KR960016552B1

KR960016552B1 - 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR960016552B1
Application number: KR1019920011633A
Authority: KR
Inventors: 손상석
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 정용문
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1996-12-14
Anticipated expiration: 2012-06-30
Also published as: KR940000931A; JPH0664172A; US5576747A

Abstract

요약없음

Description

전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법 및 그 장치

제1도는 종래 전기점성유체를 이용한 기록기술을 설명하기 위하여 그 유체의 분사헤드를 나타낸 분해 사시도.

제2도는 종래 정전흡입방법에 의한 기록기술을 설명하기 위하여 분사헤드의 플랜턴을 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 전기점성유체를 이용한 정전흡입방법으로 화상을 기록하는 기술을 설명하기 위하여 개략적으로 나타낸 장치의 개요도.

제4도 내지 제6도는 본 발명을 실시하기 위하여 전기점성유체를 분사하는 노즐의 여러가지 구성예를 보인도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 분사헤드12 : 노즐

13,14 : 전극15 : 기록전위

16 : 기록지17 : 플래턴

18 : 가속전위20C,20C' : 유로

본 발명은 잉크를 분사하여 화상을 기록하는 각종 기기에 응용될 수 있으며, 특히 전기점성유체(電氣粘性流體 : electro-rheological fluid)를 사용하여 그 유체의 점성을 변화시키는 전위와 그 유체를 정전유도하는 다른 전위를 사용하여 유체의 분사를 제어하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법 및 그 장치에 관한 것이다.

전기점성유체는 현재 전장응답성(electro-field responsibility)의 유체로 잘 알려져 있다. 전기점성유체는 1943년에 윈스로우(Winslow)에 허여된 미국특허 제2,417,850를 통해 처음으로 발표된 후, 윈스로우의 미국특허 3,047,057와, 리젠코브(Lysenkov)의 소련특허 1391951, 스텐그롬(Stangroom)의 미국특허 4,812,251 등 여러가지 형태로 제안되었다.

이들에 제안된 전기점성유체는 기본적으로 전기점성의 특성을 갖는 액체에 입경이 아주 작게 분쇄된 분말상의 첨가제를 섞은 것으로, 전기장을 가하면 그 유체의 점성이 변화하는 성질의 새로운 물질이다. 그 점성의 변화는 대체로 가해지는 전기장의 세기에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이처럼 전기장의 세기에 의하여 점성이 변화하는 현상을 전기점성효과라 한다. 전기점성효과는 인가되는 전기장이 세기에 따라 가역적으로 변화되며, 또한 전기장이 가해진 순간과 거의 동시에 유체의 점성이 변화되는 것을 말한다. 위에 언급한 전기점성유체 중에는 수 Kv/㎜의 전기장에 의해서도 유체의 점성이 액체상태에서 거의 고체상태로 되기까지 변화되는 것도 있다.

전기점성유체의 이러한 특성을 이용하여 잉크(ink)를 만들고 적절한 제어수단을 사용하면 원하는 화상을 기록할 수 있게 된다. 이러한 전기점성의 잉크를 사용하여 화상을 기록하는 기술에 관하여는 일본국 특허소54-25248가 있다.

