KR100839002B1 - 미립자 마킹 재료의 분사 장치, 미립자 마킹 재료의 증착 장치 및 증착 방법, 기판 마킹 방법 및 카트리지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 추진체 스트림이 채널을 통과해서 기판을 향하여 지향되는 마킹 장치에서 사용하기 위한 프린트 헤드를 공시한다. 잉크, 토너와 같은 마킹 재료는 추진체 스트림 안으로 제어가능하게 도입되고 충분한 운동 에너지를 가지고 기판에 입사된다. 추진체와 마킹 재료를 지향시키기 위한 여러 채널은 생산량이 많고 고해상도의 마킹 작업을 할 수 있다. 다중 마킹 재료는 기판에 입사되기 전에 채널 안으로 도입되어 그 안에서 혼합되거나 또는 재인쇄정합없이 기판에 혼합되거나 또는 기판에 인화된다. 한 보기는 단일 패스, 총 컬러 프린터이다.

마킹 장치, 마킹 재료, 프린트 헤드, 추진체, 기판

Description

미립자 마킹 재료의 분사 장치, 미립자 마킹 재료의 증착 장치 및 증착 방법, 기판 마킹 방법 및 카트리지{An apparatus for ejecting a particulate marking material, an apparatus and a method for depositing it, a method of marking a substrate and cartridge}

도 1은 본 발명에 따른 기판을 마킹하기 위한 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마킹 장치의 횡단면도.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마킹 장치의 다른 횡단면도.

도 4는 도 3에 도시된 마킹 장치의 노즐을 갖는 한 채널의 평면도.

도 5a 내지 도 5c와 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 채널의 여러 보기를 종방향으로 도시한 횡단면도.

도 7은 본 발명에 따른 노즐을 갖지 않는 마킹 장치의 한 채널의 다른 평면도.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 채널의 또다른 보기의 종축선에 따른 횡단면도.

도 9a와 도 9b는 본 발명에 따른 채널의 엇갈리지 않은 어레이와 2차원의 엇갈린 어레이를 도시한 단면도.

도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 장치의 채널 어레이의 평면도.

도 11a와 도 11b는 본 발명에 따른 포트의 두 실시예를 도시하는, 도 9에 도시된 채널 어레이 부분의 평면도.

도 12a와 도 12b는 본 발명의 두 다른 실시예에 따른 제거가능한 몸체를 갖는 마킹 장치의 횡단면도.

도 13은 본 발명에 따른 기판의 마킹을 위한 공정 흐름도.

도 14a는 환형 전극을 사용하는 본 발명의 한 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 횡단면의 측면도이고, 도 14b는 환형 전극을 사용하는 본 발명의 한 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 상부도.

도 15는 환형 전극을 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 횡단면의 측면도.

도 16은 음향 잉크 분사기를 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 횡단면 측면도.

도 17은 TIJ 분사기를 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 횡단면 측면도.

도 18은 압전 변환기/격판을 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마킹 재료 계측 장치의 횡단면 측면도.

도 19는 매트릭스 어드레싱을 위해 연결된 마킹 재료 계측 장치의 어레이의 개략도.

도 20은 매트릭스 어드레싱을 위해 연결된 마킹 재료 계측 장치의 어레이의 다른 개략도.

도 21은 캐비티에 마킹 재료의 유동층을 발생시키기 위한 실시예의 횡단면도.

도 22는 압력 균형 캐비티 실시예에 대하여 시간에 대한 압력의 그래프.

도 23은 다른 마킹 재료 전달 시스템을 사용하는 본 발명의 실시예를 도시한 도면.

도 24는 전극 그리드와 정전기 주행 파동을 사용하는 본 발명의 한 실시예에 따른 마킹 재료 이송 장치의 횡단면 측면도.

도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합된 마킹 재료 이송 및 계측 조립체의 횡단면도.

도 26a와 도 26b는 본 발명에 따른 마킹 재료의 유동층을 충전하는 한 실시예를 도시한 도면.

도 27은 본 발명의 한 실시예에 따른 채널 및 어드레싱 회로의 어레이의 평면도.

도 28은 본 발명의 탄도형 에어로졸 마킹 장치의 한 실시예에 의해 얻어진 스폿 사이즈에 대한 컬러 또는 (스폿 밀도)의 분포를 도시한 그래프.

도 29는 기판에 수직으로 투시한, 기판과의 접속시의 추진체 스트림 패턴의 한 보기를 도시한 도면.

도 30은 도 29의 추진체 스트림 패턴의 한 측면도이고, 또한 추진체 스트림 내에서 위치 함수로써 마킹 재료 미립자 분포를 도시한 도면.

도 31은 스폿 중심으로부터 옆으로 편향된 마킹 재료에 대한 최악의 경우의 편차에 대해서 사용된 모델을 도시한 도면.

도 32는 융합을 이용하는 것과 같은, 레이저 이용 후 분사 마킹 재료 변경에 필요한 레이저 출력의 보기를 유도하는데 사용된 모델을 도시한 도면.

도 33은 정전기적 이용 마킹 재료 적출 및/또는 예비 융합 유지 기능을 갖는 탄도형 에어로졸 마킹 장치를 도시한 도면.

도 34는 액체 운반 매체에서 부유된 고체 마킹 재료 미립자를 사용하는, 본 발명의 한 실시예의 횡단면도.

도 35는 본 발명의 한 실시예에 대한 동적 융합 임계값을 도시하는, 운동 에너지에 대한 미립자수를 도시한 그래프.

도 36은 본 발명에 따라서 수렴/발산 영역을 갖는 또는 수렴/발산 영역이 없는 채널에 대하여 추진체 압력에 대한 출구 오리피스에서의 추진 속도를 나타낸 그래프.

도 37은 라이트 이용 후 분사 마킹 재료 변경을 제공하도록 배열된 채널 및 라이트 빔의 절단 평면도.

도 38은 라이트 이용 후 분사 마킹 재료 변경을 이용하는 가능성을 나타내는, 마킹 재료 미립자 크기에 대한 광원 출력을 플롯트한 그래프.

도 39는 먼지로 인한 고장, 습도 영향 등을 감소시키거나 방지하기 위한 밀폐 구조를 사용하는, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄도형 에어로졸 마킹 장치를 도시한 도면.

도 40은 본 발명의 한 실시예에 따라서 압반을 이동시켜서 출구 오리피스와 접촉시킴으로써 얻어진 채널 밀폐구조를 도시한 도면.

도 41a 내지 도 41c와 도 42a 내지 도 42c는 본 발명에 따른 프린트 헤드를 제조하는 한 공정을 도시한 도면.

도 43은 본 발명에 따른 탄도형 에어로졸 마킹 장치의 다른 실시예의 선택 부분을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

12. 분사기 14. 추진체

16. 마킹 재료 18. 운송부

20. 제어부 22. 제어부

21. 계측부 34. 프린트 헤드

286. 마킹 재료 미립자

본 발명은 일반적으로 마킹 장치(marking apparatus)의 분야에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 마킹 재료를 고속의 추진체 스트림(propellant stream)에 도입함으로써, 마킹 재료를 기판에 적용할 수 있는 장치의 부품에 관한 것이다.

잉크 제트는 현재 통상적인 프린트 기술이며, 이 기술에는 열적 잉크 제트(TIJ)와, 압전 잉크 제트 등을 포함하는 여러 유형의 잉크 제트 프린트 기술이 있다. 일반적으로, 채널의 한 말단에 위치한 오리피스(orifice)로부터 액체 잉크 방울이 분사된다. 예를 들어, TIJ 프린터에서 잉크 운반 채널 내에 있는 폭발성 형태의 증기 기포에 의해서 잉크 방울이 분사된다. 채널의 한 표면에 위치한, 레지스터 형식의 히터에 의해서 증기 기포가 형성된다.

출원인은 당기술에 공지된 TIJ (또는 다른 잉크 제트) 시스템에서 여러 단점들을 인식하고 있었다. 인치-당-300 스폿(spi) TIJ 시스템에 대해서, 잉크 방울이 분사되는 출구 오리피스는 약 64㎛의 폭과, 약 84㎛의 채널 대 채널의 간격의 범위를 가지며, 약 600 dpi 시스템에 대해서는 폭이 약 35㎛이고 피치가 약 42㎛이다. 상기 시스템에서 사용된 유체 잉크의 점도에 의해서 출구 오리피스의 크기가 제한된다. 출구 오리피스의 폭을 감소시킬 목적으로 다량의 액체에 희석시킴으로써 잉크 점도를 낮출 수 있다. 그러나, 잉크에 액체양을 증가시키면 위킹(wicking), 종이가 주름지는 현상, 분사된 잉크 방울의 건조 시간이 늦어지는 현상이 발생하고 이것은 해상도, 영상 화질(즉, 최소의 스폿 사이즈, 컬러의 상호 혼합, 스폿 형태) 등에 악영향을 미친다. 스폿 사이즈는 출구 오리피스 폭에 대한 함수이고 해상도는 스폿 사이즈에 대한 함수이기 때문에, 상기 오리피스 폭을 제한하면, TIJ 프린트의 해상도를, 예를 들어, 900 spi 미만으로 제한하게 된다.

공지된 잉크 제트 기술의 다른 단점은 그레이스케일 프린팅(greyscale printing)을 생산하는 것이 어렵다는 것이다. 즉, 잉크 제트 시스템은 인쇄 기판에서 스폿의 사이즈를 변화시키는 것이 매우 어렵다. 만약, 도트를 더욱 작게 하기 위한 시도에서 잉크를 더 작게 분사하도록 추진력(TIJ 시스템의 열)을 낮추면, 또는 추진력을 증가시켜서 더 많은 잉크를 분사함으로써 도트를 크게 한다면, 분사된 방울의 궤도가 영향을 받으며, 이것은 정확한 도트 위치를 정하는 것을 어렵게 하거나 불가능하게 하며, 모노크롬 그레이스케일 프린트 작업에 문제를 일으켜서 다중 컬러의 그레이스케일 잉크 제트 프린팅을 실행 불가능하게 한다. 또한, 양호한 그레이스케일 프린팅은 TIJ 의 경우에서와 같이 도트 사이즈를 변화시킴으로써 실행되는 것이 아니라 일정한 도트 사이즈를 유지하면서 도트 밀도를 변화시킴으로써 실행된다.

통상적인 잉크 제트 시스템의 다른 단점은 마킹 비율이다. 스폿을 프린트하는 데 필요한 시간의 대략 80％는 잉크 제트 채널의 모세관 작용으로 인하여 잉크를 재충전하기 위해 대기하는 데 소비된다. 어느 정도까지는, 잉크가 희석될수록 더욱 빠르게 유동하지만, 상기 기술된 위킹(wicking), 기판의 주름, 건조 시간 등의 문제점이 야기된다.

분사 프린트 시스템의 공통된 문제점은 채널이 막힐 수 있다는 것이다. 수성 잉크 염료를 사용하는 TIJ와 같은 시스템은 종종 상기 문제점에 민감하고, 작동하는 동안 채널에 대한 비 프린트 사이클을 정기적으로 사용하며, 이것은 잉크가 통상적으로 작동하는 동안 분사과정을 대기하면서 분사기에 놓여지기 때문에 필요하고, 놓여지는 동안 건조되기 시작하여 막히게 된다. 본 발명의 배경으로 적당할 수 있는 다른 기술은 정전기 그리드와, 정전기 분사[소위 토운 제트(tone jet)], 음향 잉크 프린트(acoustic ink printing), 및 어떤 에어로졸 및 염료 승화(dye sublimation)와 같은 분무 시스템을 포함한다.

본 발명은 상술한 부분 및 추가 부분에 기재된 단점을 극복할 수 있는, 마킹 재료를 기판에 직접 또는 간접으로 적용하는 신규 시스템에 대한 구성요소이다. 특히, 본 발명은 추진체로부터의 에너지가 마킹 재료를 기판으로 추진시키도록, 채널을 통해서 이동하는 추진체와 상기 채널 안으로 제어가능하게(사용중에 조절가능하게) 도입되거나 또는 계측되는 마킹 재료를 포함하는 형식의 시스템이다. 추진체는 대체로 마킹 장치가 작동 상태(즉, 전력이 공급되거나 또는 마킹 준비가 된 유사 상태)에 있을 동안, 채널로부터 연속으로 유동할 수 있는 건식 가스이다. 본 시스템은 본질적으로 비아교질 고체 또는 반고체 미립자 또는 다른 방식으로 액체인, 마킹 재료를 기판을 향하여 발사시킴으로써 얻어진다는 의미에서 "탄도형 에어로졸 마킹"으로 기술된다. 채널의 형태는 부유상태의 추진체 및 마킹 재료를 기판 위에 수렴시킬 수 있다.

하기에 기술되는 발명의 요약 및 상세한 설명은 탄도 에어로졸 마킹 장치의 많은 일반적인 형태 및 그 장치를 사용하는 방법을 기술한다. 그러나, 본 발명은 청구범위에서 명백해지는 바와 같이, 본원에 기술된 전체 설명의 일부분이다.

이 시스템에서, 추진체는 추진체 포트에서 채널 안으로 도입되어서 추진체 스트림을 형성할 수 있다. 마킹 재료는 그 다음 하나 이상의 마킹 재료 입구 포트로부터 추진체 스트림으로 도입될 수 있고, 추진체는 고속으로 채널 안으로 들어갈 수 있다. 다른 방식으로, 추진체는 고압 상태에서 채널 안으로 도입되고, 채널은 추진체의 고압력을 고속으로 전환시키는 압축구조[즉, 드 라발(de Laval) 또는 유사한 수렴/발산 형식의 노즐)]를 포함할 수 있다. 이 경우, 추진체는 채널의 기부 단부에 위치한 포트에서 도입되고 마킹 재료는 채널의 말단 단부[발산 영역에서 또는 발산 영역의 하부 스트림] 부근에 제공되어서, 마킹 재료가 추진체 스트림으로 도입될 수 있게 한다.

다중 포트가 제공되는 경우에는, 각 포트는 다른 색상(즉, 청록색, 자홍색, 노란색 및 검은색)과, 전-마킹 처리 재료(점착성 마킹 재료와 같은)와, 후-마킹 처리 재료(기판 표면의 미세 재료, 즉, 매트 또는 광택 코팅 등)와, 육안으로는 볼 수 없는 마킹 재료[자성 미립자 유지 재료, 자외선-형광 재료(ultra violet-fluorescent material) 등] 또는 기판에 적용될 다른 마킹 재료에 대해서 제공된다. 마킹 재료는 추진체 스트림으로부터 운동 에너지를 받아서, 채널의 말단 단부에 위치한 출구 오리피스에서 채널로부터 기판을 향하여 분사된다.

