KR20080050120A - 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법 - Google Patents

Abstract

개시된 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법은, 압전 액츄에이터의 압전체에 정방향의 전압을 인가하는 단계와, 이 전압을 기준전압으로 하여 압전체에 잉크를 토출하기 위한 구동펄스를 인가하는 단계를 포함한다. 이에 의하여, 압전체에 역방향의 전압을 인가하지 않고도 압전체를 푸쉬모드와 풀모드로 구동할 수 있다.

Description

압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법{Driving method of ink-jet printhead adopting piezoelectric actuator}

도 1은 정방향 전압과 역방향 전압에 의한 압전체의 거동을 설명하는 도면.

도 2는 종래의 압전방식 잉크젯 프린트 헤드의 구동방법에 적용되는 구동펄스를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법에 적용되는 압전방식 잉크젯 헤드의 일 예를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법에 적용되는 구동펄스의 일 예를 도시한 도면.

도 5는 압전막의 푸쉬모드를 보여주는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법에 적용되는 구동펄스의 다른 예를 도시한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법에 적용되는 구동펄스의 또다른 예를 도시한 도면.

도 8은 폴링구간과 라이징구간 사이의 사긴간격을 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...기판 111...압력 챔버

113...매니폴드 114...진동판

120...노즐판 122...노즐

140...압전 액츄에이터 141...커먼 전극

142...압전막 143...상부 전극

150......펄스인가수단 300, 300', 300a, 300a'......구동펄스

301, 301a......폴링구간 302, 302a......라이징구간

T......폴링구간과 라이징구간 사이의 시간간격

Vr......기준전압

본 발명은 압전 방식에 의하여 잉크를 토출하는 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 관한 것으로서, 특히 압전물질을 소결한 압전체를 구비하는 압전액추에이터를 채용한 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 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 압전 체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터의 압전체(10)에 정방향의 전압을 인가하면 압전체(10)는 그 분극(poling)방향으로 인장되며, 역방향의 전압을 인가하면 분극방향으로 수축된다. 여기서, 정방향의 전압은 압전체의 분극방향으로 인가되는 전압을 말하며, 역방향의 전압은 압전체의 분극방향과 반대방향으로 인가되는 전압을 말한다. 압전체(10)의 아래쪽에 진동판(diaphram)(20)이 마련된 경우에 정방향의 전압을 인가하면 진동판(20)이 아래쪽으로 변형되어 푸쉬모드(push mode)가 되며, 역방향의 전압을 인가하면 진동판(20)이 위쪽으로 변형되어 풀모드가(pull mode) 된다.

일반적으로 압전체에 역방향으로 높은 전압을 인가하면 압전체의 분극이 해제되어 더 이상 압전체로서 동작되지 않는다. 잉크젯 헤드의 진동판(20)에 부착시키는 벌크 압전체의 경우에는 분극이 풀리는 임계전압이 높기 때문에 어느 정도는 풀모드로 사용할 수 있으나, 잉크젯 헤드를 제조할 때에 페이스트 형태의 압전물질을 진동판(20) 위에 도포한 후에 소결시켜 압전체를 형성하는 경우에는 압전체의 분극이 풀리는 임계전압이 낮아서 풀모드로는 거의 구동할 수가 없다. 이러한 역방향 전압의 제한으로 인하여 보통 압전방식의 잉크젯 프린트 헤드에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 0V를 기준전압으로 하는 구동펄스(30)를 압전체(10)에 인가하여 푸쉬모드로 구동된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 압전체에 역방향의 전압을 인가하지 않고 푸쉬모드와 풀모드로 구동할 수 있는 압전방식 잉크젯 프린트 헤드의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법은, 노즐과 연통된 압력 챔버와, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 있어서, 상기 압전 액츄에이터의 압전체에 정방향의 전압을 인가하는 단계; 상기 전압을 기준전압으로 하여 상기 압전체에 잉크를 토출하기 위한 구동펄스를 인가하는 단계;를 포함한다.

일 실시예로서, 상기 정방향의 전압을 잉크가 토출되지 않을 정도로 서서히 증가시켜 상기 기준전압에 이르도록 할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법은, 노즐과 연통된 압력 챔버와, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 있어서, 상기 압전액츄에이터의 압전체를 잉크가 토출되지 않을 정도의 속도로 푸쉬모드로 전환하는 단계; 상기 압전체를 풀모드와 푸쉬모드로 순차전환시키는 구동펄스를 상기 압전체에 인가하여 잉크를 토출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 압전체를 푸쉬모드로 전환하는 단계는, 상기 압전체에 잉크가 토출되지 않을 정도로 서서히 증가되는 정방향의 전압을 인가하는 단계; 상기 정방향의 전압이 기준전압에 도달되면 그 상태로 유지하는 단계;를 포함한다.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 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 제3의 층이 존재할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트 헤드의 구동방법이 적용되는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 일 실시예의 단면도이다.

