KR20210052327A - 액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치 - Google Patents

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KR20210052327A
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슈헤이 나카타니
가즈노부 이리에
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

액체에 포함되는 입자 등에 의한 노즐의 막힘이나, 유로 및 진동판 표면에 있어서의 입자의 부착을 억제하여, 경시적으로 안정된 토출을 실현할 수 있는 액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치를 제공하는 것이다.
잉크젯 헤드는, 액체를 토출하는 노즐과, 노즐과 연통되는 압력실과, 압력실과 스로틀부를 개재하여 연통되는 개별 유로와, 개별 유로와 연통되는 공통 유로와, 에너지를 발생시키는 에너지 발생 소자와, 에너지를 압력실로 전달하는 진동판을 구비하고, 노즐, 압력실, 스로틀부, 진동판, 및 개별 유로 각각의 내벽에는, 액체에 대하여 친액성을 갖는 단분자막이 형성되어 있다.

Description

액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치{LIQUID DISCHARGING HEAD AND INK-JET APPARATUS}
본 개시는, 액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치에 관한 것이다.
종래, 액체 토출 헤드의 일례로서, 입력 신호에 따라 필요한 때에 필요한 양의 잉크를 도포할 수 있는 드롭 온 디맨드형 잉크젯 헤드가 알려져 있다. 예를 들면, 압전 방식의 드롭 온 디맨드형 잉크젯 헤드는, 일반적으로, 잉크 공급 유로와 그 잉크 공급 유로에 접속되며, 노즐을 갖는 복수의 압력실과, 그 압력실 내에 충전된 잉크에 압력을 가하는 압전 소자를 갖는다.
여기에서, 종래의 벌크형 잉크젯 헤드의 일례에 대하여, 도 1a, 도 1b를 이용하여 설명한다. 도 1a 및 도 1b는, 종래의 벌크형 잉크젯 헤드의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 1a는, 전압 인가 전의 상태를 나타내고 있으며, 도 1b는, 전압 인가 시의 상태를 나타내고 있다.
도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같이, 종래의 벌크형 잉크젯 헤드는, 잉크의 액적을 토출하는 복수의 노즐(100)과, 노즐(100)에 연통되어, 잉크가 충전되는 압력실(110)과, 이웃하는 노즐(100)에 대응하는 압력실(110)을 구획하는 격벽(隔壁)(111)과, 압력실(110)의 일부를 이루는 진동판(112)과, 진동판(112)을 진동시키는 압전 소자(130)와, 압전 소자(130) 및 격벽(111)을 지지하는 압전 부재(140)를 갖는다. 또, 도 시는 생략하지만, 종래의 벌크형 잉크젯 헤드는, 압전 소자(130)에 전압을 인가하는 공통 전극, 및 잉크의 도입구를 갖는다.
압전 부재(140)는, 1개의 압전 부재를 다이싱에 의하여 분리한 것이다. 노즐(100)의 직경은, 10μm~50μm이다. 노즐(100)은, 100μm~500μm의 간격으로 나열되어 있다. 노즐(100)의 수는, 예를 들면 100~400이다.
이와 같이 구성된 종래의 벌크형 잉크젯 헤드는, 다음과 같이 동작한다.
압전 소자(130)의 이면측의 공통 전극(도시 생략)과, 압전 소자(130)의 사이에 전압을 인가하면, 압전 소자(130)는, 도 1a에 나타내는 상태에서 도 1b에 나타내는 상태로 변형된다. 구체적으로는, 도 1b에 있어서, 좌측으로부터 2번째의 압전 소자(130)의 하부가 변형된다. 이로써, 압력실(110)의 용적이 작아지고, 압력실(110) 내의 잉크에 압력이 가해져 노즐(100)로부터 잉크의 액적(도시 생략)이 토출된다.
이상, 종래의 벌크형 잉크젯 헤드의 일례에 대하여 설명했다.
또, 잉크의 주입구 및 배출구를 갖고, 잉크를 순환시키면서 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드가 알려져 있다. 잉크를 순환시킴으로써 얻어지는 효과에 대하여, 이하에 설명한다.
노즐 근방의 잉크는, 항상 대기(大氣)에 접해 있는 상태에 있다. 잉크와 대기와의 접촉 면적은 매우 미소하기 때문에, 잉크의 용매의 증발도 무시할 수 없는 상태에 있다. 잉크의 용매가 증발하면, 잉크의 고형분 농도가 상승한다. 그 결과, 잉크의 점도가 상승하여, 정상적인 잉크의 토출이 곤란해질 수 있다.
그래서, 잉크를 순환시킴으로써, 노즐 근방의 잉크를 항상 바꿔 넣을 수 있으며, 노즐 근방의 잉크를 항상 정상적인 점도로 유지할 수 있다. 그 결과, 노즐 막힘을 억제하고, 정상적인 토출을 정상적으로 행하는 것이 가능해진다.
또, 박막의 압전 소자를 이용한 박막형 잉크젯 헤드가 알려져 있다. 이 박막형 잉크젯 헤드의 일례에 대하여, 도 2a, 도 2b를 이용하여, 이하에 설명한다. 도 2a 및 도 2b는, 종래의 박막형 잉크젯 헤드의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 2a는, 전압 인가 전의 상태를 나타내고 있으며, 도 2b는, 전압 인가 시의 상태를 나타내고 있다.
