KR101046954B1 - 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 형상을 구비하는 전극과 압전 액츄에이터에 의해 메니스커스가 용이하게 발생되도록 하여 종래의 ESD방식의 잉크젯 프린트 헤드보다 요구되는 에너지를 저감시키는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 관련되는 것이다.

ESD, 메니스커스 , 압전 액츄에이터

Description

하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드{Hybrid type ink jet print head}

본 발명은 소정의 형상을 구비하는 전극과 압전 액츄에이터에 의해 메니스커스가 용이하게 발생되도록 하여 종래의 ESD방식의 잉크젯 프린트 헤드보다 요구되는 에너지를 저감시키는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 관련되는 것이다.

일반적으로 정전기 유도증착(electrostatic deposition:ESD) 방식이라고 하는 것은 전기장을 이용하여 잉크 액적을 분사하는 프린트 기법을 말한다.

상기 방식은 정전기 장을 제어하여 단백질 또는 대전된 나노 입자들을 전도성 기판의 특정 영역 위에 증착시킬 수 있도록 개발되었는데, 방울의 크기, 시료의 농도, 분사시간 등으로 증착량을 조절할 수 있고, 다양한 패턴을 동시에 증착할 수 있어서 고속 대면적 분사가 가능하다는 특징을 갖는다.

상기한 정전기 유도증착의 원리를 도 1의 개념도를 통해 간략히 설명하면 다음과 같다.

도면을 보면, 상측에는 잉크를 배출하기 위한 미세직경의 노즐(21)이 위치하고 있고, 그 직하방에는 그라운드(22)가 위치하고 있다. 이때,

상기 노즐(21)에는 (+) 또는 (-)전압을 인가해 주고, 그라운드(22)에는 반대 전극인 (-) 또는 (+)전압을 인가해 주게 되면 노즐(21)을 통과하는 전도성 잉크가 노즐(21)과 같은 극으로 대전되며, 이에 따라 전도성 잉크는 반대전극의 그라운드(22)와의 인력(자기력)에 의해 그라운드(22) 상의 피인쇄체(미도시)에 인쇄되는 것이다.

그런데, 이러한 ESD방식의 프린트 기법은 잉크 액적의 미세화를 위해 소요되는 에너지가 많다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 기존의 ESD 프린트 기법에 압전 액츄에이터를 이용한 프린트 기법을 같이 사용하는 한편 상기 ESD프린트에 사용되는 전극을 V자로 형성하여 프린트에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 잉크 챔버 내부에 일시 저장되는 잉크를 정전기 유도에 의해 분사하는 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 잉크 챔버 내부에 장치되는 것으로서 V자 형상을 구비하는 전극과, 상기 잉크 챔버 일측에 장치되는 그라운드와, 상기 잉크 챔버 일측에 장치되는 압전 액츄에이터를 포함하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 특징이 있다.

이때, 압전 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 상부측에 장치되는 판체 형상의 진동 플레이트와, 상기 진동 플레이트상에 장치되는 압전 소자를 포함할 수 있다.

또한, 잉크 챔버 또는 상기 잉크 챔버를 형성하는 헤드 하우징의 바닥면은 판체 형상의 오리피스 플레이트와 상기 오리피스 플레이트의 저면에 배치되는 판체 형상의 베이스를 포함하되, 상기 오리피스 플레이트에는 상기 노즐의 하측 꼭지점과 맞닿도록 형성되는 것으로서 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 오리피스와, 상기 베이스에는 일정한 직경을 구비하되 상기 오리피스와 동일 중심선을 갖는 노즐을 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 ESD 프린트 방법과 압전 액츄에이터를 이용한 프린트 방법을 모두 사용하는 이른바 하이브리드 방식으로서 이러한 본 발명에 의해 프린트를 위한 잉크 액적 형성에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면과 실시예를 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 ESD 방식의 프린트 방법과 압전 액츄에이터를 이용한 프린트 방법을 모두 사용하는바, 우선 상기 압전 액츄에이터를 이용한 프린트 방법에 대해 먼저 설명한다.

압전 액츄에이터 방식은 피에조 압전기(Piezo Electric) 또는 세라믹 압전기(Ceramic Electric)를 이용해서 분사하는 방식으로 나뉜다.

상기 피에조 압전기는 피에조 압전소자(Piezo Actuator)를 이용하여 기계적인 압력으로 잉크를 분사하는 방식이다.

