KR100627705B1 - 정전기장을 이용한 잉크분사방법과 잉크분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전기장을 이용한 잉크분사방법 및 잉크분사장치에 관한 것으로서,

노즐의 방출구를 향해 전계 방향을 설정함으로써, 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 노즐에 공급하여 잉크 액적을 형성, 분사시키는 방법, 및 노즐방향으로 전극층과 절연층이 적층된 적층부가 설치되어 있는 잉크분사장치에 관한 것이므로,

히터장치나 격막 진동장치 등이 없어도 잉크분사가 용이하게 얻어지고, 또한, 정전기장을 이용하여 잉크분사가 이루어지므로, 잉크에 충격이 적고 인쇄품질이 우수하다는 장점도 있다.

Description

정전기장을 이용한 잉크분사방법과 잉크분사장치 {DROPLET JETTING METHOD AND DEVICE USING ELECTROSTATIC FIELD}

도 1은, 본 발명에 따른 정전기장을 이용한 잉크분사장치의 구조를 나타내는 정단면도이다.

도 2는, 입자에 전하를 띠게 하는 원리를 나타내는 개념도이다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 유면 근방에 걸리는 전계를 나타내는 도면이다.

도 4는, 본 발명에 따라 정전기장이 형성되는 원리를 나타내는 개념도이다.

도 5는, 본 발명에 따라 잉크분사장치의 노즐에 가해지는 전압을 조절하는 원리를 나타내는 개념도이다.

도 6은, 도 1의 노즐 내면의 코팅 및 잉크분사상태를 나타내는 도면으로서, (a)는 전압공급전이고, (b)는 전압 공급후의 도면이다.

도 7은, 본 발명에 따라 잉크분사장치의 노즐에 가해지는 전압을 조절할 때 조절 주기의 최소 허용 시간을 계산 및 추정하는 개념도이다.

도 8은, 본 발명에 따라 잉크 분사를 유도하기 위해 잉크분사장치의 노즐에 가해지는 전압을 조절하는 시간대별 상황도이다.

※ 주요 도면부호의 설명

110... 챔버

200... 프린트 헤드

210... 노즐

220... 전극층

230... 절연층

300... 잉크입자

본 발명은 정전기장을 이용한 잉크분사방법과 잉크분사장치에 관한 것으로서, 특히 노즐 근방의 잉크 유면에 특정한 전계를 발생시켜서 잉크를 분사시키는 잉크분사방법과 잉크분사장치에 관한 것이다.

종래의 잉크젯 프린터 등에 사용되는 잉크분사장치는, 잉크젯 헤드에 설치된 히터장치나 격막 진동장치를 이용하여 잉크를 분사시키는 구조로 되어 있었다.

히터장치를 이용한 잉크젯 프린터의 예를 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 히터부가 설치된 전극에 전류가 흐르면 히터부에 열이 발생되고, 이 열은 차례로 잉크가 습착된 보호층에 전도된다. 전도된 열에 의해 잉크가 가열되면 버블이 형성되고, 이 버블에 의해 상층부의 잉크에 체적변화가 생기므로 노즐 플레이트에 형성된 개구부를 통해 밀려나게 된다.

이에 따라, 팽창되어 노즐 플레이트의 개구 밖으로 배출되는 잉크는 표면장 력에 의해 방울(droplet) 형태로 종이 등에 분사되게 되는 것이다.

그런데, 이와 같은 종래의 잉크분사장치는, 버블 발생을 위한 가열작용 등으로 인해 잉크에 열적 변화가 발생될 수 있고, 내부의 충격적인 체적변호로 인쇄 품질이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 정전기장을 이용한 새로운 개념의 유동제어를 가능하게 함으로써, 인쇄품질을 높일 수 있는 잉크분사방법 및 잉크분사장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 정전기장을 이용한 잉크분사방법은,

노즐의 내부에 존재하는 전극과 방출구 부위에 존재하는 전극 사이에 전압을 인가하여 노즐 방출구 방향으로 일정 크기의 전계를 설정함으로써, 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 상기 노즐에 공급하고 상기 잉크의 유면(meiscus)에 정전기력을 작용시켜서 유면의 변형을 유도하며, 연속적으로 노즐 방출구 방향으로 유면을 끌어당기면서 표면장력을 극복하여 단일 잉크 액적을 형성함으로써 노즐 방출구를 통해 상기 액적을 분사(ejection)시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 노즐을 포함하는 잉크분사장치는,