도 2a 및 도 2b에 나타내는 바와 같이, 종래의 박막형 잉크젯 헤드는, 잉크의 액적을 토출하는 노즐(200)과, 노즐(200)에 연통되어, 잉크가 충전되는 압력실(210)과, 압력실(210)의 일부를 이루는 진동판(212)과, 진동판(212)의 상부에 마련되며, 진동판(212)을 진동시키는 박막 압전 소자(220)와, 압전 소자(130) 및 격벽(111)을 지지하는 압전 부재(140)와, 압력실(210)에 잉크를 공급하는 공통 압력실(230)을 갖는다.
이와 같이 구성된 종래의 박막형 잉크젯 헤드는, 다음과 같이 동작한다.
박막 압전 소자(220)에 전압을 인가하면, 박막 압전 소자(220)는, 도 2a에 나타내는 상태에서 도 2b에 나타내는 상태로 변형된다. 이 박막 압전 소자(220)의 변형에 의하여, 압력실(210)의 용적이 작아지고, 압력실(210) 내의 액체에 압력이 가해져 노즐(200)로부터 잉크의 액적(도시 생략)이 토출된다.
이상, 종래의 박막형 잉크젯 헤드의 일례에 대하여 설명했다.
또, 예를 들면 특허문헌 1에는, 노즐의 표면이, 토출되는 잉크의 부착을 억제하기 위하여, 잉크를 튕겨내는 성질(발액성(撥液性))을 갖고 있으며, 노즐의 내벽이, 잉크 중의 기포의 체류를 억제하기 위하여, 잉크에 융화되어 젖는 성질(친액성(親液性))을 갖고 있는 잉크젯 헤드가 개시되어 있다.
여기에서, 특허문헌 1에 개시되어 있는, 노즐을 발액화 및 친액화시키는 가공 공정에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은, 특허문헌 1에 개시된 잉크젯 헤드의 노즐 플레이트의 가공 공정을 나타내는 단면 모식도이다.
먼저, 도 3의 상측 도에 나타내는 바와 같이, 노즐 플레이트(60)의 표면 및 노즐 구멍(51)의 내벽의 각각에 수소 종단화 처리(X)를 실시한다.
다음으로, 도 3의 중간 도에 나타내는 바와 같이, 노즐 플레이트(60)의 표면에 광에너지(61)를 부여하고, 노즐 플레이트(60)의 표면을 반응 활성화시킨다. 그리고, 노즐 플레이트(60)의 표면에 발액막 원료를 접촉시킴으로써, 노즐 플레이트(60)의 표면을 발액화(Y)시킨다.
다음으로, 도 3의 하측 도에 나타내는 바와 같이, 노즐 구멍(51)의 내벽에 대하여 열에너지(62)를 부여하고, 노즐 구멍(51)의 내벽에 친액막 원료를 접촉시킴으로써, 노즐 구멍(51)의 내벽을 친액화(Z)시킨다.
이상의 가공 공정에 의하여, 노즐 플레이트(60)의 표면은 발액성을 구비하기 때문에, 잉크의 부착을 억제할 수 있다. 또, 노즐 구멍(50)의 내벽은 친액성을 구비하기 때문에, 기포 고임을 억제할 수 있다.
일본 공개특허공보 2011-68095호
그러나, 특허문헌 1의 잉크젯 헤드에서는, 노즐 이외의 잉크 접액부(예를 들면, 유로나 압력실의 내벽면)의 친액성은 보증되어 있지 않다. 그 때문에, 특허문헌 1의 잉크젯 헤드에 있어서, 무기 화합물로 이루어지는 입자 또는 바인더 성분 등(이하, 입자 등이라고 함)을 포함하는 잉크를 이용한 경우, 입자나 바인더 성분이 노즐 이외의 잉크 접액부에 부착되어 퇴적됨으로써, 막힘이 발생될 우려가 있다. 특히 바인더 성분은 유기 화합물로 이루어지는 재료이며, 스테인리스 등의 금속으로 이루어지는 잉크 접액부에 부착되기 쉽다.
예를 들면, 잉크젯 헤드의 유로 중, 개별 유로와 압력실이 연통되는 부분에서는, 압력실 내의 압력파가 손실되기 어렵게 하기 위하여, 개별 유로보다 폭을 좁게 한 유로인 스로틀부가 마련된다. 이 스로틀부에는, 잉크가 흐르는 과정에서 큰 전단 응력이 가해진다. 그 때문에, 잉크 중의 입자 등이 응집되기 쉬워져, 입자 등이 유로의 벽면에 부착되어 막힘을 일으키기 쉽다.
또, 진동판은, 토출의 주파수에 따라 고속으로 진동하고 있다. 예를 들면, 진동판은, 1~50kHz 정도의 주파수에 따라, 1초 동안에 1000~50000회 정도의 진동을 하고 있다. 이 진동은, 잉크에 대하여 고속으로 전단력을 부여하는 원인이 된다. 따라서, 잉크 중의 입자의 분산 상태가 붕괴되어 응집되고, 진동판의 표면에 부착될 우려가 있다.
