잉크-젯의 심장인 프린터 헤드 이해하기

잉크젯 프린터 헤드는 모든 잉크-젯 프린터의 심장이다.

잉크젯 헤드에 채용된 기본 기술은 열충격 방식과 피에조 방식2가지가 모든 데스크탑 프린터에 적용되고 있습니다. 이 글에서는 이 두 방식의 프린터 헤드 기술의 차이와 각 헤드에 사용되는 잉크에 대해서 설명합니다. 

열 충격 헤드(Thermal printhead)는 수평 방식에 가까운 것으로 캐논과 HP에 의해 1979년 처음 개발이 시작되었다.  그러나 HP에서 1984년 처음으로 ThinkJet printer로 상용화하여 소개하였다. 이 초기 모델은 저속이고 그리고 96dpi의 해상도였으나 교환이 가능한 잉크젯 헤드로서 HP가 세상을 놀라게 한 모델이었습니다.

모든 열 충격 프린터 헤드는 동일한 원리로 작동합니다.  히터, 혹은 레지스터는, 프린터 헤드 가까이, 잉크 채널의 바닥에 위치합니다.

짧은 전압 펄스가 레지스터에 가해지면, 잉크가 급속히 끓는 점 이상으로 도달합니다.  이 액체에서 기체로의 전환 잉크를 팽창시켜, 잉크 방울을 프린터 헤드 노즐 밖으로 밀어내게 됩니다. 잉크 방울이 분출이 끊어지고, 거품이 히터에서 소멸되면, 다음의 잉크 방울이 시작됩니다. 이 공정이 초당 수천 번 반복적 재연된다.

1. 수직형과 수평형 발산(Edge Shooting the Roof and the Edge)

써멀 잉크젯 헤드는 roofshooters 과 edgeshooters (Figures 1 과 2) 2가지 형태가 있습니다.

이 들 중 모두 충분한 기술 개발에 따라 성능이 동일하여 어느 것이 우수하다고 할 수 없습니다.

수직형(roofshooter)설계는 HP와 LEX에서 채택한 방식으로, 레지스터의 앞으로 바로 잉크를 배출한다. 짧은 버블의 비행거리의 결과에 따라 더 많은 반복 성능을 얻을 수 있다. 수직형(roofshooter)에서는 잉크 공급부가 레지스터의 바로 밑에 있다. 이것은 초과된 발생 열을 잉크 공급부에서 흡수할 수 있기 때문에 초과 가열을 줄일 수 있다.

반면에, 수평 분출(edgeshooter) 설계, Canon과 Xerox에 채택되었으며, 히터의 옆쪽에서 잉크가 분출된다. 이 방식은 잉크의 비행이 보다 더 길어 전통적으로 잉크의 방울의 반복이 덜 정확하다. 그러나 수평분출(Edgeshooters)는 보다 간단한 설계로서, 제조가 쉽고 저가로 제작할 수 있다. 개선된 수평분출(Edgeshooters) 설계는 성능을 개선하여, 잉크방울의 반복 성능을 수직형(roofshooter)과 동일한 수준으로 발전되었다.

 

데스크탑 프린터의 약 70% 의 시장 점유율을 확보하고 있으며, HP사는 세계적인 리더 기업으로 자리를 지키고 있다.  그러나 이 기술이 이 데스크탑 프린터에 한정되지 않는다. 속도와 출력 품질의 신뢰성에 힘입어, 써멀 헤드는 HP 디자인젯, Encad Novajets (Lexmark head) 과 ColorSpan printers (HP head)에 널리 영역을 확대하고 있다.

 

thermal printheads 의 가장 큰 이점은 생산이 쉽고 비용이 적은 것이다(피에조 방식의 10%정도). 더 나아가 대부분의 써멀 프린터의 헤드를 사용자가 헤드를 비용을 들여 수리할 필요 없이 쉽게 교체할 수 있다.

- 끓이기 위한 가열(Heating to a Boil)

Thermal printheads 는 2가지의 주요 약점이 있다. 첫째, 가열 메커니즘에 의해 버블이 발생하기 때문에 “kogation” 불리는 현상으로 레지스터 요소의 성능이 저하된다. 이 문제로 잉크의 성분 혹은 첨가물이 끓어 가열 부품의의 실패를 가져올 수 있다.

둘째로, 교체용 카트리지 상의 금속 전극이 잉크 혹은 환경에 의해 얇게 파열되는 현상, 부식 혹은 가른 현상이 발생할 수 있다.

