KR20020050561A - Ink-jet print head having electrohydrodynamic pump and method for supplying ink to ink chamber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기유체역학적 펌프가 구비된 잉크 젯 프린트 헤드 및 잉크 챔버에 잉크를 공급하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bubble jet ink jet print head, and more particularly, to a method of supplying ink to an ink jet print head and an ink chamber equipped with an electrohydrodynamic pump.
일반적으로 잉크 젯 프린트 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.In general, an ink jet print head is an apparatus for ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on a recording sheet to print an image of a predetermined color. As an ink ejection method of such an ink jet printer, an electro-thermal transducer (bubble jet method) in which a bubble is generated in the ink by using a heat source to eject ink by this force, and a piezoelectric body are used. Therefore, there is an electro-mechanical transducer in which ink is ejected by a volume change of ink caused by deformation of the piezoelectric body.
도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 중 일례로서, 미국특허 US 4882595호에 개시된 잉크 토출부 구조를 나타내 보인 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.1A and 1B are cut-away perspective views showing an ink ejection unit structure disclosed in US Pat. No. 48,825,95, and a cross-sectional view for explaining an ink droplet ejection process, as an example of a conventional bubble jet ink jet print head.
도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(19)가 채워지는 잉크 챔버(13)를 형성하는 격벽부재(12)와, 잉크 챔버(13) 내에 설치되는 히터(14)와, 잉크 액적(19')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐판(11)을 포함하고 있다. 상기 잉크 챔버(13) 내에는 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 채워지며, 잉크 챔버(13)와 연통된 노즐(16) 내에도 모세관 현상에 의해 잉크(19)가 채워진다. 이와 같은 구성에 있어서, 히터(14)에 전류가 공급되면 히터(14)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, 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 흡입되면서 챔버(13)에 다시 잉크(19)가 채워진다.The conventional bubble jet type ink jet print head shown in FIGS. 1A and 1B has a partition wall that forms a substrate 10 and an ink chamber 13 provided on the substrate 10 and filled with ink 19. The member 12, the heater 14 provided in the ink chamber 13, and the nozzle plate 11 in which the nozzle 16 which discharges the ink droplet 19 'are formed are included. The ink 19 is filled in the ink chamber 13 through the ink channel 15, and the ink 19 is also filled in the nozzle 16 in communication with the ink chamber 13 by capillary action. In such a configuration, when current is supplied to the heater 14, the bubble 14 is formed in the ink 19 filled in the chamber 13 while the heater 14 is heated. Thereafter, the bubble 18 continuously expands, and thus pressure is applied to the ink 19 filled in the chamber 13 to push the ink droplet 19 'out through the nozzle 16. Then, the ink 19 is filled in the chamber 13 again while the ink 19 is sucked through the ink channel 15.
그런데, 이와 같은 버블 젯 방식의 잉크 토출부를 가지는 잉크 젯 프린트 헤드는 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 선명한 화질을 얻기 위해서는, 토출되는 주 액적(main droplet)에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)의 생성이 가능한 한 억제되어야 한다. 셋째, 하나의 노즐에서 잉크를 토출하거나 잉크의 토출후 잉크 챔버로 잉크가 다시 채워질 때, 잉크를 토출하지 않는 인접한 다른 노즐과의 간섭(cross talk)이 가능한 한 억제되어야 한다. 이를 위해서는 잉크 토출시 노즐 반대방향으로 잉크가 역류하는 현상(back flow)을 억제하여야 한다. 넷째, 고속 프린트를 위해서는, 가능한 한 잉크 토출후리필(refill)되는 주기가 짧아야 한다. 즉, 구동 주파수가 높아야 한다.By the way, an ink jet print head having such a bubble jet ink ejecting portion must satisfy the following requirements. First, the production should be as simple as possible, inexpensive to manufacture, and capable of mass production. Second, in order to obtain clear picture quality, the generation of fine satellite droplets smaller than the main droplets following the main droplets to be discharged should be suppressed as much as possible. Third, when ejecting ink from one nozzle or refilling the ink into the ink chamber after ejecting the ink, cross talk with other adjacent nozzles that do not eject ink should be suppressed as much as possible. To this end, it is necessary to suppress back flow of ink in the opposite direction of the nozzle during ink ejection. Fourthly, for high speed printing, the period of refilling after ejecting ink should be as short as possible. In other words, the driving frequency must be high.
그런데, 이러한 요건들은 서로 상충하는 경우가 많고, 또한 잉크 젯 프린트 헤드의 성능은 결국 잉크 챔버, 잉크 유로 및 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태, 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.However, these requirements often conflict with each other, and the performance of the ink jet print head is in turn closely related to the structure of the ink chamber, the ink flow path and the heater, the resulting bubble formation and expansion, or the relative size of each element. have.
