KR102194184B1 - 프린트 헤드 수명을 개선하기 위한 잉크 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 잉크는 잉크 비히클; 착색제; 및 알콕실화된 하이드록실 기를 갖는 아세틸렌 화합물을 포함하며, 여기서 하이드록실 기는 1차 또는 2차 하이드록실 기이며, 아세틸렌 화합물에는 친유성 기가 존재하지 않는다. 이러한 잉크에 노출된 저항 히터 요소를 갖는 프린트 헤드는 기준 잉크와 비교하여 연장된 수명을 갖는다.

Description

프린트 헤드 수명을 개선하기 위한 잉크{INK FOR IMPROVING PRINTHEAD LIFETIME}
본 발명은 잉크젯 잉크에 관한 것이다. 본 발명은 주로 프린트 헤드, 및 특히 본 출원인의 Memjet®프린트 헤드의 수명을 개선하기 위해 개발된 것이다.
본 출원인은 매체 폭(media width)을 가로질러 연장되는 고정 Memjet®프린트 헤드를 이용하는 다양한 고속 잉크젯 프린터들을 개발하였다. 그와 대조적으로, 사실상 모든 다른 타입의 잉크젯 프린터는 매체 폭을 가로질러 횡단하는 스캐닝 프린트 헤드(scanning printhead)를 사용한다.
고속 페이지폭 프린팅(high-speed pagewidth printing)에는 전통적인 타입의 잉크젯 프린트 헤드와 비교하여 프린트 헤드의 디자인에 대한 추가적인 요구가 있다. 노즐 디바이스는 자가-냉각 디자인, 높은 잉크 재충전 속도, 및 높은 열 효율을 가져야 한다. 이러한 것 때문에, 본 출원인은 장착식 저항 히터 요소(suspended resistive heater element)(예를 들어, US 6,755,509; US 7,246,886; US 7,401,910; 및 US 7,658,977에 기술된 바와 같음, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함됨)를 갖는 프린트 헤드, 및 내장형 ("결합된") 저항 히터 요소(예를 들어, US 7,377,623; US 7,431,431; US 2006/250453; 및 US 7,491,911에 기술된 바와 같음, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함됨)를 갖는 프린트 헤드를 포함하는, 소정 범위의 열적 버블-형성 프린트 헤드를 개발하였다.
장착식 히터 요소를 갖는 노즐 디바이스는 히터 요소에서 잉크로의 효율적인 열 전달 및 자가-냉각 특징의 장점들을 제공한다. 그러나, 장착식 히터 요소가 통상적으로 이의 결합된 대응부(counterpart)에 비해 덜 견고하기 때문에, 이러한 것들은 비교적 짧은 프린트 헤드 수명의 단점을 지니고 있다.
프린트 헤드 수명을 개선하기 위한 하나의 방안은 히터 요소에 보호 코팅 층을 코팅하는 것이다. 예를 들어, US 6,719,406호(본 출원인에게 양도됨)에는 콘포말한 보호 코팅을 갖는 장착식 히터 요소가 기재되어 있는데, 이는 히터 요소의 견고성(robustness)을 개선하고 프린트 헤드 수명을 개선한다. 그러나, 이러한 보호 코팅은 여러 가지 이유로 바람직하지 않다. 즉 이러한 것은 저항 히터 요소에서 주변 잉크로의 열 전달의 효율을 감소시키며, 결과적으로, 자가-냉각 특징에 영향을 미치며, 이러한 것은 추가적인 MEMS 제작 문제를 야기시킨다.
이에 따라, 일반적으로, Memjet®프린트 헤드에서 코팅되지 않은 ("네이키드(naked)") 히터 요소를 사용하는 것이 바람직한데, 그 결과 프린트 헤드 수명은 감소하게 된다. 어느 정도까지, 히터 재료의 선택은 코팅되지 않은 히터 요소를 사용하는 효과를 경감시킬 수 있다. 예를 들어, US 7,431,431호에는 자가-패시베이팅(self-passivating) 티탄 알루미늄 니트라이드 히터 요소의 사용이 기재되어 있는데, 이는 당해 분야에서 사용되는 더욱 통상적인 재료와 비교하여 개선된 수명을 갖는다. 그럼에도 불구하고, Memjet®프린트 헤드, 및 특히 코팅되지 않은 히터 요소를 사용하는 프린트 헤드의 수명을 개선하는 것이 여전히 요구되고 있다.
특정 잉크들이 특히 히터 요소에 대해 침습적이라는 것이 확인되었다. 예를 들어, 여러 염료-기반 잉크들은 히터 요소를 부식시켜 프린트 헤드 수명의 단축을 야기시키는 것으로 확인되었다. 다중-칼라 프린트 헤드(예를 들어, CMYK)에서, 프린트 헤드 수명은 대체로, 가장 짧은 수명을 갖는 칼라 채널의 수명에 의해 제한된다. 예를 들어, 검정색 염료-기반 잉크가 히터 요소에 대해 특히 부식성을 갖는 것으로 확인되는 경우에, 프린트 헤드의 수명은, 검정색 칼라 채널이 고장났을 때 다른 모든 칼라 채널들이 여전히 잘 기능하더라도, 검정색 채널의 수명에 의해 결정될 것이다.
본 문맥에서, 노즐 디바이스의 "고장(failure)"은 허용되지 않는 프린트 품질을 야기시키는 점적 분출 특징의 임의 변화를 의미한다. 예를 들어, 고장은 점적 속도의 감소, 불량한 점적 방향성, 또는 잉크의 비-분출에 의해 언급될 수 있다. 또한, 고장에 대한 기준은 상이한 칼라들에 대해서 다를 수 있다. 예를 들어, 황색 채널에서 프린트 품질의 감소는 검정색 채널에서 프린트 품질의 상응하는 감소보다는 더욱 괜찮을 수 있는데, 왜냐하면 검정색 잉크가 인간의 눈에 더욱 잘 보일 수 있기 때문이다(즉, 검정색 잉크는 백색 종이 상에서 보다 높은 휘도를 갖는다). 이는, 여러 검정색 염료의 침습적 특성과 함께, Memjet®프린트 헤드에서의 검정색 채널이 통상적으로 프린트 헤드 수명의 측면에서 제한적인 칼라 채널이라는 것을 의미한다.
저항 히터 요소를 이용하는 프린트 헤드의 수명을 개선하는 것이 바람직할 것이다. 프린트 헤드의 디자인을 변형시키지 않으면서 이러한 프린트 헤드의 수명을 개선하는 것이 또한 바람직할 것이다.
US 2004/0179077호에는 그 중에서도, 잉크젯 프린트 헤드의 노즐 챔버에서 유리 구조물의 부식을 억제하기 위한 Surfynol®계면활성제의 사용이 기재되어 있다.
US 6,660,072호에는 잉크젯 프린터의 잉크 전달 경로에서 스틸 성분들의 부식을 억제하기 위한 다양한 아세틸렌 알코올의 사용이 기재되어 있다. 오로지 말단 아세틸렌 및 α-하이드록시 기를 갖는 아세틸렌 알코올이 부식을 억제하는데 효과적인 것으로 확인되었다.
US 5,709,737호에는 그 중에서도, 프린팅 후 마이크로파 건조로 처리되는 잉크젯 잉크에서 안티-컬링제(anti-curling agent)로서의 대칭 아세틸렌 비스알콕시 알코올이 기재되어 있다. 약 5 내지 20 중량% 범위의 양의 다양한 안티-컬링제를 함유한 잉크들이 예시되어 있다. 당업자는, 에톡실화된 안티-컬링제가 효과적인 안티-컬링 특징들을 제공하기 위해 적어도 약 10 중량%의 양으로 잉크에 첨가되어야 한다는 것을 인식할 것이다[예를 들어, US 5,356,464, 컬럼 9, 3 내지 9줄 참조]. 일반적으로, 당해 분야는 잉크의 전체 독성을 증가시키는 양으로 첨가제를 이용하는 것에 대해 편견을 갖는다.
