KR101392272B1 - 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에 관한 것이며, 본 발명의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치는 전기장에 의하여 잉크를 토출하는 노즐; 상기 노즐과 대향되며, 토출되는 잉크가 인쇄되는 기판; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 전기장을 형성하는 전기장 형성부; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되어 상기 노즐로부터 토출되는 잉크가 상기 기판에 도달하는 것을 선택적으로 차단하는 셔터부재와 상기 셔터부재를 통해 상기 잉크의 이동경로를 차단시 상기 셔터부재에 착탄되는 잉크를 저장하는 저장부와 상기 저장부와 상기 셔터부재를 상호 연결하는 연결부를 구비하는 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 잉크의 이동경로를 선택적으로 차단 또는 개방하여, 잉크의 기판 상 착탄 시점과 종점을 정밀하게 제어할 수 있는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치가 제공된다.

Description

토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치{PRINTING APPARATUS CAPABLE OF CONTROLLING INEJECTION PRECISELY}
본 발명은 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전기력을 이용하여 잉크를 토출할 수 있는 정밀제어가 가능한 인쇄장치에 관한 것이다.
종래의 정전기력을 이용하는 잉크토출장치는 액면을 정전기력으로 당기는 힘을 이용하여 액적 또는 연속 젯을 토출하기 때문에 종래의 잉크젯과는 달리 나노스케일의 패터닝도 가능하며 고점도의 잉크도 토출할 수 있다는 장점이 있다. 정전기젯프린팅은 500 cP 정도의 저점도 잉크를 이용하여 요구시 패턴(drop-on-demand) 방식의 프린팅이 가능하며 노즐의 크기보다 더 작은 액적을 생성할 수 있고 1 um 수준의 액적도 제팅할 수 있어 최근에 많은 기술 개발이 보고되고 있다.
이와 더불어 정전기 젯 프린팅은 고점도의 잉크를 전기방사하여 연속젯을 형성하고 직선 구간을 정밀하게 제어하여 선을 구현할 수 있는 장점이 있다. 노즐의 구경 대비 형성되는 젯의 지름은 1/10 내지 1/1000 배로 작아 질 수 있어 나노스케일의 선폭도 구현 가능한 장점이 있다. 이를 이용하면 리소그래피를 대체하여 간단한 전기회로 또는 구조를 형성할 수도 있다.
한편, 이러한 종래의 정전기력을 이용하는 인쇄장치의 경우에는 전압 제어를 통한 전기적 제어방식을 이용하여 노즐로부터 토출되는 잉크의 착탄 시점과 종점, 즉, 인쇄의 on/off 를 제어하였다.
그러나, 종래의 전기적 제어방식에 의한 경우에는, 주변 노이즈, 유도전류, 노즐과 기판 사이 이격거리 등의 문제로 인하여, 인쇄의 on/off를 정밀하게 제어하기가 어려운 문제가 있었다.
특히, 고점도의 잉크를 연속젯으로 토출하는 경우에는 젯이 분리되지 않고 연속적으로 토출되기 때문에 이를 중단하였다가 재토출하는 방식을 통하여야만 하므로 on/off를 제어하는데 더욱 어려움이 있었다. 즉, 연속젯 형태의 잉크를 중단하였다가 재토출 시에는 전하가 액면에 축적되는 시간만큼이 소요되므로, 패터닝 도중에 정확한 위치에서 재토출을 제어하고 패터닝을 완료하는 것이 해결하기 어려운 문제였다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 잉크의 이동경로를 선택적으로 차단 또는 개방하여, 잉크의 기판 상 착탄 시점과 종점을 정밀하게 제어할 수 있는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 전기장에 의하여 잉크를 토출하는 노즐; 상기 노즐과 대향되며, 토출되는 잉크가 인쇄되는 기판; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 전기장을 형성하는 전기장 형성부; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되어 상기 노즐로부터 토출되는 잉크가 상기 기판에 도달하는 것을 선택적으로 차단하는 셔터부재와 상기 셔터부재를 통해 상기 잉크의 이동경로를 차단시 상기 셔터부재에 착탄되는 잉크를 저장하는 저장부와 상기 저장부와 상기 셔터부재를 상호 연결하는 연결부를 구비하는 차단부;를 포함하는 것 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 셔터부재는 상기 노즐로부터 상기 기판방향 측으로의 잉크 이동경로 상에서 연장 또는 수축가능하게 마련될 수 있다.
