喷墨印刷技术由于无接触、无压力、无印版等特点，可实现按需印刷和可变数据印刷[1-3]，被广泛应用于制备柔性电子功能层[4]、微纳传感器[5-8]、光学器件[9-11]等(如图1所示)，并成为有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)显示等新型显示制造工艺与装备的关键技术之一(被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》和《中国制造2025》)．10.13245/j.hust.221211.F001图1喷墨印刷技术应用实例柔性电子常规制造工艺包括硅基光刻、蒸镀等，但面临材料利用率低、大尺寸制造时成本迅速增长、效率明显降低、质量大幅衰减等问题．喷印制造技术具有材料利用率高(超过90%)、适应大尺寸基板、制造成本低等优势，有望在大尺寸柔性结构制造领域取代光刻、蒸镀技术成为柔性电子的主要制备技术之一[12-13]．喷印工艺采用挤压的方式将液滴从喷嘴中挤出，沉积至基板上形成图案．该工艺适用于低黏度材料的打印且理论上打印面积不受限制．受限于喷嘴的制造工艺，打印最小特征尺寸在20 μm左右．喷印技术在多个柔性电子制造领域得到系统性研究．在柔性显示领域，Yang等[15]开发了不同配置的有机发光二极管器件，同组人员还开发了更复杂版本的多色红绿蓝(RGB)有机发光二极管[16]，Kobayashi等[17-18]还在基片中加入了一个薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)阵列．Yoshioka等[19-20]利用反应性喷墨印刷技术对PEDOT：PSS的电阻率进行了局部修正．Jabbour等[21]通过喷墨印刷制备了单像素量子点(quantum dots，QD)发光器件[22]．喷墨印刷技术还被应用于在液晶显示器(LCD)面板上制作彩色滤光片[23-24]．Chen等[25]利用金属超分子聚合物溶液喷墨打印出多色电致变色装置．喷墨打印还可以用于制作太阳能电池[26]，Schubert等[27-29]通过喷墨打印制备各种混合比例、厚度的富勒烯薄膜，在有机本体异质结(BHJ)太阳能电池中有潜在应用价值，喷墨打印也被用于沉积PEDOT：PSS[30]，打印太阳能电池的电极[31]．喷墨打印技术还被应用于激光器和传感器的制作．Coles和Hutchings等[7]通过喷墨打印完成了液晶激光阵列的制造．利用喷墨打印技术制作基于胆甾相液晶层的温湿度敏感薄膜[5-6]，蒸汽响应的光子晶体[32]，基于吸湿性聚合物盐的水饱和传感器[6]，不可逆温度/时间积分器[33]，三甲胺传感器[12]，金属离子识别传感器[34]，基于胶体光子晶体的湿度、蒸汽或蛋白质传感器[32,35-36]．Nam等[37]用喷墨打印光子晶体技术演示了用于文件和货物保护的防伪全息图．喷墨打印技术还被应用于无线电射频识别(RFID)标签的制作[4]．液滴的沉积控制是实现柔性电子大尺寸图案化制造的关键之一，以有机发光二极管为例，其功能层喷印制备是通过将含有不同发光材料的溶液液滴精确沉积在基板上实现的[38]．在喷墨印刷工艺过程中，墨水通过专用墨路输送到打印头，液滴在压电[39]、热气泡[40]或高压电场[41]等作用下从打印头喷孔射出，经过短距离飞行，最终沉积定位在基板上，多液滴融合成形后经干燥、固化即成为器件功能层．在喷墨打印有机发光二极管的发光层(emission layer，EML)等的过程中，液滴的体积精度、飞行轨迹、落点定位精度对功能层形貌、发光性能至关重要，其体积精度直接影响功能层膜厚及其均匀性，飞行轨迹与落点定位精度决定了可制造器件分辨率和成品率．