KR100408271B1

KR100408271B1 - 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드

Info

Publication number: KR100408271B1
Application number: KR10-2000-0057627A
Authority: KR
Inventors: 이충전; 문재호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2000-09-30
Filing date: 2000-09-30
Publication date: 2003-12-01
Also published as: US6382776B1; JP2002103621A; US20020039123A1; KR20020026041A; JP3490402B2

Abstract

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드가 개시된다. 개시된 잉크 젯 프린팅 헤드는, 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 마련된 노즐 플레이트와, 노즐 플레이트를 지지하며 그 상면에는 노즐에 대향하여 오목한 3차원 형상의 표면을 가진 히터가 마련된 기판과, 기판의 상면에 마련되며 히터와 전기적으로 연결되어 히터에 전류를 인가하는 전극과, 노즐 플레이트의 저면과 히터의 표면과의 사이에 형성된 공간으로서 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 잉크 챔버와 연통되도록 노즐 플레이트와 기판 사이에 형성되며 잉크 챔버 내에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 유로를 구비한다. 히터는 그 테두리에 플랜지가 마련된 실질적으로 반구형의 형상으로 될 수 있으며, 잉크 공급 유로는 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 히터의 표면으로부터 생성되는 버블의 팽창 에너지가 노즐 쪽으로 집중되어 에너지 효율이 향상되며, 히터의 플랜지 부위에서 생성되는 버블에 의해 잉크의 역류가 방지된다. 또한, 잉크 액적의 토출 후에 잉크 챔버 내로 잉크가 신속하게 채워질 수 있어 토출 구동 주파수가 높아진다.

Description

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드{Bubble-jet type ink-jet printing head}

본 발명은 잉크 젯 프린팅 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열 히터의 형상이 오목한 반구형으로 개선된 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드에 관한것이다.

일반적으로 잉크 젯 프린팅 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.

상술한 버블 젯 방식의 잉크 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 전원을 인가하면, 히터 표면에 인접한 잉크는 400℃로 순간 가열된다. 이 때 히터 표면으로부터 생성된 버블은 성장하여 그 부피 팽창으로 인해 잉크가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 잉크 챔버 밖으로 토출된다.

도 1a는 미합중국 특허 4,882,595호에 개시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드 구조의 일례를 나타내 보인 절개 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 프린팅 헤드의 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(19)가 채워지는 잉크 챔버(13)를 형성하는 격벽부재(12)와, 챔버(13) 내에 설치되는 발열 히터(14)와, 잉크 액적(19')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(11)를 포함하고 있다. 상기 챔버(13)내에는 잉크 공급 유로(15)를 통해 잉크(19)가 채워지며, 챔버(13)와 연통된 노즐(16) 내에도 모세관 현상에 의해 잉크(19)가 채워진다. 이와 같은 구성에 있어서, 히터(14)에 전류가 공급되면 히터(13)가 발열되면서 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19) 안에 버블(18)이 형성된다. 그 후, 이 버블(18)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 외부로 잉크 액적(19')를 밀어내게 된다. 그 다음에, 상기 잉크 공급 유로(15)를 통해 잉크(19)가 흡입되면서 챔버(13)에 다시 잉크(19)가 채워진다.

그런데, 상술한 바와 같은 종래의 잉크 젯 프린팅 헤드는 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, 발열 히터가 평판 형상으로 되어 있으므로 잉크와 접촉되는 면적이 비교적 좁아서 버블 발생량이 적고, 이에 따라 버블의 팽창에 의한 잉크 챔버 내의 압력 상승이 늦어져서 잉크 액적의 토출 구동 주파수가 느릴 뿐만 아니라 버블의 팽창 에너지가 분산되어 잉크 액적의 토출 에너지가 작아질 수 있다. 이는 프린트 속도를 느리게 하고, 소모 전력을 불필요하게 낭비하는 결과를 낳게 된다. 둘째, 잉크 공급 유로가 잉크 챔버의 일측에만 형성되어 있으므로 잉크가 잉크 챔버에 다시 채워지는 시간이 길어지게 되어 결과적으로 프린트 속도가 느려지게 된다. 셋째, 잉크의 역류를 방지하기 위한 별도의 장치가 마련되어 있지 않아서 잉크 챔버 내의 압력 상승으로 인한 잉크 액적의 토출시에 잉크가 노즐의 반대방향으로, 즉 잉크 공급 유로를 통해 역류하는 현상이 발생될 수 있다. 이는 잉크 액적의 토출 에너지를 떨어뜨리고, 인접한 다른 노즐과의 간섭을 발생시켜 인쇄 품질을 저하시키게 된다.

