KR100221458B1 - Recording liquid ejecting apparatus of print head - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프린트헤드의 기록액 분사장치에 관한 것이다.The present invention relates to a recording liquid ejecting apparatus for a printhead.
본 발명은 박막이 냉각되는 과정에서 원상태로 복원될 때 대기압보다 낮은 압력에 의해 그 복원력이 증가되도록 함으로서, 기록액이 분사된 다음 액실에 보충되는 시간 즉 작동주파수가 증가되어 프린트성능이 향상되는 프린트헤드의 기록액 분사장치에 관한 것으로서, 특히 온도변화에 따라 형상변화가 되는 형상기억합금의 박막과, 상기 박막의 온도변화를 발생시키는 전원공급부와, 상기 박막이 결합되어 강제로 형상변화되도록 대기압보다 낮은 상태의 공간부를 갖는 기판과, 상기 박막 위에 설치되고 기록액을 저장하기 위한 액실이 형성되어 있으며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 상기 기록액이 유입되도록 유로가 형성된 유로판과, 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막이 형상변화될 때 상기 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 유로판의 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐프레이트가 구비된 특징이 있다.The present invention allows the restoring force to be increased by a pressure lower than atmospheric pressure when the film is restored to its original state while the film is cooled, so that the printing time is increased after the injection of the recording liquid, that is, the operating frequency is increased, thereby improving printing performance. A recording liquid injector of a head, in particular, a thin film of a shape memory alloy that changes shape according to a temperature change, a power supply unit that generates a temperature change of the thin film, and the thin film is combined to force a shape change than atmospheric pressure. A substrate having a low space portion, a liquid chamber provided on the thin film and storing a recording liquid therein, and a flow path plate having a flow path formed therein so that the recording liquid flows into one side of a wall surface surrounding the liquid chamber, and the flow path plate. The recording liquid may be sprayed in the form of droplets when the thin film is installed on the top and is changed in shape. The nozzle plate is characterized in that the nozzle plate is formed with a nozzle having a smaller area than the liquid chamber area of the flow path plate.
Description
제1도는 종래 가열식 분사장치의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional heated injector.
제2도는 종래 압전소자식 분사장치의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric element injector.
제3도는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 분리 사시도.Figure 3 is an exploded perspective view of the injector of one embodiment of the present invention.
제4도는 본 발명 한 실시예의 기록액 흐름을 나타낸 사시도.4 is a perspective view showing the recording liquid flow in one embodiment of the present invention.
제5도는 본 발명 한실시예의 분사장치의 정단면도.Figure 5 is a front sectional view of the injector of one embodiment of the present invention.
제6도는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 측단면도로서, a도에서 d도는 작동전후를 나타낸다.6 is a side cross-sectional view of the injector of the embodiment of the present invention, in which a to d show before and after operation.
제7도는 본 발명 형상기억합금으로 구성된 박막의 상변화를 나타낸 선도.7 is a diagram showing a phase change of a thin film composed of the shape memory alloy of the present invention.
제8도는 본 발명에 따른 일방향박막의 제조공정도.8 is a manufacturing process of the one-way thin film according to the present invention.
제9도는 본 발명에 따른 일방향박막의 제조공정도.9 is a manufacturing process of the one-way thin film according to the present invention.
제10도는 본 발명 박막의 가열시간과 온도를 나타낸 선도.10 is a diagram showing the heating time and temperature of the thin film of the present invention.
제11도는 본 발명 박막의 잔류압축응력 실험을 위한 시료를 나타낸 개략도이다.Figure 11 is a schematic diagram showing a sample for the residual compressive stress test of the thin film of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 기판 11 : 공간부10
12 : 박막 12a : 압력판12:
13 : 유로판 14 : 액실13: Europan 14: liquid chamber
16 : 유로 18 : 노즐플레이트16: Euro 18: nozzle plate
19 : 노즐 20 : 기록액19: nozzle 20: recording liquid
21 : 전원공급부21: power supply
발명은 프린트헤드의 기록액 분사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막이상변화 되는 과정에서 변형에 의해 액실의 압력이 조절되도록 하고 또한 박막이 대기압보다 낮은 압력에 의해 당겨지며 복원되도록 함으로써, 작동주파수가 증가되어 프린트성능이 향상되고 소형으로 제작할 수 있으며 제조공정이 단수화되는 프린트헤드의 기록액 분사장치에 관한 것이다.The present invention relates to a recording liquid injector of a printhead, and more particularly, to allow the pressure of the liquid chamber to be adjusted by deformation in the process of changing the thin film abnormality, and to allow the thin film to be pulled and restored by a pressure lower than atmospheric pressure, thereby operating frequency. The present invention relates to a recording liquid ejecting apparatus for a print head, in which print performance is increased, the manufacturing process can be made compact, and the manufacturing process is simplified.
