完成打印的基板在低真空环境下进行快速蒸发以抑制“咖啡环”现象，而真空干燥箱就是产生真空环境的设备。
3.现有的真空干燥箱虽能够完成抽真空以及暂压的功能，但是在抽真空的过程中容易出现不同区域内的成膜效果不一致、压力超调、腔体压力在规定时间内无法降至暂压压力以及稳压效果差等问题。因此需要优化真空干燥箱结构方案，完善真空干燥箱功能设计并提出一种抽真空压力控制方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于喷墨打印的真空干燥系统及其压力控制方法，旨在解决现有的真空干燥箱在抽真空的过程中容易出现不同区域内的成膜效果不一致、压力超调、腔体压力在规定时间内无法降至暂压压力以及稳压效果差的技术问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于喷墨打印的真空干燥系统，包括：
6.腔体；
7.载台，所述载台安装在所述腔体底部，用于放置待干燥的基板；
8.温控循环管路，所述温控循环管路铺设在所述载台内部，通过循环介质的方式调控所述载台的温度；
9.真空泵，所述真空泵用于对所述腔体进行抽气；
10.n个并联的连接管路，所述连接管路用于连接所述真空泵和腔体，且每个连接管路的通断均由单独的真空电磁阀控制；所述n个并联的连接管路的管径各不相同，n≥2。
11.进一步地，所述温控循环管路分为两条，其中一条管路铺设在所述载台的中央区域，另外一条管路铺设在所述载台的周边区域，两条管路分别通入不同温度的循环介质，实现对所述载台中央和周边区域的分区域温度控制，使得待干燥的基板在蒸发时中央和周边区域墨滴获得不同热量。
12.第二方面，本发明提供了一种压力控制方法，适用于第一方面所述的用于喷墨打
印的真空干燥系统，所述压力控制方法包括以下步骤：
13.s1，通过预抽气实验拟合得到每个连接管路的降压速率与腔体内压力的变化关系；
14.s2，给定腔体内的目标压力，并确定每个阶段参与抽气的连接管路；根据腔体容积与每个阶段的降压速率之比，计算得到每个阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值；其中，每个阶段的降压速率为该阶段参与抽气的连接管路的降压速率之和，且各阶段的降压速率逐渐降低；
15.s3，根据每个阶段的开通时间以及降压速率，计算完成所有阶段后腔体内的理论压力；
16.s4，若腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通时间之和在目标抽气时间的允许区间内，则输出各阶段的开通时间；否则，调整各阶段的开通时间，并执行s3。
17.进一步地，所述调整各阶段的开通时间，具体为：
18.若腔体内的理论压力大于目标压力的上限，增加第一阶段的开通时间；
19.若腔体内的理论压力小于目标压力的下限，减少第一阶段的开通时间；
20.若所有阶段的开通时间之和大于目标抽气时间的上限，减少第二阶段的开通时间；
21.若所有阶段的开通时间之和小于目标抽气时间的下限，增加第二阶段的开通时间。
22.进一步地，第一阶段和第二阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值t1和t2，表示为：
[0023][0024][0025]
式中，kq是修正系数，v是腔体容积，k1是预设压力系数且k1大于1，p0是腔体内的初始压力，pm是腔体内的目标压力，v1(p0)是第一阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p0时的降压速率之和，v2(k1pm)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为k1pm时的降压速率之和。
[0026]
进一步地，完成第一和第二阶段后腔体内的理论压力pr，表示为：
[0027][0028][0029]
式中，p2是第二阶段抽气时腔体内的压力，v2(p2)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p2时的降压速率之和。
[0030]
进一步地，所述腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通
时间之和在目标抽气时间的允许区间内，具体为：
[0031][0032]kt
tm《t1+t2《tm[0033]
式中，ku是目标压力上限系数，kd是目标压力下限系数，k
t
是抽气目标时间下限系数，tm是目标抽气时间。
