Nghiên cứu và sản xuất mực in phun gốc nước sử dụng chất màu pigment

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT MỰC IN PHUN GỐC NƯỚC SỬ
DỤNG CHẤT MÀU PIGMENT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Hà Nội, 2007


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT MỰC IN PHUN GỐC NƯỚC SỬ DỤNG
CHẤT MÀU PIGMENT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS HOÀNG KIỀU NGUYÊN

Hà Nội, 2007

1
Chương I: Giới thiệu chung
I.1. Lịch sử phát triển của công nghệ in phun:
In phun không phải là một công nghệ in dạng ma trận hạt mà các giọt

nhỏ mực được phun thành tia trực tiếp từ một khe nhỏ tới một vị trí đã được

định rõ trên vật liệu để tạo nên hình ảnh. Cơ chế một dòng chất lỏng được

phun ra một cách gián đoạn tạo thành những giọt nhỏ được Lord Rayleigh mô
tả vào năm 1878 [1]. Vào năm 1951 Elmgvist of Seimen lần đầu tiên đã sáng

chế ra một thiết bị in phun dòng gián đoạn dựa theo thuyết của Rayleigh [2].

Sự phát minh này đã cho ra đời sản phẩm của Mingograph, một trong những

máy in được thương mại hóa đầu tiên in theo cơ chế tín hiêu điện tương tự.
Đầu thập kỷ sáu mươi tiến sỹ Sweet ở trường đại học Stanford đã chứng minh

rằng bằng cách tạo một áp suất dạng sóng tới một cái lỗ thì dòng mực có thể
được phun ra một cách gián đoạn tạo thành những giọt mực có kích thước và

khoảng cách không thay đổi [3]. Khi giọt mực rời khỏi dòng mực, nó sẽ được
kiểm soát bằng một dòng điện tích được nạp vào những giọt mực một cách có

lựa chọn. Các hạt mực đã được nạp điện tích khi đi qua một hệ thống trường
điện từ bị lái lệch hướng và tuần hoàn trở lại, còn những giọt mực khác không
mang diện tích sẽ bay trực tiếp xuống vật liệu tạo thành hình ảnh và quá trình
này được diễn ra một cách liên tục [4]. Cũng vào cuối thập kỷ này phát minh

của Sweet đã cho ra đời những sản phẩm phun dạng này như A.B.Dick Video
và The Mead DIJIT.

Thập kỷ bảy mươi hãng IBM đã được cấp bản quyền công nghệ và đã

mở đầu cho một chương trình phát triển vô cùng to lớn phù hợp với công nghệ
in phun liên tục. Máy in phun 4640 của hãng IBM đã được giới thiệu vào năm
1976 được ứng dụng là thiết bị ngoại vi cho ra các bản in từ một văn bản [5].

Cũng vào thời kỳ đó, Giáo sư Hertz của viện công nghệ Lund ở Thủy sỹ

và các đồng nghiệp của ông phát triển kỹ thuật in phun liên tục một cách độc
lập mà ở đó có thể điều chỉnh các hạt mực để in những vùng hình ảnh xám.


2
Một trong những phương pháp in vùng xám đạt được từ phương pháp của Herz

là kiểm soát được số giọt mực được đọng lại trên mỗi một vị trí [6]. Bằng cách

thay đổi số lượng giọt mực thì lượng mực trên mỗi một vùng sẽ được kiểm

soát, do đó mật độ màu có thể được điều chỉnh để tạo ra các tông có tầng thứ
như mong muốn. Phương pháp này đã được cấp phép độc quyền cho những
công ty như Iris graphics và Stock để từ đó cho ra những hình ảnh màu chất

lượng cao và được thương mại hóa ở hội chợ về các bản in màu trong công

đoạn trước in [7]. Nguyên lý Herts có thể được mô tả một cách ngắn gọn như

sau: ở hình 1.1a, một tia mực J được tạo thành bằng việc đẩy mực dưới áp suất

lớn đi qua một đầu in N, ngay sau khi rời khỏi đầu in tia mực đi qua một điện

cực hình nhẫn E được kết nối với chúng sao cho mực được dẫn đi qua ống
truyền đến được đầu in. Nếu điện áp có cường độ tương đối lớn được tạo ra thì

sẽ thấy rằng dòng mực được chuyển thành dạng tia gồm các hạt nhỏ như ở
hình 1b. Do tia mực được phân tán nên không có dấu vết được lưu lại trên bề
mặt tờ giấy khi mà điện áp được duy trì. Vì vậy bằng việc điều chỉnh điện áp

của điện cực E theo một cách hợp lý thì dòng mực có thể được chuyển đổi
giữa hai chế độ tạo ra một sự biến đổi cường độ tắt, bật tạo ra trên bề mặt tờ
giấy.

Hình 1.1. Nguyên lý tạo tia mực


3
Hiện tượng này được giải thích bằng một thực tế là một dòng chất lỏng

dễ dàng được chia nhỏ thành một dãy các hạt nối tiếp nhau rời khỏi đầu in.

