KR20230133851A - Electrohydrodynamic print head with ink retention - Google Patents
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Abstract
전기수력학적 인쇄 헤드는 그 위에 배열된 복수의 노즐(4)을 갖는 노즐 캐리어(6)를 포함한다. 복수의 토출 전극(38)은 노즐(4)과 관련된다. 인쇄 헤드는 하단 층(110), 상단 층(112), 및 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이의 적어도 하나의 중간층(114)을 갖는 적어도 하나의 다층 구조(109)를 더 포함한다. 중간층(들)(114)은 허니컴 패턴으로 배열된 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이에서 연장되는 벽(116)을 형성한다. 복수의 공동(118)은 중간층(114)에 위치된다. 중간층은 폴리머 재료로 이루어지고 상당한 두께를 가질 수 있다.The electrohydrodynamic print head includes a nozzle carrier (6) with a plurality of nozzles (4) arranged thereon. A plurality of discharge electrodes 38 are associated with the nozzle 4. The print head further includes at least one multilayer structure (109) having a bottom layer (110), a top layer (112), and at least one intermediate layer (114) between the bottom layer (110) and the top layer (112). . The middle layer(s) 114 form a wall 116 extending between the bottom layer 110 and the top layer 112 arranged in a honeycomb pattern. A plurality of cavities 118 are located in the middle layer 114. The middle layer consists of a polymer material and can have a significant thickness.
Description
본 발명은 전기수력학적 인쇄 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrohydraulic printing head and a method of manufacturing the same.
WO 2016/169956호는 복수의 노즐이 있는 노즐 캐리어를 갖는 전기수력학적 인쇄 헤드를 설명한다. 토출 방향을 따라 잉크를 토출하도록 설계된다.WO 2016/169956 describes an electrohydrodynamic print head having a nozzle carrier with a plurality of nozzles. It is designed to eject ink along the ejection direction.
본 발명이 해결하고자 하는 문제는 이러한 유형의 특정 인쇄 헤드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The problem that the present invention seeks to solve is to provide a specific print head of this type and a method of manufacturing the same.
이 문제는 청구항 1의 인쇄 헤드에 의해 해결된다.This problem is solved by the print head of
따라서, 인쇄 헤드는 적어도 다음 요소를 포함할 수 있다:Accordingly, the print head may include at least the following elements:
- 노즐 캐리어: 이 노즐 캐리어는 노즐이 배치되는 기재이다.- Nozzle carrier: This nozzle carrier is the substrate on which the nozzle is placed.
- 캐리어 상에 배열된 복수의 노즐. 노즐은 잉크가 토출되는 위치를 형성한다.- A plurality of nozzles arranged on a carrier. The nozzle forms a location where ink is ejected.
- 노즐과 관련되고 노즐의 전면측에 위치된 복수의 토출 전극: 토출 전극은, 예를 들어 그 관련된 노즐로부터 잉크를 개별적으로 토출하는 데 사용된다.- a plurality of discharge electrodes associated with the nozzle and located on the front side of the nozzle: the discharge electrodes are used, for example, to individually discharge ink from their associated nozzles.
인쇄 헤드는 하단 층, 상단 층, 및 하단 층과 상단 층 사이의 적어도 하나의 중간층을 갖는 적어도 하나의 다층 구조를 더 포함한다. 중간층(들)은 하단 층과 상단 층 사이에서 연장되는 벽을 형성한다. 복수의 공동은 하단 층과 상기 상단 층 사이의 중간층에 위치된다.The print head further includes at least one multilayer structure having a bottom layer, a top layer, and at least one intermediate layer between the bottom layer and the top layer. The middle layer(s) form a wall extending between the bottom layer and the top layer. A plurality of cavities are located in the intermediate layer between the bottom layer and the top layer.
벽은 공동 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다.The wall may form at least part of a cavity wall.
유리하게는, 공동의 적어도 일부, 특히 대부분의 공동은 폐쇄된 공동이며, 즉, 모든 면이, 특히 벽에 의해 그리고 하단 층 및 상단 층에 의해 폐쇄된다. 본 발명의 이러한 양태는 이러한 공동이 덕트 이외의 용례를 갖는다는 이해에 기초한다. 특히, 공동은 기계적 응력을 감소시키고 및/또는 전기장을 형상화하는 데 사용될 수 있다.Advantageously, at least part of the cavity, especially most of the cavity, is a closed cavity, i.e. closed on all sides, in particular by the walls and by the bottom layer and the top layer. This aspect of the invention is based on the understanding that such cavities have applications other than ducts. In particular, cavities can be used to reduce mechanical stresses and/or shape electric fields.
일 실시예에서, 벽은 하단 층과 상단 층 사이에 허니컴 구조, 즉, 육각형 패턴을 형성한다. 이러한 구조는 기계적 응력을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.In one embodiment, the wall forms a honeycomb structure, i.e., a hexagonal pattern, between the bottom layer and the top layer. This structure was found to reduce mechanical stress.
본 발명의 중요한 양태에서, 공동의 적어도 일부는 인쇄 헤드의 상이한 전극 사이 또는 전극과 인쇄 헤드의 잉크 리테이너 사이에 배열된다. 이러한 맥락에서, "상이한 전극"은 유리하게는, 인쇄 헤드의 작동 시에, 상이한 전압을 전달할 수 있는 전극이다. 이 설계는 전기장의 영향을 더 잘 견디도록 인쇄 헤드의 능력을 개선시킨다.In an important aspect of the invention, at least some of the cavities are arranged between different electrodes of the print head or between the electrodes and the ink retainer of the print head. In this context, “different electrodes” are advantageously electrodes capable of delivering different voltages during operation of the print head. This design improves the print head's ability to better withstand the effects of electric fields.
유리하게는, 상이한 전극은 하나 이상의 중실 유전체층에 의해 공동 또는 공동들로부터 분리된다. 이들 층은 전극 사이의 전기적 고장을 방지하는 데 도움이 된다.Advantageously, the different electrodes are separated from the cavity or cavities by one or more solid dielectric layers. These layers help prevent electrical breakdown between the electrodes.
전극은 다층 구조의 하단 층 및/또는 상단 층에 장착될 수 있으며, 특히 하나의 전극은 하단 층에 장착되고 다른 전극은 상단 층에 장착된다.The electrodes may be mounted on the bottom layer and/or the top layer of the multi-layer structure, in particular one electrode is mounted on the bottom layer and the other electrode is mounted on the top layer.
유리하게는, 전극은 하단 층 및/또는 상단 층에 매립되고, 하단 층 및/또는 상단 층은 하단측 및 상단측으로부터 전극을 덮는 유전체 중실 층을 형성한다.Advantageously, the electrode is embedded in the bottom layer and/or the top layer, the bottom layer and/or the top layer forming a solid dielectric layer covering the electrode from the bottom side and the top side.
인쇄 헤드는 토출 전극 후방의 레벨에 배열된 보호 전극을 더 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, "토출 전극 후방의 레벨에서"는 보호 전극이 토출 전극보다 노즐 캐리어에 더 가깝다는 것을 나타낸다. 이러한 보호 전극은, 예를 들어 잉크를 유지(고정)하는 구조에서 전기장을 감소시키기 위해 그 후방에 있는 전기장 강도를 감소시키는 데 사용될 수 있다.The print head may further include a protective electrode arranged at a level behind the discharge electrode. In this context, “at the level behind the discharge electrode” indicates that the protective electrode is closer to the nozzle carrier than the discharge electrode. This protective electrode can be used to reduce the intensity of the electric field behind it, for example to reduce the electric field in a structure that holds (fixes) ink.
이 경우, 주어진 노즐에서, 공동의 적어도 일부는 보호 전극과 토출 전극 사이에 배열됨으로써, 토출 전극과 보호 전극 사이의 전기적 고장 위험을 감소시킬 수 있다.In this case, in a given nozzle, at least a portion of the cavity is arranged between the protective electrode and the discharge electrode, thereby reducing the risk of electrical failure between the discharge electrode and the protective electrode.
인쇄 헤드는 토출 전극의 전방 레벨에 배열된 적어도 하나의 차폐 전극을 더 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, "토출 전극의 전방 레벨에서"는 토출 전극이 차폐 전극보다 노즐 캐리어에 더 가깝다는 것을 나타낸다. 이러한 차폐부 전극(들)은 인쇄 헤드와 타겟 사이의 전기장을 제어하는 데 사용될 수 있다.The print head may further include at least one shielding electrode arranged at a front level of the discharge electrode. In this context, “at the front level of the discharge electrode” indicates that the discharge electrode is closer to the nozzle carrier than the shielding electrode. These shield electrode(s) can be used to control the electric field between the print head and target.
이 경우, 주어진 노즐에서, 공동의 적어도 일부는 토출 전극과 차폐 전극 사이에 배열됨으로써, 토출 전극과 차폐 전극 사이의 전기적 고장 위험을 감소시킬 수 있다.In this case, in a given nozzle, at least a portion of the cavity is arranged between the discharge electrode and the shielding electrode, thereby reducing the risk of electrical failure between the discharge electrode and the shielding electrode.
언급한 바와 같이, 인쇄 헤드는 노즐이 장착되는 노즐 캐리어를 갖는다. 일 실시예에서, 노즐 캐리어는 상기 다층 구조(또는 이러한 다층 구조가 여러 개인 경우, 그 중 적어도 하나)를 포함할 수 있다.As mentioned, the print head has a nozzle carrier on which the nozzles are mounted. In one embodiment, the nozzle carrier may include the multi-layer structure (or at least one of the multi-layer structures, if there are multiple such structures).
유리한 설계에서, 노즐 캐리어는 적어도 다음 부품을 포함한다:In an advantageous design, the nozzle carrier includes at least the following parts:
- 전면층: 노즐은 전면층의 전면측에 장착된다.- Front layer: The nozzle is mounted on the front side of the front layer.
- 전면층의 후면측에 위치된 후면층.- The rear floor located on the rear side of the front floor.
토출 전극에 연결된 전기 비아는 전면층과 후면층을 통해 연장될 수 있다. 전기 비아는 토출 전극에 전압을 공급한다.Electrical vias connected to the discharge electrode may extend through the front and back layers. Electrical vias supply voltage to the discharge electrode.
또한, 잉크 공급 덕트가 (적어도) 전면층에 배열된다.Additionally, an ink supply duct is arranged in (at least) the front layer.
이 경우, 전면층은 중간층(또는 이러한 다층 구조가 여러 개인 경우, 그 중 적어도 하나)을 포함할 수 있다. 이로 인해 인쇄 헤드에 과도한 기계적 변형을 일으키지 않고 두꺼운 잉크 덕트를 형성할 수 있다.In this case, the front layer may include an intermediate layer (or, if there are several such multi-layer structures, at least one of them). This allows the formation of thick ink ducts without causing excessive mechanical strain on the print head.
인쇄 헤드는 노즐 캐리어 상에 토출 전극을 지지하는 지지 구조를 포함할 수 있고, 지지 구조는 노즐 사이에 배열된 복수의 지지 요소를 포함한다. 이 경우, 지지 구조는 유리하게는 적어도 다층 구조의 중간층(또는 이러한 다층 구조가 여러 개인 경우, 그 중 적어도 하나)을 포함한다.The print head may include a support structure supporting the discharge electrode on the nozzle carrier, and the support structure includes a plurality of support elements arranged between the nozzles. In this case, the support structure advantageously comprises at least an intermediate layer of a multilayer structure (or, if there are several such multilayer structures, at least one of them).
