KR102568564B1 - 잉크 공급 수위 조절 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레저버의 내부에, 레저버의 내부공간을 프린트 헤드로 전달되는 잉크가 수용되는 공급용 공간과 공급용 공간에서 흘러넘친 잉크가 수용되는 배수용 공간으로 구획하는 수위유지용 격벽이 배치된다. 이로 인해, 종래기술처럼 수위확인센서의 감지에 의해 잉크를 가감하여 잉크의 수위를 조정할 필요 없이, 공급용 공간으로 잉크가 계속 공급되기만 하면, 공급용 공간에 수용된 잉크의 수위는 수위유지용 격벽에 의해 자동으로 일정하게 유지될 수 있다. 이로 인해, 프린트 헤드의 분사노즐들 내부의 잉크에 걸리는 압력은 일정하게 유지되고, 프린트 헤드의 분사노즐들의 입구에 형성된 메니스커스도 균일하게 유지될 수 있다. 따라서, 분사와 정지를 반복하더라도 분사노즐들에서 잉크의 균일한 출력이 가능하여, 잉크젯 프린터의 제어 정밀도가 향상될 수 있고, 간단한 방식으로 제어가 가능하다.

Description

잉크 공급 수위 조절 시스템{Ink supply level control system}
본 발명은 잉크 공급 수위 조절 시스템에 관한 것이다.
잉크젯 프린팅 기술이란 부피가 작은 액적을 전기 또는 자기로부터 나오는 힘이나 공압에 의해 초당 수백번 이상의 빈도로 인쇄 대상물에 잉크를 분사하여 직접 패턴을 만드는 기술을 말한다. 잉크젯 프린터는 이러한 잉크젯 프린팅 기술을 구현하기 위해 잉크를 원하는 위치에 분사하여 인쇄하는 장치이다.
최근, 잉크젯 프린터는 디스플레이 및 반도체 등의 패터닝 공정과 같은 정보 통신 분야뿐만 아니라 DNA chip 제조와 같은 바이오테크놀로지 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
이러한 분야에서 사용되는 잉크젯 프린터는 제어 정밀도가 매우 중요하다. 제어 정밀도를 향상시키기 위해서 프린트 헤드의 노즐에서 잉크가 균일하게 토출될 필요가 있다. 잉크(I)의 균일한 토출을 위해서는 프린트 헤드(10)의 노즐(12b) 내부에서 토출 준비상태인 잉크(I)가 노즐(12b) 입구를 기준으로 모세관 현상에 의해 형성된 메니스커스(meniscus)(M)를 일정하게 유지하는 것이 필수적이다(도 1 참조). 메니스커스(M)가 일정하지 않다면, 노즐(12b)에서 잉크(I)가 분사될 때 잉크(I)의 액적 형상 및 액적의 크기가 달라질 수 있다.
메니스커스(M)는 노즐(12b) 내부의 잉크(I)에 걸리는 압력에 의해 결정되는데, 노즐(12b) 내부의 잉크(I)에 걸리는 압력은 프린트 헤드(10)의 하단에서 레저버(reservoir)(20) 내부의 잉크(I) 상면까지의 수위(H)와 레저버(20)의 내부 압력(P)에 의해 결정된다. 따라서, 프린트 헤드(10)의 하단에서 레저버(20) 내부의 잉크(I) 상면까지의 수위(H)를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 잉크젯 프린터는 레저버(20)에 각종 수위확인센서(21)를 설치하여 레저버(20) 내부에 수용된 잉크(I)의 수위를 감지하고, 레저버(20)에 연결된 잉크 공급 배관(31)과 잉크 배수 배관(32)을 통해 잉크(I)를 가감함으로써 레저버(20) 내부에 수용된 잉크(I)의 수위를 조절하였다.
그러나, 이러한 방식은 레저버(20) 내부의 잉크(I)의 수위 변화를 수위확인센서(21)가 감지한 후 이미 발생한 잉크(I)의 수위 변화를 사후적으로 보상할 뿐, 레저버(20) 내부의 잉크(I)의 수위 변화 자체를 방지할 수는 없다.
또한, 수위확인센서(21)는 잉크(I)의 미세한 출렁거림에 의한 레저버(20) 내부의 잉크(I)의 수위 변화에도 민감하게 반응할 수 있어, 레저버(20) 내부로 공급 및 배수되는 잉크(I)를 정밀하게 제어하기 어렵고, 제어 방법도 복잡하고 어려울 수밖에 없다.
