KR101236426B1

KR101236426B1 - 잉크젯 프린트헤드 및 그 기포제거방법

Info

Publication number: KR101236426B1
Application number: KR1020060014247A
Authority: KR
Inventors: 이유섭; 김종민; 정재우
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2013-02-22
Also published as: US20070211123A1; CN101020387B; KR20070081938A; JP5366367B2; US8100520B2; JP2007216681A; CN101020387A

Abstract

잉크젯 프린트헤드 및 그 기포제거방법이 개시된다. 잉크젯 프린트헤드는, 압력챔버를 포함하는 잉크 유로, 압력 챔버와 연통된 노즐, 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 액츄에이터, 잉크 유로에 불균일한 전계를 형성하기 위한 것으로서 노즐에 가까울수록 저전압이 인가되는 복수의 전극을 포함한다.

Description

잉크젯 프린트헤드 및 그 기포제거방법{ink-jet printhead and purging method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 평면도.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 수직 단면도.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 A-A'단면도.

도 4는 복수의 전극에 의하여 형성된 분균일한 전계에 의하여 기포가 이동되는 모습을 도시한 도면.

도 5는 기포를 제거하기 위하여 잉크를 흡입하는 모습을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...유로형성 기판 111...압력 챔버

112...리스트릭터 113...매니폴드

114...진동판 120...노즐 기판

122...노즐 131...절연층

140...압전 액츄에이터 141...하부 전극

142...압전막 143...상부 전극

150......플렉시블 인쇄 회로 160......절연층

170......전극 180......전압인가수단

190......부압제공수단 191......노즐캡

본 발명은 기포제거성능을 가지는 잉크젯 프린트헤드 및 기포제거방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

프린트헤드 내의 잉크 유로, 특히 압력 챔버 내에는 잉크가 충만하여야 한다. 인쇄를 수행하는 동안에 프린트헤드의 노즐을 통하여 혼입된 공기나 잉크에 용해되어 있던 공기 및 다른 기체성분이 온도상승 등의 요인에 의하여 기포(gas bubble)로 성장한다. 프린트헤드 내의 잉크 유로 특히 압력 챔버에 존대하는 기포는 프린트헤드의 토출성능을 저하시킨다. 또, 기포가 온도가 상승됨에 따라 부피팽 창을 일으키고 그 결과는 프린트헤드 내의 잉크의 압력균형을 깨트려 노즐을 통한 잉크의 누출을 유발하는 문제를 애기할 수 있다.

기포를 제거하기 위하여 진공 펌프 등을 이용하여 노즐을 통하여 강제로 잉크를 빨아내는(suction) 등의 방법이 종래부터 사용되고 있으나, 이 방법에 의하여도 잉크 유로 특히 압력 챔버의 구석에 있는 기포는 잘 제거되지 않는다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 기포제거성능을 가지는 잉크젯 프린트헤드 및 그 기포제거방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 잉크젯 프린트헤드는, 압력챔버를 포함하는 잉크 유로; 상기 압력 챔버와 연통된 노즐; 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 액츄에이터; 상기 잉크 유로에 불균일한 전계를 형성하기 위한 것으로서, 상기 노즐에 가까울수록 저전압이 인가되는 복수의 전극;을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 복수의 전극에는 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압이 인가될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 복수의 전극은 상기 잉크 유로를 형성하는 벽면에 마련된다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 잉크젯 프린트헤드의 기포제거방법 은, 압력 챔버를 포함하는 잉크 유로, 상기 압력 챔버와 연통된 노즐, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 액츄에이터, 및 상기 잉크 유로에 마련되는 복수의 전극을 포함하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방법에 있어서, 상기 복수의 전극에 전압을 인가하되, 상기 노즐에 가까울수록 저전압을 인가하는 단계; 상기 복수의 전극에 의하여 형성되는 분균일한 전계와 잉크 내의 기포의 쌍극자모멘트에 의하여 발생되는 유전영동력에 의하여 상기 기포를 상기 노즐 쪽으로 이동시키는 단계; 상기 기포를 노즐을 통하여 배출하는 단계;를 포함한다.

일 실시예로서, 상기 기포를 배출하는 단계는, 상기 액츄에이터를 구동하여 상기 노즐을 통하여 잉크와 함께 상기 기포를 배출한다.

일 실시예로서, 상기 기포를 배출하는 단계는, 상기 노즐을 통하여 부압을 가하여 상기 기포를 빨아낸다.

일 실시예로서, 상기 복수의 전극에는 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압을 인가하여 상기 기포를 가속시킨다.

이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다. 이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 평면도며, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 수직 단면도이다. 또, 도 3은 도 2의 A-A' 단면도이다.

