KR101162833B1 - 압전방식 잉크젯 프린터 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액츄에이터의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버의 부피가 변화하면서 발생되는 압력으로 노즐을 통해 잉크가 토출되어지되 노즐 직경보다 작은 직경의 미세한 액적의 잉크 토출에 의해 세선화가 가능하도록 한 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드는 상부전극, 하부전극 및 그 사이에 삽입되는 압전판과, 상기 하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 액츄에이터부와, 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 노즐이 형성된 노즐판과, 상기 잉크챔버의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부와, 상기 노즐판의 외측면은 노즐 주위에 전계형성을 하기 위한 전계형성 전극판이 부착된 것을 특징으로 한다.

Description

압전방식 잉크젯 프린터 헤드 {Piezo electric inkjet printer head}

본 발명은 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액츄에이터의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버의 부피가 변화하면서 발생되는 압력으로 노즐을 통해 잉크가 토출되어지되 노즐 직경보다 작은 직경의 미세한 액적의 잉크 토출에 의해 세선화가 가능하도록 한 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린터 헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(液滴, droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치의 일종으로서, 이러한 잉크젯 프린터의 잉크토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계변환 방식 (electro-mechanical transducer, 압전방식)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 구동속도가 떨어진다는 문제점이 있다.

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

도 1은 종래의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면 상부전극(10), 하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 압전판(12)과, 상기 하부전극(14)의 하측에 배치되어 진동판(20)으로 구성되는 액츄에이터부와, 상기 진동판(20)의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버(30)와, 상기 잉크챔버(30)의 하측부를 형성하고 상기 진동판(20)과 대향되는 면에 노즐(42)이 형성된 노즐판(40)과, 상기 잉크챔버(30)의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부(32)로 이루어져서 액츄에이터부의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버(30)의 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력변화를 생성하게 된다.

이러한 압전방식의 잉크젯 프린터의 헤드에서는 잉크챔버(30)에 발생되는 토출압력으로 노즐(42)을 통해 잉크가 외부로 토출이 이루어지도록 한 것이어서 잉크가 토출되기 위해 노즐(42)을 벗어나는 순간에 도 2에서 보는 바와 같이 노즐(42)의 직경보다 큰 잉크방울이 생성되어 프린팅이 이루어지기 때문에 수 나노 내지 수십 나노 크기의 미세 금속입자 액적(液滴)으로 세선화(細線化) 구현을 하는 데 어려움이 있고, 이를 감안하여 노즐의 직경을 작게 하는 경우에는 잉크의 토출에 지장을 초래함과 아울러 노즐이 쉽게 막히게 되므로 높은 해상도의 금속배선과 같은 공정을 수행하는 데 많은 지장을 초래하였다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액츄에이터의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버의 부피가 변화하면서 발생되는 압력으로 노즐을 통해 잉크가 토출되어지되 노즐판의 외측면에 부착되어 노즐 주위에 전계형성 전극판을 부착하여 잉크를 대전시키는 수단으로 노즐 직경보다 작은 직경의 액적인 잉크 토출이 가능한 전기유체역학적(Electro Hydro Dynamics, EHD) 원리를 이용하는 압전방식 잉크젯 프린더 헤드를 제공함에 있다.

본 발명의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드는 상부전극, 하부전극 및 그 사이에 삽입되는 압전판과, 상기 하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 액츄에이터부와, 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 노즐이 형성된 노즐판과, 상기 잉크챔버의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부와, 상기 노즐판의 외측면은 노즐 주위에 전계형성을 하기 위한 전계형성 전극판이 부착된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 압전진동자에 의한 액츄에이터의 구동에 의해 잉크가 채워진 잉크챔버의 부피가 변화하면서 발생되는 압력으로 노즐을 통해 잉크가 토출되는 압전 방식 잉크젯 프린터 헤드를 통해지되 노즐이 형성되는 노즐판의 외측면에 전계형성 전극판이 부착되어 노즐 주위에 전계를 형성하면서 잉크를 대전시키고 토출방향의 전기장에 의해 토출방향으로 끌어당기는 힘이 발생되어 제트(jet) 흐름과 노즐 직경보다 작은 연속적인 미세 잉크방울을 형성하여 세선화가 통해지므로 노즐 직경보다 작은 직경의 액적인 잉크 토출이 가능하여 노즐 직경의 수십 내지 수백분의 일 크기의 미세 액적의 구현이 가능하고, 해상도에 비해 큰 직경의 노즐을 사용함으로써 노즐판의 다양한 입자를 혼합한 잉크 및 점성이 강한 잉크에서도 노즐의 막힘 문제없이 적용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드의 일반적인 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 의한 잉크방울의 토출형태를 나타낸 일부 확대 단면 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린터 헤드의 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 의한 잉크방울의 토출형태를 나타낸 일부 확대 단면 예시도.
도 5는 본 발명의 전계형성 전극판에 의해 노즐에서 토출되는 잉크방울이 미세하게 형성되는 작용을 나타낸 예시도.

