KR20050055727A

KR20050055727A - 액체 토출 장치

Info

Publication number: KR20050055727A
Application number: KR1020057005124A
Authority: KR
Inventors: 야스오 니시; 가오루 히구찌; 가즈히로 무라따; 히로시 요꼬야마
Original assignee: 코니카 미놀타 홀딩스 가부시키가이샤; 샤프 가부시키가이샤; 내셔날 인스티튜트 오브 어드밴스드 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀로지
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-06-13
Also published as: WO2004028814A1; US7337987B2; DE60331332D1; CN100396489C; CN1684833A; KR100939584B1; EP1550555A1; US20060043212A1; AU2003264552A1; TWI289509B; EP1550555A4; EP1550555B1; TW200420433A; AU2003264552A8; JP2004136652A

Abstract

대전된 용액의 액적을 기재로 토출하는 액체 토출 장치(50)에 있어서, 액적의 토출을 받는 받이면을 갖는 기재(K)에 그 선단부를 대향시켜 배치하는 동시에 상기 선단부로부터 액적을 토출하는 선단부의 내부 직경이 30〔㎛〕 이하인 노즐(51)과, 이 노즐(51)내로 용액을 공급하는 용액 공급 수단(53)과, 노즐(51)내의 용액에 토출 전압을 인가하는 토출 전압 인가 수단(35)을 구비하되, 토출 전압 인가 수단(35)의 토출 전극(58)을 노즐의 후단부측에 설치하고 노즐의 내부 유로 길이를 내부 직경의 적어도 10배 이상으로 설정하였다.

Description

액체 토출 장치{LIQUID JETTING DEVICE}

본 발명은 기재로 액체를 토출하는 액체 토출 장치에 관한 것이다.

종래의 잉크젯 기록 방식으로는 압전 소자의 진동을 통해 잉크 유로를 변형시켜 잉크 액적을 토출시키는 피에조 방식, 잉크 유로내에 발열체를 설치하고 그 발열체를 발열시켜 기포를 발생시킴으로써 기포에 의한 잉크 유로내의 압력 변화를 통해 잉크 액적을 토출시키는 서멀 방식이 있는데, 최근에는 일본 특개평11-277747호 공보 혹은 일본 특개2000-127410호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 잉크 유로내의 잉크를 대전시켜 잉크의 정전 흡인력을 통해 잉크 액적을 토출시키는 정전 흡인 방식이 많아지고 있다.

그러나, 상기된 종래의 예에는 아래와 같은 문제가 있다.

(1) 미소 액적 형성의 한계와 안정성

노즐 직경이 크기 때문에 노즐로부터 토출되는 액적의 형상이 안정되지 않고, 또한 액적의 미소화에 한계가 있다.

(2) 고 인가 전압

미소 액적 토출을 위해서는 노즐 토출구의 미세화를 도모하는 것이 중요한데, 종래의 정전 흡인 방식의 원리에서는 노즐 직경이 큼으로 인해 노즐 선단부의 전계 강도가 약하여 높은 토출 전압(예를 들면 2000[V]에 가까운 매우 높은 전압)을 인가할 필요가 있었다. 따라서, 높은 전압을 인가하기 위해서는 전압의 구동 제어가 고가가 된다는 문제가 있었다.

이에, 미소 액적을 토출 가능한 액체 토출 장치를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다. 또한, 동시에 안정된 액적을 토출 가능한 액체 토출 장치를 제공하는 것을 제2의 목적으로 한다. 또한, 미소 액적을 토출 가능하며, 또한 착탄 정밀도가 좋은 액체 토출 장치의 제공을 제3 목적으로 한다. 또한, 인가 전압의 저감이 가능한 저가의 액체 토출 장치를 제공하는 것을 제4의 목적으로 한다.

도1a는 노즐 직경을 Ø0.2〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도1b는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도2a는 노즐 직경을 Ø0.4〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도2b는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도3a는 노즐 직경을 Ø1〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도3b는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도4a는 노즐 직경을 Ø8〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도4b는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도5a는 노즐 직경을 Ø20〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도5B는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도6a는 노즐 직경을 Ø50〔㎛〕로 하고 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이며, 도6B는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도의 분포도이다.

도7은 도1 내지 도6의 각 조건하에서의 최대 전계 강도를 나타내는 표를 도시한 것이다.

도8은 노즐의 노즐 직경의 메니스커스부의 최대 전계 강도와 강 전계 영역의 관계를 도시한 선도이다.

도9는 노즐의 노즐 직경과 메니스커스부에서 토출되는 액적이 비상을 개시하는 토출 개시 전압, 이 초기 토출 액적의 레이리(Rayleigh) 한계에서의 전압치 및 토출 개시 전압과 레이리 한계 전압치 비율과의 관계를 도시한 선도이다.

도10은 노즐 직경과 메니스커스부의 강 전계 영역의 관계를 나타내는 그래프이다.

도11은 제1 실시 형태인 액체 토출 장치의 노즐에 따른 단면도이다.

도12는 노즐 선단부의 각 치수를 나타내는 부호를 도시한 설명도이다.

도13a는 노즐 선단부의 발수 처리 상태를 도시한 설명도, 도13b는 발수 처리의 다른 예를 도시한 설명도이다.

도14a는 용액의 토출 동작과 용액에 인가되는 전압과의 관계로서 토출을 수행하지 않는 상태를 도시한 설명도이고, 도14b는 토출 상태를 도시한 설명도이다.

도15는 선단에 경사면을 설치한 다른 노즐의 예를 도시한 설명도이다.

도16a는 용액실측에 환부를 설치한 노즐내 유로 형상의 예를 도시한 일부 절취 사시도이고, 도16b는 유로내 벽면을 테이퍼 주면으로 형성한 노즐내 유로 형상의 예를 도시한 일부 절취 사시도이며, 도16c는 테이퍼 주면과 직선형 유로를 조합한 노즐내 유로 형상의 예를 도시한 일부 절취 사시도이다.

도17은 노즐 각부의 치수를 변경하며 소정의 조건하에서 수행한 비교 시험 결과를 도시한 표이다.

도18은 노즐 각부의 치수를 변경하며 소정의 조건하에서 수행한 비교 시험 결과를 도시한 표이다.

도19는 본 발명의 실시 형태로서, 노즐의 전계 강도 계산을 설명하기 위하여 도시한 것이다.

도20은 본 발명의 일 예로서의 액체 토출 장치의 측단면을 도시한 것이다.

도21은 본 발명의 실시 형태의 액체 토출 장치에 있어서의 거리-전압 관계에 따른 토출 조건을 설명하는 도면이다.

본 발명은, 대전된 용액의 액적을 토출하는 액체 토출 장치에 있어서, 선단부로부터 액적을 토출하는 선단부의 내부 직경이 30〔㎛〕 이하인 노즐을 갖는 액체 토출 헤드와, 노즐내로 용액을 공급하는 용액 공급 수단과, 노즐내의 용액에 토출 전압을 인가하는 토출 전압 인가 수단을 구비하되, 토출 전압 인가 수단의 토출 전극을 노즐의 후단부에 설치하고, 노즐의 내부 유로 길이가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 10배 이상으로 설정하는 구성을 채용하고 있다.

이하, 노즐 직경이라고 하는 경우에는 액적을 토출하는 선단부 노즐의 내부 직경(노즐 선단부의 내부 직경)을 나타내는 것으로 한다. 또한, 노즐내의 액체 토출 구멍의 단면 형상이 원형으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 액체 토출 구멍의 단면 형상이 다각형, 별모양 기타 형상인 경우에 그 단면 형상의 외접원이 30〔㎛〕 이하가 되는 것을 나타내는 것으로 한다. 이하, 노즐 직경 혹은 노즐 선단부의 내부 직경이라고 하는 경우에는 다른 수치 한정을 수행하고 있는 경우에도 동일한 것으로 한다. 또한, 노즐 반경이라고 하는 경우에는 이 노즐 직경(노즐 선단부의 내부 직경)의 1/2 길이를 나타내는 것으로 한다.

본 발명에서 '기재'란, 토출된 용액의 액적의 착탄을 받는 대상물을 말하는데, 재질적으로는 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 예를 들면 상기 구성을 잉크젯 프린터에 적용하는 경우에는 용지나 시트 등의 기록 매체가 기재에 상당하고, 도전성 페이스트를 이용하여 회로 형성을 수행하는 경우에는 회로가 형성되어야 하는 베이스가 기재에 상당하게 된다.

상기 구성에서는 노즐 선단부에 액적의 받이면이 대향되도록 노즐 또는 기재가 배치된다. 이들 상호 위치 관계를 실현하기 위한 배치 작업은 노즐의 이동 또는 기재의 이동중 어느 것으로 수행하여도 된다.

그리고, 노즐내에서 용액이 대전됨에 따라 전계가 집중되고, 용액은 노즐 선단부측으로의 정전력을 받아 노즐 선단부에서 융기된 상태(볼록형 메니스커스)가 된다. 그리고, 용액의 정전력이 볼록형 메니스커스의 표면 장력을 상회하면, 볼록형 메니스커스의 돌출 선단부로부터 용액의 액적이 기재 받이면에 대하여 수직 방향으로 비상함에 따라 기재 받이면상에는 용액의 도트가 형성된다.

