프린트헤드 기술을 위한 최고의 가이드

사이먼 에클스가 잉크젯 프린트헤드에 대해 자세히 알아보고 인쇄 업계에 새로운 바람을 일으키고 있는 차세대 프린트헤드를 살펴봅니다.

드롭온디맨드, 연속 잉크젯, 압전, 열전사, 솔리드, 바이너리, 그레이 스케일. 이러한 용어는 모두 잉크젯 프린터, 특히 프린트 헤드 유형을 설명할 때 자주 사용되는 용어입니다.

이 용어의 의미를 알고 있다면 프린터의 용도와 작동 방식을 꽤 잘 예측할 수 있습니다. 모르는 경우, 누군가 멈춰서서 설명해 주는 경우는 거의 없습니다.

그래서 여기서 잠시 멈추고 설명하겠습니다. 일부 용어는 프린트 헤드의 기본 설계를 설명하고, 다른 용어는 프린트 헤드의 기능이나 작동 방식을 설명합니다. 피에조 그레이스케일 헤드와 같이 보다 정확한 설명을 위해 두 개로 나눌 수 있는 것도 있고, 바이너리 그레이스케일 헤드와 같이 상호 배타적인 것도 있습니다.

다음은 잉크젯 프린트 헤드에 대한 FESPA의 전문 용어 해설 가이드입니다. 먼저 프린트 헤드란 무엇일까요?

잉크젯 프린터의 구성 요소로 미디어에 잉크 방울을 투사하는 역할을 합니다. 매우 정밀한 장치로, 이를 제조하려면 많은 지적 재산(노하우)과 클린룸 공장에 대한 막대한 투자가 필요합니다. 최신 프린트헤드는 종종 마이크로칩 제조와 많은 공통점이 있는 제조 기술(예: 박막 실리콘 MEMS)을 사용합니다.

일반적인 프린트헤드 내부에는 드라이버 전자 장치, 잉크 공급 장치, 노즐 플레이트의 구멍인 노즐로 연결되는 최소 1개, 보통 수백 개의 잉크 챔버가 있습니다.

잉크 입력 채널은 수십 미크론에 불과하고 노즐은 일반적으로 20~50미크론입니다. 사람의 머리카락은 약 80마이크론입니다.

사이니지 및 기타 그래픽 애플리케이션에 사용되는 대부분의 프린트헤드에는 드롭을 생성하고 투사하도록 개별적으로 제어되는 수백 개의 노즐이 있습니다(“드롭 온디맨드” 참조). 한 번의 헤드 통과로 수백만 개의 방울을 생성하고 올바른 위치에 미디어에 닿도록 하려면 매우 진보된 전자 장치가 필요합니다.

일부 잉크젯은 노즐이 하나이며 정전기판 또는 공기 분사를 통해 미디어를 향해 또는 미디어에서 멀리 떨어진 곳에서 연속적인 드롭 스트림을 투사합니다. 이러한 잉크젯은 그래픽보다는 코딩 및 마킹 시스템에 사용되는 경향이 있습니다. 연속 잉크젯을 참조하십시오.

전 세계적으로 수백 개의 프린터 제조업체가 있지만 모두 비교적 적은 수의 전문 제조업체로부터 프린트헤드를 공급받아 마운트, 전자 장치, 잉크 공급, 펌웨어 및 드라이버 소프트웨어를 조합하여 프린터 자체에 통합합니다.

대형 프린터 제조업체 중 자체 프린트헤드 공장을 보유한 곳은 Canon, Epson/Seiko-Epson, 후지필름 (자회사인 후지필름 디마틱스 포함), HP, 제록스 등 소수에 불과합니다.

나머지는 모두 헤드를 구매하거나 프린터 제조업체와 합작 회사를 운영합니다. 위에서 언급한 대부분의 제조업체는 OEM 방식으로 다른 제조업체에 헤드를 공급합니다(간혹 최신 모델을 자체적으로 보유하기도 하지만). 기타 헤드 제조업체로는 Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC 및 Xaar가 있습니다.

주문형 드롭(DoD)

FESPA 전시회와 이 웹사이트에서 볼 수 있는 모든 와이드 포맷 프린터를 포함하여 고품질 그래픽에 사용되는 최신 잉크젯에서 가장 일반적으로 사용되는 프린트 헤드 유형을 일반적으로 일컫는 용어입니다.