프린터가 압전소자에 전기신호를 보내면 압전소자가 진동을 하게 되고 이 진동의 압력으로 잉크가 노즐구멍 밖으로 밀려 나는 것이다. 빠져나간 부분은 모세 현상과 관성법칙 등에 의하여 채워진다.

또한 세라믹 압전기는 세라믹의 분극 처리 후 동일 방향의 전계를 가하거나 제거함에 의해 각각의 결정체가 늘어난 상태 및 줄어든 상태를 왕복하여 동작하게 되고 이를 이용하여 세라믹 압전기 전체의 움직으로 나타나게 된다.

이러한 압전 액츄에이터 방식에 의한 잉크 젯 프린트 헤드(10)를 도 2를 참조하여 설명한다.

상기 도 2는 잉크 젯 프린트 헤드(10)의 단면을 도시한 개념도이다.

도시된 바와 같이 상기 잉크 젯 프린트 헤드(10)의 일측에 잉크 투입구(11)가 형성된다.

도시되지 않은 잉크 저장조로부터 상기 잉크 투입구(11)측으로 잉크가 유동한 후 상기 잉크 투입구(11)를 통해 잉크 젯 프린트 헤드(10) 내부로 잉크가 유입된다.

상기 유입된 잉크는 채널(12)을 통해 잉크 챔버(13)로 투입된다.

상기 잉크 챔버(13)에 투입된 잉크는 노즐(15)을 통해 분사되며, 이때, 상술한 바와 같은 압전 액츄에이터(14)가 변형되면서 잉크를 분사키기게 된다.

이러한 압전 액츄에이터 방식은 전류 제어로 잉크의 분출을 정밀하게 제어할 수 있다는 점이 장점이다.

잉크방울이 부풀어 오를 때 압전소자의 전류를 제어하는 시간을 조절하면 밀려나가는 잉크방울의 크기를 조절할 수 있다.

때문에 노즐이 크면서도 잉크방울을 작게 만들 수 있으며 하나의 노즐로 다양한 크기의 잉크방울을 만드는 멀티 사이즈 도트 기능도 실현할 수 있는 것이다. 이러한 멀티 사이즈 도트 기능으로 피인쇄체에 따라서 도트의 크기를 조절할 수 있어 속도 향상에도 도움이 된다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같은 압전 액츄에이터 방식과 ESD 방식을 모두 사용하는 것이다.

이하 본 발명의 개념을 도시하는 개념도인 도 3을 참고하여 본 발명에 대해 설명한다.

본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드(100)는 도시된 바와 같이 잉크 챔버(C) 내부에 일시 저장되는 잉크를 정전기 유도에 의해 분사하는 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 잉크 챔버(C) 내부에 장치되는 것으로서 V자 형상을 구비하는 전극(120)과, 상기 잉크 챔버(C) 일측에 장치되는 그라운드(170)와, 상기 잉크 챔버(C) 일측에 장치되는 압전 액츄에이터(160)를 포함한다.

즉, ESD방식의 프린트를 수행하기 위해 전극(120)과 그라운드(170)를 구비하되, 압전 액츄에이터(160)를 더 구비하여 잉크 액적 생성을 위한 에너지를 절감할 수 있게 된다.

즉, 종래의 ESD방식의 경우 액적 생성을 위해 높은 밀도의 전기장이 필요하며, 상기 전기장을 발생시키기 위해 에너지가 많이 소모되었다.

이때, 상기 압전 액츄에이터(160)를 이용하여 잉크를 밀어주게 되면 노즐(N)에 메니스커스(meniscus;표면장력에 의해 발생하는 오목 또는 볼록한 모양을 말함) 생성에 큰 도움이 된다.

즉, 잉크가 분사되기 시작하는 시점에서는 메니스커스가 상기 노즐(N)에 맺힌 후 분사된다.

이때, 상기 압전 액츄에이터(160)가 잉크 챔버(C)에 일시 저장되어 있는 잉크를 밀어주면 상기 메니스커스가 용이하게 생성되는 것이다.

다시 말해서 종래와 달리 적은 에너지를 투입하여도 상기 압전 액츄에이터(160)에 의해 메니스커스를 생성할 수 있으며, 이에 의해 종래에 비해 적은 에너지를 투입해도 잉크 액적을 분사할 수 있다.

