KR20230005762A - 잉크젯 헤드, 잉크젯 헤드의 제조 방법 및 인쇄 장치 - Google Patents

Abstract

잉크젯 헤드(10)는, 노즐(12)이 형성된 노즐 플레이트(11)와, 노즐(12)에 연통하는 압력실(14)과, 압력실(14)을 가압하는 가압부(30)와, 가압부(30)에서 발생된 에너지를 압력실(14)에 전달하는 진동판(17)을 구비한다. 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)에는, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)이 형성되어 있다.

Description

잉크젯 헤드, 잉크젯 헤드의 제조 방법 및 인쇄 장치{INKJET HEAD, METHOD FOR MANUFACTURING INKJET HEAD AND PRINTING APPARATUS}

본 개시는, 잉크젯 헤드, 잉크젯 헤드의 제조 방법 및 인쇄 장치에 관한 것이다.

종래, 잉크젯 헤드의 노즐로부터 액적을 토출하고, 기록 매체 상에 화상을 형성하는 잉크젯 인쇄 장치가 알려져 있다. 잉크젯 헤드에 있어서는, 노즐로부터 액적을 토출했을 때에, 노즐의 토출측 개구 주위에 잉크가 부착해버리는 경우가 있다. 그러면, 노즐로부터 액적을 토출할 때에, 토출 각도가 구부러져버릴 우려가 있다.

이에, 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 노즐 플레이트로서, 유기 필름 상에 실란 커플링제, 알콕시실란 화합물 및 플루오로알킬실란 화합물을 이용하여 실리콘 레진층을 형성하고, 그 실리콘 레진층 상에 불소 수지를 이용하여 불소 수지층을 형성하고 있다.

일본국 특허공개 2007-230061호 공보

본 개시의 일양태에 따른 잉크젯 헤드는, 노즐이 형성된 노즐 플레이트와, 상기 노즐에 연통하는 압력실과, 상기 압력실을 가압하는 가압부와, 상기 가압부에서 발생된 에너지를 상기 압력실에 전달하는 진동판을 구비하고, 상기 노즐 플레이트의 외표면에는, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막이 형성되어 있다.

본 개시의 다른 일양태는, 노즐 플레이트에 형성된 노즐로부터 액적을 토출하여 피인쇄 매체에 액적을 착탄시키는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법에 관한 것이고, 상기 노즐 플레이트의 외표면에, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막을 형성하는 발액막 공정과, 상기 발액막이 형성된 상기 노즐 플레이트에 상기 노즐을 형성하는 노즐 공정을 포함한다.

도 1a는, 잉크젯 헤드의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 1b는, 도 1a의 발액막과 노즐의 위치 관계의 상세를 나타내는 단면 모식도이다.
도 1c는, 도 1a의 A-A선 단면도이다.
도 1d는, 잉크젯 헤드를 피인쇄 매체측에서 본 도면이다.
도 1e는, 잉크젯 헤드의 다른 구성예를 나타내는 도 1b 상당도이다.
도 1f는, 잉크젯 헤드의 다른 구성예를 나타내는 도 1b 상당도이다.
도 2는, 잉크젯 헤드의 발액막의 불소 농도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은, 잉크젯 헤드의 발액막의 접촉각의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는, 잉크젯 헤드의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 5는, 실시예 1에 따른 잉크젯 헤드의 발액막의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 6은, 비교예 1에 따른 잉크젯 헤드의 발액막의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 7은, 실시예 1에 따른 잉크젯 헤드의 액적의 토출 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은, 그 외의 실시 형태에 따른 도 1b 상당도이다.
도 9는, 결락이 발생했을 경우에 있어서의 잉크젯 헤드의 액적의 토출 상태를 나타내는 도면이다.
도 10a는, 인쇄 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 10b는, 인쇄 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 11은, 인쇄 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.

노즐면의 발액성은 안정된 액적의 토출에는 필요 불가결하기 때문에, 발액막의 경시적인 안정성이 요구된다. 그러나, 예를 들면, 특허문헌 1에 나타내어진 종래의 발액막은, 잉크가 접액하는 것에 대한 경시적인 안정성이 부족하다는 과제가 있었다. 특히, 종래의 발액막은, 산화티탄 등의 무기 화합물의 입자가 분산된 잉크에 대해, 발액성이 바로 저하되어버린다. 산화티탄 입자는, 단단하고 연마 작용이 있어, 발액막이 깎여버리기 때문이다.

본 개시는, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 무기 화합물을 포함하는 잉크를 사용한 경우에 있어서도 경시적으로 안정된 발액성이 유지되는 잉크젯 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하, 본 개시의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에서 설명하는 실시 형태는, 모두 본 개시의 바람직한 하나의 구체예를 나타내는 것이다. 따라서, 이하의 실시 형태에서 나타내어지는, 수치, 형상, 재료, 구성 요소, 구성 요소의 배치 위치 및 접속 형태 등은 일례이며 본 개시를 한정하는 주지는 아니다. 따라서, 이하의 실시 형태에 있어서의 구성 요소 중, 본 개시의 최상위 개념을 나타내는 독립 청구항에 기재되어 있지 않은 구성 요소에 대해서는, 임의의 구성 요소로서 설명된다.