이 경우, 인쇄 헤드는 노즐과 지지 요소 사이에 배열된 복수의 잉크 리테이너를 더 포함할 수 있다. 잉크 리테이너는 잉크가 지지 요소에 도달하여 이를 적시는 것을 방지한다. 토출 방향을 따라, 잉크 리테이너의 전방 표면은 노즐의 전방 단부 후방 레벨에(즉, 노즐 캐리어에 더 가까운) 위치되며, 즉, 토출 방향을 따라, 잉크 리테이너는 돌출부에 대해 뒤로 설정된다.In this case, the print head may further include a plurality of ink retainers arranged between the nozzle and the support element. The ink retainer prevents ink from reaching and wetting the support element. Along the discharge direction, the front surface of the ink retainer is located at a level behind the front end of the nozzle (i.e., closer to the nozzle carrier), i.e., along the discharge direction, the ink retainer is set back with respect to the protrusion.
인쇄 헤드를 제조하는 방법은 유리하게는 적어도 다음 단계를 포함한다:The method of manufacturing a print head advantageously includes at least the following steps:
- 상기 하단 층 상에 재료층을 적용하는 단계: 이 재료층은 나중에 중간층의 적어도 일부를 형성할 것이다. 재료는, 예를 들어 SU8과 같은 영구적인 포토레지스트일 수 있다.- Applying a layer of material on said bottom layer: this layer of material will later form at least part of the middle layer. The material may be a permanent photoresist, for example SU8.
- 재료층의 일부를 제거하는 단계: 이는 벽을 제자리에 남기고 공동을 형성한다.- Removing part of the material layer: this leaves the wall in place and forms a cavity.
- 재료층 위에 상단 층을 적용하는 단계.- Applying the top layer over the material layer.
본 발명은 다음의 상세한 설명을 고려할 때 보다 잘 이해될 것이며 상기에 기재된 것 이외의 목적이 명백해질 것이다. 이러한 설명은 첨부 도면을 참조하며, 도면에서:
도 1은 인쇄 헤드 및 타겟의 부분 단면도를 도시하며,
도 2는 노즐의 제1 실시예를 통한 수직 단면도이고,
도 3은 도 2의 선 A-A를 따른 수평 단면도이며,
도 4는 도 2의 선 B-B를 따른 수평 단면도이고,
도 5는 도 2의 선 C-C를 따른 수평 단면도이며,
도 6은 도 5의 십자형 설계 이외에 몇몇의 대안적인 노즐 팁 설계를 도시하고,
도 7은 도 2의 선 D-D를 따른 수평 단면도이며,
도 8은 도 2의 선 E-E를 따른 수평 단면도이고,
도 9는 노즐의 제2 실시예를 통한 수직 단면도이며,
도 10은 도 9의 선 A-A를 따른 수평 단면도이고,
도 11은 노즐의 제3 실시예를 통한 수직 단면도이며,
도 12는 기본적으로 제1 실시예에 대응하지만 노즐 지지부의 설계를 예시하는 노즐의 제4 실시예를 통한 수직 단면도이고,
도 13은 도 12의 선 A-A를 따른 수평 단면도이며,
도 14는 도 12의 선 B-B를 따른 수평 단면도이고,
도 15는 도 12의 선 C-C를 따른 수평 단면도이며,
도 16은 도 12의 선 D-D를 따른 수평 단면도이고,
도 17은 전극의 배선을 위한 2개의 가능한 비아 설계를 예시하는 수직 단면도이며,
도 18은 다층 허니컴 구조를 예시하고,
도 19는 중간층의 벽의 설계를 도시하며,
도 20은 전극을 둘러싸는 유전체층의 실시예와 함께 전극의 수직 단면도를 도시하고,
도 21은 잉크 리테이너가 없는 실시예의 수직 단면도이다.
참고: 도 1의 토출 방향(X)이 하향을 가리키고 타겟이 인쇄 헤드 아래에 위치되지만, 수직 단면도를 도시하는 다른 모든 도면의 토출 방향(X)은 상향을 가리키고, 즉, 도 1은 토출 방향에 평행한 단면을 도시하는 다른 모든 도면에 대해 180° 회전된다. 이들 도면의 방향은 오히려 제조가 어떻게 진행되는 지에 기초하여, 즉, 하부 층이 상단 층보다 먼저 제조된다.The invention will be better understood and its objectives other than those set forth above will become apparent upon consideration of the following detailed description. This description refers to the accompanying drawings, in which:
1 shows a partial cross-sectional view of the print head and target;
2 is a vertical cross-sectional view through a first embodiment of the nozzle;
Figure 3 is a horizontal cross-sectional view along line AA in Figure 2;
Figure 4 is a horizontal cross-sectional view along line BB in Figure 2;
Figure 5 is a horizontal cross-sectional view along line CC in Figure 2;
Figure 6 shows several alternative nozzle tip designs in addition to the cross design of Figure 5;
Figure 7 is a horizontal cross-sectional view along line DD in Figure 2;
Figure 8 is a horizontal cross-sectional view along line EE in Figure 2;
9 is a vertical cross-sectional view through a second embodiment of the nozzle;
Figure 10 is a horizontal cross-sectional view along line AA in Figure 9;
11 is a vertical cross-sectional view through a third embodiment of the nozzle;
Figure 12 is a vertical cross-section through a fourth embodiment of the nozzle, corresponding basically to the first embodiment but illustrating the design of the nozzle support;
Figure 13 is a horizontal cross-sectional view along line AA in Figure 12;
Figure 14 is a horizontal cross-sectional view along line BB in Figure 12;
Figure 15 is a horizontal cross-sectional view along line CC in Figure 12;
Figure 16 is a horizontal cross-sectional view along line DD in Figure 12;
17 is a vertical cross-sectional view illustrating two possible via designs for wiring electrodes;
18 illustrates a multi-layer honeycomb structure;
Figure 19 shows the design of the walls of the middle floor,
Figure 20 shows a vertical cross-section of an electrode along with an example of a dielectric layer surrounding the electrode;
Figure 21 is a vertical cross-sectional view of the embodiment without ink retainer.
NOTE: Although the discharge direction (X) in Figure 1 points downward and the target is positioned below the print head, the discharge direction ( It is rotated 180° with respect to all other drawings showing parallel cross sections. The orientation of these drawings is rather based on how manufacturing proceeds, i.e., the lower layers are manufactured before the top layers.
정의Justice
"전방으로"는 인쇄 헤드가 잉크를 토출하도록 설계된 방향을 정의한다. 예를 들어, 토출 전극은 노즐보다 전방에 있다.“Forwardly” defines the direction in which the print head is designed to eject ink. For example, the discharge electrode is ahead of the nozzle.
"후방으로"는 반대 방향을 정의한다. 예를 들어, 노즐은 토출 전극으로부터 후방에 배열된다.“Rearwards” defines the opposite direction. For example, the nozzle is arranged backward from the discharge electrode.
"전면에서"와 "후면에서"는 다른 것으로부터 전방 또는 후방으로 레벨의 위치를 지정하는 것으로 이해된다.“From the front” and “from the back” are understood to specify the position of a level in front or behind another.
"전면"과 "후면"은 전방측과 후방측이다.“Front” and “Back” are anterior and posterior.
"주어진 노즐에서의" 특성은 유리하게는 대부분의 노즐, 특히 적어도 90%의 노즐에 대해 참인 특성으로서 이해된다. 예를 들어, "주어진 노즐에서, 보호 전극이 토출 전극과 잉크 리테이너 사이에 배열된다"고 말하면, 이는 유리하게는 대부분의 노즐, 특히 적어도 90%의 노즐에 대해 참임을 의미한다. 예를 들어, 인쇄 헤드의 에지에 있는 노즐 및/또는 사용되지 않은 노즐과 같이 토출 전극 및/또는 보호 전극을 갖지 않는 일부 노즐이 있을 수 있다.A characteristic “at a given nozzle” is advantageously understood as a characteristic that is true for most nozzles, in particular for at least 90% of nozzles. For example, if we say “in a given nozzle, a protective electrode is arranged between the discharge electrode and the ink retainer”, this advantageously means that this is true for most nozzles, especially for at least 90% of the nozzles. For example, there may be some nozzles that do not have discharge electrodes and/or protective electrodes, such as nozzles at the edge of the print head and/or unused nozzles.
인쇄 헤드의 토출 방향(X)은 "수직" 상향 방향을 정의하고, 즉, 인쇄 헤드는, 정의에 의해, 잉크를 상향으로 토출하도록 설계된다. (작동 시에, 중력 방향에 대해 임의의 각도로 있을 수 있음은 물론이다.) 따라서, "위" 및 "아래"와 같은 정의는 이러한 "수직"의 정의를 참조하여 이해하여야 한다.The discharge direction (X) of the print head defines a “vertical” upward direction, i.e. the print head is, by definition, designed to discharge ink upward. (Of course, in operation, it may be at any angle with respect to the direction of gravity.) Accordingly, definitions such as "above" and "below" should be understood with reference to this definition of "vertical."
"수평"은 수직 방향에 직교하는 임의의 방향이다.“Horizontal” is any direction perpendicular to the vertical direction.
"측방향"은 다른 것으로부터 수평인 것을 나타낸다.“Laterally” means horizontal to another.
인쇄 헤드print head
도 1은 인쇄 헤드(1)의 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다. 인쇄 헤드는 타겟(2) 위에 도시되어 있고 타겟 위로 토출 방향(X)을 따라 잉크를 토출하도록 구조화된다.Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a
인쇄 헤드는 노즐 캐리어(6)의 전면측에 위치된 복수의 노즐(4)을 포함한다. 노즐(4)은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열될 수 있다.The print head includes a plurality of nozzles (4) located on the front side of the nozzle carrier (6).
인쇄 헤드는 노즐(4)로부터 잉크를 토출하기 위한 복수의 토출 전극(도 1에 도시되지 않음) 및 지지 구조(8) 상에 배열된 임의적인 추가 전극을 가지며, 그 설계는 아래에서 보다 상세히 설명된다. 추가 전극은 잉크와 전기 접촉 상태로 제공되어 잉크를 정해진 전위로 설정할 수 있다.The print head has a plurality of discharge electrodes (not shown in Figure 1) for ejecting ink from the
노즐 캐리어(6)는 전면층(10)을 포함하고, 노즐(4)은 전면층(10)의 전면측에 장착되고 그 위에 돌출부를 형성한다. 노즐 캐리어는 또한 전면층(10)의 후면측에 위치된 후면층(12)을 포함한다.The
전면층(10)의 내부 구조는 도 1에 도시되지 않으며 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다. 내부 구조는, 예를 들어, 유전체, 특히 폴리머로 될 수 있다.The internal structure of the
후면층(12)은, 예를 들어 절연된 반도체 재료일 수 있거나 유전체일 수 있다. 유리하게는, 후면층(12)은 적어도 부분적으로 유리이다.The
전기 비아(14)는 토출 전극에 연결되고 전면층(10) 및 후면층(12)을 통해 연장되어 토출 전극을 전압 공급원(17)에 연결한다. 유리하게는, 각각의 노즐(4)에 대해 적어도 하나의 비아(14)가 있다. 다른 전극을 전압 공급원(17)에 연결하기 위해 추가 비아가 제공될 수 있다.
