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Une élasticité modérée de l'encre supprime la formation de gouttes satellites. La recouvrance élastique agit sur le filament étiré : elle retarde sa rupture et favorise sa réabsorption dans la goutte principale, au lieu de laisser la tension superficielle le fragmenter en gouttelettes. La combinaison du rhéomètre extensionnel FV-30, qui visualise directement le comportement du filament et d’easyRheo Pico, qui quantifie les modules G′ et G″ d'encres très fluides, constitue un outil de distinction efficace pour sélectionner ou reformuler des encres avant leur utilisation en production.
Contexte
L'impression jet d'encre est aujourd'hui utilisée bien au-delà de l'impression graphique : elle sert à déposer des pistes conductrices, des couches actives de cellules solaires pérovskites ou les couches émissives des écrans OLED et LCD. Dans ces applications d'électronique imprimée, la précision du dépôt conditionne directement les performances du composant final. Un défaut récurrent compromet cette précision : la formation de gouttes satellites, de petites gouttelettes parasites qui accompagnent la goutte principale lors de l'éjection. Ce phénomène est gouverné par le comportement du filament d'encre lors de son étirement et donc par les propriétés rhéologiques de l'encre, y compris pour de très faible viscosité. Cette étude montre comment la rhéologie extensionnelle et la mesure de la viscoélasticité permettent d'identifier l'origine du problème et de comparer des encres entre elles.
Étude
Problématique
Les gouttes satellites réduisent la maîtrise du volume de la goutte et de sa position d'impact. Il en résulte une épaisseur de film non uniforme, une distorsion des motifs imprimés et une contamination par brouillard (fines gouttelettes en suspension qui se redéposent de manière incontrôlée).
Selon l'application, ces défauts entraînent des conséquences concrètes sur le procédé :
- Motifs conducteurs fins : courts-circuits ou circuits ouverts avec les encres à nanoparticules d'argent ou de cuivre.
- Couches pérovskites : baisse du rendement de production d'électricité due à un dépôt non uniforme des couches de SnO₂ ou de TiO₂.
- OLED / LCD : variations de performance causées par une épaisseur non uniforme de la couche émissive.
L'enjeu est donc d'identifier la propriété de l'encre responsable de la formation des satellites, afin de pouvoir sélectionner ou reformuler les encres avant leur utilisation en production.
Mécanisme de formation des gouttes satellites
La formation d'une goutte se déroule en quatre étapes (cf. Figure 1). L'encre est d'abord éjectée de la buse, puis s'allonge en un filament. Une goutte principale se forme à l'extrémité de ce filament, qui reste relié à la buse. Enfin, sous l'effet de la tension superficielle, le filament subit se resserre en plusieurs points et se fragmente en gouttes satellites. Le devenir de ce filament, qu'il se fragmente ou qu'il soit réabsorbé dans la goutte principale, détermine donc la qualité de l'impression.
Figure 1 : Mécanisme de formation des gouttes satellites lors de l'éjection d'une encre jet d'encre.
Méthodologie
Deux encres sont comparées : une encre de marque Epson et une encre compatible OEM. Deux techniques complémentaires sont mises en œuvre.
Le rhéomètre extensionnel FV-30 reproduit, dans des conditions contrôlées, le filament généré lors de l'éjection jet d'encre. L'imagerie continue de l'amincissement et de la rupture du filament permet de comparer les encres entre elles et d'évaluer leur risque de former des gouttes satellites.
Le rhéomètre easyRheo Pico est ensuite utilisé pour mesurer, en oscillation, le module élastique G′ et le module visqueux G″ des encres en fonction de la déformation appliquée (balayage en déformation). Cette mesure permet de quantifier la part élastique du comportement d'encres de très faible viscosité, pour lesquelles les contributions élastiques sont extrêmement faibles et difficiles à mesurer.
Résultats
Les essais au FV-30 (cf. Figure 2) révèlent deux comportements nettement distincts. Pour l'encre OEM, le filament s'amincit rapidement et se fragmente en plusieurs gouttelettes : c'est la signature d'un risque élevé de gouttes satellites. Pour l'encre Epson, le filament s'étire davantage et reste continu plus longtemps, puis se rompt en une seule fois, sans gouttelette résiduelle, les deux parties se rétractant vers les extrémités.
Figure 2 : Amincissement et rupture du filament d'encre observés au rhéomètre extensionnel FV-30.
Les mesures réalisées avec easyRheo Pico (cf. Figure 3) permettent d'expliquer cette différence. L'encre Epson présente un module élastique G′ d'environ 0,07 Pa, du même ordre de grandeur que son module visqueux G″, autour de 0,1 Pa. Ces valeurs restent stables jusqu'à environ 10 à 20 % de déformation, puis G′ chute nettement aux fortes déformations (jusqu'à environ 0,005 Pa vers 350 %), signe que la structure élastique de l'encre se rompt progressivement.
