KR102504707B1 - 다노즐 프린트 헤드 - Google Patents

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KR102504707B1
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디모스 폴리카코스
쥴리안 슈나이더
패트릭 갤리커
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에테하 쭈리히
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Abstract

기판 상에 액체를 증착시키기 위한 프린트 헤드(1)는 층 구조체를 포함하고, 이 층 구조체는, 유전성 재료로 만들어진 스탑 층(5); 전기 전도성인 장치 층(6); 및 유전성 재료로 만들어진 절연 층(7)을 포함한다. 노즐(3)이 층 구조체에 형성되어 있다. 노즐은 액체를 방출하기 위한 노즐 개구(34)를 가진다. 링 트렌치(ring trech)(31)가 노즐 주위에 형성되어 있다. 노즐 개구 및 링 트렌치는 환형 노즐 벽(32)에 의해 반경 방향으로 서로 분리되어 있다. 방출 채널(37)이 방출 방향을 따라 링 트렌치에 인접하여 형성되어 있다. 추출 전극(8)이 절연 층(7)에 배치되어 노즐을 둘러싼다.

Description

다노즐 프린트 헤드
본 발명은 액체를 기판에 전기 수력학적으로 인쇄하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
매체에 정보를 인쇄하기 위한 잉크 젯 프린터가 널리 사용되고 있다. 일반적인 기술은, 연속적인 흐름의 유체 액적을 방출하는 프린터, 및 대응하는 방출 명령을 받을 때에만 액적을 방출하는 프린터를 포함한다. 전자의 프린터 그룹은 일반적으로 연속형 잉크-젯 프린터로 알려져 있고 후자의 프린터 그룹은 드롭-온-디맨드(drop-on-demand)형 잉크-젯 프린트로 알려져 있다.
연속형 잉크-젯 인쇄에서, 고압 펌프가 저장부로부터 액체 잉크를 미소 노즐에 보내어 연속적인 흐름의 잉크 액적을 발생시킨다. 그리고 잉크 액적은 대전되기 위해 정전기장을 받게 된다. 그런 다음, 대전된 액적은 진로 전환 필드를 통과하여 기판 상에 인쇄되거나 진로 전환되지 않고 재사용을 위해 홈통에 모이게 된다.
드롭-온-디맨드형 인쇄에서는, 저장부에 압력을 가하여 액체 잉크가 노즐과 같은 저장부로부터 기판에 전달된다. 일반적으로, 액체의 표면 장력 및 점성을 극복할 수 있는 정도로 노즐 내의 액체 잉크를 가압하면 액체가 방출된다. 추가적으로, 가해지는 압력은, 이들 액적을 기판 상에 정확하게 증착시킬 수 있는 속도로 방출 액적을 가속시키기에 충분히 커야 한다. 가압 요소가 촉발될 때마다. 정해진 양의 액적 하나가 방출되는데, 즉 인쇄는 올-오어-논(all-or-none) 방식으로 일어나게 된다.
연속형 잉크-젯 인쇄 방법은 드롭-온-디맨드형 방법 보다 처리가 빠르다. 그러나, 해상도는 드롭-온-디맨드형 기술이 더 좋다. 또한, 연속형 잉크-젯 인쇄가 잉크 손실이 더 크다.
드롭-온-디맨드형 인쇄 방법 및 연속형 잉크-젯 인쇄 방법에 관련된 주 문제들 중의 일부는, 작은 액적을 방출시키기 위해 높은 압력이 필요하고(여기서 "작은"은 십분의 수 마이크로미터 이하의 크기를 말함) 또한 이들 작은 액적을 높은 정확도로 증착시키는 것이 어렵다는 것이다. 10 마이크로미터 보다 작은 액적은 기체 환경에 의해 쉽게 가속되고 진로 전환된다. 또한, 액체 가압으로 방출된 액적은 이들 액적이 방출되는 노즐과 일반적으로 크기가 같거나 심지어 더 크다. 그레서, 작은 액적을 얻기 위해서는, 작은 노즐이 필요한데, 하지만 이러한 노즐은 쉽게 막힌다는 잘 알려진 문제를 갖는다.
전기 수력학적 젯 프린터는, 잉크를 기판에 전달하기 위한 유체 유동을 발생시키기 위해 전기장을 사용한다는 점에서 잉크-젯 프린터와 다르다. 특히, 전기 수력학적 인쇄는 액적을 잉크-젯 인쇄와 비교하여 더 높은 해상도로 인쇄할 수 있다. 종래의 잉크-젯 인쇄는 액체를 노즐 밖으로 밀어 내기 위해 내부 압력 펄스를 사용하지만, 전기 수력학적 인쇄 방법은, 액체가 전기적으로 대전되고 대전된 액체와 노즐의 영역에 가해지는 전기장 사이에 발생되는 힘에 의해 노즐 밖으로 끌려 나간다는 사실을 이용한다.
WO 2007/064577 A1에는 통상적인 자극(stimulation) 전극이 개시되어 있는데, 이 전극은 전기 신호에 반응하여 대응하는 노즐 채널로부터 방출되는 유체 젯 그룹의 모든 요소를 동기적으로 자극하여 대응하는 복수의 연속적인 흐름의 액적을 형성하게 된다.
집합적인 전달 잉크-젯 노즐 판을 제조하는 방법이 EP 1844 935 B1에 개시되어 있는데, 여기서 마이크로 잉크-젯 인쇄 방법에 따라 3차원 구조체가 기판 상에 배치되며, 그런 다음 그 구조체는 경화 재료로 덮히게 된다. 경화 후에, 마이크로 노즐 구멍이 경화 재료의 판에 형성된다.
EP 1 550 556 A1에는, 노즐 판을 포함하는 정전 액체 분출 헤드를 제조하기 위한 방법 및 정전 액체 분출 헤드를 구동시키기 위한 구동 방법이 개시되어 있다. 기부 판에 배치되어 있는 복수의 분출 전극에 전압이 가해지면, 정전 액체 분출 헤드에 배치되어 있는 복수의 노즐로부터 액적들이 방출된다.
고해상도 전기 수력학적 잉크-젯 인쇄 시스템 및 기판 표면에 기능 재료를 인쇄하기 위한 관련 방법이 US 2011/0187798에 개시되어 있는데, 여기서 예컨대 노즐이 전압원(노즐 내의 유체에 전하를 가함)에 전기적으로 연결되어 있어 인쇄 유체를 표면에 제어 가능하게 증착시키며, 노즐은 작은 방출 오리피스를 가지고 있어 나노피쳐 또는 마이크로피쳐가 인쇄될 수 있다.
나노입자 또는 다른 고체 나노 화합물이 들어 있는 액체로부터 1D, 2D 및/또는 3D 증착물을 생성하기 위한 방법이 WO 2013/00558에 개시되어 있는데, 여기서 끝에 노즐이 있는 용기가 액체를 보유하고, 노즐 또는 용기에 있는 액체와 전극이 접촉하고, 증착물이 생성될 기판 내에 그리고/또는 상에 그리고/또는 아래에 그리고/또는 위에는 상대 전극이 위치된다.
액적을 방출하는 많은 다른 방법들이 전기 수력학적 인쇄에서 가능하며, 가장 일반적인 방법이 콘-젯트(cone-jet) 인쇄인데, 여기서는 얇은 젯이 훨씬 더 큰 노즐로부터 방출된다(즉, 젯은 대응하는 노즐의 반경에 비해 작은 반경을 갖게 됨). 전기 수력학적 액체 방출은 정전 분무 및 정전 회전 분야에서 널리 사용되고 있지만, 현재에는 제어식 인쇄에 이용되고 있다. 현재의 용례는 일반적으로 방출되는 액체의 강한 대전 특성에 관련된 문제를 가지고 있다. 이 결과 종종, 방출된 액적은 반발되며 그에 따라서 기판 상에의 충돌 위치가 변하게 된다. 반발은 2개의 공수(airborne) 액적들 사이에 또는 공수 액적과 기판 상에 이미 증착된 액적과 관련된 전하 사이에 일어날 수 있다.
또한, 액체의 방출을 일으키는데는 매우 높은 전압이 종종 필요하다. 전기 수력학적 액체 방출의 주요 문제 중의 하나는 매우 높은 전기장이 필요하다는 것인데, 이 전기장은 공기의 유전 브레이크다운 강도보다 높다.
이 문제는 일반적으로 예리한 노즐 및 전기장을 집중시키는 만곡된 상대 전극(에컨대, 링 전극)을 사용하여 해결된다. 그러나, 노즐과 상대 전극 사이에 형성된 전기장은 노즐과 상대 전극 사이의 거리가 증가함에 따라 일반적으로 감소하게 된다. 그러므로, 노즐과 상대 전극 사이에 형성되는 평균 전기장은 전기적 브레이크다운을 야기하지 않도록 충분히 낮다. 그러나, 대전된 액적이 10 ㎛ 보다 작거나 또는 심지어 1 ㎛ 보다 작으면, 즉 액적이 무시 가능한 증력 가속도를 받으면, 대전된 액체는 방출되면 기판 쪽으로 가속된다. 전기 수력학적 인쇄는 100 nm 보다 작은 직경을 갖는 액적을 발생시킬 수 있으므로, 액적의 정확한 배치를 위해서는 강한 가속 전기장이 중요하다.
특히, 유전성 기판에 액적이 증착되면, 기판에 이미 증착되어 있는 이전 액적의 잔류 전하 때문에 접근하는 대전된 액적의 실질적인 분무 진로 전환이 일어날 수 있다. 이 효과는, 가속 전기장 강도가 기판 쪽으로 감소하는 경우에 더욱 문제가 된다. 이 경우, 이미 증착된 액적의 전하로부터 발생되는 전기장은 가속 전기장 보다 크게 될 것이며, 그래서, 이미 증착된 액적과 동등하게 대전된 유입 액적이 기판 상에서 반발될 수 있다. 물론, 가속 전기장이 공수 액적의 잔류 전하로 인한 진로 전환을 보상하도록 설정되어 있지 않으면, 반발은 공수 액적들 사이에서도 일어날 수 있다.
근접 배치된 노즐들과 이들 노즐로부터 방출된 액적 사이의 상호 작용으로 인해 전기적 혼선(crosstalk)이 일어날 수 있다. 다수의 전기 수력학적 노즐의 근접 배치 및 평행 배향은, 이들 노즐은 제어하기 어려운 매우 높은 전압으로 작동되어야 하는 사실 때문에 방해를 받게 된다.
나노드립 인쇄, 즉 나노 크기 액적의 인쇄는 100 nm 보다 양호한 인쇄 해상도를 가능하게 한다. 그러나, 적정한 시간 내에 큰 영역이 그러한 높은 해상도로 인쇄되어야 한다면, 인쇄 헤드는 초당 수십 밀리미터 또는 심지어는 초당 수 미터 범위의 속도로 스캔되어야 하며, 나노 크기의 액적은 더 이상 충분한 정확도로 기판 상에 증착되지 못한다. 추가로, 초당 1 미터의 스캔 속도로 약 100 nm의 간격 내에서 액적을 증착시키기 위해서는, 액적 방출은 약 10 MHz의 방출 주파수를 필요로 할 것이다.
나노드립 인쇄에서는 액적이 작기 때문에, 액적들은 인쇄될 기판 상의 매우 작은 영역만 덮게 된다. 산업적으로 적절한 처리량으로 기판 상의 넓은 영역을 인쇄하기 위해서는, 낮은 해상도에서 수행되는 잉크-젯 인쇄 또는 전기 수력학적 인쇄에 비해 많은 수의 근접 배치 노즐이 필요하고, 동시에 그러한 근접 배치 노즐들 사이 및 이들 노즐이 방출하는 액적들 사이의 혼선이 방지되어야 하며, 그래서 노즐은 개별적으로 처리될 수 있고 액적이 높은 정확도로 기판 상에 증착될 수 있다.
본 발명의 목적은, 밀집 배치 노즐을 포함하는 프린트 헤드로부터 얻어지는 전기 수력학적 효과에 기반하여 고해상도 인쇄를 가능하게 하는 인쇄 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은 기판 상에 액체를 증착시키기 위한 프린트 헤드를 제공한다. 이 프린트 헤드는 층 구조체를 포함하고, 이 층 구조체는 바람직하게는, 유전성 재료로 만들어진 스탑 층; 상기 스탑 층에 증착되고 바람직하게는 전기 전도성인 장치 층(장치 전극이라고도 함); 및 유전성 재료로 만들어지고 상기 장치 층에 증착되는 제 1 절연 층을 방출 방향을 따라 상기 나열된 순서대로 포함한다. 이들 층 사이에 추가 층이 존재할 수 있다. 적어도 하나의 제 1 노즐이 상기 층 구조체에 형성되어 있고, 제 1 노즐은 상기 액체를 방출하기 위한 노즐 개구를 가지며, 상기 노즐 개구는 상기 층 구조체를 통해 연장되어 있다. 링 트렌치(ring trech)(방출 방향으로 개방되어 있는 대체로 환형인 오목부)가 상기 장치 층에 형성되어 있으며, 반경 방향으로 상기 제 1 노즐을 둘러싼다. 링 트렌치는 장치 층을 통해 바람직하게는 스탑 층까지 계속하여 연장되어 있다. 링 트렌치는 스팁 층까지가 아닌 부분적으로 장치 층 안으로 연장되어 있는 것도 가능하다. 노즐 개구 및 링 트렌치는 환형 노즐 벽에 의해 반경 방향으로 서로 분리되어 있고, 상기 환형 노즐 벽은 원위 단부 표면을 갖는다. 방출 채널이 방출 방향으로 링 트렌치에 인접해 있는데, 즉 링 트렌치는 방출 방향으로 방출 채널 안으로 열려 있다. 노즐 개구 역시 방출 채널 안으로 열려 있다. 방출 채널은 방출 방향으로 열려 있는 대체로 원통형의 오목부이다. 방출 채널은 제 1 절연 층을 통해 부분적으로 또는 완전히 연장되어 있다. 방출 채널은 제 1 노즐 주위에 중심 맞춤되어 있고 또한 바람직하게는 제 1 절연 층을 통해 노즐의 원위 단부 표면까지 계속하여 연장되어 있다. 제 1 추출 전극이 상기 제 1 절연 층에 배치되어 제 1 노즐을 둘러싼다.
이러한 프린트 헤드는, 반도체 기술에 알려져 있는 일반적인 미소 제작법을 사용하여 간단하게 제조될 수 있다. 따라서, 매우 고밀도로 근접 이격되어 있는 미소 노즐을 포함하는 프린트 헤드가 얻어질 수 있고, 이러한 프린트 헤드는 액적 방출 과정에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여, 나노 크기 범위의 액적이 매우 큰 거리에서도 기판에 정확하게 증착될 수 있다.
환형 노즐 벽은 노즐 직경을 규정하는 외주 표면을 갖는다. 노즐 직경의 절반이 노즐 반경을 규정한다. 링 트렌치는 유리하게는, 노즐 반경의 절반과 노즐 반경의 10배 사이에서, 바람직하게는 노즐 반경의 1배와 노즐 반경의 4배 사이에서 선택되는 폭을 가질 수 있다. 링 트렌치는 유리하게는, 절대 값으로서 500 nm 내지 100 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 폭을 가질 수 있다. 환형 노즐 벽은 유리하게는, 100 nm 내지 10 ㎛, 바람직하게는 200 nm 내지 2 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 노즐의 총 직경은 바람직하게는 500 nm 내지 50 ㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이다.
제 1 추출 전극은 상기 방출 채널을 반경 방향으로 둘러싸고 전극 폭을 규정하는 환형부를 가지며, 전극 폭은 제 1 노즐의 노즐 반경의 절반과 노즐 반경의 10배 사이에서, 바람직하게는 노즐 반경의 1배와 노즐 반경의 4배 사이에 있을 수 있다. 상기 환형부는 이것이 반경 방향으로 둘러싸는 링 트렌치에 바로 인접할 수 있거나, 링 트렌치로부터 반경 방향으로 이격될 수 있다. 일반적으로, 추출 전극의 환형부는 링 전극을 형성할 수 있다.
상기 제 1 추출 전극과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전도성 경로가 상기 제 1 추출 전극에 부착될 수 있다. 프린트 헤드에 있는 두 개의 전극에 연결되는 전도성 경로는 다른 전압 신호(예컨대, 진폭, 파형, 극성 등)를 전달할 수 있고. 이 경우, 서로 다른 전압 신호를 전달하는 전극과 전도성 경로는, 신호 혼선(예컨대, 전기적 브레이크다운에 의한)의 위험이 없도록 그들 사이에 충분한 횡 간격을 제공하여 전기적으로 서로 절연되어야 한다. 전도성 경로는, 적어도 제 1 추출 전극 근처에서 바람직하게는 제 1 추출 전극(이 추출 전극에 전도성 경로가 부착됨)의 전극 폭 보다 작은 폭을 갖는다. 바람직하게는, 노즐에서 대칭적인 전기장을 발생시키기 위해 바람직하게는 상기 적어도 하나의 전도성 경로의 반대편에서 다른 전도성 경로가 상기 제 1 추출 전극에 부착되어 있다.
적어도 하나의 추가 노즐이 층 구조체에 형성될 수 있다. 이 추가 노즐은 제 1 노즐 보다 큰 직경을 가질 수 있다. 제 1 노즐의 직경과 추가 노즐의 직경은, 1 보다 크고 바람직하게는 15 보다 작은 팩터로 다를 수 있다.
상기 층 구조체는 적어도 하나의 추가 절연 층을 포함하고, 적어도 하나의 추가 절연 층은 방출 방향을 따라 제 1 절연 층에 배치된다. 적어도 하나의 추가 절연 층은 바람직하게는 적어도 하나의 제 1 노즐 및/또는 적어도 하나의 추가 노즐의 위치에서 개구를 형성하고, 이 개구는 바람직하게 상기 방출 채널을 연장한다.
제 1 절연 층은 100 nm 내지 50 ㎛, 바람직하게는 500 nm 내지 5 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
프린트 헤드는 추가 추출 전극을 포함할 수 있고, 추가 추출 전극은 상기 추가 절연 층 또는 제 1 절연 층에 배치되며, 추가 추출 전극은 상기 추가 노즐을 둘러싼다.
제 1 노즐의 경우에, 추가 노즐은 액체를 방출하기 위한 추가 노즐 개구를 포함할 수 있고, 이 추가 노즐 개구는 층 구조체를 통해 연장된다. 바람직하게는, 추가 링 트렌치가 추가 노즐을 반경 방향으로 둘러싼다. 이 추가 링 트렌치는 제 1 절연 층 및/또는 추가 절연 층을 통해 연장될 수 있다. 추가 링 트렌치는 장치 층 안으로 바람직하게는 스탑 층까지 연장되어 있다. 추가 노즐의 노즐 개구 및 추가 링 트렌치는 원위 단부 표면을 갖는 추가 환형 노즐 벽에 의해 서로 분리될 수 있고, 추가 방출 채널이 방출 방향으로 추가 링 트렌치에 인접해 있을 수 있는데, 즉 추가 링 트렌치는 방출 방향으로 추가 방출 채널 안으로 열려 있다. 추가 노즐 개구 역시 추가 방출 채널 안으로 열려 있다. 추가 방출 채널은 제 1 절연 층 및/또는 추가 절연 층을 통해 부분적으로 또는 완전히 연장되어 있다. 추가 방출 채널은 추가 노즐 주위에 중심 맞춤되어 있고 또한 제 1 절연 층 및/또는 추가 절연 층을 통해 추가 노즐의 원위 단부 표면까지 연장되어 있다.
제 1 절연 층 및 장치 층과 주어진 추가 추출 전극 사이에 배치되어 있는 모든 추가 절연 층의 총 두께는 바람직하게는 추가 노즐 반경의 절반과 추가 노즐 반경의 10배 사이, 더 바람직하게는 노즐 반경의 1배와 노즐 반경의 4배 사이에 있다.
여러 개의 추가 절연 층이 프린트 헤드에 배치될 수 있고 여러 개의 추가 추출 전극(바람직하게는 각기 특정 노즐을 둘러쌈)이 이들 추가 절연 층에 또한 배치될 수 있음을 이해할 것이며, 추가 절연 층은 주어진 추가 추출 전극과 노즐 사이를 분리시키기 위해 도입될 수 있다.
