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KR100221459B1 - 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법 - Google Patents

프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법 Download PDF

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KR100221459B1
KR100221459B1 KR1019970020896A KR19970020896A KR100221459B1 KR 100221459 B1 KR100221459 B1 KR 100221459B1 KR 1019970020896 A KR1019970020896 A KR 1019970020896A KR 19970020896 A KR19970020896 A KR 19970020896A KR 100221459 B1 KR100221459 B1 KR 100221459B1
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KR
South Korea
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thin film
storage alloy
recording liquid
alloy
martensite
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KR1019970020896A
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최해용
Original Assignee
이형도
삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 박막형상기억합금의 상변화 과정에서 발생되는 변형에 의해 액실의 압력이 가변되면서 기록액이 분사되도록 함으로써, 박막형상기억합금의 발생력(Actuating force)이 매우 큼으로 노즐의 막힘현상이 감소되고 또한 박막형상기억합금의 변형량이 크기 때문에 박막형상기억합금을 소형으로 제작할 수 있어 노즈의 밀집도를 높여 해상도를 높일 수 있고, 반도체공정을 이용하여 기판에 박막형상기억합금을 형성할 수있으므로 양산성이 증가되는 프린트헤드의 기록액 분사장치에 관한 것으로서, 특히 온도변화에 따라 형상변화가 되는 박막형상기억합금과, 상기 박막형상기억합금의 온도변화를 발생시키는 전원공급부와, 상기 박막형상기억합금의 일측에 설치되고 기록액을 저장하기 위한 액실이 형성되어 있으며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 상기 기록액이 유입되도록 유로가 형성된 유로판과, 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금이 형상변화될 때 상기 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 유로판의 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트가 구비된 특징이 있다.

Description

프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법
제1도는 종래 가열식 분사장치의 단면도.
제2도는 종래 압전소자식 분사장치의 단면도.
제3도는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 분리 사시도.
제4도는 본 발명 한 실시예의 기록액 흐름을 나타낸 사시도.
제5a, b도는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 정단면도.
제6도는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 측단면도로서, (a)에서 (b)는 작동전후를 나타낸다.
제7도는 본 발명의 박막형상기억합금의 상변화를 나타낸 선도.
제8도는 본 발명에 따른 일방향 박막형상기억합금의 제조방법을 나타낸 공정도.
제9도는 본 발명에 따른 일방향 박막형상기억합금의 제조방법을 나타낸 블럭도.
제10도는 본 발명에 따른 양방향 박막형상기억합금의 제조방법을 나타낸 공정도.
제11도는 본 발명에 따른 양방향 박막형상기억합금의 제조방법을 나타낸 블럭도.
제12도는 본 발명 박막형상기억합금의 가열시간과 온도를 나타낸 선도.
제13도는 본 발명 박막형상기억합금의 크기를 나타낸 단면도.
제14도는 본 발명 다른 실시예의 분사장치의 측단면도로서, (a)에서 (b)는 작동전후를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 11 : 공간부
12 : 박막형상기억합금 13 : 유로판
14 : 액실 16 : 유로
18 : 노즐플레이트 19 : 노즐
20 : 기록액 21 : 전극
100 : 중착단계 101 : 열처리단계
102 : 냉각단계 103 : 노출단계
104 : 휨변형단계 105 : 기록액분사단계
106 : 기록액보충단계 107 : 인쇄단계
200 : 열처리단계 201 : 냉각단계
202 : 휨변형단계 203 : 가열단계
204 : 학습단계 205 : 휨형단계
206 : 기록액분사단계 207 : 기록액보충단계
208 : 인쇄단계
본 발명은 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막형상기억합금이 상변화되는 과정에서 변형에 의해 액실의 압력이 조절되어 기록액이 분사되도록 함으로써, 소형으로 제작할 수 있고 제조 공정이 단순화 되는 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 널리이용되고 있는 프린트헤드는 DOD(Dorp On Demand)방식을 사용하고 있다. 이 DOD 방식은 기록액 방울을 대전(帶電)하거나 편향시킬 필요가 없고, 고압도 필요치 않으며, 대기의 압력하에서 즉시 기록액 방울을 분사하여 손쉽게 프린트 할 수 있기 때문에 이용이 점차 늘어나고 있다. 대표적인 분사원리는 저항을 이용하는 가열식 분사방법과 압전소자(Piezo-Electric)를 이용하는 진동식 분사방법이 있다.
