KR20100089543A

KR20100089543A - 잉크젯 프린팅 장치 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR20100089543A
Application number: KR1020090008848A
Authority: KR
Inventors: 홍영기; 정재우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-12
Also published as: JP5657255B2; KR101567506B1; CN101791903B; US20100194800A1; US8491073B2; JP2010179651A; CN101791903A

Abstract

압전 방식 및 정전 방식의 복합 방식에 의해 구동되는 잉크젯 프린팅 장치와 그 구동 방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린팅 장치는, 잉크 인렛과 압력 챔버와 노즐이 형성된 유로 플레이트와, 노즐로부터 잉크 액적을 토출시키는 제1구동력을 제공하는 압전 액츄에이터와 제2구동력을 제공하는 정전기력 인가 수단을 구비한다. 정전기력 인가 수단에 정전 전압을 인가한 상태에서 압전 액츄에이터에 제1전압을 인가하면, 노즐 내부의 잉크의 메니스커스가 볼록하게 변형된다. 이어서, 압전 액츄에이터에 제2전압을 인가하면, 노즐의 중앙부에 노즐의 내경보다 작은 곡률반경을 가진 볼록한 형태의 메니스커스가 형성되고, 볼록하게 돌출된 부분의 잉크는 액적의 형태로 토출된다.

Description

잉크젯 프린팅 장치 및 그 구동 방법{Inkjet printing apparatus and method of driving the same}

압전 방식 및 정전 방식의 복합 방식에 의해 구동되는 잉크젯 프린팅 장치와 그 구동 방법이 개시된다.

일반적으로 잉크젯 프린팅 장치는, 잉크젯 헤드를 이용하여 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체, 예컨대 인쇄용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 인쇄용지의 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린팅 장치는 최근에 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Diplay)와 유기발광소자(OLED; Organic Light Emitting Device) 등과 같은 평판 디스플레이 분야, 전자종이(E-Paper) 등과 같은 플렉시블 디스플레이 분야, 금속 배선 등과 같은 인쇄 전자공학(Printed electronics) 분야, 및 유기 박막트랜지스터(OTFT; Organic Thin Film Transistor) 등과 같은 다양한 분야로 응용 범위가 확대되고 있다. 이러한 잉크젯 프린팅 장치가 상기한 디스플레이 분야나 인쇄 전자공학 분야에 적용되는데 있어서 공정 기술상 가장 중용한 기술적 과제 중의 하나가 고 해상도 및 초정밀 프린팅이다.

잉크젯 프린팅 장치는 다양한 잉크 토출 방식을 채용할 수 있으며, 그 중에는 압전 방식과 정전 방식이 있다. 압전 방식은 압전체의 변형에 의해 잉크를 토출시키는 방식이고, 정전 방식은 정전기력에 의해 잉크를 토출시키는 방식이다. 상기 정전 방식은 정전 유도(electrostatic induction)에 의해 잉크를 토출시키는 방식과, 대전된 안료(charged pigments)를 정전기력에 의해 축적시킨 뒤 잉크 액적으로 토출하는 방식으로 나뉠 수 있다.

상기한 압전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 DOD(Drop On Demand) 방식으로 잉크를 토출시키므로 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 구동 방식이 단순하며, 압전체의 기계적 변형에 의해 토출 에너지를 생성하므로 사용되는 잉크에 제약이 없다는 장점이 있다. 그러나, 압전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 수 피코리터(picoliter) 이하의 미세 액적을 토출하는데 어려움이 있으며, 토출된 잉크 액적의 직진성이 떨어지는 단점이 있다.

상기한 정전 방식의 잉크젯 프린팅 장치는 미세 액적을 구현하기가 쉽고, 구동 방식도 단순하며, 토출된 잉크 액적의 직진성도 양호하여 정밀 프린팅에 유리하다는 장점이 있다. 그러나, 정전 방식의 잉크젯 프린팅 장치 중 정전 유도 방식은 개별 잉크 유로들을 형성하기가 어렵기 때문에 다수의 노즐로부터 DOD 방식으로 잉크를 토출시키기가 어려운 단점이 있으며, 대전 안료를 이용하는 방식은 밀도가 높은 안료들을 축적시켜야 하기 때문에 잉크의 토출 속도에 한계가 있으며 사용되는 잉크에도 제한이 있다는 단점이 있다.