도 2는 미합중국 특허 6,019,457호에 개시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드 구조의 다른 예를 나타내 보인 잉크 토출부의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 기판(20)을 상하로 관통하는 잉크 챔버(23)의 상단부에는 노즐(26)이 마련되고, 그 반대쪽의 하단부에는 잉크 인입구(25)가 마련된다. 그리고 노즐(26)의 둘레에 여러 형태로 배치된 히터(24)가 마련되어 잉크 챔버(23) 내에 채워진 잉크(29)를 가열하여 버블(28)을 생성시킨다. 이 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 챔버(23) 내에 채워진 잉크(29)에 압력이 가해져 노즐(26)을 통해 외부로 잉크 액적(29')를 밀어내게 된다. 그 다음에, 잉크 인입구(25)를 통해 잉크(29)가 흡입되면서 잉크 챔버(23)에 다시 잉크(29)가 채워진다.

그런데, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 잉크 젯 프린팅 헤드도 발열 히터가 잉크 챔버의 일측에만 마련되어 있다는 점, 잉크 챔버의 형상으로 인해 버블의 팽창 에너지가 상하로 분산될 수 있다는 점, 그리고 잉크의 역류를 방지하기 위한 별도의 장치가 마련되어 있지 않다는 점 등으로 인해 앞서 설명한 도 1a 및 도 1b의 잉크젯 프린팅 헤드에서와 유사한 문제점을 가지고 있다. 또한, 히터가 노즐의 둘레에 인접하여 설치되어 있으므로 노즐 부위가 과열되어 노즐 표면에 잉크가 눌러 붙음으로써 노즐이 막혀 잉크 액적의 토출 불량 현상이 발생될 수 있는 문제점도 있다.

상기와 같은 문제를 개선하기 위하여 본 출원인은 한국특허출원 10-2000-0022260호(2000년 4월 26일)를 통해 개선된 구조의 잉크 젯 프린팅 헤드를 제안한 바 있다.

도 3a는 한국특허출원 10-2000-0022260호에 개시된 잉크 젯 프린팅 헤드 중 하나를 도시한 평면도이며, 도 3b는 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a 및 도 3b를 함께 참조하면, 실리콘 웨이퍼로 부터 얻어지는 기판(30)의 표면쪽에는 대략 반구형으로 형성되어 잉크(39)가 채워지는 잉크 챔버(33)가 마련되어 있다. 그리고, 기판(30) 위에는 잉크 챔버(33)에 대응하는 노즐(또는 오리피스, 36)이 형성되고, 그리고 노즐(36)의 주위를 에워싸며 잉크 챔버(33)의 상방에 위치하는 환형 또는 오메가 형의 히터(34)가 마련되어 있는 노즐 플레이트(31)가 설치되어 있다. 여기에서 상기 히터(34)의 양단은 노즐 플레이트(31)의 상면에 형성되는 것으로 전류의 공급을 위한 전극(37)에 연결되어 있다. 그리고, 잉크 챔버(33)로 연결되는 잉크 채널(35)이 노즐 플레이트(31) 하부의 기판(30) 상에 형성되어 있다. 이러한 구조의 잉크 젯 프린팅 헤드는 상기의 환형 또는 오메가형의 히터에 의해 도우넛형 버블(38)을 발생시킨다.

이러한 도우넛형 버블(38)은 잉크(39)의 역류를 방지할 수 있어 인접한 다른 노즐과의 간섭을 피할 수 있게 한다. 또한, 도시되지는 않았지만 잉크 챔버(33)와 잉크 채널(35)의 연결부위에 형성된 걸림턱(미도시)도 잉크(39)의 역류를 방지하는 효과를 가져오도록 되어 있다. 그리고, 히터(34)가 환상 또는 오메가 형상으로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고, 그에 따라 버블(38)의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 짧아져 높은 구동 주파수를 가질 수 있다.