한국등록특허(10-2127954)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 잉크 공급 수위 조절 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 잉크 공급 수위 조절 시스템은,
인쇄 대상물을 향해 잉크를 토출시키는 프린트 헤드;
상기 잉크를 내부에 수용하며, 상기 프린트 헤드에 연결되어 수용된 상기 잉크를 상기 프린트 헤드로 전달하는 레저버;
상기 레저버에 연결되며, 상기 레저버로 상기 잉크를 공급 및 배출하는 잉크 공급유닛; 및
상기 레저버 내부의 음압을 제어하는 음압 조절유닛을 포함하며,
상기 레저버의 내부에는, 상기 레저버의 내부공간을, 상기 프린트 헤드로 전달되는 상기 잉크가 수용되는 공급용 공간과, 상기 공급용 공간에서 흘러넘친 상기 잉크가 수용되는 배수용 공간으로 구획하는 수위유지용 격벽이 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 레저버의 내부에, 레저버의 내부공간을 프린트 헤드로 전달되는 잉크가 수용되는 공급용 공간과, 공급용 공간에서 흘러넘친 잉크가 수용되는 배수용 공간으로 구획하는 수위유지용 격벽이 배치된다. 이로 인해, 종래기술처럼 수위확인센서의 감지에 의해 잉크를 가감하여 잉크의 수위를 조정할 필요 없이, 공급용 공간으로 잉크가 계속 공급되기만 하면, 공급용 공간에 수용된 잉크의 수위는 수위유지용 격벽에 의해 자동으로 일정하게 유지될 수 있다. 이로 인해, 프린트 헤드의 분사노즐들 내부의 잉크에 걸리는 압력은 일정하게 유지되고, 프린트 헤드의 분사노즐들의 입구에 형성된 메니스커스도 균일하게 유지될 수 있다. 따라서, 분사와 정지를 반복하더라도 분사노즐들에서 잉크의 균일한 출력이 가능하여, 잉크젯 프린터의 제어 정밀도가 향상될 수 있고, 간단한 방식으로 제어가 가능하다.
본 발명은 레저버를 프린트 헤드에 대해 상하방향으로 상대 이동시키는 레저버 승강유닛을 포함한다. 이로 인해, 프린트 헤드의 하단에서 레저버 내부의 잉크 상면까지의 수위를 자유자재로 조절하여, 프린트 헤드의 분사노즐 내부의 잉크에 걸리는 압력을 조절할 수 있다. 따라서, 프린트 헤드의 분사노즐 내부의 잉크에 걸리는 압력에 의해 형성되는 메니스커스의 형상, 크기, 위치 등을 필요에 따라 조절할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 잉크 공급 수위 조절 시스템의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구조 및 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템을 자세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템은, 프린트 헤드(100), 레저버(200), 잉크 공급유닛(300), 음압 조절유닛(400)으로 구성된다.
[프린트 헤드(100)]
프린트 헤드(100)는 인쇄 대상물을 향해 잉크를 토출시킨다.
프린트 헤드(100)는 전달용 배관(111, 112)과 헤드 몸체(120)로 구성된다.
전달용 배관(111, 112)은 레저버(200)에 연결되며, 내부가 레저버(200)의 공급용 공간(S1)에 연통된다. 전달용 배관(111, 112)은 제1전달용 배관(111)과 제2전달용 배관(112)으로 구성된다. 제1전달용 배관(111)과 제2전달용 배관(112)은 레저버(200)의 공급용 공간(S1)의 하단부에 일정 간격을 두고 배치되며, 각각의 내부는 레저버(200)의 공급용 공간(S1)에 연통된다.
헤드 몸체(120)는 전달용 배관(111, 112)에 결합된다. 헤드 몸체(120)는 내부에, 전달용 배관(111, 112)의 내부에 연통되는 잉크 유로(121)와, 잉크 유로(121)의 내부에 연통되어 전달용 배관(111, 112)으로부터 전달된 잉크를 분사하는 복수 개의 분사노즐(122)이 형성된다. 잉크 유로(121)의 일단은 제1전달용 배관(111)의 내부에 연통되고, 잉크 유로(121)의 다른 일단은 제1전달용 배관(111)의 내부에 연통된다.
[레저버(200)]
레저버(200)는 잉크를 내부에 수용하며, 프린트 헤드(100)에 연결되어 수용된 잉크를 프린트 헤드(100)로 전달한다. 레저버(200)는 프린트 헤드(100)보다 높게 위치된다.
