KR100227153B1 - 연속 잉크제트 프린터의 액체분사방법 및 그 방법을 이용한 고해상도 인쇄장치 - Google Patents

Abstract

진동 여기방식 연속 잉크제트 프린터의 액체 분사방법 및 고해상도 인쇄장치에 있어서, 잉크제트는 제트의 축에 대해 비대칭인 전기장을 생성하는 정전기적 방울 하전장치의 근처에서 잉크방울들로 분해되어진다.

본 방법은 주 잉크방울이 나타날때 레일리 전압보다 높은 하전 전압 V_H을 하전장치에 가하여 주 잉크방울의 상류끝에 단일의 미소 잉크방울을 생성하는 첫단계를 포함한다. 그리고 두번째 단계에서 전압 V_M보다 낮고 레일리 전압보다 낮은 하전전압 V_C를 따라오는 주 잉크방울에 가함으로써 인쇄에 사용될 미소 잉크방울을 편향시키며, 하전전압 V_C는 인쇄매체쪽으로 이동하는 미소 잉크방울이 선택된 경로의 함수로서 변화시킬 수 있다.

Description

연속 잉크 제트 프린터의 액체 분사방법 및 그 방법을 이용한 고해상도 인쇄장치

제1도는 본 발명에 따른 방법을 이용하는 진동여기방식 연속 잉크제트 프린터의 인쇄장치의 실시예를 도시한 개략도

제2a도는 본 발명에 따른 미소 잉크방울의 생성과정을 나타낸 도면

제2b도는 인쇄용 미소 잉크방울의 생성을 위해 주 잉크방울에 가해진 하전 전압을 도시한 그래프

제3a도는 본 발명에 따른 미소 잉크방울의 생성과 편향 과정을 나타낸 도면

제3b도는 본 발명에 따라 잉크방울에 가해지는 하전 전압의 형태를 도시한 그래프

제4a도 내지 제4c도는 본 발명에 따른 잉크방울의 하전 장치의 실시예들의 도면

여러 도면들에서 같은 부호를 갖는 요소들은 같은 기능과 효과를 제공한다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 잉크제트 2 : 분사노즐

3 : 잉크용기 4 : 공진회로

5 : 변조회로 6 : 분산점

7 : 하전장치 8 : 전원회로

9 : 검출회로 10 : 정보처리회로

11 : 주 잉크방울 12 : 홈통

13 : 잉크공급회로 14 : 미소잉크방울

15 : 인쇄매체 20, 22, 24 : 모방울

21, 23, 25 : 주방울 26,27 : 미소방울

28 : 포착점 30-35 : 주 잉크방울

36, 37, 38 : 미소잉크방울 70, 71, 72 : 전극

본 발명은 고정밀 액체 분사방법과 그 방법을 유용한 유도 연속잉크제트 프린터용 고해상도 인쇄장치에 관련된 것이다.

본 발명의 액체 분사방법은 고해상도 인쇄분야에 적용될 수 있으며, 예를들어 인쇄된 미소회로의 트레이싱에 사용되는 물질들의 마이크로도우싱(microdosing) 또는 지지체에 전자부품들을 고정하거나 주어진 형태에 따라 물질의 입자들을 조립하기 위해 전도성 결합제(bonder)의 미소방울을 도포하는 분야에도 적용된다. 다른 유망한 적용은 의약품 제조에 있어서 화학적 또는 생물학적 약품의 마이크로 도우싱에 관련된 것이다.

고해상도 프린터의 분야에 있어서, 알려진 방법은 미국특허 제4068241호에 설명되어 지는 것으로, 위성 잉크방울(satellite drop)이라고 불리우는 작은 잉크방울이 잉크 제트를 분해 또는 분리시키는 진동 여기(勵起)의 진폭값의 함수에 따라 주 잉크방울의 상류 또는 하류의 말단에서 나타나는 짧은 필라멘트 또는 기동형상의 잉크부터 나타는 모양에 근거한다.