그러나, 환형 또는 오메가 형상의 히터를 가진 상술한 잉크 젯 프린팅 헤드에서도 히터가 평판 형상으로 되어 있으며 잉크와 직접 접촉하지 않는다는 점에서 소모 전력의 효율이 만족스럽지 못한 점이 있다. 또한, 잉크 공급 유로(잉크 채널)가 잉크 챔버의 일측에만 형성되어 있음으로 인한 프린트 속도의 저하 문제도 완전하게 해결하지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 버블 생성을 위해 히터에 공급되는 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 발열 히터의 형상이 오목한 반구형으로 개선된 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드 구조의 일례를 나타내 보인 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도,

도 2는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드 구조의 다른 예를 나타내 보인 잉크 토출부의 단면도,

도 3a 및 도 3b는 한국특허출원 10-2000-0022260호에 개시된 잉크 젯 프린팅 헤드 중 하나를 도시한 평면도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드를 도시한 평면도 및 A-A선을 따른 잉크 젯 프린팅 헤드의 단면도,

도 5는 히터의 양측 전극에 인가된 전압에 의해 히터를 통해 흐르는 전류의 흐름 경로를 설명하기 위한 도면,

도 6a 내지 도 6d는 도 4a 및 도 4b에 도시된 잉크 젯 프린팅 헤드의 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도,

도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드를 도시한 평면도,

도 8은 도 7에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서 잉크 공급 유로가 기판의 상면에 형성된 잉크 젯 프린팅 헤드의 단면도,

도 9는 도 7에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서 잉크 공급 유로가 노즐 플레이트의 저면에 형성된 잉크 젯 프린팅 헤드의 단면도,

도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 히터의 사시도,

도 11a 내지 도 11d는 도 8 및 도 9에 도시된 잉크 젯 프린팅 헤드의 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200,300...기판 110,210,310...노즐 플레이트

130,230...잉크 챔버 140,240...히터

242...반구형 부재 244...플랜지

150,250,350...잉크 공급 유로 251,351...제1 유로

252,352...제2 유로 155,255,355...스페이서

160,260,360...노즐 170,270...전극

180,280...버블 190,290...잉크

190',290'...잉크 액적

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 마련된 노즐 플레이트; 상기 노즐 플레이트를 지지하며, 그 상면에는 상기 노즐에 대향하여 오목한 3차원 형상의 표면을 가진 히터가 마련된 기판; 상기 기판의 상면에 마련되며 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극; 상기 노즐 플레이트의 저면과 상기 히터의 표면과의 사이에 형성된 공간으로서 잉크가 채워지는 잉크 챔버; 및 상기 잉크 챔버와 연통되도록 상기 노즐 플레이트와 상기 기판 사이에 형성되며 상기 잉크 챔버 내에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 유로;를 구비하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 히터의 오목한 표면 전체에 걸쳐 단위 면적당 발열량이 실질적으로 균일한 것이 바람직하다. 이는 히터의 오목한 표면 전체에서 균일한 버블의생성 및 성장을 가능하게 한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 히터는 실질적으로 반구형의 형상으로 되어 있다. 이와 같은 상기 히터의 형상은 상기 히터의 표면으로부터 생성되는 버블의 팽창 에너지가 상기 노즐 쪽으로 집중되도록 하여 에너지 효율을 향상시킨다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 히터는 그 테두리에 플랜지가 마련된 실질적으로 반구형의 형상으로 되어 있다. 이와 같은 상기 히터의 형상은 상술한 바와 같이 에너지 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 상기 플랜지 부위에서 생성되는 버블에 의해 잉크의 역류가 방지된다.

상기 잉크 공급 유로는 상기 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되도록 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 잉크 액적의 토출 후에 상기 잉크 챔버 내로 잉크가 신속하게 채워질 수 있어 토출 구동 주파수가 높아진다.

그리고, 상기 잉크 공급 유로는 상기 노즐 플레이트의 저면에 소정 깊이로 형성될 수 있으며, 또는 상기 기판의 상면에 소정 깊이로 형성될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드를 도시한 평면도이고 도 4b는 도 4a에 표시된 A-A선을 따른 잉크 젯 프린팅 헤드의 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드는 다수의 노즐(160)이 마련된 노즐 플레이트(110)와 상기 노즐 플레이트(110)를 지지하는 기판(100)을 포함한다. 상기 노즐(160)을 통해서 후술하는 바와 같이 잉크의 토출이 이루어진다. 상기 기판(100)의 상면에는 상기 다수의 노즐(160) 각각에 대응하는 히터(140)가 마련된다. 상기 히터(140)는 노즐(160)에 대향하여 오목한 3차원 형상의 표면을 가진다. 상기 히터(140)는 바람직하게는 실질적으로 반구형의 형상으로 되어 있다.