주문형 드롭은 잉크젯 노즐이 용지에 마킹을 생성하기 위해 필요한 시점과 위치에 잉크 방울을 생성하고 투사하는 것을 의미합니다. 이 용어는 주로 이전의 연속 흐름 유형 헤드와 대조하기 위해 만들어졌습니다(아래 연속 흐름 참조).

드롭온디맨드 헤드는 열 또는 압전 유형으로 더 세분화됩니다(아래 참조).

잉크젯 프린트헤드는 프린터가 작동하는 모든 시간 동안 지속적으로 잉크 방울을 분사합니다. 일반적으로 헤드당 노즐이 하나만 있지만 더 넓은 인쇄 범위를 만들기 위해 여러 개의 헤드를 사용할 수 있습니다.

스트림은 정전기장이 있는 하전된 금속판에 의해 또는 (코닥의 경우) 정밀하게 타이밍을 맞춘 공기 분사에 의해 용지 쪽으로 또는 용지로부터 멀어집니다. 원치 않는 잉크는 캐치 거터에 모아져 여과된 후 저장 탱크로 되돌아갈 수 있습니다.

오늘날 이러한 헤드는 정교한 그래픽 프린터보다는 코딩 및 마킹 시스템에서 주로 사용됩니다.

예외적으로 스트림이라는 고도로 개발된 연속 잉크젯 기술을 사용하여 매우 높은 이미지 품질을 제공하는 Kodak Prosper 프린트헤드 제품 군은 예외입니다. 현재 Prosper와 Stream은 간판 및 디스플레이 유형 전용 프린터에는 사용되지 않습니다.

이는 최초의 드롭온디맨드 프린트 헤드 유형으로 1980년대 초 최초의 데스크탑 잉크젯에 사용되었습니다. 감열식 프린트헤드는 효율적이며 피에조 헤드와 경쟁할 수 있는 매우 높은 이미지 품질과 속도를 제공할 수 있지만 피에조와 달리 수성 잉크만 사용할 수 있으므로 일반적으로 실내용으로 제한됩니다.

HP의 라텍스 잉크는 예외적으로 HP 열전사 헤드와 함께 사용할 수 있습니다. 그 이유는 열 활성화 폴리머가 수성 현탁액에 들어 있어 실외에서 사용하기에 적합하기 때문입니다.

감열 기술은 1970년대에 일본의 프린트헤드 테크놀로와 미국의 휴렛팩커드가 독립적으로 동시에 발명했는데, 이들은 서로 싸우지 않고 특허를 공동으로 사용하기로 결정했습니다.

원리는 프린트 헤드의 잉크 챔버 내부의 요소가 액체 잉크가 기화될 정도로 빠르게 가열되어 가스 기포를 형성하고, 이 기포가 팽창하여 챔버의 한쪽 끝에 있는 구멍(노즐)에서 잉크 한 방울을 강제로 배출하는 것입니다.

그러면 발열체가 꺼져 가스 기포가 냉각되고 응축 및 수축합니다. 노즐의 표면 장력이 공기가 뒤로 빨려 들어가는 것을 막고 대신 공급 파이프에서 더 많은 액체 잉크가 챔버로 빨려 들어갑니다. 열전사 헤드의 공동 발명가인 Canon은 이러한 작동 방식 때문에 버블젯이라는 용어를 만들었습니다.

지금까지 진정한 그레이스케일 감열 헤드는 없으므로 모두 2진법이며, 이는 방울의 크기가 항상 동일하다는 것을 의미합니다. 하지만 HP는 그레이 스케일 효과를 낼 수 있는 다양한 크기의 쌍으로 구성된 노즐을 개발했습니다.

열 스트레스로 인해 헤드가 빨리 마모되기 때문에 헤드는 소모품으로 설계되어 수십 또는 수백 시간 작동 후 쉽고 저렴하게 교체할 수 있습니다.

흔히 피에조 헤드라고 합니다. 이러한 드롭온디맨드 헤드는 1990년대 초기 대형 프린터에 등장하기 시작하여 이 분야에 혁명을 일으켰습니다. 스크린 공정 인쇄와 관련된 솔벤트 및 UV 경화 잉크가 처음으로 디지털 방식으로 인쇄될 수 있게 된 것이죠.

피에조 헤드는 모두 특정 유형의 결정(보통 잉크젯의 지르코네이트 티타네이트 납, PZT로 표기)에 전류가 흐르고 다시 꺼질 때 팽창하거나 수축하는 원리를 기반으로 합니다. 이 팽창/수축은 잉크 챔버의 펌프의 기초로 사용됩니다.

