KR20010005764A - 액체분출구조와, 잉크젯식 기록헤드 및 프린터 - Google Patents

액체분출구조와, 잉크젯식 기록헤드 및 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 액체(6)를 분출시키기 위한 노즐(11)을 구비하는 액체분출구조에 관한 것이다. 당해 액체분출구조는, 노즐 내의 유로(140,130)가, 분출되어야 할 액체(6)에 대한 친화성의 정도가 당해 액체의 흐르는 방향에 따라서 다르도록 설정되어 있다는 점이 특징이다. 이와 같은 친화성의 제어에 의해 액체방울의 직진성을 개선하고, 액체의구경을 안정화시키는 것이 가능하다. 이와 같은 액체분출구조는 앵크젯식 기록헤드에 적당하다.

Description

액체분출구조와, 잉크젯식 기록헤드 및 프린터{LIQUID JET STRUCTURE, INK JET TYPE RECORDING HEAD AND PRINTER}
잉크젯식 기록헤드의 성능은, 노즐이 잉크방울에 대하여 친화성을 나타내는지 아닌지에 의해서 크게 영향을 받는다. 예컨대, 잉크방울의 분출면(노즐이 개구하여 있는 분출측의 면)이 잉크에 대하여 높은 친화성을 나타낼 경우, 분출면에 남아있는 잉크나 종이의 가루 등의 부착물에 분출하려고 하는 잉크방울이 흡인되어, 본래 예정된 분출방향이 아닌 구부러진 방향으로 분출되어 버린다.
종래, 잉크방울의 분출방향을 안정화시키는 방법으로서, 노즐의 분출면을 형성하는 재료를 선택하고 당해 분출면의 잉크에 대한 친화성의 정도를 낮게 하는 가공방법이 있었다. 예컨대, 노즐표면을 자기집합화 단분자막으로 형성하는 공지발명이, 미국특허 5,598,193호에 기재되어 있다. 이 가공방법에 의하면, 분출면이 잉크에 대하여 소수성을 나타내므로, 잉크방울이 구부러지게 분출되는 것이 없게 된다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 개량기술에서는, 액체방울의 직진성을 개선할 수는 있어도, 노즐로부터 분출되는 액체의 양을 안정화시킬 수는 없었다. 잉크방울의 양이 안정화되지 않아서, 액체방울마다 부착하는 잉크의 양이 상위하기 때문에, 고품질로 인자(印字)할 수 없는 경우가 있었다.
특히, 이 잉크젯식 기록헤드를 공업적으로 사용하는 경우에는, 토출되는 액체량이 불안정하다는 것이 치명적이게 된다. 잉크젯식 기록헤드의 공업적 응용은, 잉크 대신에, 공업적 용도로 사용가능한 액체를 잉크젯식 기록헤드의 노즐로부터 분출시켜 패턴형성 등을 행하도록 한 경우이다. 공업적인 사용으로서, 예컨대 잉크젯식 기록헤드를 사용하여 패턴을 형성하는 경우, 형성해야 할 패턴의 피치 폭이 미세하기 때문에, 분출되는 액체방울의 구경이 안정하지 않고, 부착하는 액체량에 변동을 발생시켜, 안정된 폭으로 패턴형성이 행하여지지 않는다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 제1과제는, 분출되는 액체방울의 직진성을 높이고 액체방울의 구경을 안정화시킬 수 있는 액체분출구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2과제는, 분출되는 액체방울의 직진성을 높이고 액체방울의 구경을 안정화시키는 것에 의해, 공업적 용도에 적용할 수 있는 잉크젯식 기록헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3과제는, 분출되는 액체방울의 직진성을 높이고 액체방울의 구경을 안정화시키는 것에 의해, 높은 인자품질로 인쇄할 수 있는 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명은, 잉크젯식 기록헤드의 공업적 응용에 관한 것이다. 특히, 잉크 등의 액체를 노즐로부터 분출시키는 경우에, 분출되는 액체방울의 직진성이나 액체방울량의 균일함 등의 비상특성을 향상시킬 수 있는 액체분출구조의 개량에 관한 것이다.
도 1은 제1실시예의 액체분출구조의 주요부의 단면도이다.
도 2는 종래의 액체분출구조로부터의 잉크분출의 형태를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 액체분출구조로부터의 잉크분출의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 제1실시예의 액체분출구조의 제조공정의 단면도이다.
도 5는 티올화합물의 자기집적화를 설명하는 도면이다.
도 6은 제2실시예의 액체분출구조의 주요부의 단면도이다.
도 7은 제3실시예의 액체분출구조의 주요부의 단면도이다.
도 8은 제3실시예에의 친화성이 낮은 영역의 구동특성을 설명하는 도면이다.
도 9는 실시예의 프린터의 전체 사시도이다.
도 10은 실시예의 잉크젯식 기록헤드의 구조를 설명하는 사시도이다.
도 11은 실시예의 잉크젯식 기록헤드의 주요부의 사시도(부분단면도)이다.
도 12는 잉크젯식 기록헤드의 작동 원리도이다.
상기 문제점에 감안하여, 본원 발명자는, 잉크 등의 액체가 노즐을 진행하여 액체방울로서 분출될때까지의 거동에 대하여 분석하였다. 그 결과, 액체가 노즐의 유로를 이동할 때에 액체에 대한 친화성의 정도가 급격히 저하할 경우, 그 불연속점에서 액체가 유로를 구성하는 벽면으로부터 이탈되는 것이 판명되었다. 벽면으로부터 이탈된 액체는, 하류를 향하여 진행하는 동안에 수축이 더 발생한다. 그리고, 액체는 표면장력에 의해 수축되는 부분이 특이점으로 되어 분리되고, 선단부분은 액체방울로 되어 개구부로부터 분출된다. 이 때, 액체의 진행속도가 같으면, 특이점이 발생하는 위치가 일정하게 되고, 분출되는 액체의 구경도 일정하게 되는 것으로 판명되었다. 따라서, 본원 발명자는, 이러한 액체의 거동을 이용하여 노즐을 형성하는 유로의 친화성의 정도를 변화시켜, 안정하게 액체방울을 발생시키는 구조를 생각해 내었다.
즉, 상기 제1의 과제를 해결하는 발명은, 액체를 분출시키기 위한 노즐을 구비한 액체분출구조에 있어서, 분출되어야 할 액체에 대한 친화성의 정도가 당해 액체의 흐르는 방향에 따라서 다르도록 설정되어 있는 유로를 보유한 노즐을 구비한 것을 특징으로 하는 액체분출구조이다. 유로 중에서 액체에 대한 친화성의 정도가 변화하면, 그 변화점에서 액체가 유로면으로부터 이탈되는 특이점을 발생시키고, 균일한 크기의 액체방울을 발생시키기 때문이다. 이러한 액체분출구조는, 잉크젯식 기록헤드의 노즐부분 이외에, 공업용 제조장치, 주사기 등의 의료장치, 연료분사장치 등, 직진성이 보다 균일한 액체방울을 필요로 하는 다른 용도에도 적용가능하다.