잉크 덕트(15, 16)는 노즐(4)에 잉크를 공급하고 (임의로) 노즐(4)로부터 다시 잉크를 재활용한다. 잉크 덕트는 부분적으로 전면층(10)에 위치되고 후면층(12)의 주변 영역을 통해 연장된다. 그 설계는 아래에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 잉크를 위한 공급 덕트(15) 뿐만 아니라 흡입 덕트(16)를 갖는 인쇄 헤드의 실시예를 도시한다.Figure 1 shows an embodiment of a print head with a
적어도 하나의 펌프(18) 및/또는 다른 압력 소스 또는 진공 소스가 제공되어 공급 덕트(15)에 잉크를 공급하고, 흡입 덕트가 있는 경우, 흡입 덕트(16)로부터 잉크를 회수한다.At least one
유리하게는, 인쇄 헤드는, 예를 들어 저장조 탱크(22)에서 공급 덕트(15)의 입구에 제1 정해진 압력(p1)을 생성하기 위한 제1 압력 제어부(20)를 포함한다.Advantageously, the print head comprises a
잉크는 임의적인 필터(24) 및 공급 덕트(15)를 통해 노즐(4)로 공급된다.Ink is supplied to the
흡입 덕트(16)가 있는 경우, 흡입 덕트(16)의 출구, 예를 들어 흡입 탱크(28)에서 제2 정해진 압력(p2)을 생성하기 위한 제2 압력 제어부(26)를 포함할 수 있는 흡입 시스템에 연결된다. 흡입 시스템은 또한 펌프를 포함할 수 있다. 이는 특히 전술한 바와 같이 펌프(18)일 수 있으며, 이 경우 펌프(18)는 순환 펌프로서 작용한다.If there is a
적절한 펌프 설계는, 예를 들어 US 6631983호에 도시되어 있다.A suitable pump design is shown, for example, in US 6631983.
도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 인쇄 헤드는 노즐 캐리어(6)의 후면측에 배열된 PCB와 같은 회로 캐리어(30)를 포함할 수 있다.As further shown in Figure 1, the print head may include a
회로 캐리어(30)의 회로 분해능에 비아(14)의 더 조밀한 분해능을 일치시키기 위해 회로 캐리어(30)와 노즐 캐리어(6) 사이에 임의적인 인터포저 층(32)이 제공될 수 있다. 이러한 인터포저 층은, 예를 들어 반도체 칩이 PCB에 적용되는 플립 칩 설계에 사용된다.An
회로 캐리어(30)는, 예를 들어 전압 소스를 인쇄 헤드의 다양한 전극에 연결하는 전압 공급원의 드라이버 스테이지와 같은 전압 공급원(17)의 적어도 일부를 구현할 수 있는 제어 회로(33)를 지지한다.The
도시된 실시예에서, 잉크 덕트(15, 16)는 인터포저 층(32)(존재하는 경우) 뿐만 아니라 회로 캐리어(30)를 통해 연장된다.In the depicted embodiment,
비아(14)가 충분히 큰 상호 간격(예를 들어, 0.4 mm보다 큼)을 갖는 경우, 비아는 인터포저 층(32) 없이 회로 캐리어(30)와 직접 인터페이싱할 수 있다.If the
유리하게는, 타겟(2)은 인쇄 헤드(1)와 타겟(2) 사이에 가속 전기장을 생성하기 위해 전압 공급원(17)에 연결된 가속 전극 상에 배열된다.Advantageously, the
압력 제어부(20, 26)는 아래의 인쇄 헤드 작동 섹션에 설명된 바와 같이 압력을 유지하는 데 사용될 수 있다. 유리하게는, 압력 제어부는 공급 덕트(15) 뿐만 아니라 압력 덕트(16)의 압력을 개별적으로 조절할 수 있게 한다.Pressure controls 20, 26 may be used to maintain pressure as described in the Print Head Operation section below. Advantageously, the pressure control makes it possible to adjust the pressure in the
노즐 설계 1
도 2 내지 도 8은 노즐(4) 및 주변 요소의 제1 실시예를 도시한다. (전술한 바와 같이, 도 1과 달리, 도 2의 토출 방향(X)은 상향을 가리킨다.)2 to 8 show a first embodiment of the
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 노즐(4)은 노즐 캐리어(6)의 전면측(36), 예를 들어 전면층(10)의 전면측에 돌출부를 형성한다. 노즐은 잉크가 타겟(2)을 향해 토출될 수 있는 출구 통로(5)에 위치된다.As can be seen from Figure 2, the
도 2는 또한 노즐(4)과 관련될 수 있는 다양한 전극을 도시한다.Figure 2 also shows various electrodes that may be associated with the
토출 전극(38)은 노즐(4)의 전면측에 위치된다. 도 2 및 도 7의 실시예에서, 토출 전극은 잉크의 통과를 위한 중앙 개구(39)를 갖는 환형이다. 토출 전극은 지지 구조(8)와 노즐 캐리어(6)를 통해 연장되는 비아(14) 중 하나에 연결된다.The
도 3 및 도 4는 비아(14)의 2개의 가능한 구현예를 도시한다. 우측에서, 참조 번호 14로, 중공 구현예가 도시되어 있는데, 여기에서 비아는 토출 방향을 따라 연장되고 중앙 덕트(14c)를 둘러싸는 유전체 튜브(14b) 내에 금속 코팅(14a)으로서 형성되며, 중앙 덕트는 또한 인쇄 헤드와 타겟 사이의 영역으로/으로부터 가스를 공급하기 위한 환기 덕트로서 사용될 수 있다. 이러한 유형의 구조는, 예를 들어3 and 4 show two possible implementations of via 14. On the right, with
a) 아래에 설명되는 바와 같이 허니컴 구조와 함께 튜브(14b)를 형성하고,a) forming a
b) 예를 들어, 스퍼터링에 의해 튜브(14b) 내에 금속 코팅(14a)을 형성함으로써 형성될 수 있다.b) may be formed by forming a
참조 번호 14'로 도시된 대안적인 설계는 유전체 튜브(14'b) 내에 중실 금속 코어(14'a)를 포함한다. 튜브(14'b)는 다시 아래에 설명되는 바와 같이 허니컴 구조와 함께 형성될 수 있고, 금속 코어(14'a)는, 예를 들어 전기 도금에 의해 형성될 수 있다.An alternative design, shown with
대안적인 비아 설계(14, 14')는 또한 도 17에 도시되어 있다. 중공 비아 설계(14)는 차폐 전극(40)을 연결하기 위해 도시된 반면, 채워진 비아 설계(14')는 토출 전극(38)(도 17에서는 보이지 않음)을 위해 도시되어 있다. 참고: 도 17에서 금속 부품만 해치 영역으로 도시되고 다른 단면 부품은 해치되지 않는다.Alternative via designs 14, 14' are also shown in Figure 17. A hollow via
통상적으로, 단일 인쇄 헤드는 비아의 한 설계만을 사용하며, 도 3, 도 4 및 도 17의 2가지 상이한 유형은 단지 예시 목적을 위해 도시되어 있다.Typically, a single print head uses only one design of vias, and the two different types in Figures 3, 4 and 17 are shown for illustrative purposes only.
도 2 및 도 8을 참조하면, 차폐 전극(40)은 토출 전극(38)의 전면측에 그리고 토출 전극으로부터 거리를 두고 위치될 수 있고, 즉, 토출 전극(38)은 차폐 전극(40)보다 노즐 캐리어(6)에 더 가깝다. 유리하게는, 인쇄 헤드(1)의 전면 위로 연장되는 하나의 연속적인 차폐 전극(40)이 있지만, 이러한 차폐 전극이 여러 개 있을 수도 있다.2 and 8, the shielding
여러 개의 차폐 전극이 사용되는 경우, 차폐 전극은, 예를 들어 전압 분배기에 의해 전압 구배를 적용하여 상이한 전위에 적용될 수 있으며, 이는, 예를 들어 인쇄 헤드의 단면에 걸쳐 잉크를 점진적으로 편향시킬 수 있다.If multiple shielding electrodes are used, the shielding electrodes can be applied at different potentials by applying a voltage gradient, for example by a voltage divider, which can gradually deflect the ink across the cross-section of the print head, for example. there is.
인쇄 헤드(1)와 타겟(2) 사이의 전기장을 제어하기 위해 차폐 전극(40)이 제공된다. 각각의 노즐(4)에 대해, 차폐 전극(40)의 개구(41)는 잉크의 통과를 허용한다.A shielding
도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 보호 전극(42)은 토출 전극(38) 후방에 그리고 토출 전극으로부터 거리를 두고 위치될 수 있지만 노즐 캐리어(6) 전면에 그리고 노즐 캐리어로부터 거리를 두고 위치될 수 있다. 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 보호 전극은 다시 환형일 수 있다. 대안적으로, 보호 전극은 또한 여러 노즐에 걸쳐 연장될 수 있다.2 and 5, the
노즐(4) 위의 보호 전극(42)의 개구(43)는 잉크의 통과를 허용한다.The
보호 전극(42)의 기능은 아래에서 설명된다.The function of the
이 실시예의 노즐(4)은 팁 섹션(46), 샤프트 섹션(48), 및 베이스 섹션(50, 52)을 포함하며, 팁 섹션(46)은 샤프트 섹션(48) 전면에 배열되고 베이스 섹션(50, 52)(도 2 및 도 3)은 샤프트 섹션(48) 후방에 배열된다.The
도시된 노즐 설계는 노즐(4)의 측방향 표면을 적시고 노즐(4)의 중앙 채널을 통과하지 않는 잉크에 의존하지만(예를 들어, WO 2016/169956호로부터 알려짐), 중앙 채널도 사용될 수 있다.The nozzle design shown relies on ink wetting the lateral surface of the
노즐(4)이 중앙 채널을 갖는 경우, 예를 들어 출구 덕트(60)가 노즐의 팁까지 연장되는 경우, 노즐(4)은 여전히 유리하게 작동되어 잉크가 노즐의 상단 뿐만 아니라 측방향 외부 측면도 적시도록 한다. 잉크가 모든 노즐의 외부를 덮는 것을 확실히 하게 함으로써, 모든 노즐은 토출 전극에 동일한 잉크 기하형상을 제공하여, 전체 인쇄 헤드에 걸쳐 보다 균일한 잉크 토출을 달성할 수 있게 한다.If the
노즐(4)을 따라 토출 방향(X)으로의 양호한 잉크 유동을 용이하게 하기 위해, 노즐(4)은 유리하게는 그 측방향 표면 상에, 즉, 토출 방향(X)을 따라 연장되는 표면 상에 토출 방향(X)을 따라 연장되는 적어도 하나의 홈을 갖는다. 이 홈(들)은 노즐(4) 길이의 적어도 일부를 따라 연장된다.In order to facilitate a good ink flow along the
홈은, 예를 들어 도 5에서 확인될 수 있는 데, 여기서 팁 섹션(46)은 십자 형상(십자형 아암 사이에 형성된 4개의 리세스(46a)를 가짐)인 것으로 도시되고, 샤프트 섹션(48)은 2개의 홈(48a)을 형성한다.The grooves can be identified, for example, in Figure 5, where the
도 6은 팁 섹션(46)의 대안적인 설계를 도시한다:Figure 6 shows an alternative design of the tip section 46:
(a)는 볼록한 측방향 표면을 갖고, 예를 들어 홈이 없는 원통인 팁 섹션(46)이고 - 이는 잉크가 토출될 수 있는 우수한 메니스커스를 생성하기 때문에 현재 선호되는 설계이다;(a) is a
(b)는 2개의 측방향 홈(46a)을 형성하는 팁 섹션(46)이며;(b) is the
(c)는 축방향 관(46c)을 형성하는 팁 섹션이다.(c) is the tip section forming the
베이스 섹션(50, 52)은 팁 섹션(46) 및 샤프트 섹션(48)을 노즐 캐리어(6)에 연결한다. 베이스 섹션은 또한 노즐에 잉크를 공급하기 위한 덕트(들)를 포함한다. 베이스 섹션은 도 2, 도 3 및 도 4에서 가장 잘 확인된다.
특히, 도시된 실시예에서, 베이스 섹션(50, 52)은 하단 하위층(52) 및 상단 하위층(50)을 포함한다. 하단 하위층(52)은 노즐(4)에 잉크를 공급하는 공급 덕트 섹션(15a)의 단부와 연통하는 중앙 개구(54)를 갖는다. 하나 이상의 반경방향 횡방향 출구 덕트(56)는 중앙 개구(54)로부터 외향으로 제1 환형 덕트(58)까지 토출 방향(X)에 대해 횡방향으로 연장된다.In particular, in the depicted embodiment,
도 2에서, 덕트 내 잉크의 유동은 화살표로 나타낸다.In Figure 2, the flow of ink in the duct is indicated by arrows.
