KR20080092889A - 연속적인 마이크로-전자 기계적 시스템 잉크 분사 방법,장치 및 프린트 헤드 - Google Patents

연속적인 마이크로-전자 기계적 시스템 잉크 분사 방법,장치 및 프린트 헤드 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 일반적으로 잉크를 분출하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 압축 유체 챔버로부터 잉크의 연속적인 스트림을 제공하는 단계와, 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS) 멤브레인을 작동시키도록 구동 신호를 작동시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 잉크의 연속적인 스트림을 교란하도록 MEMS 멤브레인을 편향시키는 것에 반응하여 균일한 액적으로 분사 스트림을 안정하게 분열하는 단계를 또한 포함한다.
프린트 헤드, 연속적인 스트림, 마이크로-전자 기계적 시스템 멤브레인

Description

연속적인 마이크로-전자 기계적 시스템 잉크 분사 방법, 장치 및 프린트 헤드{METHOD, APPARATUS AND PRINTHEAD FOR CONTINOUS MEMS INK JETS}
본 발명은 대체로 연속적인 잉크 분사에 관한 것이고, 보다 상세하게는 연속적인 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS, micro-electro mechanical system) 잉크 분사 방법, 장치 및 프린트 헤드에 관한 것이다.
잉크젯 인쇄 시스템은 통상 연속적인 스트림(stream)과 드롭 온 디맨드(drop-on-demand)의 2개의 기본 형태로 분류된다. 연속적인 스트림 잉크젯 인쇄 시스템에서, 잉크는 하나 이상의 오리피스 또는 노즐을 통하여 압력 하에서 연속적인 스트림으로 방사된다. 스트림은 교란되어서, 노즐로부터 사전 결정된 고정 거리에서 잉크 액적(ink drops)으로 분열된다. 분열 지점에서, 잉크 액적은 디지털화된 데이터 신호를 나타내는 전압의 크기를 변화시키는 것에 따라서 대전된다(charged). 대전된 잉크 액적은 고정된 정전기장을 통하여 추진되고, 고정된 정전기장은 종이와 같은 기록 매체 상의 특정 위치로 또는 수집 및 재순환을 위하여 거터(gutter)로 잉크 액적을 보내기 위하여 각각의 잉크 액적의 궤도(trajectory)를 조정 또는 편향시킨다.
드롭 앤 디맨드형 잉크젯 인쇄 시스템에서, 잉크 액적은 노즐로부터 실질적으로 직선인 궤도를 따라서, 즉 실질적으로 기록 매체에 직각인 궤도를 따라서 기록 매체로 직접 추출된다. 잉크 액적 추방(expulsion)은 디지털 정보 신호에 반응하고, 잉크 액적은 잉크 액적이 기록 매체 상에 배치되지 않으면 추출되지 않는다. 건조로부터 노즐에 있는 잉크 메니스커스(meniscus)를 보호하는 용기(receptacle)로의 모든 노즐로부터의 잉크 액적의 주기적이고 동시 발생적인 추방 외에, 드롭 온 디맨드형 시스템은 잉크를 수집하여 재순환하는데 잉크 회수 거터를 요구하지 않으며, 기록 매체 상에서의 특정 픽셀 위치들로 잉크 액적을 안내하도록 대전 또는 편향 전극을 요구하지 않는다. 그러므로, 드롭 온 디맨드형 시스템은 연속적인 스트림형보다 훨씬 간단하다. 그러나, 연속적인 스트림 시스템은 전형적으로 훨씬 높은 생산성을 가진다.
대체로, 연속적인 스트림형 잉크젯 프린터에서 잉크는 프린트 헤드에 부착된 압전기(piezoelectric) 디바이스에 의하여 교란 또는 자극되어서, 규칙적인 압력 진동이 프린트 헤드 매니폴드에 있는 잉크에 부과된다. 압전기 디바이스는 통상 100 내지 125㎑의 범위에 있는 주파수로 구동된다. 잉크 교란이 프린트 헤드 오리피스에 위치된 전자-유체역학적 전극과 열에너지 펄스의 특정 형태에 의해 달성될 수 있다는 것이 또한 공지되어 있다.
열에너지 펄스를 구비한 하나의 이슈는 전력(power)이 각각의 단절(break-off) 사이클 상의 각각의 잉크 채널에 의해 소비된다는(dissipated) 것이다. 전체 사이클이 많은 젯(jet, 예를 들어 6000)을 가질 수 있고 각각의 젯이 전형적으로 초당 50-150,000사이클로 작동하기 때문에, 훨씬 적은 전력이 열적 드롭 온 디맨드 분사와 비교하여 연속적인 젯을 구동하는데 필요할지라도, 전력 소비는 상당할 수 있다.
