KR100745758B1 - 압전 액츄에이터를 채용한 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 압력 챔버를 가진 유로형성 기판과, 이 유로 형성기판의 상부에 형성되어 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 프린트헤드로서, 압전 액츄에이터는, 유로형성 기판의 상부에 압력 챔버에 대응되게 마련되는 압전막과, 이 압전막의 길이방향으로 교대로 배열되는 복수의 커먼전극과 복수의 구동전극을 포함한다.

Description

압전 액츄에이터를 채용한 잉크젯 프린트헤드{Ink-jet printhead adopting piezoelectric actuator}

도 1은 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 도시한 수직 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 평면도.

도 3은 도 2에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 수직단면도.

도 4는 도 2에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 작용을 설명하기 위한 수직 단면도.

도 5a와 도 5b는 도 2에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예에 의한 잉크 토출 동작을 보여주는 도면들.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...유로형성 기판 111...압력 챔버

112...리스트릭터 113...매니폴드

114...진동판 120...노즐 기판

122...노즐 131...절연층

140...압전 액츄에이터 141...커먼 전극

142...압전막 143...상부 전극

본 발명은 압전 방식에 의하여 잉크를 토출하는 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

도 1은 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 도시한 수직 단면도이다. 도 1을 참조하면, 유로형성 기판(10)에는 잉크 유로를 구성하는 매니폴드(13), 다수의 리스트릭터(12) 및 다수의 압력 챔버(11)가 형성되어 있으며, 노즐 기판(20)에는 다수의 압력 챔버(11) 각각에 대응하는 다수의 노즐(22)이 형성되어 있다. 그리고, 유로형성 기판(10)의 상부에는 압전 액츄에이터(40)가 마련되어 있다. 매니폴드(13)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(11) 각각으로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(12)는 매니폴드(13)로부터 압력 챔버(11) 내부로 잉크가 유입되는 통로이다. 다수의 압력 챔버(11)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 매니폴드(13)의 일측 또는 양측에 배열되어 있다. 압력 챔버(11)는 압전 액츄에이터(40)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 이를 위해, 유로형성 기판(10)의 압력 챔버(11) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(40)에 의해 변형되는 진동판(14)의 역할을 하게 된다.

압전 액츄에이터(40)는 유로형성 기판(10) 위에 순차 적층된 하부 전극(41)과, 압전막(42)과, 상부 전극(43)을 포함한다. 하부 전극(41)과 유로형성 기판(10) 사이에는 절연막으로서 실리콘 산화막(31)이 형성되어 있다. 하부 전극(41)은 실리콘 산화막(31)의 전 표면에 형성되며, 공통 전극의 역할을 하게 된다. 압전막(42)은 압력 챔버(11)의 상부에 위치하도록 하부 전극(41) 위에 형성된다. 상부 전극(43)은 압전막(42) 위에 형성되며, 압전막(42)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. 상부 전극(43)에는 전압 인가용 플렉시블 인쇄 회로(FPC; Flexible Printed Circuit, 50)가 연결된다.

상부 전극(43)에 구동펄스를 인가하면, 압전막(42)이 변형되면서 진동판(14)을 변형시켜 압력 챔버(11)의 부피를 변화시킨다. 이에 의하여 압력 챔버(11) 내부의 잉크가 노즐(22)을 통하여 토출된다. 다양한 점도의 잉크를 효과적으로 토출하기 위하여는 진동판(14)의 변위를 가급적 크게 할 필요가 있다. 진동판(14)의 변위는 압전막(42)의 횡방향의 길이의 변화량에 의존된다. 압전막(42)의 횡방향의 길이의 변화량은 압전막(42)의 횡방향의 길이와 구동전압의 크기에 의존된다. 그런데, 압전막(42)의 횡방향의 길이는 압력 챔버(11)의 길이에 의하여 한정된다. 따라서, 도 1에 도시된 압전 액츄에이터에 따르면 진동판(14)의 변위를 크게 하기 위하여는 구동전압의 크기를 크게 하여야 한다. 또, 압전막(42)의 횡방향의 길이의 변화량은 압전막(42)의 두께의 균일도에도 의존된다. 압전막(42)의 두께가 불균일하면 그 만큼 압전막(42)의 횡방향의 길이의 변화량도 영향을 받게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 낮은 구동전압으로 작동되고 압전막의 두께 균일도에 영향을 덜 받는 압전방식 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전방식 잉크젯 프린트헤드는, 압력 챔버를 가진 유로형성 기판과, 상기 유로 형성기판의 상부에 형성되어 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는, 상기 유로형성 기판의 상부에 상기 압력 챔버에 대응되게 마련되는 압전막; 상기 압전막의 길이방향으로 교대로 배열되는 복수의 커먼전극과 복수의 구동전극;을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 유로형성 기판과 상기 압전 액츄에이터 사이에는 절연층이 마련된다.