液滴定位不准将导致液滴落点在目标像素坑外甚至进入其他像素坑内，如图2所示，进而导致不同色墨水混合、桥连(如图3)等缺陷产生．实现无/低MURA喷墨印刷有机发光二极管，须要提升精准喷印工艺的均匀性与稳定性[42]．10.13245/j.hust.221211.F002图2喷墨印刷有机发光二极管墨滴沉积机理10.13245/j.hust.221211.F003图3喷墨印刷有机发光二极管形貌实现对喷印墨滴的精确控制，须要深刻理解液滴沉积行为机理，了解多种因素对沉积过程的影响．因此，本研究主要针对喷墨打印状态下液滴沉积机理、沉积图案化、沉积定位控制以及喷墨印刷的工程化应用的相关研究进展进行整理和综述．1 液滴沉积机理研究液滴沉积的最简单的状况为单液滴沉积在平面上，本节主要针对单液滴在平面上的沉积机理的相关研究进行总结，包含液滴速度、液滴物性、基板润湿性等多种因素对铺展过程的影响，并对液滴沉积的数值研究方法和实验观测方法进行了总结．1.1　液滴沉积动力学液滴撞击基板过程可划分为四个阶段：液滴临界接触基板，此时液滴基本维持自身运动与表面张力作用下的状态；液滴撞击基板，由于基板的阻隔作用，导致液滴变形，不断铺展；撞击后回缩，液滴在铺展达到最大尺寸后又开始回缩，铺展与回缩可能会持续振荡多次；液滴在反复振荡或者移动后趋于稳定，形态不再发生变化．液滴撞击基板后的形态变化如图4所示．10.13245/j.hust.221211.F004图4液滴撞击平面基板形态图[43]Rioboo等[44]通过实验研究了液滴的速度、液滴本身性质、基板表面润湿性等因素对液滴撞击基板过程的影响．液滴撞击表面的初期，受到液滴本身惯性的影响，液滴会以其初始速度U0向下运动[45]，液滴的铺展半径rt变化为rt~(U0D)1/2t1/2，式中D为液滴直径．在铺展初期，液滴的铺展动力学过程主要取决于其惯性．随着液滴撞击基板并减速，其铺展半径的变化[46]为r(t)~(γD/ρ)1/4t1/2，式中： γ为表面张力；ρ为溶液密度．当液滴继续铺展时，液滴在表面张力和黏性力的阻碍下铺展速度逐渐变慢，直到达到最大铺展尺寸状态．Clanet等[47]针对液滴表面张力和黏性的主导流动机制提出了参数P，P=We/Re4/5，式中We和Re分别为溶液韦伯数和雷诺数．通过实验验证，当P0.3时，液滴的表面张力主导液滴的变形．由体积守恒可得，液滴的最大铺展半径rmax满足rmax~DWe1/4．当液滴运动主要受黏性主导时，只考虑黏性耗散的影响，通过能量守恒可以得到液滴的最大铺展半径rmax满足[48]rmax~DRe1/5．对于高速撞击的液滴，通过表面能与动能的平衡，可得出rmax~We1/2[46,49]．但是Laan等[43]通过实验研究的结果显示并不依赖于上述线性关系，并提出了一个在低速和高速撞击较大范围内的We1/2和Re1/5的交叉相图，且与实验数据符合较好．所以液滴铺展问题不能简单通过动能与表面能平衡或者动能与黏性耗散的平衡来计算．对于液滴撞击壁面的最大铺展问题，Scheller等[50]通过实验对液滴最大铺展系数β(液滴最大铺展半径与原半径的比值)进行了研究，得到经验公式β~0.61Re2Oh1/6=0.61Re1/5(WeRe-2/5)1/6，式中Oh为液滴的奥内佐格数．Pasandideh-Fard等[48]利用实验和数值模拟相结合的方法，通过能量平衡研究了接触角θa和初始条件对液滴最大铺展系数的影响，β=(We+12)/[3(1-cos θa)+4(We/Re)]．Ukiwe等[51]对上述理论进行了扩展，引入了动态接触角θd，得到的公式为We+12β=8+β3(3(1-cos θd)+4We/Re)．