KR100743989B1 - 이중 잉크 방울 크기의 프린트 헤드 - Google Patents

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렉스마크 인터내셔널, 인코포레이티드
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Abstract

잉크젯 프린트 헤드는 제 1 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐(10)과, 제 2 질량을 갖는 제 2 잉크 방울을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐(12)을 구비한다. 제 1 직경은 제 2 직경보다 더 크며, 제 1 질량은 제 2 질량보다 더 크다. 제 1 및 제 2 히터-스위치 조(first and second heater-switch pairs)가 프린트 헤드의 기판 상에 병렬로 연결된다. 제 1 히터-스위치 조는 상응하는 제 1 노즐에 인접한 제 1 히터를 포함하며, 제 2 히터-스위치 조는 상응하는 제 2 노즐에 인접한 제 2 히터를 포함한다. 제 1 및 제 2 히터(14와 16)는 기판(4) 상에서 제 1 및 제 2 히터 면적을 차지하는 전기 저항성 물질로 구성된다.

Description

이중 잉크 방울 크기의 프린트 헤드{DUAL DROPLET SIZE PRINTHEAD}
본 발명은 전체적으로 복수의 크기를 갖는 잉크 방울을 프린트하기 위한 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 복수의 크기를 갖는 잉크 방울을 프린트하기 위해 복수의 크기의 스위칭 트랜지스터와 가열 소자(heating element)를 구비한 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것이다.
고품질 프린트 출력과 적절한 가격으로 인해, 현재 잉크젯 프린터 시장은 팽창하고 있다. 잉크젯 프린터에 대한 시장의 욕구가 증대됨에 따라, 향상된 이미지 품질에 대한 기대 역시 증대되고 있다. 잉크젯 프린터 설계의 한 가지 목표는 예컨대 사진과 같이, 연속적인 색조의 이미지(continuous tone image)의 품질에 근접하는 이미지 품질을 달성하는 것이다. 사진에 준하는 품질의 이미지를 달성하기 위한 한 가지 방법은 잉크젯 프린터가 생성할 수 있는 크레이-스케일 레벨(gray-scale level)의 수를 증대시키는 것이다.
잉크젯 프린터는 프린트 헤드의 노즐로부터 잉크 방울을 분사함으로써 용지 상에 이미지를 형성한다. 프린트 헤드의 가열 소자는 잉크를 가열하여, 잉크를 노즐로부터 가압하는 버블(bubble)을 생성한다. 복수의 크기의 잉크 방울들의 조합을 이용하여 픽셀을 프린트함으로써, 잉크젯 프린터에 의해 생성될 수 있는 그레이-스 케일 레벨의 수가 증대될 수 있다.
복수의 크기의 잉크 방울들을 생성하기 위한 한 가지 방법은 복수의 크기의 노즐로부터 잉크 방울들을 분사하는 것이다. 하지만, 상응하는 히터 저항체(heater resistor)의 크기의 조정없이 복수의 노즐 크기를 이용하는 것은 에너지 효율적이지 못하다. 노즐로부터 분사되는 잉크 방울들의 크기에 대한 가열 소자의 크기를 조정함으로써, 보다 에너지 효율적인 방법으로 복수의 크기의 잉크 방울들이 달성될 수 있다.
하지만, 잉크젯 프린트 헤드에서 가열 소자의 크기를 변경시키는 것은 잉크에 전달되는 에너지에 바람직하지 않은 변화를 초래할 수 있다. 이러한 에너지의 변화는 프린트된 이미지의 전체적인 품질을 떨어뜨린다.
그래서, 잉크에 전달되는 에너지의 양에 바람직하지 않은 변화를 야기시키지 않으면서 복수의 크기의 잉크 방울들을 프린트할 수 있는 잉크젯 프린트 헤드가 요구된다.
전술한 요구 및 다른 요구들은 잉크 방울들을 프린트 매체 쪽으로 분사하기 위한 복수의 노즐을 구비한 잉크젯 프린트 헤드에 의해서 충족된다. 복수의 노즐은 제 1 질량을 갖는 잉크 방울들을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐(first nozzles)과, 제 2 질량을 갖는 잉크 방울들을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐(second nozzles)을 포함한다. 제 1 직경은 제 2 직경보다 더 크며, 제 1 질량은 제 2 질량보다 더 크다. 프린트 헤드는 이러한 복수의 노즐을 포함하는 노즐 플레이트와, 노즐 플레이트에 인접하게 배치된 기판(substrate)을 포함한다.
제 1 히터(first heaters)는 제 1 노즐에 인접하게 기판 상에 위치되며, 제 1 히터 각각은 상응하는 제 1 노즐과 결부되어 있다. 각각의 제 1 히터는 기판 상의 제 1 히터 영역(first heater area)을 차지하는 전기 저항성 물질로 이루어지며 제 1 히터 전기 저항을 갖는다. 제 1 전류가 전기 저항성 물질을 통해서 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라, 제 1 히터 각각은 열을 발생시킨다. 제 1 스위칭 디바이스(switching device)도 제 1 히터에 인접하게 기판 상에 배치된다. 각각의 제 1 스위칭 디바이스는 제 1 스위치 전기 저항을 가지며, 상응하는 제 1 히터와 직렬로 연결되어 있다.