안티-컬링제가 효과적이게 하기 위해 비교적 고농도로 첨가되어야 하기 때문에, 낮은 독성의 안티-컬링제들은 상업적 잉크 포뮬레이션에서 아주 흔하다.
제1 양태에서, 잉크 비히클(ink vehicle); 착색제; 및 알콕실화된 하이드록실 기를 갖는 아세틸렌 화합물을 포함하는 잉크젯 잉크로서, 하이드록실 기가 1차 또는 2차 하이드록실 기이며, 아세틸렌 화합물에 친유성 기가 존재하지 않는 잉크젯 잉크가 제공된다.
제1 양태에 따른 잉크는 아세틸렌 화합물이 결여된 유사한 잉크와 비교하여, 프린트 헤드 수명의 현저한 개선을 나타낸다. 통상적으로, 적어도 25%, 적어도 50%, 적어도 100%, 적어도 200% 또는 적어도 300%의 프린트 헤드 수명 개선이 제1 양태에 따른 잉크를 사용함으로써 달성될 수 있다. 또한, 제1 양태에 따른 잉크는 프린트 헤드의 수명에 비해 프린트 품질에 대해 최소의 악영향을 나타낸다. 또한, 제1 양태에 따른 잉크는, 아세틸렌 화합물이 최소 계면활성(surfactancy)을 갖거나 계면활성을 전혀 갖지 않기 때문에, 프린트 헤드에서 노즐 챔버의 재충전 속도에 대한 최소 영향을 가지고, 이에 따라, 잉크의 벌크 표면 장력에 대한 최소 효과를 갖는다. 필수적으로, 바람직한 잉크 특징들의 확립된 균형은 잉크젯 잉크에 아세틸렌 화합물을 포함시킴으로써 현저하게 변경되지 않으며, 프린트 헤드에서 노즐 디바이스에서의 수명(longevity)을 개선한다.
본원에서 사용되는 용어 "알콕실화된"은 일반적으로 에톡실화된 또는 프로폭실화된 유도체를 지칭하며, 물론 다른 형태의 알콕실화가 본 발명의 범위 내에 있다. 일반적으로, 에톡실화된 유도체가 바람직하다.
본원에서 사용되는 용어 "친유성 기"는 일반적으로 4개 이상의 탄소 원자(예를 들어, 4 내지 30개의 탄소 원자)를 갖는 말단 알킬 기를 지칭한다. 말단 알킬 기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 친유성 기의 예는 이소부틸(Surfynol®440, Surfynol®465, Surfynol®480, Surfynol®485 등에서 발견됨), 노닐(Tergitol®NP-9에서 발견됨), 테트라메틸부틸(Triton®X-100에서 발견됨), 등을 포함한다. 이러한 타입의 친유성 기는 본 발명에서 사용되는 아세틸렌 화합물에서 존재하지 않는다.
바람직하게, 아세틸렌 화합물은 적어도 하나의 에톡실화된 1차 하이드록실 기를 포함한다. 통상적으로, 한 쌍의 에톡실화된 하이드록시알킬 기는 중심 아세틸렌 모이어티의 측면에 있다.
바람직하게, 아세틸렌 화합물은 하기 화학식 (A)로 이루어진다:
[화학식 (A)]
Figure 112016010950231-pct00001
상기 식에서,
R1은 H, C1-3 알킬; 및 -(CH2)PCH(R4)(R5)로 이루어진 군으로부터 선택되며;
R2는 H 및 C1-3 알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며;
R3은 -CH2- 및 -CH(CH3)-으로 이루어진 군으로부터 선택되며;
R4는 H 및 C1-3 알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며;
R5는 -OH 및 -(OCH2R3)q-OH로 이루어진 군으로부터 선택되며;
m은 0, 1, 2 또는 3이며;
n은 1 내지 50이며;
p는 0, 1, 2 또는 3이며;
q는 1 내지 50이다.
바람직하게, R2 및 R4 둘 모두는 H이다. 1차 에톡실화된 하이드록실 기는 일반적으로, 잉크 비히클에서의 용해도를 최대화하는 데에 바람직하다.
바람직하게, 아세틸렌 화합물이 에톡실화된 유도체이도록 R3은 CH2이다.
바람직하게, R1은 -(CH2)PCH(R4)(R5)이다. 이에 따라, 아세틸렌 화합물은 통상적으로 모노-에톡실화된 또는 비스-에톡실화된 디올이다. 바람직하게, R5는 잉크 비히클에서 아세틸렌 화합물의 용매화 특징들을 최대화하기 위해 -(OCH2CH2)q-OH이다.
바람직하게, m 및 p 둘 모두는 0이다.
바람직하게, n은 1 내지 5이며, q는 1 내지 5이다. 바람직하게, n 및 q 둘 모두 1이다.
일반적으로, 알콕실화도(예를 들어, 에톡실화도)는 아세틸렌 화합물의 용해도 및 다른 특징들(예를 들어, 습윤성(humectancy))을 '조정(tune)'하기 위하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 에톡실화도는 특정 프린트 헤드, 잉크 비히클 또는 프린트 매체에 따라 조정될 수 있다. 상이한 에톡실화도를 지닌 화합물들은 당업자에게 예를 들어, Surfynol®범위의 계면활성제로부터 익숙할 것이다.
바람직하게, 아세틸렌 화합물은 하기 화학식 (B)로 이루어진다:
[화학식 (B)]
Figure 112016010950231-pct00002
상기 식에서,
R6은 -CH2OH 및 -CH2(OCH2CH2)-OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
하기에서 논의되는 바와 같이, 에톡실화된 부틴디올 유도체는 프린트 헤드 수명을 개선함에 있어서 특히 효과적인 것으로 나타났다. 아세틸렌 화합물은 모노-에톡실화된 부틴디올 유도체, 비스-에톡실화된 부틴디올 유도체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 아세틸렌 화합물은 1,4-비스(2-하이드록시에톡시)-2-부틴)이다.
바람직하게, 아세틸렌 화합물은 0.01 내지 15 중량%, 바람직하게 0.1 내지 2.5 중량% 또는 바람직하게 0.5 내지 1.5 중량% 범위의 양으로 존재한다. 통상적으로, 약 1 중량의 아세틸렌 화합물은 프린트 헤드의 수명을 현저하게 연장시키기에 충분한다.
착색제는 0.01 내지 25 중량% 범위의 양으로 존재하는 염료 또는 안료일 수 있다. 통상적으로, 착색제는 염료인데, 이는 잉크젯 저항 히터 요소에 대해 부식성일 수 있다. 바람직하게, 착색제는 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게 0.01 내지 3 중량%, 바람직하게 0.1 내지 2 중량%, 또는 바람직하게 0.2 내지 1 중량% 범위의 양으로 존재한다.
바람직하게, 잉크 비히클은 잔부의 물을 포함한다. 다시 말해서, 제1 양태에 따른 잉크젯 잉크는 통상적으로 수성 기반 잉크젯 잉크이다. 그러나, 본 발명은 수성 잉크로 제한되지 않고, 용매 기반 잉크, 예를 들어 US 8,101,012호에 기술된 용매 기반 잉크에 동일하게 적용될 수 있으며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
바람직하게, 잉크 비히클은 5 내지 50 중량%의 하나 이상의 보조 용매 또는 바람직하게 10 내지 40 중량%의 하나 이상의 보조 용매를 포함한다. 보조 용매의 범위는 특히 제한되지 않으며, 본 발명에서 사용하기 위한 몇몇 적합한 보조 용매는 하기에서 보다 상세히 기술된다. 단지 일 예로서, 잉크 비히클은 5 내지 20 중량%의 에틸렌 글리콜; 5 내지 15 중량%의 2-피롤리디논; 1 내지 10 중량%의 글리세롤; 1 내지 5 중량%의 C1-6 알코올; 및 2 내지 20 중량%의 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜 및 펜타에틸렌 글리콜로 이루어진 군으로부터 선택된 옥시알킬렌 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분들을 포함할 수 있다.