편향되기전, 잉크제트는 주 잉크방울과 위성 잉크방울이 교대로 반복되어 이루어지며, 주 잉크방울과 위성 잉크방울의 직경비는 대략 3:1이다. 위성 잉크방울들은 2진(binary) 형식의 편향기술에 따라 편향된다. 즉, 시스템의 각 노즐에는 인쇄될 패턴의 한 점만이 대응된다. 그 결과 주어진 표면을 칠하기 위해 프린팅헤드와 프린트되어질 매체간에 상대적으로 수 많은 이동이 필요한 단점이 있다.

전하를 갖지 않거나 작은 전하를 갖는 주 잉크방울은 홈통에 의해 잉크 회로로 회수되고 재 순환된다.

또한, 이 인쇄방법은 잉크제트의 진동여기 과정에 대한 민감성으로 인한 또 다른 단점을 갖는다. 각 장치의 기계적 반응에 대한 개별적 조정없이 진동여기 장치의 특징적인 재현성(reproducibility)를 갖기는 어렵다.

본 출원인의 유럽특허출원 제 0365454호에는 위성 잉크방울에 의한 진동여기 연속 잉크 제트 프린터로 구현된 고해상도 인쇄방법이 설명되어 있다.

연속 잉크제트는 실질적으로 거리와 칫수가 같은 잉크방울들 G_n로 분해되어진다. 하전전극을 통해 주 잉크방울(G_n)이 통과하는 동안 잉크제트의 어떤 특별한 사용조건에서 적당한 전압(V_n)을 가하면 이주 방울(G_n)의 상류 필라멘트를 분리하여 위성 잉크방울(S_n)을 생성시킬 수 있다.

다음의 주 잉크방울(G_n+1)의 생성 시간 동안 진폭이 실질적으로 (V_n)과 같은 전압 (V_n+1)이 가해져서 위성 잉크 방울(S_n)은 방울(G_n)과 (G_n+1) 사이에서 제트에 일정시간 남아있는데, 이 시간은 위성 잉크방울이 하류에 있는 편향 전기장을 통과하기에 충분하며 결국 위성 잉크방울은 인쇄매체쪽으로 편향되어진다. 거의 편향되지 않은 주 잉크방울들은 잉크회로에서 재 순횐된다.

이 방법의 실시는 몇가지 단점을 갖는다. 무엇보다도, 잉크 제트의 바람직한 사용을 위해 특별한 성격의 조건이 요구되어진다. 두번째로 위성 잉크방울의 사용빈도수가 제트의 진동여기에 이용되는 빈도수 또는 주파수의 1/3 밖에 안된다.

그 전하가 방울(G_n)의 전화와 거의 같은 방울(G_n+1) 역시 자체적으로 위성 잉크방울을 생성하지만 그것은 인쇄될 패턴의 한점에 대체로 대응하지 않는 전하값을 갖기 때문에 인쇄에 이용되지 못할 수 있다.

더욱이, 적용되는 정전 제한은 위성 잉크방울을 불안정한 평형 상태에 놓이게 되며 이것은 편향의 정확성에 나쁜 결과를 가져온다.

이 문제점은 하전전극들 사이를 통과하여 전기적 편향장으로 이동하는 위성 잉크방울들의 이동 경로의 길이에 의해 더욱 악화된다.

본 발명의 목적은 연속 제트에 의한 액체 분사방법으로서, 제트의 분해를 일으키는 여기의 진폭이나 주파수에 작용하는 방법에 의하지 않고 또한 제트는 있는 잉크방울들간의 상호작용에 의한 생성 이외에는 다른 부가적인 편향 수단을 사용하지 않으면서 미소 잉크방울을 생성하는 방법을 제공하므로써 종래의 결점을 극복하는 것이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 액체 제트를 방울들로 분할하는 단계로서, 방울들을 하전시키기 위해 제트의 축에 대해 비대칭인 전기장을 발생시키는 장치의 근처에서 방울들을 분할하는 첫 단계와 ; 하전 장치에 정해진 전압(V_M)을 가하여 주 방울의 상류 끝에 하나의 미소 잉크방울을 생성하는 두번째 단계와 : 미소 잉크방울 다음에 곧 따라오는 주 잉크방울에 전압 (V_M)보다 낮은 다른 하전 전압(V_C)를 가하여 사용될 미소 잉크방울을 편향시키는 세번째 단계를 포함하는 고해상도 액체 분사방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기한 방법을 이용한 여기 연속 잉크 제트 프린터의 고해상도 인쇄 장치와 관련되어 있는데, 이 장치는