제 2 히터(second heaters)는 제 2 노즐에 인접하게 기판 상에 위치되며, 제 2 히터 각각은 상응하는 제 2 노즐과 결부되어 있다. 각각의 제 2 히터는 기판 상의 제 2 히터 영역을 차지하는 전기 저항성 물질로 이루어지며 제 2 히터 전기 저항을 갖는다. 제 2 전류가 전기 저항성 물질을 통해서 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라, 제 2 히터 각각은 열을 발생시킨다. 제 2 스위칭 디바이스는 제 2 히터에 인접하게 기판 상에 배치되며, 제 2 히터와 직렬로 전기적으로 연결되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 히터 전기 저항은 제 2 히터 전기 저항보다 더 작으며, 제 1 스위치 전기 저항은 제 2 스위치 전기 저항보다 더 작다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 각각의 제 1 스위칭 디바이스에 걸리는 전압 강하는 각각의 제 2 스위칭 디바이스에 걸리는 전압 강하와 실질적으로 등 가를 갖는다. 본 발명의 이러한 특징은 잉크에 전달되는 에너지의 양의 노즐과 노즐 사이에서의 바람직하지 않은 변화를 감소시킨다. 노즐로부터 잉크를 방출하기 위해서 전달되는 에너지의 노즐과 노즐 사이에서의 변화를 감소시킴으로써, 본 발명은 프린트 품질을 상당히 향상시킨다.
제 1 히터 각각은 제 1 방향의 제 1 히터 길이와 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향의 제 1 히터 폭에 의해서 한정되는, 기판 상의 제 1 히터 영역을 차지한다. 제 2 히터 각각은 제 1 방향의 제 2 히터 길이와 제 2 방향의 제 2 히터 폭에 의해서 한정되는, 기판 상의 제 2 히터 영역을 차지한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 2 히터 폭은 제 1 히터 폭보다 더 작으며, 제 2 히터 길이는 제 1 히터 길이보다 더 길고, 제 2 히터 영역은 제 1 히터 영역보다 더 작다. 히터 영역은, 결부된 노즐로부터 잉크를 방출하기 위한 히터에 의해 발생되는 열 에너지에 비례하기 때문에, 본 발명은 히터 영역을 노즐 직경과 연관시킴으로써 잉크에 대한 보다 효율적인 열 에너지 전달을 제공한다.
도면과 연계하여 고찰할 때 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조함으로써, 본 발명의 다른 이점이 자명하게 드러날 것이며, 이러한 도면들은 축척에 맞게 그려지지는 않았으며, 유사한 참조 부호는 이하의 몇 개의 도면 전체를 통해 유사하거나 또는 비슷한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 프린트 헤드의 노즐 플레이트의 노즐 어레이(array of nozzles)를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 프린트 헤드의 기판 상의 히터와 스위칭 디바이스의 배열을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 노즐 플레이트와 기판 구조를 도시하는 횡단면도.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 히터에 선택적으로 전류를 인가하기 위한 스위칭 회로의 개략적인 다이어그램.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 스위칭 회로에 의해 부가되는 저항의 개략적인 다이어그램.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 프린트 헤드 기판 상의 인접한 제 1 및 제 2 MOSFET 스위칭 디바이스의 구조를 도시하는 도면.
도 7은 두 개의 디바이스 라인 폭에 대한 디바이스 저항 대(versus) 디바이스 길이를 보여주는 1차 MOSFET 디바이스 시뮬레이션에 기초한 그래프.
도 8a와 8b는 본 발명의 대안적인 실시예를 보여주는 개략적인 다이어그램.
도 9는 히터 배선 형태(wiring geometry)의 예시적인 부분의 대안적인 실시예를 도시하는 도면.
도 1에는 좌측 칼럼(6)과 우측 칼럼(8)으로 배열된 노즐 어레이를 갖는 노즐 플레이트(2)를 구비한 잉크젯 프린트 헤드(1)가 도시되어 있다. 도 2는 노즐 플레 이트(2)에 있는 노즐 어레이의 확대도를 도시한다. 노즐 어레이는 제 1 노즐(first nozzles)(10)과 제 2 노즐(second nozzles)(12)을 포함하며, 칼럼(6과 8) 각각에서 제 1 노즐(10)의 위치는 제 2 노즐(12)의 위치와 교호(交互)를 이룬다. 좌측 칼럼(6)에 있는 각각의 제 1 노즐(10)은 우측 칼럼(8)에 있는 각각의 제 2 노즐(12)과 수평적인 일렬 정렬 상태를 이루며, 우측 칼럼(8)에 있는 각각의 제 1 노즐(10)은 좌측 칼럼(6)에 있는 제 2 노즐(12)과 수평적인 일렬 정렬 상태를 이룬다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각 칼럼 내에서 이웃하는 노즐 사이의 수직 간격은 1/600 인치(약 42.3㎛)이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 노즐(10)은 제 2 노즐(12)의 직경(D2)보다 더 큰 직경(D1)을 갖는다. 이하에서는, 제 1 노즐(10)과 제 2 노즐(12)은 또한 대형 노즐(10)과 소형 노즐(12)이라고 지칭되기도 한다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 직경(D1과 D2)은 노즐로부터 분사되는 잉크 방울의 질량을 기초로 하여 결정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 대형 노즐(10)은 각각 대략 6 나노그램(6 ng)의 질량을 갖는 잉크 방울들을 분사하며, 소형 노즐(12)은 각각 대략 2 나노그램(2 ng)의 질량을 갖는 잉크 방울들을 분사한다. [표 1]에 예시된 바와 같은 대형 및 소형 잉크 방울들의 조합을 이용하여, 본 발명은 여덟 가지 다른 도트 밀도(dot density)를 갖는 픽셀을 프린트한다. 각각의 수직 위치에서 대형 노즐과 소형 노즐이 수평적인 일렬 정렬 상태를 이루기 때문에, 프린트 헤드(1)에 대해서 용지를 수 직으로 이동시킬 필요없이 프린트 헤드(1)가 용지를 가로지르는 1회의 횡단 동안(a single pass)에 하나의 픽셀 지점에 대형 잉크 방울과 소형 잉크 방울이 프린트될 수 있다.