상단 하위층(50)은 또한 노즐의 팁을 향해 연장되고 공급 덕트 섹션(15a)을 샤프트 섹션(48)의 홈(48a)(도 5)에 연결하는 축방향 출구 덕트(60)를 형성함으로써, 팁 섹션(46)을 향해 위로 잉크를 직접 안내할 수 있다.The
상단 하위층(50)은 노즐(4)을 둘러싸는 제1 환형 덕트(58)와 정렬된 제2 환형 덕트(62)에 의해 둘러싸일 수 있다.The
노즐(4)은 잉크를 측방향으로 유지하는 것이 목적인 잉크 리테이너(66)에 의해 둘러싸여 있다. 환형 덕트(62)는, 반경방향으로, 잉크 리테이너(66)와 노즐(4) 사이에 위치됨으로써, 노즐(4)과 잉크 리테이너(66) 사이의 영역(64)과 연통한다.The
잉크 리테이너(66)의 전방 표면(68)(즉, 토출 전극(38)에 가장 가까운 전방 대면 표면)은 토출 방향(X)을 따라 노즐(4)의 전방 단부(70)에 대해 뒤로 설정된다. 따라서, 영역(64)에 잉크가 있을 때, 잉크의 표면은, 일점 쇄선으로 도시된 바와 같이, 노즐(4)의 팁을 향해 상승 경사를 형성하여, 팁이 잉크가 토출 전극(38)에 가장 가까운 위치임을 확실하게 함으로써, 잉크를 토출하기 위한 정해진 지점을 형성한다.The
잉크 리테이너(66)의 주 기능은 잉크를 고정하는 것, 즉, 지지 구조(8)의 수직 부분으로부터 잉크를 멀리 유지하는 것, 즉, 잉크가 위로 올라가 노즐을 잠기게 할 수 있는 풀을 형성하는 것을 방지하는 것이다.The main function of the
이 기능은 다음 특징 중 하나 이상의 조합에 의해 구현된다:This functionality is implemented by a combination of one or more of the following features:
a) 잉크 리테이너(66)에는, 예를 들어 도 2에서 두꺼운 흑선으로 나타낸 소수성 및/또는 소유성 코팅(73)에 의해 소수성 및/또는 소유성 표면이 제공된다. 예를 들어, 표면은 소수성 및 소유성인 테플론 및/또는 PTFE로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 사용되는 잉크의 범위에 따라, 오직 소수성(예를 들어, HMDS, 즉, 비스(트리메틸실릴)아민)이거나 오직 소유성(예를 들어, 폴리머 기반)일 수도 있다. 특히, 잉크 리테이너(66)의 표면은 유리하게는 노즐(4)의 표면보다 더 소수성 및/또는 소유성이다.a) The
b) 잉크 리테이너(66)는 잉크 리테이너에 가장 가까운 노즐(4)로부터 이격 방향을 향하는 레지(66a)를 형성하고, 이는 잉크가 그 주위를 기어가는 것을 어렵게 만든다. 달리 말하면, 노즐에서 볼 때, 레지는 외향 연장되어, "언더컷"(66b)을 형성한다.b) The
c) 잉크 리테이너(66)는 전기장이 낮은 영역에 위치된다. 강한 전기장은 잉크의 표면 장력을 감소시키는 경향이 있기 때문에, 이 설계는 잉크가 잉크 리테이너 전체를 적실 위험을 감소시킨다. 도시된 실시예에서, 노즐(4)과 관련된 보호 전극(42)은 토출 전극(38)과 잉크 리테이너(66) 사이에 배열된다. 이 맥락에서, "사이"는 유리하게는 보호 전극(42)이 토출 전극(38)과 잉크 리테이너(66) 사이의 공간 체적과 교차하고, 유리하게는 둘로 분할하는 것을 의미한다.c) The
잉크 리테이너(66)는 잉크를 측방향으로 유지하기 위한, 즉, 잉크가 가장 가까운 지지 요소에 도달하는 것을 방지하기 위한 유일한 수단이 아니라는 점에 유의해야 한다. 대안적으로 또는 그에 추가하여, 잉크 흡입 덕트(16)는 지지 요소에 도달할 수 있는 임의의 잉크를 제거하는 데 사용될 수 있다. 이에 대한 보다 상세한 내용은 인쇄 헤드 작동 섹션에 설명되어 있다.It should be noted that the
보호 전극(42)은, 예를 들어 비아(14' 또는 14)에 의해 전압 공급원(17)에 연결되고, 작동 중에 토출 전극의 (최대) 전위보다 잉크 리테이너(66)의(즉, 잉크의) 전위에 더 가까운 전위로 설정될 수 있다. 특히, 전압 공급원(17)은 보호 전극(42)을 잉크 리테이너(66)와 동일한 전위로 유지하도록 구성될 수 있다. 이는 잉크 리테이너(66)에서 전기장을 매우 낮게 유지하게 한다.The
도 2에 도시된 바와 같이, 보호 전극(42)은 유리하게는 노즐(4)의 전방 단부(70)와 동일한 "높이"(토출 방향(X)에 의해 정의된 수직 방향을 가짐)에, 예를 들어 토출 전극(38)과 노즐(4)의 전방 단부(70) 사이의 수직 거리(d)의 25% 정확도 내에 배열된다. 이는 토출 전극(38)의 전기장에 팁을 여전히 강하게 노출시키면서 노즐(4)의 팁 아래에서 잉크의 우수한 차폐를 제공한다.As shown in Figure 2, the
도 2에서 확인될 수 있는 바와 같이, 보호 전극(42)과 잉크 리테이너(66) 사이에 간극을 형성하는 공기 충전 공동(71)이 있어, 잉크가 보호 전극(42)에 도달하는 것을 방지한다.As can be seen in Figure 2, there is an air-filled
영역(64)에 잉크를 측방향으로 유지하기 위해, 잉크 리테이너(66)는 유리하게는 노즐 캐리어(6)의 전면측(36)에 배열되고 그로부터 돌출된다. 도 2 내지 도 4의 실시예에서, 잉크 리테이너는 노즐 캐리어(6)의 전방 표면(36)에 장착된 제1 링(72) 및 제1 링(72)의 전면측에 장착된 제2 링(74)을 포함한다. 제2 링(74)은 전술한 레지(66a)를 형성한다.In order to retain the ink laterally in the
잉크 흡입ink suction
전술한 바와 같이, 도 1 및 도 2의 실시예에서, 노즐(4)로부터 잉크를 회수하기 위해 흡입 덕트(16)가 제공된다. 이로 인해, 주어진 노즐에서 새로운 잉크 유동을 유지할 수 있다.As mentioned above, in the embodiment of Figures 1 and 2, a
이 경우, 주어진 노즐에서, 가장 가까운 잉크 리테이너(66)는 유리하게는 노즐(4)과 공급 덕트의 단부 섹션(15a) 뿐만 아니라 흡입 덕트(16)의 단부 섹션(16a)의 단부를 둘러싼다. 따라서, 2개의 덕트를 사용하여 노즐을 향하고 노즐로부터 되돌아오는 잉크의 유동을 제어할 수 있다.In this case, in a given nozzle, the
공급 덕트(15) 및 흡입 덕트(16)에서의 압력은 어딘가의, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 상부 레벨(64a)과 하부 레벨(64b) 사이의 영역(64)에 잉크를 유지하도록 조절된다. 유리하게는, 그리고 아래의 "인쇄 헤드 작동" 섹션에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 잉크는 하부 레벨(64b)에 유지된다.The pressure in the
잉크의 양호한 측방향 제한을 위해, 각각의 노즐(4)은 유리하게는 하나 이상의 흡입 덕트의 개구 또는 개구들에 의해 둘러싸여 있다. 이는, 예를 들어 (도 2의 환형 개구(62)에 의해 형성된 것과 같은) 단일 환형 개구일 수 있거나, 환형 시리즈의 흡입 개구일 수 있다. 이러한 개구 또는 이들 개구는 노즐과 그 옆에 있는 지지 요소(78) 사이에 배열된다.For good lateral confinement of the ink, each
지지 구조support structure
언급한 바와 같이, 다양한 전극(38, 40, 42)을 노즐 캐리어(6)에 연결하기 위한 지지 구조(8)가 제공된다. 지지 구조는 노즐 캐리어(6)의 전면측(36)에 배열된다.As mentioned, a
지지 구조(8)는 노즐(4) 사이에 배열된 복수의 지지 요소(76, 78)를 포함한다.The
잉크 리테이너(66)는 유리하게는 잉크가 이들 지지 요소(76, 78)에 도달하는 것을 방지하고 지지 요소를 적시는 것을 방지함으로써, 잉크가 노즐을 잠기게 하는 경향을 감소시키도록 설계된다.The
지지 구조(8)는 유리하게는 적어도 하나의 전극 캐리어 층을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 3개의 그러한 층(80, 82, 84)이 있다. 각각의 그러한 전극 캐리어 층은 적어도 하나의 전극(38, 40, 42)을 포함하고 상단 표면(36)에 평행하게 연장될 수 있다.The
통상적으로, 전극(38, 40, 42)은 그 전극 캐리어 층(80, 82, 84) 내에 매립되고 적어도 하나의 유전체 하위층(80a, 80b 또는 82a, 82b 또는 84a, 84b)에 의해 그 전방측 및 후면측이 덮인다.Typically, the
지지 요소의 적어도 일부는 수직 벽(76)에 의해 형성되어 허니컴 구조를 형성한다(도 3 참조). 각각의 그러한 허니컴 구조는 인쇄 헤드의 다양한 부분에 사용되는 다층 구조의 일부이며 아래에서 보다 상세히 설명된다.At least a portion of the support elements are formed by
허니컴 구조를 형성하는 벽(76)에 추가적으로 또는 대안적으로, 지지 요소는, 도시된 실시예에서, 각각의 노즐(4)의 출구 통로(5)를 둘러싸는 수직 벽(78)을 포함한다. 벽(78)은, 예를 들어 원통형 벽일 수 있지만, 예를 들어 다각형일 수도 있다. 벽은 유리하게는 노즐(4)에 센터링된다.Additionally or alternatively to the
다른 실시예에서, 벽(78)은 또한 생략될 수 있고, 출구 통로(5) 둘레의 벽은 허니컴 구조의 벽(76)에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 허니컴 구조는 노즐과 정렬되어야 한다.In another embodiment, the
또 다른 실시예에서, 여러 개의 노즐이 단일 벽(78)에 의해 둘러싸일 수 있다.In another embodiment, multiple nozzles may be surrounded by a
본 명세서에 도시된 실시예에서, 지지 요소(76 및/또는 78)는 각각의 전극 캐리어 층(80, 82, 84) 사이 뿐만 아니라 최후방 전극 캐리어 층(80a)과 노즐 캐리어(6) 사이에 제공된다. 그러나, 지지 요소는 이들 구조의 서브세트 사이에만 제공될 수도 있다.In the embodiment shown herein, the
도 2로부터 가장 잘 확인될 수 있는 바와 같이, 환형 제1 및 제2 환형 덕트(58, 62)에 의해 형성되는 노즐(4)과 그 잉크 리테이너(66) 사이에 위치된 제1 리세스가 있다. 제1 리세스는 잉크 풀(64)의 적어도 일부를 수용하기 위한 체적을 제공한다. 토출 방향(X)을 따라, 제1 리세스(58, 62)의 하단은 잉크 리테이너(66)의 전방 표면(68)에 대해 후방에 있다(즉, 그 전방 표면보다 노즐 캐리어(6)에 더 가깝다).As can best be seen from Figure 2, there is a first recess located between the
도시된 실시예에서, 잉크 리테이너(66)와 가장 가까운 지지 요소(78) 사이에 위치된 제2 리세스(86)가 있다. 제2 리세스는 레지(66a)를 위한 공간을 제공하고/하거나 잉크가 지지 요소(78)에 도달하는 것을 더 어렵게 만든다. 토출 방향(X)을 따라, 리세스(86)의 하단은 잉크 리테이너(66)의 전방 표면(68)에 대해 후방에 있다(즉, 그 전방 표면보다 노즐 캐리어(6)에 더 가깝다).In the depicted embodiment, there is a
노즐 설계 2
도 9 및 도 10은 노즐 설계의 제2 실시예를 도시한다. 이는 잉크 공급 덕트(15)(그 단부 섹션(15a)이 도 10에 도시됨)만이 있고 노즐용 흡입 덕트가 없다는 점에서 제1 실시예와 주로 상이하다.9 and 10 show a second embodiment of the nozzle design. This mainly differs from the first embodiment in that there is only an ink supply duct 15 (the
또한, 노즐(4)과 잉크 리테이너(66) 사이에는 리세스가 없다. 오히려, 잉크 리테이너(66)는 노즐(4) 상에 측방향으로 배열되고, 그 전방 표면(68)은 노즐(4)의 전방 단부(팁)(70)로부터 거리를 두고 있다.Additionally, there is no recess between the
다시 말해서, 그 전방 표면(68)은 영역(64)에서 잉크에 대한 상승 경사를 형성하고 노즐을 잠기게 할 위험을 감소시키기 위해 노즐(4)의 전방 단부(70)에 대해 뒤로 설정된다.In other words, its
유리하게는, 잉크 리테이너(66)는 노즐(4)에 "낮게" 장착되어 노즐이 잠기게 될 가능성을 적게 만든다. 특히, 잉크 리테이너(66)의 전방 표면(68)은 노즐(4)의 전방 단부(70)보다 노즐 캐리어(6)의 전면측(36)에 더 가깝다.Advantageously, the
확인될 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서, 잉크 리테이너(66)는 노즐(4)의 베이스 섹션의 하위층(52)에 의해 형성된다.As can be seen, in this embodiment, the
노즐 설계 3Nozzle Design 3
도 11은 노즐 설계의 제3 실시예를 도시한다. 이는 보호 전극이 없다는 점에서 제2 실시예와 주로 상이하다. 잉크 리테이너(66)의 위치에서 전기장을 낮게 유지하기 위해, 잉크 리테이너(66)는 훨씬 뒤쪽에 위치된다.Figure 11 shows a third embodiment of the nozzle design. This mainly differs from the second embodiment in that there is no protective electrode. To keep the electric field low at the location of the
특히, 도 11에 도시된 바와 같이, 토출 방향(X)을 따라, 잉크 리테이너(66)의 전방 표면(68)과 노즐(4)의 전방 단부(70) 사이의 거리(d')는 크다.In particular, as shown in FIG. 11, along the ejection direction X, the distance d' between the
정량적으로, d가, 토출 방향(X)을 따라, 토출 전극(38)과 노즐(4)의 전방 단부(70) 사이의 거리를 나타내는 경우, 유리하게는 다음 조건이 유지된다:Quantitatively, if d represents the distance between the
d' > k·dd' > k·d
여기서, k는 적어도 0.5, 특히 적어도 1.0이다.Here, k is at least 0.5, especially at least 1.0.