L'encre OEM a, à l'inverse, un comportement quasiment purement visqueux : son G″ est autour de 0,02 Pa, tandis que son G′ ne dépasse pas 0,001 Pa, soit une valeur environ vingt fois plus faible que G″ et plus de cinquante fois inférieure au G′ de l'encre Epson. Le caractère bruité de la courbe de G′ de l'encre OEM traduit la très faible intensité du signal élastique, à la limite de ce qui est mesurable.
Ces résultats montrent que la cause du problème est la viscoélasticité à très faible viscosité : deux encres dont la viscosité est faible peuvent se comporter très différemment lors de l'éjection, selon qu'elles possèdent ou non une légère composante élastique. Une mesure de viscosité seule ne permet pas de mettre cette différence en évidence.
Figure 3 : Modules élastique G′ et visqueux G″ des encres Epson et OEM en fonction de la déformation, mesurés avec easyRheo Pico.
Conclusion
Une élasticité modérée de l'encre supprime la formation de gouttes satellites. La recouvrance élastique agit sur le filament étiré : elle retarde sa rupture et favorise sa réabsorption dans la goutte principale, au lieu de laisser la tension de surface le fragmenter en gouttelettes. La combinaison du rhéomètre extensionnel FV-30, qui visualise directement le comportement du filament et d’easyRheo Pico, qui quantifie les modules G′ et G″ d'encres très fluides, constitue un outil de distinction efficace pour sélectionner ou reformuler des encres avant leur utilisation en production.
Une minute pour comprendre
Objectif
- Identifier l'origine de la formation des gouttes satellites lors de l'impression jet d'encre et comparer le comportement de deux encres (Epson et OEM).
Méthode
- Visualisation de l'amincissement et de la rupture du filament d'encre au rhéomètre extensionnel FV-30.
- Mesure des modules élastique G′ et visqueux G″ en balayage en déformation avec easyRheo Pico.
Résultats clés par poudre
Les deux encres se distinguent par leur élasticité :
- L'encre Epson possède une composante élastique marquée (G′ ≈ 0,07 Pa, proche de G″) : son filament s'étire puis se rompt proprement, sans satellite.
- L'encre OEM est quasiment purement visqueuse (G′ ≈ 0,001 Pa, environ vingt fois inférieur à G″) : son filament se fragmente en gouttelettes.
Points clés
- Même pour des encres de très faible viscosité, une légère élasticité change radicalement le comportement du filament lors de l'éjection.
- Une élasticité modérée retarde la rupture du filament et favorise sa réabsorption dans la goutte principale, ce qui supprime les satellites.
- La mesure de viscosité seule ne suffit pas : la caractérisation de G′ et G″ et l'observation du filament en extension sont nécessaires pour évaluer le risque de satellites.
FAQ
Qu'est-ce qu'une goutte satellite et pourquoi pose-t-elle problème en impression jet d'encre ?
Une goutte satellite est une petite gouttelette parasite qui se forme lorsque le filament d'encre reliant la goutte principale à la buse se fragmente sous l'effet de la tension superficielle. Ces gouttelettes ne se déposent pas à l'endroit prévu : elles dégradent la maîtrise du volume déposé et de la position d'impact. En électronique imprimée, cela peut provoquer des courts-circuits dans les pistes conductrices, une baisse du rendement des cellules pérovskites ou des variations de performance des écrans OLED et LCD.
Comment une encre aussi fluide peut-elle avoir un comportement élastique ?
Une encre jet d'encre est très peu visqueuse, mais elle peut contenir des polymères, des dispersants ou des particules qui lui confèrent une légère composante élastique. Cette élasticité est extrêmement faible, de l'ordre du centième ou du dixième de pascal pour le module G′, mais elle suffit à modifier le comportement du filament lors de l'éjection. Sa mesure demande un rhéomètre capable de détecter des signaux très faibles, comme easyRheo Pico.
Que mesure un rhéomètre extensionnel comme le FV-30 ?
Un rhéomètre extensionnel étire un échantillon de liquide pour former un filament, puis suit son amincissement jusqu'à la rupture. Le FV-30 reproduit ainsi, dans des conditions contrôlées, le filament créé lors de l'éjection jet d'encre, et l'enregistre en imagerie continue. On peut alors observer directement si le filament se fragmente en gouttelettes ou s'il se rompt proprement, et comparer le risque de satellites de plusieurs encres.
Faut-il rendre une encre la plus élastique possible pour éviter les satellites ?
Non. L'étude montre qu'une élasticité modérée est bénéfique : elle retarde la rupture du filament et favorise sa réabsorption dans la goutte principale. Une élasticité trop importante peut au contraire produire des filaments trop longs et difficiles à rompre, ce qui perturbe l'éjection. L'objectif est donc de trouver le bon équilibre entre les modules élastique et visqueux, ce que permet la caractérisation conjointe en extension et en oscillation.
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