상기 구성에서는 전계의 집중 효과를 얻기 위하여 노즐 직경의 초미세화를 도모하고 있는데, 노즐 선단부에서 용액이 더욱 강력한 전계 강도를 얻기 위해서는 대전 상태인 액적이 가늘고 길어지는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 노즐의 내부 유로 길이를 길게 설정하면 된다. 이러한 관점에서 노즐의 내부 유로 길이와 응답성의 관계를 비례 시험을 통해 고찰한 결과, 노즐의 내부 유로 길이를 노즐의 내부 직경의 10배로 한 지짐에서 응답성을 향상시키는 결과가 얻어졌다. 즉, 노즐의 내부 유로 길이를 노즐의 내부 직경의 10배 이상으로 하면 미세 노즐에서의 토출 응답성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 노즐내 유로의 유로 길이는 보다 긴 것이 바람직하지만, 그 제조의 곤란성이나 눈막힘에 의한 토출 안정성 저하 등을 고려한 값(내경에 대한 배율)을 선택하는 것이 바람직하다. 일 예로 150배 정도를 상한으로 한다.

여기서, 노즐의 내부 유로 길이는 노즐 플레이트상에 노즐이 설치된 액체 토출 헤드의 경우에 노즐 플레이트면으로부터 노즐 선단까지의 거리(H)를 말한다(도12 참조).

또한, 본 발명은 노즐을 종래에 없던 초미세 직경으로 함으로써 노즐 선단부에 전계를 집중시켜 전계 강도를 높이는 동시에 이때 유도되는 기재측의 경상(鏡像) 전하 혹은 영상 전하까지의 사이에 생기는 전계의 정전력을 통해 액적의 비상을 수행하고 있다.

따라서, 미세 노즐이면서도 종래 보다 낮은 전압으로 액적의 토출을 수행할 수 있는 동시에 기재가 유전체나 절연체이어도 양호하게 액적의 토출을 수행할 수 있다.

이 경우, 노즐 선단부에 대향하는 대향 전극이 없어도 액적의 토출을 수행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 대향 전극이 존재하지 않는 상태에서 노즐 선단부에 대향되게 기재를 배치하는 경우, 상기 기재가 도체인 경우에는 기재의 받이면을 기준으로 노즐 선단부에 면 대칭이 되는 위치에 반대 극성의 경상 전하가 유도되고, 기재가 절연체인 경우에는 기재의 받이면을 기준으로 기재의 유전율에 따라 정해지는 대칭 위치에 반대 극성의 영상 전하가 유도된다. 그리고, 노즐 선단부에 유기되는 전하와 경상 전하 또는 영상 전하 사이의 정전력에 의해 액적의 비상이 수행된다.

따라서, 장치 구성에 있어서의 비품 점수의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 본 발명을 업무용 잉크젯 시스템에 적용하는 경우, 시스템 전체의 생산성 향상에 공헌하고, 코스트 저감까지 도모할 수 있다.

단, 본 발명의 구성은 대향 전극을 불필요하게 하지만, 대향 전극을 병용하여도 상관없다. 대향 전극을 병용하는 경우에는 상기 대향 전극의 대향면에 따라 기재를 배치하는 동시에 대향 전극의 대향면을 노즐로부터의 액적 토출 방향에 수직으로 배치하는 것이 바람직하고, 이로 인해 노즐-대향 전극간의 전계에 의한 정전력을 비상 전극 유도를 위해 병용하는 것도 가능해지며, 대향 전극을 접지시키면 대전된 액적의 전하를 공기중에 방전하는 것에 더하여 대향 전극을 통해 릴리프시킬 수 있어 전하 축적을 저감시키는 효과도 얻어지므로, 오히려 병용하는 것이 바람직한 구성이라고 할 수 있다.

또한, 상기 구성에 더하여 노즐의 내부 유로 길이를 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 50배 이상으로 설정하여도 된다.

이 구성에서는 노즐의 내부 유로 길이를 내부 직경의 적어도 50배 이상으로 하여 응답성의 향상을 도모하는 동시에 보다 효과적인 전계의 집중을 도모함에 따라 미소 액적의 토출을 가능하게 한다.

또한, 상기 구성에 더하여 노즐의 내부 유로 길이를 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 100배 이상으로 설정하여도 된다.

이 구성에서는 노즐의 내부 유로 길이를 내부 직경의 적어도 100배 이상으로 하여 응답성 및 토출 액적의 미소화 향상을 도모하는 동시에 보다 효과적으로 전계의 집중을 도모함에 따라 더욱 토출 위치의 집중 안정화를 도모 가능하게 한다.

또한, 상기 각 구성에 더하여 노즐 선단부의 노즐 벽면 두께를 노즐 선단부의 노즐 내부 직경과 동등한 길이 이하로 하여도 된다.

이에 따라, 노즐 선단면의 외경을 내경의 3배 이하로 할 수 있으며, 상기 선단면 면적의 미소화를 도모하는 동시에 노즐의 내경을 기준으로 선단면의 크기가 규정되므로, 노즐 내경의 미세화에 따라 노즐 선단의 외경을 정의할 수 있다. 그 결과, 노즐 선단부에 형성되는 토출 방향으로 돌출된 볼록형 메니스커스의 외경을 노즐 내경에 따라 미소화시킬 수 있으므로, 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용이 집중되어 응답성의 향상과 액적 미소화를 가능하게 한다.

또한, 노즐 선단부의 노즐 벽면 두께를 노즐 선단부의 노즐 내부 직경과 동등한 길이의 1/4 이하로 하여도 된다.

이에 따라, 노즐 선단면의 외경을 내경의 1.5배 이하로 할 수 있으며, 상기 선단면 면적을 보다 미소화시키는 동시에 노즐의 내경을 기준으로 선단면의 크기가 규정되므로, 노즐 내경의 미세화에 따라 노즐 선단의 외경을 정의할 수 있다. 그 결과, 노즐 선단부에 형성되는 토출 방향으로 돌출된 볼록형 메니스커스의 외경을 노즐 내경에 따라 더욱 미소화시킬 수 있으므로, 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용이 집중되어 한층 더한 응답성의 향상과 액적 미소화를 가능하게 한다.

또한, 노즐 표면중 적어도 선단부를 발수 처리하여도 된다.

이로 인해, 노즐 내경을 따라 볼록형 메니스커스를 형성하는 것이 가능해져 노즐 선단의 토출공 주위의 발수성에 의해 토출측으로 돌출되는 메니스커스를 보다 안정되게 형성할 수 있으므로, 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용이 집중되어 한층 더한 응답성의 향상과 액적 미소화를 가능하게 한다.

또한, 노즐의 선단면을 노즐내 유로의 중심선에 대하여 경사면으로 하여도 된다.

이에 따라, 경사면과 노즐 측면에 의해 형성되는 예리한 형상의 토출 선단부측에 용액을 집중시킬 수 있으므로, 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용이 집중되어 응답성의 향상과 액적 미소화를 가능하게 한다.

또한, 상기 구성에 더하여 노즐 선단면의 경사 각도를 30 내지 45도의 범위로 하여도 된다.

상기 '경사 각도'란, 경사면의 법선이 노즐내 유로의 중심선과 일치하는 상태를 90도로 하는 경우를 기준으로 한 각도를 말한다.

경사면의 선단부에 용액을 집중시키는 것만을 생각한다면 선단면의 선단부가 예리해지는 방향으로 경사지는 것이 바람직하다고 생각되지만, 이 각도가 너무 작은 경우에는 선단부로부터의 방전이 발생하기 쉬워 전계 집중 효과를 오히려 상실할 수 있다. 이에, 그와 같은 일이 발생되지 않도록 경사면의 경사 각도를 30 내지 45도의 범위로 함으로써, 전계 집중의 효과를 상실하지 않으면서 응답성의 향상과 액적 미소화를 가능하게 한다.

또한, 전술된 구성에 더하여 노즐 직경을 20〔㎛〕 미만으로 하여도 된다.

이로 인해 전계 강도 분포가 좁아진다. 이에 따라 전계를 집중시킬 수 있다. 그 결과, 형성되는 액적을 미소하고 또한 형상을 안정화시킬 수 있는 동시에 총 인가 전압을 저감시킬 수 있다. 또한, 액적은 노즐로부터 토출된 직후 전계와 전하 사이에 작용하는 정전력에 의해 가속되지만 노즐로부터 떨어지면 전계가 급격하게 저하되므로, 그 이후에는 공기 저항에 의해 감속된다. 그러나, 미소 액적이며 또한 전계가 집중된 액적은 대향 전극에 근접할수록 경상력에 의해 가속된다. 이 공기 저항에 의한 감속과 경상력에 의한 가속의 균형을 맞춤으로써, 미소 액적을 안정되게 비상시켜 착탄 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 노즐의 내부 직경을 10〔㎛〕 이하로 하여도 된다.

이로 인해 더욱 전계를 집중시킬 수 있으므로, 더욱 액적의 미소화와 비상시에 대향 전극의 거리 변동이 전계 강도 분포에 미치는 영향을 저감시킬 수 있음에 따라 대향 전극의 위치 정밀도나 기재의 특성이나 두꺼운 액적 형상으로의 영향이나 착탄 정밀도로의 영향을 저감시킬 수 있다.

또한, 노즐 내부 직경을 8〔㎛〕 이하로 하여도 된다.

이로 인해 더욱 전계를 집중시킬 수 있으므로, 더욱 액적의 미소화와 비상시에 대향 전극의 거리의 변동이 전계 강도 분포에 미치는 영향을 저감시킬 수 있음에 따라 대향 전극의 위치 정밀도나 기재의 특성이나 두꺼운 액적 형상으로의 영향이나 착탄 정밀도로의 영향을 저감시킬 수 있다.