한 실시예에서 프린트 헤드로 기재된 구조체에는 하나 이상의 채널이 제공될 수 있다. 채널의 출구(또는 분사) 오리피스의 폭은 일반적으로 250㎛이거나 또는 그 이하이고, 양호하게는 100㎛이거나 또는 그 이하의 범위에 있다. 하나 이상의 채널이 제공되는 곳에서, 피치 또는 인접 채널 사이에서 에지와 에지의 간격이 250㎛ 또는 그 이하일 수 있고, 양호하게는 100㎛ 또는 그 이하의 범위이다. 다른 방안으로, 채널은 지그재그로 되어서 에지와 에지의 간격을 축소시킬 수 있다. 출구 오리피스 및/또는 일부 각 채널 또는 모든 각 채널은 추진체 스트림의 유동 방향에서 볼 때(채널의 종축), 원형, 반원형, 타원형, 사각형, 직사각형, 삼각형 또는 다른 횡단면을 가질 수 있다.

기판에 적용되는 재료는 단순한 중력, 수력학, 정전기 또는 초음파 등을 포함하는 하나 이상의 다양한 방법으로 포트로 이송될 수 있다. 이송 메카니즘의 제어 방법, 또는 압력 균형, 정전기, 음향 에너지, 잉크 제트 등과 같은 개별 시스템의 제어 방법을 포함하는 다양한 방법중 어느 한 방법에 의해서, 포트로부터 추진체 스트림 안으로 들어가는 재료를 계측할 수 있다.

기판에 적용되는 재료는 다른 색상의 토너 또는 여러 토너들, 캐리어에 있는 마킹 재료의 부유물, 전하 조준기를 갖는 캐리어의 마킹 재료의 부유물, 상변화 재료 등과 같이 고체 또는 반고체 미립자 재료일 수 있다. 한 양호한 실시예는 미립자, 고체 또는 반고체와 액체 캐리어에서 부유된 마킹 재료를 사용한다. 이러한 마킹 재료는 여기서 미립자 마킹 재료라고 하고, 이것은 액체 마킹 재료와, 용해 마킹 재료와, 분무된 마킹 재료와, 본원에서 일반적으로 액체 마킹 재료로서 언급되는 유사한 비-미립자 재료와는 구별되어야 한다. 그러나, 본 발명은 본원에서 기재된 바와 같이, 어떤 적용상황에서 상술한 액체 마킹 재료를 사용할 수 있다.

또한, 다양한 마킹 재료를 사용할 수 있는 능력으로 인하여, 본 발명은 다양한 기판에 마크할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 중합체, 플라스틱, 금속, 유리, 처리되고 다듬질된 표면 등과 같이 비-다공성 기판을 직접 마킹할 수 있다. 위킹(wicking) 재료의 감소 및 건조 시간의 감축으로 종이, 직물, 세라믹 등과 같은 다공성 기판에 개선된 인쇄작업을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 간접 마킹, 예를 들어, 중간 이송 롤러 또는 벨트에 마킹하고 점착성 바인더 필름 및 닙 이송 시스템(nip transfer system) 등에 마킹하도록 구성될 수 있다.

기판에 증착되는 재료는, 예를 들어, 융합 또는 건조, 오버코팅, 경화 등의 후 분사 조절과정을 거칠 수 있다. 융합과정의 경우에, 증착되는 재료의 운동 에너지는 기판과의 충돌시에 효과적으로 마킹 재료를 용해시켜서 기판에 융합할 수 있을 만큼 충분하다. 기판은 이 공정을 향상시키기 위해 가열될 수 있다. 압력 롤러는 마킹 재료를 기판에 냉각-융합(cold-fuse)시키는 데 사용될 수 있다. 부유물의 상 변화(고체-액체-고체)는 다른 방식으로 사용될 수 있다. 입자 경로의 가열 와이어는 초기 상변화를 달성하는 한가지 방법이다. 다른 방안으로, 추진체 온도는 이러한 결과를 달성할 수 있다. 한 실시예에서, 레이저는 최초 상변화를 달성하기 위해 부유상태에 있는 미립자 재료를 가열 및 용해시키는 데 사용할 수 있다. 용해 및 융합과정은 정전기를 이용할 수 있다(즉, 용해 및 융합시키기 위해 많은 시간을 소비할 수 있는 소정의 위치에서 최종적인 소정 위치로 미립자 재료를 유지할 수 있다). 미립자의 타입은 후 분사 조절을 규정한다. 예를 들어, UV 경화성 재료는 부유 상태 또는 재료 유지 기판에 위치할 때, UV 방사선을 적용함으로써 경화될 수 있다.

추진체는 채널을 통해서 연속으로 유동할 수 있기 때문에, 재료가 축적되어 채널이 막히는 것이 감소되거나 또는 제거된다(추진체는 효과적이고 연속적으로 채널을 청소한다). 또한, 시스템을 사용하지 않을 때, 주위환경으로부터 채널을 격리시키는 밀폐구조를 제공할 수 있다. 다른 방안으로, 프린트 헤드 및 기판 지지부(즉, 압반)를 물리적으로 접촉하게 하여 채널을 밀폐하는 효과를 얻을 수 있다. 최초 및 최종 세척 사이클은 프린트 시스템을 작동하도록 설계되어서 채널의 세척작업을 최적화할 수 있다. 시스템으로부터 세척된 폐기 재료는 세척 스테이션에서 증착될 수 있다. 그러나, 오리피스에 대하여 밀폐구조를 결합하여서 추진체 스트림을 포트를 통해서 저장소 안으로 다시 지향시킴으로써 포트를 세척할 수 있다.

따라서, 본 발명과 그 여러 실시예는 상기 기술된 많은 장점 뿐 아니라 하기에 기술되는 추가 장점을 제공한다.

여러 도면에서 유사 요소에 대하여 부호를 지정한 첨부된 도면 및 하기 상세한 설명을 참고하여, 본 발명 및 그 장점들을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.

도 1에는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄도 에어로졸 마킹 장치(10)의 개략도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 마킹 장치(10)는 추진체(14)가 공급되는 하나 이상의 분사기(12)로 구성된다. 제어부(20)의 제어 동작에 따라 운송부(18)에 의해서 운반되는 마킹 재료(16)가 분사기(12) 내에 도입된다. (선택 요소는 점선으로 표시된다.) 마킹 재료는 제어부(22)의 제어 동작에 따라, 계측 수단(21)에 의해서 분사기 안으로 계측되면서 공급된다(즉, 제어되면서 도입된다). 분사기(12)에 의해서 분사된 마킹 재료는 마킹 장치(10)의 선택 부품인, 후 분사 조절부(23)에 종속될 수 있으며, 이러한 각 요소들은 하기에 더욱 상세히 기술된다. 마킹 장치(10)가, 예를 들어, 컴퓨터 네트워크, 퍼스널 컴퓨터 또는 그 유사물에 공통으로 부착된 타입의 프린터, 팩시밀리, 서류 복사기, 라벨 장치 또는 다른 다양한 마킹 장치의 부품을 형성할 수 있다는 사실을 이해할 수 있다.

도 1에 도시된 실시예는 도 2의 절단 측면도에 도시된 타입의 탄도 에어로졸 마킹 장치(24)에 의해서 실현될 수 있다. 상기 실시예에 따른 증착 재료는, 예를 들어, 부가로 기술된 타입의 청록색(C), 자홍색(M), 노란색(Y), 검정색(K)의 컬러 토너이고, 이것은 동시에 증착될 수 있고, 연속으로 또는 다른 방식으로 혼합 또는 비혼합될 수 있다. 도 2와 관련된 설명을 토대로, 4 색상(한 시기에 한 색상 또는 그 혼합 색상)을 갖는 마킹 장치와, 더욱 적은 수의 색상 또는 더욱 많은 수의 색상을 갖는 마킹 장치, 마킹 재료 미립자를 고착시키는 표면을 만드는 재료와 같은 다른 또는 추가 재료(또는 다른 기판 표면 예비처리)와, [매트, 새틴(satin) 또는 광택 다듬질 또는 다른 기판 표면 후 처리와 같은] 소정의 기판 다듬질 품질과, 육안으로는 볼 수 없는 재료(마그네틱 미립자, 자외선 형광 미립자 등) 또는 마킹된 기판과 연관된 다른 재료를 본원에서 명확하게 숙고할 수 있다.

장치(24)는 증착되는 재료를 수용하기 위해, 복수의 캐비티[28C,28M,28Y,28K; 집합적으로 캐비티(28)로 기술됨]가 형성된 몸체(26)로 구성되고, 추진체 캐비티(30)도 역시 상기 몸체(26)에 형성될 수 있다. 추진체 캐비티(30)를 압축기, 추진체 저장소 또는 그 유사물과 같은 추진체 소스(33)에 연결하기 위해, 기구류(32)가 제공될 수 있다. 몸체(26)는 다른 층으로 구성된 프린트 헤드(34)와, 기판(36) 및 채널층(37)에 접속될 수 있다.

도 3에는 마킹 장치(24)의 일부 절단면이 도시되어 있다. 각 캐비티(28)는 몸체(26)와 인접하는 채널(46)과 상기 캐비티 사이에 교통 수단을 제공하는 원형, 타원형 사각형 또는 다른 절단면의 각 포트[42C,42M,42Y,42K; 집합적으로 포트(42)로 기술됨]를 포함한다. 도시된 포트(42)는 채널(46)의 종축선에 대략 수직하는 종축선을 갖는다. 그러나, 포트(42)와 채널(46)의 종축선 사이의 각도는 본 발명의 시스템의 특수한 적용상황에서는 그에 적합하게 90 도가 아닐 수 있다.

마찬가지로, 추진체 캐비티(30)는 추진체가 이동할 수 있는 상기 캐비티와 채널(46) 사이에서 원형, 타원형, 직사각형 또는 다른 횡단면의 포트(44)를 포함한다. 다른 방안으로, 프린트 헤드(34)는 추진체를 채널(46) 안으로 도입할 목적으로, 채널층(37)의 포트(44') 또는 기판(36)의 포트(44')를 구비할 수 있고 또는 그 연합체를 구비할 수 있다. 하기에 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 마킹 재료는 캐비티(28)로부터 포트(42)를 통과하여 채널(46)을 통해서 흐르는 추진체 스트림으로 유동하도록 야기된다. 마킹 재료와 추진체는 도 2에 도시된 바와 같이, 압반(40)에 의해서 지지된 기판(38), 예를 들어, 용지를 향하여 화살표 A 방향으로 지향된다.

본 출원인은 본원에서 기술된 다수의 형태를 사용하는 프린트 헤드로부터 추진체 마킹 재료 유동 패턴을 나타내고, 상기 다수의 형태는 일 밀리미터와 수 밀리미터 사이의 차례로 최적의 프린트 간격으로, 10 밀리미터까지의 간격을 위해 상대적으로 평행하게 되어 있다. 예를 들어, 프린트 헤드는 적어도 4 배의 출구 오리피스 폭의 간격에 대해서 출구 오리피스의 폭으로부터 양호하게는 10 퍼센트와 20 퍼센트 사이 이상 만큼의 편차없이 마킹 재료 스트림을 생산한다. 그러나, 프린트 헤드와 기판 사이의 적당한 간격은 많은 파라미터들의 함수이고 그 자체로 본 발명의 일부를 구성하지는 않는다.

본 발명의 한 실시예에 따라, 프린트 헤드(34)는 채널(46)로 형성된 채널층(37)과 기판(36)으로 구성된다. 절연층, 캡핑층(capping layer) 등과 같은 다른 층도 역시 프린트 헤드(34)의 일부를 구성할 수 있다. 기판(36)은 유리, 세 라믹 등과 같은 적당한 재료로 형성되고, 이 재료 위에 (직접 또는 간접적으로) 두꺼우면서 영구적인 포토레지스트(즉, 액체 감광성 에폭시) 및/또는 건성막을 기초로 한 포토레지스트와 같은 상대적으로 두꺼운 재료가 형성되며, 상기 포토레지스트들은 에칭되고, 가공될 수 있으며, 다른 방안으로 하기 기술되는 형태들을 갖는 채널이 형성될 수 있다.

한 실시예에서 프린트 헤드(34)의 절단 평면도인 도 4에 있어서, 채널(46)은 제 1 기부 단부에서 추진체 수용 영역(47)과, 인접 수렴 영역(48)과, 발산 영역(50) 및 마킹 재료 분사 영역(52)을 갖도록 형성된다. 수렴 영역(48)과 발산 영역(50) 사이의 변화 지점은 목부분(53)과 수렴 영역(48) 및 발산 영역(50)에 속하고, 목부분(53)은 집합적으로 노즐에 속한다. 그러한 채널의 일반적인 형태는 가끔 드 라발 팽창 파이프(de Laval expansion pipe)로 설명된다. 출구 오리피스(56)는 채널(46)의 말단 단부에 위치한다.

도 3과 도 4에 도시된 본 발명의 한 실시예에서, 영역(48)은 도 4의 평면에서는 수렴하지만 도 3의 평면에서는 수렴하지 않으며, 마찬가지로, 영역(50)은 도 4의 평면에서는 발산하지만, 도 3의 평면에서는 발산하지 않으며, 통상적으로, 이것은 출구 오리피스(56)의 횡단면 형태를 결정한다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 오리피스(56)의 형태는 도 3과 도 4에 도시된 장치에 대응한다. 그러나, 채널은 본 발명의 적용방법 및 제조에 의해서 결정될 수 있는 바와 같이, 상기 영역들이 도 3에서 수렴/발산하지만, 도 4의 평면(도 5b에 도시된)에서는 수렴/발산하지 않거나 또는, 도 3과 도 4의 양 평면(도 5c에 도시된)에서, 또는 어떤 다른 평면 또 는 세트로된 평면, 또는 모든 평면(도 6a 내지 도 6c에 도시된 보기)에서 수렴/발산하도록 제조될 수 있다.

다른 실시예에서, 도 7에 도시된 채널(46)은 수렴 영역 및 발산 영역을 구비하지 않지만, 그 축선을 따라서 균일한 횡단면을 가지며, 이 횡단면은 본 발명의 제조 및 적용방법에 의해서 결정될 수 있는 바와 같이, 직사각형, 사각형(도 8a에 도시된),타원형 또는 원형(도 8b에 도시된) 또는 다른 횡단면(도 8c와 도 8d에 도시된)일 수 있다.

도 3에 있어서, 추진체는 채널(46)의 긴축선 방향에 대략 수직하는 추진체 캐비티(30)로부터 포트(44)를 통해서 채널(46)로 들어간다. 다른 실시예에 따라서, 추진체는, 예를 들어, 포트(44'또는 44") 또는 도시생략된 다른 방법에 의해서 채널(46)의 긴축선 방향에 평행한 채널로 들어간다. 추진체는 마킹 장치가 작동 상태(즉, "출력" 또는 마킹할 준비가 된 유사 상태)에 있는 동안 채널을 통해서 연속으로 유동할 수 있으며, 또는 본 발명의 특수 적용상황에 의해서 지시되는 바와 같이, 단지 마킹 재료가 분사될 때, 추진체가 채널을 통과하도록 조절될 수 있다. 이와 같은 추진체의 조절과정은, 예를 들어, 압축기를 작동 및 작동중지시킴으로써, 또는 추진체를 발생시키도록 설계된 화학 반응을 선택적으로 개시함으로써, 또는 도시생략된 다른 수단에 의해서 추진체의 발생을 조절함으로써 달성될 수 있고 추진체 소스(33)와 채널(46) 사이에 놓여진 밸브(31)에 의해서 달성될 수 있다.