그리고, 상기 기판(100)의 상면에는 히터(140)와 전기적으로 연결되어 히터(140)에 전류를 인가하는 전극(170)이 형성된다. 상기 노즐 플레이트(110)의 저면과 상기 히터(140)의 표면과의 사이에 형성된 공간은 잉크가 채워지는 곳으로서 잉크 챔버(130)이다. 따라서, 잉크는 히터(140)의 표면과 직접 접촉하게 된다.

상기 노즐 플레이트(110)와 기판(100) 사이에는 잉크 챔버(130) 내에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 유로(150)가 형성된다. 상기 노즐 플레이트(110)와 기판(100) 사이에 마련되는 스페이서(spacer, 155)에 의해 잉크 공급 유로(150)의 높이가 유지된다. 상기 잉크 공급 유로(150)는 뒤에서 상세하게 설명되는 바와 같이 노즐 플레이트(110)의 저면에 소정 깊이로 형성될 수 있으며, 또는 기판(100)의 상면에 소정 깊이로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 잉크 공급 유로(150)는 상기 잉크 챔버(130)의 둘레 전체와 연통되도록 형성된다. 이는 잉크 액적의 토출 후에 잉크 챔버(130) 내로 잉크가 신속하게 채워질 수 있도록 한다. 상기 스페이서(155)는 잉크 공급 유로(150)에 의해 형성된다. 즉, 노즐 플레이트(110)의 저면 또는 기판(100)의 상면 중 잉크 공급 유로(150)가 형성되지 않은 잔존 부분이 상기 스페이서(155)가 된다. 상기 잉크 공급 유로(150)와 스페이서(155)는 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 도 4a는 그 일례를 보여준다.

한편, 상기 기판(100) 상의 소정 구역에는 잉크 저장고로부터 잉크 공급 유로(150)에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(미도시)가 마련된다. 상기 매니폴드는 잉크 저장고와 연통되어 있다. 상기 매니폴드에는 잉크 저장고와 연통되는 비아홀(via hole)이 마련될 수 있다. 잉크 저장고의 위치와 형상에 따라 상기 매니폴드와 비아홀은 함께 마련될 수 있으며, 또는 한 가지만 마련될 수도 있다.

도 5는 히터의 양측 전극에 인가된 전압에 의해 히터를 통해 흐르는 전류의 흐름 경로를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 상술한 바와 같은 반구형의 히터(140)는 그 중심을 기준으로 대향하는 위치에 각각 상기 전극(170)과 연결되는 X점과 Y점을 가진다. 양측 전극(170)에 전압이 인가되면 히터(140)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이 때, 전류는 히터(140)의 테두리에 형성되는 X-C-Y 경로 및 X-D-Y 경로, 히터(140)의 저면에 형성되는 X-E-Y 경로, 그리고 히터(140)의 임의의 중간 부위 표면에 형성되는 X-F-Y 경로 및 X-G-Y 경로를 따라 흐르게 된다. 그런데, 히터(140)의 형상이 반구형으로 되어 있기 때문에, 상기 경로들은 모두 그 거리가 동일하다. 따라서, 히터(140)의 표면 전체에 걸쳐 전류가 균일하게 흐르게 되고, 이에 따라 발생되는 발열량도 히터(140)의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 된다. 이는 히터(140) 표면 전체에서 균일한 버블의 생성 및 성장을 가능하게 한다.

이하에서는 도 6a 내지 도 6d를 참조하며 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드의 잉크 액적 토출 과정을 설명하기로 한다.

먼저 도 6a를 참조하면, 잉크 공급 유로(150)를 통해 노즐 플레이트(110)의 저면과 히터(140)의 표면 사이에 형성된 공간, 즉 잉크 챔버 내부로 잉크(190)가 공급된다. 잉크 챔버 내부가 잉크(190)로 채워지게 되면, 전극(170)을 통해 히터(140)로 전류가 공급된다.