또한, 전계 집중 정도가 높아져 다노즐화시의 노즐 고밀도화에서 과제가 되던 전계 크로스 토크의 영향이 저감되어 한층 더한 고밀도화가 가능해진다.

또한, 노즐 내부 직경을 4〔㎛〕 이하로 하여도 된다. 이 구성을 통해 현저한 전계 집중을 도모할 수 있고, 최대 전계 강도를 높일 수 있으므로, 형상이 안정된 액적의 초미립화와 액적의 초기 토출 속도를 크게 할 수 있다. 이로 인해, 비상 안정성이 향상됨에 따라 착탄 정밀도를 더욱 향상시키고 토출 응답성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전계 집중 정도가 높아져 다노즐화시의 노즐 고밀도화에서 과제가 되던 전계 크로스 토크의 영향을 잘 받지 않으므로, 한층 더한 고밀도화가 가능해진다.

또한, 노즐의 내부 직경은 0.2〔㎛〕보다 큰 것이 바람직하다. 노즐의 내경을 0.2〔㎛〕보다 크게 함으로써, 액적의 대전 효율을 향상시킬 수 있으므로, 액적의 토출 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 토출 전압 인가 수단인 토출 전극을 노즐의 후단부측에 설치하여도 된다.

이에 따라, 토출 전극이 노즐내 유로의 상류 단부 근방에 위치하여 용액의 토출을 수행하는 선단부로부터 토출 전극을 멀리할 수 있으므로, 전위의 변화가 끊임없이 발생하는 토출 전극에 의한 외란의 영향을 저감시켜 안정된 용액의 토출이 이루어진다.

또한, 상기 구성에서 노즐을 전기 절연재로 형성하고, 노즐내에 토출 전압 인가용 전극을 삽입 혹은 상기 전극으로 기능하는 도금을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 노즐을 전기 절연재로 형성하고, 노즐내에 전극을 삽입 혹은 전극으로서의 도금을 형성하는 동시에 노즐의 외측에도 토출용 전극을 설치하는 것이 바람직하다.

노즐 외측의 토출용 전극은, 예를 들면 노즐의 선단측 단면 혹은 노즐의 선단부측 측면의 전체 둘레 혹은 일부에 설치된다.

또한, 상기 각 구성에 따른 작용 효과에 더하여 토출력을 향상시킬 수 있으므로, 노즐 직경을 더욱 미세화하여도 저전압으로 액적을 토출할 수 있다.

또한, 기재를 도전성 재료 또는 절연성 재료로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 인가되는 토출 전압을 다음의 수학식1로 나타내어지는 영역에서 구동하는 것이 바람직하다.

단, γ : 용액의 표면 장력(N/m), ε₀ : 진공의 유전율(F/m), d : 노즐의 직경(m), h : 노즐-기재간의 거리(m), k : 노즐 형상에 의존하는 비례 정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.

또한, 인가되는 토출 전압이 1000V 이상인 것이 바람직하다.

토출 전압의 상한치를 이와 같이 설정함으로써, 토출 제어를 용이하게 하는 동시에 장치의 내구성 향상 및 안전 대책 실행에 의해 확실성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다.

또한, 인가되는 토출 전압이 500V 이하인 것이 바람직하다.

토출 전압의 상한치를 이와 같이 설정함으로써, 토출 제어를 보다 용이하게 하는 동시에 장치의 내구성 향상과 안전 대책의 실행에 의해 확실성의 향상을 한층 더 용이하게 도모할 수 있다.

또한, 노즐과 기재의 거리가 500〔㎛〕 이하인 것이 노즐 직경을 미세하게 한 경우에도 높은 착탄 정밀도를 얻을 수 있으므로 바람직하다.

또한, 노즐내의 용액에 압력을 인가하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 단일 펄스를 통해 토출시키는 경우,

에 의해 정해지는 시정수 τ 이상의 펄스폭(△t)을 인가하는 구성으로 하여도 된다. 단, ε : 용액의 유전율(F/m), σ : 용액의 도전율(S/m)로 한다.

이하의 각 실시 형태에서 설명되는 액체 토출 장치의 노즐 직경은 30〔㎛〕 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20〔㎛〕 미만, 더욱 바람직하게는 10〔㎛〕 이하, 더욱 바람직하게는 8〔㎛〕 이하, 더욱 바람직하게는 4〔㎛〕 이하인 것이 바람직하다. 또한, 노즐 직경은 0.2〔㎛〕보다 큰 것이 바람직하다. 이하, 노즐 직경과 전계 강도의 관계에 대하여 도1a 내지 도6B를 참조하여 설명한다. 도1a 내지 도6B에 노즐 직경이 Ø0.2, 0.4, 1, 8, 20〔㎛〕 및 종래에 사용되고 있는 노즐 직경 Ø50〔㎛〕의 전계 강도 분포를 도시하였다.

여기서, 도1a 내지 도6B의 노즐 중심 위치(C)는 노즐 선단의 액체 토출공의 액체 토출면의 중심 위치를 나타낸다. 또한, 도1a, 도2a, 도3a, 도4a, 도5a, 도6a는 노즐과 대향 전극간의 거리를 2000〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도 분포를 도시한 것이고, 도1b, 도2b, 도3b, 도4b, 도5B, 도6B는 노즐과 대향 전극간의 거리를 100〔㎛〕로 설정하였을 때의 전계 강도 분포를 도시한 것이다. 또한, 인가 전압은 각 조건 모두 200[V]로 일정하게 하였다. 도1a 내지 도6B중의 분포선은 전하 강도가 1 × 10⁶[V/m]에서 1 × 10⁷[V/m]까지의 범위를 도시하고 있다.

도7에 각 조건하에서의 최대 전계 강도를 나타내는 표를 도시하였다.

도5a, 도5B에서 노즐 직경이 Ø20〔㎛〕 이상이면 전계 강도 분포가 넓은 면적으로 퍼지는 것을 알았다. 또한, 도7의 표에서 노즐과 대향 전극간의 거리가 전계 강도에 영향을 미치는 것도 알았다.

이들의 관점에서, 노즐 직경이 Ø8〔㎛〕(도4a, 도4b) 이하이면 전계 강도가 집중되는 동시에 대향 전극의 거리 변동이 전계 강도 분포에 거의 영향을 주지 않게 된다. 따라서, 노즐 직경이 Ø8〔㎛〕이하라면 대향 전극의 위치 정밀도 및 기재의 재료 특성의 분산이나 두께 분산의 영향을 받지 않고 안정된 토출이 가능해진다. 다음으로, 상기 노즐의 노즐 직경과 노즐의 선단 위치에 액면이 있다고 하였을 때의 최대 전계 강도와 강 전계 영역의 관계를 도8에 도시하였다.

도8에 도시된 그래프에서 노즐 직경이 Ø4〔㎛〕이하가 되면 전계 집중이 극단적으로 커져 최대 전계 강도를 높일 수 있다는 것을 알았다. 따라서, 용액의 초기 토출 속도를 크게 할 수 있으므로, 용액의 비상 안정화가 증가되는 동시에 노즐 선단부에서의 전하의 이동 속도가 증가되기 때문에 토출 응답성이 향상된다.

다음에는 토출된 액적에서의 대전 가능한 최대 전하량에 대하여 설명한다. 액적에서의 대전 가능한 전하량은 액적의 레이리 분열(레이리 한계)을 고려하여 다음의 수학식3으로 나타내어진다.

여기서, q는 레이리 한계를 부여하는 전하량(C), ε₀은 진공의 유전율(F/m), γ은 용액의 표면 장력(N/m), d₀은 용액의 직경(m)이다.

상기 수학식3에서 구해진 전하량(q)이 레이리 한계치에 가까울수록 같은 전계 강도라도 정전력이 강하고 토출 안정성이 향상되지만, 레이리 한계치에 너무 가까우면 반대로 노즐의 액체 토출공에서 용액의 무산(霧散)이 발생하게 되어 토출 안정성이 결여된다.

여기서, 노즐의 노즐 직경과 노즐의 선단부에서 토출되는 액적이 비상을 개시하는 토출 개시 전압, 이 초기 토출 용액의 레이리 한계에서의 전압치 및 토출 개시 전압과 레이리 한계 전압치 비율과의 관계를 나타내는 그래프를 도9에 도시하였다.

도9에 도시된 그래프에서, 노즐 직경이 Ø0.2〔㎛〕내지 Ø4〔㎛〕의 범위에서 토출 개시 전압과 레이리 한계 전압치의 비율이 0.6을 넘어 액적의 대전 효율이 양호한 상태가 되므로, 이 범위에서 안정된 토출을 수행할 수 있다는 것을 알았다.

예를 들면, 도10에 도시된 노즐 직경과 노즐 선단부의 강 전계(1 × 10⁶[V/m] 이상) 영역의 관계를 나타내는 그래프에서는 노즐 직경이 Ø0.2〔㎛〕 이하인 경우에 전계 집중 영역이 극단적으로 좁아지는 것으로 나타났다. 이는 토출되는 액적이 가속하기 위한 에너지를 충분히 받을 수 없어 비상 안정성이 저하되는 것을 나타낸다. 따라서, 노즐 직경을 Ø0.2〔㎛〕보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.

