KR101975926B1 - 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법 - Google Patents

하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법이 개시된다. 개시된 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법은 정전 구동장치에 제1 정전 전압을 인가하여 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계와, 압전 구동장치에 제1파형의 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크를 공진시키는 단계와, 상기 압전 구동장치에 제2 전압을 인가하여 상기 잉크를 토출시키는 단계를 포함한다.

Description

하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법{Method of operating hybrid inkjet printing apparatus}
초미세 액적(droplet)을 토출하며, 압전 방식 및 정전 방식의 복합 방식에 의해 구동되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법이 개시된다.
일반적으로 잉크젯 프린팅 장치는, 잉크젯 헤드를 이용하여 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체, 예컨대 인쇄용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 인쇄용지의 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 잉크젯 프린팅 장치는 최근에 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Diplay)와 유기발광소자(OLED; Organic Light Emitting Device) 등과 같은 평판 디스플레이 분야, 전자종이(E-Paper) 등과 같은 플렉시블 디스플레이 분야, 금속 배선 등과 같은 인쇄 전자공학(Printed electronics) 분야, 및 유기 박막트랜지스터(OTFT; Organic Thin Film Transistor) 등과 같은 다양한 분야로 응용 범위가 확대되고 있다. 잉크젯 프린팅 장치가 상기한 디스플레이 분야나 인쇄 전자공학 분야에 적용되는데 있어서 공정 기술상 가장 중요한 기술적 과제 중의 하나가 고 해상도 및 초정밀 프린팅이다.
잉크젯 프린팅 장치는 다양한 잉크 토출 방식을 채용할 수 있으며, 그 중에는 압전 방식과 정전 방식이 있다. 압전 방식은 압전체의 변형에 의해 잉크를 토출시키는 방식이고, 정전 방식은 정전기력에 의해 잉크를 토출시키는 방식이다. 정전 방식은 정전 유도(electrostatic induction)에 의해 잉크를 토출시키는 방식과, 대전된 안료(charged pigments)를 정전기력에 의해 축적시킨 뒤 잉크 액적으로 토출하는 방식으로 나뉠 수 있다.
압전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 DOD(Drop On Demand) 방식으로 잉크를 토출시키므로 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 구동 방식이 단순하며, 압전체의 기계적 변형에 의해 토출 에너지를 생성하므로 사용되는 잉크에 제약이 없다는 장점이 있다. 그러나, 압전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 수 피코리터(picoliter) 이하의 미세 액적을 토출하는데 어려움이 있으며, 토출된 잉크 액적의 직진성이 떨어지는 단점이 있다.
정전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 미세 액적을 구현하기가 쉽고, 구동 방식도 단순하며, 토출된 잉크 액적의 직진성도 양호하여 정밀 프린팅에 유리하다는 장점이 있다. 그러나, 정전 방식의 잉크젯 프린팅 장치 중 정전 유도 방식은 개별 잉크 유로들을 형성하기가 어렵기 때문에 다수의 노즐로부터 DOD 방식으로 잉크를 토출시키기가 어려운 단점이 있으며, 대전 안료를 이용하는 방식은 밀도가 높은 안료들을 축적시켜야 하기 때문에 잉크의 토출 속도에 한계가 있으며 사용되는 잉크에도 제한이 있다.
한편, 잉크젯 프린팅 장치에 있어서, 토출되는 잉크 액적의 크기는 일반적으로 노즐의 직경에 비례하게 된다. 따라서, 미세한 잉크 액적을 토출하기 위해서는 노즐의 크기를 줄일 필요가 있다. 그러나, 노즐의 크기를 줄일 경우에는 정밀한 노즐을 만들기가 어렵고, 또한 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 커지게 되어 신뢰성이 감소하게 된다.
압전 방식과 정전 방식을 함께 채용하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치로 미세한 잉크 액적을 토출하는 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법은:
압전 구동장치 및 정전 구동장치를 구비한 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법에 있어서,
상기 정전 구동장치에 제1 정전 전압을 인가하여 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;
상기 압전 구동장치에 제1파형의 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크를 공진시키는 단계; 및
상기 압전 구동장치에 제2 전압을 인가하여 상기 잉크를 토출시키는 단계;를 포함한다.
상기 제1 정전 전압 인가는 상기 잉크 공진 단계와 상기 잉크 토출 단계에서 유지될 수 있다.
