KR20130018261A - 비원형 잉크젯 노즐 - Google Patents

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KR20130018261A
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토마스 알 스트랜드
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Abstract

잉크젯 노즐(300)은 다항식에 의해 실질적으로 정의되는 비원형 개구를 갖는 구멍(302)을 포함한다. 유체 저장조(105)에 유동적으로 결합된 발사 챔버(110), 가열 저항(120) 및 노즐(300)을 포함하는 액적 발생기(100)가 또한 설명된다. 노즐(300)은 발사 챔버(110)로부터 상부 덮개층(400)을 통한 통로를 형성하는 구멍(302)을 포함한다. 노즐(300)은 폐쇄형 다항식에 의해 정의되고, 구멍의 주변 벽(910) 주위에 수학적으로 평활하고 수학적으로 연속적인 형상을 갖고, 2개의 돌출부(310)는 구멍(302)의 중심 내로 연장한다.

Description

비원형 잉크젯 노즐{NONCIRCULAR INKJET NOZZLE}
잉크젯 기술은 소량의 액체의 정확하고 신속한 분배를 위해 광범위하게 사용된다. 잉크젯은 발사 챔버 내에 고압의 짧은 펄스를 생성함으로써 노즐로부터 유체의 액적을 토출한다. 인쇄 중에, 이 토출 프로세스는 초당 수천회 반복될 수 있다. 이상적으로, 각각의 토출은 기판 상의 침착을 위해 사전 결정된 속도 벡터를 따라 이동하는 단일의 잉크 액적을 생성할 수 있다. 그러나, 토출 프로세스는 연장된 시간 기간 동안 공중 부유 유지되고 기판 상의 원하는 위치에 침착되지 않는 다수의 매우 작은 액적을 생성할 수도 있다.
첨부 도면은 본 명세서에 설명된 원리의 다양한 실시예를 도시하고, 명세서의 부분이다. 도시된 실시예는 단지 예시일 뿐이고 청구범위의 범주를 한정하는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 1f는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 열적 잉크 액적 발생기의 동작의 예시적인 다이어그램.
도 2는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 예시적인 노즐 기하학적 형상의 다이어그램.
도 3은 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 예시적인 노즐 기하학적 형상의 다이어그램.
도 4a 내지 도 4h는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 비원형 노즐을 통해 액적을 토출하는 예시적인 액적 발생기의 다이어그램.
도 5a 및 도 5b는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 원형 노즐 및 비원형 노즐 각각으로부터 토출된 액적의 예시적인 다이어그램.
도 6a 및 도 6b는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 원형 노즐을 갖는 잉크젯 인쇄헤드 및 비원형 노즐을 갖는 잉크젯 인쇄헤드에 의해 생성된 이미지의 예시적인 다이어그램.
도 7a 및 도 7b는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 잉크젯 노즐 및 기초 저항의 예시적인 다이어그램.
도 8은 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 다수의 예시적인 구멍 기하학적 형상의 다이어그램.
도 9a 및 도9b는 본 명세서에 설명된 원리의 일 실시예에 따른 예시적인 비원형 잉크젯 노즐의 다이어그램.
도면 전체에 걸쳐, 동일한 도면 부호는 유사한, 그러나 반드시 동일할 필요는 없는 요소를 나타낸다.
전술된 바와 같이, 잉크젯 인쇄 프로세스는 노즐로부터 유체 액적을 토출함으로써 기판 상에 유체를 침착한다. 통상적으로, 잉크젯 디바이스는 인쇄 중에 초당 수천개의 액적을 토출하는 대형 노즐의 어레이를 포함한다. 예를 들어, 열적 잉크젯에서, 인쇄헤드는 하나 이상의 유체 저장조에 접속된 액적 발생기의 어레이를 포함한다. 각각의 액적 발생기는 가열 요소, 발사 챔버 및 노즐을 포함한다. 저장조로부터 유체는 발사 챔버를 충전한다. 액적을 토출하기 위해, 전류가 발사 챔버에 인접하여 배치된 히터 요소를 통해 통과된다. 가열 요소는 발사 챔버 내의 유체의 소형 부분을 기화하는 열을 생성한다. 증기는 급속하게 팽창하여, 발사 챔버 노즐로부터 작은 액적을 가압한다. 전류는 이어서 턴오프되고 저항이 냉각된다. 증기 기포는 급속하게 붕괴하여, 저장조로부터 발사 챔버 내로 더 많은 유체를 끌어당긴다.
이상적으로, 각각의 발사 이벤트는 사전 결정된 속도로 사전 결정된 벡터를 따라 이동하고 기판 상의 원하는 위치에 침착되는 단일 액적을 생성할 수 있다. 그러나, 유체가 토출되어 공기를 통해 이동함에 따라 유체에 인가되는 힘에 기인하여, 초기 액적은 다수의 서브-액적으로 분열될 수 있다. 매우 작은 서브-액적은 속도를 급속하게 손실하여 연장된 시간 기간 동안 공중 부유 유지될 수도 있다. 이들 매우 작은 서브-액적은 다양한 문제점을 생성할 수 있다. 예를 들어, 서브-액적은 프린터에 의해 생성된 이미지의 인쇄 품질을 저하시킬 수도 있는 부정확한 위치에서 기판 상에 침착될 수도 있다. 서브-액적은 또한 인쇄 장비 상에 침착될 수도 있어, 슬러치 축적, 성능 열화, 신뢰성 문제점 및 증가하는 유지 보수 비용을 야기한다.