마킹 재료는 마킹 재료 분사 영역(52)에 위치한 하나 이상의 포트(42)를 통해서 채널로 제어가능하게 들어갈 수 있다. 즉, 사용중에, 추진체 스트림 안으로 도입된 마킹 재료의 양이 "0"으로부터 스폿에 대한 최대값까지 조절될 수 있다. 추진체와 마킹 재료는 채널(46)의 기부 단부로부터 출구 오리피스(56)이 위치한 채널(46)의 말단 단부까지 이동한다.

프린트 헤드(34)는 넓은 다양한 방법들 중에서 한 방법에 의해서 형성될 수 있다. 한 보기로서, 도 41a 내지 도 41c와 도 42a 내지 도 42c에는, 프린트 헤드(34)가 다음과 같이 제조될 수 있다. 초기에는, 예를 들어, 유리와 같은 절연 기판 또는 실리콘과 같은 반절연 기판 또는 절연층으로 코팅된 다른 방식의 기판이 세척되고 리소그라피를 위해 준비된다. 하나 이상의 금속 전극(54)이 형성되어서 채널(46)의 바닥부를 형성하는 기판(38)의 제 1 면에 적용될 수 있으며, 이 공정은 도 41a에 도시되어 있다.

다음, 비록 층(310)은 다른 방식으로 적층될 수 있지만, 두꺼운 포토레지스트는 통상적으로 스핀 온 공정(spin-on process)에 의해서 거의 전체 기판에 걸쳐 코팅된다. 층(310)은 상대적으로 상당히 두꺼우며, 예를 들어, 100 ㎛ 또는 이 보다 더 두꺼울 수 있으며, 이것은 도 41b에 도시된다. 리소그라피, 이온 밀링(ion milling) 등과 같은 널리 공지된 공정은 채널(46)을 양호하게는, 수렴 영역(48)과, 발산 영역(50) 및 목부분(53)을 갖는 층(310)에 형성하는 데 사용된다. 이 지점의 구조는 도 41c에 평면도로 도시된다.

이 지점에서, 한 다른 방안은 추진체 수용 영역(47)에서 기판을 통과하는 추진체에 대한 입구(44';도 3에 도시됨)를 가공하는 것이며, 이것은 다이아몬드 드릴, 초음파 드릴, 또는 선별된 기판 재료의 기능으로서 당기술에 널리 공지된 다른 기술에 의해서 달성될 수 있다. 다른 방안으로, 추진체 입구(44"; 도 3에 도시됨)는 층(310)에 형성될 수 있다. 그러나, 추진체 입구(44)는 하기 기술되는 바와 같이, 차후에 적용된 층에 형성될 수 있다.

포토레지스트(312)의 상대적으로 두꺼운 다른 층 또는 유사 재료는 층(310)의 상부에 직접 적용된다. 층(312)은 양호하게는 100㎛ 두께 또는 더 두꺼운 두께이고, 비록 다른 방안으로는 스핀되거나 다르게 증착될 수 있지만, 양호하게는 적층으로 적용된다. 층(312)은 다른 방안으로는 유리 또는 층(310)에 결합된 다른 적당한 재료일 수 있다. 이 지점에서의 구조는 도 42a에 도시된다.

층(312)은 그 다음, 예를 들어, 포토리소그라피, 이온 밀링 등에 의해서 패턴되어서 포트(42,44)를 형성한다. 또한, 층(312)은 가공되거나 또는 당기술에 공지된 방법에 의하여 다르게 패턴될 수 있다. 이 지점의 구조는 도 42b에 도시되어 있다.

상기 구성의 한 다른 방안은, 예를 들어, 포토리소그라피, 이온 밀링 등에 의해서 기판에 직접 채널(46)을 형성하는 것이다. 층(312)은 상기 기술된 바와 같이 적용될 수 있다. 또 다른 방안은 아크릴 또는 유사한 주조성 재료 및/또는 가공성 재료로써 그 내부에 주조되거나 또는 가공된 채널(46)로 프린트 헤드를 형성하는 것이다. 또한, 층(312)은 본 실시예에서 적당한 수단에 의해서 구조의 잔여부분에 결합된 유사 재료일 수 있다.

상기 구성의 보충 방안은 층(310)에 대해서 다른 층(312)을 적용하기 전에 층(312) 위에서 평면 구성으로 직사각형, 환형(도시됨) 또는 다른 형태일 수 있는 전극(314,315)을 예비형성하는 것이다. 이 실시예에서, 포트(42)와 가능한 포트(44)는 층(312)을 적용하기 전에 예비형성된다. 전극(314)은 스퍼터링, 리프트-오프(lift-off), 또는 다른 기술로써 형성될 수 있고, 알루미늄 또는 그 유사물과 같은 어떤 적당한 금속일 수 있다. 유전체층(316)은 전극(314)을 보호하기 위해서 적용되어서 평탄한 상부면(318)을 제공할 수 있다. 제 2 유전체층(도시생략)은 전극(315)을 유사한 방식으로 보호하도록 층(312)의 하부면(319)에 유사한 방식으로 적용되어서 평탄한 하부면을 제공할 수 있다. 이 실시예의 구조는 도 42c에 도시되어 있다.

도 4 내지 도 8은 그 안에 한 채널을 갖는 프린트 헤드(34)를 도시하지만, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 임의의 갯수의 채널을 가질 수 있으며, 하나 또는 여러 채널을 갖는 수백 마이크로미터로부터 수천의 채널을 갖는 페이지-폭(즉, 8.5 인치 이상)까지의 범위를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 각 출구 오리피스(56)의 폭(W)은 250 ㎛ 또는 더 작은 범위, 양호하게는 100㎛ 또는 그 이하 범위일 수 있다. 인접 출구 오리피스(56) 사이의 피치(P) 또는 에지와 에지의 간격은 250㎛ 또는 그 이하, 양호하게는 도 9a의 단부도에 도시된 비파상 배치 어레이(non-staggered array)에서 100㎛ 또는 그 이하의 범위일 수 있다. 도 9b에 도시된 타입의 2차원 파상 배치 어레이에서, 피치는 더욱 감소될 수 있다. 예를 들어, 표 1은 비파상 배치 어레이의 다른 해상도에 대한 통상의 피치 및 폭의 크기를 표시한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 프린트 헤드에 있는 채널의 넓은 어레이는 연속 캐비티(28) 옆에 있는 마킹 재료와, 각 채널(46)과 연관된 포트(42)를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 연속 추진체 캐비티(30)는 관련 포트(44)를 통해서 각 채널(46)을 보조할 수 있다. 포트(42)는 도 11a에 도시된 바와 같이, 캐비티에서 불연속 개방부일 수 있고, 또는 도 11b에 도시된 바와 같이, 전체 어레이를 가로질러 연장하는 연속 개방부(43)[한 개방부(43C)로 도시됨]에 의해서 형성될 수 있다.

채널(46)의 어레이에서, 각 채널은 동일한 또는 거의 동일한 추진체 속도를 얻기 위해서 비슷한 크기 및 횡단면 프로파일을 가질 수 있다. 다른 방안으로, 선별된 하나 이상의 채널(46)은 다른 추진체 속도를 갖는 채널을 제공하기 위해 다른 크기 및/또는 다른 횡단면 프로파일(또는 선택적으로 적용된 코팅 또는 그 유사물과 같은 다른 수단에 의해서)을 갖도록 제조될 수 있으며, 이것은 상당히 다른 질량을 갖는 다른 마킹 재료를 사용하려고 시도할 때와, 마킹 재료와 다른 기판 처리의 공동 적용상황(co-application)에서 다른 마킹 효과를 얻으려고 시도할 때, 유리하다는 것이 입증될 수 있으며, 또는 본 발명의 특수한 적용상황에서 유리하다는 것이 입증되었다.

도 12a와 도 12b에 도시된 실시예에 따른, 장치(24)는 클립, 죔쇠, 고리수단(catches) 또는 당기술에 널리 공지된 다른 유지수단과 같은 작동가능한 수단으로 장치(24)에서 유지된 교체할 수 있게 제거가능한 몸체(60)를 포함한다. 도 12a에 도시된 실시예에서, 몸체(60)는 프린트 헤드(34)와 장치(24)의 다른 구성요소로부터 제거할 수 있다. 도 12b에 도시된 실시예에서, 몸체(60)와 프린트 헤드(34)는 장치(24)의 설치 영역(64)으로부터 교체가능하게 제거할 수 있는 유닛을 형성한다. 도 12a 또는 도 12b의 어느 한 실시예에서, 관련 몸체(60)에 의해서 또는 이 몸체로 이송되는 다른 장치 및 전극들을 제어하기 위해 몸체(60)와 장치(24) 사이에 전기 접촉점이 제공될 수 있다.

각 경우에, 몸체(60)는 배치가능한 카트리지 운송 마킹 재료와 추진체일 수 있다. 다른 방안으로, 마킹 재료 및/또는 추진체 캐비티(28,30)는 재충전될 수 있다. 예를 들어, 개방부(29C,29M,29Y,29K)는 마킹 재료를 각 캐비티 안으로 도입하기 위해 제공될 수 있으며, 또한 캐비티(30)는 몸체(60)에 영구적으로 교체가능하게 제거할 수 있거나 또는 재충전가능한 고체 이산화탄소(CO₂), 압축된 가스 카트리지(CO₂와 같은), 화학 반응체 등과 같은 추진체 소스(62)를 유지할 수 있다. 다른 방안으로, 캐비티(30)는 가압 추진체를 발생하기 위한 컴팩트한 압축기 또는 유사 수단을 유지할 수 있다. 또 다른 방안으로, 추진체 소스는 몸체(60)로부터 독립적이고 개별적으로 제거가능하게 교체될 수 있다. 또한, 장치(24)는 몸체(60)가 단지 캐비티(28)와 연관 구성요소를 유지하는 경우에, 압축기, 화학 반응실 등과 같이. 추진체 발생수단을 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 마킹 재료를 갖는 기판의 마킹작업에 관련된 공정(70)은 도 13에 도시된 단계에 따른다. 단계(72)에 따라, 추진체는 채널에 공급된다. 마킹 재료는 다음 단계(74)에서 채널 안으로 계측되며 들어간다. 채널이 다수의 마킹 재료를 기판에 제공할 경우, 마킹 재료는 마킹 재료 혼합물을 기판에 공급하기 위해 단계(76)에서 채널에서 혼합될 수 있다. 이 공정에 의해서, 컬러 인쇄정합(color registration)에 대한 필요성이 없이 원-패스 컬러 마킹(one-pass color marking)이 얻어질 수 있다. 원-패스 컬러 마킹에 대한 다른 방안은 프린트 헤드(34)와 기판(38) 사이에 일정한 인쇄정합을 유지하는 동안 다수의 마킹 재료를 연속으로 도입하는 것이다. 모든 마킹 작업이 다수의 마킹 재료로 구성되는 것은 아니기 때문에, 이 단계는 점선 화살표(78)로 표시한 바와 같이 선택적이다. 단계(80)에서, 마킹 재료는 기판에 도달하도록, 채널의 말단 단부의 출구 오리피스로부터 충분한 에너지로써 기판을 향해서 분사된다. 공정은 화살표(83)에 표시한 바와 같이, 프린트 헤드를 재인쇄정합(reregistering)하는 것으로 반복될 수 있다. 단계(82)에서, 마킹 재료의 융합, 건조 등과 같은 적당한 후 분사 처리가 점선 화살표(84)에 표시된 바와 같이, 선택적으로 실행된다. 각 단계는 하기에 더욱 상세히 기술될 것이다.

상기 기술된 바와 같이, 추진체의 역할은 마킹 재료가 적어도 기판에 충돌할 수 있는 운동 에너지를 상기 마킹 재료에 부여하는 것이다. 추진체는 프린트 헤드, 카트리지 또는 마킹 장치(24)의 다른 요소로부터 분리된 또는 상기 요소들과 연관된, 압축기, 충전가능한 또는 충전가능하지 않은 저장소, 재료의 상 변화(즉, 고체에서 기체 상태의 CO₂), 화학 반응에 의해서 공급될 수 있다. 어떤 경우에, 추진체는 원칙적으로 마킹 재료에 의해서 기판의 마킹작업이 방해를 받지 않도록 또한 채널의 막힘(clogging)을 발생시키거나 유발하지 않도록 건조시켜서 오염물질을 제거해야 한다. 따라서, 추진체 소스와 채널 사이에는 적당한 건조기 및/또는 필터(도시생략)가 제공될 수 있다.

한 실시예에서, 추진체는 널리 공지된 타입의 압축기에 의해서 공급되고, 이 압축기는 이상적으로는 신속하게 작동되어서 안정된 상태의 압력 또는 추진체를 제공한다. 그러나, 작동 압력 및 속도에서 단지 추진체만 채널(46) 안으로 들어가도록, 압축기와 채널 사이에서 밸브를 사용하는 것이 유리하다.

이러한 실시예는 채널을 외부 압축기 또는 유사한 외부 추진체 소스에 연결하는 것을 고려하지만, 추진체가 장치(24)에 의해서 자체적으로 발생되는 필요성이 상존할 수 있다. 사실, 컴팩트한 데스크-탑 형식의 장치에 대해서는 컴팩트한 추진체 소스를 사용해야 하고, 한 접근 방안은 장치에서 공통적으로 사용가능한 교체성 CO₂ 카트리지를 사용한다. 그러나, 이러한 카트리지는 상대적으로 작은 체적의 추진체를 공급하고 자주 교체하는 것을 필요로 한다. 더욱 가압된 추진체 용기를 제공할 수 있지만, 장치의 크기는 추진체 용기의 크기를 제한한다. 따라서, 내장형의 물리적으로 작은 추진체 발생 유닛이 사용된다. 본 실시예에 따라서, 그 다음 교체가능한 결합된 추진체와 마킹 재료 카트리지를 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 반응에 의해서 추진체가 공급된다. 이 실시예의 한 목표는, 예를 들어, 추진체 캐비티(30) 내에서 포함될 수 있는 형식의 컴팩트한 추진체 소스를 제공하는 것이다. 액체 또는 고체 화학물 또는 합성물의 많은 자생 반응 또는 비자생 반응이 있으며, 그에 따라서 상대적으로 컴팩트하게 되어 가스를 생산한다. 가장 단순한 구성에서, 반응물은 끊는 점 이상으로 가열되어서 기체 상태의 재료를 생산한다. 반응 또는 변화가 한정된 체적에서 발생할 때, 체적 내에서 압력 변화가 발생한다. 밀폐된 체적에 대해서, 반응물의 종류는 다음과 같다:

여기서, R은 반응물, P1과 P2는 압력이고, P2는 P1 보다 크다. 이것을 달성하기 위해, 가열 요소(87; 도 3에 도시된 필라멘트와 같음)는 추진체 캐비티(30; 또는 다른 반응물을 수용하는 용적)를 구비할 수 있다.

이것의 변경예는 다음과 같이 가열되어 활성화될 수 있는 비자생 다중 반응 시스템이다:

여기서, R₁ 내지 R…은 반응물이고, 다시 P2는 P1 보다 훨씬 크다.

