KR100446633B1 - 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

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KR100446633B1
KR100446633B1 KR10-2002-0062117A KR20020062117A KR100446633B1 KR 100446633 B1 KR100446633 B1 KR 100446633B1 KR 20020062117 A KR20020062117 A KR 20020062117A KR 100446633 B1 KR100446633 B1 KR 100446633B1
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김민수
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Abstract

잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버, 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드 및 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 복수의 잉크 채널이 형성된 기판; 및 기판 상에 마련되어 잉크 챔버의 상부벽을 이루며, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출되는 노즐이 형성되고, 히터 및 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 포함하는 노즐 플레이트;를 구비하며, 상기 잉크 채널 중 적어도 하나의 형상은 길이 방향을 따라 단면적이 변하는 형상인 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 잉크 챔버 내의 잉크의 흐름이 증가함으로써 토출 성능 및 구동 주파수를 향상시킬 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드{Ink jet printhead}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크 채널의구조를 개선함으로써 토출 성능 및 구동 주파수를 향상시킨 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.
열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.
여기에서, 버블의 성장방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 상기 열구동 방식은 다시 탑-슈팅(top-shooting), 사이드-슈팅(side-shooting), 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류될 수 있다. 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이며, 그리고 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 토출 방식을 말한다.
이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)을 억제하여야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필(refill)되는 주기가 가능한 한 짧아야 하며, 가열된 잉크의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.
도 1은 종래의 열구동 방식 잉크젯 프린트헤드의 일 예로서, 미국특허 제 5,751,317호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 잉크 유입구(16)와 히터(20) 사이 및 히터(20)와 노즐(12) 사이에 테이퍼 형상의 잉크 유로(40,44)를 구비한다. 이와 같은 구조에서, 버블이 발생하게 되면, 잉크 유입구(16) 쪽으로 향하는 잉크의 유동 저항은 노즐(12) 쪽으로 향하는 잉크의 유동 저항보다 커지게 된다. 따라서, 토출되는 잉크 액적의 운동에너지 및 잉크의 리필 속도가 증가하게 된다.
도 2는 종래의 열구동 방식 잉크젯 프린트헤드의 다른 예로서, 미국 특허 제 6,341,849호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 잉크 유입구(5)와 히터(3) 사이에 테이퍼 형상의 유로(4)를 구비한다. 도면에서 참조 부호 2는 노즐을 나타낸다. 이와 같은 구조에서, 버블이 발생하게 되면 잉크 유입구(5) 쪽으로 향하는 잉크의 유동은 억제되고, 잉크의 리필 속도는 증가하게 된다.
이상과 같이, 상기한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 유입구 쪽으로 향하는 잉크의 유동을 억제함으로써 잉크의 토출 성능을 향상시킬 수는 있다. 그러나, 전술한 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크 챔버 내의 잉크의 흐름이 원활하지 못하므로 히터 등의 냉각 속도가 느려지게 된다. 따라서, 구동 주파수를 높일 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 잉크 채널의 구조를 개선함으로써 토출 성능 및 구동주파수를 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일 예를 도시한 단면도.
도 2는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 다른 예를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 평면 구조를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도.
도 5은 본 발명에 따른 다른 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도.
도 6a 내지 도 6d는 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 잉크가 토출되는 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 7a 내지 도 7d는 도 5에 도시된 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 잉크가 토출되는 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 8은 종래의 잉크젯 프린트헤드에서, 시간에 따른 잉크 채널에서의 잉크 출입량 변화를 나타낸 그래프.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에서, 시간에 따른 잉크 채널에서의 잉크 출입량 변화를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 120... 노즐 플레이트
121... 제1 보호층 122... 제2 보호층
124... 열전도층 126... 제3 보호층
127... 시드층 128... 열발산층
132,232... 잉크 챔버 134,234... 잉크 채널
134a,234a... 제1 채널 134b,234b... 제2 채널
136,236... 매니폴드 138... 노즐
142... 히터 144... 전극
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드 및 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 복수의 잉크 채널이 형성된 기판; 및
상기 기판 상에 마련되어 상기 잉크 챔버의 상부벽을 이루며, 상기 잉크 챔버로부터 잉크가 토출되는 노즐이 형성되고, 히터 및 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 포함하는 노즐 플레이트;를 구비하며,
상기 잉크 채널 중 적어도 하나의 형상은 길이 방향을 따라 단면적이 변하는 형상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.
