KR101432237B1 - 하이브리드형 잉크 토출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드형 잉크 토출 장치에 관한 것이며, 기판 측으로 잉크를 토출하기 위한 장치에 있어서, 내부에 잉크를 수용하고, 일단에 개구부를 형성하되, 타단으로 상기 잉크를 토출시키는 노즐팁을 형성하는 노즐; 상기 개구부 상에 마련되는 압전구동기, 상기 압전구동기의 상측에 마련되어 상기 압전구동기를 구동하기 위하여 전압을 인가받는 상부전극, 상기 노즐의 내부와 마주보도록 상기 압전구동기의 하측에 마련되어 상기 개구부를 마감하여 잉크가 상기 노즐팁 상에서 메니스커스로 형성되도록 상기 압전구동기에 의하여 변형하여 상기 노즐 내부에 물리적인 압력을 가하는 멤브레인전극을 구비하는 물리구동부; 노즐의 외부에 배치되어 전압을 인가받으며, 상기 노즐팁 상에서 메니스커스로 형성되는 잉크가 토출되도록 상기 멤브레인전극과의 사이에서 전기장을 형성하는 대향전극; 상기 대향전극과 상기 물리구동부에 각각 전압을 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 노즐의 상부를 개방하여 물리구동부를 배치하고, 상하측에 마련되는 전극으로 물리구동부를 구동시키는 동시에 전기장을 형성함으로써 미세직경의 잉크를 용이하게 토출할 수 있는 하이브리드형 잉크 토출 장치가 제공된다.

Description

하이브리드형 잉크 토출 장치{HYBRID-TYPE APPARATUS FOR INJECTING INK}

본 발명은 하이브리드형 잉크 토출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세직경의 잉크 액적을 토출할 수 있는 하이브리드형 잉크 토출 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유체를 액적의 형태로 분사시키는 액적분사장치는, 주로 잉크젯 프린터에 다양하게 적용되어 왔으며, 최근에는 디스플레이 공정장치, 인쇄회로기판 공정장치 및 DNA칩 제조공정과 같은 첨단의 고부가 가치 창출 분야에 적용하기 위해 응용 개발되고 있다.

상기 잉크젯 프린터(Ink Jet Printer)에 있어서, 잉크를 액적의 형태로 분사시키기 위한 잉크분사장치는, 크게 열구동 방식 및 압전작동기 방식으로 나뉜다.

이러한 열구동 방식 또는 압전작동기 방식의 잉크분사장치는, 토출에너지의 한계로 인하여 노즐을 통해 분사되는 액적의 크기를 작게 하는데 한계가 있고 토출할 수 있는 액체의 점성도에 한계가 있다는 문제점이 있다. 일반적으로 이들 잉크분사장치는 20 um 이하의 액적을 형성, 토출하기에 어려움이 있고, 50 cP 이상의 액체를 토출하는데 어려움이 있다고 알려져 있다.

이러한 종래의 잉크분사방법의 한계를 해결하기 위하여, 대향되는 전극에 전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 노즐로부터 잉크가 토출하도록 하는 정전기력을 이용한 잉크분사장치가 개발되었다.

특히, 특정한 주기로 액적을 토출하기 위한 정교한 제어방법의 하나로서 압전작동기 등의 물리적 제어장치를 이용하여 액면을 제어하고 정전기력을 이용하여 액적을 토출하는 하이브리드 방식이 제안되었다.

도 1은 종래의 정전기력을 이용하는 하이브리드 방식의 액적분사장치의 일례이다.

즉, 도 1을 참조하면, 종래의 정전기력을 이용하는 하이브리드 방식의 액적분사장치는 노즐 내부에 전극(13)을 설치하여 대향전극(14)과의 사이에서 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 동시에, 노즐(11)의 상단에 배치된 물리구동부(12)를 통하여 액적을 토출하였다.

그러나, 도 1에 도시된 종래의 정전기력을 이용하는 하이브리드 방식의 액적분사장치(10)는 다음과 같은 문제점 또는 극복해야 하는 단점들을 갖고 있다.

즉, 종래의 하이브리드 잉크분사방법에서 정전기력을 인가하는 전극(13)을 노즐(11) 내부에 위치시키고 있어 실제의 공정이 매우 복잡하고 전원제어부로의 연결이 쉽지 않은 문제를 갖고 있다.

또한, 노즐의 상단에 배치되는 물리구동부(12)에서 발생되는 진동을 액체로 전달하기 위한 별도의 멤브레인 구조물이 필요하여 공정 불량이 멤브레인 공정에서 많이 발생하였다.