일반적으로 널리 이용되고 있는 프린트헤드는 DOD(Dorp On Demand)방식을 사용하고 있다. DOD방식은 기록액 방울을 대전(帶電)하거나 편향시킬 필요가 없고, 고압도 필요치 않으며, 대기의 압력하에서 즉시 기록액 방울을 분사하여 손쉽게 프린트할 수 있기 때문에 이용이 점차 늘어 나고 있다. 대표적인 분사원리는 저항을 이용하는 가열식 분사방법과 압전소자(Piezo-Electric)를 이용하는 진동식 분사방법이 있다.In general, a widely used printhead uses a DoD On Demand (DOD) method. The DOD method is increasingly used because it does not need to charge or deflect recording liquid drops, does not require high pressure, and can easily print by spraying the recording liquid droplets under atmospheric pressure. Typical spraying principles include a heating spray method using a resistance and a vibration spray method using a piezo-electric.
도1은 가열식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 기록액이 내장되는 챔버(a1)가 있고, 이 챔버(a1)로 부터 피기록재를 향상 분사구(a2)가 있으며, 이 분사구(a2)의 반대쪽인 챔버(a1) 바닥에는 저항(a3)이 매설되어 공기의 팽창을 유발하도록 구성되어 있다. 따라서 저항에 의해 팽창된 공기거품(Bubble)은 챔버(a1) 내부의 기록액을 분사구(a2)로 밀려 나가게 하는 것이고, 기록액은 그 힘으로 기록재를 향해 분사되는 것이다.Fig. 1 is for explaining the principle of the heating jetting method, which has a chamber a1 in which recording liquid is incorporated, and has an injection hole a2 for improving the recording material from this chamber a1. At the bottom of the chamber a1, on the opposite side, a resistor a3 is embedded to cause the air to expand. Therefore, the bubble expanded by resistance causes the recording liquid in the chamber a1 to be pushed out to the injection port a2, and the recording liquid is ejected toward the recording material by the force.
그러나 이러한 가열식 분사방법은 기록액이 열에 가열되므로 화학적 변화를 유발하게 되고, 이러한 기록액이 분사구(a2) 내경에 붙어 막힘현상을 유발하는 문제가 있으며, 또한 발열저항기의 수명이 짧은 단점과 함께 수용성 기록액을 사용해야 하므로 문서의 보존성이 뒤떨어지는 것이다.However, this heating spray method causes a chemical change since the recording liquid is heated to heat, and the recording liquid adheres to the inner diameter of the injection hole (a2), causing clogging. Documents must be used, resulting in poor document retention.
도2는 압전소자에 의한 진동식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 역시 기록액이 내장되어 있는 챔버(b1)가 있고, 이 챔버(b1)로 부터 피기록재를 향한 분사구(b2)가 있으며, 분사구의 반대쪽 바닥에는 압전소자(Piezo Transducer)가 매설되어 진동을 유발하도록 구성되어 있다.Fig. 2 is for explaining the principle of the vibrating jetting method by the piezoelectric element, and there is also a chamber b1 in which recording liquid is incorporated, and there is an injection hole b2 from the chamber b1 toward the recording material. Piezoelectric elements (Piezo Transducer) is embedded in the bottom opposite the injection port is configured to cause vibration.
상기와 같이 챔버(b1)의 바닥에서 압전소자(b3)가 진동을 유발하면 기록액은 진동의 힘에 의해 분사구(b2)로 밀려 나가게 되며 따라서 기록액은 그 진동의 힘에 의해 피기록재로 분사되는 것이다.As described above, when the piezoelectric element b3 causes vibration at the bottom of the chamber b1, the recording liquid is pushed out to the injection hole b2 by the vibration force, and thus the recording liquid is transferred to the recording material by the vibration force. To be sprayed.
이와 같이 압전소자의 진동에 의한 분사방법은 열을 이용하지 않으므로 기록액의 선택폭이 넓은 잇점은 있으나 상기한 압전소자의 가공이 어렵고, 특히 압전소자를 챔버(b1)의 바닥에 부착하는 작업이 어렵기 때문에 양산성이 저하되는 문제점이 있다.As the spraying method by vibrating the piezoelectric element does not use heat, there is a wide range of choice of the recording liquid, but it is difficult to process the piezoelectric element, and in particular, the operation of attaching the piezoelectric element to the bottom of the chamber b1 is difficult. Since it is difficult, there exists a problem that mass productivity falls.