레저버(200)의 내부에는, 레저버(200)의 내부 공간을 프린트 헤드(100)로 전달되는 잉크가 수용되는 공급용 공간(S1)과 공급용 공간(S1)에서 흘러넘친 잉크가 수용되는 배수용 공간(S2)으로 구획하는 수위유지용 격벽(210)이 배치된다.
수위유지용 격벽(210)은, 하단부가 레저버(200)의 하부 내벽면에 고정되며, 상단부가 레저버(200)의 상부 내벽면에 대해 미리 결정된 간격만큼 이격된다. 따라서, 공급용 공간(S1)에 일정량의 잉크가 계속 공급되면 공급용 공간(S1)의 잉크는 수위유지용 격벽(210)의 높이까지 채워지고, 공급용 공간(S1)을 채우고 남은 잉크는 수위유지용 격벽(210)으로 흘러넘쳐 배수용 공간(S2)으로 유동할 수 있다. 그 결과 레저버(200)의 공급용 공간(S1)의 수위는 일정하게 유지된다.
레저버(200)의 공급용 공간(S1)에는, 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크의 수위를 감지하는 수위감지센서(220)가 배치된다. 수위감지센서(220)는 공급용 공간(S1)에 잉크가 공급되고 있는지 확인하기 위한 것이다. 수위감지센서(220)는 전자식, 기계식, 접촉식, 비접촉식 등 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
수위감지센서(220)는 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크의 수위의 정보를 인터락용 제어부(미도시)에 전달한다. 인터락용 제어부(미도시)는 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크의 수위가 소정의 높이보다 낮을 경우(예를 들어, 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크의 수위가 수위유지용 격벽(210)의 상단부보다 낮은 위치에 위치할 경우)에 잉크의 분사를 정지시킨다.
[잉크 공급유닛(300)]
잉크 공급유닛(300)은 레저버(200)에 연결되며, 레저버(200)로 잉크를 공급 및 배출한다. 잉크 공급유닛(300)은 레저버(200)의 내부 압력이 유지될 수 있도록 외기 접촉이 차단된다.
잉크 공급유닛(300)은, 잉크 탱크(310), 공급용 배관(320), 배수용 배관(330), 펌프(340)로 구성된다.
잉크 탱크(310)는 레저버(200)에 공급하기 위한 대용량의 잉크가 저장된다.
공급용 배관(320)은 잉크 탱크(310)와 레저버(200)에 연결된다. 공급용 배관(320)은 내부가 잉크 탱크(310)와 레저버(200)의 공급용 공간(S1)에 연통되어, 잉크 탱크(310)에 저장된 잉크를 레저버(200)의 공급용 공간(S1)에 공급한다.
배수용 배관(330)은 잉크 탱크(310)와 레저버(200)에 연결된다. 배수용 배관(330)은 내부가 레저버(200)의 배수용 공간(S2)과 잉크 탱크(310)에 연통되어, 레저버(200)의 배수용 공간(S2)에 수용된 잉크를 잉크 탱크(310)로 배출한다.
펌프(340)는 배수용 배관(330)에 연결되며, 배수용 배관(330)의 내부에서 잉크를 유동시킨다. 펌프(340)는 레저버(200)의 배수용 공간(S2)에서 배출된 잉크가 배수용 배관(330)을 통해 레저버(200)보다 높은 곳에 위치된 잉크 탱크(310)로 이동할 수 있게 한다.
본 실시예에서 잉크 탱크(310)는 레저버(200)보다 높게 위치된다. 그러나, 이와 달리 잉크 탱크(310)가 레저버(200)보다 낮게 위치될 수도 있다. 이 경우 펌프(340)는 공급용 배관(320)에 연결되어, 잉크가 잉크 탱크(310) 보다 높은 곳에 위치된 레저버(200)로 이동할 수 있게 한다.
[음압 조절유닛(400)]
음압 조절유닛(400)은 레저버(200) 내부의 음압(negative pressure)을 제어한다. 여기서 음압이란 대기압보다 낮은 압력을 의미한다. 음압 조절유닛(400)은 레저버(200)의 내부를 진공으로 유지하여 레저버(200) 내부에 음압을 발생시킴으로써, 프린트 헤드(100)의 분사노즐(122) 내부의 잉크가 흘러내리는 것을 방지하여 메니스커스 상태를 유지하도록 한다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 작동에 대해 자세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 잉크 공급유닛(300)의 잉크 탱크(310)에 저장된 잉크(I)가 공급용 배관(320)을 통해 레저버(200)의 공급용 공간(S1)으로 계속 공급된다.