본 발명의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드는 상부전극, 하부전극 및 그 사이에 삽입되는 압전판과, 상기 하부전극의 하측에 배치되어 진동판으로 구성되는 액츄에이터부와, 상기 진동판의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버의 하측부를 형성하고 상기 진동판과 대향되는 면에 노즐이 형성된 노즐판과, 상기 잉크챔버의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부와, 상기 노즐판의 외측면은 노즐 주위에 전계형성을 하기 위한 전계형성 전극판이 부착된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전계형성 전극판의 주연부는 원형으로 형성되고 중심에 노즐의 직경보다 큰 중공부로 형성되어 노즐을 통해 토출되는 잉크가 접촉되도록 한다.

또, 상기 전계형성 전극판에 전압을 인가하되 전압을 가변할 수 있도록 하여 가변되는 전압에 의해 노즐을 통해 토출되는 잉크방울의 크기를 조절할 수 있도록 하고, 상기 잉크챔버에 채워지는 잉크는 금속입자가 포함된 전도성 잉크를 더 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린터 헤드는 상부전극(10), 압전판(12), 하부전극(14), 진동판(20), 잉크챔버(30), 노즐판(40), 전계형성 전극판(50) 순으로 구성된다.

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

진동판(20)의 상면은 상,하부전극(10)(14) 및 그 사이에 삽입되는 압전판(12)으로 이루어진 압전진동자가 구비되어 인가되는 전압 신호에 의하여 진동판의 엑츄에이터의 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(42)이 형성되어 있다.

상기 전계형성 전극판(50)은 노즐판(40)의 외측면에 부착되어 노즐(42) 주위에 전계형성을 할 수 있도록 한 것으로 전계형성 전극판(50)에 인가되는 전압에 의해 노즐(42) 입구에서 전계형성 전극판(50) 사이의 잉크는 대전되면서 평형상태를 유지하고 있는 잉크의 표면장력과 중력이 토출방향의 전기장에 의해 토출방향으로 끌어당기는 힘이 발생되게 한 수단으로 제트(jet) 흐름과 노즐(42) 직경보다 작은 연속적인 미세 잉크방울(A)을 형성하여 세선화가 이루어질 수 있도록 한다.

상기 잉크챔버(30)에 채워지는 잉크는 일반적인 프린터 외에도 금속입자가 포함된 잉크를 더 포함함으로써 높은 해상도의 금속배선 공정을 구현할 수 있도록 한다.

상기 전계형성 전극판(50)의 주연부는 원형으로 형성되고 중심에 노즐의 직경보다 큰 중공부(52)로 형성되어 노즐(42)을 통해 토출되는 잉크가 전계형성 전극판(50)의 중공부(52)에 접촉되도록 함이 바람직하며, 이는 전계형성 전극판(50)에 전압을 인가하지 않고 압전방식 잉크젯 프린터 헤드와 같이 노즐(42)을 통해 토출하여 프린팅을 할 때 전계형성 중공부(52)에 접촉되어 토출되도록 함에 있다.

상기 노즐(42)을 통해 토출되는 잉크방울(A)의 크기나 제트 흐름의 속도 등은 잉크의 점도나 표면장력 및 잉크의 전기전도도 뿐만 아니라 노즐의 직경 및 유량률에 따라 달라지게 되는 것으로, 특히 본 발명에서는 전계형성 전극판(50)에 인가되는 전압을 가변하여 그 가변되는 전압에 따른 전기장의 세기에 의해 잉크방울의 크기나 제트 흐름의 속도를 조절할 수 있게 한다.