본 발명자는 상기와 같은 종래의 여러가지 문제점을 해결하기 위해 박막의 상변화 과정에서 발생되는 변형에 의해 액실의 압력이 가변되면서 기록액이 분사되도록 하는 프린트헤드를 선출원중에 있다. 선출원된 프린트헤드에 따르면 박막의 발생력(Actuating force)이 증가되어 노즐의 막힘현상이 감소되고 또한 박막의 변형량이 크기 때문에 박막을 소형으로 제작할 수 있어 노즐의 밀집도를 높여 해상도를 높일 수 있고, 반도체공정을 이용하여 기판에 박막을 부착할 수 있으므로 양상성이 증가된다.In order to solve the various problems described above, the present inventors are in the application of a printhead to allow the recording liquid to be injected while the pressure of the liquid chamber is changed by the deformation generated during the phase change process of the thin film. According to the pre- filed printhead, the actuating force of the thin film is increased to reduce the clogging of the nozzle and the deformation of the thin film is large. Therefore, the thin film can be manufactured in a small size. Since the thin film can be attached to the substrate by using the, the aspect is increased.
본 발명은 선출원된 프린트헤드의 개선에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 박막이 냉각되는 과정에서 원상태로 복원될 때 대기압보다 낮은 압력에 의해 그 복원력이 증가되도록 함으로서, 기록액이 분사된 다음 액실에 보충되는 시간 즉 작동주파수가 증가되어 프린트성능이 향상되는 프린트헤드의 기록액 분사장치를 제공함에 있다.The present invention relates to an improvement of a pre- filed printhead, and an object of the present invention is to increase its restoring force by a pressure lower than atmospheric pressure when the film is restored to its original state during cooling, so that the recording liquid is injected into the liquid chamber. It is an object of the present invention to provide a recording liquid ejection apparatus for a printhead in which the replenishment time, that is, the operating frequency is increased, thereby improving print performance.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 프린트헤드의 기록액 분사장치는 온도변화에 따라 형상변화가 되는 형상기억합금의 박막과, 상기 박막의 온도변화를 발생시키는 전원공급부와, 상기 박막이 결합되어 강제로 형상변화되도록 대기압보다 낮은 상태의 공간부를 갖는 기판과, 상기 박막 위에 설치되고 기록액을 저장하기 위한 액실이 형성되어 있으며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 상기 기록액이 유입되도록 유로가 형성된 유로판과, 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막이 형상변화 될때 상기 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 유로판의 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트를 구비하여 되는 점에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the recording liquid jetting apparatus of the printhead according to the present invention includes a thin film of a shape memory alloy which changes shape according to temperature change, a power supply unit for generating a temperature change of the thin film, and the thin film is combined. A substrate having a space portion at a lower state than atmospheric pressure to be forcedly changed in shape, and a liquid chamber formed on the thin film and storing a recording liquid therein, and a flow channel having a flow path formed so that the recording liquid flows into one side of a wall surface surrounding the liquid chamber. And a nozzle plate provided on the flow path plate and having a nozzle having a smaller area than the liquid chamber area of the flow path plate so that the recording liquid can be ejected in the form of droplets when the thin film is changed in shape. There is a characteristic.