이에 따라, 상술한 미국특허 US 4882595호 이외에도 US 4339762호, US 5760804호, US 4847630호, US 5850241호, 유럽특허 EP 317171호, Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim, and Chih-Ming Ho, "A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck", IEEE MEMS '98, pp.57-62 등 다양한 구조의 잉크 젯 프린트 헤드가 제안되었다. 그러나, 이들 특허나 문헌에 제시된 구조의 잉크 젯 프린트 헤드는 전술한 요건들 중 일부는 만족할지라도 전체적으로 만족할 만한 수준은 아니다.Accordingly, in addition to the aforementioned US patent US 4882595, US 4339762, US 5760804, US 4847630, US 5850241, EP EP 317171, Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim, and Chih-Ming Ho, " A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck ", IEEE MEMS '98, pp.57-62, have been proposed ink jet print heads of various structures. However, the ink jet print heads of the structures shown in these patents and documents are not entirely satisfactory, although some of the above requirements are satisfied.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 전술한 요건들을 만족시킬 수 있도록 잉크 챔버의 형상이 반구형으로 되어 있으며 잉크가 보다 빨리 잉크 챔버에 공급될 수 있도록 전기유체역학적 펌프가 구비된 잉크 젯 프린트 헤드 및 전기유체역학적 펌프를 이용하여 잉크 챔버에 잉크를 공급하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in particular, the shape of the ink chamber is hemispherical so as to satisfy the above-mentioned requirements, and the electrohydrodynamic so that ink can be supplied to the ink chamber more quickly. It is an object of the present invention to provide a method of supplying ink to an ink chamber using an ink jet print head equipped with a pump and an electrohydrodynamic pump.
도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드의 일례를 나타내 보인 잉크 토출부의 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.1A and 1B are cutaway perspective views and a cross-sectional view for explaining an ink droplet ejection process showing an example of a conventional bubble jet ink jet printing head.
도 2는 본 발명에 따른 전기유체역학적 펌프가 구비된 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도이다.2 is a schematic plan view of an ink jet print head equipped with an electrohydrodynamic pump according to the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 잉크 토출부를 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4a 내지 4c는 각각 도 3의 A-A, B-B, C-C 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도들이다.3 is an enlarged plan view of the ink ejecting portion illustrated in FIG. 2, and FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating vertical structures of the ink ejecting portions along the lines A-A, B-B, and C-C of FIG. 3, respectively.
도 5는 도 3에 도시된 잉크 토출부의 변형예를 도시한 평면도이다.FIG. 5 is a plan view showing a modification of the ink ejecting portion shown in FIG. 3.
도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위한 도 3의 C-C선을 따른 단면도들이다.6A and 6B are cross-sectional views taken along line C-C of FIG. 3 for explaining a mechanism of discharging ink from the ink ejecting portion shown in FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100,100'...잉크 토출부 110...기판100,100 '... ink discharge section 110 ... substrate
112...매니폴드 114...잉크 챔버112 Manifold 114 Ink chamber
116,116'...잉크 채널 120...노즐판116,116 '... ink channel 120 ... nozzle plate
122...노즐 124,124'...잉크 채널 형성용 홈122 ... Nozzle 124,124 '... Inch channel forming groove
130,103'...히터 150...히터용 전극130,103 '... heater 150 ... heater electrode
160, 160'...전계형성 전극160, 160 '... field forming electrode
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크를 공급하는 매니폴드와, 실질적으로 반구형의 형상을 가지며 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성된기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 잉크 챔버에 대응되는 위치에는 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성되고, 상기 잉크 채널에 대응되는 위치에는 잉크 채널 형성용 홈이 형성된 노즐판; 상기 노즐판 상에 마련되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 상기 노즐판 상에 마련되며, 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 히터용 전극; 및 상기 잉크 채널 상부의 상기 노즐판 상에 잉크의 공급 방향을 따라 서로 소정 간격을 두고 배치되어, 상기 잉크 채널 내부에 진행전계를 형성함으로써 잉크를 전기유체역학적으로 펌핑하기 위한 복수의 전계형성 전극;을 구비하는 잉크 젯 프린트 헤드를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a manifold for supplying ink, an ink chamber having a substantially hemispherical shape and filled with ink to be ejected, and ink for supplying ink from the manifold to the ink chamber. A substrate having integrally formed channels; A nozzle plate stacked on the substrate and having a nozzle for ejecting ink at a position corresponding to the ink chamber, and having a groove for forming an ink channel at a position corresponding to the ink channel; A heater provided on the nozzle plate and formed in an annular shape surrounding the nozzle; A heater electrode provided on the nozzle plate and electrically connected to the heater to apply a current to the heater; And a plurality of field-forming electrodes disposed on the nozzle plate above the ink channel at predetermined intervals along the supply direction of ink, for electrostatically pumping ink by forming a traveling electric field inside the ink channel. It provides an ink jet print head having a.