또한, 상기 셔터부재는 단부가 회전함으로써 상기 노즐로부터 상기 기판방향 측으로의 잉크 이동경로를 선택적으로 차단할 수 있다.
또한, 상기 차단부는 상기 잉크의 이동경로 차단 시에 상기 셔터부재에 착탄되는 잉크를 저장하는 저장부; 상기 저장부와 상기 셔터부재를 상호 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 셔터부재 상에 착탄되는 잉크의 유동이 상기 연결부를 통하여 상기 저장부 측으로 안내되도록 상기 저장부의 표면 또는 상기 연결부의 표면은 친액성(親液性:lyophillic) 처리될 수 있다.
또한, 상기 노즐과 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며 상기 관통부 내로 전계가 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기 전기장 형성부는 상기 노즐과 상기 셔터부재 사이에 형성되는 전기장과 동일한 전기장이 상기 셔터부재와 상기 기판 사이에 형성되도록 상기 셔터부재에 전압을 인가할 수 있다.
또한, 상기 노즐로부터 토출되는 잉크의 단면적이 제어되도록 상기 노즐의 외측에서 가이드 가스를 분사하는 가스 분사부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 잉크는 전기장에 의하여 상기 노즐의 단부에서 액면을 형성한 후에 액적으로 토출되고, 상기 가스 분사부는 상기 노즐의 단부에 형성되는 상기 잉크의 액면을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 상기 잉크의 액면을 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 분사되는 액적을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 분사되는 잉크 액적의 직경을 제어할 수 있다.
또한, 상기 잉크는 상기 노즐로부터 연속젯의 형태로 토출되며, 상기 가스 분사부는 연속젯으로 토출되는 잉크를 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 토출되는 잉크 단면의 직경을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 토출되는 잉크 액적 또는 연속젯의 이동경로를 물리적으로 차단하여, 인쇄의 시점 및 종점을 정밀하고 용이하게 제어할 수 있는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치가 제공된다.
또한, 저장부가 이동경로 차단시 셔터부재에 착탄되는 잉크를 수거함으로써, 잉크가 셔터부재로부터 의도하지 않게 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
또한, 저장부 또는 연결부를 친액성(親液性:lyophillic)으로 표면 처리함으로써, 셔터부재에 착탄된 잉크가 저장부 측으로의 이송되는 것을 안내할 수 있다.
또한, 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크를 이용하여 전기장의 집중함으로써, 노즐로부터 토출되는 잉크의 액적 또는 연속젯의 기판 상 착탄 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 또한, 인쇄선폭을 미세화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동을 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 차단부의 작동을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동을 개략적으로 도시한 것이고,
도 6a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고,
도 6b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고,
또한, 도 7a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고,
도 7b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고,
또한, 도 8a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이고,
도 8b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이고,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 10은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 단면도이고,
도 11은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 액적이 토출되는 과정을 도시한 것이고,
도 12는 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에서 액면 제어 동작을 도시한 것이고,
도 13은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 토출되는 액적의 직경을 제어하는 동작을 도시한 것이고,
도 14는 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 연속적으로 토출되는 연속젯 잉크의 단면적을 제어하는 동작을 도시한 것이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(100)는 잉크 토출의 시점(始點) 및 종점(終點)의 정밀제어, 즉, 토출의 정밀한 on/off 제어를 가능하게 하는 인쇄장치로서, 노즐(110)과 기판(120)과 전기장 형성부(130)와 차단부(140)와 제어부(150)를 포함한다.