잉크 리테이너가 없는 노즐 설계Nozzle design without ink retainer
지금까지 도시된 실시예에서, 노즐(4)은 노즐 캐리어(6)의 상단 표면(36)으로부터 위로 돌출하는 잉크 리테이너(66)에 의해 둘러싸여 있다. 그러나, 잉크 흡입을 사용하면 이러한 잉크 리테이너를 생략할 수 있다. 이는 기본적으로 도 2의 노즐에 대응하지만 잉크 리테이너가 없는 실시예를 도시하는 도 21에 예시되어 있다. 따라서, 도 2의 실시예의 베이스 섹션(50, 52)을 형성하는 층은 생략될 수 있다.In the embodiment shown so far, the
이 실시예에서, 잉크는 노즐을 둘러싸는 잉크 흡입 덕트(16)의 단부 섹션(들)(16a) 내로 흡입됨으로써 노즐(4) 둘레에 유지된다.In this embodiment, ink is retained around the
일 실시예에서, 흡입 덕트(16)의 단일 환형(또는 예를 들어, 육각형 또는 달리 폐루프) 단부 섹션(16a)은 노즐(4) 둘레에 배열될 수 있다.In one embodiment, a single annular (or for example hexagonal or otherwise closed loop)
다른 실시예에서, 복수의 개별 단부 섹션(16a)이 제공될 수 있고, 밀접하게 이격되어 노즐(4)을 둘러싸며, 예를 들어 원 또는 다른 폐루프를 따라 배열된다.In other embodiments, a plurality of
이 실시예에서, 보호 전극(42)은 잉크가 노즐 캐리어(6)의 표면(36)을 따라 확산되는 경향을 감소시키기 때문에 여전히 유용할 수 있다.In this embodiment, the
도시된 실시예에서, 출구 덕트(60)는 노즐의 상단(70)까지 연장된다. 따라서, 잉크는 노즐을 통해 축방향으로 유동한다. 유리하게는, 출구 덕트(60)의 압력은 잉크가 노즐을 넘치고 그 측방향 측벽을 따라 아래로 유동하도록 선택된다. 그로부터, 흡입 덕트(16)의 단부 섹션(들)(16a)에 도달하고 흡입된다. 이는 노즐에서 지속적인 잉크 교환을 제공한다.In the depicted embodiment,
다른 실시예에서, 잉크는, 예를 들어 도 2 내지 도 5의 실시예에 도시된 바와 같이 홈에서 노즐의 외부 표면을 따라 위로 안내될 수 있고, 잉크는, 예를 들어 노즐의 축방향 개구를 통해 단부 섹션(16a)으로부터 흡입될 수 있다.In another embodiment, the ink may be guided up along the outer surface of the nozzle in the groove, for example as shown in the embodiment of Figures 2-5, with the ink flowing through the axial opening of the nozzle, for example. It can be sucked from the
그러나, 임의로, 이 섹션의 설계는 또한, 예를 들어 흡입 덕트(16)의 단부 섹션(들)(16a)을 둘러싸는 간단한 잉크 리테이너(66)(점선으로 나타낸 바와 같음)와 조합될 수 있다.However, optionally, the design of this section could also be combined with, for example, a simple ink retainer 66 (as shown in dashed lines) surrounding the end section(s) 16a of the
노즐 캐리어nozzle carrier
도 12 내지 도 16은 노즐 캐리어(6)의 가능한 설계를 도시한다. 도 13 내지 도 15는 이웃한 노즐이 공급 덕트와 흡입 덕트에 의해 어떻게 상호 연결될 수 있는 지를 예시하기 위해 도 12와 비교하여 축척으로 되어 있으며, 도 16은 후면층(12)의 레벨에서 인쇄 헤드의 전체 단면을 예시하는 훨씬 더 축척으로 도시되어 있음을 유의해야 한다.12 to 16 show possible designs of the
이들 도면은 도 2의 노즐을 도시하지만, 유사한 노즐 캐리어가 도 9 및 도 11의 설계와 같은 상이한 노즐 설계에 사용될 수 있다.Although these drawings show the nozzle of Figure 2, similar nozzle carriers may be used in different nozzle designs, such as the designs of Figures 9 and 11.
전술한 바와 같이, 노즐 캐리어(6)는 전면층(10) - 노즐(4)이 그 전면측(36)에 장착됨 -, 뿐만 아니라 전면층(10)의 후면측에 위치된 후면층(12)을 포함한다. 전면층(10) 뿐만 아니라 후면층(12)은 차례로 다층 구조일 수 있다.As described above, the
이들은 다음에서 보다 상세히 설명된다.These are explained in more detail below.
전면층(10)은 여러 하위층(10a-10d)으로 구성되며 잉크를 노즐에 그리고 적용 가능한 경우 노즐로부터 공급하기 위한 덕트(15, 16)의 적어도 일부를 형성한다.The
도 12의 실시예에서, 전면층(10)은 덕트를 형성하기 위한 하위층(10a, 10b, 10c, 10d)을 전면-후면 순서로 포함한다.In the embodiment of Figure 12, the
하위층(10a)은 전방 표면(10a)을 형성하고 공급 덕트 및 (필요한 경우) 흡입 덕트 각각을 위한 개구(15a, 16a)를 포함한다.The
하위층(10b)은 (필요한 경우) 흡입 덕트의 수평 섹션(16b) 뿐만 아니라 공급 덕트의 수직 섹션(15b)을 형성한다.The
도 13에서 가장 잘 확인되는 바와 같이, 흡입 덕트의 수평 섹션(16b)은 모든 또는 적어도 복수의 노즐(4)을 상호 연결한다. 또한, 덕트 사이에서, 하위층(10b)은 지지 구조(8)의 것과 유사한 허니컴 패턴을 형성하는 수직 벽(90)을 포함한다. 허니컴 패턴의 영역은 수직 분리벽(92)에 의해 덕트(16b 및/또는 15b)로부터 분리될 수 있다.As best seen in Figure 13, the
도 13은 또한 전면층(10) 전체를 통해 토출 방향(X)을 따라 연장되는 비아(14, 14')를 도시한다.Figure 13 also shows
공급 덕트의 수직 섹션(15b)은 하위층(10c)의 공급 덕트의 수직 섹션(15c)에 연결된다(도 14 참조).The
도 15에 도시된 바와 같이, 하위층(10d)은 공급 덕트의 수평 섹션(15d)을 형성하여 이웃한 노즐을 상호 연결한다.As shown in Figure 15, the lower layer 10d forms a
다시, 하위층(10d)은 지지 구조(8)의 것과 유사한 허니컴 패턴을 형성하는 수직 벽(94)을 포함할 수 있다. 허니컴 패턴의 영역은 수직 분리 벽(96)에 의해 덕트(10d)로부터 분리될 수 있다.Again, lower layer 10d may include
도 15는 또한 전면층(10) 전체를 통해 토출 방향(X)을 따라 연장되는 비아(14, 14')를 도시한다.Figure 15 also shows
도 16은 후면층(12)의 레벨에서 전기 비아(14(및 14')), 공급 덕트(15) 및 흡입 덕트(16)의 가능한 배열을 도시한다. 잉크 덕트(14, 16)의 수평 분포가 후면층(12) 위의 전면층(10)에서 구현되기 때문에, 잉크는 전기 비아(14)의 규칙적인 어레이의 볼록한 외피(96) 외부에 배열된 하나 또는 몇 개의 잠재적으로 큰 잉크 덕트를 통해 공급될 수 있고, 이는 후면층(12)의 설계를 단순화하고, 즉, 볼록한 외피(96) 내에서 후면층(12)을 통해 잉크 덕트가 연장되지 않는다.Figure 16 shows a possible arrangement of electrical vias 14 (and 14'),
하위층(10b 및/또는 10d)에 허니컴 구조를 사용하는 대신에, 예를 들어 유리로 이루어진 중실 층이 사용될 수 있다.Instead of using a honeycomb structure for the
허니컴 다층 구조Honeycomb multi-layer structure
상기로부터 다음과 같이, 여기서 도시된 인쇄 헤드는 유리하게는 하나 이상의 허니컴 다층 구조를 사용한다. 이러한 다층 구조(109) 중 하나가 도 18 및 도 19에 예시되어 있다. 다층 구조는 하단 층(110), 상단 층(112), 및 하단 층(110)과 상단 층(102) 사이에 적어도 하나의 중간층(114)을 갖는다. 중간층(114)은 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이에서 연장되는 벽(116)을 형성한다. 이들 벽은 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이의 중간층(114)에서 복수의 공동(118)의 벽의 적어도 일부를 형성한다.Following from the above, the print head shown here advantageously uses one or more honeycomb multilayer structures. One
벽(114)은 유리하게는 허니컴 패턴을 형성한다.Wall 114 advantageously forms a honeycomb pattern.
