KR19990063501A - 액체 토출 방법 - Google Patents

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KR19990063501A
KR19990063501A KR1019980058930A KR19980058930A KR19990063501A KR 19990063501 A KR19990063501 A KR 19990063501A KR 1019980058930 A KR1019980058930 A KR 1019980058930A KR 19980058930 A KR19980058930 A KR 19980058930A KR 19990063501 A KR19990063501 A KR 19990063501A
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Abstract

본 발명의 액체 토출 방법은, 액체 토출에 제공되는 열 에너지를 발생하는 전열 변환기와, 전열 변환기 요소에 대향된 위치에 설치되는 액체를 토출하는 토출구와, 토출구에 액체를 공급하도록 토출구와 유체 유통하며 그 바닥측에 전열 변환기 요소를 가지는 유체 흐름 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 준비하는 단계와; 액체가 버블 압력으로 토출구를 통해 토출되는, 버블 생성을 위해 액체의 상태 변화가 일어나도록 액체에 열 에너지를 적용하는 단계를 포함하며; 버블은 먼저, 버블이 최대 체적에 이른 후에, 버블의 체적 감소 공정 시에 대기와 유통된다.

Description

액체 토출 방법
본 발명은 매체에 화상을 기록하기 위해 종이(a sheet of paper)와 같은 다양한 매체에 액적(liquid droplet)을 토출하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 극미세한 액적을 토출하는 방법에 관한 것이다.
현재, 다양한 기록방법이 다양한 프린터 또는 그와 같은 장치에 실질적으로 설치되어 사용되고 있다. 그 중에서, 특히 유효한 것으로는 미국 특허 제 4,723,129호 및 4,740,796호의 명세서에 기재된 잉크 제트 시스템을 이용하는 기록 방법을 들 수 있다. 상기 특허에 의거, 열 에너지는 일명 필름 보일링(film boiling)을 발생하는데 사용되며, 필름 보일링에 의해 발생되는 버블은 드롭렛(droplet)형태의 액체 토출용으로 사용된다.
잉크 제트 기본 기록 방법 중에서, 미국 특허 제 4,410,899호의 명세서에 기재된 하나는 버블을 형성하는 동안에 액체 통로를 막지 않는 잉크 제트 시스템 기본 기록방법을 공지하고 있다.
상기 명세서에 개재된 발명은 다양한 기록장치에 적용 가능한 것이다. 그런데 상기 명세서에 것은, 액체 토출을 위해 잉크 통로에 형성되는 버블이, 대기 공기와 접촉하도록 허용하는 기록 시스템(이하, 버블-대기 공기 접촉 시스템 또는 단순히 버블-공기 접촉시스템)이 실질적으로 사용되기에 충분한 정도로 개발되어져 있지 않은 것이다.
종래 버블-공기 통합 시스템은 버블 팽창에 의존하는 것인데, 이들은 액체 토출이란 면에서는 안정적이지 않은 것이다. 따라서, 이들은 실질적으로 사용을 위해서 설치하기에는 부적합한 것이다. 일본 공개 특허원 79-161935호는 양호한 시스템을 개재하고 있다. 그런데, 상기 시스템에 액체 토출 원리는 명확한 것이 아니다. 상기 시스템에 따르면, 원통형 히터는 원통형 노즐에 설치되고 그리고 노즐 내에 액체는 노즐에 형성된 버블에 의해 두 개(2) 부분으로 분할되어 진다. 그런데 상기 시스템은 주(主) 액적이 발생됨과 동시에 다량의 극미세한 액적(ultramicroscopic liquid droplets)이 발생되는 문제가 있는 것이다.
또한, 미국 특허 제 4,638,337호의 명세서는 그 종래 기술 설명부분에서 버블-공기 통합 시스템의 구조를 기재하고 있다. 상기 특허의 불만족한 예는, 잉크가 토출 되어 낙하되는 또는 잉크가 미리 정해진 방향으로부터 이탈진 방향으로 토출되는, 액체 토출 헤드 구조를 기재하고 있다는 것이며, 열 발생 요소에 의해 주어지는 열 에너지에 의해 액체에서 발생되는 버블이 대기 공기와 접촉되는 것이다.
이러한 현상은 특정한 비정상적인 상태에서 발생하는 것이다. 예를 들면, 만일 열 발생 요소를 운영하여 성장되어진 버블이, 잉크 토출 순간에 잉크 통로(노즐)의 토출 오리피스에 인접하여 배치되는 것이 바람직한 매니스커스(meniscus)가 열 발생 요소 쪽으로 바로 수축되어질 때에 그 지점에서 액체를 토출 한다면, 잉크 또는 액체는 바람직하지 않은 방식으로 토출이 이루어지는 것이다.
이것은 이러한 현상이 미국 특허 제 4,638,337호의 명세서에 바람직하지 않은 예로서 명확하게 기술되어져 있는 분명한 사실이다.
다르게는, 일본 공개 특허원 92-10940호, 92-10941호, 92-10942호 및 92-12859호에 개재된 버블-공기 접촉 시스템 출원 예를 들 수 있다. 그런데, 상기 발명은 버블 파열에 의한 상술된 액체의 튀김 또는 잉크 튀김(splashes)의 발생과 신뢰할 수 없는 버블 형성이 있다는 사실을 일본 관보 간행물(Japanese official gazettes)은 공지하고 있다. 이들은 액체의 일명 필름 보일링이 발생하는 지점으로 갑자기 액체 온도가 상승하기에 충분한 량으로 액체 통로에 있는 액체에 열 에너지를 제공하고 그리고 버블이 액체 통로 내에 액체에서 발생되는 공정과, 기록 공정에서 발생되는 버블이 대기 공기에 접촉되는 공정을 포함하는 기록 방법인 것이다.
액체 통로에 있는 토출 오리피스에 인접하여 버블이 대기 공기와 접촉하도록 하는 기록 방법에 의거, 액체는 토출 오리피스에 인접하여 종래 프린터 또는 그와 같은 종류의 것에서 발생하는 액체의 튀김(splashing) 없이 또는 액체 연무(mist) 형성 없이, 기록 신호에 반응하여 양호하게 토출되는 것이다.
균일하게, 버블이 성장하여 대기 공기와 접촉한다는 면으로부터, 즉 신뢰성 있는 정확한 액체 토출을 한다는 면으로부터 볼 때, 상술된 버블-공기 접촉 액체 토출 방법에는, 일명 사이드 슈터(side shooter) 타입 액체 토출 헤드를 사용하는 것이 바람직하며, 여기서 토출 오리피스는 전열 변환기와 직접적으로 대응 대면되게 배치된다.
그런데 다음과 같은 일이 있게 된다. 즉, 상기 사이드 슈터 타입 액체 토출 헤드로부터 토출되는 액적이 양질의 화상을 형성하기 위해서 체적을 감소하면, 버블은 액적이 토출되는 방향을 취하는 대기 공기와 접촉하게 된다. 특히, 만일 액적의 체적이 20 x 10-15m3이하로 감소하면, 궤적부분(주 드롭렛 부분을 액체 통로에 접속시키는 부분)과 궤적 부분에 의해 발생된 위성 액적이 화상 질에 영향을 미치게된다. 또한, 액적 체적이 작을수록, 극미세한 액체 연무가 공중에 부유하는 성질이 더욱 커지게 되어, 따라서 기록 매체의 시트 기록 면에 액체 연무의 부착으로 인하여 화상 질이 나쁘게 될 것이다. 이러한 사실이 새로운 문제로 등장된다.
본 발명의 주 목적은 극소량 액적을 토출할 수 있는 액체 토출 헤드를 사용하고 그리고 버블이 대기 공기와 접촉이 이루어지게 하는 액체 토출 방법을 제공하여, 액적이 미리 결정된 토출 방향으로부터 이탈되지 않고 토출이 이루어지게 하여 양질의 기록 작업을 달성하는 것을 보장하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화상 질의 향상을 위해서 액적의 체적을 상당히 감소시키어도 액체 연무가 발생하지 않는 액체 토출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 버블-공기 접촉 시스템에 기본한 혁신적인 액체 토출 방법으로 제작되고, 이전에 공개되어진 버블-공기 접촉 시스템에 기본한 액체 토출 방법에서 상술된 문제를 해결하고자 개발연구 하는 과정을 통해서 발명된 것이다. 상술된 발명이 목적을 달성하고자 연구개발하는 중에 본 발명의 발명인이 획득한 지식은 다음과 같다.