여기에서, 상기 진행전계는 상기 복수의 전계형성 전극에 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 펄스상 전류를 인가함으로써 형성되며, 상기 복수의 전계형성 전극 각각은 상기 잉크 공급 방향과 실질적으로 직교하는 방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.Here, the traveling electric field is formed by sequentially applying a pulsed current to the plurality of field-forming electrodes at predetermined time intervals, each of the plurality of field-forming electrodes being substantially perpendicular to the ink supply direction. It is preferably formed long.
그리고, 본 발명은 잉크가 채워지는 잉크 챔버와 상기 잉크 챔버와 연결되어 상기 잉크 챔버 내부로 잉크를 공급하기 위한 잉크 채널을 구비하는 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 챔버에 잉크를 공급하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 잉크 공급 방법은 상기 잉크 채널에 인접하여 잉크의 공급 방향을 따라 서로 소정 간격을 두고 복수의 전계형성 전극을 배치하여 상기 잉크 채널 내부에 진행전계를 형성함으로써 잉크를 전기유체역학적으로 펌핑하여 상기 잉크 챔버 내부로 공급하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method of supplying ink to an ink chamber of an ink jet print head having an ink chamber filled with ink and an ink channel connected to the ink chamber for supplying ink into the ink chamber. The ink supply method according to the present invention electropneumatically pumps ink by forming a traveling electric field inside the ink channel by arranging a plurality of electric field forming electrodes adjacent to the ink channel at predetermined intervals along the ink supply direction. It is characterized in that for supplying into the ink chamber.
이와 같은 본 발명에 따르면, 이와 같은 본 발명에 따르면, 프린트 헤드의제반 요건들을 만족할 수 있게 되며, 특히 잉크 채널을 통한 잉크의 공급 속도가 빨라져 프린트 헤드의 구동 주파수가 높아지게 된다.According to the present invention as described above, according to the present invention, it is possible to meet the various requirements of the print head, in particular, the supply speed of the ink through the ink channel is faster, the driving frequency of the print head is increased.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 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. 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the examples exemplified below are not intended to limit the scope of the present invention, but are provided to fully explain the present invention to those skilled in the art. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, when one layer is described as being on top of a substrate or another layer, the layer may be present over and in direct contact with the substrate or another layer, with a third layer in between.
도 2는 본 발명에 따른 전기유체역학적 펌프가 구비된 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도이다.2 is a schematic plan view of an ink jet print head equipped with an electrohydrodynamic pump according to the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 점선으로 표시된 잉크 공급 매니폴드(112)를 중심으로 좌우에 지그재그로 배치된 잉크 토출부(100)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(100)와 전기적으로 연결되고 와이어가 본딩될 본딩 패드(102)들이 배치되어 있다. 또한, 매니폴드(112)는 잉크를 담고 있는 잉크 컨테이너(미도시)와 연결된다. 한편, 도면에서 잉크 토출부(100)들은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 또한, 매니폴드(112)는 잉크 토출부(100)의 각 열마다 하나씩 형성될 수도 있다. 또한, 도면에는 한 가지 색상의 잉크만을 사용하는 프린트 헤드가 도시되어 있지만, 컬러 인쇄를 위해 각 색상별로 3 또는 4군의 잉크 토출부군이 배치될 수도 있다.Referring to FIG. 2, the print head according to the present invention includes two ink ejecting portions 100 arranged in zigzag at left and right centering on the ink supply manifold 112 indicated by dotted lines, and each ink ejecting portion 100 is arranged in two rows. Bonding pads 102 are arranged that are electrically connected to and to which the wire is to be bonded. In addition, the manifold 112 is connected with an ink container (not shown) containing ink. On the other hand, in the drawings, the ink ejecting portions 100 are arranged in two rows, but may be arranged in one row, or may be arranged in three or more rows to further increase the resolution. In addition, one manifold 112 may be formed for each column of the ink ejection unit 100. Further, although a print head using only one color of ink is shown in the drawing, three or four groups of ink ejecting portions may be disposed for each color for color printing.
도 3은 도 2에 도시된 잉크 토출부를 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4a 내지 4c는 각각 도 3의 A-A, B-B, C-C 선을 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도들이다.3 is an enlarged plan view of the ink ejecting portion illustrated in FIG. 2, and FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating vertical structures of the ink ejecting portions along the lines A-A, B-B, and C-C of FIG. 3, respectively.
도 3과 도 4a 내지 도 4c를 함께 참조하면, 잉크 토출부(100)의 기판(110)에는 그 표면쪽에 대략 반구형으로 형성되어 잉크가 채워지는 잉크 챔버(114)와, 잉크 챔버(114)보다 얕은 깊이로 형성되어 잉크 챔버(114)로 잉크를 공급하는 잉크 채널(116)이 마련되며, 그 배면쪽에는 잉크 채널(116)과 만나 잉크 채널(116)로 잉크를 공급하는 매니폴드(112)가 형성되어 있다. 또한, 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)이 만나는 지점에는 버블이 팽창할 때 잉크 채널(116) 쪽으로 밀리는 것을 방지하는 버블 걸림턱(118)이 형성되어 있다.Referring to FIGS. 3 and 4A through 4C, the substrate 110 of the ink ejection part 100 may be formed in a substantially hemispherical shape on the surface thereof, and may be filled with ink, and the ink chamber 114 may be formed in the substrate 110 of the ink ejection part 100. An ink channel 116 is formed to have a shallow depth and supplies ink to the ink chamber 114, and a manifold 112 that meets the ink channel 116 and supplies ink to the ink channel 116 at a rear side thereof. Is formed. In addition, at the point where the ink chamber 114 and the ink channel 116 meet, a bubble catching jaw 118 is formed to prevent the bubble from being pushed toward the ink channel 116 when it expands.