이러한 구조는, 특히 하단 층(110) 또는 상단 층(112)이 중간층(114)과 상이한 재료로 되어 있는 경우 및/또는 중간층(114)과 상이한 재료로 이루어진 다른 층에 근접하거나 인접하여 위치되는 경우에 기계적 응력을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.This structure is particularly useful when the
위의 예에서 이러한 허니컴 다층 구조의 예는 다음과 같다:Examples of such honeycomb multilayer structures in the example above are as follows:
- 도 2, 도 11, 도 12에서: 전면층(10) 또는 하위층(10a)은 "하단 층"(110)이고, 지지 구조(8)의 층(80)은 "상단 층"(112)이며, 이들 사이의 벽(76)은 "중간층"(114)을 형성한다.2, 11, 12: the
- 도 2, 도 11, 도 12에서: 지지 구조의 층(80)은 "하단 층"(110)이고, 지지 구조(8)의 층(82)은 "상단 층"(112)이며, 이들 사이의 벽(76)은 "중간층"(114)을 형성한다.- in FIGS. 2, 11, 12: the
- 도 2, 도 11, 도 12에서: 지지 구조의 층(82)은 "하단 층"(110)이고, 지지 구조(8)의 층(84)은 "상단 층"(102)이며, 이들 사이의 벽(76)은 "중간층"(114)을 형성한다.- in FIGS. 2, 11, 12: the
- 도 12, 도 13에서: 하위층(10c)은 "하단 층"(110)이고, 하위층(10a)은 "상단 층"(112)이며, 이들 사이의 하위층(10b)의 벽(90)은 "중간층"(114)을 형성한다.12, 13: the
- 도 12, 도 15에서: 후면층(12)은 "하단 층"(110)이고, 하위층(10c)은 "상단 층"(112)이며, 이들 사이의 하위층(10d)의 벽(94)은 "중간층"(114)을 형성한다.12, 15: the
처음 3개의 예에서, 지지 구조(8)는 적어도 다층 구조의 중간층(114)을 포함한다.In the first three examples, the
마지막 2개의 예에서, 노즐 캐리어(6)는 적어도 다층 구조의 중간층(114)을 포함한다.In the last two examples, the
중간층(114)의 두께(t)(도 18 참조)가 비교적 큰 경우, 다층 구조에 의해 달성되는 응력 감소가 특히 명백하다. 유리하게는, 두께(t)는 1 ㎛보다 크고, 특히 10 ㎛보다 크다.When the thickness t of the intermediate layer 114 (see Figure 18) is relatively large, the stress reduction achieved by the multilayer structure is particularly evident. Advantageously, the thickness t is greater than 1 μm, especially greater than 10 μm.
유리하게는, 중간층(114)은 폴리머층, 예를 들어 구조화 후에 SU-8 층으로부터 형성된다. 이러한 유형의 층은 쉽게 제조 및 구조화할 수 있으며(아래의 제조 정보 참조), 도시된 바와 같은 다층 구조에서 사용하는 경우 이러한 재료의 중실 층에 비교하여 응력을 감소시킨다.Advantageously, the intermediate layer 114 is formed from a polymer layer, for example a SU-8 layer after structuring. These types of layers are easy to manufacture and structure (see manufacturing information below) and, when used in multilayer structures as shown, reduce stresses compared to solid layers of these materials.
따라서, 유리하게는, 인쇄 헤드는 중간층과 상이한 재료의 적어도 하나의 층, 특히 반도체 또는 유리 층을 포함한다.Therefore, advantageously, the print head comprises at least one layer of a material different from the intermediate layer, in particular a semiconductor or glass layer.
공동(118)은 유리하게는 폐쇄된 공동이며, 즉, 도 15 및 도 13에서 잉크 덕트 섹션(15b 또는 16d)의 일부를 형성하지도 않고 주변 대기와 연통하지도 않는다.The
벽(116)이 규칙적이고 반복적인 패턴을 형성하면, 균질성이 개선되고 응력이 추가로 감소될 수 있다.If the
유리하게는, 벽(116)은 공동의 최소 직경(M)의 25% 미만의 두께(m)를 갖는다(도 19 참조). 이로 인해, 중간층의 고체 재료 함량이 낮아져, 기계적 응력이 추가로 감소된다. 이러한 맥락에서, 두께(m)는 표면에 직교하는 벽(116)의 연장부이다. 공동의 직경(M)은 하단 및 상단 층(110, 114)에 평행한 방향으로 공동(118)의 연장부이다.Advantageously, the
최상의 변형 제거를 위해, 공동(118)의 최소 직경(M)은 중간층(114)의 두께(t)보다 더 큰 것이 유리하며, 즉, M > t이다. 중간층(114)을 통해 연장되는 더 작은 공동은 중간층에서 더 높은 기계적 응력을 생성할 것이다.For best strain relief, the minimum diameter M of the
벽(116)은 하단 층(110) 및 상단 층(112)에 대해 유리하게 직교하여 연장된다. 이는 층에 직교하여 작용하는 힘에 대한 기계적 안정성을 개선시킬 뿐만 아니라, 특히 광활성 폴리머의 포토리소그래피에 의한 이방성 재료 제거 기술에 의해 벽을 형성할 수 있게 한다.
다층 구조의 상단 층과 하단 층은 서로 평행하다는 점에 유의해야 한다.It should be noted that the top and bottom layers of the multi-layer structure are parallel to each other.
폐쇄된 공동(118)은 잉크 덕트와 연통하지 않고, 즉, 인쇄 헤드를 통해 잉크를 안내하는 데 잉크 덕트가 사용되지 않는다. 인쇄 헤드가 환기 덕트를 갖는 경우, 폐쇄된 공동(118)도 이들 환기 덕트와 연통하지 않는다.The
폐쇄된 공동(118)은 공기로 채워질 수 있다. 대안적으로, 폐쇄된 공동은 진공 처리될 수 있다. 또는, 질소와 같은 가스로 채워질 수 있다. 유리하게는, 폐쇄된 공동은 SF6 또는 C4F8과 같은 항복 전압이 높은 가스로 채워질 수 있다. 가스는 원하는 가스 조성을 갖는 작업 공간에서 각각의 제조 단계(아래 참조)를 수행하여 도입될 수 있다.The
전극 설계Electrode design
인쇄 헤드는 최소한의 구조적 손상으로 작동 중에 발생하는 높은 전기장을 견디도록 설계된다.Print heads are designed to withstand the high electrical fields encountered during operation with minimal structural damage.
이를 위해, 전극(38, 40, 42)은 공동과 접하는 중실 유전체층(80a, 80b, 82a, 82b, 84a, 84b) 사이에 배열된다. 도시된 실시예에서, 이러한 공동은, 예를 들어 전극 캐리어 층(80, 82, 84) 아래의 공동(71, 71', 71")에 의해 및/또는 벽(116)에 의해 형성된 공동(118)에 의해 형성된다.For this purpose,
공동의 적어도 일부는 폐쇄된 공동(즉, 공동(118)과 같이 모든 면이 벽에 의해 둘러싸임)일 수 있다.At least a portion of the cavity may be a closed cavity (i.e., surrounded on all sides by walls, such as cavity 118).
공동의 적어도 일부는 개방된 공동, 특히 상기 실시예의 공동(71, 71', 71")과 같이 노즐(4)의 출구 통로(5)와 연통하고 그에 인접하는 공동일 수 있다.At least part of the cavity may be an open cavity, especially a cavity adjacent to and in communication with the
이러한 설계에서, 전극 둘레의 중실 유전체층은 통상적으로 공동의 가스보다 더 높은 전기장을 견딜 수 있고 또한 더 높은 비유전율(relative permittivity)(ε)을 가지므로, 전체 고장을 방지한다. 동시에, 공동 내에 고정된 분자 또는 원자 구조가 없기 때문에, 공동은 큰 전기장에 의해 유발되는 영구적인 손상에 취약하지 않는다. 따라서, 이 설계는 장기간 작동하는 동안에도 전극의 전기장의 영향을 견디는 인쇄 헤드의 능력을 개선시킨다.In this design, the solid dielectric layer around the electrode can typically withstand higher electric fields than the gas in the cavity and also has a higher relative permittivity (ε), thus preventing total failure. At the same time, since there are no fixed molecular or atomic structures within the cavity, the cavity is not vulnerable to permanent damage caused by large electric fields. Therefore, this design improves the print head's ability to withstand the effects of the electrode's electric field even during long-term operation.
여기서 도시된 실시예에서 확인될 수 있는 바와 같이, 이웃한 전극 캐리어 층(80, 82, 84), 예를 들어 벽(76 및 78) 사이에 수직으로 연장되는 중실 지지 구조가 있다. 그러나, 이웃한 전극 사이에서 직접 연장되는 이러한 중실 지지 구조가 없다는 것이 유리하다. 달리 말하면, 2개의 이웃한 전극 사이에서 연장되는 임의의 직선은 공동(71, 71', 71" 또는 118) 중 적어도 하나를 통해 연장된다. 작동 시 실질적으로 상이한 전위, 특히 적어도 100 V의 전압만큼 상이한 전위를 전달하는 경우 인쇄 헤드의 일부 또는 특히 모든 이웃한 전극에 대해 이 조건이 충족되어야 한다.As can be seen in the embodiment shown here, there is a solid support structure extending vertically between neighboring electrode carrier layers 80, 82, 84, for
이 조건은 전극 사이에서 수직으로 연장되도록 중실 지지 구조를 배치하지 않음으로써 및/또는 예를 들어 도 7의 접촉 리드(38b) 위치에서 지지 구조의 섹션을 국소로 제거함으로써 충족될 수 있다.This condition can be met by not arranging the solid support structure to extend vertically between the electrodes and/or by locally removing a section of the support structure, for example at the location of the
또 다른 실시예에서, 전극 사이에 공동이 제공되지 않는 위치에서 전기 트랙을 매우 좁게 설계함으로써 전기장 강도가 감소될 수 있다. 이 경우, 트랙은 폭이 벽 구조(76, 78) 높이의 절반 이하인 것이 유리하다. 예를 들어, 벽 구조의 높이가 5 ㎛인 경우, 트랙의 폭은 2.5 ㎛보다 넓어서는 안 된다.In another embodiment, the electric field strength can be reduced by designing the electrical tracks to be very narrow in locations where no cavities are provided between the electrodes. In this case, the track advantageously has a width of less than half the height of the
유리하게는, 전극과 다음(즉, 가장 가까운) 지지 구조 사이의 측방향 오프셋은, 2개의 이웃한 전극 중 적어도 하나에 대해, 2개의 이웃한 전극 사이의 수직 거리의 적어도 25%이어야 한다.Advantageously, the lateral offset between the electrode and the next (i.e. closest) support structure should be, for at least one of the two neighboring electrodes, at least 25% of the vertical distance between the two neighboring electrodes.
유리하게는, 전극을 보호하는 유전체층 중 적어도 하나는 높은 비유전율(ε)을 갖는다. 따라서, 그 내부의 전기장은 약하며, 주 전압 강하는 유전율이 낮은 층, 특히 공동으로 이동된다. 이로 인해 전기적 고장으로부터 구조를 더 잘 보호할 수 있게 된다.Advantageously, at least one of the dielectric layers protecting the electrode has a high relative dielectric constant (ε). Therefore, the electric field inside it is weak, and the mains voltage drop is transferred to the low-permittivity layers, especially the cavity. This provides better protection of the structure from electrical failure.