공중 부유 서브-액적의 효과를 최소화하는데 사용될 수 있는 일 접근법은 이들 액적을 포획하여 수납하는 것이다. 다양한 방법이 서브-액적을 포획하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 프린터 내의 공기는 공중 부유 서브-액적을 제거하는 필터를 통해 순환될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 정전기력이 서브-액적을 끌어당겨 포획하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이들 접근법의 각각은 부가의 장비가 프린터에 일체화되는 것을 요구한다. 이러한 것은 더 대형이고, 더 고가이고, 더 많은 에너지를 소비하고, 더 유지 보수 집약적인 프린터를 초래할 수 있다.
대안적인 접근법은 토출된 액적을 분열하는 경향이 있는 속도차를 최소화하기 위한 액적 발생기를 설계하는 것이다. 이는 공중 부유 서브-액적의 형성을 직접 감소시킨다. 본 출원인은 잉크젯 노즐의 형상이 토출 중에 액적을 분열하는 경향을 갖는 이들 속도차를 감소시키도록 변경될 수 있다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 노즐 구멍의 중심 내로의 하나 이상의 돌출부를 갖는 평활한 프로파일을 갖는 잉크젯 노즐은 토출된 액적 내의 속도차를 감소시키고 액적이 분열되는 것을 방지하기 위해 점성력을 활용한다.
이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 수많은 특정 상세가 본 발명의 시스템 및 방법의 철저한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 이들 특정 상세 없이 실시될 수도 있다는 것이 명백할 것이다. 명세서에서 "실시예", "예" 또는 유사한 언어의 언급은 실시예 또는 예와 연계하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 그 일 실시예에 포함되지만, 반드시 다른 실시예에는 포함되는 것은 아니라는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 위치에서 구문 "일 실시예에서" 또는 유사한 구문의 다양한 경우는 반드시 모두 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 1f는 열적 잉크젯 액적 발생기로부터 토출되는 액적의 예시적인 시간 시퀀스를 도시한다. 도 1a는 열적 잉크 인쇄헤드 내의 액적 발생기(100)의 일 예시적인 실시예의 단면도이다. 액적 발생기(100)는 유체 저장조(105)에 유동적으로 연결된 발사 챔버(110)를 포함한다. 가열 요소(120)가 발사 챔버(110) 부근에 위치된다. 유체(107)는 유체 저장조(105)로부터 발사 챔버(110)에 진입한다. 정수압 조건 하에서, 유체는 원형 노즐(115)을 나오지 않지만, 노즐 출구 내에 오목형 메니스커스를 형성한다.
도 1b는 발사 챔버(110)로부터 액적(135)을 토출하는 액적 발생기(100)의 단면도이다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 유체의 액적(135)은 가열 요소(120)에 전압(125)을 인가함으로써 발사 챔버(110)로부터 토출된다. 가열 요소(120)는 전류에 대한 그 내부 저항에 기인하여 급속하게 가열하는 저항 재료일 수 있다. 가열 요소(120)에 의해 발생된 열의 일부는 발사 챔버(110)의 벽을 통해 통과하고 가열 요소(120)에 바로 인접한 유체의 소형 부분을 기화한다. 유체의 기화는 급속하게 팽창하는 증기 기포(130)를 생성하고, 이는 발사 챔버(110) 및 원형 노즐(115) 내에 유체를 보유하는 모세관력을 극복한다. 증기가 계속 팽창함에 따라, 액적(135)은 원형 노즐(115)로부터 토출된다.
도 1c에서, 전압은 가열 요소(120)로부터 제거되고, 이는 급속하게 냉각한다. 증기 기포(130)는 관성 효과에 기인하여 계속 팽창한다. 급속 열 손실 및 지속적인 팽창의 조합된 영향 하에서, 증기 기포(130) 내부의 압력은 급속하게 강하한다. 그 최대 크기에서, 증기 기포(130)는 비교적 큰 네거티브 내부 압력을 가질 수 있다.
액적(135)은 발사 챔버로부터 계속 가압되고 비교적 높은 속도를 갖는 액적 헤드(135-1) 및 낮은 속도를 가질 수 있는 액적 미부(tail)(135-2)를 형성한다.
도 1d는 증기 기포(130)의 급속한 붕괴를 도시한다. 이 급속한 붕괴는 발사 챔버(110) 내에 낮은 압력을 생성할 수 있고, 이는 입구 포트 및 원형 노즐(115)의 모두로부터 발사 챔버(110) 내로 액체를 끌어당긴다. 이 갑작스런 압력의 반전은 노즐(115)로부터 가장 최근에 발생된 액적 미부(135-2)의 일부를 노즐(115) 내로 재차 흡인한다. 부가적으로, 액적 미부(135-2)의 전체 속도는 액적 미부 내의 점성 인력이 액적(135)의 분리에 저항하기 때문에 감소된다. 이 스테이지 중에, 발사 챔버(110) 내의 낮은 압력은 또한 원형 노즐(115) 내로 외부 공기를 끌어당기는 경향이 있다.
액적(135)의 우측으로의 흑색 화살표는 기포(130)가 붕괴하는 중에 액적의 부분의 상대 속도를 나타낸다. 화살표들 사이의 간극은 액적 미부(135-2)의 속도가 0인 정체점을 지시한다.