상기 제1파형 전압 인가는, 상기 노즐 내부의 잉크를 토출방향으로 진행시킨 후, 상기 노즐에서 상기 토출방향과 반대방향으로 상기 잉크를 이동시키는 전압을 인가하는 단계일 수 있다.
상기 제1파형 전압 인가는 상기 압전 구동장치에 의한 상기 잉크의 메니스커스의 공진 주기에 대응되게 인가하는 단계일 수 있다.
상기 메니스커스의 공진 주기를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 메니스커스의 공진 주기 측정단계는,
상기 압전 구동장치에 잉크를 토출시키지 않는 제3전압을 인가하는 단계;
상기 메니스커스의 변위를 측정하는 단계; 및
상기 변위의 두개의 피크 사이의 시간을 상기 공진 주기로 정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제2전압의 인가는 상기 노즐에서의 상기 잉크의 메니스커스가 상기 토출방향으로 이동시 인가될 수 있다.
상기 제1파형 전압의 인가는 상기 메니스커스의 공진 주기의 대략 3/4 ~ 5/4 시간 중에 인가될 수 있다.
상기 제2전압은 상기 제1파형 전압 보다 절대값이 큰 펄스 전압일 수 있다.
상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출될 수 있다.
상기 제1 정전전압 인가는 상기 제2전압 인가후 일정 시간 더 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법은: 정전 구동장치 및 압전 구동장치를 구비한 에 있어서,
상기 정전 구동장치에 제1파형의 전압을 인가하여 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하고, 상기 잉크를 공진시키는 단계;
상기 압전 구동장치에 제2전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크를 토출시키는 단계; 및
상기 제2전압 인가시 상기 정전 구동장치에 소정의 제3 정전전압을 인가하는 단계;를 포함한다.
상기 제1파형의 전압 및 상기 제2전압은 동일한 극성의 전압이 인가되는 단계이다.
상기 제1파형 전압 인가 단계는, 상기 노즐 내부의 잉크를 토출방향으로 진행한 후, 상기 노즐에서 상기 토출방향과 반대방향으로 상기 잉크를 이동시키는 전압을 인가하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법에 따르면, 노즐 내 잉크의 메니스커스의 공진시 토출전압을 인가하므로 토출전압이 낮으며, 미세 액적이 토출될 수 있다. 따라서, 노즐의 크기를 줄이지 않고 비교적 큰 직경, 예컨대 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도의 직경을 가진 노즐을 통해서도 50 펨토 리터 이하의 미세한 액적을 토출할 수 있다.
또한, 미세한 액적을 토출하면서도 비교적 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로, 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 낮아 신뢰성이 높아진다.
한편, 미세 액적이 토출될 때, 정전기력이 미세 액적에 작용되므로, 50 펨토 리터 이하의 미세 액적이 드래깅 없이 직진성이 양호하게 진행하므로, 정밀 프린팅이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 노즐 내 잉크의 메니스커스의 공진 주기를 측정하기 위해서 메니스커스의 변위를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 "상" 또는 "위"라는 용어는 어떤 층 위에 직접 접촉되어 배치된 경우뿐만 아니라 접촉되지 않고 떨어져 위에 배치되는 경우, 다른 층을 사이에 두고 위에 배치되는 경우 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)는, 잉크 유로가 형성된 유로 플레이트(110)와, 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(130)와 정전기력 인가 수단(140)을 구비한다. 이하에서는 압전 액츄에이터(130) 및 정전기력 인가수단(140)을 각각 압전 구동장치 및 정전 구동장치로도 칭한다.
유로 플레이트(110)에는 잉크가 유입되는 잉크 인렛(121)과, 유입된 잉크를 담고 있는 다수의 압력 챔버(125)와, 잉크 액적을 토출시키기 위한 다수의 노즐(128)이 형성되어 있다. 잉크 인렛(121)은 유로 플레이트(110)의 상면측에 형성될 수 있으며, 도시되지 않은 잉크 탱크와 연결된다. 잉크 탱크로부터 공급된 잉크는 잉크 인렛(121)을 통해 유로 플레이트(110) 내부로 유입된다. 유로 플레이트(110) 내부에는 잉크 인렛(121)과 다수의 압력 챔버(125)를 연결하는 매니폴드(122, 123)와 리스트릭터(124)가 형성될 수 있다.