<잉크젯 헤드>

도 1a~도 1d에는, 잉크젯 헤드(10)의 구성예를 나타낸다.

본 개시의 잉크젯 헤드(10)는, 노즐 플레이트(11)에 형성된 노즐로부터 잉크 액적을 토출하여 피인쇄 매체에 액적을 착탄시킨다. 토출 대상의 잉크는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, (1) 양자 도트 반도체 입자를 함유하는 양자 도트 발광 잉크나 산화티탄을 함유하는 백색의 가식(加飾) 잉크, (2) 페로브스카이트 태양 전지를 구성하기 위한 기능 잉크, (3) 금속 나노 입자를 함유하는 도전성 잉크, (4) 세포 등을 함유하는 생체 잉크 등이 토출된다. 또한, 잉크젯 헤드(10)가, 잉크 이외의 액체를 토출해도 된다.

잉크젯 헤드(10)는, 1개 이상의 노즐(12)이 형성된 노즐 플레이트(11)와, 압력실(14)과, 가압부(30)와, 진동판(17)을 구비한다. 잉크젯 헤드(10)는, 노즐(12)로부터 토출된 잉크 액적(70)(도 7 참조)을 피인쇄 매체(도시 생략)에 착탄시키기 위해서 이용한다.

이하의 설명에서는, 잉크젯 헤드(10)의 길이 방향을 Y방향, 길이 방향과 직교하는 폭 방향을 X방향이라고 부른다. 또, X방향 및 Y방향과 직교하는 방향을 Z방향이라고 부른다. 본 개시에 있어서, 노즐 플레이트(11)는, X방향 및 Y방향을 따르도록 배치되어 있다.

-노즐 플레이트-

상술한 바와 같이, 노즐 플레이트(11)에는, 압력실(14) 내에 수용된 잉크를 액적으로서 토출하기 위한 노즐(12)이 형성되어 있다. 노즐 플레이트(11)의 재질은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 스테인리스 등의 금속이다. 노즐(12)은, 노즐 플레이트(11)에 Z방향으로 관통 형성된, 평면에서 볼 때 원형상의 관통 구멍이다.

노즐(12)의 직경(R)은, 예를 들면, 5~50μm 정도이다. 노즐(12)은, 예를 들면, 레이저 가공, 에칭 또는 펀칭 등의 방법을 이용하여 형성된다.

또한, 노즐(12)의 형상은, 단면에서 볼 때 도 1b와 같은 스트레이트형상이 아니어도 된다. 예를 들면, 도 1e의 단면도에 나타내는 바와 같이, 노즐(12)의 개구가 토출구(12a)를 향해 차츰 축소하도록 경사지는, 이른바 「유발형상」이어도 상관없다. 또, 도 1f의 단면도에 나타내는 바와 같이, 노즐(12)의 개구가 토출구(12a)를 향해 차츰 축소한 후에 단면에서 볼 때 스트레이트형상이 되는, 이른바 「깔때기형상」이어도 상관없다. 또한, 도 1e 및 도 1f의 형상은, 레이저 가공을 이용하여 노즐(12)을 형성함으로써 적합하게 실현할 수 있다.

또, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 노즐 플레이트(11)가, 압력실(14)을 구획하는 외벽의 일부를 구성하도록 해도 된다.

-발수막-

노즐 플레이트(11)에는, 피인쇄 매체와 대향시키는 외표면(11a)(이하, 단순히 외표면(11a)이라고 한다)에, 잉크를 튕기는 성질(발액성)을 갖는 발액막(50)이 형성되어 있다.

발액막(50)은, 불소를 함유한 다이아몬드상 카본막으로 이루어진다. 발액막(50)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 50nm~300nm 정도이다. 발액막(50)의 막두께가 너무 얇으면 발액성이 부족해진다. 한편, 발액막(50)의 막두께가 너무 두꺼우면 막응력이 커져, 노즐 플레이트(11)가 휘어버린다. 이러한 휜 상태가 되면, 잉크젯 헤드(10)의 조립 시에 다른 부재(예를 들면 유로 플레이트(16))와의 접착이 어려워진다. 발액막(50)으로서 불소를 함유한 다이아몬드상 카본막을 이용함으로써, 내마모성이 우수한 특성을 갖는다.

여기서, 잉크 중에는 산화티탄 등의 무기 화합물의 입자가 포함되는 것도 있다. 종래 기술에서는, 산화티탄이 발액막을 절삭함으로써, 발액성을 열화시키는 경우가 있었다. 노즐 주위의 발액성이 손상되면 잉크가 노즐 부근에서 퍼져, 적절한 메니스커스를 형성할 수 없다. 그러면, 잉크젯 헤드(10)가 안정적으로 잉크를 토출할 수 없게 된다. 이에 반해, 본 실시 형태의 잉크젯 헤드(10)에서는, 다이아몬드상 카본막을 이용함으로써, 발액막(50)에 내마모성이 있으므로, 상기의 종래 기술과 같은 문제가 일어나지 않는다.