적어도 하나의 균질화 전극이 상기 추가 절연 층 중의 적어도 하나에 배치될 수 있디. 상기 적어도 하나의 추가 절연 층은 방출 방향을 따라 제 1 추출 전극 또는 추가 추출 전극에 배치된다. 상기 적어도 하나의 균질화 전극은 바람직하게는, 방출 채널의 직경과 같거나 그 보다 큰 내경을 갖는 링 전극으로서 상기 제 1 노즐 및/또는 추가 노즐을 각각 둘러싸며, 더 바람직하게는 상기 링 전극은 제 1 추출 전극 또는 추가 추출 전극의 내경과 같거나 그 보다 큰 내경을 갖는다. 적어도 하나의 균질화 전극은 축방향 전기장 불균질을 최소화하는 역할을 할 수 있다.
상기 층 구조체는 말단 절연 층을 포함하고, 말단 절연 층은, 방출 방향을 따라 상기 스탑 층으로부터 가장 멀리 배치되어 있는 제 1 절연 층 또는 추가 절연 층에 배치된다. 말단 절연 층은 바람직하게는 방출 방향을 따라 방출 채널을 연장하는 개구를 형성한다.
말단 절연 층은 방출 방향을 따라 프린트 헤드에 배치되어 있는 마지막 절연 층에 대응할 수 있는데, 즉 추가 절연 층이 상기 말단 절연 층에 배치되어 있지 않음을 이해할 것이다.
차폐 층(차폐 전극이라고도 함)이 상기 말단 절연 층에 배치되어 있고, 차폐 층은 전기 전도성이고 바람직하게는 연속적인 층으로 형성되어 있으며, 차폐 층은 방출 채널을 둘러싸는 원형 개구를 가지며, 원형 개구의 직경은 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극의 각각의 환형부의 외경 보다 작으며, 차폐 층은 적어도 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극을 넘어 반경 방향으로 연장되어 있다.
차폐 층은 액적의 바람직한 비행 궤적을 따른 축방향 전기장 구배를 감소시키고 또한 전기장 불투과성 층으로 다른 전기장 소스를 덮어, 다른 노즐의 추출 전극 처럼, 다른 전기장 소스로부터 노즐을 차폐시키는 역할을 할 수 있다. 말단 절연 층은 바람직하게는 100 nm 내지 10 ㎛, 더 바람직하게는 500 nm 내지 3 ㎛의 두께를 갖는다.
상기 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극 및/또는 균질화 전극은 전극 연장부에 의해 연장되어 있고, 전극 연장부는 바람직하게는 직선 형태로 되어 있다. 전극 연장부는 1 ㎛ 내지 1 mm, 바람직하게는 2 ㎛ 내지 100 ㎛의 길이를 가질 수 있다. 전극 연장부는 상기 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극 및/또는 균질화 전극의 전극 폭과 바람직하게 같거나 그 보다 작은 폭을 갖는다. 전극 연장부에 증착되어 있는 상기 추가 절연 층에, 전압 신호를 공급하는 전도성 경로가 배치되어 있다. 전도성 경로는 전극 연장부에 용량적으로 연결되고, 전도성과 경로와 노즐 개구 사이의 반경 방향 거리는, 상기 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극 및/또는 균질화 전극의 환형부의 외주와 노즐 개구 사이의 거리 보다 크다. 적어도 하나의 전도성 경로의 폭은 전극 연장부의 폭 보다 바람직하게 넓게 되어 있어, 전극 연장부와 전도성 경로 사이의 용량적 연결을 개선한다.
바람직하게는 상기 장치 층과 제 1 절연 층 사이에서 상기 제 1 노즐 및/또는 추가 노즐의 원위 단부 표면에 배치되는 엣치 스탑 층이 배치될 수 있다. 엣치 스탑 층은, 엣치 저항성이고 바람직하게는 유전성인 재료를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장치 층과 제 1 절연 층 사이에 배치되는 장치 코팅이 배치될 수 있고, 장치 코팅은 전도성 재료, 바람직하게는 금속을 포함한다. 예리한 천이부의 형태로 된 접촉각 불연속부가 상기 링 트렌치의 영역에서 엣치 스탑 층 또는 장치 코팅에 형성되어, 액체에 의한 링 트렌치의 젖음을 피한다.
상기 제 1 추출 전극은 적어도 2개의 부분, 바람직하게는 적어도 3개의 부분으로 분할되어 있다. 예컨대, 환형 추출 전극, 즉 링 전극이 동일한 반환형 형태로 된 적어도 2개의 세그먼트로 분할될 수 있고, 이들 세그먼트는 특정 노즐 주위에 균일하게 배열되어 있고 그들의 반대편 단부 사이의 측방 간격을 에워싼다.
하나의 액체 공급 층이 스탑 층 아래에 배치될 수 있는데, 그 액체 공급 층은 노즐 개구와 유체 연통하는 하나 이상의 액체 공급 저장부 및/또는 하나 이상의 액체 공급 채널을 형성한다. 액체 공급 저장부의 깊이는 바람직하게는 그의 폭의 50 배 보다 작고, 더 바람직하게는 그의 폭의 30 배 보다 작다.
프린트 헤드의 표면의 적어도 일부분은 보호 코팅으로 피복되어 있다. 보호 코팅은 바람직하게는 유전성 재료로 재료로 만들어지고 주변의 기체 환경을 통한 유전성 브레이크다운을 방지하는데, 예컨대 전기가 공기를 통과하는 것을 차단한다. 바람직하게는, 보호 코팅은 전극 형성 후에 가해진다.
프린트 헤드의 표면의 적어도 일부분은 표면 코팅으로 피복될 수 있다. 바람직하게는 상기 표면의 적어도 일부분은 적어도 프린트 헤드에서 기판을 향하는 측에서 상기 노즐 개구를 넘어 모든 표면에서 피복되어 있다. 상기 표면 코팅은 바람직하게는 액체 반발성을 가지며, 바람직하게는 중합체 및/또는 유기 재료, 더 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다. 프린트 헤드의 표면의 적어도 일부분을 그러한 액체 반발성 제료로 피복하면, 액체가 링 트렌치 안으로 끌려 들어가는 것을 방지하는데 도움이 된다.
전술한 바와 같은 프린트 헤드를 포함하는 전기 수력학적 인쇄 시스템은 바람직하게는 가속 전극을 포함하고, 가속 전극은 방출 방향을 따라 프린트 헤드로부터 이격되어 있다. 프린트 헤드와 가속 전극 사이에 기판이 배치될 수 있고, 바람직하게는, 그 기판은 가속 전극 상에서 움직이 못한다. 프린트 헤드와 기판 사이의 거리는 50 ㎛ 내지 5 mm, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 1 mm 이다. 상대적으로 표현하면, 상기 거리는 프린트 헤드에 배치되어 있는 최대 노즐의 직경의 적어도 10 배이다.
전술한 전기 수력학적 인쇄 시스템을 사용하여 기판에 액체를 전기 수력학적으로 인쇄하는 방법은, ⅰ) 액체를 노즐 개구에 공급하는 단계(공급되는 액체는 바람직하게는 전기적으로 접지됨); ⅱ) 노즐에 전기장을 형성하고/형성하거나 노즐 개구의 영역에서 액체 표면의 볼록 메니스커스(meniscus)를 형성하기 위해 장치 층에 장치 포텐셜을 선택적으로 가하는 단계(액체의 포텐셜에 대한 장치 포텐셜은 제로이거나 액적의 방출에 필요한 최소 전압 보다 낮음); ⅲ) 추출 전극 중의 적어도 하나에 추출 포텐셜을 가하는 단계(액체의 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜은 상기 볼록 메니스커스로부터 액적을 방출시키는데 필요한 최소 전압과 같거나 그 보다 높음); ⅳ) 방출된 액적이 방출 채널에서 옆으로 덜 휘도록 균질화 포텐셜을 균질화 전극에 선택적으로 가하는 단계; ⅴ) 방출된 액적이 방출 채널에서 또한 방출 채널의 외부 영역에서 옆으로 덜 휘도록 차폐 포텐셜을 차폐 전극에 선택적으로 가하는 단계; 및 ⅵ) 방출된 액적이 기판 쪽으로 가속되도록 가속 포텐셜을 가속 전극에 가하는 단계를 임의적인 순서로 포함한다. 상기 단계들 중의 하나 이상이 동시에 수행될 수 있다.
예컨대 장치 포텐셜과 액체 포텐셜의 사이 또는 제 1 추출 포텐셜과 액체 포텐셜의 사이의 차는 두 전극 사이에 가해지는 전압이라고도 할 수 있다. 다수의 액적의 방출은 바람직하게는, 간격 당 하나의 액적을 방출하기 위해 이 순서의 적어도 일부분의 규칙적인 간격을 도입하여 일어나지 않고, 대신에, 원하는 양의 액적이 증착될 때까지 모든 포텐셜(연속적인 DC 또는 AC 전압으로서)을 활성화 상태로 유지시켜 일어나게 되며, 방출의 고유 주파수는 특히 가해지는 전기적 포텐셜에 달려 있을 것이다. 전기 수력학적 인쇄 방법은 단계 ⅰ) ∼ ⅳ)의 다른 순서 및/또는 각각의 전극에 가해지는 다른 포텐셜을 포함할 수 있다. 또한, 일부 단계는 병렬적으로 수행될 수 있다. 예컨대, 장치 전극, 균질화 전극 차폐 전극 및 가속 전극 각각에는 전압이 지속적으로 가해질 수 있다. 또는, 메니스커스의 형성 및 액적의 방출이 추출 전극의 작용에 의해 동시에 일어나도록, 장치 전극은 액체와 동일한 포텐셜로 유지될 수 있다. 그러나, 추출 전극 외의 다른 전극은 액적 방출을 일으키지 않는 것이 바람직하다.
액체의 포텐셜에 대한 가해지는 장치 포텐셜의 절대 값은, 액적의 방출 중에 공급 액체의 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜과 다른 극성을 가질 수 있다.
액체 포텐셜에 대한, 차폐 층에 가해지는 차폐 포텐셜은, 액체 포텐셜에 대한, 추출 전극에 가해지는 추출 포텐셜 보다 작은 진폭을 가지며, 액체 포텐셜에 대한, 균질화 전극에 가해지는 균질화 포텐셜은, 액적의 방출 중에 액체 포텐셜에 대한, 추출 전극에 가해지는 추출 포텐셜 보다 작은 진폭을 가질 수 있다.
액적의 방출과 관련된 양은 유체 공급 유닛에 의해 조절될 수 있다.
액체의 포텐셜에 대한 가속 전극, 차폐 전극 및 균질화 전극의 포텐셜은, 액적의 방출 중에 액체의 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜과 동일한 극성을 가질 수 있다.
액체 포텐셜에 대한 차폐 전극 및 균질화 전극의 포텐셜의 포텐셜 차는 액적의 방출 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 전극에 가해지는 전압 보다 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 액체 포텐셜에 대한 가속 전극에 가해지는 전압은 액체 포텐셜에 대한 추출 전극에 가해지는 전압 보다 높은 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하며, 도면은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하기 위한 것이고 본 발명을 한정하고자 하는 의도는 없다.
도 1은 액체 공급 저장부로부터 액체를 기판에 증착시키기 위한 프린트 헤드로서, 제 1 실시 형태에 따른 제 1 노즐을 포함하는 프렌트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 2는 제 1 노즐 및 제 2 실시 형태에 따른 추가 노즐을 포함하는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 3은 제 3 실시 형태에 따른 차폐 층을 더 포함하는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 4는 제 4 실시 형태에 따른 말단 절연 층을 더 포함하는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 5는 전극 연장부에 의해 연장되어 있는 제 1 추출 전극 및 제 5 실시 형태에 따른 전도성 경로를 갖는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 6은 전극 연장부 및 전도성 경로의 상면도를 나타내는 것으로, 전극 연장부와 전도성 경로는 용량적으로 연결되어 있다.
도 7은 전극 연장부 및 추출 전극과 직접 접촉하는 2개의 전도성 경로의 상면도를 나타낸다.
도 8은 제 6 실시 형태에 따른 엣치 스탑 층을 더 포함하는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 9는 제 7 실시 형태에 따른 장치 코팅을 더 포함하는 프린트 헤드의 단면도를 나타낸다.
도 10은 2개의 세그먼트 및 3개의 세그먼트로 분할된 추출 전극의 상면도를 나타낸다.
도 11은 액체 공급 저장부 및 액체 공급 채널을 각각 형성하는 액체 공급 층을 더 포함하는 프린트 헤드의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 12는 전기 수력학적 프린트 헤드 시스템을 개략적으로 나타낸다.
먼저, 전기 수력학적 인쇄 시스템에 대한 몇 가지 일반적인 고려 사항을 제시한다. 바람직한 실시 형태의 설명은 이들 고려 사항의 끝에 제공된다.
본 발명에 따른 프린트 헤드는 수백, 수천 또는 심지어 수백만 개의 노즐을 포함할 수 있다. 노즐은 당업자에게 잘 알려져 있는 일반적인 미소 제조 방법에 의해 실로콘 웨이퍼, 바람직하게는 SOI(silicon on insulator)로 형성될 수 있다. 웨이퍼는 본질적으로 프린트 헤드의 횡방향 폭을 한정하고 노즐로 덮힐 수 있는 영역을 규정한다. 웨이퍼는 상기 웨이퍼로부터 절단될 수 있는 여러 개의 더 작은 프린트 헤드를 또한 포함할 수 있다. 웨이퍼는 바람직하게는 약 200 mm의 길이와 폭을 갖는다. 프린트 헤드의 두께는 주로 액체 공급 층 및 이 층에 추가될 수 있는 추가 층의 두께로 규정된다. 바람직하게는, 이들 모든 층의 누적 두께는 수 밀리미터를 초과하지 않을 것이다.
일반적인 기판은 유리, 중합체, 종이, 금속, 반도체, 세라믹, 복합 재료 또는 생물학적 재료의 시트, 단편 또는 다른 기하학적 구조, 바람직하게는 평평한 기하학적 구조를 포함한다. 특히, 중합체, 종이 또는 다른 가요성 재료를 사용하는 경우, 기판은 풀린 포일 또는 그의 일부분이 프린트 헤드와 가속 전극 사이에 위치될 수 있도록 적어도 부분적으로 풀리는 롤로부터 나오는 포일일 수 있다. 기판은 다른 재료의 층 또는 일반적인 배치를 더 포함할 수 있는데, 예컨대 예컨대 디스플레이, 태양 전지, 또는 센서, 논리 요소 또는 터치스크린용으로 사용될 수 있는 기능 구조를 더 포함할 수 있다. 프린트 헤드의 주 목적은, 유전성, 반도체성, 금속 또는 생물학적 재료를 함유하는 잉크로부터 고해상도의 기능 구조를 형성하는 것이고, 이러한 구조는 개별적인 기능을 수행할 수 있고, 또는 더 높은 차수의 기능을 실현하기 위해 기판에 이미 포함되어 있는 기능 구조를 보충할 수 있다. 이런 의미에서, 프린트 헤드는 예컨대 디스플레이, 태양 전지, 센서, 논리 회로, 배터리 또는 터치스크린의 적어도 부분적인 기능을 부가적으로 실현하기 위해 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 프린트 헤드는 예컨대 터치스크린 센서, 디스플레이, 태양 전지, 투명 열 히터, 스마트 윈도우 및 대전 방지 또는 전기적 차폐 층과 같은 용례에서 투명 금속 메쉬 도체로서 집합적으로 사용될 수 있는 초미세 전도성 트랙을 만들기 위해 사용될 수 있다. 프린트 헤드는 임프린트 리소그래피 등에 사용될 수 있는 토포그래픽 마스크(3D 마스크를 포함함) 완전 피동 요소를 만드는데도 사용될 수 있다. 프린트 헤드는 보안용으로 사용될 수 있는 플라즈몬 엔티티와 같은 피동 광학 요소를 만드는데도 사용될 수 있다. 프린트 헤드는 예컨대 e-비임 리소그래피에 대한 대안으로서 원형화(prototyping)용으로도 사용될 수 있고, 이 경우 재료는 기판에 부가적으로 추가될 수 있다. 이러한 재료는 예컨대 엣칭 마스크로서 제거 처리와 관련하여 사용될 수 있다. 프린트 헤드는 예컨대 사용되는 용제 또는 화학물질에 의해 층으로부터 어떤 재료를 국부적으로 제거하여 그 재료를 구조화 엣칭하는데 사용될 수 있는 용제 또는 액체 화학물질을 방출하기 위해 사용될 수 있다.
노즐 및 장치 층은 바람직하게는 동일한 재료로 만들어지며 바람직하게는 일반적인 두께를 갖는다. 가장 바람직하게는, 그것들은 50 ㎛ 미만, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 갖는 실리콘으로 만들어진다. 노즐 및 장치 층은 실리콘 외의 다른 재료도 포함할 수 있다. 그러나, 바람지하게는, 장치 층은, 전기적 포텐셜이 가해질 수 있도록 배타적으로 전기 절연체로 이루어져 있지 않은 재료로 이루어진다. 노즐은 전기 절연체를 포함하는 고체 재료를 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는 장치 층과 동일한 재료로 만들어진다.
노즐 및 장치 층을 형성하는데 사용될 수 있는 실리콘 층은 바람직하게는 스탑 층 위에 배치되며, 이 스탑 층은 노즐을 형성하기 위해 사용될 수 있는 엣칭 공정을 선택적으로 막기 위한 것이다. 엣칭은 제조 중에 하나 이상의 웨이퍼 층으로부터 재료를 화학적 또는 물리적으로 제거하기 위해 미소 제조에 종종 사용된다. 많은 엣칭 단계의 경우, 웨이퍼의 일부분은 엣칭을 막는 마스킹 재료에 의해 엣칭액으로부터 보호되고, 엣칭 공정은 엣칭액 저항성 층에서 제어 가능하게 중단될 수 있다. 본 발명에서, 스탑 층은, 링 트렌치가 형성될 위치에서 엣칭 스탑으로서 사용될 수 있고, 스탑 층은 바람직하게는 10 nm 내지 5 ㎛, 더 바람직하게는 100 nm 내지 1 ㎛의 두께를 갖는다. 스탑 층은 높은 엣칭 저항성을 갖는 SiO2 또는 Al2O3 와 같은 유전성 재료를 포함할 수 있다.
대략 90°의 각도를 형성하는 측벽을 얻기 위해 링 트렌치는 예컨대 브롬화수소(HBr) 또는 육불화황(SF6) 기반 건식 엣칭 공정에 따라 실리콘의 이방성 건식 엣칭 공정으로 형성된다.
액체 공급 층은 바람직하게는 실리콘으로 만들어지지만, SiO2와 같은 투명 재료를 포함할 수 있다. 액체 공급 층은 바람직하게는 200 ㎛ 내지 1 mm의 두께를 가지며, 프린트 헤드에 기계적인 강도를 제공하는 추가적인 목적을 가지고 있다.
액체는 바람직하게는 용제 및 비휘발성 재료를 포함하며, 이는 증착 공정에서 용제의 증발 후에 기판 상에 남게 된다. 용제는 바람직하게는 물, 유기 용제, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되며, 유기 용제는 바람직하게는 포화 탄수화물 용제 또는 지방족 알코올 용제 중에서 선택된다. 나노 크기의 고체 재료는 바람직하게는, 금속계 나노 입자인 나노입자, 가장 바람직하게는 금 나노 입자에서 선택되는 적어도 하나의 종(species)을 포함하지만 금속 산화물, 반도체성 또는 다른 무기 고체 및/또는 자성 나노입자, 전도성 탄소계 제료, 예컨대 풀러렌스, 탄소 나노튜브 또는 그래핀, 효소, DNA 또는 RAN 같은 생물학적 재료 또는 기화되지 않는 다른 분자, 예컨대 액체 용제에서의 안정화된 분산을 위한 전도성 또는 비전도성 중합체, 염 또는 단일 분자 중의 어떤 것이라도 될 수 있다. 기판에 포함되어 있는 재료를 엣칭하려고 할 때 액체는 비휘발성 재료의 추가 없이 증착될 수 있다.