그러나, 가열된 추진체를 제공하여 마킹 재료에 미칠 수 있는 영향들(즉, 채널의 막힘을 유발하는 채널 내에서 융합되는 것)을 피하기 위해, 다음과 같이 증가된 열에 더욱 작게 의존하는 반응(전체적으로 발열성이 아님)을 사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다:

이러한 반응은 실온에서의 상 변화(즉, 고체에서 기체 상태의 CO₂)에서 발생할 수 있으며, 또는

기체 상태의 추진체를 생산하기 위해 사용될 수 있는 당기술에서 공지된 많은 반응물이 있다.

일반적으로, 장치가 켜지고 꺼지는 것을 허용하는 방안으로서 임의의 시간에 반응을 시작하고 종결할 수 있다는 점에서, 반응이 조절될 수 있다. 다른 방안으로, 추진체의 유동을 조절하는 밸브를 통해서 채널(46)과 교통하는 추진체 캐비티에서 반응이 일어날 수 있다. 일반적으로, 이 실시예에서, 추진체를 선택된 작동 압력으로 조절하기 위해 밸브를 제공할 필요성이 있다.

추진체가 제공되어야 하는 속도 및 압력은 하기 기술된 바와 같이, 마킹 장치의 실시예에 좌우된다. 일반적으로, 적당한 추진체의 보기는 CO₂, 깨끗하고 건조한 공기, N₂, 기체 상태의 반응 생성물 등을 포함한다. 양호하게는, 추진체는 비독성이어야 한다(비록, 어떤 실시예에서, 특수한 챔버 또는 그 유사물에 포위된 장치 와 같이, 더 넓은 범위의 추진체가 허용될 수 있다). 양호하게는, 추진체는 실온에서 기체 상태이어야 하지만, 높은 온도에서의 기체는 적당한 실시예에서 사용될 수 있다.

그러나, 발생되거나 또는 제공된 추진체는 채널(46)로 들어가서 채널을 종방향으로 이동하여 출구 오리피스(56)에서 빠져 나온다. 채널(46)은 출구 오리피스(56)를 나오는 추진체 스트림이 기판을 향해 지향되도록 방향 설정된다.

본 발명의 한 실시예에 따라 고체의, 미립자 마킹 재료는 기판을 마킹하는 데 이용된다. 마킹 재료 미립자는 0.5 내지 10.0㎛의 범위이며, 양호하게는 1 내지 5㎛의 범위에 있지만, 이 범위의 외경 크기는 특정 적용상황에서 역할을 할 수 있다(즉, 미립자들이 더 크거나 또는 더 작은 포트 및 채널을 통해서 이동해야 한다).

고체의, 미립자 마킹 재료를 사용하면 여러 장점이 있다. 첫째, 예를 들어, 액체 잉크와 비교할 때 채널의 막힘이 최소로 감소된다. 둘째, 마킹 재료/기판 상호작용 뿐 아니라 기판에서 마킹 재료의 위킹(wicking) 및 이동이 감소되거나 없어질 수 있다. 셋째, 출구 오리피스에서 표면 장력 영향에 의해서 유발된 액체 마킹 재료와 직면하는 스폿 위치 문제점들은 없어진다. 넷째, 표면 장력에 의해서 보유되는 가스 버블에 의해서 차단된 채널이 제거된다. 다섯째, 다중 마킹 재료(즉, 여러 색상의 토너)는 차후 마킹작업을 위해서 채널을 오염시킬 염려없이, 싱글 패스의 다중 재료 마킹작업을 위해서 혼합되어 채널로 도입될 수 있다. 그에 의해서, 인쇄정합 오버헤드(registration overhead)가 제거된다. 여섯째, 듀티 사이클(duty cycle)의 채널 재충전부(TIJ 듀티 사이클의 80％까지) 제거된다. 일곱째, 액체 마킹 재료가 건조될 필요성을 바탕으로 기판 생산량을 제한할 필요가 없다.

그러나, 건조한 미립자 마킹 재료의 장점에도 불구하고, 액체 마킹 재료를 사용하거나 또는 액체 및 건조 마킹 재료를 혼합하는 것이 유리한 어떤 적용상황이 있을 수 있다. 그 보기에서, 본 발명은 액체 마킹 재료를 고체 마킹 재료로 간단히 대체하여 사용될 수 있고 적당한 방법 및 장치가, 예를 들어, 계측 장치(metering device)로 대체될 수 있음은 당기술에 숙련된 기술자 또는 본원에 기술된 내용으로 명백하다.

본 발명의 어떤 적용상황에서, 기판 표면의 예비마킹 처리를 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 바람직한 스폿 위치에서 미립자 마킹 재료의 융합과정을 돕기 위해서, 미립자 마킹재료를 보유하도록 구성된 고착층으로 기판 표면을 먼저 코팅하는 것이 양호할 수 있다. 그러한 재료의 보기는 호모폴리머(homopolymers), 랜덤 공중합체(random copolymers) 또는 낮은 끓는 점 용매에서 중합체가 용해되어 있는 중합체 용액과 같이 기판에 적용되는 블록 공중합체와 같이 맑은 및/또는 무색의 중합체 재료를 포함한다. 고착층은 1 내지 10 미크론의 두께 또는 양호하게는 5 내지 10 미크론의 두께 범위에서 기판에 적용된다. 그러한 재료의 보기는 리니어 또는 브랜치의 폴리에스테르 수지, 폴리(스티렌) 호모폴리머, 폴리(아크릴레이트)와 폴리(메타크릴레이트) 호모폴리머 및 그 혼합물, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트 또는 부타디엔 모너머(단량체;monomer) 및 그 혼합물을 갖는 스티렌 모너머의 랜덤 공중합체, 폴리비닐 아세탈, 폴리(비닐 알콜), 비닐 알콜-비닐 아세탈 공중합체, 폴리카보네이트 및 그 혼합물등이다. 이 표면 예비 처리는 프린트 헤드의 리딩 에지(leading edge)에 위치하며 본원에 기술된 형식의 채널로부터 적용될 수 있고, 그에 의해서 단일 패스로 예비처리와 마킹 재료를 모두 적용할 수 있다. 다른 방안으로, 전체 기판은 예비처리 재료로 코팅될 수 있으며, 그 다음 본원에서 다르게 기술된 바와 같이 마킹될 수 있다. 또한, 어떤 적용상황에서 본원에 기재된 바와 같이, 부유상태에서 재료를 혼합하는 것과 같이, 마킹 재료와 예비처리 재료를 동시에 적용하는 것이 바람직할 수 있다.

유사하게, 본 발명의 어떤 적용상황에서 기판의 표면에 후-마킹 처리를 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 마킹된 기판 또는 모든 마킹된 기판에 광택 마무리를 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 한 보기에서, 기판은 본원에서 다른 방법으로 기술한 바와 같이, 텍스트와 도시영역에 모두 포함되는 마킹작업이 실행되고, 마킹된 기판의 도시영역에 광택 마무리를 선택적으로 적용하는 것이 바람직할 수 있으며, 이것은 프린트 헤드의 트레일링 에지(trailing edge)에서 채널로부터 후-마킹 처리를 적용함으로써, 달성될 수 있고 그에 의해서 원-패스 마킹과 후-마킹 처리를 할 수 있다. 다른 방안으로, 전체 기판은 적당하게 마킹될 수 있고, 그 다음 후-마킹 처리를 적용하기 위해 본 발명에 따른 마킹 장치를 통과할 수 있다. 또한, 어떤 적용상황에서, 본원에서 부가로 설명된 바와 같이, 재료를 부유상태에서 혼합함으로써, 마킹 재료와 후-처리 재료를 동시에 적용할 수 있다. 바람직한 표면 다듬질을 얻기 위한 재료들의 보기는 리니어 또는 브랜치의 폴리에스테르 수지, 폴리(스티렌) 호모폴리머, 폴리(아크릴레이트)와 폴리(메타크릴레이트) 호모폴리머 및 그 혼합물, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트 또는 부타디엔 모너머(단량체;monomer) 및 그 혼합물을 갖는 스티렌 모너머의 랜덤 공중합체, 폴리비닐 아세탈, 폴리(비닐 알콜), 비닐 알콜-비닐 아세탈 공중합체, 폴리카보네이트 및 그 혼합물 등이다.

다른 전-마킹 처리와 후-마킹 처리는 기판 또는 표면 조직 코팅[즉, 임의의 거친 또는 매끄러운 기판을 가장하기 위해, 엠보싱(embossing) 효과를 창조하는]과, 기판에서 물리적 반응 또는 화학적 반응을 갖도록 디자인된 재료[즉, 마킹 재료를 기판에 부착하기 위해서 기판에 결합될 때, 경화되거나 또는 반응을 일으키는 두 재료] 등을 포함한다. 다르게 주의하지 않는다면 또는 당기술에 숙련된 기술자에게 명백한 바와 같이, 마킹 재료를 이송, 계측, 저장하는 장치 및 방법에 관한 참고사항이 전 마킹 처리 재료와 후 마킹 처리 재료(일반적으로, 다른 비마킹 재료)에 적용될 수 있다는 것을 주목해야 한다.

언급된 바와 같이, 마킹 재료는 고체 미립자 재료 또는 액체 미립자 재료일 수 있다. 그러나, 이 세트 내에서 여러 다른 방안이 있다. 예를 들어, 고체 미립자들의 단순한 집합과는 별도로, 고체 마킹 재료는 가스 또는 액체 캐리어에서 부유될 수 있다. 다른 보기는 다중 위상의 재료를 포함한다. 도 34에 있어서, 그러한 재료에서 고체 마킹 재료 미립자(286)는 액체 캐리어 매체(288)의 분리된 덩어리로 부유될 수 있다. 결합된 매체와 포위 캐리어는 캐리어 매체의 풀(290;pool)에 위치할 수 있다. 캐리어 매체는 마킹 재료에 액체 유동성을 부여하는 무색의 유전체일 수 있으며, 고체 마킹 재료 미립자(286)는 1 내지 2㎛이고 순수전하(net charge)를 가질 수 있다. 하기 기술된 공정을 통해서, 대전된 마킹 재료 미립자(286)는 인접 포트(294)에 위치한 적당한 전극(292)에 의해서 발생되어서 채널(296) 안으로 지향된 자기장으로 유인될 수 있다. 보조 전극(298)은 마킹 재료 미립자(286)의 적출을 보조할 수 있으며, 매니스커스(300;meniscus)는 포트의 채널 측부에서 형성된다. 미립자(286)/캐리어(288) 결합이 매니스커스(300)를 통해서 당겨질 때, 표면 장력으로 인하여 미립자(286)가 미립자 표면에 있는 캐리어 매체의 박막으로부터 이격되게 캐리어 매체(288)로부터 당겨진다. 이 박막은 후-분사 조절(즉, 융합) 전에 미립자 위치에서 억류되는 것을 허용하면서, 특히 저속으로 미립자(286)가 대부분의 기판에 부착될 수 있게 한다는 점에서, 유리하게 사용될 수 있다.

마킹 공정에서 다음 단계는 추진체 스트림 안으로 들어가는 마킹 재료를 계측하는 것이다. 하기 기술에서는 마킹 재료를 계측하는 것을 검토하고 있지만, 전 마킹 처리 재료 및 후 마킹 처리 재료와 같은 다른 재료를 계측하는 단계도 검토할 수 있다는 것을 이해할 수 있으며, 참고적으로 마킹 재료를 집중으로 검토한 것은 단지 간단한 검토 작업을 위한 것이다. 계측단계는 본 발명의 여러 실시예중에서 한 실시예에 따라 실행될 수 있다.

마킹 재료를 계측하는 제 1 실시예에 따르면, 마킹 재료는 정전기 전하가 부여된 재료를 포함한다. 예를 들어, 마킹 재료는 전하 조준기(charge director)와 함께 바인더(binder)에서 부유된 안료를 포함할 수 있다. 전하 조준기는, 예를 들어, 도 3에 도시된 코로나[66C,66M,66Y 및 66K;집합적으로 코로나(66)로 기술됨]를 통해서 충전될 수 있다. 다른 방안은 캐비티(30)의 코로나(45)[또는, 포트(44)와 같은 다른 적당한 위치]를 통해서 추진체 가스를 처음으로 충전하는 것이다. 충전된 추진체는 유동층[86C,86M,86Y,86K;집합적으로 유동층(86)으로 기술되고, 하기에 더욱 상세하게 검토됨]을 발생시키고 마킹 재료에 전하를 부여하는 이중 목적을 위해 포트(42)를 통해서 캐비티(28) 안으로 들어가도록 구성될 수 있다. 다른 방안은 캐비티(28) 외부의 다른 수단 또는 다른 기구에 의한 마찰충전(tribocharging)과정을 포함한다.

도 3에 있어서, 각 포트(42)에 대향하는 채널(46)의 한 표면에는 전극[54C,54M,54Y,54K;집합적으로 전극(54)으로 기술됨]이 형성되고, 대응하는 반대 전극(55C,55M,55Y,55K;집합적으로 반대 전극(55)으로 기술됨]은 캐비티(28) 내에 형성된다[또는 포트(44)에서 또는 포트(44) 내의 다른 위치에서 형성된다]. 전기장이 전극(54)과 반대 전극(55)에 의해서 발생할 때, 충전된 마킹 재료는 전기장으로 당겨지고, 채널(46)에서 추진체 스트림에 대략 수직하는 방향으로 포트(42)를 통해서 캐비티(28)를 빠져 나온다. 거기에 적용된 전극과 전하의 형태 및 위치는 전기장의 강도를 결정하고 그에 따라서 마킹 재료가 추진체 스트림 안으로 분사되는 힘을 결정한다. 일반적으로, 마킹 재료가 추진체 스트림 안으로 분사되는 힘은 마킹 재료에 있는 추진체 스트림의 힘으로 제공된 추진력이 분사력을 극복하도록 채택되고, 채널의 추진체 스트림으로 들어가서 마킹 재료가 출구 오리피스(56)로부터 나와서 추진체 스트림과 함께 기판을 향하는 방향으로 이동한다.

전극(54)과 반대 전극(55)에 대한 다른 방안 또는 보충 방안으로서, 각 포트(42)는 정전기 게이트를 구비할 수 있다. 도 14a와 도 14b에서, 상기 게이트는 접촉층(91a,91b)을 통해서 조절가능하게 전환될 수 있는 전력 공급부에 접속된 포트(42)의 내경에서 두 부분 링 또는 밴드 전극(90a,90b)의 형태를 취한다. 링 전극에 의해 발생한 전기장은 충전된 마킹 재료를 당기거나 또는 밀어낼 수 있다. 층(91a,91b)은 개별 전극(90a,90b)의 매트릭스 어드레싱(matrix addressing)을 허용하도록 포토리소그래픽으로 또는 기계적으로 또는 다른 방식으로 패턴될 수 있다.