[0034]
第三方面，本发明提供了一种喷墨打印真空干燥方法，包括以下步骤：
[0035]
(1)输入载台温度、上升距离和腔体内的目标压力及目标抽气时间；
[0036]
(2)利用第二方面所述的压力控制方法计算各阶段的开通时间；
[0037]
(3)将待干燥的基板传入腔体内的载台上；
[0038]
(4)启动真空泵，并根据计算的各阶段的开通时间依次打开相应的真空电磁阀对腔体进行抽气；
[0039]
(5)待依次执行完各阶段抽气时间后，关闭所有真空电磁阀。
[0040]
进一步地，所述真空干燥系统包括三个并联的连接管路，所述第一阶段和第二阶段仅开通第一连接管路和/或第二连接管路，所述第一连接管路、第二连接管路、第三连接管路的管径依次减小；所述喷墨打印真空干燥方法还包括以下步骤：
[0041]
(6)持续检测腔体内的实际压力，若腔体内的实际压力大于目标压力的上限，开通所述第三连接管路，直至腔体内的实际压力在目标压力的允许区间内，再关断所述第三连接管路。
[0042]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0043]
(1)区别于现有真空干燥系统中，连接真空泵和腔体的连接管路只有一个，或存在多个但管径相同；本发明设置多级并联且管径各不相同的连接管路，管径大的连接管路，流导大，可以在抽空伊始快速将腔体压力降低到目标压力附近；管径小的连接管路，可以进一步较缓慢的将腔体压力抽到目标压力值，并能够确保腔体压力不产生过大的超调。如此，可以利用各连接管路降压速率的不同精确控制腔体内压力的大小，实现喷墨打印后墨滴在真空干燥系统里面平稳快速的减压蒸发，有利于获得形貌均匀的干燥成膜结果。
[0044]
(2)本发明通过对载台中央和周边区域的分区域温度控制，可以实现打印后的基板墨滴在中心区域和周边区域获得不同的热通量，从而平衡中央区域和周边区域墨滴蒸发速度不一致的问题，最终可获得一致的、均匀的阵列化成膜效果。
[0045]
(3)本发明基于真空干燥系统提出了一种压力控制方法，能够根据设定的腔体内的目标压力及目标抽气时间计算出每个阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值，并进一步寻优获得满足设定要求时各阶段的开通时间。通过第一阶段的快速降压和第二阶段的精确降压，可以获得一条快速、不超调的压力曲线。此外，在真空干燥系统还包括第三连接管路的情况下，还可以通过第三连接管路的通断精准调整腔体压力在允许的目标压力附近。
附图说明
[0046]
图1为本发明实施例提供的一种用于喷墨打印的真空干燥系统结构示意图。
[0047]
图2是本发明实施例提供的载台的结构示意图。
[0048]
图3是本发明实施例提供的压力控制工艺流程图。
[0049]
图4是本发明实施例提供的压力优化算法流程图。
[0050]
图5是本发明实施例提供的压力曲线示意图。
[0051]
图6是本发明实施例提供的一种喷墨打印真空干燥方法的流程图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0053]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0054]
图1为本发明实施例提供的一种用于喷墨打印的真空干燥系统结构示意图。该系统主要包括腔体部件、温度传导装置、升降运动机构、抽气管路、真空泵，控制器，下面将对其逐一进行具体解释说明。
[0055]
腔体部件包括腔体11、压力计12和补气气源13。其中，腔体11是形成真空环境的封闭空间，对喷墨打印后基板上的墨滴进行减压蒸发，获得均匀的成膜形貌。腔体部件内部用于集成温度传导装置、升降运动机构，外部连接抽气管路和真空泵。压力计12用于检测腔体内的压力，并反馈给控制器计算降压速率和动态控制腔体内压力。补气气源13与腔体内部连通，当基板上墨滴减压蒸发成膜后，气源向腔体内进行补气。
[0056]
温度传导装置包含金属载台21、第一温控循环管路22、第二控循环管路23和温控机24。其中，金属载台21通过升降运动机构安装在腔体部件的底部；第一温控循环管路22、第二控循环管路23铺设在金属载台21内部，通过循环介质的方式调控金属载台21的温度(优选的，可以使用水浴循环介质)；温控机24用于控制循环介质的温度(优选的，使用水温机)，通过第一温控循环管路22、第二控循环管路23进行流通。温度传导装置是显示基板的载体，在墨滴蒸发时实现热量供应，获得一致性良好的阵列膜厚。