상기 노즐(110)은 기판(120)과의 사이에서 형성되는 전기장의 영향을 받아 내부에 수용되는 잉크를 기판(120) 측으로 토출시키키 위한 것이다.
상기 기판(120)은 노즐(110)과 대향되게 배치되며, 노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 착탄되어 인쇄되는 부재로서, 본 실시예에서 기판(120)은 전기적으로 절연특성을 가지는 소재로 마련된다.
상기 전기장 형성부(130)는 노즐(110) 내의 잉크가 토출되도록 노즐(110)과 기판(120) 사이에 전기장을 형성하기 위한 부재로서, 노즐전극(131)과 대향전극(132)과 전압인가부(133)를 포함한다.
상기 노즐전극(131)은 후술하는 전압인가부(133)로부터 노즐(110)에 전압이 인가되도록 노즐(110)의 내부에 마련되는 전극이다. 한편, 본 실시예에서 노즐전극(131)은 노즐(110)의 내부에 마련되는 것으로 설명하였으나, 노즐(110)에 전압을 인가할 수 있는 구조라면 설치위치 및 구조는 상술한 내용에 제한되는 것은 아니다.
상기 대향전극(131)은 노즐(110)과 대향되는 기판(120)의 면의 반대쪽 면, 즉, 기판(120)의 하면에 마련되며, 후술하는 전압인가부(133)로부터 상술한 노즐전극(131)과 반대극성의 전압을 인가받아 그 사이에 전기장이 형성되도록 하는 부재이다.
한편, 본 실시예에서는 전기장을 형성하기 위하여 대향전극(132)이 마련되어 전압이 인가되었으나, 노즐(110)과 기판(120) 사이에 전기장이 형성될 수 있는 구조라면 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 실시의 변형례에서는 대향전극(132)에 전압을 인가하지 않고 전기적으로 접지상태가 되도록 할 수도 있으며, 다른 변형례에서는 대향전극(132)을 별도로 구비하지 않은 상태에서, 절연성 소재가 아닌 전기적 전도성이 우수한 소재로 마련되는 기판(120) 자체에 전압을 인가함으로써 노즐(110)과의 사이에서 전기장이 형성되도록 할 수도 있다.
상기 전압인가부(133)는 노즐(110)과 기판(120) 사이에 노즐(110)로부터 잉크가 토출될 수 있을 정도의 전기장이 형성되도록 노즐전극(131), 대향전극(132),셔터부재(141)에 전압을 인가한다.
상기 차단부(140)는 노즐(110)로부터 기판(120)측으로 토출되는 잉크가 기판(120)에 도달하는 경로, 즉 토출되는 잉크의 액적(droplet) 또는 연속젯(continuous jet)의 이동경로를 선택적으로 차단하기 위한 것으로서, 셔터부재(141)와 저장부(142)와 연결부(143)를 포함한다.
상기 셔터부재(141)는 기판(120)과 노즐(110) 사이에 배치되어 잉크 액적 또는 연속젯의 이동경로를 선택적으로 개방 또는 차단하는 것으로서, 잉크 이동경로의 개방시에는 노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 기판(120)에 도달하는 것을 허용하되, 잉크 이동경로의 차단시에는 노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 기판(120)에 도달하는 것을 막는다.
상기 저장부(142)는 잉크의 이동경로 차단시에 셔터부재(141)에 착탄, 적층되는 잉크를 수거하여 저장하기 위한 것으로서, 잉크가 수용되도록 내부로 함몰되어 오목한 형상의 수용공간이 형성되며, 수용공간의 표면은 친액성(親液性:lyophillic) 특성을 갖도록 처리된다.