도 1e는 정체점에서 또는 정체점 부근에서 끊어지는 액적(135)을 도시한다. 액적 미부(135-2)의 격렬한 붕괴는 다수의 서브-액적 또는 위성 액적(135-3)을 생성한다. 이들 서브-액적(135-3)은 비교적 낮은 질량을 갖고, 매우 낮은 속도를 가질 수 있다. 서브-액적(135-3)이 소정 속도를 갖더라도, 이는 낮은 질량의 서브-액적(135-3)이 주위 공기와 상호 작용하기 때문에 비교적 급속하게 손실될 수 있다. 따라서, 서브-액적(135-3)은 연장된 시간 기간 동안 공중 부유되어 유지될 수 있다. 전술된 바와 같이, 서브-액적(135-3)은 표면에 접촉하여 부착하기 전에 비교적 긴 거리 드리프트될 수 있다. 서브-액적(135-3)이 타겟 기판에 부착되면, 이들은 통상적으로 이들이 타겟 영역의 외부에 착륙할 때 인쇄 결함을 유발한다. 서브-액적(135-3)이 인쇄 장비 상에 착륙하면, 이들 서브-액적은 인쇄 디바이스의 동작을 손상시키고 유지 보수 문제점을 생성하는 침전물을 생성할 수 있다.
액적 미부(135-2)와 액적 헤드(135-1) 사이의 속도의 차이는 또한 서브-액적의 분리 및 생성을 유발할 수 있다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 비교적 대형 액적 헤드(135-1)는 액적 미부(135-2)(액적 미부의 좌측으로의 더 짧은 화살표에 의해 도시된 바와 같이)보다 더 높은 속도를 갖는다(액적 헤드의 좌측으로의 흑색 화살표에 의해 도시된 바와 같이). 이는 액적 헤드(135-1)가 액적 미부(135-2)로부터 이격하여 당겨질 수 있게 한다.
도 1f는 액적 헤드(135-1)와 액적 미부(135-2) 사이의 속도차의 결과로서 액적 미부(135-2)로부터 액적 헤드(135-1)의 분리를 도시한다. 이는 부가의 서브-액적(135-3)을 생성할 수 있다.
잉크젯 인쇄헤드로부터 토출 중에 액적을 파괴하는 경향이 있는 속도차는 잉크젯 노즐의 형상을 변경함으로써 감소될 수 있는 것으로 발견되어 왔다. 전통적으로, 잉크젯 노즐의 구멍은 원형이다. 이들 원형 노즐은 제조가 용이하고 폐색에 대한 높은 저항을 갖는다. 그러나, 전술된 바와 같이, 원형 노즐로부터 토출된 액적은 토출 중에 액적을 분열할 수 있는 속도차를 갖는다. 구체적으로, 기포 붕괴 중에 액적의 미부의 격렬한 수축은 미부의 자취부를 분쇄할 수 있고, 액적의 헤드와 미부의 선단부 사이의 속도차는 헤드와 미부의 분리를 유발할 수 있다. 이들 분쇄 이벤트는 소형 서브-액적을 생성할 수 있고 이는 전술된 신뢰성 문제점을 유도할 수 있다.
잉크젯 노즐을 위한 비원형 형상을 사용함으로써, 이들 속도차는 감소될 수 있다. 도 2는 이들의 성능 특성을 확인하도록 구성되어 시험된 6개의 비원형 노즐 구멍 기하학적 형상을 도시한다. 6개의 형상은 폴리-와이드(poly-wide), 폴리-타원, 덤벨, 블런트 핀치(blunt pinch), 숫자 8 및 난형(oval)이다. 형상의 이론적 윤곽(200)이 도 2의 제 1 행에 도시되어 있다. 이론적 윤곽(200)은 노즐 형상을 위한 기초를 형성하는 기하학적 형상을 표현하는 점선으로서 도시되어 있다. 노즐의 제 1 구현예(205)가 제 2 행에 도시되어 있고, 카운터 보어를 갖지 않는 노즐의 제 2 구현예(210)가 제 3 행에 도시되어 있다. 기하학적 형상은 윤곽으로 변환되고 노즐(205, 210)이 구성됨에 따라, 기하학적 형상은 변경될 수 있다. 예를 들어, "숫자 8" 이론적 윤곽은 2개의 중첩하는 원을 포함한다. 구현된 바와 같이, "숫자 8" 노즐은 훨씬 더 평활한 프로파일을 갖는다.
시험 결과에 기초하여, 폴리-타원 디자인이 추가의 시험을 위해 선택되었다. 도 3은 폴리-타원 노즐(300)의 예시적인 다이어그램을 도시한다. 이 예시적인 실시예에 따르면, 폴리-타원 구멍(302)의 형상은 이하에 나타낸 4차 다항식에 의해 정의된다.
Figure pct00001
식 1
도 3에 도시된 예시적인 예에 나타낸 바와 같이, 이 다변수 다항식은 수학적으로 평활하고 수학적으로 연속적인 윤곽을 갖는 폐쇄형 형상을 생성한다. 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 용어 "수학적으로 평활한"은 모든 적용 가능한 차수의 도함수를 갖는 함수의 종류를 칭한다. 용어 "수학적으로 연속적인"은 입력 결과의 작은 변화가 출력의 작은 변화를 야기하는 함수를 칭한다. 용어 "폐쇄형"은 에워싸인 영역의 내부로부터 외부로의 경로가 함수에 의해 정의된 경계를 가로질러야 하도록 평면 또는 다른 그래핑 공간의 영역을 에워싸는 함수를 칭한다. 도 3에 도시된 구멍 형상은 식 1에 나타낸 일반 형태를 갖는 단일 식에 의해 일반화된다. 구체적으로, 구멍 형상은 구분적인 방식(piecewise fashion)으로 전혀 다른 식에 의해 생성된 선을 연결함으로써 생성되지 않는다.
