This work presents design modifications of a backshooter type inkjet printhead, DomeJet, to enhance the firing frequency. DomeJet is a thermally driven monolithic inkjet printhead that consists of dome-shaped ink chambers and omega-shaped heaters over the chambers. Since it is monolithic, manufacturing is very cost effective. As the firing frequency increases, the residual heat accumulated in heater layer may cause unstable droplet ejection. Thus, an efficient heat passage is necessary to increase the firing frequency. Contrary to a topshooter architecture printhead, a backshooter type printhead has a disadvantage in heat release since the heater is confined to a thin film which has low thermal conductivity. In this study, four models are proposed and studied. Compared to the basic model of DomeJet, all the proposed models are found to improve heat dissipation capability. The best performing model is found to operate at a frequency of 40kHz, a much higher frequency than 15kHz of the basic model. Further, ejection failure modes of the best performing model, which are also crucial in determining the firing frequency limit, are investigated from performance experiments and numerical simulations. It is found that dominant failure modes are affected by the flow resistance ratio in the ink flow passages. Optimal flow resistance ratio is obtained experimentally to provide maximum frequency limit. This will help develop an inkjet printhead with more reliable high frequency limit.
본 연구는 back shooting 방식의 잉크젯 프린트헤드인 DomeJet의 토출 주파수 향상을 위한 설계에 관한 것이다. DomeJet은 반구형의 잉크챔버와 오메가 형태의 히터를 갖는 thermal 잉크젯 헤드이다. DomeJet은 일체화 공정이 가능하므로 저가격으로 제조가 가능한 장점이 있다. 토출 주파수가 상승하면 히터 주위에 열이 축적되어 불안정한 잉크 토출이 발생한다. 따라서 토출 주파수를 향상시키기 위해서는 효과적인 열 통로가 필요하다. Top shooting 방식의 프린트헤드와 달리, back shooting 방식은 히터가 낮은 열전도도를 갖는 박막에 갖혀있으므로 열 방출에 단점이 있다. 본 연구에서는 4가지의 모델을 제시하고 연구하였다. 기본 모델과 비교하여 제안한 모든 모델이 높은 방열 성능을 갖는 것을 알 수 있었다. 가장 우수한 성능을 갖는 모델의 경우 기본 모델의 15kHz 보다 매우 높은 40kHz의 주파수 성능을 달성하였다. 또한 토출 주파수의 한계를 결정하는데 결정적인 토출 실패 모드에 관해 성능 실험과 수치 계산을 통해 연구하였다. 주된 토출 실패 모드는 잉크 유로의 유동 저항비에 의해 영향을 받는다는 것을 발견하였으며 최대 주파수 한계를 갖는 최적 유동 저항비를 제시하였다. 본 연구는 신뢰성있는 토출 주파수 한계를 연구하는데 도움이 될 것으로 생각한다.
