엡손은 피에조일렉트릭(Piezoelectric) 효과를 1970년대부터 연구하기 시작했다. “Piezo”는 ‘짜내다’ 또는 ‘밀어내다’를 뜻하는 그리스어인 piezein에서 파생된 단어이다. 본질적으로, 전압이 피에조 재질(예: Ceramic이나 Quartz)에 가해지면 이 재질이 그 크기를 바꾸게 한다. 동작의 양과 형태를 조정함으로써, 대기실(Chamber)에 있는 잉크는 관의 구멍이나 분출구(Nozzle)를 통해 대단히 빠른 속도로도 정확한 크기의 방울로 분사할 수 있다. 그리고 이 기술은 잉크젯 프린팅에 사용하기에 알맞았고, 마침내 엡손의 마이크로 피에조 프린트헤드에 결합했다. 1990년대부터 이 기술이 사용된 후로 잉크젯 세계에서 엡손 스타일러스 프린터들을 최고로 만드는데 일조했다.
엡손의 현재 마이크로 피에조 헤드는 한 줄에 180개의 노즐이 있고, 180dpi(인치당 180개의 도트)의 인쇄 밀도를 만들어 낸다. 인쇄 밀도와 속도를 향상하는 확실한 방법은 각 줄의 노즐 수를 증가하는 것이다. “그러나 현재의 프린트헤드는 공작 기계들을 사용해 설계됐고, 이 제작 방법을 사용해 얻을 수 있는 최대 밀도를 이루었다.”라고 새로운 버전의 마이크로 피에조 프린트헤드를 개발한 엡손 연구 그룹의 관리자인 Tomoaki Takahashi씨가 말했다. 따라서, 연구원들은 프린트헤드의 디자인만 재고한 것이 아니라, 그것을 제조하는 다른 방법을 찾는 것도 필요했다. 그 도전의 해답은 사진석판술(Photolithography)에서 발견됐고, 회로로 가득 찬 반도체 칩들을 구성하는, 엄청나게 작은 패턴들을 만드는 절차와 같은 제조 과정이었다.
차세대 마이크로 피에조 AMC 프린트헤드의 단면도.
“노즐 수를 2배로 늘리고자 각 피에조 장치의 크기를 반으로 줄이는 것은 여전히 같은 인쇄 속도가 될 뿐이다.”라고 Takahashi씨가 지적했다. “이점이 전혀 없다.” 그래서 연구원들은 피에조 장치를 반 정도 크기로 줄였을 때조차, 같은 잉크 방울 크기를 유지하는 방법을 찾아야만 했다. 해결책은 잉크의 분출을 조정하는 마이크로 피에조 헤드의 핵심 구성 요소인 피에조 장치를 완전히 새롭게 만드는 것이었다. 현재의 피에조 요소는 25 미크론(㎛. 100만분의 1미터) 두께의 층이 있는 약 1밀리미터 길이로, 모두 16개 재료 층으로 구성돼 있다.
마이크로 피에조 프린트헤드의 크기 비교.
사진석판 기술을 피에조 재질의 얇은 필름에 적용함으로써, 엡손은 1 미크론 두께의, 현미경으로만 볼 수 있는 극도로 작은 피에조 요소를 창조했다. 또한, 새로운 요소는 현재보다 피에조 재질의 크기나 뒤틀림의 엄청난 변경을 할 수 있게 디자인되었다. 업계 최고 수준으로 엡손이 성취한 이 엄청난 뒤틀림은, 대기실 안에 있는 잉크의 엄청난 변위(Displacement)를 할 수 있어 커다란 잉크 방울들을 만들어 낸다. 현재 장치의 유효면적에 비해 반 정도 크기인 이 피에조 장치로, 엡손은 잉크 방울의 크기를 같게 유지하면서 프린트헤드의 노즐 수를 2배로 늘릴 수 있었다. 이러한 향상은 현재의 제품들과 같은 출력을 하면서, 인쇄 속도를 가속하거나 소형 프린터용의 프린트헤드 크기를 작게 할 수 있다.
마이크로 피에조 프린트헤드의 노즐 밀도 비교.
현미경으로만 볼 수 있는 극도로 작은 요소들임에도, 차세대 마이크로 피에조 AMC 프린트헤드는 가변잉크방울크기와 같은 현재 프린트헤드의 모든 이점을 유지하고 있다. Takahashi씨는 “피에조 진동과 잉크의 움직임을 우리가 모두 제어할 수 있게 하는 피에조 장치를 디자인했기 때문이다.”라고 설명했다. “기술적으로 이것은 메니스커스(Meniscus) 조정이라고 부른다. 그리고 이것이 경쟁자들과 구분되는 우리만의 기술이다.
간단히 말하면, 메니스커스 조정은 피에조 요소에서 생기는 뒤틀림 양에 의해 좌우된다. 앞서 말했듯이, 엄청난 뒤틀림과 잉크의 커다란 변위는 큰 잉크 방울을 만들어 낸다. 그러므로 뒤틀림 양을 변경하는 것은 잉크 방울들의 크기를 다양하게 한다. 추가로, 메니스커스 조정은 완벽히 순원(Spherical)인 도트들을 만들고 잉크 방울 충격의 정도(Droplet Impact: 잉크 방울이 떨어지는 강도(크기))를 조정하는데 도움이 된다. 또한, 분출 속도를 향상한다. Takahashi씨의 말에 따르면, 마이크로 피에조 AMC 프린트헤드는 놀랍게도 초당 40,000개의 잉크 방울을 만들어 낼 수 있다고 한다. “경쟁자들의 열 잉크젯(Thermal Inkjet) 프린팅은 연구소 안에서라면 모를까 실제 제품으로는 이렇게 할 수 없다.”라고 말했다. “열 잉크젯 방법에서는, 잉크를 분출하려면 반드시 잉크를 뜨겁게 하거나 끓게 해야 한다.” 이것은 프린팅 속도를 제한하게 하며, 동시에 오래 견디지 못하는 헤드가 되게 한다.”
피에조 요소의 뒤틀림과 메니스커스 조정.
이외에도, 메니스커스 조정은 여러 가지 이점이 있는데, 마이크로 피에조 AMC 프린트헤드는 업계에서 사용하고 있는 Dye, Pigment 타입, Solvent 잉크, Ultraviolet Cure 잉크를 포함한 넓은 범위 잉크를 사용할 수 있다. “다른 종류의 잉크를 사용할 수 있는 이 같은 능력은, 잉크를 끓게 해야 하는 열 잉크젯 프린팅으로는 할 수 없다.”라고 Takahashi가 말했다.
엡손은 전 세계 소비자 시장의 프린팅 분야에서 피에조일렉트릭 방식을 사용하는 선도적인 회사이다. 더불어, 마이크로 피에조 기술의 탄력성은 포토 랩 프린팅, 텍스타일 프린팅, 컬러 필터 제조(LCD 제조에 사용하는)와 같은 상업과 산업 현장에서도 매우 적합하게 한다.
Note: 이 글은 미국엡손의 뉴스 페이지에 게재된 내용 중 일부를 발췌, 의역한 것이다. 사전 동의 없이 내 글을 발췌 또는 인용하는 것을 금한다. 그리고 이 글에 설명된 메니스커스 조정에 관해서는 지인의 설명을 참조했다.