이러한 맥락에서, 높은 비유전율(ε)은 유리하게는 적어도 5이다. 적절한 재료는, 예를 들어 Si3N4(비유전율(ε)이 9.5 내지 10.5) 또는 Al2O3(비유전율(ε)이 9.3 내지 11.5)이다.In this context, the high relative dielectric constant (ε) is advantageously at least 5. Suitable materials are, for example, Si 3 N 4 (relative dielectric constant (ε) of 9.5 to 10.5) or Al 2 O 3 (relative dielectric constant (ε) of 9.3 to 11.5).
유리하게는, 도 20에 도시된 바와 같이, 공동(120)과 전극(122) 사이에 여러 유전체층이 제공된다. (예를 들어, 위의 예의 공동(118 또는 71, 71', 71")을 나타내는 도 20의 공동(120) 및 전극(122)은 위의 예에서 전극(38, 40, 42) 중 하나, 특히 토출 전극(38)을 나타낸다.)Advantageously, several dielectric layers are provided between
도시된 실시예에서, 전극(122)은 제1 유전체층(124a, 124b)에 의해 둘러싸이고, 이는 차례로 제2 유전체층(126)에 의해 둘러싸인다.In the depicted embodiment,
제1 유전체층(124a, 124b)은, 예를 들어 패턴화된 SU-8로 구성된 폴리머층인 것이 유리하다(아래 제조 프로세스 참조). 이러한 폴리머층은, 예를 들어 2.5 내지 3.0 사이의 낮은 비유전율을 갖는다. 이는, 예를 들어 전술한 전극 캐리어 층(80, 82, 84)의 하위층(80a, 80b, 82a, 82b, 84a, 84b)에 대응하고 적어도 부분적으로 라미네이션 기술을 사용하여 제조될 수 있다(아래 참조).The
제2 유전체층(126)은 제1 유전체층(124a, 124b)보다 더 높은 전기적 항복 임계값을 갖는 무기층이다. 유리하게는, 제1 유전체층(124a, 124b)보다 특히 2배 더 높은 비유전율을 갖는다. 예를 들어, 전술한 이유로 Si3N4 또는 Al2O3으로 이루어질 수 있다. 제2 유전체층은 2개의 전극 사이의 모든 구성요소 중 가장 높은 항복 저항을 가지며 통상적으로 전기적 고장을 방지한다.The
전극(122)과 제2 유전체층(126) 사이에 제1 유전체층(124a, 124b)을 배치하는 것은, 예를 들어 전극(122)의 에지에서의 피크 전기장 강도가 제1 유전체층 내에 있고, 따라서 제2 유전체층(126)이 고장을 방지하는 능력을 증가시킨다는 이점을 갖는다.Placing the first
따라서, 유리한 실시예에서, 공동(120)의 적어도 일부는 인쇄 헤드의 상이한 전극 사이에 또는 인쇄 헤드의 전극과 인쇄 헤드의 잉크 리테이너(66) 사이에 배열된다.Accordingly, in an advantageous embodiment, at least part of the
유리하게는, 상이한 전극(38, 40, 42, 122)은 하나 이상의 중실 유전체층(124a, 124b, 126)에 의해 공동 또는 공동들(120)로부터 분리된다.Advantageously, the
특히, 하나 이상의 중실 유전체층(124a, 124b, 126)은 폴리머층(124a, 124) 및/또는 무기층(126)을 포함하는 것이 유리하다. 유리하게는, 폴리머층(124a, 124)은 전극(122)과 무기층(126) 사이에 배열된다.In particular, it is advantageous for one or more of the solid
인쇄 헤드 작동print head operation
작동 시, 즉, 인쇄하는 동안, 잉크는 공급 덕트(15)를 통해 인쇄 헤드로 공급된다. 이 잉크는 노즐(4)과 잉크 리테이너(66) 사이의 영역(64)으로 제한된다.During operation, i.e. during printing, ink is supplied to the print head through the
잉크 방울을 토출하기 위해, 원하는 토출 전극(들)의 전압이 (잉크 전압에 대해) 일시적으로 증가된다. 예를 들어, 400 V의 전압 펄스가 생성될 수 있다. 인쇄하지 않는 동안, 토출 전극의 전압은 잉크가 토출되지 않는 레벨로 유지된다. 그러나, 유리하게는, 예를 들어 200 V에서 0이 아니다.To eject an ink drop, the voltage of the desired ejection electrode(s) is temporarily increased (relative to the ink voltage). For example, a voltage pulse of 400 V can be generated. While not printing, the voltage of the discharge electrode is maintained at a level where ink is not discharged. However, advantageously it is not zero, for example at 200 V.
전술한 바와 같이, 잉크 리테이너(66)에서의 전기장은 유리하게는, 예를 들어 노즐의 전방 단부(70)에서의 전기장 강도의 50% 미만, 특히 10% 미만으로 낮게 유지된다. 높은 전기장 강도는 잉크의 표면 장력을 감소시키기 때문에, 이 절차는 잉크가 잉크 리테이너를 적시고 교차하는 경향을 감소시킨다.As mentioned above, the electric field in the
흡입 덕트(16)는, 존재하는 경우, 노즐로부터 잉크를 회수하는 데 사용된다. 유리하게는, 인쇄 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 노즐 캐리어(6)의 공급 덕트(15)를 사용하여 노즐에 개별적으로 잉크를 공급하는 단계 및- individually supplying ink to the nozzles using the supply duct (15) of the nozzle carrier (6), and
- 노즐 캐리어(6)의 흡입 덕트(16)를 사용하여 노즐로부터 개별적으로 잉크를 흡입하는 단계. - Separately suctioning ink from the nozzles using the suction duct (16) of the nozzle carrier (6).
이로 인해 노즐에서 새로운 잉크의 저장조를 유지할 수 있다.This maintains a reservoir of fresh ink in the nozzle.
작동 시, 주어진 노즐에서 흡입 덕트(16)의 단부에서의 압력(px)은 도 2의 레벨(64b)에서와 같이 잉크 리테이너(66)로부터 잉크를 멀리 유지하도록 유리하게 유지된다. 유리하게는, px는 공기가 흡입 덕트(16)로 흡입되는 것을 방지하기 위해 너무 낮아서는 안 된다. 적절한 압력은 환형 덕트(62)의 반경방향 폭(w)으로부터 계산될 수 있다. w = 5 ㎛ 및 물의 표면 장력을 갖는 잉크의 경우, 영 라플라스 방정식은 144 mbar의 차압(dp)을 산출한다. 알칸의 표면 장력을 갖는 액체의 경우, 차압(dp)은 40 mbar이다. 따라서, 압력(px)을 주변 압력보다 dp 이하로 유지함으로써, 표면(64b)이 유지될 수 있고 공기가 흡인되지 않을 것이다.In operation, the pressure px at the end of the
환형 덕트(62) 대신에, 직경이, 예를 들어 5 ㎛인 여러 원형 개구가 사용되면, dp는 두 배가 될 것이다.If instead of the
주변 압력과 px 사이의 차이가 dp보다 작으면, 액체 레벨이, 예를 들어 도 2의 라인(64a)으로 상승하게 된다. 거기에서, 곡률은 라인(64b)보다 훨씬 낮다. 단순화된 예에서, 곡률이 10배 낮다고 가정하면, 대응 차압은 14 mbar(물의 경우)이다. 따라서, 예를 들어 압력(px)을 대기압보다 50 mbar 아래로 유지함으로써, 잉크가 라인(64a)만큼 높은 레벨에 도달하는 것이 방지될 수 있다.If the difference between ambient pressure and px is less than dp, the liquid level will rise, for example to
다른 한편, 주어진 노즐에서 공급 덕트(15)의 단부에서의 압력(py)은 노즐을 통한 원하는 잉크 유동을 유지하도록 조절될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 출구 덕트(56, 60)를 통한 잉크 유동은 이들 덕트에서 적절한 직경을 선택함으로써 조절될 수 있다.On the other hand, the pressure py at the end of the
또 다른 실시예에서, 흡입 덕트(16)의 단부 섹션(16a)에서의 차압(주변 압력 미만)은 하부 레벨(64b)에서 dp보다 크도록 선택될 수 있다. 따라서, 공기는 흡입 덕트(16)로 흡인될 것이다.In another embodiment, the differential pressure (less than ambient pressure) at the
이 경우, 흡입 덕트(16)를 통해 복귀되는 잉크가 재활용되어야 한다면, 잉크가 재순환 펌프(18)로 공급되기 전에 분리 디바이스를 사용하여 잉크와 공기를 분리할 수 있다.In this case, if the ink returning through the
제조manufacturing
본 인쇄 헤드는, 예를 들어 WO 2013/000558호, WO 2016/120381호, 및 WO 2016/169956호에 설명된 바와 같이, 예컨대, 반도체 제조 및 패키징으로부터 알려진 기술을 사용하여 제조될 수 있다.The print head can be manufactured using techniques known, for example, from semiconductor manufacturing and packaging, as described for example in WO 2013/000558, WO 2016/120381, and WO 2016/169956.
유리하게는, 인쇄 헤드의 층 중 적어도 일부는 폴리머층, 특히 인쇄 헤드에 사용된 도 18 및 도 19의 유형의 다층 구조의 중간층(114)이다.Advantageously, at least some of the layers of the print head are polymer layers, especially the intermediate layer 114 of a multilayer structure of the type of Figures 18 and 19 used in the print head.
이러한 다층 구조를 제조하는 것은 유리하게는 다음 단계를 포함한다:Manufacturing such multilayer structures advantageously includes the following steps:
1. 하단 층(110)을 제공하는 단계. 이는, 예를 들어 이전 제조 단계에 의해 형성된 상단 층일 수 있다.1. Providing a bottom layer (110). This may be, for example, a top layer formed by a previous manufacturing step.
2. 하단 층(110)의 상단에 재료층을 적용하는 단계. 이 재료층은 중간층(114)을 형성할 것이다.2. Applying a layer of material on top of the bottom layer (110). This layer of material will form middle layer 114.
3. 재료층 위에 상단 층(112)을 적용하는 단계.3. Applying the
단계 2 및 단계 3에서 퇴적된 재료층은 라미네이션, 스핀 코팅, 스퍼터링 또는 기상 증착과 같은 다양한 기술을 사용하여 적용될 수 있다.The material layers deposited in
라미네이션은 특히 상단 층(112)을 적용하는 데 특히 유리하다. 라미네이션에서, 층은 시트 재료로서 적용되고, 예를 들어 열과 압력을 사용하여 하위 구조에 연결된다. 이로 인해 공동에 쉽게 걸치고 및/또는 돌출 구조를 생성할 수 있게 된다.Lamination is particularly advantageous for applying the
단계 2의 재료층은 쉽게 구조화할 수 있게 하는 SU-8과 같은 포토레지스트인 것이 유리하다. 이 경우, 단계 2는 적어도 다음과 같은 하위 단계를 포함한다:The material layer of
2a: 마스크를 통해 시준된 광으로 재료층을 조명하여, 재료층에서 조명 및 비조명 영역을 정의하는 단계.2a: Illuminating the material layer with light collimated through a mask to define illuminated and unilluminated areas in the material layer.
2b: 포지티브 또는 네거티브 포토레지스트가 사용되는 지의 여부에 따라 재료층으로부터 조명 또는 비조명 영역을 선택적으로 제거하는 단계.2b: Selectively removing illuminated or unilluminated areas from the material layer depending on whether positive or negative photoresist is used.
대안적으로, 상단 층(112)은 또한, 예를 들어 접착제 접합, 융합 접합, 공융 접합 등에 의해 중간층(114)에 접합되는 고체 재료, 예를 들어 유리 웨이퍼로부터 형성될 수 있다.Alternatively,
무기 유전체층(126)(도 20)은, 예를 들어 원자층 증착 프로세스를 통해 폴리머 유전체층(124a, 124b) 상에 퇴적함으로써 제조될 수 있다.Inorganic dielectric layer 126 (FIG. 20) may be fabricated, for example, by depositing on
노트note
지금까지 도시된 대부분의 실시예에서, 각각의 노즐은 잉크가 노즐로부터 유동할 수 있는 제한된 영역을 정의하는 잉크 리테이너에 의해 둘러싸여 있다.In most of the embodiments shown so far, each nozzle is surrounded by an ink retainer that defines a limited area through which ink can flow from the nozzle.