도 1을 보면, 압전방식 잉크젯 프린트헤드는 잉크유로가 형성된 기판(110)과, 잉크 토출압력을 제공하기 위한 압전 액츄에이터(140)를 포함한다. 기판(110)에는 압력 챔버(111)와, 압력 챔버(111)에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(113)를 구비한다. 유로형성 기판(110)에는 압력 챔버(111)연통된 노즐(122)이 형성된 노즐 기판(120)이 접합된다. 진동판(114)은 압전 액츄에이터(140)에 의하여 진동되는 것으로서, 본 실시예에서는 압력 챔버(111)의 일벽을 형성한다.

압전 액츄에이터(140)는 진동판(114)을 진동시켜 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.

기판(110)이 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우에는, 압전 액츄에이터(140)와 기판(110) 사이에는 절연층(미도시)이 마련되는 것이 바람직하다. 절연층은 일 예로서, 기판(110)에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성되는 실리콘 산화막일 수 있다.

페이스트 상태의 압전물질을 절연층 위에 소정 두께로 도포하고 소결시킴으로써 압전막(142)을 형성할 수 있다. 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.

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. 압전막(142)은 절연층 위에 벌크 압전물질을 부착시킴으로써 형성할 수도 있다.

참조부호 150은 구동 전극(143)에 구동펄스를 인가하기 위한 펄스인가수단을 나타낸다. 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법은 0V가 아닌 소정 크기의 정방향 전압을 기준전압(Vr)으로 하여 압전막(142)에 구동펄스를 인가하는 것을 특징으로 한다. 기준전압(Vr)은 정방향의 전압(즉, 압전막(142)의 분극 방향의 전압)이다. 다른 말로 하면, 압전막(142)을 초기에 푸쉬모드로 전환하고 그 상태에서 구동펄스를 인가하여 압전막(142)을 풀모드와 푸쉬모드로 전환시킴으로써 잉크를 토출한다. 이하에서 '풀모드'는 압전막(142)의 변위가 푸쉬모드로부터 초기모드로 또는 초기모드와 푸쉬모드 사이의 임의의 상태로 전환된 상태를 의미하며, 도 1의 종래의 기술에서 설명한 풀모드와는 구별한다. 이제, 도 4를 보면서 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 헤드의 구동방법을 상세하게 설명한다.

압전막(142)에 기준전압(Vr)을 인가하면 압전막(142)은 도 5에 도시된 바와 같은 푸쉬모드가 된다. 이 때, 갑자기 기준전압(Vr)을 인가하면 노즐(122)을 통하여 잉크가 토출될 수 있다. 따라서, 도 4의 참조부호 200으로 도시된 바와 같이, 압전막(142)에 인가되는 정방향의 전압을 0V부터 기준전압(Vr)이 될 때까지 천천히 증가시킨다. 그러면, 그러면, 압전막(142)은 도 3에 도시된 초기모드에서 도 5에 도시된 바와 같은 푸쉬모드로 전환된다. 압전막(142)의 전환속도가 충분히 늦다면, 잉크는 토출되지 않는다. 실제로 구동펄스(300)가 인가되는 시간(T)은 10 내지 20 ㎲ 정도이다. 압전막(142)의 변위가 이 정도로 짧은 시간에 변하여야만 잉크가 토출된다. 따라서, 초기모드에서 푸쉬모드에 도달되는 시간(Tr)을 구동펄스(300)가 인가되는 시간(T)보다 충분히 길게, 예를 들면 약 1초 정도로 설정하면 잉크가 토 출되지 않는 조건에서 압전막(142)을 푸쉬모드로 전환할 수 있다. 여기서 시간(Tr)을 1초로 한 것은 일 예에 불과하며, 잉크가 토출되지 않는 조건이라면 그보다 짧게 하는 것도 가능하다.