바람직하게, 잉크 비히클은 0.05 내지 2 중량%의 적어도 하나의 계면활성제를 포함한다. 바람직하게, 잉크 비히클은 0.1 내지 1 중량%의 계면활성제를 포함한다. 계면활성제의 범위는 특히 제한되지 않으며, 본 발명에서 사용하기 위한 몇몇 적합한 계면활성제는 하기에서 보다 상세히 기술된다. 예를 들어, 계면활성제는 음이온성, 양이온성, 비이온성 또는 쯔비터이온성 계면활성제일 수 있다. 아세틸렌 모이어티를 갖는 비이온성 계면활성제(예를 들어, Surfynol®범위의 계면활성제, Air Products and Chemicals, Inc.로부터 입수 가능함)가 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 이러한 계면활성제가 허용 가능한 챔버 재충전 속도를 유지시키기 위해 요구되는 낮은 계면활성제 양에서 요망되는 효과는 아니지만, 프린트 헤드 수명을 개선하는데 적어도 일부 효과를 갖기 때문이다.
일부 구현예에서, 잉크는 항산화제, 예를 들어 아스코르브산을 포함할 수 있다. 존재하는 경우에, 항산화제의 양은 0.01 내지 5 중량% 또는 0.1 내지 3 중량% 범위일 수 있다.
제2 양태에서, 잉크젯 프린트 헤드의 수명을 개선하는 방법으로서,
프린트 헤드의 노즐 챔버에 상술된 바와 같은 잉크를 공급하는 단계로서, 각 노즐 챔버가 잉크와 접촉하는 관련된 액추에이터(actuator)를 갖는 단계; 및
액추에이터들 중 하나 이상을 작동시켜 잉크를 프린트 헤드에서 분출시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
제2 양태에 따른 방법은 본원에 기술된 아세틸렌 화합물을 갖는 않은 잉크와 비교하여 프린트 헤드 수명을 크게 개선한다.
바람직하게, 각 액추에이터는 저항 히터 요소를 포함하는데, 이는 버블을 형성시키고 노즐 개구를 통해 상응하는 노즐 챔버로부터 잉크를 분출시키기 위해 잉크를 과열시킨다.
바람직하게, 히터 요소는 잉크가 저항 히터 요소와 직접 접촉하도록 코팅되지 않는다.
바람직하게, 히터 요소는 금속 또는 전도성 세라믹 재료, 예를 들어 금속 니트라이드로 이루어진다. 본원에서 사용되는 용어 "금속"은 복수의 상이한 금속을 함유한 금속 합금을 포함한다. 바람직하게, 히터 요소는 티탄 합금(예를 들어, 티탄-알루미늄 합금); 티탄 니트라이드; 티탄 합금의 니트라이드(예를 들어, 티탄 알루미늄 니트라이드)로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진다.
제3 양태에서,
복수의 노즐 챔버를 갖는 잉크젯 프린트 헤드로서, 각 노즐 챔버가 잉크를 접촉시키기 위한 관련된 액추에이터를 갖는 잉크젯 프린트 헤드; 및
노즐 챔버와 유체 소통하는 잉크 저장소로서, 상술된 바와 같은 잉크를 함유하는 잉크 저장소를 포함하는 잉크젯 프린터가 제공된다.
프린트 헤드 및 잉크의 바람직한 양태는 상기에서 용이하게 명백하게 될 수 있을 것이다.
제4 양태에서, 잉크젯 프린트 헤드의 수명을 개선하기 위한 본원에서 기술된 바와 같은 잉크의 용도가 제공된다.
본 발명의 다양한 구현예들은 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 일 예로서 기술될 것이다.
도 1은 열 잉크젯 프린트 헤드의 일부의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 노즐 어셈블리들 중 하나의 측면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 노즐 어셈블리의 사시도이다.
도 4는 열 잉크젯 프린트 엔진의 사시도이다.
본 발명자들은 잉크 첨가제들을 조사함으로써 프린트 헤드 수명을 개선하는 문제점에 대한 해법을 찾았다. 상기에 예시된 바와 같이, 잉크 첨가제는 이러한 문제점에 대한 매력적인 해법인데, 왜냐하면 이는 프린트 헤드의 디자인에 대한 어떠한 변형도 필요로 하지 않기 때문이다. 그러나, 광범위한 시험 동안 스크리닝된 대다수의 잉크 첨가제들은 프린트 헤드 수명의 개선을 나타내지 않았고, 여러 경우들에서, 프린트 헤드 수명에 대해 악영향을 갖는다. 예를 들어, 표준 검정색 잉크 포뮬레이션에 알킬렌 디올, 올레핀 디올, 무기 염, pH 조절제, 아미노 화합물, 타르타르산 등을 첨가하는 것는 프린트 헤드 수명을 개선하는 효과를 가지지 않고, 여러 경우들에서, 프린트 헤드 수명을 단축시켰다.
그럼에도 불구하고, 이러한 시험 과정 동안, 잉크 비히클에서 특정 계면활성제의 양의 증가는 프린트 헤드 수명에 대한 긍정적인 효과를 갖는다는 것이 확인되었다. 상세하게, Surfynol®범위의 계면활성제는 프린트 헤드 수명과 농도 의존성을 나타내었는데, 즉 잉크에 첨가되는 계면활성제가 많을수록, 프린트 헤드 수명이 늘어난다. 초기에, 증가된 계면활성을 통한 잉크의 표면 장력의 감소가 이러한 개선의 원인인 것으로 여겨졌다. 그러나, 잉크젯 잉크는 특정 표면 장력 및 점도 파라미터 내에서 포뮬레이션되어야 한다. 계면활성제가 너무 많은 경우에, 프린트 헤드에서의 노즐 챔버의 잉크 재충전 속도는 허용되지 않을 정도로 느려지게 된다. 통상적인 잉크젯 잉크는 허용 가능한 챔버 재충전 속도를 제공하기 위하여, 약 2 중량% 미만, 및 통상적으로 0.1 내지 1.5 중량% 범위의 계면활성제 농도를 갖는다. 불행하게도, 프린트 헤드 수명을 개선하기 위해 요구되는 계면활성제의 양은 이러한 허용되는 범위보다 현저하게 높았다. 이에 따라, 프린트 헤드 수명이 비교적 높은 양의 계면활성제의 첨가로 개선될 수 있지만, 프린트 품질은 비교적 느린 챔버 재충전 속도로 인해 심하게 저하된다.
또한, 미국출원번호 13/615,127호("Printer for minimizing adverse mixing of high and low luminance inks at nozzle face of inkjet printhead", 2012년 9월 13일에 출원됨, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함됨)에서 설명된 이유로, 프린트 헤드의 노즐 면 상에서 부정적인 칼라 혼합을 방지하기 위해 검정색 잉크에 비교적 적은 양의 계면활성제(예를 들어, 0.1 내지 0.8 중량% 계면활성제)를 갖는 것이 특히 바람직하기 때문에, 이러한 상황이 악화된다. 반어적으로, 검정색 잉크는 프린트 헤드 수명의 측면에서 가장 문제가 되는 경향이 있다.
