잉크젯 프린트헤드는 다양한 잉크 유형과 점도를 처리하면서 유체를 정밀하게 분사합니다. 주요 기술은 압전(PZT 소재 사용) 및 열전사 잉크젯(잉크를 증기로 가열)입니다. 고속을 위한 연속 잉크젯과 큰 방울을 위한 밸브젯도 있습니다. 업계에서는 새로운 산업 및 3D 프린팅 애플리케이션에 힘입어 더 많은 R&D가 이루어지고 있습니다.
잉크젯 프린트헤드는 모든 잉크젯 프린터뿐만 아니라 디지털 혁명의 중심에 있으므로 이러한 장치가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 항상 유용합니다. 프린트헤드의 목적은 단순히 인쇄물에 필요할 때마다 특정 액체를 소량씩 떨어뜨리는 것입니다. 그래픽 아트용 잉크나 산업용 코팅과 같은 기능성 유체 등 다양한 용도에 맞게 설계된 대부분의 헤드는 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 핵심 특징은 필요한 곳에 정확하게 잉크 방울을 배치하는 정확성이며, 이는 인쇄 속도가 빠를수록 더욱 까다로워집니다.
프린트헤드는 다양한 유체 또는 잉크의 특성을 처리할 수 있어야 합니다. 오늘날 사용되는 가장 일반적인 헤드 중 다수는 UV 경화 잉크를 사용하도록 설계되었지만 다른 유체는 솔벤트, 물 또는 오일을 기반으로 할 수 있습니다. 실제로 텍스타일 인쇄와 싱글 패스 상업 인쇄의 꾸준한 성장으로 수성 잉크를 처리할 수 있는 프린트 헤드에 대한 수요가 증가했습니다. 헤드와 모든 관련 유체 관리 시스템은 헤드의 재질을 부식시킬 수 있는 솔벤트나 내부 전기 합선을 일으킬 수 있는 물 등 이러한 유체에 포함된 화학 물질에 견딜 수 있도록 강화되어야 합니다.
점점 더 많은 OEM이 유체의 기능을 향상시키기를 원하고 있으며, 헤드 제조업체는 이를 따라잡아야 합니다. 많은 그래픽 시장에서 안료 로딩이 높은 잉크를 선호하는 경향이 뚜렷하게 나타나고 있으며, 이는 잉크 소비량 감소로 이어집니다. 이러한 잉크는 일반적으로 점도가 높아서 분사하기 어렵지만 잉크를 가열하여 점도를 낮추는 등 여러 가지 방법으로 이를 해결할 수 있습니다. 그러나 대부분의 프린트헤드는 점도가 10 또는 20cP까지만 처리할 수 있지만 일부 Xaar 프린트헤드는 점도가 최대 100cP인 유체도 처리할 수 있습니다.
일부 프린트헤드는 헤드 내부의 잉크를 재순환시켜 잉크 내의 입자가 가라앉는 것을 방지하고 노즐 주변의 막힘을 제거할 수 있습니다. 이 기능은 입자가 큰 흰색과 같은 특정 잉크와 대기 중에 먼지와 오물이 많을 수 있는 산업용 잉크에 유용합니다. 재순환은 잉크가 히터를 통과하면서 순환하기 때문에 잉크의 온도를 유지하는 데도 도움이 될 수 있습니다.
대부분의 와이드 포맷 프린터는 압전 드롭 온디맨드 프린트헤드를 사용합니다. 이는 전하로 인해 일부 재료의 모양이 변할 수 있는 자연 발생 현상을 이용합니다. 이러한 프린트헤드에는 대부분 지르코네이트 티타네이트 납(PZT)으로 제작된 액추에이터가 사용되는데, 이는 잉크 챔버에서 노즐을 통해 잉크를 강제로 분사하는 모양 변경에 매우 효율적인 압전 특성을 가지고 있기 때문입니다.
이러한 압전 프린트헤드는 두 가지 유형으로 더 세분화할 수 있습니다. 가장 일반적인 유형은 압전 재료 블록을 사용하는 벌크 피에조입니다. 그 좋은 예로 Kyocera에서 개발한 모놀리식 블록 액추에이터가 있습니다. 교세라는 이름은 교토 세라믹에서 유래한 것으로, 교세라는 세라믹에 대한 전문 지식을 활용하여 얇은 압전 세라믹 기판을 사용하여 고밀도 다결정 세라믹 액추에이터를 만들었습니다. 그 결과 길이 116mm, 폭 34mm, 깊이 0.04mm에 불과한 매우 얇은 압전 액추에이터 플레이트가 헤드 내 잉크 챔버 위에 자리 잡았습니다. 교세라는 파형과 구동 전자 장치를 통해 이 액추에이터에 가해지는 전압을 정밀하게 제어함으로써 각 잉크 챔버에서 잉크를 배출하는 이 액추에이터의 모양을 미세하게 제어할 수 있습니다. 리코 MH5320 Gen6, 후지필름 디마틱스 스타파이어, Xaar의 대부분의 프린트헤드 등 다른 많은 프린트헤드도 벌크 피에조 방식을 기반으로 하고 있습니다.