도 1는 가열식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 기록액이 내장되는 챔버(a1)가 있고, 이 챔버(a1)로 부터 피기록재를 향한 분사구(a2)가 있으며, 이 분사구(a2)의 반대쪽인 챔버(a1) 바닥에는 저항(a3)이 매설되어 공기의 팽창을 유발하도록 구성되어 있다. 따라서 저항에 의해 팽창된 공기거품(Bubble)은 챔버(a1) 내부의 기록액을 분사구(a2)로 밀려나가게 하는 것이고, 기록액은 그 힘으로 피기록재를 향해 분사되는 것이다.
그러나 이러한 가열식 분사방법은 기록액이 열에 가열되므로 화학적 변화를 유발하게 되고, 이러한 기록액이 분사구(a2) 내경에 붙어 막힘현상을 유발하는 문제가 있으며, 또한 발열저항기의 수명이 짧은 단점과 함께 수용성 기록액을 사용해야 하므로 문서의 보존성이 뒤떨어 지는 것이다.
도 2는 압전소자에 의한 진동식 분사방법의 원리를 설명하기 위한 것으로 역시 기록액이 내장되어 있는 챔버(b1)가 있고, 이 챔버(b1)로 부터 피기록재를 향한 분사구(b2)가 있으며 분사구의 반대쪽 바닥에는 압전소자(piezo Transducer)가 매설되어 진동을 유발하도록 구성되어 있다.
상기와 같이 챔버(b1)의 바닥에서 압전소자(b3)가 진동을 유발하면 기록액은 진동의 힘에 의해 분사구(b2)로 밀려나가게 되며 따라서 기록액은 그 진동의 힘에 의해 피기록재로 분사되는 것이다.
이와 같이 압전소자의 진동에 의한 분사방법은 열을 이용하지 않으므로 기록액의 선택폭이 넓은 잇점은 있으나 상기한 압전소자의 가공이 어렵고, 특히 압전소자를 챔버(b1)의 바닥에 부착하는 작업이 어렵기 때문에 양산성이 저하되는 문제점이 있다.
또한 종래의 프린트해드는 기록액을 토출하기 위해 형상기억합금이 사용된다. 일본 공개특허공보 공개번소 소57-203177, 소63-57251, 평성4-247680, 평성2-265752, 평성2-308466, 평성3-65349에는 형상기억합금이 사용된 프린트헤드의 실시예가 개시되어 있다. 종래의 실시예는 상변태온도가 다르고 두께가 서로다른 형상기억합금이 여러장 결합되어 휨변형되도록 구성된 것과, 탄성부재 형상기억합금의 결합에 의해 휨변형 되도록 구성된 것 등이 있다.
그러나 종래의 형상기억합금을 이용한 프린트헤드는 헤드크기의 소형화가 어려우며 노즐의 밀집도가 떨어져 해상도가 좋지 않으며 제조하기 어려워 양상성이 떨어진다. 또한 사용된 형상기억합금은 박막으로 구현하지 않고 두께가 50㎛이상인 후막으로 구현했기 때문에 가열시 전력소비가 크고 냉각시간이 길어 작동주파수가 떨어지며 인쇄속도가 낮아 실용성이 없는 등의 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 박막형상기억합금의 상변화 과정에서 발생되는 변형에 의해 액실의 압력이 가변되면서 기록액이 분사되도록 함으로써, 형상기억합금의 발생력(Actuating force)이 매우 큼으로 노즐의 막힘 현상이 감소되고 또한 박막의 변형량이 크기 때문에 박막형상기억합금을 소형으로 제작하여 노즐의 밀집도를 높여 해상도를 높일 수 있고, 반도체박막제조공정을 이용하여 기판에 박막으로 형상기억합금을 증착하고 필요한 변위량을 얻을 수 있으므로 양산성이 증가되는 프린트헤드의 기록액 분사장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 프린트헤드의 기록액 분사장치는 온도변화에 따라 형상변화가 되는 박막형상기억합금과, 상기 박막형상기억합금의 온도변화를 발생시키는 전원공급부와, 상기 박막형상기억합금의 일측에 설치되고 기록액을 저장하기 위한 액실이 형성되어 있으며 상기 액실을 둘러싼 벽면의 일측에 상기 기록액이 유입되도록 유로가 형성된 유로판과, 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금이 형상변화 될때 상기 기록액이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 유로판의 액실 면적보다 작은 면적의 노즐이 형성된 노즐플레이트를 구비하여 되는 점에 그 특징이 있다.