이러한 자연현상에 따라, 써멀 헤드는 일반적으로 상승된 헤드의 온도에서 “끓는” 수용성 잉크를 필요로 한다.  잉크 메이커는 써멀 헤드용 잉크를 개발할 때 이 기술의 제한을 이해하여야 한다.

 

예를 들면, 이들 방식의 헤드에 사용되는 잉크는 “kogation” 과 프린트의 실패를 가져올 수 있는 염분 성분이 보다 적어야 하고 그리고 미세 금속분이 없어야 한다.  부식을 방지하고 재료의 호환성 관점에서 PH를 정밀하게 관리할 수 있어야 한다.

단순하고 그리고 써멀 프린터 헤드 생산의 상대적인 저 비용의 결과로 인하여 써멀 헤드가 다양한 용도로 사용되게 되었다. 써멀 프린터 헤드(Thermal printheads)는 우편산업의 레이블 인쇄, 봉투 인쇄 등과 같은 특수 목적에 쉽게 적용되었다.

 

이들 프린터 헤드의 계속적인 소형화는 모든 전자 장치에 복합되어 사용될 수 있게 되었다. 미래에 소비자들이 이미지를 인쇄하기를 원하게 되면 TV, 노트북, 디지털 카메라와 결합될 수 있다.

 

2. 피에조 전기적 인쇄 방식(Electric Printing Piezos)

피에조 프린터 헤드(Piezoelectric printheads)는 데스크 탑 영역의 잉크젯 프린팅의 또 다른 주요 기술이다(Figure 3).  이 개념은 30년 전 초기의 비 충격 기술로 발전되었다. 이 기술이 적용된 첫 상용화된 제품은 120dpi를 구현할 수 있는 지멘스의 PT-80 제품으로 1977년 생산되었다.

 

잉크를 분출하기 위해 열을 필요로 하는 thermal heads와 달리, piezoelectric printheads는 전기장의 발생과 그리고 특수한 쎄라믹 재료의 변형에 의존한다. 이 방식은 차례로 압력 챔버의 체적변화를 일으켜서, 잉크를 노즐을 통하여 인쇄매체 밀어낸다. 

 

잉크 방울을 형성하기 위하여 다량의 잉크 체적의 변화가 필수적이며, 동력 전달부의 물리적인 사이즈가 노즐보다 훨씬 크기 때문에 프린터 헤드의 설계에서 사이즈를 줄이는 제약이 따른다.

명백히, 데스크 탑 프린터에 전기 피에조 헤드(piezoelectric head) 기술을 적용한 시장의 리더는 엡슨이다.  엡슨 프린터 헤드는 프린터의 영구적인 부품이다.

 

카트리지 자체는, 근본적으로 잉크 탱크 그 자체이다. 1993년 출시된 엡슨의 Stylus 800 T은 엡슨사의 최초의 상용화한 성공적인 잉크젯 프린터이다.

다른 전기 피에조 프린터 헤드(piezoelectric printhead) 제조사는 주로 일차 산업과 대형 포맷의 사장에서 경쟁하고 있다. Xaar, Spectra, 그리고 Hitachi Koki는 이 들 시장의 주 공급사이다.

▶ Nozzle

프린터 인쇄 방법에 있어서 노즐 구성은 중요한 역할을 한다. 행마다 노즐이 설치되며 각 행은 한 가지 색에 대응된다 그래픽과 텍스트의 인쇄품질을 향상시키기 위해 세 행의 컬러 잉크 노즐이 사용됨.
다음 그림에서 검정 노즐 행 세 개는 서로 묶이지 않게 떨어져 있음.

행마다 노즐이 48개씩 들어 있으므로 색별로 전체 48개의 노즐과 검정 색 용으로 144개의 노즐이 있음. 행 수와 행 당 노즐 수는 프린터 마다 다름.

- 엡슨의 장점과 단점(The Upsides and Downsides of Epson)

엡슨 프린터 헤드의 주요 장점은 매우 높은 해상도(2880dpi)그리고 “사진” 품질의 인쇄를 얻을 수 있는 능력이다. 피에조 프린터 헤드, 전체적으로, 보다 광범위한 잉크 화학 물질 사용할 수 있다. 솔벤트 용제, 오일 용제 그리고 고체 잉크뿐만 아니라 염료 승화물 과 특수한 첨가제를 포함하는 물질 등 모든 잉크가, 피에조 프린터 헤드에서 발사될 수 있다. 

 

마지막으로, 피에조 프린터 헤드는 잉크 방울의 크기의 조정이 보다 쉽다.  그 기술이 후에 Canon에 의해서 써멀 시스템에서 개발되었다.