상기 연결부(143)는 셔터부재(141)와 저장부(142)를 상호 연결하는 것으로서, 잉크의 이동경로 차단시에 셔터부재(141)에 착탄, 적층되는 잉크를 저장부(142) 측으로 이송하기 위한 이송로로서의 표면은 친액성(親液性:lyophillic) 특성을 갖도록 처리된다. 역할을 한다.
상기 제어부(150)는 전압인가부(133)와 차단부(110)를 제어하여, 기판(120)과 노즐(110) 사이에 형성되는 전기장의 세기, 방향 및 토출시점과 종점을 제어하기 위한 것이다.
지금부터는 상술한 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 2는 도 1의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 차단부의 작동을 개략적으로 도시한 것이다.
먼저, 제어부(150)가 전압 인가부(133)를 제어하여 노즐전극(131)과 대향전극(132)에 서로 다른 극성의 전압이 인가되도록 하면, 노즐(110)과 기판(120) 사이에는 전기장이 형성된다. 형성되는 전기장에 의하여 노즐(110) 내부의 잉크는 노즐(110) 단부면에서 액면(Meniscus)를 형성한다.
더 큰 세기의 전기장이 발생하도록 전압 인가부(133)가 노즐전극(131)과 대향전극(132)에 더욱 높은 전압을 인가하면, 노즐(110) 단부면에서의 액면은 테일러 콘(Taylor's cone)을 형성한 후에, 노즐(110)로부터 토출된다.
이때, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 사용되는 잉크의 점도가 낮은 경우에 잉크는 노즐(110) 단부면에 형성되는 테일러 콘으로부터 분리되어 액적(D)의 형태로 토출되어 기판(120)에 도달한다. 반면, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 사용되는 잉크의 점도가 높은 경우에는 테일러 콘으로부터 분리되지 못하고 연속적인 선형태, 즉, 연속젯(jet)(J)의 형태로 토출되어 기판(120)에 도달한다.
전압 인가부(133)를 제어하는 종래의 방식에만 의존하는 경우에는 전압 인가 중단시 발생하는 유도전류, 기판(120)과 노즐(110) 사이의 거리 등의 변수에 의하여 잉크의 토출 및 기판(120)으로의 착탄 종료를 정밀하게 제어하는 것이 어렵다.
따라서, 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 인쇄 on/off를 차단부(140)의 물리적인 제어를 통하여 제어한다. 먼저, 제어부(150)가 셔터부재(141)를 제어하여 길이방향으로 연장되도록 함으로써 노즐(110)로부터 토출되는 잉크의 이동경로를 차단한다.
이동경로가 차단된 잉크는 기판(120)이 아닌 셔터부재(141) 상에 착탄, 적층된다. 이와 동시에, 셔터부재(141) 상에 착탄된 잉크는 연결부(143)에 의하여 셔터부재(141)와 연결되는 저장부(143) 측으로 이송된다.
다만, 셔터부재(141) 작동시에도 노즐(110)과 기판(120) 사이에는 전기장이 형성되어 잉크는 지속적으로 토출되는 것이므로, 전기장의 왜곡을 방지하기 위하여 노즐(110)과 기판(120) 사이에 형성되는 전기장과 동일한 전기장이 노즐(110)과 셔터부재(141) 사이에 형성되도록 한다.
즉, 제어부(150)가 전압인가부(133)를 제어하여 셔터부재(141)에도 전압이 인가되도록 함으로써, 노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 이동경로의 변경없이 셔터부재(141)에 정확히 착탄되도록 한다.
한편, 셔터부재(141)와 연결되는 연결부(143) 및 저장부(142)의 표면은 친액성(親液性:lyophillic) 처리되므로, 셔터부재(141) 상의 잉크의 저장부(142) 측 이송을 강제한다. 즉, 셔터부재(141) 상의 잉크는 친액성 특성의 연결부(143)와 저장부(142) 표면 측으로 강제 이송되어, 저장부(142)에 최종 수용, 저장된다.
