KR20230113635A - 유체 추출기를 가진 전기수력학적 프린터 - Google Patents

Abstract

전기수력학적 프린터는 유체 추출기를 가진다. 인쇄 유체와 상이한 전위에서 액체 또는 캐리어 유체 스트림은 추출 개구를 통과하여 추출 개구로부터 인쇄 유체를 추출한다. 액체의 스트림은 연속적인 스트림, 액적의 균일한 스트림 또는 액적의 불균일한 스트림일 수 있다. 추출된 인쇄 유체는 증착을 위해 인쇄 표면으로 운반될 추출 유체와 합쳐질 수 있다. 추출 유체의 스트림은 스트림의 선택적인 부분이 인쇄 유체를 추출하지 않도록 인쇄 유체를 간헐적으로 추출하기 위해 간헐적으로 대전될 수 있다.

Description

유체 추출기를 가진 전기수력학적 프린터

본 발명은 일반적으로 인쇄에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전기수력학적 인쇄에 관한 것이다.

E-제트 인쇄로도 알려진 전기수력학적(electrohydrodynamic) 인쇄는 인쇄 표면 상의 증착을 위해 인쇄 노즐에서 대전 또는 분극 인쇄 유체를 추출하기 위한 전기장에 의존하는 인쇄 기술이다. E-제트 인쇄는 미크론이하 또는 나노미터 규모의 액적 크기 및 공간 정밀도를 가진 기타 드롭 온 디맨드 또는 스트림 인쇄 방법에 비해 매우 고해상도 인쇄가 가능하다. 인쇄 표면은 그 사이에 전기장이 생성되는 전극 중 하나이기 때문에 초기 e-제트 인쇄는 전기 도전성 인쇄 표면으로 제한되었다. 인쇄가 진행됨에 따라 전기장과 간섭을 일으키는 증착된 잉크로 인해 전기장과의 일관성도 문제가 되었다. Barton 등의 미국 특허 번호 제9,415,590호는 도전성 인쇄 표면에 의존하지 않는 영리한 잉크 추출 및 디렉팅 기술을 통해 이러한 문제 및 기타 문제를 해결했다.

본 발명에 따르면 전기수력학적 프린터를 제공할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 전기수력학적 프린터는 유체 추출기를 갖는다.

다양한 실시예에서, 상기 추출기는 추출된 인쇄 유체와 합쳐지고 인쇄 표면을 향해 상기 인쇄 유체를 운반하는 캐리어 유체의 스트림이다.

다양한 실시예에서, 상기 추출기는 인쇄 유체 공급원의 추출 개구로부터 추출된 인쇄 유체와 상이한 전위의 액체의 스트림이다.

다양한 실시예에서, 상기 추출기는 연속적인 액체의 스트림이다.

다양한 실시예에서, 상기 추출기는 액적의 균일한 스트림이다.

다양한 실시예에서, 액적의 제1 부분 각각은 상기 인쇄 유체의 액적을 추출하고 액적의 제2 부분 각각은 상기 인쇄 유체의 액적을 추출하지 않는다.

다양한 실시예에서, 액적의 제1 부분은 추출된 인쇄 유체를 운반하고 인쇄 표면으로 향하고, 액적의 제2 부분은 상기 인쇄 표면으로 향하지 않는다.

다양한 실시예에서, 상기 추출기는 액적의 불균일한 스트림이다.

다양한 실시예에 따르면, 프린터는 제1 노즐 및 제2 노즐을 포함한다. 상기 제1 노즐은 인쇄 표면을 향하여 캐리어 유체의 스트림을 지향시키도록 구성되고, 상기 제2 노즐은 추출 개구에서 인쇄 유체를 제공하도록 구성된다. 캐리어 유체의 상기 스트림은 상기 인쇄 표면을 향해 흐를 때 상기 추출 개구를 통과한다. 상기 캐리어 유체와 상기 인쇄 유체 사이의 전위차로 인해 상기 인쇄 유체가 상기 제2 노즐로부터 추출된다.

다양한 실시예에서, 추출된 인쇄 유체는 상기 인쇄 표면을 향해 운반될 캐리어 유체의 상기 스트림과 합쳐진다.

다양한 실시예에서, 상기 캐리어 유체는 상기 캐리어 유체의 스트림이 연속적인 스트림이 되도록 상기 제1 노즐에서 균일하게 가압된다.

다양한 실시예에서, 상기 제1 노즐 내의 상기 캐리어 유체의 압력은 상기 캐리어 유체의 상기 스트림이 액적의 균일한 스트림이 되도록 일정한 빈도로 변한다.

다양한 실시예에서, 상기 프린터는 상기 제1 노즐 내의 상기 캐리어 유체의 상기 압력을 변화시키기 위해 상기 일정한 빈도에서 변형하도록 구성된 압전 소자를 포함한다.

다양한 실시예에서, 상기 프린터는 상기 제1 노즐 외부에 위치한 전극을 포함한다. 상기 캐리어 유체의 스트림은 상기 전극에 의해 대전되어 전위 차의 적어도 일부를 제공한다.

다양한 실시예에서, 상기 프린터는 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부가 상기 추출 개구를 통과할 때 상기 캐리어 유체의 스트림이 인쇄 유체를 추출하고 상기 캐리어 유체의 대전하지 않은 부분이 상기 추출 개구를 통과할 때 인쇄 유체를 추출하지 않도록 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부만을 대전하도록 구성된 전극을 포함한다.

다양한 실시예에서, 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부는 인쇄 유체를 추출하지 않고 상기 추출 개구를 통과하고 수집되어 상기 캐리어 유체를 상기 제1 노즐에 공급하는 캐리어 유체 공급원으로 복귀된다.