마킹 재료를 계측하는 단계를 제공하는 다른 실시예는 도 15에 도시되며, 이 실시예는 채널(46)의 추진체 유동방향에 대략 평행하게 연장되는 하나 이상의 패스 영역(136)으로 구성된다. 각 패스 영역(136)은 몸체(26;또는 적당한 상부층)와 층(138) 사이에서 이격층으로 작용하는 층(140)을 개재하며 형성된다. 각 층은 본 발명의 특정 출원서에서 규정되는 바와 같이, 적당한 두께를 갖는 에칭된 포토레지스트, 기계 플라스틱 또는 금속 또는 다른 재료일 수 있다. 패스 영역(136)은 길이가 (마킹 재료 이동 방향으로) 100㎛ 또는 그 이상일 수 있다. 대략 평행한 플레이트 전극(142,144)은 서로 대면하면서 몸체(26)와 층(138)의 표면에 있는 패스 영역(136)에 형성된다.

그러한 개방부의 어레이의 경우에 있어서, 매트릭스 어드레싱 구성이 사용되도록 허용하면서 횡렬 또는 종렬 라인중 하나에 의해서 어드레스된다. 전극은 마킹 재료를 계측하기 위해 정전기 게이트의 한 실시예를 형성한다.

일반적으로, 그러한 평행한 플레이트 전극의 경우는 도 15에 도시되며, 사용된 마킹 재료는 방전되거나 충전될 수 있다. 방전된 마킹 재료의 경우에서, 마킹 재료는 공기 및 추진체 보다 상당히 높은 허용성을 가져야 하며, 그러한 경우, 전극 쌍은 반대 전하(＋／－)를 가진다. 방전된 마킹 재료는 본질적으로 캐패시터를 형성하도록 함께 작용하는 평행한 플레이트 전극 사이에서 전기장에 의해서 극성을 갖게 된다. 마킹 재료는 전극 사이에 확립된 전기장에서[즉, 전극 사이의 에너지가 더욱 많은 위치에서] 양호하게 체류한다. 마킹 재료는 그에 의해서 포트를 통해서 이동하지 못한다. 전극에 전하가 공급되지 않을 때, 마킹 재료는 통상적으로 후방 압력(back pressure), 압력 폭발(pressure burst) 등에 의해서 포트를 통하여 추진체 스트림 안으로 이동할 수 있다. 마킹 재료가 축적되는 것을 피하기 위해 전극에 교류 전류가 적용될 수 있다.

충전된 마킹 재료의 경우에 있어서, 전극중 하나가 "온(on)" 상태에 있을 때, 마킹 재료를 끌어당겨서 마킹 재료가 추진체 스트림 안으로 들어가는 것을 방지한다. "오프(off)" 상태에 있을 때, 전극은 마킹 재료의 극성과 반대되는 전하 극성을 갖는 전극(54)과 같은 제 3 전극 또는 후방 압력, 압력 폭발을 통해서, 마킹 재료가 통과하여 추진체 스트림 안으로 들어갈 수 있게 한다. 마킹 재료의 극성 전하(양전하 또는 음전하)를 수용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 액체 마킹 재료는 소스로부터 분사됨으로써, 예를 들어, 음향 잉크 분사기에 의해서 계측되면서 추진체 스트림 안으로 들어간다. 도 16은 실시예의 간략한 도면을 도시하며, 도 16에 도시된 실시예(154)에 따라서, 채널(46)은 마킹 재료(156), 예를 들어, 액체 잉크와 같은 액체 마킹 재료의 풀 최상부면 위에 위치한다. 실시예(154)는 박막 ZnO 변환기와 같은, 평면형 압전 변환기(158)를 포함하며, 이 압전 변환기는 석영, 유리, 실리콘 등의 평탄한 음향 플레이트와 같은 적당한 음향 전도 기판의 후방 표면에 증착되거나 접착된다. 기판(160)의 대향 표면 또는 전방 표면이 그 위에 또는 그 내부에서 프레넬 렌즈, 구형 음향 렌즈 또는 다른 초점 렌즈(162)의 중심 위상 프로파일을 형성한다. 변환기(158)를 가로질러 rf 전압을 인가함으로써, 음향 비임이 발생하여 풀(156)의 표면에서 모아짐으로써, 풀로부터 방울(164)을 추진체 스트림 안으로 분사한다. 그레이스케일 제어(greyscale control)를 목적으로, 추진체 스트림 안으로 분사된 마킹 재료의 양은 짧게 연속으로 분사된 방울(164)의 크기와 수를 조절함으로써(음향 빔의 강도를 조절함으로써) 제어될 수 있다.

추진체 스트림 안으로 들어가는 액체 마킹 재료를 계측하기 위한 다른 실시예(166)에서, TIJ 장치(168)와 같은 잉크 제트 장치가 사용된다. 도 17은 이 실시예의 간략한 도면을 도시한다. 실시예(166)에 따른, TIJ 분사기(168)는 이 분사기(168)로부터의 마킹 재료의 분사동작이 채널(46)에 위치한 포트(172)와 정렬하도록 인접 채널(46)에 위치한다. 마킹 재료(170)는 캐비티(174)에 저장된 액체 잉크와 같은 액체 재료이며, 이 마킹 재료(170)는 가열 요소(176)와 접촉한다. 가열될 때, 가열 요소는 TIJ 장치(168) 내에 위치한 채널(179)로부터 밀쳐지는 버블(177)을 발생한다. 버블(177)의 동작은 조절된 마킹 재료의 양이 마킹 재료의 방울(181) 형태로 채널로부터 추진체 스트림 안으로 (다르게 널리 공지된 바와 같이) 밀쳐지게 한다. 이러한 복수의 TIJ 분사기는 종래 기술에 대해서 속도가 개선되고 그레이스케일과 다른 장점을 가지면서 기판을 마킹하는 장치 및 방법을 제공하기 위해서, 본 발명에 따른 단일 탄도 에어로졸 마킹 채널과 결합하여 사용될 수 있다.

액체 마킹 재료의 분사에 대한 많은 가능한 다른 실시예가 있지만, 상기 기술된 실시예는 상기 기술된 마킹 재료에 대해서 그 기능을 잘 수행할 수 있다는 사실을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 장치는 액체 매니스커스가 포트(42)를 형성하도록, 마킹 재료의 점도의 함수로서 크기 설정된 포트(42)와 함께 그 기능을 잘 수행할 수 있다. 이 매니스커스와 대응 전극(54)은 병렬 캐패시터의 플레이트를 형성한다. 전극(54)에 적당한 전하가 주어지면, 매니스커스로부터의 방울은 채널(46) 안으로 들어갈 수 있으며, 이러한 접근수단은 잉크, 기판의 전처리 재료, 후처리 재료와 같은 액체를 전달할 목적을 위해 잘 작용한다. 또한, 이것은 그 기술을 본 발명의 계측 장치 및 방법으로 사용할 수 있는 색조 분사(tone jet)로 공지된 기술과 유사하다.

본원에 기재된 실시예의 진보된 방안으로서, 캐비티(28)로부터 마킹 재료를 추진하여 추진체 스트림으로 분사하기 위해, 압력 폭발을 제공하는 것이 바람직할 수 있으며, 이 압력 폭발은 도 18에 도시된 바와 같이, 각 캐비티(28) 내에 위치한 압전 변환기/다이어프램[68C,68M,68Y,68K;집합적으로 변환기/다이어프램(68)로 기술됨]과 같이, 여러 장치중 하나에 의해서 제공될 수 있다. 하나 이상의 변환기/다이어프램(68)은 독립적으로 어드레싱 수단[69C,69M,69Y,69K;addressing means;집합적으로 어드레싱 수단(69)로 기술됨]에 의해서, 또는 보조 계측 장치와 결합하여 개별적으로 어드레스될 수 있다. 추진체 소스 등으로부터의 게이트 압력(gated pressure)을 포함하는 다양한 방법을 사용할 수 있다.

본 발명에 따라 추진체 스트림 안으로 들어가는 마킹 재료를 계측하기 위해, 다른 메카니즘을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 본원에서 참고로 합체된 공개 공보 특허 출원 제 WO 97 27 058 호에 기재된 기술과 같이, 토너 제트로 언급된 기술을 사용할 수 있다. 다른 방식으로는 마이크로미스트 장치(micromist apparatus)를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 마킹 재료를 계측하기 위한 많은 실시예에서, 가동 부품(moving parts)은 포함되지 않는다. 계측 동작은, 예를 들어, 10kHz 보다 큰 매우 높은 변환 비율로 작동할 수 있다. 또한, 계측 시스템은 기계적인 가동 부품을 피함으로써 더욱 신뢰성있게 제조될 수 있다.

선택적인 계측 시스템을 제어하기 위해, 많은 단순한 어드레싱 구성중 하나를 사용할 수 있다. 그러한 한 구성은 도 19에 도시되고, 이 구성에 따라서 채널(46) 안으로 들어가는 마킹 재료를 계측하는 계측 장치[202C,202M,202Y,202K 등;집합적으로 계측 장치(202)로 기술됨]의 어레이(200)의 각 횡열은, 예를 들어, 접지된 공통 라인(206)을 통해서 상호 접속된다. 각 종열은 계측 장치(202)를 포함하며, 이 장치는 단일 채널(46) 안으로 들어가는 마킹 재료의 도입 과정을 조절한다. 각 종열의 각 계측 장치는, 예를 들어, 멀티플렉서(210)와 같은 제어 메카니즘에 관련 계측 장치를 접속하는 라인(208)을 통해서 개별적으로 어드레스된다. 각 "종열"은, 예를 들어, 5㎛의 범위일 수 있는 라인(208)을 형성하기 위해 넓은 영역을 제공하는 84㎛의 범위일 수 있다. 다른 실시예는 도 20에 도시되고, 이 실시예에서, 공통 라인(206)은 계측 장치의 단순한 매트릭스 어드레싱을 허용하기 위 해 계측 장치(202)의 각 "횡열"을 개별적으로 어드레스함으로써, 예를 들어, 멀티플렉서(212)에 의해서 교체될 수 있다.

여러 메카니즘은 본 발명의 어떤 실시예를 실현하는 데 필요하거나 유리할 수 있다는 것이 입증될 수 있다. 예를 들어, 도 3에는, 캐비티(28)로부터 채널(46) 안으로 들어가는 마킹 재료의 매끄러운 유동을 제공할 필요가 있으며, 포트(42)가 막히는 것을 방지할 필요성이 있다. 이러한 필요성은 소량의 추진체를 캐비티(28) 안으로 전환시킴으로써 어드레스될 수 있고, 이것은 캐비티의 압력이 채널 압력의 미만이 되도록 채널의 압력과 캐비티의 압력을 균형을 맞춤으로써 달성될 수 있다. 도 21은 압력 균형을 달성하기 위한 한 장치를 도시한다. 캐비티(28)의 한 실시예(214)는 도 21에 도시되고, 캐비티(214)에 저장된 마킹 재료를 채널(46) 안으로 들어가도록 허용하기 위해, (도시생략된 계측 장치의 제어 동작으로) 채널(46)과 교통하는 한 벽에 위치한 관련 포트(42)를 가진다. 캐비티(214)의 한 벽에서, 개방부는 자체를 관통해서 마킹 재료가 통과하는 것을 방지할 수 있을 만큼의 충분한 조도를 갖는 필터(220)를 가진다. 이 필터(220)는 회로(226)에 의해서 제어되는 밸브(224)에 파이프(222)를 통해서 연결된다. 예를 들어, 수렴 영역 바로 앞에 있는 채널(46) 내에 위치한 압력 센서(230)와, 캐비티(214) 내에 위치한 압력 센서(228)는 상기 회로(226)에 연결된다. 캐비티(214) 내의 압력은 압력 센서(228)에 의해서 모니터되고 압력 센서(230)에 의해서 모니터된 채널의 압력과 비교된다. 시스템이 개시될 때, 밸브(224)는 채널(46)의 압력이 증가하는 동안 폐쇄된다. 안정한 상태의 작동 압력에 도달할 때, 밸브(224)는 그 다음 제어가능하게 개방된다. 회로(226)는 밸브(224)를 제어가능하게 조절함으로써 캐비티(214)의 압력을 채널(46)의 압력 미만으로 유지하며, 이 압력 차이는 추진체가 채널로부터 캐비티 안으로 우회되는 결과를 발생시킨다.

도 3에 있어서, 상기 기술된 바와 같이, 포트(42)를 통해서 캐비티(28) 안으로 들어가는 추진체가 포트(42) 부근의 마킹 재료를 국부적으로 분쇄한다. 적당한 가소성, 팩킹 밀도 및 자화 성질 등을 가지며 적당한 크기 및 형태를 구비한 미립자의 마킹 재료를 사용할 때, 미립자들 사이의 마찰력 및 다른 결합력은 마킹 재료가 분열 면적에서 어떤 유체 성질을 취하도록 분쇄과정에 의해서[마킹 재료를 지나서 통과하는 추진체로 인하여] 충분히 감소될 수 있다. 이러한 조건에서, 유동화 마킹 재료의 영역[86C,86M,86Y,86K; 집합적으로 유동층(86)으로 기술됨]이 발생할 수 있다. 본원에 기재된 방식으로 유동층(86)을 제공함으로써, 점도가 감소된 유체형 재료를 생산하고 추진체를 우회시키면서 포트(42)를 연속으로 효과적으로 세척함으로써, 양자 모두 평탄하게 흐르도록 제조되며, 그에 의해서 정확한 스폿 크기, 위치, 색상 등을 얻는다.

도 22에 있어서, 라인(240)은 도 21의 포트(42)에 인접한 채널(46)에 있는 지점에서 시간에 대한 압력의 플롯을 나타낸다. 라인(242)은 도 21의 센서(230)에서의 압력[P₂₃₀;즉, 채널(46)의 노즐 부분 앞의 압력]을 나타내고, 라인(244)은 캐비티(214) 내의 압력이 유지되는 세트 지점(P_set)을 나타낸다. 채널에서 안정한 상태의 압력에 도달하고 그리하여 채널(46)과 캐비티(214) 사이의 바람직한 압력 균형 에 이르기 위해서는 어떤 주기의 시간이 소모되기 때문에, 마킹 재료가 막히고, 누출 등을 방지하기 위해 압력 균형을 가속시키는 것이 바람직할 수 있으며, 이것은, 예를 들어, 추진체 소스로부터 도 21에 도시된 캐비티(214)에 위치한 개방부(232)를 경유하여 캐비티[또는 가압 캐비티(214)] 안으로 가압된 추진체를 도입함으로써, 달성될 수 있다.

유동층을 제공하기 위한 다른 장치(260)는 도 23에 도시되며, 이 실시예에서, 전극 및 전압의 시스템을 사용하여 유동층 뿐 아니라 계측 기능을 제공한다. 개념적으로, 이 실시예는 개별적이면서 보충적인 3 기능으로 분할할 수 있다: 마킹 재료 "바운싱(bouncing)", 마킹 재료 계측, 및 마킹 재료 "방사". 도너 롤(donor roll), 벨트, 드럼 또는 그 유사물[종래 마그네틱 브러쉬(283)로써 마킹 재료를 공급하는]과 같은 마킹 재료 캐리어(262)는 몸체(266)에 형성된 캐비티(28)의 한 실시예(264)로부터 작은 간격을 두고 유지된다. 포트(268)는, 예를 들어, 캐비티(264)와 채널(46)을 교통할 수 있게 연결하는 원통형 개방부로서, 몸체(266)의 베이스에 형성된다. 몸체(266)는, 예를 들어, 반도체층(272;실리콘과 같은)과 절연층(274;플라스틱 유리와 같은)으로 형성된 적층 구조 또는 단일 구조일 수 있다. 캐비티(264)의 벽은 적당하게 매끄러운 절연 경계부를 제공하도록 유전체(테프론과 같은)로 선택적으로 코팅될 수 있다. 또한, 이 코팅은 본원에서 기술된 다른 실시예에도 적용할 수 있다.