크리스탈의 구성(“굽힘” 또는 “전단” 모드)에 따라 양방향 팽창은 잉크를 끌어들인 다음 노즐을 통해 챔버 밖으로 잉크를 밀어내거나(Epson에서 사용), 동일한 효과가 있지만 에너지가 적은 음압 파를 설정합니다(Xaar에서 사용).

전류는 매우 빠르게 켜고 끌 수 있으며 크리스탈의 팽창/수축도 거의 즉각적으로 이루어지기 때문에 감열식 헤드보다 도트 형성을 제어할 수 있는 범위가 훨씬 더 넓습니다.

무엇보다도 일부 피에조 헤드는 동일한 챔버와 노즐에서 다양한 크기의 방울을 생성하여 용지에 다양한 잉크 밀도를 제공할 수 있습니다. 이를 그레이스케일 헤드라고 합니다(아래 참조).

압전 효과는 거의 모든 유체와 잘 작동하므로 피에조 프린트 헤드는 솔벤트 기반 잉크, UV 경화 잉크(3D 프린팅에 사용되는 잉크 포함) 및 수성 잉크를 처리하도록 제작할 수 있습니다. 또한 전기 전도성 잉크, 입자가 큰 불투명 흰색 및 금속 잉크, 3D 프린팅 잉크, 잉크 챔버에 도달하면 액체가 되는 상변화 잉크와 같은 까다로운 유체에도 사용할 수 있습니다.

피에조 프린트헤드는 열 스트레스가 적고 피에조 결정이 수백만 번 팽창/수축할 수 있기 때문에 감열식 헤드보다 훨씬 오래 사용할 수 있습니다. 피에조 헤드는 일반적으로 치명적인 막힘이나 외부 손상이 없는 한 기계의 수명 기간 동안 지속되도록 설계되었습니다. 하지만 감열식 헤드보다 제작 및 구매 비용이 훨씬 더 많이 들기 때문에 사용자는 유지 관리에 더 많은 노력을 기울여야 합니다.

이 용어는 프린트헤드가 모두 같은 크기로 분사되는지 또는 용지에 도달하는 잉크의 농도를 더 옅은 색조로 제어할 수 있도록 어떤 방식으로든 변화시킬 수 있는지를 나타냅니다. 그레이 스케일은 하프토닝 기술과 결합하여 잉크젯의 톤 범위를 상당히 확장하는 동시에 상대적으로 낮은 노즐 피치 또는 더 적은 수의 패스를 사용할 수 있습니다.

피에조 프린트헤드는 원래 항상 같은 크기의 잉크 방울만 생성하는 바이너리 방식이었습니다. 하프톤 기법을 사용하면 이진 헤드에서 다양한 톤을 얻을 수 있지만 초미세 노즐 피치를 사용하거나 더 밝은 색상의 잉크를 추가하지 않으면 하이라이트 톤이 약간 거칠어 보일 수 있습니다.

일반적인 바이너리 드롭 크기는 30~100피코리터입니다. 더 미세한 결과를 위해 더 작은 방울을 얻을 수 있지만 인쇄물에서 솔리드 영역의 밀도를 높이는 데 더 많은 패스가 필요하므로 인쇄 속도가 느려집니다.

그레이스케일 헤드는 개별적으로 인쇄된 도트의 밀도를 변경할 수 있으므로 30% 또는 50%에서 100%까지 다양한 색상을 표시할 수 있습니다. 더 낮은 해상도와 더 적은 헤드 패스로도 기본 해상도가 훨씬 높은 이진 헤드와 동일한 ‘유효 해상도’를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

예를 들어 그레이 스케일 헤드의 해상도가 360dpi인 경우 1,000dpi 바이너리와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 이는 일반적으로 사진 및 블렌드를 클로즈업해서 볼 때에도 필요한 수준이라고 합니다.

피에조 헤드는 일반적으로 개별 제조업체와 해당 제조업체가 보유하고 있거나 침해하지 않으려는 특허에 따라 여러 가지 방법으로 도트 크기를 변경합니다. 정확한 방법에 따라 사용 가능한 드롭 사이즈는 세 가지에서 여러 가지가 있을 수 있습니다.