본 개시의 일 양태의 목적은, 액체에 포함되는 입자 등에 의한 노즐의 막힘이나, 유로 및 진동판 표면에 있어서의 입자의 부착을 억제하고, 경시적으로 안정된 토출을 실현할 수 있는 액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 일 양태에 관한 액체 토출 헤드는, 액체를 토출하는 노즐과, 상기 노즐과 연통되는 압력실과, 상기 압력실과 스로틀부를 개재하여 연통되는 개별 유로와, 상기 개별 유로와 연통되는 공통 유로와, 에너지를 발생시키는 에너지 발생 소자와, 상기 에너지를 상기 압력실로 전달하는 진동판을 구비하고, 상기 노즐, 상기 압력실, 상기 스로틀부, 상기 진동판, 및 상기 개별 유로 각각의 내벽에는, 상기 액체에 대하여 친액성을 갖는 단분자막이 형성되어 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 잉크젯 장치는, 본 개시의 일 양태에 관한 액체 토출 헤드와, 상기 에너지 발생 소자에 인가되는 구동 전압 신호를 생성하여, 상기 액체 토출 헤드의 잉크 토출 동작을 제어하는 구동 제어부와, 상기 액체 토출 헤드와 피묘화 매체를 상대 이동시키는 반송부를 구비한다.
본 개시에 의하면, 액체에 포함되는 입자 등에 의한 막힘을 억제하고, 경시적으로 안정된 토출을 실현할 수 있다.
도 1a는 종래의 벌크형 잉크젯 헤드에 있어서의 전압 인가 전의 상태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 1b는 종래의 벌크형 잉크젯 헤드에 있어서의 전압 인가 시의 상태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 2a는 종래의 박막형 잉크젯 헤드에 있어서의 전압 인가 전의 상태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 2b는 종래의 박막형 잉크젯 헤드에 있어서의 전압 인가 시의 상태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 3은 특허문헌 1의 잉크젯 헤드의 노즐 플레이트의 가공 공정을 나타내는 단면 모식도이다.
도 4a는 본 개시의 실시형태에 관한 잉크젯 헤드의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 4b는 도 4a의 XY 단면도이다.
도 4c는 본 개시의 실시형태에 관한 잉크젯 헤드 전체의 공통 유로의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 5a는 실시예 1에 관한 친수성화 처리 후의 접촉각의 경시 변화를 나타내는 도이다.
도 5b는 비교예 1에 관한 친수성화 처리 후의 접촉각의 경시 변화를 나타내는 도이다.
도 6a는 실시예 2에 관한 잉크의 액적의 비상(飛翔) 과정을 나타내는 도이다.
도 6b는 실시예 2에 관한 잉크의 액적의 비상 각도를 나타내는 도이다.
도 7a는 비교예 2에 관한 잉크의 액적의 비상 과정을 나타내는 도이다.
도 7b는 비교예 2에 관한 잉크의 액적의 비상 각도를 나타내는 도이다.
이하, 본 개시의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 공통되는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그들의 설명은 적절히 생략한다.
<잉크젯 헤드(300)>
본 개시의 실시형태에 관한 잉크젯 헤드(300)의 구성에 대하여, 도 4a, 도 4b, 도 4c를 이용하여 설명한다.
도 4a는, 본 실시형태의 잉크젯 헤드(300)의 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 또, 도 4a는, 도 4c에 있어서의 AA' 단면을 나타내고 있다. 도 4b는, 도 4a의 XY 단면도이다. 도 4c는, 잉크젯 헤드(300) 전체의 공통 유로(351)의 배치를 나타내는 평면도이다.
또한, 본 실시형태에서는, 액체 토출 헤드가, 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드(300)인 경우를 예로 들어 설명하지만, 이것에 한정되지 않는다. 액체 토출 헤드는, 잉크 이외의 액체를 토출하는 것이어도 된다.
잉크젯 헤드(300)는, 노즐(312), 압력실(314), 피에조 소자(330), 진동판(317), 스로틀부(320), 개별 유로(315), 공통 유로(351), 단분자막(340), 발액막(350)을 갖는다.
노즐(312)은, 잉크를 토출하기 위한 관통 구멍이며, 압력실(314)과 연통되어 있다. 노즐(312)의 직경은, 예를 들면 5~50μm 정도이다. 노즐(312)은, 예를 들면 레이저 가공이나 에칭 또는 펀칭 등의 방법에 의하여 형성된다.
노즐(312)의 표면에는, 잉크를 튕겨내는 성질(발액성)을 갖는 발액막(350)이 마련되어 있다. 발액막(350)은, 발액성의 원재료의 액체를 스핀 코트함으로써 형성된다. 발액막(350)이 형성됨으로써, 노즐(312)의 표면은, 발액성을 구비한다. 발액막(350)의 잉크에 대한 후퇴 접촉각은, 예를 들면 30도 이상이다. 발액막(350)의 잉크에 대한 정지 접촉각은, 예를 들면 50도 이상이다.
피에조 소자(330)(에너지 발생 소자의 일례)는, 압력실(314)에 대응하여 마련되어 있으며, 전압의 인가에 의하여 변위한다. 피에조 소자(330)로서는, 예를 들면 d33 모드 또는 d31 모드의 적층형 피에조 소자, 혹은, 전단 모드를 이용하는 피에조 소자를 이용할 수 있다. 또는, 그들 피에조 소자 대신의 에너지 발생 소자로서, 정전 액추에이터 또는 발열 소자 등을 이용해도 된다.
진동판(317)은, 피에조 소자(330)에 접하도록 배치되어 있으며, 피에조 소자(330)의 변위에 의하여 변형된다. 진동판(317)은, 예를 들면 니켈 등의 금속이나 폴리이미드 등의 수지에 의하여 구성되지만, 이들에 한정되지 않는다. 진동판(317)의 두께는, 예를 들면 5~50μm인 것이 바람직하다.