여기에서, 「액체」란, 잉크만이 아니라, 공업적 용도로 사용할 수 있고, 노즐로부터 분출가능한 정도의 점도를 보유한 유동체이다. 액체가 수성이거나 유성이거나 하는 것은 문제가 되지 않는다. 또한, 액체는, 소정의 혼합물이 콜로이드상으로 혼합하여 있어도 좋다. 「친화성의 정도」란, 액체에 대한 접촉각의 대소에 의해 결정가능하다. 액체에 대한 친화성은 복수의 영역에 대한 액체의 접촉각에 의해 상대적으로 결정된 것이다. 예컨대, 유로중에 액체방울에 대한 접촉각이 작은 쪽의 영역은, 상대적으로 친화성이 높은 영역으로 되고, 마찬가지로 액체방울에 대한 접촉각이 큰 쪽의 영역은, 상대적으로 친화성이 낮은 영역으로 된다. 액체에 대하여 친화성이 있는지 없는지의 여부는 액체의 분자구조와 유로면의 분자구조와의 관계에서 상대적으로 결정된다. 즉, 액체가 다르면 친화성의 정도도 변화한다. 예컨대 액체가 물 등과 같이 극성분자를 함유한 경우에는, 유로면을 구성하는 분자가 극성분자를 보유하는 경우에 비교적 높은 친화성, 즉 친수성을 나타낸다. 유로면막을 구성하는 분자가 비극성 구조를 보유한 경우에는 비교적 낮은 친화성, 즉 발수성(撥水性)을 나타낸다. 역으로, 액체가 유기용매와 같이 비극성 분자를 중심으로 구성되어 있는 경우에는, 유로면을 구성하는 분자가 극성 구조를 보유한 경우에 비교적 낮은 친화성을 나타내며, 유로면을 구성하는 분자가 비극성 구조를 보유한 경우에 비교적 높은 친화성을 나타낸다. 따라서, 어떠한 액체에 비교적 높은 친화성을 나타내는 유로면에서도 다른 액체에 대해서는 비교적 낮은 친화성을 나타내도록 하는 경우가 있다.
여기에서, 구체적으로 유로는, 금속표면에 소정의 유황화합물을 응집시킨 티올라이트로서 존재하고 있는 분자막으로 형성되어 있다.
예컨대, 상기 유황화합물이, R을 탄화수소기로 한 경우에, R-SH 라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물로 구성되어 있는 경우이다. 구체적으로, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R은,
CnH2n+1-,
CnF2n+1-,
CnF2n+1-CmH2m-,
CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
HO2C(CH2)n-,
HO(CH2)n-,
NC(CH2)n-,
H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
H3CO(CH2)n-,
X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
H2C=CH(CH2)n-,
H3C(CH2)n-, 및
CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
중 어느 하나의 조성식으로 나타낸다.
또, 예컨대 상기 유황화합물이, R1과 R2를 각각 다른 탄화수소기로 한 경우에, R1-SH 및 R2-SH 라는 서로 다른 화학구조식으로 표시되는 티올분자의 혼합물로 구성되어 있는 경우이다. 구체적으로, 상기 R1및 R2는
CnF2n+1- 또는 CnF2n+1-CmH2m-
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
더욱이, 예컨대 상기 유황 화합물이, R3를 소정의 탄화수소기로 한 경우에 HS-R3-SH 라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물로 구성되어 있는 경우이다.
구체적으로, 상기 R3는,
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
또한, 예컨대 상기 유기 유황 화합물이, R4를 소정의 탄화수소기로 한 경우에, R4-S-S-R4라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물이 부분적으로 또는 전체적으로 형성되어 있는 경우이다. 구체적으로, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R4는,
CnH2n+1-,
CnF2n+1-,
CnF2n+1-CmH2m-,
CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
HO2C(CH2)n-,
HO(CH2)n-,
NC(CH2)n-,
H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
H3CO(CH2)n-,
X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
H2C=CH(CH2)n-,
H3C(CH2)n-, 및
CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
여기에서, 상기 유로는, 당해 유로의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 급격하게 저하하는 불연속점을 보유하고 있다.
예컨대, 상기 유로는, 당해 유로의 하류측에, 1㎛ 이상 100㎛ 이하의 길이의, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 상대적으로 낮은 영역을 보유하고 있다.
또한, 상기 유로는, 당해 유로의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 점차적으로 상승하도록 설정되어 있다.
또한, 상기 유로는 당해 유로의 하류측에, 열, 전계의 강도 또는 자계의 강도 중 어느 하나의 물리량의 변화에 따라서 당해 액체에 대한 친화성의 정도를 변경시킬 수 있는 영역을 보유하여도 좋다. 이 때, 상기 영역에 대하여, 열, 전계의 강도 또는 자계의 강도 중 어느 하나의 물리량을 변경가능하게 공급하는 수단을 추가로 보유하고 있다.
예컨대, 액체가 분출되는 상기 유로의 분출면은, 당해 액체에 대하여 상대적으로 낮은 친화성의 정도를 나타내도록 설정되어 있다.
또, 예컨대 액체를 상기 유로로 공급하기 위한 저장부의 내면은, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 상대적으로 높도록 설정되어 있다.
상기 제2의 과제를 해결하는 발명은, 본 발명의 액체분출구조를 보유한 잉크젯식 기록헤드이다. 분출원리로는, 피에조젯식, 버블젯식, 정전식 등 중 어느 방식도 적용가능하다.
상기 제3의 과제를 해결하는 발명은, 본 발명의 잉크젯식 기록헤드를 보유한 프린터이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
(제1실시예)
본 발명의 제1실시예는, 액체분사장치의 유로에 있어서, 액체에 대한 친화성의 정도가 급격하게 변화하는 불연속점을 형성한 액체분출구조에 관한 것이다.
본 실시예는, 본 발명의 액체분사구조를 잉크젯 프린터에 사용하는 잉크젯식 기록헤드의 노즐에 적용한 것이다. 액체로는 인자용 잉크를 사용한다. 도 9에, 본 실시예의 잉크젯 프린터의 사시도를 나타낸다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 잉크젯 프린터(100)는, 본체(102)에, 잉크젯식 기록헤드(101), 트레이(103) 등을 구비하여 구성된다. 용지(105)는 트레이(103)에 놓여진다. 도시하지 않은 컴퓨터로부터 인자용 데이터가 공급되면, 도시하지 않은 내부롤러가 용지(105)를 본체(102)로 취입시키도록 되어 있다. 용지(105)는, 롤러의 근방을 통과할 때, 도시하는 화살표 방향으로 구동되는 잉크젯식 기록헤드(101)에 의해 인자되고, 배출구(104)로부터 배출되도록 되어 있다. 이 때, 잉크젯식 기록헤드(101)로부터의 잉크방울의 토출이 정확하게 행하여 지지 않으면, 용지(105)로의 인자품질이 열화하기 때문에, 본 발명의 액체분출구조가 유효하게 작용한다.
또, 본 발명의 액체분사구조를 공업적 용도에 적용하는 경우에는, 잉크 대신에, 공업적으로 사용될 수 있는 용제나 용매 등을 적용하고, 잉크젯식 기록헤드를 제조장치의 액체분출수단으로서 사용한다.
도 10은, 본 실시예의 잉크젯식 기록헤드의 구조를 설명하는 사시도를 나타낸다. 도 11에, 잉크젯식 기록헤드의 주요부 구조의 사시도의 일부단면도를 나타낸다. 본 잉크젯식 기록헤드(101)는, 노즐(11)이 설치된 노즐판(1) 및 진동판(3)이 설치된 압력실 기판(2)을, 광체(筐體)(5)로 끼워넣은 구성으로 되어 있다. 압력실 기판(2)은, 노즐판(1)과 진동판(3)에 끼워져 있다.