도 1과 도 2를 함께 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 잉크유로가 형성된 유로형성 기판(110)과, 잉크 토출압력을 제공하기 위한 액츄에이터(140)를 포함한다. 유로형성 기판(110)에는 압력 챔버(111)와, 압력 챔버(111)에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(113) 및 리스트릭터(112)를 구비한다. 유로형성 기판(110)에는 압력 챔버(111)로부터 잉크를 토출시키기 위한 노즐(122)이 형성된 노즐 기판(120)이 접합된다. 압력 챔버(111)의 상부에는 압전 액츄에이터(140)의 구동에 의해 변형되는 진동판(114)이 마련된다. 유로형성 기판(110)과 노즐 기판(120)에 의하여 잉크유로가 정의된다.

압전 액츄에이터(140)는 유로형성 기판(110)의 상부에 형성되어, 압력 챔버(111)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 역할을 한다. 압전 액츄에이터(140)는, 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(141)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(142)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(143)을 구비하며, 하부 전극(141), 압전막(142) 및 상부 전극(143)이 유로형성 기판(110) 위에 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

하부 전극(141)은 압력 챔버(111)가 형성된 유로형성 기판(110) 상에 형성된다. 유로형성 기판(110)이 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우에는, 유로형성 기판(110)과 하부 전극(141)의 사이에 절연막으로 실리콘 산화막(131)이 형성될 수 있다. 하부 전극(141)은 도전성을 가진 금속 물질로 이루어진다. 하부 전극(141)은 하나의 금속층으로 이루어질 수도 있으나. Ti 층과 Pt 층의 두 개의 금속층으로 이루어진 것이 바람직하다. Ti/Pt 층으로 이루어진 하부 전극(141)은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(142)과 그 아래의 유로형성 기판(110) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다.

압전막(142)은 하부 전극(141) 위에 형성되며, 압력 챔버(111)에 대응하는 위치에 배치된다. 압전막(142)은 압전물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 형헝될 수 있다.

상부 전극(143)은 압전막(142)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하는 것으로, 압전막(142) 위에 형성된다. 상부 전극(143)의 상면에는 전압 인가용 구동 회로, 예컨대 플렉시블 인쇄 회로(150)의 배선(151)이 본딩된다.

상부 전극(143)에 구동전압이 인가되면, 압전막(142)이 변형되면서 진동판(114)이 휘어지고 압력 챔버(111)의 부피가 변한다. 이에 의하여 압력 챔버(111)에는 잉크를 토출하기 위한 압력이 생성되며 압력 챔버(111) 내의 잉크는 노즐(122)을 통하여 토출된다.

잉크에 용해되어 있던 공기 및 다른 기체성분이 온도상승 등의 요인에 의하여 기포(gas bubble)로 성장한다. 또, 인쇄를 수행하는 동안에 프린트헤드의 노즐을 통하여 공기가 프린트헤드 내로 유입된다. 프린트헤드 내에 기포가 있으면 프린트헤드의 토출성능이 저하된다. 또, 기포가 온도가 상승됨에 따라 부피팽창을 일으키고 그 결과는 프린트헤드 내의 압력균형을 깨트려 노즐을 통한 잉크의 누출을 유 발하는 문제를 애기할 수 있다.

전기장 내에서 하전되지 않은 기포는 유전분극된다. 불균일한 전계는 분극된 기포를 이동시키는 이동력을 제공한다. 이와 같이, 하전되지 않은 입자가 불균일한 전계 내에서 이동되는 현상을 유전영동(dielectrophoresis)이라한다. 문제는 이동방향이다. 이동방향은 분극에 의한 쌍극자모멘트(dipole moment)의 크기에 의존된다. 불균일한 전계 내에서 쌍극자모멘트가 큰 입자는 고전압 쪽으로 이동되며, 분극모멘트가 작은 입자는 저전압이 인가된 전극 쪽으로 이동된다. 쌍극자모멘트의 크기는 입자의 유전률(dielectric permittivity)에 의존된다. 진공의 유전률을 1로 정의할 때에, 기포의 주성분인 공기의 유전률은 1.0005 정도이다. 또, 물의 유전률은 80 정도이다. 잉크젯 프린팅에 사용되는 잉크의 유전률은 약 10 -80 정도이다. 따라서, 통상적으로 잉크의 유전률은 기포의 유전률보다 크며, 불균일한 전계 내에서 기포는 저전압이 인가된 전극 쪽으로 이동된다. 불균일한 전계에 의하여 기포에 가해지는 힘(f)은 아래의 수학식 1로 표시될 수 있다.

<수학식 1>

여기서,

는 기포의 유전률,

은 잉크의 유전률, r은 기포를 구(sphere)로 가정할 때의 반경을 의미한다. 또, Re는

의 실수부(real component)를 의미한다.

