KR20020058231A - 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 - Google Patents

Abstract

종형 잉크 챔버를 가진 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드가 개시된다. 개시된 잉크 젯 프린트 헤드는, 잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 상부의 직경이 그 하부의 직경보다 큰 실질적으로 종형의 형상을 가지는 잉크 챔버와, 잉크를 매니폴드로부터 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 형성된 기판; 기판 상에 적층되며, 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 노즐이 형성된 노즐판; 노즐판 상에 적층되며, 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및 노즐판 상에 마련되며, 히터에 전류를 인가하는 전극;을 구비한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 잉크 챔버 내부에 발생된 도우넛 형상의 버블이 노즐의 아래에서 합쳐져 원반형의 버블을 형성함으로써 토출되는 주 액적에 뒤 따른 부 액적의 발생이 억제되어 인쇄 품질이 향상된다.

Description

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드{Bubble-jet type inkjet print head}

본 발명은 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종형 잉크 챔버를 가진 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크 젯 프린트 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 중 일례로서, 미국특허 US 4882595호에 개시된 잉크 토출부 구조를 나타내 보인 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(19)가 채워지는 잉크 챔버(13)를 형성하는 격벽부재(12)와, 잉크 챔버(13) 내에 설치되는 히터(14)와, 잉크 액적(19')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐판(11)을 포함하고 있다. 상기 잉크 챔버(13) 내에는 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 채워지며, 잉크 챔버(13)와 연통된 노즐(16) 내에도 모세관 현상에 의해 잉크(19)가 채워진다. 이와 같은 구성에 있어서, 히터(14)에 전류가 공급되면 히터(14)가 발열되면서 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19) 안에 버블(18)이 형성된다. 그 후, 이 버블(18)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 외부로 잉크 액적(19')를 밀어내게 된다. 그 다음에, 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 흡입되면서 챔버(13)에 다시 잉크(19)가 채워진다.

그런데, 이와 같은 버블 젯 방식의 잉크 토출부를 가지는 잉크 젯 프린트 헤드는 버블에 의해 잉크의 주 액적(main droplet)이 토출된 후에 이에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)이 발생되는 문제점이 있다. 보다 상세하게 설명하면, 주 액적은 기둥(column)의 형태로 잉크 챔버 내의 잉크와 연결되어 토출되다가 토출 후반부에 가늘어진 잉크 기둥이 표면장력을 이기지 못하고 잉크 챔버 내의 잉크로부터 분리되는데, 이때 미세한 부 액적들이 잉크로부터 떨어져 나와 주 액적과는 다른 속도와 다른 방향으로 토출되게 된다. 이렇게 토출되는 부 액적은 의도된 위치에 화상을 형성하지 못하여 결과적으로 인쇄 품질의 저하를 초래하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 부 액적의 발생을 억제할 수 있도록 잉크 챔버의 형상이 종형으로 형성된 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드의 일례를 나타내 보인 잉크 토출부의 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 종형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 토출부를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 종형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 토출부를 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 4의 B-B 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위한 도 2의 A-A 선을 따른 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200...잉크 토출부 110,210...기판

112,212...매니폴드 114,214...잉크 챔버

116,216...잉크 채널 120,220...노즐판

122,222...노즐 130...히터

231...제1 히터 232...제2 히터

140,240...히터 보호막 150...전극

251...제1 전극 252...제2 전극

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 상부의 직경이 그 하부의 직경보다 큰 실질적으로 종형의 형상을 가지는 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 형성된 기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 노즐판; 상기 노즐판 상에 적층되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성되어 상기 잉크 챔버 내의 잉크를 가열하기 위한 히터; 및 상기 노즐판 상에 마련되며, 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극;을 구비하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 히터는 상기 노즐로부터 보다 멀리 배치된 제1 히터와 상기 노즐에 보다 가깝게 배치된 제2 히터를 구비하며, 상기 제1 히터는 상기 제2 히터보다 먼저 발열하도록 된 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 잉크 챔버 내부에 발생된 도우넛 형상의 버블이 노즐의 아래에서 합쳐져 원반형의 버블을 형성함으로써 토출되는 주 액적에 뒤따른 부 액적의 발생이 억제되어 인쇄 품질이 향상된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며,본 발명을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 종형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 토출부를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 도 2에 도시된 잉크 토출부(100)가 다수 배열되어 이루어진다. 잉크 토출부(100)의 기판(110) 표면쪽에는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 상부의 직경이 그 하부의 직경보다 큰 실질적으로 종형의 형상을 가지는 잉크 챔버(114)가 형성된다. 기판(110)의 배면쪽에는 잉크 챔버(114)로 잉크를 공급하는 매니폴드(112)가 잉크 챔버(114)의 아래쪽에 위치하도록 형성되며, 잉크 챔버(114)의 바닥 중앙에는 잉크 챔버(114)와 매니폴드(112)를 연결하는 잉크 채널(116)이 형성된다. 한편, 매니폴드(112)는 도시된 바와는 달리 잉크 챔버(114)의 측방에 위치하도록 형성될 수 있으며, 이 경우에 잉크 채널(116)은 그 양단부가 각각 잉크 챔버(114)와 매니폴드(112)에 연결되도록 기판(110)의 표면쪽에 형성될 수 있다.