- 잉크 제트의 전진축 방향으로 잉크제트의 분출을 위한 하나이상의 노즐을 포함하는 일정 가압잉크 용기 ;

- 공급회로에 연결된 정전하전(靜電荷電) 장치의 근처에 잉크를 방울들로 분해하는 지점을 얻기 위하여 잉크 제트를 진동여기시키는 장치 ;

- 얻어지는 정보 요소들의 처리를 위해 정전하전장치를 거친 잉크방울들의 근처에 위치되는 회로에 연결된 검출회로 및 ;

- 인쇄에 사용되지 않은 방울들을 회수하여 일반 잉크 공급 회로로 보내는 홈통으로 구성되어 있으며, 여기에서 정전하전 장치는 잉크 제트는 축에 대해 비대칭인 전기장을 생성하는 하나의 전극을 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 액체 분사방법을 고해상도 프린터에 적용되는 방법을 통해 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 방법으로 실시되어진 고해상도 연속 잉크제트 프린터에서의 인쇄기의 실시예에 대한 개략도를 보여준다.

이 장치는 잉크 제트(1)가 배출되는 분사노즐(12)로 이루어진 일정압력의 잉크 용기(3)를 포함한다. 변조회로(5)와 전기적으로 연결된 공진회로(4)는 잉크 제트(1)를 진동여기시키고 잉크 제트의 분산점(6)을 결정한다. 이 분산점 근처에 전원회로(8)와 연결된 하전장치(7)가 설치되고 이 장치는 제트의 축 D에 대해 비대칭인 전기장을 유도하는 특성을 갖는다.

잉크 제트(1)가 잉크방울들(11)로 분해되는 것과 이 방울들에 하전전압을 가하는 것 같의 영구적 동기화(synchronization)를 얻기 위해 검출회로(9)가 잉크방울들의 통로 근처에 설치되고, 포착된 정보요소들을 처리하는 회로(10)에 연결된다.

인쇄에 이용되지 않은 주 잉크방울들(11)은 홈통(12)에서 회수되고 도관에 의해 일반 잉크 공급회로(13)로 재순환된다.

미소 잉크방울들(14)은 그 생성과 편향 방법이 앞으로 이해될 수 있겠지만, 인쇄 매체(15)까지 자신들의 궤도를 계속 나아간다.

본 발명에 따르는 분사방법은 1882년 로드 레일리(Lord Rayleigh)에 의해 증명된 도전성(conductive)액체 방울의 특징을 이용한다.

[참고 : 아드린 지 베일리, 액체의 정전기적 분산 (Electrostatic Spraying of Liquids), Research Studies Press Ltd, 1988) : 도전성 액체의 방울에 수용되는 전하의 양에는 상한이 있다. 이 한계는 레일리의 한계라고 불리워지며 방울이 외부의 영향을 받지 않는 때를 말한다. 이 하전의 한계값 이상에서는 모 방울(parent drop)이라고 불리우는 방울들이 불안정하게 되고 하나 또는 그 이상의 강하게 하전된 미소 방울들을 분출하며 이 효과는 전하가 레일리의 임계값 이하의 값을 갖게 한다.

본 발명에 따르는 방법은 액체의 제트를 연속진동식으로 여기시키는 경우에 이와같은 도전성 액체의 방울의 정전기적 불안정 현상을 제어하고 이용하여 완전한 반복적 방법으로 모방울의 상류로부터 단일 미소 방울을 방울시키는 것이다.

