專利名稱：一種具有多光譜沉積物的物品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用無溶劑打印材料進(jìn)行的能夠形成多光譜沉積物的打印技術(shù)。
背景技術(shù)：
噴墨打印機(jī)是公知的。在傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)中，墨水以墨滴形式連續(xù)地或在要求時通過打印頭(具有若干個排出機(jī)構(gòu)和噴嘴)，噴射到受體上。傳統(tǒng)的墨水通常包括一種著色劑(染料或顏料)和至少一種溶劑。使用時，墨水貯存在墨水容器或墨盒中，其中容器或墨盒通過某種巳知方式液體連通打印頭。在彩色噴墨打印機(jī)中，打印機(jī)包括若干個這樣的墨水容器或墨盒，其中容器或墨盒包括不同顏色或色度的墨水。
傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)具有一些缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量(比如高分辨率圖像(每英寸900點(diǎn)的圖像))，同時還保持所要求的打印機(jī)生產(chǎn)率(通常被稱作生產(chǎn)能力)，打印頭一般包括許多頻繁動作的排出機(jī)構(gòu)。這樣就對噴射墨水的粘度有限制。于是，一般通過加入溶劑如水等來降低墨水粘度。增加的溶劑導(dǎo)致墨水在沉積到受體后的干燥時間變慢。這反過來又降低了打印機(jī)的生產(chǎn)率。增加的溶劑成分還導(dǎo)致圖像缺陷(如圖像滲色)增多，這對圖像的質(zhì)量如圖像分辨率造成負(fù)面影響。
傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)的另一個缺點(diǎn)是噴嘴會部分或完全阻塞不能使用。一般來說，這是由于噴嘴里面和周圍聚集的干燥墨水和/或碎屑(如紙灰、塵土等)引起的。為了減少這個問題，可以在導(dǎo)致上述問題的墨水中加入乙二醇或丙三醇這樣的溶劑。
傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)的另一缺點(diǎn)是打印彩色圖像時需要使用彩色墨水容器或墨盒。這會增大彩色打印相關(guān)的成本，因?yàn)楸仨毑捎锚?dú)立墨水容器或墨盒，每個容器或墨盒裝有不同顏色的墨水。
使用推進(jìn)氣體在受體上沉積材料的技術(shù)是公知的。例如，2000年9月12日公開的Peeters等人的美國專利No.6,116,718公開了一種用于打印設(shè)備的打印頭，其中推進(jìn)氣體通過溝槽，打印材料可控制地加入到推進(jìn)氣流中，形成彈道氣霧劑，用于將非膠狀的固態(tài)或半固態(tài)的顆?；蛞后w推送到受體上，其具有足夠的動能可使打印材料熔化到受體上。這種技術(shù)存在的問題是打印材料和推進(jìn)氣流是兩個不同的物質(zhì)，推進(jìn)劑用來使打印材料具有動能。打印材料在溝槽中施加到推進(jìn)氣流中，并在離開打印頭之前形成非膠狀的彈道氣霧劑。這種非膠狀的彈道氣霧劑是打印材料與推進(jìn)氣體的混合物，不是熱力學(xué)穩(wěn)定/亞穩(wěn)定的。因此，打印材料很容易在推進(jìn)氣流中沉淀，這又使打印材料產(chǎn)生凝聚，導(dǎo)致排出機(jī)構(gòu)阻塞，不能很好地控制打印材料沉積。
Huck等人在國際專利申請WO 02/45868A2公開了一種使用壓縮二氧化碳在晶片表面上形成圖案的方法。這種方法包括使一種材料溶解或懸浮在含有壓縮二氧化碳的溶劑相中，然后將溶液或懸浮液沉積在晶片表面，溶劑相的蒸發(fā)留下了材料的沉積圖案，使用光刻技術(shù)在晶片上預(yù)先設(shè)置圖案，以提供親水和疏水的晶片區(qū)域。在溶液(或懸浮液)沉積到晶片表面之后，溶劑相蒸發(fā)使材料(聚合物)粘附到疏水區(qū)域或親水區(qū)域上。溶液(或懸浮液)以液滴或羽狀噴霧的形式沉積到晶片表面上。
這種方法的缺點(diǎn)是使用羽狀噴霧進(jìn)行沉積要求晶片表面在沉積前預(yù)先設(shè)有圖案。因此，由于噴霧的發(fā)散形狀(羽毛狀)，在晶片表面上直接形成圖案是不可能的。而且，沒有預(yù)先設(shè)置圖案的晶片表面不能采用這種方法形成圖案。這種方法還需要足夠時間進(jìn)行干燥，使液滴(或羽狀噴霧)的溶劑相能夠蒸發(fā)掉。在溶劑相蒸發(fā)期間，溶劑和所述材料可能擴(kuò)散。
使用超臨界流體溶劑產(chǎn)生薄膜的技術(shù)也已知道。例如，R.D.Smith在1988年3月29日公布的美國專利4,734,227公開了一種沉積固態(tài)薄膜或產(chǎn)生細(xì)微粉末的方法，通過使固體材料溶解到超臨界流體溶液中，然后使溶液快速膨脹來產(chǎn)生細(xì)微粉末或細(xì)長纖維形式的打印材料微粒，這種材料微?？捎脕硇纬杀∧?。這種方法存在的問題是超臨界流體溶液的自由射流膨脹會導(dǎo)致非準(zhǔn)直/散焦噴射，無法在受體上形成高分辨率圖案。而且，散焦還會導(dǎo)致打印材料損耗。
