KR100337112B1

KR100337112B1 - 프린트헤드

Info

Publication number: KR100337112B1
Application number: KR1019970061656A
Authority: KR
Inventors: 이종면
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2002-10-11
Also published as: KR19990041106A

Abstract

본 발명은 박막형상기억합금이 냉각되는 과정에서 열방출이 신속하게 이루어지도록 열방출수단을 구비함으로써, 작동속도를 높여 신뢰성이 향상되는 프린트헤드에 관한 것으로서, 특히 하부에 공간부가 마련되고 상기 공간부를 덮는 진동판이 상부에 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 상기 진동판을 덮은 상태로 구비되어 온도변화에 따라 형상변화되면서 상기 진동판을 진동시키는 박막형상기억합금; 상기 박막형상기억합금의 상부에 구비되어 상기 박막형상기억합금이 냉각될 때 열을 능동적으로 방출하여 냉각속도를 증가시키는 열방출수단; 상기 기판의 상부에 구비되고 상기 박막형상기억합금과 연통되는 액실이 구비되며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 기록액이 상기 액실 내부로 유입되도록 유로가 형성된 유로판; 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금이 형상변화될 때 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트가 구비된 특징이 있다.

Description

프린트헤드

본 발명은 프린트헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막형상기억합금이 상변화 되는 과정에서 변형에 의해 기록액이 분사되도록 하고 또한 열방출이 신속하게 이루어지도록 함으로써, 소형으로 제작할 수 있고 또한 반도체 박막제조공정을 이용하여 제조함으로 공정이 단순화되며 특히 작동속도가 향상되는 프린트헤드에 관한 것이다.

일반적으로 널리 이용되고 있는 프린트해드는 DOD(Dorp On Demand)방식을 사용하고 있다. 이 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.

도 1은 가열식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 기록액이 내장되는 챔버(a1)가 있고, 이 챔버(a1)로 부터 피기록재를 향한 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 공기 거품(Bubble)은 챔버(a1) 내부의 기록액을 분사구(a2)로 밀려 나가게 하는 것이고, 기록액은 그 힘으로 피기록재를 향해 분사되는 것이다.

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 뒤떨어 지는 것이다.

도 2는 압전소자에 의한 진동식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 역시 기록액이 내장되어 있는 챔버(b1)가 있고, 이 챔퍼(b1)로 부터 피기록재를 향한 분사구(b2)가 있으며, 분사구의 반대쪽 바닥에는 압전소자(Piezo Transducer)가 매설되어 진동을 유발하도록 구성되어 있다.

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.

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.

또한 종래의 프린트해드는 기록액을 토출하기 위해 형상기억합금이 사용된다. 일본 공개특허공보 공개번호 소57-203177, 소63-57251, 평성4-247680, 평성2-265752, 평성2-308466, 평성3-65349 에는 형상기억합금이 사용된 프린트해드의 실시예가 개시돼 있다. 종래의 실시예는 상변태온도가 다르고 두께가 서로다른 형상기억합금이 여러장 결합되어 휨변형되도록 구성된 것과, 탄성부재와 형상기억합금의 결합에 의해 휨변형되도록 구성된 것 등이 있다.

그러나 종래의 형상기억합금을 이용한 프린트해드는 해드크기의 소형화가 어려우며 노즐의 밀집도가 떨어져 해상도가 좋지 않으며 제조하기 어려워 양상성이 떨어진다. 또한 사용된 형상기억합금은 박막으로 구현하지 않고 두께가 50㎛이상인후막으로 구현했기 때문에 가열시 전력소비가 크고 냉각시간이 길어 작동주파수가 떨어지며 인쇄속도가 낮아 실용성이 없는 등의 단점이 있다.

본 출원인은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 박막형상기억합금의 상변화 과정에서 발생되는 변형에 의해 액실의 압력이 가변되면서 기록액이 분사되도록 함으로써, 형상기억합금의 발생력(Actuating force)이 매우 큼으로 노즐의 막힘현상이 감소되고 또한 박막의 변형량이 크기 때문에 박막형상기억합금을 소형으로 제작하여 노즐의 밀집도를 높여 해상도를 높일 수 있고, 반도체 박막제조공정을 이용하여 기판에 박막으로 형상기억합금을 증착하고 필요한 변위량을 얻을 수 있으므로 양산성이 증가되는 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법을 선출원중에 있다.