비교적 평활한 프로파일을 갖는 노즐 구멍은 유체가 발사 챔버로부터 통과할 수 있게 하는데 더 효율적이라는 것이 발견되어 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 난형 프로파일과 같은 첨예한 프로파일 변화를 갖는 노즐은 소정의 크기의 액적을 생성하는데 있어서 단위 면적당 덜 효율적이다. 예를 들어, 9 ㎍ 액적을 생성하기 위해, 난형 프로파일은 더 평활한 윤곽을 갖는 폴리-타원 프로파일보다 큰 단면적을 필요로 할 것이다.
도 3에 도시된 것과 유사한 형상을 생성하기 위해, 이하의 상수가 상기 식 1에 대입될 수 있다.
Figure pct00002
이 폴리-타원 형상은 노즐(300) 내에 사용되는 비원형 구멍(302)을 형성한다. 비원형 구멍(302)은 2개의 타원형 로브(325-1, 325-2)를 갖는다. 타원형 로브(325) 사이에는, 2개의 돌출부(310-1, 310-2)가 노즐(300)의 중심을 향해 연장하고 수축된 목부(throat)(320)를 생성한다. 목부의 가장 좁은 부분을 가로지르는 측정은 목부(320)의 "핀치"라 칭한다.
유체 유동에 대한 저항은 노즐의 소정의 부분의 단면적에 비례한다. 더 작은 단면을 갖는 노즐의 부분은 유체 유동에 대한 더 높은 저항을 갖는다. 돌출부(310)는 구멍(302)의 중심부에서 비교적 높은 유체 저항의 영역(315)을 생성한다. 역으로, 로브(325-1, 325-2)는 훨씬 더 큰 단면을 갖고, 낮은 유체 저항의 영역(305-1, 305-2)을 형성한다.
구멍(302)의 장축(328)과 단축(330)은 폴리-타원 노즐(300)을 통해 통과하는 화살표로서 도시되어 있다. 장축(328)은 타원형 로브(325)를 양분한다. 단축(330)은 돌출부(310)를 양분하고 구멍(302)의 목부 영역(320)을 가로질러 통과한다. 일 실시예에 따르면, 구멍(302)의 포위체(335)는 장축 및 단축(328, 330)의 모두 상에 구멍(302)을 경계 형성하는 회색 직사각형에 의해 도시되어 있다. 일 예시적인 예에 따르면, 구멍(302)의 포위체(335)는 대략 20 미크론×20 미크론일 수 있다. 이 비교적 콤팩트한 크기는 노즐(300)이 선형 인치당 대략 1200개의 노즐을 갖는 인쇄헤드 구성에 사용될 수 있게 한다.
도 4a 내지 도 4c는 폴리-타원 노즐(300)을 포함하는 액적 발생기(100)로부터 유체 액적(315)의 토출을 설명한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 액적 발생기(100)는 유체 저장조(105)에 유동적으로 연결되는 발사 챔버(110)를 포함한다. 폴리-타원형 구멍을 갖는 노즐(300)은 상부 덮개층(400)을 통한 통로를 형성한다. 가열 저항(120)은 발사 챔버(110)로부터 노즐(300)을 통해 외부로 액적(315)을 압박하도록 급속하게 팽창하는 증기 기포(130)를 생성한다. 전술된 바와 같이, 유체의 더 큰 체적 및 속도는 구멍(302)의 더 많은 단면으로부터 나온다. 따라서, 액적(135)은 로브(325-1, 325-2)의 개방 단면(305-1, 305-2)으로부터 더 신속하게 나온다. 폴리-타원 구멍(302)의 목부(320) 내의 수축된 단면은 유체 유동에 대한 더 높은 저항을 갖는다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 액적의 미부(135-2)는 미부(135-2)와 목부(320) 사이의 관성, 점성 및 모세관력에 기인하여 목부 영역(320)에 자동으로 반복적으로 중심 설정될 수 있다. 목부 영역(320)에 중심 설정된 액적의 미부(135-2)를 갖는 것은 다수의 장점이 있다. 예를 들어, 목부(320) 위에 미부(135-2)를 중심 설정하는 것은 발사 챔버(110, 도 1) 내에 잔류하는 액체의 수체(body)로부터 미부(135)의 더 반복 가능한 분리를 제공할 수 있다. 이는 미부(135-2)를 액적(135-1)의 헤드와 정렬하여 유지하고 액적(135)의 방향성을 향상시킬 것이다.
목부(320) 위에 미부(135-2)를 중심 설정하는 다른 장점은 증기 기포가 붕괴함에 따라, 목부(320)의 더 높은 유체 저항이 미부(135-2)의 속도차를 감소시키는 것이다. 이는 액적의 전방부(135-1)가 노즐(300)로부터 대략 10 m/s 이격하여 계속 이동하고 미부(135-2)의 일부가 발사 챔버(110) 내부로 재차 당겨짐에 따라 액적(135)이 격렬하게 분열되는 것을 방지할 수 있다. 대신에, 표면 장력은 핀치를 가로질러 잉크 브리지를 형성한다. 이 잉크 브리지는 미부(135-2)를 지지하고, 반면에 잉크는 증기 기포의 붕괴 중에 보어 내로 재차 당겨진다. 유체는 로브(425)로부터 흡인되어, 발사 챔버(110, 도 1) 내로 계속 흡인되는 메니스커스(140)를 형성한다.