因此，需要有這樣一種技術(shù)，其允許打印材料無溶劑沉積在受體上形成多光譜沉積物。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個特征，提供了一種物品，包括支承體和具有第一粒度和第二粒度的打印材料。第一粒度反射第一光譜，第二粒度反射第二光譜。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，提供了一種物品，包括支承體和單獨(dú)的納米級打印材料，可反射具有第一光譜容量的光線和反射具有第二光譜容量的光線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，提供了一種物品，包括支承體和所述支承體保持的打印材料，包括納米晶粒的打印材料具可測量的性質(zhì)，對于塊狀的相同打印材料這些性質(zhì)是非特征性的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，提供了一種物品，包括支承體和支承體保持的納米級打印材料。這種打印材料能夠以許多波長發(fā)光。


下面參考附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中圖1-5是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示意圖；和圖6A-7B是根據(jù)本發(fā)明的排出機(jī)構(gòu)和致動機(jī)構(gòu)的示例性實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本說明特別涉及構(gòu)成本發(fā)明設(shè)備一部分或與設(shè)備直接結(jié)合的部件。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到未特別示出或介紹的元件可以具有所屬領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種形式。而且，用于本發(fā)明各個方面的材料，如打印材料、溶劑、裝置是示例性的，不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
本文使用的術(shù)語“打印”涉及將打印材料(多種打印材料)輸送到基體或受體上的設(shè)備和方法。其包括但不限于，使用基于染料或基于顏料的墨水打印文字和圖像，以及將其它任何類型的材料沉積到基體或受體上。
參考圖1-5，其示出了輸送系統(tǒng)和輸送裝置10的示例性實(shí)施例。通過改變一個或多個制劑貯存器和/或材料噴射過程的過程參數(shù)或條件(如壓力和/或溫度)，輸送系統(tǒng)12可改變打印材料的反射光譜峰值，從而用一種打印材料產(chǎn)生具有多種顏色和/或多種色度的物品。
參考圖1-5，其中示出了輸送系統(tǒng)12的實(shí)施例，其通過改變壓力可實(shí)現(xiàn)打印頭的色流變化。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，控制其它過程參數(shù)如溫度和材料(溶質(zhì)和/或分散劑)濃度，也可以對所產(chǎn)生的微粒流造成類似的影響。
再參考圖1，輸送系統(tǒng)12包括壓縮流體源100、主制劑混合罐300、最高壓輸送罐301、中壓輸送罐302和最低壓輸送罐303。流體源100和罐300、301、302、303通過高壓管道系統(tǒng)101流體連通。輸送系統(tǒng)12可使得選定的打印材料溶解和/或散布到密度大于0.1克/立方厘米的壓縮流體中。
輸送系統(tǒng)12在不同的壓力狀態(tài)下將打印材料溶液和/或分散液供應(yīng)給打印頭103，噴出后相同的打印材料可以產(chǎn)生不同的顏色。在圖1所示實(shí)施例中，示出了三個輸送罐301、302、303，可將處于三種不同壓力的打印材料供應(yīng)給打印頭。一般地，許多彩色打印采用的是三原色，但根據(jù)需要輸送系統(tǒng)12可以結(jié)合更多或更少的輸送罐。
沉積時，通過噴嘴401(比如連接到最高壓輸送罐301的一個或多個噴嘴)噴出的打印材料產(chǎn)生第一種顏色。通過噴嘴402(比如連接到中壓輸送罐302的一個或多個噴嘴)噴出的打印材料產(chǎn)生第二種顏色。通過噴嘴403(比如連接到最低壓輸送罐303的一個或多個噴嘴)噴出的打印材料產(chǎn)生第三種顏色。為了降低中壓罐302和低壓罐303的壓力，使用了現(xiàn)有的普通的狀態(tài)控制裝置310。對于壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這些裝置是調(diào)壓閥。一種適合的狀態(tài)控制裝置310通常稱作減壓閥，可從俄亥俄州Norwood市Keidel Supply公司和德克薩斯州休斯頓市Tyco valves and Control公司等購買。在這種結(jié)構(gòu)中，輸送系統(tǒng)12是自調(diào)節(jié)的，因?yàn)榧词共牧蠂娚鋾r產(chǎn)生壓力變化，各輸送罐301-303中的壓力也能夠保持在最佳水平。另外，雖然已經(jīng)討論了使用減壓閥通過壓力進(jìn)行狀態(tài)控制，但是還有其它控制(比如產(chǎn)生和/或降低)壓力的方式。例如，壓縮流體源可以不同壓力向系統(tǒng)提供流體。
如果系統(tǒng)是根據(jù)溫度進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)的，那么狀態(tài)控制裝置310可以是溫度控制裝置或其它任何適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)控制機(jī)構(gòu)。例如，溫度控制裝置可以包括加熱機(jī)構(gòu)(加熱盤管等)和/或冷卻機(jī)構(gòu)(水冷套等)。類似地，如果系統(tǒng)是根據(jù)溶質(zhì)濃度工作的，那么每個輸送罐將裝有各種濃度的打印材料。