본 발명은 기존의 압전소자를 이용한 방식 및 가열에 의한 공기팽창을 이용한 방식의 단점과 기존 형상기억합금을 이용한 방식의 단점을 해결하기 위하여 반도체 박막제조공정을 이용하여 기판상에 박막형상기억합금을 형성하고 기판의 일부를 에칭하여 박막형상기억합금이 진동할 수 있는 공간부를 구성하고 박막형상기억합금의 진동에 의해 액적을 형성하는 기록액 분사장치를 구현했다.
기판상에 형상기억합금을 반도체 박막제조공정을 이용하여 증착(deposition)한후 열처리하여 박막형상기억합금을 형성한다. 따라서 모상상태에서 편평한 형상이 이루어 진다. 증착된 박막형상기억합금은 마르텐사이트에서 잔류압축응력을 갖도록 할 수 있고, 증착조건, 열처리온도 및 시간 등에 따라 잔류압축응력의 크기를 변화시킬수 있다. 기판의 일부를 에칭하여 공간부를 형성하면 잔류압축응력에 의해 박막형상기억합금은 좌굴현상(Buckling)에 의한 휨변형하게 된다. 박막형상기억합금을 가열하면 박막형상기억합금은 모상이 되고 편평한 상태로 변화하려하며 이때 액실용적이 감소되어 기록액이 분사된다. 냉각시에는 잔류압축응력에 의해 휨변형이 발생하고 이때 기록액 재충전이 이루어진다. 이러한 과정을 반복하여 연속적인 기록액 분사를 행한다.
본 발명은 구조가 단순하고 반도체박막제조공정과 기판에칭을 통해 박막형상기억합금을 구현하고 잔류압축응력을 이용하여 기록액을 분사하는데 필요한 변위를 쉽게 구현할 수 있으므로 양산성이 크게 증가되며, 또한 전류압축응력의 크기를 바꾸어 변형량을 쉽게 조절할 수 있으며, 따라서 변위량을 크게할 수도 있으므로 박막형상기억합금의 면적을 작게할 수 있다. 따라서 헤드의 소형화가 가능하며 노즐의 밀집도를 높여 고해상도를 달성할 수 있다.
박막형상기억합금을 이용하기 때문에 가열시 전력소모가 크게 줄어들고 냉각시 냉각시간도 매우 빠르게 되고 또한 기록액분사후 잔류압축응력에 의해 휨변형된 상태로 복귀할 때 잔류진동이 발생하지 않으므로 안정화된 기록액 분사를 행할 수 있다. 따라서 작동주파수의 증가, 즉 인쇄속도의 증가를 가져온다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명 한 실시예의 분사장치의 분리 사시도이고, 도4는 본 발명 한 실시예의 기록액 흐름을 나타낸 사시도 이다. 본 발명의 분사장치는 해상도를 높이기 위해 기록액(20)이 분사되는 노즐(19)이 종,횡으로 다수열 배열되며 기록액(20)을 실질적으로 분사하는 박막형상기억합금(12)이 이들 각 노즐(19)과 일대일 대응된다.
즉 기판(10)의 전,후방에 상하측 방향으로 관통된 공간부(11)가 다수개 형성되고 기판(10)의 상부에 결합되어 각 공간부(11)를 덮는 박막형상기억합금(12)이 다수개 구비된다. 기판(10)의 상부를 덮는 유로판(13)이 구비되고 유로판(13)에는 해당 박막형상기억합금(12)이 직상부 마다 기록액(20)이 수용되는 액실(14)이 형성된다. 또한 유로판(13)의 중앙에는 기록액(20)이 흐르는 주유로(15)가 마련되고 주유로(15)와 해당 액실(14)은 유로(16)를 통하여 서로 연통된다. 또한 기판(10)의 일측에는 유로판(13)의 일측 주유로(15)와 연통되는 액주입구(17)가 마련되어 기록액(20)이 주유로(15) 쪽으로 공급된다.
또한 유로판(13)의 상부에 결합되는 노즐플레이트(18)가 구비되고 노즐플레이트(18)는 유로판(13)에 형성된 각 액실(14)과 대응되는 노즐(19)이 다수개 형성된다. 또한 각 노즐(19)은 해당 액실(14) 쪽으로 노출된 박막형상기억합금(12)과 대응되며 이들 박막형상기억합금(12)이 변형될때 해당 액실(14)의 압력이 변하면서 기록액(20)이 액적의 상태로 각 노즐(19)을 거쳐 용지에 분사된다.