본 발명은, 열에 의한 버블의 형성이 상당히 안정적인 공정이기는 하지만, 만일 양질의 화상을 얻기 위해서 액적의 체적을 충분하게 감소시킨다면, 버블에 발생하는 극소량의 변화라도 그 자체에서 무시될 수 없으며, 또한 토출 오리피스에 인접한 잉크 드롭렛에 의해 발생되는 소량의 습윤(wetting)도 액적이 토출되는 방향 면에서 무시할 수 없다는 사실에 착안하여 발명된 것이다. 본 발명의 발명자에 의해 얻어진 상술된 연구개발 전에, 관심은 오직 버블이 대기 공기에 접촉하는 공정에만 있었으며, 여기서 본 발명은 관련 공정과 같이 대기 공기에 버블이 접촉된 후에 진행되는 공정에 관심을 기울인 것이다.
본 발명의 기본원리는 다음과 같이 상술된 다양한 지식에 기본하여 이루어진 것이다.
본 발명은 액체 토출 헤드를 이용하는 액체 토출 방법에서, 액체 토출 헤드는: 액체 토출용 열 에너지를 발생하는 전열 변환기와; 전열 변환기와 일 대 일로 대면하도록 배치된 액체 토출 오리피스 및; 토출 오리피스에 액체를 배급하는, 액체 토출 오리피스에 일 대 일로 유도하는 액체 통로를 포함하며, 그리고 전열 변환기는 바닥면에 배치되고, 액체 통로에 액체를 액체에 열 에너지를 적용하여 그 상태를 변경시키는 공정을 통해서 발생되는 버블 압력을 사용하여 액체를 토출하고, 발생된 버블은 버블이 최대 체적으로 성장한 후에 버블의 체적 감소가 개시된 후에만 대기 공기와의 접촉이 이루어지는 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 액체 토출 헤드를 이용하는 액체 토출 방법에서, 액체 토출 헤드는: 액체 토출용 열 에너지를 발생하는 전열 변환기와; 전열 변환기와 일 대 일로 대면하도록 위치된 액체 토출 오리피스와; 토출 오리피스로 액체를 배급하는, 액체 토출 오리피스로 일 대 일로 유도되는 액체 통로를 포함하며, 그리고 전열 변환기는 바닥 면에 배치되고, 액체 통로 내에 액체가 액체에 열 에너지 적용에 의해 그 상태에서 변경되는 공정을 통해 발생되는 버블 압력을 사용하여 액체를 토출하며: 대기 공기를 버블이 접촉되는 액체 통로에 유입하는 공정과, 액체 통로 내로 대기 공기가 유입된 후에 전열 변환기에 액체를 도달시키는 공정과, 그리고 액체 통로 내에 소량의 액체를 액체 통로 내에 액체로부터 분리하여 액적을 형성하는 공정을 포함하는 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 액체 토출 헤드를 이용하는 액체 토출 방법에서, 액체 토출 헤드는: 액체 토출용 열 에너지를 발생하는 전열 변환기와; 전열 변환기와 일 대 일로 대면하도록 위치된 액체 토출 오리피스와; 토출 오리피스로 액체를 배급하는, 액체 토출 오리피스로 일 대 일로 유도되는 액체 통로를 포함하며, 그리고 전열 변환기는 바닥 면에 배치되고, 액체 통로 내에 액체가 액체에 열 에너지 적용에 의해 그 상태에서 변경되는 공정을 통해 발생되는 버블 압력을 사용하여 액체를 토출하며, 액체 통로 내에 있고 액체 통로에 전열 변환기를 커버하는 액체는 작은 부분으로 분리되고 그리고, 버블이 대기 공기와 접촉하게 되고 대기 온도가 액체 통로 내로 유입됨과 동시에 액적으로 되는 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 액체 토출 헤드를 이용하는 액체 토출 방법에서, 액체 토출 헤드는: 액체 토출용 열 에너지를 발생하는 전열 변환기와; 전열 변환기와 일 대 일로 대면하도록 위치된 액체 토출 오리피스 와; 토출 오리피스로 액체를 배급하는, 액체 토출 오리피스로 일 대 일로 유도되는 액체 통로를 포함하며, 그리고 전열 변환기는 바닥 면에 배치되고, 액체 통로 내에 액체가 액체에 열 에너지 적용에 의해 그 상태에서 변경되는 공정을 통해 발생되는 버블 압력을 사용하여 액체를 토출하며: 액체는 버블의 성장속도가 네가티브로 변환한 후에 대기 공기와의 접촉이 이루어지도록 토출 되는 특징이 있는 것이다.
상술된 임의적인 액체 토출 헤드 구조에 따라서, 버블은 체적 감소가 개시된 후에만 대기 공기와의 접촉이 이루어지는 것이다. 따라서, 주 액적이 형성되는 공정에서, 버블의 정상부에 바로 인접하여 있고 그리고 주 액적 부분으로부터 하방향(전열 변환기 쪽으로)으로 연장되며, 토출 시에 위성 액적을 형성하는 액체 부분 즉, 액체 토출 동안에 발생하는 튀김 원(the source of the splashing)이, 주 드롭렛 부분으로부터 분리되는 것이다. 따라서, 연무의 량은 대체로 감소하며, 차례로 연무로 인한 기록 매체의 시트의 기록 면에서 발생하는 이물질의 량이 현저하게 저하된다. 더우기, 토출 시에 위성 잉크 드롭렛을 형성하는 액체 부분은 전열 변환기에 낙하되거나 또는 부착되는 것이다. 전열 변환기로의 낙하 또는 부착 후에, 액체의 이러한 부분은 전열 변환기의 면과 평행한 벡터를 가지고 따라서 상기 부분 즉, 위성 드롭렛 부분은 액체의 주 드롭렛 부분으로부터 용이하게 분리된다. 따라서 상술된 바로서, 연무의 량은 대체로 감소되고 차례로, 연무로 인한 기록 매체로의 시트의 기록 면에서 발생되는 이물질 량이 현저하게 감소된다. 또한, 상술된 구조에 의거, 액체의 레스트(rest)로부터 분리되는 액체의 주 드롭렛 부분에 지점은 토출 구멍의 중앙 축에 정렬 배치되고 그리고 이러한 사실에 따라서 액체가 토출 되는 방향이 안정되게 되고 즉, 액체는 항시 전열 변환기의 표면, 즉 헤드의 액체 토출 면에 대해 대체로 수직하는 방향으로 토출 되는 것이다. 그 결과, 양질의 화상을 기록할 수 있으며, 화상은 액체 토출 방향이라는 면에서의 이탈에 따른 문제로부터 자유스럽게 되는 것이다.
버블 성장 중에 또는 버블 수축 중에 버블의 대기 공기와의 접촉 여부는, 액체 통로와 토출 오리피스의 기하 형상, 전열 변환기의 크기, 그리고 기록 액체의 성질에 따른다.
보다 특정하게는, 만일 액체 통로(전열 변환기와 액체 공급 통로와의 사이)의 유체 저항(flow resistance)이 낮으면, 토출 오리피스 쪽으로의 버블 성장 속도가 낮아지는 액체 공급 통로 쪽으로의 버블 성장이 보다 용이하게 이루어진다. 따라서, 버블과 대기 공기와의 사이에 접촉은 보다 양호하게 버블이 수축하는 동안에 발생하게 된다. 만일, 토출 구멍이 그를 통해서 형성되는 장소(이하, 오리피스 판)의 두께가 증가되면, 버블 성장 시에 기록 액체의 내점성이 증가하고, 그리고 이러한 사실에 따라서 대기 공기와 버블 사이에 접촉이 보다 양호하게 버블이 수축하는 중에 발생하게 된다. 또한, 오리피스 판이 더욱 두껍게 되고, 액체 토출 방향 면에서 액체 토출 헤드의 안정성이 더욱 좋아지면, 액체 토출 방향에서의 편차가 보다 작아진다. 이것은 또한 바람직하게 보다 두터운 오리피스 판을 만들게도 한다. 만일, 전열 변환기가 지나치게 크면, 버블과 대기 공기와의 사이에 접촉은 보다 신뢰성 있게 버블이 성장하는 중에 발생한다. 따라서, 관심은 전열 변환기 크기에 두어야 한다. 더우기, 만일 기록 액체의 점성이 지나치게 높으면, 버블과 대기 공기와의 사이에 접촉은 보다 양호하게 버블이 수축하는 동안에 발생한다.