如圖2所示，雖然輸送系統(tǒng)12利用恒壓輸送罐301-303能夠產(chǎn)生不同的顏色，形成彩色圖像顯示，但是操作時可以調(diào)節(jié)狀態(tài)控制裝置310以提供附加壓力，產(chǎn)生更多的顏色。根據(jù)具體應(yīng)用，壓力變化還可以用來增加色域和/或色度。
參考圖2；其示出了輸送系統(tǒng)12的可選實(shí)施例。輸送系統(tǒng)12包括壓縮流體源100、主制劑混合罐300、最高壓輸送罐301、中壓輸送罐302和最低壓輸送罐303。流體源100和罐300、301、302、303通過高壓管道系統(tǒng)101流體連通。輸送系統(tǒng)12使得選定的打印材料能夠溶解和/或散布到密度大于0.1克/立方厘米的壓縮流體中。
輸送系統(tǒng)12可在不同狀態(tài)(如壓力和/或溫度)下將打印材料溶液和/或分散液供應(yīng)給打印頭103，噴出后相同的打印材料可以產(chǎn)生不同顏色。在此實(shí)施例中，每個輸送罐301、302、303通過狀態(tài)控制裝置310連接至制劑混合罐300，能夠?qū)γ總€輸送罐301、302、303進(jìn)行獨(dú)立的壓力控制。在圖2所示實(shí)施例中，示出了三個輸送罐301、302和303。根據(jù)需要輸送系統(tǒng)12也可以使用更多或更少的輸送罐。材料沉積的實(shí)現(xiàn)如上面參考圖1所作介紹。
參考圖3，圖中示出了輸送系統(tǒng)12的可選實(shí)施例。在此實(shí)施例中，制劑混合和沉積狀態(tài)受到控制，以得到提高的色域。輸送系統(tǒng)12包括材料貯存器102a、102b、102c，每個貯存器利用不同的打印材料來配制溶液和/或分散液。壓縮流體源100的壓縮流體通過管道系統(tǒng)101輸送至貯存器102a、102b、102c。每個貯存器102a、102b、102c通過狀態(tài)控制裝置310將溶液和/或分散液供應(yīng)給打印頭103。因此，在輸送打印材料之前和/或輸送期間時可以單獨(dú)控制輸送至打印頭103的每種打印材料。
在沉積之前，材料貯存器102a、102b、102c保持每種材料所要求的最高壓力，并在沉積時利用狀態(tài)控制裝置310進(jìn)行單獨(dú)控制(比如降低壓力)，使每種材料產(chǎn)生不同的光譜特性。利用這種方式，當(dāng)通過噴嘴401、402、403噴射材料時，通過不同工作條件下沉積一種或多種打印材料可產(chǎn)生不同的光譜反射特性，從而能夠得到較寬的總色域。在傳統(tǒng)的打印方法中，當(dāng)需要時可以使用三種以上的材料來增加色域。在此實(shí)施例中，每種打印材料的光譜反射特性可以有很多變化，因此可減少為了增加色域而需要的額外打印材料或額外摻雜劑。
參考圖4，圖中示出了輸送系統(tǒng)12的另一個實(shí)施例。在此實(shí)施例中，由壓縮流體源100供料的輸送系統(tǒng)12的主制劑混合罐300向打印頭103提供沉積所需的所有材料。一般來說，該實(shí)施例首先沉積第一種顏色，如果有需要可以接著沉積更多的顏色。
主制劑混合罐300加壓到最大希望壓力，通過打印頭103將材料噴射在基體(未示出)上，產(chǎn)生第一種顏色。如果想要更多的顏色，將狀態(tài)控制裝置310設(shè)定到另一個壓力(比如上面所介紹的中壓)并利用打印頭103噴射材料。當(dāng)想要有第三種顏色時，利用狀態(tài)控制裝置310設(shè)置第三種壓力，等等。
參考圖5，圖中示出了輸送設(shè)備10的示例。輸送設(shè)備10包括連接到打印頭103的輸送系統(tǒng)12。打印頭103布置在基體保持機(jī)構(gòu)11上方。在此實(shí)施例中，打印頭103工作時保持靜止，利用基體保持機(jī)構(gòu)11的一個或多個移動平臺107、108、109使基體106平移?；蛘撸蛴☆^103沿某個方向移動，而基體106沿另一方向移動。
還可以使用其它的輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料輸送方法。例如，打印材料(每種打印材料保持在不同條件下)可依次或同時通過打印頭103噴射。(可參見2001年12月6日以Nelson等人名義提交的美國專利申請No.10/016,054；和/或2002年6月5日以Sadasivan等人名義提交的美國專利申請No.10/162,956)。打印材料還可以通過輸送設(shè)備10以連續(xù)方式輸送。(可參見2002年11月4日以Sadasivan等人名義提交的美國專利申請No.10/287,579)。如果需要的話輸送設(shè)備10還可進(jìn)行校準(zhǔn)和清潔。(可參見2002年6月5日以Sadasivan等人名義提交的美國專利申請No.10/163,326)。另外，在將打印材料輸送到基體106之前或之后可以施加預(yù)涂層和/或外涂層。(可參見2002年1月17日以Sadasivan等人名義提交的美國專利申請10/051,888)。打印材料滲透到基體106的深度可利用輸送設(shè)備10進(jìn)行控制。(可參見2003年2月13日公布的Jagannathan等人名義的美國專利申請公報(bào)US 2003/0030706A1)。
