KR20050060288A - 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 잉크가 외부로 토출되는 노즐을 가진 잉크 유로; 이 잉크 유로의 내부에 서로 이격되어 마련되는 적어도 한 쌍의 전극; 및 이 한 쌍의 전극 사이에 액체 이온화에 의한 플라즈마 방전을 일으키는 전압를 인가하여 잉크 토출을 위한 버블을 발생시키는 전압 인가부;를 구비한다.

Description

잉크젯 프린트헤드{Inkjet printhead}

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 상세하게는 액체 플라즈마 방전에 의하여 버블을 발생시켜 잉크를 토출시키는 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

잉크젯 프린트헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 잉크젯 프린트헤드는 잉크의 토출 메카니즘에 따라 일반적으로 두가지로 나뉘는데, 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

도 1a 및 도 1b는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타낸 절개 사시도 및 그 잉크 액적의 토출과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10)위에 설치되어 잉크 챔버(26) 및 잉크 채널(24)을 한정하는 격벽(14)과, 잉크 챔버(26)의 하부에 설치되는 히터(12)와, 잉크 액적(29')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(18)를 구비한다. 상기 히터(12)에 펄스 형태의 전류가 인가되어 히터(12)에서 열이 발생되면 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)가 가열되어 버블(28)이 생성된다. 생성된 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 잉크 액적(29')이 외부로 토출된다. 그 다음에, 매니폴드(22)로부터 잉크 채널(24)을 통해 잉크 챔버(26) 내부로 잉크(29)가 흡입되어 잉크 챔버(26)는 다시 잉크(29)로 채워진다.

그런데, 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는, 버블이 소멸할 때 발생하는 캐비테이션(cavitation) 압력이 히터(12)의 중앙 부위에 집중되어 히터(12)를 손상시킬 염려가 있다.

이러한 열구동 방식의 문제점을 해결하기 위한 잉크젯 프린트헤드의 일 예로서, 도 2에는 미국 특허 제 5,713,673호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 레이저 광원(30)으로부터 발생된 레이저 빔(L)을 각 잉크 용기(37Y,37M,37C)에 채워진 소정 색상의 잉크(32Y,32M,32C)에 주사하게 되면 광에너지가 음향에너지로 변환되어 잉크(32Y,32M,32C) 내부에서는 버블이 발생하게 된다. 그리고, 이렇게 발생된 버블에 의하여 잉크 액적이 용지(50)로 토출되어 원하는 화상이 형성된다.

그러나, 상기와 같은 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는, 고 에너지의 레이저 빔을 발생시키기 위하여 고가의 레이저 광원이 필요하게 되고, 또한 광학 구성이 복잡해 잉크젯 프린트헤드의 소형화, 집적화에 어려움이 있다.

한편, 도 3에는 미국 특허 제5,072,242호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 챔버(53) 내부에 전해질을 포함하는 잉크(51)가 채워지고, 챔버(53)의 바닥면에는 한 쌍의 전극(52a,52b)이 마련된다. 이 한 쌍의 전극(52a,52b)에 신호 발생기(signal generator,57)로부터 전기분해 신호가 인가되면, 전극들(52a,52b) 주위의 잉크(51)가 전기분해되어 가스 버블들(55a,55b)이 발생 팽창하게 된다. 이어서, 팽창된 가스 버블들(55a,55b)에 의하여 챔버 내부의 잉크(51)는 노즐(54)을 통하여 액적의 형태로 토출된다.

상기와 같은 방식의 잉크젯 프린트헤드는 작은 전압에서도 구동될 수 있다는 장점은 있으나, 잉크 토출력이 작고 유해가스의 발생 가능성이 있으며, 잉크의 고 전기전도성의 필요성 및 가스 소멸을 위한 전압 스위칭 등과 같은 문제가 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 액체 플라즈마 방전에 의하여 버블을 발생시켜 잉크를 토출시킴으로써 고집적 및 고해상도의 인쇄를 구현할 수 있는 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,

잉크가 외부로 토출되는 노즐을 가진 잉크 유로;

상기 잉크 유로의 내부에 서로 이격되어 마련되는 적어도 한 쌍의 전극; 및

상기 한 쌍의 전극 사이에 액체 이온화에 의한 플라즈마 방전을 일으키는 전압를 인가하여 잉크 토출을 위한 버블을 발생시키는 전압 인가부;를 구비한다.

상기 잉크는 유전성 또는 도전성 액체일 수 있다.

상기 한 쌍의 전극 사이의 간격은 1㎛~10㎛인 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 전극 사이에는 펄스 형태의 직류 또는 교류 전압이 인가되는 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 전극 사이에 인가되는 전압은 1MV/m 이상이며, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전압이 인가되는 시간은 0.1㎲ ~ 10㎲인 것이 바람직하다.