더욱이, 멤브레인 구조 상단에 물리구동부를 접착시키는 과정이 매우 복잡하고, 그 과정에서 멤브레인이 파괴되는 문제점이 발생하고 있다. 또한, 종래의 장치에 의하면, 물리구동부의 상하에 인가되는 고전압의 제어장치(15)와 노즐(11)과 기판사이의 전기장 형성을 위한 고전압 인가장치(16) 및 제어장치가 별도로 구비되어야 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노즐의 상부를 개방하여 물리구동부를 배치하고, 상하측에 마련되는 전극으로 물리구동부를 구동시키는 동시에 전기장을 형성함으로써 미세직경의 잉크를 용이하게 토출할 수 있는 하이브리드형 잉크 토출 장치를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판 측으로 잉크를 토출하기 위한 장치에 있어서, 내부에 잉크를 수용하고, 일단에 개구부를 형성하되, 타단으로 상기 잉크를 토출시키는 노즐팁을 형성하는 노즐; 상기 개구부 상에 마련되는 압전구동기, 상기 압전구동기의 상측에 마련되어 상기 압전구동기를 구동하기 위하여 전압을 인가받는 상부전극, 상기 노즐의 내부와 마주보도록 상기 압전구동기의 하측에 마련되어 상기 개구부를 마감하며 상기 압전구동기에 의하여 변형하여 상기 노즐 내부에 물리적인 압력을 가하는 멤브레인 전극을 구비하는 물리구동부; 상기 노즐의 외부에 배치되되 상기 기판의 상기 노즐과 대향되는 면의 반대쪽 면 측에 배치되어 전압을 인가받으며, 상기 멤브레인 전극과의 사이에서 전기장을 형성하는 대향전극; 상기 대향전극과 상기 물리구동부에 각각 직류 또는 교류형 전압을 인가하는 전압인가부; 상기 노즐 상에서 상기 노즐팁을 둘러싸도록 배치되는 게이트 전극;을 포함하며, 상기 멤브레인 전극은 상기 대향전극과의 사이에서 전위차가 발생되도록 상기 전압인가부로부터 상기 대향전극에 인가되는 전압보다 더 큰 전압이 인가되고, 상기 상부전극에는 상기 멤브레인 전극에 인가되는 전압에서 펄스(pulse)전압이 중첩(superposition)되는 전압이 인가되며, 상기 멤브레인 전극은 상기 대향전극과의 사이에서 전기장을 형성하여 상기 노즐팁 상에 메니스커스를 형성하고, 상기 노즐 내부에 물리적인 압력을 가하여 상기 메니스커스를 상기 노즐팁으로부터 토출시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 잉크 토출 장치에 의해 달성된다.

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본 발명에 따르면, 별도의 멤브레인 없이 노즐의 상부를 개방하고 물리구동부를 배치하여, 물리구동부 자체를 멤브레인으로 이용함으로써 용이하게 가공할 수 있는 하이브리드형 잉크 토출 장치가 제공된다.

또한, 물리구동부 하측에 배치되는 전극을 압전작동기의 구동 및 전기장 형성을 위한 공통전극으로 이용함으로써, 미세직경 액적의 용이한 토출이 가능하다.

또한, 노즐팁을 둘러싸는 별도의 게이트 전극을 배치하여 기판과 노즐사이에 형성되는 전기장이 외부의 노이즈에 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

도 1은 종래의 정전기력을 이용하는 하이브리드 방식의 액적분사장치의 일례이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 잉크 토출장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 변형례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 각 전극에 인가되는 전압의 형태를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 변형례의 각 전극에 인가되는 전압의 형태를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 잉크 토출장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 잉크 토출장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 잉크 토출장치(100)는 별도의 전압이 인가되는 전극을 멤브레인으로 사용하여 구조를 단순화한 잉크 토출 장치로서, 노즐(110)과 물리구동부(120)와 대향전극(130)과 게이트 전극(140)과 전압인가부(150)와 제어부(160)를 포함한다.

상기 노즐(110)은 잉크를 직접적으로 토출하기 위한 것으로서, 내부에 잉크가 수용되도록 소정의 공간이 형성된다. 또한, 내부 압력이 조절하는 물리구동부(120)가 배치될 수 있도록 개구부(111)가 상단에 형성되며, 하단으로는 잉크를 토출할 수 있도록 노즐팁(112)이 형성된다.

한편, 노즐(110)의 상단 개구부(111)의 면적 및 형상은 후술하는 물리구동부(120)의 면적을 고려하여 결정한다. 또한, 본 실시예에서 노즐(110) 하단의 노즐팁(112)은 단면이 도 2(b)에서와 같이 원형이거나, 도 2(c)에서와 같이 사각형 형상으로 형성되나, 이에 제한되지 않고 토출되는 잉크 액적의 직경을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.

도 3은 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 변형례를 개략적으로 도시한 것이다.

