面向多层卷对卷印刷电子设备的精密对准技术研究

Existing multilayer roll-to-roll (R2R) electronic printing processes have defects in terms of dynamic drum run-outs, uneven distribution of tension, and bandwidth limitations in the compensation system. These problems cause low over-layer registration accuracy, in turn resulting in the unacceptable resolution and fidelity of the printed patterns or devices. This project proposes a "dynamic-static" conversion strategy and a flexure-based error compensation method to dress these problems, based on in-depth analysis and study of the error sources and the overlay registration principles. The proposed solutions will make the registration alignment system not only avoid high-frequency drum dynamic issues, but also effectively eliminate the phenomenon of uneven distribution of web tension. On this basis, we will systematically develop a mechanism with characteristics of the spatial RCC to support the aerostatic drum and a 5-DOF compliant mechanism to drive the printing head. Eventually, a multilayer registration alignment system with a feature of errors self-accommodated will be built for the R2R electronic printing process based on a set of the aerostatic drums. With this platform, the strict task of precision multilayer registration alignment will be finally accomplished accordingly. The major objectives of the project are to achieve a breakthrough in key technologies of precision mechanism design and precision motion control through study of our innovative multi-layer registration alignment system, to provide theoretical and technical supports for the design and development of R2R electronic printing alignment equipment, and to lay a solid foundation for R2R mass-production and consistency of flexible electronic devices.

在深入分析了卷对卷印刷电子多层套准机理的基础上，针对现有卷对卷印刷电子设备在多层套准过程中由于存在滚筒动态跳动、张力分布不均，以及补偿系统带宽限制等缺陷，导致套准精度不高，造成器件印制图案的分辨率和精度不能满足市场要求的问题，提出了一种"动-静"转换策略和基于柔性机构的误差补偿方案，使得套准系统不仅能够避开滚筒高频跳动的问题，而且能有效地消除薄膜张力分布不均的现象。在此基础上，系统地开发了一套具有空间RCC特性的支撑机构及两套五自由度分布式柔性机构，完成了苛刻的多层精密套准任务。最终搭建了一套基于静态气浮滚筒、具有大范围自我容错功能的卷对卷印刷电子设备多层套准系统。项目的主要目标是通过我们具有特色的多层套准系统的研究，以求在精密机构设计与精密运动控制等关键技术上有所突破，为我国印刷电子设备套准系统的设计和开发提供理论与技术支持，为实现柔性电子器件制造的一致性与批量化打下良好的基础。

本课题深入分析卷对卷印刷电子设备的基本工作原理，针对卷对卷喷墨印刷过程中由于滚筒动态跳动、张力分布不均，以及补偿系统带宽限制等设备自身缺陷，导致器件印制图案的分辨率和精度不能满足市场要求的问题，提出了一种具有多层套准误差补偿功能的卷对卷喷墨印刷系统，实现了对卷对卷喷墨印刷中印刷图案多层套准误差的有效补偿。该系统主要包括一套能够消除传统滚筒带来的跳动误差的气浮支撑装置、一套用于消除薄膜侧向张力分布不均的滚筒位姿调节机构以及一套用于喷墨头位姿调整的五自由度柔性夹持机构。其中滚筒位姿调节机构采用气浮球轴承与柔性机构相结合的方式进行设计，由于气浮轴承和柔性机构都就有无碰撞、无摩擦和无需润滑等优点，该机构具有较高的调整精度，并且由于滚筒中心与气浮球轴承动子中心重合，避免了滚筒角度调整过程中带来的侧向运动。针对卷对卷喷墨印刷过程中多层图案套准定位问题，课题提出了一种基于双显微摄像头的视觉标签检测定位方法。.通过对上、下两层对准机构的结构和刚度进行优化，使得滚筒位姿调节机构能够补偿±0.6°的滚筒角度误差，五自由度柔性夹持机构能够补偿148.11 µm × 149.73 µm × 813.61 µm × 1.558 mrad × 3.501 mrad的喷墨头位置误差。此外，课题也针对卷对卷薄膜传输系统，开发了一套基于非线性动态矩阵模型的精确张力控制算法，使得薄膜传输过程中的张力得到精确控制，最终使得设计的卷对卷喷墨印刷系统最终实现了宽幅200 mm，分辨率10 μm的双层图案打印。项目将为我国印刷电子设备的设计和开发提供理论与技术支持，为实现柔性电子器件制造的一致性与批量化打下良好的基础。目前共发表SCI源的国际期刊论文21篇，EI论文12篇，申请发明专利6项（已授权5项）。通过该项目，共培养了6个博士生和10个硕士生。