전기 피에조 프린터 헤드의 주요 불리한 은 가격과 크기이다. 제품의 적용에서 헤드를 소형화 할 수 없다. 더 나아가 생산 원가가 높아서 피에조 헤드를 장착한 프린터는 써멀 헤드 기술이 장악한 저가 세그먼트의 시장에서는 경쟁할 수 없다

 

또 다른 주요 약점은 전기 피에조 프린트 헤드는 에어가 들어가기 쉬운 문제이다. 잉크와 카트리지 시스템은 프린트(인쇄)의 눈에 보이는 결합으로 보이게 하는 분출 오류 혹은 분사 누락을 유발 시키는 용해 산소를 최소화 하도록 설계되어야 한다.

 

자주, 그러한 ” air gaps “은 여러 번의 헤드 세척을 필요로 하고 잉크의 소모를 피할 수 없다.  이 문제로, 카트리지 재생업체에서는 에어의 유입을 방지하기 위해 진공 충전 그리고 적절한 패키징을 하여야 한다.

거품을 최소화하고 거품이 신속히 사라지게 할 수 있는 첨가제와 솔벤트로 잉크 포뮤레이터를 만드는 것 도 중요하다. 충진(Filling) 공정은 중요하며, 특히 속도를 증가시키고 방출 체적을 줄인 최근에 출시된 엡슨 데스크탑 프린터에서, 충진(Filling) 아주 공정은 중요하다.

 

최근에 피에조 헤드 기술을 사용한 제품이 많이 출시되고 있다. 광고 게시판(전사) 프린터, 그래픽 그리고 섬세한 판화 재현, 그리고 우편 마킹 장비 영역에서 전기 에서 피에조 기술이 성장하고 있다.

 

잉크의 유연성의 주요 이점 때문에, 흡수되지 않는 혹은 천 과 같은 특수한 인쇄 매체에 마킹이 요구되는 시장에서 새로운 시장에서 피에조 방식이 두각을 나타내고 있다. 피에조 프린터 헤드 제조사는 섬유 제조, 의료 이미지 그리고 생화학 혹은 중합 물질에서 새로운 개척자로서 발전되고 있다.

 

3. 무한 공급 잉크 젯(Incessant Ink Jet)

써멀과 피에조 잉크-젯에 더하여, 또 다른 일반 기술은 무한공급 잉크 이다(continuous ink jet (CIJ)).  잉크 방울의 분사의 생성기술에 더하여, 인쇄매체에 적용되지 않은 잉크를 채취하기 위해 잉크 방울의 굴절(deflection), 그리고 수집과 재순환 방법을 포함한다(Figure 4). 무한 공급 장치(CIJ)에 사용되는 잉크는 도전성 이어야 한다.

무한공급 잉크-젯(CIJ)는 바-코드, 라벨 생산, 박스 인쇄등과 같은 산업용으로 인기가 있다.  상대적으로 생산비용이 높고, 최소한의 작업자를 필요로 하는 이유로 CIJ는 데스크탑 프린터 시장에 발판을 구축하지 못하고 있다.

비록 써멀, 피에조 그리고 CIJ 가 모든 잉크젯 프린터 적용의 약 97%~ 99%를 점유하고 있는 것으로 추측되고 있지만, 많은 새로운 기술 주자가 이미 전자산업분야에 진입하고 있다. 

 

이들 회사들은 호황을 누리고 있는 사업에 새로운 기술을 적용하는 프린터 헤드 제조에 그들의 노력을 집중하고 있다. 비록 다른 프린터 헤드 기술이 개발되고 평가되고 있지만 상용화가 가능한 것으로 증명된 것은 아직 거의 없다.

HP, Lexmark, Canon 그리고 Epson은 써멀과 전기 피에조 헤드를 사용한 사용 한 데스크탑 프린터로 가정과 사무실용에서 지배적으로 세계시장 점유율을 즐기고 있다. 그들은 속도, 잉크 방울의 체적 그리고 해상도의 분야에서 계속해서 경쟁하고 있다.

 

그러나, 이 기술들은 정점에 도달했으며, 그리고 새로운 기술의 적용이 치열한 경쟁이 이미 시작되었다. 그러한 적용은 새로운 잉크와 헤드 설계에서 더 나은 기술을 요구한다. 이 영역은 새로운 기술과 경쟁자만이 진입할 수 있는 치열한 전투 이며 그 자체를 발견하는 것이 경쟁력 있는 틈새 시장이다 21세기에 있어서 급속하게 발전하는 잉크-젯 기술에는 분명한 영역을 찾을 수 없다.