또한, 본 실시예서는 노즐팁(112)은 노즐(110)의 하단면으로부터 수직하방으로 연장되나, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 변형례에서 노즐팁(112)은 노즐(110)의 하단면으로부터 경사를 형성하며 폭이 점점 좁아지는 형태로 형성될 수도 있다.

상기 물리구동부(120)는 상술한 노즐(110) 내부의 압력을 물리적으로 조절하기 위한 것으로서, 노즐(110)의 개구부(111)의 상단에 개구부(111)를 마감하도록 배치되며, 압전구동기121)와 상부전극(122)과 멤브레인전극(123)을 포함한다.

상기 압전구동기(121)는 전기적 에너지를 물리적 에너지로 변환하기 위한 판형상의 피에조(piezo) 소자로 마련되며, 후술하는 상부전극(122)과 멤브레인전극(123)의 사이에 개재된다.

상기 상부전극(122)은 하부전극(123)과 함께 압전구동기(121)를 구동하기 위한 전압을 인가받기 위한 것으로서, 압전구동기(121)의 상측에 마련되는 박막의 전극이다.

상기 멤브레인전극(123)은 상부전극(122)과 함께 전압을 인가받아 압전구동기(121)를 구동시키고, 압전구동기(121)와 함께 물리적으로 변형하여 노즐(110) 내부의 공간을 가압하는 동시에, 인가받는 전압을 통하여 후술하는 대향전극(130)과의 사이에서 전위차를 형성하기 위한 박막의 전극이다.

따라서, 압전구동기(121)와 상부전극(122)과 멤브레인전극(123)의 3중 적층식 구조로 구성되는 물리구동부(120)는 노즐(110)의 개구부(111)를 마감하여 잉크의 누설을 방지하는 동시에, 물리적 변형을 일으킴으로써 노즐(110) 내부의 공간을 가압하여 압력을 증가시키는 역할을 한다. 이와 동시에, 압전구동기(121) 구동시에 인가되는 전압에 의하여 멤브레인전극(123)과 대향전극(130)과의 사이에서는 전위차를 형성하며, 이러한 작동에 대해서는 후술한다.

상기 대향전극(130)은 노즐(110)과 대향되는 기판(S)의 면의 반대쪽 면 상에 구비되는 전극으로서, 전압인가부(150)로부터 전압을 제공받아 상술한 멤브레인전극(123)과의 사이에서 전위차를 형성한다.

상기 게이트 전극(140)은 노즐(110) 상에서 노즐팁(112)을 둘러싸는 구조로 마련되는 전극으로서, 멤브레인전극(123)과 대향전극(130)의 사이에서 발생하는 전기장을 보호하기 위한 전극이다.

한편, 멤브레인전극(123)과 대향전극(130) 사이, 즉, 노즐(110)과 기판(S) 사이에서 전기장을 형성할 수 있는 구조라면 대향전극(130)의 위치는 본 실시예에서 상술한 내용에 제한되지 않는다.

상기 전압인가부(150)는 상술한 물리구동부(120)의 상부전극(122) 및 멤브레인전극(123)과, 대향전극(130) 및 게이트전극(140)에 전압을 제공한다.

상기 제어부(160)는 전압인가부(150)와 연결되어, 각 전극에 인가되는 전압량, 형태, 타이밍 등의 조건을 제어한다.

지금부터는 상술한 하이브리드형 잉크 토출 장치의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 4는 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 각 전극에 인가되는 전압의 형태를 개략적으로 도시한 것이다.

먼저, 노즐(110) 내부에 잉크가 공급되고, 제어부(160)는 전압인가부(150)를 제어하여 게이트 전극(140) 및 대향전극(130)과 물리구동부(120)의 멤브레인전극(123)에 전압이 인가되도록 한다.

이때, 도 4를 참조하면 각 전극에는 서로 다른 크기의 전압이 인가되는데, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 멤브레인전극(123)에는 도 4(c)에 도시된 게이트 전극(140) 및 도 4(d)에 도시된 대향전극(130)에 인가되는 직류전압보다 높은 직류전압이 인가된다.

노즐(110)의 개구부(111) 상에 구비되는 멤브레인전극(123)과 기판(S) 하측에 구비되는 대향전극(130) 사이에 형성되는 전기장에 의하여 노즐 내부의 잉크는 기판(S)측으로 밀려나감으로써 잉크는 노즐팁(112) 상에서 메니스커스(meniscus)를 형성한다.

또한, 잉크가 노즐팁(112) 상에서 메니스커스를 형성한 상태에서 제어부(160)가 각 전극에 더욱 큰 전압을 인가하여 노즐(110)과 기판(S) 사이에 더 높은 전위차가 형성되면 잉크는 노즐팁(112) 단부에서 테일러콘(Taylor's cone)을 형성한다.