Nếu điện cực E được đặt gần với điểm tạo thành tia mực và điện áp cấp cho
dòng điện cực có giá trị khoảng hàng trăm vôn như ở hình 1b thì đầu của dòng
mực sẽ bị tích điện và mỗi một giọt mực sẽ mang một điện tích là 0.001C. Do
tất cả các điện tích là cùng một dạng nên nó sẽ làm tăng một xung lực lớn

giữa các dòng mực để tách dòng mực đó thành giọt mực như hình 1b. Trong

thiết bị ở hình 1b tia mực sẽ chạm vào tờ giấy và sẽ tạo nên một hình ảnh liên

tục trên bề mặt giấy. Có rất nhiều phương pháp được dùng để loại bỏ tia mực

đã được phát minh ra bởi Hert, một trong những phương pháp đó được thể

hiện ở hình 1.2a. Tại đây một màng chắn D cho phép các tia mực chưa bị chia
cắt đi qua trong khi chỉ một phần nhỏ của tia mực có thể chạm vào bề mặt của
tờ giấy, qua lỗ hổng của màn chắn D. Để lấy đi các tia mực tụ lại trên màng

chắn D thì màng chắn này phải được làm từ các vật liệu gốm có độ xốp cao và
được nối vơi một cái bơm hút. Phương pháp này được gọi là phương pháp tạo
khe hở. Một phương pháp khác được gọi là phương pháp trường tạo lệch
hướng được thể hiện ở hình 1.2b

Hình 1.2. Loại bỏ tia mực không mong muốn
Phương pháp này dựa vào các điện tích của các dòng mực làm cho nó

có khả năng lệch hướng ra khỏi trục của đầu in bởi một trường tĩnh điện

vuông góc với hướng chuyện động của một giọt mực. Cũng trong trường hợp


4
này các tia mực đã bị lệch hướng được chắn bởi các điện cực sẽ được loại bỏ
bằng một bơm hút. Nếu sử dụng các đầu in có đường kính từ 10- 20 micromét

thì có thể tạo ra một tia mực có tốc độ ban đầu là khoảng 20- 40 m/s và cần
một áp suất đẩy từ 20- 50 atm.

Trong phương pháp khe hỏ để điều chỉnh tia mực như vậy cần một điện

áp từ 500- 1000V, trong khi phương pháp điện trường lệch hướng chỉ cần một

điện áp 200V là đủ. Bằng việc thay đổi dạng điện cực từ hình tròn sang hình
ovan thì các đầu in có thể được lệch hướng bằng cơ họcvà đồng thời với cường
độ tia mực. Bằng việc sử dụng sự lệch hướng cơ học kết hợp với biến đổi

cường độ điện tích của tia mực thì các ký tự có thể được in ra như ở hình 1.3.
Các đầu in có thể được dao độngtại các tần suất khoảng 2KHz và giới hạn tần
số trên cảu quá trình biến đổi cường độ chỉ cao hơn 100 KHz nên phương
pháp này có thể phù hợp với nhiều loại ứng dụng.

Hình 1.3. Phương pháp in lệch hướng và
điều chỉnh cường độ điện của tia mực

Cùng với sự phát triển của công nghệ in phun liên tục một cách mạnh

mẽ thì sự phát triển của phương pháp in gián đoạn cũng rất phổ biến. Với

phương pháp in phun gián đoạn thì mực in sẽ được phun ra từ thiết bị chỉ khi

những vùng đó có hình ảnh. Phương pháp này loại bỏ được sự phức tạp trong

công nghệ in phun liên tục là yêu cầu các hạt mực mang điện tích chắc chắn

phải được chuyển hướng một cách hoàn toàn khi đi qua hệ thống điện trường
và tuần hoàn rơi vào máng quay trở lại hệ thống.

5
Zoltan [8], Kyser và Sears [9] là một trong số những người phát minh

tiên phong về các hệ thống in phun gián đọan. Những phát minh của họ đã

được ứng dụng vào những máy in như PT-80 của hãng Seimens năm 1977 và
những máy in của hãng Silionics năm 1978, những máy in này, dựa trên
nguyên lý xung điện, những giọt mực được phun ra dưới tác dụng áp suất dạng
sóng, áp suất này sinh ra bằng cơ chế chuyện động của hệ thống vi áp điện.