여기서, 상기 잉크 챔버 및 상기 매니폴드는 상기 기판의 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 채널은 상기 기판의 표면에 나란하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 잉크 챔버는 기판의 표면쪽에 형성되고, 상기 매니폴드는 기판의 배면쪽에 형성되며, 상기 잉크 채널은 상기 기판의 표면에 수직하게 형성될 수도 있다.
상기 잉크 채널은 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 감소하는 제1 채널과, 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 증가하는 제2 채널을 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 잉크젯 프린트헤드에 따르면, 잉크 채널의 구조가 개선됨으로써 토출 성능 및 구동주파수를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 평면 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 표시된 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판(110)의 표면에는 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(132) 및 잉크 챔버(132)로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(136)가 각각 소정 깊이로 형성된다. 여기에서, 상기 기판(110)으로는 집적회로의 제조에 널리 쓰이는 실리콘 기판이 사용된다. 도면에서는 잉크 챔버(132)가 대략 반구형의 형상을 가지고 있으나, 가공 형태에 따라서 그 이외의 형상으로도 형성될 수 있다.
한편, 잉크 챔버(132)와 매니폴드(136) 사이에는 이들을 서로 연결하는 잉크 채널(134)이 기판(110)의 표면에 나란하게 형성된다. 여기서, 상기 잉크 채널(134)은 제1 및 제2 채널(134a,134b)로 구성된다. 제1 채널(134a)은 잉크 챔버(132)쪽으로 가면서 단면적이 감소하는 테이퍼 형상을 가지며, 제2 채널(134b)은 잉크 챔버(132)쪽으로 가면서 단면적이 증가하는 테이퍼 형상을 가진다. 이때, 테이퍼의 경사각(θ)은 50-70°인 것이 바람직하며, 상기 잉크 채널(134)내에서 유동하는 잉크의 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 대략 100 정도인 것이 바람직하다. 한편, 상기 잉크 채널(134)은 잉크 챔버(132)와 매니폴드(136) 사이에 3개 이상으로 형성될 수도 있으며, 그 단면의 형상은 삼각형, 사각형, 원형 등 다양한 형상이 될 수 있다.
한편, 도면에서는 잉크젯 프린트헤드의 단위 구조만 도시되어 있지만, 칩 상태로 제조되는 잉크젯 프린트헤드에서는 다수의 잉크 챔버(132)가 기판(110) 상에 일렬 또는 2열로 배치되며, 해상도를 더욱 높이기 위하여 3열 이상으로도 배치될 수 있다.
잉크 챔버(132), 잉크 채널(134) 및 매니폴드(136)가 형성된 기판(110)의 상부에는 노즐 플레이트(120)가 마련된다. 상기 노즐 플레이트(120)는 잉크 챔버(132), 잉크 채널(134) 및 매니폴드(136)의 상부벽을 이루며, 잉크 챔버(132)의 중심에 대응하는 위치에는 잉크 챔버(132)로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(138)이 수직으로 관통되어 형성된다. 상기 노즐(138)은 도면에서는 직경이 일정한 원통 형상으로 형성되어 있지만, 잉크의 토출 방향으로 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로도 형성될 수 있다.
노즐 플레이트(120)는 기판(110) 상에 적층된 다수의 물질층으로 이루어진다. 이 물질층은 제1 및 제2 보호층(121,122)과, 열전도층(124)과, 제3 보호층(126)과, 금속으로 이루어진 열발산층(128)을 포함한다. 그리고, 제1 보호층(121)과 제2 보호층(122) 사이에는 히터(142)가 마련되며, 제2 보호층(122)과 제3 보호층(126) 사이에는 전극(144)이 마련된다.