본 발명의 목적은 선출원된 프린트헤드의 개선에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 박막형상기억합금이 냉각되는 과정에서 열방출이 신속하게 이루어지도록 열방출수단을 구비함으로써, 작동속도를 높여 신뢰성이 향상되는 프린트헤드를 제공함에 있다.

도 1은 종래 가열식 프린트헤드의 단면도,

도 2는 종래 압전소자식 프린트헤드의 단면도,

도 3a,b,c는 본 발명 프린트헤드의 단면도,

도 4는 본 발명의 열방출곡선을 나타낸 선도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 기판 11 : 공간부

12 : 박막형상기억합금 13 : 진동판

14 : 열방출수단 15 : 초전체막

15a : 절연층 15b : 상하부전극

16 : 유로판 17 : 액실

18 : 유로 19 : 노즐플레이트

20 : 노즐 21 : 기록액

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하부에 공간부가 마련되고 상기 공간부를 덮는 진동판이 상부에 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 상기 진동판을 덮은 상태로 구비되어 온도변화에 따라 형상변화되면서 상기 진동판을 진동시키는 박막형상기억합금; 상기 박막형상기억합금의 상부에 구비되어 상기 박막형상기억합금이냉각될 때 열을 능동적으로 방출하여 냉각속도를 증가시키는 열방출수단; 상기 기판의 상부에 구비되고 상기 박막형상기억합금과 연통되는 액실이 구비되며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 기록액이 상기 액실 내부로 유입되도록 유로가 형성된 유로판; 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금이 형상변화될 때 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트를 구비하는 특징이 있다.

본 발명은 기존의 압전소자를 이용한 방식 및 가열에 의한 공기팽창을 이용한 방식의 단점과 기존 형상기억합금을 이용한 방식의 단점을 해결하기 위하여 반도체 박막제조공정을 이용하여 기판상에 박막형상기억합금을 형성하고 기판의 일부를 에칭하여 박막형상기억합금이 진동할 수 있는 공간부를 구성하고 박막형상기억합금의 진동에 의해 액적을 형성하는 프린트헤드를 구현했다.

기판상에 형상기억합금을 반도체 박막제조공정을 이용하여 증착(deposition)한 후 열처리하여 박막형상기억합금을 형성한다. 따라서 모상상태에서 편평한 형상이 이루어진다. 증착된 박막형상기억합금은 마르텐사이트에서 잔류압축응력을 갖도록 할수 있고, 증착조건, 열처리온도 및 시간 등에 따라 잔류압축응력의 크기를 변화시킬수 있다. 기판의 일부를 에칭하여 공간부를 형성하면 잔류압축응력에 의해 박막형상기억합금은 좌굴현상(Buckling)에 의한 휨변형 하게 된다. 박막형상기억합금을 가열하면 박막형상기억합금은 모상이 되고 편평한 상태로 변화하려하며 이때 액실용적이 감소되어 기록액이 분사된다. 냉각시에는 잔류압축응력에 의해 휨변형이 발생하고 이때 기록액 재충전이 이루어진다. 이러한 과정을 반복하여 연속적인기록액 분사를 행한다.

본 발명은 특히 박막형상기억합금이 전기저항에 의해 가열되어 급속하게 온도를 상승시킬수 있는 반면에 냉각의 경우 발열에 비하여 상대적으로 느리기 때문에 액적 토출까지의 시간이 길어져 인쇄속도가 느려진다. 이를 보완하기 위해 박막형상기억합금의 상부에 초전체 물질로 이루어진 막을 형성하고 이 막 사이에 전계를 걸어주므로써, 열을 막의 위쪽방향으로 능동적으로 빼주는 것을 특징으로한다.

이렇게 열을 능동적으로 빼줄수 있는 막을 설치할 경우 박막형상기억합금에 전계를 걸어 가열할때에는 상대적으로 높은 온도상승 때문에 엑츄에이터가 빨리 작동하게 되며, 냉각시에는 박막형상기억합금에 열이 발생하지 않는 상태에서 초전체 막이 열을 빼내므로 빨리 냉각되게 된다. 따라서 이러한 구조를 가진 강제 열방출 구조는 복귀하는 시간이 빨라져 인쇄속도가 증가된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 한 실시예의 프린트헤드의 단면도 이다. 기판(10)에 공간부(11)가 형성되고 기판(10)의 상부에 공간부(11)를 덮는 진동판(13)이 구비된다. 그리고 진동판(13)의 표면에 박막형상기억합금(12)이 구비된다. 또한 기판(10)의 상부를 덮는 유로판(16)이 구비되고 박막형상기억합금(12)의 직상부에 기록액(21)이 수용되는 액실(17)이 형성된다. 또한 유로판(16)의 중앙에는 기록액(21)이 흐르는 유로(18)가 마련되고 유로(18)와 액실(17)이 서로 연통된다.