각 노즐(128)은 대응되는 압력 챔버(125)에 연결되어서 압력 챔버(125)의 잉크를 액적의 형태로 토출한다. 다수의 노즐(128)은 유로 플레이트(110)의 저면측에 형성될 수 있으며, 1열 또는 2열로 배열될 수 있다. 유로 플레이트(110)에는 압력 챔버(125)와 노즐(128)을 연결하는 댐퍼(126)가 형성될 수 있다.
유로 플레이트(110)는 미세 가공성이 양호한 재질의 기판, 예컨대 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 유로 플레이트(110)는 순차 적층된 세 개의 기판, 즉 제1기판(111), 제2기판(112) 및 제3기판(113)을 SDB(Silicon Direct Bonding)에 의해 접합하여 구성할 수 있다.
잉크 인렛(121)은 가장 상부에 위치한 기판, 즉 제3기판(113)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있으며, 압력 챔버(125)는 제3기판(113)에 그 저면으로 부터 소정 깊이로 형성될 수 있다. 노즐(128)은 가장 하부에 위치한 기판, 즉 제1기판(111)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다. 매니폴드(122, 123)는 제3기판(113)과 중간에 위치한 제2기판(112)에 형성될 수 있으며, 다수의 댐퍼(126)은 제2기판(112)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.
한편, 위에서는 유로 플레이트(110)가 세 개의 기판(111, 112, 113)으로 구성된 경우를 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 따라서, 유로 플레이트(110)는 하나 또는 두 개의 기판이나 네 개 이상의 기판으로 구성될 수도 있으며, 그 내부에 형성되는 잉크 유로도 다양한 구성으로 다양하게 배치될 수 있다.
압전 액츄에이터(130)는, 잉크 토출을 위한 구동력, 즉 압력 챔버(125)에 압력 변화를 제공하는 역할을 하는 것으로, 유로 플레이트(110)의 상면에 압력 챔버(125)에 대응하는 위치에 형성된다. 압전 액츄에이터(130)는, 유로 플레이트(110)의 상면에 순차 적층되는 하부 전극(131), 압전막(132) 및 상부 전극(133)으로 이루어질 수 있다.
하부 전극(131)은 공통 전극의 역할을 하며, 상부 전극(133)은 압전막(132)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 한다. 하부 전극(131)과 상부 전극(133)에는 제1전원(135)이 연결된다. 제1전원(135)은 파형 전압 발생장치 및 펄스 전압발생장치를 구비한다. 압전막(132)은 제1전원(135)으로부터의 전압의 인가에 의해 변형됨으로써 압력 챔버(125)의 상부벽(125a)을 변형시킨다. 상부벽(125a)은 압전 액츄에이터(130)의 구동에 의해 변형되어서 압력챔버(125)에 압력파(pressure wave)를 발생시키는 진동판 역할을 한다. 압전막(132)은 소정의 압전 물질, 예컨대 PZT(Lead Zirconate Titanate)로 이루어질 수 있다.
정전기력 인가 수단(140)은, 노즐(128) 내부의 잉크에 정전기력을 인가하며, 서로 대향하게 배치된 제1 정전 전극(141) 및 제2 정전 전극(142)과, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 전압을 인가하는 제2전원(145)을 구비한다. 제2전원(145)은 고전압 발생장치와 펄스 발생장치를 구비한다. 정전기력 인가수단(140)은 토출되는 미세 잉크 액적을 가속시켜서 미세 잉크 액적이 드리프팅되는 것을 방지할 수 있다.
제1 정전 전극(141)은 유로 플레이트(110)에 마련된다. 예컨대, 제1 정전 전극(141)은 유로 플레이트(110)의 상면, 즉 제3기판(113)의 상면에 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 정전 전극(141)은 압전 액츄에이터(130)의 하부 전극(131)과 이격되도록 잉크 인렛(121)이 형성된 영역에 배치될 수 있다. 제2 정전 전극(142)은 유로 플레이트(110)의 저면과 소정 간격 이격되도록 배치될 수 있으며, 제2 정전 전극(142) 상에는 유로 플레이트(110)의 노즐들(128)로부터 토출되는 잉크 액적들이 인쇄되는 인쇄 매체(P)가 배치된다.
상기한 구성을 가진 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)는, 압전 방식과 정전 방식의 잉크 토출 방식을 함께 채용하므로, 압전 방식의 장점과 정전 방식의 장점을 함께 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)는, DOD(Drop On Demand) 방식으로 잉크를 토출시킬 수 있어서 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 미세 액적을 구현하기가 쉬우며, 토출된 잉크 액적의 직진성도 양호하여 정밀 프린팅에 유리하다.