박막형상기억합금(12)은 온도변화에 따라 연속적으로 상변화되고 이 과정에서 변형에 의해 진동이 일어나게 되며 기록액(20)이 각 노즐(19)을 통하여 액적의 상태로 분사된다. 도6의 (a)내지 (b)는 본 발명 한 실시예의 분사장치의 측단면도로서, 어느 한 박막형상기억합금을 발췌한 것이다. 박막형상기억합금(12)이 노즐(19)의 반대쪽으로 볼록하게 변형된 초기상태에서 설정온도 이상으로 가열되면 모상(parent phase)으로 변하면서 편평해지려하고 이때 액실(14)의 내압이 증가되어 압축됨과 동시에 기록액(20)이 노즐(19)을 거쳐 분사된다. 또한 박막형상기억합금(12)이 설정온도 이하로 내려가면 잔류압축응력에 의해 휨변형상태로 복원되고 액실(14)의 내압이 낮아지면서 노즐(19)의 모세관현상과 흡입력에 의해 기록액(20)이 액실(14) 내부로 유입되며 이후 위의 과정이 연속적으로 반복되면서 인쇄된다.
또한 박막형상기억합금(12)는 도 5(a)에서와 같이 전원공급부(21)에 의해 가열된다. 즉 박막형상기억합금(12)의 양단에 결합된 전극(21a)으로 전원공급부(21)의 전원이 인가되면 박막형상기억합금(12)은 자체저항에 의해 발열되어 온도가 상승되고 모상으로 변하면서 편평해진다. 또한 전원공급부(21)에 전원이 차단되면 박막형상기억합금(12)은 자연냉각되면서 잔류압축응력에 의해 원래의 볼록한 상태로 복원된다. 또한 도5(b)에서와 같이 전원공급부(21)로 부터 인가되는 전원에 의해 가열되는 히터(21b)를 박막형상기억합금(12)의 일측면에 직접 부착하여 박막형상기억합금(12)을 가열할 수 있다.
이러한 박막형상기억합금(12)은 온도에 따라 상변화되어 변형을 일으키는 형상기억합금(Shape memory alloy)이 사용되며 재질은 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)이 주성분이며 그 두께는 약 0.3㎛∼5㎛ 정도이다. 또한 형상기억합금으로 구성된 박막형상기억합금(12)은 제조방법에 따라 방향성을 갖는다. 도8 내지 도9는 본 발명에 따른 일방향 박막형상기억합금(One-way thin file shape memory alloy)의 제조방법을 나타낸 공정도 및 블럭도 로서, 도3 내지 도6은 일방향 박막형상기억합금을 이용한 것이다. 실리콘 등의 재질로 구성된 기판(10)에 박막형상기억합금(12)을 증착시키는 단계(100)가 구비된다. 증착은 주로 스퍼터디포지션(Sputter-deposition)과 레이져 에블에이션(laser ablation)의 방법이 사용된다.
그리고 일정온도에서 일정시간 열처리 하여 결정화 시키면 모상(parent phase)에서 평판형태로 되는 단계(101)가 구비된다. 이후 마르텐사이트 종료온도(Mf) 약 40℃∼70℃로 냉각되면서 모상은 마르텐사이트(Martensite)로 되어 잔류압축응력이 박막형상기억합금(12)에 존재하는 단계(102)가 구비된다.
또한 박막형상기억합금(12)의 직하부를 에칭하면 실리콘웨이퍼로 구성된 기판(10)에 공간부(11)가 형성되고 박막형상기억합금(12)이 외부로 노출되는 단계(103)가 구비되며, 이후 박막형상기억합금(12)은 잔류압축응력에 의해 하부(또는 상부)쪽으로 휨변형되어 도6 (a)와 같이 되는 단계(104)가 구비된다. 그리고 마르텐사이트에서 휨변형된 박막형상기억합금(12)에 설정온도 즉 모상 종료온도(Af) 약 50℃∼90℃로 온도를 올리면 모상으로 변형되어 도6(c)와 같이 편평해지면서 기록액(20)이 분사되는 단계(105)가 구비된다. 또한 박막형상기억합금(12)을 냉각하여 마르텐사이트가 되도록 하면 잔류압축응력에 의해 휨변형되고 기록액(20)이 액실(14) 내부로 보충되는 단계(106)와, 박막형상기억합금(12)이 온도변화에 따라 위의 각 단계(105)(106)를 반복하게 되고 이 과정에서 인쇄되는 단계(107)로 구성된다.