구조 내에 증착된 연속 금속층이거나 또는 상기 포트 어레이의 각 포트(268)에 대응하도록 패턴될 수 있는 제 1 전극(276)이 포트(268)의 캐비티 측부에 형성 된다. 통상적으로 포트(268)와 동심인 환형 평면 도형 안으로 패턴되는 제 2 전극은 포트(268)의 채널 측부에 형성된다. 선택적인 보조 전극(54)은 채널 내에서 형성되어서 캐비티(264)로부터 마킹 재료를 추출하는 것을 보조한다.

장치(260)의 각 여러 지점에서 전압을 적절하게 선택함으로써, 바람직한 3가지 작용을 얻을 수 있다. 예를 들어, 표 2는 한 가능한 선택 전압을 표시한다.

장치(260)에서, 마킹 재료(282)는, 예를 들어, 마찰-충전(tribo-charging) 또는 이온 충전에 의해서 충전되고 그에 의해서 캐리어(262)로써 유지된다. 캐비티(264) 내의 AC 전압은 충전된 토너가 캐리어와 제 1 전극(276) 사이에서 튀게 한다. DC 바이어스(bias)는 마킹 재료 섬프(sump;287)로부터 마킹 재료의 공급을 계속해서 유지하기 위해, 마킹 재료 이송 롤(284)과 캐리어(262) 사이에 유지된 전압차이다. 작은 크기와 전하-직경 비율(Q/d) 분포를 갖는 마킹 재료에 대해서, 바운스(bounce)는 AC 주파수와 동조된다. 최적의 AC 주파수는 캐리어(262)와 제 1 전극(276) 사이에서 마킹 재료의 통과 시간에 의해서 결정된다. 특히, 주기(T)는 통과 시간(τ)보다 2배가 되어야 한다.

게이트 전압은 포트(268)를 개방(켜다) 및 폐쇄(끄다)하도록 작동한다. "온" 조건에서, 전압의 극성은 충전된 마킹 재료의 극성과 정반대이므로, 마킹 재료를 제 1 및 제 2 전극(276,278) 사이의 자기장으로 끌어당긴다. 결국, 방출 전압은 보조 전극(54)에 의해서 확립되어서 충전된 마킹 재료 미립자들을 채널(46) 안으로 더욱 당기고, 상기 채널(46)에서 추진체 스트림은 마킹 재료를 기판을 향해 이동시킨다.

마킹 재료를 포트(42)를 향해 이동시키는 데 있어서, 특히 속도, 정확도, 정확한 타이밍으로 제어가능하게 이동시키는 것이 바람직하며, 이 방법은 마킹 재료 이송 과정으로 언급되어서, 여러 기술 중에서 하나에 의해서 달성될 수 있다.

그러한 한 기술은 개별적인 마킹 재료 미립자를 이동시키기 위해, 정전기 이동 전파를 사용한다. 도 24에 있어서, 이 기술에 따라 동조된 DC 고전압 파형(waveform)은 각 포트(42)에 인접하게 형성되고 동일 간격으로 이격된 전극(88)의 그리드(148)에 적용된다. 그리드(grid;148)는 캐비티 내부에서 포토리소그라피로 알루미늄으로써 형성되거나 또는 캐비티 내에 적용될 수 있는 리프트-오프 캐리어(lift-off carrier)에 형성될 수 있다.

도 25는 마킹 재료를 계측하기 위해, 정전기 이동 전파를 위한 전극(88)이 전극(142,144)와 결합하여 제공되는 실시예를 도시한다. 그러나, 본 발명의 범주 내에는 다양한 다른 이송 수단 및 계측 수단을 결합할 수 있다는 사실을 이해해야 한다.

표면을 보호하고 공지된 시간상수에서 전하를 빠르게 분산시켜서 마킹 재료를 그리드(148)를 따라 이동시키기 위해, 전극(88)에 대해 보호 및 이완층을 증착시킬 수 있다. 또한, 마킹 재료 운동 방향을 조절함으로써 적당한 코팅 작업을 보조하고, 전극 사이에 포획된 마킹 재료를 감소시키며 전극이 산화되고 부식되는 것을 최소로 감소시키며 전극 사이에 발생하는 아크를 축소한다.

본원에서 기술한 이송 기능 및 계측 기능은 단일 장치로 실행될 수 있고 단일 공정으로 합체될 수 있다는 사실을 이해해야 한다. 그러나, 개별적인 또는 합체된, 본 발명에 따른 마킹 재료의 이송 및 계측 기능은 종래 기술에서 인식한 많은 문제들을 해결한다. 예를 들어, 마킹 재료는 거의 동시에 추진체 스트림 안으로 분사하는 데 사용될 수 있으며, 이것은 채널이 잉크 제트 시스템에서 공통으로 재충전하는 데 대기할 필요성의 문제점을 해결한다. 또한, 마킹 재료가 추진체 스트림 안으로 이동하고 그 후 기판에 증착되는 비율을 종래 기술에서 이용하는 것 보다 크게 향상시킨다; 사실, 어떤 실시예에서는 연속으로 제공될 수 있다.

예를 들어, 600 spi에서 이격된 채널을 갖는 페이지-폭(21.6cm) 어레이 프린트 헤드를 고려하고, 스폿 사이즈가 출구 오리피스의 1.5 배의 직경과 동일하다고 가정한다(단순히 출구 오리피스가 둥근 횡단면을 갖는다고 가정한다). 따라서, 스폿 면적은 오리피스 면적의 2.25 배이다. 또한, 출원인이 마킹 재료가 모노크롬이고 전체 적용범위 5 미립자 두께를 갖는 종이 기판에 증착되기 원하는 직경에서 1㎛의 고체 미립자 토너라는 것을 가정하며, 이것은 2.25×10 미립자×1㎛ 또는 22.5㎛의 공급 길이가 추진체 스트림으로 공급될 필요가 있다는 것을 의미한다. 신중하게 하기 위해, 출원인은 15㎛의 길이를 가정할 것이다.

막힘을 방지하기 위해, 마킹 재료 공급 속도가 추진체 속도 미만에서 등급 범위 보다 더욱 크다는 것을 또한 가정한다. 약 300 미터/초(m/s)의 추진체 속도로써, 출원인은 1m/s의 마킹 재료 공급 속도를 가정한다(10m/s는 대략 TIJ 방울 분사 속도이다). 1m/s에서, 15 ㎛ 길이의 마킹 재료를 공급하는 데 25 ㎲ 만큼 걸린다. 다시 말해서, 스폿 증착 시간은 스폿에 대해서 약 25㎲이다.

이 어레이에 대해서, 21.59×27.94cm 용지 페이지 전체를 마크하기 위해서, 스폿당 27.94cm×600spi×25㎲ 또는 165 밀리세컨드(ms)가 소요된다. 절대적으로, 이것은 분 당 약 360 페이지에 상응하고, 이것은 TIJ 시스템으로부터 분 당 약 20 페이지의 최대값에 비교되어야 한다. 생산량이 증가하는 한 이유는 마킹 재료의 연속적인 공급을 제공하는 능력이다. 즉, 듀티사이클의 프린트 시간의 비율은 프린트 시간이 듀티사이클의 정확히 20%인 TIJ 시스템과 비교할 때, 거의 100 %이다(TIJ 듀티사이클의 80%까지는 채널이 잉크를 재충전하기 위해 대기하는 데 소용된다).

어떤 실시예에서, 캐비티 내에서 유동층을 발생시킴에도 불구하고, 마킹 재료는 코너와 같이 캐비티 내의 정체 영역에서 수렴되어서 유동층을 쇠약하게 하고 마킹 재료가 채널 안으로 분사되는 동작에 부정적인 영역을 미칠 수 있다. 이 보기는 도 26a에 도시된다. 이 문제점을 다루고 캐비티내에서 마킹 재료의 작업을 보조하기 위해, 캐비티 내의 용적이 교란될 수 있다. 도 26b는 이러한 교란을 발생하는 한 실시예(250)를 도시한다. 캐비티(28)를 형성하는 적어도 한 벽(254)은 캐비티(28) 내에서 기구 또는 압력 교란을 유발하는 압전 전기 재료(256)가 있으며, 이 교란은 캐비티(28)에 위치한 마킹 재료를 다이나믹한 상태로 유지하여, 캐비티(252) 내의 정체점을 회피한다.

전체 컬러 프린터와 같이, 복수의 마킹 재료에서, 둘 이상의 마킹 재료는 기판에 증착되기 전에 채널에서 혼할될 수 있다(다시, 전 마킹 재료 처리 및 후 마킹 재료 처리 등과 같은 다른 재료에는 하기 기술이 적당하다). 그러한 경우, 각 마킹 재료는 개별적으로 계측되며 들어가고, 이것은 각 마킹 재료의 독립적인 제어를 요구하고, 필요한 어드레싱 및 다른 형태의 계측작업에 의해서 생산량 비율을 제한한다. 예를 들어, 도 27에는, 각 채널(46)이 하나 이상의 컬러를 갖는 마킹 재료가 제공될 수 있는 여러 색상의 마킹 시스템이 도시된다. 채널(46) 안으로 들어가는 마킹 재료의 유동을 제어하기 위해, 예를 들어, 상기 기술된 타입의 계측 장치(104)는 상기 기술된 방식에서 종열 어드레스 리드(106)와 횡열 어드레스 리드(108)를 통해서 매트릭스 방식으로 어드레스된다. 수동적으로 어드레스된 종열 어드레스 리드(106)의 820.3cm 길이 세트와 관련된 RC 시간 상수는 이 라인에서 최소의 얻을 수 있는 신호 상승 시간을 몇 마이크로초로 한정하고 출원인은 500 kHz에서 2㎲를 취한다. 최소 계측장치의 "온" 시간은 약 5㎲이다. n-비트 그레이스케일 프린트에 대해서, 각 색상에 대한 전체 적용범위는 스폿에 대한 2×5ⁿ를 취한다. 따라서, 그것은 전체 적용범위 600spi 페이지를 프린트하기 위해 27.9cm×600spi×(2×5ⁿ)㎲/스폿, 또는 약 33×2ⁿ ms를 취하며, 이것은 약 분당 1800×2^-n 페이지에 상응한다. 채널에 비례한 5-비트 그레이스케일(n=5)에 대해서, 시스템은 분당 56 전체 컬러 페이지까지 취급하며, 단일 패스에서 각 스폿에 대하여 전체 컬러[CMYK 스펙트럼을 사용할 때]를 이용할 수 있다.[본 발명의 형태는 그레이스케일의 둘 이상의 비트에서 상대적으로 높은 스폿 밀도, 즉, 300spi 또는 그 이상의 밀도를 제공하는 것이고, 스폿의 직경을 크게 변경하지 않고 여러 레벨의 그레이스케일을 얻을 수 있다는 사실을 주의해야 한다. 즉, 마킹 재료의 밀도가 스폿에 대한 여러 레벨의 그레이 또는 색상으로 변화되는 동안, 스폿 사이즈는 일정하게, 즉, 120㎛로 유지된다.]

더욱 빠른 어드레싱을 할 수 있어서 더욱 신속한 프린트가 가능한 다른 어드레싱 방안이 공지되어 있다. 예를 들어, 평행한 어드레싱 방안을 사용함으로써, 신호 상승 시간은 등급에 의해서 단축될 수 있다. 1㎲의 최소 계측장치 "온" 시간을 갖는 시스템은 분당 약 280 페이지에서 전체 컬러 그레이스케일 마킹을 할 수 있다.

생산량과 컬러 깊이/그레이스케일 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 있기 때문에, 상기 어느 한 특징 또는 양 특징에 대해서 최적화하기 위해, 시스템을 목적에 맞게 조직할 수 있다. 표 3은 상기 가정과 필요한 마킹 재료의 공급 속도를 바탕으로 생산량과 컬러 깊이/그레이스케일 매트릭스를 요약한다.

시스템에 대해서 색상 깊이 및 생산량이 고정될 필요는 없다는 사실을 주의해야 한다. 이러한 값들은 마킹 장치에 대한 셋업 과정 동안 사용자가 조절할 수 있다.

컬러 수를 증가시키는 마킹은 스폿 사이즈/밀도에 대한 대략 가우스 함수 분포로 분배된다는 사실을 주의해야 하며, 이것은 4 색상 및 2 비트 그레이스케일을 갖는 시스템에 대해서 도 28에 도시된다.

마킹 재료의 스폿 위치를 정확하게 제어하는 능력은 부분적으로는 추진체 속도와의 함수이고, 스폿 사이즈와 형태도 역시 이 속도의 함수이다. 한편, 추진체 속도를 선택하는 것은 부분적으로는 마킹 재료 미립자의 크기 및 질량의 함수이고, 또한 스폿 위치, 사이즈 및 형태는 충분히 팽창된 추진체가 얼마나 양호하게 체류하여 조준되는 가에 따른 함수이다. 도 29는 기판에 대략 수직으로 투시할 때, 실현된 추진체/기판 상호작용의 경우를 도시한다. 스트림라인(110)은 원통형 추진체 스트림이 마킹 재료 스폿(112)의 원형 디스크로부터 이격된 기판 표면에서 유동 패턴을 형성한다는 사실을 도시한다.

통상적으로, 마킹 재료 미립자는 추진체에 의해 부여된 관성으로 인하여 기 판에 증착된다. 그러나, 마킹 재료 미립자의 기판에서의 위치는 도 30에 도시된 추진체/기판 경계면에서 발생하는 측방의 유체역학 요소에 의해서 중심으로부터 변경된다. 추진체 스트림의 중심으로부터 더욱 작은 질량의 미립자와 그와 같은 미립자들이 더욱 많이 존재할수록, 마킹 재료의 미립자들은 스폿 중심으로부터 전환된다. 그 결과는 스폿이 도 30에 도시된 가우스 함수 밀도 분포(114)를 갖는다.

도 31에서, 추진체/기판 경계면 효과에 기인하는 마킹 재료 미립자 편차의 최악의 경우의 평가 보기로서(즉, 기판 표면에서의 측방 드래그), 밀도ρ_p를 갖는 미립자(116)는 폭(L/2)의 추진체 스트림에서 기판에 수직하는 속도(v)로써 완전히 평탄한 기판(38)으로 지향된다고 가정한다. 기판의 표면에는 기판과 충돌하는 추진체에 의해서 발생된 속도(v)를 갖는 두께(L)의 측방향 추진체 유동(120)이 있다는 것을 가정한다. 즉, 추진체 속도가 기판과 상호작용할 때 전체적으로 측방향 유동으로 전환되는 최악의 경우를 가정한다.