여기에서, 기판(110)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 그리고, 매니폴드(112)는 기판(110)의 배면을 경사식각 또는 이방성 식각함으로써 형성될 수 있으며, 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)은 후술하는 노즐(122)과 잉크 채널 형성용 홈(124)을 통해 노출된 기판(110)의 표면을 등방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 이때, 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)의 연결부위에는 버블 걸림턱(118)이 식각에 의해 형성되는 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)이 만나면서 형성된다. 잉크 챔버(114)는 그 깊이와 반경이 대략 20㎛인 대략 반구형의 형상을 가지도록 형성되며, 잉크 채널(116)은 그 깊이와 반경이 대략 12㎛ 정도로 형성된다. 한편, 잉크 챔버(114)는 기판(110)의 표면을 소정 깊이로 이방성 식각한 뒤에 등방성 식각함으로써 형성될 수도 있다.Here, the substrate 110 is preferably made of silicon widely used in the manufacture of integrated circuits. This is because silicon wafers widely used in the manufacture of semiconductor devices can be used as they are and are effective for mass production. In addition, the manifold 112 may be formed by inclining or anisotropically etching the rear surface of the substrate 110, and the ink chamber 114 and the ink channel 116 may include the nozzle 122 and the ink channel forming groove, which will be described later. It may be formed by isotropic etching the surface of the substrate 110 exposed through the (124). At this time, the ink chamber 114 and the ink channel 116 where the bubble catching jaw 118 is formed by etching are formed at the connection portion between the ink chamber 114 and the ink channel 116. The ink chamber 114 is formed to have an approximately hemispherical shape having a depth and radius of approximately 20 mu m, and the ink channel 116 is formed to have a depth and radius of approximately 12 mu m. On the other hand, the ink chamber 114 may be formed by isotropic etching after anisotropically etching the surface of the substrate 110 to a predetermined depth.
그리고, 기판(110)의 표면에는 노즐판(120)이 형성되어, 잉크 챔버(114)의 상부 벽을 이룬다. 노즐판(120)은, 기판(110)이 실리콘으로 이루어진 경우, 실리콘 기판(110)을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있고, 기판(110) 상에 증착된 실리콘 질화막 등의 절연막으로 이루어질 수 있다.The nozzle plate 120 is formed on the surface of the substrate 110 to form an upper wall of the ink chamber 114. When the substrate 110 is made of silicon, the nozzle plate 120 may be formed of a silicon oxide film formed by oxidizing the silicon substrate 110, and may be formed of an insulating film such as a silicon nitride film deposited on the substrate 110. .
노즐판(120) 위에는 노즐(122)을 둘러싸는 환형의 버블 생성용 히터(130)가 형성된다. 이 히터(130)는 노즐판(120) 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘과 같은 저항 발열체를 대략 0.7 내지 1㎛ 두께로 증착시킨 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 이 폴리 실리콘막의 증착 두께는, 히터(130)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 그리고, 히터(130)에는 펄스상 전류를 인가하기 위하여 통상 금속으로 이루어진 히터용 전극(150)이 연결된다. 히터용 전극(150)은 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성된다.On the nozzle plate 120, an annular bubble generating heater 130 surrounding the nozzle 122 is formed. The heater 130 is formed by depositing a resistive heating element such as polysilicon doped with impurities on the entire surface of the nozzle plate 120 to a thickness of about 0.7 to 1 μm and then patterning it in an annular shape. The deposition thickness of this polysilicon film may be set in another range so as to have an appropriate resistance value in consideration of the width and length of the heater 130. In addition, a heater electrode 150 made of a metal is generally connected to the heater 130 to apply a pulsed current. The heater electrode 150 is formed by depositing and patterning a metal having good conductivity and easy patterning, such as aluminum or an aluminum alloy, by a sputtering method to a thickness of about 1 μm.