대부분의 종래의 잉크젯 헤드는 거의 전력이 소비되지 않도록 본질적으로 전기 용량성인 압전기 구동을 사용한다. 그러나, 압전기 디바이스는 몇 가지 결점 및 불리함을 가진다. 예를 들어, 압전기 구동 기술은 비균일성, 압전 물질 및 액적 발생기 다이아프램에 대한 압전 물질의 결합과 관련된 퇴화(degradation) 문제로 성가시게 된다.
그러므로, 균일하고 시간 또는 사이클의 수가 퇴화하지 않는 전기 용량성의 연속적인 잉크젯 구동 기술을 가지는 것이 유용하게 될 수 있다.
본 실시예는 대체로 잉크를 분출하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 압축 유체 챔버로부터 잉크의 연속적인 스트림을 제공하는 단계와, 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS, micro-electro mechanical system) 멤브레인을 작동시키도록 구동 신호를 작동시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 잉크의 연속적인 스트림을 교란하도록 MEMS 멤브레인을 구동하는 것에 반응하여 균일한 잉크 액적으로 분사 스트림을 안정하게 분열하는(breaking up) 단계를 포함한다.
또 다른 실시예는 대체로 잉크를 분출하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 잉크를 유지하도록 구성된 유체 챔버와, 유체 챔버로부터 잉크를 하나의 스트림으로 분출하도록 구성된 노즐을 포함한다. 상기 장치는 또한 유체 챔버 내에 2개의 서브 챔버를 생성하도록 유체 챔버 내에 배치된 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS) 멤브레인을 포함하며, 서브 챔버중 제 1 서브 챔버는 잉크가 충전되고, 제 2 서브 챔버는 잉크가 충전되지 않는다. 상기 장치는 제 2 서브 챔버에 배치되도록 구성된 구동 전극을 추가로 포함하며, 구동 전극은, 잉크가 구동 전극 상의 작동 신호에 반응하여 잉크 액적을 형성하도록 노즐로부터 연속적으로 분출됨으로써, 스트림을 균일한 액적으로 안정하게 분열시키기 위하여 MEMS 멤브레인을 구동 하도록 구성된다.
여전히 또 다른 실시예는 대체로 프린트 헤드에 관한 것이다. 프린트 헤드는 노즐 어레이를 포함한다. 노즐 어레이의 각각의 노즐은 잉크를 유지하도록 구성되는 유체 챔버와, 유체 챔버로부터 하나의 스트림으로 잉크를 분출하도록 구성된 개구를 포함한다. 프린트 헤드는 또한 유체 챔버 내에 2개의 서브 챔버를 생성하도록 유체 챔버 내에 배치된 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS) 멤브레인을 포함하며, 서브 챔버중 제 1 서브 챔버는 잉크가 충전되고, 제 2 서브 챔버는 잉크가 충전되지 않는다. 프린트 헤드는 제 2 서브 챔버에 배치되도록 구성된 구동 전극을 추가로 포함하며, 구동 전극은, 잉크가 구동 전극 상의 작동 신호에 반응하여 잉크 액적을 형성하도록 노즐로부터 연속적으로 분출됨으로써, 스트림을 균일한 액적으로 안정하게 분열시키기 위하여 MEMS 멤브레인을 구동하도록 구성된다.
상기 실시예들의 다양한 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려했을 때 다음의 상기 실시예들의 상세한 설명을 참조하여 보다 양호하게 이해됨으로써 보다 완전하게 예측될 수 있다.
본 발명에 따라서, 유체의 구동되지 않은 스트림은 작은 무작위 변화로 인하여 적절하게 무작위로 분열되어, 무수의 상이한 액적 크기 및 단절 길이를 이끌어 낸다. 신호, 예를 들어 압력파가 무작위 변화보다 큰 유체 스트림으로 적용되면, 적용된 신호는 무작위의 노이즈를 조절하여, 액적 단절이 변화할 수 없는 액적 체적과 동일한 곳에서 항상 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 멤브레인을 이동 시키는 것에 의하여 유체 스트림에 구동 신호를 용이하게 제공하는 구조 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 훨씬 적은 힘을 이용하고, MEMS 멤브레인의 전기 용량성 특성으로 인하여 저전력 요건을 가진다. 따라서, 잉크젯 조밀도의 밀도가 종래의 200npi로부터 600 또는 1200npi로 증가될 수 있다.