또한, 버블이 대기 공기와 접촉하는 방식은 구멍의 축에 수직적인, 오리피스에 토출 구멍의 단면에 따라서 변경된다. 보다 특정하게는, 토출 오리피스 직경이 동일하면, 단면으로 토출 구멍 벽의 테이퍼의 각도가 클수록(토출 구멍의 바닥 트인 구멍의 직경에 대한 오리피스 직경이 작을 수록), 버블이 수축하는 동안에 발생하는 버블과 대기 공기와의 사이에 접촉이 보다 양호하게 된다.
본 발명의 목적, 잇점 및 개량 부분을 첨부 도면과 관련하여 설명되는 양호한 실시예를 통해서 이하에 설명한다.
도 1은 본 발명에 따르는 잉크 토출 방법이 적용되는 잉크 토출 헤드의 일반적인 구조를 나타낸 도면으로서, (a)는 헤드의 외부 사시도이고, (b)는 (a)의 A 내지 A선을 따라 절취된 헤드의 단면도.
도 2는 도 1에 설명된 액체 토출 헤드의 기본 부분을 나타낸 도면으로서, (a)는 액체 통로가 이어지는 방향에 대해 평행한 액체 흐름 통로의 수직 단면도이고, (b)는 토출 오리피스 측으로부터 보았을 때의 액체 통로의 평면도.
제 3도는 본 발명에 따르는 액체 토출 방법에 있어서 액체 토출 순서를 단면으로 나타낸 도면으로서, 여기서 (a) 내지 (h)는 액체 토출 상태의 기본적인 각각의 상태를 나타내는 도면.
제 4도는 종래 액체 토출 방법에서의 액체 토출 순서를 단면으로 나타낸 도면으로서, 여기서 (a) 내지 (h)는 액체 토출 상태의 기본적인 각각의 상태를 나타내는 도면.
제 5도는 본 발명에 따르는 액체 토출 방법에 겸용될 수 있는 바람직한 액체 토출 헤드를 제작하는 순서를 나타낸 도면으로서, (a) 내지 (f)는 기본적인 제작과정 단계를 나타내는 도면.
제 6도는 본 발명에 따르는 액체 토출 방법에 겸용될 수 있는 양호한 액체 토출 헤드가 설치된 액체 토출 장치의 사시도.
제 7도는 본 발명에 따르는 액체 토출 방법에 겸용될 수 있는 양호한 다른 액체 토출 헤드의 기본 부분의 평면도이며, (a) 및 (b)는 그 상부 평면도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1: 히터
2: 기판
5: 액체 통로
11: 기판
12: 잉크 토출 에너지 발생 요소
13: 잉크 공급 통로
15: 수지 층
17: 잉크 공급부재
102: 지지 부재
107: 액체 공급 통로
301: 버블
302: 메니스커스
실시예 1
도 1은 본 발명에 따르는 잉크 토출 방법이 적용되는 잉크 토출 헤드의 일반적 구조를 나타낸 도면으로서, (a)는 헤드의 외부 사시도이고, (b)는 (a)의 A 내지 A선을 따라 절취된 헤드의 단면도이다.
도 1에서, 도면 번호 '2'는 Si기판의 일 피스를 지칭하며, 그 위에는 박막 기술을 사용하여 히터(1)와 토출 오리피스(4)가 형성되어져 있다. 히터(1)는 후술되는 전열 변환기로 구성되는 것이다. 오리피스(4)는 히터(1)와 직접 대면하도록 배치된다. 도 1의 (a)를 참고로, 일 선에 대응 오리피스(4)로부터 선 방향으로 상쇄되는 다른 일 선에 오리피스(4)로, 2개 직선으로 배치된 복수개의 토출 오리피스(4)가 요소 기판(2)에 설치된다. 요소 기판(2)은 접착제에 의해 'L' 형태로 이루어진 지지 부재(102)의 일 부분에 고정된다. 또한, 상기 지지 부재(102)에 상부에는 기록 기판(104)이 고정 설치된다. 배선 기판(104)의 배선부와 요소 기판(2)은 와이어 접합공정에 의해 전기적으로 접속되는 것이다. 지지 부재(102)는 제조가 및 제작의 용이성 등을 고려하여 알루미늄과 같은 재료로 제조되는 것이다. 성형 부재(103)에는 실내 액체 공급 통로(107)와 액체 저장실(설명 않음)이 설치된다. 액체 저장실에 저장되는 액체(예를 들면, 잉크)는 액체 공급 통로(107)를 통해서 요소 기판(2)에 있는 상기 토출 오리피스에 전해진다. 또한, 지지 부재(102)의 일부분이 성형 부재(103)의 일부분 내로 삽입되고, 성형 부재(103)는 지지 부재(102)를 지지한다. 성형 부재(103)는 본 실시예에서 전체 액체 토출 헤드를 후술되는 액체 토출기에, 올바른 위치에, 제거 가능하게 정확히 고정시키는 역할을 하는 부재로서 기능을 한다.
요소 기판(2)에는 통로(105)가 있으며, 상기 통로는 요소 기판(2)에 대해 평행한 요소 기판(2)을 통하고, 그리고 성형 부재(103)에 있는 액체 공급 통로(107)를 통해 전해지는 액체를 토출 오리피스(4)에도 전달하는 것이다. 상기 통로(105)는 그 자신의 토출 오리피스에 유도되는 각각의 액체 통로에 접속된다. 이들은 액체 통로(liquid paths)로서의 기능을 할뿐만 아니라 공통 액체실로서의 기능도 하는 것이다.
도 2는 도 1에 (a),(b)에 설명된 액체 토출 헤드의 기본 부분을 나타낸 도면으로서, 도 2에 (a)는 액체 통로가 이어지는 방향에 대해 평행한 액체 통로의 수직 단면도이고, 도 2에 (b)는 토출 오리피스 측으로부터 보았을 때의 액체 통로의 평면도이다.
도 2를 참고로, 요소 기판(2)에는 미리 결정된 구역에 놓여지는 복수개의 사각형 히터(1) 또는 전열 변환기(電熱 變換器)가 설치된다. 오리피스 판(3)은 히터(1) 위에 놓인다. 오리피스 판(3)에는 상술된 히터(1)와 직접 대면하는 복수개의 사각형 트인 구멍 또는 토출 오리피스(4)가 설치된다. 본 실시예에서의 토출 오리피스(4)의 형태는 사각형상이지만, 토출 오리피스(4)의 형태를 사각형상으로 제한할 필요는 없는 것이다. 예를 들면, 상기 형태는 원형일 수도 있는 것이다. 또한, 본 실시예에서는 외측 오리피스의 또는 토출 구멍의 토출 오리피스(4)의 크기가 토출 구멍의 내측 오리피스의 크기와 동일한 크기로 한 것이다. 그러나, 토출 구멍의 외측 오리피스 또는 토출 오리피스(4)는 내측 오리피스 보다 작게 할 수도 있는 것이다. 즉, 토출 구멍을 테이퍼 지게 하면 액체 토출의 안정성이 향상되므로 토출 구멍을 테이퍼 지게 할 수도 있는 것이다.
도 2의 (a)를 참고로, 히터(1)와 오리피스 판(3)과의 간극은 유체 통로의 측벽(6)의 높이로 조절되는 유체 통로(5)의 높이(Tn)와 동일하다. 만일, 유체 통로(5)가 도 2에 (b)에 화살표(x)로 지시된 방향으로 연장되면, 대응 유체 통로(5)와 접속되는 복수개의 토출 오리피스(4)는, 방향(x)에 수직하는 화살표(y)로 지시된 방향으로 정렬 배치되는 것이다. 복수개의 유체 통로(5)는 공통 액체실로서도 기능을 하는 도 1에 (b)에서 설명되는 통로(105)와 접속되는 것이다. 히터(1)의 상부 면으로부터 토출 오리피스(4)까지의 거리는 To + Tn 이고, 여기서 To 및 Tn은 토출 오리피스(4)로부터 유체 통로(5)까지의 거리와 동일한 오리피스 판(3)의 두께이고 그리고 유체 통로 벽(6)의 두께를 나타내는 것이다. 본 실시예에서, To 및 Tn의 값은 각각 12㎛이고, 13㎛이다.