액체 공급 저장부 내의 액체는 바람직하게는 전기 접지된다. 이 접지는 액체 공급 저장부에 들어 있는 액체와 접촉하는 액체 공급 층의 벌트 재료에 대역적으로 가해진다. 적절한 기능이 가능하도록, 환형 노즐 벽의 내부 표면 및 액체 공급 저장부의 표면은 사용되는 잉크로 젖을 수 있다. 이와 관련하여, 젖을 수 있다라는 말은, 액체와 이들 표면의 접촉각이 90°미만인 것을 의미한다. 표면이 젖을 수 있으면, 액체는 단순히 모세관력에 의해 액체 공급 저장부로부터 노즐 개구 안으로 끌려 들어갈 수 있다.
젖음이 자발적으로 일어나지 않으면, 전기적 접지와는 다른 전기 포텐셜, 장치 포텐셜을 장치 층에 가할 수 있다. 이 결과, 접지된 액체는 전기 수력학적인 힘을 받게 되는데, 이 힘에 의해 액체가 안내되어 노즐을 통하여 노즐 개구의 영역 안으로 들어가게 되며, 거기서 아이들 메니스커스를 얻게 된다.
장치 층에 증착되는 절연체 층은 장치 층(말단 절연 층 나중에 도입되는 추가 절연 층을 포함함)과 절연 층에 배치되는 복수의 추출 전극 사이의 절연층으로서 역할하지만, 일반적으로, 결국 그들 사이에 전압을 형성해야 하는 축방향으로 분리되어 있는 2개의 전도성 요소 사이의 절연 층으로서 작용한다. 절연 층은 바람직하게는 Si3N4, SiO2, Al2O3와 같은 우전성 재료, 실리콘 옥시니트라이드 등과 같은 유전성 재료, 바람직하게는 저 응력 특성의 유전성 재료를 포함한다. 특히, 두꺼운 절연 층의 경우, 사용되는 재료는 SU-8 와 같은 스핀-온 또는 건식 필름 저항성 재료를 포함할 수 있다. 모든 개별적인 절연 층은, 전기적 브레이크다운을 방지하기 위해 충분히 두껍게 선되어야 하고, 그 전기적 브레이크다운은, 전도성 요소와 장치 전극 사이 또는 2개의 다른 절연 층에 배치되어 있는 2개의 전도성 요소 사이의 너무 높은 전기 포텐셜 차에 의해 생길 수 있다.
환형 노즐 벽은 바람직하게는 100 nm 내지 10 ㎛, 바람직하게는 200 nm 내지 2 ㎛의 두께를 갖는다. 노즐의 전체 직경은 바람직하게 500 nm 내지 50 ㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이며, 바람직하게는 방출되는 액적의 크기 보다 적어도 5배 더 크다.
환형의 제 1 추출 전극이 제 1 절연 층에 배치될 수 있고, 방출 채널의 가장자리로부터 외측으로 연장되어 원주 방향으로 제 1 노즐의 방출 채널을 둘러싼다. 환형의 제 1 추출 전극의 내경은 또한 방출 채널의 직경 보다 클 수 있다.
적어도 하나의 추가 노즐이 층 구조체에 형성될 수 있다. 추가 노즐은 제 1 노즐 보다 큰 직경을 가질 수 있다. 제 1 노즐 직경과 추거 노즐 직경은 바람직하게는 15 보다 작은 팩터로 다를 수 있다.
충 구조체는, 방출 방향을 따라 제 1 절연 층에 배치되는 적어도 하나의 추가 절연 층을 포함할 수 있다. 방출 채널이 모든 추가 노즐 주위에 중심 맞춤되어 있고 추가 노즐의 원위 단부 표면까지 연장되어 있다. 제 1 절연 층에 이미 형성된 방출 채널은 적어도 하나의 추가 절연 층을 통해 적어도 하나의 추가 절연 층 안으로 연장되어 있다.
프린트 헤드는, 추가 절연 층에 배치되는 추가 추출 전극을 포함할 수 있고, 이 추출 전극은 추가 노즐을 둘러싼다. 추가 노즐은 제 1 노즐 처럼, 액체 방출을 위한 노즐 개구를 포함할 수 있고 또한 절연 층으로부터 바람직하게 스탑 층까지 연장될 수 있다. 추가 추출 전극을 반경 방향으로 둘러싸는 링 트렌치가 또한 절연 층에 형성될 수 있다.
여러 개의 추가 절연 층이 프린트 헤드에 배치될 수 있고, 여러 개의 추가 추출 전극(바람직하게 각기 특정의 추가 노즐을 둘러쌈)이 이들 추가 절연 층에 또한 배치될 수 있으며, 추가 절연은 주어진 추가 추출 전극과 노즐을 분리시키기 위해 도입될 수 있음을 이해할 것이다.
일단 노즐 개구의 영역에 있는 액체 표면에 아이들 메니스커스가 형성되면, 실제 전기 수력학적 방출 과정이 개시될 수 있다. 본질적으로, 주어진 노즐에서의 방출은 그 노즐의 영역에 전기장을 가하여 개시될 수 있다. 이 전기장의 생성은 아래에서 더 상세히 설명할 것이지만, 바람직하게는 접지된 액체와 상기 노즐과 관련된 추출 전극 사이에 가해지는 전기 포텐셜 차로 인해 생기게 된다.
제 1 단계에서, 전기장으로 인해, 아이들 메니스커스에 있는 액체 표면이 대전된다. 대전된 액체 메니스커스와 전기장 간의 상호 작용에 의해, 아이들 메니스커스를 노즐 개구 밖으로 끌어 당겨 오목한 메니스커스 형상으로부터 볼록한 메니스커스 형상으로 메니스커스의 외형을 변화시키는 힘이 발생된다. 일반적으로, 메니스커스의 반경은 이 변형 중에 증가할 것인데, 왜냐하면, 볼록한 메니스커스의 젖음 전선은 일반적으로 외측 노즐 벽에 고정될 것이고 반면 아이들 메니스카스의 젖음 전선은 노즐의 내측 노즐 벽에 고정될 것이기 때문이다.
볼록한 메니스커스 표면에서 전기적으로 유도된 응력이 액체의 표면 장력을 극복할 때까지 추출 전극과 액체 사이의 포텐셜 차를 증가시켜 볼록한 메니스커스에서의 전기장을 더 강화시키면 액적의 방출이 일어날 수 있다. 본 발명의 경우에서처럼 중력이 무시 가능한 상태에서(작은 스케일 때문에), 전기장의 이 추가 강화가 없으면 액적 방출은 일어나지 않을 것으로 예상된다. 최소 방출 조건에서, 즉 액적 방출을 일으킬 추출 전극와 액체 사이의 가능한 최저의 포텐셜 차가 가해진 후에, 방출된 액적의 직경은 볼록한 메니스커스의 직경과 대략 동일하다. 추출 포텐셜의 추가 증가에 의해, 볼록한 메니스커스의 직경 보다 작은 직경을 갖는 액적이 방출된다. 방출된 액적은, 액체 포텐셜에 대한 추출 전극의 포텐셜의 극성에 따라, 양으로든 음으로든 많이 대전된다.
장치 전극은 프린트 헤드에 배치되어 있는 복수의 노즐에 대한 공통 전극으로서 역할할 수 있고 바람직하게는 인쇄 과정 중에 어제 든지 턴온될 수 있지만, 일반적으로 액적의 방출은 야기하지 않는다. 액적 방출의 실제 촉발은 바람직하게는 인쇄 과정 중에 추출 전극에 가해지는 추출 포텐셜에 의해 야기된다. 그러나, 장치 전극은, 예컨대 추출 전극의 활성화 전에 볼록한 메니스커스의 형성을 야기할 수 있는 전기장을 노즐에 발생시켜 액적 방출을 지원하는데 사용될 수 있다. 그래서, 액적 방출에 필요한 추출 전극의 최소 방출 전압은 진폭이 감소하게 된다.
장치 전극의 일반적인 특성과는 달리, 특정한 추출 전극은 액적 방출이 의도되는지에 따라 선택적으로 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 이 스위치 온/오프 상태는 주어진 시점에서 복수의 추출 전극의 개별 추출 전극에 대해 다를 수 있다. 추출 전극은 바람직하게는 금속 도체, 가장 바람직하게는 금 또는 플래티늄과 같은 귀금속을 포함한다. 추출 전극은 광학적으로 투명한 도체, 예커대 산화인듐주석(ITO) 또는 알루미늄 도핑 산화아연(AZO)을 또한 포함할 수 있다. 추출 전극은 바람직하게는 5 nm 내지 500 nm, 더 바람직하게는 2 내지 200 nm의 두께를 갖는다.
추출 전극과 노즐 간의 거리는 바람직하게는 프린트 헤드와 기판 간의 거리 보다 훨씬 더 작고, 그래서, 프린트 헤드와 기판 사이의 간격이 아닌 노즐의 근처에서 국부적으로 추출 전극에 의해 강한 전기장이 형성될 수 있다.
추출 전극의 폭을 제한하면, 강한 전기장 영역을 개별 노즐이 위치되어 있는 곳으로 타이트히게 횡방향으로 국한시킬 수 있으며, 전기장이 타이트하게 횡방향으 국한시키면 더 밀집한 노즐 배치에 도움이 된다. 그러나, 추출 전극의 폭이 동시애 감소되면, 방출된 액적의 의도된 비행 궤적을 따르는 전기장의 불균질이 커지게 된다. 가장 바람직하게는, 방출된 액적의 의되된 비행 궤적에 있는 전기장의 축방향 성분이 바로 액체 메니스커스에서 최대 세기를 가지며, 가속 전극에 의해 생성되는 균일한 전기장으로 형성되는 일정한 세기(방출 채널의 폭에 필적하는 길이 스케일로 있음)로 빠르게 수렴할 때까지 단조적으로 감소한다. 여기서 축방향 전기장 불균질은, 축방향 전기장이 더 이상 단조롭게 거동하지 않고 대신에 일반적으로 방출 채널의 외부에서 프린트 헤드 근처에 위치되는 적어도 하나의 국부적인 최소를 포함하는 상태를 말하는 것이며, 전기장 세기는 상기 최소에서 영으로 접근하거나 심지어 부호(즉, 극성)가 바뀌게 된다. 이러한 불균질한 축방향 전기장 때문에, 노즐에서 방출되는 액적은 감속될 수 있고 그래서 횡방향 전기장의 영향을 더 잘 받게 되는데, 그렇지 않은 경우 횡방향 전기장의 세기는 축방향 전기장보다 바람직하게 훨씬 더 낮다. 어떤 경우에, 특히, 전기장의 극성이 바뀌면, 방출된 액적은 추출 전극 쪽으로 뒤로 또는 반경 방향 외측으로 안내되어 그 추출 전극 또는 추출 전극 쪽으로의 액적의 비행 궤적을 차단하는 다른 층에 증착될 수 있다. 가속 전극은 그렇지 않으면 최소의 세기가 나타날 것으로 예상되는 위치에서 전기장을 균질화하기 위해 사용될 수 있고 그래서 기판으로 향하는 방출된 액적의 가속을 보장해 주기 때문에(즉, 세기 최소의 깊이를 줄여주거나 심지어는 그의 형성을 방지함), 가속 전극은 방출된 액적의 그러한 감속 및/또는 되튐을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 가속 포텐셜은, 근처의 다른 액적, 멀리 있는 다른 노즐에 할당된 전극, 또는 기판에 존재할 수 있는 잔류 전하 또는 다른 전기적 노이즈에 의한 방출된 액적의 횡방향 편항을 방지하데 도움을 줄 수 있다. 방출된 액적이 추출 전극과 액체의 볼록한 메니스커스 사이에 발생된 크게 불균질한 전기장의 근처를 떠나면, 가속 전극과 장치 전극 사이에 형성된 균일한 전기장 밀도의 영역에 들어가게 된다. 이 균일한 가속 전기장은 액적을 평형 속도로 구동시킬 것이며, 평형 속도는 균일한 전기장의 강도, 액적의 크기 및 전기 전하에 달려 있다.
가속 전극은, 기판 아래에 위치되는 대역적인 전극으로서 사용될 수 있는데, 그래서 프린트 헤드에 포함되어 있는 모든 단일 노즐에 동시에 대역적으로 작용할 수 있다. 가속 전극은 바람직하게는 항상 턴온되어 있다. 의도된 방향, 즉 방출 방향을 따라 가속될 방출된 액적에 대해, 액체 포텐셜에 대한 가해지는 가속 포텐셜은 액적 방출 중에 액체 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜와 비교하여 동일한 극성 및 바람직하게는 더 높은 진폭을 가져야 한다. 액적이 횡방향으로 편향됨이 없이 프린트 헤드 표면에 수직으로 가속되도록, 가속 전기장은 바람직하게는 기판 또는 프린트 헤드의 표면에 정확히 직교한다.
최고 밀도의 노즐 배치를 얻기 위해 사용되는 추출 전극의 최적 폭은, 그 추출 전극이 둘러싸고 있는 노즐의 직경에 관련되어 있을 수 있고, 바람직하게는, 노즐 반경의 절반 내지 노즐 반경의 10 배 사이에서 선택되고, 더 바람직하게는, 노즐 반경의 1 배 내지 노즐 반경의 4 배 사이에서 선택된다. 따라서, 노즐 직경은 노즐 벽의 외경이고 노즐 반경은 이 외경의 절반인 것으로 이해할 것이다. 추출 전극의 폭을 조절하여, 그 노즐에서 발생되는 전기장의 형상과 강도를 조절할 수 있다. 예컨대, 추출 전극의 폭을 증가시키면, 볼록한 메니스커스에서 일반적으로 더 강한 전기장이 형성된다. 동시에, 추출 전극의 폭이 증가되면, 볼록한 메니스커스의 외부 영역에 존재하는 전기장의 강도와 비교하여 볼록한 메니스커스의 중심점에서 발생되는 전기장이 향상된다. 이하, 볼록한 메니스커스의 중심점에서 발생되는 전기장과 볼록한 메니스커스의 외부 영역에 존재하는 전기장 사이의 이 관계를 전기장 비라고 할 것이며, 전기장 비가 높다는 것은, 볼록한 메니스커스의 중심점에 존재하는 상대 전기장이 더 높다는 것을 의미하고, 전기장 비가 낮다는 것은, 볼록한 메니스커스의 중심점에 존재하는 전기장이 더 낮다는 것을 의미한다. 높은 전기장 비는, 원하는 볼록한 형상을 갖는 메니스커스의 형성에 유리하고, 대신에 낮은 전기장 비는 도넛형과 같은 바람직하지 않은 메니스커스 형상의 형성에 유리하다. 노즐의 전기장 비는 바람직하게는 볼록한 메니스커스 형상에 대해 정의되며 실제로는 바람직하기 않은 도넛형 메니스커스가 형성될 수 있음을 유의해야 한다. 동시에, 서로 다른 노즐은 같지 않는 기하학적 구조(예컨대, 서로 다른 곡률을 갖는) 를 갖는 볼록한 메니스커스를 형성할 수 있고, 얻어지는 액체의 기하학적 구조의 그러한 변화는 전기장 비 자체에 영향을 주게 된다. 그러므로, 비교를 간단히 하기 위해, 수치적인 정전 시뮬레이션으로 전기장 비를 모으는 것이 바람직하고, 볼록한 메니스커스의 형상은 어떤 분석된 노즐 형상에 대해서도 같은 경계 조건이고, 바람직하게는 반구형인 것으로 가정한다. 여기서 위의 전기장 비는, 메니스커스가 완전히 형성되면, 즉 액적이 방출되기 바로 전에, 볼록한 메니스커스의 중심점에서 발생된 전기장이 볼록한 메니스커스의 다른 지점과 비교하여 가장 강할 때의 경우이다. 추출 전극의 폭을 증가시키는 것 외에도 추출 전극의 내측 반경을 증가시켜 전기장 비를 증가시킬 수 있다. 양 방법에 의해 노즐의 면적 풋프린트가 증가되는데, 이 때문에, 더 바람직한 방법에서는 추출 전극과 그의 각각의 노즐 사이에 축방향 간격이 도입된다. 이는 상기 추출 전극을 수옹하기 위해 충분히 두꺼운 절연 층을 형성하여 달성되며, 그래서 원하는 축방향 간격이 얻어진다. 바람직하게는, 주어진 추출 전극과 장치 층 사이에 배치되는 모든 절연 층의 두께는, 그 추출 전극이 배치되어 있는 각 노즐의 노즐 반경의 절반 내지 노즐 반경의 4 배 사이에서, 더 바람직하게는, 그 추출 전극이 배치되어 있는 각 노즐의 노즐 반경의 1 배 내지 노즐 반경의 2 배 사이에서 선택된다. 일 예로서, 서로 다른 크기를 갖는 두 노즐에 대한 추출 전극의 형성은, 제 1 단계에서, 더 작은 노즐 유형의 요건에 따라 장치 층에 상측 절연 층(예컨대, 제 1 절연 층)을 증착하는 것, 제 2 단계에서, 상기 상측 절연 층에 상측 추출 전극(예컨대, 제 1 추출 전극)을 중착하는 것, 제 3 단곈에서, 상측 절연 층 위에 하측 절연체(예컨대, 추가 절연 층)를 증착하여, 상하측 절연 층 사이에 상측 추출 전극을 매립하는 것, 그리고 제 4 단계에서, 하측 절연 층 위에 하측 추출 전극(예컨대, 추가 추출 전극)를 형성하는 것을 포함할 수 있고, 하측 절연 층의 두께는, 하측 및 상측 절연 층의 총 두께가 더 큰 노즐 유형의 두께 요건에 맞도록 선택된다. 더욱더 큰 노즐이 프린트 헤드에 수용되어야 하면 이 절차에 따라 추가 절연 층이 형성될 수 있고, 이 경우 각각의 추가 절연 층은 바람직하게는 노즐로부터 더 멀리 떨어져 위치된다.
약간 변하는 직경을 갖는 노즐은 이들 모든 노즐과 관련된 요건을 만족하는 두께를 갖는 단일 절연 층을 사용할 수 있다. 특히, 노즐 개구와 추출 전극 사이에 축방향 간격이 있을 필요는 없기 때문이다. 프린트 헤드 시스템의 다른 특성, 예컨대 링 트렌치 또는 추출 전극의 폭은 통상적으로 상기 축방향 간격의 변화를 보상할 수 있다.
여러 개의 노즐이 공통의 전압 신호로 작동되는 경우, 인접 노즐의 간격 보다 큰 추출 전극을 프린트 헤드에 배치하는 것도 가능한데, 즉, 그러한 추출 전극은 2개 이상의 노즐에 걸쳐 연장되어 있을 수 있고, 그래서 이들 2개 이상의 노즐은, 본질적으로 2개 이상의 추출 전극을 하나로 병합하는 동일한 추출 전극에 의해 처리될 수 있다. 그 경우, 상기 추출 전극에 있는 개구는 액적이 여전히 방출되도록 특정한 노즐 개구의 위쪽에 중심 맞춤되어야 한다. 이 특정한 방법에 따라, 추출 전극의 폭은 면적 노즐 풋프린트를 증가시키킴이 없이 증가될 수 있다.
액적 직경은, 액적이 방출되는 노즐의 직경 보다 상당히 더 작을 수 있다. 볼록한 메니스커스는, 일반적으로 노즐 개구의 영역에 있는 환형 노즐 벽의 외경으로 주어지는 직경을 갖는다. 노즐이 젖은 스탑 플래튜(plateau)(이는 아래에서 더 설명할 것임)를 포함하는 경우, 볼록한 메니스커스의 직경은 대략 그 젖은 스탑 플래튜의 직경으로 주어진다. 일반적으로, 액적 직경은, 노즐에 가해지는 전압을 변화시켜 노즐 직경의 약 1/20 내지 노즐 지경의 1 배로 조절될 수 있는데, 하지만 원리적으로는 노즐 직경의 1/20 보다 작은 액적 직경도 가능하다. 따라서, 전압이 변하면, 다른 크기의 액적이 생기게 되고, 가해지는 전압이 감소되면 그 액적의 직경은 감소된다. 가해지는 전압이 액적 방출에 필요한 최소 추출 전압과 이 최소 추출 전압의 대략 2배인 추출 전압 사이에서 약간 증가되면, 액적 직경의 최대 변화가 일어날 수 있다. 그러나, 가해지는 추출 전압이 더 증가되면, 액적 직경은 더 적은 정도로 영향을 받을 것이다.