상기 일본국 특허로부터 전기점성의 잉크로 분사하는데 성공한 개선된 헤드의 구조는 제1도와 같다. 한장의 노즐시이트(1)와 두장의 지지시이트(2)(3)가 중첩되는 것으로서, 그 노즐시이트(1)에서는 일정량의 잉크를 수납하는 잉크수납부(1a)와 이로부터 잉크가 분출될 수 있는 노즐(1b)이 형성되어 있고, 두장의 지지시이트(2)(3) 중 상부의 지지시이트(2)에는 잉크공급구(2a)와, 전극판(4)이, 하부의 지지시이트(3)에는 다른 전극판(4')이 형성되어 있다. 이것은 노즐 안팎에 일정한 압력을 유지시키고 그 두 전극판(4)(4')에 인가되는 기록전위(5)에 따라 그 노즐 내에 있는 잉크의 점성이 변화되고, 그 점성이 액체상태의 낮은 점도를 갖게 될때 노즐 안팎에 걸리는 압력차에 의하여 잉크가 분사되게 하는 것이다. 즉, 노즐내의 잉크는 두 전극이 만드는 전기장의 세기에 의하여 점성이 변화되는데, 그 점성이 고체상태의 높은 점도를 갖게 될때는 분사되지 않고 점성이 낮아질때 상기 압력차에 의하여 분사되는 구조이다. 이러한 점기점성잉크를 기록전위에 따라 분사하는 기술에 있어서는 노즐 안팎에 압력차를 발생시키고 또 그 압력차를 일정하게 유지시키기 위한 별도의 수단이 필요하므로 장치가 매우 복잡해져서 장치 전체를 소형화 할 수 없고 비경제적인 문제점이 있다.

이러한 전기점성의 유체를 사용하는 기록기술의 문제를 해결하는 종래의 다른 기록기술로서는 정전흡입방법이 있다. 이 방법은 미국특허 3,060,429에 의하여 알려져 있다. 이것은 제2도에 나타낸 바와 같이, 잉크통(6) 끝이 노즐(6a)과 기록지(7)가 가이드되는 플랜턴(8) 사이에 가속전위(9)를 기록신호에 따라 인가해 줌으로써, 그 가속전위차(노즐과 플랜턴 사이의 전위차)로 잉크에 유도되는 정전기력에 의하여 잉크가 노즐로부터 플래턴 상의 기록지로 이동케 하는 것이다. 이 방법은 상기한 전기점성유체를 이용한 기록기술에 비하여 압력발생 및 그 조절이 필요없어 간단한 장치로 구성할 수 있는 잇점을 가진다. 그렇지만 이 방법에 있어서는 그동안의 연구진전으로 많이 낮추기는 하였지만, 여전히 그 기록전위가 가속전위와 거의 같기 때문에 고압을 제어해야 하는 수준에 머물러 있어 제어가 어렵고 고해상의 기록에 불리한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술들의 모든 문제점을 해결하기 위하여 안출한 서으로서, 전기점성을 갖는 잉크를 사용하되 그 잉크의 점성을 변화시키는 전위와 그 잉크를 정정유도하는 다른 전위를 인가하여, 그 제어가 용이한 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기의 기록방법을 실현시키는 동시에 구조가 간단하고 고속과 고해상의 기록에 유리한 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명의 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법은, 잉크를 분사하여 원하는 화상을 기록함에 있어서, 분사헤드에 전기점성을 갖는 잉크를 저장하고 그 분사헤드의 노즐에 소정의 전기장을 만드는 기록전위를 기록 신호에 따라 인가하여 그 노즐을 경유하는 잉크의 점도를 변화시켜 그 잉크의 흐름을 제어함과 동시에, 기록지가 기이드되는 가속전극과 상기 노즐 사이에 소정 전위의 가속전위를 인가하여 점도가 낮아진 잉크를 그 노즐로부터 기록지로 이동시켜서 기록을 행하는 점에 특징이 있다.

또한 상기한 본 발명의 기록방법을 실현하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치는, 잉크를 분사하여 원하는 화상을 기록하는 것에 있어서, 전기점성을 갖는 잉크를 저장하고, 그 잉크가 분출될 수 있게 하는 노즐을 가지는 분사헤드와, 상기 노즐 내의 유로상에 상기 잉크의 점도를 변화시키는 전기장을 만드는 소정의 기록전위를 인가하여, 그 잉크의 흐름을 제어하기 위한 밸브수단과, 상기 노즐과 가속전극에 일정한 가속전위를 인가하여, 그 노즐과 가속전극 사이에 유도되는 정전흡입력으로 점도가 낮아진 잉크를 그 노즐로부터 기록지로 이동시키기 위한 가속수단을 구비하여, 상기 기록신호에 의해 잉크의 흐름이 제어됨과 동시에 상기 가속전위에 의해 그 잉크의 분사가 제어되도록 구성된 점에 특징이 있다.