노즐판(1)은, 압력실 기판(2)과 접합된 때에 캐비티(21)에 대응하는 위치에, 노즐(11)이 형성되게 된다. 이 노즐은 본 발명에 관한 액체분출구조가 적용된 것으로서, 상세하게 후술한다(도 1 참조). 압력실 기판(2)은, 실리콘 단결정 기판 등을 에칭하는 것에 의해 각각이 압력실로서 기능이 가능한 캐비티(21)를 복수개 구비하고 있다. 캐비티(21) 사이는 측벽(22)으로 분리되어 있다. 각 캐비티(21)는, 공급로(24)를 통하여 공통의 유로인 저장실(23)에 연결되어 있다. 진동판(3)은, 예컨대 열산화막 등으로 구성된다. 진동판(3)상의 캐비티(21)에 상당하는 위치에는, 압전체소자(4)가 형성되어 있다. 또한, 진동판(3)에는 잉크탱크구멍(31)이 형성되어 있다. 도시하지 않은 잉크탱크로부터 잉크를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 압전체소자(4)는, 예컨대 PZT 소자 등을 상부 전극 및 하부 전극(도시하지 않음)에 끼운 구조를 보유한다.
또, 본 실시예의 잉크젯식 기록헤드는, 잉크를 저장하는 저장실이 압력실 기판(2)에 구비되어 있지만, 노즐판을 적층구조로 하고, 그 내부에 저장실을 설치하는 구성으로 하여도 좋다.
상기 잉크젯식 기록헤드의 구성에 의한 잉크토출원리를 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는, 도 11의 A-A선에서의 단면도이다. 잉크(6)는 도시하지 않은 잉크탱크로부터, 진동판(3)에 설치된 잉크탱크구멍(31)을 통하여 저장실(23) 내로 공급된다. 잉크(6)는, 이 저장실(23)로부터 공급구멍(24)을 통하여, 각 캐비티(21)로 유입된다. 압전체소자(4)는, 그 상부 전극과 하부 전극과의 사이에 전압을 가할 경우, 그 체적이 변화한다. 이 체적변화는 진동판(3)을 변형시키고, 캐비티(21)의 체적을 변화시킨다.
전압을 가하지 않은 상태에서는 진동판(3)의 변형이 없다. 그러나, 전압을 가하면, 도 12의 파선으로 나타내는 위치까지, 진동판(3b)이나 전압소자(4b)가 변형한다. 캐비티(21) 내의 체적이 변화하면, 캐비티(21)에 채워진 잉크(6)의 압력이 높아진다. 노즐(11)에는 잉크(6)가 공급되고, 잉크방울(61)이 분출된다. 이 때, 본 발명의 액체분출구조가 작용하여, 잉크의 액체방울(61)이, 일정한 구경으로 되고, 직진성을 가지고 분출된다.
또, 노즐판은 압력실 기판과 일체적으로 형성된 것이어도 좋다. 즉, 도 12에 있어서, 실리콘 원반을 에칭하여, 노즐판(1)과 압력실 기판(2)에 상당하는 형상이 일체적으로 형성된 경우이다. 노즐은 에칭한 후에 설치된다.
도 1에, 본 실시예의 노즐판을, 노즐(11)을 포함한 단면으로 절단한 단면도를 나타낸다. 도면상에서, 전압체소자(4)가 구동되는 것에 의해서, 잉크가 아래로부터 위쪽으로 압출되어 토출된다. 결국 노즐(11)의 상측이 유로의 하측에 상당하고, 노즐(11)의 하측이 유로의 상측에 상당하게 된다. 노즐판(1)은, 기대(110)의 표면에 티올분자를 자기집합화시킨 분자막으로 형성되는 영역(120),(130),(140) 및 (150)을 구비하여, 잉크에 대한 친화성을 제어하는 것이 가능하게 되어 있다.
기대(110)는, 노즐판으로서의 적당한 경도 및 강성을 보유하고, 친화성을 제어하는 각 영역(120),(130),(140),(150)의 분자막의 기반이 되는 금속막을 형성하기 쉬운 재료로 구성한다. 예컨대, 금속, 세라믹, 수지 등을 기대재료로서 사용할 수 있다. 금속으로는, 스테인레스 합금, 니켈 등을 들 수 있다. 세라믹으로는, 실리콘, 지르코늄 등을 들 수 있다. 수지로는, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리설폰 등을 들 수 있다. 기대(110)의 두께는, 충분한 기계적 강도가 얻어지는 정도의 두께, 예컨대 스테인레스강인 경우 100㎛∼300㎛ 이상의 정도로 한다.
노즐(11)은, 기대(110)를 통과하여, 유로가 원통형을 형성하도록 형성되어 있다. 단, 유로의 단면형상이 완전 원형으로 되어 있지 않아도 좋고, 유로의 방향이 직선적으로 되어 있지 않아도 좋다. 또한 기대와 같은 균일재료의 관통구멍으로서 형성하는 것 이외에, 복수의 재료로 끼워지는 것에 의해 형성되는 유로를 노즐로 하여도 좋다. 노즐(11)의 전체 길이는, 액체에 충분한 직진성을 부여할 수 있는 길이로 되어 있으며, 또 유로저항이 너무 높아서 압전체소자(4)에 부담을 주지 않는 정도의 길이로 조정된다. 예컨대, 노즐(11)은 전체길이를 1㎛ 이상 1000㎛ 이하의 정도로 한다. 노즐(11)의 구경은, 액체의 점성, 압전체소자(4)의 출력 등에 의해서, 소망 구경의 액체방울이 분출되도록 조정된다. 예컨대, 30㎛ 정도로 한다.
노즐(11)에는, 본 발명에 관한 액체분출구조로서, 액체인 잉크(6)에 대하여 상대적으로 친화성이 높은 영역과 상대적으로 친화성이 낮은 막영역이, 기대(110)의 양면을 관통하여 유로를 형성하고 있는 노즐의 내벽(이하 「유로면」이라 함)(14)에, 잉크의 흐르는 방향에 따라서 차례대로 배치되어 있다. 노즐(11)의 하류에는, 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 저친화성 영역(130)이 형성되어 있고, 상류에는 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 고친화성 영역(140)이 형성되어 있다. 이 고친화성 영역(140)과 저친화성 영역(130)은 유로의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서, 잉크에 대한 친화성의 정도가 급격하게 저하하게 되는 불연속점을 형성하도록 배치되어 있다. 더욱이 기대(110)의 액체가 분출되는 측의 면(이하 「외면」이라고 함)(12)에는 잉크에 대해 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 저친화성 영역(120)이 형성되어 있다. 기대(110)의 캐비티측의 면(이하 「내면」이라고 함)(13)에는, 잉크에 대하여 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 고친화성 영역(150)이 형성되어 있다. 저친화성 영역(120),(130)은, 잉크에 대한 친화성의 정도가 작기 때문에, 잉크가 각 영역으로부터 괴리되기 쉬운 영역이다. 고친화성 영역(140),(150)은, 잉크에 대한 친화성이 높기 때문에, 잉크가 밀착하기 쉬운 영역이다. 또, 기대(110)의 내면(13)은, 노즐(11)로 저항 없이 잉크를 유도하기 때문에, 테이퍼 형상으로 형성되어도 좋다.