구동 전압은 예를 들어 2.9㎲ 지속시간 그리고 9.84V 값 즉, 토출 임계전압의 1.2배를 갖는 단일 펄스 형태의 것이다. 본 실시예에서 사용되는 잉크 또는 액체의 성질은 예를 들어 다음과 같다:
점성: 2.2x10-2N/sec
표면장력: 38x10-3N/m
밀도: 1.04 g/cm3
다음, 상술된 구조를 가진 액체 토출 헤드를 사용하여 이행되는 본 발명에 따르는 액체 토출 방법의 예를 이하에 기술한다.
도 3은 본 발명에 따르는 액체 토출 방법을 실행하는데 사용되는 액체 토출 헤드의 동작 순서를 단면으로 나타낸 도면이다. 도면에서 단면 방향은 도 2에 (a)에 도시된 것과 동일한 방향인 것이다. 도 3에서 (a)는 히터(1) 위에서 버블 성장이 시작되는 지점에서, 히터(1) 위에서 버블 성장의 개시 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (b)는 상기 (a)상태 후에 대략 1㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (c)는 상기 (a)상태 후에 대략 2.5㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (d)는 상기 (a)상태 후에 대략 3㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (e)는 상기 (a)상태 후에 대략 4㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (f)는 상기 (a)상태 후에 대략 4.5㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (g)는 상기 (a)상태 후에 대략 6㎲ 상태를 나타낸 도면이고; 도 3에서 (h)는 상기 (a)상태 후에 대략 9㎲ 상태를 나타낸 도면이다.
도 3에서, 수평으로 해치된 부분은 오리피스 판 또는 액체 통로 벽을 나타내고 그리고 작은 점으로 점유된 부분은 액체를 나타낸다. 점의 밀집도는 액체의 점성을 나타낸다. 즉, 만일 임의적 부분이 고 밀집된 점으로 점유되어 있으면, 그 부분은 고 점성인 부분이고, 그리고 임의적 부분이 저 밀집된 점으로 점유되어 있으면, 그 부분은 저 점성인 부분이다.
도 3에서 (a)를 참고로, 기록 신호에 반응하여 히터(1)로의 전원을 온 하여, 버블(301)이 액체 통로(5)에 히터(1)에서 발생되기 시작한다. 다음, 버블(301)이 도 3에 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이 대략 2.5㎲ 동안 체적이 급하게 성장한다. 버블(301)이 그 최대 체적에 이르는 시간 쯤에서, 버블(301)의 최고 점이 오리피스 판의 정상 면 너머로 이르게 되고, 그리고 버블 압력은 대기압의 대략 1/14 내지 1/15 내지 1/4 내지 1/5 로 감소하여 대기압보다 낮게된다. 다음, 버블(301) 발생 후 대략 2.5㎲에서, 버블(301)은 상기 최대 크기로부터 그 체적이 저하되기 시작하며, 그리고 대략 동일한 시간대에서 메니스커스(meniscus)(302)가 형성되기 시작한다. 도 3에서 (d)를 참고로, 상기 메니스커스(302)는 히터(1) 쪽으로 퇴각 즉, 다시 말해서 토출 구멍을 통해서 하방향으로 떨어진다.
상기 표현 하방향으로 떨어진다(falls down)는 메니스커스가 중력방향으로 떨어지는 것을 의미하는 것은 아니다. 상기 의미는 헤드가 부착된 방향과 관련하여 전열 변환기를 향하는 방향으로 메니스커스가 이동하는 것을 간단하게 표현한 의미이다. 이러한 사실은 또한 본 발명의 이하에 설명에도 적용되는 것이다.
메니스커스(302)의 낙하 속도가 대비되는 버블(301) 속도보다 빠른 속도이므로, 버블(301)이 도 3에 (e)에 도시한 바와 같이 버블 성장이 개시된 후에 대략 4㎲에서, 토출 구멍의 바닥 오리피스 근처 대기 공기와 접촉을 한다. 이러한 순간부터, 토출 구멍의 중앙 축에 인접한 액체(잉크)가 히터(1) 방향으로 낙하하기 시작하는 것이다. 이러한 사실은 액체의 관성에 의한 것이며; 버블(301)의 음압(negative pressure)에 의한 히터(1) 쪽으로 다시 당겨지는 액체 부분은, 버블(301)이 대기 공기와 접촉되기 시작한 후에도, 히터(1)쪽으로의 이동을 계속한다. 액체(잉크)는 히터(1) 방향으로 낙하를 계속하여, 도 3에 (f)에 도시된 바와 같이 버블 성장이 개시된 후 대략 4.5㎲에서 히터(1)의 정상 면에 도달하고 그리고, 도 3에 (g)에 나타낸 바와 같이 히터(1)의 정상 면을 커버하며 전개되기 시작한다. 히터(1)의 정상 면을 커버하는 방식으로 전개되는 액체부분은 히터(1)의 정상 면과 평행한 임의 량의 벡터를 소유하지만, 히터(1)의 정상 면과 교차하는 벡터는, 예를 들면 히터(1)의 정상 면에 수직하는 벡터는 상실된다. 따라서, 액체의 바닥 부분은, 토출 오리피스(4)를 향하는 방향으로의 임의 량의 벡터를 소유할 때까지 상기 부분을 하 방향으로 당기며, 히터 면과 부착한다. 다음, 히터(1)를 커버하는 방식으로 전개되는 액체의 바닥 부분과, 액체의 정상부(주 드롭렛: primary droplet)와의 사이에 액체의 칼럼(303)은 점진적으로 협소하게 되어, 결국은 버블 성장이 개시된 후 대략 9㎲에서 히터(1)의 대략 중앙 위에서, 정상부와 바닥부로 분리된다. 액체 칼럼(303)의 정상부는 토출 오리피스(4)의 방향으로 벡터를 소유할 때까지 액체의 정상부(주 드롭렛)에 합체되어 있으며, 그리고 액체 칼럼(303)의 바닥부는 히터 면을 커버하는 방식으로 전개되어진 액체의 바닥부에 합체되는 것이다. 칼럼(303)이 분리되어진 액체 칼럼(303)의 지점은 토출 오리피스(4)로 보다 전열 변환기로 더욱 근접되는 것이 바람직하다. 주 드롭렛은 미리 결정된 토출 방향으로부터 이탈하지 않고 대체로 대칭형태로 토출 오리피스(4)로부터 토출되며 그리고 미리 결정된 구역에서 일 피스의 기록 매체의 기록 면에 놓여지게 된다. 본 발명 이전에 액체 토출 방법 및 액체 토출 헤드인 경우에는, 히터(1)의 정상 면에 부착되는 액체부분은 주 액적에 동반하는 위성 액적으로 비산되지만, 본 실시예에 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법의 경우에서는, 히터(1)의 정상 면에 부착되는 액체 부분이 히터 면에 부착되어 잔류하여 위성 드롭렛(satellite droplets)으로 비산되는 것이 방지되는 것이다. 즉, 본 실시예에서의 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법은 액체가 일명 튀김(splash) 영향으로 발생되는 위성 액적이 토출되는 것을 확실하게 방지할 수 있는 것이다. 즉, 기록 매체의 기록 면이 잉크의 비산 연무(flying mist)에 의한 오염으로부터 확실하게 방지되는 것이다.
본 실시예에 액체 토출 헤드가 진(true) 화상을 인쇄하는데 10kHz주파수로 구동되면, 방향 면에서의 토출 에러는 최대 0.4도 일 뿐이고, 블랙 문자 둘레에서도 연무를 발견할 수 없는 것이다. 즉, 소망하는 화상이 양호하게 기록되어지는 것이다.
비교 예
비교를 목적으로, 도 2에 (a) 및 (b)에 도시된 것과 유사한 구조를 가지는 일부 부분의 측정부를 제외시킨 액체 토출 헤드를 생산한다. 비교 액체 토출 헤드에서는 토출 오리피스(4)로부터 액체 통로(5)까지의 거리가 동일한 오리피스 판(3)의 두께(To)가 9㎛(To = 9㎛)이고, 액체 통로(5)의 높이(Tn)는 12㎛(Tn = 12㎛)이다. 이러한 비교 헤드를 구동하는데 사용되는 펄스는, 2.9㎲의 폭과, 9.2V의 드라이 값, 또는 토출 임계 전압 2에 1.2배 를 가지는 단일 펄스 형태의 것이다. 비교성 헤드를 시험하는데 사용되는 잉크는 상기 실시예에서 설명된 액체로서 사용된 잉크와 동일한 성질의 것이다.