상술한 바와 같이, 유전영동의 원리를 이용하여 기포를 제거하기 위하여 본 실시예의 잉크젯 프린트헤드는 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이 잉크 유로에 불균일한 전계를 형성시키는 복수의 전극(170)을 구비한다. 복수의 전극(170)은 압력 챔버(111)의 압전 액츄에이터(140)와 마주보는 바닥면(111a)에 설치된다. 절연층(160)은 복수의 전극(170)을 기판(110) 및 압력 챔버(111) 내의 잉크와 절연시킨다. 도 3은 절연층(160)은 생략된 도면이다. 전압인가수단(180)은 복수의 전극(170)에 전압을 인가한다. 불균일한 전계를 형성하기 위하여 복수의 전극(170)은 그 형상이 불균일하다. 예를 들어, 전극(170a)(170c)은 압력 챔버(111)의 폭방향으로 연장된 평판형상이며, 전극(170b)(170d)은 압력 챔버(111)의 길이방향으로 돌출된 가지가 있는 평판형상이다. 이에 의하여, 이에 의하여 복수의 전극(170) 사이에는 불균일한 전계가 형성된다. 복수의 전극(170)의 형상은 도 3에 도시된 예에 의하여 한정되지 않는다. 기포는 저전압 쪽으로 움직인다. 기포를 노즐(122) 부근으로 이동시킨 후에 액츄에이터(140)를 이용하여 잉크를 토출하여 기포와 잉크를 함께 배출하는 것이 바람직하다. 따라서, 복수의 전극(170)에 전압을 인가함에 있어서, 노즐(122)로부터 멀수록 고전압이 인가되며 가까울수록 저전압이 인가된다. 즉, 전극(170a)에 가장 고전압이 인가되며, 전극(170d)에 가장 저전압이 인가된다. 전극(170)의 수는 특별히 제한되지 않는다. 전압인가수단(180)은 복수의 전극(170)의 단자부(171)를 통하여 복수의 전극(170)에 전압을 인가한다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 기포제거방법에 관하여 설명한다.

기포 제거작업을 수행하기 위하여, 복수의 전극(170)에는 전압이 인가된다. 이에 의하여 복수의 전극(170) 사이에는 불균일한 전계가 형성된다. 기포의 분극에 의하여 발생된 쌍극자 모멘트와 불균일한 전계의 기울기에 의하여 기포에는 수학식 1에 의하여 정의되는 힘이 작용된다. 잉크에 비하여 유전율이 작은 기포는 저전압이 인가된 전극쪽으로 움직인다. 이에 의하여 기포는 도 4의 화살표시로 도시된 바와 같이 전극(170a)으로부터 전극(170d)으로 순차적으로 이동되어 노즐(122) 주위에 모인다. 그런 다음에, 플렉시블 인쇄 회로(150)의 배선(151)을 통하여 상부 전극(143)에 구동전압을 인가하여 잉크를 토출한다. 그러면, 노즐(122) 주위에 모인 기포들은 잉크와 함께 노즐(122)을 통하여 배출된다.

종래에는 노즐(122)을 통하여 부압을 제공함으로써 노즐을 통하여 잉크와 함께 기포를 강제로 흡입하는 방식이 채용되었다. 이 경우에 일반적으로 잉크 유로의 벽면 가까이 존재하거나 구석(도 2의 "a"로 표시된 부분)에 존재하는 기포는 잘 제거되지 않는다. 이러한 기포는 특히 압전 액츄에이터(140) 또는 열구동방식 액츄에이터의 구동성능에 큰 영향을 미친다. 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드 및 기포제거방법에 따르면, 유전영동을 이용하여 기포를 노즐(122) 주위로 모으기 때문에 잉크 유로의 벽면 가까이 존재하거나 구석에 존재하는 기포까지도 용이하게 제거할 수 있다. 따라서, 기포에 의한 잉크 액적의 토출속도저하, 잉크 액적의 체적의 불균일성, 토출주파수의 저하 등을 방지할 수 있다. 또, 기포를 노즐(122) 주위에 모은 후에 잉크를 토출하여 기포를 배출하기 때문에 기포를 제거하기 위하여 소모되는 잉크의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.

상술한 실시예에서는 압력 챔버(111)의 바닥면(111a)에 복수의 전극(170)을 설치하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 복수의 전극(170)은 압력 챔버(111)의 측벽(111b)을 포함하여 압력 챔버(111)를 형성하는 벽면의 어디에도 형성될 수 있다. 다만, 압전 액츄에이터(140)가 설치되는 윗면(111c)은 피하는 것이 바람직하다. 또, 복수의 전극(170)은 리스트릭터(112)에까지 연장되어 설치될 수도 있다.