전계형성 전극판(50)에 인가되는 전압은 직류 또는 교류를 적용하여 사용할 수 있게 되며, 그 전압은 1V~10KV 범위 정도로 가변할 수 있도록 함이 바람직한 것으로, 예를 들어 1~100V의 영역에서 전계를 형성하는 경우에 노즐(42)의 직경과 가까운 잉크방울을 형성하고 간헐적으로 잉크방울이 떨어지는 토출작용을 하는 데 비하여, 1KV 이상에서 전계를 형성하는 경우에는 메니스커스가 콘 형태로 잉크방울이 매우 작아지면서 연속적인 제트흐름을 형성하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 압전방식 잉크젯 프린터 헤드에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 잉크젯 프린터에서 상부전극(10), 하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 압전판(12)으로 이루어진 압전진동자는 인가되는 전압 신호에 의하여 진동판(20)의 엑츄에이터의 구동으로 진동판(20)이 변형되면 잉크챔버(30)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 잉크챔버(30)의 압력변화에 의해 잉크챔버(30)에 채워진 잉크는 노즐(42)을 통해 외부로 토출된다. 이어서 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 노즐판(40)의 외측면에 부착되어 노즐(42) 주위에 전계형성을 할 수 있도록 한 전계형성 전극판(50)에 의해 수 나노 내지 수십 나노 크기의 미세 금속입자 액적(液滴)으로 세선화(細線化) 구현이 가능하고 종래의 압전 잉크젯 프린팅 방식보다 높은 해상도의 금속배선 공정을 구현할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 노즐(42) 끝단에 있는 잉크는 잉크의 표면장력에 의해 메니스커스(meniscus)를 형성하며 중력과 평형을 유지하고 있는 상태에서 진동판(20)의 엑츄에이터의 구동에 의한 압력펄스에 의해 잉크방울로 토출이 이루어지게 될 때 압전진동자의 노즐판(40)의 외측면에 부착된 전계형성 전극판(50)에 전압이 인가되어 노즐(42) 주위에 전계가 형성되게 함으로써 노즐(42) 입구에서 전계형성 전극판(50) 사이의 잉크는 대전되면서 평형상태로 있던 잉크의 표면장력과 중력이 토출방향의 전기장에 의해 토출방향으로 끌어당기는 힘이 발생하여 제트(jet) 흐름과 노즐(42)의 직경보다 작은 연속적인 미세 잉크방울을 형성하면서 토출이 된다.

이는 도 5에서 본 발명에 따른 전계형성 전극판에 의해 잉크방울이 토출되는 작용을 나타낸 일실시예를 도시한 바와 같이 전계형성 전극판(50)에 의해 노즐(42)의 주위에 전계가 형성되면서 노즐(42) 끝단에서 노즐(42)의 위치한 전계형성 전극판(50)의 전기장에 의해 토출방향으로 끌어당기는 힘에 의해 제트 흐름이 생성되고 노즐(42)의 토출방향 중심선상으로 유선형(B)을 이루는 콘 형태를 가지면서 풍선처럼 하부가 작아지는 형태로 토출이 되어 노즐(42)의 직경보다 작은 미세 잉크방울(A)을 형성하는 수단으로 수 나노 내지 수십 나노 크기의 미세 금속입자 액적(液滴)으로 세선화 (細線化)가 가능하기 때문에 이를 금속배선 공정에 적용하는 경우에 종래와 같은 직경의 노즐(42)을 사용하더라도 종래의 압전방식 잉크젯 프린팅에 비해 훨씬 높은 해상도를 구현할 수 있게 된다.

그리고 종래와 같은 해상도를 적용하여 프린팅하는 경우에는 종래보다 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로 비교적 큰 직경의 노즐에 의해 다양한 입자를 혼합한 잉크 및 점성이 강한 잉크의 사용이 가능하면서 노즐의 막힘을 방지할 수 있게 된다.

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

10 : 상부전극 12 : 압전판
14 : 하부전극 20 : 진동판
30 : 잉크챔버 32 : 잉크주입부
40 : 노즐판 42 : 노즐
50 : 전계형성 전극판 52 : 중공부
A : 잉크방울 B : 유선형

Claims (4)

1. 상부전극(10), 하부전극(14) 및 그 사이에 삽입되는 압전판(12)과;
   상기 하부전극(14)의 하측에 배치되어 진동판(20)으로 구성되는 액츄에이터부와;
   상기 진동판(20)의 하측에 공간이 형성되어 잉크가 채워지는 잉크챔버(30)와;
   상기 잉크챔버(30)의 하측부를 형성하고 상기 진동판(20)과 대향되는 면에 노즐(42)이 형성된 노즐판(40)과;
   상기 잉크챔버(30)의 상부 일측에 형성되어 잉크를 공급하기 위한 잉크주입부(32)및;
   상기 노즐판(40)의 외측면에 부착되어 노즐(42) 주위에 전계형성을 하기 위한 전계형성 전극판(50)을 포함하되,
   상기 전계형성 전극판(50)의 주연부는 원형으로 형성되고 중심에 노즐의 직경보다 큰 중공부(52)로 형성되어 노즐(42)을 통해 토출되는 잉크가 접촉되도록 하며, 상기 전계형성 전극판(50)에 전압을 인가하되 전압을 1KV 내지 10KV 범위로 가변할 수 있도록 하여 가변되는 전압에 따른 전기장의 세기에 의해 노즐(42)을 통해 토출되는 잉크방울의 크기를 조절하도록 함으로써 노즐(42)의 직경보다 작은 미세 액적으로 세선화(細線化)할 수 있는 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린터 헤드.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 잉크챔버(30)에 채워지는 잉크는 금속입자가 포함된 전도성 잉크를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린터 헤드.

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