저친화성 영역(130)을 형성하는 영역의 노즐(11)의 유로방향으로의 길이(x1)는, 잉크를 충분한 유로면(14)으로부터 괴리시키는 정도의 길이로서, 너무 길어서 액체방울의 직진성을 저해하지 않는 정도의 길이로 설정된다. 예컨대,
1㎛≤x1≤100㎛로 하고,
바람직하게는,
10㎛≤x1≤50㎛
정도로 한다.
또한, 고친화성 영역(140)을 형성하는 영역의 노즐(11)의 유로방향으로의 길이(y1)는, 액체방울의 직진성을 확보할 수 있는 정도의 길이로서, 너무 길어서 유로저항이 증가하여 압전체소자(4)에 부담을 주지 않는 정도의 길이로 조정된다. 예컨대,
100㎛≤y1≤200㎛
정도로 한다.
이 친화성을 제어하는 영역은, 기대에 대한 표면처리로 형성되어 있다. 특히, 이 영역을 자기집합화 분자막으로 형성하는 것이 바람직하다. 자기집합화 분자막은, 막두께(d)가 일정(2nm 정도)하여 마모에 강하다는 바람직한 특성을 보유하고 있다. 자기집합화 분자막은, 기대 표면에 구비된 금속층에, 일정 조건하에서 유황 화합물을 응집시키고, 티올라이트로서 정착시키는 것에 의해 형성된다. 잉크에 대한 친화성의 정도는, 금속층 표면에 응집되는 유황화합물의 종류에 의해 결정된다.
유황 화합물을 응집시키는 기반이 되는 금속층으로는, 화학적ㆍ물리적인 안정성으로부터 금(Au)이 사용되고 있다. 단, 그 이외의 유황 화합물을 화학적으로 흡착시킬 수 있는 은(Ag), 동(Cu), 인듐(In), 갈륨-비소(Ga-As) 등의 금속으로 하여도 좋다. 기대에 대한 금속층의 형성은, 습식도금, 진공증착법, 진공스퍼터법 등의 공지된 기술이 사용될 수 있다. 금속박막을 일정한 두께로 균일하게 형성할 수 있는 막형성법이 있다면, 그 종류에 특별히 한정되지 않는다. 금속층의 역할은, 유황화합물층을 고정하는 것이기 때문에, 금속층 자체는 극히 얇아도 좋다. 이 때문에, 일반적으로 500∼2000 Å 정도의 두께가 좋다.
또한, 금속과 기대(110)와의 밀착성을 향상시키기 위하여, 기대와 금속과의 사이에, 중간층을 보유하는 것이 바람직하다. 중간층은, 기대(110)와 금속층 사이의 결합력을 강화시키는 소재, 예컨대 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 중 어느 것, 또는 그 합금(Ni-Cr 등)으로 하는 것이 바람직하다. 중간층을 보유하면, 기대(110)와 금속층과의 결합력이 증가하고, 기계적인 마찰에 대하여, 유황화합물이 박리되기 어렵게 된다.
자기집합화 분자막은, 소정의 유황화합물을 용해하여 용액으로 하고, 이 중에 금속층을 형성한 노즐판(11)을 침청(immersion)하는 것에 의해 형성되는 것이다. 여기에서, 유황화합물로는, 유황(S)을 함유한 유기물 중에서, 티올 관능기를 1이상 함유한 화합물 또는 디설파이드 결합(disulfide; S-S결합)을 보유한 화합물의 총칭이다. 이 유황화합물은, 용액 중 또는 휘발조건의 하에서, 금 등의 금속표면상에 자발적으로 화학흡착하여, 2차원의 결정구조에 가까운 단분자막을 형성한다. 이 자발적인 화학흡착에 의해 형성되는 분자막을 자기집합화막, 자기조직화막 또는 자기복제막(self assembly)이라 부르고, 현재 기초연구 및 그 응용연구가 진행되고 있다. 본 실시예에서는, 특히 금(Au)을 상정하지만, 상기 이외의 금속표면에도 마찬가지로 자기집합화막이 형성될 수 있다.
이러한 유황화합물로는 티올화합물이 바람직하다. 여기에서, 티올화합물로는 메르캅토기(-SH; mercapt group)를 보유한 유기화합물(R-SH; R은 알킬기 등의 탄화수소기)을 칭한다. 일반적으로는, 친수성이 있는 극성기, 예컨대 OH나 CO2H기를 보유한 유황화합물을 사용하여 티올라이트를 형성한 영역은, 수성잉크에 대하여 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 것이 많다. 그 이외의 극성이 없는 기를 보유한 유황화합물을 사용하여 티올라이트를 형성한 영역은, 수성잉크에 대하여 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 것이 많다. 단, 친화성의 정도가 높거나 낮다는 것은, 동시에 유로에 형성되어 있는 티올라이트가, 그 유로를 흐르는 액체(잉크)에 대하여 어느 것이 보다 높은 친화성을 나타내는가로 결정되는 상대적인 것이다. 따라서 동시에 사용하는 그 밖의 티올화합물과의 조합에 의해서, 동일 티올라이트 화합물에 의한 티올라이트가, 액체에 대하여 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 고친화성 영역으로서 형성되거나, 액체에 대하여 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 저친화성 영역으로서 형성된다. 티올화합물끼리의 친화성의 정도는, 차이가 클수록 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 친화성을 제어하는 각 영역에 적용가능한 티올화합물로는 이하의 것으로부터 선택가능하다.
1) R을 탄화수소기로 한 경우에, R-SH라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물로 구성되어 있는 것.
이 화합물이 금속층에 응집하면, -SH 중 수소원자가 취해져서, 유황원소가 직접 금속과 결합한다. 구체적으로, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R은,
CnH2n+1-,
CnF2n+1-,
CnF2n+1-CmH2m-,
CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
HO2C(CH2)n-,
HO(CH2)n-,
NC(CH2)n-,
H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
H3CO(CH2)n-,
X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
H2C=CH(CH2)n-,
H3C(CH2)n-, 및
CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
2) R1과 R2를 각각 다른 탄화수소기로 한 경우에, R1-SH 및 R2-SH라는 서로 다른 화학구조식으로 나타내는 티올분자의 혼합물로 구성되어 있는것.
이 화합물이 금속층에 응집하면, -SH 중 수소원자가 취해져서, 유황원소가 직접 금속과 결합한다. 2종류의 티올라이트가 혼재하게 된다. 구체적으로, 상기 R1및 R2는,
CnF2n+1- 또는 CnF2n+1-CmH2m-
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타내는 것이다.
3) R3를 소정의 탄화수소기로 한 경우에, HS-R3-SH 라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물로 구성되어 있는 것,
이 화합물이 금속층에 응집하면, -SH 중 수소원자가 취해져서, 유황원소가 직접 금속과 결합한다. 구체적으로, 상기 R3는,
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
4) R4를 소정의 탄화수소기로 한 경우에, R4-S-S-R4라는 화학구조식으로 나타내는 티올화합물이 부분적 또는 전체적으로 형성되어 있는 것.
이 화합물이 금속층에 응집하면, 유황원소끼리의 공유결합의 일부 또는 전부가 취해져서, 일부의 유황원소가 직접 금속과 결합한다. 구체적으로, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R4는,
CnH2n+1-,
CnF2n+1-,
CnF2n+1-CmH2m-,
CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
HO2C(CH2)n-,
HO(CH2)n-,
NC(CH2)n-,
H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
H3CO(CH2)n-,
X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
H2C=CH(CH2)n-,
H3C(CH2)n-, 및
CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
중 어느 하나의 화학구조식으로 나타낸다.