도 1b 및 도 1d에 나타내는 바와 같이, 발액막(50)은, 노즐(12)에 대해 간극을 확보하여 형성된다. 즉, 발액막(50)은, 노즐(12)의 토출구(12a) 주위의 일정 거리(L) 내에는 형성되어 있지 않다. 바꾸어 말하면, 노즐(12)의 토출구에 있어서, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)과 발액막(50)의 표면(50a) 사이에 단차부(60)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 노즐 플레이트(11)는, 제1 직경을 갖는 제1 개구를 포함한다. 발액막(50)은, 제1 개구에 정렬된 제2 개구이며, 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 제2 개구를 포함한다. 노즐(12)은, 제1 개구 및 제2 개구에 의해 형성된다.

간극은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 10nm~500nm 정도이며, 보다 바람직하게는 200nm 이하이다. 간극이 너무 크면, 노즐(12) 주위의 젖음성이 높아져, 잉크가 퍼질 우려가 생긴다.

발액막(50)은, 깊이 방향(D)(Z방향)에 대해 불소 농도에 구배가 있다. 구체적으로는, 발액막(50)의 표면(50a)일수록 불소 농도가 높고, 저면(노즐 플레이트(11)와 접하는 면)에 가까워짐에 따라 불소 농도가 낮아지고 있다. 예를 들면, 발액막(50)에 존재하는 불소 농도는, 표면 부근에서 1.0atom%~2.0atom% 정도이며, 저면 부근에서 0.2atom%~0.5atom% 정도이다.

도 2는, 발액막(50)의 불소 농도를 측정한 결과를 나타내고 있다. 불소 농도의 측정은, 에너지 분산형 X선 분석(EDX：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)에 의해 행했다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 발액막(50)의 표면 부근은 1.4원자%(atom%)의 농도로, 저면 부근은 0.3원자%(atom%)의 농도로 불소가 존재하고 있는 것을 알 수 있었다.

상기와 같은 불소 농도의 구배를 형성함으로써, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)과 발액막(50)의 저면의 밀착성을 높이면서, 발액막(50)의 표면(50a)에서의 발액성을 확보할 수 있다. 또, 노즐(12)에서의 잉크의 메니스커스를 보다 안정적으로 형성할 수 있다.

잉크 액적(70)에 대한 접촉각 α, β, γ의 관계는 [식 1]과 같이 되어 있다. 접촉각 α는, 잉크 액적(70)에 대한 발액막(50)의 표면(50a)의 접촉각이다. 접촉각 β는, 잉크 액적(70)에 대한 발액막(50)의 측면(50b)의 접촉각이다. 접촉각 γ는, 잉크 액적(70)에 대한 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)의 접촉각이다.

[식 1]

접촉각 α＞접촉각 β＞접촉각 γ

여기서, 접촉각에는 2종류가 있으며, 정지각과 후퇴각이 있다. 이하에서, 정지각과 후퇴각에 대해 설명한다.

액체를 고체 표면에 적하하면, 액체는 스스로가 갖는 표면 장력에 의해 둥글어지고, [식 2]에 나타내는 관계가 성립한다. [식 2]는, Young의 식으로 불린다.

[식 2]

γs=γL×cosθ＋γSL

γs：고체의 표면 장력

γL：액체의 표면 장력

γSL：고체와 액체의 계면 장력

이때의 잉크 액적(70)의 접선과 고체 표면이 이루는 각도 θ를 접촉각이라고 부른다. 그 중에서도 액체가 고체 표면 상에서 정지되어 있고, 평형 상태에 도달해 있을 때의 접촉각을, 정지각이라고 부른다.

한편, 액체와 고체의 계면이 움직이고 있는 상태, 즉, 액적의 계면이 움직이는 동적인 상황에서의 접촉각을 「전진각」 및 「후퇴각」이라고 부른다. 여기서는, 고체 표면이 액체로 젖은 후의 동적인 접촉각인 후퇴각에 주목한다. 발액막(50)의 잉크에 대한 후퇴각은, 예를 들면, 30도 이상이다.

도 3은, 구체적인 잉크를 예로 들어 상술한 접촉각 α, β, γ의 값을 비교한 예를 나타낸다. 도 3에 있어서, 잉크 X는, 물을 주성분으로 하는 용매에 산화티탄의 입자가 분산된 잉크이다. 잉크 Y는, 아크릴 모노머를 주성분으로 하는 액상 수지에 산화티탄이 분산된 잉크이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 접촉각 α, β, γ의 관계는, 잉크 X, Y 모두에 있어서도 상기 [식 1]의 관계가 되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 노즐면으로의 액체의 부착이 방지되어, 양호한 액적의 토출을 행할 수 있다. 또한, 잉크 X가 잉크 Y보다 전체적으로 큰 접촉각의 값이 되어 있어, 젖음성이 낮은(젖기 어려운) 상태이다.