그러나, 본 발명자들은 이후에 Surfynol®계면활성제의 계면활성제 성질들이 실제적으로 프린트 헤드 수명의 관찰된 개선의 원인이 되는지의 여부를 고려하였다. Surfynol®범위의 계면활성제는 한 쌍의 분지된 알킬 기들이 측면에 배치된 중심의 아세틸렌 모이어티의 일반적인 특징을 가지며, 각각은 에톡실화된 3차 알코올 기를 갖는다. 분지된 알킬 기들은 계면활성제 분자의 친유성 성분을 제공하며, 에톡실화된 3차 알코올은 계면활성제 분자의 친수성 성분을 제공하며, 중심의 아세틸렌 모이어티는 단지 일부 배좌 안정성(conformational stability)을 제공한다.
계면활성제 성질보다는 아세틸렌 모이어티가 프린트 헤드 수명을 개선하는데 효과를 갖는다는 사상을 기초로 하여, 본 발명자들은 매우 적은 계면활성을 갖거나 계면활성을 전혀 갖지 않는 소정 범위의 대안적인 아세틸렌 화합물을 조사하였다.
이에 따라, 부틴디올은 프린트 헤드 수명을 개선하기 위한 가능성이 있는 비-계면활성제 잉크 첨가제로서 조사되었다. 부틴디올은 매력적인 후보물질인데, 왜냐하면, 이는 더욱 통상적인 알킬렌 글리콜 보조 용매에 대한 대안이기는 하지만, 염료-기반 잉크젯 잉크에서 사용하는 것이 이미 공지되어 있기 때문이다(예를 들어, US 4,259,675 참조). 부틴디올로의 초기 실험들은 개선된 프린트 헤드 수명에 유망하고 이의 징후를 나타내었다. 그러나, 결과는 매우 가변적이었다. 특히, 1 중량% 부틴디올이 혼합된 잉크는 시험 기간 전반에 걸쳐 매우 가변적인 프린트 품질을 나타내었다. 심지어 노즐 디바이스의 수명이 개선된 경우에, 프린트 품질은 디바이스의 수명 전반에 걸쳐 불규칙하게 변화되었다. 통상적으로, 프린트 품질은 수백만 개의 점적 분출에 대하여 허용 가능하지 않을 정도로 불량하게 될 것이고, 이후에 다시 악화되기 전에 명백하게 회복될 것이다. 다른 경우에서, 부틴디올-혼합 잉크는 혼합되지 않은 잉크와 비교하여 일관되게 불량한 프린트 품질과 함께 수명 개선을 전혀 나타내지 않았다.
이러한 실험에서 히터 요소의 검증 시험(forensic examination)에서는, 다양한 코게이션(kogation)의 정도는 부틴디올-혼합 잉크를 사용하여 일어나는 것으로 나타났다. 이러한 코게이션은 혼합되지 않은 잉크(unspiked ink)에서 관찰되지 않았다. 부틴디올-혼합 잉크가 일관되게 불량하게 거동하는 경우에, 코게이션 층이 히터 요소에서 형성되었다. 또한, 노즐 디바이스가 양호한 프린트 품질 및 불량한 프린트 품질의 일시적 시기들을 통과한 경우에, 코게이트(kogate)의 출현 및 소멸은 이러한 시기들과 매우 관련이 있다.
불량한 프린트 품질의 문제와는 무관하게, 프린트 헤드 수명의 개선이 때때로 잉크에 존재하는 계면활성제의 양을 상승시키지 않으면서 달성될 수 있는 한 부틴디올 시험은 고무적이었다. 불만스럽게도, 부틴디올을 사용한 가변적인 프린트 품질의 문제점은 포뮬레이션 변화를 통해 해결되지 못할 수 있다. 이는, 코게이트의 출현 및 소멸이 부틴디올과 히터 요소 간의 제어되지 않는 미세 상호작용에 의해 결정되는 것으로 나타났다.
아세틸렌 화합물은 (잉크젯 프린트 헤드의 노즐 챔버 내측에서 빠르게 가열되고 냉각되는 표면과는 대조적으로 주변 온도에서의 표면이지만) 표면 상호작용 및 중합 메카니즘을 통해 특정 금속 표면에 대한 패시베이션 효과(passivating effect)를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 아세틸렌의 부식-억제 효과는 통상적으로, 스틸 물-운반 파이프라인의 부식을 억제하는 것과 관련하여, 문헌에서 널리 보고되었다(예를 들어, 문헌 ["Acetylenic Corrosion Inhibitors", Foster et al, Ind. and Eng. Chem., 51, 825-8 (1959)] 참조). 실제로, US 6,660,072호에서는 잉크 전달 시스템에서 스틸 성분들의 부식을 억제하기 위한 말단 아세틸렌 및 알파-하이드록시 기를 갖는 화합물들을 함유한 잉크젯 잉크의 용도가 보고되어 있다. 그러나, 불활성 배리어 층(예를 들어, 탄탈)으로 패시베이션된 히터 요소를 사용하는 통상적인 잉크젯 노즐 디바이스와는 달리, Memjet®프린트 헤드는 페이지폭 프린팅을 위해 요구되는 노즐 디바이스의 자가-냉각 특징들을 촉진시키기 위해 코팅되지 않은 히터 요소를 이용한다. 부틴디올 실험으로부터, 아세틸렌 화합물이 히터 요소 상에서 중합되고 코게이트를 형성시킨다는 가설을 세웠다. 일부 경우에, 코게이트는 히터 요소에 의해 솟아오르고(blast off) 다시 잉크 비히클에서 용해된다. 다른 경우에, 코게이트는 히터 요소에 더욱 영구적으로 접착되고, 프린트 품질에 심각하게 영향을 미치는 포인트까지 형성된다.
본 발명자들은 잉크 비히클에서 아세틸렌 화합물의 용해도의 증가가 히터 요소 상에서의 코게이트 형성을 제어하는데 긍정적인 효과를 갖는다는 가설을 추가로 세웠다. 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들에 의해, 히터 요소 상의 더욱 가용성이 있는 패시베이션 층이 영구적인 또는 두꺼운 코게이트 층을 형성시킬 가능성이 더 적게 할 것이며 이러한 코게이트가 결과적인 프린트 품질 저하의 원인이라는 것으로 이해된다. 이에 따라, 1,4-비스(2-하이드록시에톡시)-2-부틴(Ashland, Inc.에 의해 공급된 상표명 Butoxyne™ 497로 상업적으로 입수 가능함)은 잉크를 혼합하기 위해 사용되었다.
주목할만하게, 에톡실화된 부틴디올과 혼합된 잉크는, 부틴디올-혼합 잉크와 관련된 불량한 프린트 품질 문제를 지니지 않으면서 프린트 헤드 수명의 일관된 개선을 나타내었다. 예를 들어, 통상적으로 약 4000만 내지 5000만개의 점적 분출에서 Memjet®프린트 헤드의 고장을 야기시키는 검정 잉크는 1 중량% 1,4-비스(2-하이드록시에톡시)-2-부틴과 혼합할 때 프린트 헤드 수명의 적어도 3배 개선을 나타내었다. 또한, 프린트 품질의 일시적인 저하의 문제는 관찰되지 않았다. 이는 비-에톡실화된 아세틸렌 알코올과는 상반되는 것으로서, 이는 허용되지 않을 정도로 불량한 프린트 품질의 일시적 시기를 갖는 프린트 헤드 수명을 개선하거나 프린트 헤드 수명을 전혀 개선하지 못하였다.