다음, 종래 액체 토출 방법을 상술된 구조로 이루어진 액체 토출 헤드를 참고로 기술한다.
도 4는 종래 액체 토출 방법에서 액체 토출 순서를 단면으로 나타낸 도면으로서, (a) 내지 (g)는 기본적인 액체 토출 상태를 대표하여 나타낸 것이다. 이러한 도면에서 단면으로의 방향은 도 2에서의 (a)에 것과 동일한 것이다. 도 4에서 (a)는 히터(1)위에서 버블이 성장하는 초기 상태를 나타낸 도면으로서, 버블은 히터(1)위에서 성장을 시작하였으며; 도 4에서 (b)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 0.5㎲ 상태이고; 도 4에서 (c)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 1.5㎲ 상태이고; 도 4에서 (d)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 2㎲ 상태이고; 도 4에서 (e)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 3㎲ 상태이고; 도 4에서 (f)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 5㎲ 상태이고; 도 4에서 (g)는 도 4에 (a)상태 후에 대략 7㎲ 상태를 나타낸 도면이다. 도 4에서, 수평적으로 해치된 부분은 오리피스 판 또는 액체 통로 벽을 나타내고 그리고 작은 점이 점유하고 있는 부분은 액체를 나타내며, 이러한 사실은 도 3에서와 동일한 것이다. 또한, 도 3에서 나타낸 바와 같이 점의 밀집도는 액체 점성을 나타낸다. 즉, 고 밀집된 점으로 점유된 부분은 고 점성부이며, 저 밀집 점으로 점유된 부분은 저 점성부 인 것이다. 버블 발생 후에 바로, 도 4에 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이 버블(301)의 체적은 급하게 성장한다. 다음, 버블(301)은 팽창 또는 성장하는 동안에 도 4에 (c)에 나타낸 바와 같이 대기 공기와 접촉하게 된다. 버블(301)과 대기 공기와의 사이에 접촉 지점은 토출 오리피스(4) 약간 위 즉, 오리피스 판의 정상 면 약간 위에 지점이다. 접촉 후에 바로, 주 액적(primary liquid droplet)이 되는 액체 부분에서 연장되는 액체의 칼럼 부분(303)은 도 4에 (d) 내지 (g)에 도시한 바와 같이 토출 구멍의 벽에 아직은 부분적으로 이어져 있다. 다음, 액체의 주 드롭렛 부분은 토출 오리피스(4) 약간 위에 지점에서 액체의 칼럼 부분(303)으로부터 분리되어진다. 이때에 지점에서는, 액체의 칼럼 부분(303)이 아직은 부분적으로 토출 구멍의 벽과 접하고 있다. 즉, 토출 벽의 벽은 액체로 습윤되어 있다. 따라서, 액체의 주 드롭렛이 액체의 칼럼 부분(303)으로부터 분리되는 지점은 토출 구멍의 중심 축을 약간 벗어난 지점이다. 이러한 사실은 액체의 주 드롭렛 부분의 궤도가 정상 방향으로부터 편향지게 하는 것이며 또한, 액체 연무를 발생하는 것이기도 하다. 이러한 비교 예의 경우에서, 토출 방향의 이탈 정도는 최대 1.5도 이며, 그리고 액체 연무는 소량 이더라도 시각적으로 검출되는 것이다.
도 2에 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 구조로 이루어진 액체 토출 헤드의 액체로는 Y축에 대해 평행한 히터(1)의 중앙을 통해서 인출되는 가상선에 대해 대칭적이지 않으며, 따라서 유체 역학(liquid flow dynamic)의 견지에서도 대칭적이지 않다. 결과적으로, 버블(301)이 대기 공기와 접촉하는 지점은 토출 구멍의 중앙 축 또는 토출 오리피스(4)의 중앙을 약간 벗어난 지점이다. 더우기,오리피스 판(3)이 토출 오리피스(4)가 주어지는 정상 면(이후, 토출 오리피스 면)을 횡단하는 유체 저항을 균일하게 제공하더라도, 때때로 헤드가 화상 형성 또는 그와 같은 종류의 것을 위해 반복적으로 구동함으로서, 토출 오리피스 면이 토출 오리피스(4)에 인접하여 불규칙한 패턴의 습윤을 발생하게 되는 것이다. 이러한 불규칙한 패턴의 습윤은 액체 토출 방향을 이탈지게 하는 것이다.
따라서, 비교성 액체 토출 헤드는 상술된 헤드 구조의 영향과 액체 반발성을 완전하게 해소시킬 수 없는 것이며, 따라서 토출 방향으로의 이탈을 완전하게 방지할 수 없는 것이다.
대조적으로, 본 발명의 경우에는, 토출 오리피스(4)에 인접한, 오리피스 판의 정상 면에 습윤 패턴 형상의 비대칭과 같은 우발적인 비대칭 및/또는 액체 토출 헤드 구조로 확인될 수 있는 비대칭 유체 흐름으로 발생되는 액체 토출의 방향 편차의 영향으로 상해를 받게 되는 헤드를 사용하여도, 상기 영향은 확실하게 방지되는 것이다. 즉, 액적이 토출되는 방향은 안정되고; 액체 토출 방향에 이탈은 완전하게 방지되는 것이다.
본 발명에 따르는 액체 토출 방법을 향상시키기 위해서는, 상술된 Tn 및/또는 To 값을 증가시킴으로서 가능하다. 또한, 토출 임계 전압에 대한 구동 전압의 비가 1.35를 초과하지 않는 구동 상태로 하는 것도 중요한 사항이다. 만일, 이러한 비가 1.35를 초과 하면(만일, 구동 전압이 과도하게 증가된다면), 버블과 대기 공기와의 사이에 합점은 액체 토출 방향으로 이탈 또는 문제를 발생시키는 상 방향으로의 이동을 하게 된다.
다른 실시예
본 실시예는 프린팅이. 액체 통로의 높이 Tn(= 10㎛) 이고 오리피스 판의 두께 To(= 15㎛)이 다른 것을 제외하고는 상술된 실시예에 액체 토출 헤드의 구조와 대체로 동일한 액체 토출을 사용하여 이행된다. 잉크는 상술된 실시예에 잉크와 동일한 것이다. 구동 상태 또한 대체로 상술된 실시예에 것과 대체로 동일한 것이며; 폭 2.8㎲, 전압 9.96V 을 가진 싱글 펄스 또는 토출 임계 전압 값의 1.2배.
본 실시예에서는 대략 9 x 1015m3의 액적 체적 및 15m/sec의 토출 속도로 이루어진다. 액체 토출 헤드는 10kHz의 토출 주파수에서 구동되어 필요한 프린트 즉, 액체 토출 편차 및 연무에 의해 약간 만이 영향을 받는 프린트를 한다.
본 발명은 도 2에 (b)에 도시한 바와 같이 균일한 폭, 액체 통로를 갖는 액체 토출 헤드에만 아니라, 도 5에 (a)에 도시된 바와 같은 전열 변환기 쪽으로 협소하게 되는 폭의 액체 통로를 갖는 액체 토출 헤드와, 도 7에 (b)에 도시된 바와 같은 전열 변환기에 인접하여 액체 통로에 배치된 액체 배리어가 설치된 액체 토출 헤드에도 적용 가능한 것이다. 또한, 본 발명은 사각형 토출 오리피스인 액체 토출 헤드에도 적용 가능한 것이고, 원형 또는 타원형의 토출 오리피스인 액체 토출 헤드에도 적용 가능한 것이다.
다음, 도 5에 (a) 내지 (f)를 참고로, 도 2에 (a) 및 (b)에 설명된 액체 토출 헤드를 제작하는 방법을 설명한다.
도 5는 상술된 액체 토출 헤드 제작 순서를 단면으로 나타낸 도면이며, 여기서 (a) 내지 (f)는 기본적인 제작 단계를 대표적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 글래스, 세라믹, 플라스틱 또는 금속으로 구성되어 있는 도 5에 (a)에 설명된 기판(11)이 준비된다.