Rất nhiều những sáng kiến và các hệ thống in phun gián đoạn được phát

minh, được phát triển, và được sản xuất một cách thương mại hóa vào thập kỷ
bảy mươi và tám mươi. Họ cho rằng sự đơn giản của hệ thống in phun gián

đoạn thì sẽ làm cho công nghệ này trở nên đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, suốt
thời kỳ này thì tính tin cậy của công nghệ này cũng không được duy trì và có
một số vấn đề như tắc vòi phun, chất lượng hình ảnh không ổn định

Vào năm 1979, Endo và Hara của hãng Canon đã phát minh ra một

phương pháp in phun gián đoạn mà ở đó các giọt mực được phun ra từ khe nhỏ

theo cơ chế của một bong bóng hơi nước lớn dần lên và vỡ ra trên đỉnh bề mặt
của một đầu phun nhỏ được dẫn gần với lỗ phun. Hãng Canon gọi đó là công

nghệ Bubble jet [10]. Việc thiết kế một đầu phun dạng Bubble rất đơn

giản bằng cách kết hợp với quá trình chế tạo chất bán dẫn phù hợp sẽ cho ra
các đầu phun với giá thành thấp và mật độ phun cao. Cũng vào thời kỳ đó sau

một thời gian ngắn hãng HP cũng đã nghiên cứu và phát triển một cách độc

lập một công nghệ tương tự như công nghệ in phun [11].

Vào năm 1984, HP đã bán ra thị trường máy in phun Thinkjet printer.

Đây là sản phẩm thành công đầu tiên với giá thành thấp và dựa trên nguyên lý

Bubble jet. HP gọi tên công nghệ này là công nghệ phun nhiệt. Giá thành
của một đầu phun gồm 12 lỗ phun không cao và có thể thay thế cùng với hộp
mực khi hết mực. Đầu phun chỉ dùng một lần, đây cũng là mục đích của hãng

HP nhằm chứng tỏ độ tin cậy về công nghệ in phun của họ bằng cách vứt bỏ
đầu phun sau khi đã qua sử dụng một thời gian, thời gian sau đó HP và Canon


6
tiếp tục cải tiến công nghệ này. Sự nỗ lực cố gắng của họ đã được đền đáp

bằng một sản phẩm rất thành công đó là cho ra đời một dòng máy in phun với
độ phân giải và khả năng thể hiện màu sắc cao với giá thành vừa phải. Từ sau
thập kỷ tám mươi, do giá thành của họ thấp, kích thước nhỏ, chạy êm, và đặc

biệt khẳ năng phục chế màu sắc tốt, những máy in phun dạng nhiệt hoặc in
phun dạng Bubble trở thành sự lựa chọn cho những đối tượng như gia đình

và các doanh nghiệp nhỏ, có thể cạnh tranh với những máy in dạng dotmatrix. Hiện nay, những máy in phun dạng nhiệt chiếm ưu thế so trong thị
trường máy in phun màu có giá thành thấp .

Trong suốt quá trình phát triển, các nhà hóa học cũng đã nghiên cứu về

mực in và họ đã nhận ra rằng khi một giọt mực dạng lỏng tiếp xúc lên bề mặt

giấy, nó có khuynh hướng giàn trải theo thớ sợi giấy cũng như xuyên thấm

vào các khe trống. Xu hướng giàn trải của các hạt mực thường quá thừa và

không đều đã làm cho giọt mực khi nằm trên giấy không còn nguyên dạng, do

đó làm cho độ phân giải của hình ảnh không đúng với yêu cầu. Khả năng

xuyên thấm của mực vào giấy thường chậm nhằm hút các giọt mực đúng vị trí
trong một khoảng thời gian ngắn. Sự dàn trải và thấm hút của mực in đã làm
cho chất lượng màu sắc của hình ảnh giảm xuống, vấn đề này đã được thừa
nhận như là sự bất khả kháng trong sự phát triển của công nghệ in phun.

Để đạt được một hình ảnh in phun màu chất lượng cao thì giấy in phun

phải được tráng một lớp phủ đặc biệt. Giấy tráng phủ đặc biệt phải cân bằng
phù hợp với các thông số như: kích thước giọt mực, tốc độ bay hơi, tốc độ

thấm hút, độ dày lớp phủ, độ xốp vv. Các chương trình phát triển giấy cho in
phun bắt đầu từ trước thập kỷ tám mươi, mà nổi trội là ở Nhật Bản với các

công ty sản xuất giấy như là Jujo Paper và Mitsubishi Paper Mills đang dẫn

đầu về công nghệ này. Ngày nay máy in phun màu đã rất phổ biến do đó cung
của thị trường cũng đa dạng hơn như giấy in bóng, giấy in ảnh và nhiều loại

giấy khác. Điều này đã thu hút một lượng lớn các công ty nhảy vào lĩnh vực


7
công nghệ này như Canon, Xerox, Asahi Glass, Arkwright, Folex, 3M và

chúng ta có thể hình dung cũng rất nhiều công ty hiện nay hoạt đông trên lĩnh
vực này đã thất bại. Một cách tiếp cận khác để có thể đạt được chất lượng hình