즉, 본 발명은 잉크를 분사하여 원하는 화상을 기록함에 있어서, 전기점성을 갖는 잉크를 사용하되 그 잉크의 점도를 기록신호에 따라 소정의 기록전위를 인가하여 변화시킴으로써 노즐에서의 흐름을 제어하고, 그 잉크가 액체상태의 낮은 점성으로 변화될때 가속전위로써 그 잉크를 분사시켜서 기록을 행하는 발명이다. 따라서 기존의 전기점성유체를 이용하는 기록기술의 기록전위나 기존의 정전흡입을 이용한 기록기술의 가속 전위보다도 낮은 전위로 제어할 수 있으며, 잉크가 그 노즐로부터 분출될 수 있게 하기 위하여 기존의 전기 점성유체용 분사헤드에서와 같이 노즐 안팎에 압력차를 주고 그 압력을 일정하게 유지시키기 위한 수단이 필요없어, 장치를 소형화할 수 있고, 특히 잉크분사의 원할한 제어와 장치의 소형화를 통하여 고속과 고해상의 기록에 유리한 것이다.

이하 본 발명의 전기점성유체(잉크)를 이용한 정전흡입 기록방법과 그 장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면 제3도 내지 제6도에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제3도에서, 분사헤드(10)는 잉크를 일정량 저장하는 잉크저장조(11)와 이 잉크저장조(11)로부터 잉크가 분출될 수 있는 노즐(12)을 구비한다. 잉크는 기존의 잉크제트 프린터 헤드와 같은 통상의 잉크공급수단을 이용하여 상기 잉크저장조(11)에 항상 채워지게 할 수 있을 것이다. 잉크저장조(11)에 저장되는 잉크는 전기장에 의하여 점도가 변화하는 전기점성을 갖는 잉크로서, 전기점성유체에 미세하게 분쇄된 잉크분말을 현탁시킴으로써 얻어진다. 전기점성유체가 기록용 잉크로서 갖추어야 할 조건을 만족시키기 위하여는, 예컨대 안료나 염료, 응고제, 방청제, 확산제 등을 혼합하는 것을 고려할 수 있을 것이다. 또한 그 유체는 혼합한 상태로 유지시키기 위하여는 분말상의 첨가제와 전기점성유체의 밀도를 비슷하게 하여 침전되지 않게 하거나, 밀도차이로 침전 또는 부유될때는 이를 방지하는 혼합수단을 강구할 수 있을 것이다.

이렇게 만들어지는 잉크는 모세관 현상에 의하여 그 잉크저장조(11)와 연결된 노즐(12)에 지속적으로 공급되어서 그 노즐을 통하여 밖으로 분출가능한 상태에 있게 된다.

그 분사헤드(10)의 노즐(12)은 고해상도화, 고속화, 칼라화 등을 위하여 현재 잉크제트 프리터 헤드나 열헤드와 같이 구룹핑 또는 메쉬형과 같이 열과 행으로 배치되게 제작될 수 있다.

노즐(12) 내에 채워진 잉크의 점도를 변화시켜서 그 노즐에서의 잉크의 흐름을 제어하기 위한 밸브수단으로서는 노즐(12)내에 소정의 간격을 두고 대향하는 2개의 전극(13)(14)을 설치하고, 그 2개의 전극 (13)(14)에 상기 잉크의 점도를 변화시킬 수 있는 전기장을 만드는 소정의 기록전위(15)를 인가할 수 있도록 구비한다. 그 기록전위(15)는 원하는 화상에 따라 변조된 기록신호에 의하여 단속적으로 인가되게 한다. 여기서 기록전위(15)는 기존 전기점성유체를 이용한 기록기술(제1도)과는 달리, 그 잉크가 노즐(12)로부터 흘러내리거나 그렇지 못하도록 하는 정도의 전기장을 만들면 족하므로 그보다 낮은 전위로 인가된다.