하나의 예에서, 각각의 노즐은 자체 잉크 리테이너에 의해 둘러싸여 있다. 대안적으로, 여러 개의 노즐이 공통 잉크 리테이너에 의해 둘러싸일 수 있고, 즉, 하나의 잉크 리테이너가 여러 개의 노즐을 둘러쌀 수 있다.In one example, each nozzle is surrounded by its own ink retainer. Alternatively, several nozzles may be surrounded by a common ink retainer, ie one ink retainer may surround several nozzles.
대안적으로 또는 그에 추가하여, 지지 구조(8)의 각각의 지지 요소는 지지 요소 둘레에 잉크가 없는 영역을 정의하는 잉크 리테이너에 의해 둘러싸여, 잉크가 지지 요소에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 이는 지지 요소가 개별적이고 고립된 필라를 형성하는 경우에 특히 유리할 수 있다.Alternatively or additionally, each support element of the
위에 도시된 실시예에서 확인될 수 있는 바와 같이, 보호 전극(42)은 유리하게는 노즐의 축에 가깝다. 이는, 예를 들어 도 12에 예시되어 있다.As can be seen in the embodiment shown above, the
여기서, 토출 방향(X)을 따라 연장될 때 노즐(4)의 중심축(100)이 점선으로 도시되어 있다. x1은 보호 전극(42)과 노즐 축(100) 사이의 거리이다. x2는 잉크 리테이너(66)와 노즐 축(100) 사이의 거리이다. x3은 가장 가까운 지지 요소(78)와 노즐 축(2) 사이의 거리이며, 지지 요소(78)는 노즐 캐리어(6)에 인접한 것이다.Here, the
다음의 관계가 유리하다:The following relationships are advantageous:
x1 < x2, 특히 x1 < 0.8·x2: 잉크 리테이너(66)보다 노즐 축(100)에 더 가깝게 보호 전극(42)을 배치함으로써, 잉크 리테이너(66)의 더 나은 차폐가 달성된다.x1 < x2, especially x1 < 0.8·x2: By placing the
x1 < x3, 특히 x1 < 0.8·x3, 특히 x1 < 0.5·x3: 다시, 보호 전극(42)보다 축(100)으로부터 더 멀리 가장 가까운 지지 요소(78)를 배치함으로써, 지지 요소도 차폐된다.x1 < x3, especially x1 < 0.8·x3, especially x1 < 0.5·x3: Again, by placing the
추가로 또는 그에 대안적으로, 차이(x2-x1)는 유리하게는 보호 전극(42)과 잉크 리테이너(66) 사이의 수직 거리(d')의 적어도 50%이다.Additionally or alternatively, the difference x2-x1 is advantageously at least 50% of the vertical distance d' between the
특히, x3은 x2보다 적어도 1 ㎛, 특히 적어도 5 ㎛ 커야 한다.In particular, x3 should be at least 1 μm larger than x2, especially at least 5 μm larger.
따라서, 다음의 관계는 단독으로 또는 조합하여 유리하다:Accordingly, the following relationships are advantageous alone or in combination:
- 보호 전극(42)과 노즐 축(100) 사이의 거리(x1)는 잉크 리테이너(66)와 노즐 축(100) 사이의 거리(x2)보다 작다.- The distance (x1) between the
- 보호 전극(42)과 노즐 축(100) 사이의 거리(x1)는 노즐 축(100)에 가장 가까운 노즐 캐리어(6)에 인접한 지지 요소(78)와 축(100) 사이의 거리(x3)보다 작다.- the distance between the
- 차이(x2-x1)(보호 전극(42)과 노즐 축(100) 사이의 거리(x1)와 잉크 리테이너(66)와 노즐 축(100) 사이의 거리(x2) 사이)는 보호 전극(42)과 잉크 리테이너(66) 사이의 수직 거리의 적어도 50%이다.- The difference (x2-x1) (between the distance (x1) between the
- 거리(x3)(축(100)과 노즐 캐리어(6)에 인접한 지지 요소(78) 사이)는 잉크 리테이너(66)와 노즐 축(100) 사이의 거리(x2)보다 적어도 1 ㎛, 특히 적어도 5 ㎛만큼 크다.- the distance x3 (between the
- 차이(x2-x1)(보호 전극(42)과 노즐 축(100) 사이의 거리(x1)와 잉크 리테이너(66)와 노즐 축(100) 사이의 거리(x2) 사이)는 유리하게는 보호 전극(42)과 잉크 리테이너(66) 사이의 수직 거리의 적어도 50%이다.- The difference (x2-x1) (between the distance (x1) between the
언급한 바와 같이, 인쇄 헤드는 또한 인쇄 헤드와 타겟 사이의 영역에 가스를 공급하고 및/또는 상기 영역으로부터 가스를 회수하기 위한 가스 덕트를 포함할 수 있다. 이들 가스 덕트 공급부는 또한 도 13 및 도 15에 도시된 잉크 덕트와 유사하게, 예를 들어 전면층(10) 및/또는 후면층(12) 및/또는 인터포저 층(32)에서 상호 연결 섹션과 같은 수평 섹션을 포함할 수 있다.As mentioned, the print head may also include gas ducts for supplying gas to and/or recovering gas from the area between the print head and the target. These gas duct supplies also, similarly to the ink ducts shown in FIGS. 13 and 15 , have interconnection sections, for example in the
지금까지 설명된 실시예에서, 3개의 상이한 수직 레벨에 있는 3개의 전극, 즉, 토출 전극, 보호 전극 및 차폐 전극이 언급되었다. 그러나, 다음과 같은 다른 전극이 있을 수 있다는 점에 유의해야 한다:In the embodiments described so far, three electrodes at three different vertical levels have been mentioned: a discharge electrode, a protection electrode and a shielding electrode. However, it should be noted that there may be other electrodes such as:
- 전극은 노즐 캐리어(6), 예를 들어 공급 덕트(15) 및/또는 흡입 덕트(16)에, 및/또는 노즐에 및/또는 잉크의 전위를 정의하기 위한 잉크 리테이너에 제공될 수 있다. 이러한 전극은, 예를 들어 보호 전극(42)과 유사하거나 동일한 전위에서 잉크를 유지하게 한다. 유리하게는, 이러한 전극은 백금 및/또는 금이다.- Electrodes may be provided on the
- 상이한 크기의 노즐이 인쇄 헤드에 존재하는 경우, 추가 전극(예를 들어, 도 2의 토출 전극(38)과 차폐 전극(40) 사이)이 제공될 수 있다. 이는 토출 전극과 노즐 사이의 거리가 차폐 전극과 토출 전극 사이의 거리보다 상당히 작은 노즐에 특히 유용하다.- If nozzles of different sizes are present in the print head, additional electrodes (eg between
본 발명의 현재 바람직한 실시예가 도시되고 설명되어 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 다음의 청구범위 내에서 달리 다양하게 구현되고 실시될 수 있음을 명백히 이해하여야 한다.Although the presently preferred embodiment of the invention has been shown and described, it should be clearly understood that the invention is not limited thereto and may be embodied and practiced in various other ways within the scope of the following claims.
Claims (26)
노즐 캐리어(6),
상기 노즐 캐리어(6) 상에 배열된 복수의 노즐(4),
상기 노즐(4)과 관련되고 상기 노즐(4)의 전면측에 위치되는 복수의 토출 전극(38)을 포함하고,
인쇄 헤드는 하단 층(110), 상단 층(112), 및 상기 하단 층(110)과 상기 상단 층(112) 사이의 적어도 하나의 중간층(114)을 갖는 적어도 하나의 다층 구조(109)를 포함하며, 상기 중간층(들)(114)은 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이에서 연장되는 벽(116)을 형성하고,
복수의 공동(118, 120)은 하단 층(110)과 상단 층(112) 사이의 중간층(114)에 위치되는, 인쇄 헤드.It is an electrohydrodynamic print head,
nozzle carrier (6),
A plurality of nozzles (4) arranged on the nozzle carrier (6),
Comprising a plurality of discharge electrodes (38) associated with the nozzle (4) and located on the front side of the nozzle (4),
The print head includes at least one multilayer structure (109) having a bottom layer (110), a top layer (112), and at least one intermediate layer (114) between the bottom layer (110) and the top layer (112). wherein the middle layer(s) 114 form a wall 116 extending between the bottom layer 110 and the top layer 112,
A print head wherein a plurality of cavities (118, 120) are located in an intermediate layer (114) between a bottom layer (110) and a top layer (112).
특히, 2개의 이웃한 전극(38, 40, 42, 122) 사이에서 연장되는 임의의 직선은 공동(71, 71', 71") 중 적어도 하나를 통해 연장되는, 인쇄 헤드.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein at least part of the cavity (71) is arranged between different electrodes (38, 40, 42, 122) of the print head,
In particular, any straight line extending between two adjacent electrodes (38, 40, 42, 122) extends through at least one of the cavities (71, 71', 71").
- 전면층(10)으로서, 상기 노즐(4)은 전면층(10)의 전면측(36)에 장착되는, 전면층, 및
- 전면층(10)의 후면측에 위치되는 후면층(12),
- 토출 전극(38)에 연결되고 전면층(10) 및 후면층(12)을 통해 연장되는 전기 비아(14), 및
- 전면층(10)에 배열된 잉크 공급 덕트(15, 16)를 포함하고,
전면층(10)은 적어도 중간층(114)을 포함하며,
특히, 잉크 덕트(15, 16)와 연통하지 않는 폐쇄된 공동(118)이 있는, 인쇄 헤드.18. The method according to any one of claims 1 to 17, wherein the nozzle carrier (6):
- a front layer (10), wherein the nozzles (4) are mounted on the front side (36) of the front layer (10), and
- a rear layer (12) located on the rear side of the front layer (10),
- an electrical via (14) connected to the discharge electrode (38) and extending through the front layer (10) and the back layer (12), and
- Comprising ink supply ducts (15, 16) arranged in the front layer (10),
The front layer 10 includes at least a middle layer 114,
In particular, a print head with a closed cavity (118) not in communication with the ink ducts (15, 16).
상기 지지 구조(8)는 적어도 다층 구조(109)의 중간층(114)을 포함하는, 인쇄 헤드.19. The method according to any one of claims 1 to 18, further comprising a support structure (8) supporting the discharge electrode (38) on the nozzle carrier (6), wherein the support structure (8) supports the nozzle. (4) comprising a plurality of support elements (76, 78) arranged between,
A print head, wherein the support structure (8) comprises at least an intermediate layer (114) of a multilayer structure (109).
상기 하단 층(110) 상에 재료층을 적용하는 단계,
상기 공동(118)을 형성하기 위해 상기 재료층의 일부를 제거하는 단계,
재료층 위에 상단 층(112)을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.A method of manufacturing the print head of any one of claims 1 to 23,
applying a layer of material on the bottom layer (110);
removing a portion of the layer of material to form the cavity (118);
A method comprising applying a top layer (112) over the layer of material.
마스크를 통해 시준된 광으로 재료층을 조명하여, 상기 재료층에서 조명 및 비조명 영역을 정의하는 단계, 및
재료층으로부터 조명 또는 비조명 영역을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는, 방법.25. The method of claim 24, wherein the layer of material is a photoresist, particularly SU-8, and the method comprises:
illuminating the material layer with light collimated through a mask to define illuminated and unilluminated areas in the material layer, and
A method comprising selectively removing illuminated or unilluminated areas from a layer of material.
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