參考圖6A-7B，打印頭103中噴嘴401、402、403的排出機(jī)構(gòu)105包括第一可變截面部分118，接著是第一恒定截面部分120。第二可變截面部分122從恒定截面部分120擴(kuò)展至排出機(jī)構(gòu)105的端部124。第一可變截面部分118收斂至第一恒定截面部分120。第一恒定截面部分120的直徑大體上等于第一可變截面部分118的出口直徑。排出機(jī)構(gòu)105還可以包括位于可變截面部分122后面的第二恒定截面部分125。第二恒定截面部分125的直徑大體上等于可變截面部分122的出口直徑。這種類型的排出機(jī)構(gòu)105可從紐約East Aurora的Moog公司和加利福尼亞州San Ramon的Vindum Engineering公司購買。
致動機(jī)構(gòu)104布置在排出機(jī)構(gòu)105內(nèi)，可在開啟位置126和閉合位置128之間移動，并具有密封機(jī)構(gòu)130。在閉合位置128，致動機(jī)構(gòu)104的密封機(jī)構(gòu)130與恒定截面部分120接觸，防止熱力學(xué)穩(wěn)定的超臨界流體和打印材料的混合物排出。在開啟位置126，允許熱力學(xué)穩(wěn)定的超臨界流體和打印材料的混合物通過排出機(jī)構(gòu)105排出。
根據(jù)具體的打印用途，以及所要求流體和打印材料的熱力學(xué)穩(wěn)定混合物的數(shù)量等情況，致動機(jī)構(gòu)104還可以處于各種部分開啟的位置?；蛘撸聞訖C(jī)構(gòu)104可以是具有開啟和閉合位置的電磁閥。當(dāng)致動機(jī)構(gòu)104是電磁閥時，最好還包括額外的可控位置致動機(jī)構(gòu)，以控制流體和打印材料的熱力學(xué)穩(wěn)定混合物的質(zhì)量流量。
在排出機(jī)構(gòu)105的優(yōu)選實(shí)施例中，第一恒定截面部分120的直徑在大約20微米至2,000微米的范圍內(nèi)。在更為優(yōu)選的實(shí)施例中，排出機(jī)構(gòu)105的第一恒定截面部分120的直徑在大約10微米至20微米的范圍內(nèi)。而且，根據(jù)具體應(yīng)用，第一恒定截面部分120的預(yù)定長度可以是其直徑的大約0.1倍至10倍。密封機(jī)構(gòu)130可以是圓錐形或圓盤形等。
再參考圖1-5，輸送系統(tǒng)12使預(yù)定的打印材料和流體載體(比如溶劑)處于壓縮流體狀態(tài)，形成壓縮流體中的預(yù)定打印材料溶液和/或分散液，并以可控方式將材料作為準(zhǔn)直和/或聚焦束輸送到基體106。打印材料可以是若干種打印材料的混合物。(可參見2002年10月29日頒發(fā)給Jagannathan等人的美國專利No.6,471,327B2)。
本文中，處于壓縮流體狀態(tài)的選定溶劑在環(huán)境壓力和溫度下是氣體。對于這種情況，環(huán)境條件最好限定為溫度在-100至+100攝氏度的范圍內(nèi)，而壓力在1×10-8至1000個大氣壓的范圍內(nèi)。
流體源100中的流體載體是能夠溶解/溶化/分散某種材料的任何物質(zhì)。流體源100在預(yù)定的壓力、溫度和流量條件下輸送作為壓縮流體的流體載體。物質(zhì)在其臨界點(diǎn)，即臨界溫度和臨界壓力，以上稱作超臨界流體。臨界溫度和臨界壓力通常確定了某種熱力學(xué)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，流體或材料變成超臨界并表現(xiàn)出類似于氣體和液體的性質(zhì)。處于足夠高溫度和臨界點(diǎn)以下壓力的材料稱作壓縮液體。處于足夠高臨界壓力和其臨界點(diǎn)以下溫度的材料稱作壓縮氣體。能處于超臨界流體和/或壓縮液體/壓縮氣體狀態(tài)的物質(zhì)得到應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)其處于壓縮流體狀態(tài)時具有獨(dú)特的溶解和/或分散相關(guān)材料的能力，這些物質(zhì)在環(huán)境條件下以氣體存在。
流體載體包括但不限于，二氧化碳、一氧化二氮、氨、氙、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、異丁烷、氯三氟甲烷、單氟甲烷、六氟化硫，及其混合物。在許多應(yīng)用中一般首選二氧化碳，因?yàn)槠渚哂谐杀镜土胰菀撰@得等優(yōu)點(diǎn)。
圖1-5中的制劑貯存器300在所要求的溫度、壓力、體積、濃度等配制條件下將預(yù)定的打印材料溶化和/或分散到帶有或不帶分散劑和/或表面活性劑的壓縮流體(壓縮液體、壓縮氣體或超臨界流體)中。打印材料與壓縮流體的混合物通常被稱作混合體、制劑等。
圖1-5中的制劑貯存器300用任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，其可在配制條件下安全工作。一般選擇，工作壓力在0.001大氣壓(1.013×102帕)至1000大氣壓(1.013×108帕)的范圍內(nèi)，工作溫度在-25攝氏度至1000攝氏度的范圍內(nèi)。優(yōu)選的材料通常包括各種等級的高壓不銹鋼。然而，在具體的沉積或蝕刻應(yīng)用中如果溫度和/或壓力條件沒有那么苛刻也可以使用其它材料。
圖1-5中制劑貯存器300的工作條件(壓力、溫度和體積)應(yīng)當(dāng)能夠充分控制。材料的溶解度/分散度取決于制劑貯存器300的條件。因此，制劑貯存器300工作條件的微小變化可能會對材料溶解度/分散度造成不希望的影響。