히터(140)에 전류가 공급되면, 도 6b에 도시된 바와 같이 히터(140)의 표면에 인접한 잉크(190)는 400℃로 순간 가열되어 버블(180)을 생성시킨다. 이 때, 히터(140)가 오목한 3차원 형상의 표면을 가짐으로 인해 버블(180)이 생성되는 부위의 면적이 종래의 히터들에 비해 현저히 넓어서 초기 버블(180)의 생성량이 많게 된다. 또한 전술한 바와 같이 히터(140)의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 버블(180)이 생성된다. 그리고, 잉크(190)가 히터(140)의 표면과 직접 접촉하고 있으므로 히터(140)에서 발생된 열 에너지가 잉크(190)에 전달되는 속도도 보다 빨라져서 버블(180)의 생성 속도도 현저히 빨라지게 된다.

상기와 같이 생성된 버블(180)은 도 6c에 도시된 바와 같이 계속적으로 성장하게 되고, 그 부피 팽창으로 인해 잉크(190)가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이 때, 히터(140)의 형상이 노즐(160)에 대향하여 오목한 반구형으로되어 있으므로, 성장하는 버블(180)의 팽창 에너지가 분산되지 않고 노즐(160) 쪽으로 집중되어 에너지의 불필요한 소비가 적어지고 잉크 챔버 내의 압력 상승율이 보다 빨라지게 된다.

버블(180)이 계속적으로 팽창하여 잉크 챔버 내의 압력이 소정 압력 이상으로 되면, 도 6d에 도시된 바와 같이 노즐(160)을 통해 잉크 액적(190')이 토출되며 그 이후에 버블(180)은 수축되기 시작한다. 잉크 액적(190')이 토출된 후에는 잉크 공급 유로(150)를 통해 잉크(190)가 잉크 챔버 내부로 다시 채워지게 된다. 이 때 상기한 바와 같이 잉크 공급 유로(150)가 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되어 있으므로 잉크(190)가 잉크 챔버 내에 다시 채워지는 속도가 빨라지게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면 오목한 반구형으로 된 히터의 형상 및 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통된 잉크 공급 유로 등의 본 발명의 특징부로 인해 에너지 효율이 향상되며 프린트 속도가 빨라진다.

도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드를 도시한 평면도이고, 도 8은 도 7에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서 잉크 공급 유로가 기판의 상면에 형성된 잉크 젯 프린팅 헤드를 보여준다.

도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드도 전술한 일 실시예에서와 같이 다수의 노즐(260)이 마련된 노즐 플레이트(210)와 상기 노즐 플레이트(210)를 지지하는 기판(200)을 포함한다. 상기 기판(200)의 상면에는 상기 다수의 노즐(260) 각각에 대응하는 히터(240)가 마련된다. 상기 히터(240)는 노즐(260)에 대향하여 오목한 3차원 형상의 표면을가진다. 그리고, 상기 히터(240)에 전류를 인가하는 전극(270), 상기 노즐 플레이트(210)의 저면과 상기 히터(240)의 표면과의 사이에 형성되는 잉크 챔버(230), 상기 노즐 플레이트(210)와 기판(200) 사이에 형성되는 잉크 공급 유로(250) 및 스페이서(255)는 전술한 일 실시예에서와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 상기 잉크 공급 유로(250)와 스페이서(255)는 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 도7은 도 4a와는 다른 형태로 배치된 예를 보여준다.

도 10을 참조하며 상기 히터(240)의 형상을 보다 상세하게 설명하면, 상기 히터(240)는 실질적으로 반구형의 형상으로 된 반구형 부재(242)와 상기 반구형 부재(242)의 테두리에 마련된 플랜지(244)를 구비한다. 상기 플랜지(244)에는 그 중심점을 기준으로 서로 대향하는 위치에 각각 전극(270)이 연결된다. 이와 같이 히터(240)에 플랜지(244)가 마련되면, 플랜지(244) 부위에서 생성되는 버블에 의해 잉크의 역류가 방지된다.

이 때, 히터(240)의 다른 부위, 즉 반구형 부재(242)에서보다 플랜지(244)에서 버블이 먼저 생성되도록 하는 것이 잉크의 역류 방지를 위해 보다 효과적이다. 이에 따라 반구형 부재(242)보다 플랜지(244)가 높은 저항값을 갖도록 함으로써 히터(240)의 반구형 부재(242)보다 플랜지(244)에서 먼저 발열되도록 한다. 이를 위해서, 플랜지(244)의 두께를 반구형 부재(242)의 두께보다 얇게 만들 수 있으며, 또는 플랜지(244)를 반구형 부재(242)에 비해 보다 높은 저항값을 갖는 재료로 만드는 것도 바람직하다.