한편, 잉크젯 프린팅 장치에 있어서, 토출되는 잉크 액적의 크기는 일반적으 로 노즐의 직경에 비례하게 된다. 따라서, 미세한 잉크 액적을 토출하기 위해서는 노즐의 크기를 줄일 필요가 있다. 그러나, 노즐의 크기를 줄일 경우에는 정밀한 노즐을 만들기가 어렵고, 또한 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 커지게 되어 신뢰성이 감소하게 된다.

압전 방식과 정전 방식을 함께 채용하는 복합 방식의 잉크젯 프린팅 장치와 미세한 잉크 액적을 토출할 수 있는 구동 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치는,

잉크가 유입되는 잉크 인렛과, 유입된 잉크를 담고 있는 압력 챔버와, 상기 압력 챔버 내의 잉크를 액적의 형태로 토출시키는 노즐이 형성된 유로 플레이트; 상기 노즐로부터 잉크 액적을 토출시키는 제1구동력으로서 상기 압력 챔버 내부의 잉크에 압력 변화를 제공하는 압전 액츄에이터; 및 상기 노즐로부터 잉크 액적을 토출시키는 제2구동력으로서 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 정전기력 인가 수단;을 구비할 수 있다.

상기 잉크 인렛은 상기 유로 플레이트의 상면측에 형성되고, 상기 압력 챔버는 상기 유로 플레이트의 내부에 형성되며, 상기 노즐은 상기 유로 플레이트의 저면측에 형성될 수 있다.

상기 유로 플레이트에는 상기 잉크 인렛과 압력 챔버를 연결하는 매니폴드 및 리스트릭터와, 상기 압력 챔버와 노즐을 연결하는 댐퍼가 더 형성될 수 있다. 그리고, 상기 유로 플레이트는 복수의 기판으로 이루어질 수 있다.

상기 압전 액츄에이터는, 상기 유로 플레이트의 상면에 순차 적층되는 하부 전극, 압전막 및 상부 전극과, 상기 하부 전극과 상부 전극 사이에 전압을 인가하 기 위한 제1전원을 포함할 수 있다.

상기 정전기력 인가 수단은, 서로 대향하게 배치된 제1 정전 전극 및 제2 정전 전극과, 상기 제1 정전 전극과 제2 정전 전극 사이에 전압을 인가하는 제2전원을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 정전 전극은 상기 유로 플레이트의 상면에 배치되고, 상기 제2 정전 전극은 상기 유로 플레이트의 저면과 이격되도록 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 노즐의 내부에는 상기 노즐의 중심축을 따라 연장된 가이드 로드가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 가이드 로드는 상기 노즐의 내측 벽면에 고정된 브리지에 의해 지지될 수 있으며, 상기 유로 플레이트의 저면으로부터 소정 길이 돌출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법은,

상기 압전 액츄에이터에 제1전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시키는 단계; 상기 압전 액츄에이터에 제2전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 단계; 및 상기 압전 액츄에이터에 인가된 제2전압을 제거하는 단계;를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 정전기력 인가 수단에 정전 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 정전 전압은 적어도 상기 제1전압을 인가하는 단계와 상기 제2 전압을 인가하는 단계에서 유지될 수 있다.

상기 제1전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스가 볼록하게 변형될 수 있다.

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐의 중앙부에 상기 노즐의 내경보다 작은 곡률반경을 가진 볼록한 형태의 메니스커스가 형성되고, 볼록하게 돌출된 부분의 잉크는 상기 정전기력에 의해 액적의 형태로 토출될 수 있다. 이 때, 상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출될 수 있다.

상기 제2전압을 제거하는 단계에서, 상기 압전 액츄에이터, 상기 압력 챔버 내의 압력 및 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스는 원 상태로 되돌아 갈 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법은,

상기 압전 액츄에이터에 제2전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 단계; 및 상기 압전 액츄에이터에 인가된 제2전압을 제거하는 단계;를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 정전기력 인가 수단에 정전 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 제2전압을 인가하는 단계 전에, 상기 압전 액츄에이터에 제1전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시키는 단계;를 더 구비할 수 있다. 상기 제1전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스가 볼록하게 변형될 수 있다.