도10 내지 도11는 본 발명에 따른 양방향 박막형상기억합금(Two-way thin file shape memory alloy)의 제조 방법을 나타낸 공정도 및 블럭도 이다. 박막형상기억합금(12)을 챔버(22) 내부에서 일정온도 일정시간 열처리하여 결정화 시키면 모상으로 되는 단계(200)가 구비된다. 이후 박막형상기억합금(12)을 마르텐사이트 종료온도(Mf) 약 40℃∼70℃로 냉각시키면 모상이 마르텐사이트(Martensite)로 변화 되는 단계(201)가 구비된다. 또한 마르텐사이트에 소성 미끄러짐이 일어나지 않는 범위 내에서 외력을 가해 변형을 시키는 단계(2020)가 구비된다. 이후 박막형상기억합금(12)을 모상 종료온도(Af) 약 50℃∼90℃로 가열하면 모상이 되면서 편평해지는 단계(203)가 구비된다.
또한 위의 단계(201)(202)(203)를 수차례 되풀이 하여 박막형상기억합금(12)를 학습(Training)시키는 단계(204)가 구비되고, 학습단계(204)에서 박막형상기억합금(12)을 마르텐사이트 종료온도(Mf)로 낮추었을 때 외력이 없어도 변형이 발생되는 단계(205)가 구비된다. 그리고 박막형상기억합금(12)을 모상 종료온도(Af)로 가열하면 편평하게 되면서 기록액(20)이 분사되는 단계(206)가 구비된다. 또한 박막형상기억합금(12)을 냉각하여 마르텐사이트로 되면 자력에 의해 휨변형되고 기록액(20)이 액실(14) 내부로 보충되는 단계(207)와 박막형상기억합금(12)이 온도변화에 따라 위의 각 단계(206), (207)가 반복되고 이 과정에서 인쇄되는 단계(208)로 구성된다. 즉 박막형상기억합금(12)이 온도에 따른 양방향의 왕복운동을 일으키면서 기록액(20)을 분사시킨다. 또한 양방향성의 박막형상기억합금은 제조과정에서 외력을 가하는 정도에 따라 휨변형량이 결정되어 필요한 변위량을 쉽게 구현할 수 있다.
양방향성을 갖는 박막형상기억합금(12)은 본 발명 한 실시예인 도 6에 적용할 수 있다. 예컨데 기판(10)의 일측에 공간부(11)를 형성한 다음 학습된 박막형상기억합금(12)을 기판(10)에 결합시킨다. 이때 박막형상기억합금(12)이 공간부(11)를 덮은 상태로 기판(10)의 일측면에 고정되도록 하면 온도가 변화될때 박막형상기억합금(12)이 공간부(11)를 중심으로 변형되면서 기록액(20)을 분사할 수 있다.
또한 본 발명은 박막형상기억합금(12)은 온도차에 따라 모상에서 편평해지고 마르텐사이트에서 휨변형됨으로 온도차를 작게할 수록 박막형상기억합금(12)의 진동수(작동 주파수)가 증가된다. 따라서 상변화 온도차를 줄이기 위해 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 합금에 구리(Cu)를 첨가할 수 있다. 이처럼 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 합금에 구리(Cu)를 이용한 형상기억합금은 상변화온도차를 줄여줌으로써 박막형상기억합금(12)의 진동수 즉 작동주파수를 증가시켜 인쇄속도를 높일 수 있다.
이처럼 구성된 본 발명 박막형상기억합금의 액적 구현가능성을 해석하면 다음과 같다.
박막형상기억합금(12)에 의해 발생하는 에너지 밀도(Wmax)는 최대 10×106J / ㎥이고, 박막형상기억합금(12)의 부피(V)는 200×200×1μ㎥일 경우 발생하는 액적의 직경이 60㎛라고 하면 다음과 같이 박막형상기억합금(12)의 분사가능 여부가 판가름 된다.
----------- 다 음 -----------
Figure kpo00002
U = 원하는 기록액의 액적을 발생시키는데 필요한 에너지
Us = 기록액의 표면 에너지
Uk = 기록액의 운동 에너지
R = 액적의 직경
v = 기록액의 속도
ρ = 기록액의 밀도(1000 ㎏ /㎥)
γ = 기록액의 표면장력(0.073N/m)
원하는 액적의 속도가 10m/sec라 하면 필요한 에너지 (U)는
Figure kpo00003
박막형상기억합금에 의해 발생하는 최대 에너지는
Figure kpo00004
(단, Wν: 박막형상기억합금의 단위부피당 발휘할 수 있는 에너지
Figure kpo00005
V : 박막형상기억합금의 부피)
Figure kpo00006
액적의 직경이 10㎛일 경우 필요에너지 U=3.85×10-9j 이다.