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도3은 본 발명 한 실시예의 분사장치의 분리 사시도 이고 도4는 본 발명 한 실시예의 기록액 흐름을 나타낸 사시도 이다. 본 발명의 분사장치는 해상도를 높이기 위해 기록액(20)이 분사되는 노즐(19)이 종,횡으로 다수열 배열되며 기록액 (20)을 실질적으로 분사하는 박막(12)이 이들 각 노즐(19)과 일대일 대응된다.Figure 3 is an exploded perspective view of the jetting apparatus of one embodiment of the present invention, and Figure 4 is a perspective view showing the recording liquid flow of one embodiment of the present invention. In the jetting apparatus of the present invention, in order to increase the resolution, the
즉 기판(10)의 전,후방에 상하측 방향으로 관통된 공간부(11)가 다수개 형성되고 기판(10)의 상부에 결합되어 각 공간부(11)를 덮는 박막(12)이 다수개 구비된다. 박막(12)은 온도에 따라 상변화를 일으켜 휨변형이 되고 이때 발생되는 발생력에 의해 기록액 (20)을 분사하는 것이다. 또한 기판(10)의 저면에 공간부(11)를 대기압보다 낮은 상태로 만드는 압력판(12a)이 결합된다. 압력판(12a)이 결합되면 공간부(11) 내부가 대기압보다 낮은 상태로 되어 그 진공도에 따라 박막(12)을 강제적으로 휨변형 시킨다. 따라서 박막(12)의 휨변형 속도(복원력)를 증가시켜 작동주파수를 높인다.That is, a plurality of
또한 기판(10)의 상부를 덮는 유로판(13)이 구비되고 유로판(13)에는 해당 박막(12)의 직상부 마다 기록액(20)이 수용되는 액실(14)이 형성된다. 또한 유로판(13)의 중앙에는 기록액(20)이 흐르는 주유로(15)가 마련되고 주유로(15)와 해당 액실(14)은 유로(16)를 통하여 서로 연통된다. 또한 기판(10)의 일측에는 유로판(13)의 일측 주유로(15)와 연통되는 액주입구(17)가 마련되어 기록액(20)이 주유로(15) 쪽으로 공급된다.In addition, a
또한 유로판(13)의 상부에 결합되는 노즐플레이트(18)가 구비되고 노즐플레이트(18)은 유로판(13)에 형성된 각 액실(14)과 대응되는 노즐(19)이 다수개 형성된다. 또한 각 노즐(19)은 해당 액실(14) 쪽으로 노출된 박막(12)과 대응되며 이들 박막(12)이 변형될 때 액실(14)의 압력이 변하면서 기록액(20)이 액적의 상태로 각 노즐(19)을 거쳐 용지에 분사된다.In addition, the
박막(12)은 온도변화에 따라 연속적으로 상변화되고 이 과정에서 변형에 의해 진동이 일어나게 되며 기록액(20)이 각 노즐(19)을 통하여 액적의 상태로 분사된다. 도6a내지 도6b는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 측단면도로서, 어느 한 박막을 발췌한 것이다. 박막(12)의 노즐(19)의 반대쪽으로 볼록하게 변형된 초기상태에서 박막(12)이 설정온도 이상으로 가열되면 상변화에 의해 펼쳐지고 이때 액실(14)의 내압이 증가되어 압축됨과 동시에 기록액(20)이 노즐(19)을 거쳐 분사된다. 반면에 공간부(11)는 내부의 진공도가 증가된 상태를 유지하게 되고, 이후 박막(12)이 설정온도 이하로 내려가면 원상태인 볼록한 상태로 복원되며 액실(14)의 내압이 낮아지면서 노즐(19)의 모세관 현상과 흡입력에 의해 기록액(20)이 액주입구(17)와 주유로(15) 및 해당 유로(16)를 거쳐 액실(14)내부로 유입된다. 이후 위의 과정이 연속적으로 반복되면서 기록액이 액적의 상태로 분사된다.The
또한 박막(12)이 볼록한 원상태로 변형될 때 공간부(11) 내부는 원래의 대기압보다 낮은 상태를 유지하기 위해 박막(12)를 당기게 되고 따라서 박막(12)은 복원력이 강화되어 작동주파수가 증가된다. 즉 공간부(11)의 진공도가 박막(12)의 복원력을 크게함으로 빠른 시간안에 복원(Buckling)이 가능하고, 따라서 기록액의 보충(refill)이 빠르게 이루어져 기록액의 분사를 곧이어서 할 수 있으므로 프린트헤드의 작동속도가 증가된다.In addition, when the
또한 박막(12)은 전원공급부(21)에 의해 가열된다. 즉 박막(12)의 양단에 결합된 전근(21a)으로 전원공급부(21)의 전원이 인가되면 박막(12)은 저항에 의해 발열되어 온도가 상승되고 상변화에 의해 변형이 일어나 펼쳐진다. 또한 전원공급부(21)에 전원이 인가되지 않으면 박막(12)은 자연냉각되면서 변형에 의해 원래의 볼록한 상태로 복원된다. 또한 박막(12)은 전원공급부(21)를 사용하지 않고 별도의 히터를 이용할 수 있다. 즉 박막(12)의 저면에 히터를 부착하여 이를 직접 가열할 수 있다.The
박막(12)은 온도에 따라 상변화되어 변형을 일으키는 형상기억합금(Shape memory alloy)이 사용되며 재질은 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)이 주성분이다. 또한 형상기억합금으로 구성된 박막(12)은 제조방법에 따라 방향성을 갖는다. 도8는 본 발명에 따른 일방향박막의 제조공정도로서, 도3 내지 도6은 일방향(One-Way) 박막을 이용한 것이다. 실리콘 등의 재질로 구성된 기판(10)의 상부에 박막(12)을 증착시킨다음 일정온도에서 일정시간 열처리 하면 결정화된 오오스테이나이크(Austenite)조직으로 변화되면서 평판형태를 모상으로 기억하게 되며, 이후 마르텐사이트 종료온도(Mf) 약 45℃ 이하로 냉각시키면 오오스테나이트조직은 결정학적으로 동등한 24종의 다른 방위를 갖는 마르텐사이트(Martensite)조직으로 되면서 잔류압축응력이 박막(12)에 존재하게 된다.The