다양한 실시예에서, 상기 프린터는 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 프린터이고, 상기 캐리어 유체의 스트림은 액적의 스트림이다. 캐리어 유체의 각 액적은 상기 추출 개구로부터 인쇄 유체의 액적을 추출하고 상기 인쇄 유체의 각각의 액적을 상기 인쇄 표면으로 운반한다.

다양한 실시예에서, 상기 캐리어 유체는 10센티푸아즈 미만의 점도를 갖고, 상기 인쇄 유체는 30센티푸아즈보다 큰 점도를 갖는다.

다양한 실시예에서, 상기 전위차는 적어도 500V이고, 상기 캐리어 유체의 스트림은 상기 캐리어 유체의 스트림과 상기 제2 노즐의 상기 추출 개구 사이의 갭을 유지하기에 충분히 높은 속도를 갖는다.

다양한 실시예에서, 상기 인쇄 유체는 상기 캐리어 유체에서 용해될 수 있고, 상기 전위차는 상기 프린터의 세척 모드에서 상기 캐리어 유체의 스트림을 상기 제1 노즐로 끌어당긴다.

상술한 실시예 및 도면 또는 이하의 설명에 묘사된 임의의 다른 실시예의 임의의 수의 개별적인 특징은 특징이 호환되지 않는 경우를 제외하고 임의의 조합으로 조합되어 발명을 정의할 수 있음이 고려된다.

도 1은 연속 스트림 형태의 유체 추출기를 갖는 전기수력학적 프린터의 단면도이다.
도 2는 액적의 균일한 스트림 형태의 유체 추출기를 갖는 전기수력학적 프린터의 단면도이다.
도 3은 액적의 불균일 스트림 형태의 유체 추출기를 갖는 전기수력학적 프린터의 단면도이다.
도 4는 혼합하지 않는(immiscible) 인쇄 유체와 합쳐진 캐리어 유체의 스트림을 도시한 도 1의 일부 확대도이다.
도 5는 혼합하지 않는 인쇄 유체와 합쳐진 캐리어 유체의 스트림을 도시한 도 3의 일부 확대도이다.
도 6은 캐리어 유체의 스트림이 인쇄 유체와 혼합될 수 있는 도 4의 대안 버전이다.
도 7은 캐리어 유체의 스트림이 인쇄 유체와 혼합될 수 있는 도 5의 대안 버전이다.
도 8은 세척 모드의 도 1의 프린터의 도면이다.

도 1은 유체 추출기(12)가 장착된 전기유체역학(또는 e-제트) 프린터(10)의 일부를 개략적으로 도시한다. 유체 추출기(12) 자체는 잉크 노즐(20)의 추출 개구(18)에서 제공된 인쇄 유체(16)와 상이한 전위에 있는 캐리어 유체(14)의 제트 또는 스트림이다. 유체의 스트림이 전위차(V₁-V₂)와 거리(D)의 충분한 조합으로 추출 개구(18)를 통과할 때, 인쇄 유체(16)가 잉크 노즐(20)로부터 추출되고 추출 스트림(12)과 합쳐져 기판(24)의 표면 또는 이전에 증착된 인쇄 재료 층과 같은 인쇄 표면(22)을 향해 운반된다. 유체 추출기(12)의 사용은 상술한 미국 특허에서 Barton 등에 의해 상술된 바와 같이 고체 상태 추출기의 효익을 누리는 동시에, 잉크 노즐과 추출기 사이의 전기 아크 가능성, 추출기의 잉크 축적, 및 잉크 추출 지점과 인쇄 표면(22) 사이의 상대적으로 제한된 투사 거리(throw distance)(H)와 같은 고체 상태 추출기와 함께 발생할 수 있는 특정 문제들을 추가로 처리한다. 유체 추출기는 일반적으로 산업용 연속 잉크젯(CIJ) 프린터와 연관된 투사 거리를 가진 고점도 유체의 인쇄를 가능하게 한다.

도 1의 예시에서, 프린터(10)는 캐리어 유체(14)를 함유하는 제1 노즐(26) 및 인쇄 유체(16)를 함유하는 제2 노즐(20)(즉, 잉크 노즐)을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 잉크 또는 인쇄 유체(14)는 압력 하에서 흐르는 임의의 유체이다. 일부 인쇄 유체는 증착 후에 응고될 수 있다. 응고는 용매 증발, 화학 반응, 냉각 또는 소결과 같은 다양한 메커니즘을 통해 이루어질 수 있다. 경우에 따라, 인쇄 유체(14)는 기능성 잉크로서, 이는 그것이 인쇄된 표면 상에 일단 응고되면 착색 이외의 기능을 부여하는 인쇄 유체이다. 이러한 기능의 예로는 전기 전도성, 유전 특성, 물리적 구조(예를 들어, 강성, 탄성 또는 내마모성), 전자파 차폐 또는 필터링, 광학 특성, 전계발광, 생체활성도(bioactivity) 등이 있다. 윤활유(lubricant)와 같은 일부 기타 인쇄 유체는 증착후 응고되는 것을 의도하지 않는다.

명시적으로 도시되지는 않았지만, 노즐(20, 26)은 프린터(10)의 인쇄 헤드의 일부일 수 있으며, 인쇄 헤드는 인쇄 표면(22)에 대해 이동하도록 구성된다. 인쇄 헤드는 예를 들어 하우징 또는 노즐(20, 26)을 지지하고 및/또는 노즐 내의 유체(14, 16)에 압력을 제공하고 노즐 및/또는 포함된 유체에 전압을 제공하도록 구성된 하나 이상의 연결부를 포함하는 다른 구조를 포함할 수 있다. 프린터(10)는 또한, 몇 가지 예를 들자면, 베이스, 인쇄 헤드와 인쇄 표면(22)을 서로에 대해 이동시키기 위한 이동 메커니즘, 다중 잉크 노즐(20) 또는 캐리어 유체 노즐(26), 방향성 필드 생성기, 온 보드 잉크 소스, 노즐 내의 유체(14, 16)를 가압하기 위한 수단, 공압식 또는 기타 가스 커넥터, 압력 컨트롤러, 또는 추출기(12)와 추출 개구(18) 사이에 생성된 추출 필드를 선택적으로 제어하기 위한 하나 이상의 전원 및 관련 제어기와 같은 기타 비예시된 컴포넌트를 포함할 수 있다.

