[논문 리뷰] Reduced 30% scanning time 3D multiplexer integrated circuit applied to large array format 20KHZ frequency inkjet print heads

Jing-Chiou Liou, Fan‐Gang Tseng|ArXiv.org|2008. 02. 21.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고밀도 잉크젯 프린트헤드에서 데이터 액세스 포인트와 스캐닝 시간을 줄이기 위해 선택(선택), 주소(주소), 전원 공급(전원 공급) 세 신호를 사용하는 3D 멀티플렉서 통합 회로를 제안한다. 각 발사 저항소자당 게이팅 트anz이스터를 적용하고 3D 데이터 레지스트레이션 아키텍처를 도입함으로써, 1000개 이상의 노즐에 대해 스캐닝 속도가 30% 향상되고 데이터 액세스 포인트는 31개로 줄어들었으며, 0.35 µm CMOS 공정을 사용해 2500×500 µm²의 칩 면적을 확보하였다.

ABSTRACT

Enhancement of the number and array density of nozzles within an inkjet head chip is one of the keys to raise the printing speed and printing resolutions. However, traditional 2D architecture of driving circuits can not meet the requirement for high scanning speed and low data accessing points when nozzle numbers greater than 1000. This paper proposes a novel architecture of high-selection-speed three-dimensional data registration for inkjet applications. With the configuration of three-dimensional data registration, the number of data accessing points as well as the scanning lines can be greatly reduced for large array inkjet printheads with nozzles numbering more than 1000. This IC (Integrated Circuit) architecture involves three-dimensional multiplexing with the provision of a gating transistor for each ink firing resistor, where ink firing resistors are triggered only by the selection of their associated gating transistors. Three signals: selection (S), address (A), and power supply (P), are employed together to activate a nozzle for droplet ejection. The smart printhead controller has been designed by a 0.35 um CMOS process with a total circuit area, 2500 x 500 microm2, which is 80% of the cirucuit area by 2D configuration for 1000 nozzles. Experiment results demonstrate the functionality of the fabricated IC in operation, signal transmission and a potential to control more than 1000 nozzles with only 31 data access points and reduced 30% scanning time.

연구 동기 및 목표

• 고노즐 수를 가진 잉크젯 프린트헤드에서 2D 구동 아키텍처의 한계를 해결하기 위해.
• 1000개 이상의 노즐을 가진 대규모 어레이 잉크젯 헤드에서 필요한 데이터 액세스 포인트와 스캐닝 선 수를 줄이기 위해.
• 고주파수(20 kHz) 잉크젯 인쇄에서 고해상도와 신뢰성을 유지하면서도 더 빠른 스캐닝 속도를 가능하게 하기 위해.
• 고밀도 노즐 어레이에 적합한 확장 가능하고 면적 최소화된 통합 회로 아키텍처를 개발하기 위해.

제안 방법

• 선택(S), 주소(A), 전원 공급(P) 세 가지 제어 신호를 사용한 3D 멀티플렉싱 아키텍처의 구현.
• 각 잉크 발사 저항소자는 S, A, P 신호가 모두 활성화될 때만 작동하는 전용 게이팅 트랜지스터로 제어된다.
• 2500×500 µm²의 작고 컴act한 회로 면적을 확보한 0.35 µm CMOS 공정을 사용한 스마트 프린트헤드 컨트롤러 설계.
• 3차원 데이터 레지스트레이션을 활용해 데이터 액세스 포인트와 스캐닝 선 수를 최소화.
• 각 노즐마다 게이팅 트랜지스터를 통합해 정밀하고 고립된 방식의 방울 분사 제어를 보장.
• 20 kHz 출력 주파수를 지원하기 위해 신호 전송 및 타이밍 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 멀티플렉서 아키텍처는 대규모 어레이 잉크젯 프린트헤드에서 데이터 액세스 포인트와 스캐닝 시간을 줄일 수 있는가?
• RQ2 기존 2D 아키텍처에 비해 S/A/P 신호 트리플렛은 제어 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이 3D 멀티플렉싱 방식을 사용할 경우, 31개의 데이터 액세스 포인트로 효과적으로 제어할 수 있는 최대 노즐 수는 얼마인가?
• RQ4 기존 2D 구성에 비해 3D 멀티플렉서는 스캐닝 시간을 얼마나 줄이는가?
• RQ5 1000개의 노즐에 대해 표준 2D 구성에 비해 제안된 IC 설계의 면적 효율은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제작된 IC는 기존 2D 아키텍처에 비해 스캐닝 시간을 30% 감소시켰다.
• 1000개 이상의 노즐을 제어하기 위해 단지 31개의 데이터 액세스 포인트만 필요로 했다.
• 기존 2D 구성에 비해 필요로 하는 면적을 80%로 줄였다.
• 3D 멀티플렉서 설계는 안정적인 신호 전송을 보장하며 20 kHz 주파수에서 정상적으로 작동함을 입증했다.
• 기능 검증을 통해 IC가 정밀한 타이밍 제어와 저전력 소비를 바탕으로 고밀도 노즐 어레이를 효과적으로 제어할 수 있음을 확인했다.
• S/A/P 신호 트리플렛은 최소한의 교차 간섭과 높은 신뢰성으로 개별 노즐의 선택적 활성화를 가능하게 했다.