KR20110058422A - 잉크젯 헤드 - Google Patents

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KR20110058422A
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신현호
양충모
박윤석
송석호
박창성
심원철
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삼성전기주식회사
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Abstract

잉크젯 헤드가 개시된다. 상기 잉크젯 헤드는 각각 잉크를 토출하는 복수 개의 토출 셀을 구비하는 잉크젯 헤드로서, 각각의 상기 토출 셀은 잉크를 공급하는 공통리저버에 연결된다. 이 때, 상기 공통리저버의 내부에는 상기 공통리저버의 저면으로부터 상면으로 연장되어 상기 공통리저버의 상면을 지지하며, 상기 공통리저버 내에서 전달되는 압력파를 소산시키는 기둥이 형성된다.
잉크젯, 헤드, 크로스토크, 압력파

Description

잉크젯 헤드{Ink-jet head}
본 발명은 잉크젯 헤드에 관한 것이다.
최근 피에조 방식의 산업용 잉크젯 헤드는 높은 생산성을 확보하기 위하여 단위 길이당 많은 수의 노즐을 포함하는 고 NPI (high 노즐 Per Inch) 구조를 가지고 있다. 이러한 경우 많은 수의 노즐이 서로 인접하면서 각 토출 셀 사이의 간섭으로 인한 크로스토크(crosstalk) 현상으로 인하여 노출 간 토출 특성의 편차가 발생하고 있다. 특히 최근 256개, 512개의 노즐을 단일 헤드 내에 위치시키는 경우, 이러한 크로스토크 문제는 헤드의 고주파수 토출을 저해하는 주요 요인이라 할 수 있다.　따라서 고주파수에서 고 NPI 피에조 잉크젯 헤드의 토출을 가능하게 하고 높은 토출 신뢰성을 확보하기 위해선 반드시 헤드의 크로스토크 현상을 제거하여야 한다.
일반적으로 크로스토크는 잉크를 통한 압력파의 전달로 인한 유체 크로스토크와, 기준 셀의 구조적 변형이 인근 셀에 구조적 변화를 일으키는 구조 크로스토크로 구분된다. 이 중 고 NPI 헤드에서는 유체 크로스토크 현상이 지배적이다.
본 발명은 공통리저버 내에서 발생하는 유체 크로스토크를 감소시켜 인쇄 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각각 잉크를 토출하는 복수 개의 토출 셀을 구비하는 잉크젯 헤드에 있어서, 각각의 상기 토출 셀은 잉크를 공급하는 공통리저버에 연결되며, 상기 공통리저버의 내부에는, 상기 공통리저버의 저면으로부터 상면으로 연장되어 상기 공통리저버의 상면을 지지하며, 상기 공통리저버 내에서 전달되는 압력파를 소산시키는 기둥이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드가 제공된다.
상기 기둥은 복수 개일 수 있으며, 이 때 상기 복수 개의 기둥은 상기 공통리저버의 내부 전체에 등간격으로 배치될 수도 있다. 또한, 상기 복수 개의 기둥은 복수의 열을 이룰 수도 있다.
상기 기둥의 종단면은 마름모, 타원형 또는 원형일 수 있으며, 상기 복수 개의 토출 셀 사이를 구획하는 세퍼레이터가 존재하지 않을 수도 있다.
상기 토출 셀은, 상기 공통 리저버로부터 잉크를 공급 받는 압력챔버; 상기 공통 리저버와 상기 압력챔버 사이에 개재되는 리스트릭터; 상기 압력챔버에 압력을 공급하는 액츄에이터; 및 상기 압력에 의해 잉크를 토출하는 노즐을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공통리저버를 사용하는 압전방식의 잉크젯 헤드에서 공통 유로를 통해 발생되는 유체 크로스토크를 빠르게 소산시켜 공통 리저버 내에 압력파가 성장하는 것을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 크로스토크에 의한 토출 셀 간의 토출액적의 속도 및 크기편차를 개선할 수 있다. 또한 크로스토크 현상을 최소화 하여 고주파수 영역에서도 보다 안정적인 잉크 액적토출이 가능하다.