제2a도는 본 발명에 따른 미소 방울의 생성과정을 나타낸 도면이다.

도전성 액체(1), 특히 잉크의 제트의 분산점 b의 근처에서 하전 전극장치(7)는 제트의 축(D)에 대해 비대칭인 전기장을 생성하고 정해진 값의 전하(V_M)를 모 방울(20)(22) 및 (24)에 할당하여 각 모방울은 미소 방울, 즉 모 방울(22)과 (24)에 각각 관련된 미소 방울(26)과 (27)을 방출하며, 방울(20)로부터 방출되는 미소 방울은 더 이상 보이지 않는다. 그 동안, 주 방울(21),(23) 및 (25)는 전하를 받지 않고, 모 방울(22),(24)과 미소 방울(26),(27)사이에 존재하는 정전기적 반발력은 미소 방울이 하전되지 않은 주 방울(23)과 (25)에 각각 빠르게 포착되게 한다. 하전 장치(7) (제2a도에 있는 간단한 전극)의 형태에 의해 유도되는 비대칭 때문에 주 방울(23)에 의한 미소 방울(26)의 포착점(28)은 잉크제트의 축 (D)으로 부터 약간 편향된다.

제2b도는 전원회로(8)에 의해 하전장치(7)로 전해지는 전압의 값을 보여준다. 제2b도는 제2a도의 각 방울과 대면하도록 일치시킨 것인데, 제2a도의 각 방울에 할당되는 하전 전압을 표시한다 : 모 방울에는 V_M, 주 방울에는 0이 할당된다.

본 발명에 방법에 따라, 인쇄에 이용되는 미소 잉크방울의 편향은 적당한 방법으로 주 잉크방울을 전기적으로 하전하여 얻어지며 주 잉크방울은 미소 잉크방울을 전기적으로 하전하여 얻어지며 주 잉크방울은 미소 잉크방울을 생성하는 각 모 잉크방울의 다음에 즉시 나타난다 : 이와 같은 주 잉크방울을 편향 잉크방울이라고 부른다. 확실히, 편향 잉크방울에 가해지는 전압의 최소값 Vcmin에서 시작해서 편향 잉크방울과 그 전방의 모시 잉크방울사이에 생성되는 정전기적 반발은 하전전극(7)에 의해 생긴 전기장의 비대칭형태로 한정되는 방향으로 위치되는 제트의 축 (D)으로부터 미소 잉크방울을 분찰하기에 충분하다. 이렇게 얻어진 편향각의 연속변화는 편향 잉크방울에 가해지는 전하량의 변화에 의하여 제어될 수 있다. 편향 잉크방울을 하전켜 편향된 인쇄 미소방울을 얻을 수 있는 최소전압 Vcmin이 있다고 가정하면, 그 최대전압 Vcmax로 존재하며 이 전압을 넘으면 편향방울과 모 잉크방울 사이의 강한 정전기적 상호작용때무에 모 잉크방울에 가해지는 전압 (V_H)이 외부영향이 전혀 없는 상태에서 엄격하게 규정된 레일리 전압값보다 모 잉크방울에 의한 미소 잉크방울의 반발이 불가능하게 된다. 더욱이 편향 잉크방울에 가해지는 전압(V_C)은 레일리 전압보다 낮게 선택되어 사용할 수 없는 미소 잉크방울은 방출하지 않음으로써 본 발명에 따른 방법에 양호한 인쇄속도를 제공한다.

제3a도는 인쇄방울의 생성과 편향과정을 나타낸 도면이고 제3b도는 본 발명에 따른 잉크제트방울에 가해지는 하전 전압의 값을 도시한 그래프이다.