또, 친화성을 제어하는 영역으로서 유로의 전 영역에 단일의 자기집합화 분자막을 형성하는 대신에, 자기집합화 분자막을 구비한 영역과 구비하지 않은 영역을 패턴화하여 형성하여도 좋다. 이와 같은 구성에 의하면, 분자막을 구비한 영역과 분자막을 구비하지 않은 영역과의 면적비에 의해서 그 영역의 친화성을 조정할 수가 있다.
도 5에 의거하여, 유황화합물이 티올화합물인 경우의 자기집합화의 원리를 설명한다. 티올화합물은, 도 5A에 나타내듯이, 꼬리부분이 메르캅토기로 구성된다. 이것을, 1∼10mM의 에탄올 용액에 용해한다. 이 용액에, 도 5B와 같이 금의 막을 침청하고, 실온에서 1시간 정도 방치하면, 티올화합물이 금의 표면에 자발적으로 집합하게 된다(도 5C). 그리고, 금의 원자와 유황원자가 공유결합적으로 결합하고, 금의 표면에 2차원적으로 티올분자의 분자막이 형성된다(도 5D). 이 막의 두께는, 유황화합물의 분자량에도 의존하지만, 10∼50Å 정도이다. 막은 단분자의 2차원 배열로 형성되는 경우나, 2차원적으로 배열된 단분자의 기에 또 다른 화합물이 반응하여 복수의 분자가 2차원적으로 배치되어 형성되는 경우가 있다.
(작용)
도 2는, 종래의 노즐판을 사용한 경우의 잉크젯식 기록헤드로부터의 액체방울토출에 있어서의 짜임새 없음을 설명하는 것이다. 압전체소자는, 체적변화를 발생하지 않는 정상상태일 때에는, 노즐(11)의 가장자리부에, 잉크(6)의 표면장력에 의한 메니스커스(62)를 생기게 한다(도 2A). 압전체소자가 구동되어 캐비티에 체적변화를 생기게 하면, 잉크가 노즐(11)로부터 압출된다. 노즐로부터 분출된 잉크(6)는, 그 표면장력의 밸런스에 의해 발생하는 특이점(PS)에서 수축이 발생한다(도 2B). 특이점(PS)에서의 수축은, 표면장력의 작용으로 크게 성장한다. 잉크(6)의 기둥은, 최후로는 선단부에서 분리되고, 액체방울(61)로서 분출된다(도 2C).
종래의 노즐판으로부터 액체를 분출시킨 경우, 표면장력의 밸런스에 의해 특이점이 발생하기 때문에, 특이점이 발생하는 위치가 일정하지가 않았다. 분출되는 액체방울(61)의 크기는, 특이점(PS)의 발생위치에 의존하기 때문에, 그 구경이 일정하지가 않았다. 더욱이, 노즐판의 외주에 발수(撥水)처리가 되지 않는 경우에는, 노즐(11)로부터 분출된 잉크의 기둥이 표면장력에 의해 구부러져서, 액체방울(61)의 분출방향이 구부러져 버리게 되었다.
도 3은, 본 발명의 노즐판을 사용한 경우의 잉크젯식 기록헤드로부터의 액체방울 토출의 형태를 나타낸 것이다. 압전체소자(4)가 체적변화를 발생하지 않는 정상상태일 때에는, 잉크(6)가 저친화성 영역(130)에 밀착하지 않는다. 이 때문에, 고친화성 영역(140)과 저친화성 영역(130)과의 접합점이 있는 친화성의 불연속점에서, 잉크(6)의 표면장력에 의한 메니스커스(62)가 발생하게 된다(도 3A). 압전체소자(4)가 구동되어 캐비티(21)에 체적변화를 발생시키면 잉크(6)가 압출된다. 저친화성 영역(130)은 잉크를 거부하므로, 저친화성 영역(130)과 고친화성 영역(140)과의 경계로부터 잉크(6)의 기둥이 성장한다. 잉크(6)는, 고친화성 영역(140)에 밀착하고 있지만, 저친화성 영역(130)으로부터는 괴리되어 있다. 잉크는 상대적으로 노즐(11)의 내측으로 압출되어 있으므로, 고친화성 영역(140)과 저친화성 영역(130)과의 경계인 친화성의 불연속점으로부터 일정 거리에 있는 특이점에서 항상 수축이 발생한다(도 3B). 일단 수축이 발생하면, 잉크(6)의 기둥은 불가역적으로 수축이 크게 되므로, 그 선단부가 분리되고, 노즐(11)로부터 액체방울(61)로서 토출된다(도 3C).
본 발명의 노즐판에 의하면, 항상 일정 위치에 특이점이 생기기 때문에, 토출되는 액체방울(61)의 구경이, 대략 일정한 것으로 된다. 또 고친화성 영역(140)과 저친화성 영역(130)과의 불연속점을 노즐판 외면에 평행한 면내로 형성되게 하면, 잉크의 기둥에 대하여 불균형하게 표면장력이 작용하지 않으므로, 액체방울(61)이 노즐(11)의 연재(延在)방향을 따라서 토출된다.
(제조방법)
다음에, 본 실시예에 있어서의 잉크젯식 기록헤드의 제조방법의 바람직한 실시예를, 도 4를 참조하여 설명한다.
노즐판 형성공정: JIS규격(SUS) 등의 100㎛ 정도의 스테인레스판을 기대(110)로서 사용한다. 이것에 공지기술을 사용하여 직경 20∼40㎛의 노즐(11)을 연다. 노즐(11)의 구경이 작은 쪽을 노즐판(1)의 외면(12)으로 한다. 노즐판의 외면은, 표면개질막을 구비하기 때문에 평활화된다. 예컨대, 외면의 표면거칠기를, 중심선 평균거칠기로 100Å 정도로 한다.
금속형성공정: 기대(110)의 내면(13), 외면(12) 및 유로면(14)에 금속층을 형성한다. 예컨대, 500∼2000Å의 두께의 금속을 진공스퍼터법, 또는 이온플레이팅법으로 형성한다. 또, 금속층의 아래에 중간층을 형성하는 경우에는, 예컨대 중간층으로서 Cr을 100∼300Å의 두께로 진공스퍼터법, 또는 이온플레이트법에 의해 형성한다.
내면의 표면개질막 형성공정(도 4A): 노즐판(1)의 내면(13)에 표면개질막인 친화성막(150)을 형성한다. 먼저 노즐(11)에 밀착하는 사이즈의 마스크봉(7)을 노즐(11)에 차입하고, 고친화성 영역(150)의 형성영역만큼을 노출시킨다. 도시하지 않지만, 노즐판의 외면(12) 전면에 마스크를 실시하여도 좋다. 다음에 고친화성 영역(150)에 티올라이트를 형성하기 위한 티올화합물을 상기 조성으로부터 선택하고, 이 티올화합물을 에탄올 또는 이소프로필알콜과 같은 유기용제에 용해시킨 용액을 준비한다. 그리고 이 용액중에 금속층을 형성한 노즐판의 편면(片面)을 침청한다. 침청조건은, 용액의 티올화합물 농도가 0.01mM로, 용액온도가 상온에서 50℃ 정도로, 침청시간이 5분에서 30분 정도로 되게 한다. 침청처리 동안에는, 티올 화합물의 형성을 균일하게 행하기 위해, 용액의 교반 또는 순환을 행한다.