또한, 노즐판(120)에는 잉크 채널(116)의 상부에 복수의 전계형성 전극(160)이 형성된다. 전계형성 전극(160)은 상술한 히터용 전극(150)과 동일한 물질로, 그리고 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 전계형성 전극(160)은 히터용전극(150)과 동시에 형성될 수 있다. 전계형성 전극(160)은 복수개가 잉크의 공급 방향을 따라 서로 소정 간격 이격되도록 배치되며, 그 각각은 잉크 공급 방향과 실질적으로 직교하는 방향으로 길게 형성된다. 전계형성 전극(160)의 갯수는 잉크 채널(116)의 길이에 따라 이에 적합하도록 정해진다. 그리고, 전계형성 전극(160)들 사이의 간격들은 모두 동일한 것이 바람직하다.In addition, a plurality of field forming electrodes 160 are formed on the nozzle plate 120 on the ink channel 116. The field forming electrode 160 may be formed of the same material and the same method as the above-described heater electrode 150. In addition, the field forming electrode 160 may be formed simultaneously with the heater electrode 150. The field forming electrodes 160 are disposed to be spaced apart from each other by a predetermined interval along the supply direction of the ink, each of which is elongated in a direction substantially perpendicular to the ink supply direction. The number of field-forming electrodes 160 is determined to suit this depending on the length of the ink channel 116. In addition, the intervals between the field forming electrodes 160 are all the same.
상기한 바와 같이 형성되는 전계형성 전극(160)들은 잉크 채널(116) 내부에 진행전계(travelling wave electric field)를 형성시켜 전기유체역학적 (Electrohydrodynamic; EHD) 펌프를 구현하기 위한 것이다. 여기서, EHD 펌프는 유체의 통로에 전계를 형성시켜 유체의 흐름을 능동적으로 생성시키는 메카니즘을 말한다. 보다 상세하게 설명하면, 복수의 전계형성 전극(160)에 소정의 시간 간격을 두고 잉크 공급 방향을 따라 순차적으로, 즉 매니폴드(112)에 가까운 것으로부터 잉크 챔버(114)에 가까운 것의 순서로 펄스상 전류를 인가한다. 그러면, 잉크 채널(116) 내부에 진행전계, 즉 매니폴드(112)로부터 잉크 챔버(114) 쪽으로 진행하는 전계가 형성되고, 이에 의해 잉크가 매니폴드(112)로부터 잉크 챔버(114) 쪽으로 이동하게 된다. 이때, 복수의 전계형성 전극(160)에 펄스상 전류를 인가하는 시간 간격은 EHD 펌프에 의한 잉크의 흐름 속도가 모세관 현상에 의한 자연적인 잉크의 흐름 속도보다 빠르도록 정해진다.The field forming electrodes 160 formed as described above are intended to implement an electrohydrodynamic (EHD) pump by forming a traveling wave electric field inside the ink channel 116. Here, the EHD pump refers to a mechanism for actively generating a flow of the fluid by forming an electric field in the passage of the fluid. More specifically, the plurality of field forming electrodes 160 are pulsed sequentially along the ink supply direction at predetermined time intervals, that is, in the order of being closer to the manifold 112 and closer to the ink chamber 114. Apply phase current. Then, a traveling electric field is formed inside the ink channel 116, that is, an electric field traveling from the manifold 112 toward the ink chamber 114, thereby causing the ink to move from the manifold 112 toward the ink chamber 114. do. In this case, the time interval for applying the pulsed current to the plurality of field forming electrodes 160 is determined so that the flow rate of the ink by the EHD pump is faster than the flow rate of the natural ink due to the capillary phenomenon.
그리고, 노즐판(120)에는 잉크 챔버(114)의 중심부에 대응하는 위치에 노즐(122)이 형성되며, 잉크 채널(116)의 길이방향 중심선에 대응하는 위치에 다수의 잉크 채널 형성용 홈(124)이 형성된다. 노즐(122)은 히터(130)의 안쪽으로히터(130)의 직경보다 작은 직경, 예컨대 16∼20㎛ 정도의 직경으로 노즐판(120)을 식각함으로써 이루어진다. 다수의 잉크 채널 형성용 홈(116)도 노즐판(120)을 식각함으로써 이루어지는데, 이들은 전계형성 전극(160)들 사이에 하나씩 배치될 수 있다. 다수의 잉크 채널 형성용 홈(124)을 통해 노출된 기판(110)을 XeF2가스로 등방성 식각하게 되면, 도 4b와 도 4c에 도시된 바와 같은 단면 형상을 가지는 잉크 채널(116)이 형성된다.In the nozzle plate 120, the nozzle 122 is formed at a position corresponding to the center of the ink chamber 114, and a plurality of ink channel forming grooves are formed at a position corresponding to the longitudinal center line of the ink channel 116. 124 is formed. The nozzle 122 is formed by etching the nozzle plate 120 into a diameter smaller than the diameter of the heater 130, for example, a diameter of about 16 to 20 μm, into the heater 130. A plurality of ink channel forming grooves 116 are also formed by etching the nozzle plate 120, which may be disposed one by one between the field forming electrodes 160. When the substrate 110 exposed through the plurality of ink channel forming grooves 124 isotropically etched with XeF 2 gas, an ink channel 116 having a cross-sectional shape as shown in FIGS. 4B and 4C is formed. .