잉크제트(1)는 주 잉크방울(30) 내지 (35)로 분해되어진다. 잉크방울(30),(32) 및 (34)는 레일리 전압보다 큰 전압 V_M에 의해 전기적으로 하전되어 미소 잉크방울(36),(37)과 (38)을 생성한다. 이 두 미소잉크방울(36)과 (37)은 전압 VC₃₁과 VC₃₃으로 하전된 편향 잉크방울(31)과 (33)에 의해 각각 편향된다. 주 잉크방울(35)은 전기적으로 하전되지 않았으므로 잉크방울(34)로부터 나오는 미소 잉크방울(38)을 흡수한다. 미소 잉크방울의 편향각이 편향 잉크방울에 가해지는 전압 V_C에 의존하는 것을 볼 수 있다. 즉, 잉크방울(33)의 하전 전압(V_C33)이 방울(31)의 전압 (V_C31)보다 크므로,미소 잉크방울(36)의 편향에 비해 미소 잉크방울(37)의 편향이 큰것이다. 모 잉크방울(30)(32)와, (34), 편향 잉크방울(31)과 (33), 그리고 하전되지 않은 잉크방울(35)에 있어서 이들은 매질을 향해 편향되지 않으므로 홈통에 의해 회수되고 잉크회로에서 재순환된다.

그러므로, 매체(15)위에 결정된 점의 인쇄는 다음 단계와 관련된 잉크제트의 두 잉크방울이 있어야 한다 : 인쇄용 미소 잉크방울을 생성하기 위하여 전압을 임계값 V_M이상으로 충전하는 단계와 이 미소 잉크방울을 편향시키기 위하여 전압을 V_cmin과 V_cmax사이에 포함되는 임계값 V_C아래의 값으로 충전하는 단계.

제4a 내지 4c 도는 잉크방울을 하전시키는 장치의 실시예에 대한 개략도이다. 이 장치는 세개의 다른 형태를 가지지만 모두 잉크제트(1)의 축(D)에 대해 비대칭인 전기장을 유도한다.

제4a도의 처음예에서, 전극(70)은 잉크제트(1)의 축(D)과 같은 축을 갖는 반 원통형의 모양을 갖는다. 정진기적 영향을 이 전극(70)과 잉크제트(1) 사이에서 높아서 저전압으로 잉크방울을 하전하는 프린터의 작동을 가능하게 한다. 제4b도에서, 전극(71)은 하나의 직사각형판의 모양을 갖고 장축은 제트(1)의 축 (D)과 평행하다. 전극(71)과 제트(1) 사이의 정전기적 영향은 앞의 경우보다 낮지만 전극의 간단한 모양과 간결성은 제조와 고밀도 집적을 쉽게 한다.

제4c도에 따르는 세번째 예는 첫 형태의 효율과 두번째의 단순성을 포함한다. 하전 전극(72)은 잉크제트의 축 (D)과 평행한 방향에서 서로 교차되는 두 반평면으로 구성된다.

본 발명의 방법은 분사노즐의 직경보다 훨씬 작은 매체에 액체방울을 충돌하게 하는 장점이 있어 실시예의 장치의 정밀도를 높이고 특별히 언급된 프린터의 해상도를 증가시킨다. 또한 성능에 비해 낮은 허용차를 갖는 액체분사 시스템의 고 집적이 가능하다.

더욱이, 제트의 방울들간의 정진기적 상호작용에 의해 생성되는 것을 제외하고, 편향수단의 첨가없이 본 발명의 방법은 액체 분사헤드의 요소수를 줄일 수 있다(하나의 하전 전극으로 충분함). 다른 이점은 잉크제트의 진동여기의 진폭의 변화에 민감하지 않은 미소 잉크방울만으로 인쇄를 하는 것으로, 이러한 낮은 민감도는 미소 잉크방울이 잉크제트의 분산을 일으키는 여기 작용의 진폭이나 주파수에 작용해서 생성되는 것이 아니기 때문이다.

본 발명에 따르는 다른 중요한 장점은 본 방법이 선행기술에서 묘사된 방법과 달리 스크린 모드로 잉크방울의 인쇄가 가능하다는 것이다. 즉 하나의 잉크제트가 상기 잉크방울의 편향의 변조에 대응하는 점들로된 여러개의 선을 인쇄할 수 있다.

