Océ geeft aanzet tot open innovatie in inkjet

22 augustus 2007

Eind vorig jaar opende Océ op de High Tech Campus in Eindhoven het Inkjet Application Centre. Hier kunnen partijen gezamenlijk onderzoek doen naar inkjettechnologie en nieuwe toepassingen daarvan. Volgens Marcel Slot en Hylke Veenstra van Océ R&D gaat het centrum de hightech fabricagetechnologie revolutioneren, met ontwikkelingen als een jetmachine voor printplaten en een principe om zuivere metalen direct uit de smeltfase op te spuiten.

Een van de nieuwste inkjetprinters bij Océ Research zet geen letter op papier, maar druppelt lijntjes op koper. Het prototype moet een revolutie ontketenen in de fabricage van printplaten. ‘Inkjet vervangt daar vier lithografische processtappen, terwijl de opbrengst fors verbetert’, vertelt Hylke Veenstra, projectleider van de Venlose R&D-inspanningen op het gebied van geprinte elektronica. ‘Ons zijn een twintigtal andere initiatieven bekend die het al hebben geprobeerd’, aldus Research-manager Marcel Slot. ‘Tot dusver zijn ze allemaal mislukt.’

In tegenstelling tot de traditionele, lithografische PCB-productiemethode (zie kader ‘PCB-fabricage oude stijl’) spuit de Océ-printer de fotolak rechtstreeks op het koperen substraat. Het onbedekte metaal wordt vervolgens weggeëtst en de beschermende ‘inkt’ gestript. De voordelen van deze aanpak: het koper hoeft geen fotogevoelige coating te krijgen, er is geen apart masker nodig, het systeem hoeft niet te belichten en de resist hoeft niet te ontwikkelen. ‘Standaard kost het vier processtappen om het patroon op het koper te krijgen’, legt Veenstra uit. ‘Bij elke stap hoort een ander apparaat. Wij vervangen dat door één systeem.’

Buiten het Venlose

De jetmachine voor printplaten, codenaam Lunaris, is maar een van de projecten waaraan Océ werkt in het Inkjet Application Centre (IAC). Gevestigd op de High Tech Campus Eindhoven (HTCE) beoogt dit centrum de krachten in Nederland te bundelen om gezamenlijk onderzoek te doen naar inkjettechnologie en nieuwe applicaties daarvan. ‘Nieuwe toepassingen kun je niet alleen voor elkaar krijgen’, meent Veenstra. ‘Océ heeft wel de technologische expertise, maar niet de marktkennis. Daar hebben we anderen voor nodig.’

Het IAC kan gebruikmaken van de decennia aan ervaring die Océ heeft opgedaan in inkjet. ‘Vijfentwintig tot twintig jaar geleden deden we de eerste verkenningen’, vertelt Slot. ‘Sindsdien zijn in de researchfase alle technologieën wel de revue gepasseerd. Met de beste zijn we verdergegaan. Die zijn vooral terechtgekomen in onze breedformaatprinters, zoals de Arizona 250 of de TCS500. Op dit moment bevatten de meeste van onze inkjetprinters nog wel deelcomponenten van externe leveranciers, maar we werken hard aan producten waarin we alle inkjettechnologie volledig zelf hebben ontwikkeld.’

Ondertussen kreeg Océ steeds meer verzoeken van bedrijven, instituten en universiteiten die de Venlose bron van ervaring wilden aanboren. Dat leidde uiteindelijk tot het besluit om de activiteiten vastere vorm te geven in een expertisecentrum. Vorig jaar was het zover. Slot: ‘Op de HTCE zijn we toen gaan kijken naar printen op iets anders dan papier, met een aantal medewerkers die toch al aan nieuwe applicaties werkten.’

Met het IAC wil Océ zich onderscheiden in het wereldwijde woud van inkjetinitiatieven. ‘We doen geen contractresearch’, benadrukt Slot. ‘We vragen geen geld voor onze inspanningen. Wie een idee of een vraag heeft, kan gewoon bij ons aankloppen. Het kost relatief weinig om even te praten, te exploreren of een haalbaarheidsstudie te doen. Vaak zijn de vragen ook interessant voor ons. En alleen als we erin geloven, starten we door. Dan gaan we samenwerken, delen we de kosten, maken we IP-afspraken. We gaan ook alleen in zee met anderen als wij technologisch iets in de melk te brokkelen hebben. Zien we er geen brood in of voegen we niets toe, dan stoppen we ermee en verwijzen we eventueel door.’