여기에서, 기판(110)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 그리고, 잉크 챔버(114), 매니폴드(112) 및 잉크 채널(116)은 기판(110)의 표면 또는 배면을 식각함으로써 형성될 수 있다.

그리고, 기판(110)의 표면에는 노즐판(120)이 형성되어, 잉크 챔버(114)의 상부 벽을 이룬다. 노즐판(120)은, 기판(110)이 실리콘으로 이루어진 경우, 실리콘 기판(110)을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있고, 기판(110) 상에 증착된 실리콘 질화막 등의 절연막으로 이루어질 수 있다.

노즐판(120)에는 잉크 챔버(114)의 중심부에 대응하는 위치에 노즐(122)이 형성된다. 노즐(122)은 후술하는 히터(130)의 안쪽으로 히터(130)의 직경보다 작은 직경, 예컨대 16∼20㎛ 정도의 직경으로 노즐판(120)을 식각함으로써 이루어진다.

노즐판(120) 위에는 노즐(122)을 둘러싸는 환형의 버블 생성용 히터(130)가 형성된다. 이 히터(130)는 노즐판(120) 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘과 같은 저항 발열체를 대략 0.7 내지 1㎛ 두께로 증착시킨 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 이 폴리 실리콘막의 증착 두께는, 히터(130)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 히터(130)가 형성된 노즐판(120)의 전면에는 히터 보호막(140)으로서 질화막이 형성된다. 이 히터(130)는 완전한 환형으로 도시되어 있으나, 후술하는 전극(150)의 배치 및 연결 방법에 따라 다소의 변형이 있을 수 있다.

그리고, 히터(130)에는 펄스상 전류를 인가하기 위하여 통상 금속으로 이루어진 전극(150)이 연결된다. 전극(150)은 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 종형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 토출부를 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 4의 B-B 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다. 본 실시예는 히터와 전극을 제외하고는 전술한 일 실시예와 동일하므로, 그 차이점을 중심으로 간략하게 설명하기로 한다.

도 4와 도 5를 함께 참조하면, 본 실시예의 잉크 토출부(200)의 기판(210) 표면쪽에는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 상부의 직경이 그 하부의 직경보다 큰 실질적으로 종형의 형상을 가지는 잉크 챔버(214)가 형성된다. 기판(210)의 배면쪽에는 매니폴드(212)가 형성되며, 잉크 챔버(214)의 바닥 중앙에는 잉크 채널(216)이 형성된다. 그리고, 기판(210)의 표면에는 노즐판(220)이 형성되어, 잉크 챔버(214)의 상부 벽을 이루며, 노즐판(220)에는 잉크 챔버(214)의 중심부에 대응하는 위치에 노즐(222)이 형성된다.

노즐판(220) 위에는 노즐(222)을 둘러싸는 환형의 버블 생성용 히터(231, 232)가 형성된다. 본 실시예에서는 두 개의 히터(231, 232)가 형성되는데, 제1 히터(231)는 노즐(222)로부터 보다 멀리 배치되어 있으며, 제2 히터(232)는 노즐(222)에 보다 가깝게 배치되어 있다. 그리고, 제1 히터(231)는 제2 히터(232)보다 먼저 발열하도록 된 것이 바람직하다. 이는 뒤에서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 제1 및 제2 히터(231, 232)는 히터 보호막(240)에 의해 보호된다.

이와 같이 본 실시예에서는 두 개의 히터(231, 232)가 마련됨에 따라, 전극도 제1 전극(251)과 제2 전극(252)이 마련된다. 제1 전극(251)은 제1 히터(231)에 연결되도록 형성되며, 제2 전극(252)은 제2 히터(232)에 연결되도록 형성된다. 한편, 도 4에는 제1 전극(251)과 제2 전극(252)이 서로 직교하는 방향으로 배치되어 있으나, 이러한 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.

이하에서는 도 6a 및 도 6b를 참조하며 본 발명에 따른 종형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하기로 한다. 여기에서, 잉크 액적 토출 메카니즘과 이에 따른 효과는 전술한 두 가지 실시예에서 거의 동일하므로 먼저 기술된 일 실시예를 기준으로 설명하고, 다른 실시예의 잉크 액적 토출 메카니즘은 그 차이점만 설명하기로 한다.