另外，對于具體應(yīng)用，可以將任何適當(dāng)?shù)哪軌蛉芙?分散材料到壓縮流體的表面活性劑和/或分散劑加入材料與壓縮流體的混合物中。這樣的表面活性劑和/或分散劑包括但不限于氟化聚合物，如全氟聚醚、硅氧烷化合物等。
打印材料被可控地引入制劑貯存器300中。壓縮流體也被可控地引入制劑貯存器300中。使用混合裝置適當(dāng)混合制劑貯存器300中的物質(zhì)以確保預(yù)定的打印材料與壓縮流體之間能夠密切接觸。當(dāng)進(jìn)行混合過程時，打印材料溶化或分散到壓縮液體/壓縮氣體/超臨界流體內(nèi)。溶解/分散過程中，包括打印材料數(shù)量以及混合速率取決于打印材料本身、打印材料的顆粒大小和粒度分布(如果打印材料是固態(tài)的)、所使用的壓縮流體、制劑貯存器300內(nèi)的溫度和壓力。混合過程完成時，打印材料和壓縮流體的混合物或制劑是熱力學(xué)穩(wěn)定/亞穩(wěn)定的，因?yàn)榇蛴〔牧先芑蚍稚⒃趬嚎s流體內(nèi)，只要制劑腔內(nèi)的溫度和壓力維持恒定，就能夠無限期地保持同樣的狀態(tài)。這種狀態(tài)與其它的物理混合物不同，因?yàn)橹苿┣粌?nèi)的打印材料微粒不會沉淀、析出和/或凝聚，除非貯存器內(nèi)溫度和壓力等熱力學(xué)條件發(fā)生變化。因此，本發(fā)明的打印材料和壓縮流體的混合物或制劑可以稱為是熱力學(xué)穩(wěn)定/亞穩(wěn)定的。這種熱力學(xué)穩(wěn)定/亞穩(wěn)定的混合物或制劑從制劑貯存器300通過排出機(jī)構(gòu)105和致動機(jī)構(gòu)104可控地釋放出。
在沉積過程中，當(dāng)溫度和/或壓力條件變化時，打印材料從壓縮流體中析出。析出的材料最好通過致動機(jī)構(gòu)104以聚焦和/或準(zhǔn)直射束由排出機(jī)構(gòu)105引導(dǎo)到基體106。本發(fā)明還可以用發(fā)散射束來實(shí)施，只要第一恒定截面部分120的直徑以及打印頭103與受體106之間的距離足夠小。例如，在第一恒定截面部分120的直徑為10微米的排出機(jī)構(gòu)105中，射束在碰到受體106之前可以是發(fā)散的以產(chǎn)生所要求的像素尺寸。
排出機(jī)構(gòu)105的不同直徑尺寸可以通過現(xiàn)代化的制造工藝如聚焦離子束加工、微機(jī)電系統(tǒng)加工等來實(shí)現(xiàn)。作為可選擇的方案，可以將PEEK、聚酰亞胺等制成的具有所要求內(nèi)徑(大約10微米)和所要求外徑(大約15微米)的毛細(xì)管束捆綁在一起，形成打印頭103(比如矩陣為4×100、4×1000或4×10000的毛細(xì)管矩形陣列)。每個毛細(xì)管與致動機(jī)構(gòu)104相連從而構(gòu)成排出機(jī)構(gòu)105。對于給定的致動機(jī)構(gòu)頻率，這種方式形成的打印頭的打印速度可通過增大每行的毛細(xì)管數(shù)目來提高。
沉積到受體106上的打印材料的顆粒通常在1納米至1000納米的范圍內(nèi)。通過控制排出機(jī)構(gòu)105中溫度和/或壓力的變化速率、受體106相對排出機(jī)構(gòu)105的位置、以及排出機(jī)構(gòu)105外的環(huán)境條件，可以使粒度分布均勻一致。
打印頭103還設(shè)計(jì)成能夠適當(dāng)變化制劑的溫度和壓力以控制材料的析出和/或凝聚。由于壓力一般來說是分級逐步降低的，所以制劑流體具有自主能量。隨后配制狀態(tài)的變化(壓力變化、溫度變化等)導(dǎo)致材料析出和/或凝聚，以及壓縮流體的蒸發(fā)。所產(chǎn)生的析出和/或凝聚的材料以精確的方式沉積到受體106上。超臨界流體和/或壓縮液體/壓縮氣體的蒸發(fā)在排出機(jī)構(gòu)105外面的區(qū)域發(fā)生。或者，壓縮流體的蒸發(fā)可以在排出機(jī)構(gòu)105內(nèi)開始，在排出機(jī)構(gòu)105外面的區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行?；蛘撸舭l(fā)發(fā)生在排出機(jī)構(gòu)105內(nèi)。
制劑通過排出機(jī)構(gòu)105時形成打印材料和壓縮流體的射束(射流等)。當(dāng)析出和/或凝聚材料尺寸大體上等于排出機(jī)構(gòu)105的出口直徑時，析出和/或凝聚的材料已由排出機(jī)構(gòu)105準(zhǔn)直。當(dāng)析出和/或凝聚材料的尺寸小于排出機(jī)構(gòu)105的出口直徑時，析出和/或凝聚的材料已由排出機(jī)構(gòu)105聚焦。
基體106沿路徑布置，使得析出和/或凝聚的預(yù)定打印材料沉積到受體106上。對受體106與排出機(jī)構(gòu)105的距離進(jìn)行選擇，使得壓縮流體到達(dá)受體106之前蒸發(fā)為氣相。因此，不需要有后續(xù)的受體干燥過程。作為可選擇方案，受體106可以帶電或帶靜電，使得能夠控制受體106上的打印材料位置。
還需要對打印材料的各顆粒的排出機(jī)構(gòu)105噴射速度進(jìn)行控制。由于打印頭103內(nèi)到作業(yè)環(huán)境存在相當(dāng)大的壓降，這種壓差將打印頭103的勢能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)材料顆粒到受體106上的動能。通過致動機(jī)構(gòu)104，這些顆粒的速度可以由適當(dāng)?shù)呐懦鰴C(jī)構(gòu)105控制。排出機(jī)構(gòu)105相對受體106的設(shè)計(jì)和位置還決定了打印材料沉積的圖案。