또한 박막(12)의 직 하부를 실리콘에칭하면 기판(10)에 공간부(11)가 형성되고 박막(12)이 외부로 노출되면서 잔류압축응력에 의해 하부(또는 상부)쪽으로 휨변형되어 도 6a와 같이 된다. 이처럼 휨변형된 박막(12)은 마르텐사이트조직을 유지하게 되며 이후 박막(12)을 설정온도 즉 오오스테나이트 종료온도(Af) 약 70℃ 이상으로 올리면 규칙상으로 역변태되어 오오스테나이트 조직으로 변화되고 도6c와 같이 평판의 형태로 펼쳐진다. 이후 박막(12)이 냉각되면 마르텐사이트조직으로 변화되면서 잔류압축응력에 의해 휨변형 되어 원상태로 복원된다.In addition, when the silicon substrate is directly etched in the lower portion of the
또한 기판(10)의 저면에 공간부(11)를 대기압보다 낮은 진공으로 만드는 압력판(12a)이 결합된다. 압력판(12a)은 기판(10)의 재질인 실리콘과 열팽창계수 및 제반특성이 유사한 유리(Corning #7740)가 사용되며 진공상태에서 정전접합에 의해 기판(10)의 저면에 결합된다. 또한 스테인레스 또는 니켈 등의 금속 뿐만 아니라 폴리머 등을 사용하여 기판(10)과 압력판(12a) 사이에 접착재(Bonding layer)를 넣어 진공중에 접착할 수도 있다.Also coupled to the bottom of the
이처럼 기판(10)의 저면에 공간부(11)를 대기압보다 낮은 상태로 만드는 압력판(12a)이 결합됨으로 박막(12)이 휨변형에 의해 원상태로 복원될때 휨변형속도(복원력)가 증가된다. 또한 박막(12)의 온도변화에 따라 액실(14)의 내압이 압축, 팽창되는 과정이 반복되면서 기록액이 노즐(19)을 거쳐 액적의 상태로 분사된다.As such, the
도9는 본 발명에 따른 양방향(Two-Way) 박막의 제조 공정도 이다. 박막(12)은 챔버(22) 내부에서 일정온도 일정시간 열처리하면 결정화된 오오스테나이트(Austenite)조직으로 상변화 되고 이후 마르텐사이트 종료온도(Mf) 약 45℃ 이하로 냉각시키면 오오스테나이트조직은 결정학적으로 동등한 24종의 다른 방위를 갖는 마르텐사이트(Martensite)조직으로 변화된다. 또한 마르텐사이트조직에 소성 미끄러짐이 일어나지 않는 범위내에서 외력을 가해 변형을 시킨다. 이때 마르텐사이트조직이 특정한 방향으로 형성되어 원하는 변위를 갖게되며 이후 오오스테나이트 종료온도(Af) 약 70℃ 이상으로 온도를 높이면 규칙상으로 역변태되어 오오스테나이트 조직으로 변형되어 펼쳐진다.9 is a manufacturing process diagram of a two-way thin film according to the present invention. When the
이후 위의 과정을 수차례 되풀이 하여 학습(tranining)시킨 다음 박막(12)을 마르텐사이트 종료온도(Mf) 이하의 온도로 낮추었을 때 외력이 없어도 휨변형이 발생되고 오오스테나이트 종료온도(Af) 이상으로 온도를 올리면 평판의 형태로 되어 온도에 따른 양방향의 왕복운동을 일으킨다. 또한 양방향성의 박막은 제조과정에서 외력을 가하는 정도에 따라 휨변형량이 결정되어 변위량조절이 가능함으로 높은 발생력을 얻을 필요가 있는 프리트헤드에 적용할 수 있다.Thereafter, the above process is repeated several times, and then when the
또한 양방향성의 박막(12)을 제조할 때 기판(10)의 하부에 압력판(12a)을 결합시켜 공간부(11)내부를 대기압보다 낮은 상태로 만든다. 이처럼 하면 박막(12)이 초기상태로 복원될때 공간부(11)의 진공도에 따라 복원력이 증가되어 작동주파수가 향상된다.In addition, when manufacturing the bidirectional
양방향성을 갖는 박막(12)은 본 발명 한 실시예인 도6에 적용 할 수 있다. 예컨데 기판(10)의 일측에 박막(12)을 증착한 다음 실리콘에칭에 의해 공간부(11)을 형성하여 박막(12)이 잔류압축응력에 의해 휨변형되도록 하고 이후 학습을 통하여 양방향성을 갖도록 한다. 또한 기판(10)의 저부에 압력판(12a)을 결합시켜 공간부(11)을 대기압보다 낮은 상태로 만든 다음 박막(12)을 가열시켜 평판으로 변형시키면 공간부(11)의 진공도가 높아진고 이후 박막(12)을 냉각시켜 볼록한 원상태로 휨변형시키면 이 과정에서 진공도에 의해 휨변형 속도 즉 복원력이 증가된다.The
또한 본 발명의 박막(12)은 온도차에 따라 오오스테나이트 조직에서 펼쳐지고 마르텐사이트조직에서 휨변형됨으로 온도차를 작게할 수록 박막(12)의 진동수(작동 주차수)가 증가된다. 따라서 상변화 온도차를 줄이기 위해 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 합금에 구리(Cu)를 첨가할 수 있다. 이처럼 티타늄(Ti)과 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 이용한 형상기억합금은 상변화 온도차를 줄여줌으로 박막(12)의 진동수 즉 작동주파수를 증가시켜 인쇄소도를 높일 수 있다.In addition, the
이처럼 구성된 본 발명 박막의 액적 구현가능성을 해석하면 다음과 같다.The droplet implementation of the thin film of the present invention configured as described above is as follows.