또한, 인쇄를 재개하고 싶은 경우에는 잉크의 이동경로를 차단하고 있는 셔터부재(141)를 최초위치로 복원하여 잉크의 이동경로를 개방한다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 잉크의 이동경로를 물리적으로 개방 또는 차단함으로써, 기판(120)에의 인쇄 시점과 종점, 즉, 인쇄 on/off를 정밀하고 용이하게 제어할 수 있다.
특히, 고점도의 잉크를 사용하여 연속젯 형태로 토출하는 경우에는 잉크의 토출 및 중단 타이밍을 제어하기가 매우 난해하나, 본 실시예를 이용하면 연속젯 형태의 토출 시에도 연속젯이 분리되도록 전압 제어할 필요없이 토출 및 중단 타이밍의 정밀한 제어가 가능하다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(200)에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(200)는 잉크 토출의 시점(始點) 및 종점(終點), 즉, 토출의 정밀한 on/off 제어를 가능하게 하는 인쇄장치로서, 노즐(110)과 기판(120)과 전기장 형성부(130)와 차단부(140)와 제어부(150)와 마스크(260)를 포함한다.
다만, 본 실시예에서 상기 노즐(110)과 기판(120)과 전기장 형성부(130)와 차단부(140)와 제어부(150)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.
상기 마스크(260)는 잉크를 토출하기 위해 노즐(110)과 기판(120) 사이에 형성되는 전기장을 관통부(261) 쪽으로 집중시킴으로써 노즐(110)로부터 토출되는 잉크 액적(D) 또는 연속젯(J)의 착탄 정밀도를 향상시키기 위한 용도의 부재로서, 노즐(110)과 기판(120) 사이에 마련된다.
노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 기판(120)에 도달할 수 있도록 잉크의 이동경로 상에는 관통부(260)가 형성된다. 본 실시예에서 관통부(260)의 형상은 기판(120) 상의 인쇄경로에 대응되도록 형성될 수도 있으나, 일부영역에만 형성되고 기판(120) 또는 노즐(110)의 이송과 함게 이송되는 형태로 마련될 수도 있다.
한편, 형성되는 전기장이 관통부(261)에 집중될 수 있도록 마스크(260)에는 기판(120)에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되며, 이에 대해서는 후술한다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(200)의 작동에 대해서 설명한다.
도 5는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 먼저, 기판(120) 상에 잉크가 토출되어 이송되는 경로, 즉, 기판(120)의 인쇄가 되는 영역 상에 마스크(260)를 정렬한다.
이와 동시에, 제어부(150)는 전압 인가부(133)를 제어하여 노즐전극(131)에 양극(+)의 전압을 인가하고, 노즐(110)과 대향되는 대향전극(132)에는 노즐전극(131)에 인가되는 전압과 반대 극성인 음극(-)의 전압을 인가한다.
다만, 본 실시예에서는 대향전극(132)에 노즐전극(131)에 인가되는 전압과 반대극성의 전압을 인가하였으나, 대향전극(132)을 전기적으로 접지함으로서 전기장을 형성할 수도 있다.
전압 인가부(133)로부터 노즐전극(131)과 대향전극(132)에 인가되는 전압에 의하여 노즐(110)로부터 기판(120) 측 방향으로 전기장이 형성되고, 노즐(110) 내부에 수용되는 잉크는 전기장에 의하여 노즐(110)로부터 기판(120) 쪽을 향하여 토출된다.
이와 동시에, 제어부(150)는 전압 인가부(133)를 제어하여 노즐전극(131)과 대향전극(132) 외에 마스크(260)에 전압을 인가하며, 이때 마스크(260)에는 노즐전극(131)에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압, 즉, 본 실시예에서는 양극(+)의 전압이 인가된다.