따라서,
Figure kpo00007
이므로 원하는 크기의 액적을 구현할 수 있다. 즉 박막형상기억합금은 발생력이 매우 크기 때문에 원하는 기록액의 액적을 쉽게 구현할 수 있다.
또한 본 발명 한 실시예의 가열시간과 소모 에너지 및 잔류압축응력에 따른 변위량을 분석하면 다음과 같다. 박막형상기억합금(12)에 전원을 인가하여 저항에 따라 열이 발생되도록 하고 그 열에 의해 상변화가 일어나도록 하되 25℃의 박막형상기억합금(12)을 가열하여 70℃ 즉 모상이 될 때까지의 가열시간과 소모에너지를 구하면 다음과 같다.
----------- 다 음 -----------
박막형상기억합금의 재질 = TiNi
박막형상기억합금의 길이(l) = 400㎛
박막형상기억합금의 밀도(Density)(ρs) = 6450㎏/㎥
온도변화량(ΔT) =70 - 25 = 45℃
열용량(Specific heat)(Cp) = 230 J/㎏℃
박막형상기억합금의 비저항(ρ) = 80μ·㎝
인가전류(I) = 1.0A
박막형상기억합금의 폭(w) = 300㎛
박막형상기억합금의 높이(t) = 1.0㎛
가열시간(th)
Figure kpo00008
= 7.4 μsec
박막형상기억합금의 저항(R) = ρ(1w·t) = 1.1Ω
소모전력(I2R) = 1.1 Watt
액적(droplet)을 발생시키는데 필요한 에너지는
가열시간 × 소모전력 = 8.1 μJ
따라서 기록액(20)을 분사하여 액적을 발생시키는데 필요한 에너지는 약 8.1μJ로서 종래 가열방식의 20μJ보다 소모에너지가 감소된다.
도12는 본 발명 박막형상기억합금의 가열시간과 온도를 나타낸 선도로써 실험을 물성치는 다음과 같다.
-------- 다 음 ----------
단, 박막형상기억합금(12)의 두께는 1μm 이고 주위온도는 25℃이다.
Figure kpo00009
주위온도가 25℃일 경우 70℃까지 가열하여 모상으로 바꾼후 30℃까지 냉각되는 시간은 약 200μsec 정도로 진동수로 환산하면 약 5㎑ 정도이다. 하지만 변형이 완전히 끝나는 온도(마르텐사이트 종료온도)는 약 45℃이므로 30℃로 냉각될 때까지 기다릴 필요가 없고 그 이전에 다시 가열하여 기록액(20) 분사를 계속할 수 있으므로 5㎑이상 작동주파수를 높일 수 있다. 작동주파수가 크면 인쇄속도가 증가된다.
또한 박막형상기억합금의 잔류압축응력에 따른 변위량을 도13를 참조하여 분석하면 다음과 같다.
---------- 다 음 -----------
a=b 일때 a =200μm
박막형상기억합금의 재질 = TiNi
박막형상기억합금의 영률(Youngs modules)() = 30GPa
박막형상기억합금에 작용하는 잔류압축응력() = 30MPa
포아손비(poisson's ratio)(ν) = 0.3
공간부(11)로 노출된 박막형상기억합금의 길이 = a
박막형상기억합금의 두께 = hm
공간부(11)로 노출된 박막형상기억합금의 폭 = b
박막형상기억합금의 임계응력(Critical stress)()
Figure kpo00010
박막형상기억합금의 중심변위(δm)
Figure kpo00011
박막형상기억합금이 좌굴(Buckling)될때 발생하는 전체에너지(Um)
Figure kpo00012
기록액 분사후 박막형상기억합금이 복원(좌굴)될때 발생하는 전체에너지는 박막형상기억합금의 휨변형을 발생시키는 복원력(P)으로 바뀐다. 복원력은 다음과 같다.
Figure kpo00013
박막형상기억합금의 휨변형에 의해 발생한 전체부피 변화의 1/2이 분사되었다고 가정하면 39㎛의 액적이 형성된다.
박막형상기억합금의 두께와 크기에 대한 변위량은 아래표와 같으며 그 단위는 ㎛ 이다.
