KR20100135596A - 잉크젯 헤드 - Google Patents

Abstract

잉크젯 헤드가 개시된다. 잉크가 수용되는 압력챔버와; 상기 압력챔버에 수용된 상기 잉크를 토출하는 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 타원형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드는, 인가되는 에너지 대비 작은 액적을 토출할 수 있어, 미세한 패턴을 인쇄할 수 있으며, 구동에너지를 낮출 수 있다.

잉크젯 헤드, 노즐, 타원, 요철

Description

잉크젯 헤드{Inkjet head}

본 발명은 잉크젯 헤드에 관한 것이다.

잉크젯 프린터는 전기적인 신호를 물리적인 힘으로 변환하여 노즐을 통해 잉크 액적을 토출함으로써 인쇄를 수행할 수 있는 장치이다. 잉크젯 헤드는 챔버, 리스트릭터, 노즐, 압전체 등의 다양한 부품을 각각의 층에 가공하여, 이들을 서로 접합하는 방식으로 제작될 수 있다.

최근 들어 잉크젯 헤드는 기존의 종이 및 섬유에 인쇄하는 그래픽 잉크젯 산업뿐만 아니라 프린트 기판, LCD 패널 등의 전자 부품 제작에도 그 적용이 확대되고 있다.

그에 따라, 기존의 그래픽 프린팅에 비하여 기능성 잉크를 정확하고 정밀하게 토출 시켜야 하는 전자부품용 잉크젯 프린팅 기술에는 기존의 잉크젯 헤드에서는 요구되지 않았던 기능들이 요구된다. 그런 요구 중 하나가 미세한 액적의 안정적인 토출이다.

노즐 형상을 가공하기 위해 여러 가지 방법이 있겠지만, 널리 쓰이는 방법 중의 하나가 MEMS 기술을 이용한 실리콘 가공이다. 역사적으로 잉크젯 헤드의 경우 원형 노즐을 구현해 왔고, 원형 노즐의 현재 가용 중인 1 pL 급의 프린트 헤드의 경우 토출 시 기존의 큰 액적 (예: 3 ~ 4 pL 또는 그 이상) 보다 더 높은 전압을 필요로 한다. 즉, 더 많은 에너지를 필요로 한다. 때문에, 종래와 동일한 에너지를 인가하였을 때, 더 작은 액적을 토출할 수 있는 잉크젯 헤드에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 종래와 비교하여 인가되는 에너지 대비 작은 액적을 토출할 수 있는 잉크젯 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 잉크가 수용되는 압력챔버와; 상기 압력챔버에 수용된 상기 잉크를 토출하는 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 타원형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 잉크가 수용되는 압력챔버와; 상기 압력챔버에 수용된 상기 잉크를 토출하는 노즐을 포함하며, 상기 노즐의 내벽에는 요철이 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드가 제공된다.

상기 압력챔버에 압력을 제공하는 압전체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 인가되는 에너지 대비 작은 액적을 토출할 수 있어, 미세한 패턴을 인쇄할 수 있으며, 구동에너지를 낮출 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 잉크젯 헤드(100), 리저버(10), 유입구(20), 리스트릭터(30), 챔 버(40), 댐퍼(50), 노즐(60, 60b), 멤브레인(70), 압전체(80)가 도시되어 있다.

챔버(40)는 잉크를 수용하며, 멤브레인(70)의 상면에 형성되는 압전체(80) 등에 의해 압력이 가해지면, 수용된 잉크를 노즐(60) 방향으로 이동시켜 잉크가 토출 될 수 있도록 하는 수단이다. 이러한 챔버(40)는 하나의 잉크젯 헤드에 128개 또는 256개 등과 같이 여러 개가 병렬적으로 배치되며, 이들 각각의 챔버(40)에 압력을 제공하기 위해 압전체(80) 역시 챔버(40)의 수만큼 구비된다. 이 때, 각각의 압전체(80)는 인접한 다른 챔버(40)에 대한 영향이 최소화될 수 있도록 서로 이격되어 배치된다.

리저버(10)는 유입구(20) 등을 통해 외부로부터 잉크를 공급 받아 이를 저장하고, 상술한 챔버(40)에 잉크를 공급해주는 수단이다.

리스트릭터(30)는 상술한 리저버(10)와 챔버(40)를 연통시키며, 리저버(10)와 챔버(40) 사이에서 발생하는 잉크의 흐름을 조절하는 기능을 수행하는 수단이다. 이러한 리스트릭터(30)는 리저버(10) 및 챔버(40)보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 압전체(80)에 의해 멤브레인(70)이 진동하는 경우 리저버(10)로부터 챔버(40)로 공급되는 잉크의 양을 조절할 수 있다.

노즐(60)은 챔버(40)와 연결되어 챔버(40)로부터 잉크를 공급받아 잉크를 분사하는 기능을 수행한다. 압전체(80) 등에 의해 발생한 진동이 멤브레인(70)을 통하여 챔버(40)에 전달되면, 챔버(40)에는 압력이 가해지고, 이 압력에 의해 챔버(40)로부터 노즐(60)로 잉크가 전달되어 분사된다.

상술한 챔버(40)와 노즐(60) 사이에는 댐퍼(50)가 형성된다. 댐퍼(50)는 챔 버(40)에서 발생된 에너지를 노즐(60) 측으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충 하는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 압전체(80)의 상하에는 압전체(80)에 전압을 인가하기 위해 상부전극(미도시)과 하부전극(미도시)이 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 각각의 구성요소들을 구비하는 잉크젯 헤드(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 또는 세라믹과 같은 재질의 기판들(101, 102, 103, 104)이 여러 장 적층되어 형성될 수도 있으며, 한 장의 기판으로 이루어질 수도 있다.