피에조 소자(330)의 변위가 진동판(317)에 전달되면, 진동판(317)이 변형된다. 이로써, 압력실(314)의 용적이 바뀌어, 노즐(312)로부터 잉크의 액적이 토출된다. 따라서, 진동판(317)의 변형량은 매우 중요하고, 그에 관계하는 진동판(317)의 강성 불균일은 토출 특성에 영향을 주기 때문에, 진동판(317)의 강성을 균일화하는 것이 요구된다.
압력실(314)은, 노즐(312)과 연통되어 있다. 또, 압력실(314)은, 스로틀부(320)를 개재하여 개별 유로(315)와 연통되어 있다. 압력실(314)의 용적은, 진동판(317)의 변형에 의하여 변화한다. 이 용적의 변화에 의하여 노즐(312)로부터 잉크가 토출된다. 압력실(314)의 용적이나 스로틀부(320)의 유로 저항에 의하여 잉크의 공진 주기가 바뀌어, 토출되는 잉크의 체적이나 속도가 바뀐다. 따라서, 필요에 따라 압력실(314)의 용적 등을 최적으로 조정할 필요가 있다.
개별 유로(315), 공통 유로(351), 및 스로틀부(320)는, 잉크의 유로이다. 공통 유로(351)는, 개별 유로(315)와 연통되어 있다. 개별 유로(315)는, 스로틀부(320)를 개재하여 압력실(314)과 연통되어 있다. 스로틀부(320)는, 개별 유로(315)의 폭보다 좁은 폭을 갖는다. 이로써, 압력실(314) 내의 압력파가 개별 유로(315)로 빠져나가기 어려워진다.
노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에는, 친액성의 단분자막(340)이 형성되어 있다. 이 단분자막(340)의 상세에 대해서는, 후술한다. 또, 공통 유로(351)의 내벽에, 단분자막(340)이 형성되어 있어도 된다.
상술한 노즐(312), 압력실(314), 개별 유로(315), 진동판(317), 공통 유로(351), 및 스로틀부(320)는, 예를 들면 에칭 등에 의하여 가공된 복수의 금속판의 열확산 접합이나, 실리콘재의 에칭 등에 의하여 제작된다.
<단분자막(340)>
도 4a에 나타내는 바와 같이, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에는, 잉크에 대하여 잘 젖는 성질(친액성. 이하, 젖음성이라고도 함)을 갖는 유기 화합물로 이루어지는 단분자막(340)이 형성되어 있다.
단분자막(340)의 두께는, 예를 들면 5~50nm 정도이다.
단분자막(340)의 재료로서는, 예를 들면 분자 말단에 실란올기를 갖고, 주골격으로부터 친수기를 갖는 분자쇄가 복수 뻗어 있는 재료를 들 수 있다. 이와 같은 재료로서는, 예를 들면 쥰세이 가가쿠 주식회사제의 초친수성 코팅 재료(구체적으로는, LAMBIC-771W)를 이용할 수 있다. 따라서, 단분자막(340)은, 분자 말단에 실란올기를 갖고, 주골격으로부터 친수기를 갖는 분자쇄가 복수 뻗어 있는 분자를 재료로 하는 막이라고 할 수 있다.
여기에서, 단분자막이란, 두께가 정확히 1분자에 상당하는 만큼의 얇은 막이 되어 분자가 나열했을 때의 막을 말한다. 또한, 단분자막은, 단분자층이라고도 한다.
고급 지방산이나 고급 알코올을, 벤젠 등의 역휘발성의 용매에 녹여 수면에 떨어뜨리면, 용매가 휘발한 후에, 단분자막을 작성할 수 있다. 이때, 알코올의 하이드록시기나 카복시기(카복실기)는, 친수기이므로, 물의 쪽을 향하고, 소수기의 장쇄의 알킬기는, 물로부터 먼 쪽(공기 중)에 나열된다. 간극 없이 분자가 배열되면, 두께가 정확히 장쇄의 알킬기(플러스 친수기)의 길이에 상당한 단분자의 막이 얻어진다.
단분자막(340)의 재료는, 자체 조직화적으로 분자가 배열되는 특징을 갖고, 기재 표면에 활성인 실란올기가 화학 반응하여 흡착된다. 기재 표면에는 실란올기를 활성화시키는 관능기가 존재할 필요가 있다.
예를 들면, 기재 표면에 있어서, 실리콘 산화물의 막이 형성되고, 수산기가 돌출되어 있는 상태가 바람직하다. 또한, 기재 표면에 수산기가 돌출되어 있으면 되기 때문에, 기재 표면에 형성되는 막은, 실리콘 산화물에 한정되지 않는다. 예를 들면, 실리콘 산화물 대신으로서, 알루미나(Al2O3) 또는 타이타니아(TiO2) 등의 금속 산화물을 이용해도 된다. 단분자막(340)은, 기재 표면에 형성된 실리콘 산화물의 막 또는 금속 산화물의 막을 피복하여 마련된다.