일 실시예로서, 상기 복수의 커먼전극과 상기 복수의 구동전극은 상기 압전막의 상부에 형성된다.

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이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다. 이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 평면도이고, 도 3은 도 2에 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 도시된 압전막의 길이 방향을 따른 구조를 도시한 수직 단면도이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 잉크유로가 형성된 유로형성 기판(110)과, 잉크 토출압력을 제공하기 위한 안전 액츄에이터(140)를 포함한다. 유로형성 기판(110)에는 압력 챔버(111)와, 압력 챔버(111)에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(113) 및 리스트릭터(112)를 구비한다. 유로형성 기판(110)에는 압력 챔버(111)로부터 잉크를 토출시키기 위한 노즐(122)이 형성된 노즐 기판(120)이 접 합된다. 압력 챔버(111)의 상부에는 압전 액츄에이터(140)의 구동에 의해 변형되는 진동판(114)이 마련된다. 유로형성 기판(110)과 노즐 기판(120)에 의하여 잉크유로가 정의된다.

압전 액츄에이터(140)는 유로형성 기판(110)의 상부에 형성되어, 압력 챔버(111)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 역할을 한다. 압전 액츄에이터(140)는, 공통 전극의 역할을 하는 커먼 전극(141)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(142)과, 구동 전압이 인가되는 구동 전극(143)을 구비한다. 커먼 전극(141), 압전막(142) 및 구동 전극(143)은 유로형성 기판(110) 위에 적층된다.

유로형성 기판(110)이 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우에는, 압전 액츄에이터(140)와 유로형성 기판(110) 사이에는 절연층(131)이 마련되는 것이 바람직하다. 절연층(131)은 일 예로서, 유로형성기판(110)의 상면에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성되는 실리콘 산화막일 수 있다.

페이스트 상태의 압전물질을 절연층(131) 위에 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 소정 두께로 도포함으로써 압전막(142)을 형성한다. 압전막(142)은 압력 챔버(111)에 대응하는 위치에 형성된다. 압전물질로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트헤드는 압전막(142)을 길이방향으로 복수의 섹션으로 구분하고, 각 섹션에 길이방향으로 분할된 복수의 구동 전계를 인가하는 것을 특징으로 한다. 이를 위하여, 도 2를 참조하면, 압전막(142)의 길이방 향으로 복수의 커먼 전극(141)과 복수의 구동 전극(143)이 교대로 배열되어 있다.

커먼 전극(141)과 구동 전극(143)은 도전성을 가진 금속 물질로 이루어진다. 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)은 하나의 금속층으로 이루어질 수도 있며, Ti 층과 Pt 층의 두 개의 금속층으로 이루어질 수도 있다. 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)은 절연층(131)과 압전막(142)의 표면에 Ti와 Pt를 각각 스퍼터링(sputtering)에 의해 소정 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 또, 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)은 압전막(142) 위에 도전성 금속 물질, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 스크린 프린팅함으로써 형성될 수도 있다. Ag-Pd 페이스트를 스크린 프린팅하여 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)을 형성한 경우에는 압전막(142)과 커먼 전극(141) 및 구동 전극(143)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨다. 그 후에, 압전막(142)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(poling) 공정을 수행한다. 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)은 압전막(142)과 절연층(131) 사이에 형성될 수도 있다.

도 4를 참조하여, 상술한 구동방법에 의한 압전막(142)의 변위의 계산예를 살펴본다. 도 4를 보면, 압전막(142)의 길이방향으로 각각 100개 씩의 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)을 배치한다. 그러면, 압전막(142)은 199개의 섹션(S)으로 구분된다. 압전막(142)의 길이를 3000㎛, 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)의 폭을 5㎛으로 하면, 각 섹션(S)의 길이는 10.05㎛ 정도가 되며, 이하에서는 편의상 10㎛으로 본다. 그러면, 압전막(142)의 총 유효길이는 199×10㎛ = 1990㎛이 된다. 구동 전극(143)에 구동전압을 인가하여 각 섹션(S)에 구동전계를 형성한다. 그러면, 압전막(142)이 분극방향과 동일한 방향으로 인장된다. 압전막(142)의 분극방향의 길이의 변화율(Lr)은 아래의 식에 의하여 표현될 수 있다.