본 발명은 공업적 작용을 가능하게 한다. 무엇보다도 인쇄 미소 잉크방울의 극단적으로 작은 직경은 세밀한 인쇄성능을 요구하는 모든 분야에서 사용할 수 있는 인쇄기를 설게할 수 있게한다. 본 출원인이 제작한 프린터 시작품을 사용한 결과 직경이 35 미크론인 분사노즐에서 직경 10 미크론 이하의 인쇄 미소 잉크방울을 얻을 수 있었다.

더욱이, 각 인쇄 미소 잉크방울의 편향각을 선택적으로 변조할 수 있는 가능성은 적절한 제어 알고리즘에 의해서 복잡한 모양의 매체에 극히 높은 품질의 인쇄를 할 수 있게 한다.

고 해상도와 빠른 인쇄속도를 요구하는 공업적 장식분야에도 이용할 수 있는데 이것은 본 발명에 따른 인쇄방법에서 요구되는 요소들의 수가 작고 간단하기 때문에 다중제트 모듈에 고밀도로 집적할 수 있기 때문이다.

본 발명은 단지 설명된 실시예에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 범위는 발명의 정신내에서 실행되고 청구범위내에서 실시된다면, 특정수단들과 동등한 기술과 그 결합을 포함한다. 본 발명은 하나의 용기와 연결된 여러개의 노즐에 의해 분출되는 같은 수의 연속 여기 잉크제트를 갖는 인쇄장치에서 실시될 수 있다.

본 발명은 위에서 언급된 인쇄회로의 트레이싱, 전자부품의 조립 또는 의약품들의 제조에도 적용될 수 있다.

Claims (6)

1. 방울을 정전기적으로 하전시키는 장치 근처에서, 노즐에서 나온 제트를 방울들로 분할하는 첫 단계를 포함하는 진동여기 연속제트 장치용 액체 분사방법에 있어서, 상기 방법이 다른 연속하는 단계로서,

   - 상기 정전하전장치에서 노즐로부터 나온 제트의 전진축에 대해 비대칭이 전기장을 생성하는 단계와,

   - 주 방울이 나타날때, 상기 정전하전장치에 레일리 전압보다 높은 정해진 하전 전압(V_M)을 가하여 주 방울의 상류끝에 단일 미소방울을 생성시키는 단계와,

   - 생성된 미소방울 다음에 즉시 나타나는 주 방울에 전압 (V_M) 보다 낮고 레일리의 전압보다 낮은 다른 하전전압(V_C)를 가함으로써 사용되어질 미소 잉크방울을 편향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 미소 방울을 편향시키는데 사용되는 하전 전압(V_C)는 사용되는 매체를 향하여 이동하는 미소방울의 선택된 경로의 함수로서 진폭이 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사방법.
3. 진동 여기 연속 잉크제트 프린터의 고 해상도 인쇄장치로서,

   - 상기 제트의 전진축 방향으로 잉크제트를 분사하는 하나이상의 노즐이 마련된 가압 잉크용기와,

   - 전원 회로에 연결된 정전하전 장치의 근처에 잉크방울들로의 분해점을 얻기위하여 잉크제트를 진동여기 시키는 장치와,

   - 얻어지는 정보요소들을 처리하는 회로와 연결된 검출회로로서 장치에 의해 하전된 후의 잉크방울들 근처에 위치하는 검출회로와,

   - 인쇄에서 사용되지 않은 잉크방울들을 회수하는 홈통으로 구성되어 있으며 상기 하전 장치는 잉크제트의 축에 대해 비대칭인 전기장을 생성하는 단일 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 인쇄장치.
4. 제3항에 있어서, 하전 전극이 잉크제트의 축과 평행한 축을 갖는 반 원통형의 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 고해상도 인쇄장치.
5. 제3항에 있어서, 하전 전극이 잉크제트의 축과 평행한 판 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 고해상도 인쇄장치.
6. 제3항에 있어서, 하전 전극이 잉크제트의 축에 평행한 면에서 서로 교차되는 2개의 반 평면의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고해상도 인쇄장치.