그런 다음에 인쇄를 위한 구동펄스(300)를 인가한다. 구동펄스(300)는 압전막(142)을 푸쉬모드로부터 풀모드로, 다시 푸쉬모드로 전환시킨다. 즉, 구동펄스(300)의 폴링(falling)구간(301)에 의하여 압전막(142)에 인가되는 전압이 하강하면, 압전막(142)은 도 5에 도시된 푸쉬모드로부터 도 3에 도시된 초기모드로 전환된다. 이 때의 압전막(142)은 압력챔버(111)의 용적을 늘이는 방향으로 변형되므로 실질적으로 풀모드로 볼 수 있다. 그런 다음에 구동펄스(300)의 라이징(rising)구간(302)에 의하여 다시 압전막(142)에 인가되는 전압이 기준전압(Vr)까지 증가되면 압전막(142)은 도 5에 도시된 바와 같은 푸쉬모드로 전환된다. 이 때에 압력챔버(111)의 용적이 줄어들면서 노즐(122)을 통하여 잉크가 토출된다. 구동펄스(300)가 인가된 후에 다음 구동펄스(300')가 인가될때까지 압전막(142)은 기준전압(Vr)이 인가된 채로 유지된다.

상기한 바와 같이, 구동펄스(300)를 기준전압(Vr)을 바탕으로 하여 인가함으로써 압전막(142)에 역방향의 전압을 인가하지 않고도 푸쉬모드와 풀모드로 구동할 수 있다. 즉, 구동펄스(300)의 최고전압과 최저전압을 모두 압전막(142)의 분극방향에 대하여 정방향인 채로 압전막(142)을 푸쉬모드와 풀모드로 구동할 수 있다. 따라서, 압전막(142)의 분극이 해제되는 임계전압에 대한 우려없이 압전막(142)을 푸쉬모드와 풀모드로 구동할 수 있다. 물론, 분극이 해제되는 역방향의 임계전압보 다 충분히 작다면 구동펄스(300)의 최저전압은 어느 정도 역방향의 전압일 수도 있다.

압전막(142)에 의하여 압력챔버(111)에 형성되는 토출압력은 압전막(142)의 유효변위에 의존된다. 압전막(142)의 유효변위는 구동펄스(300)의 최고전압과 최저전압의 차이에 의존된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이,구동펄스(300)의 최고전압은 기준전압(Vr)보다 높을 수도 있다.

또, 필요에 따라서는 도 7에 도시된 바와 같은 형태의 구동펄스(300a)를 인가하는 것도 가능하다. 이 경우에는 구동펄스(300a)의 폴링(falling)구간(301a)에 의하여 압전막(142)은 도 5에 도시된 푸쉬모드로부터 도 3에 도시된 초기모드를 향하여 전환되다가 다시 라이징구간(302a)에 의하여 푸쉬모드로 전환되며, 노즐(122)을 통하여 잉크가 토출된다. 여기서 폴링구간(301a)이 풀모드에 대응된다.

상기한 바와 같이, 압전막(142)을 풀모드와 푸쉬모드로 구동할 수 있게 됨으로 인하여 다음과 같은 매우 중요한 효과를 얻을 수 있다. 도 8을 보면, 압력 챔버(111)는 일측은 매니폴드(113)와 연결되고 타측은 노즐(122)과 연결된 유효길이 L을 가지는 챔버로 모델링될 수 있다. 여기서, 매니폴드(113) 쪽은 개방단(open end)으로 볼 수 있으며, 노즐(122)쪽은 막힌 고정단(closed end)으로 볼 수 있다.

기준전압(Vr)이 인가되면 압전막(142)은 푸쉬모드로 유지된다. 구동펄스(300)의 폴링구간(301)에 의하여 압전막(142)은 푸쉬모드로부터 초기모드로 전환되며 이 때 실질적으로 풀모드로 작동된다. 그러면, 압력챔버(111)에는 압력(P1)이 가해진다(단계1). 압력(P1)를 기준선의 아래쪽으로 그린 것은 압력(P1)이 음의 압 력임을 나타내기 위한 것이다. 이에 의하여, 압력챔버(111) 내에는 양 방향으로 진행하는 압력파(Wp1)(Wp2)가 생성된다. 개방단에 입사된 압력파(Wp1)는 그 위상이 반전되어 반사되며, 고정단에 입사된 압력파(Wp2)는 위상의 변화없이 반사된다(단계3). 반사된 두 압력파(Wp1)(Wp2)가 교차될 때에 구동펄스(300)의 라이징구간(302)에 의하여 압전막(142)은 다시 푸쉬모드로 전환되며, 이에 의하여 압력챔버(111)에는 양의 압력(P2)이 발생된다(단계4). 위상이 다른 압력파(Wp1)는 압력(P2)에 의하여 압력챔버(111) 내에 생성된 양의 압력파에 의하여 상쇄되어 그 크기가 매우 작은 압력파(Wp3)가 된다. 또, 압력파(Wp2)는 압력(P2)에 의하여 압력챔버(111) 내에 생성된 양의 압력파를 증폭시켜 토출압력파(Wp)를 생성시킨다(단계5).