수위유지용 격벽(210)의 높이를 초과하는 잉크(I)는 수위유지용 격벽(210)을 타고 흘러넘쳐 배수용 공간(S2)으로 유입된다. 배수용 공간(S2)에 유입된 잉크(I)는 잉크 공급유닛(300)의 펌프(340)를 사용하여 배수용 배관(330)을 통해 잉크 탱크(310)로 항상 일정하게 배수된다. 따라서, 배수용 공간(S2)의 수위도 일정하게 유지된다. 잉크 탱크(310)로 배수된 잉크(I)는 잉크 탱크(310)에 저장된 잉크(I)와 합쳐지고, 공급용 배관(320)을 통해 다시 레저버(200)로 공급된다.
이와 같은 순환구조를 통해 레저버(200)의 공급용 공간(S1)으로 잉크(I)가 계속 공급된다. 따라서, 레저버(200) 내부의 잉크 수위는 수위유지용 격벽(210)의 높이보다 낮아지거나 높아지지 않고, 수위유지용 격벽(210)의 높이만큼 항상 일정하게 자동으로 유지될 수 있다.
만약, 잉크(I)가 레저버(200)의 공급용 공간(S1)으로 공급되지 않아 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크(I)의 수위가 수위유지용 격벽(210)의 상단부보다 낮을 경우, 수위감지센서(220)가 이를 감지한다. 수위감지센서(220)는 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크 수위의 정보를 인터락용 제어부(미도시)에 전달한다. 인터락용 제어부(미도시)는 잉크 공급유닛(300)으로부터 레저버(200)의 공급용 공간(S1)으로 잉크 공급이 재개될 때까지 프린트 헤드(100)에서 잉크(I)의 분사를 정지시킨다.
한편, 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H) 차이에 의해, 공급용 공간(S1)에 수용된 잉크(I)는 제1전달용 배관(111)과 제2전달용 배관(112)을 통해 헤드 몸체(120)의 잉크 유로(121)로 유입된다. 잉크 유로(121)로 유입된 잉크(I)는 잉크 유로(121)에 연통된 분사노즐(122)로 전달된다.
레저버(200)의 내부 압력(P)은 음압 조절유닛(400)에 의해 음압 상태로 제어되기 때문에, 프린트 헤드(100)의 분사노즐(122) 내부의 잉크(I)는 분사가 정지됐을 때 외부로 흘러내리지 않는다.
이와 같이, 레저버(200) 내부의 잉크 수위가 일정하게 유지되어 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H)가 일정하게 유지되고, 레저버(200)의 내부 압력(P)이 음압 상태로 일정하게 제어되면, 프린트 헤드(100)의 분사노즐(122) 내부의 잉크(I)에 걸리는 압력은 일정하게 유지된다. 따라서, 프린트 헤드(100)의 분사노즐(122)의 입구에 형성된 메니스커스도 균일하게 유지될 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템을 자세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템은, 프린트 헤드(100), 레저버(200), 잉크 공급유닛(300), 음압 조절유닛(400), 레저버 승강유닛(500)으로 구성된다. 본 실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템은 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구성과 비교하여, 레저버 승강유닛(500)이 추가되는 것을 제외하고는 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구성과 동일하므로, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
[레저버 승강유닛(500)]
레저버 승강유닛(500)은 레저버(200)에 연결되며, 레저버(200)를 프린트 헤드(100)에 대해 상하방향으로 상대 이동시킨다.
레저버 승강유닛(500)은 승강블록부재(510), 승강 가이드부재(미도시), 승강 구동부재(530)로 구성된다. 본 실시예에서 각 부재는 한 쌍씩 구비되며, 레저버(200)의 양측에 각각 한 개씩 배치된다. 그러나, 이와 달리 레저버(200)의 일측에 한 개만 설치될 수도 있다.
승강블록부재(510)는 레저버(200)에 결합된다.
승강 가이드부재(미도시)는 승강블록부재(510)에 연결되며, 승강블록부재(510)의 이동을 안내한다. 본 실시예에서 승강 가이드부재(미도시)는 승강블록부재(510)가 슬라이딩 이동 가능하게 결합된 가이드 레일로 이루어질 수 있다.
승강 구동부재(530)는 승강블록부재(510)에 연결되며, 승강블록부재(510)를 이동시킨다. 본 실시예에서 승강 구동부재(530)는 볼스크류방식의 리니어모터로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 작동에 대해 자세히 설명한다.