다음 상기와 같은 밸브수단에 의해 제어되어 노즐(12)을 통해 흘러내리 수 있게 점도가 변화된 잉크를 기록지(16)로 이동시키기 위한 가속수단은, 그 노즐(12)과 기록지(16)가 가이드되는 플래턴(17)을 일정한 전위의 가속전위(18)에 연결하여 그 사이에 상기 점도가 낮아진 잉크의 이동을 가속시키는 정전기력이 형성되게 하여 된다. 그러면 상기 밸브수단에 의하여 액체상태의 낮은 점성으로 변화된 잉크는 기존에 노즐 안팎에 걸어주는 압력차의 도움이 없이도 그 정전기력에 의한 가속격으로 토출되어 기록지(16)에 분사되는 것이다. 여기서 노즐과 플래턴(17)의 거리는 기록지(16)가 삽입될 수 있는 공간과 잉크가 메니스커스(meniscus)로부터 기둥을 형성할 수 있는 최소한의 거리로 확보되어야 한다. 여기서 가속정위(18)는 기록신호가 있는 경우에만 잉크를 가속시킬 수 있도록 일정한 전위를 유지시키면 된다.

한편, 상기 기록전위(15)와 가속전위(18)의 전극구조의 간편성을 위하여 상기 노즐(12)에 구지되는 2개의 전극(13)(14) 중 하나를 공통전극으로 하여 그 기록전위(15)와 가속전위(18)를 같이 연결하고 있다.

이와 같은 본 발명에 의하여 화상을 기록하는 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

분사헤드(10)의 잉크저장조(11)에 채워져 있는 잉크는 모세관 현상에 의하여 노즐에 공급된다. 그 잉크는 노즐(12)의 끝에서 모세관 현상과 표면장력 그리고 중력 등의 작용으로 메니스커스를 형성하여 균형을 유지한다.

이 상태에서 기록전위(15)를 인가하여 주면, 노즐(12) 내에 있는 잉크가 겔(gel)상태의 높은 점도로 흘러 내릴 수 없는 정도의 전단항복강도를 갖게 된다. 그러나 그 기록전위(15)가 인가되지 않으면, 그 잉크는 액체상태의 낮은 점성으로 변화되어 흘러내릴 수 있는 상태가 된다. 그러나 그 상태는 임의로 흘러서 노즐(12) 밖으로 배출될 수 있는 상태는 못된다.

한편, 가속전위(18)가 인가되면 노즐(12) 내에 있던 잉크는 가속전위(18)차에 의하여 정전유도되어 그 가속전극인 플래턴(17)쪽으로 이동되려는 힘을 받게 된다. 그리하여 노즐(12) 내의 잉크가 액체상태로 변화된 경우에 그 잉크는 분사된다. 그러나 잉크가 겔살태에 있을때는 그 가속력으로도 분사되지 않는다. 즉, 노즐(12)내의 잉크에는 상기한 기록전위(15)와 가속전위(18)의 인가에 따라 단계적인 힘이 작용하게 되는데, 그 힘의 시기와 조건을 적절하게 택함으로써 원하는 화상을 기록할 수 있는 것이다.