훨씬 더 작은 액적을 증착하기 위해 큰 노즐을 사용하면 여러 가지 이점이 얻어진다. ⅰ) 큰 노즐은 종래의 미소 제조 방법으로 훨씬 더 용이하게 제조된다. 이는, 해상도 요건이 낮아지므로, 프린트 헤드 제조에 필요한 비용과 시간에 크게 영향을 줄 수 있다. ⅱ) 주어진 해상도의 구조로 기판 상의 어떤 영역을 인쇄하기 위해, 큰 노즐은 작은 노즐 보다 더 빠른 인쇄를 가능하게 해준다. ⅲ) 방출된 액적이 노즐 직경 보다 상당히 작은 직경을 가지면, 방출량 및 액적 크기는 전압의 변화에 훨씬 덜 영향을 받게 된다. 이리하여, 약간의 제조 차가 있더라도, 서로 다른 노즐로부터 증착된 액적은 모두 동일한 직경을 갖게 되며 또한 동일한 주파수로 방출된다. ⅳ) 예컨대 프린트 헤드에 부착되는 건조된 잉크 또는 오염물질로 인한 큰 노즐의 막힘이 일어나기가 덜 쉽다. 추가적으로, 큰 노즐은 정화하기가 더 쉽다.
가해지는 추출 전압을 변화시키는 것 외에도, 대안적으로 노즐 직경을 변화시켜 액적 직경을 조절할 수 있다. 프린트 헤드는 모두 동일한 직경을 갖는 노즐들을 포함할 수 있지만, 서로 다른 폭의 선을 인쇄하기 위해 또는 인쇄 속도 및 해상도를 최적화하기 위해 서로 다른 크기의 다양한 노즐을 포함할 수도 있다. 가속 전압과 추출 전압의 최적의 선택은 단지 하나의 노즐 직경이 사용되는 경우에 쉽게 달성될 수 있다. 예컨대, 특정한 노즐이 훨씬 더 큰 노즐과 병렬적으로 사용되는 경우와 비교하여, 단지 하나의 노즐 직경이 프린트 헤드에 존재하면 더 높은 가속 전기장을 사용할 수 있다. 서로 다른 크기의 다양한 노즐이 프린트 헤드에 구성되어 있을 때, 매우 큰 직경을 갖는 노즐과 매우 작은 직경을 갖는 노즐을 혼합하지 않는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 개별 전극의 요건을 만족하기 위해 어떤 대역적인 세팅, 예컨대 가속 포텐셜, 장치 포텐셜 또는 차폐 포텐셜을 사용할 수 없는 위험이 있게 된다.
결국 추출 전극은 전압 공급부에 연결되어야 한다. 이와 관련하여 프린트 헤드의 빈 부분에 전도성 경로를 형성할 수 있다. 전도성 경로 중의 일부는 활성화될 수 있기 때문에, 예컨대 인쇄에 요구되는 추출 포텐셜에 대응하는 전기 포텐셜에서 작동되고 다른 전도성 경로는 그렇지 않으므로, 특히, 개별 전도성 경로 사이에 크로싱에 대한 요건이 있을 때, 전도성 경로는 서로 간에 전압을 발생시킬 수 있고 그래서 전기적으로 서로 절연된다. 이는, 브리지 요소로서 작용하는 국부적으로 패턴화된 절연 패치(patch)를 도입하거나 또는 두 크로싱 전도성 경로 중의 하나를 다른 절연 층 상으로 국부적으로 들어 올려 해결될 수 있다. 전도성 경로는 프린트 헤드에 포함되어 있는 추출 전극 또는 다른 전극에 연결되므로, 상기 전극들은, 적어도, 서로 다른 전압 신호(전압 신호 간의 혼선(crosstalk)(예컨대, 전기적 브레이크다운에 의한)은 방지되어야 함)를 얻는다면, 횡방향으로 서로 이격되고 절연되어야 한다.
주 노즐 축선에서 있는 대체로 횡방향의 전기장은 회피되지만, 방출된 액적의 사용자 정의된 신속한 편향을 위해 그 전기장의 제어된 도입이 사용될 수 있다. 이는 추출 전극을 동일한 반환형 형상을 갖는 적어도 2개의 세그먼트로 분할하여 달성될 수 있고, 그들 세그먼트는 각각의 노즐 주위에 균일하게 배치되며 서로 반대편의 단부 사이의 횡방향 간격을 에워싼다. 적어도 2개의 세그먼트는, 각각의 적어도 2개의 반환형 전극 세그먼트의 외측 만곡 가장자리의 중심에 직교 연결되는 개별적인 전도성 트랙에 의해 개별 전압 리드에 연결될 수 있다. 전극 세그먼트에 공통의 추출 포텐셜을 가하는 대신에, 정해진 횡방향 전기장이 전극 세그먼트 사이에 또한 메니스커스에 발생되도록, 전극 세그먼트는 약간 다른 전기 포텐셜로 작동될 수 있고, 횡방향 성분에 의해, 액적은 기판과 노즐 사이의 수직 축선에 대해 경사각을 가지고 방출되고 또한 액적이 방출되면 상기 경사각의 주 방향을 따라 더 편향될 수 있다. 액적이 방출 채널을 떠나면, 액적이 추출 전극의 영향에서 벗어나 가속 전극에 의해 발생된 균일한 전기장에 들어감에 따라 액적의 추가 진로 전환은 빠르게 감소할 것이다. 전극 세그먼트 사이의 전압은 방출된 액적이 방출 채널에 충돌하지 않도록 충분히 작게 선택되어야 한다. 따라서, 가능한 진로 전환의 범위는, 대략 방출 채널의 개구 직경에 의해 주어지는 영역으로 한정된다. 2개의 추출 전극 세그먼트를 사용하면 일 축선을 따른 진로 전환만 가능하지만, 3개의 추출 전극 세그먼트를 사용하면, 2차원 진로 전환 능력에 요구되는 추가적인 작동 자유가 얻어진다.
추출 전극 세그먼트는 바람직하게는 짧아지지 않도록 서로 개별적으로 된다. 각 세그먼트 사이의 거리는, 세그먼트 사이에 가해지는 전압의 전 범위에서 세그먼트 사이에 브레이크다운이 일어나지 않도록 여전히 충분한 절연을 가능하게 하는 최소의 가능한 분리로 선택되어야 한다. 바람직하게는, 전기장 구배를 줄이기 위해, 서로 반대편에 있는 두 세그먼트 사이의 틈은 둥근 가장자리를 갖는 선형 절단부로 형성된다.
추출 전극에 의해 발생되는 전기장의 국부적인 불균일은, 지금까지 설명한 전극 셋업으로 발생되는 가능한 이차적인 효과일 수 있다. 사실, 전출 전극의 폭을 좁히고 방출된 액적의 원하는 비행 방향을 따라 추출 전극을 노즐 개구로부터 축방향으로 변위시키면 이들 불균일을 개선시킬 수 있다. 이는 액체 포텐셜에 대한 더 큰 절대 포텐셜을 장치 전극에 가하여 보상될 수 있다. 이 전극은, 전체 프린트 헤드 표면을 덮을 수 있으므로, 추출 전극에 의해 발생된 전기장의 불균일을 능동적으로 보상하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 전기장 불균일을 보상하기 위해 장치 전극을 사용하는 것은 다소 제한되는데, 왜냐하면, 장치 전극과 노즐이 서로 가까우면, 장치 전극에 가해질 수 있는 액체 포텐셜에 대한 가해질 수 있는 절대 전기 포텐셜이 크게 제한되기 때문이다. 장치 전극에 가해지는 전기 포텐셜은 바람직하게는 스스로 액적 방출을 야기하지 않아야 한다. 특정 노즐을 턴 온 또는 턴 오프시키는 이러한 작용은 여전히 추출 전극만으로 수행된다.
전기장 불균질의 문제는, 직경이 크게 변하는 노즐들을 동일한 프린트 헤드에 배치하는 경우에 특히 현저할 수 있다. 이 경우, 가장 작은 노즐로부터 방출된 액적은, 이 액적이 방출되는 각각의 노즐의 폭에 비해 매우 긴 방출 채널(즉, 이 방출 채널은 높은 종횡 비를 가짐)을 통과해야 할 것이다. 높은 방출 종횡 비의 방출 채널은 가속 전극에 의해 발생된 전기장이 깊이 매립되어 있는 추출 전극에 연결되는 것을 부분적으로 막을 것이고 그리하여 불충분한 전기장 불균질로 인한 방출된 액적의 되튐을 유발할 수 있다. 이러한 상황은, 영향을 받는 노즐의 방출 채널의 폭을 증가시키거나 각각의 추출 전극의 폭을 증가시켜 부분적으로 방지될 수 있다.
그러나, 추출 전극의 폭 또는 방출 채널의 직경을 증가시켜 얻어질 수 있는 유리한 영향은 또한 부정적인 영향도 가져올 수 있다. 특히, 요구되는 추출 전압의 강한 증가를 일으킬 수 있거나 또는 각각의 노즐의 면적 풋프린트에 부정적인 영향을 줄 수 있으며, 또는 이 두 가지가 다 일어날 수도 있다. 액적 되튐 없이 또한 위에서 언급한 특정한 부정적인 영향 없이 더 큰 범위의 추출 전압을 이용하기 위해, 추출 전극에 강하게 연결되어 있지만 접지 노즐에는 연결되어 있지 않거나 단지 약간만 연결되어 있는 추가 전극을 바람직하게 사용한다. 적어도 상기 전극은 액체에 대한 그에 가해지는 전기 포텐셜의 전체 원하는 범위에서 액적 방출을 방지하는데 요구되는 양 만큼 노즐로부터 분리되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 목적으로, 차폐 층이 바람직하게 말단 절연 층 위애, 즉 가장 밑에 있는 추가 절연 층(즉, 기판에 가장 가까운 절연 층) 상에 증착되는 절연 층에 형성될 수 있고, 상기 말단 절연 층은 말단 절연 층을 통해 방출 패널을 연장하는 원형 구멍을 포함한다. 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜은 바람직하게 인쇄 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜과 동일한 극성을 갖는다.
차폐 층은 바람직하게는 말단 절연 층 위에 연속적인 층으로서 형성되지만 방출 채널의 위치에서 개구를 포함하며, 이 개구는 이에 의해 둘러싸여 있는 방출 채널의 직경 보다 클 수 있고, 바람직하게는 개구들는 동일한 크기이거나, 개구들에 의해 적어도 부분적으로 덮혀 있는 추출 전극의 내경 보다 크지만 그 추출 전극의 외경 보다는 작다. 말단 절연 층은 바람직하게는 100 nm 내지 10 ㎛, 더 바람직하게는 200 nm 내지 2 ㎛의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 차폐 층은 축방향으로 말단 절여 층의 다른 측에 있는 추출 전극에 가능한 한 가깝게 배치되며, 그래서 말단 절연 층은 바람직하게, 추출 전극과 차폐 층 사이에 가해지는 전압의 전 범위에서 전기적 브레이크다운을 여전히 방지하는 최소 두께에서 선택된다. 차폐 층은 방출 채널의 형성 중에 엣칭 마스크로서 사용될 수도 있다. 바람직하게 프린트 헤드에 있는 적어도 추출 전극의 외주를 넘어 덮는 것에 추가적으로, 더 바람직하게 차폐 층은 균일한 층으로서, 전도성 경로 또는 프린트 헤드에 형성되어 있고 노즐에 가까이에 있는 다른 전기장원을 또한 덮는다. 바람직하게는, 프린트 헤드와 기판 사이의 거리의 적어도 1/4과 같은 추출 전극으로부터의 횡방향 거리 내에서, 더 바람직하게는, 프린트 헤드와 기판 사이의 거리의 적어도 절반 만큼 차폐 층은 균일한 층으로서, 옆으로 추출 전극의 외주를 넘어 연장되어 방출 채널의 위치를 제외한 전기장원을 덮게 된다. 그러므로, 덮힌 전기장 발생원으로부터 생기는 전기장은 연결되지 않는 노즐에 축방향으로 연결되는 것이 효율적으로 차폐될 수 있다.
차폐 층의 주 양태는, 좁은 추출 전극에 의해 발생된 전기장 불균일을 극복할 수 있는 전기장을 제공하기 위한 용도이다. 이 양태를 이행하기 위해, 차폐 층은 바람직하게 영향 받은 추출 전극의 외주를 충분히 멀리 넘어 덮고, 액적 방출 중에 의도된 액적 궤적을 따르는 전기장 세기의 최소(전기장 불균일로 인해 생김)를 없애기에 충분히 높은, 액체 포텐셜에 대한 절대 차폐 포텐셜을 받는다. 이는, 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜이 액적 방출 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜 보다 높거나, 같거나 또는 낮으면 달성될 수 있다. 차폐 층의 균질화 효과는, 액체 포텐셜에 대한 절대 포텐셜이 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜 보다 높을 때 가장 크게 된다. 그러나, 바람직하게는, 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜은 인쇄 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜 보다 작다. 액체 포텐셜에 대한 가능한 차폐 포텐셜이 가장 낮다는 것은, 이웃하는 노즐로부터 방출된 액적을 노즐이 진로 전환시키는 능력이 최소로 되고 그래서 노즐 간의 혼선이 더 줄어들게 됨을 의미한다. 차폐 전극의 균질화 효과를 상실함이 없이, 액체 포텐셜에 대한 절대 차폐 포텐셜은, 전술한 바와 같이 말단 절연 층의 두깨를 최소화하여 최소화될 수 있다. 차폐 층은 바람직하게는 추출 전극 위쪽에 형성되므로, 그 차폐 층은 노즐로부터 더 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라 노즐에 전기적으로 연결되는 것이 추출 전극에 의해 효율적으로 차단된다. 따라서, 차폐 층은 전기장 불균질을 보상하는 임무를 수행할 때 액체 포텐셜에 대한 낮은 절대 차폐 포텐셜에 한정되지 않는데, 차폐 포텐셜은 장치 포텐셜과는 다르게 스스로 액적 방출을 쉽게 야기하지 않기 때문이다. 액체 포텐셜에 대한 가능한 가장 낮은 절대 차폐 포텐셜을 사용하면, 접지 노즐에 대한 차폐 층의 영향을 최소화할 수 있다. 이 영향은 추출 전극의 외경을 증가시켜(내경은 일정하게 유지시키면서) 더 감소될 수 있다. 이렇게 해서, 추출 전극과 노즐 사이의 연결이 증가될 수 있고, 동시에, 노즐과 차폐 층 사이의 연결은 감소될 수 있다. 그러나, 차폐 층이 존재한다는 것은, 차폐 층이 없는 경우와는 달리, 추출 전극이 넓어져 전기장 비가 감소될 수 있음을 의미한다. 특히, 이는 액체 포텐셜에 대한 절대 차폐 포텐셜이 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜 보다 낮은 경우에 해당될 수 있다. 마찬가지로, 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜이 증가하면 전기장 비가 더 높아질 수 있다.
방출된 액제를 정확한 방향으로 가속시키기 위해, 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜은 바람직하게는 액체 포텐셜에 대한 가속 포텐셜 보다 작게 선택된다.
앞의 설명과는 달리, 예컨대 가장 높은 절대 전기 포텐셜을 노즐에 가할 수 있고 또한 가속 전극을 전기적으로 접지시킬 수 있다. 전극과 노즐 사이에 또한 임의의 두 전극 사이에 형성되는 전압에 대한 요건이 개시된 일반적인 고려 사항과 여전히 부합하면, 노즐 포텐셜의 선택은 개인적인 선호에 달려 있게 된다. 그러나, 접지 노즐을 사용하는 시스템의 실현은, 일반적으로 실시의 어려움을 최소한으로 해주어 바람직한 실시 형태이다.
차폐 층의 사용은 동일한 프린트 헤드에 배치되는 서로 다른 크기의 노즐의 사용과도 양립한다. 그럼에도, 이는 어떤 어려움을 줄 수 있는데, 왜냐하면, 일반적으로, 더 작은 노즐과 관련된 추출 전극을 더 큰 노즐과 관련된 추출 전극 보다 장치 층에 더 가깝게 매립하고자 하기 때문이다. 그러나, 차폐 층은 프린트 헤드, 즉 바람직하게는 말단 절연 층 위에 포함되어 있는 모든 노즐에 대해 동일한 높이에 위치될 수 있다. 따라서, 서로 다른 크기의 노즐들이 프린트 헤드에 포함되면, 차폐 층은 더 큰 노즐과 관련된 추출 전극으로부터 보다 더 작은 노즐과 관련된 추출 전극으로부터 더 멀리 위치될 수 있다. 이러한 더 큰 간격은 더 낮은 전극 연결을 의미하고 또한 따라서 매립된 추출 전극에 의해 발생될 수 있는 전기장의 불균질을 극복하기 위해 차폐 층에 가해지는 절대 차폐 포텐셜의 중가를 필요로 할 수 있다. 작은 노즐과 관련된 추출 전극이 큰 노즐이 받는 것과 동일한 추출 포텐셜을 받으면, 작은 노즐의 경우에 연결이 불충분할 수 있다. 그러나, 이는, 작은 노즐은 비교적 더 큰 노즐 보다 낮은 작동 전압을 필요로 한다는 사실을 이용하여 극복될 수 있다(이에 대한 설명은 뒤에서 주어짐). 이러한 발견은, 더 큰 노즐과 관련된 추출 전극 보다 액체 포텐셜에 대한 낮은 절대 추출 포텐셜에서 작동되는 추출 전극을 형성하여 이용될 수 있다. 액체 포텐셜에 대한 절대 추출 포텐셜의 감소는, 추출 전극과 차폐 층 사이에 얻어지는 낮은 연결 효율을 보상할 수 있는데, 왜냐하면, 액체 포텐셜에 대한 차폐 포텐셜은 추출 포텐셜과 액체 포텐셜 사이에 형성된 전압에 대해 증가할 것이기 때문이다. 예컨대, 프린트 헤드에 있는 가장 큰 노즐과 관련된 추출 전극에 가해지는 전압은 400 V일 수 있고, 차폐 전극은 이 노즐을 위한 균질한 전기장을 발생시키기 위해 230 V의 전기 포텐셜만 필요로 한다. 이들 조건에서, 더 작은 노즐의 대략 10 배인 추출 전극은 약 250 V에서 선택될 수 있다. 이 경우, 더 작은 노즐과 관련된 추출 전극은 차폐 전극과 거의 동일한 전기 포텐셜을 받게 되지만, 이 경우 차폐 전극과 추출 전극 사이의 전압은 -17O V에서 20 V로 증가된다.
전기장 불균질이 생기는 노즐에 대해 추가적인 중간 추출 전극(균질화 전극이라고도 함)을 사용하여 개선을 이룰 수 있다. 이러한 균질화 전극은 추출 전극, 즉 각각의 노즐 주위에 있는 링 전극과 동일한 방식으로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 추가 절연 층에서 추출 전극과 차폐 층 사이에의 중간 거리에 형성될 수 있다. 제조 노력을 최소화하기 위해 균질화 전극은 바람직하게는 다른 노즐의 추출 전극에 의해 이미 점유되어 있는 기존의 추가 절연 층에 형성된다. 필요하다면, 층 적층체를 만드는 중에 부가적인 추가 절연 층이 형성되고 균질화 전극으로 덮힐수 있다.