[표 1]
상태 제 1 횡단시 분사된 잉크 질량(ng) 제 2 횡단시 분사된 잉크 질량(ng) 총 질량(ng)
1 0 0 0
2 2 0 2
3 2 2 4
4 6 0 6
5 6+2 0 8
6 6+2 2 10
7 6 6 12
8 6+2 6 14
표 1에 보여지는 바와 같이, 픽셀 당 3 비트(three bits per pixel)는 8가지 도트 밀도 레벨을 나타낸다(23=8). 상태 1은 공백 픽셀(blank pixel)로서, 이곳에는 잉크가 분사되지 않는다. 상태 2는 가장 밝게 프린트되는 그레이-스케일 레벨로서, 하나의 픽셀 지점에 단 하나의 2 ng의 잉크 방울을 분사함으로써 달성된다. 상태 3은 동일한 픽셀 지점에 두 개의 2 ng 의 잉크 방울을 프린트함으로써 달성되며, 그 결과 4 ng의 잉크로 형성된 픽셀이 된다. 상태 3에서, 용지를 가로지르는 프린트 헤드(1)의 제 1 횡단시에 첫 번째 잉크 방울이 프린트되며, 제 2 횡단시에 두 번째 잉크 방울이 프린트된다. 상태 4는 하나의 픽셀 지점에 하나의 6 ng의 잉크 방울을 프린트함으로써 달성된다. 상태 5의 픽셀은 프린트 헤드(1)의 1회 횡단시에 2 ng의 잉크 방울과 6 ng의 잉크 방울을 분사함으로써 프린트된 8 ng의 잉크로 형성된다. [표 1]을 계속 참조하면, 상태 6, 상태 7 및 상태 8은 각각, 프린트 헤드(1)의 2회 횡단시에 프린트된 10 ng, 12 ng, 및 14 ng의 잉크에 의해 형성된 픽셀을 나타낸다.
도 3에는 잉크젯 프린트 헤드(1)의 반도체 기판(4) 상에 형성된 특징부들이 도시되어 있다. 도 4의 횡단면도에 보여지는 바와 같이, 기판(4)은 노즐 플레이트(2)의 아래에 배치된다. 기판 상에는 전기 저항성 물질의 직사각형 조각으로 이루어진 제 1 히터(first heaters)(14)와 제 2 히터(second heaters)(16)가 위치되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 히터(14와 16)는 대략 28 (Ω/sq.)의 면적 저항(sheet resistance)을 갖는 TaAl 박막으로 형성된다. 전류가 히터(14와 16)를 통과하여 흐름에 따라, 이들 히터는 열을 발생시킨다. 잉크 바이어(ink via)(22)를 통과하여 히터(14와 16)의 바로 위에 있는 챔버로 잉크가 공급된다. 잉크가 히터(14 또는 16)에 의해 가열됨에 따라, 잉크 버블이 발생하며 이러한 잉크 버블은 노즐(10 또는 12)를 통해서 잉크를 방출한다.
소형 노즐(12)은 더 소형의 잉크 방울들을 분사하기 때문에, 잉크를 방출하기 위해서는 더 소형 버블이 필요하다. 히터의 표면상에 특정의 에너지 밀도가 주어지면, 히터에 의해 형성되는 잉크 버블의 크기는 히터의 크기에 비례한다. 그래서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 히터(16)는 제 1 히터(14) 보다 면적이 더 작다. 제 1 히터(14)는 바람직한 실시예에서, 대략 441 제곱 마이크론(㎛2)의 면적을 한정하는 길이(LH1)와 폭(WH1)을 갖는다. 제 2 히터(16)는 길이(LH2 )와 폭(WH2)에 의해 한정되는 대략 276 제곱 마이크론의 면적을 갖는다. 이하에서, 제 1 및 제 2 히터(14와 16)는 또한 대형 및 소형 히터(14와 16)라고도 지칭된다. 동일한 에너지 밀도가 주어진다면, 대형 히터(14)는 소형 히터(16)보다 더 대형의 잉크 버블을 형성한다. 이러한 설계는 두 개의 노즐 크기에 대해서 단 하나의 히터 크기만을 이용하는 설계보다 더 에너지 효율적이다.