다른 압전 방식으로는 반도체 기술을 사용하여 액추에이터를 구성하는 마이크로 전기 기계 시스템 또는 MEM 방식이 있습니다. 이론적으로는 더 복잡하고 정밀한 액추에이터를 만들 수 있습니다. 액추에이터에 PZT를 추가하는 방법에는 크게 두 가지가 있는데, 후지필름 디마틱스는 스퍼터링 PZT를, 리코와 다른 업체들은 솔젤을 사용하지만 둘 다 매우 얇은 PZT 필름을 생성합니다. 실리콘은 포토리소그래피를 사용하여 한 번에 한 층씩 쌓아 올리고, 이 층 안에 패턴을 만들어 전자 회로와 유체 관리를 위한 채널을 만듭니다. 대표적인 예로는 후지필름 디마틱스 삼바, 엡손 프리시전코어, 리코 TH5241 등이 있습니다.
또 다른 일반적인 유형의 프린트헤드는 열전사 잉크젯(TIJ)으로, 잉크가 가열되어 노즐에서 물방울이 떨어질 때까지 증기 기포가 형성되는 방식입니다. 이 방식은 라텍스 또는 수지 잉크와 같은 수성 잉크에만 사용되며 주로 와이드 포맷 애플리케이션에서 HP와 Memjet이 사용합니다. 또한 HP는 주로 코딩 및 마킹 애플리케이션과 일부 그래픽 포장 인쇄에 사용하기 위해 다른 OEM에 감열식 프린트헤드를 판매합니다. 감열식 헤드는 일반적으로 수명이 비교적 짧고 소모품으로 간주됩니다. 그러나 HP와 Memjet은 최근 몇 년 동안 감열 헤드의 작동 수명을 연장하는 데 성공했습니다. Canon도 TIJ 기술을 보유하고 있지만 주로 데스크탑 프린터에 집중해 왔습니다. 그러나 캐논은 최근 상업용 생산 프레스용 TIJ 프린트헤드를 개발했으며 감열식 프린트헤드가 장착된 산업용 라벨 프레스를 곧 출시할 예정입니다.
그런 다음 연속 잉크젯 또는 CIJ가 있습니다. 이는 와이드 포맷 인쇄와는 관련이 없지만 코딩 및 마킹 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 또한 고속 상업용 프레스인 Ultra 520과 웹 오프셋 프레스에 디지털 기능을 추가하는 데 사용되는 Kodak의 UltraStream 프린트헤드의 기반이 되는 기술입니다. 원리는 잉크 방울이 연속적인 흐름으로 분사되어 초고속 분사가 가능하다는 것입니다. 대부분의 잉크 방울은 편향되어 재사용되므로 실제로 필요한 잉크 방울만 인쇄물에 떨어집니다.
마지막으로 그래픽 시장에서도 밸브젯 프린트헤드를 사용하는 사례가 있다는 점도 주목할 만합니다. 예를 들어 Ricoh는 최근 베를린에서 열린 Fespa Global 전시회에서 각 색상마다 단일 노즐 밸브젯을 사용한 맞춤형 타이어 인쇄 애플리케이션을 선보였습니다. 밸브젯 접근 방식의 원리는 매우 간단합니다. 유체 챔버의 한쪽 끝에 구멍이 있고 이 구멍은 밸브로 막혀 있습니다. Ricoh는 피에조 액추에이터를 사용하여 이 밸브를 열고 닫습니다. 유체는 가압 탱크에서 공급되므로 노즐이 열리면 공기압이 강제로 떨어지기에 충분합니다. 이 밸브의 장점은 높은 커버리지를 위해 큰 잉크 방울을 분사할 수 있어 입자가 크고 점도가 100cP 범위 이상인 기능성 잉크를 사용할 수 있다는 점입니다.
앞으로 3D 프린팅을 포함한 산업용 애플리케이션에 잉크젯 프린팅을 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이는 프린트헤드 제조업체에게 더 큰 시장 잠재력을 의미하며, 궁극적으로 프린터 OEM이 사용할 수 있는 프린트헤드 선택의 폭을 넓힐 수 있는 더 많은 R&D를 정당화할 수 있습니다.