에톡실화된 부틴디올의 일부 배치 가변성(batch variability)이 관찰되었다. 이러한 배치 가변성이 소량의 아스코르브산을 잉크 포뮬레이션에 첨가함으로써 완화될 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라, 포뮬레이션된 잉크가 일단 아스코르브산과 혼합되면, 에톡실화된 부틴디올의 명백하게 불활성인 배치가 프린트 헤드 수명에서 우수한 개선을 제공하였다. 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 때때로 에톡실화된 부틴디올의 정제에서 사용되는 미량의 퍼옥사이드가 에톡실화된 부틴디올의 특정 배치로부터 포뮬레이션된 명백하게 불활성인 잉크의 원인인 것으로 사료된다. 추가로, 아스코르브산의 첨가가 소량의 퍼옥사이드의 효과를 중화시키고, 프린트 헤드 수명 개선과 관련하여 이러한 잉크에 활성을 제공하는 것으로 사료된다.
본원에 기술된 아세틸렌 화합물, 예를 들어 에톡실화된 부틴디올이 프린트 헤드 수명을 개선하기 위해 소정 범위의 잉크젯 잉크에서 사용될 수 있는 것으로 인식될 것이다.
본 발명과 관련하여 사용하기에 적합한 착색제, 잉크 비히클 및 프린트 헤드는 하기에서 추가로 상세히 기술된다.
착색제
본 발명에서 사용되는 잉크는 염료-기반 또는 안료-기반일 수 있다.
잉크젯 염료는 당업자에게 널리 공지된 것일 것이며, 본 발명은 임의 특정 타입의 염료로 제한되지 않는다. 일 예로서, 본 발명에서 사용하기에 적합한 염료는 아조 염료(예를 들어, 푸드 블랙 2(Food Black 2)), 금속 착물 염료, 나프톨 염료, 안트라퀴논 염료, 인디고 염료, 카르보늄 염료, 퀴논-이민 염료, 잔텐 염료, 시아닌 염료, 퀴놀린 염료, 니트로 염료, 니트로소 염료, 벤조퀴논 염료, 나프토퀴논 염료, 프탈로시아닌 염료(나프탈로시아닌 염료를 포함), 및 금속 프탈로시아닌 염료(금속 나프탈로시아닌 염료, 예를 들어, US 7,148,345호에 기술된 것들을 포함함, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함됨)를 포함한다.
적합한 염료의 예는 CI 다이렉트 블랙(Direct Black) 4, 9, 11, 17, 19, 22, 32, 80, 151, 154, 168, 171, 194 및 195; CI 다이렉트 블루(Direct Blue) 1, 2, 6, 8, 22, 34, 70, 71, 76, 78, 86, 142, 199, 200, 201, 202, 203, 207, 218, 236 및 287; CI 다이렉트 레드(Direct Red) 1, 2, 4, 8, 9, 11, 13, 15, 20, 28, 31, 33, 37, 39, 51, 59, 62, 63, 73, 75, 80, 81, 83, 87, 90, 94, 95, 99, 101, 110, 189, 225 및 227; CI 다이렉트 옐로우(Direct Yellow) 1, 2, 4, 8, 11, 12, 26, 27, 28, 33, 34, 41, 44, 48, 86, 87, 88, 132, 135, 142 및 144; CI 푸드 블랙 1 및 2; CI 산 블랙(Acid Black) 1, 2, 7, 16, 24, 26, 28, 31, 48, 52, 63, 107, 112, 118, 119, 121, 172, 194 및 208; CI 산 블루(Acid Blue) 1, 7, 9, 15, 22, 23, 27, 29, 40, 43, 55, 59, 62, 78, 80, 81, 90, 102, 104, 111, 185 및 254; CI 산 옐로우(Acid Yellow) 1, 3, 4, 7, 11, 12, 13, 14, 19, 23, 25, 34, 38, 41, 42, 44, 53, 55, 61, 71, 76 및 79; CI 반응성 블루(Reactive Blue) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 37, 38, 39, 40, 41, 43, 44 및 46; CI 반응성 레드(Reactive Red) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 49, 50, 58, 59, 63, 64, 및 180; CI 반응성 옐로우(Reactive Yellow) 1, 2, 3, 4, 6 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 37 및 42; CI 반응성 블랙(Reactive Black) 1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 13, 14 및 18; Pro-Jet®패스트 시안(Fast Cyan) 2(Fujifilm Imaging Colorants); Pro-Jet®패스트 마젠타(Fast Magenta) 2(Fujifilm Imaging Colorants); Pro-Jet®패스트 옐로우(Fast Yellow) 2(Fujifilm Imaging Colorants); 및 Pro-Jet®패스트 블랙(Fast Black) 2(Fujifilm Imaging Colorants)를 포함한다.
본 발명에서 사용하기에 적합한 통상적인 안료는 무기 안료 또는 유기 안료일 수 있다. 통상적인 안료의 예에는 카본 블랙(carbon black), 카드뮴 레드(Cadmium Red), 몰리브덴 레드(Molybdenum Red), 크롬 옐로우(Chrome Yellow), 카드뮴 옐로우(Cadmium Yellow), 티탄 옐로우(Titan Yellow), 크롬 옥사이드(chromium oxide), 비리디안(Viridian), 티탄 코발트 그린(Titan Cobalt Green), 울트라마린 블루(Ultramarine Blue), 프러시안 블루(Prussian Blue), 코발트 블루(Cobalt Blue), 디케토피롤로-피롤, 안트라퀴논, 벤즈이미다졸론, 안트라피리미딘, 아조 안료, 프탈로시아닌 안료(나프트로시아닌 안료를 포함), 유이나크리돈 안료, 이소인돌리논 안료, 디옥사진 안료, 인단트렌 안료, 페릴렌 안료, 페리논 안료, 티오인디고 안료, 퀴노프탈론 안료, 및 금속 착물 안료를 포함한다.
적합한 안료의 예는 시안(Cyan) COJ450 (Cabot), D71C 및 D75C (Diamond Dispersions); 마젠타(Magenta) COJ465 (Cabot), D71M, D75M, D71PV19 (Diamond Dispersions), 호스타젯 마젠타(Hostajet Magenta) E-PT VP2690 및 호스타젯 마젠타 E5B-PT VP3565 (Clariant); 옐로우(Yellow) COJ270 및 COJ470 (Cabot), 또는 D71Y, D71Y155, D75Y (Diamond Dispersions) 및 호스타젯 옐로우(Hostajet Yellow) 4G-PT VP2669 (Clariant); 블랙(Black) CW1, CW2, CW3 (Orient) 또는 COJ200, COJ300, COJ400 (Cabot) 또는 SDP1000, SDP2000 (Sensient), 또는 D71K, D75K, D77K, D80K (Diamond Dispersions) 및 호스타젯 블랙(Hostajet Black) O-PT (Clariant); 레드(Red) D71R (Diamond Dispersions); 블루(Blue) D71B (Diamond Dispersions)를 포함한다.
안료는 자가-분산 안료, 예를 들어 표면-개질 안료일 수 있다. 표면 개질은 음이온 기, 양이온 기를 통해, 또는 안료 표면의 직접 개질을 통해 이루어질 수 있다. 통상적인 표면-개질 기에는 카복실레이트 및 설포네이트 기가 있다. 그러나, 다른 표면-개질 기들, 예를 들어 음이온 포스페이트 기 또는 양이온 암모늄 기가 또한 사용될 수 있다.
적합한 수성 표면-개질된 안료 분산물의 특정 예에는 Sensijet®Black SDP 2000 (Sensient Colors Inc.로부터 입수 가능함) 및 CAB-O-JET®200, 300, 250C, 260M 및 270Y (Cabot Corporation로부터 입수 가능함)이 있다.
잉크젯 잉크에서 안료 입자들의 평균 입자 크기는 선택적으로, 50 내지 500 nm 범위이다.
안료 및 염료는 잉크젯 잉크에서 개별적으로 또는 이의 둘 이상의 조합으로서 사용될 수 있다.