측방향 인력(lateral drag force)으로 인한 마킹 재료 미립자(116)의 측방향 편차(x)는 다른 미립자 직경(D)에 대해서 계산된다. 레이놀즈 수 수학식 1에서,

여기서, ρ_p = 1.3kg/m³이고, μ_g = 1.7×10^-5kg-s/m². 3㎛의 미립자 사이즈와 v = 300m/s의 속도에 대해서, 레이놀즈 수는 70 이며, 이것은 2.8의 드래그 계 수(CD)에 상응한다. 인력(FD)은 수학식 2에 의해서 주어진다.

상기 측방향 인력은 미립자(116)의 수직 입사 궤도를 편향시켜서 관성 구심력(F_i)에 대해서 수학식 3으로부터 결정된 곡률(R)의 반경을 갖는 궤도도 이송한다.

여기서, 속도 V는 아래 수학식 4와 같다.

이때 R은 아래 수학식 5로서 주어진다.

여기서, 단면적 A는 아래 수학식 6과 같다.

그 결과로 인한 편차(x)는 수학식 7에 의해서 주어진다.

또는, 만약 수직 추진체 스트림 직경(L/2)이 1/2 어레이 피치로 채택되면, 상기편차 x는 수학식 8과 같다.

유동속도(v)와, 미립자 사이즈(D)와, 소정의 어레이 밀도와, 1000kg/m³의 미립자 밀도에 대해서, 그 결과로 인한 편차(x)는 다양한 조건에 대해서 표 4에 표시되어 있다.

따라서, 300m/s 유동 속도의 최악의 경우에 대해서, 1㎛의 마킹 재료 미립자 사이즈와, 600spi 해상도, 21㎛의 추진체 스트림(즉, 출구 오리피스 사이즈)는 아래 수학식 9에 의한 스폿 사이즈를 결정한다.

스폿 사이즈가 팽창하는 것은 추진체 스트림/기판 경계면에서 측방향 인력에 기인하며, 이것은 모든 조건, 즉, (1) 비정체점과 충분히 전개된 횡류, (2)전체 추진체 스트림 속도와 동일한 횡류와, 그로 인하여 무시할 수 있는 마찰 손실 및 기판 형태, (3)전체 인력이 갑자기 적용되고 두 분사 직경이 기판으로부터 이격되는 조건들에 대한 최악의 경우에 상응한다. 레이놀즈 수는 특성 길이의 등급으로 인하여 매우 낮으며 난류는 미세 유체 유동 이론에 비례하여 전개될 수 없다는 사실을 주의해야 한다. 결국, 미립자 사이즈가 감소할 때, R은 어떤 지점에서 R이 두께(2L)의 측방향 추진체 유동에 근접하도록 증가한다는 사실을 주의해야 한다. 이것이 발생할 때, 마킹 재료 미립자는 스폿 중심으로부터 많이 편향되고 극단적으로는 기판과 접촉하지 않는다. 이것은 100nm 또는 그 이하의 범위에서 마킹 재료 미립자 사이즈에 대하여 (본원에서 추정한 가정을 기초하여) 발생한다는 것은 상기 기술로부터 알 수 있다.

이것은 수용가능한 스폿 사이즈 및 위치 제어를 나타낼 뿐 아니라 가정된 조건에서 그것을 설명하고, 추진체 스트림으로부터 마킹 재료 미립자를 추출하는 데 특수한 메카니즘이 요구되지 않으며 마킹 재료를 기판에 증착한다.

그러나, 기판 표면에서 추진체 스트림으로부터 마킹 재료 미립자를 추출하는 과정을 더욱 향상시키는 것이 바람직할 경우에(즉, 낮은 유속/미립자 사이즈 등), 정전기가 강화된 미립자 추출과정을 사용할 수 있다. 기판 또는 압반을 마킹 재료 미립자의 반대 전하로 충전시킴으로써, 미립자와 기판/압반 사이의 인력작용이 추출과정을 향상시킨다. 그러한 실시예(178)는 도 33에 도시되고, 이 도면에서 몸체(26)는 순수 전하를 수용하고 유지할 수 있는 압반(180)에 인접하게 위치한다. 압반(180)의 전하는 벨트(184) 또는 다른 수단 또는 종래 기술에 공지된 방법(마찰 브러쉬, 압전 코팅 등과 같은)으로 압반(180)과 함께 이동하는 도너 롤러(182)에 의해서 적용될 수 있다.

한 보기에서, 압반(180)은 도너 롤러(182)에 의해서 순수 양 전하로 제공되고, 마킹 재료 미립자(188)는, 예를 들어, 도 3에 도시된 코로나 또는 다른 수단에 의해서 순수 음전하가 제공될 수 있다. 마킹 수용 기판(즉, 종이)은 마킹 재료 소스와 압반 사이에서 압반에 인접하게 배치된다. 마킹 재료(188)와 압반 사이의 인력은 마킹 재료를 압반을 향해 가속시키고, 만약, 그러한 인력이 특히 상대적으로 낮은 추진체 속도를 갖는 실시예에서 충분히 강하다면, 추진체가 추진체의 측방향 끌림에 의해서 스폿 중심으로부터 치우치는 경향을 극복할 수 있다. 또한, 이 인력은 마킹 재료가 기판에서 튀는 문제점과 기판에서 의도하지 않은 위치에 안착하는 문제점, 후 분사 조절 전에 기판의 위치를 벗어나서 안착하는[즉, 가열 및/또는 압력 롤러(186)에 의한 융합] 문제점 및 뒤로 튀는 문제점 등을 해소하는 데 일조할 수 있으며, 이것은 동적 융합을 사용할 수 없을 때, 특히 유리하다.

일단, 마킹 재료가 기판으로 전달되면, 기판에 접착하거나 융합되어야 한다. 본 발명에 따른 융합과정에 대해서는 여러 접근방안이 있지만, 단순한 한 접근방안은 마킹 재료 미립자의 운동 에너지를 사용하는 것이다. 이 접근방안에 대해서, 마킹 재료 미립자는 기판과의 충돌시에 (기판은 무제한으로 경직성을 갖는 것을 가정한 상태에서) 이 기판과의 충돌로 인한 가소성 변형으로 미립자들을 동적으로 용해시키기에 충분한 속도(v_c)를 가져야 한다. 용해과정(액체 또는 유리 상태로의 완전한 변이, 또는 유사한 역전가능한 임시 상태 변이) 이후에, 미립자는 응고되어(또는 원래 상태로 복귀하여) 기판에 융합된다.

동적 융합과정을 달성하기 위해, 다음과 같은 사실: 즉, (1)미립자의 운동 에너지는 미립자가 그 탄성 한계성을 초과하도록 충분해야 하고; (2) 운동 에너지는 미립자가 그 연화 온도를 초과하여 상변화를 유발하는 데 필요한 열 보다 커야 한다는 사실이 요구된다. 도 35는 본 발명의 전형적인 실시예에 대하여 운동 에너지에 대한 마킹 재료 미립자들의 수에 대한 플롯(190)이고, 동적 융합과정이 발생하는 일반적인 조건을 도시한다. 특정 운동 에너지 값 이상에서는, 미립자가 기판을 융합시키기에 충분한 에너지를 갖지만, 상기 특정 운동 에너지 값 미만에서는 미립자가 기판을 융합시키기에 불충분한 에너지를 가진다. 그 특정 운동 에너지 값은 동적 융합 에너지 임계값으로 기술되며 도 35에 도시된 경계부(192)로 표시된다. 본질적으로, 그 운동 에너지가 영역(194)에 적용되는 미립자는 불충분한 가열로 인하여 융합되지 않고, 그 반면에 영역(196)에서 에너지를 갖는 미립자는 융합된다. 본질적으로, 융합된 마킹 재료 미립자들의 퍼센트를 증가시키는 방안에는 두 방법이 있다. 첫째, 동적 융합 에너지 임계값이 변화될 수 있으며, 이것은 본질적으로 마킹 재료의 품질의 함수이다. 둘째, 전체 동적 에너지 곡선은, 예를 들어, 추진체 속도를 증가시킴으로써, 변화될 수 있다.

속도(v)와, 밀도(ρ), 및 직경(d)을 갖는 구형 미립자의 운동 에너지는 수학식 10에 의해서 주어진다.

직경(d)과, 열용적(C_p) 및 밀도(ρ)를 갖는 구형 미립자를 실내 온도(T_o)에서 연화 온도(T_s)를 지나치도록 가열하는 데 필요한 에너지(E_m)는 수학식 11로 얻어진다.

직경(d)와 영률(Young's modulus;E)을 갖는 미립자를 그 탄성 한계값(σ_e)을 지나서 가소성 변형 제도로 변형시키는 데 필요한 에너지(E_p)는 수학식 12에 의해서 주어진다.

가소성 변형을 얻기 위한 임계 속도(v_cp)는 수학식 13에 의해서 주어진다.

최종적으로, 동적 용해과정을 얻기 위한 임계 속도(v_cm)는 수학식 14에 의해서 주어진다.

C_p=1000 J/kgK, T_s = 60℃ 와 T_o = 20℃를 갖는 열가소성에 대하여, 동적 용해를 얻는 데 필요한 임계 속도는 280 m/s이고, 이것은 상기 가정과 일치하며, 이 결과는 미립자 사이즈와 밀도와는 관련이 없다는 것을 주목해야 한다.

280m/s 이상의 추진체 속도에 도달하는 과정은 여러 방법으로 달성될 수 있다. 한 방법은 장치의 기하학에 따라서(한 보기에서, 여러 분위기의 순서에 따라) 상대적으로 높은 압력으로, 예를 들어, 추진체 압력을 속도로 전환시키는 도 4에 도시된 소위 라발 노즐(Laval nozzle)의, 수렴 영역(48)과 발산 영역(50)를 갖는 채널의 수렴 영역으로 제공하는 것이다. 한 보기에서, 추진체는 채널의 모든 영역에서 음속(즉, 331m/s)이하이고, 다른 보기에서, 추진체는 발산 영역(50)에서는 초음속이며, 수렴 영역(48)에서는 아음속이고, 수렴 영역과 발산 영역 사이의 목부분(53)에서는 음속 또는 거의 음속에 가깝다.

도 36은 각 측부에서 사각 횡단면 84㎛의 채널(46)의 추진체 압력에 대한 출구 오리피스(56)의 추진체 속도(v)를 도시한다(2.54cm에 대한 약 300 스폿에 상응하는). 알려진 바와 같이, 280m/s는 노즐을 갖는 채널 및 노즐이 없는 채널에 대한 적당한 압력에 즉시 도달할 수 있다.

이러한 것은 기판이 무한히 경직되는 것을 가정하며, 대부분의 경우는 그렇지 않다. 기판의 탄성 효과는 그 항복 강도를 감소시키지 않으면서, 재료의 E-계수를 감소시킨다(즉, 재료의 항복 응력에 도달하는 데 더욱 많은 에너지가 요구될수록, 가소성 변형을 얻는 데 더욱 많은 에너지가 요구되며 v_cp가 증가한다). 즉, 비록, 운동 에너지가 미립자를 용해시키는 데 필요한 에너지 보다 클 수 있지만, 충돌과정은 탄력적으로 되어서, 미립자를 튀게 하고 잠재적으로 열을 불충분하게 한다. 따라서, 어떤 시스템에서, 마킹 재료 미립자는 더욱 큰 예비 충돌 속도에 도달해야 하거나 또는 융합 보조과정이 그 시스템에 의해서 제공되야 한다.

만약, 융합 보조과정이 필요한 경우에, 여러가지 접근 방안을 사용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 가열 필라멘트(122)가 분사 포트(56;도 4에 도시됨)에 인접하게 제공될 수 있고, 상기 분사 포트(56)는 마킹 재료 미립자를 용해시키는 데 필요한 운동 에너지를 감소시키거나 또는 부유하는 마킹 재료 미립자를 부분적으로 용해시킨다. 다른 방안으로, 또는 상기 필라멘트(122) 이외에, 가열된 필라멘트(124)가 기판(38;도 4에 도시됨)에 인접하게 위치하여 유사한 효과를 얻을 수 있다.

융합 과정을 보조하는 다른 접근방안은 레이저 빔과 같이, 조준된 라이트의 강한 빔을 통해서 마킹 재료 미립자를 통과시킴으로써, 마킹 재료 미립자를 용해시키는 데 필요한 운동 에너지를 감소시키거나 또는 부유하는 미립자를 적어도 부분적으로 용해시키기에 충분한 에너지를 미립자에 부여한다. 이 실시예는 도 37에 도시되며, 이 실시예에서, 마킹 재료 미립자의 스트림(130)이 레이저(134)에 의해 서 발생한 레이저 빔과 같이, 조준된 강한 광원(132)을 통과하여 그 경로를 따라 기판(38)을 향한다. 또한, 레이저(134)가 아닌 다른 광원도 유사한 효과를 얻을 수 있다.

밀도(ρ)와, 질량(m)과, 직경(d)와, 열 용량(C_p)과, 연화 온도(T_s)를 갖는 미립자가 도 32에 도시된 바와 같이, 폭(L₁)과, 크기(L₂)를 갖는 레이저 빔을 통해서 속도(v)로 이동한다고 가정한다. 열 입력(△Q)의 상기 미립자에 대한 온도 변화(△T)는 수학식 15에 의해서 주어진다.

여기서, m = ρ·부피 = ρ·πd³/6

레이저 출력 밀도(p)는 수학식 16으로서 타원 면적으로 분할된 레이저 출력(P)에 의해서 주어진다.

시간 단위에 대하여 미립자에 의해서 흡수된 에너지는 흡수율(α; absorption fraction) 곱하기 미립자(πd²/4)의 투사 면적 곱하기 레이저 출력 밀도에 의해서 주어진다.

빔을 통해서 이동하는 동안 미립자에 의해서 흡수된 에너지는 수학식 18과 수학식 19에 의해서 주어진다.

온도 변화는 수학식 20에 의해서 주어진다.

미립자의 초기 온도가 T_o일 때, 미립자를 그 유리 변이 온도를 초과하도록 가열하는 데 필요한 레이저 출력은 수학식 21에 의해서 주어진다.

보기로서, 출원인은 다음 값을 취한다:

따라서, 상기 보기의 마킹 재료 미립자를 용해하는 데 필요한 레이저 출력은 1.9 와트이고, 이것은 연속 빔, 섬유 결합 레이저 다이오드와 같이, 상업적으로 이용할 수 있는 레이저 시스템의 범위 내에 있다.

도 38은 다양한 미립자 속도의 미립자 사이즈에 대한 미립자 용해에 필요한 광원 출력의 플롯을 도시하고, 레이저 다이오드로 부유물을 용해시키는 데 있어서 미립자 사이즈 및 속도에 대하여 적합해야 한다는 것을 표시한다. 부유 용해물에 의한 장점은 부피가 작은 재료가 가열된다는 것이다(부피가 큰 마킹 재료 또는 기판은 가열되지 않는다). 따라서, 부유 용해물은 다양한 마킹 재료 전달 패키지(즉, 고정식 및 가동식 마킹 재료의 저장소)를 수용할 수 있고, 상대적으로 높은 미립자 온도(즉, 낮은 열량)에도 불구하고 낮은 마킹 재료의 열 용량으로 인하여 다양한 기판을 취급할 수 있다.