본 발명의 실시예는 노즐 내의 잉크의 메니스커스의 공진 특성을 이용한다.
도 2는 노즐 내 잉크의 메니스커스의 공진 주기를 측정하기 위해서 메니스커스의 변위를 도시한 그래프이다. 잉크의 메니스커스의 공진주기를 구하기 위해서는 잉크 유로의 체적과 잉크 물성을 이용하여 계산을 할 수도 있으나, 압전 액츄에이터에 액적이 토출되지 않을 정도의 펄스 전압을 인가하여 노즐 내 잉크를 유동시키면서 노즐 끝의 잉크의 메니스커스의 변위로부터 공진 주기를 측정할 수 있다. 메니스커스의 공진 주기는 노즐 내의 잉크의 공진 주기로 불릴 수도 있다.
도 2를 참조하면, 메니스커스가 최대로 볼록하게 될 때 측정한 두개의 피크(P1, P2) 사이의 시간이 공진 주기에 해당되며, 대략 20 μs 으로 측정되었다. 메니스커스의 공진 주기는 노즐의 크기, 잉크의 물성에 따라 다를 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다.
도 3과 도 4를 함께 참조하면, 제1단계에서, 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 제2전원(145)으로부터 소정의 정전 전압(VE)을 인가한다. 예컨대, -2kV 전압이 인가될 수 있으며, 이에 따라 잉크(129)에서 양전하 및 양전하를 띠는 입자들은 제2 정전 전극(142)를 향하여 메니스커스(M)로 이동한다. 이 때, 노즐(128) 내부의 잉크(129)에 작용하는 정전기력이 크지 않기 때문에 잉크(129)의 메니스커스(M, meniscus)는 정지 상태이다.
제2단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/4 시간(T1) 동안 제1파형의 전압(VP1)을 인가한다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다.
제1파형의 전압(VP1)은 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 감소시키는 제1방향으로 변형시키는 전압이다. 제1 파형 전압(VP1)은 0 V에서 서서히 증가되어 대략 -40V 로 된다. 이때, 메니스커스(M)는 노즐(128)로부터 볼록한 상태가 된다.
제3단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/2 시간(T2) 동안 제2파형의 전압(VP2)을 인가한다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다.
제2파형의 전압(VP2)은 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 제2방향으로 변형시키는 전압이다. 제2 파형 전압(VP2)은 예컨대 -40 V에서 서서히 증가되어 대략 20 V 로 증가될 수 있다. 이때, 일정 시간(T3) 압전 전압을 대략 20V로 유지될 수도 있다. 이때, 메니스커스(M)는 노즐로부터 오목한 상태가 된다.
제2파형 전압(VP2)의 최대 전압의 크기를 제1파형 전압(VP1)의 최대 전압 크기 보다 작게 하고, 일정 시간(T3) 동안 제2파형 전압(VP2)의 최대 전압을 유지하는 것은 이후의 액적 토출을 용이하게 하기 위한 것이다.
제4단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 제3전압(VP3)을 준다. 제3전압(VP3)은 펄스전압일 수 있으며, 예컨대 -70V 일 수 있다. 제3전압(VP3)은 제1파형 전압(VP1) 보다 그 절대값 크기가 크며, 따라서, 잉크는 노즐을 벗어나서 액적(129a)으로 토출된다.
일반적으로, 정전기력(FE)은 수학식 1에서와 같이, 전하량(q)과 전기장의 세기(E)에 비례한다. 그리고, 수학식 2에서와 같이, 전하량(q) 역시 전기장의 세기(E)에 비례한다. 따라서, 수학식 3에서와 같이, 정전기력(FE)은 전기장의 세기(E)의 제곱에 비례하게 된다. 또한, 아래 수학식 4에서와 같이, 전기장의 세기(E)는 인가된 정전 전압(VE)에 비례하지만, 메니스커스(M)의 곡률반경(rm)에는 반비례하게 된다. 따라서, 수학식 5에서와 같이, 노즐(128) 단부에서 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)에 작용하는 정전기력(FE)은 그 부분의 메니스커스(M)의 곡률반경(rm)의 제곱에 반비례하게 된다.