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 대 응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 공통리저버(11), 리스트릭터(12), 압력챔버(13), 댐퍼(14), 노즐(15), 액츄에이터(20), 기둥(30), 기판(10a, 10b, 10c), 멤브레인(10d)이 도시되어 있다.
압력챔버(13)는 잉크를 수용하며, 멤브레인(10d)의 상면에 형성되는 압전체 등을 이용한 액츄에이터(20)에 의해 압력이 가해지면, 수용된 잉크를 노즐(15) 방향으로 이동시켜 잉크가 토출 될 수 있도록 하는 수단이다. 이러한 압력챔버(13)는 하나의 잉크젯 헤드(100)에 128개 또는 256개 등과 같이 여러 개가 병렬적으로 배치되며, 이들 각각의 압력챔버(13)에 압력을 제공하기 위해 액츄에이터(20) 역시 압력챔버(13)의 수만큼 구비된다.
공통리저버(11)는 유입구(도 2의 17 참조) 등을 통해 외부로부터 잉크를 공급 받아 이를 저장하고, 상술한 압력챔버(13)에 잉크를 공급해주는 수단이다. 도 2의 참조번호 18은 잉크의 배출구를 나타낸다. 이러한 공통리저버(11)의 내부에는, 공통리저버(11) 내에서 전달되는 압력파를 소산시키기 위한 기둥(30)이 형성된다. 이러한 기둥(30)은 공통리저버(11)의 저면으로부터 상면으로 연장되어 상기 공통리저버(11)의 상면을 지지하는 형상을 갖는다. 즉, 공통리저버(11)의 상면과 하면을 구획하는 기판들(10c, 10b)을 서로 연결하는 형상을 갖는 것이다. 이러한 기둥(30) 의 기능에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
리스트릭터(12)는 상술한 공통리저버(11)와 압력챔버(13)를 연통시키며, 공통리저버(11)와 압력챔버(13) 사이에서 발생하는 잉크의 흐름을 조절하는 기능을 수행하는 수단이다. 이러한 리스트릭터(12)는 공통리저버(11) 및 압력챔버(13)보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 액츄에이터(20)에 의해 멤브레인(10d)이 진동하는 경우 공통리저버(11)로부터 압력챔버(13)로 공급되는 잉크의 양을 조절할 수 있다.
노즐(15)은 압력챔버(13)와 연결되어 압력챔버(13)로부터 잉크를 공급받아 잉크를 분사하는 기능을 수행한다. 액츄에이터(20)에 의해 발생한 진동이 멤브레인(10d)을 통하여 압력챔버(13)에 전달되면, 압력챔버(13)에는 압력이 가해지고, 이 압력에 의해 노즐(15)이 잉크를 분사할 수 있게 된다.
한편, 상술한 압력챔버(13)와 노즐(15) 사이에는 댐퍼(14)가 형성된다. 댐퍼(14)는 압력챔버(13)에서 발생된 에너지를 노즐(15) 측으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충 하는 기능을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 각각의 구성요소들은 도 1에 도시된 바와 같이, 해당 구성요소들이 가공된 실리콘 또는 세라믹과 같은 재질의 기판들(10a, 10b, 10c)이 적층되어 형성될 수 있으나, 한 장의 기판으로 이루어질 수도 있을 것이다.
도 2에는 복수 개의 토출 셀(100a, 100b)이 각각 공통리저버(11)에 연결되어 있는 모습이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 토출 셀(100a, 100b)은 각각 압력챔버(도 1의 13 참조)와, 댐퍼(도 1의 14 참조), 노즐(도 1의 15 참조), 리스트릭터(도 1의 12 참조)를 구비하며, 모두 공통리저버(11)에 연결되어 잉크를 공급 받는다. 그리고 이들 토출 셀(100a, 100b) 사이에는 각각 세퍼레이터(16)가 배치되어 토출 셀(100a, 100b) 사이를 구획한다.