원하는 화상을 기록하기 위하여 상기 단계적으로 작용하는 힘의 관계를 논리적으로 해석한다면,

f(k₁,Er/L)＞ f (ε_e,Ea²)＞R

단, k₁: 전기점성잉크의 고유상수

Er : 기록전위차

L : 전극(13)(14)간 거리

f(k₁,Er/L) : 기록전위차에 의한 잉크의 전단항복값

εe : 상당유전률

Ea : 가속전위차

f(ε_e,Ea²) : 가속전위차에 의한 잉크의 정전흡입력

R : 노즐 내의 유체마찰력과 포면장력 및 중력의 총화로 표시할 수 있다. 여기서 노즐(12)에 구비되는 2개의 전극(13)(14) 중 하나를 공통으로 하여 그 공통의 전극(14)에서의 기록전위(15)와 가속전위(18)가 동일전위로 되게 하면, 노즐(12) 내의 잉크는 액체상태의 낮은 점도로 되어 상기 기록전위(15)에 의한 잉크의 전단항복값 f(k₁,Er/L)이 영(零)에 가깝게 되고, f(ε_e,Ea²)＞R의 상태로서, 가속전위(18)에 의한 잉크의 정전흡입력이 R 보다 크므로 그 잉크는 기록지(16)로 분사되게 된다. 이때 분사되는 잉크는 그 가속전극인 플래턴(17)에 가까와 질수록 비례적으로 가속된다. 상기의 가속전위차가 그 플랜턴(17)과의 거리에 제곱에 반비례하기 때문이다.

또한 f(εe,Ea²)＞R의 상태에서, 상기의 기록전위(15)를 인가하여 주면, 노즐(12) 내의 잉크는 빙햄 모델(Bingham model)의 특성으로 그 전단항복값이 높아져 액체상태에서 겔상태의 높은 점도로 변화된다. 이때 기록전위(15)에 의한 그 전잔항복값은 상기 가속전위(18)에 의한 잉크의 정전흡입력보다 크므로 그 전기점정잉크는 분사되지 않게 된다.

이러한 작용은 원하는 화상에 따라 변조된 기록신호에 따라 반복된다. 따라서 기록지(16)에는 그 기록신호에 따라 잉크가 분사됨으로써 그 원하는 화상이 기록되어 진다. 무릇 기록지(16)는 그 기록신호와 동기된 상태로 이송되어야 하며, 일반의 종이나 필름을 사용할 수 있다. 또한 기록지(16)가 아닌 전사드럼에도 그 화상의 기록을 행할 수 있다.

제4도는 상기와 같은 본 발명의 실시를 위하여 그 분사헤드(10)의 노즐(12)에 대한 노즐(12)에 대한 한구체예를 보인다. 이는 원통형 노즐(19A)몸체의 내주면에 두개의 전극(13A)(14A)이 설치된 구조로서, 비교적 가단히 제작할 수 있는 것이다. 그런데 그 노즐몸체(19A)의 유로(20A)에 대해서는 전기장이 고르지 못하므로 효과적인 전기점성잉크의 밸브작용을 기대하기가 어려울 것이다.

제5도는 다중노즐의 구성예로서, 노즐몸체(19B)에 다수의 유로(20B)가 일정한 간격으로 구획되어 있고, 그 유로(20B)의 내면에는 각기 독립된 기록전위(15)와 연결되는 기록전극(13B)이 각각 설치되며, 그 위에는 금속박판 형태의 공통전극(14B)이 씌워져 있다. 이러한 노즐의 구성은 고집적화에 유리하다. 여기서 유로(20B)를 지나는 잉크의 점성은 그 기록전극(13B)과 공통전극(14B) 사이의 거리와 반비례적으로 변화되므로, 목표로 하는 전기점성의 변화특성을 얻는 동시에 기록전위(15)를 낮추기 위하여 그 전극간의 거리를 가능한 좁혀야 하는데, 이에는 그 유로(20B)를 통하여 분사되는 잉크량을 기록에 필요한 충분한 양으로 확보할 수 있도록 배려해야 한다.