[0057]
在一个优选的实施方式中，如图2所示，温度传导装置可以实现金属载台21的温度分区域控制。温控循环管路分为两条，其中第一温控循环管路22铺设在金属载台的中央区域，第二控循环管路23铺设在金属载台的周边区域，两级管路分别通入不同温度的循环介质(优选的，中间管路的循环介质温度高于周边管路的循环介质温度)，实现对金属载台中央和周边区域的分区域温度控制，使得基板在蒸发时中央和周边墨滴获得不同热量。
[0058]
升降运动机构包括传动机构31和驱动元件32。其中，传动机构31用于连接温度传导装置和腔体11；驱动元件32用于调整温度传导装置相对于腔体的位置(优选的，可以使用步进电机为驱动元件)，进而改变抽气时的气体速度分布以获得有序均匀的流场。
[0059]
抽气管路包含真空电磁阀41、42、43、44和连接通路45。其中，连接通路45用于连接真空泵和腔体部件，连接通路45由不同管径的管道并联组成，按照管径大小分为三级连接管路。其中，一级连接管路管径最大，流导最大，在抽空伊始快速将腔体压力降低到目标压力附近；二级连接管路管径较小，在一级连接管路抽完后较缓慢的将腔体压力抽到目标压
力值，并能够确保腔体压力不产生过大的超调；三级连接管路管径最小，在腔体压力达到暂压之后，一级连接管路、二级连接管路上的真空电磁阀关闭，只通过三级连接管路上的比例阀动态调整腔体内压力值。真空电磁阀41、42、43、44用于控制连接管路的通断，实现对腔体部件内压力的精确控制。
[0060]
真空泵51是对腔体抽气的执行元件，可以对腔体部件抽气形成高真空环境。
[0061]
控制器61是真空干燥系统的储存计算元件，可以接收来自压力计12、驱动元件32和温控机24的腔体环境变量信息。控制器61根据抽气时的腔体内压力计算不同压力下的降压速率，并给各级连接管路上的真空电磁阀41、42、43、44发送指令控制开闭。
[0062]
如图3和图4所示，分别是本实施例的压力控制工艺流程图和压力优化算法流程图。本发明实施例提供的一种压力控制方法，主要包括以下步骤：
[0063]
s1，通过预抽气实验拟合得到每个连接管路的降压速率与腔体内压力的变化关系。
[0064]
具体的，为掌握每个连接管路在不同压力下的降压速率，需要先对每个连接管路进行单独抽气实验。抽气实验如下步骤，首先要打开真空泵51，并由控制器61发送指令打开抽气管路上的总的真空电磁阀44。然后，通过单独打开一级连接管路上的真空电磁阀41对腔体11进行抽气操作。在抽气降压的过程中，由压力计12实时检测腔体内的压力随时间的变化，并将数据传输给控制器61。
[0065]
进一步，控制器61获得压力随时间变化的数据并计算出各级连接管路在不同压力下的抽气能力(降压能力)，通过以下公式拟合出各级连接管路的降压速率函数。优选的，使用三次多项式进行拟合：
[0066]
f1(p)＝a3p3+a2p2+a1p+a0[0067]
式中，f1(p)表示第一连接管路的降压速率函数，p是腔体内的压力；a0、a1、a2、a3是多项式拟合系数。
[0068]
进一步，重复以上步骤分别拟合得到第二、第三连接管路的降压速率函数f2(p)和f3(p)。
[0069]
s2，给定腔体内的目标压力，并确定每个阶段参与抽气的连接管路；根据腔体容积与每个阶段的降压速率之比，计算得到每个阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值；其中，每个阶段的降压速率为该阶段参与抽气的连接管路的降压速率之和，且各阶段的降压速率逐渐降低。
[0070]
需要说明的是，本发明整个干燥过程可以看作多个连续的抽气阶段，并且各阶段的降压速率逐渐降低。以两个阶段为例，由于本实施例中第一连接管路的管径大于第二连接管路，所以可以是，第一阶段仅开通第一连接管路，第二阶段仅开通第二连接管路；也可以是，第一阶段开通第一连接管路和第二连接管路，第二阶段仅开通第一连接管路；也可以是，第一阶段开通第一连接管路和第二连接管路，第二阶段仅开通第二连接管路。
[0071]
当根据工艺要求输入腔体内目标压力pm和目标抽气时间tm，需要计算并优化第一阶段的开通时间t1和第二阶段的开通时间t2。
[0072]
进一步，通过以下公式计算t1和t2的初始值：
[0073]
[0074][0075]
式中，kq是修正系数，参考值为2.3；v是腔体容积；k1是预设压力系数且k1大于1，参考值为1.1；p0是腔体内的初始压力，pm是腔体内的目标压力，v1(p0)是第一阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p0时的降压速率之和，v2(k1pm)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为k1pm时的降压速率之和。
