잉크젯 기술과 고속유성 잉크젯 프린터
임진우 2018-08-06 09:58:28

잉크젯은 색재 및 기능성 재료를 포함한 잉크를 물방울 형태로 분리해 종이 등의 피인쇄체에 토출 후 정착시키는 단한 인쇄 프로세스다. 이것은 역사가 깊은데, 잉크, 잉크젯헤드, 미디어라는 각 요소의 성능을 향상시키는 기술 및 연구개발이 오랫동안 이루어져 왔다. 최근에는 요소마다의 성능향상에 추가로 프린터 시스템 전체를 어떻게 성능을 올리고 시장 요구에 대응할 것인가에 대한 중요성이 증가되고 있다.
본 원고는 잉크젯 기술의 역사를 가볍게 다루면서 시장요구를 달성하기 위한 기술, 과제해결에 대해서 기술하고자 한다.
구체적으로는 2016년 drupa에 출품된 당사제품에 탑재된 기술 사례에 대해 해설하고자 한다.

 

잉크젯 기술의 역사와 동향
잉크젯은 색재 및 기능성 재료가 포함된 잉크를 물방울 형태로 분리, 종이 등의 미디어에토출시키고 정착시키는 간단한 인쇄프로세스 있다. 하지만 토출원리 및 방식은 다양하고 오래된 역사를 가지고 있다.

 

잉크를 분리하고 제어하는 기술의 시작
기초연구는 대전편향제어인데, 1749년에 Abbe Nollet이 액체방울의 정전기에 대한 영향을 발견했고, 이후 Lord Kelvin에 의해 물방울의 대전실험이 이루어졌다. 1833년 F. Savart에 의해 물방울 분리에 대한 연구가 이루어졌고, 1856년에는 J. Plateau, 또 1878년에는 L. Rayleigh에 의해 현상의 상세한 이론해석이 이루어졌다. 1948년에는 먼저 개발에 뛰어들어 R. Elmqvist가 Rayleigh의 이론을 기초로 잉크젯 장치로서의 최초의 특허출원을 이루어
냈고, 1952년에 Siemens-Elma에 의해 의료기록장치로써 Mingograph가 제품화되었다. 1968년에는 적극적으로 잉크의 분리 및 토출 타이밍을 제어한 VideoJet9600도 A.B.Dick에 의해 제품화되었다.
토출방식의 다양화, 그리고 안정되고 깨끗하고 빠르게 인쇄하는 기술 추구 1970년대에는 잉크를 토출하기 위한 압력발생기구로서 히터가열에 의한 막비등(膜沸騰)을 이용한 써멀방식의 잉크젯 및 압전소자의 변형을 이용한 피에조 방식의 잉크젯 기본특허가 Canon, RICOH, HP, 신주정기(이후 EPSON)를 비롯해 각사에서 출원되었다.
1980년대부터 두 가지 방식으로 온디맨드형 제품도 많이 개발되었다. 1990
년대, 2000년대에는 컴퓨터 및 디지털 카메라, 인터넷의 보급과 함께 잉크젯
프린터로서 컴퓨터 시장에 급속도로 침투했다.
현재 잉크젯은 용도를 확대되어 사무실 인쇄부터 DM, 전표, 옥외간판, 나염, 패키지, 벽지, 건재, 금속배선에 이르기까지 상업, 산업, 공업분야에서도 이용되고 있다. 시장이 넓어진 그 뒷면에는 많은 연구자, 개발자에 의한 각 구성요소의 기술혁신이 있었다.
잉크젯 헤드로서는 노즐의 고밀도화 및 잉크의 소액적화, 헤드구조의 전환, 잉크로서는 색재개발 및 다색화, 미디어로서는 잉크젯 전용지 개발 등을 비롯해 토출 신뢰성, 고화질화, 인쇄 고속화를 추구해 실현해 왔다.
잉크젯에 있어 잉크젯 헤드, 잉크, 미디어라는 각 구성요소의 성능 향상은 없어서는 안 될 일이었다. 하지만 최근에는 각 요소의 성능향상에만 그치지 않고 프린터 시스템 전체로서 인쇄 프로세스의 성능을 높이고 시장요구에 대응하는 것의 중요성이 더해지고 있다고 생각한다. 여기서 오피스 시장에 대응하는 당사의 프린터 시스템 및 기술에 대해서 구체적으로 설명하고자 한다.