Op de High Tech Campus Eindhoven ontwikkelt Océ een inkjetmachine voor printplaten die de fotolak direct op het koperen substraat print.

‘Anderen mogen het IAC ook gerust gebruiken zonder ons, bijvoorbeeld om zelf een machine te bouwen’, stelt Veenstra. ‘Het is een open centrum’, haakt Slot in. ‘We willen ook niet tot in lengte van dagen eigenaar blijven. We hebben het initiatief genomen, maar het hoeft niet per se een centrum van Océ te zijn, waar ook anderen werken. Voorwaarde is wel dat gebruikers de opgedane inkjetkennis delen. Zo willen we een kennisecosysteem creëren. Dat is voordelig voor ons: hoe meer we samenwerken, hoe sneller de vooruitgang in inkjetontwikkeling.’ Veenstra: ‘Zonder clustering zouden we met zijn allen dezelfde vraag tien keer beantwoorden.’

Volgens Slot is de keuze bewust gevallen op een locatie buiten het Venlose. ‘Rondom Eindhoven zitten veel bedrijven en onderzoeksinstellingen die geïnteresseerd zijn in alternatieve toepassingen van inkjet: biomedical printing, display printing, printed electronics.’ Het losweken uit Venlo heeft ook een psychologische reden. ‘Het brengt de ontwikkeling buiten de muren van de eigen R&D’, verklaart Veenstra. ‘Op de campus zitten we midden in een ecosysteem van open innovatie’, voegt Slot toe. ‘Daar willen we laten zien dat we unieke inkjettechnologie hebben die anderen kunnen toepassen.’

Intensive care

‘Het aantrekkelijke van inkjet is dat het additief is’, legt Marcel Slot uit. ‘Lithografie haalt materiaal weg; jettechnologie voegt toe. Inkt of een functioneel materiaal. Het is echter wel inherent onbetrouwbaar. Een op de miljard druppeltjes komt verkeerd terecht.’ ‘In het proces van druppelvorming komen verstoringen voor’, vult Veenstra aan. ‘De spuitmondjes stoppen er dan mee. Voordat ze uitvallen, gaan ze echter eerst zwabberen, waarbij ze alle kanten op spetteren. Bij veel toepassingen is dat uit den boze. Als je een display maakt en er valt een druppel verkeerd, dan kun je het hele paneel weggooien.’

‘De gebruikelijke aanpak van dit probleem is om met een camera naar de druppeltjes te kijken en in te grijpen als je het fout ziet gaan’, vervolgt Slot, ‘maar dan ben je al te laat. Dan heeft de nozzle al staan sproeien. Dat is niet meer te herstellen.’ Océ heeft echter een methode ontwikkeld om de verstoringen vroegtijdig te detecteren, dus nog voordat deze invloed hebben op de druppelvorming bij de spuitmondjes. Deze Paint-technologie meet continu aan iedere nozzle in de printkop. Niet door er van buitenaf naar te kijken, maar door het binnenste in de gaten te houden: de inktkamer. ‘Het is een soort intensive care voor spuitmondjes’, schetst Slot. ‘In plaats van af te wachten, leggen we de patiënt aan de hartbewaking en monitoren we hem voortdurend.’

De nieuwe Arizona 250-inkjetprinter van Océ maakt grafische afdrukken op superbreedformaat.

Paint gebruikt een door een Asic aangestuurde piëzo om de drukgolven in gang te zetten voor de druppelvorming (zie kader ‘Inkjet’). Door het element vervolgens in de luisterstand te zetten, verandert het van een actuator in een sensor. ‘De piëzo werkt dan als een microfoon, die een signaal teruggeeft aan de Asic’, verduidelijkt Slot. ‘Zo kunnen we de akoestiek in de kamer volgen. Als die verandert, bijvoorbeeld door luchtinvang of vervuiling, duidt dat vaak op een naderende uitval. We schakelen het spuitmondje dan uit en starten een recoveryprocedure. Ondertussen neemt een andere nozzle het werk over, totdat het oorspronkelijke kanaal is hersteld.’