실시예는 대체로 MEMS 프린트 헤드에 관한 것이다. 보다 상세하게, 정전기적 마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS) 멤브레인은 정밀하고 제어된 방식으로 프린트 헤드에서 잉크 액적을 단절하도록 구성될 수 있다. 프린트 헤드는 개구를 구비하는 압축 유체 챔버를 포함하도록 구성될 수 있다. 개구는 잉크가 유체로부터 분출되는 곳이다. 잉크는 압축 유체 챔버에 의하여 유체 챔버로부터 하나의 연속적인 스트림으로 강제로 배출된다. 압축 유체 챔버 내에 있는 정전기 MEMS 멤브레인은 휘어져서 유체 챔버 내에서 압력파를 형성하도록 교란 또는 작동될 수 있으며, 그러므로 압축 분사 스트림으로부터 잉크 액적의 안정한 분열을 유발할 수 있다. 정전기 MEMS 메브레인은 약 50㎑ 내지 250㎑의 범위에 있는 주파수를 가진 구동 신호에 의해 구동될 수 있다.
정전기 MEMS 멤브레인과 구동 회로는 실리콘 웨이퍼 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 정전기 MEMS 멤브레인이 전기 용량성이기 때문에, 이러한 디바이스는 종래의 연속 잉크 분사 프린트 헤드와 달리 전력을 거의 소비하지 않는다. 저전력 요구 조건은 약 600npi(인치당 노즐) 내지 약 120npi의 범위에 놓일 수 있는 높은 노즐 밀도를 허용하는 부가의 이점을 가진다.
도 1은 한 실시예에 따른 예시적인 MEMS 멤브레인 잉크젯 액적 발생기(100)를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 액적 발생기(100)는 유체 챔버(105)와, MEMS 멤브레인(110)를 포함한다. 유체 챔버(105)는 기판(115) 위에 형성된 3차원 챔버가 되도록 구성될 수 있다. 벽(106)과 봉입(enclosing) 부재(107)는 봉입된 공간을 형성한다. 일부 실시예에서, 유체 챔버(105)의 치수는 50㎛의 폭 및 500㎛의 길이일 수 있다. 다른 치수는 청구된 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 실시될 수 있다. 유체 챔버(105)는 실리콘, 폴리이미드와 같은 재료, 또는 당업자에게 공지된 유사한 재료로 실시될 수 있다. 유체 챔버(105)는 또한 봉입 부재(107)를 통하는 개구(120, 또는 오리피스, 노즐 등)로 구성될 수 있다. 개구(120)의 지름은 일부 실시예에서 약 10㎛ 내지 약 100㎛의 범위에 놓일 수 있다. 다른 실시예는 잉크젯 노즐(100)의 적용에 따라서 보다 작은 개구(120) 또는 보다 큰 개구(120)를 가질 수 있다.
MEMS 멤브레인(110)은 유체 챔버(105) 내에 형성될 수 있다. MEMS 멤브레인(110)은 접지되는 한편, 일정 전압이 그 아래에 있는 구동 전극이 적용될 수 있도록 전도성이다. MEMS 멤브레인(110)은 멤브레인 벽(111)에 의해 지지될 수 있다. MEMS 멤브레인(110)은 유체 챔버(105)의 공간 내에 2개의 서브 챔버(125A, 12B)를 형성할 수 있다. 서브 챔버(125A)는 압축된 잉크(127)가 충전될 수 있다. 잉크 입구(도시되지 않음)는 벽(106) 또는 봉입 부재(107)와 일체일 수 있다. 서브 챔 버(125A)의 압축화는 연속적인 흐름 또는 스트림(129)으로 개구(120)를 통해 잉크(127)를 강제로 밀어낼 수 있다.
제 2 서브 챔버(125B)는 전극(130)과 접지 전극(135)을 포함할 수 있다. 전극(130)은 당업자에게 공지된 구동 회로(140)를 구비한 인터페이스로 구성될 수 있다. 접지 전극(135)은 하나의 접지 신호로 묶일 수 있다. 구동 회로(140)는 필요한 프린트 헤드의 요구 조건에 따라서 약 50㎑ 내지 약 250㎑의 주파수에서 전극(130)을 구동할 수 있다. 제 2 서브 챔버(125B)는 공기 또는 다른 압축성 가스가 충전될 수 있다. 대안적으로, 제 2 서브 챔버(125B)는 진공일 수 있다. 선택된 충전 가스 또는 가스의 결핍은 MEMS 멤브레인(110)의 편향을 상당히 방해하지 않는 성질을 가진다.
MEMS 멤브레인(110)과 구동 회로(140)는 당업자에게 공지된 실리콘 웨이퍼 제조 기술뿐만 아니라 유체 챔버(105)를 사용하여 통합되어 실시될 수 있다. 실리콘 제조 기술은 압전기 구동 기술과 관련된 현재의 문제없이 잉크 액적 분출기를 균일하게 제조하는 메커니즘을 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이, MEMS 멤브레인(110)의 위치는 비작동 위치에 있다. 즉, 구동 회로(140)로부터 전극(130)에 전압이 적용되지 않는다. 도 2는 작동 위치에 있는 MEMS 멤브레인(110)을 도시한다.