[제1 실시 형태]

(액체 토출 장치의 전체 구성)

이하, 액체 토출 장치에 대하여 도11 내지 도14에 의거하여 설명한다. 도11은 후술되는 노즐(51)에 따른 액체 토출 장치(50)의 단면도이다.

이 액체 토출 장치(50)는 노즐 플레이트(56d)상에 설치되며 대전 가능한 용액의 액적을 그 선단부로부터 토출하는 초미세 직경의 노즐(51)과, 노즐(51)의 선단부에 대향하는 대향면을 갖는 동시에 그 대향면에서 액적의 착탄을 받는 기재(K)를 지지하는 대향 전극(23)과, 노즐(51)내의 유로(52)로 용액을 공급하는 용액 공급 수단(53)과, 노즐(51)내의 용액에 토출 전압을 인가하는 토출 전압 인가 수단(35)과, 노즐(51)내의 용액을 흡인하는 용액 흡인 수단(40)을 구비한다. 또한, 상기 노즐(51)과 용액 공급 수단(53)의 일부 구성과 토출 전압 인가 수단(35)의 일부 구성은 노즐 플레이트(56)에 의해 일체적으로 형성되어 있다.

또한, 설명의 편의상 도11에는 노즐(51)의 선단부가 상방을 향한 상태로 도시되어 있는데, 실제로는 노즐(51)이 수평 방향이나 혹은 그 보다 하방, 보다 바람직하게는 수직 하방으로 향한 상태로 사용된다.

(용액)

상기 용액 토출 장치(50)에 의해 토출되는 용액의 예로, 무기 액체로는 물, COCl₂, HBr, HNO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, SOCl₂, SO₂Cl₂, FSO₃H 등을 들 수 있다. 유기 액체로는 메탄올, n-프로파놀, 이소프로파놀, n-부탄올, 2-메틸-1-프로파놀, tert-부탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 벤질알콜, α-텔피네올, 에틸렌글리콜, 글리세린, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜 등의 알콜류; 페놀, ο-크레졸, m-크레졸, p-크레졸 등의 페놀류; 디옥산, 퍼프랄, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 에틸캐비톨, 부틸캐비톨, 부틸캐비톨아세테이트, 에피클로로하이드린 등의 에테르류; 아세톤, 메틸에틸케톤, 2-메틸-4-펜타논, 아세토페논 등의 케톤류; 의산, 초산, 디클로로초산, 트리클로로초산 등의 지방산류; 의산메틸, 의산에틸, 초산메틸, 초산에틸, 초산-n-부틸, 초산이소부틸, 초산-3-메톡시부틸, 초산-n-펜틸, 프로피온산에틸, 유산에틸, 안식향산메틸, 마론산디에틸, 프탈산디메틸, 프탈산디에틸, 탄산디에틸, 탄산에틸렌, 탄산프로필렌, 셀로솔브아세테이트, 부틸캐비톨아세테이트, 아세트초산에틸, 시아노초산메틸, 시아노초산에틸 등의 에스테르류; 니트로메탄, 니트로벤젠, 아세트니트릴, 프로피오니트릴, 숙시노니트릴(succinonitrile), 바렐니트릴, 벤조니트릴, 에틸아민, 디에틸아민, 에틸렌디아민, 아닐린, N-메틸아닐린, N, N-디메닐아닐린, ο-톨루이딘, p-톨루이딘, 피페리진, 피리진, α-피코린, 2, 6-루티딘, 크로린, 프로필렌디아민, 포름아미드, N-메틸포름아미드, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디에틸포름아미드, 아세트아미드, N-메틸아세트아미드, N-메틸프로피온아미드, N, N, N', N'-테트라메틸요소, N-메틸필로리돈 등의 함질소화합물류; 디메틸설폭사이드, 설포란(sulfolane) 등의 함유황화합물류; 벤젠, p-시멘, 나프탈렌, 시클로헥실벤젠, 시클로헥센 등의 탄화수소류; 1, 1-디클로로에탄, 1, 2-디클로로에탄, 1, 1, 1-트리클로로에탄, 1, 1, 1, 2-테트라클로로에탄, 1, 1, 2, 2-테트라클로로에탄, 펜타클로로에탄, 1, 2-디클로로에틸렌(cis-), 테트라클로로에틸렌, 2-클로로부탄, 1-클로로-2-메틸프로판, 2-클로로-2-메틸프로판, 브로모메탄, 트리브로모메탄, 1-브로모프로판 등의 할로겐화탄화수소류 등을 들 수 있다. 또한, 상기 각 액체를 2종 이상 혼합한 용액을 이용하여도 된다.

또한, 높은 전기 전도율의 물질(은가루 등)을 많이 포함한 도전성 페이스트를 용액으로 사용하여 토출을 수행하는 경우, 상술된 액체에 용해 또는 분산시킬 목적 물질은 노즐에서 눈막힘을 발생시키는 큰 입자를 제외하고는 특별히 한정되지 않는다. PDP, CRT, FED 등의 형광체로는, 종래부터 알려져 있는 것을 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 적색 형광체로서 (Y, Gd)BO₃ : Eu, YO₃ : Eu 등, 녹색 형광체로서 Zn₂SiO₄ : Mn, BaAl₁₂O₁₉ : Mn, (Ba, Sr, Mg)O·α-Al₂O₃ : Mn 등, 청색 형광체로서 BaMgAl₁₄O₂₃ : Eu, BaMgAl₁₀O₁₇ : Eu 등을 들 수 있다. 상기의 목적 물질을 기록 매체상에 견고하게 접착시키기 위하여 각종 바인더를 첨가하는 것이 바람직하다. 사용되는 바인더로는, 예를 들면 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 초산셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스 및 그 유도체; 폴리메타크릴산, 폴리메틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트·메타크릴산 공중합체, 라우릴메타크릴레이트·2-히드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 등의 (메타)아크릴수지 및 그 금속염; 폴리N-이소프로필아크릴아미든, 폴리N, N-디메틸아크릴아미드 등의 폴리(메타)아크릴아미드수지; 폴리스틸렌, 아크릴로니트릴·스틸렌 공중합체, 스틸렌·마레인산 공중합체, 스틸렌·이소프렌 공중합체 등의 스틸렌계 수지; 스틸렌·n-부틸메타크릴레이트 공중합체 등의 스틸렌·아크릴수지; 포화, 불포화의 각종 폴리에스테르수지; 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지; 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴 등의 할로겐화 폴리머; 폴리초산비닐, 염화비닐·초산비닐 공중합체 등의 비닐계 수지; 폴리카보네이트수지; 에폭시계 수지; 폴리우레탄계 수지; 폴리비닐포르말, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세탈 등의 폴리아세탈수지; 에틸렌·초산비닐 공중합체, 에틸렌·에틸아크릴레이트 공중합 수지 등의 폴리에틸렌계 수지, 벤조구아나민(benzoguanamine) 등의 아미드수지; 요소수지; 멜라민수지; 폴리비닐알코올수지 및 그 아니온카티온변성; 폴리비닐필로리돈 및 그 공중합체; 폴리에틸렌옥사이드, 카르복실화폴리에틸렌옥사이드 등의 알키렌옥사이트 단독중합체, 공중합체 및 가교체; 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등의 폴리알키렌글리콜; 폴리에테르폴리올; SBR, NBR라텍스; 덱스트린; 알긴산나트륨; 젤라틴 및 그 유도체, 카제인, 아벨모커스(Abelmoschus), 트라간트검, 플루란, 아라비아고무, 로카스트빈검, 구아검, 펙틴, 카라기닌, 아교, 알부민, 각종 전분류, 콘스타치, 곤약, 불등풀가사리, 한천, 대두담백 등의 천연 혹은 반합성수지; 테르펜수지; 케톤수지; 로진 및 로진에스테르; 폴리비닐메틸에테르, 폴리에틸렌이민, 폴리스틸렌슬폰산, 폴리비닐슬폰산 등을 이용할 수 있다. 이들 수지는 호모폴리머로서 뿐만 아니라 상용되는 범위에서 브렌드하여 이용하여도 된다.

액체 토출 장치(50)를 패터닝 방법으로 사용하는 경우, 대표적인 것으로는 디스플레이 용도에 사용할 수 있다. 구체적으로는, 플라즈마 디스플레이 형광체의 형성, 플라즈마 디스플레이 리브의 형성, 플라즈마 디스플레이 전극의 형성, CRT 형광체의 형성, FED(필드 에미션형 디스플레이) 형광체의 형성, FED 리브의 형성, 액정 디스플레이용 컬러 필터(RGB 착색층, 블랙 매트릭스층), 액정 디스플레이용 스페이서(블랙 매트릭스에 대응하는 패턴, 도트 패턴 등) 등을 들 수 있다. 여기서 말하는 리브란, 일반적으로 장벽을 의미하며, 플라즈마 디스플레이를 예로 들면 각 색상의 플라즈마 영역을 분리하기 위해 이용된다. 그 이외의 용도로는 마이크로 렌즈, 반도체 용도로서 자성체, 강유전체, 도전성 페이스트(배선, 안테나) 등의 패터닝 도포, 그래픽 용도로는 통상의 인쇄, 특수 매체(필름, 천, 강판 등)로의 인쇄, 곡면 인쇄, 각종 인쇄판의 쇄판(刷版), 가공 용도로는 점착제, 봉지재 등의 본 발명을 이용한 도포, 바이오, 의료 용도로는 의약품(미량의 성분을 복수 혼합함), 유전자 진단용 시료 등의 도표 등에 응용할 수 있다.