제1 보호층(passivation layer,121)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 다수의물질층 중 가장 아래쪽의 물질층으로서 기판(110)의 상면에 형성된다. 상기 제1 보호층(121)은 그 위에 형성되는 히터(142)와 그 아래의 기판(110) 사이의 절연과 히터(142)의 보호를 위한 물질층으로서 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
제1 보호층(121) 위에는 잉크 챔버(132)의 상부에 위치하여 잉크 챔버(132) 내부의 잉크를 가열하는 히터(142)가 노즐(138)을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 이 히터(142)는 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄 합금 또는 탄탈륨 질화물과 같은 저항 발열체로 이루어진다.
제2 보호층(122)은 제1 보호층(121)과 히터(142) 위에 마련된다. 상기 제2 보호층(122)은 그 위에 마련되는 열전도층(124)과 그 아래의 히터(142) 사이의 절연과 히터(142)의 보호를 위해 마련된다. 상기 제2 보호층(122)도 제1 보호층(121)과 마찬가지로 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
제2 보호층(122) 위에는 히터(142)와 전기적으로 연결되어 히터(142)에 펄스 형태의 전류를 인가하는 전극(144)이 마련된다. 상기 전극(144)의 일단부는 제2 보호층(122)에 형성된 제1 컨택홀(C1)을 통해 히터(142)에 접속되며, 그 타단부는 도시되지 않은 본딩 패드에 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 전극(144)은 도전성이 양호한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
열전도층(124)은 상기 제2 보호층(122) 위에 마련된다. 상기 열전도층(124)은 히터(142)와 히터(142) 주변의 열을 기판(110)과 열발산층(128)으로 전달시키는 기능을 하는 것으로, 가능한 한 잉크 챔버(132)와 히터(142)를 모두 덮을 수 있도록 넓게 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 열전도층(124)과 전극(144) 사이의 절연을 위해 열전도층(124)은 전극(144)으로부터 소정 간격을 두고 형성되어야 한다. 한편, 열전도층(124)과 히터(142) 사이의 절연은 상기한 바와 같이 그들 사이에 개재된 제2 보호층(122)에 의해 이루어질 수 있다. 그리고, 열전도층(124)은 제1 보호층(121)과 제2 보호층(122)을 관통하여 형성된 제2 컨택홀(C2)을 통해 기판(110)의 상면에 접촉된다.
열전도층(124)은 열전도성이 양호한 금속으로 이루어진다. 열전도층(124)이 전극(144)과 함께 제2 보호층(122) 위에 형성되는 경우에는, 열전도층(124)은 전극(144)과 같은 금속 물질, 즉 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 열전도층(124)을 전극(144)의 두께보다 두껍게 형성하고자 하거나, 전극(144)과는 다른 금속 물질로 형성하고자 하는 경우에는, 전극(144)과 열전도층(124) 사이에 도시되지 않은 절연층이 마련될 수 있다.