사진 촬영에 자주 사용되는 최고급 프린트헤드의 가장 작은 크기는 2피코리터 미만입니다. 사이니지 프린터의 경우, 근접 촬영 품질보다 속도와 커버리지가 더 중요하기 때문에 10~20피코리터의 크기가 더 일반적입니다.

열 그레이스케일

진정한 가변 드롭 크기는 지금까지 피에조 헤드에서만 가능했습니다. 그러나 HP는 고해상도 노즐 아키텍처라고 하는 감열식 PageWide 헤드용 그레이스케일 방식을 개발했습니다. 지금까지는 상업용 인쇄용 대형 T 시리즈 잉크젯 웹 프레스에만 사용되었으며, CAD 및 계획 작업에 주로 사용되는 와이드 포맷 PageWide XL 단일 패스 모델에는 사용되지 않았습니다.

각 노즐에서 나오는 방울의 크기는 항상 같지만 프린트헤드에서 큰 노즐과 작은 노즐을 매우 가깝게 짝을 지어 하나의 이미징 요소로 처리합니다. 그런 다음 두 쌍의 노즐을 가져와 그레이스케일을 위해 단일 이미징 요소로 제어합니다.

2개의 작은 노즐과 2개의 큰 노즐을 서로 다른 조합으로 발사하여 5단계의 그레이 레벨을 얻을 수 있습니다(실제로는 흰색과 4단계). HDNA 노즐 피치는 2,400dpi이므로 노즐 쌍의 기본 해상도는 1,200dpi이고 그레이스케일 세트는 600dpi입니다.

큰 노즐과 작은 노즐에 서로 다른 잉크 색상(예: 청록색과 연한 청록색)을 사용하여 농도를 더욱 세밀하게 제어할 수 있습니다. 또한 노즐 세트를 개별적으로 제어하여 더 빠른 속도나 해상도, 더 적은 회색 레벨을 구현할 수 있습니다.

이는 노즐 피치에 대한 설명으로, 프린트 헤드가 주어진 영역에서 생성할 수 있는 실제 잉크 방울의 수를 의미합니다. 업계에서는 일반적으로 미터법 대신 인치당 도트 수로 표시합니다. 따라서 프린트헤드의 너비가 1.5인치(38mm)이고 너비에 걸쳐 540개의 노즐이 있는 경우 기본 해상도는 360dpi입니다.

많은 와이드 포맷 잉크젯은 이미지를 여러 번 겹쳐서 인쇄하므로 기본 해상도만으로는 얻을 수 있는 것보다 미디어에 인치당 더 많은 방울이 떨어질 수 있습니다. dpi가 높을수록 최종 인쇄물은 연속적인 톤의 사진처럼 보일 수 있습니다.

그레이 스케일 헤드를 사용하면 다양한 도트 밀도를 만들 수 있으므로 동일한 노즐 피치의 바이너리 헤드에 비해 톤 범위가 넓어져 연속적인 톤을 더 잘 시뮬레이션할 수 있습니다.

따라서 그레이스케일 프린터 제조업체는 “동등한” 해상도, 예를 들어 360dpi 그레이스케일 헤드가 1,000dpi 이진 헤드와 동등한 품질을 제공할 수 있다고 이야기하는 것이 일반적입니다.

기본 해상도가 매우 높은 프린트헤드도 있습니다(예: Epson의 SureColor 프린터에 사용되는 마이크로 피에조 프리시전 코어 TFT 헤드의 기본 해상도는 600dpi이고 드롭 크기는 1.5 ~ 23피코리터입니다).

위에서 언급한 HP의 PageWide HDNA는 큰 노즐과 작은 노즐을 번갈아 가며 2,400dpi의 노즐 피치를 갖지만, 쌍으로 제어되므로 기본 해상도는 1,200dpi로 간주할 수 있습니다.

5월 8일부터 12일까지 독일 함부르크 메세에서 열리는 FESPA 2017에서 HP 및 Epson 키트와 이를 통해 비즈니스에 제공할 수 있는 이점에 대해 자세히 알아보고자 하는 업계 관계자들은 각 사의 전문가와 상담할 수 있습니다.

기록적인 방문객이 몰릴 것으로 예상되는 이번 행사에는 700여 개 브랜드 중 HP와 Epson이 참가할 예정입니다.

자세히 알아보려면 FESPA 2017를 방문하세요: https://www.fespa2017.com. 방문객은 참조 코드를 인용하여 온라인 등록을 하면 전시회에 무료로 입장할 수 있습니다: FESG702.