기판(11)에 적합한 재료 또는 형태를 제한하여 선택할 필요는 없다. 기판(11)이 액체 통로의 일부로서의 기능이 허용되는, 그리고 잉크 통로와 잉크 토출 오리피스를 형성하는 재료의 층을 지지하는 부재로서도 허용되는, 임의적인 재료 또는 형태의 것을 이용하면 된다. 기판(11) 위에, 전열 변환기 또는 피에조 전기 요소와 같은 미리 결정된 수의 잉크 토출 에너지 발생 요소(12)를 정렬 배치시킨다. 극미한 기록 액적을 토출하는 토출 에너지가 상기 잉크 토출 에너지 발생 요소(12)에 의해 잉크에 제공되어, 기록이 만들어진다. 예를 들면, 전열 변환기가 잉크 토출 에너지 발생 요소(12)로서 이용되면, 토출 에너지는 상기 요소가 기록 액체를 가열하여 요소에 인접한 기록 액체의 상태를 변화시키어 발생시키는 것이다. 다르게는, 피에조 전기 요소가 이용되면, 토출 에너지는 상기 요소의 기계적 진동으로 발생되는 것이다.
이러한 요소(12)에, 상기 요소(12)를 작동시키는 컨트롤 신호 입력 전극(설명 않음)이 접속된다. 일반적으로, 상기 토출 에너지 발생 요소(12)의 내구성을 향상시킬 목적으로, 액체 토출 헤드에는 보호 층 과 같은 다양한 기능을 하는 층이 제공된다. 본 발명에 따르는 액체 토출 헤드에 상기 기능의 층을 제공하는 데에는 아무런 문제가 없다.
도 5에 (a)는, 잉크가 기판(11)의 후방 측으로부터 그를 통해 공급되는 잉크 공급 구멍(13)(통로)이 설치된 기판(11)이 있는 헤드 구조를 나타낸 도면이다. 잉크 공급 구멍(13)을 형성시키는 수단으로는 기판(11)을 관통하는 구멍을 형성할 수 있는 길이의 것이면 사용될 수 있다. 예를 들면, 잉크 공급 구멍은 드릴과 같은 기계적 수단을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 또는 레이저 빔과 같은 광학 수단을 사용하여 형성시킬 수도 있는 것이다. 또한, 화학적 수단을 사용하여 형성시킬 수도 있는데, 그 예를 든다면 내성을 사용하여 구멍을 에칭시키는 것이다.
잉크 공급 통로(13)는 명확하게, 기판(11)에 형성시킬 필요가 있는 것은 아니다. 예를 들면, 공급 통로는 기판(11)에 대한 잉크 토출 구멍과 동일한 측에 위치되어 있는 수지 패턴으로 형성될 수도 있는 것이다.
다음, 잉크 통로 패턴(14)은 도 5에 (a)에 나타낸 바와 같이 잉크 토출 에너지 발생 요소(12)를 커버하며 비용해성 수지를 사용하여 기판(11)에 형성되는 것이다. 잉크 통로 패턴(14)을 형성하는데 가장 일반적으로 사용하는 수단의 하나로서는, 감광성 재료를 사용하는 수단을 거론할 수 있지만, 잉크 통로 패턴(14)은 스크린 프린팅 또는 그와 같은 종류의 수단으로도 형성할 수 있는 것이다. 감광성 재료를 사용하는 경우에는, 잉크 통로 패턴이 비분해성이므로, 따라서 양성 레지스트 또는 음성 레지스트(positive type resist or negative type resist)의 사용이 가능하고, 그 비분해성 성질은 변경될 수 있는 것이다.
레지스트 층을 형성하는 방법으로, 잉크 통로(13)가 기판(11)에 제공되면, 잉크 통로 패턴(14)은 감광성 재료의 건식 필름(dry film) 시트를 라미네이트 하여 형성하는 것이 바람직하다. 건식 필름을 형성하는 방법으로는, 감광성 재료를 적절한 용제로 분해하고, 그리고 형성된 용액은 폴리에틸렌테레프타레이트 또는 그와 같은 종류의 것으로 형성된 필름 시트에 코팅 건조시킨다. 건식 필름용의 재료로서는, 비닐케톤 기에 속해 있는 폴리메틸이소프로필케톤 또는 폴리비닐케톤과 같은 광분해성 하이폴리머 합성물(photodisintegratable hypolymer compound)이 필요한 생성물을 사용한다. 이러한 사실은 화학적 화합물이 하이폴리머 특성을 유지하기 때문에, 즉 이들이 빛에 노출되기에 앞서 잉크 공급 통로(13)를 동일하게 횡단하여 용이하게 라미네이트 되는 박막으로 용이하게 형성되기 때문이다.
또한, 잉크 통로(14)용 레지스트 층은, 후에 제작 단계에서 제거할 수 있는 필러(filler)로 잉크 공급 통로(13)를 충진한 후에 스핀 코팅 또는 롤러 코팅과 같은 일반적인 방법으로 형성시킬 수 있는 것이다.
다음, 도 5에 (b)로 나타낸 바와 같이 스핀 코팅 또는 롤러 코팅과 같은 일반적인 코팅 방법으로, 잉크 통로(14) 형태로 형성된 분해 가능한 수지 층을 커버하는 방식으로 수지 층(15)을 기판(11)에 형성한다. 수지 층(15)의 재료는 분해 가능한 수지로 형성되는 잉크 통로 형태를 변경시키지 않는 성질이 있어야 한다. 즉, 잉크 통로 형태용 수지재를 분해시키지 않는 용제를, 수지 층(15)용 재료용 용제로서 선택하여, 용해성 잉크 통로 형상 위에서, 수지 층(15)용 재료를 용제로 분해시키어 수지재 층(15)이 준비된 용제로 코팅하여 형성되지만, 용해성 잉크 통로 형태는 수지 층(15)용 용제에 분해되지 않는 것이다.
이제, 수지 층(15)을 설명한다. 수지 층(15)이 감광성 재료로 형성되어, 후술되는 잉크 토출 구멍은 용이하고 정밀하게 광석판술을 이용하여 형성된다. 수지 층(15)용 감광성 재료는, 수지 층(15)에 정밀하게 에칭하여 잉크 토출 구멍을 형성하는 극미세한 패턴의 고 해상력 화상을 허용하기에 충분한 고 감광성은 물론, 구성 재료에 필요한 높은 기계적 강도와, 기판(11)에 밀폐적으로 부착되는 능력, 및 잉크 내성(ink resistance)이 있어야 한다. 상기 재료용으로는 카티오닉얼로이 경화 에폭시 수지(cationically hardened epoxy resin)가 바람직한데, 그 이유는 구성재료에 필요한 우수한 기계적 강도, 기판(11)에 밀폐적으로 부착되는 능력, 및 잉크 내성을 가지고 있으며, 그리고 또한 고체 상태에 있을 때 정상 온도에서 우수한 형태 특성을 나타내기 때문이다.
카티오닉얼로이 경화 에폭시 수지는 일반적인 산성 무수물 또는 아민을 사용하여 경화되는 에폭시 수지와 비교하여 교차 결합 밀도가 높고 따라서 구성 재료로서 우수한 특성을 나타내는 것이다. 정상 온도에서 고체 상태로 있는 상기 에폭시 수지의 사용은, 빛에 노출로 중합 개시제(polymerization initiator)가 드러나는 중합 개시제 시드가, 에폭시 수지에서 분산되는 것이 방지된다. 따라서, 하이 패턴의 정밀도를 이룰 수 있으며; 패턴은 매우 정밀하게 형성되는 것이다.
분해 가능한 다른 수지 층 위에 형성되는 수지 층(15)은, 수지 층(15)용 재료가 용제로 분해되는 공정을 통해서 형성되며, 그리고 준비된 용해제는 타겟 지역 위에서 스핀 코팅된다.