박막에 의해 발생하는 에너지밀도는 최대 10×106J/㎥이고, 박막의 크기는 200×200×1 μ㎥일 경우 발생하는 액적의 직경이 60㎛이라고 하면 다음과 같이 박막의 분사가능 여부가 판가름된다.If the energy density generated by the thin film is 10 × 10 6 J / m 3, and the size of the thin film is 200 × 200 × 1 μm 3, the diameter of the droplet generated is 60 μm, it is possible to determine whether the thin film can be sprayed as follows. .
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U = 원하는 기록액의 액적을 발생시키는데 필요한 에너지U = energy required to generate droplets of the desired recording liquid
US = 기록액의 표면 에너지US = surface energy of recording liquid
UK = 기록액의 운동 에너지UK = kinetic energy of recordings
R = 액적의 직경R = diameter of the droplet
v = 기록액의 속도v = speed of recording liquid
ρ =기록액의 밀도(1000 kg/㎥)ρ = density of recording liquid (1000 kg / ㎥)
γ =기록액의 표면장력(0.073N/m)γ = surface tension of recording solution (0.073 N / m)
원하는 액적의 속도가 10m/sec라 하면 필요한 에너지(U)는If the desired droplet velocity is 10m / sec, the required energy (U)
박막에 의해 발생하는 최대 에너지는 The maximum energy generated by the film
액적의 직경이 100㎛일 경우 필요에너지이다.Required energy when the droplet diameter is 100㎛ to be.
따라서,이므로 원하는 크기의 액적을 구현할 수 있다. 즉 박막은 발생력이 매우 크기 때문에 원하는 기록액의 액적을 쉽게 구현할 수 있다.therefore, Therefore, droplets of a desired size can be realized. That is, since the thin film has a very high generating force, droplets of a desired recording liquid can be easily realized.
또한 본 발명 한 실시예의 가열시간과 소모에너지 및 잔류압축응력에 따른 변위량을 분석하면 다음과 같다. 박막(12)에 전원을 인가하여 저항에 따라 열이 발생되도록 하고 그 열에 의해 상변화가 일어나도록 하되 25℃의 박막(12)을 가열하여 70℃ 즉 오오스테나이트조직이 될 때까지의 가열시간과 소모에너지를 구하면 다음과 같다.In addition, when the displacement amount according to the heating time and energy consumption and residual compressive stress of an embodiment of the present invention is as follows. Heat is applied to the
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박막의 재질 = TiNiMaterial of thin film = TiNi
박막의 길이(1) = 400㎛Thin Film Length (1) = 400㎛
박막의 밀도(Density)(ρs) = 6450kg/㎥Density of thin film (ρ s ) = 6450kg / ㎥
온도변화량 = 70 - 25 = 45℃Temperature change = 70-25 = 45 ℃
열용량(Specific heat)(Cp) = 230 J/kg℃Specific heat (C p ) = 230 J / kg ℃
박막의 비저항(ρ) = 80μ·㎝Specific resistance of thin film (ρ) = 80μ
인가전류(1) = 1.0AApplied current (1) = 1.0A
저항선폭(W) = 300㎛(박막의 폭)Resistance line width (W) = 300㎛ (width of thin film)
저항높이(t) = 1.0 ㎛(박막의 높이)Resistance height (t) = 1.0 μm (thin film height)
가열시간(th)Heating time (t h )
= 7.4 μsec= 7.4 μsec
히터저항(R) = ρ(1/w·t) = 1.1ΩHeater resistance (R) = ρ (1 / w · t) = 1.1Ω
소모전력(I2R) = 1.1 WattPower Consumption (I 2 R) = 1.1 Watt
액적(droplet)을 발생시키는데 필요한 에너지는The energy needed to generate droplets
가열시간 × 소모전력 = 8.1 μJHeating time × Power consumption = 8.1 μJ
따라서 기록액(18)을 분사하여 액적을 발생시키는데 필요한 에너지는 약 8.1μJ로서 종래 가열방식의 20μJ보다 소모에너지가 감소된다.Therefore, the energy required for ejecting the
도9는 본 발명 박막의 가열시간과 온도를 나타낸 선도로서, 실험을 위한 물성치는 다음과 같다.9 is a diagram showing the heating time and temperature of the thin film of the present invention, and the physical properties for the experiment are as follows.