결국, 본 발명의 특수한 적용상황에 따라서, 융합과정을 보조하는 다른 시스템을 사용할 수 있다. 예를 들어, 추진체 자체가 가열될 수 있다. 이것은 추진체 열이 마킹 재료 미립자를 용해시키는 경우에 바람직하지 않을 수 있고, 이것은 채널을 오염시키고 막히게 하기 때문에, 충격 융합에 필요한 운동 에너지를 감소시키기 위해, 용해되기에 부족한 미립자에 충분한 열 에너지를 부여할 수 있다. 기판(또는 압반과 같은 기판 캐리어)은 동적 융합과정을 보조하도록 충분히 가열되거나 또는 마킹 재료 미립자들을 용해시키기 위해 충분히 가열될 수 있다. 또는, 최신 건식인쇄 설비에서 사용된 융합 과정과 유사한, 열, 압력 또는 양자 결합으로, 장치의 개별 스테이션에서 융합과정이 발생할 수 있다. 마킹 재료로서 사용된 UV 경화성 재료는 융합되거나 또는 UV복사를 적용하여 경화되어서 부유되거나 또는 재료 수용 기판에 경화될 수 있다.

그러나, 본 발명의 중요 형태가 픽셀 단위를 기초로 상변화 및 융합과정을 제공하는 능력이라는 것을 이해해야 한다. 즉, 많은 종래 기술은 액체 잉크 또는 액체 캐리어의 토너와 같이, 액체 상태의 부피가 큰 인쇄 재료로 제한되어 왔다. 따라서, 본 발명은 해상도가 크게 향상되고 픽셀 수준의 여러 재료 또는 여러 색상의 싱글 패스 마킹(single pass marking)을 실행할 수 있다.

본 발명의 마킹 장치의 한 실시예를 작동하는 동안, 추진체는 채널(들)을 연속으로 관통하여 흐를 수 있으며, 이것은 여러 목표, 즉, 시스템이 기판을 마크할 수 있는 속도를 최대로 늘리는 것과, 마킹 재료가 축적된 채널을 연속으로 세척하는 것과, 채널 안으로 오염물질(종이 섬유, 먼지, 주위로부터의 습기 등)의 유입을 방지하는 목표 등을 성취할 수 있다.

시스템 출력이 꺼진, 비작동 상태에서, 추진체는 채널을 통해서 흐르지 않는 다. 이 상태에서 오염물질이 유입되는 것을 막기 위해, 도 39에 도시된 밀폐 구조(146)가 프린트 헤드(34)의 면, 특히 출구 오리피스(56)와 접촉할 수 있다. 상기 밀폐 구조(146)는 고무 플레이트 또는 주위 환경으로부터 채널을 불침투성으로 밀봉할 수 있는 다른 재료일 수 있다. 다른 방안으로, 프린트 헤드(34)가 마킹 시스템 내에서 이동할 수 있는 경우에, TIJ 및 다른 프린트 시스템에서 공통으로 사용될 때, 마킹 시스템 내에서 유지 스테이션으로 이동할 수 있다. 또 다른 방안으로서, 마킹 시스템이 압반, 롤러 또는 그 유사물에 의해서 지지된 시트 매체에 마킹하도록 설계된 경우, 또한, 압반, 롤러 등이 고무와 같은 적당한 재료로 형성된 경우에, 프린트 헤드(34)는 채널을 밀봉하기 위해, 압반, 롤러 등과 접촉하도록 이동할 수 있다. 다른 방식으로, 압반, 롤러 등은 도 40에 도시된 바와 같이, 프린트 헤드(34)와 접촉하도록 이동할 수 있다.

포트(42)와 어떤 관련 개방부(136) 및 전극(142)을 세척하는 과정은 상기 기술된 유동층을 확립하기 위해 사용된 추진체 유동에 의해서 또는 마킹 재료가 채널 안으로 분사되지 않을 때, 상기 포트 등을 통해서 추진체가 흐르도록, 채널과 마킹 재료 캐비티 사이의 압력 균형을 조절함으로써 달성할 수 있다.

다른 실시예(320)는 도 43에 도시되고, 실시예(320)에서, 프린트 헤드(322)는 반드시 역전된다. 유동층(324)은 밸브(326) 또는 유사 수단을 조절하여 추진체 소스(33)로부터의 추진체와 같은, 적당한 가스에 의해서 확립되는 것을 제외하고는 상술한 설명이 본 실시예에도 동일하게 적용된다. 에어로졸 영역(328)은 유동층(324)에 걸쳐 확립되어서, 이 유동층(324)을 생성하는 가스 또는 다른 수단 에 의해서 다시 확립된다. 에어로졸 영역(328)으로부터의 마킹 재료는 그 다음 계측되며 추진체 스트림으로 된다.

지금까지, 본원에 기술한 탄도형 에어로졸 마킹 장치 및 그 구성요소의 여러 실시예를 이해할 수 있다. 이 실시예는 통합된 저장소와 압축된 추진체를 제공하는 압축기와, 재충전가능한 또는 원격 마킹 재료의 저장소, 하나 이상의 다양한 기판에 마킹하기 위해, 매우 높은 생산량 또는 매우 넓은 마킹 면적으로 설계된, 동적 융합을 위한 고속의 추진체 속도를 포함할 수 있는 대규모의 시스템에서 페이퍼 상의 인쇄량(컬러 또는 단색의) 및 품질 개선을 목적으로 설계된, 마킹 재료 및 추진체를 보유하는 대체성 카트리지를 갖는 소규모 시스템[데스크-탑, 홈 오피스(home office) 등]까지 포함한다. 본원에서 기술되고 설명된 실시예는 재인쇄 정합없이 기판에 또는 기판 위에 마킹 재료를 적용하기 전에, 장치의 채널 내에서 어떤 마킹 재료를 실질적으로 혼합할 수 있는 능력으로, 단일 마킹 재료와, 원 패스 총 컬러의 마킹 재료와, 육안으로 볼 수 없는 재료와, 예비 마킹 처리 재료와, 후-마킹 처리 재료 등을 적용할 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 설명은 단지 예시적이며 본 발명의 범주 및 청구범위를 한정하는 것으로 간주될 수 없다는 것을 이해해야 한다.

Claims (12)

1. 250㎛ 이하의 폭을 갖는 출구 오리피스를 구비한 둘 이상의 인접 채널을 포함하는 구조체와,

   상기 채널과 교통할 수 있도록 연결된 마킹 재료의 저장소와,

   하나 이상의 상기 채널과 상기 마킹 재료의 저장소 사이에 배치되고 하나 이상의 상기 채널 및 상기 마킹 재료의 저장소와 교통할 수 있도록 연결되어서, 상기 저장소로부터 하나 이상의 상기 채널 안으로 미립자 마킹 재료를 선택적으로 도입할 수 있는 계측 장치와,

   추진체 소스에 의해 제공된 추진체가 상기 채널을 통해서 흘러서 운동 에너지를 갖는 연속적인 추진체 스트림을 형성하도록, 상기 채널에 연결된 추진체 소스를 포함하고, 상기 마킹 재료가 상기 추진체 스트림 안으로 도입되어서 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 미립자 마킹 재료를 기판을 향해 이송하되, 상기 운동 에너지는 상기 미립자 마킹 재료를, 기판과의 충돌에 의한 소성 변형에 의해 미립자 마킹 재료가 기판에 융합되기에 충분한 속도로 상기 기판과 충돌하게 하는, 미립자 마킹 재료의 분사 장치.
2. 추진체 스트림을 수용하고 이 추진체 스트림이 통과하여 이동할 수 있는 출구 오리피스를 구비한 채널을 갖는 구조체와,

   상기 채널과 교통할 수 있도록 연결된 마킹 재료의 저장소와,

   상기 채널과 상기 마킹 재료의 저장소 사이에 배치되어서, 상기 저장소로부터 상기 추진체 스트림 안으로 미립자 마킹 재료를 선택적으로 도입할 수 있는 계측 장치와,

   추진체 소스에 의해 제공된 추진체가 상기 채널을 통해서 흘러서 운동 에너지를 갖는 연속적인 추진체 스트림을 형성하도록, 상기 채널에 연결된 추진체 소스를 포함하고, 상기 마킹 재료가 상기 추진체 스트림 안으로 도입되어서 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 마킹 재료가 이송되되, 상기 운동 에너지는 미립자 마킹 재료를, 기판과의 충돌에 의한 소성 변형에 의해 상기 미립자 마킹 재료가 기판에 융합되기에 충분한 속도로 상기 기판과 충돌하게 하는, 미립자 마킹 재료의 분사 장치.
3. 미립자 마킹 재료를 기판 위에 증착하기 위한 장치에 있어서,

   250㎛ 이하의 폭을 갖는 출구 오리피스를 각각 구비한 둘 이상의 인접 채널을 갖는 프린트 헤드와,

   추진체 소스에 의해 제공된 추진체가 상기 채널을 통해서 흘러서 채널 내부에 운동 에너지를 갖는 추진체 스트림을 형성하여, 이 추진체 스트림을 상기 출구 오리피스를 통해서 기판을 향하여 지향시키도록, 상기 각 채널에 연결된 추진체 소스와,

   상기 각 채널에 교통할 수 있게 연결된 마킹 재료의 저장소를 포함하여,

   상기 저장소로부터의 미립자 마킹 재료가 상기 각 채널 안에 있는 추진체 스트림으로 제어가능하게 도입되어서, 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 미립자 마킹 재료가 상기 기판과 충돌하게 하되, 상기 운동 에너지는 미립자 마킹 재료를, 기판과의 충돌에 의한 소성 변형에 의해 미립자 마킹 재료가 기판에 융합되기에 충분한 속도로 상기 기판과 충돌하게 하는, 미립자 마킹 재료의 증착 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 둘 이상의 인접 채널은 각각 다른 인접 채널로부터 250㎛ 이하로 이격되게 구성된, 미립자 마킹 재료의 증착 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 각 저장소로부터의 마킹 재료가 상기 추진체 스트림 안으로 제어가능하게 도입될 수 있도록, 상기 채널중 하나 이상의 채널과 각각 교통할 수 있게 연결된 복수의 마킹 재료의 저장소를 추가로 포함하는, 미립자 마킹 재료의 증착 장치.
6. 마킹 재료를 기판 위에 증착하기 위한 방법에 있어서,

   추진체가 관통하여 유동할 수 있는 250㎛ 이하의 폭을 갖는 출구 오리피스를 구비한 채널을 갖는 헤드 구조체에, 추진체를 제공하는 단계와,

   미립자 마킹 재료를 상기 채널 안에 있는 추진체 스트림 안으로 제어가능하게 도입하는 단계를 포함하고,

   상기 추진체는 상기 채널을 관통하여 유동함으로써 운동 에너지를 갖는 추진체 스트림을 형성하고,

   상기 채널은 상기 추진체 스트림을 상기 기판을 향하여 지향시키며,

   상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 미립자 마킹 재료가 기판과 충돌하게 하되, 상기 운동 에너지는 상기 미립자 마킹 재료를, 기판과의 충돌에 의한 소성 변형에 의해 미립자 마킹 재료가 상기 기판에 융합되기에 충분한 속도로 상기 기판과 충돌하게 하는, 미립자 마킹 재료의 증착 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 마킹 장치가 작동 상태에 있는 동안, 상기 추진체 스트림을 상기 채널을 통해서 연속으로 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 미립자 마킹 재료의 증착 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 하나 이상의 마킹 재료가 미립자 마킹 재료인, 다른 다중 마킹 재료를 상기 추진체 스트림 안으로 제어가능하게 도입하여서, 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 다른 다중 마킹 재료가 상기 기판과 충돌하는 단계를 추가로 포함하는, 미립자 마킹 재료의 증착 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 기판과 충돌하기 전에, 상기 채널 안에서 다중 마킹 재료를 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 미립자 마킹 재료의 증착 방법.
10. 출구 오리피스를 갖는 채널을 구비한 헤드 구조체에, 상기 채널을 통해서 유동함으로써 운동 에너지를 갖는 추진체 스트림을 형성하는 추진체를 제공하는 단계와,

    마킹 재료 미립자를 상기 채널의 추진체 스트림 안으로 제어가능하게 도입함으로써, 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 마킹 재료 미립자가 상기 출구 오리피스를 나와서 속도(v_c)로 상기 기판과 충돌하는 단계와,

    마킹 재료 미립자를 응고시킴으로써, 상기 마킹 재료를 상기 기판에 융합시키는 단계를 포함하며,

    상기 채널은 상기 추진체 스트림을 출구 오리피스를 통해서 상기 기판을 향하는 방향으로 지향시키고,

    상기 속도(v_c)는 상기 기판과 마킹 재료 미립자의 충돌로부터, 가소성 변형에 의해서 마킹 재료 미립자를 동적 용해시키기에 충분한 속도인, 기판 마킹 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 마킹 재료 미립자와 상기 기판과의 충돌이 상기 마킹 재료 미립자의 탄성 한계값을 초과하고,

    상기 마킹 재료 미립자와 상기 기판과의 충돌이 상기 마킹 재료 미립자를 그 연화 온도를 초과하도록 가열하여 상변화를 일으킬 수 있는 운동 에너지를, 상기 추진체가 상기 마킹 재료 미립자에게 부여하는 기판 마킹 방법.
12. 프린트 헤드에 교체식으로 부착할 수 있는 카트리지에 있어서,

    마킹 재료를 운반하고, 저장소에 저장된 마킹 재료가 관통하여 이동할 수 있는 포트를 포함하는 하나 이상의 저장소와,

    마킹 재료 수용 영역을 포함하고 추진체 수용 영역으로부터 출구 오리피스까지 연장되는 하나 이상의 채널을 형성한 채널 영역과,

    상기 하나 이상의 저장소에 저장된 마킹 재료에 작용할 수 있으며, 상기 저장소 및 마킹 재료의 수용 영역을 교통할 수 있게 연결하는 하나 이상의 상기 포트와 관련되어 이 포트에 인접하게 배치되어서, 상기 마킹 재료에 작용함으로써, 상기 저장소로부터 상기 마킹 재료 수용 영역으로 들어가는 마킹 재료를 제어가능하게 계측할 수 있는 하나 이상의 정전 계측 장치와,

    상기 추진체 수용 영역에 의해 제공된 추진체가 상기 채널을 통해서 흘러서 운동 에너지를 갖는 연속적인 추진체 스트림을 형성하며, 미립자 마킹 재료가 상기 추진체 스트림 안으로 도입되어서 상기 추진체 스트림의 운동 에너지로 인하여 상기 미립자 마킹 재료가 기판을 향해 이송되되, 상기 운동 에너지는 미립자 마킹 재료를, 기판과의 충돌에 의한 소성 변형에 의해 미립자 마킹 재료가 기판에 융합되기에 충분한 속도로 상기 기판과 충돌하게 하는, 카트리지.

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