만일, 구동펄스(300)의 라이징구간(302)에 의하여 압전막(111)이 푸쉬모드로 전환되는 시기가 단계3인 경우라면, 압력(P2)에 의하여 압력챔버(111) 내에 생성된 양의 압력파는 위상이 같은 압력파(Wp1)에 의한 증폭효과를 얻을 수 없으며 위상이 다른 압력파(Wp2)에 의하여 그 크기가 줄어들게 된다. 구동펄스(300)의 라이징구간(302)에 의하여 압전막(142)이 푸쉬모드로 전환되는 시기는 구동펄스(300)의 폴링구간(301)과 라이징구간(302) 사이의 시간간격(T)을 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 이와 같이, 압력파(Wp1)(Wp2)가 서로 교차되는 순간에 맞추어 압전막(142)을 푸쉬모드로 전환시킬 수 있도록 구동펄스(300)의 폴링구간(301)과 라이징구간(302) 사이의 시간간격(T)을 조절함으로써 토출압력파(Wp)의 압력손실을 최소화할 수 있다. 일 예로서, 잉크 중에서의 압력파의 전달속도, 즉 잉크 중에서의 음속을 C라하 고, 압력챔버(111)의 유효길이를 L이라 하면, 풀모드에 의한 압력(P1)이 생성된 후 L/C의 시간이 경과되면 압력파(Wp1)(Wp2)가 서로 교차된다. 따라서, 구동펄스(300)의 폴링구간(301)과 라이징구간(02) 사이의 시간간격(T)을 nL/C(여기서 n은 양의 정수)로 설정할 수 있을 것이다.

이에 반하여, 푸쉬모드로만 구동하는 도 2에 도시된 종래의 구동방법에 따르면, 구동펄스(30)는 라이징구간(31)으로 시작하여 폴링구간(32)으로 종료된다. 즉, 라이징구간(31)에 의하여 압전막(142)은 푸쉬모드가 되어 잉크가 토출되며, 라이징구간(31)과 폴링구간(32) 사이의 시간간격(T')은 그 시간동안 압전막(142)을 푸쉬모드로 유지시켜준다는 의미만이 있을 뿐이며, 본발명에 따른 구동방법의 시간간격(T)와는 다른 것이다. 또, 실질적으로는 첫 번째 구동펄스(30)의 폴링구간(32)과 두 번째 구동펄스(30')의 라이징구간(31') 사이의 시간간격은 인쇄정보의 화소간격과 관련된 것으로서 임의로 조절할 수 있는 것이 아니다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트 헤드의 구동방법에 따르면, 압력손실을 최소화할 수 있도록 토출압력을 발생시키는 타이밍을 조절할 수 있어 안정적인 인쇄품질을 실현할 수 있다.

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

첫째, 정방향으로 소정 크기를 갖는 기준전압을 바탕로 하여 구동펄스를 인가함으로써 역방향의 전압을 인가하지 않고 압전체를 푸쉬모드와 풀모드로 사용할 수 있다.

둘째, 압력손실을 최소화할 수 있도록 토출압력을 발생시키는 타이밍을 조절할 수 있어 안정적인 인쇄품질을 실현할 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 (6)

1. 노즐과 연통된 압력 챔버와, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 있어서,

   상기 압전 액츄에이터의 압전체에 정방향의 전압을 인가하는 단계;

   상기 전압을 기준전압으로 하여 상기 압전체에 잉크를 토출하기 위한 구동펄스를 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정방향의 전압을 잉크가 토출되지 않을 정도로 서서히 증가시켜 상기 기준전압에 이르도록 하는 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 구동펄스의 최고전압과 최저전압은 상기 압전체의 분극방향에 대하여 정방향인 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.
4. 노즐과 연통된 압력 챔버와, 상기 압력 챔버에 잉크를 토출하기 위한 구동력 을 제공하는 압전 액츄에이터를 포함하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법에 있어서,

   상기 압전액츄에이터의 압전체를 잉크를 토출하지 않을 정도의 속도로 푸쉬모드로 전환하는 단계;

   상기 압전체를 풀모드와 푸쉬모드로 순차전환시키는 구동펄스를 상기 압전체에 인가하여 잉크를 토출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 압전체를 푸쉬모드로 전환하는 단계는,

   상기 압전체에 잉크가 토출되지 않을 정도로 서서히 증가되는 정방향의 전압을 인가하는 단계;

   상기 정방향의 전압이 기준전압에 도달되면 그 상태로 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 구동펄스의 최고전압과 최저전압은 상기 압전체의 분극방향에 대하여 정방향인 것을 특징으로 하는 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법.

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