이하 본 발명의 프린트 헤드(100)를 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

실시예

본 실시예에서 설명하고자 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드(100)는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 잉크 챔버(C) 내부에 일시 저장되는 잉크를 정전기 유도에 의해 분사하는 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 헤드 하우징(110)과, 그라운드(170, 도 3참조)와, 압전 액츄에이터(160)와, 전극(120)을 포함한다.

상기 헤드 하우징(110)은 상부가 개방된 중공의 박스 형상을 구비하되 내부는 다수개의 영역으로 구획되어 상기 잉크 챔버(C)를 다수개 형성한다.

본 실시예에서는 가로 및 세로 방향으로 배치되는 다수개의 제1파티션(111) 및 제2파티션(113)에 의해 다수개의 잉크 챔버(C)를 형성하였다.

이때, 상기 다수개의 제1파티션(111)사이에 배치되되 상기 제2파티션(113)의 반대측 끝부분에 마감판(112)을 배치하였다.

즉, 상기 제1파티션(111)과 제2파티션(113)에 의해 형성되는 공간 중 개방되는 부분을 마감판(112)을 배치하여 잉크가 일시 저장될 수 있는 잉크 챔버(C)를 형성한 것이다.

이때, 상기 잉크 챔버(C)의 내부 중 상기 제2파티션(113)측에 추가적인 보조 플레이트(117)를 장치하여 후술하는 전극(120)이 보다 안정적으로 장착할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

한편, 상기 전극(120)은 상술한 바와 같이 잉크 챔버(C)의 내부에 장착된다.

이때, 상기 전극(120)은 V자 형상을 구비하되, 하측의 꼭지점 부분이 상기 잉크 챔버(C)의 바닥면측으로 향하도록 배치한다.

이는 상기 꼭지점부분에 전기장이 집중되어 상술한 메니스커스의 생성에 도움이 되기 때문이다.

또한, 상기 그라운드(170, 도 3참조)는 상기 헤드 하우징(110)의 일측 예를 들어 바닥면측에 배치할 수 있다.

상기 압전 액츄에이터(160)는 상기 잉크 챔버(C)의 상부측 즉, 헤드 하우징(110)의 상부측에 배치될 수 있다.

이때, 상기 압전 액츄에이터(160)는 상기 잉크 챔버(C) 즉, 헤드 하우징(110)의 상부측에 장치되는 판체 형상의 진동 플레이트(162)와, 상기 진동 플레이트(162)상에 장치되는 압전 소자(161)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 압전 소자(161)의 변형에 의해 상기 진동 플레이트(162)가 변형되며, 상기 변형에 의해 상기 잉크 챔버(C)에 일시 저장되어 있는 잉크를 노즐(N)측으로 밀어낼 수 있다.

한편, 상기 잉크 챔버(C) 상부측과 진동 플레이트(162) 사이에 장치되는 판체 형상의 절연판(130)을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 절연판(130)에는 상기 잉크 챔버(C)측과 연통되는 잉크 투입공(132)이 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 상기 절연판(130)이 상기 다수개의 잉크 챔버(C)를 형성하는 헤드 하우징(110)의 크기와 동일한 판체 형상의 본체(131)와 상기 본체(131)에 다수개 형성되되, 그 위치는 상기 잉크 챔버(C)와 동일한 위치에 잉크 투입공(132)이 형성된다.

이와 같은 구성에 의해 상기 절연판(130)에 의해 전기적인 절연을 도모함은 물론 상기 잉크 투입공(132)을 통해 잉크가 상기 잉크 챔버(C)로 유입될 수 있도록 한다.

한편 상기 잉크 챔버(C)측으로 잉크가 유동할 수 있는 유동 공간(R, 도 3참조)이 필요하다.

이를 위해 절연판(130) 상부에 배치되어 상기 절연판(130)과 진동 플레이트(162)사이의 간격을 확보하여 잉크가 유동할 수 있는 공간을 형성하는 스페이서(140)를 더 포함하는 것도 가능하다.

본 실시예에서는 상기 절연판(130)의 잉크 투입공(132)이 2열로 형성되어 있 어 상기 잉크 투입공(132)을 피해 빔 형상을 구비하는 3개의 스페이서 즉, 제1, 제2, 제3 스페이서(141,142,143)이 배치된 것이 예시된다.