대형 및 소형 히터(14와 16)가 전기적으로 그리고 열역학적으로 양립할 수 있도록 하기 위해서, 이들 히터는 동일한 에너지 밀도와 전력 밀도(power density) 동작해야 한다. 또한, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 대형 및 소형 히터(14와 16)를 동일한 전압원(voltage source)에 연결하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 대형 히터(14)에 의해서 발생되는 전력 밀도는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112002005581331-pct00001
---------(1)
여기서, I1은 대형 히터(14)를 통과하여 흐르는 전류로서 암페어(ampere) 단위이며, RH1은 대형 히터(14)의 저항으로 옴(ohm) 단위이며, A1은 대형 히터(14)의 면적이다. 마찬가지로, 소형 히터(16)에 의해서 발생되는 전력 밀도는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112002005581331-pct00002
---------(2)
여기서, I2는 소형 히터(16)를 통과하여 흐르는 전류로서 암페어 단위이며, RH2은 소형 히터(16)의 저항으로서 옴 단위이며, A2는 소형 히터(16)의 면적이다. 그래서, PD1과 PD2를 대략적으로 동등화시키기 위해서, 다음과 같은 관계가 만족되어야 한 다:
Figure 112002005581331-pct00003
--------- (3), 및
Figure 112002005581331-pct00004
--------- (4)
앞에서 논의된 바와 같이, 히터 면적의 비율 A2/A1은 대형 및 소형 버블을 형성하는데 필요한 상대적인 에너지에 의해서 결정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수식 (4)의 관계는 대형 히터(14)의 전기 저항(RH1)에 대한 소형 히터(16)의 전기 저항(RH2)을 조정함으로써 만족된다. 이러한 조정은 면적 저항체(sheet resistor)에 대한 다음과 같은 사실을 이용함으로써 이루어진다:
Figure 112002005581331-pct00005
--------- (5)
그래서, 소형 히터(16)의 원하는 면적(A2)을 유지시키면서
Figure 112002005581331-pct00006
-------------------- (6)
되게 함으로써 RH2가 증대될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, WH2는 11.75㎛이고 LH2는 23.5㎛이며, 그 결과 276 ㎛2 인 면적(A2)이 된다. 바람직하게는, 각각의 대형 히터(14)에 대해서 WH1과 LH1은 21㎛이며, 그 결과 441 ㎛2 인 면적(A1)이 된 다. 그래서, 저항(RH2)은 다음과 같이 결정된다:
Figure 112002005581331-pct00007
Figure 112002005581331-pct00008
--------- (7). 대형 히터는 정사각형이기 때문에, RH1은 간단하게 28 옴(Ω)이 된다.
도 5a에는 프린트 헤드(1) 상의 히터(14와 16)에 선택적으로 전류를 인가하기 위한 스위칭 회로의 개략적인 다이어그램이 도시되어 있다. 제 1 히터-스위치 조(heater-switch pair)(17)는 제 2 히터-스위치 조(19)와 병렬로 연결된다. 각각의 제 1 히터-스위치 조(17)는 제 1 스위칭 디바이스(18)와 직렬을 이루는 하나의 제 1 히터(14)를 포함한다. 각각의 제 2 스위치-히터 조(19)는 제 2 스위칭 디바이스(20)와 직렬을 이루는 하나의 제 2 히터(16)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 스위칭 디바이스(18과 20)는 기판(4) 상에 형성된 MOSFET 디바이스이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 히터-스위치 조(17과 19)는 동일한 전압원(Vdd)에 연결된다.
10 내지 12 볼트의 전압(Vgs)이 MOSFET 스위칭 디바이스(18) 중 하나의 디바이스의 게이트(gate)(24)에 인가될 때, 디바이스(18)는 인에이블(enable) 된다. 인에이블되면, 디바이스(18)는 전류(I1)가 디바이스(18)와 히터(14)를 통과하여 흐르는 것을 허용한다. 전류(I1)의 흐름에 대한 제 1 히터의 저항(RH1)이 대형 잉크 방울을 분사하기 위한 열을 발생시킨다. 그래서, 디바이스(18)는 인에이블되면, 히터(14)를 동작시킬 수 있게 전류가 흐를 수 있는 폐스위치(closed switch)와 유사하게 작동한다. 하지만, 도 5b에 도시된 바와 같이, 디바이스(18)는 인에이블될 때 유한 저항(RS1)을 갖는다. 전류(I1)가 흐름에 따라, 대형 히터(14)에는 전압 강하(VH1)가 발생하며, 저항(RS1)에는 전압 강하(VS1)가 발생한다.
마찬가지로, 전압(Vgs)이 MOSFET 스위칭 디바이스(20) 중 하나의 디바이스의 게이트(gate)(26)에 인가될 때, 디바이스(20)는 인에이블된다. 인에이블되면, 디바이스(20)는 전류(I2)가 디바이스(20)와 히터(16)를 통과하여 흐르는 것을 허용한다. 그래서, 디바이스(20)가 인에이블되면, 히터(14)가 동작된다. 소형 히터(16)에 발생하는 전압 강하는 VH2이다. 디바이스(20)는 유한 저항(RS2)을 가지며, 이 저항에는 전압 강하(VS2)가 발생한다.
도 5a와 5b에 도시된 회로는 본 발명을 예시하기 위해서 단순화되었음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명이 병합되는 프린트 헤드는 전형적으로 도 5a에 도시된 스위칭 디바이스 이외의 스위칭 디바이스를 또한 포함할 수 있다. 예를 들면, 다른 스위칭 디바이스가 다중 프린터 신호(multiplexed printer signals)를 디코딩하기 위한 로직 회로(logic circuit)에 포함될 수 있다. 이러한 회로는 전형적으로 프린터 컨트롤러로부터 프린트 헤드로 프린트 신호를 전송하는데 요구되는 I/O 신호 라인의 수를 줄이기 위해서 병합된다. 하지만, 이러한 다른 스위칭 회로는 여기에 설명된 본 발명의 동작에 별다른 영향을 미치지 않는다. 그래서, 이러한 회로에 대한 상세한 설명은 본 발명의 이해에 필수적이지는 않다.
잉크젯 프린트 헤드 설계의 한 가지 목표는 히터와 히터 사이의 전력 변화를 최소화하는 것이다. 동일한 크기의 히터에 의해 생성되는 잉크 버블의 크기가 어레이 전체에 걸쳐서 일정하게 하기 위해서, 각각의 대형 히터(14)는 나머지 다른 대형 히터(14)와 동일한 전력을 소모해야 하며, 각각의 소형 히터(16)는 나머지 다른 소형 히터(16)와 동일한 전력을 소모해야 한다. 만약 동일한 크기의 히터가 잉크 버블을 생성하기 위한 열을 발생시키는데 서로 다른 양의 전력을 소모한다면, 잉크 방울 크기에 바람직하지 않은 변화가 발생한다. 잉크 방울 크기의 이러한 변화는 저하된 프린트 품질을 야기한다.