Clanet等[47]利用冲击毛细长度进行质量平衡，得到了β∝We1/4，Roisman[52]使用一个包含黏性边界层的液滴扩散动力学模型得到Dmax~0.87Re1/5-0.4Re2/5 We-1/2，Dmax为最大铺展直径，Eggers等[45]利用与Roisman类似的方法得到β=Re1/5f(P)，式中P=WeRe-2/5．Josserand等[53]对关于液滴最大铺展问题的相关理论做了总结，其结果显示每种方法都有其局限性，所以对于液滴最大铺展半径目前仍没有统一的理论．在液滴达到最大铺展状态后，液滴在表面张力的驱动下回缩，在回缩过程中表面张力为驱动力，惯性力和黏性力为阻力．液滴回缩动力学与Oh(=We/Re)相关[54]，Oh用来表示液滴表面张力与黏性力的相对大小，根据二者的相对大小，可以划分液滴回缩模态为惯性模态和黏性模态．Bartolo等[54]研究两种模态的转化临界值为Oh=0.05左右．当液滴黏性较低时，惯性力作为主要阻力，液滴在表面张力和惯性力的平衡下移动．当液滴黏度较大时，液滴回缩是表面张力与黏性相互平衡的结果．Bartolo等[54]还利用润滑理论，并结合受力平衡对高黏性下液滴的回缩速度进行了研究，Vretrmax≈3251/3(1-cos θR)5/35ln (Λ/λ)τv-1，式中：θR为接触角；τv=(μD)/σ为黏性耗松弛时间；Vret=γ(1-cos θR)/(ρh)；Λ和λ分别为测量对象宏观和微观尺寸，其中Λ通常与液滴尺寸量级相同，在1 mm左右，λ量级通常为1 nm．液滴撞击基板、铺展、回缩过程受到多种因素影响，从运动、能量角度所展开的研究与分析，得到的规律仍存在一定局限性．1.2　液滴沉积数值分析方法流体运动研究方法从尺度上分为宏观、介观和微观三种类型，宏观上以欧拉和纳维-斯托克斯方程为代表的连续流体力学方法，包括流体体积法(volume of fluid，VOF)、水平集方法(level set method，LSM)、浸入边界法(immersed boundary method，IBM)等；微观上以分子动力学模拟(molecular dynamics simulation，MDS)为代表，须要对单个分子进行计算，导致计算量非常庞大；介观尺度介于宏观与微观之间，不须要满足宏观连续条件或描述每个分子的运动，以格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method，LBM)为代表．宏观流体研究方法最具代表性的VOF方法最早由Hirt和Nichols提出[55]．为了精确模拟强非线性流动，研究人员从方程差分格式和自由面流体传输两方面着手，结合自由面重构格式对VOF方法进行了联合改进，陆续提出了SLIC-VOF[55]，PLIC[56]，CICSAM[57]等方法．VOF方法的发展和改进使两相、多相交界面的计算仿真越来越精确，流体输运方程由二维拓展至三维，差分格式复杂多样，边界适用条件从规则边界到不规则边界，计算网格从二维网格发展到三维网格、正交网格、非正交自适应网格、无结构网格等[58]．VOF法除提高自由面的模拟精度外，其处理的边界条件越来越复杂，适用于各种自由表面流动、对流扩散、融合、传热、电沉积问题．格子玻尔兹曼方法来源于格子气自动机(lattice gas automata，LGA)，后续被简化和改进，引入线性化碰撞算子模型[59]；后续又提出BGK(Bhatnagar-Gross-Krook)模型，采用松弛系数并将粒子的碰撞过程用平衡态分布函数来代替，降低了计算的复杂度．