ảnh tốt hơn mà không phải dựa vào các phương tiện đặc biệt bằng cách sử
dụng mực in dạng tinh thể ( mực loại này có thể nóng chảy hoặc thay đổi
pha). Trong quy trình này mực được phun khi các hạt mực ở dạng nóng chảy.
khi tiếp xúc với vật liệu nền, mực sẽ đóng rắn lại, do đó hiện tượng dàn trải ra

xung quan rất ít và có xu hướng bám chắc vào vật kiệu nền vì vậy hình ảnh sẽ
có độ phân giải cao và màu sắc sáng đẹp. Điều này làm cho mực in hầu như
không phụ thuộc và tính chất của bề mặt vật liệu nền. Sự ra đời của mực in

dạng tinh thể đã có từ rất sớm đã được ứng dụng cho loại máy điện báo đánh
chữ cho các thiết bị in phun tĩnh điện [12]. Những năm sau đó được ứng dụng

cho các thiết bị in phun theo cơ chế phun giọt do hai công ty Exxon [13] và

Howtek [14]. Ngày nay các công ty Tektronix Dataproducts, Spectra và

Brother là những công ty đang tiếp tục hoạt động theo đuổi công nghệ in phun

dùng loại mực dạng tinh thể này [15]-[18].
I.1.1. Nguyên lý công nghệ in phun:

Để hiểu chi tiết hơn về công nghệ in phun, chúng ta có thể chia công

nghệ in phun thành hai phương pháp chính: Phương pháp in phun liên tục và
phương pháp in phun gián đoạn

I.1.1.1. Phương pháp in phun liên tục.

Có 4 dạng: Dạng lái giọt nhị phân, dạng lái đa giọt, dạng Hetz và dạng

vi điện tử.

Phụ thuộc vào phương pháp lái giọt mực mà công nghệ in phun liên tục

được thiết kế như một hệ thống lái dạng nhị phân hoặc hệ thống lái đa giọt. ở

hệ thống lái dạng nhị phân thì các giọt mực được tích điện hoặc không được
tích điện. Những giọt mực được gia điện tích sẽ đáp trực tiếp xuống vật liệu


8
nền và tạo nên hình ảnh, trong khi đó những giọt mực không được gia điện
tích thì được lái lệch xuống một hệ thống máng và tuần hoàn trở lại (hình 1.4).

Trong hệ thống lái lệch đa giọt thì các giọt mực được gia điện tích và được lái

lệch xuống vật liệu nền và tạo nên hình ảnh ở các vi trí khác nhau (như hình
1.5).

Hình 1.4. Hệ thống lái giọt dạng nhị phân

Hình 1.5. Hệ thống lái giọt dạng đa giọt
Các giọt mực không được tích điện thì rơi xuống hệ thống máng và

được tuần hoàn trở lại. Sự kết hợp cả hai phương pháp này hiện được áp dụng
phổ biến trên thị trường. Nhiều công ty như VedioJet, Domino, Imaje, Toxot,

và Willet đang phát triển một cách tích cực và tiếp tục tung ra thị trường

những sản phẩm dạng như thế này. So với hai phương pháp in liên tục trên thì
quá trình in phun liên tục theo phương pháp Hertz có thể được được xem là

một phương pháp riêng biệt. Phương pháp này đã rất thành công trên thị
trường vì nó là cách duy nhất để có thể phục chế được những vùng nửa tông


9
trong suốt quá trình vỡ của những giọt mực để tạo nên hình ảnh. Cơ sở lý
thuyết của phương pháp Herzt được ứng dụng trong các sản phẩm như tranh

nghệ thuật theo trường phái hiện thực của Iriss và cũng được ứng dụng vào in
kỹ thuật số tốc độ cao trong các sản phẩm của hãng Scitex.
I.1.1.2. Phương pháp in phun gián đoạn.

Có 4 dạng chính: Dạng nhiệt, dạng vi áp điện, dạng tĩnh điện, dạng không tĩnh
điện.

Phần lớn in phun ngày nay sử dụng phương pháp in phun gián đoạn.

Phụ thuộc vào cơ chế được sử dụng trong quá trình tạo thành giọt mực, quy

trình công nghê in phun được chia thành bốn phương pháp chính: in phun
dạng nhiệt, in phun dạng vi áp điện, in tĩnh điện [19]- [22], và phương pháp in

không tĩnh điện [23];[24]. Đa phần các máy in phun gián đoạn bán trên thị

trường ngày nay đều sử dụng phương pháp in nhiệt hoặc in vi áp điện. Tuy

nhiên hai phương pháp phun dạng tĩnh điện và không tĩnh điện cũng là những

phương pháp vẫn đang được phát triển với nhiều bằng sáng chế đạt được và
nhiều sản phẩm đã được thương mại hóa trên thi trường.