이러한 과정에서, 마스크(260)로의 전압 인가 전에는 노즐(110)에서부터 기판(120) 측으로 비교적 균일하게 형성되던 전기장은 마스크(260)에 양극의 전압이 인가됨에 따라 마스크(260)의 관통부(261) 측으로 집중되어 형성된다. 즉, 노즐(110)과 마스크(260)에 동일한 극성의 전압 인가로 인하여 마스크(260)의 관통부(261), 측, 잉크 액적(D) 또는 연속젯(J)의 착탄 영역에 대응되는 영역에 전기장이 집중된다.
관통부(261)로의 전기장 집중으로 인하여 노즐(110)로부터 토출되는 잉크는 정확한 위치에 착탄되고, 인쇄 정밀도가 높아질 수 있다. 이와 마찬가지 원리로, 관통부(261)의 폭을 미세화함으로써, 기판(120)에 인쇄되는 패턴의 선폭도 미세화할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제어부(150)가 노즐(110)에 인가되는 전압의 세기보다 높은 세기의 전압을 마스크(260)에 인가하도록 전압 인가부(133)를 제어함으로써, 관통부(261)로의 전기장 집중도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 선폭 미세화 및 인쇄 정밀도가 더욱 향상될 수 있다.
도 6a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고, 도 6b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 마스크가 없는 경우에 전기장이 균일하게 형성되나, 도 6b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 마스크(260)에 전압이 인가되는 경우에는 관통부(261) 측으로 전기장이 집중되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고, 도 7b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 경우에는 토출되는 잉크의 액적이 기판 상에서 크게 비산되나, 도 7b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 마스크에 전압이 인가되는 경우에는 토출되는 잉크가 비산되지 않고 집중되어 착탄됨을 알 수 있다,
또한, 도 8a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이고, 도 8b는 도 4의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 경우에는 연속젯 프린팅시 정확한 위치에 착탄되지 못하는 반면, 도 8b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 마스크에 전압이 인가되는 경우에는 연속젯 프린팅이 비교적 직선 하방으로 정확하게 착탄되고, 선폭도 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 마스크를 이용하여 전기장을 집중시킴으로써 착탄 정밀도를 향상시킬 수 있는 동시에, 차단부를 이용하여 토출 타이밍을 정밀하게 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 10은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(100)는 잉크 토출의 시점(始點) 및 종점(終點)의 정밀제어, 즉, 토출의 정밀한 on/off 제어를 가능하게 하는 인쇄장치로서, 노즐(110)과 기판(120)과 전기장 형성부(130)와 차단부(140)와 제어부(150)와 가스분사부(370)를 포함한다.
다만, 본 실시예에서 상기 노즐(110)과 기판(120)과 전기장 형성부(130)와 차단부(140)와 제어부(150)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복 설명은 생략한다.
상기 가스 분사부(370)는 한 쌍의 실린더형 패널을 포함하며 상술한 노즐(110)의 외주면을 감싸도록 배치된다. 즉, 가스 분사부(370)의 종단면의 형상은 환형이 된다.
가스 분사부(370)의 한 쌍의 실린더형 패널은 상호 이격되며, 이격공간을 통하여 가이드 가스가 유동하여 노즐팁 측으로 분사된다. 한편, 가스 분사부(370)의 가이드 가스가 유동하는 영역이 길이방향을 따라 경사를 형성하도록 가스 분사부(370)의 한 쌍의 패널은 노즐(110)의 노즐팁면 측으로 갈수록 직경이 감소하는 형태로 구성된다.
또한, 가스 분사부(370)의 가이드 가스가 분사되는 단부 측은 가이드 가스의 분사방향 및 분사속도를 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 상술한 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(100)의 제3실시예의 작동에 대해서 설명한다.
도 11은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 액적이 토출되는 과정을 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 노즐(110)로부터 제공되는 잉크가 전기장에 의하여 노즐(110)의 단부에서 액면(메니스커스:Meniscus)(M)이 형성되고, 더 큰 전기장이 형성되면 노즐(110) 단부의 액면(M)은 테일러 콘(taylor's cone)(T)으로 변형된 후에, 최종적으로 잉크 액적(D)이 기판(120) 측으로 토출된다.