Chen等[60-61]提出了LBGK(Lattice Bhatnagar-Gross-Krook)单松弛模型，其平衡态分布函数的选取由流域维数和网格形式所决定，具有形式简单、便于实施的优点，使得格子玻尔兹曼方法得到广泛应用．但由于在LBGK单松弛模型中，所有的碰撞过程都用一个松弛因子τ来表示，也就是说所有物理量都以同样的速率向平衡态趋近，这种简化减少了计算量，使模型更为简单，但是当用格子玻尔兹曼方法模拟非牛顿流体或紊流时，这种简化会带来计算不稳定等问题[62]；因此具有多个碰撞松弛时间(multiple relaxtion time，MRT)的格子玻尔兹曼模型被提出[63]，多个碰撞松弛时间-格子玻尔兹曼方法在满足相应的流体本构关系的同时，有更多的参数可以调整优化，更加真实地反映多物理过程，进而提高了数值算法稳定性．格子玻尔兹曼方法经过不断的发展和改进，在磁流体动力学、多相流、多孔介质流动、非牛顿流体和悬浮颗粒体系等复杂流动方面得到了广泛的应用．研究者对液滴沉积到基板的数值仿真的不同方法进行了尝试，总结了不同方法在不同沉积融合问题中的应用，如表1所示．10.13245/j.hust.221211.T001表1各研究内容应用的数值方法研究内容研究方法两液滴融合机理VOF[64-65]，LSM[66]，LBM[67]两液滴混合状态LBM[68-71]多液滴融合成线、成膜LBM[72-78]，VOF[79]约束空间内沉积LBM[80-81]液滴撞击非均匀润湿表面LBM[82]，MDPD[83]1.3　液滴沉积观测方法通过实验来验证数值仿真研究得到的沉积机理，观测是实验中最重要的环节之一．精确喷墨印刷所需微米尺度液滴的体积控制、飞行轨迹、沉积定位和铺展形貌的实践研究对观测方法提出了较高要求，特别是沉积动态变化过程的捕捉和分析．现有的喷墨印刷液滴观测方法主要包括激光干涉法、视觉法，本节主要总结针对视觉法的研究．采用频闪拍照法的墨滴检测系统，使用激光光源照明，最短曝光时间达到200 ns，可实现墨滴图像准确采集[84-85]．在频闪拍照系统中采用纳秒闪光灯，主要研究墨滴速度测量，系统采样时间达到0.1 μs，速度检测误差小于0.1 m/s[86]．进一步提高频闪拍照系统采样频率，频闪光源闪光时间低至20 ns，所有图像的采图时间小于0.1 μs，相比于之前的频闪拍照系统提高一个数量级，有利于减少运动拖影、提高墨滴速度检测精度[87]．在常规的频闪拍照墨滴视觉检测系统基础上，改进照明方式，增加同轴照明可在一定程度上改善由于曝光时间短导致的图像质量低问题[88]．美国ImageXpert公司[89-90]对采用频闪法的墨滴视觉检测系统进行了较多研究，其墨滴观测系统时间分辨率达到125 ns，视觉系统分辨率达到0.5 μm/pixel，通过多次曝光采集墨滴重叠图像从而提高图像对比度，研究了闪光时间对图像效果的影响．Choi采用1×104 帧/s高速相机成功拍摄墨滴生成及下落的过程，以寻找电流体喷印最佳喷射条件、测量墨滴直径并得到其与驱动电压间的关系[91]．实际测试中，Roisman等[92]控制了液滴直径、碰撞位置、两液滴碰撞的时间间隔和碰撞距离等参数，通过从斜上方和底部同时进行观测，来研究两液滴撞击的机理．Castrej´on-Pita等[68]在研究两液滴撞击融合相互扩散的变化情况时也同时用到了侧面观测和底部观测，如图5(a)所示．Zhang等[93]通过从俯视、侧视和正视三个视角观测了不同速度水滴与不同直径的圆柱形超疏水表面之间的碰撞行为如图5(b)所示，得到了水滴碰撞圆柱的多种形态如图5(c)所示．通过多目同时观测或单目多角度观测，配置高亮度光源和高速视觉系统可以实现喷印墨滴喷射、飞行和沉积过程的精确跟踪和测量．