단분자막 재료는, 화학 흡착할 수 있는 표면이 정해져 있기 때문에, 일단 흡착되면 그 위에 3차원적으로 흡착되지 않는다. 이 원리에 의하여 단분자 오더의 막이 자체 조직화적으로 형성된다. 두께는 5~30nm로 매우 얇게 제어되지만, 노즐(312)이나 압력실(314)의 내벽에 성막하려면, 이 두께가 매우 중요하다. 친액성을 나타내는 코팅제 등을 사용하면, 두께의 제어가 곤란하여, 수 μm에서 수십 μm 오더의 두께가 되어 버린다. 두께가 두꺼워지면, 스로틀부(320)나 노즐(312)이 친액성의 막으로 메워져 버려, 막혀 버린다. 또, 진동판(317)의 표면에 성막하는 막에 대해서도, 두께가 매우 중요하다. 진동판(317)의 두께는 10μm 정도이기 때문에, 진동판(317)의 표면에 두께가 두꺼운 막이 붙으면, 진동판(317)의 강성이 크게 바뀌어, 피에조 소자(330)로부터 전해지는 진동 특성이 크게 바뀌어 버리기 때문이다. 또한, 단분자막(340)의 재료는, 자체 조직화적으로 단분자 오더의 막두께로 반응이 완료되는 재료이면 되고, 상술한 재료에 한정되지 않는다.
이상의 점에서, 단분자막(340)은, 자체 조직화 단분자막이라고 할 수 있다. 자체 조직화 단분자막은, 유기 분자의 용액이나 증기 중에 적당한 재료를 놓아 두어, 유기 분자를 재료 표면에 화학 흡착시키고, 그 과정에서 두께 1~2nm의 유기 분자의 배향성이 균일한 단분자막이 형성됨으로써 형성할 수 있다. 자체 조직화 단분자막은, 기판을 그것과 결합하는 관능기를 갖는 분자의 용액 중에 침지하는 것만으로 용이하게 작성할 수 있으며, 또한 높은 배향성과 안정성을 갖고, 말단 관능기에 의하여 다양한 기능을 도입할 수 있다. 또한, 자체 조직화 단분자막은, 자기 집합 단분자막이라고도 한다.
이와 같은 자체 조직화 재료에 의하여 생성된 막의 후퇴 접촉각은, 20도 이하인 것이 바람직하고, 15도 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 정지 접촉각은, 25도 이상인 것이 바람직하고, 30도 이상인 것이 보다 바람직하다.
여기에서, 후퇴 접촉각 및 정지 접촉각에 대하여 설명한다.
액체를 고체 표면에 적하하면, 액체는 스스로 갖는 표면 장력으로 둥글어져, 하기 식 (1)로 나타내는 관계가 성립된다. 식 (1)은, Young의 식으로 불린다.
Figure pat00001
···(1)
γs: 고체의 표면 장력
γL: 액체의 표면 장력
γSL: 고체와 액체의 계면 장력
이때의 액적의 접선과 고체 표면이 이루는 각도θ를, 접촉각이라고 부른다. 그중에서도 액체가 고체 표면 상에서 정지하고 있으며, 평형 상태에 도달해 있을 때의 접촉각을, 정지 접촉각이라고 부른다.
한편, 액체와 고체의 계면이 움직이고 있는 상태, 즉 액적의 계면이 움직이는, 동적인 상황의 접촉각을, 전진 접촉각 및 후퇴 접촉각이라고 부른다. 여기에서는, 일단 고체 표면이 액체로 젖은 후의 동적인 접촉각인 후퇴 접촉각에 주목한다.
도 4a에 나타낸 단분자막(340)의 잉크에 대한 정지 접촉각은, 30도 이상이다. 도 4a에 나타낸 단분자막(340)의 잉크에 대한 후퇴 접촉각은, 20도 이하이다. 이것은, 이하를 의미한다.
노즐(312)이나 개별 유로(315) 등이 건조된 상태로서, 그들의 내벽에 형성된 단분자막(340)에 대하여 최초로 잉크가 접촉할 때의 정지 접촉각은 50도 이상이며, 비교적 높은 상태이다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, 공통 유로(351)의 내벽에는, 단분자막(340)이 형성되어 있지 않다. 그 때문에, 공통 유로(351)에서는, 그 소재가 종래 갖는 젖음성을 나타낸다. 공통 유로(351)의 소재로서, 예를 들면 스테인리스가 이용되는 경우, 그 정지 접촉각은, 50도 이상이 된다.
이와 같은 경우에서는, 공통 유로(351)와 개별 유로(315)의 사이에 잉크에 대한 젖음성의 차가 거의 발생하지 않는다. 그 때문에, 잉크가 흐르는 과정에 있어서 기포가 말려 들어가는 등의 젖음 불량이 일어나지 않아, 각각의 유로 내에 잉크가 충전된다.
잉크가 흐르는 과정에 있어서, 공통 유로(351)와 개별 유로(315)의 사이에서 젖음성에 큰 차가 존재하면, 그 부분에서 흐름이 변칙적으로 바뀌어 버려, 기포가 말려 들어가버리는 경우가 있다. 잉크 중의 기포의 존재는, 토출 불량을 일으키는 원인이 되는 경우가 종종 있어, 잉크 중의 기포를 어떻게 제거하는지가 중요하다.
공통 유로(351)에도 단분자막(340)이 형성되어 있는 경우는, 정지 접촉각은 상기에 한정되지 않고, 30도 이하로 낮아도 된다.
한편, 단분자막(340)의 후퇴 접촉각은, 20도 이하로 낮은 상태이다. 단분자막(340)이 잉크로 일단 젖으면, 단분자막(340) 내의 친수기가 확산되어, 높은 친액성을 나타낸다. 이때, 잉크 중의 용매 성분이, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 개별 유로(315) 각각의 내벽 표면을 덮고 있는 상태가 된다. 이 상태에서는, 잉크 중의 입자나 바인더는 각 내벽에 부착하려고 해도 용매로 덮여 있기 때문에, 부착되지 않고 흐른다.
