噴墨技術多年發展以來，多半用於個人及辦公室電腦週邊產品，如印表機、傳真機、多功能事務機、相片印表機等；而近年來任意點列印（drop-on-demand）之噴墨頭出現是主要的列印技術，特別是針對工業應用之方面，以取代部分半導體製程，並節省材料成本。本文則是以NI（National Instruments） LabVIEW 6.1作為發展系統，結合了噴墨頭驅動、精密定位控制、影像處理、訊號擷取與處理等技術，發展出目前以LabVIEW開發的第一套工業用噴墨列印平台，可應用於次世代顯示器高分子有機發光二極體（PLED）、液晶顯示器之關鍵零組件彩色濾光片（color filter）、有機薄膜電晶體（OTFT）、微機電（MEMS）元件製作、生物晶片（Biochip）、印刷電路板（PCB）等新領域；並成功的利用此系統噴印出PLED、color filter、OTFT、PCB等產品；參考(圖一)。
| 《圖一 噴墨系統照片》 | 注釋:本圖中可以看出此系統包括：電路板、工業電腦、電氣箱、加熱平台與其上方的雷射位移計、鏡筒、噴墨模組等。 |
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系統簡介
此噴墨系統主要建構於三軸X-Y-θ平台16之上，如(圖二)，而Area CCD 10、一組噴墨頭11以馬達連接手動微調平台固定於機械式支撐座14，利用馬達使噴墨頭11在Z方向的運動以控制噴墨頭與基板間距。一組噴墨頭在現有硬體架構上可以配備四顆承載相同材料或不同材料之噴墨頭，在基板17上方。馬達15（每一軸一個）連接至移動平台以驅動基板17 X-Y-θ方向的移動。在圖二中，X軸被定義為平行支撐座14，Y軸定義為垂直支撐座14，Z軸被定義為噴墨頭在支撐座上之軸。X，Y軸都裝配有5相步進馬達，微步進解析度為0.5μm、最大移動速度為5 in/s。而Z軸配備有兩相步進馬達。旋轉平台（X-Y平面）可控制基板17之θ軸定位，旋轉範圍±3°、每一步解析度0.01°。然而，CCD13讀取對位標誌位置以對正基板放置的偏差，標誌預先被做在基板上。元件10、11 、12 、13固定於支撐座14上都是可調整的。此設備被支撐於花崗岩（AA Grade）基座上，有四個振動隔離器來吸收振動。所有的製程的操作都由PC-based的控制器控制（如圖二中之工業電腦所示）。本系統藉由平台移動，固定噴墨頭與CCD，達到定點對位、隨機與定位噴墨、基板觀測與測量等功能。
Labview與NI系列產品在本系統之PC控制端、電控板、噴頭之噴墨行為、CCD取像系統以及平台運動之間的整合扮演極重要之關鍵角色。(圖三)顯示平台之系統架構圖。該圖中有三大部分，包括電腦及使用者介面端、噴印資訊電控板以及平台端。PC為使用者介面，以及整合各項命令與資訊的地方，送出命令控制平台運動、觀測與取像以及噴墨行為。電控板藉由VISA介面的RS232與PC溝通各種噴墨行為之模式，以及聯繫不同噴頭與噴嘴；如(圖四)。並以NI之PCI-7344 Motion board 之DIO藉由UMI-7764module傳送平台是否到位的encoder訊號以及噴嘴是否噴印的命令。
NI產品與其他解決方案的比較
在系統架設之初，便要決定使用何種系列產品之解決方案，將NI產品與其他解決方案比較結果如(表一)所示。選用NI系列產品不僅在開發速度、計劃執行層面以及量測與控制準確度上是較好的選擇，在成本控制上若考量硬體成本與人事之工時成本，也是較佳的選擇。
精密運動控制
由於噴墨技術是利用噴墨頭將溶液噴出，其墨滴尺寸極小，故要將其噴印至特定的位置則必須搭配精密的定位控制系統，使用NI 運動控制卡（PCI-7344）之PID調整功能，以避免over shooting產生，其閉迴路搭配光學尺之效果可使本機台精度達到0.5μm。在軟體方面有很快運用之函式庫，以及便利運用之各項參數設定。且使用者介面上可以詳細加入參數設定，以及運動控制相關按鈕。另外，使用者可藉由Measurement & Automation進行基本的硬體功能測試，並且設定PID參數以及馬達加減速，以達到最理想的控制系統，如(圖五)所示。
| 《圖五 速度與加速度修改畫面》 | 注釋:利用measurement & automation可以調整馬達速度與加速度，在另外一頁還可以調整PID參數，另外還可以直接調整PID控制的stiffness與time，即使不懂PID也可以在這邊輕易調整，並且在此頁觀察其暫態響應。 |