또한 유로판(16)의 상부에 결합되는 노즐플레이트(19)가 구비되고 노즐플레이트(19)는 유로판(16)에 형성된 액실(17)과 대응되는 노즐(20)이 형성된다. 또한 노즐(20)은 액실(17) 쪽으로 노출된 박막형상기억합금(12)과 대응되며 박막형상기억합금(12)이 변형될 때 액실(17)의 압력이 변하면서 기록액(21)이 액적의 상태로 노즐(20)을 거쳐 용지에 분사된다. 박막형상기억합금(12)은 온도에 따라 상변화되어 변형을 일으키는 형상기억합금(Shape memory alloy)이 사용되며 재질은 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)이 주성분이며 그 두께는 약 0.3㎛ ∼ 5㎛ 정도이다. 그리고 진동판(13)은 0.5㎛ ∼ 10㎛ 정의 두께로 구성되고 액실(17)의 크기는 가로 : 100㎛ ∼ 500㎛, 세로 : 100㎛ ∼ 5000㎛ 정도가 바람직하다. 그리고 기판(10)의 재질은 유리 또는 폴리머(polymer), 니켈, 스테인레스판재 등이 사용된다.

또한 형상기억합금으로 구성된 박막형상기억합금(12)은 제조방법에 따라 방향성을 갖는다. 본 발명은 일방향박막형상기억합금(Oen-Way Thin film Shape memory alloy)에 관한 것이다. 실리콘 등의 재질로 구성된 기판(10)의 표면에 진동판(13)과 박막형상기억합금(12)을 증착시킨다. 증착은 주로 스퍼터 디포지션(Sputter-deposition)과 레이져 에블에이션(Laser ablation)의 방법이 사용된다.

그리고 일정온도에서 일정시간 열처리 하여 결정화 시키면 모상(parent phase)에서 잔류인장응력에 의해 휨변형된다. 이후 마르텐사이트 종료온도 약 40℃ ∼ 70℃로 냉각되면서 모상은 마르텐사이트(Martensite)로 되어 평판의 형태로 된다. 또한 박막형상기억합금(12)의 직 하부를 에칭하면 실리콘웨이퍼로 구성된 기판(10)에 공간부(11)가 형성되고 이때 진동판(13)이 공간부(11) 쪽으로 노출된다.

이같은 방법에 의해 기판(10)과 진동판(13) 및 박막형상기억합금(12)이 제조되며 이후 기판(10)의 상부 또는 하부에 유로판(16)과 노즐플레이트(19)를 선택적으로 형성시키면 본 발명의 프린트헤드가 구성된다.

본 발명에 따라 제작된 프린트헤드의 박막형상기억합금(12)은 마르텐사이트에서 평판으로 되고 설정온도 즉 모상 종료온도 약 50℃ ∼ 90℃로 온도를 올리면 모상으로 변형되고 잔류인장응력에 의해 휨변형되면서 기록액(21)이 분사된다.

또한 본 발명은 박막형상기억합금(12)의 상부에 열을 신속하게 방출하여 박막형상기억합금(12)의 냉각속도를 증가시키는 열방출수단(13)이 구비된다. 열방출수단(14)은 전압차에 따라 열을 방출하는 초전체막(15)이 구비되고 초전체막(15)의 상하부에 상,하부전극(15b)이 각각 구성되며 하부전극(15b)과 박막형상기억합금(12)의 사이에 절연층(15a)이 구비된다.