통상의 잉크젯 헤드의 경우, 노즐의 단면 형상이 원형인 것에 반해, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드는 타원형의 단면을 갖는 노즐(60)을 구비한다(도 2 참조). 노즐(60)의 단면이 타원형인 경우, 실제로 토출되는 잉크 액적의 크기는 노즐(60) 주변에서의 타원에 내접하는 원과 유사한 지름을 갖게 된다. 이는 내접원 이외의 부분에서는 잉크 토출을 위해 압전체(80)에 의해 가해지는 압력보다 잉크와 노즐(60)의 내벽 사이의 부착력이 더 크게 작용하기 때문이다. 이로 인해, 본 실시예에 따르면, 노즐(60)의 충분한 단면적을 확보하여 챔버(40)로부터 노즐(60)에 잉크가 원활히 전달될 수 있도록 함과 동시에, 실제로 토출되는 잉크의 크기는 노즐(60)에 내접하는 원의 지름에 가깝게 할 수 있어, 높은 해상도를 갖는 인쇄물을 얻을 수 있게 된다.

한편, 잉크젯 헤드에 처음으로 잉크를 주입하는 단계를 프라이밍(Priming)이라고 하는데, 이는 초기에 공기로 차 있는 헤드 내부 구조에 잉크를 강제로 밀어 넣는 것을 말한다. 그 외 잉크젯 헤드를 사용함에 있어 퍼징(Purging)이라는 유사 한 단계가 있다. 퍼징은 잉크젯 헤드 사용 중간 중간마다 헤드 내부의 잉크를 노즐부로 밀어 내어 헤드 내부의 이물(예를 들어 공기 방울)을 노즐을 통해 밖으로 밀어내는 초기화 과정이다.

이와 같은 프라이밍과 퍼징 모두 공압과 같은 압력을 패키지(Package)쪽에 가해 잉크를 조밀한 잉크젯 헤드 내부로 밀어 내는 과정이다. 이때 1 pL급 헤드의 경우 노즐 구경이 1 pL급 이상의 헤드 보다 현저히 작아 교체되는 유량이 비효과적이다.

반면, 타원 형상의 노즐의 경우 잉크가 원활히 전달된다는 것은 1 pL급 액적의 토출을 가능하게 하면서 퍼징이나 프라이밍 시 1 pL급 이상의 유량을 적정 압력으로 밀어낼 수 있음을 말한다.

타원 노즐의 실례로 지름이 10um인 원형 노즐대비 타원의 장/단 축이 각각 8um 와 3um 인 경우 온도나 전압 등등의 동일 토출 조건에서 액적 체적이 평균 10% 이상 감소한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐(60)의 내벽에 곡면 요철이 연속적으로 형성될 수도 있다. 즉, 실질적으로는 사각형과 같은 다각형 형상을 갖되, 그 내주면에 곡면으로 이루어지는 요철이 형성될 수 있는 것이다. 이러한 경우 역시, 전술한 실시예의 경우와 마찬가지로, 실제로 토출되는 잉크의 크기를 내접하는 원의 크기에 가깝게 할 수 있어, 높은 해상도를 갖는 인쇄물을 얻을 수 있게 된다.

단순히 다각형 형상을 갖는 노즐(60)의 경우, 그 중 어느 한 변이 실리콘 기 판의 결정 방향과 겹치게 되면 외부로부터의 스트레스에 의해 쉽게 크랙이 발생할 수 있는 점을 고려할 때, 노즐(60)의 내벽에 곡면 요철이 연속적으로 형성되는 본 실시예에 따르면, 노즐(60)의 어느 한 변이 노즐(60)판을 구성하는 실리콘 기판의 결정 방향과 겹치게 되는 현상을 방지할 수 있어, 스트레스에 의한 크랙의 발생 가능성을 낮출 수 있는 장점이 있다.

대략적으로 원형 노즐 지름이 12 ~ 15 um 이상일 경우 10cP 정도의 점도의 잉크를 프라이밍, 퍼징 및 토출(ejecting)하는데 문제가 없으나 노즐 지름이 12 ~ 15 um 보다 작아질 경우 본 실시예와 같이 노즐의 형상을 변형시킨 잉크젯 헤드가 유사한 노즐 면적 대비 미세 액적 토출에 유리할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우 각 변의 내주면에 곡면으로 이루어지는 요철이 형성된, 즉 곡변의 사각형의 경우 대략 한 변이 10 um 이하인 경우, 타원의 경우 단축이 5 um 이하이며 장축이 5 um 이상인 경우에 그 효과가 극대화 될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 노즐을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 다른 잉크젯 헤드의 노즐을 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 잉크젯 헤드 10: 리저버

20: 유입구 30: 리스트릭터

40: 챔버 50: 댐퍼

60, 60b: 노즐 70: 멤브레인

80: 압전체

Claims (6)

1. 잉크가 수용되는 챔버와;

   상기 챔버에 수용된 상기 잉크를 토출하는 노즐을 포함하며,

   상기 노즐은 타원형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 챔버에 압력을 제공하는 압전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
3. 제1항에 있어서,

   상기 타원형의 노즐은 단축이 5 um 이하이며 장축이 5 um 이상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
4. 잉크가 수용되는 챔버와;

   상기 챔버에 수용된 상기 잉크를 토출하는 노즐을 포함하며,

   상기 노즐의 내벽에는 곡면 요철이 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
5. 제4항에 있어서,

   상기 챔버에 압력을 제공하는 압전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
6. 제4항에 있어서,

   상기 노즐의 단면은 실질적으로 사각형이며, 상기 노즐의 각 변은 10um 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.

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