排出機(jī)構(gòu)105的溫度也可以控制。排出機(jī)構(gòu)的溫度調(diào)節(jié)可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行控制，以確保排出機(jī)構(gòu)105的開口能夠保持所要求的流體流動特性。
基體106可以是任何固體材料，包括有機(jī)物、無機(jī)物、金屬有機(jī)物、金屬、合金、陶瓷、合成和/或天然聚合物、凝膠、玻璃、或復(fù)合材料。此外，基體106可以具有不止一個層。基體106可以是任何尺寸的片狀或卷狀。
打印工業(yè)領(lǐng)域以前認(rèn)為在打印頁上實(shí)現(xiàn)不同的光譜反射，需要有不同的材料化學(xué)性質(zhì)，必須使用多功能材料。但是本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)了另外的方法。
如下面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，打印材料經(jīng)過上述壓縮流體輸送過程后可以表現(xiàn)出不同光譜特性(與采用傳統(tǒng)輸送方法輸送同樣打印材料相比)。因此，采用壓縮流體輸送方法沉積到基體的打印材料表現(xiàn)出的發(fā)光光譜將不同于相同打印材料通常所顯示的發(fā)光光譜。
還發(fā)現(xiàn)通過改變輸送過程的條件或參數(shù)可以用相同打印材料實(shí)現(xiàn)不同的反射光譜輸出。因此，通過控制和/或改變制劑貯存器和/或噴射過程中的條件或參數(shù)(比如壓力、溫度等)，上述打印設(shè)備10可以改變其噴射的打印材料的反射光譜峰值。
上述輸送方法和設(shè)備并不取決于特定類型的打印材料或工藝條件和參數(shù)。雖然下面介紹的示例代表三種不同的壓力，但是本發(fā)明的實(shí)施例并不限于這些壓力，而是可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行變化。
實(shí)例1將10毫克的C-545T和183克的二氧化碳放入溫度為40攝氏度和壓力為300巴的高壓腔中，并攪拌30分鐘。當(dāng)系統(tǒng)十分均勻時，高壓腔中的容納物通過安裝在長度為2英寸直徑為65微米毛細(xì)管的針閥，噴射釋放到膨脹室的環(huán)境條件中并持續(xù)5秒時間。釋放過程中，高壓腔內(nèi)的壓力保持在300巴，噴射物引導(dǎo)到玻璃瓶中。所收集的析出物是藍(lán)色的，然后對其進(jìn)行光致發(fā)光分析并觀察顏色。
實(shí)例2重復(fù)實(shí)例1中的過程，除了高壓腔中的壓力保持在200巴。收集的析出物是綠色的，然后對其進(jìn)行光致發(fā)光分析并觀察顏色。
實(shí)例3重復(fù)實(shí)例1中的過程，除了高壓腔中的壓力保持在150巴。收集的析出物是紅色的，然后對其進(jìn)行光致發(fā)光分析并觀察顏色。
結(jié)果實(shí)例1、2和3所產(chǎn)生的析出物以及對比粉末(C545T)的光致發(fā)光是用標(biāo)準(zhǔn)的氦氖激光器在457納米分別進(jìn)行激發(fā)來測定的。結(jié)果在下面的曲線圖示出，相應(yīng)的光致發(fā)光峰值波長在下面表1示出。

表1

上述析出的打印材料可稱作納米級打印材料。術(shù)語“納米級”在下面的段落中定義。
凝聚物質(zhì)中原子之間的相互作用使得其具有大塊固體所特有的性質(zhì)。大塊固體可歸類為大顆?；蚓Я＃涑叽鐬閹资{米或更大。在解釋大塊固體的物理、機(jī)械、光學(xué)等特性的包括物理學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)在內(nèi)的經(jīng)典科學(xué)領(lǐng)域中，需要用量子力學(xué)來解釋所觀察到的現(xiàn)象，如化學(xué)鍵、超導(dǎo)性、物質(zhì)的電子自旋和磁特性、輻射散熱或放射性衰變等。
由于這些大塊固體的長度只有很小的尺寸，＜20nm(納米，10-9米)，這些材料的性能發(fā)生變化，但性能與塊體時的性能不同。此粒度范圍內(nèi)的顆?？杀环Q作納米晶粒。性能方面的變化是電子能級降低的結(jié)果。比如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)稱作量子點(diǎn)的氮化鎵(GaN)小納米晶體的光致發(fā)光峰值集中在2.95eV(電子伏特)，比塊狀氮化鎵帶隙小0.5eV(B.Daudin等人，MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.4S1，G9.2，1999年)。這些量子點(diǎn)將電子俘獲在直徑＜30納米的一小族無機(jī)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的點(diǎn)中。許多研究人員認(rèn)為量子點(diǎn)將為電子學(xué)提供很多進(jìn)展增加效率、降低能耗、提高操作速度和具有新的電子特征(見M.May的刊于sceience Observer，1996年7月-8月的文章)。急待解決的問題是要研制出生產(chǎn)所要求尺寸的小納米晶體的通用工藝方法。