이처럼 구성된 본 발명은 박막형상기억합금(12)은 온도변화에 따라 연속적으로 상변화되고 이 과정에서 변형에 의해 진동이 일어나게되며 기록액(21)이 노즐(20)을 통하여 액적의 상태로 분사된다. 박막형상기억합금(12)이 가열되지 않은 초기상태에서 진동판(13)과 박막형상기억합금(12)은 펼쳐진 상태가 유지된다. 그리고 박막형상기억합금(12)에 전류가 인가되면 자체 저항에 의해 발열되고 이때 설정온도 이상으로 가열되면 모상(parent phase)으로 변하면서 휨변형된다. 박막형상기억합금(12)이 가열되면 내부의 잔류인장응력에 의해 휨변형되고 이때 액실(17)의 부피가 팽창되면서 기록액(21)이 유로(18)를 따라 액실(17) 내부로 유입된다.

그리고 전류가 차단되면 박막형상기억합금(12)이 설정온도 이하로 내려가게 되고 이 과정에서 박막형상기억합금(12)의 내부잔류인장응력이 사라지게 되며 따라서 진동판(13)의 탄성력에 의해 원상태로 복원되어 박막형상기억합금(12)과 진동판(13)이 초기상태로 펼쳐진다. 또한 펼쳐지는 과정에서 액실(17)의 내압이 증가되어 압축됨과 동시에 기록액(21)이 노즐(20)을 거쳐 분사된다. 또한 박막형상기억합금(12)의 가열과 냉각이 연속적으로 일어나면서 기록액이 분사되고 인쇄가 진행된다.

또한 냉각되는 과정에서 열방출수단(14)에 의해 박막형상기억합금(12)의 냉각속도가 증가된다. 전극(15b)에 전원이 인가되면 전압차에 따라 초전체막(15)에서 열을 능동적으로 방열해 냉각속도를 높인다. 따라서 박막형상기억합금(12)과 진동판(13)의 진동속도 즉 작동주파수가 증가되어 인쇄속도가 향상된다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 박막형상기억합금의 상변화에 따라 진동판이 함께 진동하게 되고 이 과정에서 기록액이 노즐을 통하여 액적의 상태로 분사된다. 그리고 박막형상기억합금의 상부에 전압차에 따라 열을 능동적으로 방출하는 초전체막이 구비된다. 따라서 박막형상기억합금의 작동속도가 증가되어 인쇄속도가 향상되는 등의 효과가 있다.

Claims

하부에 공간부가 마련되고 상기 공간부를 덮는 진동판이 상부에 형성된 기판;

상기 기판의 상부에 상기 진동판을 덮은 상태로 구비되어 온도변화에 따라 형상변화되면서 상기 진동판을 진동시키는 박막형상기억합금;

상기 박막형상기억합금의 상부에 구비되어 상기 박막형상기억합금이 냉각될 때 열을 능동적으로 방출하여 냉각속도를 증가시키는 열방출수단;

상기 기판의 상부에 구비되고 상기 박막형상기억합금과 연통되는 액실이 구비되며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 기록액이 상기 액실 내부로 유입되도록 유로가 형성된 유로판; 및

상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금이 형상변화될 때 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 액실면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트를 구비하는 프린트헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 박막형상기억합금은 0.3㎛ ∼ 5㎛의 두께를 갖는 프린트헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 진동판의 두께는 약 5㎛ ∼ 10㎛임을 특징으로 하는 프린트헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 박막형상기억합금은 모상 종료온도 이상으로 가열하여 모상으로 변화되면 잔류인장응력에 의해 상기 진동판과 함께 휨변형되고 이때 기록액이 상기 액실 내부로 보충되며,

마르텐사이트 종료온도 이하로 냉각하여 마르텐사이트로 변화되면 상기 진동판의 탄성에 의해 원상태의 평판으로 변형되며 이때 기록액이 액적의 상태로 노즐를 거쳐 분사됨을 특징으로 하는 프린트헤드.
제 4 항에 있어서, 상기 모상 종료온도는 약 50℃ ∼ 90℃ 이고, 상기 마르텐사이트 종료온도는 약 40℃ ∼ 70℃임을 특징으로 하는 프린트헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 열방출수단은 전압차에 따라 열을 방출하는 초전체막임을 특징으로 하는 프린트헤드.
제 6 항에 있어서, 상기 박막형상기억합금의 상부에 절연층이 형성되고 상기 절연층의 상부에 초전체막이 구비되며 상기 초전체막의 상하측에 상기 초전체막으로 전류를 인가하는 상하부전극이 각각 구비됨을 특징으로 하는 프린트헤드.