잉크 비히클(Ink Vehicle)
잉크젯 잉크를 위한 잉크 비히클은 당업자에게 널리 알려져 있을 것이며, 본 발명에서 사용되는 잉크 비히클은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서 사용되는 잉크 비히클은 통상적으로 적어도 40 중량% 물, 적어도 50 중량% 물, 또는 적어도 60 중량% 물을 포함하는 통상적인 수성 잉크 비히클이다. 대개, 잉크젯 잉크에 존재하는 물의 양은 50 중량% 내지 90 중량%의 범위, 또는 선택적으로 60 중량% 내지 80 중량% 범위이다.
수성 잉크젯 잉크 조성물은 문헌에서 널리 알려져 있고, 물 이외에, 다른 성분들, 예를 들어 보조 용매들(습윤제, 침투제, 보습제, 등을 포함), 계면활성제, 살생물제, 격리제, pH 조절제, 점도 조절제, 등을 포함할 수 있다.
보조 용매는 통상적으로 수용성 유기 용매이다. 적합한 수용성 유기 용매는 C1-4 알킬 알코올, 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 부탄올, 프로판올, 및 2-프로판올; 글리콜 에테르, 예를 들어 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 1-메틸-1-메톡시부탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 및 디프로필렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르; 포름아미드, 아세트아미드, 디메틸 설폭사이드, 소르비톨, 소르비탄, 글리세롤 모노아세테이트, 글리세롤 디아세테이트, 글리세롤 트리아세테이트, 및 설폴란; 또는 이들의 조합물을 포함한다.
보조 용매로서 사용될 수 있는 다른 유용한 수용성 유기 용매는, 극성 용매, 예를 들어 2-피롤리돈, N-메틸피롤리돈, ε-카프로락탐, 디메틸 설폭사이드, 설폴란, 모르폴린, N-에틸모르폴린, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 및 이들의 조합물을 포함한다.
잉크젯 잉크는 보조 용매로서 고비등 수용성 유기 용매를 함유할 수 있는데, 이는 잉크 조성물에 물 보유성(water retentivity) 및 습윤 성질을 부여하기 위한 보습제 또는 습윤제로서의 역할을 할 수 있다. 이러한 고비등 수용성 유기 용매는 180℃ 이상의 비등점을 갖는 것을 포함한다. 180℃ 이상의 비등점을 갖는 수용성 유기 용매의 예에는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 펜타메틸렌 글리콜, 트리메틸렌 글리콜, 2-부텐-1,4-디올, 2-에틸-1,3-헥산디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 트리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노에틸 글리콜, 디프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 트리프로필렌 글리콜, 2000 이하의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 이소프로필렌 글리콜, 이소부틸렌 글리콜, 1,4-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 글리세롤, 트리메틸올프로판, 에리스리톨, 펜타에리스리톨, 및 이들의 조합물이 있다.
다른 적합한 보습제 또는 습윤제는 사카라이드(단당류, 올리고당, 및 다당류를 포함) 및 이들의 유도체(예를 들어, 만니톨, 소르비톨, 자일리톨, 히알루론산 염, 알돈산, 우론산, 등)를 포함한다.
잉크젯 잉크는 또한, 기록 매체로 수성 잉크의 침투를 가속화시키기 위해, 보조 용매들 중 하나로서, 침투제를 함유할 수 있다. 적합한 침투제는 다가 알코올 알킬 에테르 (글리콜 에테르) 및/또는 1,2-알킬디올을 포함한다. 적합한 다가 알코올 알킬 에테르의 예에는 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 1 -메틸- 1-메톡시부탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-t-부틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노-이소프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 및 디프로필렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르가 있다. 적합한 1,2-알킬디올의 예에는 1,2-펜탄디올 및 1,2-헥산디올이 있다. 침투제는 또한, 직쇄 탄화수소 디올, 예를 들어 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,7-헵탄디올, 및 1,8-옥탄디올로부터 선택될 수 있다. 글리세롤은 또한 침투제로서 사용될 수 있다.
통상적으로, 잉크에 존재하는 보조 용매의 양은 약 5 중량% 내지 50 중량%, 또는 선택적으로 10 중량% 내지 40 중량% 범위이다.
잉크젯 잉크는 또한, 하나 이상의 표면 활성제("계면활성제"), 예를 들어 음이온 표면 활성제, 쯔비터이온 표면 활성제, 비이온성 표면 활성제, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 유용한 음이온 표면 활성제는 설폰산 타입, 예를 들어 알칸설폰산 염, α-올레핀설폰산 염, 알킬벤젠설폰산 염, 알킬나프탈렌설폰산, 아실메틸타우린, 및 디알킬설포숙신산; 알킬황산 에스테르 염, 설페이트화된 오일, 설페이트화된 올레핀, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 황산 에스테르 염; 카복실산 타입, 예를 들어 지방산 염 및 알킬사르코신 염; 및 인산 에스테르 타입, 예를 들어 알킬인산 에스테르 염, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 인산 에스테르 염, 및 글리세로인산 에스테르 염을 포함한다. 음이온 표면 활성제의 특정 예에는 소듐 도데실벤젠설포네이트, 소듐 라우레이트, 및 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 설페이트 암모늄 염이 있다.
쯔비터이온 표면 활성제의 예는 N,N-디메틸-N-옥틸 아민 옥사이드, N,N-디메틸-N-도데실 아민 옥사이드, N,N-디메틸-N-테트라데실 아민 옥사이드, N,N-디메틸-N-헥사데실 아민 옥사이드, N,N-디메틸-N-옥타데실 아민 옥사이드 및 N,N-디메틸-N-(Z-9-옥타데세닐)-N-아민 옥사이드를 포함한다.
비이온성 표면 활성제의 예는 에틸렌 옥사이드 부가물 타입, 예를 들어 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 에스테르, 및 폴리옥시에틸렌 알킬아미드; 폴리올 에스테르 타입, 예를 들어 글리세롤 알킬 에스테르, 소르비탄 알킬 에스테르, 및 당 알킬 에스테르; 폴리에테르 타입, 예를 들어 다가 알코올 알킬 에테르; 및 알칸올아미드 타입, 예를 들어 알칸올아민 지방산 아미드를 포함한다. 비이온성 표면 활성제의 특정 예에는 에테르, 예를 들어 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 도데실페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬알릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르, 및 폴리옥시알킬렌 알킬 에테르(예를 들어, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르); 및 에스테르, 예를 들어 폴리옥시에틸렌 올레에이트, 폴리옥시에틸렌 올레에이트 에스테르, 폴리옥시에틸렌 디스테아레이트, 소르비탄 라우레이트, 소르비탄 모노스테아레이트, 소르비탄 모노-올레에이트, 소르비탄 세스퀴올레이트, 폴리옥시에틸렌 모노-올레에이트, 및 폴리옥시에틸렌 스테아레이트가 있다.
아세틸렌 글리콜 표면 활성제, 예를 들어 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올; 에톡실화된 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올; 3,6-디메틸-4-옥틴-3,6-디올 또는 3,5-디메틸-1-헥신-3-올이, 또한 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 비이온성 계면활성제의 특정 예는, Surfynol®465 및 Surfynol®440 (Air Products and Chemicals, Inc로부터 입수 가능함)이다.
계면활성제(들)는 통상적으로 수성 잉크젯 잉크에서 0.05 중량% 내지 2 중량% 범위의 양으로 존재한다.