Figure 112012002826915-pat00001
Figure 112012002826915-pat00002
Figure 112012002826915-pat00003
Figure 112012002826915-pat00004
Figure 112012002826915-pat00005
공진 파형의 전압(제1파형 전압 및 제2파형 전압)의 인가로 노즐 내 잉크는 공진된 상태가 되어, 작은 힘, 즉, 작은 압전 전압으로도 액적이 토출된다. 토출되는 액적의 크기는 압전 전압에 비례하므로, 낮은 압전 전압의 인가로 작은 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이 때, 잉크(129)는 노즐(129)의 중앙부에서만 뾰족하게 돌출되어 토출되므로, 노즐(128)의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이렇게 공진을 이용하여 액적(129a)을 토출시키면 액적(129a)은 제트 형상을 가진다.
토출된 잉크 액적(129a)은 정전기력(FE)에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 가속되어 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다. 제트 형상의 액적(129a)은 동일 부피의 구형 액적에 비해서 곡률 반경이 작아 상대적으로 큰 정전 구동력이 작용된다. 50 펨토 리터 이하의 액적(129a)이 토출되어도 정전 구동력에 의해 액적이 흩날리게 되는 것이 방지된다. 따라서, 미세 액적을 인쇄 매체(P) 상에 고정밀도로 부착시킬 수 있다.
이어서, 압전 액츄에이터(130)에 인가된 제3전압(VP3)을 제거하면, 압전 액츄에이터(130)는 원래의 상태로 되돌아 가게 되고, 압력 챔버(125) 내의 압력도 원 상태로 회복되므로, 오목한 형태의 메니스커스(M)도 원 상태로 되돌아 가게 된다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지될 수 있으며, 이에 따라 양전하를 띤 액적(129a)이 정전력으로 인쇄 매체(P)에 정확하게 도달될 수 있다.
한편, 도 4에서는 잉크의 공진을 위한 압전 전압의 파형이 선형적이었으나,은 다양본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 교류와 같은 곡선 형태일 수도 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 방법에 의하면, 노즐의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적을 토출할 수 있다. 즉, 노즐의 크기를 줄이지 않고 비교적 큰 직경, 예컨대 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도의 직경을 가진 노즐을 통해서도 50 펨토리터 이하의 미세한 액적을 토출할 수 있다. 그리고, 미세한 액적을 토출하면서도 비교적 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로, 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 낮아 신뢰성이 높아진다. 또한, 미세한 액적에 작용하는 정전기력으로 미세한 액적이 인쇄매체(P)의 원하는 위치에 도달하게 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다. 도 3 및 도 4의 구동방법과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 제1단계 및 제2단계의 구동방법은 전술한 바와 같다. 제3단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 메니스커스의 공진 주기의 1/2 시간(T2) 동안 제2파형의 전압(VP2a)을 인가한다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다.
제2파형의 전압(VP2a)은 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 제2방향으로 변형시키는 전압이다. 제2 파형 전압(VP2a)은 예컨대 -40 V에서 서서히 증가되어 대략 40 V 로 증가될 수 있다. 이때, 메니스커스는 노즐로부터 오목한 상태가 된다.
제4단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 제3파형의 전압(VP3a)을 준다. 제3파형 전압(VP3a)은 예컨대 40 V에서 서서히 감소되어 대략 -40 V 로 감소될 수 있다. 이때, 메니스커스(M)는 노즐(128)로부터 볼록한 상태로 점진적으로 변형된다. 제4단계는 메니스커스(M)의 공진 주기의 3/4 ~ 5/4 기간(T3)에 해당된다. 이 제4단계에서 메니스커스(M)는 잉크가 토출되는 방향으로 이동하므로, 이 기간 동안 잉크 액적을 토출시키는 구동전압은 낮아진다.
제4단계의 기간(T3) 중 압전 액츄에이터(130)에 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 제4전압(VP4)을 준다. 제4전압(VP4)은 펄스전압일 수 있으며, 예컨대 -70V 일 수 있다. 제4전압(VP4)은 제1파형 전압(VP1) 보다 그 절대값 크기가 크며, 따라서, 잉크는 노즐을 벗어나서 액적(129a)으로 토출된다.
공진 파형의 전압(제1파형 전압 내지 제3파형 전압)의 인가로 노즐(128) 내 잉크는 공진된 상태가 되어, 작은 힘, 즉, 작은 압전 전압으로도 액적(129a)이 토출된다. 토출되는 액적(129a)의 크기는 압전 전압에 비례하므로, 낮은 압전 전압의 인가로 작은 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이 때, 잉크(129)는 노즐(129)의 중앙부에서만 뾰족하게 돌출되어 토출되므로, 노즐(128)의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이렇게 공진을 이용하여 토출된 액적(129a)은 제트 형상을 가진다.