文獻(xiàn)中提到的納米晶體研究工作大都集中于無機(jī)/離子材料(C.B.Murray等人，IBM J.Res.&Dev.，45卷，第1期，47-56頁，2001年1月)。雖然有機(jī)物/分子材料的種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無機(jī)化合物，但是與有機(jī)物/分子納米晶體有關(guān)的文獻(xiàn)卻局限于那些可形成H-或J-聚合體的有機(jī)化合物。與H-和J-聚合體納米晶體相連的單體單元的數(shù)目已經(jīng)估算出大致為每吸收單元有4個單體單元(見A.Herz的Photog.Sci.Eng.，18，323-335頁，1974年)。染料分子間的相互作用可以使吸收光譜的光譜帶形狀和強(qiáng)度產(chǎn)生很大的光譜移動和/或變化。移動的大小和方向是由納米晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(即H-或J-聚合體結(jié)構(gòu))確定。已經(jīng)知道某些染料的納米晶體可通過逐漸提高其在溶液中的濃度產(chǎn)生，且這種納米晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可通過吸收光譜朝較短波長的緩慢移動(對于H-聚合體)或朝較長波長的快速移動(對于J-聚合體)來加以識別(見E.JeHey的Nature，138，1009-1010頁，1936年)。H-和J-聚合體納米晶體表現(xiàn)出與大塊固體不同的獨(dú)特性能，可在鹵化銀基的照相產(chǎn)品中使用。
通過研究塊狀(大塊)有機(jī)物/分子晶體中類似的多晶型現(xiàn)象，可以理解納米晶體中未形成H-或J-聚合體結(jié)構(gòu)的有機(jī)物/分子納米晶體的光譜移動和/或變化。多晶型定義為相同分子具有的多種晶體結(jié)構(gòu)(見J.Bernstein和J.Henk的Industrial Application of X-RayDiffraction的第25章，F(xiàn).H.Chung和D.K.Smith編輯，紐約MarcelDekker公司出版，531-532頁，2000年)，即特定的有機(jī)物/分子材料的塊狀晶體可以表現(xiàn)出多種晶體結(jié)構(gòu)，具有不同物理和機(jī)械性能如溶解度、顏色、吸收性、發(fā)射性、體積模量等。表現(xiàn)出多晶型的打印材料的一個實(shí)例是三羥甲基氨基甲烷(8-羥基喹啉)鋁。報(bào)告稱存在三種稱作α、β和γ的多晶型物(見M.Brinkman等人的J.Am.Chem.Phys.，122期，5147-5157頁，2000年)；當(dāng)被紫外線激發(fā)時，其中α和β呈現(xiàn)黃綠熒光而γ呈現(xiàn)藍(lán)色熒光(見M.Braun等人刊在J.Chem.Phys.，第114(21)期，9625-9632頁，2001年的文章)。由于表現(xiàn)出H-和J-聚合體結(jié)構(gòu)的納米晶體與表現(xiàn)出多晶型的塊狀有機(jī)物/分子晶體共有的基本現(xiàn)象是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變(聚合體/固體中的分子相對設(shè)置的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))，這導(dǎo)致觀察到的物理機(jī)械性能的變化，有機(jī)物/分子納米晶體的觀察到的H-和J-聚合體結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是塊狀晶體中觀察到的多晶型納米晶?，F(xiàn)象。將該現(xiàn)象稱作納米形態(tài)，而呈現(xiàn)納米形態(tài)的納米晶粒稱作納米晶體。關(guān)鍵是應(yīng)當(dāng)注意到特定有機(jī)物/分子材料所可能具有的納米晶體的種類和數(shù)目將由納米晶體中分子的物理尺寸(最小的尺寸約＜50納米)和數(shù)目(約＜100)確定，因此無須與同一有機(jī)物/分子材料的塊狀晶體中多晶型的種類和數(shù)目相同。
需要注意的另一個要點(diǎn)是某種材料所能生成的多晶型的種類和數(shù)目取決于生產(chǎn)這種有機(jī)物/分子晶體的方法(工藝)細(xì)節(jié)。例如，對于給定的有機(jī)物/分子材料，已經(jīng)知道當(dāng)采用常見的液體溶劑析出工藝來生成有機(jī)物/分子材料的塊狀晶體時，溫度、混合、溶劑類型等這樣的因素會影響產(chǎn)生的多晶型的種類和數(shù)目(見M.Bavin的Chem.Ind.，第527-529頁，1989年)。液體溶劑析出被認(rèn)為是產(chǎn)生有機(jī)物/分子材料塊狀晶體的通用工藝方法。一種類似的產(chǎn)生有機(jī)物/分子材料納米晶體的常見方法是通過RESS工藝從壓縮流體如二氧化碳進(jìn)行析出。(可參見Jagannathan等人的2003年2月13日公開的美國專利申請公報(bào)US 2003/0030706A1)。這些納米尺度的顆?，F(xiàn)出多分子堆積結(jié)構(gòu)，這是由于快速壓降表導(dǎo)致包括有機(jī)材料、有機(jī)金屬材料或分子材料的壓縮流體的飽和度迅速減小。從液體析出和通過RESS工藝從壓縮流體如二氧化碳中析出的重要差別是后者的過飽和產(chǎn)生和消失的速度快很多(見D.Matson等人的文章，刊登在Ind.Eng.Chem.Res.1987年第26期，2298-2306頁)。因此，從壓縮流體如二氧化碳中析出是生成納米晶體的便利方法。