-압력실-

도 1로 되돌아와서, 압력실(14)은, 노즐(12)과 연통하고 있다. 또, 압력실(14)은, 조임부(20)를 통해 개별 유로(15)와 연통하고 있다. 압력실(14)의 용적은, 진동판(17)의 변형에 의해 변화한다. 이 용적의 변화에 의해 노즐(12)로부터 잉크가 토출된다. 압력실(14)의 용적이나 조임부(20)의 유로 저항에 의해 잉크의 공진 주기가 바뀌고, 토출되는 잉크 액적(70)의 토출 체적이나 토출 속도가 바뀐다. 따라서, 필요에 따라 압력실(14)의 용적 등을 최적으로 조정할 필요가 있다.

-가압부-

가압부(30)는, 압력실(14)에 대응하여 설치되어 있고, 전압의 인가에 의해 변위된다. 가압부(30)로서, 예를 들면, d33 모드 또는 d31 모드의 적층형 피에조, 혹은, 전단 모드를 이용하는 피에조 소자를 이용할 수 있다. 또, 가압부(30)로서, 상기의 피에조 소자 대신에, 정전 액추에이터 또는 발열 소자 등의 에너지 발생 소자를 이용해도 된다.

-진동판-

진동판(17)은, 가압부(30)에서 발생된 에너지를 압력실(14)에 전달한다. 도 1에 있어서, 진동판(17)은, 가압부(30)와 압력실(14) 사이에 있어서, 가압부(30)에 접하도록 배치된다. 진동판(17)은, 가압부(30)의 변위에 의해 변형된다. 진동판(17)을 구성하는 소재는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 니켈이나 스테인리스 등의 금속이나, 폴리이미드 등의 수지에 의해 구성된다. 진동판(17)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 5~50μm인 것이 바람직하다.

또한, 도 1a에서는, 1개의 노즐(12)과 그에 대응하는 구성 요소(예를 들면, 압력실(14), 조임부(20), 개별 유로(15), 가압부(30) 등)만을 나타내고 있는데, 이들 구성 요소는, 도 1c에 나타내는 바와 같이, Y방향을 따라 복수 설치된다.

-잉크의 유로-

공통 유로(51), 개별 유로(15) 및 조임부(20)는, 잉크의 유로이다.

도 1c는, 잉크젯 헤드(10)의 노즐(12) 및 잉크의 유로의 배치를 나타내는 단면 모식도이다.

도 1c에 나타내는 바와 같이, 공통 유로(51)는, 개별 유로(15)와 연통하고 있다. 개별 유로(15)는, 조임부(20)를 통해 압력실(14)과 연통하고 있다. 즉, 공통 유로(51)는, 각 개별 유로(15) 및 각 조임부(20)를 통해 각 복수의 압력실(14)과 접속되어 있다.

공통 유로(51)는, 잉크 리저버(도시 생략)에 접속된다. 잉크 리저버는, 잉크의 공급원인 잉크 공급 탱크(도시 생략)에 접속된다. 잉크 리저버는, 공통 유로(51)와 잉크 공급 탱크 사이에 존재하는 제2 잉크 공급 탱크라고 할 수 있다. 이 잉크 리저버를 가압 혹은 감압함으로써, 잉크젯 헤드(10) 내의 공통 유로(51)나 개별 유로(15)를 흐르는 잉크의 순환 유량을 제어할 수 있다. 또한, 노즐(12)에 가해지는 압력을 제어하고, 적절한 상태에서 잉크를 토출시킬 수 있다.

도 1c에 있어서, 도면 좌우에 설치된 공통 유로(51)의 한쪽은, 공급구(도시 생략)와 연통되고, 다른 쪽은, 배출구(도시 생략)와 연통하고 있다. 잉크는, 상술한 잉크 리저버로부터 공급구를 통해 한쪽의 공통 유로(51)에 유입되고, 공통 유로(51)로부터 각 개별 유로(15) 및 각 조임부(20)를 통해 각 압력실(14)에 유입된다. 각 압력실(14)로부터 다른 쪽의 공통 유로(51)에 흘러든 잉크는, 배출구로부터 배출된다. 배출된 잉크는, 잉크 공급 탱크와 접속된 잉크 회수 탱크로 회수되고, 다시 잉크 공급 탱크에 유입된다.

조임부(20)는, 개별 유로(15)의 폭보다 좁은 폭으로 되어 있다. 이에 의해, 진동판(17)의 변형에 의해 발생하는 압력실(14) 내의 압력파가 개별 유로(15)로 빠져나가기 어려워진다. 이렇게 됨으로써, 압력실(14) 내의 잉크가 노즐(12)로부터 잉크 액적(70)이 되어 토출된다.