수성 잉크젯 잉크는 또한, pH 조절제 또는 완충제, 예를 들어 소듐 하이드록사이드, 칼륨 하이드록사이드, 리튬 하이드록사이드, 소듐 카보네이트, 소듐 하이드로겐카보네이트, 칼륨 카보네이트, 칼륨 하이드로겐카보네이트, 리튬 카보네이트, 소듐 포스페이트, 칼륨 포스페이트, 리튬 포스페이트, 칼륨 디하이드로겐포스페이트, 디칼륨 하이드로겐포스페이트, 소듐 옥살레이트, 칼륨 옥살레이트, 리튬 옥살레이트, 소듐 보레이트, 소듐 테트라보레이트, 칼륨 하이드로겐프탈레이트, 및 칼륨 하이드로겐타르트레이트; 암모니아; 및 아민, 예를 들어 메틸아민, 에틸아민, 디에틸아민, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄 하이드로클로라이드, 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 부틸디에탄올아민, 모르폴린, 프로판올아민, 4-모르폴린에탄설폰산, 및 4-모르폴린프로판설폰산("MOPS")을 포함할 수 있다. pH 조절제의 양은 존재하는 경우에, 통상적으로 0.01 내지 2 중량% 또는 0.05 내지 1 중량% 범위이다.
수성 잉크젯 잉크는 또한, 살생물제, 예를 들어 벤조산, 디클로로펜, 헥사클로로펜, 소르브산, 하이드록시벤조산 에스테르, 소듐 데하이드로아세테이트, 1,2-벤티아졸린-3-온("Proxel®GXL", Arch Chemicals, Inc.로부터 입수 가능함), 3,4-이소티아졸린-3-온, 또는 4,4-디메틸옥사졸리돈을 포함할 수 있다. 살생물제의 양은 존재하는 경우에, 통상적으로 0.01 내지 2 중량% 또는 0.05 내지 1 중량%의 범위이다.
수성 잉크젯 잉크는 또한 격리제, 예를 들어 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 함유할 수 있다.
잉크젯 프린트 헤드(Inkjet Printhead)
본 발명에 따른 잉크는 주로 열 잉크젯 프린트 헤드(thermal inkjet printhead)와 함께 사용하기 위한 것이지만, 다른 타입의 프린트 헤드, 특히 액추에이터가 잉크와 접촉하는 프린트 헤드에서 사용될 수 있다. 완벽을 기하기 위하여, 미국특허번호 제7,303,930호에 기술된 바와 같은, 본 출원인의 열 잉크젯 프린트 헤드들 중 하나의 간단한 설명이 이어지며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
도 1을 참조로 하여, 복수의 노즐 어셈블리를 포함하는 프린트 헤드의 일부가 도시되어 있다. 도 2 및 도 3은 이러한 노즐 어셈블리들 중 하나의 측단면 및 절단 사시도를 도시한 것이다.
각 노즐 어셈블리는 실리콘 웨이퍼 기판(2) 상에 MEMS 제작 기술에 의해 형성된 노즐 챔버(24)를 포함한다. 노즐 챔버(24)는 루프(roof, 21), 및 루프(21)에서 실리콘 기판(2)으로 연장되는 측벽(22)에 의해 규정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 루프는 노즐 플레이트(nozzle plate)(56)의 일부에 의해 규정되는데, 이는 프린트 헤드의 분출면을 가로지른다. 노즐 플레이트(56) 및 측벽(22)은 동일한 재료로 형성되는데, 이는 MEMS 제작 동안 포토레지스트의 희생 스캐폴드(sacrificial scaffold) 위에 PECVD에 의해 증착된다. 통상적으로, 노즐 플레이트(56) 및 측벽(21)은 세라믹 재료, 예를 들어 실리콘 디옥사이드 또는 실리콘 니트라이드로 형성된다. 이러한 경질 재료는 프린트 헤드 견고성에 대한 우수한 성질을 가지며, 이의 고유 친수성 특성은 잉크를 모세관 작용에 의해 노즐 챔버(24)로 공급하는데 유리하다.
노즐 챔버(24)의 세부사항으로 되돌아가면, 노즐 개구(26)가 각 노즐 챔버(24)의 루프에서 규정되는 것으로 나타날 것이다. 각 노즐 개구(26)는 일반적으로 타원형이고 관련된 노즐 림(nozzle rim, 25)을 갖는다. 노즐 림(25)은 인쇄 동안 점적 방향성(drop directionality) 뿐만 아니라 적어도 어느 정도, 노즐 개구(26)로부터 잉크 범람(ink flooding)을 감소시키는 것을 돕는다. 노즐 챔버(24)로부터 잉크를 분출시키기 위한 액추에이터는 노즐 개구(26) 아래에 정위되고 피트(pit, 8)를 가로질러 장착된 히터 요소(29)이다. 기판(2)의 하부 CMOS 층들에서 회로를 유도하기 위해 연결된 전극(9)을 통해 전류가 히터 요소(29)에 공급된다. 전류가 히터 요소(29)로 통과될 때, 이는 가스 버블을 형성시키기 위해 주변 잉크를 빠르게 과열시켜, 잉크가 노즐 개구(26)를 통과하게 한다. 히터 요소(29)를 장착시킴으로써, 이는 노즐 챔버(24)가 프라이밍될 때 잉크에서 완전히 함침된다. 이는 프린트 헤드 효능을 개선하는데, 왜냐하면 보다 적은 열이 하부 기판(2)으로 소산되며 보다 많은 투입 에너지가 버블을 발생시키기 위해 사용되기 때문이다. 통상적으로, 히터 요소는 금속 또는 전도성 세라믹 재료로 이루어진다. 적합한 재료의 예는 티탄 니트라이드, 티탄 알루미늄 니트라이드 및 티탄-알루미늄 합금을 포함한다.
도 1에서 가장 명확하게 나타낸 바와 같이, 노즐은 일열로(in rows) 배열되며, 열을 따라 세로로 연장되는 잉크 공급 채널(27)은 잉크를 열의 각 노즐에 공급한다. 잉크 공급 채널(27)은 잉크를 각 노즐에 대한 잉크 유입구 통로(15)로 전달하며, 이는 잉크를 노즐 개구(26)의 측면으로부터 잉크 도관(23)을 통해 노즐 챔버(24)에 공급한다.
이러한 프린트 헤드를 제작하기 위한 MEMS 제작 방법은 미국특허번호 제7,303,930호에서 상세히 기술되며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
장착식 히터 요소를 구비한 프린트 헤드의 작동은 본 출원인의 US 7,278,717호에 상세히 기술되며, 이의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
본 출원인은 또한 내장형 히터 요소를 구비한 열적 버블-형성 잉크젯 프린트 헤드를 기술하였다. 이러한 프린트 헤드는 예를 들어, US 7,246,876 및 US 2006/0250453호에 기술되어 있으며, 이러한 문헌의 내용들은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명의 잉크젯 잉크는 상술된 바와 같이 본 출원인의 열 잉크젯 프린트 헤드과 함께 최적으로 기능한다. 그러나, 이의 사용은 본 출원인의 열 프린트 헤드로 제한되지 않는다. 본원에 기술된 잉크는 다른 타입의 열적 버블-형성 잉크젯 프린트 헤드, 압전 프린트 헤드, 열-밴드 작동 프린트 헤드(예를 들어, US 7,926,915; US 7,669,967; 및 US 2011/0050806에 기술된 바와 같으며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함됨), 등에서 사용될 수 있다.
완벽을 기하기 위하여, 본 출원인의 열 잉크젯 프린트 헤드를 포함하는 잉크젯 프린터는 예를 들어, US 7,201,468; US 7,360,861; US 7,380,910; 및 US 7,357,496에 기술되어 있으며, 이러한 문헌들 각각의 내용들은 본원에 참고로 포함된다.