노즐 방출구 근방에 방출구 방향으로 전극층과 절연층이 적층된 적층부가 설치되어 있으며, 상기 적층된 각각의 전극층은 각각 독립된 전원에 연결되어 전계의 크기와 방향을 조절함으로써 단일 잉크 액적을 형성하고, 분사되는 액적의 속도 및 가속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 적층된 각각의 전극층은 전계의 방향을 조절하기 위해 각각 독립된 전원에 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 노즐 내부에 친수성 물질과 소수성 물질이 연속적으로 구성된 코팅을 통해 액적 형성을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 각 독립된 전원에 인가되는 전압의 시간에 따른 크기를 조절하여, 잉크 액적의 형성 및 분사를 제어하도록 할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 정전기장을 이용한 또 다른 잉크분사방법은, 복수개의 각 노즐내에 서로 독립적인 전계 방향을 설정하여 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 복수개의 각 노즐에 공급함으로써 복수개의 독립적인 잉크 액적을 형성, 분사시키도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 본 실시예에 따른 정전기장을 이용한 잉크분사장치가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 정전기장을 이용한 잉크분사장치는, 잉크(300)를 저장하는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)에 형성된 노즐(210)을 포함하는 프린트 헤드로 구성되어 있다.

그리고, 상기 노즐(210)의 둘레에는 그 연장방향으로 전극층(220)과 절연층(230)이 교대로 적층된 적층부가 설치되어 있다. 상기 전극층(220)의 소재는 알루 미늄(Al), 상기 절연층(230)은 Si₃N₄ 등으로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 전극층(220)은 각각 독립적인 전원(電源)에 연결되어 있어, 소정의 제어신호에 따라 그 크기가 설정될 수 있으며, 노즐(210) 주위의 전계방향을 소정의 값으로 조절할 수 있게 구성되어 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(210)의 내면은 친수성 물질과 소수성 물질이 연속적으로 구성된 코팅(211)이 적용될 수 있다. 상기 친수성 물질로는 SiO₂와 같은 소재가 사용될 수 있고, 소수성 물질로는 테플론(Teflon)이나 실리콘(Silicon) 등이 사용될 수 있다. 이에 따라, 친수성에서 소수성으로 천이될 때의 불안정성을 이용하여 액적 형성이 제어될 수 있다. 이러한 불안정 상태에서 외부의 전계가 메니스커스(meniscus, 잉크 표면의 오목면)에 척력을 작용시킴으로써 액적을 뜯어내게 된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 적층된 각각의 전극층(220)은, 상기 노즐(210)의 방출구를 향해 점차 커지는 전압(電壓)에 각각 연결되어 있다.

이하, 본 발명의 작용 및 원리에 관하여 설명한다.

본 발명을 간략히 기술하면, 챔버 내에 일반 잉크 또는 전하를 포함한 나노 유체를 수용한 상태에서 노즐 주위에 적층된 전극에 각각 다른 전압을 걸어줌으로써 유체를 자연스럽게 방출시키는 것을 특징으로 한다.

특히, 챔버 내의 나노 유체가 전하를 가지는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 마찰전기충전법 또는 접촉충전법에 의해 구성하면 되는데, 이를 간략히 설명하면 다음과 같다.

(1) 마찰전기충전법(triboelectric charging, 도 2(a))

다른 정전기적 성질을 가지는 전기적 중성 절연체들이 접촉을 하게 되면, 열역학적 평형에 도달하기 위해(즉, 화학적 전위차를 줄이기 위해), 전하를 면에서 면으로 전달한다. 이 때, 미끄러짐이나 마찰 등과 같이 표면이 빠르게 분리되면 과잉 전하가 표면에 남게 된다. 입자들은 분말을 분산시킬 때 쓰이는 회전 교반자와의 충돌에 의해 충전된다. 따라서, 액체질소 속에서 마찰 전기 충전을 할 경우 고전단 교반 시스템(high shear agitating system)을 이용해 충전공정과 분말의 분산이 함께 이루어질 수 있다는 장점을 가지고 있다.

(2) 접촉충전법(contact charging, 도 2(b))

고전압 공급기에 연결된 격자 모양의 금속 전극을 통해서 부유물이 뿜어져 나가고, 이 때의 전위차로 인해 전하들이 전극에서 입자들로 전달된다.

연구를 통해, 마찰전기충전법이 접촉충전법에 비해 입자당 더 많은 표면 전하를 충전하는데 효과적이었다.

다음, 도 3과 도 4를 참조하여 노즐에서 실제 잉크가 분사되는 원리를 설명 한다.