<잉크젯 헤드의 제조 방법>

이하에 있어서, 도 4의 플로차트를 참조하면서, 잉크젯 헤드(10)의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

노즐 플레이트(11)의 베이스로서 평판형상의 노즐 플레이트 소재를 이용한다. 노즐 플레이트 소재는, 스테인리스, 니켈 또는 그 외의 금속 재료, 폴리이미드 수지 재료 또는 그 외의 유기물 재료, 혹은, 실리콘 재료로 이루어진다.

단계 S1에서는, 노즐 플레이트 소재의 외표면(11a)에, 불소를 함유한 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)을 형성한다. 다이아몬드상 카본막의 형성(성막)에는, CVD(Chemical Vapor Deposition)법(예를 들면, 열 CVD, 광 CVD, 플라즈마 CVD)을 이용한다. CVD법에서는, 가스나 액체를 기화시켜 가스화시킨다. 그리고, 그 가스에 열이나 광에 의해 에너지를 부여하거나, 또는, 그 가스를 고주파로 플라즈마화함으로써, 원료 물질을 라디칼화하고, 기판 상에 흡착시켜 퇴적시킨다.

불소를 함유시키는 방법으로서, 예를 들면, 원료 가스로서 아세틸렌(C2H2) 등의 탄화수소 가스와 불소를 함유하는 가스를 이용해도 된다. 또, 다이아몬드상 카본막의 성막 후에 불소를 함유하는 가스를 이용하여 막의 표면을 처리함으로써, 다이아몬드상 카본막의 표면을 불소로 수식해도 된다. 또한, 발액막(50)은, 성막의 도중부터 원료 가스 중의 불소 농도를 서서히 증가시켜 성막하는 것이 바람직하다.

다음의 단계 S2에 있어서, 발액막(50)이 형성된 노즐 플레이트 소재에, 노즐(12)을 형성하여 노즐 플레이트(11)로 한다.

노즐(12)의 형성 방법은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 하기 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 노즐(12)은, 노즐 플레이트 소재에 레이저 가공을 실시하여 형성해도 된다. 또, 노즐(12)은, 노즐 플레이트 소재에 대한 펀치 가공에 의한 구멍 형성 후에, 구멍 주변을 연마하여 형성해도 된다. 또, 에칭에 의해 노즐(12)을 형성해도 된다.

다음의 단계 S3에서는, 잉크젯 헤드(10)의 조립이 행해진다.

구체적으로는, 상술한 압력실(14), 개별 유로(15), 진동판(17), 공통 유로(51), 및 조임부(20)(이하, 합하여 「구성 요소」라고도 한다)가, 예를 들면, 에칭 등에 의해 가공된 복수의 금속판의 열확산 접합에 의해 제작된다. 또, 이들 구성 요소를 실리콘재의 에칭 등에 의해 제작해도 된다.

노즐 플레이트(11)는, 개별 유로(15)나 조임부(20)가 형성된 유로 플레이트(16)에 접착되거나, 또, 유로 플레이트(16)와 진동판(17)이 접착된다. 상기의 접착에 의해 형성된 구조물에 대해, 잉크젯 헤드(10)의 케이스가 되는 하우징(18)이 접착에 의해 접합된다. 하우징(18)에는, 공통 유로(51)가 형성되어 있다. 또한, 가압부(30)가, 진동판(17)에 접합됨으로써, 잉크젯 헤드(10)가 완성된다.

이상을 정리하면, 본 개시에 따른 잉크젯 헤드(10)의 제조 방법은, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)에, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)을 형성하는 발액막 공정과, 발액막(50)이 형성된 노즐 플레이트(11)에 노즐(12)을 형성하는 노즐 공정을 포함한다.

이와 같이, 노즐 플레이트(11)에 발액막(50)을 형성한 후에, 노즐(12)을 형성함으로써, 노즐(12) 주위에 발액막(50)이 형성되지 않는 부분이 형성된다. 이에 의해, 잉크 액적(70)의 비상의 직진성을 높일 수 있다.

<인쇄 장치>

상술한 잉크젯 헤드(10)는, 도 10a, 도 10b 및 도 11에 나타낸 인쇄 장치(9)에 구비되어도 된다. 인쇄 장치(9)는, 반송부를 구비한다. 반송부의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 기대(1)와, 상기 기대(1) 상에 배치되는 가이드(2)와, 가이드(2)를 따라 이동 가능한 가동부(7)와, 가동부(7)에 접속되고, 기판을 주사 방향으로 반송하는 반송 테이블(3)과, 기대(1) 상에 배치된 문형 갠트리(4)와, 문형 갠트리(4)에 장착된 라인 헤드(5)로 구성된다. 라인 헤드(5)는, 잉크젯 헤드(10)를 복수 나란히 배치하여, 하나의 유닛으로 한 것이다. 도시하지 않지만, 인쇄 장치(9)는, 상기 이외에 제어부를 구비한다. 제어부는, 잉크젯 헤드(10)의 토출 동작을 제어한다. 제어부는, 예를 들면, CPU(프로세서)와, CPU를 동작시키기 위한 프로그램이나 CPU에 의한 처리 결과 등의 정보를 기억하는 메모리에 의해 구성된다.