증기 기포(130)가 붕괴함에 따라, 유체가 유체 저장조(105)의 입구 및 노즐(300)의 모두로부터 발사 챔버(110) 내로 흡인된다. 그러나, 도 4b에 도시된 바와 같이, 목부 위의 미부(135-2)의 중심 설정 및 액적(135) 내의 속도차의 감소는 서브-액적(135-3, 도 1e)이 생성되는 가능성을 감소시킨다. 이들 상대 속도가 크기 및 방향이 충분히 유사하면, 표면 장력은 미부(135-2)를 액적 헤드(135-1) 내로 위로 끌어당길 것이다. 이 단일 액적(135)은 이어서 기판에 계속되고 타겟 위치 상에 또는 그 부근에 착륙할 것이다. 그러나, 도 4c에 도시된 바와 같이, 이 예에서 액적 헤드(135-1)와 액적 미부(135-2) 사이의 속도차는 미부(135-2)가 헤드(135-1)와 응집하게 하도록 충분히 작지 않을 수 있다. 대신에, 2개의 액적, 더 큰 헤드 액적(135-1) 및 더 작은 미부 액적(135-2)이 형성된다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 액적 발생기 및 그 노즐은 6 나노그램 내지 12 나노그램의 범위의 질량을 갖는 액적을 반복적으로 생성하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 액적 발생기 및 노즐은 9 나노그램의 질량을 갖는 액적을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 4d 내지 도 4h는 증기 기포 붕괴, 미부 분리 및 발사 챔버 내로의 메니스커스의 수축에 더 상세히 초점을 맞추고 있다. 도 4d 내지 도 4h에서, 점선은 액적 발생기(100)의 내부면을 표현한다. 텍스처가 있는 형상은 액체/증기 인터페이스를 표현한다. 도 4d는 그 최대 크기 부근의 증기 기포(130)를 도시한다. 증기 기포(130)는 대부분의 발사 챔버(110)를 충전하고, 잉크 저장조(105)로부터 연장한다. 액적의 미부(135-2)는 노즐(300)로부터 연장된다. 도 4e는 붕괴하기 시작하는 증기 기포(130) 및 얇아지기 시작하는 액적의 미부를 도시한다. 도 4f는 붕괴 기포(130)가 외부로부터 노즐(300) 내로 공기를 흡인함에 따라 계속 붕괴하는 증기 기포(130) 및 노즐(300) 내에 형성하기 시작하는 메니스커스(405)를 도시한다. 도 4f에서 볼 수 있는 바와 같이, 메니스커스(405)는 폴리-타원 노즐(300)의 2개의 로브에 대응하는 2개의 로브를 형성한다. 미부(135-2)는 노즐(300)의 중심 위에 중심 설정되어 유지된다. 전술된 바와 같이, 분리시에 미부(135-2)의 위치는 액적의 궤적에 영향을 미칠 수 있다.
도 4g는 증기 기포(130)가 잉크 저장조(105)로부터 완전히 수축되고 2개의 개별 기포로 분할하기 시작하는 것을 도시한다. 메니스커스(405)는 발사 챔버(110) 내로 계속 깊어져서 공기가 발사 챔버(110) 내로 흡인되는 것을 지시한다. 미부(135-2)는 이 시점에 노즐(400)로부터 분리되고, 노즐(300)의 중심 위의 중립 위치로부터 탈착한다.
도 4h는 미부(135-2)가 노즐(400)로부터 완전히 분리된 것을 도시한다. 미부(135-2)의 표면 장력은 미부의 최저 부분을 미부의 주요부 내로 위로 끌어올리기 시작한다. 이는 약간 구근형 단부를 갖는 미부(135-2)를 생성한다. 증기 기포(130)는 발사 챔버(110)의 코너에 있는 2개의 개별 기포로 붕괴되었다. 메니스커스(405)는 발사 챔버(110) 내로 양호하게 연장한다. 전술된 바와 같이, 폴리-타원 노즐(400)을 포함하는 액적 발생기(100)로부터 액적의 토출 중에 감소된 수의 위성 액적이 존재한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1a 내지 도 1f에 도시된 바와 같이 원형 노즐의 어레이로부터 잉크 액적 및 도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같은 폴리-타원 노즐의 어레이로부터 토출된 잉크 액적의 토출의 실제 이미지를 도시하는 다이어그램이다. 도 5a에서 볼 수 있는 바와 같이, 인쇄헤드(500) 내의 원형 노즐(115)로부터 토출된 액적은 수많은 상이한 서브-액적(135-3)으로 분쇄된다. 이는 다양한 크기의 액적(135)의 미스트를 생성한다. 전술된 바와 같이, 질량이 낮아지는 서브-액적(135-3)은 신속하게 속도를 손실하고 장기간 동안 공중 부유하여 유지될 수 있다.