토출된 잉크 액적(129a)은 정전기력(FE)에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 가속되어 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다. 제트 형상의 액적(129a)은 동일 부피의 구형 액적에 비해서 곡률 반경이 작아 상대적으로 큰 정전 구동력이 작용된다. 50 펨토 리터 이하의 액적(129a)이 토출되어도 정전 구동력에 의해 액적이 흩날리게 되는 것이 방지된다. 따라서, 미세 액적을 인쇄 매체(P) 상에 고정밀도로 부착시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치(100)의 구동방법을 설명하는 타이밍도이다.
제1단계에서, 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 제2전원(145)으로부터 제1파형의 전압(VE1)을 인가한다. 제1파형 전압(VE1)은 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/4 시간(T1) 동안 인가한다. 제1파형의 전압(VE1)은 0 V에서 대략 -3 kV 로 증가된다. 잉크 내 양전하와 양전하를 띠는 입자들은 제2 정전 전극(142)를 향하여 메니스커스(M)로 이동한다. 노즐(128) 내부의 잉크(129)에 작용하는 정전기력으로 메니스커스(M)가 메니스커스(M)는 노즐(128)로부터 토출방향으로 볼록한 상태로 변형된다.
제2단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 메니스커스(M)의 공진 주기의 2/4 ~ 1 시간 동안 제2파형의 전압(VE2)을 인가한다. 도 7에서 보면, 제2단계는 시간 T2 및 시간 T3 동안 진행된다. 시간 T2 동안, 정전전압은 대략 -3kV에서 0V 로 감소되며, 이때 메니스커스(M)은 토출방향과 반대방향으로 이동한다. 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않는 상태가 유지된다.
이어서, 시간 T3 동안, 정전전압은 0V로 유지될 수 있다. 시간 T3 동안 양전압을 인가하지 않는 것은 양전하가 메니스커스(M)에 유지되도록 하기 위한 것이다.
시간 T2는 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/4에 해당되며, 시간 T3는 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/4 ~ 3/4이 될 수 있다. 시간 T3가 메니스커스(M)의 공진 주기의 1/4 ~ 3/4에 해당하는 것은 제1파형 전압(VE1) 및 제2파형 전압(VE2)의 인가로 공진 상태에서 메니스커스(M)가 토출방향으로 이동되는 상태에 있게 하기 위한 것이다.
제3단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 압력 챔버(125)의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시키는 제3전압(VP3)을 준다. 또한, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 제2전원(145)으로부터 제4 전압(VE4)을 인가한다. 제3전압(VP3)은 펄스전압일 수 있으며, 예컨대 -70V 일 수 있다. 제4 전압(VE4)은 예컨대 -3 kV일 수 있다. 제3전압(VP3)은 시간 T4 동안 펄스전압이 인가될 수 있으며, 제4전압(VE4)은 시간 T4 보다 긴 시간 T5 동안 인가될 수 있다.
공진 파형의 전압(제1파형 전압 및 제2파형 전압)의 인가로 노즐(128) 내 잉크(129)는 공진된 상태가 되어, 작은 힘, 즉, 작은 압전 전압으로도 액적이 토출된다. 토출되는 액적의 크기는 압전 전압에 비례하므로, 낮은 제3전압(VP3)의 인가로 작은 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이 때, 잉크(129)는 노즐(128)의 중앙부에서만 뾰족하게 돌출되어 토출되므로, 노즐(128)의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적(129a)이 토출될 수 있다. 이렇게 공진을 이용하여 액적(129a)을 토출시키면 액적(129a)은 제트 형상을 가진다.
토출된 잉크 액적(129a)은 제4전압(VE4) 인가에 의한 정전기력에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 가속되어 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다. 제트 형상의 액적(129a)은 동일 부피의 구형 액적에 비해서 곡률 반경이 작아 상대적으로 큰 정전 구동력이 작용된다. 50 펨토 리터 이하의 액적(129a)이 토출되어도 정전 구동력에 의해 액적이 흩날리게 되는 것이 방지된다. 따라서, 미세 액적을 인쇄 매체(P) 상에 고정밀도로 부착시킬 수 있다.