(노즐)

상기 노즐(51)은 후술되는 노즐 플레이트(56c)와 함께 일체적으로 형성되는데, 상기 노즐 플레이트(56c)의 평판면상으로부터 수직으로 입설되어 있다. 또한, 액적의 토출시에 노즐(51)은 기재(K)의 받이면(액적이 착탄되는 면)에 대해 수직으로 사용된다. 또한, 노즐(51)에는 그 선단으로부터 노즐의 중심을 따라 관통하는 노즐내 유로(52)가 형성되어 있다.

노즐(51)에 대하여 도12 내지 도13b에 의거하여 보다 상세히 설명한다. 도12는 노즐(51) 선단부의 각 치수를 나타내는 부호를 도시한 설명도이고, 도13a는 노즐(51) 선단부의 발수 처리 상태를 도시한 설명도, 도13b는 발수 처리의 다른 예를 도시한 설명도이다.

노즐(51)은 그 선단부의 개구경과 노즐내 유로(52)가 균일하며, 상술과 같이 이들은 초미세 직경으로 형성되고, 바람직하게는 노즐 직경을 30〔㎛〕 이하로 형성하였다. 또한, 20〔㎛〕 미만이 바람직하며, 더욱이 10〔㎛〕 이하, 더욱이 8〔㎛〕 이하가 바람직하고, 더욱이 4〔㎛〕 이하가 바람직하다. 구체적인 각부 치수의 일 예를 들면, 노즐내 유로(52)의 노즐 선단부로부터 그 전체 길이에 걸친 내부 직경(D₁)을 1〔㎛〕로 하여 초미세화를 통한 전계의 집중을 도모하고 있다. 또한, 노즐 선단부의 노즐 외경(D₀)을 2〔㎛〕로 하고, 노즐(51) 선단부의 관의 벽면 두께(t)를 내부 직경(D₁)과 동등한 길이보다 작은 0.5〔㎛〕로 설정하여 노즐(51) 선단면의 축소화를 도모하고, 선단부에 형성되는 용액의 볼록형 메니스커스 외경의 축소화를 도모하고 있다. 또한, 노즐(51) 선단면의 한층 더한 소경화를 도모하기 위하여 t의 값을 내부 직경(D₁)의 1/4 이하(예를 들면 0.2〔㎛〕)로 하여도 된다.

또한, 노즐(51) 근원(根元)의 직경(D_max)을 5〔㎛〕로 하고, 노즐 주면을 테이퍼지게 형성하였다.

또한, 노즐 직경은 0.2〔㎛〕보다 큰 것이 바람직하다 . 또한, 노즐(51)의 높이는 0〔㎛〕이어도 상관없다.

또한, 노즐(51)의 높이{후술되는 상면층(56c)의 토출측 평면으로부터의 돌출 높이}는 100〔㎛〕로 설정되어 있으며, 그 형상은 원추형에 가까운 원추 사다리꼴로 형성되어 있다. 그리고, 노즐내 유로(52)가 노즐(51)과 그 아래에 위치하는 노즐 플레이트(56c)의 평면부까지 관통 설치되어 있으므로, 노즐(51)의 높이를 상기 값으로 하면 노즐내 유로(52)의 유로 길이는 100〔㎛〕 이상이 된다. 이와 같이 노즐내 유로(52)의 유로 길이를 노즐 선단의 노즐 내부 직경의 10배 이상, 바람직하게는 50배 이상, 보다 바람직하게는 100배 이상으로 함으로써, 집중된 전계로부터 받는 토출력을 노즐(51) 선단부에 보다 효과적으로 집중시킬 수 있다.

또한, 노즐(51)은 그 전체가 노즐 플레이트(56c)와 함께 절연 재료인 유리를 재료로 하며, 펨토초 레이저에 의해 도시된 형상 및 치수로 형성된다.

또한, 도13a에 도시된 바와 같이 노즐(51)의 유로(52)를 제외한 선단면상에는 발수 처리막(51a)이 형성되어 있다. 이 발수 처리막(51a)은 일 예로 아몰파스 카본의 증착에 의해 형성된다. 또한, 이 발수 처리막(51a)은 도13b에 도시된 바와 같이 노즐(51)의 선단면 뿐만 아니라 노즐(51)의 표면 전체에 형성하여도 된다.

또한, 노즐내 유로(52)의 형상을 도11에 도시된 것처럼 내경이 일정한 직선형으로 형성하지 않아도 된다. 예를 들면, 도16a에 도시된 것처럼 노즐내 유로(52)의 후술되는 용액실(54)측 단부의 단면 형상을 곡면 처리하여 형성하여도 된다. 또한, 도16b에 도시된 것처럼 노즐내 유로(52)의 후술되는 용액실(54)측 단부의 내경을 토출측 단부의 내경 보다 크게 설정하고, 노즐내 유로(52)의 내면을 테이퍼 주면 형상으로 형성하여도 된다. 또한, 도16c에 도시된 것처럼 노즐내 유로(52)의 후술되는 용액실(54)측 단부만을 테이퍼 주면 형상으로 형성하는 동시에 토출 단부측은 상기 테이퍼 주면보다 내경이 일정한 직선형으로 형성하여도 된다.

(용액 공급 수단)

용액 공급 수단(53)은 액체 토출 헤드(56)의 내부이며 노즐(51)의 근원이 되는 위치에 설치되는 동시에 노즐내 유로(52)와 연통되는 용액실(54)과, 도시되지 않은 외부 용액 탱크로부터 용액실(54)로 용액을 유도하는 공급로(57)를 가지고 있다.

상기 용액 탱크는 자중을 통해 완만한 압력으로 용액실(54)로 용액을 공급하기 위하여 노즐 플레이트(56)보다 높은 위치에 배치된다.

상술된 바와 같이 용액의 공급에 액체 토출 헤드(56)와 공급 탱크의 배치 위치에 따른 차압을 이용하여도 되지만, 용액의 공급에 공급 펌프를 이용하여도 된다. 이 경우, 공급 펌프는 노즐(51)의 선단부까지 용액을 공급하고, 상기 선단부로부터 넘치지 않는 범위의 공급 압력을 유지하며 용액의 공급을 수행한다. 펌프 시스템의 설계에 따르지만, 기본적으로는 스타트시 액체 토출 헤드(56)로 용액을 공급할 때에 가동되어 액체 토출 헤드(56)로부터 액체를 토출하고, 그에 따른 용액의 공급은 캐필러리 및 볼록형 메니스커스 형성 수단에 의한 액체 토출 헤드(56)내의 용적 변화 및 공급 펌프의 각 압력의 최적화를 도모하며 실시된다.

(토출 전압 인가 수단)

토출 전압 인가 수단(35)은 노즐 플레이트(56)의 내부이며 노즐(51)의 후단부측, 즉 용액실(54)과 노즐내 유로(52)의 경계 위치에 설치되는 토출 전압 인가용 토출 전극(58)과, 이 토출 전극(58)에 상시 직류 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(30)과, 토출 전극(58)에 바이어스 전압과 중첩하여 토출에 요하는 전위인 토출 펄스 전압을 인가하는 토출 전압 전원(31)을 구비한다.

상기 토출 전극(58)은 용액실(54) 내부에서 용액과 직접 접촉하여 용액을 대전시키는 동시에 토출 전압을 인가한다.

또한, 토출 전극(58)을 노즐 플레이트면보다 노즐(51)의 후단부(선단부와 반대측 단부)측에 배치함으로써 조금이라도 선단부로부터 멀리하여 인가되는 토출 펄스 전압의 급격한 전압 변화 등에 따른 노즐 선단부로의 영향을 저감시키고 있다.

상기 바이어스 전원(30)에 의한 바이어스 전압은 용액의 토출이 수행되지 않는 범위에서 상시 인가되므로, 토출시에 인가해야 하는 전압의 폭을 미리 저감시키고, 그에 따른 토출시의 반응성 향상을 도모하고 있다.

토출 전압 전원(31)은 용액의 토출을 수행할 때에만 펄스 전압을 출력하는데, 정상적으로 출력되고 있는 바이어스 전압에 중첩되어 토출 전극(58)으로 인가된다. 이 때의 중첩 전압(V)은 다음의 수학식1의 조건을 충족하도록 펄스 전압의 값이 설정된다.

[수학식 1]

단, γ : 용액의 표면 장력(N/m), ε₀ : 진공의 유전율(F/m), d : 노즐 직경(m), h : 노즐-기재간의 거리(m), k : 노즐 형상에 의존하는 비례 정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.

일 예를 들면, 바이어스 전압은 DC300[V]로 인가되고, 펄스 전압은 100[V]로 인가된다. 따라서, 토출할 때의 중첩 전압은 400[V]가 된다.

(액체 토출 헤드)

액체 토출 헤드(56)는 도11에서 가장 하층에 위치하는 베이스층(56a)과, 그 위에 위치하는 용액의 공급로를 형성하는 유로층(56b)과, 이 유로층(56b)의 위에 형성되는 노즐 플레이트(56c)를 구비하는데, 유로층(56b)과 노즐 플레이트(56c)의 사이에 상술된 토출 전극(58)이 개재 삽입되어 있다.