본 발명은 히터(14와 16) 모두, 즉 대형 히터와 소형 히터 전체에 걸친 전압 강하를 거의 동등화시킴으로써 히터와 히터 사이의 소모 전력의 변화를 최소화시킨다. 히터-스위치 조(17과 19)가 병렬로 연결되어 있기 때문에, 히터(14와 16)에 걸리는 전압 강하를 동등화시키기 위해서는 스위칭 디바이스(18과 20)에 걸리는 전압 강하를 동등화시키는 것이 필요하다. 이러한 설계 목표는 다음의 관계식에 따라서 스위치 저항(RS1과 RS2)을 설정함으로써 본 발명의 바람직한 실시예에서 달성된다:
Figure 112002005581331-pct00009
-------------- (8)
RH1과 RH2의 예시적인 값이 앞에서 각각 28 옴(Ω)과 56 옴(Ω)으로 산출되었기 때문에, 수식 (8)의 관계식은 다음과 같이 된다:
Figure 112002005581331-pct00010
-------- (9)
일반적으로, 예컨대 스위칭 디바이스(18과 20)와 같은 MOSFET 디바이스의 저항은 그 자체의 소스 저항(source resistance), 드레인 저항(drain resistance), 및 채널 저항(channel resistance)의 합이 된다. MOSFET 디바이스의 소스 및 드레인 저항은, 적어도 부분적으로는 디바이스의 소스-드레인 라인 폭에 의해서 결정된다. 아래에 상세히 설명된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는 제 1 및 제 2 스위칭 디바이스(18과 20)의 소스-드레인 라인 폭을 조정함으로써 수식(9)의 관계를 달성한다.
도 6에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 기판(4)상의 인접한 제 1 및 제 2 MOSFET 스위칭 디바이스(18과 20)의 구조가 도시되어 있다. 제 1 스위칭 디바이스(18)는 폭(C)을 갖는 채널(32) 만큼 드레인 영역(30)으로부터 이격된 소스 영역(28)을 포함한다. 제 1 스위칭 디바이스(18)의 소스-드레인 라인 폭은 'WL1'으로 표시되어 있으며, 제 1 스위칭 디바이스(18)의 채널 길이는 'LS1'으로 표시되어 있다. 제 2 스위칭 디바이스(20)는 채널(32) 만큼 드레인 영역(36)으로부터 이격된 소스 영역(34)을 포함한다. 제 2 스위칭 디바이스(20)의 소스-드레인 라인 폭과 채널 길이는 각각 'WL2'와 'LS2'로 표시되어 있다.
바람직하게는, 도 2와 3에 도시된 바와 같이, 인접한 노즐과 히터는 1/600 인치(약 42.3㎛) 만큼 수직으로 이격되어 있다. 그래서, 도 6에 도시된 바와 같이, 한 조의 인접한 스위칭 디바이스(18과 20)가 차지하는 전체 폭은 2/600 인치 즉, 대략 84.7㎛이다. 이러한 전체 폭은 다음의 식에 따라서 할당된다:
Figure 112002005581331-pct00011
--------- (10), 여기서
Figure 112002005581331-pct00012
-------- (11), 그리고
Figure 112002005581331-pct00013
-------- (12)
수식 (10), (11) 및 (12)를 기초로 하여, C가 2.5㎛이면, WL1과 WL2 사이의 원하는 관계식은 다음과 같이 표현된다:
WL1 + WL2 = 16.2㎛ ------------ (13).
도 7은 수식 (9)와 (13)의 요건을 만족하는, 바람직한 MOSFET 디바이스(18과 20)의 1차 시뮬레이션(first order simulation)에 대한 간략한 해법이 도시되어 있다. 이 시뮬레이션 결과에 따르면, WL1과 WL2에 대한 바람직한 값은 각각, 13.1㎛와 3.1㎛이다. 또한, 도 7에 나타난 바와 같이, RS1의 최소값은 LS1이 대략 800㎛일 때 4.3옴(Ω)이 된다. RS1이 4.3Ω이 되면, 수식 (9)의 관계는 RS2가 8.6Ω일 때 만족된다. 도 7을 계속 참조하면, RS2가 8.6Ω일 때, LS2는 대략 570㎛가 된다. 그래서, 수식 (11)과 (12)에 따르면, WS1과 WS2는 각각 대략 62.3㎛와 22.4㎛가 된다. 따라서, 스위칭 디바이스의 바람직한 실시예에 대한 치수 값은 다음과 같이 요약될 수 있다:
Figure 112002005581331-pct00014
,
Figure 112002005581331-pct00015
,
Figure 112002005581331-pct00016
,
Figure 112002005581331-pct00017
,
Figure 112002005581331-pct00018
,
Figure 112002005581331-pct00019
, 및
Figure 112002005581331-pct00020
.
도 8a에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는, 제 1 및 제 2 히터-스위치 조(first and second heater-switch paris)(17과 19)를 구동하기 위해서 제 1 및 제 2 전압원(Vdd1과 Vdd2)이 제공된다. 본 실시예에서, 제 1 히터-스위치 조(17)는 제 1 전압원(Vdd1)을 가로질러 병렬로 연결되며, 제 2 히터-스위치 조(19)는 제 2 전압원(Vdd2)을 가로질러 병렬로 연결된다. 별개의 전압원의 경우에, 저항(RH2)에 대한 저항(RH1)을 조정하는 대신 전압(Vdd2)에 대한 전압(Vdd1)을 조정함으로써, 히터(14와 16)에 의해서 발생되는 열 에너지는 잉크 방울 크기에 알맞게 될 수 있다. 바람직하게는, 전압(Vdd2)은 전압(Vdd1)보다 더 작으며, 그래서 제 2 히터(16)는 동작할 때 제 1 히터(14)보다 더 적은 열 에너지를 발생시킨다.