또, 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 전극(170)에 전압을 인가하여 기포를 노즐(122) 주위로 모은 후에 노즐캡(191)을 이용하여 노즐(122)을 캡핑하고, 부압제공수단(190)을 이용하여 노즐(122)을 통하여 잉크와 함께 기포를 빨아낼 수 있다. 부압제공수단(190)은 예를 들어 진공펌프일 수 있다. 이 경우에, 이미 기포들이 대부분 노즐(122) 주위에 모여있기 때문에 흡입되는 잉크의 양을 종래의 흡입에 의하여 기포를 제거하는 방식에 비하여 획기적으로 줄일 수 있다. 또, 잉크와 기포를 흡입하기 위한 부압의 크기도 줄일 수 있기 때문에 과도한 부압에 의하여 잉크 유로가 파손될 위험을 줄일 수 있다.

또, 복수의 전극(170)에는 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압이 인가될 수 있다. 이에 의하여, 저잔압이 인가된 전극 쪽으로 움직이는 기포를 가속함으로써 더 신속하게 기포를 노즐(122) 주위로 이동시킬 수 있다.

도 1과 도 2에 도시된 유로형성 기판(110)과 노즐 기판(120) 및 압전 액츄에이터(140)의 구조은 단지 일 례에 불과하다. 즉, 잉크젯 프린트헤드에는 다양한 구조의 잉크 유로가 마련될 수 있으며, 이러한 잉크 유로는 도 1에 도시된 두 개의 기판(110, 120)이 아니라 그 보다 많은 다수의 기판을 사용하여 형성될 수도 있다. 또, 압전 액츄에이터(140)의 구조와 압전 액츄에이터와 전압 인가용 구동 회로의 연결을 위한 구조도 다양한 구조로 변형될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명은, 잉크 유로의 구조, 잉크 토출방식 등에 특징이 있는 것이 아니라, 잉크 유로 내의 버블을 제거하기 위한 구조 및 기포제거방법에 특징이 있다는 것을 명확히 밝혀둔다.

또, 복수의 전극(170)을 이용하여 기포를 제거하는 방식은, 압전 액츄에이터(140) 대신에 열원을 이용하여 압력 챔버(111) 내에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 액츄에이터를 채용하는 열구동방식 잉크젯 프린트헤드에도 적용될 수 있음을 본 명세서를 참조하는 당업자라면 당연히 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드 및 그 기포제거방법에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 복수의 전극을 이용하여 유전영동에 의하여 기포를 노즐 주위로 모을 수 있어, 잘 제거되지 않은 잉크 유로의 벽면 주위와 구석에 존재하는 기포까지 용이하게 제거할 수 있다. 따라서, 프린트헤드의 토출성능을 최적의 상태로 유지할 수 있다.

둘째, 기포를 노즐 주위로 모은 후에 노즐을 통하여 배출하기 때문에 기포를 제거하는 과정에서 소모되는 잉크의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.

셋째, 복수의 전극에 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압이 인가함 으로써 기포를 가속시켜 더 신속하게 기포를 노즐 주위로 이동시킬 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims

압력챔버를 포함하는 잉크 유로;

상기 압력 챔버와 연통된 노즐;

상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 액츄에이터; 그리고

상기 잉크 유로에 마련되어 잉크 유로에 불균일한 전계를 형성하는 복수의 전극:을 포함하며,

상기 복수의 전극에 대한 인가 전압에 있어서, 상기 노즐에서 멀수록 고전압이 인가되고 가까울수록 저전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전극에는 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전극은 상기 잉크 유로를 형성하는 벽면에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
압력 챔버를 포함하는 잉크 유로, 상기 압력 챔버와 연통된 노즐, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 액츄에이터, 및 상기 잉크 유로에 마련되는 복수의 전극을 포함하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방법에 있어서,

상기 복수의 전극에 전압을 인가하되, 상기 노즐에서 멀수록 고전압을 인가하고 가까울수록 저전압을 인가하는 단계; 그리고

상기 복수의 전극에 의하여 형성되는 분균일한 전계와 잉크 내의 기포의 쌍극자모멘트에 의하여 발생되는 유전영동력에 의하여 상기 기포를 상기 노즐 쪽으로 이동시키는 단계; 상기 기포를 노즐을 통하여 배출하는 단계; 를 포함하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방법.
제4항에 있어서,

상기 기포를 배출하는 단계는, 상기 액츄에이터를 구동하여 상기 노즐을 통하여 잉크와 함께 상기 기포를 배출하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방법.
제4항에 있어서,

상기 기포를 배출하는 단계는, 상기 노즐을 통하여 부압을 가하여 상기 기포를 빨아내는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 전극에는 주파수가 변하는 트래블링 펄스 형태의 전압을 인가하여 상기 기포를 가속시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 기포제거방 법.