KR101130889B1 - 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 잉크챔버의 상,하부면에 각각 압전소자가 구비되어 동일한 펄스로 압전소자가 구동되게 한 수단으로 큰 파동에너지가 노즐에 가해져서 액적 토출압력이 증가하도록 함으로서 빠른 구동과 잉크의 분사가 가능하고 가는 세선과 높은 해상도를 구현할 수 있도록 한 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 제1상부전극, 제1하부전극 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자와; 상기 제1하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 제1액츄에이터부와; 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와; 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 형성된 노즐판으로 진동판 역할을 하도록 한 제2액츄에이터부와; 상기 노즐판의 하부에 위치한 노즐 주위에 제2하부전극, 제2상부전극 및 그 사이에 삽입되는 하부 압전소자;를 포함하는 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드를 특징으로 한다.

Description

더블 압전 잉크젯 프린터 헤드{Double piezo-inkjet printer head}

본 발명은 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 잉크챔버의 상,하부면에 각각 압전소자가 구비되어 동일한 펄스로 압전소자가 구동되게 한 수단으로 큰 파동에너지가 노즐에 가해져서 액적 토출압력이 증가하도록 함으로서 빠른 구동과 잉크의 분사가 가능하고 가는 세선과 높은 해상도를 구현할 수 있도록 한 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린터 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치에 해당되는 것으로, 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여잉크에 버블 (bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식 (electro-mechanical transducer, 압전 방식)이 있다.

상기 열 버블젯(Thermal bubble jet)의 열을 이용한 구동의 경우에는 큰 힘과 큰 변위를 얻을 수 있는 반면에 전류를 계속 인가하게 되므로 전력소모가 크고 물체가 식은 후에 다시 동작을 시켜야 하기 때문에 구동 속도가 떨어진다는 문제점이 있다,

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것이 비가열 방식의 압전 재료를 이용한 프린터 헤드는 압전 소자가 전기장을 순간적으로 받게 되면 부피가 변화하는 현상을 이용한 인쇄법에 해당된다.

도 1 및 도 2는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린터 헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 상,하부전극(2)(3) 및 그 사이에 삽입되는 압전소자(1)와, 상기 하부전극(3)의 하측에 배치되어 진동판(4)으로 구성되는 액츄에이터부와, 상기 진동판(4)의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버(5)와, 상기 잉크챔버(5)의 하측부를 형성하고 상기 진동판(4)과 대향되는 면에 노즐(6a)이 형성된 노즐판(6)과, 상기 잉크챔버(5)의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부(5a)로 이루어져서 액츄에이터부의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버(5)의 부피가 변화함으로서 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력변화를 생성하게 된다.

이러한 압전 방식의 잉크젯 프린터의 헤드에서는 압전소자를 이용하여 상단에서 하단으로 압력을 가하여 잉크방울 즉 액적을 토출하는 방식이다. 이러한 압전 잉크젯 프린터 헤드는 압전소자에 전압이 인가하면 수축력에 의한 진동으로 헤드 안에 있는 잉크를 진동시키는 방식으로 작동하여 잉크를 토출하는 소자이다.

즉, 종래의 압전 잉크젯 프린터 헤드는 단일한 압전소자로 이루어져 있으므로 이러한 압전 잉크젯 프린터 헤드는 압전소자가 하나만 사용되기 때문에 토출시에 압력이 부족하거나 열을 가하지 않은 상태에서 토출압력이 적어 노즐이 막히는 경우도 있고, 또 제어할 때 그 토출압력의 제어가능 영역이 좁고, 또한 잘 막히어서 항상 전원을 켜 놓아야 하는 단점이 있다. 또 이런 막히는 현상을 최소화 시키기 위하여 인쇄 도중 많은 클리닝(cleaning)작업을 실행하여서 소모되는 잉크 분사량에서나 인쇄속도 측면에서 열구동 방식과 현저한 차이를 나타내고 있다.

이렇게 종래의 경우는 압전소자가 한 개이고 노즐 반대면에서 압력이 주어지며 잉크챔버의 유체 압력이 파동에너지로 노즐구멍에 전달되고 구형의 잉크방울(A)이 솟아나오는 등 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 잉크챔버 상부면의 진동판으로 구성되는 액츄에이터부에 상부 압전소자를 설치하고 잉크챔버 하부면의 노즐판에 형성된 노즐 주위에 하부 압전소자를 설치하여 상기 상,하부 압전소자가 같은 펄스로 구동되어 동위상을 형성함으로서 서로 보강간섭이 되는 작용으로 큰 파동에너지가 노즐에 가해져서 액적 토출압력이 증가하고 직진 막대형의 균일한 잉크방울이 토출되도록 한 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드를 제공함에 있다.