Phương pháp in phun nhiệt không phải là phương pháp in phun đầu tiên

để tạo ra được sản phẩm in nhưng đó là phương pháp thành công nhất trên thị
trường ngày nay. Phụ thuộc vào cấu hình của nó mà một dạng in phun nhiệt có
thể được chia thành các dạng như: Dạng súng phun ( hình 1.6 và hình 1.7)

Hình 1.6. Súng phun thử dạng nhiệt


10
Với một đầu phun được gia nhiệt, hoặc một dạng súng phun có một đầu

phun gần với hệ thống gia nhiệt. Súng phun được thiết kế dùng cho các đầu

phun có trong các loại máy in phun của các hãng như: HP, Lexmark và
Olivetti và những dạng súng phun này cũng được thiết kế trong các đầu phun

của các máy in Canon và Xero

Hình 1.7. Hệ thống phun súng dạng nhiệt
Trong phương pháp in phun dạng vi áp điện thì phụ thuộc vào phương

thức biến dạng của hệ thống vi áp điện (như hình 1.8) mà dạng công nghệ này

có thể được chia thành bốn loại chính như: phương pháp biến dạng nén,
phương pháp biến dạng cong, phương pháp biến dạng đẩy và phương pháp
biến dạng kéo.

Hình 1.8. Các kiểu biến dạng của bản vi áp điện
đi


11
Cơ chế phun theo phương pháp biến dạng nén được thiết kế với một ống

nhỏ dạng vi áp điện bao quanh một lỗ thủy tinh sau đó hệ thống sẽ phun đẩy

mực theo cơ chế của Gould [25] hoặc với một ống vi áp điện đúc bằng nhựa đi
kèm với các hộp mực được cung cấp trong máy in phun PT-80 của hãng

Seimens, loại máy in phun này được giới thiệu vào năm 1977. Loại máy in
phun này có một dãy đầu phun bao gồm 12 đầu phun và đi kèm nó là một hệ

thống bảo dưỡng hết sức tiên tiến, do đó bản thiết kế này đã rất đáng tin cậy

và nhanh chóng là sản phẩm in phun đầu tiên thực sự thành công trong lĩnh
vực in văn phòng. Không chỉ dừng ở đó, hãng này đã tiếp tục cho ra đời một

loại máy in phun thứ hai với 32 đầu phun và đã giải quyết được những khó
khăn trong việc đảm bảo được một chất lượng in phun đồng nhất mà các máy
thế hệ trước đây không làm được.

Một dạng máy in phun hoạt động theo cơ chế biến dạng uốn cong (như

hình 1.9 )

Hình 1.9. Biến dạng cong của vi áp
đi

ở hệ thống này thì các bản vi áp điện được gắn chặt với màng chắn tạo

thành một dãy lớp biến áp và khi xẩy ra quá trình biến dạng cong của các bản
vi áp điển thì ở đó xẩy ra quá trình phun thành các giọt mực nhỏ. Các đầu

phun trong các máy in phun 300 và 350 của hãng Tektronix và các máy in
phun 400, 600 và 800 của hãng Epson tất cả đều ứng dụng dạng thiết kế này.


12
Một dạng máy in phun nữa được hoạt động theo cơ chế biến dạng đẩy

(như ở hình 1.10) bằng cách giãn nở, co bóp của các vi áp điện dạng ống, đã

tác động lực lên dòng mực để phun thành những giọt mực nhỏ. Về lý thuyết,

các ống vi áp điện có thể tiếp xúc trực tiếp và tác động vào mực. Tuy nhiên,

trong thực tế thì có sự bổ sung một màng mỏng ở giữa các ống vi áp điện này

và được kẹp chặt ở giữa để ngăn ngừa những phản ứng không mong muốn

Hình 1.10. Biến dạng đẩy của vi áp điện
xẩy ra giữa mực in và các vật liệu vi áp điện. Đây cũng là một trong những

vấn đề cần lưu tâm trong quá trình thiết kế đầu phun hoạt động theo cơ chế

biến dạng đẩy. Một số công ty như Spectra [26] và Xaar [27]; [28] là những
công ty tiên phong việc thiết kế đầu phun hoạt động theo cơ chế này.

Hình 1.11. Biến dạng kéo của vi áp điện


13
I.1.2. Thiết kế đầu phun và quá trình chế tạo đầu phun.

Ngày nay những công nghệ in phun hầu hết được nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm và bán trên thị trường chủ yếu là những máy in phun được
ứng dụng theo những phương pháp in phun gián đoạn dựa trên công nghệ

nhiệt và công nghệ vi áp điện. In phun dạng nhiệt về cơ bản bao gồm một hộp

mực có một bộ cấp nhiệt đặt gần với một khe nhỏ. Một dòng xung nhỏ hơn

một phần triệu giây đươc tạo ra trong suốt quá trình cấp nhiệt, lượng nhiệt này

được truyền tới một bề mặt của bộ cấp nhiệt và sau đó được truyền lên mực,
khi đó mực nóng dần lên và đạt đến một nhiệt độ tới hạn, quá trình đạt tới

nhiệt độ tới hạn rất nhanh, chỉ trong một phần triệu giây và tại đây quá trình
lớn dần của giọt bong bóng mực được hình thành. Đối với mực in gốc nước,
nhiệt độ này vào khoảng 300 độ C [29]. Khi hiệu ứng hạt nhân xảy ra, thì
ngay lập tức xuất hiện một bong bóng dạng hơi nước lớn dần lên để ép mực ra