이와 같은 3개의 스페이서(140)상에 상기 절연판(130)을 덮으면 상기 3개의 스페이서(140)사이의 공간이 잉크가 유동할 수 있는 공간이 된다.

한편 상기 헤드 하우징(110)은 바닥면은 판체 형상의 오리피스 플레이트(114)와 상기 오리피스 플레이트(114)의 저면에 배치되는 판체 형상의 베이스(115)를 포함할 수 있다.

상기 오리피스 플레이트(114)에는 상기 전극(120)의 하측 꼭지점과 맞닿도록 형성되는 것으로서 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 오리피스(114a)가 형성된다.

또한, 상기 베이스(115)에는 일정한 직경을 구비하되 상기 오리피스(114a)와 동일 중심선을 갖는 노즐(N)이 형성된다.

한편 상기 전극(120)은 상술한 바와 같이 잉크 챔버(C)에 장치되는데, 본 실시예에서는 V자 형상의 전극 본체(121)와 상기 전극 본체 양측에 수직방향(잉크 챔버의 깊이 방향)으로 배치되는 전극 지지부(122)와 상기 전극 지지부(122) 상단부에서 잉크 챔버(C)의 외측으로 절곡되어 상기 잉크 챔버(C)상단부에 걸림되는 걸림턱(123)으로 포함하는 것이 예시된다.

이와 같은 전극(120)과 그라운드(170, 도 3참조)에 전원이 가해지면 전기장이 형성된다.

한편 상기 전극(120)에 전원을 공급하는 구성이나 압전 액츄에이터(160)에 전원을 공급, 및 제어하는 구성은 널리 알려진 구성이므로 자세한 설명은 생략한 다.

또한, 본 발명의 프린트 헤드(100)에 잉크를 공급하기 위해 잉크 저장소(도시되지 않음) 및 가압, 이송수단(예를 들어 펌프)이 구비될 수 있으며, 이 역시 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

도 1은 정전기 유도증착의 원리를 도시하는 개념도,

도 2는 압전 액츄에이터를 이용한 잉크 젯 프린트 헤드의 단면을 도시한 개념도,

도 3은 본 발명의 단면을 도시하는 개념도,

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 예를 도시하는 분리 사시도 및 확대도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ; 본 발명의 프린트 헤드 110 : 헤드 하우징

120 : 전극 130 : 절연판

140 : 스페이서 160 : 액츄에이터

N : 노즐

Claims (6)

1. 잉크 챔버 내부에 일시 저장되는 잉크를 정전기 유도에 의해 분사하는 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서,

   상기 잉크 챔버 내부에 장치되는 것으로서 V자 형상을 구비하는 전극과,

   상기 잉크 챔버 일측에 장치되는 그라운드와,

   상기 잉크 챔버 일측에 장치되는 압전 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
2. 잉크 챔버 내부에 일시 저장되는 잉크를 정전기 유도에 의해 분사하는 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서,

   상부가 개방된 중공의 박스 형상을 구비하되 내부는 다수개의 영역으로 구획되어 상기 잉크 챔버를 다수개 형성하는 헤드 하우징과,

   상기 헤드 하우징 저면에 장치되는 그라운드와,

   상기 잉크 챔버의 상부측에 장치되는 압전 액츄에이터와,

   상기 잉크 챔버 내부에 장치되는 것으로서 V자 형상을 구비하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 압전 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 상부측에 장치되는 판체 형상의 진동 플레이트와, 상기 진동 플레이트상에 장치되는 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
4. 제3항에 있어서,

   상기 잉크 챔버 상부측과 진동 플레이트 사이에 장치되는 판체 형상의 절연판을 더 포함하되,

   상기 절연판에는 상기 잉크 챔버측과 연통되는 잉크 투입공이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
5. 제4항에 있어서,

   상기 절연판 상부에 배치되어 상기 절연판과 진동 플레이트사이의 간격을 확보하여 잉크가 유동할 수 있는 공간을 형성하는 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
6. 제2항에 있어서,

   상기 헤드 하우징의 바닥면은 판체 형상의 오리피스 플레이트와 상기 오리피스 플레이트의 저면에 배치되는 판체 형상의 베이스를 포함하되,

   상기 오리피스 플레이트에는 상기 전극의 하측 꼭지점과 맞닿도록 형성되는 것으로서 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 오리피스와,

   상기 베이스에는 일정한 직경을 구비하되 상기 오리피스와 동일 중심선을 갖 는 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.

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