구체적으로는, 제어부는, 가압부(30)에 인가하는 구동 전압 신호를 생성한다. 제어부는, 그 구동 전압 신호를 이용하여 가압부(30)의 가압 동작을 제어한다. 가압부(30)와 진동판(17)은 접착되어 있기 때문에, 가압부(30)의 제어는 진동판(17)의 제어와 동의가 되고, 가압부(30)의 제어에 의해 잉크젯 헤드(10)의 토출 동작을 제어할 수 있다.

반송 테이블(3)은, 잉크젯 헤드(10)와, 잉크 액적(70)을 착탄시키는 피인쇄 매체(6)를 상대 이동시킨다.

<발액막의 종류에 의한 실시예와 비교예의 평가>

이하, 실시예 및 비교예 각각의 평가에 대해 설명한다.

여기서는, 발액성의 내구성의 평가로서 발액막(50)의 접촉각의 비교 평가로 행했다. 실시예 1에서는, 발액막(50)으로서, 불소가 포함된 다이아몬드상 카본막을 이용했다. 이에 반해, 비교예에서는, 상기의 발액막(50) 대신에, 발액막으로서 특허문헌 1과 같은 실란 커플링에 의한 탈수 축합 반응에 의해 형성한 막을 이용했다. 발액막 이외에 대해서는, 실시예 및 비교예 모두 같은 구성으로 하고 있다.

본 비교 평가에 있어서, 접촉각은, 접촉각계 DSA100(KRUSS 제조)을 사용하여 측정했다. 내구성의 평가는, 발액막(50)의 초기의 접촉각과, 산화티탄을 함유한 수계 잉크를 발액막(50)의 표면에 부착시킨 상태에서, 천으로 300회 와이핑한 후의 접촉각(이하, 마찰 시험 후의 접촉각이라고 한다)을 측정했다. 산화티탄의 입경은 1μm 정도이다.

(실시예 1)

실시예 1에서는, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)에, 불소가 포함된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 상술한 발액막(50)을 CVD로 형성한 잉크젯 헤드를 이용했다.

또, 실시예 1에서는, 노즐 플레이트(11)의 외표면에, CVD로 발액막(50)을 형성한 후에, 레이저 가공에 의해 노즐(12)을 형성하고 있다. 이 제조 과정에 있어서, 도 1에 나타내는 바와 같이 단차부(60)를 설치했다. 발수막(50)의 막두께는 120nm이며, 노즐(12)과의 간극(L)은 170nm였다.

도 5는, 실시예 1의 발액막(50)의 접촉각을 나타내고 있다. 도 5 좌측의 막대그래프로 나타내는 바와 같이, 초기 상태에 있어서는, 정지각이 97°이고 후퇴각이 82°였다. 또, 도 5 우측의 막대그래프로 나타내는 바와 같이, 마찰 시험 후의 접촉각은, 정지각은 95°이고 후퇴각이 61°였다.

여기서, 발명자들의 지견으로서, 잉크 액적(70)이 안정된 토출에는 발액막(50)의 접촉각은 후퇴각이고 40° 이상 필요한 것을 알 수 있다.

실시예 1에서는, 본 실시 형태의 구성을 채용함으로써, 산화티탄에 의해 발액막(50)이 깎여나가 접촉각이 저하되고 있지만, 경시적으로 안정적으로 액적을 토출할 수 있는 것을 알 수 있었다.

도 6은, 실시예 1의 잉크젯 헤드(10)를 이용하여 잉크 액적(70)을 비상시켰을 때의 비상 상태를 나타내고 있다. 잉크 액적(70)의 메니스커스는, 발액막(50)이 형성되어 있지 않은 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)으로부터 발액막(50)의 측면(50b)에 걸쳐 안정적으로 형성된다. 이에 의해, 잉크 액적(70)은, 직진성이 양호한 상태에서 비상하는 것을 알 수 있었다.

(비교예 1)

비교예 1에서는, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)에, 실시예 1의 발액막(50) 대신에, 실란 커플링에 의한 탈수 축합 반응에 의해 형성한 발액막을 스핀 코트법으로 형성한 잉크젯 헤드를 이용했다.

도 6은, 비교예 1의 발액막의 접촉각을 나타내고 있다. 도 6 좌측의 막대그래프로 나타내는 바와 같이, 초기 상태에 있어서는, 정지각이 83°이고 후퇴각이 82°였다. 또, 도 6 우측의 막대그래프로 나타내는 바와 같이, 마찰 시험 후의 접촉각은, 정지각은 62°이고 후퇴각이 5°였다.