상기 베이스층(56a)은 실리콘 기판 혹은 절연성이 높은 수지 또는 세라믹으로 형성되고, 그 위에 포토레지스트층이 형성되는 동시에 공급로(57) 및 용액실(54)의 패턴을 현상·노광·용해시켜 절연 수지층에 의한 공급로(57) 및 용액실(54)에 따른 부분만을 남기고 제거하며, 제거된 부분에 절연 수지층을 형성한다. 이 절연 수지층이 유로층(56b)이 된다. 그리고, 이 절연 수지층의 상면에 도전 소재(예를 들면 NiP)의 도금을 통해 토출 전극(58)을 형성한다. 또한, 그 위에는 상술된 바와 같이 펨토초 레이저에 의해 가공된 유리재로 이루어진 노즐 플레이트(56c)가 배치된다.

그리고, 공급로(57) 및 용액실(54)의 패턴에 따른 용해 가능한 수지층을 제거하여 이들 공급로(57) 및 용액실(54)을 개통한다. 그리고, 마지막으로 노즐(51) 선단부에 아몰파스 카본의 증착을 통해 발수 처리막(51a)이 형성되면 노즐 플레이트(56c)가 완성된다.

또한, 노즐 플레이트(56c) 및 노즐(51)의 소재는 구체적으로 에폭시, PMMA, 페놀, 소다유리, 석영유리 등의 절연재 이외에 Si와 같은 반도체, Ni, SUS 등과 같은 도체이어도 된다. 단, 도체를 통해 노즐 플레이트(56c) 및 노즐(51)을 형성하는 경우에는 적어도 노즐(51)의 선단부의 선단부 단면, 보다 바람직하게는 선단부의 주면에 절연재를 통한 피막을 설치하는 것이 바람직하다. 노즐(51)을 절연재로 형성 또는 그 선단부 표면에 절연재 피막을 형성함으로써, 용액에 대한 토출 전압의 인가시에 노즐 선단부로부터 대향 전극(53)으로의 리크를 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.

(대향 전극)

대향 전극(53)은 노즐(51)의 돌출 방향에 수직인 대향면을 구비하며, 이 대향면에 따르는 기재(K)의 지지를 수행한다. 노즐(51)의 선단부로부터 대향 전극(53)의 대향면까지의 거리는 일 예로는 100〔㎛〕로 설정된다.

또한, 이 대향 전극(53)은 접지되어 있기 때문에 상시 접지 전위를 유지한다. 따라서, 노즐(51)의 선단부와 대향면 사이에 발생하는 전계에 의한 정전력에 의해 토출되는 액적을 대향 전극(53)측에 유도한다.

또한, 액체 토출 장치(50)는 노즐(51)의 초미세화에 따른 상기 노즐(51)의 선단부에서의 전계 집중을 통해 전계 강도를 높여 액적의 토출을 수행한다는 점에서 대향 전극(53)에 의한 유도가 없어도 액적의 토출을 수행하는 것이 가능하지만, 노즐(51)과 대향 전극(53) 사이에서의 정전력에 의한 유도가 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 대전된 액적의 전하를 대향 전극(53)의 접지를 통해 릴리프시키는 것도 가능하다.

(액체 토출 장치에 의한 미소 액적의 토출 동작)

도14a, 도14b에 의거하여 액체 토출 장치(50)의 토출 동작을 설명한다. 도14a, 도14b는 용액에 인가되는 전압과의 관계를 도시한 설명도로, 도14a는 토출을 수행하지 않는 상태이며, 도14b는 토출 상태를 도시한 것이다.

이미 노즐내 유로(52)에는 용액이 공급된 상태이며, 이 상태에서 바이어스 전원(30)으로부터 토출 전극(58)을 통해 바이어스 전압이 용액에 인가되고 있다. 이 상태에서 용액은 대전되는 동시에 노즐(51)의 선단부에서 용액에 의한 오목형으로 함몰된 메니스커스가 형성된다(도14a).

그리고 토출 전압 전원(31)에 의해 토출 펄스 전압이 인가되면, 노즐(51) 선단부에서는 집중된 전계의 전계 강도에 의한 정전력에 의해 용액이 노즐(51)의 선단측으로 유도되어 외부로 돌출되는 볼록형 메니스커스가 형성되는 동시에 이 볼록형 메니스커스의 정점에 의해 전계가 집중되며, 결국에는 용액의 표면 장력을 극복한 미소 액적이 대향 전극측으로 토출된다(도14b).

상기 액체 토출 장치(50)는 종래에 없던 미세경 노즐(51)을 통해 액적의 토출을 수행하므로, 노즐내 유로(52)내에서 대전된 상태인 용액에 의해 전계가 집중되어 전계 강도가 높여진다. 따라서, 종래와 같이 전계 집중화가 이루어지지 않는 구조의 노즐(예를 들면 내경 100〔㎛〕)에서는 토출에 요하는 전압이 지나치게 높아져 사실상 토출이 불가능하다고 간주되던 미세경 노즐을 통한 용액의 토출을 종래보다 저전압으로 수행하는 것이 가능하다.

그리고, 미세경이기 때문에 노즐 컨덕턴스가 낮아 그 단위 시간당의 토출 유량을 저감시키는 제어를 용이하게 수행할 수 있는 동시에 펄스폭을 좁히지 않고 충분히 작은 액적 직경(상기 각 조건에 따르면 0.8〔㎛〕)에 의한 용액 토출을 실현하고 있다.

또한, 토출되는 액적이 대전되어 있음에 따라 미소 액적이어도 증기압이 저감되어 증발을 억제할 수 있으므로 액적 질량의 손실을 저감시키고, 비상의 안정화를 도모하여 액적의 착탄 정밀도 저하를 방지한다.

또한, 액체 토출 장치(50)에서는 노즐내 유로 길이가 내부 직경의 100배 이상으로 설정되어 있으므로, 보다 효과적으로 전계를 집중시키는 효과가 얻어짐에 따라 액적 토출의 응답성 및 토출 액적의 미소화를 도모하는 동시에 토출 위치의 집중 안정화를 도모할 수 있다.

또한, 노즐(51) 선단부의 관의 벽면 두께가 내경 직경(D₁)과 동등한 길이 이하로 설정되어 있으므로, 노즐(51) 선단면의 외경을 내경의 3배 이하로 할 수 있음에 따라 볼록형 메니스커스의 미소화를 통해 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용의 집중을 도모하여 응답성의 향상과 액적 미소화를 도모할 수 있다.

또한, 노즐(51) 표면의 선단면에 발수 처리막(51a)이 설치되어 있으므로, 노즐(51) 내경에 따른 볼록형 메니스커스를 형성할 수 있음에 따라 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용이 집중되어 응답성의 향상과 액적 미소화를 도모할 수 있다. 이 경우, 노즐(51)의 벽면 두께(t)의 박형화에 따른 볼록형 메니스커스의 미소화라는 의의는 낮아지지만, 이 경우에 만일 용액이 발수 처리막(51a)의 위까지 확산되어도 선단면 범위 내로 억제할 수 있으므로, 2중으로 볼록형 메니스커스의 미소화를 유지한다는 효과가 있다.

(다른 노즐 형상)

노즐(51)의 선단 형상은 도15에 도시된 바와 같이 노즐(51)의 선단면을 노즐내 유로(52)의 중심선에 대하여 경사면(51b)으로 하여도 된다. 이 경사면(51b)의 경사 각도(θ){경사면(51b)의 법선이 노즐내 유로의 중심선과 일치하는 경우를 90도라고 한다}는 30 내지 45〔°〕의 범위가 바람직한데, 여기서는 40〔°〕로 한다. 노즐(51)의 선단면을 이와 같은 각도 범위의 경사면(51b)으로 함으로써, 방전에 의한 전계 집중 효과를 상실하지 않고 경사면(51b)을 통해 토출 선단부측에 용액을 집중시킬 수 있으므로, 보다 효과적으로 메니스커스 선단부에서 집중 전계에 의한 토출 작용을 집중시켜 응답성 향상과 액적 미소화를 도모할 수 있다.

(기타)

또한 노즐(51)에 일렉트로 웨팅 효과를 얻기 위하여, 노즐(51)의 외주에 전극을 설치하거나, 노즐내 유로(52)의 내면에 전극을 설치하고 그 위로부터 절연막으로 피복하여도 된다. 그리고, 이 전극에 전압을 인가함으로써 토출 전극(58)을 통해 전압이 인가되고 있는 용액에 대한 일렉트로 웨팅 효과를 통해 노즐내 유로(52) 내면의 습윤성을 높일 수 있으므로, 노즐내 유로(52)로의 용액의 공급을 원활하게 수행할 수 있음에 따라 양호한 토출을 수행하는 동시에 토출 응답성의 향상을 도모할 수 있다.

[노즐의 비교 시험1]

상술된 액체 토출 장치(50)와 거의 동일한 액체 토출 장치의 노즐 각부의 치수를 변경하며 소정의 조건하에서 수행한 비교 시험 결과를 이하에 설명한다. 도17은 비교 시험 결과를 나타낸 표이다. 비교 시험에서는 노즐 플레이트의 상면층(노즐 포함)의 D₁, D₀, D_max, H(도12 참조)의 값을 이하에 나타낸 각 치수가 되도록 유리 재료를 펨토초 레이저를 통해 가공한 8종류의 대상에 대하여 비교를 수행한 것이다.

No. 1

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 1〔㎛〕

No. 2

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 9〔㎛〕

No. 3

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 10〔㎛〕

No. 4

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 49〔㎛〕

No. 5

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 50〔㎛〕

No. 6

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 51〔㎛〕

No. 7

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 99〔㎛〕

N. 8

D₁= 1〔㎛〕, D₀ = 2〔㎛〕, D_max = 5〔㎛〕, H = 100〔㎛〕

또한, 상기 조건 이외에는 제1 실시 형태에 도시된 액체 토출 장치(50)와 동일한 구성이다. 즉, 노즐내 유로 및 토출 개구부의 내부 직경이 1〔㎛〕인 노즐이 사용되고 있다.