액츄에이터(20)가 구동되면, 잉크가 노즐(15)과 리스트릭터(12)로 동시에 유입과 유출을 반복하게 되며, 이로 인해 잉크젯 헤드 내부는 양압과 음압 조건을 반복하게 된다. 이 때 양압 조건에서 노즐(15)쪽에서 유출된 잉크에 의해 액적의 헤드 부분이 생성되며 그 다음 음압조건에서 노즐(15)쪽에서 잉크가 댐퍼(14) 쪽으로 유입되면서 액적의 넥(neck) 부분이 형성된다. 　이렇게 형성된 넥 부분에서 액적은 끊어지게 된다.
여기서 주목할 것은 잉크가 노즐(15)과 리스트릭터(12)로 동시에 유입, 유출을 반복한다는 점이다. 이러한 현상을 공통리저버(11)의 관점에서 본다면 결국 잉크가 리스트릭터(12)를 통해 공통리저버(11)로 유입, 유출되며 리저버 전체의 압력을 변화시킬 수 있음을 의미한다. 특히 전체 셀에서 잉크가 토출 되는 경우, 예를 들면 256개의 노즐(15)에서 동시에 동일한 패턴의 압력파를 발생시키게 되면, 공통리저버(11) 전체의 잉크는 맥동한다(pulsate).
전체 토출 셀(도 3의 100a, 100b, 100c, 100d, 100e 참조)에서 잉크가 토출 되는 경우, 잉크 맥동의 발생은 중앙부의 토출 셀과 외곽의 토출 셀 간의 공통리저버(11) 부분에서의 압력차이를 발생시키고, 이로 인해 외곽부와 중심부의 토출액적의 크기 및 속도의 일정한 패턴을 가진 편차가 발생하게 된다.
또한 전체 셀(도 3의 100a, 100b, 100c, 100d, 100e 참조)에서 잉크가 토출 되는 경우, 일반적으로 공통리저버(11) 내의 압력이 증가하기 때문에 이로 인해 대부분의 경우 보다 빠른 토출속도를 가진다.
모든 토출 셀(도 3의 100a, 100b, 100c, 100d, 100e 참조)에서 잉크를 토출하는 경우, 리스트릭터(12)에서 주기적인 잉크의 유입/유출을 반복하게 되고 이는 잉크젯 헤드의 공통리저버(11) 부분에 압력파를 생성시킨다. 도 3은 이러한 현상을 보여주고 있다. 결국 i번째 토출 셀(100c)에서 발생된 압력을 Pi(x, t)라 하면 시간에 따른 공통 리저버내의 압력변화 P(x, t)는 각각의 Pi(x, t)의 합으로 표현될 수 있다. 도 3은 이러한 압력의 중첩현상을 식과 그림을 통해 보여 주고 있다.
여기서 흥미로운 점은 압전방식의 잉크젯 헤드와 같이 미세한 크기의 마이크로 채널 내의 음향파는 빠르게 소산한다는 것이다. 따라서 시간에 따라 압력파의 감쇄는 매우 빠르게 진행될 것이다. 따라서 이러한 각 토출 셀(도 3의 100a, 100b, 100c, 100d, 100e 참조)에서 발생되는 압력파의 중첩은 공통리저버(11) 내의 일정한 압력분포를 발생시키고 이로 인해 중심부와 외곽부의 토출 셀에서의 토출 액적의 크기와 속도의 편차가 발생하게 된다.　
이를 해결하기 위하여 본 실시예에서는 공통리저버(11) 내의 압력파의 생성을 억제하고 생성된 압력파의 소산을 촉진시키는 구조를 제안한다. 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 토출 셀에서 발생된 압력파는 공통리저버(11)를 따라 양쪽 방향으로 전파되는데 이때 공통리저버(11) 내에서 압력파는 중첩되어 그 크기가 증가할 수 있다.
본 실시예에서는, 압력파의 중첩을 통한 압력 진폭의 성장을 막기 위하여 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 공통리저버(11) 내에 압력파를 소산시키기 위한 기둥(30a, 30b, 30c, 30d)이 형성되는 잉크젯 헤드를 제시한다.