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단 박막(12)의 두께는 1㎛이고 주위온도는 25℃ 이다.However, the thickness of the
주위온도가 25℃일 경우 70℃까지 가열 오오스테나이트 조직으로 바꾼 후 30℃까지 냉각되는 시간은 약 200μsec 정도로 진동수로 환산하면 약 5㎑가 된다. 따라서 프린트 헤드의 작동주파수는 5㎑ 정도이다. 하지만 변형이 완전히 끝나는 온도(마르텐사이트 종료온도)는 약 45℃이므로 30℃로 냉각될때까지 기다릴 필요가 없고 그 이전에 다시 가열하여 기록액(18) 분사를 계속할 수 있으므로 5㎑이상 작동주파수를 높일 수 있다. 작동 주파수가 크면 인쇄속도가 증가한다.If the ambient temperature is 25 ℃, the time to cool to 30 ℃ after changing to austenite structure heated to 70 ℃ is converted to a frequency of about 200μsec is about 5㎑. Therefore, the operating frequency of the print head is about 5 kHz. However, since the temperature at which the deformation is completed (martensite end temperature) is about 45 ° C, there is no need to wait until it cools to 30 ° C, and it can be heated again before continuing to spray the
또한 박막의 잔류압축응력에 따른 변위량을 도11를 참조하여 분석하면 다음과 같다.In addition, when the displacement amount according to the residual compressive stress of the thin film is analyzed with reference to FIG.
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박막의 재질 = TiNiMaterial of thin film = TiNi
박막의 영률(Youngs Modulus)() = 50 GPaYoung's Modulus of Thin Films = 50 GPa
포아손비(Poisson's ratio)(ν) = 0.3Poisson's ratio (ν) = 0.3
박막의 길이 = aThe length of the film = a
박막의 두께 = hFilm thickness = h
박막의 폭 = bFilm width = b
박막의 임계응력(Critical stress) ()Critical stress of thin film ()
박막의 중심변위(Ws)Central displacement of thin film (W s )
(1)과 (2)을 이용하여 박막의 잔류압축응력(S)이 36MPa (Compressive stress)일때 박막의 변위량과 기록액(18)의 액적 크기는 아래 도표와 같다. 이때 액적의 크기는 박막의 변형에 의해 생긴 부피변화의 절반이 액실(14) 쪽으로 나가고 나머지 반이 노즐(19) 밖으로 분사된다고 가정하여 구하였다.Using (1) and (2), when the residual compressive stress (S) of the thin film is 36 MPa (Compressive stress), the displacement amount of the thin film and the droplet size of the
또한 대기압보다 낮은 압력에 의한 박막의 변위량 산출 및 기록액의 분사시 에너지 손실관계를 보면 다음과 같다.In addition, the calculation of the displacement amount of the thin film due to the pressure lower than the atmospheric pressure and the energy loss relationship in the injection of the recording liquid are as follows.
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압력과 변위와의 관계는 아래와 같다.The relationship between pressure and displacement is shown below.