상기 정전 전압은 적어도 상기 제1전압을 인가하는 단계와 상기 제2 전압을 인가하는 단계에서 유지될 수 있다.

상기 제2전압을 인가하는 단계 전에, 상기 가이드 로드로 인한 표면장력에 의해 상기 가이드 로드의 앞 부분의 메니스커스가 볼록하게 돌출될 수 있다.

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 가이드 로드 앞 부분에 상기 노즐의 내경보다 작은 곡률반경을 가진 볼록한 메니스커스가 형성되고, 볼록하게 돌출된 부분의 잉크는 상기 정전기력에 의해 액적의 형태로 토출될 수 있다. 이 때, 상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 잉크젯 프린팅 장치는 압전 방식과 정전 방식의 잉크 토출 방식을 함께 채용하므로, DOD(Drop On Demand) 방식으로 잉크를 토출시킬 수 있어서 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 미세 액적을 구현하기가 쉬우며, 토출된 잉크 액적의 직진성도 양호하여 정밀 프린팅에 유리하다.

그리고, 본 발명의 실시예들에 따른 구동 방법에 의하면, 노즐의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적을 토출할 수 있다. 즉, 노즐의 크기를 줄이지 않고 비교적 큰 직경, 예컨대 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도의 직경을 가진 노즐을 통해서도 수 피코리터 수준의 미세한 액적을 토출할 수 있다. 또한, 미세한 액적을 토출하면서도 비교적 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로, 노즐의 막힘(clogging)이 발생 할 가능성이 낮아 신뢰성이 높아진다. 또한, 전기장이 잉크 메니스커스의 일부분에 집중되므로, 일정한 정전기력을 발생시키기 위한 정전 전압을 낮게 유지시킬 수 있다. 또한, 노즐의 중앙부에 가이드 로드가 설치되면, 가이드 로드로 인한 표면장력이 정전기력과 함께 작용함으로써 노즐의 중앙부에만 뾰족한 형태의 메니스커스가 보다 용이하게 형성될 수 있으며, 더욱 미세한 크기의 잉크 액적을 토출할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 아래에 예시된 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치는, 잉크 유로가 형성된 유로 플레이트(110)와, 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(130)와 정전기력 인가 수단(140)을 구비한다.

상기 유로 플레이트(110)에는 잉크 유로가 형성되며, 상기 잉크 유로는 잉크가 유입되는 잉크 인렛(121)과, 유입된 잉크를 담고 있는 다수의 압력 챔버(125) 와, 잉크 액적을 토출시키기 위한 다수의 노즐(128)을 포함한다. 상기 잉크 인렛(121)은 유로 플레이트(110)의 상면측에 형성될 수 있으며, 도시되지 않은 잉크 탱크와 연결된다. 상기 잉크 탱크로부터 공급된 잉크는 상기 잉크 인렛(121)을 통해 유로 플레이트(110) 내부로 유입된다. 상기 다수의 압력 챔버(125)는 유로 플레이트(110) 내부에 형성되며, 상기 잉크 인렛(121)을 통해 유입된 잉크가 저장된다. 그리고, 상기 유로 플레이트(110) 내부에는 상기 잉크 인렛(121)과 다수의 압력 챔버(125)를 연결하는 매니폴드(122, 123)와 리스트릭터(124)가 형성될 수 있다. 상기 다수의 노즐(128)은 다수의 압력 챔버(125)에 채워진 잉크를 액적의 형태로 토출하기 위한 것으로, 다수의 압력 챔버(125) 각각에 대해 하나씩 대응되어 연결된다. 상기 다수의 노즐(128)은 유로 플레이트(110)의 저면측에 형성될 수 있으며, 1열 또는 2열로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 유로 플레이트(110)에는 상기 다수의 압력 챔버(125)와 다수의 노즐(128)을 각각 연결하는 다수의 댐퍼(126)가 형성될 수 있다.

상기 유로 플레이트(110)는 미세 가공성이 양호한 재질의 기판, 예컨대 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 유로 플레이트(110)는 순차 적층된 세 개의 기판, 즉 제1기판(111), 제2기판(112) 및 제3기판(113)을 SDB(Silicon Direct Bonding)에 의해 접합하여 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 잉크 인렛(121)은 가장 상부에 위치한 기판, 즉 제3기판(113)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있으며, 다수의 압력 챔버(125)는 상기 제3기판(113)에 그 저면으로 부터 소정 깊이로 형성될 수 있다. 상기 다수의 노즐(128)은 가장 하부에 위치한 기판, 즉 제1 기판(111)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 매니폴드(122, 123)는 상기 제3기판(113)과 중간에 위치한 제2기판(112)에 형성될 수 있으며, 상기 다수의 댐퍼(126)은 상기 제2기판(112)을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.