De technologie is met name waardevol voor toepassingen waarbij een hoge yield belangrijk is. ‘Als elke druppel telt, dan wordt het interessant’, stelt Slot. ‘Niet zozeer als je klompen of taarten wilt bedrukken. Dan kun je gewoon de inkt en de koppen inkopen en daar een machine mee maken. Voor hightech manufacturing kom je er daar echter niet mee.’

Een ander speerpunt in Océs inkjetonderzoek vormen de printkoppen. ‘De meeste werken alleen op kamertemperatuur’, aldus Slot. ‘Een paar gaan tot 70 graden, maar dan is de viscositeit voor een aantal toepassingen nog onvoldoende. Om bijvoorbeeld vloeibare kristallen te kunnen verjetten, heb je bij de standaard technologie een oplosmiddel nodig. Dat geeft stank en je moet het kwijt zien te raken. Onze printkoppen gaan echter tot 140 graden. Dat is ruim voldoende voor vloeibare kristallen, die een smeltpunt hebben van 90 graden. Daardoor kunnen wij het pure materiaal vloeibaar verjetten.’

Metaljet en Lunaris

De Paint-technologie, de hittebestendige koppen en de Venlose R&D-kennis vormen het fundament onder het IAC-onderzoek naar nieuwe inkjettoepassingen. Meer dan vijftig applicaties zijn al de revue gepasseerd. Een daarvan is het aanbrengen van geleidende structuren. ‘Veelal gebeurt dat met lithografie, door te etsen dus’, aldus Marcel Slot. ‘Inmiddels zijn er wereldwijd al behoorlijk wat initiatieven die het proberen met inkjet. Bijna altijd gebruiken ze daarbij een oplosmiddel met nanodeeltjes van koper, zilver of goud en een hars om het metaal vast te plakken aan het substraat. Vervolgens moeten ze het oplosmiddel verdampen, het overtollige plaksel ‘wegstoken’ en de deeltjes ‘sinteren’.’

‘Probleem is dat je dan een mengsel hebt met hars, terwijl je bijvoorbeeld zuiver koper of zilver wilt’, gaat Slot verder. ‘Ons idee was om te jetten op hele hoge temperaturen, tot 2000 graden. Daardoor zouden we het pure metaal rechtstreeks uit de smelt op het substraat kunnen spuiten. En dat bleek te werken. Dit principe, dat we Metaljet hebben gedoopt, werken we nu verder uit.’ Veenstra: ‘Omdat piëzomaterialen en vele andere inkjetprincipes niet werken bij die hoge temperaturen, hebben we een compleet nieuwe jetmethode ontwikkeld, die compact is en heel kleine druppetjes kan produceren.’

Het resultaat na het printen van het etspatroon (links), na het wegetsen van het koper (midden) en na het strippen van de fotolak (rechts). De sporen hebben een breedte van 50 micrometer.

Een andere toepassing is het aanbrengen van geleidende sporen op beeldschermen. ‘Inkjet wordt nu al ingezet om de kleurenfilters van lcd-displays te repareren’, vertelt Veenstra. ‘De hoofdstraat maakt dan gebruik van lithografie om de filters te maken, met inkjet ernaast om fouten te herstellen. In plaats daarvan kun je ook het hele productiepad met inkjet doen.’

Verreweg het grootste IAC-project is echter de Lunaris-jetmachine voor printplaten, zowel in ontwikkeltijd als in aantal mensen. Océ ontwikkelt het systeem in samenwerking met de Eindhovense mechatronicaspecialist NTS, die ook de productie voor zijn rekening neemt. Slot: ‘Lunaris is een belangrijke carrier om te bewijzen dat Paint de belofte voor foutloze panelen waarmaakt.’