한편, 노즐(110) 단부로부터 액적(D)이 이탈되어 토출되는 형태로 기판(S) 상에 패턴을 형성하는 것이 아니라, 노즐(110)에 고전압이 인가되어 잉크가 노즐으로부터 연속적으로(continuously) 토출되도록 함으로써 기판(120) 상에 직선형(linear)의 패턴이 형성되도록 할 수도 있다.
도 12는 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치에서 액면 제어 동작을 도시한 것이다.
도 12을 참조하면, 상술한 과정 중에, 노즐(110)의 외면과 가스 분사부(370)의 한 쌍의 패널의 이격공간 내로 가이드 가스가 공급되어 분사된다. 이때, 분사되는 가이드 가스의 분사방향은 노즐 단부에 형성되는 잉크의 액면(M)을 향하도록 한다.
한편, 가스 분사부(370)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사 방향 및 분사속도가 노즐의 중심으로 대칭을 이루도록 제어하는 것이 바람직하다.
분사되는 가이드 가스는 노즐(110) 상의 액면(M)과 충돌하여 액면(M)의 형상을 변형시키는 동시에 전체적인 액면(M)의 크기를 감소시킨다. 결론적으로, 액면(M) 제어를 통하여 액면(M)으로부터 이탈되어 토출되는 액적(D)의 직경 또한 제어될 수 있다.
또한, 가스 분사부(370)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사속도를 조절할 수도 있다. 즉, 액면(M)과 충돌하는 가이드 가스의 운동에너지를 제어함으로써 액면(M)의 크기 및 이로부터 분사되는 액적(D) 단면의 직경을 제어할 수 있다.
한편, 가스 분사부(370)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사방향을 조절할 수도 있다. 즉, 제어부(150)는 가이드 가스와 충돌하는 액면(D)의 위치를 제어함으로써 액면의 형상 및 크기를 제어할 수 있다.
도 13은 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 토출되는 액적의 직경을 제어하는 동작을 도시한 것이다.
뿐만 아니라, 도 13에 도시된 바와 같이, 가이드 가스의 분사방향이 액면(M)을 향하도록 하는 것이 아니라, 액면(M)으로부터 이탈되어 토출되는 액적(D)을 향하도록 하여 가이드 가스가 액적(D)과 직접 충돌하도록 함으로써 액적(D)의 직경을 조절할 수도 있다.
도 14는 도 9의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치로부터 연속적으로 토출되는 연속젯 잉크의 단면적을 제어하는 동작을 도시한 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 노즐팁면으로부터 액적(D)의 형태로 토출되는 것이 아니라, 도 14에 도시된 바와 같이 연속적인 선형으로 연속젯(J)의 형태로 토출되는 경우에도, 제어부(140)는 가스 분사부(130)를 제어하여 가이드 가스가 연속적으로 토출되는 잉크의 연속젯(J)와 직접 충돌하도록 함으로써, 기판(120)에 형성되는 패턴의 선폭을 제어할 수 있다.
즉, 일반적인 정전기력을 이용하는 인쇄장치에 관여하는 힘은 하기의 수학식과 같이 전기장에 의한 전기졀과 중력, 액면에 존재하는 전기력의 반대방향의 표면장력이 있다.
[수학식]
Fg - Fst + Fe = 0 (단, Fg는 중력, Fst는 표면장력, Fe는 전기력을 의미한다.)
따라서, 상술한 수학식의 균형에 의하여 액면에서 액적 또는 연속적인 형태의 라인형 젯이 분사된다.
이러한 일반적인 장치의 경우 잉크의 전기전도도의 한계에 따라 정전기력이 부족하면 젯이 발생하지 않고, 너무 과도하면 스프레이 형태로 분사되어 토출 안정도를 유지하기 어렵다.