도 5b는 인쇄헤드(510) 내의 폴리-타원 노즐(300)로부터 액적(135)의 토출의 다이어그램이다. 이 경우에, 액적(135)은 단지 헤드 액적(135-1) 및 미부 액적(135-2)만을 일정하게 형성한다. 더 작은 서브-액적의 증거가 거의 없다. 헤드 액적(135-1) 및 미부 액적(135-2)은 비행중에 병합할 수 있고 그리고/또는 기판의 동일한 영역에 충돌할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 원형 노즐 및 예시적인 폴리-타원 노즐의 인쇄 품질 효과를 대조하는 예시적인 다이어그램이다. 도 6a의 좌측은 원형 노즐(115) 및 기초 저항의 상대 배향 및 크기를 도시한다. 도 6a의 우측은 원형 노즐을 사용하여 생성된 텍스트의 섹션의 사진(615)이다. 텍스트는 4점 폰트의 단어 "The"이다. 사진(615) 내에는 더 낮은 속도를 갖는 중간 질량 서브-액적에 의해 생성된 텍스트 에지의 흐려짐(blurring)이 명백히 가시화된다. 이들 서브-액적은 원하는 위치에 충돌하지 않고 이미지의 흐려짐을 유발한다. 전술된 바와 같이, 최저 질량 서브-액적은 전혀 기판에 접촉하지 않을 수도 있다.
도 6b의 좌측은 기초 가열 저항(600)에 수직인 폴리-타원 노즐(300)을 도시한다. 우측 사진(610)에 도시된 바와 같이, 동일한 폰트의 동일한 단어가 폴리-타원 노즐(300) 디자인을 사용하여 인쇄되었다. 폴리-타원 노즐(300)에 의해 생성된 인쇄 품질은 원형 노즐(115)보다 에지 선명도(crispness)에 대해 상당히 더 양호하다. 액적 파괴를 지시하는 비교적 작은 도트가 명백히 존재하지 않는다. 더 큰 액적 크기의 다른 결과는 액적이 더 큰 정확도로 배치되는 것이다. 단어 "The"의 문자의 내부는 문자의 내부의 상당한 양의 밝은/어두운 텍스처 또는 "입상성(graininess)"을 나타낸다. 이는 타겟 위치로 더 정확히 이동하는 더 큰 액적 크기의 결과이다. 예를 들어, 각각의 토출 사이클이 2개의 액적을 생성하면, 헤드 액적 및 미부 액적은 동일한 위치에 모두 착륙할 수 있다. 이는 타겟 위치 사이에 백색 공간을 야기할 수 있다.
다양한 파라미터가 폴리-타원형 노즐(300)의 성능을 최적화하기 위해 선택되거나 변경될 수 있다. 이들 파라미터는 잉크젯 노즐의 성능에 영향을 미칠 수 있는 광범위한 팩터를 반영한다. 노즐의 형상에 추가하여, 잉크의 특성은 노즐의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 잉크의 점도, 표면 장력 및 조성이 노즐 성능에 영향을 미칠 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 노즐의 성능을 변경하도록 조정될 수 있는 일 파라미터를 도시한다. 구체적으로, 노즐(300)에 대한 공급 슬롯(600)의 배향은 조정될 수 있다. 공급 슬롯(600)은 공급 슬롯(600)의 측면을 따라 배열된 복수의 발사 챔버(110)와 1차 잉크 저장조 사이의 유동 연결을 형성하는 구멍이다. 도 7a에 도시된 일 예시적인 실시예에 따르면, 노즐(300)의 장축(328)은 공급 슬롯(605)의 단축(605)에 평행하다. 이 실시예에서, 폴리 타원형 노즐(300)의 양 로브는 공급 슬롯(600)으로부터 등간격으로 이격되고 대략 동일한 거동을 나타낸다. 그러나, 도 7b는 수직 배향의 공급 슬롯(600)의 장축(605)과 노즐(300)의 단축(328)을 도시한다. 이 구성에서, 로브 중 하나는 다른 로브와는 상이한 공급 슬롯(600)으로부터의 거리에서 발사 챔버 내에 위치된다. 이는 2개의 로브 내의 비대칭 유체 거동을 생성한다. 몇몇 용례에서, 이는 유리할 수 있다.
다양한 다른 파라미터가 액적 발생기 내에서 조정될 수 있다. 예를 들어, 가열 저항(600)의 크기 및 형상은 발사 시퀀스 중에 증기 기포의 기하학적 형상에 영향을 미칠 수 있다. 다음에, 증기 기포는 토출된 액적의 특성에 영향을 미친다.
조정될 수 있는 다른 파라미터는 폴리 타원 프로파일의 기하학적 형상이다. 도 8은 식 1의 파라미터를 조정함으로써 생성될 수 있는 다수의 예시적인 폴리 타원형 프로파일을 포함한다. 도 8의 각각의 예시적인 예는 목부의 핀치를 갖는 프로파일 및 기하학적 형상을 생성하기 위해 식 1에 사용된 파라미터를 열거하는 차트를 포함한다. 프로파일은 미크론 단위의 X 및 Y 거리를 나타내는 그래프 상에 중첩된다. 예를 들어, 좌상측 코너의 예시적인 예에서 폴리 타원 프로파일의 윤곽은 대략 10 미크론 내지 -10 미크론까지 X축을 따라 연장한다. 목부 내의 가장 좁은 점에서의 핀치는 8 미크론이다.