한편, 위에서는 유로 플레이트(110)가 세 개의 기판(111, 112, 113)으로 구성된 경우를 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 따라서, 상기 유로 플레이트(110)는 하나 또는 두 개의 기판이나 네 개 이상의 기판으로 구성될 수도 있으며, 그 내부에 형성되는 잉크 유로도 다양한 구성으로 다양하게 배치될 수 있다.

상기 압전 액츄에이터(130)는, 잉크 토출을 위한 제1의 구동력, 즉 다수의 압력 챔버(125)에 압력 변화를 제공하는 역할을 하는 것으로, 유로 플레이트(110)의 상면에 상기 다수의 압력 챔버(125)에 대응하는 위치에 형성된다. 상기 압전 액츄에이터(130)는, 유로 플레이트(110)의 상면에 순차 적층되는 하부 전극(131), 압전막(132) 및 상부 전극(133)으로 이루어질 수 있다. 상기 하부 전극(131)은 공통 전극의 역할을 하며, 상부 전극(133)은 압전막(132)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. 이를 위해, 상기 하부 전극(131)과 상부 전극(133)에는 제1전원(135)이 연결된다. 그리고, 상기 압전막(132)은 상기 제1전원(135)으로부터의 전압의 인가에 의해 변형됨으로써 상기 압력 챔버(125)의 상부벽을 이루는 제3기판(113)을 변형시키는 역할을 하게 된다. 이러한 압전막(132)은 소정의 압전 물질, 예컨대 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.

상기 정전기력 인가 수단(140)은, 잉크 토출을 위한 제2의 구동력, 즉 노 즐(128) 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 역할을 하는 것으로, 서로 대향하게 배치된 제1 정전 전극(141) 및 제2 정전 전극(142)과, 상기 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 전압을 인가하는 제2전원(145)를 구비한다.

상기 제1 정전 전극(141)은 상기 유로 플레이트(110)에 마련된다. 구체적으로, 상기 제1 정전 전극(141)은 유로 플레이트(110)의 상면, 즉 제3기판(113)의 상면에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 정전 전극(141)은 상기 압전 액츄에이터(130)의 하부 전극(131)과 이격되도록 잉크 인렛(121)이 형성된 영역에 배치될 수 있다. 상기 제2 정전 전극(142)은 상기 유로 플레이트(110)의 저면과 소정 간격 이격되도록 배치될 수 있으며, 상기 제2 정전 전극(142) 상에는 유로 플레이트(110)의 노즐들(128)로부터 토출되는 잉크 액적들이 인쇄되는 인쇄 매체(P)가 배치된다.

상기한 구성을 가진 잉크젯 프린팅 장치는, 압전 방식과 정전 방식의 잉크 토출 방식을 함께 채용하므로, 압전 방식의 장점과 정전 방식의 장점을 함께 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치는, DOD(Drop On Demand) 방식으로 잉크를 토출시킬 수 있어서 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 미세 액적을 구현하기가 쉬우며, 토출된 잉크 액적의 직진성도 양호하여 정밀 프린팅에 유리하다.

도 2는 도 1에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 제1단계에서는, 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 제2전원(145)로부터 소정의 정전 전압(VE)이 인가된다. 이 때, 노즐(128) 내부의 잉크(129)에 작용하는 정전기력이 크지 않기 때문에 잉크(129)의 메니스커스(M, meniscus)는 정지 상태이다.

다음으로, 제2단계에서는, 압전 액츄에이터(130)에 소정의 제1전압(VP1)을 인가하여 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시킨다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 상기 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다. 그러면, 압력 챔버(125) 내의 압력이 증가하므로 노즐(128) 내부의 잉크(129)의 메니스커스(M)가 볼록하게 변형된다. 이와 같이 볼록한 메니스커스(M)가 형성되면, 이 부분에 전기장이 집속되고, 이에 따라 잉크(129) 내부의 양전하는 제2 정전 전극(142) 방향으로 이동하여 노즐(128)의 단부에 모이게 된다.