금속표면이 청정하게 유지되면, 티올분자가 스스로 자기집합화 분자를 형성하기 때문에, 엄격한 조건관리가 불필요한 공정으로 된다. 청정이 종료할 즈음에는, 금의 표면에만 강고한 부착성을 보유한 티올분자의 분자막이 형성된다.
다음에 노즐판의 표면에 대하여 용해액을 세정하여 제거한다. 금층 이외의 부분에 부착된 티올분자는, 특히 공유결합도 하고 있지 않으므로, 에틸알콜에 의한 린스 등, 단순한 세정에 의해 제거된다.
유로면의 고친화성 영역 형성공정(도 4B): 본 공정에서는, 유로면(14)에 고친화성 영역(140)을 형성한다. 상기 마스크봉(7)을, 이 고친화성 영역(140)을 형성해야 할 영역이 노출할때까지 인발(引拔)한다. 다음에 당해 고친화성 영역(140)에 티올라이트를 형성하기 위한 티올화합물(예컨대 HO2C(CH2)nSH 또는 OH(CH2)nSH 등)을 선택하고, 이 티올화합물을 에탄올 또는 이소프로필과 같은 유기용제에 용해시킨 용액을 준비한다. 침청과 세정에 대해서는, 상기 공정과 마찬가지로 행한다.
본 공정에서는, 금이 노출되어 있는 영역에 고친화성 영역(140)이 형성된다. 이미 자기집합화 단분자막이 형성된 영역(150)은, 티올 화합물을 함유한 용액에 더 침정되어도, 막의 조성이 변화하거나 막이 성장하거나 하는 것이 없기 때문에, 당해 영역에 대한 마스크 등의 치환이 불필요하다.
유로면의 저친화성 영역 형성공정(도 4C): 본 공정에서는, 유로면(14)에 저비친화성 영역(130)을 형성한다. 상기 마스크봉(7)을, 이 저친화성 영역(130)을 형성해야 할 영역이 노출할 때까지 인발한다. 노즐판의 외면(12)에 마스크를 실시하는 경우에는, 마스크봉을 제거해 버려도 좋다. 다음에 당해 저친화성 영역(130)에 티올라이트를 형성하기 위한 티올화합물(예컨대, CF3(CF2)m(CH2)nSH 등)을 선택하고, 이 티올화합물을 에탄올 또는 이소프로필알콜과 같은 유기용제에 용해시킨 용액을 준비한다. 침청과 세정에 대해서는 상기 공정과 마찬가지로 행한다.
본 공정에서는, 금이 노출되어 있는 영역에 저친화성 영역(130)이 형성된다. 이미 자기집합화 단분자막이 형성된 영역(150)이나 (140)은, 티올화합물을 함유한 용액에 더 침청되어도, 막의 조성이 변화하거나 막이 성장하거나 하는 것이 없기 때문에, 이 영역에 대한 마스크 등의 치환이 불필요하다.
외면의 저친화성 영역 형성공정(도 4D): 본 공정에서는, 노즐판의 외면(12)에 저친화성 영역(12)을 형성한다. 전체 마스크를 제거하고, 노즐판의 외면(12)을 노출시킨다. 다음에 당해 저친화성 영역(120)에 티올라이트를 형성하기 위한 티올화합물을 선택하고, 이 티올화합물을 에탄올 또는 이소프로필알콜과 같은 유기용제에 용해시킨 용액을 준비한다. 침청과 세정에 대해서는, 상기 공정과 마찬가지로 행한다.
본 공정에서는, 노즐판의 외면(12)에 저친화성 영역(120)이 형성된다. 이미 자기집합화 단분자막이 형성된 영역(150),(140)이나 (130)은, 티올화합물을 함유한 용액에 더 침청되어도, 막의 조성이 변화하거나 막이 성장하거나 하는 것이 없으므로, 이 영역에 대한 마스크 등의 치환이 불필요하다.
본 제1실시예에 의하면, 노즐판의 외면측에, 잉크에 대하여 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 영역을 형성하고, 노즐판의 내면측에, 잉크에 대하여 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 영역을 형성함으로서, 양 영역의 불연속점으로부터 잉크의 액체방울의 수축이 발생하고, 이로부터 소정의 거리로 분리되어 일정한 구경의 액체방울로 된다.
따라서, 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시키고, 또 토출되는 잉크 액체방울의 구경을 안정화시킬 수가 있다. 또 표면장력의 편재에 의해서 잉크의 토출시에 액체방울의 직진성이 저해되는 것이 없다. 따라서, 프린터에 있어서의 인자품질을 향상시킬 수가 있다. 또 잉크를 공업적 용도를 보유한 액체로 변경함으로서, 이와 같은 잉크젯식 헤드를 공업적 용도에 적용할 수가 있다.
(제2실시예)
본 발명의 제2실시예는, 상기 제1실시예의 노즐에 있어서, 유로에서의 유동저항을 저하시킬 수 있는 구성에 관한 것이다.
(구성)
도 6에, 본 제2실시예의 노즐판(1b)의 단면도를 나타낸다. 본 노즐판(1b)은, 잉크에 대하여 다른 친화성을 나타내는 복수의 영역(141∼14n)(n은 2 이상의 자연수)을, 상기 제1실시예에서의 고친화성 영역(140)의 형성영역에 형성한 것이다. 유로면(14) 중, 잉크에 대하여 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 저친화성 영역(130), 외면에 형성되는 저친화성 영역(120), 내면에 형성되는 고친화성 영역(150)에 관해서는, 상기 제1실시예와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또, 저친화성 영역(130)을 형성하지 않고, 노즐(11)의 외면(12)측의 가장자리부까지 고친화성 영역(141∼14n)을 연장하여도 좋다(저친화성 영역(130)의 유로방향에 있어서의 길이(x2)가 제로인 경우).
친화성 영역(141∼14n)의 각각은, 서로 다른 친화성의 정도를 나타내도록 설정되어 있다. 친화성 영역(141∼14n)의 친화성의 정도를 각각 N1∼Nn으로 나타내면,
N1＞N2＞N3＞…＞Nn-1＞Nn … (1)
가 되도록 설정된다.
각 친화성 영역(141∼14n)은, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 자기집합화 분자막으로 형성하는 것이 바람직하다. 자기집합화 분자막 형성에 사용하는 유황화합물의 조성은, 예컨대, 친화성 영역을 4영역으로 설정하는 경우에는(n=4), 표 1에 나타내는 바와 같은 조성으로 한다.
[표 1]
친화성영역 유황화합물 조성식
141 HO(CH2)11SH
142 H3CO(CH2)11SH
143 H3C(CH2)17SH
144 F(CF2)10(CH2)11SH
당해 노즐(11)에서의 친화성 영역의 제조방법은 상기 제1실시예에 의거한다. 즉, 도 4에 있어서, 친화성 영역(141∼14n)을 제조하는 경우에는, 마스크봉(7)을 새로운 티올라이트를 형성하는 영역만이 노출하도록 인발하고, 이 때에 다른 종류의 유황화합물이 용해된 용액으로 노즐판을 침청하는 처리를, 형성된 친화성 영역의 수만큼 반복한다. 각 친화성 영역(141∼14n)의 노즐(11)의 연재방향에 있어서의 길이(y21∼y2n)는, 각각 1㎛ 정도 이상으로 하면 좋다.