캐리어 유체 노즐(26)은 캐리어 유체의 스트림(12)을 인쇄 표면(22)을 향하도록 구성되고, 잉크 노즐(20)은 추출 개구(18)에서 인쇄 유체(16)를 제공하도록 구성된다. 노즐(20, 26)의 상대적 배향은 캐리어 유체의 스트림(12)이 인쇄 표면(22)을 향하여 흐를 때 추출 개구(18)를 통과하도록 한다. 도시된 예에서, 각각의 노즐(26, 20)의 중심 종축(A₁, A₂)은 x-z 평면에서 교차한다. 제1 노즐 축(A₁)은 인쇄 표면(22)에 대해 수직이고 직교하며, 제2 노즐 축(A₂)은 수평이며 도 1에서 인쇄 표면과 평행하다. 그러나 노즐 축이 비스듬한 각도로 서로 및/또는 인쇄 표면과 교차할 수 있기 때문에, 이러한 노즐 배향은 필수적이지 않다.

캐리어 유체(14)는 10cps(센티푸아즈) 이하와 같이 상대적으로 낮은 점도를 갖는 상대적으로 휘발성인 액체 용매(예를 들어, 유기 용매)일 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 유체(14)는 인쇄 유체(16)에도 포함되는 용매 또는 액체, 예를 들어 인쇄 유체의 고체 성분이 용해, 현탁 또는 유화되는(emulsified) 액체를 포함한다. 노즐(26) 내의 유체(14)에 충분히 높은 압력(P₁)이 인가되면, 캐리어 유체의 고속 스트림(12)이 노즐의 배출 개구(28)에서 생성되고 인쇄 표면(22)을 향한다. 배출 개구(28)는 1㎛ 내지 100㎛, 20㎛ 내지 100㎛, 또는 20㎛ 내지 70㎛ 범위일 수 있다. 압력(P₁)은 5psi 내지 500psi(34kPa 내지 3.4MPa) 범위일 수 있다. 압력(P₁)은 일반적으로 50psi 미만인 종래의 저해상도 CIJ 잉크 압력보다 현저하게 높을 수 있다. 캐리어 유체(14) 상의 고압(P₁)은 캐리어 유체의 스트림이 액적의 스트림일 때 더 높은 해상도 인쇄를 가능하게 하며, 이는 아래에서 더 논의된다.

캐리어 유체의 스트림의 상대적으로 높은 속도(v)가 필요하고 유리할 수 있다. 속도가 빠르면 인쇄 속도가 빨라질 수 있다. 그러나 임계 속도 미만에서는 전압 전위차 및 결과적인 전기적 인력으로 인해 캐리어 유체의 스트림이 잉크 노즐(20) 상으로 흐를 것이다. 임계 속도는 전압 전위(V₁-V₂), 추출기(12)와 추출 개구(18) 사이의 거리(D), 인쇄 유체(16)의 점도, 추출 개구의 크기, 및 유체(14, 16)의 전기 전도도를 포함하는 다수의 요인에 따른다. 유체(14, 16) 사이의 전압 전위가 약 2000V인 비제한적인 일례에서, 임계 속도는 약 6m/s 내지 약 11m/s 범위에 있다. 프린터(10)는 20m/s 내지 50m/s 범위와 같이 CIJ 프린터에 필적하는 속도(v)로 캐리어 유체의 스트림을 생성할 수 있다.

캐리어 유체(14)는 일부 경우에 전기 도전성일 수 있으며, 이는 캐리어 유체가 인가 전압(V₁)으로부터 전하를 더 쉽게 받아들일 수 있게 한다. 도전성 캐리어 유체의 한 가지 특정 예는 20,000μS/cm보다 큰 전기 전도도를 갖는 SIGNASPRAY®(Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA)이다. 도전성 캐리어 유체(14)의 다른 예는 나노입자와 같은 금속(예를 들어, 은) 입자의 현탁액을 갖는 용매이다. 물론, 캐리어 유체(14)의 임의의 고체 함량이 증착된 잉크에 존재할 것이다. 다른 경우에, 캐리어 유체(14)는 비도전성이다. 적합한 비도전성 캐리어 유체의 한 예는 전기 전도도가 약 0.06μS/cm인 이소프로필 알코올(IPA)이다. 비도전성 캐리어 유체는 아크 임계값을 증가시키고 더 높은 전압을 사용할 수 있게 하여, 더 높은 인쇄 유체 추출 속도와 더 빠른 인쇄 프로세스를 가능하게 한다. 상술한 바와 같이, 캐리어 유체는 인쇄 유체(16)의 일부이기도 한 용매를 포함하거나 용매일 수 있다. 일부 경우에, 추출 개구(18)로부터 인쇄 표면으로 이동하는 동안 인쇄 유체(16)로부터 증발하는 용매는 캐리어 유체에 의해 보충되어 증착된 유체가 원하는 용매 함량을 유지하도록 한다.