다음으로, 제3단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 소정의 제2전압(VP2)을 인가하여 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시킨다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 상기 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다. 그러면, 압력 챔버(125) 내의 압력이 감소하므로 노즐(128) 내부의 잉크(129)의 메니스커스(M)는 오목하게 변형되지만, 메니스커스(M)의 중앙부는 모여진 전하들과 제2 정전 전극(142) 사이에 작용하는 정전기력에 의하여 볼록한 형태를 유지하게 된다. 이에 따라, 노즐(128)의 중앙부에는 노 즐(128)의 내경보다 훨씬 작은 곡률반경을 가진 볼록한 형태의 메니스커스(M)가 형성된다.

일반적으로, 아래 수학식 1에서와 같이, 정전기력(FE)은 전하량(q)과 전기장의 세기(E)에 비례한다. 그리고, 아래 수학식 2에서와 같이, 전하량(q) 역시 전기장의 세기(E)에 비례한다. 따라서, 아래 수학식 3에서와 같이, 정전기력(FE)은 전기장의 세기(E)의 제곱에 비례하게 된다. 또한, 아래 수학식 4에서와 같이, 전기장의 세기(E)는 인가된 정전 전압(VE)에 비례하지만, 메니스커스(M)의 곡률반경(rm)에는 반비례하게 된다. 따라서, 아래 수학식 5에서와 같이, 노즐(128) 단부에서 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)에 작용하는 정전기력(FE)은 그 부분의 메니스커스(M)의 곡률반경(rm)의 제곱에 반비례하게 된다.

상기한 바와 같이, 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)에 작용하는 정전기력(FE)은 커지게 되고, 이에 따라 노즐(128) 중앙부의 메니스커스(M)의 곡률반경은 더욱 줄어들게 되며, 이는 또 다시 상기 정전기력(FE)를 더욱 증가시키게 된다. 결국은 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)는 노즐(128) 내부의 잉크(129)로부터 액적(129a)의 형태로 떨어져 나오게 된다. 이 때, 잉크(129)는 노즐(129)의 중앙부에서만 뾰족하게 돌출되어 있으므로, 노즐(128)의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적(129')이 토출될 수 있다. 이와 같이 분리된 잉크 액적(129a)은 정전기력(FE)에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 이동하여 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다.

다음으로, 제4단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 인가된 제2전압(VP2)을 제거하면, 압전 액츄에이터(130)는 원래의 상태로 되돌아 가게 되고, 압력 챔버(125) 내의 압력도 원 상태로 회복되므로, 오목한 형태의 메니스커스(M)도 원 상태로 되돌아 가게 된다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 상기 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지될 수 있다.

한편, 위에서는 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 인가되는 정전 전압(VE)이 제1단계부터 제4단계까지 계속 유지되는 것으로 도시되고 설명되었지만, 상기 정전 전압(VE)은 아래에서 설명하는 바와 같이 일부 단계에서만 인가될 수도 있다.

도 4는 도 2에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 인가되는 정전 전압(VE)은 상기한 제2단계와 제3단계에서만 유지될 수 있다. 즉, 압전 액츄에이터(130)에 전압이 인가되지 않아서 메니스커스(M)가 정지된 상태를 유지하는 제1단계와 제4단계에서는 상기 정전 전압(VE)도 인가되지 않을 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 방법에 의하면, 노즐의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적을 토출할 수 있다. 즉, 노즐의 크기를 줄이지 않고 비교적 큰 직경, 예컨대 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도의 직경을 가진 노즐을 통해서도 수 피코리터 수준의 미세한 액적을 토출할 수 있다. 그리고, 미세한 액적을 토출하면서도 비교적 큰 직경의 노즐을 사용할 수 있으므로, 노즐의 막힘(clogging)이 발생할 가능성이 낮아 신뢰성이 높아진다. 또한, 전기장이 잉크 메니스커스의 일부분에 집중되므로, 일정한 정전기력을 발생시키기 위한 정전 전압을 낮게 유지시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치를 도시한 단면도 이고, 도 6은 도 5에 도시된 노즐, 가이드 로드 및 브리지를 도시한 평면도이다. 도 5와 도 6에 도시된 실시예는 노즐의 구성을 제외하고는 도 1에 도시된 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 노즐의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 5와 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치에 있어서, 상기 노즐(128) 내부에는 노즐(128)의 중심축을 따라 연장된 가이드 로드(128a)가 배치될 수 있다. 상기 가이드 로드(128a)는 유로 플레이트(110)의 저면으로부터 소정 길이 돌출되도록 형성될 수 있다. 그리고, 상기 가이드 로드(128a)는 노즐(128)의 내측 벽면에 고정된 브리지(128b)에 의해 지지될 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 그리고, 도 7에 도시된 구동 방법에는 도 3에 도시된 구동 파형이 그대로 적용될 수 있다.