다시 도 8을 참조하면, 잉크 공급 유로(250)는 기판(200)의 상면에 소정 깊이로 형성된다. 이를 위해 상기 기판(200)의 상면에는 히터(240)의 둘레를 따라 환상의 홈 형태로 제1 유로(251)가 형성되고 상기 제1 유로(251)로부터 방사상으로 뻗어 나간 방사상 홈 형태의 제2 유로(252)가 형성된다. 상기 제2 유로(252)는 전술한 바와 같이 매니폴더와 연통된다. 이와 같이, 상기 잉크 공급 유로(250)가 기판(200)의 상면에 소정 깊이의 홈 형태로 형성되므로, 상기 스페이서(255)는 기판(200)으로부터 노즐 플레이트(210)를 향해 위로 돌출된 형상을 가지게 된다. 이와 같은 상기 잉크 공급 유로(250)는 여러가지 방법에 의해 형성될 수 있으나, 기판(200)의 상면에 수행되는 에칭 및 박막 공정에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

도 9는 도 7에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서 잉크 공급 유로가 노즐 플레이트의 저면에 형성된 잉크 젯 프린팅 헤드를 보여준다.

도 9에 도시된 잉크 공급 유로(350)는 도 8에서와 달리 노즐 플레이트(310)의 저면에 소정 깊이로 형성된다. 이를 위해 상기 노즐 플레이트(310)의 저면에는 노즐(360)의 둘레를 따라 환상의 홈 형태로 제1 유로(351)가 형성되고 상기 제1 유로(351)로부터 방사상으로 뻗어 나간 방사상 홈 형태의 제2 유로(352)가 형성된다. 상기 제2 유로(352)는 전술한 바와 같이 매니폴더와 연통된다. 이와 같이, 상기 잉크 공급 유로(350)가 노즐 플레이트(310) 저면에 소정 깊이의 홈 형태로 형성되므로, 상기 스페이서(355)는 노즐 플레이트(310)로부터 기판(300)을 향하여 아래쪽으로 돌출된 형상을 가진다. 이와 같은 상기 잉크 공급 유로(350)는 여러가지 방법에 의해 형성될 수 있으나, 노즐 플레이트(310)의 저면에 행해지는 엑시머레이저(excimer laser) 가공에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 11a 내지 도 11d를 참조하며 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 젯 프린팅 헤드의 잉크 액적 토출 과정을 설명하기로 한다.

먼저 도 11a를 참조하면, 잉크 공급 유로(250)를 통해 노즐 플레이트(210)의 저면과 히터(240)의 표면 사이에 형성된 공간, 즉 잉크 챔버 내부로 잉크(290)가 공급된다. 잉크 챔버 내부가 잉크(290)로 채워지게 되면, 전극(270)을 통해 히터(240)로 전류가 공급된다. 히터(240)에 전류가 공급되면, 전술한 바와 같이 보다 높은 저항값을 가지는 히터(240)의 플랜지(244) 표면에서 먼저 버블(281)이 생성된다. 이와 같이 플랜지(244)에서 생성된 버블(281)은 잉크 챔버와 잉크 공급 유로(250) 사이에 장벽을 형성하여 잉크 챔버 내의 잉크(290)가 역류되는 것을 방지한다.

그 다음에는, 도 11b에 도시된 바와 같이 히터(240)의 반구형 부재(242) 표면에서 버블(282)이 생성된다. 이 때, 히터(240)가 오목한 3차원 형상의 표면을 가짐으로 인해 버블(282)이 생성되는 부위의 면적이 종래의 히터들에 비해 현저히 넓어서 버블(282)의 생성량도 많게 된다. 또한 전술한 바와 같이 히터(240)의 반구형 부재(242) 표면 전체에 걸쳐 균일하게 버블(282)이 생성된다. 한편, 플랜지(244) 부위의 버블(281)은 성장하여 보다 확실한 장벽을 이룬다. 그리고, 잉크(290)가 히터(240)의 표면과 직접 접촉하고 있으므로 히터(240)에서 발생된 열 에너지가 잉크(290)에 전달되는 속도도 보다 빨라져서 버블(281, 282)의 생성 및 성장 속도도 현저히 빨라지게 된다.