인쇄 유체(16)는 캐리어 유체(14)에 비해 높은 점도를 가질 수 있다. 인쇄 유체의 점도는 예를 들어 1cps 내지 300,000cps 범위일 수 있다. 다양한 실시예에서 인쇄 유체의 점도는 300,000cps 이하인 동시에 10cps 초과, 30cps 초과, 100cps 초과, 1000cps 초과, 10,000cps 초과 또는 100,000cps 초과이다. 많은 기능성 잉크는 고형분 함량 및/또는 입자 크기가 높기 때문에 점도가 높다. 잉크 노즐(20) 내의 인쇄 유체(16) 상의 배압(P₂)은 다른 노즐(26) 내의 압력(P₁)에 비해 낮을 수 있으며, 예를 들어 0.5psi 내지 200psi(3.4kPa 내지 1.4MPa)일 수 있다. 추출 개구(18)는 1㎛ 내지 200㎛ 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 추출 개구(18)는 20㎛ 내지 100㎛ 범위이다. 더 높은 해상도 인쇄는 일반적으로 1㎛ 내지 2㎛ 개구와 같은 더 작은 추출 개구(18)를 필요로 한다.

유체 추출 스트림(12)을 따라 합쳐지기 전에 캐리어 유체(14)와 인쇄 유체(16) 사이의 전위차는 500V 내지 5000V 또는 1000V 내지 5000V 범위일 수 있다. 인가 전압(V₁, V₂)은 다양한 조합이 가능하며, 전압은 다양한 방식으로 인가될 수 있다. 예를 들어, 노즐(20, 26) 중 하나 또는 둘 모두는 금속 재료(예를 들어, 스테인레스 스틸)와 같은 도전성 재료로 형성될 수 있고, 전압은 노즐의 내부와 접촉하는 유체(14, 16)를 가진 노즐에 인가된다. 다른 예에서, 각각의 노즐(20, 26)은 전압이 노즐의 해당 부분에 인가되는 도전성 부분을 갖는다. 예를 들어, 노즐(20, 26)은 내부 표면에 도금 또는 증착된 금속층을 갖는 비도전성 재료(예를 들어, 플라스틱)로 형성될 수 있거나, 노즐은 대응하는 추출 개구(18) 또는 방출 개구(28)를 포함하는 도전성 팁을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 전압은 노즐 내의 유체 또는 노즐을 공급하는 저장소 내의 유체에 적어도 부분적으로 침지되는 전극에 인가된다.

일례에서, 인쇄 유체(16) 상의 전압은 캐리어 유체(14) 상의 전압보다 크다(V₂ > V₁). 예를 들어, 인쇄 유체(16)에 고전압(500-5000V)이 인가될 수 있는 반면, 캐리어 유체(14)는 전압 전위가 인가되지 않은 채 접지되거나 플로팅된다. 이 배열은 도전성 캐리어 유체를 사용할 때 특히 적합하다. 이는 추출기가 접지되고 고전압 펄스가 인쇄 유체에 인가되어 인쇄 유체가 추출기를 향해 유인되어, 잉크 노즐에서 추출되도록 하는 고체 상태 추출기의 선호되는 배열과 유사하다. 이 배열에서, 추출 개구(18)에서의 전하 밀도는 날카로운 노즐 팁으로 매우 높으며, 이는 아크 발생 임계값이 추출 임계값보다 높을 가능성이 있어 아크 발생 문제 없이 인쇄 유체(16)의 추출을 허용한다. 이러한 배열은 인쇄 표면(22)이 캐리어 유체(14)와 동일한 전위(즉, 제로 인가 전압 또는 접지)에 있을 수 있다는 사실에 의해 제한될 수 있다. 이는 고전압 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체의 스트림(12)과 인쇄 표면(22) 모두에 끌릴 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 잉크 노즐(20)에 대한 인쇄 표면(22)의 근접성은 추출된 인쇄 유체의 궤적에 영향을 미칠 수 있다. 이는 예를 들어 근접한 폴리머 기판에 인쇄하고 및/또는 비도전성 캐리어 유체를 사용하여 인쇄할 때 문제가 될 수 있다. 적절한 경우, 이러한 배열에서 도전성 캐리어 유체의 사용은 추출 개구(18) 근처의 전기장에서 캐리어 유체를 더 우세한 엘리먼트로 만듦으로써 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.

다른 예에서, 인쇄 유체(16)에 대한 전압은 캐리어 유체(14)에 대한 전압보다 낮다(V₂ < V₁). 예를 들어, 인쇄 유체(16)가 전압 전위가 인가되지 않은 채 접지되거나 플로팅하는 동안 캐리어 유체(14)에 고전압이 인가될 수 있다. 이 배열에서, 잉크 노즐(20)의 추출 개구(18)에는 높은 전하 밀도가 없다. 따라서 이러한 배열로 일부 유형의 인쇄 유체를 추출하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러나 상대적으로 낮은 전하 밀도로 e-제트 인쇄될 수 있는 유체의 경우, 이러한 배열은 인쇄 유체(16)와 기판(24)이 동일한 전위에 있기 때문에 기판 간섭을 방지할 것이다. 캐리어 유체의 스트림(12)은 전체 시스템에서 인쇄 유체에 대한 유일한 인력 특징이다. 인쇄 표면(22)이 약간의 잔류 정전하를 가지더라도, 캐리어 유체의 스트림 상의 전하의 크기는 기판으로의 추출된 인쇄 유체의 임의의 인력을 쉽게 극복한다. 경우에 따라 아크 발생 시 전류 흐름을 효과적으로 제한하기 위해 인쇄 유체를 접지하지 않는 것이(즉, 인쇄 유체가 전기적으로 플로팅 전위를 갖도록 하는 것이) 유리할 수 있다. 캐리어 유체에서 인쇄 유체로 이동할 수 있는 전하의 크기는 전하가 인쇄 유체를 떠나는 경로가 없기 때문에 제한된다. 잉크 노즐(20)을 통과하는 전하를 제한하면 아크 전류에 의해 생성된 열을 줄이는 데 도움이 될 수 있으므로 열 경화성 인쇄 유체로 노즐이 막힐 가능성이 줄어든다.