다음 제6도는 본 발명을 실시함에 있어서, 분사헤드(10)의 노즐(12)에 대한 가장 바람직한 실시예를 보인다. 이것은 노즐몸체(19C)에 상호 등각을 이루는 한쌍의 유로(20C)(20C')가 그 전면의 한 노즐개구(21)로 통하도록 점차 좁아지게 형성되고, 그 유로(22C)(22C')를 따라 2개의 전극(13C)(14C)을 각각 설치한 구조이다. 이러한 구조에 있어서는, 그 2개의 전극(13C)(14C) 사이의 거리를 아주 가깝게 하여 인가할 기록전위(15)를 훨씬 낮출 수 있는 동시에, 그 노즐개구(21)로 분사되는 잉크량을 충분히 확보할 수 있게 됨은 물론, 특히 그 두 유로(20C)(20C')간의 각도와 노즐개구측의 삭제거리(L) 정도의 설정만으로도 그 원하는 잉크량을 조정할 수 있게 되어, 그 설계와 제작에 매우 유리한 것이다. 이러한 노즐의 구성을 평판위에 다수열로 구성배치하는 방법으로 구성배치함으로써 고집적화 할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 전기점성을 갖는 잉크를 사용하여, 일단 기록신호에 따라 인가되는 기록전위로 그 잉크의 점성을 변화시키고, 그 점성이 낮게 변화된 잉크에 대하여 가속전위에 의한 정전흡입력으로 분사함으로써 화상을 기록케 하는 발명으로서, 기록원리상 기존의 정전흡입 기록방식에 비하여 낮은 전위의 가속전위를 사용할 수 있고, 기존의 전기점성유체를 사용하는 기록방식에 비하여는 노즐로부터 잉크를 토출시키기 위한 압력을 가하지 않아도 되므로, 제어가 용이하고 장치의 소형화를 이룩할 수 있는 효과를 제공한다. 또한 노즐에서의 전기점성효과에 의한 잉크의 전단허용응력이 그 토출 특성상 낮아도 되므로, 그만큼 전기점성물질의 선정에 유리한 잇점을 제공한다.

특히 본 발명은 기존의 버블형이나 압전소자를 사용하는 잉크제트분사용 헤드와 달리 헤드의 구조가 간단하고, 고온, 고압에 의한 변형부위가 없어 그 수명이 길며, 또한 저전압을 제어하는 원활한 제어와 장치의 소형화를 통하여 고속 및 고해상의 기록을 실현시킬 수 있는 지극히 효과적인 발명이다.

Claims

잉크를 분사하여 원하는 화상을 기록함에 있어서, 분사헤드(10)에 전기점성을 갖는 잉크를 저장하고 그 분사헤드(10)의 노즐(12)에 소정의 전기장을 만드는 기록전위(15)를 기록신호에 따라 인가하여 그 노즐을 경유하는 잉크의 점도를 변화시켜 그 잉크의 흐름을 제어함과 동시에, 기록지(16)가 가이드되는 가속전극과 상기 노즐 사이에 소정 전위의 가속전위(18)를 인가하여 점도가 낮아진 잉크를 그 노즐로부터 기록지로 이동시켜서 기록을 행하는 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록방법.
잉크를 분사하여 원하는 화상을 기록하는 것에 있어서, 전기점성을 갖는 잉크를 저장하고, 그 잉크가 분출될 수 있게 하는 노즐(12)을 가지는 분사헤드(10)와, 상기 노즐(12) 내의 유로상에 상기 잉크의 점도를 변화시키는 전기장을 만드는 소정의 기록전위(15)를 인가하여, 그 잉크의 흐름을 제어하기 위한 밸브수단과, 상기 노즐(12)과 가속전극에 일정한 가속전위(18)를 인가하여, 그 노즐과 가속전극 사이에 유도되는 정전흡입력으로 점도가 낮아진 잉크를 그 노즐로부터 기록지(16)로 이동시키기 위한 가속수단을 구비하여, 상기 기록신호에 의해 잉크의 흐름이 제어됨과 동시에 상기 가속전위에 의해 그 잉크의 분사가 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치.
제2항에 있어서, 상기 노즐은 적어도 하나의 노즐개구와 그 적어도 하나의 노즐개구에 공통연결되는 둘 이상의 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치.
제2항에 있어서, 상기 잉크밸브제어수단이, 상기 노즐(12)의 유로상에 대향되는 두개의 전극(13)(14)을 포함하며, 상기 기록전위(15)를 기록신호에 따라 인가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치.
제2항에 있어서, 상기 가속전극은 상기 기록지(16)를 가이드하는 플래턴(17)인 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치.
제2항에 있어서, 상기 기록전위(15)와 상기 가속전위(18)의 일측단들이 상기 노즐(12)의 같은 전극에 공통연결되는 것을 특징으로 하는 전기점성유체를 이용한 정전흡입 기록장치.