한편, 도 5는 잉크 토출부의 변형예를 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 잉크 토출부(100')의 히터(130')는 대략 오메가(Ω) 형상을 가지며, 히터용 전극(150)은 히터(130')의 양단부에 각각 접속된다. 즉, 도 3에 도시된 히터(130)는 전극 사이에서 병렬로 접속됨에 반해, 도 5에 도시된 히터(130')는 히터용 전극(150) 사이에서 직렬로 접속된다. 그리고, 잉크 챔버(114), 노즐(122) 및 잉크 채널(116)의 형상과 배치는 도 3에 도시된 잉크 토출부에서와 동일하다.5 is a plan view showing a modification of the ink ejecting portion. The heater 130 ′ of the ink ejecting portion 100 ′ shown in FIG. 5 has an approximately omega (Ω) shape, and the heater electrode 150 is connected to both ends of the heater 130 ′, respectively. That is, the heater 130 shown in FIG. 3 is connected in parallel between the electrodes, while the heater 130 'shown in FIG. 5 is connected in series between the electrodes 150 for the heater. The shapes and arrangements of the ink chamber 114, the nozzle 122, and the ink channel 116 are the same as in the ink ejecting portion shown in FIG.
그리고, 복수의 전계형성 전극(160')은 두 개씩 쌍을 이루어 배치되어 있다. 이는 소정의 길이와 깊이를 가진 잉크 채널(116)을 형성하기 위해 요구되는 잉크 채널 형성용 홈(124')들의 크기와 배치를 고려한 형태이다. 이때, 각 쌍의 간격은 한 쌍을 이루는 전계형성 전극(160')들 사이의 간격보다 넓고, 각 쌍의 사이에 잉크 채널 형성용 홈(124')이 배치된다. 한편, 복수의 전계형성 전극(160')은 상기한 바와 같이 잉크 채널 형성용 홈(124')을 고려하여 세 개 또는 네 개씩 세트를 이루어 배치될 수도 있다.The plurality of field forming electrodes 160 ′ are arranged in pairs. This is in consideration of the size and arrangement of the ink channel forming grooves 124 'required for forming the ink channel 116 having a predetermined length and depth. At this time, the gap of each pair is wider than the gap between the pair of field forming electrodes 160 ', and the ink channel forming grooves 124' are disposed between the pair. Meanwhile, the plurality of field forming electrodes 160 ′ may be arranged in sets of three or four in consideration of the ink channel forming grooves 124 ′ as described above.
상기 도 3에서는 환형의 히터(130)와 서로 동일한 간격으로 배치된 전계형성 전극(160)이 결합되어 있으며, 도 5에서는 오메가 형상의 히터(130')와 두 개씩 쌍을 이루도록 배치된 전계형성 전극(160')이 결합되어 있으나, 이들 사이의 결합 관계는 달리 할 수 있다. 즉, 환형의 히터(130)에 두 개씩 쌍을 이루도록 배치된 전계형성 전극(160')이 결합될 수도 있으며, 오메가 형상의 히터(130')에 서로 동일한 간격으로 배치된 전계형성 전극(160)이 결합될 수도 있다.In FIG. 3, the annular heater 130 and the field forming electrodes 160 disposed at equal intervals are coupled to each other, and in FIG. 5, the field forming electrodes disposed to form a pair with the omega heater 130 ′. 160 'is coupled, but the coupling relationship between them may be different. That is, the field forming electrodes 160 ′ disposed to form a pair of two to the annular heater 130 may be coupled to each other, and the field forming electrodes 160 disposed at equal intervals to the omega heater 130 ′. May be combined.
이하에서는 도 6a와 도 6b를 참조하며 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 잉크 액적 토출 메카니즘을 도 3에 도시된 잉크 토출부를 기준으로 설명하기로 한다. 여기에서 도 6a와 도 6b에 표시된 화살표는 잉크 공급 방향을 가리킨다.Hereinafter, the ink droplet ejection mechanism of the ink jet printhead according to the present invention having the configuration as described above with reference to FIGS. 6A and 6B will be described with reference to the ink ejection unit illustrated in FIG. 3. Here, the arrows shown in FIGS. 6A and 6B indicate the ink supply direction.
먼저 도 6a를 참조하면, 먼저 잉크 채널(116)을 통해 매니폴드(112)로부터 잉크 챔버(114) 내부로 잉크(190)가 공급된다. 이때, 상술한 바와 같이 EHD 펌프에 의해 잉크가 펌핑됨으로써 잉크가 보다 빠른 속도로 잉크 챔버(114)에 공급될 수 있다. 그런데, 상기한 바와 같은 전계형성 전극(160)에 의해 구현되는 EHD 펌프에 의하지 않더라도 잉크는 모세관 현상에 의해 잉크 챔버(114)로 공급될 수 있으나, 이러한 경우에는 잉크의 공급 및 리필 속도가 늦어서 높은 구동 주파수를 가지는 프린트 헤드를 구현하기가 곤란하다.Referring first to FIG. 6A, ink 190 is first supplied from the manifold 112 into the ink chamber 114 through the ink channel 116. In this case, as the ink is pumped by the EHD pump as described above, the ink may be supplied to the ink chamber 114 at a higher speed. By the way, the ink may be supplied to the ink chamber 114 by the capillary phenomenon even if not by the EHD pump implemented by the field-forming electrode 160 as described above, in this case, the supply and refill speed of the ink is high, so It is difficult to implement a print head having a drive frequency.