도 7과 도 3을 함께 참조하면, 제1단계에서는, 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 제2전원(145)로부터 소정의 정전 전압(VE)이 인가된다. 이 때, 노즐(128) 내부의 잉크(129)에 작용하는 정전기력이 크지 않기 때문에 잉크(129)의 메니스커스(M)는 정지 상태이다. 다만, 노즐(128)의 중앙부에 배치된 가이드 로드(128a)로 인한 표면장력에 의해 가이드 로드(128a)의 앞 부분의 메니스커스(M)는 약간 돌출된다.

다음으로, 제3단계에서, 압전 액츄에이터(130)에 소정의 제2전압(VP2)을 인가하여 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시킨다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 상기 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다. 그러면, 압력 챔버(125) 내의 압력이 감소하므로 노즐(128) 내부의 잉크(129)의 메니스커스(M)는 오목하게 변형되지만, 메니스커스(M)의 중앙부는 모여진 전하들과 제2 정전 전극(142) 사이에 작용하는 정전기력에 의하여 볼록한 형태를 유지하게 된다. 이 때, 상기 가이드 로드(128a)로 인한 표면장력에 의해 가이드 로드(128a)의 전방에 볼록한 형태의 메니스커스가(M)가 보다 용이하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 노즐(128)의 중앙부에는 노즐(128)의 내경보다 훨씬 작은 곡률반경을 가진 볼록한 형태의 메니스커스(M)가 형성된다.

전술한 바와 같이, 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)에 작용하는 정전기력(FE)은 커지게 되고, 이에 따라 노즐(128) 중앙부의 메니스커스(M)의 곡률반경은 더욱 줄어들게 되며, 이는 또 다시 상기 정전기력(FE)를 더욱 증가시키게 된다. 결국은 뾰족하게 돌출된 부분의 잉크(129)는 노즐(128) 내부의 잉크(129)로부터 액적(129a)의 형태로 떨어져 나오게 된다. 이 때, 잉크(129)는 노즐(129)의 중앙부에 서만 뾰족하게 돌출되어 있으므로, 노즐(128)의 크기에 비해 매우 작은 크기의 잉크 액적(129')이 토출될 수 있다. 이와 같이 분리된 잉크 액적(129a)은 정전기력(FE)에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 이동하여 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다.

한편, 위에서는 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 인가되는 정전 전압(VE)이 제1단계부터 제4단계까지 계속 유지되는 것으로 도시되고 설명되었지만, 상기 정전 전압(VE)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기한 제2단계와 제3단계에서만 유지될 수 있다.

상기한 바와 같이, 도 7에 도시된 구동 방법의 일 실시예에 의하면, 노즐(128)의 중앙부에 설치된 가이드 로드(128a)로 인한 표면장력이 정전기력과 함께 작용함으로써 노즐(128)의 중앙부에만 뾰족한 형태의 메니스커스(M)가 보다 용이하게 형성될 수 있다.

도 8은 도 5에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 8과 도 9를 함께 참조하면, 제1단계에서는, 압전 액츄에이터(130)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 제2전원(145)로부터 소정의 정전 전압(VE)이 인가된다. 이 때, 노즐(128) 내부의 잉크(129)에 작용하는 정전기력이 크지 않기 때문에 잉크(129)의 메니스커스(M)는 정지 상태이다. 다만, 노즐(128)의 중앙부에 배치된 가이드 로드(128a)로 인한 표면장력에 의해 가이드 로드(128a)의 앞 부분의 메니스커스(M)는 약간 볼록하게 돌출된다. 이와 같이 가이드 로드(128a)의 앞 부분에서 약간 볼록하게 돌출된 부분에는 정전기력에 의해 양전하가 모이게 된다.