또한, 도 4a에서는, 1개의 노즐(312)과 그에 대응하는 구성 요소(예를 들면, 압력실(314), 스로틀부(320), 개별 유로(315), 피에조 소자(330) 등)만을 나타냈지만, 이들은, 도 4b에 나타내는 바와 같이, Y 방향을 따라 복수 마련되어 있다.
도 4b에 나타내는 바와 같이, 공통 유로(351)는, 각 개별 유로(315) 및 각 스로틀부(320)를 개재하여 각 복수의 압력실(314)과 접속되어 있다.
공통 유로(351)는, 잉크 리저버(도시 생략)에 접속되어 있다. 잉크 리저버는, 잉크의 공급원인 잉크 공급 탱크(도시 생략)에 접속되어 있다. 잉크 리저버는, 공통 유로(351)와 잉크 공급 탱크의 사이에 존재하는 제2 잉크 공급 탱크라고 할 수 있다. 이 잉크 리저버를 가압 혹은 감압함으로써, 노즐(312)에 가해지는 압력을 제어하여, 적절한 상태로 잉크를 토출시킬 수 있다.
도 4c에 나타내는 바와 같이, 공통 유로(351)는, 공급구(353) 및 배출구(354)와 연통되어 있다. 잉크는, 잉크 리저버로부터 공급구(353)를 개재하여 일방의 공통 유로(351)에 유입되고, 공통 유로(351)로부터 각 개별 유로(315) 및 각 스로틀부(320)를 개재하여 각 압력실(314)에 유입된다. 각 압력실(314)로부터 타방의 공통 유로(351)에 흘러든 잉크는, 배출구(354)로부터 배출된다. 배출된 잉크는, 잉크 공급 탱크와 접속된 잉크 회수 탱크로 회수되고, 다시 잉크 공급 탱크에 유입된다.
잉크 공급 탱크와 잉크 회수 탱크의 사이에 압력차가 마련됨으로써, 잉크 회수 탱크로부터 잉크 공급 탱크로 잉크가 유동한다. 이와 같은 잉크 순환계를 채용함으로써, 각 압력실(314)에 대하여 항상 신선한 잉크를 공급할 수 있으며, 노즐(312) 근방의 대기에 접하는 개소에 있어서, 잉크의 용매가 증발하는 것에 의한 점도의 상승을 방지할 수 있다. 이로써, 장시간에 걸쳐 안정된 잉크의 토출을 실현할 수 있다.
<잉크젯 장치>
상술한 잉크젯 헤드(300)는, 잉크젯 장치에 구비되어도 된다. 잉크젯 장치는, 잉크젯 헤드(300) 이외에, 예를 들면 구동 제어부 및 반송부를 구비한다. 구동 제어부는, 피에조 소자(330)에 인가되는 구동 전압 신호를 생성하여, 잉크젯 헤드(300)의 잉크 토출 동작을 제어한다. 반송부는, 잉크젯 헤드(300)와, 잉크의 액적이 착탄되는 피묘화 매체(피인쇄 대상물이라고 해도 됨)를 상대 이동시킨다.
<실시예와 비교예의 평가>
이하, 실시예 및 비교예 각각의 평가에 대하여 설명한다.
단분자막(340)을 스테인리스판 상에 형성한 경우와, 단분자막(340)을 스테인리스판 상에 형성하고 있지 않은 경우에 있어서, 접촉각의 비교 평가를 행했다(후술하는 실시예 1, 비교예 1). 접촉각은, 접촉각계 DSA100(KRUSS제)을 사용하여 측정했다.
또, 단분자막(340)을 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에 형성한 경우와, 단분자막(340)을 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에 형성하고 있지 않은 경우에 있어서, 잉크의 토출 특성의 비교 평가를 행했다(후술하는 실시예 2, 비교예 2).
평가 방법은, 다음과 같다.
노즐(312)로부터 잉크를 토출시키고, 구동 파형의 인가 타이밍과 동기시켜 스트로브 발광을 행하여, 잉크의 액적(이하, 간단히 액적이라고 함)을 조사하며, 그것을 카메라로 관찰하여, 액적의 비상 과정의 관찰을 행했다. 또, 스트로브 발광의 타이밍을 지연시킴으로써, 상이한 시각 2점의 액적을 관찰하고, 2점의 액적의 위치 좌표를 계측하여, 액적의 비상 방향의 각도의 평가를 행했다.
평가에 사용한 잉크는, 점도가 8mPa·s이며, 표면 장력이 33mN/m인 잉크이다. 점도는, 점도계 AR-G2(TA Insruments제)를 사용하여 측정했다. 표면 장력은, 표면 장력계 DSA100(KRUSS제)을 사용하여 측정했다. 또, 평가에 사용한 잉크에는, 입자 직경이 1μm인 산화 타이타늄과, 유기 화합물로 이루어지는 바인더 재료가 첨가되어 있다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 먼저 스테인리스판의 표면에 산화 실리콘의 막을 20nm 정도 성막했다. 이 성막에는, 원자층 증착이라는 방법을 이용했다.
다음으로, 산화 실리콘이 성막된 스테인리스판을, 단분자막(340)의 원료가 되는 액체 재료(예를 들면, 쥰세이 가가쿠 주식회사제의 초친수성 코팅 재료. 보다 구체적으로는, LAMBIC-771W)에 약 10초간 침지시켰다. 그 후, 가열로를 이용하여, 침지 후의 스테인리스판을 80℃에서 15분간 건조시킴으로써, 단분자막(340)을 성막했다.