균질화 전극에 가해지는 균질화 포텐셜은, 방출 채널에 있는 공기 공동을 따라 형성된 전기장이 균질화 전극의 두 방향, 즉 추출 전극 쪽으로 향하는 방향 및 차페 층 쪽으로 향하는 방향에서 동일한 강도를 가질 수 있도록 조절될 수 있다. 예컨대, 추출 전극과 균질화 전극 사이의 전기장이 균질화 전극과 차폐 전극 사이에 형성된 전기장 보다 강하면, 액체 포텐셜에 대한 균질화 전극에 가해지는 절대 균질화 포텐셜을 바람직하게 줄여야 한다. 이렇게 하여, 균질화 전극과 차폐 전극 사이에 형성되는 전기장에 유리하게 추출 전극과 균질화 전극 사이에 형성된 전기장의 상대 강도를 줄일 수 있다. 따라서 균질화 전극은 전기장 불균질을 최소화하는 역할도 한다. 위의 예의 경우, 균질화 전극은 차폐 층과 추출 전극 사이에 형성될 수 있고 약 180 V의 균질화 포텐셜로 작동될 수 있다. 프린트 헤드에 포함되어 있는 노즐들 간의 크기 차이가 매우 크게 되면, 가장 작은 노즐에 대해 하나 보다 많은 균질화 전극을 사용할 수 있다. 균질화 전극은 그의 각각의 추출 전극과 같은 위상으로 턴 온 및 오프될 수 있지만, 작동의 단순화를 위해, 장치 전극에 가해지는 장치 포텐셜과 차폐 층에 가해지는 차폐 포텐셜 및 가속 전극에 가해지는 가속 포텐셜과 유사하게, 균질화 전극은 바람직하게는 항상 턴온되어 있다.
균질화 전극은 바람직하게는 전압 공급부에 연결된다. 이와 관련하여, 프린트 헤드의 빈 부분에 전도성 경로가 형성될 수 있다. 균질화 전극은 바람직하게는 항상 턴온되어 있으므로, 개별적인 촉발 시퀀스는 받지 않으며, 따라서, 동일한 포텐셜을 받는 모든 균질화 전극의 전도성 경로는 궁극적으로 병합될 수 있고 그래서 서로 전기적으로 절연될 필요가 없다.
예컨대 서로 다른 폭의 노즐을 작동시키기 위해 서로 다른 진폭의 전압을 사용하면, 전기 구동 회로의 복잡성이 증가될 수 있다. 그러나, 잘 알려져 있는 바와 같이, 캐패시터들이 직렬로 배치되어 있는 경우, 주어진 회로의 전압은 2개의 캐패시터 간에 분할될 수 있다. 이렇게 해서, 추출 전극과 접지 노즐 사이에 형성되는 제 1 전압(U1)은 아래의 식에 따라 대략적으로 계산된다:
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(1)
위의 식에서, U는 가해지는 총 전압인데, 즉 전체 회로에서 발생되는 전기 포텐셜 차이며, C1 은 노즐의 캐패시턴스이고, C2 은 직렬 예비 캐패시턴스이다. 이 계산에서, 노즐의 용량은 노즐에 저장되어 있는 전하 뿐만 아니라 추출 전극과 장치 전극 사이에 또한 전도성 경로의 임의의 부분과 장치 전극 사이에 저장되어 있는 전하도 포함할 수 있다. 후자는 전자 보다 상당히 더 클 수 있고, 어떤 추출 포펜셜을 특정한 추출 전극에 보내기 위해 사용되는 전도성 경로의 길이에 의존할 수 있다. 특정한 추출 전극에서의 어떤 추출 포텐셜을 적절히 조절할 수 있도록 C1과 비슷한 캐패시턴스(C2)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 캐패시턴스는, 전도성 경로를 추가 절연 층에 의해 그 전도성 경로의 추출 전극으로부터 축방향으로 분리시켜 효과적으로 형성된다.
추출 전극은, 바람직하게는 추출 전극에 직교 부착되는 선으로 형성되는 전극 연장부에 의해 바람직하게 연장된다. 추출 전극의 전극 연장부는 바람직하게는 선택된 제조 방법에 의해 가능한 한 좁게 형성된다. 특정한 추출 전극 및 그의 전극 연장부는 부유식 도체로서 유지된다.
전극 연장부 및 그의 추출 전극이 받는 전압은 전도성 경로로부터 그에 용량적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 전도성 경로는 정확히 전극 연장부 위에 형성된다. 전도성 경로는 전체 전극 연장부 또는 그의 일부분만 덮을 수 있다. 후자의 경우, 전극 연장부의 덮히지 않은 부분은 추출 전극 쪽으로 향하는 측에 배치된다. 전도성 경로는 바람직하게는 외측 링 트렌치 직경의 절반 보다 옆으로 더 가깝게 추출 전극에 접근하지 않으며, 따라서 전도성 경로는 접지 노즐에 직접 연결되지 않고 대응하는, 전기적으로 부유적인 전극 연장부에만 연결된다. 전도성 경로와 전극 연장부 선 사이에 형성될 수 있는 전기적 연결로 인해, 전극 연장부 및 추출 전극 모두는 바람직하게 동일한 전기 포텐셜을 받게 된다, 최적의 연결이 이루질 수 있도록, 전도성 경로의 폭은 바람직하게는 적어도 중첩 영역을 따라 밑의 전극 연장부와 적어도 같다. 바람직하게는 전도성 경로는 중첩 영역에서 전극 연장부 보다 약간 넓으며, 바람직하게는 전도성 경로와 전극 연장부를 서로 분리시키는 추가 절연 층의 두께의 적어도 절반 만큼 더 넓다.
추출 전극에 용량적으로 연결되는 전기 포텐셜의 값은 위의 식에 따라 C1 및 C2를 변화시켜 제어될 수 있다. 이들 두 캐패시턴스의 조절은 2개의 주 설계 방법으로 이루어질 수 있다.
첫째, 전도성 경로와 전극 연장부를 서로 분리하는 추가 절연 층의 두께를 제어할 수 있다. 이 추가 절연 층이 전극 연장부와 장치 전극을 서로 분리하는 적어도 하나의 절연 층 보다 두꺼우면, 개패시턴스(C1)와 같은 크기의 캐패시턴(C2)를 발생시키는 것이 가능하지 않을 수 있다. C1에 비해 C2의 더 높은 상대 값을 얻기 위해, 전극 연장부와 장치 전극 사이의 적어도 하나의 절연 층의 두께를 증가시키거나 전극 연장부와 전도성 경로를 서로 분리하는 추가 절연 층의 두께를 감소시킬 수 있다. 전도성 경로가 밑의 전극 연장부와 중첩되는 경우에 C1 및 C2를 조절하는 다른 방법은 상대 프랙션(fraction)을 설정하여 이루어질 수 있다. 중첩 면적이 더 크다는 것은, 전극 연장부와 전도성 경로 사이의 전체적인 연결이 더 강하게 되어 C1에 대하여 C2가 커질 수 있음을 의미한다.
장치 전극이 노즐과 동일한 포텐셜을 받지 않으면, 즉 전기적 접지에 있지 않으면, 전극에 연결되는 전압은 위의 식으로 계산되지 못할 수 있음을 유의해야 한다. 장치 층이 접지되지 않으면, 전기적으로 부유적인 추출 전극에서 유도되는 전기 포텐셜은, 전도성 경로에 가해지는 전기 포텐셜의 극성에 민감할 수 있다. 장치 전극에 가해지는 장치 포텐셜이 전도성 경로에 가해지는 포텐셜과 동일한 극성을 가지면, 위의 식에 따라 얻어지는 것 보다 더 높은 전압이 추출 전극에서 유도될 수 있다.
이 선에 따라 장치 전극에 가해지는 장치 포텐셜은 바람직하게 충분히 작아서, 스스로 또는 추출 전극에 연결되어 간접적으로 액적 방출을 일으키지 않는다. 그러나 장치 전극이 전기장에서 비대칭을 야기하지 않도록 그 장치 전극을 전기적으로 접지된 상태로 유지하는 것이 일반적으로 바람직하다.
유도된 전압에 대한 추가의 주요 영향은 차폐 층에 의해 생길 수 있다. 이 전극은 일반적으로 비교적 높은 차폐 포텐셜을 받게 되며, 그래서 실질적인 용량적 연결을 유도할 수 있다. 마찬가지로, 상기 연결은 바람직하게는, 전도성 경로가 전기적으로 접지되어 있을 때, 즉 액적 방출을 비활성화시키고자 할 때 마다 액적 방출이 방지되도록 감소되어야 한다. 충분한 분리는, 전극 연장부의 대부분을 전도성 경로로 덮고 또한 그 전도성 경로를 전극 연장부 보다 약간 더 큰 폭으로 형성하여 달성될 수 있다. 이는 본질적으로 차폐 층으로부터의 영향에 대해 전극 연장부를 차폐한다. 그러나, 전극 연장부의 일부 및 전체 추출 전극은 전도성 경로로 덮히지 않을 수 있고 그래서 노출될 수 있다. 차폐 층의 영향을 더 감소시키는 것은, 상측 절연 층의 두께를 증가시켜, 바람직하게는 하측 절연 층 및 추가 절연 층 보다 더 두껍게 만들어 달성될 수 있다. 이것이 일반적으로 실행될 수 있는데, 왜냐하면, 가해지는 전압의 감소에 의존하는 용량적 방법은 프린트 헤드에 포함된 최소 전극, 즉 바람직하게는 두꺼운 하측 절연 층에 매립되는 노즐에 대해 주로 사용되기 때문이다.
전극의 용량적 접촉은 균질화 전극에도 적용될 수 있는데, 균질화 전극은, 추출 전극과 용량적으로 접촉하는 경우에 대해 제시된 동일한 규칙에 따라 용량적으로 접촉될 수 있다.
이미 언급한 바와 같이, 장치 층은 바람직하게는 전기 전도성 재료로 만들어진다. 본 발명에서, 전기 전도성은, 장치 층의 전기 전도성이 스탑 층의 전기 전도성 보다 적어도 5 오더, 더 바람직하게는 적어도 8 오더, 가장 바람직하게는 적어도 10 오더 더 높은 것을 의미한다. 어떤 경우든, 장치 층의 전도성은, 그의 전체 연속적인 연장을 따라 등포텐션을 유지하도록, 즉 장치 층을 따라 전압 강하가일어나지 않도록 조절되며, 전압 강하가 일어나지 없다는 것은, 장치 층에 있는 전압원에 의해 발생되는 장치 포텐셜이 바람직하게는 10% 미만, 더 바람직하게는 1% 미만으로 변하는 것을 의미한다. 이 조건이 만족되면, 장치 층은 스스로 장치 전극으로서 작용할 수 있다,
그러나, 장치 층, 등포텐셜 조건을 만족하는 장치 전극으로서 사용되기에 충분한 전도성을 갖지 않으면, 높은 전도성의 재료를 포함하는 층으로 덮힐 수 있다. 특히, 특히, 장치 층은 전도성 재료, 바람직하게는 금속을 포함하는 장치 코팅으로 피복될 수 있다. 장치 코팅은 바람직하게는 10 nm 내지 1 ㎛, 더 바람직하게는 30 nm 내지 300 nm의 두께를 갖는다.
장치 층이 매우 낮은 전기 전도성을 갖는 경우에도, 그 장치 코팅은 장치 층에 대한 양호한 전기적 접촉을 제공할 수 있고 그것을 요구되는 장치 포텐셜로 설정할 수 있으며, 여기서 매우 낮은은, 적어도, 장치 코팅과 액체 저장부 사이의 전압 강하가 주로 스탑 층의 두께를 가로질러 일어나고 장치 층의 두께를 가로질러서는 일어나지 않는 양 만큼 그의 전기 전도성이 스탑 층의 전기 전도성 보다 높은 것을 의미한다. 장치 코팅은 노즐의 말단 표면을 덮을 수 있고 또한 엣칭 저항성 엣치 스탑 층(아래에서 상술함)에 의해 덮힌다. 이 경우, 장치 코팅은 바람직하게는 노즐 벽을 이루는 재료 보다 더 적은 정도로 엣칭되는 재료를 포함하도록 선택된다. 장치 코팅이 습식 스탑 플래튜를 생성하는데 사용되는 엣칭 공정에 저항하면, 추가 엣칭 스탑 층이 생략될 수 있고 또한 그래서 습식 스탑 플래튜가 장치 코팅으로 형성될 수 있도록, 말단 표면을 덮는 장치 코팅의 일부분이 엣칭 스탑 층의 기능을 가질 수 있다.
가속 전극과 장치 전극 사이에 형성되는 전기장 강도는 공기의 유전 강도(∼3 MV/m) 보다 높을 수 있다. 프린트 헤드와 기판 사이에 공기가 존재하므로, 모든 전극의 형성 후에 프린트 헤드의 표면은 바람직하게 절연 보호 코팅으로 덮힌다. 절연 보호 코팅은 바람직하게는 전기가 공기를 통과하는 것을 차단하는 양호한 유전 강도를 갖는 재료, 예컨대 Si3N4, SiO2 또는 Al2O3를 포함하거나 그러한 재료로 이루어진다.
메니스커스 근처에서 생긴 불균질한 전기장은 가속 전극에 의해 발생된 균일한 전기장 보다 국부적으로 훨씬더 강할 수 있음을(예컨대, 100 MV/m 보다 큼) 유의해야 한다. 그러나, 이들 불균질한 전기장은 일반적으로 단지 몇 마이크로미터의 치수로 형성되기 때문에, 리드 간의 거리가 단지 약 10 ㎛ 이하의 범위로 있으면 매체의 유전 강도가 증가한다는 잘 알려진 파셴(Paschen) 법칙의 이득이 얻어진다. 또한, 프린트 헤드에 사용되는 전극은 바람직하게는 모든 방향으로, 유전성 재료에 매립되는데, 예컨대 제 1 추출 전극은 제 1 절연 층과 추가 절연 층 사이에 매립될 수 있고, 차폐 전극은 말단 절연 층과 절연 보호 코팅 사이에 매립될 수 있다.
엑체 공급 저장부는 이방성 엣칭으로 액체 공급 층으로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 액체 공급 저장부는 SF6 기반 보쉬(Bosch) 공정에 따라 실리콘으로 만들어진 액체 공급 층으로부터 형성된다. 액체 공급 저장부의 측벽은 바람직하게는 밑의 스탑 층과 약 90°의 각도를 형성한다. 이리하여 스탑 층은 SF6이 노즐을 파괴하는 것을 억제하는 엣칭 저항성 엣칭 스탑 막으로서 작용할 수 있다. 보쉬 공정을 사용함으로써, 50 보다 큰 종횡비를 얻을 수 있는데, 즉 액체 공급 저장부의 깊이는 그의 폭 보다 50 배 더 크다. 예컨대, 300 ㎛의 두께를 갖는 액체 공급 층을 사용할 때, 액체 공급 저장부는 6 ㎛ 이하의 폭을 얻을 수 있다. 그러나, 액체 공급 저장부의 종횡비는 바람직하게는 50 보다 작고, 더 바람직하게는 30 보다 작다. 액체 공급 저장부는 바람직하게는 전기적으로 접지되며, 바람직하게는 200 ㎛ 내지 1 mm의 두게를 갖는다.
액체 공급 층은 이 액체 공급 층 위에 증착될 수 있는 하나 이상의 추가적인 액체 공급 층과 물리적으로 접촉할 수 있다. 추가적인 액체 공급 층은 액체 공급채널을 형성할 수 있고, 액체 공급 층으로 형성된 액체 공급 저장부에 액체가 상기 채널을 통해 분배될 수 있다. 원리적으로, 하나 이상의 액체 공급 층 및 추가적인 액체 공급 층이 이들 양 기능을 수행하는 단일 층으로 병합될 수 있다. 이러한 실시 형태는 마이크로유체(당업자에게 잘 알려져 있음)에 사용되는 방안에 기초할 수 있다. 액체 공급 저장부 및 액체 공급 채널은 수동으로 또는 자동으로 액체로 채워질 수 있다. 각각의 액체 공급 저장부 및 각각의 액체 공급 채널은 하나 이상의 노즐에 액체를 공급할 수 있고, 모든 액체 공급 저장부 및 액체 공급 채널은 동일한 잉크(인쇄될 재료를 포함하는 액체)로 채워질 수 있고 또는 주어진 액체 공급 저장부 또는 주어진 액체 공급 채널에 채워지는 잉크는 적어도 2개의 다른 잉크에서 선택될 수 있다.
일반적으로, 오목한 메니스커스는 노즐 개구의 영역에서 노즐 내부에 고정될 것인데, 즉 노즐 전방면 상으로 나오지 않으며, 노즐 전방면은 실시 형태에 따라 기판과 대향하는 표면인 것으로 이해하면 된다. 충분히 강한 전기장으로 액체가 작동되면, 그 액체는 노즐 개구 밖으로 돌출하는 볼록한 메니스커스 쪽으로 기하학적 형태를 바꾸게 된다. 노즐 전방면이 젖을 수 있으면, 볼록한 메니스커스는 노즐의 내부 노즐 벽 표면의 영역으로부터 외부 노즐 벽 표면 쪽으로 움직이기가 가장 쉽다. 노즐 벽 표면이 매우 잘 젖을 수 있으면, 즉 액체와의 접촉각이 약 30°미만이면, 특히, 노즐 벽 표면이 완전히 젖을 수 있다면, 즉 액체와의 평형 접촉각이 본질적으로 영도 이면, 액체는 링 트렌치 안으로 더 끌려 들어갈 수 있는데, 이는 금지되어야 한다.
이러한 작용은 특히 프린트 헤드의 표면을 코팅하여 대부분 회피될 수 있다. 액체 반발성 표면 코팅은 바람직하게는 표면 에너지를 감소시키며, 바람직하게는 중합체 및/또는 유기 재료를 포함하며, 더 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다. 바람직하게는, 표면 코팅은 증기 코팅 공정, 가장 바람직하게는 (플라즈마 보조) 화학적 증기 증착 공정으로 가해진다. 후자의 기술을 사용하면, 기계적 마모에 매우 튼튼한 수십 또는 수백 나노미터의 두꺼운 코팅을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 저 에너지 표면 코팅의 두께는 1 ∼ 1000 nm이고, 더 바람직하게는 50 ∼ 500 nm 이다.
그러나, 액체 공급 저장부의 벽, 액체 공급 채널의 벽 또는 노즐의 내부 표면(즉, 내부 노즐 벽 표면)에 액체 반발성 표면 코팅이 가해지면, 상기 액체 반발성 표면 코팅은 바람직하게는 액체에 대해 적어도 약간 젖을 수 있는데, 즉 특정한벽과 액체 사이의 접촉각은 바람직하게는 90°보다 작다. 그렇지 않으면, 액체를 액체 공급 저장부 또는 추가적인 액체 공급 저장부에 채울 수 없을 것이다. 이와 비교하여, 환형 노즐 벽의 외부 또는 노즐 전방면에 가해질 수 있는 액체 반발성 표면 코팅은 액체에 대해 작을 수 없는데, 즉 그것과 액체 사이의 접촉각은 90°보다 클 수 있다. 바람직하게는, 표면 코팅은, 바람직하게는 노즐 및 액체 공급 저장부 및/또는 액체 공급 채널의 내부에 상기 표면 코팅이 없게 하면서, 적어도 프린트 헤드에서 기판과 대향하는 측에 있는 노즐 개구를 넘어 모든 표면에 피복된다.
이미 언급한 바와 같이, 작동되는 볼록한 메니스커스는 링 트렌치 안으로 젖지 않고 외부 환형 노즐 벽에에 유지되는 것이 중요하다. 그러나, 어떤 경우에, 환형 노즐 벽에 액체 반발성 표면 코팅이 있는 것만으로는, 볼록한 메니스커스가 링 트렌치 안으로 젖는 것을 막기에 충분하지 않을 수 있다. 특히, 노즐의 기하학적 구조는, 제 1 단계에서 장치 층이 엣칭 스탑 층으로 피복될 수 있다는 점에서 조절될 수 있다. 엣칭 스탑 층은 바람직하게는 Si3N4, SiO2 또는 Al2O3와 같은 엣칭 저항성 및 유전성 재료를 포함한다. 제 2 단계에서, 접촉각 불연속부가 링 트렌치의 영역에서 엣칭 스탑 층에 형성될 수 있다.
접촉각 불연속부는, 바람직하게는 환형 노즐 벽의 전방측에 형성되는 예리한 천이부의 형태일 수 있다. 접촉각 불연속부는 등방성 엣칭으로 만들어질 수 있다. 그러므로, 프린트 헤드의 노즐 및 다른 요소를 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층으로 보호하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 바람직하게는 습식 스탑 플래튜의 형태로 실제로 상기 불연속부를 만드는데 사용되는 것은 상기 엣칭 스탑 층이다. 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층은 바람직하게는 환형 노즐 벽에 포함되는 재료와 다른 재료로 만들어진다. 이렇게 해서, 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층의 밑에 있는 환형 노즐 벽 재료의 일부분을 선택적으로 제거하는 습식 또는 건식 엣칭 공정에 따라 이방성 엣칭 화학물질이 사용될 수 있다. 예컨대, 환형 노즐 벽이 실리콘으로 만들어지는 경우, 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층용으로 유용한 재료는 SiO2 또는 Al2O3 일 것이고, 사용되는 엣칭 화학물질은 SF6 플라즈마(건식 엣칭 공정에 따른) 또는 질산계 습식 엣칭액 중에서 선택될 수 있다.