본 발명은 제1상부전극, 제1하부전극 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자와; 상기 제1하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 제1액츄에이터부와; 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와; 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 형성된 노즐판으로 진동판 역할을 하도록 한 제2액츄에이터부와; 상기 노즐판의 하부에 위치한 노즐 주위에 제2하부전극, 제2상부전극 및 그 사이에 삽입되는 하부 압전소자;를 포함하는 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 잉크챔버의 상부면에 구비된 압전진동자와 함께 잉크챔버의 하부면에 위치한 노즐 주위에도 압전진동자가 구비된 2개의 압전구동수단이 구비되어 이러한 2개의 압전진동자는 동기화된 펄스를 인가하여 동위상을 형성하는 펄스에 의해 서로 보강간섭되는 작용으로 노즐에 큰 파동에너지가 가해져서 노즐의 막힘없이 직진 막대형의 잉크방울이 토출되도록 하므로 빠른 구동과 잉크의 분사가 가능하고 단일 압전방식에 비해 같은 직경의 노즐을 사용하더라도 더욱 가늘고 높은 해상도를 구현할 수 있다.

특히 본 발명의 이중압전방식은 기존의 단일 방식에 달리 동기화된 펄스를 이용하여 고점도의 금속나노입자의 반도체 금속배선도에 수십 내지 수백 분의 미세액적 구현이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 잉크젯 프린터 헤드의 일반적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 잉크젯 프린터 헤드에 의한 잉크방울의 토출형태를 나타낸 일부 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 프린터 헤드의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 잉크젯 프린터 헤드에 의한 잉크방울의 토출형태를 나타낸 일부 확대도.
도 5는 본 발명에 의한 압전진동자의 진동모드를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 의한 상,하부 진동소자에 의해 구비된 2개의 압전진동자에 동기화된 펄스를 인가하는 것을 나타낸 도면.

본 발명의 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드는, 제1상부전극, 제1하부전극 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자와; 상기 제1하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 제1액츄에이터부와; 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와; 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 형성된 노즐판으로 진동판 역할을 하도록 한 제2액츄에이터부와; 상기 노즐판의 하부에 위치한 노즐 주위에 제2하부전극, 제2상부전극 및 그 사이에 삽입되는 하부 압전소자;를 포함하여서 된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 상,하부 압전소자에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 한쪽이 신장하면 한쪽이 수축되는 (+)(-) 진동모드 구동이 이루어질 수 있도록 펄스 전압을 인가하여 음향진동이 형성되도록 한다.

또, 상기 상,하부 압전소자에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 동기화된 펄스를 인가하여 노즐에 파동에너지가 전해지도록 한다.

또, 상기 잉크챔버(30)에 채워지는 잉크는 다양한 형태의 염료잉크가 포함되거나, 나노 입자가 삽입된 나노 잉크를 사용 또는 금속입자가 포함된 전도성 잉크를 더 포함하여서 된 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드는, 도 3에 도시된 바와 같이 제1상부전극(12), 상부 압전소자(10), 제1하부전극(14), 진동판(20), 잉크챔버(30), 노즐판(40), 노즐(45), 제2하부전극(54), 하부 압전소자(50), 제2상부전극(52) 순으로 구성된다.

상기 잉크챔버(30)는, 주로 세라믹 재료, 실리콘 재료 등으로 된 압전박막재료를 금속박막 격벽 사이에 두고 벌크 기판이 구비되어 잉크가 채워지도록 하되 상부면은 진동판(20) 역할을 하고 하부면은 노즐판(40)이 진동판 역할을 하며, 잉크챔버(30)의 상부 일측에 잉크주입부(32)가 형성되어 잉크공급통(도시되지 않음)의 잉크를 잉크챔버(30)로 공급하게 된다.

상기 잉크챔버(30)에 채워지는 잉크(액적)는 일반적인 프린터 외에도 금속입자가 포함된 잉크를 더 포함하여 높은 해상도의 금속배선 공정을 구현할 수 있도록 한다.

진동판(20)의 상면은, 제1상부전극, 제1하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자(10)로 이루어진 상부 압전진동자가 구비되어 인가되는 전압 신호에 의하여 진동판의 제1엑츄에이터부의 구동으로 잉크가 채워진 잉크챔버(30)에 압력을 발생시키게 된다.

노즐판(40)은, 진동판(20)과 대향된 면에 해당되고 잉크챔버(30)에 채워진 잉크가 외부로 토출되는 노즐(45)이 형성되어 있다.