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視覺系統與影像處理
視覺系統是由PC-based控制器搭配NI PCI-1411之影像擷取卡及運動控制卡（National Instruments PCI-7344, 4-axis）所組成。視覺系統包含光源、56x放大鏡頭、CCD攝影機（Sony SSC-C370, 768*494 pixels, 470 horizontal scan lines, NTSC & RS-170 Video Output）；如(圖六)。
這些組件都被架設於本噴印系統上。影像擷取卡彩色影像取樣頻率為每秒30張（黑白為每秒60張）。噴墨頭藉由X-Y-θ馬達掃瞄基板。X-Y軸光學尺解析度為0.5μm，θ軸為0.002度。在操作中，噴墨頭與基板的噴印距離調整為500μm。概念上，較短的距離可保證衛星點（satellite drop）落在可接受的範圍內，且偏離的位置愈小。然而，距離太近會導致刮到基板，因為基板表面不是完全平坦。此距離由實驗調整而得到。視覺系統在本噴印系統中有五個重要功能，如(表三)所示，其中附註記載該功能在稍後介紹之使用者介面相對應的區塊。
在這五個功能中，因為PCI-1411、IMAQ以及builder的搭配，許多函式庫的支援，例如：IMAQ initial.vi, IMAQ threshold.vi, IMAQ Userup.vi...等，因此很快並且完善的建立整個視覺系統與量測系統，大幅度縮短系統開發時程。並且使操作人員可以很容易的操作，提昇噴印樣本的品質。
噴墨行為控制
噴墨行為控制包括數個主要層面：噴墨軌跡與墨點數控制，噴墨頭選擇控制，噴嘴選用控制，噴嘴噴墨能量波形控制，噴墨命令控制，如(表四)所列。在本表附註中也註明稍後在介紹使用者介面時相對應的區域。而這些主要層面之內還延伸許多技術細節，如噴印軌跡又可分為Test Mode（靜態列印）、Swath Mode（單列列印）與Zig-Zag Mode（矩陣式列印）等。噴墨行為的資訊在軟體端被轉譯成噴印控制語言的格式，如(表五)所示，接著透過RS-232與控制電路板聯繫，相關之LabVIEW Library與流程示意圖如(圖八)所示。
| 《圖八 函式庫與流程圖》 | 注釋:利用RS-232傳遞噴印命令以控制噴墨電路板 |
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雷射位移計量測
元件製作時會在基材上設計bank（擋牆），bank之高度對墨滴在基材上的平垣度影響很大，所以bank高度量測也相當重要。另外，欲量測噴頭與平台上基板平行度，以確保噴嘴至基板之距離，故在平台上架設雷射共焦位移計（KEYENCE LT-8010），如(圖九)，其類比位移I/O輸出為電壓（+/-6v, 10mv/um），透過DAQ卡（NI PCI-MIO-16E-4）將電壓訊號轉為實際物理量，如此即可量測bank的高度或者樣本的表面粗糙度，其主要使用的Library與其流程如(圖十)。
| 《圖九 雷射位移計架構》 | 注釋:包括一電腦，DAQ Board以及一部雷射位移計，當感測頭電源開啟，便會偵測待測物平面。 |
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| 《圖十 訊號擷取流程圖》 | 注釋:硬體CONFIGURE、訊號擷取、訊號讀取放大、輸出訊號。 |
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使用者介面
Labview除了為硬體的整合與驅動提個一個絕佳環境，在使用者介面上的設計更是方便與完善。當在整合驅動硬體的同時，便可以藉由圖形化的各項工具去整合使用者介面，使得再複雜的程式模組，在整合後可讓初學的操作者能很快的上手。如(圖十一)
主程式使用者介面簡介如下：
根據不同的列印模式，所需要的參數也不同，Test Mode只需要選擇Head與Nozzle，Swath Mode與Zig-Zag Mode 則需要修改噴印的Parameters，兩者的差別在於Swath Mode不需要FE Height，其為Zig-Zag的一種特殊模式，一次只列印一行。