ngoài qua một khe nhỏ. Mỗi lần hệ thống cấp nhiệt hoạt động, ngay lập tức

nhiệt độ trên bề mặt của hệ thống tác động vào mực, lúc này sẽ xuất hiện một

bong bóng tại nếp gãy trên bền mặt của bộ phận cấp nhiệt. Đồng thời với sự
xuất hiện bong bóng thì giọt mực sẽ lìa khỏi dòng mức và tiến thẳng tới bề

mặt giấy và tạo nên hình ảnh. Trong suốt quá trình hình thành bong bóng và

đến khi bong bóng rời khỏi vị trí mất khoảng một phần trăm giây và Sau quá
trình này mực lại được hồi lại khoang và tiếp tục lặp lại quá trình trên. Phụ

thuộc vào tính chất vật lý của mực và cấu trúc hình học của khoang mà thời

gian hồi mực có thể mất từ 80 đến 200 micro giây, quá trình này được mô tả ở
hình 1.12.


14

Hình 1.12. Quá trình tạo giọt của in phun dạng nhiệt

ở hình 1.13 mô tả lại quá trình tương tự bằng sơ đồ phụ thuộc các tham

số như xung điện, nhiệt độ, áp suất, và thời gian hình thành giữa hai bong

bóng

Hình 1.13. áp suất, nhiệt độ và giá trị giọt mực thay đổi
trong suốt quá trình tạo giọt của in phun dạng nhiệt


15
Hình 1.14 là ảnh chụp kính hiển vi điện tử của một đầu phun nhiệt của

máy HP 800 gồm đầu cấp nhiệt và lớp mực, hệ thống phun mực này có 32 đầu

phun có khả năng phun được 6000 giọt trong một giây. Có thể nói rằng tính
ổn định về kích thước, sự chính xác và sự đồng nhất của mỗi kênh mực có ảnh

hưởng rất lớn đến quá trình thực hiện phun cũng như ảnh hưởng đến tần suất
phun giọt, giá trị giọt và tốc độ phun giọt. Tất cả quá trình thực hiện phun giọt

này về cơ bản quyết định đến chất lượng và số lượng điểm tạo nên một hình
ảnh được in ra. Trong tương lai xu hướng nghiên cứu và phát triển của công

nghệ là phun ra được những giọt mực có kích thước nhỏ đến mức có thể, nhằm

tạo ra những hình ảnh chất lượng cao hơn, tần suất giọt phun giọt nhanh hơn,
và trong một đầu phun thì có nhiều lỗ phun hơn đối với các loại máy in phun
tốc độ cao, nhưng giá thành lại giảm xuống.

Hình1.15 là một hình ảnh được chụp dưới kính hiển vi điện tử của một

kênh mực của hãng HP với 3 đầu phun của máy in phun 890C. Đầu cấp nhiệt

trên mỗi kênh mực cấp nhiệt đều trên từng mili vuông. Mực được dẫn vào và

tiếp xúc đồng thời với hai bề mặt của khoang cấp nhiệt. Cấu trúc dẫn kiểu này

sẽ rất quan trọng, nó làm giảm thiểu khả năng làm tắc đầu phun ở mức tốt

nhất mà nguyên nhân đó xuất phát từ những hạt cực nhỏ và cũng là nguyên

nhân tạo thành những cái bẫy trong quá trình chế tạo đầu phun cũng như trong
quá trình sản xuất mực in. Một dãy nhỏ được mở ra giữa các đường ống dẫn
phân phối mực và khoang cấp nhiệt cũng được xem là một kiểu thiết kế mới,

mang lại tính tin cậy cho đầu phun kiểu mới.


16

Hình 1.14. ảnh chụp SEM một đầu phun của máy HP 850C

Hình 1.15. Chụp kính hiển vi điện tử đầu
phun của HP 890

Một phương pháp in phun nữa được đề cập ở đây là phương pháp in

phun giọt dạng vi áp điện mô tả ở hình 1.16

Hình 1.16. Hình dạng cơ bản của một đầu
in phun dạng vi áp điện

17

Hình 1.17. áp suất cơ bản để tạo thành
một giọt mực
Sự biến dạng của một thiết bị vi áp điện có thể được nhìn thấy dưới siêu

kính hiển vi. Sự biến dạng này đủ lớn để tạo ra giọt mực, kích thước vật lý của

một vi áp điện loại này thường lớn hơn kích thước lỗ tạo giọt mực. Do đó,

việc thu nhỏ đầu phun dạng vi áp điện đang là vấn đề tranh cãi trong nhiều
năm. Một danh sách về vi áp điện dùng cho sản phẩm đầu phun dạng giọt
được cung cấp ở bảng 1.1
Sản phẩm