이러한 제 2 실시예에 따르면, 히터(14와 16)는 모두 정사각형일 수 있으며, 그래서 등가의 저항(RH1=RH2)을 가질 수 있다. 하지만, 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 제 2 실시예의 히터(14와 16)의 면적도 바람직하게는 각각, 441 ㎛2와 276㎛2로 유지된다. 위에서 논의된 바와 같이, 이는 두 가지 다른 크기의 잉크 방울을 생성하기 위한 가장 효율적인 에너지 전달을 제공한다. 바람직하게는, 제 2 실시예의 각각의 대형 히터(14)의 경우에, WH1과 LH1은 대략 21㎛이다. 제 2 실시예의 각각의 소형 히터(16)의 경우에, WH2와 LH2는 바람직하게는 약 16.6㎛이다.
수직방향으로 교호를 이루는 히터(14와 16)를 두 개의 다른 전압원(Vdd1과 Vdd2)에 연결하는, 제 2 실시예의 배선 구성이 도 9에 도시되어 있다. 전압원(Vdd1)에 연결된 제 1 금속 버스(metal bus)(38)는 바람직하게 히터(14와 16)와 동일한 칩 층(chip layer)에 배치된다. 버스(38)는 전압(Vdd1)을 대형 히터(14)의 일측으로 공급하는 금속 트레이스(metal trace)(38a)에 연결된다. 대형 히터(14)의 타측은 동일 층의 금속 트레이스(38b)에 결합된다. 금속 트레이스(38b)는 바이어(via)(40)를 통해서, 대형 히터(14)의 아래층에 배치되는 제 1 스위칭 디바이스(18)의 드레인(42)에 연결된다.
제 2 금속 버스(44)는 전압원(Vdd2)에 연결된다. 버스(44)는 바람직하게는 히터(14와 16)를 포함하는 층의 아래에 있는 칩 층에, 예컨대 스위칭 디바이스(18과 20)를 포함하는 층에 배치된다. 버스(44)는 바이어(45)를 통해서, 히터(14와 16)와 동일한 층에 배치되는 금속 트레이스(46a)에 연결된다. 트레이스(46a)는 소형 히터(16)의 일측에 연결된다. 그래서, 버스(44)와, 바이어(45) 및 트레이스(46a)를 통해서, 전압(Vdd2)이 소형 히터(16)의 일측에 공급된다. 역시 히터(14와 16)와 동일한 층에 배치되는 금속 트레이스(46b)는 소형 히터(16)의 타측에 연결된다. 금속 트레이스(46b)는 바이어(48)를 통해서 제 2 스위칭 디바이스(20)의 드레인(50)에 연결되는데, 이 드레인은 바람직하게는 제 1 스위칭 디바이스(18)와 동일한 층에 배치된다. 또한, 도 9에는 제 1 스위칭 디바이스(18)의 소스(52)와 게이트(54) 및, 제 2 스위칭 디바이스(20)의 소스(56)와 게이트(58)가 도시되어 있다.
그래서, 단 두 개의 금속 층을 이용하여, 도 9의 배선 구성은 수직방향으로 교호를 이루는 대형 및 소형 히터(14와 16)에 별개의 두 전압 레일(Vdd1과 Vdd2)을 제 공한다. 도 9는 히터 배선 형태의 예시적인 부분을 도시하며, 히터 어레이의 나머지 부분을 형성할 수 있도록 수직 방향으로 도 9에 도시된 패턴이 반복된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
당업자는 전술한 설명과 첨부된 도면으로부터 본 발명의 실시예에 수정 및/또는 변경이 이루어질 수 있음을 고려해 볼 수 있고 또한 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명은 수식 (9)의 관계에 국한되지 않는다. 본 발명의 이점은 다른 비율의 스위칭 디바이스의 저항을 이용함으로써 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 위의 예에서 결정된 수치에 국한되지 않는다. 본 발명은 다른 잉크 방울 크기, 노즐 직경, 노즐과 노즐 간격, 히터 치수, 및 스위칭 디바이스 치수를 수용할 수 있도록 변경될 수 있다. 따라서, 전술한 설명과 첨부된 도면은 바람직한 실시예의 예시를 위한 것일 뿐 이에 국한되지 않으며, 본 발명의 진정한 사상과 범위는 첨부된 청구범위를 참조하여 결정된다.