그리고, 단분자막(340)이 형성된 스테인리스판의 잉크에 대한 접촉각의 경시 변화를 평가했다. 그 평가 결과를 도 5a에 나타낸다.
도 5a에 나타내는 바와 같이, 초기(최초로 잉크가 접촉했을 때)의 정지 접촉각은 95도이며, 20일간 잉크에 침지시킨 후의 정지 접촉각은 90도였다. 따라서, 정지 접촉각에는, 경시 변화가 거의 없는 것을 알 수 있었다.
또, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 초기의 후퇴 접촉각은 10도이며, 20일간 잉크에 침지시킨 후의 후퇴 접촉각은 12도였다. 따라서, 후퇴 접촉각에도, 경시 변화가 거의 없는 것을 알 수 있었다.
실시예 1에서는, 단분자막(340)이 스테인리스판 상에 형성되어 있음으로써, 잉크 중의 입자나 바인더의 부착이 억제되어, 스테인리스판의 표면의 안정화가 도모되고 있다고 생각된다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 실시예 1과 동일하게, 먼저 원자층 증착에 의하여, 스테인리스판의 표면에 산화 실리콘의 막을 20nm 정도 성막했다.
그리고, 산화 실리콘의 막만이 형성된 스테인리스판의 잉크에 대한 접촉각의 경시 변화를 평가했다. 그 평가 결과를 도 5b에 나타낸다.
도 5b에 나타내는 바와 같이, 초기의 정지 접촉각이 25도인 것에 대하여, 20일간 잉크에 침지시킨 후의 정지 접촉각은 70도이며, 경시 변화가 큰 것을 알 수 있었다.
또, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 초기의 후퇴 접촉각이 16도인 것에 대하여, 20일간 잉크에 침지시킨 후의 후퇴 접촉각은 12도였다.
실시예 2에서는, 단분자막(340)이 스테인리스판 상에 형성되어 있지 않음으로써, 잉크 침지 중에, 잉크 중의 입자나 바인더가 스테인리스판의 표면에 부착되어, 접촉각이 크게 변화되어 버렸다고 생각된다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 먼저 원자층 증착에 의하여, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에 산화 실리콘의 막을 성막했다. 여기에서, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 재료는, 스테인리스이다.
다음으로, 실시예 1과 동일한 방법에 의하여, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에 단분자막(340)을 성막했다.
그리고, 상술한 바와 같이, 노즐(312)로부터 토출된 액적에 대하여, 비상 과정의 관찰 및 비상 방향의 각도의 평가를 행했다.
도 6a에 액적의 비상 과정을 나타낸다. 도 6a에 나타내는 바와 같이, 노즐(312)로부터 분출된 액적은, 원기둥상으로 뻗으며, 끝부분이 가늘어져, 비상해 나가는 모습이 관찰되었다. 또, 끝부분이 곧게 뻗어 비상하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 끝부분이 만곡되면, 그것에 따라 액적도 곧게는 비상하지 않고, 만곡되어 비상하여 액적의 착탄 위치의 정밀도가 저하된다. 착탄 위치의 정밀도가 저하되면, 조준한 위치에 액적을 도포하지 못하여, 인쇄 품질의 저하를 초래해 버린다.
도 6b에 복수의 노즐(312)로부터 토출된 액적의 비상 각도를 나타낸다. 도 6b에 있어서, 가로축은 각 노즐을 나타내고, 세로축은 액적의 비상 각도를 나타내고 있다. 도 6b에서는, 액적이 노즐(312)의 연직 방향에 대하여 곧게 비상하면, 비상 각도는 0도이며, 비상 각도의 수치가 클수록 액적이 만곡되어 비상하고 있는 것을 나타낸다.
수백개의 노즐(312)로부터 토출된 각 액적의 비상 각도의 편차를 표준 편차의 3배의 값(3σ)으로 나타내면, 17mrad가 되었다. 이 값은, 만일 노즐(312)과 피인쇄 대상물의 사이의 거리를 1mm로 한 경우, 액적의 착탄 위치의 편차가 17μm가 되는 것을 의미한다.
착탄한 액적의 직경은 60μm 정도이며, 액적의 반원끼리가 중첩되도록 잉크를 도포해 가는 것으로 한다. 그 경우, 착탄 위치가 30μm이상 떨어지면, 액적이 서로 중첩되지 않아 도포되지 않은 영역이 발생해 버린다. 따라서, 착탄 위치의 정밀도의 목푯값은, 30μm이내로 했다. 그리고, 실시예 2에서는, 착탄 위치의 목푯값이 달성되는 것을 알 수 있었다.
(비교예 2)
비교예 2에서는, 실시예 2와 동일하게, 먼저 원자층 증착에 의하여, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에 산화 실리콘의 막을 성막했다. 여기에서, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 재료는, 스테인리스이다.
그리고, 상술한 바와 같이, 노즐(312)로부터 토출된 액적에 대하여, 비상 과정의 관찰 및 비상 방향의 각도의 평가를 행했다.