[0076]
示例性的，第一阶段仅开通第一连接管路，第二阶段仅开通第二连接管路时，v1(p0)＝f1(p0)，v2(k1pm)＝f2(k1pm)；第一阶段开通第一连接管路和第二连接管路，第二阶段仅开通第一连接管路时，v1(p0)＝f1(p0)+f2(p0)，v2(k1pm)＝f1(k1pm)。
[0077]
s3，根据每个阶段的开通时间以及降压速率，计算完成所有阶段后腔体内的理论压力。
[0078]
具体的，完成第一和第二阶段后腔体内的理论压力pr，表示为：
[0079][0080][0081]
式中，p2是第二阶段抽气时腔体内的压力，v2(p2)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p2时的降压速率之和。
[0082]
s4，若腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通时间之和在目标抽气时间的允许区间内，则输出各阶段的开通时间；否则，调整各阶段的开通时间，并执行s3。
[0083]
具体的，腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通时间之和在目标抽气时间的允许区间内，具体为：
[0084][0085]kt
tm《t1+t2《tm[0086]
式中，ku是目标压力上限系数，参考值1.05；kd是目标压力下限系数，参考值0.95；k
t
是抽气目标时间下限系数，参考值0.9；tm是目标抽气时间。
[0087]
当时，说明不能在当前时间分配下将腔体内压力抽到目标压力值，需要通过第一阶段的开通时间。
[0088][0089]
式中，δt是时间步长，参考值为1s。
[0090]
当时，说明在当前时间分配下腔体内压力将超调，需要减少第一阶段的开通时间。
[0091]
[0092]
当t1+t2》tm，说明当前时间分配下降压速率过慢，需要减少第二阶段的开通时间。
[0093][0094]
当t1+t2《k
t
tm，说明当前时间分配下降压速率过快，需要增加第二阶段的开通时间。
[0095][0096]
如图6所示，本发明还提供了一种喷墨打印真空干燥方法，包括以下步骤：
[0097]
(1)输入载台温度、上升距离和腔体内的目标压力及目标抽气时间；
[0098]
(2)利用上述的压力控制方法计算各阶段的开通时间；
[0099]
(3)将待干燥的基板传入腔体内的载台上；
[0100]
(4)启动真空泵，并根据计算的各阶段的开通时间依次打开相应的真空电磁阀对腔体进行抽气；
[0101]
(5)待依次执行完各阶段抽气时间后，关闭所有真空电磁阀。
[0102]
进一步，墨滴减压蒸发成膜结束，控制器61发送指令进行补气至大气压，取出基板。
[0103]
此外，若真空干燥系统包括三个并联的连接管路，第一阶段和第二阶段仅开通第一连接管路和/或第二连接管路，第一连接管路、第二连接管路、第三连接管路的管径依次减小；喷墨打印真空干燥方法还包括以下步骤：
[0104]
(6)持续检测腔体内的实际压力，若腔体内的实际压力大于目标压力的上限，开通所述第三连接管路，直至腔体内的实际压力在目标压力的允许区间内，再关断第三连接管路。
[0105]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于喷墨打印的真空干燥系统，其特征在于，包括：腔体；载台，所述载台安装在所述腔体底部，用于放置待干燥的基板；温控循环管路，所述温控循环管路铺设在所述载台内部，通过循环介质的方式调控所述载台的温度；真空泵，所述真空泵用于对所述腔体进行抽气；n个并联的连接管路，所述连接管路用于连接所述真空泵和腔体，且每个连接管路的通断均由单独的真空电磁阀控制；所述n个并联的连接管路的管径各不相同，n≥2。2.根据权利要求1所述的真空干燥系统，其特征在于，所述温控循环管路分为两条，其中一条管路铺设在所述载台的中央区域，另外一条管路铺设在所述载台的周边区域，两条管路分别通入不同温度的循环介质，实现对所述载台中央和周边区域的分区域温度控制，使得待干燥的基板在蒸发时中央和周边区域墨滴获得不同热量。3.