Biến dạng Piezo

Loại máy in sử dụng công nghệ

Tektronix

Dạng uốn cong

Tektronix Phaser 350 & 380

Epson

Dạng uốn cong

Epson Color Stylus 400, 600, and 800

Sharp

Dataproducts
Spectra

Dạng uốn cong
Dạng đẩy
Dạng kéo

Nu-Kote

Dạng kéo

Technologies

hoặc dạng uốn

Topaz

Kết hợp dạng kéo

Mutoh RJ-1300 & RJ-1800
Idanit 162Ad

Polaroid DryJet, 3D Actua 2100

Raster Graphics PiezoPrint 5000
CrystalJet

Bảng 1.1. Những loại đầu phun sử dụng cac loại vi áp điện trong
công nghệ in phun Gián đoạn


18
Những đầu phun của các hãng như Tektronix (32 lỗ phun) và hãng

Sharp (48 lỗ phun) tất cả cụm phun được làm từ thép không gỉ. Những cụm

phun này bao gồm nhiều lớp mạ được làm từ những bản thép không gỉ được
gắn chặt cùng nhau hoặc được mạ bằng đồng thau ở một nhiệt độ cao. ở hình
1.18 hiển thị cụm phun được làm bằng thép không gỉ của hãng Tektronix. Các

lớp liên kết kim loại vàng mỏng vẫn có thể được nhìn thấy giữa các bản mạ

đồng thau. Liên kết kim loại được ứng dụng trong đầu phun yêu cầu phải đồng

nhất về bề dày để đảm tính thẩm mỹ và độ kín tránh được sự rò rỉ mực từ phía

ngoài hoặc giưa hai kênh mực nằm cạnh nhau. Cụm đầu phun của hãng Sharp

cũng có những đặc điểm liên kết tương tự như vậy. ở hình 1.19 là ảnh chụp

mặt cắt của các liên kết kim loại Niken với nhau giữa các bản thép không gỉ

trong đầu phun của hãng Sharp.

Hình 1.48.Chấtmàupigmenttrênbềmặt giấy

Bên cạnh việc sử dụng Au hoặc Ni để liên kết các bản kim loại với

nhau, người ta cũng sử dụng hợp kim để chế tạo các đầu phun. ở hình 1.20là
ảnh chụp SEM của mặt cắt của một đầu phun ở đó giàn lỗ (được mạ Niken
theo phương pháp mạ điện). Ta cũng có thể nhìn thấy các liên kết hợp kim

giữa nhiều bản thép. Tuy nhiên, thành phần của hợp kim phải được lựa chọn


19
cận thận để tương thich với mực in. Do xu hướng hiện nay là tăng số lượng lỗ
và giảm kích thước vật lý của lỗ và phun thành nhiều dòng, vì vậy việc đảm

bảo tính bền vững và ổn định giữa các liên kết của đầu phun ngày càng được
quan tâm.

Hình 1.19. Chụp SEM mặt cắt của một đường
liên kết bằng thép không gỉ của hãng Sharp

Hình 1.20. Chụp SEM của một đầu phun
liên kết với cụm phun bằng cầu oxy.

Vào năm 1993, hãng Epson đã giới thiệu máy in phun dạng vi áp điện

Stylus 800 để cạnh tranh trực tiếp với công nghệ in phun dạng Bubble mode
hoặc in phun dạng nhiệt trong thị trường máy in dùng cho in văn phòng nhỏ và

in gia đình. Việc giới thiệu sản phẩm này vô cùng ý nghĩa nó là dòng máy in
phun dạng vi áp điện đầu tiên thực sự có giá thành thấp với một đầu phun vĩnh
cửu đã rất thành công đã được giới thiệu là một dòng máy in đơn giản. Đầu

20
phun này trong máy in phun của hãng Epson, dựa trên dạng cơ chế đẩy với
một chồng lớp vi áp điện dạng kích thích [30]. Dựa trên công nghệ đầu phun

tương tự, hãng Epson đã giới thiệu Stylus Color vào năm 1994 và Color Stylus
II và năm 1995. Hình 1.21 ảnh chụp SEM mặt cắt của một dạng phun theo cơ

chế đẩy của hãng Epson. Hình 1.22 mô tả ảnh SEM của một chồng lớp kích
thích PZT với độ dày 20 micromet trên một lớp. Các điện cực được đặt xen kẽ

nhau cả hai mặt tiếp xúc với mỗi một lớp PZT. Với bản thiết kế này, hãng

Epson đã sản xuất một đầu phun gồm 64 lỗ với một giàn lỗ phun cách nhau
140 micromet và có thể đạt được độ phân giải lên đến 180 dpi.