제3 보호층(126)은 전극(144)과 제2 보호층(122) 위에 마련된다. 상기 제3 보호층(126)은 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 산화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
열발산층(128)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 다수의 물질층 중에서 최상부의 물질층이다. 상기 열발산층(128)은 열전도성이 양호한 금속 물질, 예컨대 니켈 또는 크롬과 같은 금속으로 이루어진다. 열발산층(128)은 제3 보호층(126)과 열전도층(124) 위에 상기한 금속 물질을 전기도금함으로써 10-50㎛ 정도의 비교적 두꺼운 두께로 형성된다. 이를 위해, 제3 보호층(126)과 열전도층(124) 위에는 상기한 금속 물질의 전기도금을 위한 시드층(seed layer,127)이 마련된다. 상기 시드층(127)은 니켈, 크롬 또는 구리 등의 전기 전도성이 양호한 금속으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 금속으로 이루어진 열발산층(128)은 도금 공정에 의하여 형성되므로, 잉크젯 프린트헤드의 다른 구성요소들과 일체로 형성될 수 있으며, 또한 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로 효과적인 방열이 이루어질 수 있다. 이러한 열발산층(128)은 히터(142) 및 그 주변의 열을 외부로 발산하는 기능을 한다. 즉, 잉크가 토출된 후에 히터(142) 및 그 주변에 잔류하는 열은 열전도층(124)을 통해 기판(110) 및 열발산층(128)으로 전달되어 외부로 발산된다. 따라서, 잉크가 토출된 후에 보다 빠른 방열이 이루어지고 노즐(138) 주위의 온도가 낮아지게 되므로, 높은 구동주파수로 안정적인 인쇄가 가능하게 된다. 또한, 상기 열발산층(128)은 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로, 노즐(138)의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있게 된다. 따라서, 안정적인 고속 인쇄가 가능하게 되고, 노즐(138)을 통해 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상된다. 즉, 토출되는 잉크 액적이 기판(110)에 대해 정확히 수직한 방향으로 토출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 기판(110)에는 그 표면쪽에 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(232)가 대략 반구형의 형상으로 형성되고, 그 배면쪽에 잉크 챔버(232)로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(236)가 형성된다.
한편, 잉크 챔버(232)와 매니폴드(236) 사이에는 이들을 서로 연결하는 잉크 채널(234)이 형성되는데, 이러한 잉크 채널(234)은 도 4에 도시된 바와는 달리, 기판(110)의 표면에 수직하게 형성되어 잉크 챔버(232)와 매니폴드(236)를 연결한다. 상기 잉크 채널(234)은 매니폴드(236)로부터 잉크 챔버(232)쪽으로 가면서 단면적이 감소하는 제1 채널(234a)과 매니폴드(236)로부터 잉크 챔버(232)로 가면서 단면적이 증가하는 제2 채널(234b)로 구성된다. 여기서, 상기 잉크 채널(234)의 개수 및 그 단면의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
잉크 챔버(232), 잉크 채널(234) 및 매니폴드(236)가 형성된 기판(110)의 상부에는 전술한 바와 같이 다수의 물질층으로 이루어진 노즐 플레이트(120)가 마련되어, 잉크 챔버(232)의 상부벽을 이룬다.
다음으로, 이상과 같은 구조를 가지는 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 잉크가 잉크 챔버(232)로부터 토출되는 과정을 설명하기로 한다. 도 6a 내지 도 6d는 도 4에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드에 있어서 잉크의 토출 과정을 보여주는 도면들이고, 도 7a 내지 도 7d는 도 5에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드에 있어서 잉크의 토출 과정을 보여주는 위한 도면들이다.
