องค์ประกอบหมึกอิงค์เจ็ทมีอะไรบ้าง

องค์ประกอบหมึกอิงค์เจ็ทมีอะไรบ้าง

   Ink-jet  เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ชนิดรูปแบบจุดที่ปราศจากการกระแทก (non-impact dot-matrix printing) ซึ่งหยดหมึกขนาดเล็กถูกพ่นออกจาก รูเปิดขนาดเล็กไปยังตำแหน่งเฉพาะเจาะจงบนแผ่นสื่อ (media) เพื่อกำเนิดภาพ กลไกการที่กระแสของเหลวแตกออกเป็นหยดเล็กๆ ถูกอธิบายครั้งแรกในปี ค.ศ. 1878  และในปี 1951 บริษัท Siemens ได้จดสิทธิบัตรเครื่องมือชนิด ink-jet  นำมาซึ่งการผลิต ink-jet chart recorder ในเชิงพาณิชย์ขึ้น

รูปที่ 1 Ink-jet Technologies Map

ซึ่งอาจแบ่งออกได้เป็น 2 รูปแบบตามหลักการคือ
- Continuous method 
- Drop-on-demand method

Continuous ink-jet อยู่บนหลักการที่ว่า หยดหมึกจะถูก charged ให้มีประจุไฟฟ้าแล้วหักเหในสนามไฟฟ้าไปยังแผ่นสื่อ ณ ตำแหน่งที่ต้องการ อาจแบ่งย่อยได้เป็นแบบ
   - Binary deflection system ระบบนี้หยดหมึกที่ถูก charged ออกมาวิ่งตรงไปติดบนแผ่นสื่อส่วน uncharged จะหักเหไปกระทบสันดักจับของระบบ หมุนเวียนกลับ (recirculation)
   -  Multiple deflection system ระบบนี้หยดหมึกที่ถูก charged จะวิ่งหักเหด้วยมุมที่แตกต่าง ไปติดบนแผ่นสื่อ ตามตำแหน่งที่ต้องการส่วน uncharged จะวิ่งตรงไปกระทบสันดักจับของระบบ หมุนเวียนกลับไปใช้ใหม่ ทั้งสองระบบถูกใช้ในงานจำพวก coding ,marking ,labeling market

รูปที่ 2 Continuous ink-jet: A Binary-deflection system

ระบบการพิมพ์แบบ Ink-jet ในปัจจุบันจะเป็นแบบ drop-on-demand method เป็นส่วนใหญ่ Drop-on-demand method อาจแบ่งได้เป็น 4 ชนิด

   - Thermal ink-jet ถึงแม้ว่าจะไม่ได้เป็น ink-jet method วิธีแรกที่ผลิตขึ้นในเชิงพาณิชย์ แต่เป็นวิธีการที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในตลาด องค์ประกอบจะใช้ heater ในการทำให้เกิดไอน้ำซึ่งจะขยายและดันให้น้ำหมึก แตกออกเป็นหยดเล็กๆ และถูกผลักออกจาก nozzle ซึ่งบริษัท Cannon เรียกเทคโนโลยีชนิดนี้ว่า  Bubble jet และในช่วงเวลาใกล้เคียงกันบริษัท Hewlett-Packard ก็ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่มีหลักการคล้ายคลึงกัน ภายใต้ชื่อ Thermal inkjet ทั้ง Cannon และ Hewlett-Packard ได้พัฒนาปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ทั้งในเชิงของราคา ,ขนาดที่กระทัดรัด ,ความเงียบ และสีสัน จนทำให้ทั้ง thermal ink-jet และ bubble jet printers เข้ามาแทนที่ dot-matrix printer ที่มีการใช้ตามบ้านและธุระกิจขนาดเล็ก ตราบจนปัจจุบัน thermal inkjet printers ก็ครองตลาด low-end color printer