제4단계에서, 제4전압(VE4)을 제거하면, 볼록한 형태의 메니스커스(M)도 원 상태로 되돌아 가게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 방법에 의하면, 노즐의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적을 토출할 수 있다. 즉, 노즐의 크기를 줄이지 않고 비교적 큰 직경, 예컨대 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도의 직경을 가진 노즐을 통해서도 50 펨토 리터 이하의 미세한 액적을 토출할 수 있다. 그리고, 이러한 미세한 액적을 토출하면서도 비교적 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로, 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 낮아 신뢰성이 높아진다. 또한, 미세한 액적에 작용하는 정전기력으로 미세한 액적이 인쇄매체(P)의 원하는 위치에 도달하게 한다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 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.
110...유로 플레이트 111...제1기판
112...제2기판 113...제3기판
121...잉크 인렛 122,123...매니폴드
124...리스트릭터 125...압력 챔버
126...댐퍼 128...노즐
128a...가이드 로드 128b...브리지
129..잉크 129a...잉크 액적
130...압전 액츄에이터 131...하부 전극
132...압전막 133...상부 전극
135...제1전원 140...전전기력 인가 수단
141...제1 정전 전극 142...제2 정전 전극
145...제2전원

Claims (21)

  1. 압전 구동장치 및 정전 구동장치를 구비한 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 정전 구동장치에 제1 정전 전압을 인가하여 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;
    상기 압전 구동장치에 제1파형의 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크를 공진시키는 단계; 및
    상기 압전 구동장치에 제2 전압을 인가하여 상기 잉크를 토출시키는 단계;를 포함하는 구비하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 정전 전압 인가는 상기 잉크 공진 단계와 상기 잉크 토출 단계에서 유지되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1파형 전압 인가는, 상기 노즐 내부의 잉크를 토출방향으로 진행시킨 후, 상기 노즐에서 상기 토출방향과 반대방향으로 상기 잉크를 이동시키는 전압을 인가하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1파형 전압 인가는 상기 압전 구동장치에 의한 상기 잉크의 메니스커스의 공진 주기에 대응되게 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메니스커스의 공진 주기를 측정하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 메니스커스의 공진 주기 측정단계는,
    상기 압전 구동장치에 잉크를 토출시키지 않는 제3전압을 인가하는 단계;
    상기 메니스커스의 변위를 측정하는 단계; 및
    상기 변위의 두개의 피크 사이의 시간을 상기 공진 주기로 정하는 단계;를 포함하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2전압의 인가는 상기 노즐에서의 상기 잉크의 메니스커스가 상기 토출방향으로 이동시 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1파형 전압의 인가는 상기 메니스커스의 공진 주기의 3/4 ~ 5/4 시간 중에 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전압은 상기 제1파형 전압 보다 절대값이 큰 펄스 전압인 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 정전전압 인가는 상기 제2전압 인가후 일정 시간 더 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  12. 정전 구동장치 및 압전 구동장치를 구비한 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 정전 구동장치에 제1파형의 전압을 인가하여 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하고, 상기 잉크를 공진시키는 단계;
    상기 압전 구동장치에 제2전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크를 토출시키는 단계; 및
    상기 제2전압 인가시 상기 정전 구동장치에 소정의 제3 정전전압을 인가하는 단계;를 포함하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1파형의 전압 및 상기 제2전압은 동일한 극성의 전압이 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1파형 전압 인가 단계는, 상기 노즐 내부의 잉크를 토출방향으로 진행한 후, 상기 노즐에서 상기 토출방향과 반대방향으로 상기 잉크를 이동시키는 전압을 인가하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1파형 전압은 상기 압전 구동장치에 의한 상기 잉크의 메니스커스의 공진 주기에 대응되게 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 메니스커스의 공진 주기를 측정하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 메니스커스의 공진 주기 측정단계는,
    상기 압전 구동장치에 잉크를 토출시키지 않는 제3전압을 인가하는 단계;
    상기 메니스커스의 변위를 측정하는 단계; 및
    상기 변위의 두개의 피크 사이의 시간을 상기 공진 주기로 정하는 단계;를 포함하는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2전압의 인가는 상기 노즐에서의 상기 잉크의 메니스커스가 상기 토출방향으로 이동시 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2전압의 인가는 상기 메니스커스의 공진 주기의 3/4 ~ 5/4 시간 중에 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 제3 정전전압 인가는 상기 제2전압 인가후 일정 시간 더 인가되는 하이브리드 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
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