수지 층(15)은 스핀 코팅 기술을 즉, 박막 형성 기술을 사용하여 균일하고 정밀하게 형성된다. 따라서, 잉크 토출 압력 발생 요소(12)와 대응 오리피스와의 사이에 거리(O-II)는 쉽게 감소되며, 종래 제작 방법에서는 곤란하였던 바람직한 작은 액적 토출을 할 수 있는 액체 토출 헤드의 제작이 용이하게 순차적으로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 일명 네가티브 타입 감광성 재료가 수지 층(15)용 재료로서 사용되면, 노출 빛은 기판 면에 의해 반사되고 및/또는 스컴(scum)(발전 잔유물)이 발생된다. 본 발명의 경우에서, 토출 오리피스 패턴(토출 구멍 패턴)은 분해 가능한 수지로 형성되는 잉크 통로 위에 형성된다. 따라서, 기판에 의해 노출 광의 반사 효과가 무시된다. 더욱이, 발전 동안에 발생되는 스컴은 잉크 통로 형태에 있는 분해 가능한 수지를 세척하는 동안에 떨어진다. 따라서, 스컴은 나쁜 영향을 남기지 않는다.
본 발명에 사용되는 고체 상태에 에폭시 수지용으로는 다음과 같은 것들을 거론할 수 있을 것이다: 에피크로로하이드린과 반응하도록 비스페놀 A를 발생하여 생성되는 900분자중량 이상에 에폭시 수지, 에피크로로하이드린과 반응하도록 브로모페놀 A를 발생하여 생성되는 에폭시 수지, 에피크로로하이드린과 반응하도록 페놀-노보락 또는 0-크레졸-노보락을 발생하여 생성되는 에폭시 수지, 스케레톤으로서 옥시사이크로헥산을 가진 일본 공개 특허원 85-161973호, 88-221121호, 89-9216호 및 90-140219호에 개재된 다기능 에폭시 수지, 및 그와 같은 류의 에폭시 수지. 물론, 본 발명에 양립될 수 있는 에폭시 수지가 상기 목록에 수지로 한정되는 것은 아니다.
상기 에폭시 수지를 경화하는 포토-카티오닉 중합 개시제용으로는, 방향성 요오드산염, 방향성 술폰산염(J. POLYMER SCI: Symposium No. 56 383-395/1976), 아사히 일렉트로-케미칼 인더스트리(주)에서 시판하고 있는 SP-150 및 SP-170의 것을 거론할 수 있다.
상기 명칭에 포토-카티오닉 중합 개시제는 환원제와 함께 사용되면 카티오닉 중합을 더욱 촉진시키며, 열을 받는 것이다(포토-카티오닉 중합 개시제 만이 열을 받지 않고 사용될 때와 비교하면 교차 결합 밀도 향상). 그런데, 포토-카티오닉 중합 개시제가 환원제와 함께 사용되면, 반응이 정상 온도에서 발생하지 않도록 그리고 온도가 임의적 온도(바람직하게는 60℃ 이상)에 이를 때만 발생하도록, 환원제 선택을 하여야 한다. 즉, 일명 산화 환원 반응 시스템을 창출하여야 한다. 상기 환원제용으로, 가장 적절한 것은 구리 화합물, 특히 트리플로메탄 큐프릭(cupric) 술폰산(II)이다. 또한, 아스코르브 산 과 같은 환원제도 유용한 것이다. 더욱이, 만일 노즐의 수가 증가하도록(고속 프린팅) 또는 비중성(nonneutral) 잉크(향상된 유체 저항 착색제)가 사용되도록 교차 결합 밀도를 증가시킬 필요가 있으면, 교차 결합 밀도는 다음의 방식으로 상기 명명된 환원제를 사용하여 증가시킨다. 즉, 환원제는 용매에 용해되고 그리고 수지 층(15)은 수지 층(15)을 발전(development) 처리한 후에 열을 받는 상태에서 환원제 용액에 담겨지는 것이다.
또한, 다른 첨가제가 필요에 의해 수지 층(15)용 상기 목록의 재료에 더해질 수 있다. 예를 들면, 가요성을 증가시키는 작용제가 에폭시 수지에 첨가되어 에폭시 수지의 탄성 율을 감소시키거나 또는 시레인 결합제(silane coupler)가 에폭시 수지에 첨가되어 수지 층(15)과 기판 과의 사이에 밀폐 부착 상태를 더욱 향상시킬 수 있다.
다음, 상술된 화합물로 형성된 수지 층(15)은 도 5에 (C)에 나타낸 바와 같이 마스크(16)를 통해서 노출된다. 수지 층(15)이 네가티브 타입 감광성 재료로 형성되기 때문에, 잉크 토출 구멍에 대응하는 부분을 횡단하여 마스크로 차폐된다(설명되지 않았지만, 전기적 접속부가 만들어진 부분도 차폐됨).
노출에 사용되는 광은, 이용되는 카티오닉 중합 개시제의 감광성 범위에 따라서, 자외선, 원자외선, 전자 빔, X레이 및 그와 같은 종류의 것 중에서 선택될 수 있는 것이다.
상술된 모든 액체 토출 헤드 제작 공정으로 위치 정렬된 모든 것은 종래의 광석판술을 사용하여 안정되게 수행되며 따라서, 정밀도는 오리피스 판과 기판이 분리적으로 제작되어 함께 통과하는 방식과 비교하여 현저하게 향상된 것이다. 다음, 패턴이 노출된 감광성 수지 층(15)은 반응이 가속되도록 가열될 수 있는 것이다. 상술된 바로서, 감광성 수지 층(15)은 정상 온도에서 고체 상태로 잔류하는 에폭시 수지로 형성된다. 따라서, 패턴 노출로 시작되는 카티오닉 중합 개시제의 분산이 일정하게 된다. 그 결과, 우수한 패턴 정밀도가 이루어지고; 수지 층(15)은 정밀한 형태의 것이 된다.
다음, 노출 패턴을 가지고 있는 감광성 수지 층(15)이 적절한 용액을 사용하여 발전되며, 그러한 결과로서, 잉크 토출 구멍(21)이 도 5에 (d)에 나타낸 바와 같이 형성된다. 이것은 잉크 통로(22)용 비분해성 수지 패턴(14)을 발전시킬 수 있으며, 동시에 비노출 수지 층(15) 부분을 발전시키는 것이다. 그런데, 일반적으로, 동일 또는 다른 다수개의 잉크 토출 헤드가 단일 대형 피스 기판에 형성되고, 다음 이들은 다이싱 공정(dicing process)을 통해서 분리되어 개별적인 액체 토출 헤드로서 사용되는 것이다. 따라서 감광성 수지 층(15)이 도 5에 (d)로 나타낸 바와 같이 선택적으로 발전될 수 있으며, (다이싱 이물질이 공간에 유입될 수 없으며, 액체 통로(22)용 공간을 점유하는 수지 패턴(14)을 가짐)다이싱 이물질을 처리하는 수단으로 비발전된 액체 통로(22)를 형성하기 위해 수지 패턴(14)을 이탈하며, 그리고 수지 패턴(14)은 다이싱 후에 도 5에 (e)에 도시된 바와 같이 발전될 수 있는 것이다. 감광성 수지 층(15)이 발전되어 발생되는 스컴(발전 잔류물)이 비분해성 수지 층(14)과 함께 분해되고, 따라서 이것은 노즐에 잔류하지 않는다.
상술된 바로서, 만일 교차 결합 밀도를 증가시킬 필요성이 있으면, 감광성 수지 층(15)은, 환원제를 함유한 용매 내에 담그어지고 그리고/또는, 감광성 수지 층(15)에 잉크 토출 구멍(21)과 잉크 통로(22)의 형성이 완성된 후에 가열하고, 경화시킨다. 이러한 처리로서, 감광성 수지 층(15)에 교차 결합 밀도는 더욱 증가되고 그리고 감광성 수지 층(15)과 기판 과의 사이에 밀폐식 부착과 헤드의 잉크 내성이 현저하게 향상된다. 물론, 감광성 층(15)이 구리 이온을 함유하는 용액 내에 담겨지고 그리고 열이 가해지는 이러한 공정은, 감광성 수지 층(15)이 노출되는 패턴 직후에 아무런 문제없이 수행될 수 있는 것이며, 그리고 잉크 토출 구멍(21)은 노출된 감광성 수지 층(15)을 발전시키어 형성되는 것이다. 다음, 비분해성 수지 패턴(14)은 담금 및 가열 공정 후에 용해될 수 있는 것이다. 또한, 가열동작은 담금 동안에 또는 담금동작 후에 수행될 수 있는 것이다.