다른 예에서, 반대 극성을 갖는 0이 아닌 전압이 캐리어 유체(14) 및 인쇄 유체(16)에 인가된다. 예를 들어, 추출 스트림(12)이 인쇄 유체(16) 및 인쇄 표면(22)보다 더 낮은 전위에 있도록 캐리어 유체(14)에 인가되는 높은 크기의 음전압(예를 들어, V₁ = -2000V 내지 -5000V)을 갖는 잉크 노즐(20)에서의 인쇄 유체(16)에 중간 전압(예를 들어, V₂ = 500V 내지 1500V)이 인가된다. 이 배열에서, 잉크 노즐과 기판(24) 및 기타 인접 구성요소 사이의 전위차는 노즐로부터 인쇄 유체(16)를 추출하기에 불충분하지만, 인쇄 유체에 공급되는 양의 전압은 잉크 노즐(20)에서의 일정 수준의 전하 밀도를 부여하기에 충분하다. 추출 개구(18)를 통과할 때 인쇄 유체를 추출하기에 충분한 전위차를 제공하는 유일한 특징은 음으로 대전된 추출기 스트림(12)이라는 효과이다. 이것은 인쇄 유체가 인쇄 표면을 향해 계속 합쳐지는 캐리어 유체의 스트림 이외의 다른 것에 추출 인쇄 유체가 끌리는 가능성을 감소시킨다.

특정 실시예에서, 1000V 전하가 잉크 노즐(20)에서 인가되고 -2000V 전하가 캐리어 유체(14)에 인가된다. 추출된 잉크가 추출 스트림(12)으로 더욱 유인되고 기판 또는 다른 대전되지 않은 구성요소로부터 상당한 경쟁 없이 캐리어 유체와 병합되도록, 이들 전압 레벨은 추출된 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체의 스트림(12)과 기판 사이에 효과적으로 차동되기에 충분하다. 이는 캐리어 유체(14)가 실질적으로 비도전성(예를 들어, IPA)인 경우에도 마찬가지이다.

인쇄 유체의 투사 거리(H)는 5mm 내지 15mm의 범위에 있을 수 있고 연속적인 스트림, 액적의 균일한 스트림, 또는 액적의 불균일한 스트림(예를 들어, 드롭 온 디맨드)일 수 있는 캐리어 유체의 스트림(12)의 특성에 의해 크게 결정된다. 인쇄 유체의 추출 속도는 전압 전위, 배압(P2), 추출 개구(18)와 캐리어 유체의 스트림 사이의 거리(D), 추출 개구 크기 및 인쇄 유체(16)의 특성(예를 들어, 전도도, 점도 등)에 의해 결정된다. 도 1의 예는 캐리어 유체의 연속 스트림(12)을 도시한다. 연속 스트림의 형태일 때, 캐리어 유체는 개별 액적으로 부서지지 않고 연속 스트림에서 인쇄 유체(16)를 추출할 수 있어서 두 스트림이 합쳐지고 일반적으로 캐리어 유체의 스트림 방향으로 인쇄 표면을 향해 계속되도록 한다.

도 2는 추출기(12)가 캐리어 유체의 액적(30)의 균일한 스트림인 전기수력학적 프린터(10)의 예를 개략적으로 도시한다. 여기서 사용된 바와 같이, "균일한"은 스트림(12)의 액적(30)이 진행 방향으로 균등하게 이격되고 서로 동일한 크기임을 의미한다. 도 2에 도시된 캐리어 유체의 스트림의 전달 및 형성은 CIJ 인쇄에서 잉크 제트가 생성되는 방식과 유사하다. 그러나 이 경우 액적(30)으로 부서지는 것은 인쇄 유체(16)가 아니라 캐리어 유체(14)이다. 노즐(26) 내의 캐리어 유체(14)는 압력(P₁)에서 가압된다. 그러나 노즐(26)에서 일정한 압력이 인가되는, 도 1의 캐리어 유체의 연속 스트림과는 달리, 노즐(26) 내의 캐리어 유체(14)에 가해지는 압력(P₁)은 일정한 빈도로 변화한다. 일정한 빈도로 압력을 변화시키는 한 가지 방법은 압전 소자(32)를 통하는 것이다. 압전 소자(32)는 그를 가로질러 전압이 인가될 때 기계적으로 편향된다. 압전 소자(32)는 그것이 편향될 때, 즉, 노즐 내의 캐리어 유체(14)의 부피를 약간 감소시킴으로써 노즐(26) 내의 압력을 증가시키도록 배열된다. 압전 소자(32)에 대한 전압은 초음파 주파수(즉, 20kHz 초과)와 같은 매우 높은 주파수에서 인가되어 노즐(26)을 빠져나갈 때 캐리어 유체의 스트림을 액적(30)의 균일한 스트림으로 분해할 수 있다.

이어서, 캐리어 유체의 스트림은 액적의 일부에 전하를 부여하는 대전 엘리먼트(charging element)(34)를 통과한다. 이 예에서, 대전 엘리먼트(34)는 캐리어 유체의 스트림이 통과하는 대전 링이다. 전압(V₁)은 간헐적으로 대전 엘리먼트(34)에 인가되어 통과하는 액적(30)의 일부를 선택적으로 대전시킨다. 특히, 잉크 노즐(20)로부터 인쇄 유체(16)의 액적을 추출하고 인쇄 표면(22)으로 계속되는 액적(30)만이 대전된다. 대전 엘리먼트(34)는 전극이라고도 할 수 있다.