또한, 구동 조건으로는 (1) 토출의 트리거가 되는 펄스 전압의 주파수를 1[㎑]로 하고 100회의 토출 액적을 샘플링하며, (2) 토출 전압 : 바이어스 전압을 300[V], 토출 펄스 전압을 100[V]로 하고, (3) 노즐 선단으로부터 대향 전극까지의 거리를 100〔㎛〕로 하며, (4) 용액은 물이고, 그 물성은 점성 : 8[cP](8 × 10^-2[Pa·S]), 비저항 : 10⁸[Ω㎝], 표면 장력 30 × 10^-3[N/m]이며, (5) 기판은 유리 기판으로 하였다.

상기 조건하에서 실체 현미경과 디지털 카메라로 촬영하여 미소화 및 균일화를 평가하였다. 또한, 가장 균일성이 좋은 것을 5로 하는 단계적 평가를 수행하였다.

그 결과, 노즐 높이(H)를 내부 직경의 10배인 10〔㎛〕로 하였을 때, 토출 액적 직경이 노즐 내부 직경과 동등한 1〔㎛〕까지 미소화되고, 균일성은 3의 향상이 관측되었다.

또한, 노즐 높이(H)를 내부 직경의 50배인 50〔㎛〕로 하였을 때, 토출 액적 직경이 노즐 내부 직경보다 미소한 0.8〔㎛〕까지 미소화되고, 균일성은 4로 향상되고 도트 직경 분산의 현저한 저감이 관측되었다.

또한, 노즐 높이(H)를 내부 직경의 100배인 100〔㎛〕로 하였을 때, 균일성은 5로 향상되고 도트 직경 분산의 현저한 저감이 관측되었다.

[노즐의 비교 시험2]

상술된 액체 토출 장치(50)와 거의 동일한 액체 토출 장치의 노즐 각부의 설계 조건을 변경하며 소정의 구동 조건하에서 수행한 비교 시험 결과를 이하에 설명한다. 도18은 비교 시험 결과를 나타낸 표이다. 비교 시험은 노즐 플레이트의 상면층(노즐 포함)의 D₁, t(도12 참조)의 값을 이하에 나타낸 각 치수가 되도록, 또한 노즐 선단 경사면의 경사 각도가 이하에 나타낸 각도가 되도록 유리 재료를 펨토초 레이저를 통해 가공하고, 또한 발수 처리막을 형성하지 않은 것과 도13a와 같이 형성한 것과 도13b와 같이 형성한 것의 9종류 대상에 대하여 비교를 수행한 것이다.

No. 1

D₁ = 1〔㎛〕, t = 2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 없음, 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 2

D₁ = 1〔㎛〕, t = 1〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 없음, 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 3

D₁ = 1〔㎛〕, t = 0.2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 없음, 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 4

D₁ = 1〔㎛〕, t = 1〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면만(도13a), 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 5

D₁ = 1〔㎛〕, t = 0.2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면 + 외주면(도13b), 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 6

D₁ = 1〔㎛〕, t = 2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면 + 외주면(도13b), 경사 각도 90[°](경사 없음)

No. 7

D₁ = 1〔㎛〕, t = 1〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면 + 외주면(도13b), 경사 각도 40[°]

No. 8

D₁ = 1〔㎛〕, t = 0.2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면 + 외주면(도13b), 경사 각도 40[°]

No. 9

D₁ = 1〔㎛〕, t = 0.2〔㎛〕, H = 10〔㎛〕, 발수 처리막 : 선단면 + 외주면(도13b), 경사 각도 20[°]

또한, 상기 조건 이외에는 제1 실시 형태에 도시된 액체 토출 장치(50)와 동일한 구성이다. 즉, 노즐내 유로 및 토출 개구부의 내부 직경이 1〔㎛〕인 노즐이 사용되었다.

또한, 구동 조건으로는 (1) 토출의 트리거가 되는 펄스 전압의 주파수를 1[㎑]로 하고 100회의 토출 액적을 샘플링하며, (2) 토출 전압 : 바이어스 전압을 300[V], 토출 펄스 전압을 100[V]로 하고, (3) 노즐 선단으로부터 대향 전극까지의 거리를 100〔㎛〕로 하며, (4) 용액은 물이고, 그 물성은 점성 : 8[cP](8 × 10^-2[Pa·S]), 비저항 : 10⁸[Ω㎝], 표면 장력 30 × 10^-3[N/m]이고, (5) 기판을 유리 기판으로 하였다.

상기 조건하에서 실체 현미경과 디지털 카메라로 촬영하여 응답성 평가 1이 표준이고 가장 응답성이 좋은 것을 5로 하는 단계적 평가를 수행하였다.

그 결과, 노즐 선단부의 벽면 두께(t)가 내부 직경보다 큰 2〔㎛〕로 한 No. 1에 비해 노즐 선단부의 벽면 두께(t)를 내부 직경과 동등한 1〔㎛〕로 하였을 때(No. 2)에 응답성의 현저한 향상이 관측되고, t를 내부 직경의 1/4보다 작은 0.2〔㎛〕로 하였을 때(No. 3)에는 한층 더한 향상이 관측되었다.

또한, 발수 처리막을 설치하지 않은 No. 2에 비해 노즐 선단면에만 발수 처리막을 설치한 경우(No. 4)에 응답성의 향상이 관측되었다.

또한, 발수 처리막을 설치하지 않은 No. 3에 비해 노즐 선단면 및 외주면에 발수 처리막을 설치한 경우(No. 5)에 현저한 응답성의 향상이 관측되었다.

또한, 노즐 선단면의 경사면의 경사 각도를 90[°](경사 없음)로 하는 No. 5에 비해 노즐 선단면의 경사면의 각도를 40[°]로 하는 경우(No. 8)에 가장 양호하고 또한 현저한 응답성의 향상이 관측되었다.

한편, 경사면을 갖지 않는 No. 5에 비해 노즐 선단면의 경사면의 경사 각도를 20[°]로 하는 경우(No. 9)에는 응답성의 저하가 관측되었다. 이것은 경사각이 작아지면(선단이 보다 예각이 되면) 방전되기 쉬운 경향이 있으므로, 그 영향이 발생한 것이 원인으로 생각된다.

[액체 토출 장치의 이론 설명]

이하, 본 발명에 따른 액체 토출의 이론 설명 및 이에 의거하는 기본예의 설명을 수행한다. 또한, 이하에 설명되는 이론 및 기본예에서의 노즐 구조, 각부의 소자 및 토출 액체의 특성, 노즐 주위에 부가되는 구성, 토출 동작에 관한 제어 조건 등의 모든 내용은 가능한 상술된 각 실시 형태에 적용 가능하다.

(인가 전압 저하 및 미소 액적량의 안정 토출 실현의 방책)

종전에는 이하의 조건식에 의해 정해지는 범위를 넘는 액적의 토출이 불가능하다고 생각하였다.

λc는 정전 흡인력에 의해 노즐 선단부로부터 액적의 토출을 가능하게 하기 위한 용액 액면에서의 성장 파장(m)이며, λc = 2πγh²/ε0V²로 구해진다.

본 발명에서는 정전 흡인형 잉크젯 방식에서 달성되는 노즐의 역할을 재고찰하여, 종래에 토출 불가능하여 시도되지 않았던 영역에서 맥스웰력 등을 이용함으로써 미소 액적을 형성할 수 있다.

이와 같은 구동 전압 저하 및 미소량 토출 실현 방책을 위한 토출 조건 등을 근사적으로 나타내는 식을 도출하고 이하에 기술한다.

이하의 설명은 상기된 본 발명의 각 실시 형태에서 설명된 액체 토출 장치에 적용 가능하다.

내경 d의 노즐에 도전성 용액을 주입하고, 기재인 무한 평판 도체로부터 h 높이에 수직으로 위치시켰다고 가정한다. 그 모습을 도19에 도시하였다. 이 때, 노즐 선단부에 유기되는 전하가 노즐 선단의 반구부에 집중된다고 가정하면 이하의 식으로 근사적으로 나타내어진다.

여기서, Q : 노즐 선단부에 유기되는 전하(C), ε₀ : 진공의 유전율(F/m), ε : 기재의 유전율(F/m), h : 노즐-기재간의 거리(m), d : 노즐 내부의 직경(m), V : 노즐에 인가되는 총 전압(V)이다. α : 노즐 형성 등에 의존하는 비례 정수로, 1 내지 1.5 정도의 값을 취하며, 특히 d<<h일 때 거의 1 정도가 된다.

또한, 기재인 기판이 도체 기판인 경우, 기판내의 대칭 위치에 반대 부호를 갖는 경상 전하(Q')가 유도된다고 생각된다. 기판이 절연체인 경우에는 유전율에 따라 정해지는 대칭 위치에 마찬가지로 반대 부호의 영상 전하(Q')가 유도된다.

그러나, 노즐 선단부에 있어서 볼록형 메니스커스 선단부의 전계 강도 E_loc.[V/m]는 볼록형 메니스커스 선단부의 곡율 반경을 R[m]로 가정하면,

로 부여된다. 여기서 k : 비례 정수로, 노즐 형상 등에 따라 다르지만 1.5 내지 8.5 정도의 값을 취하며, 대부분의 경우 5 정도로 생각된다(P. J. Birdseye and D. A. Smith, Surface Science, 23(1970) 198-210).