Figure kpo00014
도14는 본 발명 다를 실시예의 분사장치의 단면도로서 도3와 동일 구성요소는 동일 부호를 사용하여 본 발명을 설명한다. 본 발명 다른 실시예는 기판(10)의 하부에 유로판(13)과 노즐플레이트(18)가 구비된것으로서, 어느 한 박막형상기억합금의 결합상태를 발췌한 것이다. 기판(10)에 상하측 방향으로 관통된 공간부(11)가 형성되고 기판(10)의 상부에 결합되어 공간부(11)를 덮는 박막형상기억합금(12)이 구비된다. 또한 기판(10)의 하부를 덮는 유로판(13)이 구비되고 유로판(13)에는 공간부(11)와 대응되어 기록액(20)이 수용되는 액실(14)이 형성된다.
또한 유로판(13)의 하부에 결합되는 노즐플레이트(18)가 구비되고 노즐플레이트(18)는 유로판(13)에 형성된 액실(14)과 대응되는 노즐(19)이 형성된다. 또한 노즐(19)은 액실(14) 쪽으로 노출된 박막형상기억합금(12)과 대응되며 박막형상기억합금(12)이 변형될 때 액실(14)의 압력이 변하면서 기록액(20)이 액적의 상태로 노즐(19)을 거쳐 용지에 분사된다.
이처럼 구성된 본 발명 다른 실시예 본 발명 한 실시예와 동일한 박막형상기억합금의 구조를 갖는다. 이때 박막형상기억합금(12)은 제조공정에 따라 일방향성(One-Way)과 양방향성(Two-Way)을 가지며 온도변화에 따라 상변화를 일으켜 변형되고 이 과정에서 액실(14) 및 공간부(11)에 저장된 기록액(20)이 노즐(19)을 거쳐 액적의 상태로 용지에 분사된다. 또한 본 발명 다른 실시예는 기판(10)에 형성된 공간부(11)에 기록액(20)이 수용되는 것으로 액실(15)과 유로(16)를 기판(10)에 쉽게 만들 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 기록액을 분사시키는 박막형상기억합금이 온도가 변함에 따라 상변화를 일으키고 이 과정에서 변형에 의해 기록액이 분사된다. 또한 박막형상기억합금은 변위량이 크기 때문에 기판에 형성된 각 공간부와 유로판에 형성된 각 액실을 작게 할 수 있어 프린트헤드의 전체 크기가 줄어들며 소형으로 제작할 수 있어 노즐의 결집도를 높여 고해상도 달성에 유리하다. 또한 발생력이 크기 때문에 기록액을 밀어내는 힘이 증가되어 노즐의 막힘이 감소되어 신뢰성이 향상되며 또한 기록액의 액적크기를 충분히 작게 할 수 있어 고화질 달성에 유리하다. 또한 구동전압은 10볼트 이하임으로 구동회로 설계 및 제작이 용이하고, 기존의 반도체 공정과 에칭공정을 이용하여 진동판의 역할을 하는 박막형상기억합금을 실리콘, 유리, 금속판, 및 폴리머 등으로 구성되는 기판상에 쉽게 구현할 수 있으므로 양산성이 향상되고 구조가 간소화 되는 등의 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 온도 변화에 따라 형상변화가 되는 박막형상기억합금(12)과, 상기 박막형상기억합금(12)의 온도변화를 발생시키는 전원공급부(21)와, 상기 박막형상기억합금(12)의 일측에 설치되고 기록액(20)을 저장하기 위한 액실(14)이 형성되어 있으며 상기 액실(14)을 둘러싼 벽면의 일측에 상기 기록액(20)이 유입되도록 유로가 형성된 유로판(13)과 그리고 상기 유로판 위에 설치되고 상기 박막형상기억합금(12)이 형상변화 될때 상기 기록액(20)이 액적의 형태로 분사될 수 있도록 상기 유로판(13)의 액실(14) 면적보다 작은 면적의 노즐(19)이 형성된 노즐플레이트(18)를 구비하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)은 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)을 주성분으로 한 형상기억합금임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)은 상변화 온도차를 작게 하여 작동주파수를 높이기 위해 구리(Cu)가 더 첨가된 형상기억합금임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)은 약 0.3㎛∼5㎛의 두께를 갖는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전원공급부(21)은 상기 박막형상기억합금(12)의 자체정항에 의해 발열되도록 상기 박막형상기억합금(12)의 양단으로 결합되는 전극(21a)을 구비을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전원공급부(21)은 상기 박막형상기억합금(12)의 일측면에 부착되어 인가되는 전원에 의해 가열되는 히터(21b)를 구비함을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12) 밑에 설치되고 상기 박막형상기억합금(12)이 형상변화를 