納米晶體可以是單個顆粒或一團(tuán)顆粒。納米晶體顆粒的優(yōu)選尺寸小于50納米，更為優(yōu)選的是小于30納米，而最為優(yōu)選的是小于20納米。納米晶體的分子量的下限為10，優(yōu)選的上限是10,000，更為優(yōu)選的上限是20,000，而最為優(yōu)選的上限是100,000。根據(jù)在本發(fā)明介紹的新穎析出法可得到具有適當(dāng)尺寸的納米晶體材料，不需要進(jìn)行其它加工處理如碾碎或研磨等。
根據(jù)本發(fā)明制造的物品利用納米晶體使一種打印材料產(chǎn)生不同的顏色。這種物品包括基體(通常稱作受體、支承體等)上和/或基體中的納米級打印材料層。這種納米級打印材料能夠以第一波長(取決于輸送過程中的控制條件)和第二波長(取決于輸送過程中的控制條件)發(fā)光。如果進(jìn)行比較，第一波長納米級打印材料和第二波長納米級打印材料可以具有同樣的化學(xué)成分。
由支承體保持的打印材料包括具可測量性質(zhì)的納米晶粒，對于相同的塊狀的打印材料來說這些性質(zhì)是非特征性的。打印材料的中值晶粒在整個沉積物中是納米晶體。打印材料的光波長分布曲線和中值粒度顆?？梢跃哂泄餐目臻g變化。這種波長分布曲線可以是峰值波長分布曲線。
雖然上述納米級打印材料可以采用上面介紹的設(shè)備和方法來制造及沉積，但也可以使用其它設(shè)備和方法。舉例來說，打印材料可以采用上面所介紹的方法來制造和收集，然后用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行沉積。傳統(tǒng)技術(shù)包括但不限于將打印材料加入到噴墨墨水中然后用噴墨打印機(jī)進(jìn)行沉積；將打印材料加入到墨粉中然后用靜電復(fù)印打印機(jī)進(jìn)行沉積；將打印材料加入到供體片中然后用熱敏式打印機(jī)沉積打印材料等。傳統(tǒng)技術(shù)還包括任何用來沉積納米級打印材料而不會改變其特性(比如顆粒大小)的技術(shù)。這些方法不包括會導(dǎo)致打印材料溶解和重新析出的方法。
已經(jīng)參考某些優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)介紹，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到在本發(fā)明的范圍之內(nèi)可以作出各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種物品，包括支承體；和具有第一粒度和第二粒度的打印材料，其中，所述第一粒度反射第一光譜，所述第二粒度反射第二光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述第一光譜具有第一峰值波長，所述第二光譜具有第二峰值波長。
3.一種物品，包括支承體；和單獨(dú)的納米級打印材料，可反射具有第一光譜容量的光線和具有第二光譜容量的光線。
4.一種物品，包括支承體；和所述支承體保持的打印材料，包括納米晶粒的所述打印材料具可測量的性質(zhì)，對于塊狀的相同打印材料這些性質(zhì)是非特征性的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，在所述支承體的至少一個方向上，所述打印材料的光波長分布曲線和中值粒度顆粒具有同樣的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，所述顆粒嵌入到所述支承體中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，所述顆粒位于所述支承體的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，中值粒度顆粒是整個沉積物中的納米晶粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，在所述支承體的兩個方向上，所述打印材料的光波長分布曲線和中值粒度顆粒都具有同樣的變化。
10.一種物品，包括支承體；和所述支承體保持的納米級打印材料，其中所述打印材料能夠以多個波長發(fā)光。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有多光譜沉積物的物品。這種物品包括支承體和單獨(dú)的納米級打印材料，用于反射具有第一光譜容量的光線和具有第二光譜容量的光線。所述物品可以包括支承體和支承體保持的納米級打印材料，納米級打印材料能以若干波長發(fā)光。所述物品可包括支承體和具有第一粒度和第二粒度的打印材料。第一粒度反射第一光譜，第二粒度反射第二光譜。所述物品可包括支承體和支承體保持的打印材料，包括納米晶粒的打印材料具可測量的性質(zhì)，對于塊狀的相同打印材料這些性質(zhì)是非特征性的。
文檔編號C09D11/00GK1809462SQ200480017353
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者D·J·內(nèi)森, S·薩達(dá)斯范, R·賈干納塔恩, S·賈干納塔恩, G·C·小埃溫, R·V·梅塔 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司