P : 압력차 (pressure differance)P: pressure differance
ν : 포이손비ν: Poisson's ratio
Eδ: 박막의 영률E δ : Young's modulus of the thin film
L : 정사각형 박막의 중심거리L: center distance of square thin film
δ : 박막의 변위량δ: displacement of thin film
h : 박막의 두께h: thickness of thin film
σo: 잔류응력σ o : residual stress
c : 상수(3.41)c: constant (3.41)
박막의 잔류응력을 무시하고 박막에 작용하는 압력은 대기압(100KPa) 정도이다. 이 압력에 의해 박막의 변형량을 위식을 이용하여 구하면 4.3㎛ 정도 발생한다.Ignoring the residual stress of the thin film, the pressure applied to the thin film is about atmospheric pressure (100 KPa). Under this pressure, if the amount of deformation of the thin film is found using the above equation, about 4.3 μm is generated.
박막의 변위가 4.3㎛일 때 부피(Volume(ΔV)변화는When the displacement of the thin film is 4.3 µm, the volume (ΔV) change is
ΔV : (1/4)(Wo·a2) = 4.3 ×10-14㎥)ΔV: (1/4) (W o a 2 ) = 4.3 × 10 -14 ㎥)
박막의 편평하게 될때 압력차(대기압)에 의해 소모된 에너지(W)는The energy (W) consumed by the pressure difference (atmospheric pressure) when the film becomes flat
W = P·ΔV = 4.3 ×10-9J)W = P.ΔV = 4.3 × 10 -9 J)
박막(200×200×1μ㎥)이 발휘할 수 있는 최대에너지는(Wmax)는The maximum energy that the thin film (200 × 200 × 1μ㎥) can exert is (W max )
Wmax= Wυ·VW max = W υV
Wv: 박막의 단위부피당 발휘할 수 있는 최대에너지(10×106J/㎥)W v : maximum energy per unit volume of thin film (10 × 10 6 J / ㎥)
V : 박막의 부피V: volume of thin film
Wmax= 10 ×106)·(200×200×1) =4.3 ×10-1JW max = 10 × 10 6 ) · (200 × 200 × 1) = 4.3 × 10 -1 J
박막이 낼수 있는 최대에너지에 비해 대기압보다 낮은 압력에 의해 소모된 에너지비(W/Wmax)는 1% 이다. 따라서 기록액을 분사하는데 있어서 압력차에 의한 영향은 무시할 수 있다.The energy ratio (W / Wmax) consumed by the pressure below atmospheric pressure is 1% compared to the maximum energy the thin film can produce. Therefore, the influence of the pressure difference in discharging the recording liquid can be ignored.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 기록액을 분사시키는 박막이 온도가 변함에 따라 상변화를 일으키고 이 과정에서 변형에 의해 기록액이 분사된다. 또한 기판에 형성된 공간부가 압력판에 의해 대기압보다 낮은 상태를 유지하게 된다. 따라서 박막이 초기상태로 복원될 때 그 진공도에 의해 복원력이 강화됨으로 작동주파수가 증가되고 또한 박막은 변위량이 크기 때문에 기판에 형성된 각 공간부와 유로판에 형성된 각 액실을 작게 할 수 있어 프린트헤드의 전체 크기가 줄어들며 소형으로 제작할 수 있어 노즐의 결집도를 높여 고해상도 달성에 유리하다.As described above, according to the present invention, the thin film for ejecting the recording liquid causes a phase change as the temperature is changed, and the recording liquid is ejected by the deformation in this process. In addition, the space portion formed in the substrate is maintained by the pressure plate lower than atmospheric pressure. Therefore, when the thin film is restored to its initial state, the restoring force is strengthened by the degree of vacuum, and the operating frequency is increased. Also, since the thin film has a large displacement, each space portion formed in the substrate and each liquid chamber formed in the flow path plate can be made small. The overall size is reduced and can be made compact, which is advantageous for achieving high resolution by increasing the concentration of nozzles.
또한 발생력이 크기 때문에 기록액을 밀어내는 힘이 증가되어 노즐의 막힘이 감소되어 신뢰성이 향상되며 기록액의 액적크기를 충분히 작게할 수 있어 고화질 달성에 유리하다. 또한 구동전압은 5볼트 이하임으로 구동회로 설계 및 제작이 용이하고, 기존의 반도체 공정을 이용하여 형상기억합금인 박막을 실리콘웨이퍼로 구성된 기판의 표면에 증착할 수 있으므로 양산성이 향상되고 구조가 간소화되는 등의 효과가 있다.In addition, since the generating force is large, the pushing force of the recording liquid is increased to reduce the clogging of the nozzle, thereby improving reliability, and the droplet size of the recording liquid can be sufficiently reduced, which is advantageous for achieving high image quality. In addition, the driving voltage is less than 5 volts, so it is easy to design and manufacture the driving circuit, and it is possible to deposit a thin film, which is a shape memory alloy, on the surface of the substrate made of silicon wafer using the existing semiconductor process. It has the effect of being.
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