본 발명은 복수의 크기를 갖는 잉크 방울을 프린트하기 위해 복수의 크기의 스위칭 트랜지스터와 가열 소자(heating element)를 구비한 잉크젯 프린트 헤드에 이용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 프린트 매체 쪽으로 잉크 방울이 분사되는 복수의 노즐을 구비한 잉크젯 프린트 헤드로서,
    상기 복수의 노즐은 제 1 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐(first nozzles)과, 제 2 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐(second nozzles)을 포함하며,
    상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 1 질량은 상기 제 2 질량보다 더 큰, 상기 잉크젯 프린트 헤드는
    상기 복수의 노즐을 포함하는 노즐 플레이트와,
    상기 노즐 플레이트에 인접하게 배치된 기판(substrate)과,
    상기 제 1 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 노즐에 결부되며, 각각 전기 저항성 물질을 포함하고 제 1 히터 전기 저항을 가지며, 제 1 전류가 상기 전기 저항성 물질을 통과하여 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라 각각 열을 발생시키는, 제 1 히터(first heaters)와,
    상기 제 1 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 각각 제 1 스위치 전기 저항을 갖는, 제 1 스위칭 디바이스(first switching devices)와,
    상기 제 2 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 노즐에 결부되며, 각각 전기 저항성 물질을 포함하고 제 2 히터 전기 저항을 가지며, 제 2 전류가 상기 전기 저항성 물질을 통과하여 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라 각각 열을 발생시키는, 제 2 히터(second heaters)와,
    상기 제 2 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 각각 제 2 스위치 전기 저항을 갖는, 제 2 스위칭 디바이스(second switching devices)를 포함하며,
    여기서, 상기 제 2 스위치 전기 저항은 상기 제 1 스위치 전기 저항보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 히터 저항은
    상기 제 2 히터 저항보다 더 작은,
    잉크젯 프린트 헤드.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 디바이스 각각은
    상기 기판 상에서 제 1 스위치 면적을 차지하며,
    상기 제 2 스위칭 디바이스 각각은 상기 기판 상에서 제 2 스위치 면적을 차지하며,
    상기 제 1 스위치 면적은 상기 제 2 스위치 면적보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  9. 삭제
  10. 프린트 매체 쪽으로 잉크 방울이 분사되는 복수의 노즐을 구비한 잉크젯 프린트 헤드로서,
    상기 복수의 노즐은 제 1 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐과, 제 2 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐을 포함하며, 상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 1 질량은 상기 제 2 질량보다 더 큰, 상기 잉크젯 프린트 헤드는
    상기 복수의 노즐을 포함하는 노즐 플레이트와,
    상기 노즐 플레이트에 인접하게 배치된 기판과,
    상기 제 1 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 노즐에 결부되며, 각각 전기 저항성 물질을 포함하며 제 1 전류가 상기 전기 저항성 물질을 통과하여 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라 열을 발생시키는, 제 1 히터와,
    상기 제 1 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 각각 상기 기판 상에서 제 1 스위치 면적을 차지하는, 제 1 스위칭 디바이스와,
    상기 제 2 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 노즐에 결부되며, 각각 전기 저항성 물질을 포함하며 제 2 전류가 상기 전기 저항성 물질을 통과하여 실질적으로 제 1 방향으로 흐름에 따라 열을 발생시키는, 제 2 히터와,
    상기 제 2 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 각각 상기 기판 상에서 제 2 스위치 면적을 차지하는, 제 2 스위칭 디바이스를 포함하며,
    여기서, 상기 1 스위치 면적은 제 2 스위치 면적보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 히터 각각은
    제 1 히터 전기 저항을 가지며,
    상기 제 2 히터 각각은 제 2 히터 전기 저항을 가지며,
    여기서, 상기 제 1 히터 전기 저항은 상기 제 2 히터 전기 저항보다 더 작은,
    잉크젯 프린트 헤드.
  12. 제 1항 또는 10항에 있어서, 상기 제 1 히터 각각은
    상기 기판 상에서 상기 제 1 방향의 제 1 히터 길이와 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향의 제 1 히터 폭에 의해서 한정되는 제 1 히터 면적(first heater area)을 차지하며,
    상기 제 2 히터 각각은 상기 기판 상에서 상기 제 1 방향의 제 2 히터 길이와 상기 제 2 방향의 제 2 히터 폭에 의해서 한정되는 제 2 히터 면적을 차지하며,
    여기서, 상기 제 2 히터 폭은 상기 제 1 히터 폭보다 더 작은,
    잉크젯 프린트 헤드.
  13. 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1 히터 각각은
    상기 기판 상에서 상기 제 1 방향의 제 1 히터 길이와 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향의 제 1 히터 폭에 의해서 한정되는 제 1 히터 면적을 차지하며,
    상기 제 2 히터 각각은 상기 기판 상에서 상기 제 1 방향의 제 2 히터 길이와 상기 제 2 방향의 제 2 히터 폭에 의해서 한정되는 제 2 히터 면적을 차지하며,
    여기서, 상기 제 2 히터 길이는 상기 제 1 히터 길이보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  14. 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1 히터 각각은
    상기 기판 상에서 제 1 히터 면적을 차지하며,
    상기 제 2 히터 각각은 상기 기판 상에서 제 2 히터 면적을 차지하며,
    여기서, 상기 제 1 히터 면적은 상기 제 2 히터 면적보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  15. 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 디바이스 각각은
    상기 기판 상에서 제 1 스위치 면적을 차지하며, 상기 제 1 스위치 면적은 상기 제 1 방향의 제 1 스위치 길이와 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향의 제 1 스위치 폭에 의해 한정되며,
    상기 제 2 스위칭 디바이스 각각은 상기 기판 상에서 제 2 스위치 면적을 차지하며, 상기 제 2 스위치 면적은 상기 제 1 방향의 제 2 스위치 길이와 상기 제 2 방향의 제 2 스위치 폭에 의해서 한정되며,
    여기서, 상기 제 1 스위치 폭은 상기 제 2 스위치 폭보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  16. 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 디바이스 각각은
    상기 기판 상에서 제 1 스위치 면적을 차지하며, 상기 제 1 스위치 면적은 상기 제 1 방향의 제 1 스위치 길이와 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향의 제 1 스위치 폭에 의해 한정되며,
    상기 제 2 스위칭 디바이스 각각은 상기 기판 상에서 제 2 스위치 면적을 차지하며, 상기 제 2 스위치 면적은 상기 제 1 방향의 제 2 스위치 길이와 상기 제 2 방향의 제 2 스위치 폭에 의해서 한정되며,
    여기서, 상기 제 1 스위치 길이는 상기 제 2 스위치 길이보다 더 큰,
    잉크젯 프린트 헤드.