바람직하게는, 상기 등방성 엣칭 공정은 링 트렌치가 형성되기 전에 수행된다. 이 경우, 등방성 엣칭 공정은 재료 층으로부터 링 트렌치를 형성하기 위한 제 1 단계라고 할 수 있고, 그 재료는 바람직하게는 실리콘을 포함하고, 이는 결국에 링 트렌치에 의해 장치 층과 환형 노즐 벽으로 분리될 것이다. 본질적으로, 재료 층이 실리콘으로 만들어진 경우, 이방성 엣칭 공정에 따라 먼저 상기 재료 층을 엣칭하고 그리고 나서 제 2 이방성 엣칭 공정, 예컨대 SF6 및 C4F8 가스 또는 HBr 기반 공정을 결합한 이방성 보쉬 공정에 따라 엣칭을 계속하고, 엣칭 공정은 링 트렌치가 형성될 때가지 계속된다. 그리하여, 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층 아래의 횡방향 엣칭은 제 1 등방성 엣칭 공정이 수행되는 동안에만 계속될 수 있다. 등방성 엣칭은, 엣칭이 모든 방향으로 동일한 속도로 일어나는 것을 의미한다. 따라서, 횡방향으로 일어나는 엣칭은, 축방향으로, 즉 스탑 층 쪽으로 일어나는 엣칭으로 얻어지는 깊이와 같게 폭 방향으로 진행될 수 있다. 횡방향으로 일어나는 엣칭은 환형 노즐 벽의 반경 방향 두께 보다 작은, 바람직하게는 환형 노즐 벽의 횡방향 두께의 절반 보다 작은 두께를 갖는다. 특히, 그의 바람직한 폭은 50 nm 내지 500 nm 이다. 엣칭 저항성 엣칭 스탑 층의 두께는 바람직하게는 20 nm 내지 2 ㎛, 더 바람직하게는 50 nm 내지 500 nm 이다. 습식 스탑 플래튜를 형성하고 액체 반발성 표면 코팅과 조합하고자 하는 경우, 그 표면 코팅은, 일단 습식 스탑 플래튜가 이미 형성되면, 바람직하게는 프린트 헤드에만 가해진다.
바람직하게는, 액체 포텐셜에 대한 추출 전극에 가해지는 추출 포텐셜은 10 내지 1000 V, 더 바람직하게는 약 400 V 이하이다. 가해지는 추출 포텐셜은 DC 전압의 형태일 수 있고, 바람직하게는 일정한 또는 가변적인 진폭을 갖는 연속 신호의 형태일 수 있다. 대안적으로, 가해지는 추출 포텐셜은 AC 전압의 형태일 수 있고, 바람직하게는, 20 Hz 내지 20 kHz의 주파수를 갖는 주기 함수의 형태일 수 있다. 주기 함수가 가해지는 경우, 그 함수는 바람직하게는 플러스와 마이너스로 동일한 진폭을 갖는 구형 함수(rectangular function)이다.
DC 작동은, 추출 전극 도는 다른 전극에 가해지는 신호의 전기적 극성이 전체 인쇄 기간 중에 동일하게 유지되는 경우를 설명한다. 프린트 헤드에 포함되어 있는 전극들을 동일한 극성으로 작동시키는 것이 바람직하다. 그러나, 아래에서 더 설명하는 바와 같이 장치 전극은 다른 극성에서 규칙적으로 작동될 수 있다. DC 전압의 진폭은, 가해지는 전기 포텐셜의 극성의 변화 없이 주기적으로 또는 비주기적으로 조절될 수 있다. 일정하지 않은 진폭을 갖는 전압을 가하면, 가변적인 직경을 갖는 액적이 방출될 수 있다. 따라서, 전압을 변경하여, 방출되는 액적의 크기 및 결국에는 인쇄 구조의 폭도 조절할 수 있다.
DC 작동을 수행할 때, 방출된 액적 모두는 동일한 극성으로 대전된다. 따라서, 특히, 방출 기간 중에 증착된 전하를 충돌 영역으로부터 벗어나게 하기 위한 전기 전도성이 불충분한 기판 상에 인쇄가 수행되는 경우, 일부 액적이 기판에 충돌한 후에, 그 기판 상에 반발성 전하를 축적하기 시작할 수 있다. 이 축적된 전하에 의해, 들어오는 액적이 횡방향으로 진로 전환될 수 있는데, 이러면 인쇄 해상도가 낮아지거나 또는 심지어 분무 효과가 생길 수 있다. 이는, 반대의 극성을 갖는 동일한 양의 액적을 규칙적인 시간 간격으로 방출하여 대부분 회피될 수 있다. 주어진 극성을 갖는 하나 또는 수개의 액적이 분출적으로 방출되고 이어서 반대의 극성을 갖는 액적의 동일한 길이의 분출이 있게 된다. 이들 두 부출 중에 방출되는 액적은 반대의 극성을 가지므로, 증착된 전하는 2개의 분출을 포함하는 각 사이클에서 본질적으로 중성화된다. 여기서, 각 분출은 단순히 전압 파형의 두 극성 간격 중의 하나를 나타내며, 두 극성 간격은 바람직하게는 동일한 길이이다. 바람직하게는, 파형은 일정한 진폭 및 100% 듀티 사이클을 갖는 제곱 함수로서 선택된다. 정사각형 파형은, 바람직하게는 내부 AC 신호의 주기에 비해 긴 타임 스케일로 추출 포텐셜의 진폭을 주기적으로 또는 비주기적으로 조절하는 변조 파형과 중첩될 수 있다. 이러면, DC 작동에 따른 액적 방출에 사용되는 진폭을 조절하는 것과 동일한 결과가 얻어질 수 있다. 또한, 주어진 전압에서 액적의 고유 방출 주파수 보다 낮은 AC 주파수(하지만 이 주파수는 바람직하게는 그 고유 방출 주파수의 십분의 일 이상임)를 가하는 것이 바람직하다. 이렇게 하여, 단일 분출로 방출되는 동일하게 대전된 액적의 양을 최소화할 수 있고 따라서 방출된 액적의 포텐셜 편향을 또한 최소화할 수 있다. 가해지는 전압 신호의 극성의 전환은, 프린트 헤드에 있는 전극들 중의 단지 하나에 대해서가 아닌, 바람직하게는 모든 전극에 대해 행해진다. 단지 하나의 전극 또는 수개의 전극의 극성이 전환되는 경우, 방출된 전극은 동일한 특성을 갖고 방출되지 않을 수 있고, 대개는 어떤 지점에서 진로 전환되거나 되튀게 될 것이다. 추출 전극이 AC 전압으로 작동되는 경우, 가속 전극, 장치 전극, 차폐 전극 및 하나 이상의 균질화 전극을 포함하는 모든 전극이 또한 AC 전압을 사용하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 그 사용되는 AC 전압은 액체에 대한 추출 전극에 가해지는 AC 전압과 동일한 주파수와 위상을 가지며, 가장 바람직하게는, 그 사용되는 전압의 파형은 액체에 대한 추출 전극에 가해지는 파형과는 일정한 팩터 만큼만 다르다.
추출 전극이 DC 전압으로 작동되는 경우, 가속 전극, 장치 전극, 차폐 전극 및 하나 이상의 균질화 전극을 포함하는 모든 전극이 또한 DC 전압을 사용하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 그 사용되는 전압의 파형은 액체 방출 중에 액체에 대한 추출 전극에 가해지는 파형과는 일정한 팩터 만큼만 다르다.
추출 전기장의 증가는 액적 방출의 주파수에 영향을 줄 수 있다. 추출 전기장이 증가함에 따라 액적이 더 작게 될 수 있지만, 동시에, 이들 액적이 방출되는 주파수를 크게 증가시킨다. 여전히 액적 방출을 일으킬 수 있는 최저의 가능한 전압에서, 주파수는 10 Hz 이하의 범위일 수 있다. 전압이 이 최소 방출 전압의 약 2배인 값까지 증가되면, 방출 주파수는 통상적으로 1 kHz 범위의 값에 도달할 수 있다. 전압을 더 증가시키면, 방출 주파수가 10 kHz까지 더 증가될 수 있고, 심지어는 100 kHz 범위의 값에도 도달할 수 있다. 방출 주파수는 액적 직경 보다 고전압에 의해 훨씬 더 많이 영향을 받는다. 일반적으로, 전기적 브레이크다운 및 전하 반발 효과를 방지하기 위해 너무 높은 전압은 사용하지 않는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 전압 체제는 최저 가능한 방출 전압 보다 약 1.5 ∼ 2.5 배 높은 값에서 선택된다. 이 전압 체제는 원치 않은 전기장 변화 등의 영향을 최소한으로 받기 때문에 바람직하다. 또한, 전압은 최소 방출 전압의 1.5 배 이하인 체제에서 선택되지 않는 것이 특히 바람직하다. 이러한 전압 체제에서, 방출 주파수는 매우 낮아서, 프린트 헤드의 동적 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 또한, 시스템은 전기장 내의 원치 않은 노이즈 등에 매우 민감하다. 예컨대, 추출 전기장의 증가가 작더라도, 액적 직경의 상당한 변화가 일어날 수 있다.
전술한 바와 같이, 링 트렌치 및 추출 전극의 폭을 조절하여, 노즐의 영역에서 발생되는 전기장의 발전 및 강도를 변화시킬 수 있고 그래서 예컨대 볼록한 메니스커스 형상의 형성을 규정하는데 중요한 변수로서 작용할 수 있다. 그러나, 프린트 헤드가 만들어지면 이들 변수는 더 이상 조절될 수 없다. 노즐의 영역에서 전기장의 발전 및 강도를 동적으로 변화시키는 일 방법은, 전기장 형성 전극, 특히 노즐, 즉 장치 전극과 추출 전극에 가장 강하게 연결되는 전극에 기해지는 전기 포텐셜을 선택적으로 조작하여 달성될 수 있다. 예컨대, 안정적인 방출 조건의 달성(예컨대, 1 보다 큰 전기장 비를 발생시켜)은, 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜과 비교하여 다른 극성을 갖는(역 극성 상황이라고도 함), 액체 포텐셜에 대한 장치 포텐셜의 사용으로 도움을 받을 수 있다. 일반적으로, 전극으로서 장치 층을 사용하면, 추출 전극으로 얻어지는 전기장 비와 비교하여, 메니스커스의 중심 영역에 비해 메니스커스의 외측 영역에서 더 낮은 전기장 비가 나타나는데, 즉 더 강한 전기장이 얻어진다. 역 극성 상황에서 장치 전극을 사용하면, 추출 전극에 의해 발생된 전기장과 반대되는 전기장이 발생되지만, 장치 전극은 주로 메니스커스의 외측 영역에서 작용하기 때문에, 추출 전극에 의해 발생된 전기장은 일차적으로 상기 외측 메니스커스 영역에서 소멸되고, 그 결과 장치 전극을 사용하지 않는 경우 보다 더 높은 전기장 비를 갖는 중첩된 전기장이 얻어지게 된다.
액체 포텐셜에 대한 절대 장치 포텐셜은 인쇄 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜 보다 바람직하게 작다.
일 예로서, 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜과는 반대인 액체 포텐셜에 대한 극성을 갖는 장치 포텐셜을 장치 전극에 가하면, 여전히 액적 방출을 일으키기 위해서는 추출 포텐셜의 진폭을 증가시켜야 한다. 이는, 액체 포텐셜에 대한 장치 포텐셜이 액체 포텐셜에 추출 포텐셜과 같은 극성을 갖는 경우와는 다른데, 그 경우, 장치 전극은 액적 방출을 도와 주고 그래서 추출 전극에 가해져야 하는 최소 방출 전압의 진폭은 액체 포텐셜에 대한 장치 포텐셜이 제로인 경우에 비해 작다.
액체 포텐셜에 대한 장치 포텐셜이 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜과 같은 극성을 갖는 경우에 액적 방출을 도와 주기 위해 장치 전극을 사용할 수 있다. 액적 방출에 요구되는 세기 바로 아래의 장치 포텐셜을 사용하여, 볼록한 메니스커스를 형성할 수 있지만, 아직 액적 방출을 일으킬 수는 없다. 일단 볼록한 메니스커스가 형성되면, 액체 포텐셜에 대한 장치 포텐셜이 제로인 경우 보다 훨씬 낮은 액체 포텐셜에 대한 절대 추출 포텐셜을 가하여 액적 방출을 일으킬 수 있다.
대역적 방출 지원 전극으로서 장치 전극을 사용하여 얻어지는 일 이점은, 서로 다른 노즐의 추출 전극 사이의 차폐가 더 양호하게 된다는 것이다. 적어도 부분적으로 액적 방출을 위해 장치 층을 사용하는 것과 관련한 단점은 전기장 비가 본래적으로 악화된다는 것인데, 이러한 악화는 에컨대 링 트렌치의 폭을 증가시켜 보상되어야 한다. 장치 전극의 균일성 및 대역적 특성 때문에, 일반적으로 좁은 추출 전극에 의해 발생되는 것과 같은 전기장 불균질이 생기지 않는다. 따라서, 지원 장치 포텐셜을 사용하면, 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜을 감소시킬 수 있고, 또한 전기장 불균질이 해소될 수 있다. 일반적으로 장치 층은 프린트 헤드에 포함되어 있는 모든 노즐에 대한 대역적 전극으로서 작용할 수 있다. 그러나, 특별한 경우에, 장치 층은 하나 이상의 전압 공급부에 의해 다른 장치 포텐셜로 설정되는 세그먼트로 분할될 수 있다. 이들 장치 층 세그먼트는, 절연 스탑 층까지 아래로 진행하는 트렌치(링 트렌치와 유사함)를 형성하여 생성될 수 있다. 일 대안으로서, SiO2 또는 Al2O3 와 같은 절연 재료로 만들어진 비분할형 장치 층을 사용할 수 있고 이 층을 분할형 장치 코팅으로 피복할 수 있으며, 그 장치 코팅은 장치 전극의 전체 기능을 가지며 각 장치 코팅 세그먼트는 다른 장치 포텐셜로 작동될 수 있다.
노즐에서 가속 전극에 의해 발생되는 가속 전기장은 가속 전극에 의해 형성된 추출 전기장 보다 일반적으로 훨씬 더 약하다. 이는 주로, 추출 전극이 가속 전극 보다 실질적으로 낮은 전압을 사용할 수 있더라도, 추출 전극이 가속 전극 보다 노즐에 훨씬 더 가깝게 배치되기 때문이다.
특히, 0.5 MV/m 내지 50 MV/m, 바람직하게는 1 MV/m 내지 20 MV/m의 전기장 강도를 갖는 균일한 전기장을 프린트 헤드와 기판 사이에 발생시킬 수 있는 가속 포텐셜을 가속 전기장에 가하는 것이 바람직하다. 액체 포텐셜에 대한 가속 포텐셜은 바람직하게는 동일한 극성을 가지며 또한 인쇄 중에 액체 포텐셜에 대한 추출 포텐셜과 비교하여 더 높은 진폭을 가지며, 그래서 적절한 방향을 갖는 거의 균질한 전기장이 인쇄 중에 프린트 헤드와 기판 사이에 형성된다.
추가로, 가속 전극에 의해 발생되는 균일한 전기장의 강도는, 액적 방출을 일으키기 위해 볼록한 메니스커스에서 형성되어야 하는 전기장 보다 2배 이상, 더 바람직하게는 5배 이상 약하도록 선택된다.
서로 다른 여러 개의 노즐이 프린트 헤드에 존재하면, 상기 기준은 바람직하게는 프린트 헤드에 포함되어 있는 최대 노즐과 관련된 요건에 근거한다. 최소 방출 조건에 요구되는 전기장은 아래의 식으로 근사화될 수 있다:
Figure 112017076444119-pct00002
여기서, E는 전기장, γ는 액체 표면 장력, r은 볼록한 메니스커스의 반경이고 ε0는 진공 유전율이다. 위의 식에 따르면, 1 ㎛ 직경의 메니스커스로부터 액적을 떼어내기 위해 요구되는 전기장 강도는 대략 80 MV/m 이고, 10 ㎛ 직경의 메니스커스로부터 액적을 떼어내기 위해 요구되는 전기장 강도는 대략 25 MV/m 이다.
가속 전기장, 즉 프린트 헤드와 기판 사이에 형성되는 전기장은 평균적으로, 즉 노즐과 기판 사이의 전체 비행 경로에 걸쳐, 다른 액적 또는 횡방향 전기장의 다른 소스로부터 얻어지는 전기장 보다 적어도 10 배, 더 바람직하게는 적어도 100 배, 가장 바람직하게는 적어도 1000 배 더 높은 것이 더 바람직하다. 이리하여, 액적은 그의 의도된 궤적에 있게 되고, 따라서, 액적 직경 보다 상당히 더 큰(예컨대, 수 크기 오더 더 큰) 기판-노즐 간격 분리에서도 의도된 위치에 증착될 수 있다. 본 발명에서 개시된 전극의 배치 및 작동 조건에 의해, 사실, 고밀도의 통합에서도 개별 노즐 간의 충분한 분리가 가능하고 그리하여 프린트 헤드와 기판 사이의 비교적 큰 분리에서도 고 해상도 및 고 처리량 인쇄가 가능하게 된다. 특히, 액적의 방출 및 기판 상으로의 액적의 가속은 서로 다른 전극 시스템에 의해 수행되는데, 이중의 하나(특히 추출 전극)는, 불균질하고 짧은 범위이고 높은 세기의 전기장을 생성하고, 다른 하나(특히 가속 전극)는, 균일하고 긴 범위인 약한 전기장을 생성하며, 이 전기장은 적절한 액적 안내를 보장해 준다. 추가 전극(특히, 장치 전극, 균질화 전극 및 차폐 전극)은, 인쇄 해상도 및 정확도를 유지하면서, 프린트 헤드 상의 면적 노즐 풋프린트의 감소 및 노즐의 고밀도 배치를 가능하게 하는 주 목적을 갖는다. 예컨대, ∼ 5 ㎛의 직경을 가지며 기판으로부터 ∼ 1 mm 떨어져 위치되어 있는 노즐로부터의 액적 방출에 의해, 1 ㎛ 보다 작은 최소 횡방향 치수를 갖는 인쇄 구조가 얻어질 수 있고, 프린트 헤드 상에 근접 배치되어 있는 노즐들의 간격은 20 ㎛ 보다 작을 수 있다. 따라서, 프린트 헤드와 기판 사이의 간격이 최소 횡방향 피쳐 크기 보다 1000 배 이상 더 높더라도 노즐 직경 보다 작은 구조가 생성될 수 있다.
프린트 헤드의 넓은 형상 계수 및 두께 변화 또는 일반적인 웨이퍼 휨의 가능성 떼문에, 프린트 헤드와 기판 사이의 간격은 충분히 커야 한다. 동시에, 이 간격은 바람직하게는 가능한 한 작게 선택되는데, 왜냐하면, 간격이 크면 과도한 액적 충돌 분포가 일어날 수 있기 때문이다. 과도한 액적 충돌 분포는 주로 레일라이(Rayleigh) 폭발의 가능한 발생에 의해 일어날 수 있으며, 이 레일라이 폭발은, 증발로 인해 부피가 손실되는 과정에 전하의 밀집화로 인해 액적이 비행 중에 본질적으로 폭발하는 것을 말한다.