Een niet nader genoemde leverancier van PCB-fabricageapparatuur brengt de benodigde domeinkennis en producteisen in. ‘Die expertise is heel belangrijk’, erkent Slot. ‘Bij nieuwe toepassingen moeten wij die zelf helemaal opbouwen. Dan kun je beter iemand hebben die de applicatie kent. Zonder inbreng van die marktpartij hadden we de verkeerde machine gemaakt. Een aantal cruciale voorwaarden hadden we nooit zelf kunnen bedenken.’

Een van de belangrijkste vereisten was dat het systeem naadloos aansluit op de bestaande processen. ‘PCB-fabrikanten zijn van nature nogal conservatief’, stelt Slot. ‘Willen ze overgaan op een inkjetmachine, dan mag dat niets veranderen aan de workflow in de fabriek.’ Dat betekent dat de inkt moet blijven zitten na een standaard etsbad en moet wegspoelen in een standaard stripbad. Veenstra: ‘Daar hebben we heel erg op gezweet, maar uiteindelijk is het ons gelukt.’

Daarnaast dient de machine er rekening mee te houden dat de chemische samenstelling van de etsvloeistof in de loop van de tijd verandert. Een spoor van 100 micrometer breed wordt dan bijvoorbeeld 110 µm. PCB-fabrikanten compenseren daarvoor bij het belichten van het masker, zodat ze toch uitkomen op 100 µm. Met inkjet is Océ erin geslaagd om lijntjes met instelbare breedte te printen van bijvoorbeeld 95, 100, 105 of 120 µm. En dat terwijl de jetdruppels een diameter hebben van 40 µm en ook nog eens uitvloeien op het substraat. Door het vloeigedrag nauwkeurig te besturen, kunnen de Venlonaren toch stappen van 5 µm maken. De etscompensatie die dit mogelijk maakt, hebben ze in het ontwerp meegenomen. ‘Achteraf inbouwen is niet te doen’, zegt Veenstra.

De inkjetprinter moet lijntjes tekenen van 75 tot 100 micrometer, waarbij de variatie in de spoorbreedte hoogstens 7 procent mag zijn. ‘Dat betekent tien keer nauwkeuriger dan grafische inkjettoepassingen’, aldus Veenstra. Op een bord van 20 bij 24 inch halen de Venlonaren een precisie van 3 micrometer. ‘De betrouwbaarheid moet zelfs een factor honderd groter zijn dan bij grafische applicaties’, vervolgt hij. ‘Bij standaard inkjet komt een op de miljard druppels verkeerd terecht. Op 20 bij 24 inch panelen geeft dat een opbrengst van minder dan 50 procent. Dankzij Paint halen we met Lunaris een aanzienlijk hogere yield.’

Het Metaljet-principe op 1500 graden Celsius produceert metalen druppels van 50 micrometer.

ASML 2

Er liggen gigantische markten in het verschiet. Niet alleen in PCB’s zien de Venlose onderzoekers grote mogelijkheden, maar bijvoorbeeld ook in beeldschermen. ‘Standaard inkjet is nog niet betrouwbaar genoeg om grote panelen met Oleds of Polyleds te maken’, zegt Marcel Slot. ‘De hoge opbrengst die we met Lunaris halen, brengen we echter moeiteloos naar de displaywereld. De technologie die we hebben ontwikkeld, is heel gemakkelijk te hergebruiken in andere markten.’

Op dit moment maakt Océ de stap van inkjet op R&D-schaal naar een productierijp systeem. ‘Dit jaar willen we de technische haalbaarheid aantonen’, vertelt Slot. ‘Op het IAC hebben we al een mooie machine staan.’ Veenstra: ‘Op de testopstelling zijn we nu de eisen aan het bewijzen die onze partner uit de markt heeft aangeleverd.’

‘Parallel daaraan doen we aan consortiumvorming’, gaat Slot verder. ‘Wij richten ons op de ‘inkt’ en op de printkoppen met Paint-technologie. Voor alles dat niet core is, zoeken we partners. Wij kunnen het niet alleen; zij ook niet. Iedereen wil inkjet gebruiken voor hightech manufacturing, niemand kan het. Hier in Nederland gaat het ons lukken. Het zou heel mooi zijn als er een soort tweede ASML uit zou kunnen ontstaan, maar dan moeten we wel onze krachten bundelen.’

Nieke Roos

Terug naar overzicht