  17. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 디바이스 각각은
    제 1 스위치 전기 저항을 가지며,
    상기 제 2 스위칭 디바이스 각각은 제 2 스위치 전기 저항을 가지며,
    여기서, 상기 제 1 스위치 전기 저항은 상기 제 2 스위치 전기 저항 보다 더 작은,
    잉크젯 프린트 헤드.
  18. 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 디바이스는
    상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 정렬된 제 1 위치에 배치되며,
    상기 제 2 스위칭 디바이스는 상기 제 2 방향으로 정렬된 제 2 위치에 배치되며,
    여기서, 상기 제 1 위치는 상기 제 2 위치와 교호를 이루는,
    잉크젯 프린트 헤드.
  19. 프린트 매체 쪽으로 잉크 방울이 분사되는 복수의 노즐을 구비한 잉크젯 프린트 헤드로서,
    상기 복수의 노즐은 제 1 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐과, 제 2 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐을 포함하며, 상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 1 질량은 상기 제 2 질량보다 더 큰, 상기 잉크젯 프린트 헤드는
    1) 상기 복수의 노즐을 포함하는 노즐 플레이트와,
    2) 상기 노즐 플레이트에 인접하게 배치된 기판과,
    3) 제 1 히터-스위치 조(first heater-switch pairs)로서,
    a) 상기 제 1 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 노즐에 결부되며, 각각 상기 기판 상에서 제 1 히터 면적을 차지하는 전기 저항성 물질을 포함하며, 각각 제 1 전류가 통과하여 흐름에 따라 제 1 히터 전압 강하(first heater voltage drop)를 발생시키는, 제 1 히터와,
    b) 상기 제 1 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고 상기 제 1 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 전류가 통과하여 흐름에 따라 제 1 스위칭 디바이스 전압 강하(first switching device voltage drop)를 발생시키는, 제 1 스위칭 디바이스를 포함하는, 제 1 히터-스위치 조와,
    4) 제 2 히터-스위치 조로서,
    c) 상기 제 2 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 노즐에 결부되며, 각각 상기 기판 상에서 제 2 히터 면적을 차지하는 전기 저항성 물질을 포함하며, 각각 제 2 전류가 통과하여 흐름에 따라 제 2 히터 전압 강하(second heater voltage drop)를 발생시키는, 제 2 히터와,
    d) 상기 제 2 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고 상기 제 2 히터에 직렬로 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 전류가 통과하여 흐름에 따라 제 2 스위칭 디바이스 전압 강하를 발생시키는, 제 2 스위칭 디바이스를 포함하는, 제 2 히터-스위치 조를 포함하며,
    여기서, 상기 제 1 히터-스위치 조는 상기 제 2 히터-스위치 조와 병렬로 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 히터 면적은 상기 제 2 히터 면적보다 더 크며, 상기 제 1 스위칭 디바이스 전압 강하는 상기 제 2 스위칭 디바이스 전압 강하와 거의 등가인,
    잉크젯 프린트 헤드.
  20. 프린트 매체 쪽으로 잉크 방울이 분사되는 복수의 노즐을 구비한 잉크젯 프린트 헤드로서,
    상기 복수의 노즐은 제 1 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 1 직경을 갖는 제 1 노즐과, 제 2 질량을 갖는 잉크 방울을 분사하기 위한 제 2 직경을 갖는 제 2 노즐을 포함하며, 상기 제 1 직경은 상기 제 2 직경보다 더 크며, 상기 제 1 질량은 상기 제 2 질량보다 더 큰, 상기 잉크젯 프린트 헤드는
    1) 상기 복수의 노즐을 포함하는 노즐 플레이트와,
    2) 상기 노즐 플레이트에 인접하게 배치된 기판과,
    3) 제 1 히터-스위치 조에 제 1 전압을 공급하기 위해서 제 1 전압원에 연결된 제 1 히터-스위치 조로서,
    a) 상기 제 1 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 1 노즐에 결부되며, 각각 상기 기판 상에서 제 1 히터 면적을 차지하는 전기 저항성 물질을 포함하며, 각각 제 1 전기 저항을 갖는, 제 1 히터와,
    b) 상기 제 1 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고 상기 제 1 히터에 직렬로 전기적으로 연결되는, 제 1 스위칭 디바이스를 포함하는, 제 1 히터-스위치 조와,
    4) 제 2 히터-스위치 조에 제 1 전압보다 더 작은 제 2 전압을 공급하기 위해서 제 2 전압원에 연결된 제 2 히터-스위치 조로서,
    c) 상기 제 2 노즐에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고, 각각 상응하는 제 2 노즐에 결부되며, 각각 상기 기판 상에서 상기 제 1 히터 면적보다 더 작은 제 2 히터 면적을 차지하는 전기 저항성 물질을 포함하며, 각각 제 1 전기 저항과 거의 등가인 제 2 전기 저항을 갖는, 제 2 히터와,
    d) 상기 제 2 히터에 인접하게 상기 기판 상에 배치되고 상기 제 2 히터에 직렬로 전기적으로 연결되는, 제 2 스위칭 디바이스를 포함하는, 제 2 히터-스위치 조를 포함하는,
    잉크젯 프린트 헤드.
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