도면들을 참조하면, 먼저, 매니폴드(136,236)로부터 잉크 채널(134,234)을 통해 공급된 잉크가 잉크 챔버(132,232)에 채워진 상태에서, 칩에 내장된 회로(미도시)로부터 히터(142)에 펄스 형태의 전류 신호가 인가되면, 히터(142)에서 열이 발생하게 되며, 이렇게 발생된 열은 히터(142) 및 그 주변부, 그리고 히터(142) 아래에 있는 잉크 챔버(132,232) 내의 잉크를 가열한다.(도 6a, 도 7a)
다음으로, 히터(142) 아래에 있는 잉크의 온도가 대략 300℃ 이상이 되면, 잉크가 비등하는 현상이 발생하면서 버블(B)이 형성된다. 이 버블(B)은 고압의 기체 상태이므로 주변의 액상의 잉크를 밀어내며 팽창한다. 이러한 팽창력에 의해서 잉크가 잉크 챔버(132,232)로부터 노즐(138)을 통하여 토출된다. 이 과정에서 인가된 전기신호는 제거된다. 한편, 버블(B)의 팽창력은 잉크 챔버(132,232) 내의 잉크를 잉크 채널(134,234)쪽으로 밀어내는 역 유동 현상을 발생시킨다. 이때, 잉크 챔버(132,232) 내의 잉크는 제1 채널(134a,234a) 보다는 제2 채널(134b,234b)쪽으로 더 많이 빠져나가게 된다. 왜냐하면 잉크 챔버(132,232)와 연결되는 부분에서는 제2 채널(134b,234b)의 단면적이 제1 채널(134a,234a)의 단면적보다 크므로, 잉크의 유동 저항은 제2 채널(134b,234b)쪽이 제1 채널쪽 보다 작아지기 때문이다.(도 6b,도 7b)
다음으로, 버블(B)이 최대로 팽창한 후, 팽창력을 잃은 버블(B)은 수축하여 소멸된다. 이 과정에서는 잉크 챔버(132,232)의 외부로부터 잉크 챔버(132,232)로 압력이 작용하게 된다. 이에 따라 잉크 챔버(132,232) 내의 잉크는 노즐(138)로부터 분리되어 외부로 토출되며, 잉크 액적이 분리된 후에는 잉크 챔버(132,232) 내에 있는 잉크의 매니스커스(meniscus)는 잉크 챔버(132,232)쪽으로 후퇴하게 된다. 한편, 버블(B)의 소멸로 인하여 잉크가 매니폴드(136,236)로부터 잉크 채널(134,234)을 통하여 잉크 챔버(132,232)로 유입되는데, 이 과정에서는 제2 채널(134b,234b)보다 유동 저항이 적은 제1 채널(134a,234a)을 통하여 더 많은 양의 차가운 잉크가 잉크 챔버(132,232)로 들어오게 된다. 또한, 이 과정에서는 버블(B)의 형성을 위해 가열된 히터(138) 및 그 주변부로부터 열이 열전달 통로를 통해 기판(110)으로 발산되는 방열과정이 진행된다.(도 6c,도 7c)
마지막으로, 노즐(138)에 형성되어 있는 잉크의 매니스커스에 작용하는 표면장력에 의해 잉크가 매니폴드(136,236)로부터 잉크 채널(134,234)을 통하여 잉크 챔버(132,232)로 재충전된다. 한편, 이 과정에서도 제2 채널(134b,234b)보다 유동 저항이 적은 제1 채널(134a,234a)을 통하여 더 많은 양의 차가운 잉크가 잉크 챔버(132,232)로 들어오게 되며, 열전달 통로를 통한 방열과정이 이루어진다. 잉크의 재충전이 완료되면 본 과정의 초기 상태로 복원되고, 전기 신호가 다시 인가되면 전술한 과정이 반복된다.(도 6d,도 7d)
이상에서 설명한 바와 같이, 버블(B)의 팽창 과정에서는 잉크 챔버(132,232)로부터 제1 채널(134a,234a)보다 제2 채널(134b,234b)로 더 많은 양의 잉크가 빠져나가게 되고, 버블(B)의 수축 및 잉크의 재충전 과정에서는 차가운 잉크가 매니폴드(136,236)로부터 제2 채널(134b,234b)보다 제1 채널(134a,234a)을 통하여 잉크 챔버(132,232)로 더 많이 유입된다. 따라서, 이러한 과정이 대략 10-20kHz의 주파수로 계속하여 반복되면 잉크가 제1 채널(134a,234a)로 들어와서 제2 채널(134b,234b)로 나가게 되는 펌핑 효과가 나타나게 되고, 그 결과 잉크 챔버(132,232) 내에서의 잉크 유동이 증대된다.
도 8은 잉크 채널이 하나인 종래 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 10kHz의 토출 과정을 3사이클(300㎲)동안 수행했을 때, 시간(s)에 따른 잉크 채널에서의 잉크 출입량(㎥)의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 잉크 채널은 직경이 28㎛, 길이가30㎛인 원통형의 잉크 채널이 사용되었다. 도면에서 양의 잉크 출입량은 잉크 챔버로부터 잉크 채널로 빠져나온 잉크의 체적을 나타내며, 음의 잉크 출입량은 매니폴드로부터 잉크 채널을 통해 잉크 챔버로 유입된 잉크의 체적을 나타낸다. 한편, 1×10-14㎥의 체적은 10 pℓ(pico-liter)에 해당한다.