 

오피스 시장요구와 달성을 위한 기술
오피스 시장 요구는 「고생산성, 고화질, 종이 통과 및 출력물 신뢰성」을 낮은 비용으로 설치면적은 작게, 그리고 조용하고 환경부하를 저감하는 것이다.
요구사항을 실현하기 위한 기술과 과제에 대한 대응을 drupa2016에 출품한 당사의 「ORPHIS GD」와 「ORPHIS FW」 시리즈를 중심으로 기재하고자 한다.
실현하기 위한 기술과 과제대응에는 크게 8항목이 있다.
① 유성 잉크의 고화질화
② 프린트헤드 아래의 기류로 잉크액적의 착탄정밀도 제어 (고생산성과 화질의 양립)
③ 유성잉크에 의한 용지변형 제어(고생산성을 지원하는 기술)
④ 토출안정화(연속프린트 시의 화질 안정화)
⑤ 라인형 프린트헤드로 잉크온도 상승 제어(고생산성을 지원하는 기술)
⑥ 용지반송 신뢰성 향상(고생산성을 지원하는 기술)
⑦ 저소음화 대응(고생산성과 저소음 양립)
⑧ 환경부하 저감

 

유성잉크의 고화질화
ORPHIS GD의 고정세화와 함께 화질의 향상을 도모하고 있다.
(1) 먹농도 향상
먹농도를 향상시키기 위해 잉크설계 포인트는 색재를 용지표면에 남기는 것이다. 유성 잉크는 착탄 후에 순식간에 불휘발성 용제를 용지에 침투시킴으로써 건조시킨다. 착탄된 직후에 (안료 및 수지를 포함하지 않음) 용제성분만은 용지 내부에 침투하기 쉽게 만들어 안료가 용지표면에 남기 쉽도록 설계되어 있다.

 

 

(2) 중간조 표현 향상
동 프린터로는 CMYK에 추가로 다섯 번째 잉크 그레이색을 탑재하고 있다.
종래 CMY 도트로 표현해온 중간조 영역은 용지와의 조합에 의해 입상성이 떨어지는 케이스가 있었지만, 그레이 잉크를 이용함으로써 입상성이 향상되고 사람의 피부의 부드러움및 금속의 광택감을 보다 자연스럽게 표현할 수 있게 되었다.

 

프린트 헤드 아래의 기류로 잉크액적 착탄정밀도 제어
프린트 헤드 아래에서 용지는 벨트 플라텐으로 반송된다. 벨트 플라텐은 팬과 벨트에 의한 흡인반송방식을 채용하고 있으며, 프린트 헤드와의 간격을 일정하게 유지한 채 고정밀도로 반송한다. 폭 넓은 지질 및 용지종류, 또 습기 등에 따라 물결지는 용지도 확실하게벨트에 밀착시키는 것이 가능한 흡착력을 확보하고 있다.
한편, 용지반송 및 흡착력을 발생시키는 팬의 흡인에 따라 프린트헤드 아래에 발생하는 바람은 잉크액적의 착탄위치 정밀도에 영향을 끼친다. 때문에 벨트 플라텐은 잉크 액적에 영향을 미치지 않는 정도의 팬 흡인력으로 용지를 확실하게 밀착시키는 흡착력을 가지도록 설정되어 있다.
또 프린트 헤드 아래의 기류를 저감시키기 위한 프린트헤드 간의 거리를 좁히고, 공냉하는 바람이 프린트 헤드 아래로 유출되는 것을 억제하면서 냉각효율을 올리는 배치로 되어 있다.

 

유성잉크에 의한 용지변형 제어
잉크젯 잉크는 일반적으로 물을 주용매로 하는 잉크와 물에 녹지 않는 유기용제를 주용매로 사용하는 잉크로 구분할 수 있다. 물을 주용매로 하는 수성잉크는 인자율이 높으면 용지의 원료인 목재 펄프가 팽창되어 용지가 변형되는 현상이 나타난다. 한편 물에 녹지 않는 유기용제를 주용매로 하는 유성잉크는 휘발성 유기용제를 주로 사용하는 용제 잉크와 불휘발성 유기용제를 주로 사용하는 유성잉크로 구분할 수 있다. 잉크종류와 적성에 대해
서 비교했다.
ORPHIS GD는 용지변형 및 잉크 변질의 우위성 때문에 유성잉크를 채용하고 있다. 용지변형이 적기 때문에 고속용지 반송이 성립되어 있는 중요한 포인트다. 그밖에 유성 잉크의특징은 「프린트헤드의 표면에 잉크가 변질되기 어려움(후술)」, 「프린트헤드 내부, 기계내부에 기포가 발행하기 어려움」, 「인자물의 내수성이 뛰어남」이라는 특징이 있다.
수성잉크는 성분이 용지섬유를 팽창시킨다. 유성잉크는 유분이 용지섬유에 침투해도 팽창하지 않기 때문에 용지는 변형되지 않는다. 이점 때문에 유성잉크는 매엽지의 고속반송에 유리하고, 인라인으로 주변 기기와 접속되어 고속으로 용지를 추리고, 접고, 철하고, 그리고 제본하는 등 후처리가 가능하다는 것도 특징이다.