이와 같이, 잉크 챔버(114) 내부에 잉크(190)가 채워진 상태에서, 히터용 전극(도 3의 150)을 통해 히터(130)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(130)에서 발생된 열이 아래의 노즐판(120)을 통해 잉크(190)로 전달되고, 이에 따라 잉크(190)가 비등하여 버블(192)이 생성된다. 이 버블(192)의 형상은 히터(130)의 형상에 따라 도 6a의 오른쪽에 도시된 바와 같이 대략 도우넛 형상이 된다.As such, in the state where the ink 190 is filled in the ink chamber 114, when a pulsed current is applied to the heater 130 through the heater electrode (150 in FIG. 3), heat generated in the heater 130 may be reduced. The ink is transferred to the ink 190 through the nozzle plate 120 below. As a result, the ink 190 boils and bubbles 192 are generated. The bubble 192 has an approximately donut shape as shown on the right side of FIG. 6A according to the shape of the heater 130.
도우넛 형상의 버블(192)이 시간이 지남에 따라 팽창하면, 도 6b에 도시된 바와 같이 노즐(122) 아래에서 합쳐져 중앙부가 오목한 대략 원반형의 버블(192')로 팽창한다. 동시에, 팽창된 버블(192')에 의해 잉크 챔버(114)로부터 노즐(122)을 통해 잉크 액적(190')이 토출된다.As the donut shaped bubble 192 expands over time, it expands under the nozzle 122 and expands into a generally disk shaped concave bubble 192 ′, as shown in FIG. 6B. At the same time, ink droplets 190 'are ejected from the ink chamber 114 through the nozzle 122 by the expanded bubble 192'.
인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블(192')은 수축되거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버(114) 내에는 잉크 채널(116)을 통해 다시 잉크(190)가 채워진다. 이 때에도 상기한 바와 같이 EHD 펌프에 의해 잉크가 잉크 챔버(190)에 리필되는 시간이 짧아지게 된다.When the applied current is cut off, the bubble 192 'contracts or bursts before cooling, and ink 190 is filled again through the ink channel 116 in the ink chamber 114. At this time, the time for refilling the ink into the ink chamber 190 by the EHD pump is shortened as described above.
상술한 바와 같은 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘에 따르면, 도우넛 모양의 버블(192)이 중앙에서 합쳐져 원반형의 버블(192')을 형성함으로써 토출되는 잉크 액적(190')의 꼬리를 잘라주게 되어 전술한 부 액적(satellite droplet)이 생기지 않는다.According to the ink ejection mechanism of the print head as described above, the donut-shaped bubble 192 is combined at the center to form a disk-shaped bubble 192 'to cut the tail of the ejected ink droplet 190'. No satellite droplets are formed.
또한, 히터(130)가 환형 또는 오메가형상으로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고 그에 따라 버블(192, 192')의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 빨라져 빠른 응답과 높은 구동 주파수를 가질 수 있다. 더욱이, 잉크 챔버(114)의 형상이 반구형으로 되어 있어 종래의 직육면체 또는 피라밋 모양의 잉크 챔버에 의해 버블(192, 192')의 팽창 경로가 안정적이고, 버블의 생성 및 팽창이 빨라 빠른 시간 내에 잉크의 토출이 이루어진다.In addition, since the heater 130 has an annular or omega shape and its area is wide, the heating and cooling is fast, and accordingly, the time required for the generation and dissipation of the bubbles 192 and 192 'is faster, so that the heater 130 may have a fast response and a high driving frequency. . Moreover, the shape of the ink chamber 114 is hemispherical, so that the expansion path of the bubbles 192 and 192 'is stable by the conventional rectangular parallelepiped or pyramid-shaped ink chamber, and the creation and expansion of the bubbles are quick, so that the ink can be quickly developed. Discharge is made.
그리고, 버블(192, 192')의 팽창이 반구형의 잉크 챔버(114) 내부로 한정되면서 잉크(190)의 역류가 억제되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 억제된다. 더욱이, 잉크 채널(116)이 잉크 챔버(114)보다 깊이가 얕을 뿐만 아니라 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)이 만나는 지점에는 버블 걸림턱(118)이 형성되어 있어서, 잉크(190) 및 버블(192') 자체가 잉크 채널(116) 쪽으로 밀리는 역류 현상을 방지하는데 효과적이다.As the expansion of the bubbles 192 and 192 ′ is limited to the hemispherical ink chamber 114, the reverse flow of the ink 190 is suppressed, so that cross talk with other adjacent ink ejecting portions is suppressed. Further, the ink channel 116 is not only shallower than the ink chamber 114, but also bubble buckle 118 is formed at the point where the ink chamber 114 and the ink channel 116 meet, so that the ink 190 And the backflow phenomenon in which the bubble 192 'itself is pushed toward the ink channel 116.