그런데, 산화티탄은 매우 경도가 높아 연마 작용이 있다. 따라서, 발액막의 종류에 따라서는 산화티탄에 의해 발액막이 깎여나가버려, 발액성이 저하되어버린다. 도시하지 않지만, 비교예 1에서는, 산화티탄에 의해 발액막의 대부분이 깎여나가, 접촉각이 크게 저하되어 있는 것이 확인되었다.

여기서, 후퇴각이 5°인 상태에서는, 잉크는 튀는 일은 없고, 발액막(50) 상에서 잉크가 퍼지는 상태가 된다. 이 상태에서는 노즐(12)에서 형성되는 메니스커스가 안정적으로 존재하는 것은 어려워, 액적의 정확한 비상은 곤란하다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드(10)는, 노즐(12)이 형성된 노즐 플레이트(11)와, 노즐(12)에 연통하는 압력실(14)과, 압력실(14)을 가압하는 가압부(30)와, 가압부(30)에서 발생된 에너지를 압력실(14)에 전달하는 진동판(17)을 구비한다. 그리고, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)에는, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)이 형성되어 있다.

본 실시 형태에 의하면, 잉크젯 헤드(10)의 외표면(11a)에 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)을 형성했으므로, 충분한 신뢰성, 내구성을 유지할 수 있다. 이에 의해, 외표면(11a)으로의 잉크의 부착이 방지되어, 양호한 액적의 토출을 행할 수 있다. 상기의 잉크젯 헤드(10)를 이용한 인쇄 장치에 대해서도 동일한 효과가 얻어진다.

또, 상기의 실시 형태에서는, 노즐의 토출구 주위의 일정 거리 내(예를 들면, 10nm~500nm)에는 발액막(50)을 형성하지 않는 영역, 즉, 발액막(50)의 비형성 영역을 형성하고 있다. 바꾸어 말하면, 노즐(12)의 토출구(12a)에 있어서, 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)과 발액막(50)의 표면(50a) 사이에 단차부(60)가 설치되어 있다.

이에 의해, 잉크젯 헤드(10)의 신뢰성이나 내구성을 보다 높일 수 있다. 이 점에 대해서는, 후술하는 「그 외의 실시 형태」에 있어서, 구체예를 나타내면서 설명한다.

상기의 실시 형태에서는, 노즐(12)로부터 토출된 잉크 액적(70)에 대한 발액막(50)의 표면(50a)의 접촉각 α와, 노즐(12)로부터 토출된 잉크 액적(70)에 대한 발액막(50)의 측면(50b)의 접촉각 β와, 노즐(12)로부터 토출된 잉크 액적(70)에 대한 노즐 플레이트(11)의 외표면(11a)의 접촉각 γ의 관계가, 상술한 [식 1]의 관계가 되어 있다.

이에 의해, 잉크에 포함되는 입자나 바인더 등의 부착을 억제할 수 있다. 따라서, 입자나 바인더 등에 의한 막힘을 억제하고, 경시적으로 안정된 토출을 실현할 수 있다. 그 결과, 인쇄의 고품질화를 실현할 수 있다.

<그 외의 실시 형태>

또한, 본 개시는, 상기 실시 형태의 설명에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변형이 가능하다.

예를 들면, 상기의 실시 형태에서는, 노즐(12)의 토출구(12a) 주위의 일정 거리(L) 내에 발액막(50)을 형성하지 않는 비형성 영역을 형성하는 예에 대해 설명했지만 이에 한정되지 않는다.

예를 들면, 노즐(12)의 토출구(12a) 주위에 발액막(50)의 비형성 영역을 형성하지 않도록 해도 된다. 즉, 도 8에 나타내는 바와 같이, 노즐(12)의 내벽면(12b)과, 발액막(50)의 측면이 실질적으로 단차가 없도록 구성해도 된다.

이 경우에 있어서도, 잉크에 대한, 발액막(50)의 표면(50a)의 접촉각을 α, 발액막(50)의 측면(50b)의 접촉각을 β, 노즐(12)의 내벽면(12b)의 접촉각을 θ로 하면, 각각의 접촉각 α, β, θ의 관계는 [식 3]과 같이 되어 있다.

[식 3]

접촉각 α＞접촉각 β＞접촉각 θ

이에 의해, 노즐면으로의 액체의 부착이 방지되어, 양호한 액적의 토출을 행할 수 있다. 또, 잉크 액적(70)의 메니스커스는, 노즐(12)의 내벽면(12b)으로부터 발액막(50)의 측면(50b)에 걸쳐 안정적으로 형성된다. 이에 의해, 잉크 액적(70)은, 직진성이 양호한 상태에서 비상시킬 수 있다.

도 8의 구성에 있어서도, 노즐 플레이트(11) 상에 노즐(12)을 형성한 후에, CVD법을 이용하여, 불소가 포함된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막(50)을 형성하면 된다.