먼저 도 6a를 참조하면, 모세관 현상에 의해 매니폴드(112)와 잉크 채널(116)을 통해 잉크 챔버(114) 내부로 잉크(180)가 공급된다. 잉크 챔버(114) 내부에 잉크(180)가 채워진 상태에서, 전극(150)을 통해 히터(130)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(130)에서 발생된 열이 아래의 노즐판(120)을 통해 잉크(180)로 전달되고, 이에 따라 잉크(180)가 비등하여 버블(191)이 생성된다. 이 버블(191)의 형상은 히터(130)의 형상에 따라 도 6a의 오른쪽에 도시된 바와 같이 대략 도우넛 형상이 된다. 도우넛 형상의 버블(191)은 시간이 지남에 따라 팽창하게 되는데, 이때 잉크 챔버(114)의 형상이 종형으로 되어 있으므로 도우넛 형상의 버블(191)은 그 외주면과 저면이 먼저 잉크 챔버(114)의 벽면에 접하게 된다. 이에 따라 버블(191)은 외측 방향과 아래 방향으로부터 반력을 받아 그 반대 방향, 즉 잉크 챔버(114)의 내측 방향과 노즐(122)쪽으로 팽창하게 된다.

노즐(122)쪽으로 팽창하는 버블(191)은 도 6b에 도시된 바와 같이 노즐(122) 아래에서 쉽게 합쳐지게 되고, 이에 따라 중앙부가 오목한 대략 원반형의버블(192)이 형성된다. 이와 같이 형성된 원반형의 버블(192)에 의해 잉크(180)가 상하로 분리되므로, 버블(192)의 상부에 있는 잉크(180)는 노즐(122)을 통해 잉크 액적(180')으로 토출되며, 그 하부에 있는 잉크(180)는 버블(192)에 의해 차단되어 더 이상의 토출이 방지된다. 따라서, 요구된 양만큼의 주 액적만이 짧은 시간 내에 토출되며 부 액적의 발생은 억제되므로, 주 액적으로만 화상을 형성할 수 있게 되어 인쇄 품질이 향상된다.

인가했던 전류를 차단하면 형성되었던 버블(192)은 주위로의 열손실로 급격히 소멸되며, 잉크 챔버(114) 내에는 잉크 채널(116)을 통해 다시 잉크(180)가 채워진다.

한편, 도 4와 도 5에 도시된 다른 실시예에서는, 종형 잉크 챔버(214) 상부에 두 개의 히터(231, 232)가 마련되어 있으며, 이는 본 발명의 효과를 더욱 증가시킬 수 있다. 즉, 노즐(222)로부터 보다 멀리 배치되어 있는 제1 히터(231)를 먼저 발열시키게 되면, 그 하부의 잉크 챔버(214) 내에 도우넛형 버블이 형성되는데, 이 버블은 전술한 바와 같이 외측 방향과 아래 방향으로의 팽창이 제한되어 노즐(222)쪽으로 팽창하게 된다. 이어서, 노즐(222)에 보다 가깝게 배치된 제2 히터(232)를 발열시키게 되면, 이때 발생되는 버블은 노즐(222)에 보다 가깝게 모이게 되고 먼저 생성되어 팽창중인 버블과 합쳐져 전술한 바와 같이 원반형 버블이 보다 쉽게 형성되므로 부 액적의 발생이 억제된다.

이와 같은 본 발명의 프린트 헤드에 의하면, 상술한 바와 같이 잉크 챔버(114)의 형상이 종형으로 되어 있어서 부 액적의 발생을 억제할 수 있을 뿐만아니라, 히터(130)가 환형으로 되어 있으므로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고 그에 따라 버블(191, 192)의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 빨라져 빠른 응답과 높은 구동 주파수를 가질 수 있다. 그리고, 버블(191, 192)의 팽창이 잉크 챔버(114) 내부로 한정되면서 잉크(180)의 역류가 억제되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 억제된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 프린트 헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 즉, 기판은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터나 전극, 실리콘 산화막, 질화막 등도 마찬가지이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 의하면, 잉크 챔버의 형상이 종형으로 되어 있어서 잉크 챔버 내부에 생성된 버블이 노즐 아래에서 쉽게 합쳐지게 되고, 이에 따라 부 액적의 발생이 억제되어 인쇄 품질이 향상된다.

Claims (3)

1. 잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 상부의 직경이 그 하부의 직경보다 큰 실질적으로 종형의 형상을 가지는 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 형성된 기판;

   상기 기판 상에 적층되며, 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 노즐판;

   상기 노즐판 상에 적층되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성되어 상기 잉크 챔버 내의 잉크를 가열하기 위한 히터; 및

   상기 노즐판 상에 마련되며, 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 히터는 상기 노즐로부터 보다 멀리 배치된 제1 히터와 상기 노즐에 보다 가깝게 배치된 제2 히터를 구비하며, 상기 제1 히터는 상기 제2 히터보다 먼저 발열하도록 된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 매니폴드는 상기 기판의 배면에 형성되고, 상기 잉크 채널은 상기 잉크 챔버의 바닥에 상기 매니폴드와 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드.