제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구성과 동일한 구성은 작동도 동일하므로 그 설명을 생략하고, 제1실시예에 따른 잉크 공급 수위 조절 시스템의 구성과 구별되는 레저버 승강유닛(500)의 작동에 대해서만 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 레저버 승강유닛(500)의 승강 구동부재(530)를 작동시키면, 레저버(200)에 결합된 승강블록부재(510)가 승강 가이드부재(미도시)를 따라 상하 방향으로 이동하여 레저버(200)의 상하 위치를 변경한다. 레저버(200)의 위치가 낮아지면 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H)가 낮아지고, 레저버(200)의 위치가 높아지면 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H)가 높아진다.
프린트 헤드(100)의 분사노즐(122) 내부의 잉크(I)에 걸리는 압력은 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H)에 의해 형성되므로, 프린트 헤드(100)의 하단에서 레저버(200) 내부의 잉크 상면까지의 수위(H)를 조절함으로써, 프린트 헤드(100)의 분사 노즐 내부의 잉크(I)에 걸리는 압력을 조절할 수 있다.
10: 프린트 헤드 12b: 노즐
20: 프린트 헤드 21: 수위확인센서
31: 잉크 공급 배관 32: 잉크 배수 배관
40: 음압 조절유닛 100: 프린트 헤드
111, 112: 전달용 배관 120: 헤드 몸체
121: 잉크 유로 122: 분사노즐
200: 레저버 210: 수위유지용 격벽
220: 수위감지센서 300: 잉크 공급유닛
310: 잉크 탱크 320: 공급용 배관
330: 배수용 배관 340: 펌프
400: 음압 조절유닛 500: 레저버 승강유닛
510: 승강블록부재 530: 승강 구동부재
H: 프린트 헤드의 하단에서 레저버 내부의 잉크 상면까지의 수위
I: 잉크 M: 메니스커스
S1: 공급용 공간 S2: 배수용 공간

Claims (5)

  1. 디스플레이 패터닝 공정시 또는 반도체의 패터닝 공정시 사용되는 인쇄 대상물을 향해 잉크를 토출시키는 프린트 헤드;
    상기 잉크를 내부에 수용하며, 상기 프린트 헤드에 연결되어 수용된 상기 잉크를 상기 프린트 헤드로 전달하며, 내부공간에 상기 프린트 헤드로 전달되는 상기 잉크가 수용되는 공급용 공간과, 상기 공급용 공간에서 흘러넘친 상기 잉크가 수용되는 배수용 공간으로 구획하는 수위유지용 격벽이 배치된 레저버;
    상기 레저버로 상기 잉크를 공급 및 배출하기 위해, 상기 잉크가 저장된 잉크 탱크와, 상기 잉크 탱크와 상기 레저버에 연결되어 상기 잉크 탱크에 저장된 상기 잉크를 상기 레저버의 공급용 공간에 공급하는 공급용 배관과, 상기 잉크 탱크와 상기 레저버에 연결되어 상기 레저버의 배수용 공간에 수용된 상기 잉크를 상기 잉크 탱크로 배출하는 배수용 배관과, 상기 배수용 배관에 연결되어 상기 배수용 배관의 내부에서 상기 잉크를 유동시키는 펌프로 구성된 잉크 공급유닛;
    상기 레저버 내부의 음압을 제어하는 음압 조절유닛; 및
    상기 프린트 헤드의 하단에서 상기 레저버 내부의 상기 잉크 상면까지의 수위를 조절하여, 상기 프린트 헤드의 분사 노즐 내부의 상기 잉크에 걸리는 압력을 조절하기 위해,
    상기 레저버에 결합된 승강블록부재와, 상기 승강블록부재에 연결되어 상기 승강블록부재의 상하 이동을 안내하는 가이드 레일과, 상기 승강블록부재를 상하로 이동시키는 승강 구동부재로 구성된 레저버 승강유닛을 포함하며,
    상기 수위유지용 격벽에 의해 항상 수위가 일정하게 유지되는 상기 공급용 공간의 하단부에는 제1전달용 배관의 일단과 제2전달용 배관의 일단이 일정 간격을 두고 연결되고,
    상기 제1전달용 배관의 타단은 상기 프린트 헤드 내부에 형성된 잉크 유로의 좌측 상단과 연결되고,
    상기 제2전달용 배관의 타단은 상기 잉크 유로의 우측 상단과 연결되어,
    상기 잉크 유로의 좌측 상단에 작용하는 압력과 상기 잉크 유로의 우측 상단에 작용하는 압력을 동일하게 하여, 상기 잉크 유로의 내부 압력을 항상 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 잉크 공급 수위 조절 시스템.
  2. 삭제
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