잉크 노즐(20)의 추출 개구(18)를 통과할 때, 캐리어 유체 액적의 제1 부분의 각 액적(30), 즉 대전된 액적은 인쇄 표면(22)을 향해 운반되는 캐리어 유체의 각각의 액적과 합쳐지는 인쇄 유체(16)의 액적을 추출한다. 액적(30)의 제2 부분, 즉 대전되지 않은 액적은 인쇄 유체의 액적을 추출하지 않고 단순히 캐리어 유체 스트림의 원래 방향으로 계속된다.

잉크 노즐(20)을 통과한 후, 캐리어 유체의 스트림은 방향성 유닛(36)을 통과한다. 이 경우, 방향성 유닛(36)은 한 쌍의 반대로 대전된 플레이트를 포함한다. 캐리어 유체의 대전되지 않은 액적의 제2 부분은 방향성 유닛(36)에 의해 영향을 받지 않고 스트림(12)의 원래 방향을 따라 수집기(38)로 계속되고, 여기서 캐리어 유체는 노즐(26)을 공급하고 또는 재사용을 위해 깨끗한 캐리어 유체를 저장하는 캐리어 유체 소스(40)로 복귀된다. 이제 각각 인쇄 유체의 액적과 병합되는 대전된 액적(30')의 제1 부분은 방향성 유닛(36)에 의해 수집기(38)로부터 멀어지고 인쇄 패턴(42)의 일부로서 원하는 위치에 증착되도록 인쇄 표면(22)을 향하여 지향된다.

도 2에서, 기판(24) 및 인쇄 표면(22)은 인쇄 헤드와 동일한 도면에서 인쇄 패턴(42)을 예시하기 위해 평면도로 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 대전된 액적(30')에 인가된 전하의 크기는 동일할 수 있고 방향성 유닛의 대향면에 걸쳐 인가된 전압은 일정할 수 있으며, 인쇄 헤드 및/또는 기판(24)은 서로에 대해 이동하여 원하는 패턴(42)을 산출할 수 있다. 그러한 배열에서, 인쇄 유체를 운반하는 각각의 대전된 액적(30')은 동일한 양만큼 캐리어 유체 스트림의 축(A₁)으로부터 측방향으로 이격되며 편향되고, 인쇄물의 원하는 패턴(42)을 형성하기 위해 상대적인 기판 대 인쇄 헤드 이동에 의존한다.

일부 실시예에서, 각각의 대전된 액적에 인가되는 전하는 방향성 유닛의 효과가 변하도록 변한다. 즉, 더 높게 대전된 액적은 방향성 유닛의 영향을 더 많이 받고 측면으로 더 많이 편향된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 방향성 유닛 양단의 전압은 유사한 효과로 변화될 수 있다. 이러한 방식으로, 인쇄 헤드와 기판(24) 사이의 상대적 이동이 더 간단해질 수 있다. 예를 들어, 인쇄 유체를 운반하는 복수의 상이하게 대전된 액적은 인쇄 헤드가 기판(24)에 대해 x-방향으로 이동하지 않는 상태에서 x-방향으로 액적의 열(row)로서 인쇄 표면(22) 상에 순차적으로 증착될 수 있고, 그런 다음 기판 및/또는 인쇄 헤드는 액적 증착의 또 다른 열을 시작하기 위해 y 방향으로 인덱싱될 수 있다. 열의 방향으로 인쇄 헤드 또는 기판 이동이 없는 액적 열의 길이는 물론 방향성 유닛(36)이 할 수 있는 편향의 총량으로 제한된다. 일부 실시예에서, 방향성 유닛(36)은 x-방향, y-방향 및 x-방향과 y-방향의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 방향으로 대전된 액적을 편향시키도록 구성된다.

도 3은 추출기(12)가 캐리어 유체의 액적(30)의 불균일 스트림인 전기수력학적 프린터(10)의 예를 개략적으로 도시한다. 액적의 불균일한 스트림에서 개별 액적 사이의 간격은 액적마다 다르다. 이 구성은 인쇄 표면(22)으로 운반하기 위해 인쇄 유체(16)의 대응하는 액적을 추출하기 위해 필요한 만큼만 생성된 캐리어 유체의 액적(30)을 갖는 드롭 온 디맨드 프린터로서 수행할 수 있다. 도 3에 예시된 캐리어 유체의 스트림의 전달 및 형성은 비산업용 잉크젯 프린터에서 잉크 제트가 생성되는 방식과 유사하다. 노즐(26) 내의 캐리어 유체(14)는 캐리어 유체의 액적이 필요할 때 압력 펄스를 받는다. 이 경우, 각각의 압력 펄스는 캐리어 유체(14)의 작업 체적을 약간 감소시키는 방향으로 편향되는 압전 소자(32)에 의해 제공된다. 캐리어 유체(14)의 상응하는 체적은 각각의 압력 펄스로 배출 개구(28)를 통해 방출된다. 압력 펄스는 열 에너지(예를 들어, 버블 제트)와 같은 다른 방식으로 생성될 수 있다. 도 3의 드롭 온 디맨드 실시예와 일치하는 다른 예에서, 노즐(26) 내의 캐리어 유체(14)는 5psi 내지 150psi 범위로 가압되고, 솔레노이드 또는 압전 소자에 의해 작동되는 액적 방출 밸브가 캐리어 유체의 스트림을 생성하는 데 사용된다.