그러나, 본 실시예에 의하면, 하기의 수학식에서와 같이 노즐(110)을 감싸는 기체유동을 추가함으로써 액면(M)에 기체유동에 의한 물리적 힘을 부가함으로써, 토출을 용이하게 하고 안정적이게 할 수 있다.
[수학식]
Fg - Fst + Fe + Fgf= 0 (단, Fg는 중력, Fst는 표면장력, Fe 는 전기력, Fgf 는 가스 분사부로부터 분사되는 가스에 의한 힘을 의미한다.)
따라서, 본 실시예의 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치(300)에 의하면, 가이드 가스를 노즐에 형성되는 액면(M)에 분사하여 액면(M)을 제어하거나, 분사되는 액적(D) 또는 노즐(110)로부터 연속적인 형태로 토출되는 연속젯(J)에 직접 분사하여, 최종 기판(120)에 형성되는 패턴의 크기 또는 선폭을 미세화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 고점도의 잉크를 토출하는 경우에도, 기판(120) 상에서 형성되는 패턴의 선폭을 미세화할 수 있으므로 고품질의 패터닝이 가능하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 제1실시예에 따른 토출 정밀 제어가 가능한 인쇄장치
110 : 노즐 120 : 기판
130 : 전기장 형성부 140 : 차단부
150 : 제어부

Claims (12)

  1. 전기장에 의하여 잉크를 토출하는 노즐;
    상기 노즐과 대향되며, 토출되는 잉크가 인쇄되는 기판;
    상기 노즐과 상기 기판 사이에 전기장을 형성하는 전기장 형성부;
    상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되어 상기 노즐로부터 토출되는 잉크가 상기 기판에 도달하는 것을 선택적으로 차단하는 셔터부재와 상기 셔터부재를 통해 상기 잉크의 이동경로를 차단시 상기 셔터부재에 착탄되는 잉크를 저장하는 저장부와 상기 저장부와 상기 셔터부재를 상호 연결하는 연결부를 구비하는 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셔터부재는 상기 노즐로부터 상기 기판방향 측으로의 잉크 이동경로 상에서 연장 또는 수축가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셔터부재는 단부가 회전함으로써 상기 노즐로부터 상기 기판방향 측으로의 잉크 이동경로를 선택적으로 차단하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셔터부재 상에 착탄되는 잉크의 유동이 상기 연결부를 통하여 상기 저장부 측으로 안내되도록 상기 저장부의 표면 또는 상기 연결부의 표면은 친액성(親液性:lyophillic) 처리되는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노즐과 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며 상기 관통부 내로 전계가 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기장 형성부는 상기 노즐과 상기 셔터부재 사이에 형성되는 전기장과 동일한 전기장이 상기 셔터부재와 상기 기판 사이에 형성되도록 상기 셔터부재에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐로부터 토출되는 잉크의 단면적이 제어되도록 상기 노즐의 외측에서 가이드 가스를 분사하는 가스 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 잉크는 전기장에 의하여 상기 노즐의 단부에서 액면을 형성한 후에 액적으로 토출되고,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐의 단부에 형성되는 상기 잉크의 액면을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 상기 잉크의 액면을 제어하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 분사되는 액적을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 분사되는 잉크 액적의 직경을 제어하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 잉크는 상기 노즐로부터 연속젯의 형태로 토출되며,
    상기 가스 분사부는 연속젯으로 토출되는 잉크를 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 토출되는 잉크 단면의 직경을 제어하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 노즐의 외경은 상기 잉크가 분사되는 측으로 갈수록 감소하며,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 이격되어 상기 노즐을 감싸는 이격 하우징을 포함하고, 상기 노즐과 상기 이격 하우징 사이에 형성되는 가스유동로를 통하여 상기 가이드 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 토출 정밀제어가 가능한 인쇄장치.
  12. 삭제
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