 

 

토출안정화
또 다른 특성은 유성잉크는 노즐 막힘 및 연속인자성능에도 적합하다.
유성잉크는 시간경과에 따라 중량변화가 적지만, 수성잉크는 중량변화가 크다는 것을 알 수 있다. 중량변화는 잉크 성분 중의 용제가 휘발함으로써 일어난다. 수성잉크는 물을 용매로 사용해 휘발되어 변성되기 쉽고, 유성잉크는 불휘발성 용제를 사용하므로 휘발이 어렵고, 잉크 특성이 안정적이다.
유성잉크는 시간경과에 따른 점도상승이 거의 없지만 수성잉크는 초기 대비잉크점도가 상승한다. 잉크점도의 상승은 프린트 헤드에서 토출성능에 크게 관련되기 때문에 수성 잉크는 일정시간, 외기와 접한 경우에 클리닝을 실시해야 하는데, 유성잉크는 클리닝 빈도를 낮추는 것이 가능하다.

 

라인형 프린트 헤드에 의한 잉크온도 상승 제어
연속 인자 중 안정된 화상으로 고속 프린트를 실현하기 위해서는 프린트헤드의 온도상승을 억제할 필요가 있다. 프린트 헤드가 온도상승과 함께 프린터헤드 내에 체류하고 있는잉크의 점도를 바꾸기 때문에 안정된 토출이 곤란해진다. 또 헤드 온도가 상승하면 헤드 내의 구동제어부가 열에 의해 토출이 불안정하게 되는 경우가 있다. 헤드의 온도 상승을억제하는 수단으로 2가지 사례를 기술한다.
첫 번째는 잉크 순환형 프린트헤드 구조를 채용하는 것이다. 잉크 순환형 프린트헤드에는 잉크실 내에 잉크가 체류하지 않기 때문에 포트 출입구부터 순환하는 잉크로 프린트 헤드 내부의 잉크온도 상승이 억제되고, 고속 연속 인쇄시에도 안정된 토출이 가능해 진다. 비순환형 프린트헤드는 잉크실 내에 잉크가 체류하기 때문에 잉크 온도가 상승하기 쉽다.
다른 하나는 프린트헤드 유닛 내를 공냉함으로서 온도 상승을 제어하고 안정된 토출을 실현할 수 있다. 또 순환형 헤드는 노즐 부근에서 발생하는 기포 등으로 줄빠짐을 순식간에자기회복하는 것도 가능하고, 대량출력 시에도 안정된 토출이 가능하기 때문에 생산효율 향상에도 유리하다.

 

 

용지반송 신뢰성 향상
고속용지 반송도 잼 등의 트러블을 발생시키지 않고 용지를 정확하게 반송하기 위해서는유성잉크로 용지변형을 제어하는 것과 함께 프린터에 사용되는 용지종류, 환경, 더욱이 프린터에 탑재된 기구부품의 열화를 상정할 필요가 있다.
지질에 따라서는 반송롤러와의 마찰계수 등 용지물성이 크게 다르고, 또 용지 사이즈에 따라서 반송력이 다르다. 프린터가 사용되는 환경 및 기구부품의 경시열화에 따라서도 급지성능, 중간반송 및 배지성능에 영향을 준다. 매엽기의 반송부는 이러한 인자의 영향을받아도 안정적으로 급지하고 용지를 반송하는 것이 필요하다.
롤러의 구동원이 되는 모터를 독립반송 제어함으로써 용지 스트레스를 경감시키고 보다안정적으로 고속용지 반송을 실현하고 있다. 또 모터에는 DC 타입을 적극적으로 채용하고 있다. 용지의 사이즈 및 종류에 따라서 변동되는 반송부하에 따라서 출력이 가능하기때문이다. 종래는 반송제어가 간단한 스텝핑 모터를 채용했었지만, 본체의 소형화 및 고속화를 진행하면서 반송경로의 곡률에 따라 반송부하가 커져 모터 선정이 어려워지고, 소비전력 증가 및 탈조 리스크도 생겼다. 전자클러치는 제어가 비교적 간단하지만 모터와 롤러축을 연결하는 시간 지연 및 클러치의 미끄러짐 등 급지타이밍에 영향을 부여하기 때문에 채용되지 않았다.

 

저소음 대책
고속으로 낱장지를 반송하면 용지의 충돌음, 진동음 등이 발생한다. ORPHIS GD를 연속 프린트 중에 3차원 음향 인텐시티 계측을 실시해 프린터 내부에서 발생하는 음원의 방향과 강도를 측정한 것이다. 데이터로부터 본체의 좌측, 급지측 음압이 높은 것을 알 수 있다.
용지의 사행보정을 실시하는 레지스트 롤러의 충돌음은 생산성을 저하시키지 않고 용지를 조용히 가지고 가는 반송제어를 실시함으로써 해소되었다.