캐리어 유체의 스트림(12)의 각 액적(30)이 대전되고, 따라서 각 액적은 잉크 노즐(20)의 추출 개구(18)를 통과할 때 인쇄 유체(16)의 액적을 추출한다. 인쇄 유체의 각각의 추출된 액적은 캐리어 유체의 대응하는 액적과 병합되고 인쇄 표면에 증착된다. 인쇄 패턴은 x 방향 및 y 방향으로의 인쇄 헤드 및 인쇄 표면(22)의 상대적 이동에 의해 그리고 압력 펄스 및 대응하는 액적 형성의 타이밍에 의해 제어된다. 이 예에서, 캐리어 유체는 노즐(26)에서 캐리어 유체(14)와 접촉하는 전극(44)을 통한 전압(V₁)의 인가에 의해 대전된다. 다른 실시예에서, 캐리어 유체의 액적은 도 2에서와 같이 대전되는 노즐(26)에 대해 외부의 전극을 통과할 수 있다. 액적 스트림의 모든 액적(30)이 인쇄 유체를 추출하기 위해 대전되기 때문에, 대전된 액적을 인쇄 표면으로 향하게 하고 대전되지 않은 액적을 인쇄 표면으로부터 멀어지게 하기 위해 방향성 필드가 필요하지 않다. 그러나 액적 궤적에 대한 추가 제어를 위해 방향성 필드를 선택적으로 사용할 수 있으며, 각 액적의 전하량은 전극 또는 대전 엘리먼트 전압(V₁)을 변경하여 변경할 수 있다.

추출기로서 캐리어 유체의 스트림을 사용하여 고점도 인쇄 유체(16)가 성공적으로 인쇄되었다. 작업 예에서, 인쇄 유체(16)는 전형적으로 스크린 인쇄에 의해서만 인쇄될 수 있는 은 나노 페이스트이다(DGP-NO, ANP Materials, Milpitas, CA, USA, www.anapro.com). 이 인쇄 유체는 점도가 50,000~150,000cps이고 70~80wt%의 은 나노 입자를 포함하고 있다. 잉크 노즐(20)은 200㎛의 거리(D)만큼 추출 스트림(12)으로부터 이격된 70㎛ 추출 개구(18)를 갖는다. 캐리어 유체(14)와 인쇄 유체(16) 사이의 전압 전위는 2000V이다. 6m/s 내지 11m/s 사이의 속도에서 캐리어 유체(14)의 스트림(12)으로, 인쇄 유체(16)는 잉크 노즐(20)로부터 추출되고 인쇄 표면으로 운반될 캐리어 유체의 스트림과 병합된다.

도 4 내지 도 7은 추출된 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체(14)의 스트림과 합쳐지는 상이한 방식을 도시한다. 도 4는 도 1의 캐리어 유체(14)의 연속 스트림의 일부 확대도이다. 이 예에서, 인쇄 유체(16)는 캐리어 유체(14)에서 혼합될 수 없다. 따라서 두 유체(14, 16)는 인쇄 표면을 향해 이동할 때 혼합되지 않는다. 이는 캐리어 유체(14)가 인쇄 유체(16)를 희석하는 것을 방지하기 위한 바람직한 조건일 수 있으며, 그렇지 않으면 캐리어 유체와 인쇄 유체가 혼합가능한 경우 용매 대 용질 비율이 변경될 수 있다. 캐리어 유체(14)는 매우 낮은 끓는점(예를 들어, 아세톤)을 갖도록 선택될 수 있어서, 인쇄 유체(16)가 최소 캐리어 유체 함량으로 증착되도록 인쇄 표면을 향하여 도중에 캐리어 유체가 적어도 부분적으로 증발한다. 동일한 개념이 도 3의 캐리어 유체 스트림의 일부 확대도인 도 5에 도시된 바와 같이 균일하거나 불균일한 액적(30)의 형태일 때 캐리어 유체의 스트림에 적용된다.

도 6은 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체(14)와 혼합될 수 있는 도 4의 대안적인 버전이다. 두 유체(14, 16)는 합쳐질 때 및/또는 그것들이 인쇄 표면을 향해 이동할 때 혼합된다. 이는 인쇄 유체(16)가 잉크 노즐(20)에서 인쇄 표면으로 이동하는 동안 부분적으로 증발하는 저비점 용매로 제형화될 때 바람직한 조건일 수 있다. 캐리어 유체(14)는 인쇄 유체(16)로부터 증발하여 증발된 용매를 보충하는 동일한 용매를 포함하거나 동일한 용매일 수 있어서 인쇄 유체가 노즐 내의 인쇄 유체의 것에 매우 가깝거나 또는 상이한 비율로 용매-대-용질 비로 증착된다. 동일한 개념이 도 5의 대안 버전인 도 7에 도시된 바와 같이 균일하거나 불균일한 액적(30)의 형태일 때 캐리어 유체의 스트림에 적용되고, 여기서 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체(14)와 혼합될 수 있다.

도 8은 도 1의 구성에 적용된 프린터의 세척 모드를 도시한 것이다. 인쇄 유체(16)가 캐리어 유체(14)에 용해되거나 그와 호환될 때, 캐리어 유체는 세척제 또는 잉크 노즐(20)용 막힘 방지제로 사용될 수 있다. 프린터가 인쇄하지 않을 때, 배압은 인쇄 유체(16)로부터 제거될 수 있고 캐리어 유체(14) 상의 압력(P₁)은 전압이 각 유체에 인가될 때 노즐(26)을 빠져나가는 캐리어 유체의 스트림(12)의 속도가 캐리어 유체의 스트림이 잉크 노즐(20)을 통과하기에 충분히 높지 않도록 감소될 수 있다. 결과적으로, 캐리어 유체의 스트림은 노즐(20) 상으로 끌어당겨지고 깨끗한 노즐 팁을 유지하는 것을 도울 수 있고 인쇄 유체(16)가 마르거나 그렇지 않으면 추출 개구(18)를 막는 것을 방지할 수 있다.