특히, EHD 펌프에 의해 잉크 채널(116)을 통과하는 잉크가 펌핑되므로, 잉크 챔버(114)로의 잉크의 공급 및 리필 속도가 보다 빨라지게 되어 높은 구동 주파수를 가질 수 있게 된다.In particular, since the ink passing through the ink channel 116 is pumped by the EHD pump, the supply and refilling speed of the ink to the ink chamber 114 becomes faster, thereby enabling a high driving frequency.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, EHD 펌프를 구현하기 위한 전계형성 전극의 갯수와 배치는 잉크 채널의 위치와 길이에 따라서 다소 변경될 수 있다. 또한, 본 발명에서 프린트 헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 즉, 기판은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터나 전극 등도 마찬가지이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and equivalent other embodiments are possible. For example, the number and arrangement of the field-forming electrodes for implementing the EHD pump may vary somewhat depending on the position and length of the ink channel. Further, in the present invention, the materials used to construct each element of the print head may use materials not illustrated. That is, the substrate may be replaced with another material having good processability even if it is not necessarily silicon. The same applies to the heater and the electrode.
그리고, 본 발명의 EHD 펌프에 의한 잉크 공급 방법은 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드 뿐만 아니라 잉크 챔버와 잉크 채널을 가지는 다양한 형태의 잉크 젯 프린트 헤드에도 적용될 수 있다는 것은 본 발명의 기술분야의 당업자로서는 명백할 것이다.And it is apparent to those skilled in the art that the ink supply method by the EHD pump of the present invention can be applied not only to the ink jet print head of the present invention but also to various types of ink jet print heads having ink chambers and ink channels. something to do.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전기유체역학적 펌프가 구비된 잉크 젯 프린트 헤드 및 잉크 챔버에 잉크를 공급하는 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.As described above, the method of supplying ink to the ink jet print head and the ink chamber provided with the electrohydrodynamic pump of the present invention has the following effects.
첫째, 프린트 헤드의 각 구성요소, 즉 매니폴드, 잉크 챔버 및 잉크 채널이 형성된 기판과, 노즐판 및 히터 등을 기판에 일체화하여 형성함으로써, 종래의 노즐판과 잉크 챔버 및 잉크 채널부를 따로 제작하여 본딩하는 등의 복잡한 공정을 거쳐야 했던 불편과 오정렬의 문제가 해소된다. 또한, 일반적인 반도체 소자의 제조공정과 호환이 가능하며 대량생산이 용이해진다.First, by forming the components of the print head, that is, the substrate on which the manifold, the ink chamber and the ink channel, and the nozzle plate and the heater are integrally formed on the substrate, the conventional nozzle plate, the ink chamber and the ink channel portion are manufactured separately. The inconvenience and misalignment that had to go through complicated process such as bonding is solved. In addition, it is compatible with the general manufacturing process of semiconductor devices, and mass production becomes easy.
둘째, EHD 펌프에 의해 잉크 채널을 통한 잉크의 공급 속도가 보다 빨라지게 되어 프린트 헤드의 구동 주파수가 높아지게 된다.Secondly, the supply speed of the ink through the ink channel is faster by the EHD pump, thereby increasing the driving frequency of the print head.
셋째, 히터를 환상으로 형성하고, 잉크 챔버의 형상을 반구형으로 형성함으로써, 잉크의 역류가 억제되어 다른 잉크 토출부와의 간섭을 피할 수 있으며, 또한 버블이 도우넛 모양으로 형성되어 부 액적의 발생을 억제할 수 있게 된다.Third, by forming the heater annularly and forming the shape of the ink chamber in a hemispherical shape, backflow of ink can be suppressed to avoid interference with other ink ejecting portions, and bubbles are formed in a donut shape to prevent the occurrence of side droplets. It becomes possible to suppress it.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150064665A (en) * | 2013-12-03 | 2015-06-11 | 제록스 코포레이션 | Single jet fluidic design for high packing density in inkjet print heads |
| CN113838799A (en) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 天津大学 | Method for preparing high-resolution through hole in situ on flexible substrate based on electrofluid ink-jet printer |
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2000
- 2000-12-21 KR KR20000079736A patent/KR100668292B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150064665A (en) * | 2013-12-03 | 2015-06-11 | 제록스 코포레이션 | Single jet fluidic design for high packing density in inkjet print heads |
| CN113838799A (en) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 天津大学 | Method for preparing high-resolution through hole in situ on flexible substrate based on electrofluid ink-jet printer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100668292B1 (en) | 2007-01-12 |
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