또 용지에 따라 늘어짐 해소 시의 종이 펼침 음해소에 레지스트 롤러 앞쪽의 급지부 픽업롤러를 급격하게 감속하게 되면 소리가 커지는 경향이 있기 때문에 픽업 롤러를 부드럽게감속해 늘어짐을 서서히 완화함으로써 종이 펼침 소리를 해소했다.
전술은 저소음화 대응에 관한 사례를 썼지만 음을 작게 하는 것만이 아니라 듣기 좋은 동작음을 넣는 기술개발도 진행되고 있다.

 

환경부하저감
사무실은 총휘발성 유기화합물(TVOC)의 방산저감이 특히 중요하다. 실내 환경의 관심이 높아지면서 2014년에 프린터로부터 방출되는 TVOC 기준이 대폭적으로 강화되었다. 고속프린터면서 엄격한 요구를 받았던 개발단계부터 VOC 발생원의 해석, 특정, 대책에 대한 요구를 달성했다.
대책은 크게 세 가지가 있다.
(1)잉크는 전체 원재료의 VOC 발생유무를 해석하고 선정을 수정했다. 시판재료로 해석할 수 없는 것은 신규 재료를 개발했다.

 

 

(2)본체 프린터는 수 천 개의 부품에 대해서 VOC를 체크하고 있는데, 예를 들면 고무롤러의 원재료를 비롯한 각 부품의 최적소재를 선정했다.
(3)자사만이 아니라 취급처 부품 제조사의 제조공정을 포함해 부품의 세척제 및 부품에 바르는 그리스 하나까지 최적소재를 선정했다. 더욱이 납입부품 관리에 대해서도 계속적으로 VOC를 체크할 수 있는 구조를 구축했다.
노력의 결과 기준치 약 1/4를 달성하고, 일본의 에코마크와 독일 블루엔젤 상호인증 협정을 활용해 일본에서 인증 제1호가 되었다.

 

용도와 시장의 확대
오피스 시장의 프린터를 소개했지만 잉크젯 프린터는 앞으로도 각 시장요구에 대응하면서 기술진화 및 제품을 확충해 가리라 생각된다. 예를 들면 경인쇄 시장에 라이트 프로덕션 프린터는 지금까지 주로 전자사진방식의 매엽기가 사용되어 왔다. 비교적 도입하기 쉬운 가격이면서 일정 이상의 품질을 유지하기 때문에 프로덕션 프린터의 엔트리 모델의 위치를 차지하고, MFP(복합기)와 프로덕션 프린터 사이에 위치된 영역에서 사용되어 저변을 확대해왔다. 한편 잉크젯 방식은 drupa2008로부터 주목을 받아 drupa2016에서는 출전의 중심이 되었다.
매엽기는 Duplo DIJ-200, Xerox Brenva HD, Canon VarioPrint i300, Delphaxelan 500, RISO T2, 연속지 프린터는 Xero Trivor 2400, RISO T1, Canon-Oce MonoStream500, roll-to cut기로서는 Xerox Rialto900 Inkjet Press, Pitney Bowes AcceleJet 등은 잉크젯판 라이트 프로덕션 프린터로서 보고되었다. 잉크젯의 강점을 살리기 위해 고생산성과 용지 사이즈의 대응폭도 넓혀왔다.
당사에서 생산용도용으로 참고 출품된 RISO T1, RISO T2이다. 컴팩트한 바디로 조작성이 뛰어나고 더욱이 유지보수도 간편하며, 전표인쇄의 미들볼륨수요를 상정하고 있다.
RISO T1은 연속지 프린터로, 유지보수가 간편하고 소형, 심플한 구성을 특징이다. 인자속도는 매분 42m, A4판 환산으로 매분 565페이지다. 인자폭 507mm으로 양면인쇄에도 대응하고 있다. 인쇄부 사이즈는 폭 1480 x 깊이 1800 x 높이 1700mm로 공간절약형이다. 속건성 잉크로 인해 고품위의 프린트와 정착성을 양립하고 있다. 범용 사이즈의 롤지를 사용할 수 있기 때문에 기존의 후가공 장치가 활용가능하다.

RISO T2는 앞면과 뒷면의 2인자 유니트를 접속한 매엽기이다. 풀컬러로 매분 300 페이지 인쇄능력이 있다. 소롯트 다작업의 대량인쇄로 작업효율을 대폭적으로 향상시키고, 더욱이 대량배지장치 및 봉입기계 등 후가공 장치를 연결함으로써 다양한 프린터 요구에 대응하고 있다. 심플한 인쇄 프로세스로 비접촉 인쇄가 가능한 잉크젯 기술이 잉크 및 미디어의 조합을 바꾸면서 더욱이 용도와 시장을 확대해할 것을 기대한다.

 

 

 

<월간 PT 2018년 8월 호>

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