Lr = d₃₃×E₃

= d₃₃×V₃/L₃

= -2×d₃₁×V₃/L₃

여기서, d₃₃은 길이방향(분극방향과 동일한 방향)의 압전상수(longitudinal piezoelectric coefficient)이며, E₃는 전기장의 세기이다. V₃는 구동 전극(143)에 인가되는 전압이며, L₃는 섹션(S)의 길이다.

d₃₃은 횡방향(분극방향에 직각인 방향)의 압전상수(transversal piezoelectric coefficient)인 d₃₁의 약 2배이다. 따라서, 압전막(142)의 분극방향의 길이의 변화율(Lr)은 아래의 식으로 표시될 수 있다.

Lr = -2×d₃₁×V₃/L₃

일 예로써, d₃₁ = -100×10^-12m/V(부호 "-"는 압전막(142)의 길이가 축소됨을 의미한다), V₃ = 65V, L₃ = 10㎛을 상기 식에 대입하면, Lr = 1300㎛/m이다. Lr에 압전막(142)의 총유효길이 1990㎛을 곱하면, 압전막(142)의 총길이 변화량은 2.587㎛ = 2587nm가 된다. 결과적으로, 길이 3000㎛의 압전막(142)을 단위 길이가 10㎛ 인 199개의 섹션(S)으로 나누고 각 섹션(S)에 폭이 각각 5㎛인 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)을 설치한 경우에, 압전막(142)의 길이의 총변화량은 2587nm가 된다.

도 1에 도시된 종래의 압전 액츄에이터(40)의 압전막(42)의 길이의 변화량을 계산해 본다. 압전막(42)의 분극방향은 압전막(42)의 두께방향이며, 상부 전극(43)에 인가되는 구동전압에 의하여 압전막(42)은 두께방향으로 늘어난다. 따라서, 압전막(42)은 두께방향에 직각인 방향으로는 축소된다. 압전막(42)의 두께(T)를 25㎛, 압전막(42)의 길이(L)를 3000㎛, 상부 전극(43)에 65V의 구동전압(V3)을 인가한 경우에,

압전막(42)의 길이의 변화량 = d₃₁×E₃×L

= (d₃₁×V₃/T)×L

= (-100×10^-12×65/25×10^-6)×3000 = -780nm이다. 즉, 압전막(42)의 길이는 780nm 축소되었다.

두 결과를 비교해 보면, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터(140)의 변위는 종래의 압전 액츄에이터(40)의 변위의 약 3.3배가 된다. 이와 같은 간단한 계산의 결과로부터, 압전막(142)을 길이방향으로 다수의 섹션(S)으로 나누고 각 섹션(S)에 구동전계를 인가하면, 다른 조건, 예를 들면 압전막(142)의 두께, 길이, 구동전압의 크기가 동일하더라도 종래의 압전 액츄에이터(40)에 비하여 변위를 획기적으로 늘일 수 있음을 확인할 수 있다.

도 4에서 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)의 개수를 각각 n/2, 압전막(142)의 전체 길이를 L, 각 섹션(S)의 길이를 L₃라 하면, 압전막(142)의 유효 총길이는 (n-1)×L₃이 된다. 따라서, 압전막(142)의 길이변화량은

(-2×d₃₁×E3)×(n-1)×L₃

= (-2×d₃₁×V₃/L₃)×(n-1)×L₃

= -2×d₃₁×V₃×(n-1)가 된다.

즉, 압전막(142)의 길이변화량은 섹션(S)의 수가 많을수록, 다시 말하면, 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)의 폭과 각 섹션(S)의 길이(L3)가 작을수록 증가된다. 따라서, 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터(140)에 의하면 압전막(142)의 크기가 동일하고 구동전압(V3)이 동일한 경우에 종래의 압전 액츄에이터보다 큰 변위를 얻을 수 있다. 종래의 압전 액츄에이터(40)는 압전막(42)의 변형량을 산출함에 있어서 분극방향에 직각인 횡방향(압전막(42)의 두께방향)의 압전상수(d₃₁)를 사용한다. 따라서, 압전막(42)의 두께의 균일성이 유지되어야만 안정적인 구동특성을 얻을 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 잉크젯 프린터의 압전 액츄에이터(140)는 압전막(142)의 변형량을 산출함에 있어서 분극방향과 동일한 방향(압전막(142)의 길이방향)인 종방향의 압전상수(d₃₃)를 사용한다. 따라서, 압전막(142)의 두께의 균일성이 다소 떨어지더라도 이에 의하여 압전막(142)의 변위에 큰 변화가 생기지는 않으며, 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)이 균일하게 형성된다면 균일한 변위를 갖는 압전 액츄에이터(140)의 구현이 가능하다. 이에 의하여, 균일한 품질의 화상을 인쇄할 수 있는 잉크젯 프린트헤드의 구현이 가능하다.