도 7a에 액적의 비상 과정을 나타낸다. 도 7a에 나타내는 바와 같이, 노즐(312)로부터 분출된 액적은, 원기둥상으로 뻗으며, 끝부분이 가늘어져, 비상해 나가는 모습이 관찰되었다. 또, 끝부분이 만곡되어 비상하고 있는 것을 알 수 있었다. 노즐(312)의 내벽에 잉크 중의 입자나 바인더가 부착됨으로써, 끝부분이 만곡되어 버렸다고 생각된다. 상술과 같이, 끝부분이 만곡되면, 그것에 따라 액적도 곧게는 비상하지 않고, 만곡되어 비상하여 액적의 착탄 위치의 정밀도가 저하된다. 그 결과, 조준한 위치에 액적을 도포하지 못하여, 인쇄 품질의 저하를 초래해 버린다.
도 7b에 복수의 노즐(312)로부터 토출된 액적의 비상 각도를 나타낸다. 도 7b의 가로축 및 세로축은, 도 6b와 동일하다. 또, 도 7b에서는, 도 6b와 동일하게, 액적이 노즐(312)의 연직 방향에 대하여 곧게 비상하면, 비상 각도는 0도이며, 비상 각도의 수치가 클수록 액적이 만곡되어 비상하고 있는 것을 나타낸다.
수백개의 노즐(312)로부터 토출된 각 액적의 비상 각도의 편차를 3σ로 나타내면, 86mrad가 되었다. 따라서, 각 액적의 비상 각도의 편차가 매우 커져 있는 것을 알 수 있다. 이 값은, 만일 노즐(312)과 피인쇄 대상물의 사이의 거리를 1mm로 한 경우, 액적의 착탄 위치 편차가 86μm가 되는 것을 의미한다. 즉, 액적끼리가 의도치 않게 서로 중첩되거나 전혀 중첩되지 않아 인쇄되지 않은 부분이 발생하거나 하여, 인쇄 품질이 저하되어 버리게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 잉크젯 헤드(300)는, 액체를 토출하는 노즐(312)과, 노즐(312)과 연통되는 압력실(314)과, 압력실(314)과 스로틀부(320)를 개재하여 연통되는 개별 유로(315)와, 개별 유로(315)와 연통되는 공통 유로(351)와, 에너지를 발생시키는 에너지 발생 소자(예를 들면, 피에조 소자(330))와, 에너지를 압력실(314)로 전달하는 진동판(317)을 구비하고, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315) 각각의 내벽에는, 상기 액체에 대하여 친액성을 갖는 단분자막(340)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 특징에 의하여, 노즐(312), 압력실(314), 스로틀부(320), 진동판(317), 및 개별 유로(315)에 있어서, 잉크에 포함되는 입자나 바인더 등의 부착을 억제할 수 있다. 따라서, 입자나 바인더 등에 의한 막힘을 억제하고, 경시적으로 안정된 토출을 실현할 수 있다. 그 결과, 인쇄 품질의 고품질화를 실현할 수 있다.
또한, 본 개시는, 상기 실시형태의 설명에 한정되지 않고, 그 취지를 벗어나지 않는 범위에 있어서 다양한 변형이 가능하다.
본 개시의 액체 토출 헤드 및 잉크젯 장치는, 예를 들면 산화 타이타늄을 함유하는 백색 잉크, 금속 나노 입자를 함유하는 도전성 잉크, 양자 도트 반도체 입자를 함유하는 양자 도트 발광 잉크, 세포 등을 함유하는 생체 잉크 등의 토출에도 유용하다.
51 노즐 구멍
60 노즐 플레이트
61 광에너지
62 열에너지
100 노즐
110 압력실
111 격벽
112 진동판
130 압전 소자
140 압전 부재
200 노즐
210 압력실
212 진동판
220 박막 압전 소자
230 공통 압력실
300 잉크젯 헤드
312 노즐
314 압력실
315 개별 유로
317 진동판
320 스로틀부
330 피에조 소자
340 단분자막
350 발액막
351 공통 유로
353 공급구
354 배출구

Claims (8)

  1. 액체를 토출하는 노즐과,
    상기 노즐과 연통되는 압력실과,
    상기 압력실과 스로틀부를 개재하여 연통되는 개별 유로와,
    상기 개별 유로와 연통되는 공통 유로와,
    에너지를 발생시키는 에너지 발생 소자와,
    상기 에너지를 상기 압력실로 전달하는 진동판을 구비하고,
    상기 노즐, 상기 압력실, 상기 스로틀부, 상기 진동판, 및 상기 개별 유로 각각의 내벽에는, 상기 액체에 대하여 친액성을 갖는 단분자막이 형성되어 있는, 액체 토출 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단분자막은, 자체 조직화 단분자막인, 액체 토출 헤드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단분자막의 두께는, 50nm 이하인, 액체 토출 헤드.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단분자막은, 금속 산화물의 막을 피복하도록 마련되는, 액체 토출 헤드.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 노즐, 상기 압력실, 상기 스로틀부, 및 상기 개별 유로 각각의 내벽의 상기 액체에 대한 정지 접촉각은, 후퇴 접촉각보다 큰, 액체 토출 헤드.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 노즐의 외측의 표면은, 상기 액체에 대하여 발액성을 갖는, 액체 토출 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노즐의 외측의 표면의 상기 액체에 대한 후퇴 접촉각은 30도 이상인, 액체 토출 헤드.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 액체 토출 헤드와,
    상기 에너지 발생 소자에 인가되는 구동 전압 신호를 생성하여, 상기 액체 토출 헤드의 잉크 토출 동작을 제어하는 구동 제어부와,
    상기 액체 토출 헤드와 피묘화 매체를 상대 이동시키는 반송부를 구비하는, 잉크젯 장치.
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