如圖十一中A區Print mode 裡有五種不同的列印模式，使用者可以於B區更改參數，以控制單行列印時的長度、墨點數與起始位置等，以及控制矩陣列印時的列數、行數與行距等。使用者透過C區Jog Mode Control Panel，可以任意移動平台的X、Y、θ軸以及噴墨頭的高度，並且改變速度與加速度，Open/Close 影像，Reset目前位置為座標參考點，校正CCD到噴孔中心距離，清潔噴嘴等。當使用者移動平台時，可由D區Motion Monitor，即時得到由光學尺所回授運動軸相對於機械原點的位置座標與設定點座標訊息。
在(圖十二)中，當image狀態鈕呈現show image時，便可以利用CCD取像。另外，當選則不一樣噴頭與不一樣的解析度模式時，在H區域便會顯示相對應的噴嘴供使用者挑選。
透過(圖十三)的Motion設定介面，在L區使用者可定義運動卡與運動軸的相關資訊，設定平台移動之控制為Open or Close Loop ，M區則為運動軸的一些參數，而藉著更改Mechanical Parameters中的參數，則可讓此程式適用於其他的噴印機台。而X-Y Position History即時顯示目前的軸運動軌跡座標訊息。
噴印的過程中使用者透過圖十二中的影像視窗可即時觀察噴印品質，當影像功能開啟時，可調整CCD的Gain，Brightness等，若影像仍十分不清晰，可再調整(圖十四)中的Image Processing強化處理如亮度、對比、飽和度等.....。透過N區可以調整十字標的圓圈大小，可用以量測點的圓徑。
每一種欲噴的材料特性不盡相同，其噴印所需能量也不盡相同，因此使用者則可透過(圖十五)中的 Printing設定墨滴噴印的能量，即可噴印形狀較為理想的液滴。
| 《圖十六 （a）雷射位移計處理畫面；（b）樣本掃描結果》 |
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(圖十六)為使用雷式位移計部分的程式時的畫面，在雷射位移計對焦後選擇畫面右下角的Scan時，便會跳出對話視窗儲存檔案，最後的量測結果如圖十六（b）所示。
結論
在系統開發過程中，需要克服運動控制、視覺系統與量測、噴墨行為、雷射位移計與一個理想的使用者介面等問題，此次藉由NI系列產品，則大幅縮短開發與整合功能的時程，也減少很多程式撰寫的時間，而也不必去擔心軟硬體相容的問題。LabVIEW提供許多便利使用的函式與子VI，而且其圖控式的特性，使得程式在撰寫時，只要邏輯架構清楚，便可以大幅縮短程式設計者在語法、結構與功能上所需花費的精力與時間，其便利的debug工具，更可以很快找到程式有錯誤的地方。其相關的硬體在LabVIEW與IMAQ builder的強力軟體協助下，可以迅速整合，並穩定完善的傳輸訊號與影像。其架構出來的使用者介面，不但節省製作實體按鈕的空間與時間，並且可以讓使用者迅速學習與便利使用。系統完成後穩定性佳，並成功噴印出液晶顯示器之關鍵零組件彩色濾光片、以及次世代顯示器PLED、微細導線等精密的產品，如(圖十七)所示為噴印產品之一。
| 《圖十七 彩色濾光片（左）與PLED（右）成品》 | 注釋:運用本噴印系統噴印之彩色濾光片成品（左），每一顏色大小為339μm×113μm，線寬為20μm，而高分子有機發光二極體（Polymer Light Emitting Diode）的像素為橢圓型（segment-type），大小73μm×310μm、像素間隙29μm。 |
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未來改善方向
本噴墨列印系統到目前為止可充分發揮應有功能，同時延伸領域甚廣，也引起產業界的重視。現在仍繼續開發的方向有缺陷自動修補、環境溫溼度與壓力監控系統、遠端網路監控系統等。而這些方向在先期評估時，認為添加NI產品如DAQ或者Fieldpoint、GPIB等介面來擴充這些功能相當方便可靠，因此現正往這些方向開發。
（工業技術研究院光電工業研究所）
參考資料
- (1)運動卡、影像卡與儀器I/O相關之LabVIEW原廠的 Reference Manuels。
- (2)LabVIEW基礎篇、進階篇與分析篇，蕭子健、儲朝偉、王智昱著，高立圖書公司。
- (3)LabVIEW提供的Help。
- (4)K1-86-4THB-202 常用噴墨頭資料，光電所。
- (5)Color Filter Design Notes For Software,Firmware and Hardware，光電所。
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