상기 잉크 유로는 상기 노즐을 통하여 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버 및 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하는 통로인 잉크 채널를 포함한다. 여기서, 상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 챔버의 내부 또는 잉크 채널의 내부에 마련될 수 있다. 한편, 상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 챔버 및 잉크 채널의 내부에 마련될 수도 있다.

상기 잉크 유로는 상기 노즐을 통하여 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버 및 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하는 통로인 복수의 잉크 채널를 포함할 수 있으며, 이때, 상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 채널들 각각의 내부에 마련될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 단면도 및 평면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 잉크(100)가 외부로 토출되는 노즐(106)을 가진 잉크 유로와, 상기 잉크 유로의 내부에 마련되는 한 쌍의 전극(107a,107b)과, 상기 한 쌍의 전극(107a,107b) 사이에 전압을 인가하는 전압 인가부(110)를 구비한다.

상기 잉크 유로는 잉크 챔버(102)와 잉크 채널(104)로 이루어져 있다. 여기서, 상기 잉크 챔버(102)는 노즐(106)을 통하여 토출될 잉크(100)가 채워지는 공간이며, 상기 잉크 채널(104)은 잉크 챔버(102)로 잉크(100)를 공급하는 통로이다. 그리고, 상기 잉크 채널(104)은 잉크(100)가 저장된 잉크 탱크(미도시)와 연결되어 있다. 여기서, 잉크(100)는 유전성 또는 도전성 액체로 이루어질 수 있다.

상기 한 쌍의 전극(107a,107b)은 상기 잉크 챔버(102) 내부의 바닥면에 서로 이격되어 마련된다. 여기서, 상기 전극들(107a,107b) 사이의 간격은 대략 1㎛~10㎛인 것이 바람직하다. 한편, 상기 잉크 챔버(102) 내부에는 도시된 바와 달리 두 쌍 이상의 전극이 마련될 수도 있다.

상기 전압 인가부(110)는 상기 한 쌍의 전극(107a,107b) 사이에 액체 이온화에 의한 플라즈마 방전을 일으키는 전압을 인가한다. 여기서, 상기 전극들(107a,107b) 사이에 인가되는 전압은 펄스 형태의 직류 또는 교류전압이 될 수 있다. 이러한 액체 플라즈마 방전에 의하여 상기 전극들(107a,107b) 사이에 있는 잉크(100)로부터 버블(120)이 발생 팽창하게 되고, 이 버블(120)의 팽창력에 의하여 잉크 챔버(102) 내부의 잉크(100)는 노즐(106)을 통하여 외부로 토출된다. 이때, 잉크 액적이 토출되는 속도는 대략 1 ~ 50㎧ 정도가 된다.

일반적으로, 액체 플라즈마 방전을 일으키기 위해서는 액체가 순수한 물의 경우에는 대략 100MV/m 이상의 전압이 필요하고, 액체가 도전성인 경우에는 대략 1MV/m 이상의 전압이 필요하다. 그러나, 이외에도 액체 플라즈마 방전을 일으키는 필요한 전압은 전극들의 형상, 잉크의 전기 전도도, 전극들 사이의 간격, 온도, 압력 등에 의하여 복합적으로 결정된다.

이하에서는, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 잉크 토출 과정을 설명하기로 한다.

먼저, 도 6a를 참조하면, 한 쌍의 전극(107a,107b) 사이에 전압이 인가되지 않은 상태에서는, 잉크 챔버(102) 내의 잉크(100)는 모세관 힘에 의해 노즐(106) 입구까지 채워져 메니스커스(meniscus)를 형성한다. 이때, 상기 전극들(107a,107b) 사이의 간격은 대략 1㎛~10㎛ 정도이다. 이어서, 전압 인가부(110)에 의하여 상기 전극들(107a,107b) 사이에 펄스 형태의 직류 또는 교류 전압이 인가된다. 이때, 상기 전극들(107a,107b) 사이에는 대략 1MV/m 이상의 전압이 일정기간, 예를 들면 대략 0.1㎲~10㎲ 동안 인가된다. 상기 전극들(107a,107b) 사이에 소정 전압이 인가되면, 전극들(107a,107b) 사이에 있는 잉크(100)는 이온화된다. 그리고, 이렇게 이온화된 잉크(100)를 통하여 전극들(107a,107b) 사이에는 전류가 흐르게 되어 플라즈마 방전이 일어나게 된다.

이어서, 도 6b를 참조하면, 이러한 플라즈마 방전에 의해 전극들(107a,107b) 사이에서는 버블(120)이 발생 팽창하게 되고, 이 버블(120)의 팽창력에 의하여 잉크 챔버(102) 내부의 잉크(100)는 노즐(106) 밖으로 밀려 나가게 된다.