할 수 있도록 공간부(11)를 가진 기판(10)을 구비함을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판(10)은 실리콘 재질임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)이 공간부(11)로 노출되어 실질적으로 형상변화되는 면적은 그 폭(b)이 100㎛∼50㎛이고, 그 길이(a)가 100㎛∼300㎛임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)은 모상 종료온도 이상으로 가열하여 모상으로 변화되면 평판의 형태가 되어 상기 기록액(20)이 상기 노즐(19)을 거쳐 분사되고 마르텐사이트 종료온도 이하로 냉각하여 마르텐사이트로 변화되면 잔류압축응력에 의해 휨변형되어 상기 기록액(20)이 상기 액실(14)로 보충됨을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 모상 종료온도는 약50℃∼90℃이고 상기 마르텐사이트 종료온도는 약 40℃∼70℃임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 모상으로 가열후 마르텐사이트로 냉각되기 까지의 시간은 약 200μsec이하이며 작동 5㎑이상임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)은 모상 종료온도 이상으로 가열하여 모상으로 변화되면 평판의 형태가 되어 상기 기록액(20)이 상기 노즐(19)을 거쳐 분사되고 마르텐사이트 종료온도 이하로 냉각하여 마르텐사이트로 변화되면 학습에 의해 휨변형되어 상기 기록액(20)이 상기 액실(14)로 보충됨을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 박막형상기억합금(12)이 마르텐사이트일 때 외력을 여러차례 가하여 학습시킨 다음 마르텐사이트 종료온도 이하로 냉각시 마르텐사이트가 특정한 방향으로 형성되어 원하는 변위를 갖도록 함을 특징으로 하는프린트헤드의 기록액 분사장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 모상 종료온도는 약50℃∼90℃이고 상기 마르텐사이트 종료온도는 약 40℃∼70℃임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 모상으로 가열후 마르텐사이트로 냉각되기 까지의 시간은 약 200μsec이하이며 작동 주파수는 5㎑ 이상임을 특징으로 하는 프린트헤드의 기록액 분사장치.
  17. 기판(10)에 박막형상기억합금(12)을 증착하는 단계(100)와, 상기 박막형상기억합금(12)을 열처리 하여 결정화 시키면 모상에서 편평한 상태를 기억하는 단계(101)와, 상기 박막형상기억합금(12)을 마르텐사이트가 되도록 냉각하면 잔류압축응력을 갖는 단계(102)와, 상기 기판(10)을 에칭하여 상기 박막형상기억합금(12)의 일부가 노출되도록 하는 단계(103)와, 상기 박막형상기억합금(12)의 노출부위가 잔류압축응력에 의해 휨변형되는 단계(104)와, 상기 박막형상기억합금(12)이 가열되어 모상으로 되면 편평해지면서 기록액(20)이 분사되는 단계(105)와, 상기 박막형상기억합금(12)이 냉각되어 마르텐사이트가 되면 잔류압축응력에 의해 휨변형되고 기록액(20)이 액실(14) 내부로 보충되는 단계(106)와, 그리고 상기 박막형상기억합금(12)의 온도변화에 따라 상기 각 단계(107),(108)가 반복되면서 인쇄되는 단계(107)를 구비하는 프린트헤드의 기록액 분사방법.
  18. 박막형상기억합금(12)을 증착한 다음 결정화 되도록 열처리하는 단계(200)와, 상기 박막형상기억합금(12)의 마르텐사이트가 되도록 냉각하는 단계(201)와, 상기 박막형상기억합금(12)에 외력을 가해 휨변형을 시키는 단계(202)와, 상기 박막형상기억합금(12)이 모상에서 편평해지도록 가열하는 단계(203)와, 상기 냉각, 변형, 가열단계(201)(202)(203)를 수차례 반복하여 상기 박막형상기억합금(12)을 학습시키는 단계(204)와, 상기 학습단계(204)를 거친 상기 박막형상기억합금(12)이 냉각되어 마르텐사이트가 되면 자력에 의해 휨변형 되는 단계(205)와, 상기 박막형상기억합금(12)이 가열되어 모상이 되면 편평해지면서 기록액(20)이 분사되는 단계(206)와, 상기 박막형상기억합금(12)이 냉각되어 마르텐사이트가 되면 휨변형에 의해 기록액(20)이 액실(14)내부로 보충되는 단계(207)와, 그리고 상기 박막형상기억합금(12)의 온도변화에 따라 상기 각 단계 (206), (207)가 반복되면서 인쇄되는 단계(208)를 구비하는 프린트헤드의 기록액 분사방법.
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