一种压力控制方法，适用于如权利要求1或2所述的用于喷墨打印的真空干燥系统，其特征在于，所述压力控制方法包括以下步骤：s1，通过预抽气实验拟合得到每个连接管路的降压速率与腔体内压力的变化关系；s2，给定腔体内的目标压力，并确定每个阶段参与抽气的连接管路；根据腔体容积与每个阶段的降压速率之比，计算得到每个阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值；其中，每个阶段的降压速率为该阶段参与抽气的连接管路的降压速率之和，且各阶段的降压速率逐渐降低；s3，根据每个阶段的开通时间以及降压速率，计算完成所有阶段后腔体内的理论压力；s4，若腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通时间之和在目标抽气时间的允许区间内，则输出各阶段的开通时间；否则，调整各阶段的开通时间，并执行s3。4.根据权利要求3所述的压力控制方法，其特征在于，所述调整各阶段的开通时间，具体为：若腔体内的理论压力大于目标压力的上限，增加第一阶段的开通时间；若腔体内的理论压力小于目标压力的下限，减少第一阶段的开通时间；若所有阶段的开通时间之和大于目标抽气时间的上限，减少第二阶段的开通时间；若所有阶段的开通时间之和小于目标抽气时间的下限，增加第二阶段的开通时间。5.根据权利要求4所述的压力控制方法，其特征在于，第一阶段和第二阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值t1和t2，表示为：，表示为：式中，k
q
是修正系数，v是腔体容积，k1是预设压力系数且k1大于1，p0是腔体内的初始压力，p
m
是腔体内的目标压力，v1(p0)是第一阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p0时的降压速率之和，v2(k1p
m
)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为k1p
m
时的降压速率
之和。6.根据权利要求5所述的压力控制方法，其特征在于，完成第一和第二阶段抽气后腔体内的理论压力p
r
，表示为：，表示为：式中，p2是第二阶段抽气时腔体内的压力，v2(p2)是第二阶段参与抽气的连接管路在腔体内压力为p2时的降压速率之和。7.根据权利要求6所述的压力控制方法，其特征在于，所述腔体内的理论压力在目标压力的允许区间内，且所有阶段的开通时间之和在目标抽气时间的允许区间内，具体为：k
t
t
m
<t1+t2<t
m
式中，k
u
是目标压力上限系数，k
d
是目标压力下限系数，k
t
是抽气目标时间下限系数，t
m
是目标抽气时间。8.一种喷墨打印真空干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)输入载台温度、上升距离和腔体内的目标压力及目标抽气时间；(2)利用权利要求3至7任一项所述的压力控制方法计算各阶段的开通时间；(3)将待干燥的基板传入腔体内的载台上；(4)启动真空泵，并根据计算的各阶段的开通时间依次打开相应的真空电磁阀对腔体进行抽气；(5)待依次执行完各阶段抽气时间后，关闭所有真空电磁阀。9.根据权利要求8所述的喷墨打印真空干燥方法，其特征在于，所述真空干燥系统包括三个并联的连接管路，所述第一阶段和第二阶段仅开通第一连接管路和/或第二连接管路，所述第一连接管路、第二连接管路、第三连接管路的管径依次减小；所述喷墨打印真空干燥方法还包括以下步骤：(6)持续检测腔体内的实际压力，若腔体内的实际压力大于目标压力的上限，开通所述第三连接管路，直至腔体内的实际压力在目标压力的允许区间内，再关断所述第三连接管路。

技术总结
本发明公开了一种用于喷墨打印的真空干燥系统及其压力控制方法，属于喷墨打印技术领域。一方面，通过设置多级并联且管径各不相同的连接管路，利用各连接管路降压速率的不同精确控制腔体内压力的大小。另一方面，根据设定的腔体内的目标压力及目标抽气时间计算出每个阶段参与抽气的连接管路的开通时间初始值，并进一步寻优获得满足设定要求时各阶段的开通时间；通过第一阶段的快速降压和第二阶段的精确降压，可以获得一条快速、不超调的压力曲线。此外，在真空干燥系统还包括第三连接管路的情况下，还可以通过第三连接管路的通断精准调整腔体压力在允许的目标压力附近。如此，可以消除抽气过程中压力超调、不稳定等问题，实现墨滴均匀成膜。现墨滴均匀成膜。现墨滴均匀成膜。


技术研发人员：尹周平 陈建魁 吴文祥 吴綦龙
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25