다음으로, 제2단계에서는, 압전 액츄에이터(130)에 소정의 제2전압(VP2)을 인가하여 압전 액츄에이터(130)를 압력 챔버(125)의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시킨다. 이 때, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에는 상기 정전 전압(VE)이 인가된 상태가 유지된다. 그러면, 압력 챔버(125) 내의 압력이 감소하므로 노즐(128) 내부의 잉크(129)의 메니스커스(M)는 오목하게 변형되지만, 메니스커스(M)의 중앙부, 즉 가이드 로드(128a)의 앞부분에는 모여진 전하들과 제2 정전 전극(142) 사이에 작용하는 정전기력 및 가이드 로드(128a)로 인한 표면장력에 의해 볼록한 형태를 유지하게 된다.

도 8에 도시된 실시예에서는, 도 7에 도시된 제2단계가 생략되어 있으므로, 가이드 로드(128a)의 앞부분에 남아 있는 잉크(129)의 양은 매우 적고, 이에 따라 메니스커스(M)의 곡률반경도 매우 작다. 따라서, 가이드 로드(128a)의 앞부분에 남아 있는 잉크(129)에 작용하는 정전기력(FE)은 더욱 커지게 되고, 결국 그 부분의 잉크(129)는 액적(129a)의 형태로 토출된다. 이와 같이 분리된 잉크 액적(129a)은 정전기력(FE)에 의해 제2 정전 전극(142) 방향으로 이동하여 인쇄 매체(P) 상에 인쇄된다.

상기한 바와 같이, 도 8과 도 9에 도시된 구동 방법의 다른 실시예에 의하면, 노즐(128)의 중앙부에 설치된 가이드 로드(128a)의 앞 부분에 남게 되는 잉크(129)의 양이 매우 적으므로, 도 7에 도시된 실시예에 비해 더욱 미세한 크기의 잉크 액적(129a)을 토출할 수 있게 된다.

도 10은 도 8에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 제1 정전 전극(141)과 제2 정전 전극(142) 사이에 인가되는 정전 전압(VE)은 상기한 제2단계에서만 유지될 수 있다. 즉, 압전 액츄에이터(130)에 전압이 인가되지 않아서 메니스커스(M)가 정지된 상태를 유지하는 제1단계와 제3단계에서는 상기 정전 전압(VE)도 인가되지 않을 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하 며, 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.

도 2는 도 1에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린팅 장치를 도시한 단면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 노즐, 가이드 로드 및 브리지를 도시한 평면도이다.

도 7은 도 5에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 8은 도 5에 도시된 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 9는 도 8에 도시된 구동 방법에 적용되는 구동 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...유로 플레이트 111...제1기판

112...제2기판 113...제3기판

121...잉크 인렛 122,123...매니폴드

124...리스트릭터 125...압력 챔버

126...댐퍼 128...노즐

128a...가이드 로드 128b...브리지

129..잉크 129a...잉크 액적

130...압전 액츄에이터 131...하부 전극

132...압전막 133...상부 전극

135...제1전원 140...전전기력 인가 수단

141...제1 정전 전극 142...제2 정전 전극

145...제2전원

Claims

잉크젯 프린팅 장치에 있어서,

잉크가 유입되는 잉크 인렛과, 유입된 잉크를 담고 있는 압력 챔버와, 상기 압력 챔버 내의 잉크를 액적의 형태로 토출시키는 노즐이 형성된 유로 플레이트;

상기 노즐로부터 잉크 액적을 토출시키는 제1구동력으로서 상기 압력 챔버 내부의 잉크에 압력 변화를 제공하는 압전 액츄에이터; 및

상기 노즐로부터 잉크 액적을 토출시키는 제2구동력으로서 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 정전기력 인가 수단;을 구비하는 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 잉크 인렛은 상기 유로 플레이트의 상면측에 형성되고, 상기 압력 챔버는 상기 유로 플레이트의 내부에 형성되며, 상기 노즐은 상기 유로 플레이트의 저면측에 형성된 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 유로 플레이트에는 상기 잉크 인렛과 압력 챔버를 연결하는 매니폴드 및 리스트릭터와, 상기 압력 챔버와 노즐을 연결하는 댐퍼가 더 형성된 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 유로 플레이트는 복수의 기판으로 이루어진 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 압전 액츄에이터는, 상기 유로 플레이트의 상면에 순차 적층되는 하부 전극, 압전막 및 상부 전극과, 상기 하부 전극과 상부 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 제1전원을 포함하는 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 정전기력 인가 수단은, 서로 대향하게 배치된 제1 정전 전극 및 제2 정전 전극과, 상기 제1 정전 전극과 제2 정전 전극 사이에 전압을 인가하는 제2전원을 포함하는 잉크젯 프린팅 장치.
제 6항에 있어서,