다음으로, 도 6c를 참조하면, 버블(120)이 최대로 팽창된 시점에서 전극들(107a,107b) 사이에 인가했던 전압을 차단하면, 상기 버블(120)은 점차 수축하면서 소멸되고, 노즐(106) 밖으로 밀려나갔던 잉크(100)는 액적(100')의 형태로 외부로 토출된다. 여기서, 잉크 액적(100')의 토출 속도 및 토출 체적은 전극들(107a,107b) 사이에 인가되는 전압과 펄스 주기에 의하여 조절될 수 있다. 이어서, 잉크(100)의 리필(refill)이 완료되어 초기 상태로 복귀하게 되면, 상기한 과정들이 반복된다.

도 7 내지 도 9에는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 변형예들이 도시되어 있다. 이하에서는, 전술한 실시예와 다른 점에 대해서만 설명한다.

도 7을 참조하면, 잉크 유로는 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(202)와 상기 잉크 챔버(202)로 잉크를 공급하는 통로인 잉크 채널(204)로 이루어진다. 그리고, 한 쌍의 전극(207a,207b)은 상기 잉크 챔버(202)의 바닥 및 잉크 챔버(202)에 연결되는 잉크 채널(204)의 내벽에 일체로 마련된다. 상기 전극들(207a,207b)사이에 액체 플라즈마 방전을 일으키는 소정의 전압이 인가되면, 버블(220)이 발생 팽창하고, 이 버블(220)의 팽창력에 의하여 잉크 챔버(202) 내의 잉크는 노즐(206)을 통하여 외부로 토출된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(307a,307b)은 잉크 챔버(302)와 연결되는 잉크 채널(304)의 내벽에 마련될 수도 있다. 도 8에서, 참조부호 320은 전극들(307a,307b) 사이에서 액체 플라즈마 방전에 의해 발생 팽창하는 버블을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 잉크 유로는 노즐(406)을 통하여 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(404)와, 상기 잉크 챔버(404)로 잉크를 공급하는 통로인 복수의 잉크 채널(403,404,405)로 이루어진다. 여기서, 상기 잉크 챔버(402)에 연결되는 잉크 채널들(403,404,405)의 내벽에는 각각 한 쌍의 전극들(406a,406b)(407a,407b)(408a,408b)이 마련된다. 상기와 같은 구조에서, 전극들(406a,406b)(407a,407b)(408a,408b) 사이에 액체 플라즈마 방전을 일으키는 소정의 전압이 각각 인가되면, 잉크 채널들(403,404,405) 내부에서는 각각 버블들(419,420,421)이 발생 팽창하고, 이 버블들(419,420,421)의 팽창력에 의하여 잉크 챔버(404) 내의 잉크는 노즐(406)을 통하여 외부로 토출된다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 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 따른 잉크젯 프린트헤드에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 액체 플라즈마 방전에 의해 발생된 버블을 이용하여 잉크를 토출시킴으로써 히터나 압전소자가 필요없는 단순한 구조의 고 집적, 고 해상도 잉크젯 프린트헤드를 얻을 수 있다.

둘째, 종래 문제점인 히터의 파손에 따른 프린트헤드의 내구성 한계를 극복하여, 프린트헤드의 수명을 증대시킬 수 있다.

셋째, 액체 플라즈마 방전에 의해 발생된 버블을 이용하므로 잉크의 토출력이 매우 크고, 유해 가스의 발생 가능성도 없다.

넷째, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 사용되는 잉크는 감광성, 전도성 등과 같은 물성의 제한이 거의 없다.

도 1a 및 도 1b는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 절개 사시도 및 단면도이다.

도 2는 종래 다른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 종래 또 다른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 단면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤트의 내부 구조를 도시한 평면도이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 액적 토출 과정을 설명하기 위한 도면들이다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 변형예들을도시한 도면들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100... 잉크 102... 잉크 챔버

104... 잉크 채널 106... 노즐

107a,107b... 한 쌍의 전극 110... 전압 인가부

120... 버블

Claims (11)

1. 잉크가 외부로 토출되는 노즐을 가진 잉크 유로;

   상기 잉크 유로의 내부에 서로 이격되어 마련되는 적어도 한 쌍의 전극; 및

   상기 한 쌍의 전극 사이에 액체 이온화에 의한 플라즈마 방전을 일으키는 전압를 인가하여 잉크 토출을 위한 버블을 발생시키는 전압 인가부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 잉크는 유전성 또는 도전성 액체인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극 사이의 간격은 1㎛~10㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극 사이에는 펄스 형태의 직류 또는 교류 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극 사이에 인가되는 전압은 1MV/m 이상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극 사이에 전압이 인가되는 시간은 0.1㎲ ~ 10㎲인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 잉크 유로는 상기 노즐을 통하여 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버 및 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하는 통로인 잉크 채널를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 챔버의 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 채널의 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 챔버 및 잉크 채널의 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 잉크 유로는 상기 노즐을 통하여 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버 및 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하는 통로인 복수의 잉크 채널를 포함하며, 상기 한 쌍의 전극은 상기 잉크 채널들 각각의 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.