도 2는 또 다른 실시예에 따라서 작동 위치에 있는 멤브레인(110)을 도시한다. 도 1 및 도 2가 공통의 특징을 공유하기 때문에, 도 2의 공통의 특징부의 기술은 생략되고, 도 1과 함께 이러한 특징부의 기술은 공통의 특징부의 적절한 설명을 제공하는 것에 의지한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구동 신호, 예를 들어, 전압 신호는 구동 회로(140)에 의해 발생될 수 있다. 접지된 MEMS 멤브레인(110)은 전극(130)과 함께 캐패시터를 형성하기 때문에, 발생된 정전기장은 전압이 인가된 구동 전극으로 접지된 MEMS 멤브레인(110)을 흡인한다. 즉, MEMS 멤브레인(110)은 편향된다. 구동 신호가 끊어질 때, 전기장은 붕괴하고, MEMS 멤브레인(110)를 해제하여, MEMS 멤브레인(110)은 접혀지는(pulldown) 동안 멤브레인(110)에 저장된 스프링 에너지로 인하여 도 3에 도시된 바와 같이 비작동 위치로 복귀한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따라서 비작동 위치로 복귀한 멤브레인(110)을 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구동 전극으로부터 MEMS 멤브레인(110)의 흡인 및 해제는 음압파(sound pressure wave)를 생성하는 타격 드럼 스킨(struck drum skin) 방식과 유사한 서브 챔버(125A)에 수용된 유체에서 압력파(145)를 발생시킨다. 압력파(145)는 유체(129)의 분출 스트림을 아래로 전파하고, 궁극적으로 유체의 젯(jet)을 유체 액적(150) 내로 안정하고 반복적으로 분열한다. 유체 액적(150)은 단절 동안 대전되고, 그런 다음 인쇄 가능한 매체 또는 거터로 정전기적으로 편향된다.
잉크와 같은 유체는 유체 챔버(105)의 압축 때문에 개구(120)로부터 스트림으로 분출한다. 유체의 스트림은 액적의 표면 에너지 때문에 자연적으로 분열된다. 유체의 구동되지 않은 스트림은 작은 무작위 변화로 인하여 적절하게 무작위로 분 열되어, 무수의 상이한 액적 크기 및 단절 길이를 이끌어 낸다. 신호, 예를 들어 압력파가 무작위 변화보다 큰 유체 스트림으로 적용되면, 적용된 신호는 무작위의 노이즈를 조절하여, 액적 단절이 변화할 수 없는 액적 체적과 동일한 곳에서 항상 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 멤브레인을 이동시키는 것에 의하여 유체의 스트림에 구동 신호를 용이하게 제공하는 구조 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 훨씬 적은 힘을 이용하고, MEMS 멤브레인의 전기 용량성 특성으로 인하여 저전력 요건을 가진다. 따라서, 잉크젯 조밀도의 밀도가 종래의 200npi로부터 600 또는 1200npi로 증가될 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 예시적인 노즐을 도시한 도면.
도 2는 한 실시예에 따라서 작동 위치에 있는 예시적인 노즐을 도시한 도면.
도 3은 또 다른 실시예에 따라서 비작동 위치로 복귀하는 예시적인 노즐을 도시한 도면.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100 : 액적 발생기 105 : 유체 챔버
106 : 벽 107 : 봉입 부재
110 : MEMS 멤브레인 111 : 멤브레인 벽
130 : 전극 135 : 접지 전극
140 : 구동 회로

Claims (5)

  1. 압축 유체 챔버로부터 잉크의 연속적인 스트림을 제공하는 단계;
    마이크로-전자 기계적 시스템(MEMS) 멤브레인을 작동시키도록 구동 신호를 작동시키는 단계; 및
    잉크의 연속적인 스트림을 교란하도록 상기 MEMS 멤브레인을 구동하는 것에 반응하여 균일한 액적으로 분사 스트림을 안정하게 분열하는 단계를 포함하는 잉크 분출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분사 스트림의 아래쪽으로 압력파를 유도하는 단계를 포함하는 잉크 분출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 잉크의 연속적인 스트림을 형성하도록 잉크를 압축하는 단계를 추가로 포함하는 잉크 분출 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEMS 멤브레인은 정전기 멤브레인중 하나이며 전기 용량성인 잉크 분출 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEMS 멤브레인은 실리콘 웨이퍼 제조 기술을 사용하여 제조되는 잉크 분출 방법.
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