도 8을 참조하면, 초기에는 버블의 팽창으로 인하여 대략 10pℓ정도의 잉크가 잉크 챔버로부터 잉크 채널로 빠져 나오나, 버블의 수축으로 인하여 대략 18pℓ정도의 잉크가 매니폴드로부터 잉크 챔버로 들어간다. 50㎲의 시간이 경과하여 잉크의 재충전이 끝나게 되면, 잉크 챔버 내로 들어가는 잉크의 양은 더 이상 증가하지 않는다. 100㎲ 이후에 다시 전기 신호가 인가되면, 잉크 채널에서는 전술한 과정과 동일한 과정이 반복된다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 특성을 보여주는 그래프로서, 제1 및 제2 채널로 구성된 잉크 채널을 구비한 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 10kHz의 토출 과정을 3사이클(300㎲)동안 수행했을 때 시간(s)에 따른 잉크 채널에서의 잉크 출입량(㎥)의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서,제1 채널의 형상은 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 감소하는 테이퍼 형상이며, 제2 채널의 형상은 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 증가하는 테이퍼 형상이다. 도 9a 및 도 9b는 각각 제2 및 제1 채널에서의 잉크 출입량의 변화를 나타내며, 도 9c 및 도 9d는 각각 상기한 잉크 출입량의 합과 차를 나타낸다.
이 실험에서, 평균직경이 15㎛, 길이가 30㎛, 테이퍼 경사각이 70°인 두 개의 잉크 채널을 사용하였으며, 각 채널에서의 유동 저항의 비를 1.4로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 9a 및 도 9b를 비교하면, 버블의 생성 및 소멸과정이 진행함에 따라 각 잉크 채널을 통하여 잉크가 유출입하는 시기는 일치하고 있으나, 그 출입량의 크기는 서로 차이가 있다. 여기서, 제1 및 제2 잉크 채널에서의 잉크의 출입량을 합한 값이 실제로 잉크 채널을 통하여 잉크 챔버로 들어가고 나온 잉크의 양으로서, 그 결과가 도 9c에 도시되어 있다. 한편, 길이방향을 따라 단면적이 변하는 잉크 채널의 구조로 인하여 제1 채널로부터 제2 채널로 이동하는 잉크의 순 유동량이 존재한다. 그 결과가 도 9d에 도시되어 있는 바, 도 9d를 참조하면 사이클당 약 5pℓ 정도의 잉크가 제1 채널로부터 제2 채널로 이동함을 알 수 있다. 이렇게 이동하는 잉크의 양은 잉크 채널의 형상과 테이퍼 경사각을 조절함으로써 증가할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 길이 방향을 따라 단면적이 변하는 복수의 잉크 채널을 구비함으로써 매니폴드에 있는 차가운 잉크가 잉크 챔버로 유입되는 양 및 유입 속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 잉크의 리필 시간을 줄이고 프린트헤드의 냉각능력을 향상시켜, 고속의 인쇄시에도 과열에 의한 인쇄 오류 및 히터 파손 등의 문제를 방지할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 유동 저항을 조절할 수 있도록 잉크 채널의 형상 및 그 위치를 다양하게 할 수 있으며, 그 결과 토출 성능 및 구동 주파수를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드 및 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 복수의 잉크 채널이 형성된 기판; 및
    상기 기판 상에 마련되어 상기 잉크 챔버의 상부벽을 이루며, 상기 잉크 챔버로부터 잉크가 토출되는 노즐이 형성되고, 히터 및 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 포함하는 노즐 플레이트;를 구비하며,
    상기 잉크 채널 중 적어도 하나의 형상은 길이 방향을 따라 단면적이 변하는 형상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버 및 상기 매니폴드는 상기 기판의 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 채널은 상기 기판의 표면에 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버는 기판의 표면쪽에 형성되고, 상기 매니폴드는 기판의 배면쪽에 형성되며, 상기 잉크 채널은 상기 기판의 표면에 수직하게 형성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 감소하는 제1 채널과, 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 단면적이 증가하는 제2 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
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