또, 각 친화성 영역을 소망하는 친화성의 정도로 설정하기 위해서는, 상기와 같이 각 영역의 형성에 사용하는 유황화합물의 조성을 변화시키는 것 대신에, 패턴을 변화시켜 조정하여도 좋다. 결국, 유황화합물로서는 동일한 조성의 것을 사용하는 것 대신에, 친화성 영역마다 티올라이트를 형성하는 부분을 다른 패턴으로 하고, 분자막의 접촉면적을 친화성 영역마다 변화시킨 것으로 한다. 이와 같이 친화성 영역을 구성하면, 분자막을 구비한 영역과 분자막을 구비하지 않은 영역과의 면적비의 차에 따라서, 각 친화성 영역에서의 친화성의 정도를 변화시킬 수가 있다. 패터닝을 이용하여 친화성의 정도가 연속하게 변화하도록 한 친화성 영역을 형성하여도 좋다. 즉, 상기와 같이 친화성 영역(141∼14n)을 각각 분리하는 것 대신에, 연속성이 있는 패턴(예컨대 나선형)을 사용하고, 각 패턴이 차지하는 면적비가 서서히 변화하도록 형성한다. 이와 같은 구성에 의하면, 유로방향으로, 친화성의 정도가 계단형으로 변화하는 것 대신에, 친화성의 정도가 연속적으로 변화하게 된다.
(작용)
상기 구성에 의하면, 잉크가 노즐(11)을 상류로부터 하류로 흐를 경우, 서서히 친화성의 정도가 높아지게 된다. 일단 잉크가 노즐(11)의 유로내로 들어가게 되면, 표면장력이 친화성이 보다 높은 영역과의 사이에서 강하게 작용하기 때문에, 잉크가 높은 친화성을 나타내는 하류측의 친화성 영역으로 흡인된다. 따라서, 노즐(11)로 들어간 잉크는 친화성의 정도에 따라서 비교적 낮은 친화성을 나타내는 친화성 영역(14n)으로부터 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 친화성 영역(141) 쪽으로 이동하는 힘이 작용한다. 이 때문에 자발적으로 잉크가 유로내를 이동하게 된다. 이로 인하여, 압전체소자로부터의 압력이 가해질 경우, 종래의 노즐보다 빠르게 잉크가 노즐내를 이동하게 된다. 이것은 노즐(11)을 통과하는 잉크의 유로저항이 낮다는 것을 의미한다. 따라서, 압전체소자(4)가 작은 부하로서, 잉크를 유로로 도입시킬 수 있고, 보다 적은 전력으로 동량의 잉크의 액체방울을 토출시킬 수가 있다.
또, 액체의 속도가 높을수록, 액체방울을 분리하기 위한 특이점이 확실하게 발생한다. 제1실시예에서 설명한 것과 마찬가지의 저친화성 영역(130)을 유로의 하류에 구비하고 친화성의 정도가 급격하게 변화하는 불연속점을 구비하고 있으면, 적은 유로저항으로 매우 빠르게 이동한 잉크가 저친화성영역(130)에서 유로면으로부터 괴리되는 특이점이 발생한다. 따라서, 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시키는 액체방울의 구경을 안정화시키고, 또 토출되는 잉크액체방울의 직진성을 확보할 수가 있다.
상기한 바와 같이 본 제2실시예에 의하면, 잉크의 흐르는 방향에 있어서의 친화성의 정도가 변화하도록 친화성 영역을 보유함으로서, 유로내에서의 잉크의 유동저항을 낮추는 것이 가능하고, 적은 부하로 잉크를 토출시킬 수가 있다.
또, 제1실시예에 있어서의 친화성의 정도가 불연속점을 형성하면, 잉크 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시켜 잉크 액체방울의 구경을 안정화시키고, 또 토출되는 액체방울의 직진성을 확보할 수가 있다. 따라서, 프린터에 있어서의 인자품질을 향상시킬 수 있는 것이 가능하다. 또 잉크를 공업적 용도를 보유한 액체로 변경하는 것으로서, 당해 잉크젯식 헤드를 공업적 용도에 적용할 수 있다.
(제3실시예)
본 발명의 제3실시예는, 상기 제1실시예의 노즐에 있어서, 유로 내에서의 친화성의 정도를 동적으로 변화시킬 수 있는 구성에 관한 것이다.
(구성)
도 7에, 본 제3실시예의 노즐판(1c)의 단면도를 나타낸다. 본 노즐판(1c)은, 잉크에 대한 친화성의 정도가 동적으로 변경될 수 있는 친화성 영역(131)을, 상기 제1실시예의 저친화성 영역(130) 대신에 보유하는 구성으로 되어 있다. 잉크에 대하여 상대적으로 낮은 친화성을 나타내는 저친화성 영역(120), 잉크에 대하여 상대적으로 높은 친화성을 나타내는 고친화성 영역(140) 및 (150)은, 상기 제1실시예와 마찬가지으므로 설명을 생략한다.
더욱이, 본 노즐판(1c)은, 기대(110)로서 친화성 영역(131)의 내측에는, 전극(201) 및(202)이 구비되어 있고, 양 전극간에 전압을 가하는 구동회로(203)를 구비한다. 구동회로(203)는, 압전체소자(4)에 가해지는 구동펄스와 마찬가지의 전압변화를 나타내는 구동신호를 출력할 수 있도록 구성된다. 단, 압전체소자가 체적변화되는 것으로부터 잉크가 노즐(11)로 들어갈 때까지의 지연을 고려하여, 구동신호를 구동펄스로부터 지연시킨다.
친화성 영역(131)은, 전계의 강도에 따라서, 잉크에 대한 친화성이 변화하는 소재로 될 수 있다. 이 소재는, 예컨대 도 8과 같이, 구동신호(SD)(파선)에 의해서, 친화성의 정도가 변화하는 것으로 한다. 구동신호와 친화성 정도와의 변화의 타이밍 관계는, 상기 지연량에 따라서 변동하기 때문에 편의상의 것이다. 친화성 정도의 변화특성은, 도 8에 한정되지 않으며, 각각 변경하여 적용할 수가 있다.
또, 본 실시예에서는 전계에 의해서 친화성의 정도가 변화하는 조성을 이용하였지만, 친화성 영역(131)에 인가하는, 전계나 열 등의 물리량을 변화시켜서, 친화성의 영역을 제어하여도 좋다.
(작용)
상기 구성에 의하면, 친화성 영역의 친화성 정도를 동적으로 변화시키는 것이 가능하고, 친화성 정도의 동적변화에 따른 효과가 얻어진다. 예컨대, 도 8에 나타내는 바와 같은 특성으로 친화성 영역(131)의 정도를 변화시킨 경우, 시각 t0 부근에서 잉크가 고친화성 영역(140)과 친화성 영역(131)과의 경계에 도달하고, 시각 t1에서 특이점이 출현한다. 특이점이 출현하면, 잉크 기둥의 수축이 크게 된다. 시간이 진행하는 것과 동시에 친화성 영역(131)이 친화성이 증가하면, 잉크가 친화성 영역(131)과도 밀착하게 되어, 이것이 수축의 성장을 가속한다. 시각 t2에서, 특이점에서 잉크가 분리되어, 액체방울로 된다. 그 후, 시각 t3에서 친화성 영역(131)이 다시 친화성을 나타나지 않게 되면, 친화성 영역(131)에 밀착되어 있는 잉크가, 고친화성 영역(140)과 친화성 영역(131)과의 경계까지 복귀한다. 친화성 영역에서의 잉크에 대한 친화성의 정도를 동적으로 변화시키는 것에 의해, 잉크의 액체방울을 보다 빠르게 분리하거나, 특정의 특이점에서 안정적으로 수축을 발생시킬 수가 있다.