환원제는 감소 성질을 가지고 있는 임의적 물질을 선택하여 행해지는 것이다. 그러나, 트리플루로메탄 구리 술폰산(II), 구리 아세테이트, 구리 안식향산염 또는 그와 같은 종류의 구리 화합물이 보다 유효한 것이다. 특정하게는 트리플루로메탄 구리 술폰산(II)이 현저하게 유효한 것이다. 또한, 상술된 아스코르브 산도 유효한 것이다.
기판에 잉크 토출 구멍과 잉크 통로를 형성한 후에, 잉크 공급부재(17)와, 잉크 토출 압력 발생 요소(12)가 그를 통해서 구동되는 전기 접점(설명 않음)을 기판에 부착하여 잉크 제트 타입 액체 토출 헤드를 완성한다.(도 5에 (f))
본 실시예에 제작 방법인 경우에서는, 잉크 토출 구멍(21)이 광석판술로 형성된다. 그러나 본 발명에 따르는 잉크 토출 구멍(21)을 형성하는 방법이 광석판술로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 잉크 토출 구멍이 다른 마스크를 사용하여 드라이 에칭법(산소 플라즈마 에칭) 또는 엑사이머(excimer) 레이저로 형성할 수 있는 것이다. 잉크 토출 구멍(21)이 엑사이머 레이저 또는 드라이 에칭법을 사용하여 형성되면, 기판은 레이저 또는 플라즈마에 의한 손상이 방지되는 수지 패턴으로 보호를 받게 된다. 즉, 엑사이머 레이저 또는 드라이 에칭 방법의 사용은 매우 정확하고 신뢰성 있는 액체 토출 헤드를 생산하는 것이 가능하게 만든다. 또한, 잉크 토출 구멍(21)이 드라이 에칭 방법 또는 엑사이머 레이저에 의해 형성되면, 감광성 재료와는 다른 재료가 수지 층(15)용 재료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 열경화성 재료가 사용될 수 있는 것이다.
상술된 액체 토출 헤드에 더하여, 본 발명은 기록 매질의 시트의 전체 폭을 한번에 횡단하여 모두를 기록할 수 있는 풀(full)-라인 타입 액체 토출 헤드에도 적용 가능한 것이다. 또한, 본 발명은 단일 헤드 또는 복수개의 단색 헤드로 구성되는 칼라 액체 토출 헤드에도 적용 가능한 것이다.
본 발명에 따르는 액체 토출 방법에 사용되는 액체 토출 헤드는 어떠한 온도 또는 그 보다 높은 온도로 가열 될 때에만 액화되는 고체 잉크를 사용하는 그러한 액체 토출을 이룰 수 있는 것이다.
다음, 상술된 액체 토출 헤드와 양립할 수 있는 액체 토출 장치의 예를 기술한다.
도 6을 참고로, 도면 번호 '200'은 상술된 액체 토출 헤드가 제거 가능하게 그 위에 설치된 운반대를 지칭한다. 이러한 액체 토출 장치인 경우에는, 레스트(rest)와는 다른 특정한 칼라로 전해지는 각각의 4개 액체 토출 헤드가 운반대(200)에 설치된다. 이들은 대응 잉크 용기: 노랑 잉크 용기(201Y), 자홍색 잉크 용기(201M), 청록색 잉크 용기(201C) 및 검정 용기(201B), 와 함께 운반대(200)에 설치된다.
운반대(200)는 안내축(202)에 의해 지지를 받으며, 모터(203)에 의해 전후방향으로 구동되는 무단 벨트(204)에 의해 화살표(A)로 나타내는 방향으로 안내 축(202)에서 왕복운동이 행해진다. 무단 벨트는 풀아이(pulleye)(205, 206) 둘레에서 신장 설치된다.
기록 매질로 기록 페이퍼(P)의 시트는 방향(A)에 대해 수직하는 화살표(B)로 나타낸 방향으로 간헐적으로 전달된다. 기록 페이퍼(P)는 기록 페이퍼가 간헐적으로 전달되는 방향으로 상류측에서 한 쌍의 롤러(207, 208)에 의해 그리고 하류에서 다른 쌍의 롤러(209, 210)에 의해 핀치되어 유지되며, 헤드와 대면하는 지역을 횡단하는 평탄부를 유지하도록 일정량의 장력을 받는 것이다. 장치는 상술된 구동 모터에 의해 구동되도록 설계될 수 있는 것이며, 본원에서의 상기 각각의 두 개 쌍의 롤러는 구동 섹션(211)에 의해 구동되는 것이다.
기록 동작의 개시 시에 운반대(200)는 홈 위치에 있다. 기록 동작 중이더라도, 운반대는 필요에 의해서 홈 위치로 회복될 수 있으며 그 장소에 있게 된다. 홈 위치에는, 캡핑 부재(212)가 제공되며, 캡은 토출 오리피스와 대응하는 것이다. 캡핑 부재(22)는 토출 구멍이 막히는 것을 방지하기 위해서 토출 오리피스를 통해 액체를 진공 흡입하는 성능 회복 흡입수단(설명 않음)에 접속된다.

Claims (12)

  1. 액체 토출 방법에 있어서,
    액체 토출에 제공되는 열 에너지를 발생하는 전열 변환기 요소와, 전열 변환기 요소에 대향된 위치에 설치되는 액체를 토출하는 토출구와, 토출구에 액체를 공급하도록 토출구와 유체 유통하며 그 바닥측에 전열 변환기 요소를 가지는 유체 흐름 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 준비하는 단계와;
    액체가 버블 압력으로 토출구를 통해 토출되는, 버블 생성을 위해 액체의 상태 변화가 발생하도록 액체에 열 에너지를 적용하는 단계를 포함하며;
    버블은 먼저, 버블이 최대 체적에 이른 후에 버블의 체적 감소 공정 시에 대기와 유통되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  2. 액체 토출 방법에 있어서,
    액체 토출에 제공되는 열 에너지를 발생하는 전열 변환기 요소와, 전열 변환기 요소에 대향된 위치에 설치되는 액체를 토출하는 토출구와, 토출구에 액체를 공급하도록 토출구와 유체 유통하며 그 바닥측에 전열 변환기 요소를 가지는 유체 흐름 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 준비하는 단계와;
    대기를 유입시키도록 상기 대기와 버블을 유통시키는 단계와;
    상기 유통 단계 후에, 상기 전열 변환기 요소에 액체를 도달시키는 단계와;
    상기 액체를 액적으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  3. 액체 토출 방법에 있어서,
    액체 토출에 제공되는 열 에너지를 발생하는 전열 변환기 요소와, 전열 변환기 요소에 대향된 위치에 설치되는 액체를 토출하는 토출구와, 토출구에 액체를 공급하도록 토출구와 유체 유통하며 그 바닥측에 전열 변환기 요소를 가지는 유체 흐름 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 준비하는 단계를 포함하며;
    버블은 대기와 유통하고, 상기 대기는 액체 흐름 통로에 유입되고, 액체는 액적으로 전열 변환기 요소를 커버하는 동안에 분할되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  4. 액체 토출 방법에 있어서,
    액체 토출에 제공되는 열 에너지를 발생하는 전열 변환기 요소와, 전열 변환기 요소에 대향된 위치에 설치되는 액체를 토출하는 토출구와, 토출구에 액체를 공급하도록 토출구와 유체 유통하며 그 바닥측에 전열 변환기 요소를 가지는 유체 흐름 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 준비하는 단계를 포함하며;
    버블은 버블의 성장 속도가 네가티브이면 대기와 유통되도록 되고, 액체는 토출되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 토출구는 토출구 판에 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 토출구는 그 상부 측에 토출구 판에 개방 구멍 영역이 그 하부 측에 토출구 판에 트인 구멍 영역보다 작도록 테이퍼 지는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 토출구는 원형 형상인 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 토출구는 사각 형상인 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 버블은 토출구에 비해서 전열 변환기 요소에 더 근접하는 위치에서 상기 대기와 유통되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 전열 변환기 요소의 중앙에 인접하여 분리되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체는 토출구에 비해서 전열 변환기 요소에 더 근접된 위치에서 분리되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 전열 변환기 요소는 액체 흐름 통로에서 사용되는 버블에 영향을 미치는 버블을 발생하도록 응집 비등점(nucleate boiling point)을 지나 급격한 온도 상승을 일으키는 것을 특징으로 하는 액체 토출 방법.
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