플랜지(244) 부위의 버블(281)과 반구형 부재(242) 표면에 생성된 버블(282)이 계속적으로 성장하게 되면, 도 11c에 도시된 바와 같이 함께 합성되어 보다 큰 버블(280)로 성장하게 되고, 그 부피 팽창으로 인해 잉크(290)가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이 때, 히터(240)의 형상이 노즐(260)에 대향하여 오목한 반구형으로 되어 있으므로, 성장하는 버블(280)의 팽창 에너지가 분산되지 않고 노즐(260) 쪽으로 집중되어 에너지의 불필요한 소비가 적어지고 잉크 챔버 내의 압력 상승율이 보다 빨라지게 된다.

버블(280)이 계속적으로 팽창하여 잉크 챔버 내의 압력이 소정 압력 이상으로 되면, 도 11d에 도시된 바와 같이 노즐(260)을 통해 잉크 액적(290')이 토출되며 그 이후에 버블(280)은 수축되기 시작한다. 버블(280)이 수축되어 잉크 챔버와 잉크 공급 유로(250) 사이에 형성된 장벽이 없어지게 되면 잉크 공급 유로(250)를 통해 잉크(290)가 잉크 챔버 내부로 다시 채워지게 된다. 이 때 상기한 바와 같이 잉크 공급 유로(250)가 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되어 있으므로 잉크(290)가 잉크 챔버 내에 다시 채워지는 속도가 빨라지게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면 오목한 반구형으로 된 히터의 형상 및 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통된 잉크 공급 유로 등의 본 발명의 특징부로 인해 에너지 효율이 향상되며 프린트 속도가 빨라진다. 또한, 히터의 플랜지 부위에서 생성된 버블에 의해 잉크의 역류도 방지된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 히터의 형상이 노즐에 대향하여 오목한 반구형으로 되어 있으므로, 발열 표면적이 넓어서 버블의 초기 생성량이 많아 버블 성장율이 높고 잉크 챔버 내의 압력 상승률도 빨라지게 된다. 또한, 버블의 팽창 에너지가 분산되지 않고 노즐 쪽으로 집중되어 에너지의 불필요한 소비가 적어지고 잉크 챔버 내의 압력 상승율이 보다 빨라지게 된다. 따라서, 에너지 효율이 향상되며, 토출 구동 주파수가 높아지게 된다.

둘째, 잉크 공급 유로가 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되어 있어므로 잉크 액적의 토출 후에 잉크 챔버 내로 잉크가 신속하게 채워질 수 있게 되어 프린트 속도가 빨라지게 된다.

셋째, 히터의 플랜지 부위에서 생성되는 버블에 의해 잉크 챔버와 잉크 공급 유로 사이에 장벽이 형성되어 잉크의 역류가 방지되므로, 잉크의 토출 에너지가 분산되지 않으며, 인접한 다른 노즐과의 간섭이 발생하지 않게 된다.

Claims

잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 마련된 노즐 플레이트;

상기 노즐 플레이트를 지지하며, 그 상면에는 상기 노즐에 대향하여 오목한 3차원 형상의 표면을 가진 히터가 마련된 기판;

상기 기판의 상면에 마련되며 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극;

상기 노즐 플레이트의 저면과 상기 히터의 표면과의 사이에 형성된 공간으로서 잉크가 채워지는 잉크 챔버; 및

상기 잉크 챔버와 연통되도록 상기 노즐 플레이트와 상기 기판 사이에 형성되며 상기 잉크 챔버 내에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 유로;를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 히터의 오목한 표면 전체에 걸쳐 단위 면적당 발열량이 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 히터는 실질적으로 반구형의 형상으로 된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 히터는 그 테두리에 플랜지가 마련된 실질적으로 반구형의 형상으로 된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 4항에 있어서,

상기 플랜지는 상기 히터의 다른 부분보다 높은 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 상기 잉크 챔버의 둘레 전체와 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 6항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 상기 잉크 챔버의 둘레에 환상의 홈 형태로 형성되는 제1 유로와, 상기 제1 유로로부터 방사상으로 뻗어 나간 방사상 홈 형태의 제2 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 상기 노즐 플레이트의 저면에 소정 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 8항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 엑시머 레이저 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 상기 기판의 상면에 소정 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.
제 10항에 있어서,

상기 잉크 공급 유로는 에칭 및 박막 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드.