다른 예시적인 예는 점점 더 큰 핀치를 갖는다. 우하측 예는 13 미크론의 핀치를 갖는 가장 개방된 프로파일을 갖는다. 더 개방된 프로파일은 더 큰 유체 유동을 갖고, 폐색될 가능성이 적고, 폐색이 발생하는지를 확인하는 것이 용이하다. 그러나, 프로파일의 목부가 넓어질수록, 액적 파괴를 감소시키는데 있어서 돌출부가 미치는 영향이 작아진다.
각각의 그래프에서, 예시된 형상을 생성하기 위해 식 1에 대입될 수 있는 상수를 갖는 대응 테이블이 존재한다. 이들 상수는 단지 예시적인 예이다. 다양한 다른 상수가 동일한 목부 핀치를 갖는 형상을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 12 미크론 목부 핀치는 도 8의 좌하측 테이블을 사용하여 생성될 수 있다. 그러나, 12 미크론 목부 핀치를 갖는 유사한 형상이 식 1에 이하의 상수를 대입함으로써 생성될 수 있다.
Figure pct00003
표 2를 도 8의 우하측 테이블에 비교할 때, 다양한 상수가 동일한 목부 핀치를 여전히 생성하면서 증가되고, 감소되거나 동일하게 유지될 수 있다는 것이 명백하다. 예를 들어, 상수 A는 도일하게 유지되고, B는 약간 감소되고, C는 도 8에 도시된 값의 거의 절반만큼 감소되고, D는 증가되어 있다.
이들 상수는 원하는 형상을 생성하기 위해 값들의 범위로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, A는 대략 9 내지 14의 범위를 가질 수 있고, B는 대략 9 내지 14의 범위를 가질 수 있고, C는 대략 0.001 내지 1의 범위를 가질 수 있고, D는 대략 0.5 내지 2의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, A는 대략 12.0 내지 13.0의 범위를 가질 수 있고, B는 대략 12.0 내지 13.0의 범위를 가질 수 있고, C는 대략 0.001 내지 0.5의 범위를 가질 수 있고, D는 대략 1 내지 2의 범위를 가질 수 있다.
상수는 다항식에 의해 정의된 최종적인 노즐이 원하는 액적 질량을 갖는 액적을 생성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 핀치는 3 내지 14 미크론의 범위일 수 있고, 액적 질량은 4 나노그램 내지 15 나노그램의 범위일 수 있다. 전술된 바와 같이, 다양한 일정한 값이 원하는 기하학적 형상을 생성하도록 선택될 수 있다. 부가적으로, 다수의 다른 식이 핀치된 타원 형상을 생성하는데 사용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9b는 폴리 타원 노즐의 일 예시적인 실시예의 사진 이미지이다. 도 9a는 평면도로서, 목부(320)를 갖는 폴리 타원 노즐(300)을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 카운터 보어(900)가 형성되어 있다. 점선(905)은 카운터 보어(900)의 시작부를 표시한다. 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에 사용될 때, 용어 "카운터 보어"는 노즐(300)의 주변 둘레의 비교적 얕은 오목부 또는 다른 절결 영역을 칭한다. 이 카운터 보어(900)는 다양한 형상, 폭 및 크기를 가질 수 있다.
도 9b는 도 9a에 라인 9B-9B를 따른 노즐(300)의 단면 다이어그램이다. 라인 9B-9B는 노즐(300)의 목부(320)를 통해 통과한다. 단면은 상부 덮개층(400)을 통해 통과하는 노즐(300)을 도시한다. 상부 덮개층(400)은 발사 챔버(110)의 루프(roof)를 형성하는 내부면(400-2) 및 액적 발생기의 외부면을 형성하는 외부면(400-1)을 포함한다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 상부 덮개층(400)은 SU-8, 에폭시계 네거티브 포토레지스트로부터 형성된다. 상부 덮개층(400)은 다양한 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 덮개층(400)은 20 미크론 두께일 수 있다.
이 예시적인 실시예에서, 카운터 보어(900)는 얕은 접시형 오목부이다. 카운터 보어(900)는 프로파일의 상부 주변으로부터 임의의 버어(burr) 또는 다른 제조 결함을 제거하는 것을 포함하는 다수의 기능을 담당할 수 있다. 부가적으로, 노즐(300)을 형성하는 주변 벽(910)은 테이퍼질 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 노즐(300)의 주변 벽(910)은 대략 12도 각도로 외향으로 전개된다. 다른 실시예에서, 전개각은 5 내지 15도의 범위일 수 있다. 따라서, 노즐 목부(320)는 내부면(400-2)에서 더 넓고, 카운터 보어(900)에 진입하기 전에 좁아진다.
구멍(302)의 카운터 보어(900) 및 테이퍼(920)는 그대로 본 명세서에 참조로서 인용되어 있는 2005년 1월 31일 출원된 샤아라위(Shaarawi) 등의 미국 특허 제 7,585,616호에 설명된 것들을 포함하는 다수의 방식으로 형성될 수 있다.
요약하면, 다항식에 의해 정의된 폴리 타원 노즐은 구멍의 중심 내로 연장하여 목부를 형성하는 2개의 돌출부를 갖는 평활하고 연속적인 윤곽을 갖는 구멍을 형성한다. 이 노즐 기하학적 형상은 구멍의 중심을 통해 통과하는 유체를 감속하고 토출된 액적 내의 속도차를 최소화한다. 이는 토출된 액적의 붕괴를 감소시키고 액적 궤적의 반복성 및 정확성을 증가시킨다. 노즐 기하학적 형상은 또한 액적 발생기로부터 액적의 분리 중에 테일이 목부 위에 중심 설정될 수 있게 한다. 이는 액적 발생기로부터 액적 미부의 더 부드러운 분리 및 기포 붕괴 중에 발사 챔버 내로의 미부의 부분의 덜 격렬한 수축을 야기한다. 이는 분리 중에 미부의 파괴를 감소시키고 미부가 액적 궤적을 경사지게 하는 것을 방지한다.