인쇄 중에 기판을 적절히 고정시켜 물리적으로 움직이지 못하게는 것이 중요하다. 그렇지 않은 경우 이러한 움직임은 인쇄 구조의 부적절한 정렬을 야기하여 인쇄 정확도를 감소시킨다. 바람직하게는, 기판은 진공 클램핑에 의해 가속 전극 상에 고정되며, 가속 전극은 바람직하게는 가속 전극 홀더에 고정된다. 가속 전극은 완전히 전도성 재료로 만들어질 수 있지만, 부분적으로는 비전도성 재료로 이루어질 수 있는데, 예컨대 전도성 부분은 2개의 비전도성 시트 사이에 층으로서 매립되어 가속 전극과 프린트 헤드 사이의 전기적 브레이크다운의 가능성을 줄여준다. 어떤 경우든, 가속 전극의 전도성 부분은 횡방향으로 가속 전극의 전체 연장을 덮는 것이 덮는 것이 바람직하다. 기판의 진공 클램핑을 위한 구멍이 가속 전극에 뚫릴 수 있고, 그 구멍은 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1 mm, 더 바람직하게는 50 ㎛ 내지 0.5 mm의 직경을 가지며, 구멍이 더 미세하면, 기판 위에서 전기장 불균질이 덜 발생하는 이점이 있다. 그러한 얇은 구멍은 기계적 방법 또는 레이저 천공 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 방법으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 구멍을 배기시키도록 되어 있는 펌핑 유닛이 가속 전극에 부착될 수 있다.
프린트 헤드는 이 프린트 헤드를 기울이고/기울이거나 경사지게 하는 프린트 헤드 홀더에 부착될 수 있다. 프린트 헤드 및 기판은 가열 및/또는 냉각 소스와 열적으로 접촉할 수 있다. 하나 이상의 센서가 프린트 헤드에 배치될 수 있고, 기판과 프린트 헤드 사이의 거리를 측정 및 제어하고 또한 프린트 헤드의 온도를 측정 및 제어하는 제어 유닛이 프린트 헤드 홀더에 부착될 수 있다.
가속 전극은 진동 감쇠에 최적화되어 있는 무거운 가속 전극 홀더에 단단히 고정될 수 있다. 예컨대, 그 무거운 가속 전극 홀더는 저진동수의 진동을 양호하게 감쇠시키는 대리적 등으로 이루어질 수 있다. 추가로, 무거운 가속 전극 홀더는, 더 높은 진동수의 진동을 본질적으로 감쇠시키는 공압식 감쇠 시스템과 같은 제 2 감쇠 시스템의 보충을 받을 수 있다. 무거운 가속 전극 홀더는 적어도 하나의 횡방향 차원으로 움직일 수 있고, 바람직하게는, 임의의 2차원 운동을 할 수 있어, 기판을 프린트 헤드 아래에 신속하게 배치할 수 있게 해준다. 온도 센서가 가속 전극 홀더에 통합될 수 있고, 가속 전극 홀더의 온도를 측정 및 제어하는 제어 유닛에 부착될 수 있다. 가속 전극 홀더에 포함되어 있는 온도 센서는 프린트 기판과 대향하는 기판 표면의 대략적인 온도에 관한 정보를 제공한다.
프린트 헤드 홀더는 프린트 헤드에 대한 강성적인 기계적 지지부로서의 역할을 할 수 있다. 그 홀더는, 높은 열전도성을 주고 양호한 강성을 유지하면서, 관성 질량을 줄이기 위해 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다. 프린트 헤드를 홀더에 고정시키는 것은, 정전 척, 또는 더 바람직하게는 진공 척으로 달성된다. 진공 척의 경우, 고르게 분포된 채널은, 미소 제조 중에 내부 응력으로 인해 일어날 수 있는, 프린트 헤드에 존재하는 휨을 추가적으로 교정하면서, 프린트 헤드를 위치 유지시키기 위해 필요한 클램핑력을 발생시킨다. 클램핑 및 최적의 배향 후에 얻어지는(즉, 경사-기울어짐 교정에 의해) 홀더 및 프린트 헤드의 바람직한 평평함에 의해, 프린트 헤드는 프린트 헤드와 기판 사이의 부분적인 접촉의 발생 없이 기판으로부터 바람직한 평균 거리로 떨어져 있을 수 있다. 바람직한 평균 거리는 20% 이상 변하지 않으며, 더 바람직하게는 평균 거리는 5% 미만으로 변한다. 예컨대, 프린트 헤드가 기판으로부터 500 ㎛ 만큼 떨어져야 한다면, 전체 프린트 헤드 영역에 걸친 실제 간격은 바람직하게는 500 ㎛ ± 25 ㎛ 보다 좋아야 한다. 클램핑 기구에 추가로, 프린트 헤드 홀더는 바람직하게는 액체 공급 시스템 및 전자 구동 시스템에 대한 인터페이스를 제공하고 또한 프린트 헤드 온도를 제어하는 저온 및/또는 고온 플레이트로서 역할할 수 있다. 프린트 헤드를 통해 전기 신호를 전달하기 위해 실리콘 관통 비아를 사용할 때, 프린트 헤드 레이아웃에 따라, 스프링이 달린 팁이 프린트 헤드 홀더에 매립될 수 있다. 프린트 헤드의 변형을 방지하기 위해서는 낮은 힘이 중요하다. 프린트 헤드에 대한, 누설이 없는 유체 연결이 스프링이 달린 PTFE 시일로 달성될 수 있고, 시일링은 바람직하게는 축방향으로 수행된다.
일반적으로, 방출된 액체 액적은 이 액적이 나오는 노즐 보다 상당히 작을 수 있다. 액체의 축적을 방지하기 위해, 바람직하게는 한번에 단지 하나의 액적이 기판에 증착된다. 그러나, 이는, 공기에 노출되는 액체 면적이 증착된 액적에서 보다 볼록한 메니스커스에서 평균적으로 더 큼을 의미한다. 따라서, 일반적으로, 액적 방출에 의해서 보다 볼록한 메니스커스의 증발에 의한 액체 유량이 더 많을 것이다. 이 결과, 인쇄 중에, 방출된 액적에 포함된 고체 재료의 농도가, 하나 이상의 액체 공급 저장부 또는 추가적인 액체 공급 저장부에 각각 공급되는 원료 용액 내에서의 농도 보다 높을 수 있다.
농도의 증대로 인해 결국 최종적인 평형 농도가 얻어지는 경우, 하지만 서로 다른 노즐 간에 여전히 농도 차가 있을 수 있다. 그러나, 더 심각한 결과는 아이들 시간 중의 농도 증대일 수 있다. 이 때문에, 노즐이 어떤 시간 동안에 아이들 상태인 경우에 제 1 사이클 중에 막힘이 빨리 일어날 수 있거나 또는 고집중의 액적이 방출될 수 있다.
이러한 농도 증대를 방지해서 막힘 또는 고집중의 액적의 방출을 방지하기 위해, 프린트 헤드 및 기판 모두는 가열 및/또는 냉각 소스와 양호한 열접촉을 할 수 있다. 이러한 가열 및/또는 냉각 소스는 당업자에에 알려져 있는 펠티어(Peltier) 요소 또는 다른 실시 형태로 만들어질 수 있다. 이러한 가열 및/또는 냉각 소스는 바람직하게는 가속 전극 홀더 및 프린트 헤드 홀더에 각각 통합된다. 냉각 및/또는 가열 작용은 바람직하게는, 서로 대향하는 프린트 헤드 및 기판의 표면의 온도가 요구되는 양 만큼 다르도록 선택되며, 바람직하게는 더 높은 온도가 기판에 가해진다. 특히, 온도 차는 0 ∼ 100 ℃로 조절될 수 있고, 바람직하게는 0 ∼ 50 ℃, 더 바람직하게는 0 ∼ 20 ℃로 조절될 수 있다. 추가로, 어떤 개별적인 절대 온도가, 냉동이 일어나는 온도 보다 높게 선택된다. 또한, 프린트 헤드에서의 절대 온도는 액체가 비등을 시작하지 않도록 선택된다. 사용되는 액체 및 추가 선호에 따라, 온도는 절대 값으로 조절될 수 있다. 예컨대, 기판 표면은 20 ℃ 일 수 있고, 프린트 헤드 표면은 10 ℃ 일 수 있고 또는 기판 표면은 50 ℃ 일 수 있고, 프린트 헤드 표면은 40 ℃ 일 수 있다. 양 예에서, 온도 차는 10 ℃ 이지만, 절대 온도는 다른다. 마지막으로, 걸대 온도 및 온도 차는 바람직하게는, 응결로 인해 기판 또는 프린트 헤드에 액체 축적이 없도록 선택된다.
프린트 헤드 및 프린트 헤드 홀더는, 나노포지셔너, 마이크로포지셔너 또는 이들의 조합을 포함하거나 그로 이루어진 제어 유닛에 장착될 수 있다. 여기서 나노포지셔닝 시스템은, 높은 위치 정확도, 원활한 운동 및 제한된 구동 범위를 제공하는 시스템인 것으로 이해될 수 있다. 마이크로포지셔닝 시스템은, 더 낮은 위치 정확도, 덜 원활한 운동 및 더 높은 구동 범위를 제공하는 시스템인 것으로 이해될 수 있다. 제어 유닛이 마이크로포지셔너(들)와 나노포지셔너(들) 모두의 조합으로 만들어지면, 후자는 일반적으로 인쇄 중에 기판에 대해 프린트 헤드를 움직이는데 사용되고, 전자는 프린트 헤드와 기판 사이의 초기 정렬을 수행하는 것이 주 목적이지만, 바람직하게는 인쇄 중에 운동을 수행하는데는 사용되지 않는다. 나노포지셔닝 시스템은 바람직하게는 빠른 가속, 스캐닝 속도 및 감속으로 인해 생길 수 있는 높은 관성력을 견디도록 강성적이다. 바람직하게는, 요곡 안내 시스템을 갖는 피에조 구동식 시스템이 사용된다. 마이크로포지셔너는 스텝퍼 모터, 선형 모더, DC 모터 등으로 작동될 수 있다. 제어 유닛은 x, y, z 방향으로의 병진 운동을 위해 적어도 3개의 자유도(DOF)를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 제어 유닛은 추가적인 경사 및 기울어짐 교정을 위해 5 DOF를 제공할 수 있고, 더 바람직하게는 추가적인 회전 교정을 위해 6 DOF를 제공할 수 있다. 제어 유닛가 나노포지셔너와 마이크로포지셔너의 조합인 경우, 이들 DOF 중의 일부는 상기 장치들 중의 하나로만 이행될 수 있고 또는 그들 둘 모두로 수행될 수 있다. 제어 유닛은 하나 이상의 액체 공급 시스템, 하나 이상의 추가 액체 공급 시스템 및 전기적 연결부의 통과를 위한 구멍을 포함할 수 있다.
기판에 대한 프린트 헤드의 거리 및 위치 제어는 프린트 헤드에 배치될 수 있는 센서, 특히 용량성 프린징(fringing) 필드 센서로 측정될 수 있다. 용량성 센서는 바람직하게는, 기판에 대한 프린트 헤드 표면의 3차원 방향을 측정할 수 있도록 프린트 헤드 표면의 하측 영역, 즉 프린트 헤드에서 기판과 대향하는 측에서 적어도 3개의 다른 위치에 형성된다. 센서는 바람직하게는 신호 차를 최대화하기 위해 프린트 헤드의 먼 가장자리에 배치된다. 센서의 판독은, 시그마-델타 원리를 사용하는 정확한 캐패시턴스-디지털(CDC) 컨버터에 의해 또는 동기 복조기를 사용하여 달성될 수 있다. 측정된 거리에 근거하여, 제어 유닛은 기판에 대해 프린트 헤드를 정확히 위치시키기 위해 사용될 수 있고, 정확한 위치 결정은, 바람직하게는 50 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 10 ㎛ 미만의 최대 편차를 가지고(하지만, 휨과 같은 프린트 헤드 및 기판의 고유한 변화는 제외하고) 프린트 헤드가 그의 표면의 하측 영역의 모드 위치에서 기판으로부터 동일한 간격으로 있는 것을 의미한다.
유체 방출의 양은 추출 전극과 노즐 내의 액체 사이에 가해지는 전압을 조절하여 간단히 제어될 수 있다. 그러나, 액체 방출의 질량 유량은 일반적으로 가해지는 전기 포텐셜의 단조 함수가 아니다. 적어도 노즐이 나노드립핑 모드로 작동되는 경우, 가해지는 절대 전압에 따라, 상기 절대 전압의 추가 증가에 의해 질량 유량은 더 낮거나 더 높게 될 수 있다. 그러나 어떤 경우에, 방출 유량은 적용가능한 전압 범위에서 너무 낮거나 너무 높을 수 있다. 예컨대, 액체는 나노드립핑 모드가 아닌 소위 콘-젯트(cone-jet) 모드로 작동될 수 있는데, 콘-젯트 모드에서는 질량 유량이 나노드립핑 모드에서 보다 훨씬 더 높다. 콘-젯트 모드는 나노드립 인쇄 작업의 바람직한 모드는 아니며, 그래서 나노드립핑 모드가 얻어질 때까지 질량 유량을 줄이도록 해야 한다. 전압 조절을 해도 시도된 모든 변경이 얻어지지 않으면, 이는 액체 공급 저장부 내의 액체의 압력을 대역적으로 적합하게 하여 달성될 수 있다. 예컨대, 액체가 전체 전압 범위에서 나노드립핑 모드 대신에 콘-젯트 모드에서 방출되는 경우, 부의 압력, 즉 주변 압력 보다 낮은 압력을 액체 공급 저장부 내의 액체에 가하여 나노드립핑 모드로의 변경을 유도할 수 있다.
특히, 액체 공급 유닛이 기밀한 유체 연결부에 의해 하나 이상의 액체 공급 저장부 및/또는 하나 이상의 액체 공급 채널에 부착될 수 있고, 하나 이상의 액체 공급 저장부 및 액체 공급 채널 내의 압력을 감소 또는 증가시키도록 되어 있다.
따라서, 가변적인 압력 상태에서 공기를 공급하는 상용화된 피드백 제어식 시스템에 의해 다양한 압력이 가해질 수 있다. 대안적으로, 이러한 시스템은 예컨대 시린지 펌프를 사용하여 압력 대신에 질량 유량을 직접 제어할 수도 있다.
이하, 바람직한 실시 형태를 제시한다.
도 1은 액체 공급 저장부(41)로부터 액체(42)를 기판(2)(도 12 참조)에 증착시키기 위한 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타낸다. 이 제 1 실시 형태에서, 프린트 헤드(1)는 스탑 층(5), 장치 층(6) 및 제 1 절연 층(7)을 포함하는 층 구조 체를 포함한다. 제 1 추출 전극(8)이 제 1 절연 층(7) 상에 배치된다. 제 1 노즐(3)이 층 구조체에 형성되어 있고, 링 트렌치(31)가 장치 층(6)에 형성되어 있다. 제 1 절연 층(7)에 형성되어 있는 방출 채널(37)이 노즐(3)을 기판(2) 쪽으로 해제한다. 제 1 노즐(3)은 층 구조체를 통해 연장되어 있는 노즐 개구(34)를 갖는다. 링 트렌치(31)는 반경 방향으로 외측 링 트렌치 벽(35) 및 내측 링 트렌치 벽(36)에 의해 경계가 한정된다. 노즐 개구(34) 및 링 트렌치(31)는 환형 노즐 벽(32)에 의해 분리되어 있고, 이 벽은 기판(2)과 대향하는 원위 단부 표면(33)을 규정한다. 그리하여 내측 링 트렌치 벽(36)은 환형 노즐 벽(32)의 외측 표면에 부합하는 표면에 대응한다. 방출 채널(37)의 형성으로 인해, 그의 원위 단부 표면(33)에 있는 환형 노즐 벽(32)에는 제 1 절연 층(7)이 없다. 아이들 액체 메니스커스(44)가, 바람직하게는액체 공급 저장부(41)로부터 액체(42)를 내측 노즐 벽(32)을 따라 노즐 개구(34) 쪽으로 구동시키는 모세관 작용에 의해 내측 환형 노즐 벽(32) 표면에 있는 노즐 개구(34)에 형성된다. 노즐 개구(34)를 통해 액체(42)가 액적(43) 형태로 방출되기 전에, 액체 포텐셜에 대해 장치 포텐셜이, 노즐 개구(34)의 영역에서 액체 표면의 볼록한 메니스커스(45)를 형성할 수 있는 장치 층(6)에 가해진다. 가속 전극(9)이 기판(2) 아래에 배치되어, 방출된 액적(43)을 기판(2)(도 12 참조) 쪽으로 가속시킨다. 프린트 헤드(1)의 표면은 보호 코팅(301)으로 피복되어 있고, 이 코팅은 전기가 공기를 통과하여 전기적 브레이크다운을 야기하는 것을 방지한다. 액체와 접촉하는 프린트 헤드(1)의 모든 표면은 표면 코팅(300)으로 더 피복되어 있다. 액체(42)에 대한 양호한 접촉을 이루기 위해, 액체 공급 저장부(41)의 표면은, 바람직하게는 화학적으로 불활성인 전기 전도성 재료로 코팅될 수 있고, 더 바람직하게는 그 재료는 금 또는 플래티늄인 재료(미도시)이다. 예컨대, 그러한 전기 전도성 코팅은 액체 공급 저장부(41)의 측벽에 증착될 수 있고, 노즐(3)의 내부의 관형 표면 안으로 연장되어 있다. 바람직하게는, 그러한 전기 전도성 코팅은 노즐 벽의 내부 표면을 부분적으로 또는 완전히 코팅한다.
도 2는 제 2 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서 추가 노즐(3')이 층 구조체에 형성되어 있다. 층 구조체는 제 1 절연 층(7)에 배치되는 추가 절연 층(71)을 포함한다. 추가 추출 전극(81)이 추가 절연 층(71) 상에 배치되어 있다. 이 특정 실시예에서, 인접하는 제 1 노즐(3)은 추가 노즐(3') 보다 작은 직경을 갖는다. 제 1 추출 전극(8)은 제 1 절연 층(7)에 배치되고 추가 절연 층(71)으로 덮히며 제 1 노즐(3)을 둘러싼다. 추출 전극의 추출 포텐셜이 최소 방출 전압 보다 각각 높으면, 제 1 추출 전극(8)에 추출 포텐션을 가하면 제 1 노즐(3)로부터 액적(43)이 방출되고, 추가 추출 전극(81)에 추출 포텐션을 가하면 추가 노즐(3')로부터 액적(43)이 방출된다.
도 3은 제 3 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서는 차폐 층(10)이 말단 절연 층(72)에 배치되어 있다. 차폐 층(10)은 제 1 추출 전극(8)에 걸져 연장되어 있고, 노즐 개구(34) 위쪽에 중심 맞춤되어 있는 차폐 개구를 갖는다.
도 4는 제 4 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서는 층 구조체는, 추가 절연 층(71)에 배치되는 말단 절연 층(72)을 포함한다. 균질화 추출 전극(82)이 추가 절연 층(71) 상에 배치되어 있고 말단 절연 층(72)으로 덮혀 있고 제 1 노즐(3)을 둘러싼다. 제 1 추출 전극(8)은 제 1 절연 층(7)에 배치되고, 차폐 층(10)은 말단 절연 층(72) 상에 배치된다.
도 5는 제 5 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서 제 1 추출 전극(8)은 전극 연장부(83)에 의해 연장되어 있고, 전압 신호를 공급하는 전도성 경로(84)가 추가 절연 층(71)에 배치되어 있고, 전극 연장부(83)와의 용량적 연결을 통해 전기적으로 부유적인 추출 전극(8)과 용량적으로 접촉한다. 추가로, 차폐 층(10)이 말단 절연 층(72)에 배치되어 있다.
도 6은 도 5에 나타나 있는 실시 형태에 사용되는 것과 같은 제 1 추출 전극(8)의 전극 연장부(83)의 상면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 전극 연장부는, 프린트 헤드(1)의 층 구조체에 포함되어 있는 다른 노즐(3, 3') 또는 다른 추출 전극(8, 81)을 지나갈 수 있게 해주는 90°를 포함하는 직선에 대응한다. 도에는 전도성 졍로(84)가 또한 나타나 있는데, 이 경로는 전극 연장부(83)에 걸쳐 연장되어 있다.