노즐부에서 형성되는 전계는 구동 전극의 배치 및 전압의 크기에 따라 달라지며, 유체가 점유하고 있는 위치와 유면의 형태에 따라서도 정전기력의 크기와 방향이 달라지므로 먼저 기본적인 노즐의 전극 배치를 검토하여 적절한 모델을 선정하였다.

본 모델은 하단에 있는 챔버의 바닥을 기준 전위로 하고, 노즐 둘레 부분의 3개 전극을 일정간격으로 적층하여 각 전극의 전압을 조절한 형태이다. 이 때, 전극에 걸리는 전압에 따라 노즐 입구의 중심부분에 전계의 크기와 방향이 결정된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 유체 내에 분포되어 있는 나노입자의 대전 양상이 음극의 형태를 띠고 있다고 가정하면, 노즐 바깥쪽으로 입자의 이송을 유도하기 위해 전계의 방향은 전체적으로 노즐 입구를 기준으로 아래쪽에 위치한 챔버 안쪽으로 형성시켜야 하므로 전극은 상층부로 갈수록 높아져야 한다.

여기서 유체를 움직이게 하는 주요 영역은 유면 아래쪽이며, 유체의 매질 특성에 기인하여 노즐 외부의 공기 영역에 비해 전계의 크기가 작다. 특히 도면에 나타내어지는 유면 바깥쪽에 걸리는 큰 전계는 유체 이동에 큰 역할을 하지 못한다.

도 4에는, 노즐 입구 둘레부분의 전극에 전압을 다양하게 걸었을 경우, 유체에 미치는 전계의 양상이 도시되어 있다.

도 4(a)는, 유체가 챔버의 안쪽으로부터 방출구쪽으로 유동하도록 한 전형적인 전압 조건이며, 특히 노즐 방출구쪽 부분의 전계의 세기가 커지도록 하여 유체 가 보다 큰 힘을 받도록 하였다.

도 4(b)는, 세 전극을 모두 음전압으로 걸어 전계의 방향을 180도 바꾼 경우이다. 여기서, 음전압을 전극의 상층부로 갈수록 작게 하여 방출구 면까지 끌어올려진 유체의 작은 부분을 따로 분리하도록 함으로써 공기 중으로 토출시키도록 하였다.

상기 대표적인 두가지 형태의 전극 운영을 기본제어과정으로 하면, 결국 잉크방울의 형성과 토출이 자연스럽게 유도되게 된다.

한편, 도 5, 도 7, 도 8에는 각 독립된 전원에 인가되는 전압의 시간에 따른 크기를 조절하여 잉크 액적의 형성 및 분사를 제어하는 원리가 도시되어 있다. 이를 이하에 간단히 설명한다.

도 5에는, 본 발명에 따른 전압의 조절을 위해 적용되는 장치들의 개념에 대해 일 예가 도시되어 있다.

전압조절의 기본적인 방법은 컴퓨터의 프로그램에 의한 자동 전압조절이다. 도 4에서 보는 바와 같이 잉크 액적의 이송 및 토출은 순식간에 이루어지는 형태라, 이 토출을 제어하기 위한 장치의 실험 및 개발, 그리고 응용 시스템에 적용하기 위한 상업용 컴퓨터의 이용 및 작은 마이크로 프로세서를 이용한 대량 생산화는 필수 조건이라 하겠다.

먼저, 컴퓨터에서 프로그램으로 전 과정을 형성하고 이를 외부 인터페이스를 통해 각 독립된 전압장치의 전압을 설정한다. 이를 셀렉터(selector)와 버퍼(buffer) 및 데코더(decoder) 등을 통해 디지털적으로 구현한다. 이를 통해, 각 전압장치의 전압치 설정을 바꾼 후, 실제 본 발명에서 제안하는 각 적층된 전극부에 최종적으로 전압을 동시에 인가한다.

전술한 과정이 메인 프로그램의 1개 명령함수 안에서 일괄적으로 수행될 수 있도록 하고, 이러한 명령함수의 선택인자로서 각 독립된 전압의 조절 및 설정시간을 바꿀 수 있도록 한다. 이와 같이 하여, 보다 자유롭고 능동적으로 각 독립된 전원장치들을 조절하도록 한다.

또한, 이에 따른 동작결과를 확인하고, 보다 최적 상태의 설정을 찾아가기 위해, 노즐의 토출동작 상황을 고속으로 촬영하여 그 상태를 컴퓨터에 피드백시키는 장치를 함께 적용한다. 이 때, 개발을 위한 실험시에는 고속 촬영장치를 쓸 수 있으며, 실제 응용장치에 적용할 경우에는 센서를 통하여 구현할 수 있다.