รูปที่ 3 A roof-shooter thermal ink-jet

รูปที่ 4 A side-shooter thermal ink-jet - Piezoelectric ink-jet เป็นเทคโนโลยี ที่เกี่ยวกับการบิดเบือนที่ผิดรูปไป (deformation mode) แบ่งได้ 4 ชนิดคือ squeeze , bend , push and shear ดังรูป 5,6,7

รูปที่ 5 A bend-mode piezoelectric ink-jet design

รูปที่ 6 A push-mode piezoelectric ink-jet design

รูปที่ 7 A shear-mode piezoelectric ink-jet design Piezoelectric ชนิด bend-mode และ push-mode จะเกี่ยวข้องกับการสร้างสนามไฟฟ้าระหว่าง electrodes ให้ขนานไปกับ polarization ของ piezomaterial ในขณะที่ชนิด shear-mode สนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับ polarization ของ piezodriver Ink Chemistry องค์ประกอบที่วิกฤตที่สุดในระบบการพิมพ์แบบ ink-jet น่าจะเป็นหมึกพิมพ์ เคมีของหมึกและองค์ประกอบอื่นๆที่ประกอบกันเป็นหมึกไม่เพียงเป็นสิ่งตัดสิน คุณภาพของงานพิมพ์ รวมถึงกำหนดลักษณะของการพ่นหมึกและความมั่นใจในระบบการพิมพ์

รูปที่ 8 An ink-jet ink technologies map Aqueous or Water-based inks ใช้อยู่ทั่วๆไปใน printers ตามบ้าน และธุรกิจขนาดเล็ก เช่น HP DeskJet series , Canon BJC series , Epson color stylus series กรณีของ thermal ink-jet ซึ่งพื้นฐานมาจากการทำให้เกิดฟองของไอของเหลว (vapor bubble formation) ดังนั้นน้ำจึงถูกเลือกเพื่อใช้ในขบวนการนี้ของวิธีการนี้ องค์ประกอบโดยทั่วไปของหมึกสำหรับงานพิมพ์ ink-jet ชนิดนี้ เป็นดังแสดงในตารางที่ 1 โดย viscosity ของหมึกชนิดนี้จะอยู่ในช่วง 2-8 cPs

รูปที่ 9 Drying mechanisms of a water-based ink-jet drop on a plain paper รูปที่ 9 แสดงถึงพฤติกรรมของหยดหมึกประเภท water-based ink เมื่อเกาะอยู่บนผิวของแผ่นสื่อชนิดไม่ได้เคลือบ (uncoated media) เช่น plain paper หมึกมีแนวโน้มที่จะกระจายตัวไปตามเส้นใยและทะลวง (penetrate) ลงไปในเนื้อกระดาษ ดังนั้นกลไกการแห้งของหมึก (drying mechanism) จึงขึ้นกับการทะลุทะลวงและการดูดจับ (penetration and adsorption) เป็นกลไกการแห้งที่อาศัยการระเหยของน้ำที่ค่อนข้างช้ามาก ดังนั้นพฤติกรรมดังกล่าวข้างต้นมีผลต่อความเข้มของสี (color density) และความชัดเจนของจุด (spot resolution) บนแผ่นกระดาษ เป็นที่ทราบกันดีว่า กระดาษหรือแผ่นสื่ออื่นๆที่ถูกเคลือบเพื่อรองรับน้ำ สามารถปรับปรุงคุณสมบัติดังกล่าวได้อย่างมาก โดยการควบคุมการแผ่กระจาย (spreading) และการทะลุทะลวง (penetration) ของหมึกที่ชั้นของการเคลือบ Phase-change Inks หรือเรียกว่า Hot melt or Solid ink ซึ่งหมึกดังกล่าวจะอยู่ใน สถานะของแข็ง ณ อุณหภูมิห้อง โดยที่หมึกจะถูกขับออกมาจากหัวพิมพ์ในสภาพของเหลวที่หลอมละลาย (molten liquid) เมื่อของเหลวดังกล่าวสัมผัสผิวกระดาษจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งทันที ซึ่งช่วยป้องกันหมึกจากการแผ่กระจาย หรือทะลุลงลึกในแผ่นสื่อ จึงประกันได้ว่าคุณภาพงานพิมพ์บนสื่อชนิดต่างๆได้เป็นอย่างดี