노즐판(40)의 하부면에 위치한 노즐(45) 주위에 제2하부전극(54), 제2상부전극(52) 및 그 사이에 삽입되는 하부 압전소자(50)로 이루어진 하부 압전진동자가 구비되어 인가되는 전압 신호에 의하여 노즐판(40)의 제2엑츄에이터부 구동이 이루어지게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이 상,하부 압전소자(10)(50)에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 한쪽이 신장하면 한쪽이 수축되는 (+)(-) 진동모드 구동이 이루어질 수 있도록 펄스 전압을 인가하여 음향진동이 형성되도록 하고 여기에 상,하부 압전소자에 인가하는 최대 주파수는 대략 80KHZ이다. 공진주파수가 낮아짐으로서 이것에 대응한 기계적인 임피던스를 낮아지게 함으로서 노즐에서의 잉크유동의 임피던스 부정합을 감소시킬 수 있으며, 유동에너지의 전달특성이 향상된다.

또, 도 6에 도시된 바와 같이 상,하부 압전소자(10)(50)에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 동기화된 펄스를 인가하여 동위상을 형성하는 펄스에 의해 서로 보강간섭되는 작용으로 노즐(45)에 큰 파동에너지가 가해져서 노즐의 막힘없이 직진 막대형의 잉크방울(A)이 토출되도록 한다.

이와 같이 된 본 발명의 더블 압전 잉크젯 프린터 헤드에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 잉크젯 프린터에서는 제1상부전극(12), 제1하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자(10)로 이루어진 상부 압전진동자는 인가되는 전압 신호에 의하여 진동판(20)의 제1엑츄에이터의 구동으로 진동판(20)이 변형되면 잉크챔버(30)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 잉크챔버(30)의 압력변화에 의해 잉크챔버(30)에 채워진 잉크는 노즐(45)을 통해 외부로 토출된다. 이어서 상부 압전진동자에 의해 진동판(20)이 원래의 상태로 복원되면서 잉크챔버(30) 내의 부피가 증가하게 되면서 이에 따른 압력변화에 의해 잉크주입부(32)를 통해 잉크공급통의 잉크를 잉크챔버(30)로 공급하는 과정으로 프린팅이 이루어진다.

이때 본 발명에서는 잉크챔버(30)의 상부면에 구비된 상부 압전소자(10)와 함께 잉크챔버(30)의 노즐판(40) 하부면에 위치한 노즐(45) 주위에 하부 압전소자(50)가 구비되어 있는 2개의 압전진동자에 의해 잉크의 흐름이 동기화된 펄스의 의해 노즐(45)의 막힘문제가 없고 고해상도의 잉크 토출이 가능한 것이다.

즉, 상,하부 압전소자(10)(50)에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 한쪽이 신장하면 한쪽이 수축되는 (+)(-) 진동모드 구동이 이루어질 수 있도록 펄스 전압을 인가하여 음향진동이 형성되도록 하는 동기화된 펄스를 인가하게 되면 동위상을 형성하는 펄스에 의해 서로 보강간섭되는 작용으로 노즐(45)에 큰 파동에너지가 가해져서 노즐의 막힘없이 직진 막대형의 잉크방울(A)이 토출된다.

이렇게 2개의 압전소자(10)(50)를 작동함으로써, 잉크챔버(30)에 동위상의 공진 파동에너지를 효과적으로 활용하여 단일 압전구동방식에 비해 같은 직경의 노즐을 사용하더라도 높은 해상도를 구현할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10 : 상부 압전소자 12 : 제1상부전극
14 : 제1하부전극 20 : 진동판
30 : 잉크챔버 32 : 잉크주입부
40 : 노즐판 45 : 노즐
50 : 하부 압전소자 52 : 제2상부전극
54 : 제2하부전극 A : 잉크방울

Claims (4)

1. 삭제
2. 제1상부전극(12), 제1하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 상부 압전소자(10)와;
   상기 제1하부전극(14)의 하측에 배치되어 진동판(20)으로 구성되는 제1액츄에이터부와;
   상기 진동판(20)의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버(30)와;
   상기 잉크챔버(30)의 하측부를 형성하고 상기 진동판(20)과 대향되는 면에 형성된 노즐판(40)으로 진동판을 역할을 하도록 한 제2액츄에이터부와;
   상기 노즐판(40)의 하부에 위치한 노즐(45) 주위에 제2하부전극(54), 제2상부전극(52) 및 그 사이에 삽입되는 하부 압전소자(50);를 포함하여서 되는 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드에 있어서,
   상기 상,하부 압전소자(10)(50)에 의해 구비된 2개의 압전진동자는 한쪽이 신장하면 한쪽이 수축되는 (+)(-) 진동모드 구동이 이루어질 수 있도록 펄스 전압을 인가하여 음향진동이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 더블 압전 잉크젯 프린더 헤드.
   
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서, 상기 잉크챔버(30)에 채워지는 잉크는 염료 잉크, 나노입자가 삽입된 나노 잉크, 금속입자가 포함된 전도성 잉크 중 어느 하나 이상을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린더 헤드.

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