또한, 발액막(50)의 형성에 있어서, 노즐(12)의 부분을 마스킹한 상태에서 발액막(50)을 성막함으로써, 노즐(12) 중에는 발액막(50)이 형성되지 않는 상태로 할 수도 있다.

그 경우, 도 8에 나타내는 바와 같이, 상술한 실시예 1의 경우와는 달리, 노즐(12)의 토출구의 주위 끝까지 발액막(50)이 형성된 상태가 된다. 잉크젯 헤드(10)(예를 들면, 노즐(12))의 청소 시에 청소포가 발액막(50)에 접촉하는 경우가 있다. 혹은, 피인쇄 매체가 의도치 않게 발액막(50)에 접촉할 수 있다. 그러면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 천 또는 피인쇄 매체 등과의 마찰에 의해, 노즐(12)의 토출구(12a) 주변에 있어서 발액막(50)(다이아몬드상 카본막)의 코너 부분에 결락이 발생하는 경우가 있을 수 있다.

도 9에서는, 발액막(50)에 결락이 발생한 잉크젯 헤드(10)를 이용하여 잉크 액적(70)을 비상시켰을 때의 비상 상태를 나타내고 있다. 도 9와 같이 결락이 발생하면, 메니스커스는 발액막(50) 상에서 비대칭인 형상이 되어, 잉크 액적(70)의 직진성은 손상되어버린다. 이에 반해, 상술한 실시예 1에서 나타낸 바와 같이, 노즐(12)의 토출구(12a) 주위에 발액막(50)의 비형성 영역을 형성함으로써, 발액막(50)에 결락을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 이에 의해, 잉크젯 헤드(10)의 신뢰성이나 내구성을 보다 높일 수 있다.

본 개시에 의하면, 노즐 플레이트의 외표면에, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막을 형성하고 있다. 이에 의해, 잉크젯 헤드로부터 무기 화합물을 포함하는 액체를 토출시키는 경우에 있어서도 경시적으로 안정된 발액성을 유지할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 잉크젯 헤드 및 잉크젯 헤드의 제조 방법 및 인쇄 장치는, 예를 들면, 양자 도트 반도체 입자를 함유하는 양자 도트 발광 잉크나 산화티탄을 함유하는 백색의 가식 잉크, 페로브스카이트 태양 전지를 구성하기 위한 기능 잉크, 금속 나노 입자를 함유하는 도전성 잉크, 세포 등을 함유하는 생체 잉크 등의 토출에 유용하며, 산업상의 이용 가능성은 높다.

9: 인쇄 장치 10: 잉크젯 헤드
11: 노즐 플레이트 12: 노즐
14: 압력실 17: 진동판
30: 가압부 50: 발액막

Claims (9)

1. 노즐이 형성된 노즐 플레이트와,
   상기 노즐에 연통하는 압력실과,
   상기 압력실을 가압하는 가압부와,
   상기 가압부에서 발생된 에너지를 상기 압력실에 전달하는 진동판을 구비하고,
   상기 노즐 플레이트의 외표면에는, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막이 형성되어 있는, 잉크젯 헤드.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 발액막은, 표면으로부터의 깊이가 깊어짐에 따라, 불소 농도가 작아지는, 잉크젯 헤드.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 발액막은, 상기 노즐의 토출구 주위의 일정 거리 내에는 형성되어 있지 않은, 잉크젯 헤드.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 일정 거리는 10nm~500nm인, 잉크젯 헤드.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 노즐의 토출구에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 외표면과 상기 발액막의 표면 사이에 단차부가 설치되어 있는, 잉크젯 헤드.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노즐로부터 토출된 액적에 대한 상기 발액막 표면의 접촉각 α와, 상기 노즐로부터 토출된 액적에 대한 상기 발액막 측면의 접촉각 β와, 상기 노즐로부터 토출된 액적에 대한 상기 노즐 플레이트의 외표면의 접촉각 γ의 관계가 [식 1]의 조건을 만족하는, 잉크젯 헤드.
   [식 1] 접촉각 α＞접촉각 β＞접촉각 γ
7. 노즐 플레이트에 형성된 노즐로부터 액적을 토출하여 피인쇄 매체에 액적을 착탄시키는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서,
   상기 노즐 플레이트의 외표면에, 불소가 첨가된 다이아몬드상 카본막으로 이루어지는 발액막을 형성하는 발액막 공정과,
   상기 발액막이 형성된 상기 노즐 플레이트에 상기 노즐을 형성하는 노즐 공정
   을 포함하는, 잉크젯 헤드의 제조 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 노즐 공정에서는, 상기 노즐 플레이트에 레이저를 조사하여 상기 노즐을 형성하는, 잉크젯 헤드의 제조 방법.
9. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 잉크젯 헤드와,
   상기 잉크젯 헤드로부터 액적을 토출시키는 동작을 제어하는 제어부와,
   상기 잉크젯 헤드와 피인쇄 매체를 상대 이동시키는 반송부를 구비하는, 인쇄 장치.

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