10.13245/j.hust.221211.F005图5喷墨印刷观测方案与观测图像2 多液滴沉积图案化研究喷墨印刷器件功能结构通常包含点阵、线(或沟道)、膜等，点、线、膜的有效制备直接关系到器件的分辨率与质量等，多液滴沉积是喷墨印刷制备复杂器件结构、图案的必经途径，通过多液滴沉积形成所需稳定图案化结构值得深入研究．2.1　液滴点阵液滴点阵须要精确控制液滴间距，防止液滴间连通导致图案破坏，或由于分布不均匀产生图像MURA．利用喷墨打印技术在玻璃基板上制备微透镜阵列，通过控制单点液滴沉积的数目来控制微透镜的焦距，实现220～463 µm的调控范围[94-95]．采用光酸催化的有机无机杂化油墨喷墨印刷制备几何特性可控的微透镜，沉积后即可固化，不需要任何中间蒸发或退火步骤，极大地简化了微透镜的制作过程[96]．利用喷墨打印技术制备钙钛矿量子点图案，并通过改变喷嘴尺寸和调节基板温度调节像素点的大小[97]．通过在量子点纯化过程中引入微量的油胺长链配体，采用喷墨打印技术实现了120 ppi绿色电致发光矩阵器件[98]．喷墨打印对于单个液滴的精确控制使得其在点阵制作方面具有独特优势．2.2　两液滴融合研究两液滴融合是多液滴融合的基础，了解液滴融合后的运动和混合变化，可为液滴沉积成线、成膜的控制提供参考．两个液滴连续撞击基板的动态过程中，尾液滴速度和基板接触角对整个动态融合过程起着主要影响，液滴动态最大扩散半径随尾液滴速度的增大而增大，到达最大铺展宽度的时间则随着速度增大而减少[65]，但对液滴最终的稳态平衡形状没有影响．而基板的接触角决定液滴稳定后的最大铺展宽度，但是对于扩散过程基本没有影响．两个液滴的融合过程也受到两个液滴表面张力差的影响，当液滴的表面张力差达到3 mN/m，液滴的融合会减慢，当表面张力差小于这个数值时，液滴的融合过程较快[99]．通过实验研究液滴撞击稳定固着液滴后的动力学、形状演化和接触线运动发现，液滴间距会影响融合后的液滴形态，间距越大，融合后的液滴半径也越大[100]．当两液滴融合时，初始阶段通常不产生混合．有研究者通过实验与数值仿真从偏移距离和液滴速度的角度对彩色液滴撞击固着液滴后在固体表面的结合和混合现象进行研究[68]，结果表明：在相同大小的液滴碰撞和聚结过程中，没有检测到混合现象，但当固着液滴足够大时，可以观察到撞击产生的液滴涡环，如图6所示．若撞击液滴的尺寸进一步显著减小，则有可能达到当小液滴被拉入大液滴时产生涡流环的条件，从而有助于两个液滴的混合，尽管在聚结过程中自由表面畸变增加，但最终两液滴仍未混合．当自由液滴不对称碰撞时，由于碰撞引起的旋转、拉伸和振动，会表现出混合现象．10.13245/j.hust.221211.F006图6彩色液滴撞击非彩色的固着液滴后融合的形态变化图像[68]Ashoke等[69,71]从尾液滴速度、表面润湿性、液滴黏度与表面张力、液滴间距对撞击过程动态动力学进行研究，分析液滴的动态融合过程以及融合过程中两个液滴内部成分分布变化，发现在表面增加润湿性梯度可以使得融合后的液滴产生滑移，但是并未促进混合．2.3　多液滴融合成线线(或沟道)是组成器件的重要部分，成线研究的主要目的是制备均匀尺寸的线．多液滴沉积分为同时沉积和先后沉积，在两种情况下，液滴的间距(重叠比)、液滴的物性、基板的接触角、沉积的频率等都会对成线的形态造成影响．基板接触角增大，液滴扩散直径减小，使平衡态的线宽减小[72,78]；液滴速度对最终成线形态基本没有影响；液滴间距对最终成线形貌有重要影响，间距不同导致最终成线形貌边缘呈现凸起或均匀的形态，增大间距可以减少线宽[76]；沉积频率主要影响液滴融合时两液滴的扩散方向，扩散方向的同异会对液滴融合的形态造成影响，进而影响线的形态，先后沉积不同频率对应的液滴形貌的液滴间距都不同[74]；液滴黏度等物性主要影响液滴在基板上铺展的宽度，不同液滴间距导致接触处凸起的大小不同，进而影响成线均匀度[101]；喷墨印刷时连续印刷和交错印刷模式下的印刷线形貌也有不同[102]．