도 7은 상기 추출 전극(8, 81)과 전기적으로 접촉하기 위한 추출 전극(8, 81)에 부착되어 있는 2개의 전압 공급 전도성 경로(84, 84')의 상면도를 나타낸다. 두 전도성 경로(84, 84')는 서로 맞은 편에 배치되어 있다. 여기서, 전도성 경로(84, 84')는 추출 전극(8, 81)과 직접 접촉하고, 도 5 및 6에서는, 전도성 경로(84)는 추출 전극에 부착되어 있지 않고, 전극 연장부(83)에 용량적으로 연결된다.
도 8은 제 6 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서는 층 구조체는 엣치 스탑 층(200)을 더 포함한다. 이 엣치 스탑 층(200)은 노즐의 원위 단부 표면(33)에서 장치 층(6)과 제 1 절연 층(7) 사이에 배치된다. 예리한 천이부의 형태로 되어 있는 접촉각 불연속부(201)가, 엣치 스탑 층(200)의 아래에 있는 외측 노즐 벽(32)을 옆에서 언더 엣칭하여 엣치 스탑 층(200)에 형성되어 있다. 접촉각 불연속부(201)는 액체(42)에 의한 링 트렌치(31)의 젖음을 피하기 위해 사용된다.
도 9는 제 7 실시 형태에 따른 프린트 헤드(1)의 단면도를 나타내며, 여기서는 층 구조체는 장치 층(6)과 제 1 절연 층(7) 사이에 배치되는 전기 전도성 장치 코팅(62)을 더 포함하고, 이 코팅은 전압 강하 없이 장치 층(6)에 대한 전기 포텐셜의 분포를 개선해 준다. 장치 코팅(62)은 또한 노즐의 원위 단부 표면(33)을 덮을 수 있다. 장치 코팅(62)은 엣치 스탑 층(201)과 조합될 수 있고, 이 경우, 장치 코팅(62)이 먼저 증착되어야 하는데, 즉 장치 코팅(62)이 장치 층(6)에 배치되어 양호한 전기적 접촉을 제공하고, 엣치 스탑 층(201)은 장치 코팅(62)과 제 1 절연 층(7)(미도시) 사이에 배치된다. 장치 코팅(62) 및 엣치 스탑 층(201)은, 장치 코팅과 엣치 스탑 층 둘 모두의 요건을 만족하는 동일한 재료로 만들어질 수 있고, 이 경우 그것들은 본질적으로 단일 층으로 병합된다.
도 10은 2개의 세그먼트로 분할된 추출 전극(좌측) 및 3개의 세그먼트로 분할된 추출 전극(우측)의 상면도를 각각 나타낸다. 특히, 환형 추출 전극(8, 81), 즉 링 전극은 동일한 반환형 형태로 된 2개의 세그먼트(85, 85') 및 3개의 세그먼트(85, 85', 85")로 분할되어 있고, 이들 세그먼트는 균일하게 배열되어 있고 그들의 반대편 단부, 즉 서로 인접하는 세그먼트의 단부 사이의 측방 간격을 에워싼다.
도 11은 프린트 헤드(1)의 단면을 개략적으로 나타내는데, 2개의 액체 공급 층(4, 4')이 스탑 층(5) 위쪽에 배치되어 있다. 스탑 층(5)에 인접하여 배치되어 있는 액체 공급 층은 액체 공급 저장부(41)를 형성하는데, 이 액체 공급 저장부는 프린트 헤드(1)의 층 구조체(나타나 있지 않음)에 형성되어 있는 노즐(3, 3')의 노즐 개구(34)와 유체 연통한다. 상기 액체 공급 층의 위에 배치되어 있는 제 2 액체 공급 층은 액체 공급 채널(46)을 형성하며, 액체(42)가 누출되지 않는 유체 연결부(47)를 통해 그 액체 공급 채널 안으로 도입되며, 그 연결부는 액체 공급 채널 을 유체 공급 유닛(400)에 연결하고, 이 유체 공급 유닛은 노즐 개구(34)로부터 액적(43)의 방출과 관련된 양을 조절할 수 있다.
도 12는 전기 수력학적 프린트 헤드를 개략적으로 나타내는데, 여기서 기판(2)은 진공 클램핑에 의해 가속 전극(9) 상에 움직이지 못하게 위치되어 있다. 가속 전극(9)에는 구멍(91)이 뚫려 있는데, 펌핑 윤닛(92)이 가속 전극(9)에 부착되어 구멍(91)을 배출시키기 위해 사용될 때 기판(2)이 상기 구멍에 의해 가속 전극(9)에 고정될 수 있다.가속 전극(9)은 가속 전극 홀더(93)에 기계적으로 부착되며, 가속 전극 홀더는 진동 클램핑을 제공하고 예컨대 펠티어(Peltier) 요소에 의해 가열 또는 냉각될 수 있다. 프린트 헤드(1)는 프린트 헤드 홀더(401)에 부착될 수 있다. 프린트 헤드(1) 및 프린트 헤드 홀더(401)는 위치 결정 시스템(403)에 장착되며, 이 위치 결정 시스템은 적어도 3개의 자유도로 x, y 및 z 방향으로 병진 이동할 수 있지만 바람직하게는 기울어짐 및/또는 경사 및/또는 회전 운동도 가능하다. 프린트 헤드(1)에 배치되어 있는 센서(402)는 프린트 헤드의 온도를 측정하고 또한 기판(2)과 프린트 헤드(1) 사이의 거리도 측정하며 제어 유닛에 연결되어 있고, 이 제어 유닛은 온도와 거리의 측정 값을 피드백 제어로 맞추기 위해 측정 데이타를 사용한다. 온도 센서(나타나 있지 않음)가 또한 가속 전극 홀더에 통합될 수 있고, 가속 전극 홀더의 열 제어를 통해 기판 온도의 측정 및 대략적인 제어를 가능하게 하는 제어 유닛에 연결될 수 있다.
도면은 특정한 배치 및 수의 추출 전극, 층 등을 갖는 프린트 헤드의 개별적인 실시 형태를 나타내지만, 특정한 프린트 헤드가 상기 특징의 원하는 어떤 조합도 포함하는 다양한 다른 구성도 가능하다.
1 프린트 헤드
2 기판
3 제 1 노즐
3' 추가 노즐
31 링 트렌치
32 환형 노즐 벽
33 원위 단부 표면
34 노즐 개구
35 외측 링 트렌치 벽
36 내측 링 트렌치 벽
37 방출 채널
4 액체 공급 층
41 액체 공급 저장부
42 액체
43 액적
44 아이들 메니스커스
45 볼록 메니스커스
46 액체 공급 채널
47 누출이 없는 유체 연결부
5 스탑 층
6 장치 층
62 장치 코팅
7 제 1 절연 층
71, 71' 추가 절연 층
72 말단 절연 층
8 제 1 추출 전극
81 추가 추출 전극
82 균질화 전극
83 전극 연장부
84, 84' 전도성 경로
85, 85', 85" 전극 세그먼트
9 가속 전극
91 구멍
92 펌핑 유닛
93 가속 전극 홀더
10 차폐 층
200 엣치 스탑 층
201 접촉각 불연속부
300 표면 코팅
301 보호 코팅
400 유체 공급 유닛
401 프린트 헤드 홀더
402 센서
403 위치 결정 시스템
500 층 구조체

Claims (28)

  1. 기판(2) 상에 액체(42)를 증착시키기 위한 프린트 헤드(1)로서, 프린트 헤드(1)는 층 구조체를 포함하고, 층 구조체는,
    유전성 재료로 만들어진 스탑 층(5);
    상기 스탑 층(5)에 증착된 장치 층(6); 및
    유전성 재료로 만들어지고 상기 장치 층(6)에 증착되는 제 1 절연 층(7)
    을 방출 방향을 따라 나열된 순서대로 포함하고,
    적어도 하나의 제 1 노즐(3)이 상기 층 구조체에 형성되어 있고, 제 1 노즐(3)은 상기 액체(42)를 방출하기 위한 노즐 개구(34)를 가지며, 상기 노즐 개구(34)는 상기 층 구조체를 통해 연장되어 있고,
    링 트렌치(ring trech)(31)가 상기 장치 층(6)에 형성되어 있으며, 상기 링 트렌치(31)는 반경 방향으로 상기 제 1 노즐(3)을 둘러싸며 또한 장치 층(6)으로부터 연장되어 있으며,
    상기 노즐 개구(34) 및 링 트렌치(31)는 환형 노즐 벽(32)에 의해 반경 방향으로 서로 분리되어 있고, 상기 환형 노즐 벽은 원위 단부 표면(33)을 가지며,
    방출 채널(37)이 상기 제 1 절연 층(7)에 형성되어 있고, 상기 방출 채널(37)은 제 1 노즐(3) 주위에 중심 맞춤되어 있고 또한 제 1 절연 층(7)으로부터 노즐의 원위 단부 표면(33)까지 계속하여 연장되어 있고,
    제 1 추출 전극(8)이 상기 제 1 절연 층(7)에 배치되어 제 1 노즐(3)을 둘러싸고,
    상기 제1 추출 전극은 방출 방향에 관하여 상기 제1 절연 층 뒤에 배치되는,
    프린트 헤드(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 노즐 벽(32)은 노즐 직경을 규정하는 외주 표면을 가지며, 상기 노즐 직경의 절반은 노즐 반경을 규정하고,
    상기 링 트렌치(31)는, 노즐 반경의 절반과 노즐 반경의 10배 사이에서, 또는 노즐 반경의 1배와 노즐 반경의 4배 사이에서 선택되는 폭을 갖는, 프린트 헤드(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 추출 전극(8)은 상기 방출 채널(37)을 반경 방향으로 둘러싸는 환형부를 가지고 있는, 프린트 헤드(1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 추출 전극(8)의 환형부는 전극 폭을 규정하고, 전극 폭은 제 1 노즐(3)의 노즐 반경의 절반과 노즐 반경의 10배 사이에서, 또는 노즐 반경의 1배와 노즐 반경의 4배 사이에서 선택되는, 프린트 헤드(1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 전도성 경로(84)가 상기 제 1 추출 전극(8)과 전기적으로 접촉하기 위해 상기 제 1 추출 전극(8)에 부착되어 있고, 노즐에서 대칭적인 전기장을 발생시키기 위해 다른 전도성 경로(84')가 상기 제 1 추출 전극(8)에 부착되어 있는, 프린트 헤드(1).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 노즐(3')이 층 구조체에 형성되어 있는, 프린트 헤드(1).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 추가 노즐(3')은 제 1 노즐(3) 보다 큰 직경을 가지고 있는, 프린트 헤드(1).
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 층 구조체는 적어도 하나의 추가 절연 층(71)을 포함하고, 적어도 하나의 추가 절연 층(71)은 방출 방향을 따라 제 1 절연 층(7)에 배치되고, 적어도 하나의 추가 절연 층(71)은 적어도 하나의 제 1 노즐(3) 및/또는 적어도 하나의 추가 노즐(3')의 위치에서 개구를 형성하고, 개구는 상기 방출 채널(37)을 연장하는, 프린트 헤드(1).
  9. 제 8 항에 있어서,
    추가 추출 전극(81)을 더 포함하고, 상기 추가 추출 전극(81)은 상기 추가 절연 층(71) 또는 제 1 절연 층(7)에 배치되며, 추가 추출 전극(81)은 상기 추가 노즐(3')을 둘러싸는, 프린트 헤드(1).
  10. 제 8 항에 있어서,
    적어도 하나의 균질화 전극(82)이 적어도 하나의 추가 절연 층(71)에 배치되어 있고, 상기 적어도 하나의 추가 절연 층은 방출 방향을 따라 제 1 추출 전극 또는 추가 추출 전극(81)에 배치되며, 상기 적어도 하나의 균질화 전극(82)은, 방출 채널(37)의 직경과 같거나 그 보다 큰 내경을 갖는 링 전극으로서 상기 제 1 노즐(3) 및/또는 추가 노즐(3')을 각각 둘러싸는, 프린트 헤드(1).
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층 구조체는 말단 절연 층(72)을 포함하고, 말단 절연 층(72)은, 방출 방향을 따라 상기 스탑 층(5)으로부터 가장 멀리 배치되어 있는 제 1 절연 층(7) 또는 추가 절연 층(71)에 배치되며, 말단 절연 층(71)은 방출 방향을 따라 방출 채널(37)을 연장하는 개구를 형성하고,
    차폐 층(10)이 상기 말단 절연 층(72)에 배치되어 있고, 차폐 층(10)은 전기 전도성이고, 차폐 층은 방출 채널(37)을 둘러싸는 원형 개구를 가지며, 원형 개구의 직경은 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극의 각각의 환형부의 외경 보다 작으며, 차폐 층은 적어도 제 1 추출 전극 및/또는 추가 추출 전극을 넘어 반경 방향으로 연장되어 있는, 프린트 헤드(1).
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 추출 전극(8) 및/또는 추가 추출 전극(81) 및/또는 균질화 전극(82)은 전극 연장부(83)에 의해 연장되어 있고,
    전압 신호를 공급하는 전도성 경로(84)가 전극 연장부(83)에 증착되어 있는 상기 추가 절연 층(71)에 배치되어 있고, 전도성 경로(84)는 전극 연장부(83)에 용량적으로 연결된, 프린트 헤드(1).
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐(3) 및/또는 추가 노즐(3')의 원위 단부 표면(33)에 배치되는 엣치 스탑 층(200)을 더 포함하고, 엣치 스탑 층(200)은, 엣치 저항성인 재료를 포함하고, 또는 장치 층(6)과 제 1 절연 층(7) 사이에 장치 코팅(62)이 배치되고, 장치 코팅(62)은 전도성 재료를 포함하며,
    예리한 천이부의 형태로 된 접촉각 불연속부(201)가 액체(42)에 의한 링 트렌치(31)의 젖음을 피하기 위해 상기 링 트렌치(31)의 영역에서 엣치 스탑 층(200) 또는 장치 코팅(62)에 형성된, 프린트 헤드(1).
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 추출 전극(8)은 적어도 2개의 부분(85, 85'), 또는 적어도 3개의 부분(85, 85', 85")으로 분할되어 있는, 프린트 헤드(1).
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스탑 층(5) 아래에 배치되는 적어도 하나의 액체 공급 층(4)을 더 포함하고, 적어도 하나의 액체 공급 층(4)은, 노즐 개구(34)와 유체 연통하는 하나 이상의 액체 공급 저장부(41) 및/또는 하나 이상의 액체 공급 채널(46)을 형성하는, 프린트 헤드(1).
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    프린트 헤드(1)의 표면의 적어도 일부분은 보호 코팅(301)으로 피복되어 있고, 보호 코팅(301)은 유전성 재료로 재료로 만들어지고 주변의 기체 환경을 통한 유전성 브레이크다운을 방지하며, 그리고/또는
    프린트 헤드(1)의 표면의 적어도 일부분은 표면 코팅(300)으로 피복되어 있고, 상기 표면 코팅(300)은 액체 반발성을 가지는, 프린트 헤드(1).
  17. 전기 수력학적 인쇄 시스템으로서, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 프린트 헤드(1) 및 가속 전극(9)을 포함하고, 가속 전극(9)은 방출 방향을 따라 프린트 헤드(1)로부터 이격되어 있는, 전기 수력학적 인쇄 시스템.
  18. 제 17 항에 따른 전기 수력학적 인쇄 시스템을 사용하여 기판(2)에 액체(42)를 전기 수력학적으로 인쇄하는 방법으로서,
    ⅰ) 액체(42)를 노즐 개구(34)에 공급하는 단계;
    ⅱ) 노즐에 전기장을 형성하고/형성하거나 노즐 개구(34)의 영역에서 액체 표면의 볼록 메니스커스(meniscus)(44)를 형성하기 위해 장치 층(6)에 장치 포텐셜을 선택적으로 가하는 단계 - 액체(42)의 포텐셜에 대한 장치 포텐셜은 제로이거나 액적(43)의 방출에 필요한 최소 전압 보다 낮음 -;
    ⅲ) 추출 전극(8, 81) 중의 적어도 하나에 추출 포텐셜을 가하는 단계 - 액체(42)의 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜은 상기 볼록 메니스커스(44)로부터 액적(43)을 방출시키는데 필요한 최소 전압과 같거나 그 보다 높음 -;
    ⅳ) 방출된 액적(43)이 방출 채널(37)에서 옆으로 덜 휘도록 균질화 포텐셜을 균질화 전극(82)에 선택적으로 가하는 단계;
    ⅴ) 방출된 액적(43)이 방출 채널(37)에서 및 방출 채널(37)의 외부 영역에서 옆으로 덜 휘도록 차폐 포텐셜을 차폐 전극(10)에 선택적으로 가하는 단계; 및
    ⅵ) 방출된 액적(43)이 기판(2) 쪽으로 가속되도록 가속 포텐셜을 가속 전극(9)에 가하는 단계
    를 임의적인 순서로 포함하고,
    상기 단계들 중의 하나 이상이 동시에 수행되는, 기판에 액체를 전기 수력학적으로 인쇄하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    액체(42)의 포텐셜에 대한 가해지는 장치 포텐셜은, 액적의 방출 중에 공급액체(42)의 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜과 다른 극성을 가지며, 그리고/또는
    액체 포텐셜에 대한, 차폐 층(10)에 가해지는 차폐 포텐셜은, 액체 포텐셜에 대한, 추출 전극(8, 81)에 가해지는 추출 포텐셜 보다 작은 진폭을 가지며, 액체 포텐셜에 대한, 균질화 전극(82)에 가해지는 균질화 포텐셜은, 액적의 방출 중에 액체 포텐셜에 대한, 추출 전극(8, 81)에 가해지는 추출 포텐셜 보다 작은 진폭을 가지며, 그리고/또는
    상기 액적(43)의 방출과 관련된 양은 유체 공급 유닛(400)에 의해 조절되는, 기판에 액체를 전기 수력학적으로 인쇄하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 장치 층은 전기 전도성이고,
    상기 링 트렌치가 상기 장치 층으로부터 상기 스탑 층까지 계속하여 연장되어 있는, 프린트 헤드(1).
  21. 제 5 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 전도성 경로는 적어도 상기 제 1 추출 전극 근처에서 상기 제 1 추출 전극의 전극 폭 보다 작은 폭을 가지며, 상기 노즐에서 대칭적인 전기장을 발생시키기 위해 상기 적어도 하나의 전도성 경로의 반대편에서 다른 전도성 경로가 상기 제 1 추출 전극에 부착되어 있는, 프린트 헤드(1).
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 링 전극은 각각 상기 제 1 추출 전극 또는 상기 추가 추출 전극의 내경과 같거나 그 보다 큰 내경을 갖는, 프린트 헤드(1).
  23. 제 11 항에 있어서,
    상기 차폐 층은 연속 층으로 형성된, 프린트 헤드(1)
  24. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 전극 연장부는 직선 형태로 되어 있고,
    상기 전극 연장부는 상기 제 1 추출 전극 및 상기 추가 추출 전극 및 상기 균질화 전극 중 적어도 하나의 상기 전극 폭과 같거나 그 보다 작은 폭을 가지며,
    상기 전도성 경로와 노즐 개구 사이의 반경 방향 거리는, 상기 제 1 추출 전극 및 상기 추가 추출 전극 및 상기 균질화 전극 중 적어도 하나의 환형부의 외주와 상기 노즐 개구 사이의 거리 보다 크며, 적어도 하나의 전도성 경로의 상기 폭은 상기 전극 연장부의 폭 보다 넓게 되어 있어 전극 연장부와 전도성 경로 사이의 용량적 연결을 개선하는, 프린트 헤드(1).
  25. 제 13 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 엣치 스탑 층은 상기 장치 층과 상기 제 1 절연 층 사이에 배치되고, 상기 엣치 저항성 재료는 유전성 재료이고, 상기 장치 코팅의 상기 전도성 재료는 금속인, 프린트 헤드(1).
  26. 제 16 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 프린트 헤드는 상기 기판을 향하는 상기 프린트 헤드의 측에서 상기 노즐 개구를 넘어 모든 표면에 적어도 피복되어 있고, 상기 표면 코팅은 중합체 및 유기 재료 중 적어도 하나를 포함하는, 프린트 헤드(1).
  27. 제 16 항에 있어서,
    상기 표면 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는, 프린트 헤드(1).
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 ⅰ)에서 공급되는 상기 액체는 전기적으로 접지되는, 기판에 액체를 전기 수력학적으로 인쇄하는 방법.
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