도 4는 본 출원인의 US 8,066,359호에 기술된 바와 같은, 열 잉크젯 프린터용 프린트 엔진(103)을 도시한 것으로서, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다. 프린트 엔진(103)은 페이지폭 프린트 헤드를 포함하는 탈착 가능한 프린트 카트리지(102), 및 사용자-교체 가능한 잉크 카트리지(128)의 뱅크(bank)를 포함한다. 각 칼라 채널은 통상적으로 자체 잉크 저장소(128) 및 프린트 헤드에 공급된 잉크의 유체 정압(hydrostatic pressure)의 조절을 위한 상응하는 압력-조절 챔버(106)를 구비한다. 이에 따라, 프린트 엔진(103)은 5개의 잉크 저장소(128) 및 5개의 상응하는 압력-조절 챔버(106)를 구비한다. 통상적으로, 이러한 5-채널 프린트 엔진(103)에서 사용되는 잉크 채널("칼라 채널")은 CMYK1K2이다. 잉크 채널 순서는 US2013/0070024호에 기술된 바와 같이, 프린트 헤드의 노즐 플레이트에서 바람직한 잉크 칼라 혼합 효과를 최적화하도록 배열될 수 있으며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다. 예를 들어, CK1MK2Y의 잉크 채널 순서는 시안(C)이 가장 먼 업스트림에 정위되며 황색(Y)이 가장 먼 다운스트림에 정위되는 경우에 이용될 수 있다.
각 잉크 카트리지(128)는 본원에 기술된 바와 같은 잉크 조성물을 포함할 수 있다. 다양한 부품들 간의 유체 연결부들이 도 4에 도시되어 있지 않지만, 이러한 연결부들이 예를 들어 US 8,066,359호에 기술된 유체 시스템(fluidics system)에 따라 적합한 호스(hose)들로 제조되는 것으로 인식될 것이며, 이러한 문헌의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
실험 섹션
가속화된 프린트 헤드 수명 시험을 하기 기술된 방법에 따라 수행하였다.
코팅되지 않은 티탄 알루미늄 니트라이드 저항 히터 요소를 갖는 프린트 헤드 집적회로(PHIC)를 변형된 프린팅 리그(printing rig)에서 작동하기 위해 개별적으로 마운팅하였다. 작동 펄스 폭을 조절하여 달리 변형되지 않은 프린터에서 작동을 되풀이하였다. 이러한 구성에서, 히터 요소의 저항 변화는 작동 횟수에 따라 측정하였고, 수명에 대한 프린트 품질로 보정하였다. 히터 수명의 척도로서 히터의 저항 상승(옴으로 표현됨)은 5000만회 작동 후에 기록되었다. 이는, 저항 크기가 더욱 커질수록 히터 수명을 더욱 짧아지며, 프린트 품질은 더욱 나빠지는 것으로 관찰되었다. 이에 따라, 최소 저항 증가가 바람직하였고, 보다 긴 프린트 헤드 수명을 나타낸다.
잉크는 표 1에 기술되 바와 같이 포뮬레이션되었고 사용 전에 여과되었다(0.2 마이크론).
Figure 112016010950231-pct00003
가속화된 프린트 헤드 수명 시험에 대한 잉크 포뮬레이션
1. DEG는 디에틸렌 글리콜이다.
2. MOPS는 3-(N-모르폴리노)프로판설폰산이다.
3. Surfynol®465는 에톡실화된 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올이다.
4. Butoxyn® 497(Ashlands)은 통상적으로 잉크 2 내지 잉크 5에서 에톡실화된 부틴디올의 공급원으로서 사용되었다. 에톡실화된 부틴디올의 다른 공급원들이 또한, 아스코르브산의 첨가와 함께, 및 이의 첨가 없이 시험되었다. 에톡실화된 부틴디올의 모든 공급원들은 아스코르브산과 혼합되었을 때 Butoxyne®497과 유사한 개선을 나타내었다.
5. Surfynol®61은 3,5-디메틸-1 헥신-3-올이다.
잉크 1 내지 8은 상기에 기술된 변형된 프린팅 리그에서 시험되었으며, 각 잉크에 대한 저항 상승은 5000만회 분출 후에 측정되었다. 이러한 가속화된 프린트 헤드 수명 시험으로부터의 결과는 표 2에 나타내었다.
Figure 112016010950231-pct00004
가속화된 프린트 헤드 수명 시험 결과
표 2로부터, 에톡실화된 부탄디올을 포함하는 잉크들(잉크 2 내지 5)이 기준 잉크 1과 비교하여 비교적 작은 저항 상승에 의해 명시되는 바와 같이, 프린트 헤드 수명의 연장에서 놀라운 효능을 갖는 것을 나타낼 수 있다. 또한, 이러한 효과는 비-에톡실화된 아세틸렌 모이어티를 갖는 다른 첨가제들에서 관찰되지 않았다. 실제로, 잉크 6 내지 잉크 8은 기준 잉크 1에 비해 더욱 불량하게 수행되었다. 이에 따라, 알코올 아세틸렌 화합물의 에톡실화가 프린트 헤드 수명의 일관된 개선을 제공하기 위해 필수적이라고 결론을 내렸다. 특히, 1% 에톡실화된 부틴디올과 잉크 1의 혼합은 프린트 헤드 수명에 있어서 약 3배 개선을 형성시켰다.
물론, 본 발명이 일 예로서 기술된 것이며, 첨부되는 청구항들로 규정되는 본 발명의 범위 내에서 세부사항의 변형이 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

Claims (20)

  1. 잉크젯 프린트 헤드의 수명을 개선하는 방법으로서,
    잉크를 프린트 헤드의 노즐 챔버에 공급하는 단계로서, 각 노즐 챔버가 잉크와 접촉하는 관련된 액추에이터를 갖는 단계; 및
    액추에이터들 중 하나 이상을 작동시켜 잉크를 프린트 헤드로부터 분출시키는 단계를 포함하고,
    상기 잉크는,
    잉크 비히클(ink vehicle);
    착색제; 및
    0.1 내지 2.5 중량%의 하기 화학식 (A)의 아세틸렌 화합물을 포함하는 방법.
    [화학식 (A)]
    Figure 112020096138036-pct00011

    상기 식에서,
    R1은 H, C1-3 알킬; 및 -(CH2)PCH(R4)(R5)로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    R2는 H 및 C1-3 알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    R3은 -CH2- 및 -CH(CH3)-으로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    R4는 H 및 C1-3 알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    R5는 -OH 및 -(OCH2R3)q-OH로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    m은 0, 1, 2 또는 3이며;
    n은 1 내지 50이며;
    p는 0, 1, 2 또는 3이며;
    q는 1 내지 50이다.
  2. 제1항에 있어서, R2 및 R4 둘 모두가 H인 방법.
  3. 제1항에 있어서, R1이 -(CH2)PCH(R4)(R5)인 방법.
  4. 제1항에 있어서, R3이 -CH2-인 방법.
  5. 제1항에 있어서, m 및 p 둘 모두가 0인 방법.
  6. 제1항에 있어서, n이 1 내지 5이며, q가 1 내지 5인 방법.
  7. 제1항에 있어서, n 및 q 둘 모두가 1인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 아세틸렌 화합물이 하기 화학식 (B)로 이루어지는 방법.
    [화학식 (B)]
    Figure 112020096138036-pct00012

    상기 식에서,
    R6은 -CH2OH 및 -CH2(OCH2CH2)-OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  9. 제1항에 있어서, 착색제가 0.01 내지 2 중량% 범위의 양으로 존재하는 염료인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 잉크 비히클이 잔부의 물을 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 잉크 비히클이 5 내지 50 중량%의 하나 이상의 보조 용매(co-solvent)를 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 잉크 비히클이 0.05 내지 2 중량%의 적어도 하나의 계면활성제를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 잉크 비히클이 0.01 내지 5 중량%의 적어도 하나의 항산화제를 포함하는 방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 각 액추에이터가 저항 히터 요소(resistive heater element)를 포함하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 히터 요소가 코팅되지 않은 방법.
  17. 제1항에 있어서, 히터 요소가 티탄 합금; 티탄 니트라이드; 및 티탄 합금의 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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