본 제3실시예에 의하면, 잉크에 대한 친화성의 정도를 동적으로 변경시킬 수 있는 친화성 제어수단을 구비함으로서, 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시키거나, 빠르게 액체방울을 분리시킬 수가 있다. 따라서 토출되는 잉크 액체량을 더 일정하게 안정화시킬 수가 있다.
(그 이외의 변형예)
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 각각 변형하여 적용하는 것이 가능한다. 예컨대 상기 실시예에서의 액체로는 잉크(수성)를 이용하였지만, 공업적 용도로 잉크젯식 기록헤드를 이용하는 경우에는, 잉크 대신에 수성인 것과 유성인 것을 묻지 않고 그 이외의 용제나 용매, 용액을 적용할 수 있다. 이러한 액체로는, 어떠한 혼합물이 콜로이드상으로 혼입되어도 좋다. 액체로서 유기용제를 사용한 경우에는, 알킬기를 보유한 유황화합물의 자기집합화 분자막이 고친화성 영역으로서 작용하고, OH기나 CO2H기를 보유한 유황화합물의 자기집합화 분자막이 저친화성 영역으로서 작용한다. 이와 같이, 액체에 따라서 티올라이트를 형성하기 위한 유황화합물을 변경하여 친화성 영역을 구성하면 좋다.
본 발명의 액체분출구조에 의하면, 친화성의 정도가 급격하게 변화하는 불연속점을 구비함으로서, 노즐 내측의 특정 개소에서 액체방울을 분리할 수가 있게 된다. 이 때문에, 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시키는 액체방울의 구경을 안정화시키고, 또 토출되는 액체방울의 직진성을 확보할 수가 있다. 따라서, 프린터에 사용되는 경우에는 각 인자품질을 향상시키고, 공업적 용도에 사용되는 경우에는 고품질의 패터닝 등이 가능하게 된다.
본 발명의 액체토출구조에 의하면, 노즐 내측에서의 액체의 유동저항을 낮추는 것이 가능한 구성을 보유함으로서, 적은 부하로 액체를 분출시킬 수가 있다.
본 발명의 액체토출구조에 의하면, 노즐 내측에서의 액체에 대한 친화성을 동적으로 변경시킬 수 있는 구성을 보유함으로서, 액체방울을 발생하기 위한 특이점을 안정하게 발생시켜 액체방울의 구경을 안정화시키고, 또 분출되는 액체방울의 직진성을 확보할 수가 있다.

Claims (19)

  1. 액체를 분출시키기 위한 노즐을 구비한 액체분출구조에 있어서, 분출되어야 할 액체에 대한 친화성의 정도가 당해 액체의 흐르는 방향에 따라서 다르도록 설정되어 있는 유로를 보유한 노즐을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액체분출구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로가, 금속표면에 소정의 유황화합물을 응집시킨 티올라이트로서 존재하고 있는 분자막으로 형성되어 있는 액체분출구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유황화합물이, R을 탄화수소기로 한 경우에, R-SH라는 화학구조식으로 나타나는 티올화합물로 구성되어 있는 액체분출구조.
  4. 제3항에 있어서, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R이,
    CnH2n+1-,
    CnF2n+1-,
    CnF2n+1-CmH2m-,
    CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
    HO2C(CH2)n-,
    HO(CH2)n-,
    NC(CH2)n-,
    H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
    H3CO(CH2)n-,
    X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
    H2C=CH(CH2)n-,
    H3C(CH2)n-, 및
    CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
    중 어느 하나의 조성식으로 나타나는 액체분출구조.
  5. 제2항에 있어서, 상기 유황화합물이, R1과 R2를 각각 다른 탄화수소기로 한 경우에, R1-SH 및 R2-SH 라는 서로 다른 화학구조식으로 나타나는 티올분자의 혼합물로 구성되어 있는 액체분출구조.
  6. 제5항에 있어서, R1과 R2가,
    CnF2n+1- 또는 CnF2n+1-CmH2m-
    중 어느 하나의 화학구조식으로 나타나는 액체분출구조.
  7. 제2항에 있어서, 상기 유황화합물이, R3를 소정의 탄화수소기로 한 경우에, HS-R3-SH 라는 화학구조식으로 나타나는 티올화합물로 구성되어 있는 액체분출구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 R3가.
    중 어느 하나의 화학구조식으로 나타나는 액체분출구조.
  9. 제2항에 있어서, 상기 유황화합물이, R4를 소정의 탄화수소기로 한 경우에, R4-S-S-R4라는 화학구조식으로 나타나는 티올화합물이 부분적으로 또는 전체적으로 형성되어 있는 액체분출구조.
  10. 제9항에 있어서, n, m, p 및 q를 임의의 자연수로 하고, X, Y를 소정의 원소로 한 경우에, 상기 R4가,
    CnH2n+1-,
    CnF2n+1-,
    CnF2n+1-CmH2m-,
    CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-
    HO2C(CH2)n-,
    HO(CH2)n-,
    NC(CH2)n-,
    H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-,
    H3CO(CH2)n-,
    X(CH2)n-(단, X는 Br, Cl, I 등의 할로겐원소)
    H2C=CH(CH2)n-,
    H3C(CH2)n-, 및
    CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-
    중 어느 하나의 화학구조식으로 나타나는 액체분출구조.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로가, 당해 유로의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 급격히 저하하는 불연속점을 보유하고 있는 액체분출구조.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로가, 당해 유로의 하류측에, 1㎛이상 100㎛ 이하의 길이의, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 상대적으로 낮은 영역을 보유하고 있는 액체분출구조.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로가, 당해 유로의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 점차적으로 상승하도록 설정되어 있는 액체분출구조.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유로가, 당해 유로의 하류측에, 열, 전계의 강도 또는 자계의 강도 중 어느 하나의 물리량의 변화에 따라서 당해 액체에 대한 친화성의 정도를 변경시킬 수 있는 영역을 보유하고 있는 액체분출구조.
  15. 제14항에 있어서, 상기 영역에 대하여, 열, 전계의 강도 또는 자계의 강도 중 어느 하나의 물리량을 변경가능하게 공급하는 수단을 추가로 보유하고 있는 액체분출구조.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체가 분출되는 상기 유로의 분출면이, 당해 액체에 대하여 상대적으로 낮은 친화성의 정도를 나타내도록 설정되어 있는 액체분출구조.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체를 상기 유로로 공급하기 위한 저장부의 내면이, 당해 액체에 대한 친화성의 정도가 상대적으로 높도록 설정되어 있는 액체분출구조.
  18. 청구항 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 액체분출구조를 보유한 잉크젯식 기록헤드.
  19. 청구항 제18항에 기재된 잉크젯식 기록헤드를 보유한 프린터.
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