또, 얻고자 하는 압전 액츄에이터(140)의 변위가 동일할 경우에 압전막(142)을 복수의 섹션(S)으로 나눔으로써 구동전압을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서, 저전압 구동이 가능한 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구현이 가능하다.

또, 압전막(142)의 하부와 상부에 각각 전극(41)(43)이 형성된 종래의 잉크젯 프린트헤드에 따르면, 유로형성 기판(110) 상에 실리콘 산화막(31)을 형성한 후에, 그 위에 하부 전극(41)을 형성한다. 다음으로 하부 전극(41) 위에 압전막(42)을 형성한다. 그런 다음에 압전막(42) 위에 상부 전극(143)을 형성한다. 하지만, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 따르면, 유로형성 기판(110) 위에 실리콘 산화막으로 된 절연층(131)을 형성하고 그 위에 압전막(142)을 형성한다. 그런 다음에 압전막(142)과 절연층(131) 위에 커먼 전극(141)과 구동 전극(143)을 동시에 형성할 수 있다. 따라서, 종래의 잉크젯 프린트헤드와 비교할 때에 전극(141)(143)을 형성하는 공정이 간소화되어 제조비용을 줄일 수 있다.

도 5a를 보면, 본 발명의 잉크젯 프린트헤드에 따르면, 구동 전극(143)에 구동전압을 인가하면, 압전막(142)의 길이가 늘어나면서 진동판(114)이 위쪽으로 변형되어 압력 챔버(111)의 부피가 증가된다. 이에 의하여 도시되지 않은 잉크저장부로부터 매니폴드(113), 리스트릭터(112)를 통하여 압력 챔버(111)로 잉크가 유입된다. 구동 전극(143)에 인가된 구동전압이 제거되면 도 5b에 도시된 바와 같이 압전 막(142)과 진동판(114)이 원 상태로 복귀되면서 압력 챔버(111)의 부피가 다시 줄어든다. 이 부피의 변화에 의하여 압력 챔버(11) 내에 형성된 압력파에 의하여 노즐(122)을 통하여 잉크가 토출된다. 펄스 형태의 구동전압을 구동전극(143)에 인가함으로써 반복적으로 잉크를 토출할 수 있다.

본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 구동방법은 압전 액츄에이터(140)의 압전막(142)을 길이방향으로 다수의 섹션(S)으로 분할하고 각 섹션(S)에 각각 구동전계를 인가할 수 있도록 된 전극(141)(143)의 구조와 구동방법에 그 특징이 있다. 따라서, 도 2와 도 3에 도시된 유로형성 기판(110)과 노즐 기판(120)의 구조는 단지 일 례에 불과하다. 즉, 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에는 다양한 구조의 잉크 유로가 마련될 수 있다. 이러한 잉크 유로는 도 3에 도시된 두 개의 기판(110, 120)이 아니라 그 보다 많은 다수의 기판을 사용하여 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 압전막을 길이방향으로 다수의 섹션으로 나누고 각 섹션에 구동전계를 인가함으로써 압전막의 크기와 구동전압의 크기가 동일할 때에 종래의 압전 액츄에이터에 비하여 변위를 획기적으로 늘일 수 있다.

둘째, 얻고자 하는 압전 액츄에이터의 변위가 동일할 경우에 압전막을 복수의 섹션으로 나눔으로써 구동전압을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서, 저전압 구동이 가능한 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구현이 가능하다.

셋째, 본 발명에 따른 잉크젯 프린터의 압전 액츄에이터는 압전막의 변형량을 산출함에 있어서 종방향의 압전상수(d₃₃)를 사용하기 때문에 압전막의 변형량이 압전막의 두께의 영향을 덜 받는다.

넷째, 압전막 위에 커먼 전극과 구동 전극을 동시에 형성할 수 있기 때문에 전극을 형성하는 공정이 간소화되어 제조비용을 줄일 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 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.

Claims (4)

1. 압력 챔버를 가진 유로형성 기판과, 상기 유로 형성기판의 상부에 형성되어 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는,

   상기 유로형성 기판의 상부에 상기 압력 챔버에 대응되게 마련되는 압전막;

   상기 압전막의 길이방향으로 교대로 배열되는 복수의 커먼전극과 복수의 구동전극;을 포함하며,

   상기 복수의 구동전극과 복수의 커먼전극은 상기 압전막의 상부표면으로부터 외측으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 유로형성 기판과 상기 압전 액츄에이터 사이에는 절연층이 마련된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
3. 삭제
4. 삭제

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