상술한 설명은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 것임을 이해해야 한다. 본 발명은 여기에 개시된 특정 실시예(들)로 제한되지 않고, 오히려 아래의 청구범위에 의해서만 정의된다. 또한, 상술한 설명에 포함된 진술은 개시된 실시예(들)와 관련되며, 용어 또는 어구가 위에서 명시적으로 정의된 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 또는 청구범위에 사용된 용어의 정의에 대한 제한으로 해석되어서는 안 된다. 개시된 실시예(들)에 대한 다양한 다른 실시예 및 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명백할 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 용어 "e.g.", "for example", "for instance", "such as" 및 "like", 동사 "comprising", "having", "including" 및 이들의 다른 동사 형태는 하나 이상의 구성 요소 또는 기타 항목의 목록과 함께 사용될 때 각각 개방형으로 해석되어야 하며, 이는 목록이 다른 추가 구성 요소 또는 항목을 배제하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 의미한다. 또한, 용어 "electrically connected" 및 그의 변형은 무선 전기 연결 및 하나 이상의 와이어, 케이블, 또는 도전체(유선 연결)를 통해 이루어지는 전기 연결 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 다른 용어는 다른 해석이 필요한 맥락에서 사용되지 않는 한 가장 광범위한 합리적인 의미를 사용하여 해석되어야 한다.

Claims (20)

1. 유체 추출기를 갖는 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
2. 제1항에 있어서, 상기 추출기는 추출된 인쇄 유체와 합쳐지고 인쇄 표면을 향해 상기 인쇄 유체를 운반하는 캐리어 유체의 스트림인 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
3. 제1항에 있어서, 상기 추출기는 인쇄 유체 공급원의 추출 개구로부터 추출된 인쇄 유체와 상이한 전위의 액체의 스트림인 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
4. 제3항에 있어서, 상기 액체의 스트림은 연속적인 스트림인 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
5. 제3항에 있어서, 상기 액체의 스트림은 액적의 균일한 스트림인 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
6. 제5항에 있어서, 상기 액적의 제1 부분 각각은 상기 인쇄 유체의 액적을 추출하고 상기 액적의 제2 부분 각각은 상기 인쇄 유체의 액적을 추출하지 않는 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
7. 제6항에 있어서, 상기 액적의 상기 제1 부분은 추출된 인쇄 유체를 운반하고 인쇄 표면으로 지향되고, 상기 액적의 상기 제2 부분은 상기 인쇄 표면으로 지향되지 않는 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
8. 제3항에 있어서, 상기 액체의 스트림은 액적의 불균일한 스트림인 것을 특징으로 하는 전기수력학적 프린터.
9. 캐리어 유체의 스트림이 인쇄 표면을 향해 지향되도록 구성된 제1 노즐; 및
   추출 개구에서 인쇄 유체를 제공하도록 구성된 제2 노즐로서, 상기 캐리어 유체의 스트림은 상기 인쇄 표면을 향해 흐를 때 상기 추출 개구를 통과하는 상기 제2 노즐;
   을 포함하고,
   상기 캐리어 유체와 상기 인쇄 유체 사이의 전위차에 의해 상기 인쇄 유체가 상기 제2 노즐로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 프린터.
10. 제9항에 있어서, 추출된 인쇄 유체는 상기 인쇄 표면을 향해 운반될 상기 캐리어 유체의 스트림과 합쳐지는 것을 특징으로 하는 프린터.
11. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 유체는 상기 캐리어 유체의 스트림이 연속적인 스트림이 되도록 상기 제1 노즐에서 균일하게 가압되는 것을 특징으로 하는 프린터.
12. 제9항에 있어서, 상기 제1 노즐 내의 상기 캐리어 유체의 압력은 상기 캐리어 유체의 스트림이 액적의 균일한 스트림이 되도록 일정한 빈도로 변하는 것을 특징으로 하는 프린터.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 노즐 내의 상기 캐리어 유체의 압력을 변화시키기 위해 상기 일정한 빈도로 변형하도록 구성된 압전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린터.
14. 제9항에 있어서, 상기 제1 노즐 외부에 위치한 전극을 더 포함하고, 상기 캐리어 유체의 스트림은 상기 전극에 의해 대전되어 상기 전위차의 적어도 일부를 제공하는 것을 특징으로 하는 프린터.
15. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부가 상기 추출 개구를 통과할 때 상기 캐리어 유체의 스트림이 인쇄 유체를 추출하고 상기 캐리어 유체의 스트림의 대전되지 않은 부분이 상기 추출 개구를 통과할 때 인쇄 유체를 추출하지 않도록 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부만을 대전시키도록 구성된 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린터.
16. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 유체의 스트림의 일부는 인쇄 유체를 추출하지 않고 상기 추출 개구를 통과하고, 상기 캐리어 유체의 스트림의 상기 일부는 수집되어 상기 제1 노즐에 상기 캐리어 유체를 공급하는 캐리어 유체 공급원으로 복귀하는 것을 특징으로 하는 프린터.
17. 제9항에 있어서, 상기 프린터는 드롭 온 디맨드 프린터이고, 상기 캐리어 유체의 스트림은 액적의 스트림이고, 캐리어 유체의 각각의 액적은 상기 추출 개구로부터 인쇄 유체의 액적을 추출하고 인쇄 유체의 각각의 액적을 상기 인쇄 표면에 운반하는 것을 특징으로 하는 프린터.
18. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 유체는 10센티푸아즈 미만의 점도를 갖고 상기 인쇄 유체는 30센티푸아즈보다 큰 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 프린터.
19. 제9항에 있어서, 상기 전위차는 적어도 500V이고, 상기 캐리어 유체의 스트림은 상기 캐리어 유체의 스트림과 상기 제2 노즐의 상기 추출 개구 사이의 갭을 유지하기에 충분히 높은 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 프린터.
20. 제9항에 있어서, 상기 인쇄 유체는 상기 캐리어 유체에서 용해가능하고 상기 전위차는 상기 프린터의 세척 모드에서 상기 캐리어 유체의 스트림을 상기 제1 노즐로 끌어당기는 것을 특징으로 하는 프린터.