상기 제1 정전 전극은 상기 유로 플레이트의 상면에 배치되고, 상기 제2 정전 전극은 상기 유로 플레이트의 저면과 이격되도록 배치된 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항에 있어서,

상기 노즐의 내부에는 상기 노즐의 중심축을 따라 연장된 가이드 로드가 설치된 잉크젯 프린팅 장치.
제 8항에 있어서,

상기 가이드 로드는 상기 노즐의 내측 벽면에 고정된 브리지에 의해 지지되는 잉크젯 프린팅 장치.
제 8항에 있어서,

상기 가이드 로드는 상기 유로 플레이트의 저면으로부터 소정 길이 돌출된 잉크젯 프린팅 장치.
제 1항의 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법에 있어서,

상기 압전 액츄에이터에 제1전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시키는 단계;

상기 압전 액츄에이터에 제2전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 단계; 및

상기 압전 액츄에이터에 인가된 제2전압을 제거하는 단계;를 구비하는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 11항에 있어서,

상기 정전기력 인가 수단에 정전 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;를 더 구비하는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 12항에 있어서,

상기 정전 전압은 적어도 상기 제1전압을 인가하는 단계와 상기 제2 전압을 인가하는 단계에서 유지되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 12항에 있어서,

상기 제1전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스가 볼록하게 변형되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 12항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐의 중앙부에 상기 노즐의 내경보다 작은 곡률반경을 가진 볼록한 형태의 메니스커스가 형성되고, 볼록하게 돌출된 부분의 잉크는 상기 정전기력에 의해 액적의 형태로 토출되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 15항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 12항에 있어서,

상기 제2전압을 제거하는 단계에서, 상기 압전 액츄에이터, 상기 압력 챔버 내의 압력 및 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스는 원 상태로 되돌아 가는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 8항의 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법에 있어서,

상기 압전 액츄에이터에 제2전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 증가시키는 방향으로 변형시키는 단계; 및

상기 압전 액츄에이터에 인가된 제2전압을 제거하는 단계;를 구비하는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 18항에 있어서,

상기 정전기력 인가 수단에 정전 전압을 인가하여 상기 노즐 내부의 잉크에 정전기력을 인가하는 단계;를 구비하는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 19항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계 전에, 상기 압전 액츄에이터에 제1전압을 인가하여 상기 압전 액츄에이터를 상기 압력 챔버의 부피를 감소시키는 방향으로 변형시키는 단계;를 더 구비하는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 20항에 있어서,

상기 제1전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스가 볼록하게 변형되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 20항에 있어서,

상기 정전 전압은 적어도 상기 제1전압을 인가하는 단계와 상기 제2 전압을 인가하는 단계에서 유지되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 19항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계 전에, 상기 가이드 로드로 인한 표면장력에 의해 상기 가이드 로드의 앞 부분의 메니스커스가 볼록하게 돌출된 잉크젯 프리팅 장치의 구동 방법.
제 19항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 가이드 로드 앞 부분에 상기 노즐의 내경보다 작은 곡률반경을 가진 볼록한 메니스커스가 형성되고, 볼록하게 돌출된 부분의 잉크는 상기 정전기력에 의해 액적의 형태로 토출되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 24항에 있어서,

상기 제2전압을 인가하는 단계에서, 상기 노즐의 크기에 비해 작은 크기의 잉크 액적이 토출되는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.
제 19항에 있어서,

상기 제2전압을 제거하는 단계에서, 상기 압전 액츄에이터, 상기 압력 챔버 내의 압력 및 상기 노즐 내부의 잉크의 메니스커스는 원 상태로 되돌아 가는 잉크젯 프린팅 장치의 구동 방법.