合理控制液滴沉积的间距，通过非均匀间距可以提高成膜的均匀性，实现表面由凸向平的转变[103]，如图7所示(图中n为液滴个数，dn为第n个相邻液滴的间距)．溶剂表面张力的对抗产生了向中心的马兰戈尼(Marangoni)流，通过在边缘处设置小液滴距，在中心处设置大液滴距，使边缘处溶质多于中心处，向内的Marangoni流将溶质从边缘输送到中心，形成均匀分布的薄膜．10.13245/j.hust.221211.F007图7不同间距下液滴打印成线图的形貌对比[103]2.4　多液滴融合成膜均匀致密膜是很多器件的重要结构组成，液滴沉积成膜与成线的影响机理类似，只是液滴融合为四方向均产生融合而不是成线时的两方向．与液滴沉积成线类似，液滴成膜也受到液滴间距(重叠比)、液滴物性、液滴速度、表面接触角等因素的影响．液滴间距不同，液滴融合形成的膜的边缘形态不同，凸起的扇形大小也不同，当液滴与液滴之间的间距过大时就会导致成膜不连续[104]；前进接触角和后退接触角也影响融合膜的形貌，是通过影响液滴的铺展与回缩影响成膜的形态，在薄膜变形过程中，如果规定后退接触角略大于瞬时接触角的最小值，那么就可以得到光滑的边缘[75]；液滴速度影响液滴融合时的能量转换，表面能转换成动能，若速度过大则会导致融合液滴形状发生剧烈变形，产生飞溅和反弹现象[77]．3 墨滴沉积定位控制研究图案化沉积中阵列化点阵、均匀尺寸的线或膜均对墨滴提出了精确定位的要求，本节针对基板润湿性梯度控制、主动引导控制和在约束空间内沉积定位的研究展开分析．3.1　润湿性梯度控制液滴运动当液滴在有润湿性梯度或差异的基板上沉积时会出现非对称的状态，包括倾斜反弹和产生滑移等现象．液滴撞击非均匀表面，若表面亲水性不足，液滴就会产生反弹，反弹方向受到撞击点附近表面润湿性的影响，若落点处两边润湿性不同，液滴就会倾斜反弹，通常向润湿性更好(接触角更小)的方向反弹[105]．通过改变非对称型沟槽型超疏水表面的长径比，当改变冲击速度时，由于液滴变形进入缝隙的体积不同，导致反弹的力不同，因此可观察到四种不同的运动，即垂直反弹、反弹到低长径比侧、反弹到高长径比侧以及滑动到高长径比侧四种现象[83]．速度不同导致液滴进入缝隙的体积不同，受到表面张力等因素的影响，受力不同因而产生不同的运动，如图8所示．通过控制微观的以液滴落点为中心的辐条形图案的密度，进而控制中心到边缘的润湿性差异，可以控制液滴铺展的大小[106]．10.13245/j.hust.221211.F008图8液滴撞击非均匀表面形态变化[83]当基板表面亲水性较强时，液滴不会倾斜反弹，而是产生滑动．液滴撞击基板亲水和疏水交界处后的扩散和后续收缩振荡的动态过程如图9所示，由于表面润湿性的不同，双织构基底疏水和亲水部分的液滴前沿表现出不同的收缩速度，疏水部分液滴前沿的强烈后退运动抑制了基底亲水部分液滴的后退运动[107]，液滴在表面的运动趋势的差异是由于液滴浸渍到纹理部分凹槽中的临界韦伯数的差异造成的[108]．减小双织构表面连接处的润湿梯度差，可降低两表面连接处两侧的液滴冲击动力学不对称性，降低最终的偏移量，反之同理[107]．10.13245/j.hust.221211.F009图9液滴撞击双纹理基底交界处[107]3.2　液滴主动引导控制液滴离开喷嘴后的飞行轨迹和定位精度受到多种因素影响，可以通过主动引导控制方法对液滴落点做出调整，常见有气流辅助、磁场辅助、电场控制等方法．