Hình 1.21. ảnh chụp SEM mặt cắt của một
dạng phun theo cơ chế đẩy của hãng Epson

Hình 1.22. Chụp kính hiển vi điện tử đầu
phun của HP 890


21
Vào năm 1997, hãng Epson đã cho ra đời sản phẩm máy in phun phiên

bản 400, 600 và 800 Color Stylus với một đầu phun vi áp điện, tạo hạt mực

theo cơ chế uốn. Máy in phun phiên bản Color Stylus 800 gồm có hai đầu

phun: 128 lỗ phun đối với cụm phun màu đen và 192 lỗ phun đối với mỗi cụm

phun màu (CMY). Bước đột phá về công nghệ trong dạng đầu phun kiểu mới
theo chế độ uốn này được xem là một phương pháp chế tạo đầu phun độc nhất
vô nhị

Một ảnh chụp SEM của những thiết bị màng chắn/ hoặc PZT được chỉ

ra ở hình 1.23. Cấu trúc của những thiết bị màng chắn hoặc PZT nhỏ hơn
1mils trong tổng chiều dày. Khác với cấu trúc của các màng chắn hoặc PZT,

trong một đầu phun dạng uốn của hãng Tektronix, thì độ dày của PZT khoảng

6 mils và độ dày của màng chắn được làm bằng thép không gỉ khoảng 3 mils.
Sự giảm đáng kể về độ dày của những cấu trúc thiết bị cho phép hãng Epson

thu nhỏ đầu phun 192 lỗ về khoảng 18 34.8 mm với độ phân giải 180 dpi.
Chú ý rằng, khi so sánh với các loại máy in phun hoạt động theo cơ chế

Push-mode thì cấu trúc của PZT được thiết kế là một thanh dài, phiên bản

máy in phun đời mới của hãng Epson thì bộ phận PZT hoạt động theo cơ chế
Bend-mode có cấu trúc phẳng. Quá trình chế tạo một phiên bản mới rất đơn

giản và ít tốn kém hơn. Hơn nữa, với cấu trúc của một đầu phun mỏng, phẳng,

và nhỏ, với điều kiện thiết bị cấp nhiệt để kiểm tra nhiệt độ của quá trình của

đầu phun thì cấu trúc này thiết kế rất dễ dàng không khó khăn nhiều. Xu

hướng phát triển về công nghệ ở đây là tăng số lượng lỗ phun và cải thiện
công thức mực in, công nghệ đầu phun mới của hãng Epson thực sự là một
công nghệ tiềm năng.


22

Hình 1.23. Chụp SEM thiết bị màng chắn PZT

Những công nghệ đầu phun theo cơ chế gián đoạn dạng vi áp điện với

256 lỗ phun của hãng Topaz và 128 lỗ phun của hãng Nu-Kete là hai công
nghệ mới nhất trong thị trường in phun. Đầu phun của hãng Nu-Kote dựa trên

cơ sở của sự phát triển theo cơ chế biến dạng kéo của hãng Xaar [31], các hình
ảnh đồ họa dạng nét sử dụng những đầu phun gồm 128 lỗ trên một màu ở

công nghệ mới nhất của họ đã được giới thiệu là máy in phun màu khổ lớn

PiezoPrint 5000. Tuy công nghệ đã có từ 10 năm trước đây, nhưng lĩnh vực

kinh nghiệm thì hoàn toàn mới. Một chìa khóa thành công của hãng Nu- Kote
là tính tin cậy của đầu phun trong thị trường

Đầu phun có 256 lỗ của hãng Topaz cũng là một công nghệ mới. Có sự

kết hợp cả hai chế độ phun là biến dạng uốn và biến dạng kéo để tạo thành

giọt mực với một tần suất phun giọt tường đối cao. Công nghệ này cũng được
giới thiệu trong máy in phun khổ lớn Calcom Crystaljet.

Không hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp in phun dạng nhiệt hay

phương pháp vi áp điện, cơ chế phun dạng kéo hoặc dạng uốn mà một trong
những bộ phận then chốt nhất trong một thiết kế đầu phun là lỗ phun. Cấu trúc
hình học lỗ là đường kính lỗ, độ dày lỗ trực tiếp ảnh hưởng đến giá trị giọt

mực, tốc độ giọt mực và góc độ đi của mực. Những sự thay đổi trong quá trình


23
sản xuất một giàn lỗ phun có thể làm giảm đáng kể đến kết quả chất lượng in.
Dải hình ảnh được hình thành là kết quả của giàn lỗ được định ra và phun ra.

Một số dạng cấu trúc hình học của lỗ phun được thiết kế cho những đầu phun
được tổng kết ở hình 1.24. Có hai phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để

sản xuất miệng lỗ phun là mạ ni-ken bằng phương pháp kết tủa điện được mô

tả như hình 1.25 và bằng phương pháp Laser ablation on the polyimide được

mô tả ở hình 1.26. Một trong những phương pháp nữa được biết đến để chế tạo

lỗ phun là gia công bằng phương pháp phóng điện được mô tả ở hình 1.27,
phương pháp khoan siêu nhỏ và phương pháp siếu ép

Hình 1.24. Một số dạng thiết kế lỗ phun của đầu phun

Hình 1.25. ảnh chụp SEM miệng lỗ được mạ Niken