รูปที่ 10 แสดงภาพ SEM หยดหมึกชนิด phase-change ink ที่พิมพ์อยู่บนผิวหน้า bond paper จะสังเกตเห็นรูปทรงแบบครึ่งทรงกลม โดยไม่มี หรือมีน้อยมากของร่องรอยการเกิดการแผ่กระจาย (spreading) แม้ว่าโครงสร้างของกระดาษจะเกิดจากเส้นใยที่หยาบ (rough fiber)



รูปที่ 11 A SEM photograph of phase-change ink drops after fuse by cold pressure rollers



ตารางที่ 2 แสดงถึงองค์ประกอบต่างๆในหมึกชนิด phase-change operating temperature ของหมึกชนิดนี้อยู่ในช่วง 120 – 140 °C และมี ค่า viscosity อยู่ในช่วง 8-15 cPs

Non-aqueous-based ink
Solvent-based inks โดยทั่วไปที่ถูกใช้ใน industrial marking หรือ coating บนพื้นผิวที่ปราศจากรูพรุน (nonporous substrate) เช่นพลาสติก โลหะ แก้ว ดังนั้นจึงไม่เกิด absorption หรือ penetration ภาพพิมพ์ที่ได้จึงขึ้นกับการระเหยไปอย่างรวดเร็วของตัวทำละลาย (solvent) เพื่อให้เกิดการยึดติดบนแผ่นสื่อ

Oil-base inks ถูกใช้อย่างกว้างขวางใน large-format inkjet printers ซึ่งข้อดีของหมึกชนิดนี้คือแห้งเร็วกว่าและไม่มีรอยย่น (cockle) ของกระดาษเมื่อเทียบกับ water-based ink

Reactive ink โดยทั่วไปคุณภาพการพิมพ์ความคงทนเมื่อใช้ water-based , phase-change และ oil-based ink-jet ink ยอมรับได้เมื่อถูกพิมพ์บน inkjet paper หรือ coated substrate อย่างไรก็ตามเมื่อต้องการพิมพ์ลงบน nonabsorbent substrates เช่น โลหะ แก้ว พลาสติก หมึกดังกล่าวข้างต้นจะใช้ไม่ได้จึงมีแนวคิดในการใช้ UV curable ink เพื่อแก้ปัญหานี้ ความสำเร็จสำหรับการพัฒนาหมึกประเภทนี้ สำหรับการพิมพ์ระบบ inkjet ถูกคาดว่าจะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้

รูปที่ 12 แสดงภาพการเปรียบเทียบของหมึกชนิด dye solution กับ pigment dispersion ที่กระทำกับกระดาษ โมเลกุลของ dye ซึ่งละลายอยู่ในน้ำหมึกมีแนวโน้มที่จะทะลวง หรือดูดซึมลงไปในเนื้อกระดาษ pigment particle มีแนวโน้มจะคงอยู่ที่ผิวของกระดาษ ข้อดีอย่างมีนัยสำคัญข้อหนึ่งของหมึกชนิด pigment-based ink เมื่อเปรียบเทียบกับ dye-based ink คือความคงทนของสี (color durability) เมื่อต้องปะทะกับแสงหรืออยู่ภายใต้สภาวะ outdoor weather แต่อย่างไรก็ตาม pigment-based ink มีข้อเสียตรงที่ความไม่คงตัวของการกระจายตัวของ pigment (particle dispersion instability) ซึ่งอาจเกิดการอุดตันของ nozzle ขึ้นได้