간단하게 하기 위하여 d/2 = R이라고 한다. 이는 노즐 선단부에 표면 장력에 의해 도전성 용액이 노즐 반경과 동일한 반경을 갖는 반구 형상으로 융기되어 있는 상태에 상당한다.

노즐 선단의 액체에 작용하는 압력의 균형을 생각한다. 먼저, 정전적(靜電的)인 압력은 노즐 선단부의 액면적을 S[㎡]라고 한다면,

(7), (8), (9)식에 의해 α = 1라 하면,

라고 나타내어진다.

한편, 노즐 선단부에서의 액체의 표면 장력을 Ps라고 하면,

여기서, γ : 표면 장력(N/m)이다.

정전적인 힘에 의해 유체의 토출이 일어나는 조건은 정전적인 힘이 표면 장력을 상회하는 조건이므로,

가 된다. 충분히 작은 노즐 직경(d)을 갖는다면 정전적인 압력이 표면 장력을 상회시킬 수 있다.

이 관계식에 의해 V와 d의 관계를 구하면,

가 토출의 최저 전압을 부여한다. 즉, 식(6) 및 식(13)에 의해

[수학식 1]

이 본 발명의 동작 전압이 된다.

임의의 내경(d)의 노즐에 대한 토출 한계 전압(Vc)의 의존성을 전술된 도9에 도시하였다. 이 도면에서 미세 노즐에 의한 전계의 집중 효과를 고려하면 토출 개시 전압은 노즐 직경의 감소에 따라 저하되는 것이 명백하다.

종래의 전계에 대한 생각, 즉 노즐에 인가되는 전압과 대향 전극간의 거리에 의해 정의되는 전계만을 고려하는 경우에는 미세 노즐이 됨에 따라 토출에 필요한 전압이 증가한다. 한편, 국소 전계 강도에 주목한다면 미세 노즐화를 통해 토출 전압의 저하가 가능해진다.

정전 흡인에 의한 토출은 노즐 단부에서의 액체(용액)의 대전이 기본이다. 대전 속도는 유전 완화에 의해 정해지는 시정수 정도로 생각된다.

[수학식 2]

여기서, ε : 용액의 유전율(F/m), σ : 용액의 도전율(S/m)이다. 용액의 비유전율을 10, 도전율을 10^-6S/m로 가정하면, τ = 1.854 × 10^-5sec가 된다. 혹은 임계 주파수를 fc[Hz]라고 하면,

가 된다. 이 fc보다 빠른 주파수의 전계 변화에 대해서는 응답할 수 없으므로 토출은 불가능하다고 생각된다. 상기 예에 대하여 추산하면, 주파수는 10㎑ 정도가 된다. 이 때, 노즐 반경 2㎛, 전압 약 500V인 경우, 노즐내 유량(G)은 10^-13㎥/s로 추산할 수 있지만, 상기 예의 액체의 경우 10㎑에서의 토출이 가능하므로, 1주기에서의 최소 토출량은 10fl(펨토리터, 1fl : 10^-15l) 정도를 달성할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는 도19에 도시된 바와 같이 노즐 선단부에서의 전계의 집중 효과와 대향 기판에 유기되는 경상력(鏡像力)의 작용을 특징으로 한다. 따라서, 선행 기술과 같이 기판 또는 기판 지지체를 도전성으로 하거나, 이들 기판 또는 기판 지지체로의 전압의 인가가 반드시 필요한 것은 아니다. 즉, 기판으로 절연성의 유리 기판, 폴리이미드 등의 플라스틱 기판, 세라믹스 기판, 반도체 기판 등을 이용하는 것이 가능하다.

또한, 상기 각 실시 형태에서 전극으로 인가되는 전압은 플러스, 마이너스 어느 쪽이어도 된다.

또한, 노즐 기판과의 거리를 500〔㎛〕 이하로 유지함으로써, 용액의 토출을 용이하게 할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만 노즐 위치 검출을 통한 피드백 제어를 수행하여 노즐을 기재에 대하여 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 기재를 도전성 또는 절연성 기재의 홀더에 재치하여 유지하여도 된다.

도20은 본 발명의 다른 기본예의 일 예인 액체 토출 장치의 노즐 부분의 측단면을 도시한 것이다. 노즐(1)의 측면부에 전극(15)이 설치되어 있으며, 노즐내 용액(3)에 제어된 전압이 인가된다. 이 전극(15)의 목적은 일렉트로 웨팅 효과를 억제하기 위한 전극이다. 충분한 전장이 노즐을 구성하는 절연체에 부하되는 경우, 이 전극이 없어도 일렉트로 웨팅 효과가 일어날 것으로 기대된다. 그러나, 본 기본예에서는 보다 적극적으로 이 전극을 이용하여 제어함으로써, 토출 제어의 역할도 수행하고 있다. 노즐(1)을 절연체로 구성하고, 선단부의 노즐의 관 두께가 1㎛, 노즐 내경이 2㎛, 인가 전압이 300V인 경우, 약 30기압의 일렉트로 웨팅 효과가 된다. 이 압력은 토출을 위한 압력으로는 불충분하지만 용액을 노즐 선단부로 공급하는 압력으로서는 의미가 있으며, 이 제어 전극을 통해 토출 제어가 가능하다고 생각된다.

전술된 도9는 본 발명에 있어서의 토출 개시 전압의 노즐 직경 의존성을 도시한 것이다. 액체 토출 장치로는 도11에 도시된 것을 이용하였다. 미세 노즐로 됨에 따라 토출 개시 전압이 저하되어 종래보다 저전압으로 토출이 가능하다는 것이 명확해졌다.

상기 각 실시 형태에서 용액의 토출 조건은 노즐-기재간의 거리(h), 인가 전압의 진폭(V), 인가 전압의 진동수(f) 각각의 함수가 되는데, 임의의 일정 조건을 각각 충족시키는 것이 토출 조건으로 필요하다. 반대로 어느 하나의 조건을 충족시키지 못하면 다른 파라미터를 변경할 필요가 있다.

그 모습을 도21을 이용하여 설명한다.

먼저, 토출을 위해서는 그 이상의 전계가 아니면 토출되지 않는다는 임의의 일정한 임계 전계(Ec)가 존재한다. 이 임계 전계는 노즐 직경, 용액의 표면 장력, 점성 등에 따라 변하는 값으로, Ec 이하에서의 토출은 곤란하다. 임계 전계(Ec) 이상, 즉 토출 가능 전계 강도에서 노즐-기재간의 거리(h)와 인가 전압의 진폭(V) 사이에는 대략 비례 관계가 발생하는데, 노즐-기재간의 거리를 축소하는 경우에는 임계 인가 전압(V)을 작게 할 수 있다.

반대로, 노즐-기재간의 거리(h)를 극단적으로 이격시켜 인가 전압(V)을 크게 한 경우, 가령 동일한 전계 강도를 유지한다고 하여도 코로나 방전에 의한 작용 등에 의해 유체 액적의 파열, 즉 버스트가 발생하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 그래픽 용도의 통상적인 인쇄, 특수 매체(필름, 천, 강판 등)로의 인쇄, 곡면 인쇄 등, 혹은 액체형 또는 페이스트형 도전성 물질에 의한 배선, 안테나 등의 패터닝 도포, 가공 용도의 점착재, 봉지재 등의 도포, 바이오, 의료 용도의 의약품(미량의 성분을 복수 혼합), 유전자 진단용 시료 등의 도포 등에서 각 용도에 따른 액체의 토출에 적합하다.

Claims

대전된 용액의 액적을 기재로 토출하는 액체 토출 장치에 있어서,

선단부로부터 상기 액적을 토출하는 선단부의 내부 직경이 30〔㎛〕 이하인 노즐을 갖는 액체 토출 헤드와, 상기 노즐내로 용액을 공급하는 용액 공급 수단과, 상기 노즐내의 용액에 토출 전압을 인가하는 토출 전압 인가 수단을 구비하되,

상기 노즐의 내부 유로 길이가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 10배 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐의 내부 유로 길이가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 50배 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐의 내부 유로 길이가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경의 적어도 100배 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 선단부의 노즐 벽면 두께가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경과 동등한 길이 이하로 된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제4항에 있어서, 상기 노즐 선단부의 노즐 벽면 두께가 노즐 선단부의 노즐 내부 직경과 동등한 길이의 1/4 이하로 된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 표면중 적어도 선단부가 발수 처리된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐의 선단면이 노즐내 유로의 중심선에 대하여 경사면으로 된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제7항에 있어서, 상기 노즐 선단면의 경사 각도가 (상기 경사면의 법선이 상기 노즐내 유로의 중심선과 평행한 상태를 90도로 한 경우에) 30 내지 45도의 범위로 된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐의 상기 내부 직경이 20〔㎛〕 미만인 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제9항에 있어서, 상기 노즐의 상기 내부 직경이 10〔㎛〕이하인 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제10항에 있어서, 상기 노즐의 상기 내부 직경이 8〔㎛〕 이하인 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제11항에 있어서, 상기 노즐의 상기 내부 직경이 4〔㎛〕 이하인 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토출 전압 인가 수단의 토출 전극이 상기 노즐의 후단부측에 설치된 것을 특징으로 하는 액체 토출 장치.