通过气流辅助改变电喷印射流或液滴的运动方向，引导目标沉积在基板上，可以实现在非导电基板和曲面基板上的打印[109]．在电纺丝直写过程中引入辅助层流气流，为射流提供了额外的拉伸和约束力，可以减少周围的干扰，提高射流的稳定性[110-111]，如图10所示．10.13245/j.hust.221211.F010图10气流辅助电纺丝射流直写[110]非均匀磁场对铁流体液滴产生吸引作用，当磁力大到足以克服重力时，铁流体液滴在产生磁场的线圈周围振荡，最终在连续相的阻尼作用下静止，达到平衡位置．随着电流和产生的磁场强度的增大，铁流体液滴振荡频率增大，最终变形程度增大[112]．在均匀磁场下，通过调节铁磁流体的磁化率、载体介质的黏度和流速，可以控制液滴的大小、形状、间距和速度[113]．在均匀磁场和非均匀磁场组合的混合磁场下，通过调节磁场强度，可以控制磁流体液滴的驱动和液滴间距．液滴的黏性、电磁体积力等也会影响对液滴的控制[114]．静电聚焦[115]指利用两点间的静电场电势差调控带电对象轨迹的方法，合理利用这一特性可实现带电荷液滴轨迹与落点控制，静电聚焦透镜是静电聚焦特性的重要应用．Tse等[116]设计了一种采用双层电极的喷头结构以解决射流打印到电极环上的问题，采用双电极分布使喷嘴尖端产生足够场强大小的电场以实现射流的喷射．液滴在距离基板较近时可采用自动聚焦和外加电场聚焦[117-118] 两种引导方案．自动聚焦是利用已经沉积的带电液体作为电场来源，利用这一特性连续喷印油墨液滴形成纳米结构，液滴落点由于自聚焦效应具有很高的一致性[119]．利用针状接地电极周围形成的静电聚焦电场来实现液滴打印位置的一致性，将针状接地电极置于绝缘薄膜基板下，喷嘴与电极之间的电压差形成带电射流，带电射流在针状接地电极的静电聚焦作用下打印到基板上[120]．3.3　液滴在约束空间的沉积部分打印结构是具有约束边界的，要求多个液滴沉积在基板上同一个凹槽特征内，例如打印有机发光二极管红绿蓝像素．液滴在约束空间的沉积过程受到润湿性、密度比、液滴黏度和冲击速度等多种因素影响[80-81]．单液滴凹槽内撞击形态如图11所示(侧壁接触角(a)为40°，(b)为70°，(c)为90°，(d)为110°，底面接触角为70°)[80]，随着液滴黏度的增加，能量耗散速率加快．当液滴与侧壁碰撞时，液滴内部的黏性应力阻碍了液滴的运动，有利于缩短液滴空腔动力学过程，迅速达到平衡．随着碰撞速度的降低，液滴的总动能降低，在液滴撞击空腔的动态过程中也更不容易出现底部的空白区域．选择适当的高液滴黏度和降低冲击速度，可以直接消除反冲阶段的空心，加速喷墨沉积过程，且随着空腔尺寸的增大，液滴呈现出四叶状、准方形和准圆形的形貌．10.13245/j.hust.221211.F011图11不同接触角下液滴撞击空腔最终的形态液滴以不同速度高速撞击小尺度特征的矩形槽固体衬底，观察到两种不同的飞溅：一种是内部飞溅，类似平面基板上的冠状飞溅；另一种是外部飞溅，一些液体从槽中溅出[121]．3.4　液滴在特征坑内的沉积仿真面向柔性电子功能层喷墨打印等相关工艺，部分结构须要沉积在基板特定的特征坑内，其沉积与定位过程亦值得深入研究．当液滴离开喷嘴喷射向待沉积特征坑时，因受到喷头或基板运动、气流扰动或喷射角度影响，可能沉积在特征坑内或完全沉积在特征坑外，部分沉积在特征坑外的液滴，在润湿性梯度(坑内亲水、坑外疏水)、表面张力等综合作用下可能再“回流”进入特征坑内部，如图12所示．特征坑底面接触角、液滴落点与基板边界距离等因素都对这一过程有影响．特征坑底面接触角越大，液滴回缩进入特征坑就越缓慢，液滴在特征坑内部整个过程铺展的面积越小．