이와 동시에, 제어부(160)는 물리구동부(120)가 구동되도록 전압인가부(150)로부터 상부전극(122)에 펄스(pulse) 전압(p)이 인가되도록 한다. 이때, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상부전극(122)에는 멤브레인전극(123)에 인가되는 직류 전압에서 펄스(pulse)전압(p)이 중첩(superposition)되는 형태의 전압이 인가된다.

멤브레인전극(123)에 전압이 인가된 상태에서 상부전극(122)에 펄스전압(p)이 인가되면, 상부전극(123)과 접촉한 압전구동기(121)가 물리적으로 변형되고, 압전구동기(121)의 하단에 장착되는 멤브레인전극(123) 역시 물리적으로 변형을 일으켜 노즐(110) 내부를 가압한다.

멤브레인전극(123)에 의하여 가압되는 노즐(110)의 내부는 압력이 증가하여 노즐(110) 내부에 수용되는 잉크를 노즐팁(112) 측으로 밀어내고, 상술한 작동원리에 의하여 노즐팁(112) 단부에서 테일러콘을 형성하는 잉크는 테일러콘으로부터 떨어져 나감으로써 액적의 형태로 기판(S) 측으로 토출된다.

즉, 노즐로부터 잉크 액적이 토출되는 타이밍은 제어부(160)가 상부전극(122)에 인가되는 펄스전압(p)의 타이밍을 조절함으로써 제어될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 전압인가부(150)로부터 게이트 전극(140에 전압이 인가되면, 게이트 전극(140)은 멤브레인전극(123)과 대향전극(130) 사이에서 형성되는 전기장을 외부의 노이즈로부터 보호한다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 멤브레인전극(123)을 전기장을 형성하는 전극으로 이용하는 동시에 물리구동부(120)를 구동하기 위한 공통전극으로 이용하고 전기장을 형성하기 위한 별도의 전극을 추가하지 않으므로 전체적으로 생산단가가 절감되고, 가공이 용이한 잉크 토출 장치가 제공될 수 있다.

도 5는 도 2의 하이브리드형 잉크 토출장치의 변형례의 각 전극에 인가되는 전압의 형태를 개략적으로 도시한 것이다.

한편, 본 실시예에서는 대향전극(130), 멤브레인전극(123)에 직류전압이 인가되는 것으로 설명하였으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 변형례에서는, 제어부(160)가 전압인가부(150)를 제어하여 멤브레인전극(123)(도 5b), 대향전극(130)(도 5d) 교류전압이 인가되도록 하고, 상부전극(122)(도 5a)에는 멤브레인전극(123)에 인가되는 교류전압에 펄스전압(p)이 중첩된 전압을 인가할 수도 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110 : 노즐 120 : 물리구동부
130 : 대향전극 140 : 게이트 전극
150 : 전압인가부 160 : 제어부

Claims (6)

1. 기판 측으로 잉크를 토출하기 위한 장치에 있어서,
   내부에 잉크를 수용하고, 일단에 개구부를 형성하되, 타단으로 상기 잉크를 토출시키는 노즐팁을 형성하는 노즐;
   상기 개구부 상에 마련되는 압전구동기, 상기 압전구동기의 상측에 마련되어 상기 압전구동기를 구동하기 위하여 전압을 인가받는 상부전극, 상기 노즐의 내부와 마주보도록 상기 압전구동기의 하측에 마련되어 상기 개구부를 마감하며 상기 압전구동기에 의하여 변형하여 상기 노즐 내부에 물리적인 압력을 가하는 멤브레인 전극을 구비하는 물리구동부;
   상기 노즐의 외부에 배치되되 상기 기판의 상기 노즐과 대향되는 면의 반대쪽 면 측에 배치되어 전압을 인가받으며, 상기 멤브레인 전극과의 사이에서 전기장을 형성하는 대향전극;
   상기 대향전극과 상기 물리구동부에 각각 직류 또는 교류형 전압을 인가하는 전압인가부;
   상기 노즐 상에서 상기 노즐팁을 둘러싸도록 배치되는 게이트 전극;을 포함하며,
   상기 멤브레인 전극은 상기 대향전극과의 사이에서 전위차가 발생되도록 상기 전압인가부로부터 상기 대향전극에 인가되는 전압보다 더 큰 전압이 인가되고,
   상기 상부전극에는 상기 멤브레인 전극에 인가되는 전압에서 펄스(pulse)전압이 중첩(superposition)되는 전압이 인가되며,
   상기 멤브레인 전극은 상기 대향전극과의 사이에서 전기장을 형성하여 상기 노즐팁 상에 메니스커스를 형성하고, 상기 노즐 내부에 물리적인 압력을 가하여 상기 메니스커스를 상기 노즐팁으로부터 토출시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 잉크 토출 장치
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