이 때, 본 발명에서 제안한 노즐의 구조에서 가능한 전압조절의 최소 지속 가능 시간을 추정해 볼 필요가 있다. 이를 도 7에 나타내었다.

먼저, 적층구조의 전극들을 기본적인 회로소자의 커패시턴스(capacitance)로 모사(simulation)할 수 있으며, 이를 잘 알려진 커패시턴스 값의 계산식에 따라 구한다. 또한, 노즐의 외부에서부터 전극까지의 도체 구조에 따른 대략적인 레지스턴스(resistance)도 이미 알려진 공식에 따라 구한 다음, 시뮬레이션에서 적용한 전압차의 비에 따른 시정수 값을 구하여, 전압차가 생겼을 때 발생하는 전압 상승 또는 하강 지연시간을 구한다.

결과에 따르면, 지연시간이 대략 0.285 (microsec)로, 전압설정 유지시간이 이보다 충분히 크다면 전압 조절에 큰 영향을 주지 않음을 예측할 수 있다.

또한, 전압 조절 주파수를 추정해 보면 약 3.5MHz 이하이며, 이는 실제 잉크 액의 유동 양태와 비교해 볼 때 충분히 큰 주파수로 보인다.

도 8은, 도 5와 도 7에서 예시한 이론적 및 프로그래밍적 구현에 따라 도 4에서 이루고자 하는 전계의 방향 및 크기를 다양하게 바꾸기 위한 독립 전원장치에 설정되는 전압을 여러 단계에 걸쳐 바꾸는 예를 도시한 것이다.

본 발명에서 제시하는 잉크 노즐의 적층전극은 3개 층이며, 이 3개의 전극을 기본으로 전압파형을 각 스텝(step)마다 설정한다. Step1은 입구까지의 유면 이송을 얻어 내고, Step2는 작은 액적으로 분리하도록 하며, Step3 및 Step4는 순간적인 토출 및 변동된 유면을 복원하기 위한 설정이 이루어져, 다시 Step1으로 돌아간다.

이들 각 단계에 따라 노즐 입구 중심부에 걸리는 정전기력 분포가 변화됨을 도 8(b)에 나타내었다.

한편, 본 발명에 따라 어레이(Array)방식의 잉크분사방법도 가능하다. 예컨대, 복수개의 각 노즐내에 서로 독립적인 전계 방향을 설정하여 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 복수개의 각 노즐에 공급함으로써 복수개의 독립적인 잉크 액적을 형성, 분사시킬 수도 있다.

상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 히터장치나 격막 진동장치 등이 없어도 잉크분사가 용이하게 얻어진다는 이점이 있다.

또한, 정전기장을 이용하여 잉크분사가 이루어지므로 잉크에 충격이 적고 인쇄품질이 우수하다는 장점도 있다.

Claims (6)

1. 노즐의 내부에 존재하는 전극과 방출구 부위에 존재하는 전극 사이에 전압을 인가하여 노즐 방출구 방향으로 일정 크기의 전계를 설정함으로써, 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 상기 노즐에 공급하고 상기 잉크의 유면(meiscus)에 정전기력을 작용시켜서 유면의 변형을 유도하며, 연속적으로 노즐 방출구 방향으로 유면을 끌어당기면서 표면장력을 극복하여 단일 잉크 액적을 형성함으로써 노즐 방출구를 통해 상기 액적을 분사(ejection)시키는 것을 특징으로 하는 정전기장을 이용한 잉크분사방법.
2. 단일 잉크 액적을 형성하여 분사하는 노즐을 포함하는 정전기장 잉크분사장치에 있어서,

   노즐 방출구 근방에 방출구 방향으로 전극층과 절연층이 적층된 적층부가 설치되어 있으며, 상기 적층된 각각의 전극층은 각각 독립된 전원에 연결되어 전계의 크기와 방향을 조절함으로써 단일 잉크 액적을 형성하고, 분사되는 액적의 속도 및 가속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전기장을 이용한 잉크분사장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,

   각 독립된 전원에 인가되는 전압의 시간에 따른 크기를 조절하여, 잉크 액적의 형성 및 분사를 제어하는 잉크분사 장치.
6. 복수개의 각 노즐내에 제1항의 방법에 따라 서로 독립적인 전계 방향을 설정하여 잉크 또는 입자가 포함된 잉크를 복수개의 각 노즐에 공급함으로써 복수개의 독립적인 잉크 액적을 형성, 분사시키는 것을 특징으로 하는 어레이(Array)방식의 잉크분사방법.

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