液滴落点距离基板边界越近，液滴与特征坑底部接触的面积越大，液滴越可以更快“回流”到特征坑内，但是当液滴完全进入特征坑内部时，液滴的铺展就会变得缓慢．液滴的半径越大，在基板上铺展的最大直径越大，可以回到特征坑内的临界落点距离就越远．10.13245/j.hust.221211.F012图12液滴撞击特征坑形态变化图喷墨打印红绿蓝功能层须要精确控制液滴落点位置，使阵列飞行液滴沉积在特征坑内部．液滴未直接降落在特征坑内又“回流”进入特征坑的过程可以降低喷印设备对液滴定位精度要求．基板运动误差会缩小液滴沉积区域；当液滴倾斜撞击时，特征坑内沉积形貌出现明显的非对称变化，且会随着速度和倾斜程度增大而增大．4 工程化应用喷墨印刷技术在功能器件制造中的应用受到广泛期待，相关高端装备也在不断发展升级．工业喷墨印刷领域中，惠普公司的HP T1190印刷机(如图13所示)采用HP热喷墨技术(thermal inkjet technology，TIJ)和水基油墨的高性能轮转技术，可在多种衬纸和纸张上打印六色图案，最大打印速度为305 m/min，可打印宽度高达2 774 mm，打印分辨率为每英寸1 200个点．10.13245/j.hust.221211.F013图13HP T1190 印刷机日本JOLED和TEL公司、美国Kateeva公司、韩国SEMES公司和华中科技大学研究团队等，均在喷墨印刷显示领域研究功能层打印装备．Kateeva开发的有机发光二极管喷墨打印设备(YIELD Jet打印机，如图14(a)所示)，目前以打印有机薄膜封装(thin film encapsulation，TFE)功能层为主，通过液滴检测系统(remote drop inspection，RDI)测量每个喷嘴的液滴体积、速度和角度．本研究团队开发了200型新型显示喷墨打印装备，如图14(b)所示，可以完成基板像素结构发光层的精确打印，集成了喷印图案化控制系统、液滴检测系统、缺陷检测系统、微环境控制系统等功能模块．目前显示器件喷印装备均处于工艺测试阶段，亟需尽快进入批量化生产验证．10.13245/j.hust.221211.F014图14有机发光二极管喷印设备电流体喷墨打印技术具有适应墨水黏度广、打印特征尺寸小、可同位打印点线膜等优点．华中科技大学研究团队基于电流体喷印技术开发的曲面共形装备(如图15所示)，可在曲面基底上连续沉积，实现自由曲面柔性结构图案化，可同时实现平面与曲面、点-线-膜等柔性电子特征喷印制造[122-123]．10.13245/j.hust.221211.F015图15柔性电子曲面共形装备[122-123]5 总结与展望喷印技术对柔性电子大面积和批量制造具有明显竞争优势，通过阵列化喷印巨量液滴，可以沉积形成微纳尺度的点、线、膜等功能结构．液滴定位准确性直接影响柔性电子器件分辨率、均匀度、表面形貌等重要参数．研究液滴沉积、融合、图案化机理，通过气流场、磁场、电场和基板表面润湿性等调控液滴飞行与沉积参数，进而通过控制液滴轨迹、落点与沉积变形等来调控喷印图案几何形貌和精度．对液滴沉积控制的不断深入研究可以实现高质量喷墨印刷功能器件的制备，但是由于当前数值方法和计算能力限制，很难进行高精度、大量液滴同步沉积仿真，而且受限于微纳尺度液滴的观测手段，对液滴沉积的动态过程的观测也无法呈现足够多的细节．对液滴沉积定位控制的研究可以在如下两方面持续展开：a．完善数值仿真模型，增加微纳尺度、阵列飞行、复杂接触表面等工况的计算，通过改善并行计算提高计算效率，便于进行规模化微米级液滴喷射、飞行和沉积的数值仿真；b．突破pL及fL级液滴的精确喷射和精密体积、速度与缺陷测量，实现在气流场、磁场、电场等复合作用下对液滴飞行的轨迹和定位控制．