이러한 기둥(30a, 30b, 30c, 30d)은 공통리저버(11)의 저면으로부터 상면으로 연장되어 공통리저버(11)의 상면을 지지하는 형상을 갖는다. 즉, 공통리저버(11)의 상면과 하면을 구획하는 기판들(10c, 10b)을 서로 연결하는 형상을 갖는 것이다. 이와 같은 구조를 통하여, 기둥(30a, 30b, 30c, 30d)이 잉크젯 헤드의 내부에서 지지체로서의 기능을 수행할 수 있게 되고, 그 결과 잉크젯 헤드의 신뢰도를 확보하는 데에 유리한 효과를 기대할 수 있게 된다.
도 4a에는 종단면이 마름모 형태인 기둥(30a)이 제시되어 있으며, 도 4b에는 종단면이 원형인 기둥(30b)이 제시되어 있다. 이러한 기둥(30a, 30b)의 너비는 토출 셀간 간격의 약 1/3 ~ 1/2 정도이고, 복수의 열을 이루어 배치될 수 있다. 이 때, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 토출 셀 간격으로 서로 엇갈리게 배치될 수도 있다. 이 경우, 각 토출 셀에서 발생된 압력파는 다수의 기둥(30a, 30b) 구조물들을 만나면서 소산되어, 공통리저버(11) 내의 압력파의 성장을 억제할 수 있다. 또한, 보다 효율적인 압력파 소산을 위해 복수 개의 기둥을 공통리저버(11) 내부 전체에 걸쳐 등간격으로 고르게 배치할 수도 있을 것이다.
한편, 도 4c 및 도 4d에는 단일 토출 셀마다 한 개의 마름모 또는 타원형태의 기둥(30c, 30d)이 마련된 모습이 도시되어 있다.
한편, 도 5에는 세퍼레이터(도 3의 16 참조)가 제외되고, 그 자리에 압력파 소산을 위한 기둥(30d)이 배치된 구조가 도시되어 있다. 자칫 세퍼레이터가 리스트릭터(12)에서 주기적으로 유출입되는 잉크에 의해 발생되는 압력파를 증폭시킬 염려가 있으므로, 세퍼레이터를 제거하고, 그 자리에 기둥(30d)을 소정 간격으로 이격시켜 배치할 수도 있는 것이다.
도 5에는 도 4b에 도시된 타원형의 기둥(30d)이 도시되어 있으나, 나머지 다른 형상의 기둥이 적용될 수도 있음은 물론이다.
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 나타내는 단면도.
도 2는 복수 개의 토출 셀이 각각 공통리저버에 연결되어 있는 모습을 나타내는 도면.
도 3은 잉크젯 헤드의 공통리저버 부분에서 압력파가 생성되는 모습을 나타내는 도면.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 기둥의 다양한 변형예를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 기둥의 배치구조를 나타내는 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: 공통리저버 12: 리스트릭터
13: 압력챔버 14: 댐퍼
15: 노즐 20: 액츄에이터
30, 30a, 30b, 30c, 30d: 기둥
10a, 10b, 10c: 기판 10d: 멤브레인

Claims (7)

  1. 각각 잉크를 토출하는 복수 개의 토출 셀을 구비하는 잉크젯 헤드에 있어서,
    각각의 상기 토출 셀은 잉크를 공급하는 공통리저버에 연결되며,
    상기 공통리저버의 내부에는,
    상기 공통리저버의 저면으로부터 상면으로 연장되어 상기 공통리저버의 상면을 지지하며, 상기 공통리저버 내에서 전달되는 압력파를 소산시키는 기둥이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기둥은 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 기둥은 상기 공통리저버의 내부 전체에 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 기둥은 복수의 열을 이루는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기둥의 종단면은 마름모, 타원형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 토출 셀 사이를 구획하는 세퍼레이터가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 토출 셀은,
    상기 공통 리저버로부터 잉크를 공급 받는 압력챔버;
    상기 공통 리저버와 상기 압력챔버 사이에 개재되는 리스트릭터;
    상기 압력챔버에 압력을 공급하는 액츄에이터; 및
    상기 압력에 의해 잉크를 토출하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉 크젯 헤드.
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