상기 설명은 단지 설명된 원리의 실시예 및 예를 예시하고 설명하도록 제시되어 있다. 이 설명은 철저한 것으로 또는 개시된 임의의 정확한 형태에 이들 원리를 한정하도록 의도된 것은 아니다. 다수의 수정 및 변경이 상기 교시의 견지에서 가능하다.
100: 액적 발생기 105; 유체 저장조
107: 유체 110: 발사 챔버
115: 원형 노즐 120: 가열 요소
130: 증기 기포 135: 액적
135-1: 액적 헤드 135-2: 액적 미부
135-3: 서브-액적 300: 노즐
302: 구멍 310: 돌출부
320: 목부 400: 상부 덮개층

Claims (15)

  1. 잉크젯 노즐(300)에 있어서,
    다항식에 의해 실질적으로 정의된 비원형 개구(a noncircular opening)를 갖는 구멍(an aperture)(302)을 포함하는
    잉크젯 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다항식은 4차 다항식인
    잉크젯 노즐.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다항식은 (DX2 + CY2 + A2)2 -4A2X2 = B4의 일반 형태를 갖고, 여기서 A, B, C 및 D는 다항식의 형상을 정의하는 상수인
    잉크젯 노즐.

  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다항식의 상수는
    대략 9 내지 14의 범위를 갖는 A와,
    대략 9 내지 14의 범위를 갖는 B와,
    대략 0.001 내지 1의 범위를 갖는 C와,
    대략 0.5 내지 2의 범위를 갖는 D를 포함하는
    잉크젯 노즐.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다항식의 상수는
    대략 12.0 내지 12.5의 범위를 갖는 A와,
    대략 12.0 내지 13.0의 범위를 갖는 B와,
    대략 0.001 내지 0.5의 범위를 갖는 C와,
    대략 1 내지 2의 범위를 갖는 D를 포함하는
    잉크젯 노즐.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍(302)의 형상은 수학적으로 연속적이고 수학적으로 평활한
    잉크젯 노즐.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍(302)은 목부(a throat)(320)를 형성하기 위해 내향으로 연장하는 2개의 돌출부(310)를 갖고, 상기 목부(320)는 상기 구멍(302)의 중심부를 통과하는 유체 유동을 제한하도록 구성되는
    잉크젯 노즐.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 목부(320)는 3 내지 14 미크론의 핀치를 갖고, 노즐 포위체(nozzle envelope)(335)는 대략 20 미크론×20 미크론인
    잉크젯 노즐.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(300)은 4 나노그램 내지 15 나노그램의 질량을 갖는 액적(135)을 생성하도록 구성되는
    잉크젯 노즐.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(300)의 장축(major axis)은 슬롯(600)의 장축(605)에 평행한
    잉크젯 노즐.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    카운터 보어(900)를 더 포함하는
    잉크젯 노즐.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍의 주변 벽(perimeter wall)(910)은 5 내지 12도의 테이퍼를 포함하는
    잉크젯 노즐.
  13. 액적 발생기(a droplet generator)(100)에 있어서,
    유체 저장조(105)에 유동적으로 연결된 발사 챔버(110)와,
    가열 저항(120)과,
    상기 발사 챔버(110)로부터 상부 덮개층(400)을 통해 액적 발생기(100)의 외부로의 통로를 형성하는 구멍(302)을 포함하는 노즐 - 상기 노즐(300)은 폐쇄형 다항식에 의해 정의되고 상기 구멍의 주변 벽(910) 주위에 수학적으로 평활하고 수학적으로 연속적인 형상을 갖고, 상기 구멍(302)의 중심 내로 연장하는 2개의 돌출부(310)를 가짐 - 을 포함하는
    액적 발생기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 노즐(300)은
    상기 상부 덮개층(400)의 외부면(400-1) 내에 형성되는 카운터 보어(a counter bore)(900)와,
    상기 노즐(300)의 폭이 상기 상부 덮개층(400)의 내부면에서 더 크고 상기 상부 덮개층(400)의 외부면(400-1) 상의 카운터 보어(900)에 진입하기 전에 좁아지도록 상기 구멍의 주변 벽(910) 내에 형성되고, 5 내지 15도인 테이퍼(920)를 더 포함하는
    액적 발생기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구멍(302)의 중심부로 연장하는 2개의 돌출부(310)는 토출된 액적의 헤드부(a head portion)(135-1)와 토출된 액적의 미부(a tail portion)(135-2) 사이의 속도차가 감소되도록 상기 구멍(302)의 중심부 내의 유체 유동을 제한하도록 구성된 목부(320)를 형성하고, 상기 목부(320)는 상기 노즐(300)의 잉크 액적(135)의 토출 중에, 액적(135)이 상기 액적 발생기(100)로부터 분리될 때 상기 잉크 액적(135)의 미부(135-2)가 상기 목부(320) 위에 중심으로 설정되도록 더 구성되는
    액적 발생기.
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